第3章局域网和城域网20121008

1、第第3 3章章 局域网和城域网局域网和城域网 局域网协议类型局域网协议类型 3.2 以太网以太网 3.3基本原理基本原理 3.1 以太网以太网 3.3 城域网城域网 3.6 无线局域网无线局域网 3.5 高速以太网高速以太网 3.4 无线局域网无线局域网 3.5 无线局域网无线局域网 3.5 无线局域网无线局域网 3.5局域网是指在较小区域范围内由各种计算局域网是指在较小区域范围内由各种计算机和数据通信设备互连在一起形成的计算机和数据通信设备互连在一起形成的计算机通信网络。机通信网络。广域网的地域跨度则较大，其范围可能覆广域网的地域跨度则较大，其范围可能覆盖一个国家或一个大的行政区域。盖一个国

2、家或一个大的行政区域。城域网的规模则介于局域网和广域网之间城域网的规模则介于局域网和广域网之间，可能覆盖一个城市，通常可以看成是较，可能覆盖一个城市，通常可以看成是较大的局域网，采用的技术也与局域网相似大的局域网，采用的技术也与局域网相似。3.1 3.1 基本原理基本原理 1.局域网的组成：局域网的组成：（1）计算机（包括个人计算机和服务器）；）计算机（包括个人计算机和服务器）；（2）传输介质；）传输介质；（3）网络适配器（网卡）；）网络适配器（网卡）；（4）网络操作系统。）网络操作系统。局域网特点1 1、地理范围和站点数量有限；、地理范围和站点数量有限；2 2、较高的数据率、较低的时延；、较

3、高的数据率、较低的时延；3 3、支持多种通信介质；、支持多种通信介质；4 4、较小的误码率。、较小的误码率。3.1.2 3.1.2 拓扑结构拓扑结构(topology) 拓扑结构：网络设备的组织形式。拓扑结构：网络设备的组织形式。1.5 1.5 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构 服务器服务器工作站工作站工作站工作站工作站打印机打印机总线型拓扑(bus topology)采用以太网10Base2、10Base5；电缆长度短，布线容易；？工作可靠性高；？增加/减少节点方便；？范围受限制；故障排除困难。1.5 1.5 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构 环型拓扑(ring topolo

4、gy)采用以太网802.4、802.5；电缆长度短，布线容易；？可靠性差。服务器服务器工作站工作站打印机打印机工作站工作站工作站工作站工作站1.5 1.5 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构 星型拓扑(star topology)采用以太网10Base-T、100Base-T、1000Base-T；容错性强；重新配置方便。集线器1.5 1.5 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构 网型拓扑(net topology)容错性最强；成本高。拓扑结构举例1拓扑结构举例2拓扑结构举例3拓扑结构举例4局域网的体系结构IEEE 802协议 802.10安全 802.1概述和体系结构 802.1管

5、理 802.2逻辑链路控制 802.1网间互连 802.3MAC802.3物理802.4MAC802.4物理802.5MAC802.5物理802.6MAC802.6物理802.11MAC802.11物理802.12MAC802.12物理数据链路层物理层IEEE 802标准簇802.1A综述和体系结构802.1B寻址、网络管理、网间互连及高层接口802.2逻辑链路控制LLC、高层协议与MAC子层接口802.3带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD方法和物理层规范802.4令牌传递总线访问方法和物理层规范802.5令牌环访问方法和物理层规范802.6城域网访问方法和物理层规范802.7IEEE

6、为宽带LAN推荐的实用技术802.8光纤技术802.9介质访问控制子层MAC与物理层上的集成服务接口802.10互操作LAN安全标准802.11无线局域网介质访问方法及物理层规范802.12需要优先权的访问方法及物理层和重发器描述802.14交互式电视网3.2 3.2 局域网协议类型局域网协议类型3.2.1 LLC子层子层1LLC的功能的功能 在在LLC子层协议中，规定了子层协议中，规定了3种类型种类型的服务规范。的服务规范。 （1）网络层与）网络层与LLC子层间的服务规范：子层间的服务规范：用于描述用于描述LLC子层及其下各层为网络层子层及其下各层为网络层提供的服务；提供的服务； （2）LL

7、C子层与子层与MAC子层间的服务规范：子层间的服务规范：用于描述用于描述LLC子层要求子层要求MAC子层为其提供子层为其提供的服务；的服务； （3）LLC子层与子层与LLC子层间的服务规范：子层间的服务规范：用于描述提供给用于描述提供给LLC子层的管理服务。子层的管理服务。 网络层、网络层、LLC子层、子层、MAC子层与物子层与物理层的关系如图理层的关系如图3.3所示。所示。NSAPNSAP：网络层服务访问点：网络层服务访问点 LSAPLSAP：逻辑链路控制子层服务访问点：逻辑链路控制子层服务访问点 MSAP MSAP：介质访问控制子层服务访问点：介质访问控制子层服务访问点 PSAPPSAP：

8、物理层服务访问点：物理层服务访问点图图3.3 IEEE 8023.3 IEEE 802参考模型中各层关系示意图参考模型中各层关系示意图2网络层与网络层与LLC子层间界面的服务规范子层间界面的服务规范 LLC子层为网络层提供子层为网络层提供3种类型的服种类型的服务。务。（1）无确认无连接的服务）无确认无连接的服务（2）有确认无连接的服务）有确认无连接的服务（3）面向连接的服务）面向连接的服务3LLC子层与子层与MAC子层间界面子层间界面的服务规范的服务规范4LLC子层与子层与LLC子层间的服子层间的服务规范务规范图图3.4 LLC3.4 LLC的的PDUPDU格式格式 （1）DSAP字段字段 目

9、的服务访问点（目的服务访问点（Destination Service Access Point）结构如图）结构如图3.5所示。所示。 地址类型：地址类型：1bit。用来标识。用来标识DSAP地址为地址为个人地址还是组地址。个人地址还是组地址。0表示个人表示个人DSAP，1表示组表示组DSAP。 实际地址：实际地址：7bit。图图3.5 3.5 目的服务访问点字段目的服务访问点字段 （2）SSAP字段字段 源服务访问点（源服务访问点（Source Service Access Point）结构如图）结构如图3.6所示。所示。 图图3.6 3.6 源服务访问点字段源服务访问点字段 命令命令/响应标

10、志位：响应标志位：1bit。用来识别。用来识别LLC PDU是命令还是响应。是命令还是响应。0表示命令，表示命令， 1表示响应。表示响应。 实际地址：实际地址：7bit。（3）控制字段）控制字段图图3.7 3.7 控制字段结构控制字段结构 信息帧。信息帧。2byte，用于信息数据传输。，用于信息数据传输。控制字段第控制字段第1位为位为“0”； 管理帧。管理帧。2byte，用于流量控制。控，用于流量控制。控 制字段前两位为制字段前两位为“10”； 无编号帧。无编号帧。1byte，用于，用于LLC子层控制子层控制信号的传输，以建立或释放逻辑链路。控信号的传输，以建立或释放逻辑链路。控制字段的前两位

11、为制字段的前两位为“11”。 帧结构中其余各字段含义如下所示：帧结构中其余各字段含义如下所示： N(S)发送端发送序列号（发送端发送序列号（Transmitter send sequence number），帧的序列号。），帧的序列号。 N(R)发送端接收序列号（发送端接收序列号（Transmitter receive sequence number），指示下一次希），指示下一次希望接收的帧序列号。与望接收的帧序列号。与N（S）配合工作以）配合工作以实现流量和差错控制功能。实现流量和差错控制功能。 P/FPoll/final位（探询位（探询/终止位）。主终止位）。主站设置时作探询位解释，置站设

12、置时作探询位解释，置1表示要求从站表示要求从站发送相应帧。从站设置时作终止位解释，发送相应帧。从站设置时作终止位解释，置置1说明此帧为响应帧，或传输已结束。说明此帧为响应帧，或传输已结束。 S监督功能位。监督功能位。 M修正功能位。用于定义修正功能位。用于定义U帧的类型帧的类型，最多可以定义，最多可以定义32种不同的种不同的U帧。帧。 X预留位，设置为预留位，设置为0。（4）LLC数据数据 图图3.8 LLC PDU3.8 LLC PDU与与MACMAC帧帧 3.2.2 MAC子层子层 在局域网中，各结点可以共享网络在局域网中，各结点可以共享网络中的传输介质，但这并不意味着可以在中的传输介质，

13、但这并不意味着可以在传输介质上同时传送多个帧。传输介质上同时传送多个帧。 当某个结点要向共享介质发送数据当某个结点要向共享介质发送数据时，首先要获得对介质的访问权。时，首先要获得对介质的访问权。 MAC子层就是用来实现介质访问控子层就是用来实现介质访问控制功能的网络实体。制功能的网络实体。 1集中式与分布式集中式与分布式（1）集中方式）集中方式（2）分布方式）分布方式2同步方式与异步方式同步方式与异步方式（1）同步方式）同步方式（2）异步方式）异步方式 循环式循环式 在这种方式中，每个站点按照一定在这种方式中，每个站点按照一定的顺序传递发送权限，每个站点都有轮的顺序传递发送权限，每个站点都有轮

14、流发送数据的机会。流发送数据的机会。 预约式预约式 对于平稳的流式业务，可以采用预对于平稳的流式业务，可以采用预约技术。约技术。 竞争式竞争式 突发式业务可以采用竞争技术。突发式业务可以采用竞争技术。3.2.3 物理层物理层 物理层的功能是实现比特流的传输，物理层的功能是实现比特流的传输，是数据通信的基础。是数据通信的基础。 物理层协议规定了与建立、维持及物理层协议规定了与建立、维持及 断开物理信道有关的特性，包括机械特断开物理信道有关的特性，包括机械特 性、电气特性、功能特性和规程特性性、电气特性、功能特性和规程特性4个个方面。方面。不需要数据链路层协议的数据传输假定1：链路是理想的传输信道

15、，所传送的任何数据 既不会出差错也不会丢失；假定2：不管发方以多快的速率发送数据，收方总是 来得及收下，并及时上交主机。A B时间DATADATADATADATA送主机B送主机B送主机B送主机B具有简单流量控制的数据链路层协议A B时间DATADATA送主机B送主机B假定1：链路是理想的传输信道，所传送的任何数据 既不会出差错也不会丢失。发送结点：1、从主机取数据帧2、数据帧送发送缓存3、发送数据帧4、等待5、收到接收结点信息，返到1接收结点：1、等待2、数据帧放到接收缓存3、数据帧上交主机4、向发送结点发信息5、返到1停止等待协议的基本原理A B时间DATA0DATA1送主机送主机ACKAC

16、KA BDATA0DATA0送主机NAKACK重传出错A BDATA0DATA0送主机ACK丢失重传touttoutA BDATA0DATA0送主机丢弃ACKACK重传丢失连续ARQ协议工作原理ACK0ABtftoutDATA0 1 2 3 4 5 6 7 8 9ACK1送主机ACK2ACK3数据帧出错情况ACK0ABtftoutDATA0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6 重传ACK1出错送主机 丢弃 送主机ACK2ACK31、接收端只按序接收数据帧；2、发完数据帧时设置超时计时器；3、连续发送数据帧提高效率； 重传正确数据帧降低效率。（3）控制字段）控制字段图图3.7 3.7 控制字

17、段结构控制字段结构 监督帧 S (Supervisory)第3-4比特 帧 名 功 能 0 0 RR(Receive Ready) 准备接收下一帧 接收准备就绪 确认序号为N（R）-1及以前的各帧 1 0 RNR(Receive Not Ready) 暂停接收下一帧 接收未就绪 确认序号为N（R）-1及以前的各帧 0 1 REJ(Reject) 从N（R）起的所有帧都否认 拒绝 但确认序号为N（R）-1及以前的各帧 1 1 SREJ(Selective Reject) 只否认序号为N（R） 的帧 选择拒绝 但确认序号为N（R）-1及以前的各帧无编号帧 U (Unnumbered)比特 1 2

18、3 4 5 6 7 81 1 M P/F M命令响应命令响应M M编码编码帧类型帧类型功能功能3467834678命令命令响应响应SNRMSNRM0000100001Y Y置正常响应模式置正常响应模式SARM/DMSARM/DM1100011000Y YY Y置异步响应模式置异步响应模式/ /拆线方式应答拆线方式应答SABMSABM1110011100Y Y置异步平衡模式置异步平衡模式DISC/RDDISC/RD0001000010Y YY Y拆除链路拆除链路/ /请求拆除请求拆除SIM/RIMSIM/RIM1000010000Y YY Y初始化初始化/ /请求初始化请求初始化RESETRES

19、ET1100111001Y Y复位复位UIUI0000000000Y YY Y允许数据超过规定长度允许数据超过规定长度FRMRFRMR1000110001Y YY Y收到非定义帧收到非定义帧UAUA0011000110Y Y置模式与拆除链路命令的响应置模式与拆除链路命令的响应数据链路建立阶段CombinedStationCombinedStation标志F（01111110）OKOK物理连接OK异步响应模式SARMtimer同意V(R)=0响应帧UAV(S)=0数据链路OK不同意数据传送阶段CombinedStationCombinedStationHDLC帧N(S)=V(S)V(S)+1N(

20、S) = V(R) RR/RNR/REJ?yes处理链路拆除阶段CombinedStationCombinedStation拆除连路DISCUA同意N次3.3 3.3 以太网以太网1975年，Xerox研制成功局域网，命名以太网（EthernetEthernet）；1981年，Xeror、Digital、Intel联合提出以太网规约；1982年，修改为第二版以太网规约；1982年，IEEE802.3标准发布。以太网主要技术发展情况 时间 技术描述 IEEE标准 介质1982年 10BASE5 802.3 粗同轴电缆1985年 10BASE2 802.3a 细同轴电缆1990年 10BASE-T

21、 802.3i 双绞线1993年 10BASE-F 802.3j 光纤1995年 100BASE-T 802.3u 双绞线、光纤1997年 全双工以太网 802.3x 1998年 1000BASE-X 802.3z 光纤、短屏蔽铜缆1999年 1000BASE-T 802.3ab 双绞线3.3.1 MAC3.3.1 MAC协议协议802.3带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA/CD方法和物理层规范CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision detection)MAC帧格式前同步码MAC帧8字节目的地址 源地址类型数据FCS目的地址 源地址

22、数据长度数据FCSLLC PDULLC子层MAC子层物理层MAC帧802.3MAC帧以太网V2MAC帧字节 2或6 2或6 2 46-1500 47字节：前导码 101010101字节：帧首定界符10101011MAC地址也称物理地址、硬件地址；1位 1位 22位 24位I/G U/L IEEE分配的地址 局部分配的物理地址0=individual1=group0=unique1=local地址检查网卡检查MAC帧中硬件地址： 发往本站，处理； 不是发往本站，丢弃。单播( unicastunicast )帧：一对一通信广播(broadcastbroadcast)帧：一对所有通信多播(multi

23、castmulticast)帧：一对多通信CSMA流程有待发帧 发 送 等待2 收到ACK延时是否载波空闲否否是是谁来说： 先先听先说听先说怎么说： 先先听听后说后说非坚持CSMA信道忙是否发送随机延时时间特点：1）信道空闲随机延迟发送， 减少冲突；2）浪费信道容量。1坚持CSMA特点：1）信道空闲立即发送， 避免信道浪费；2）冲突可能性大。信道忙是否发送随机延时时间等待2 收到ACK否是P坚持CSMA信道忙是否发送产生随机数IIP否是否延迟特点：1）既减少冲突；2）又降低浪费信道容量；3）P过大，不稳定。CSMA/CD原理怎么说： 边说边听边说边听 载波监听 有待发帧 发 送 出口冲突延时一

24、个随机时间是否是否强化冲突放弃帧的发送冲突检测冲突检测方法： 1）比较接收到信号的电压大小 2）检测曼彻斯特编码过零点 3）发送帧同时进行接收CSMA/CD争用期A检到冲突冲突开始B发送数据干扰信号TTdJBA B信道占用时间tTdT1）争用期：T +T +T 51.2sB J d 2）最小帧512bit，64字节（填充）二进制指数退避算法1、确定基本退避时间，如2T2、定义K=Min重传次数，103、从离散整数集合0，1，. . .，2 1中随机取一数，记r4、重传时延为r倍基本退避时间，即2T*r5、重传超过16次，放弃，报告K3.3.3 3.3.3 物理层物理层以太网物理层规范以太网物理

25、层规范类类 型型速度（速度（Mbit/sMbit/s）最最 大大 网网 段段使使 用用 介介 质质10Base510Base51010500m500m粗同轴电缆粗同轴电缆10Base210Base21010185m185m细同轴电缆细同轴电缆10Base-T10Base-T1010100m100m3 3类类UTPUTP100Base-TX100Base-TX100100100m100m5 5类类UTPUTP或或STPSTP100Base-FX100Base-FX100100412m412m多模多模/ /单模光缆单模光缆1000Base-T1000Base-T10001000100m100m5

26、5类类UTPUTP1000Base-LX1000Base-LX10001000550m/5km550m/5km多模多模/ /单模光纤单模光纤1000Base-SX1000Base-SX10001000220220550m550m多模光纤多模光纤1000Base-CX1000Base-CX1000100025m25m屏蔽双绞线屏蔽双绞线10GBase-SR10GBase-SR10G10G300m300m串行串行“光优化光优化”多模光纤多模光纤10GBase-LR10GBase-LR10G10G10km10km串行，单模串行，单模10GBase-ER10GBase-ER10G10G40km40km

27、串行，单模串行，单模10GBase-T10GBase-T10G10G55m/100m55m/100m6 6类类/7/7类类UTPUTP3.3.4 3.3.4 组网设备组网设备（1 1）网段：网段通常有两种概念，一种是）网段：网段通常有两种概念，一种是物理上的，指由一些结点所组成的网络区域。物理上的，指由一些结点所组成的网络区域。（2 2）冲突域：指在共享介质的局域网中，）冲突域：指在共享介质的局域网中，发生冲突碰撞的区域。在一个冲突域中，同时发生冲突碰撞的区域。在一个冲突域中，同时只能有一个结点发送数据。只能有一个结点发送数据。（3 3）广播域：当局域网上任意一个结点发）广播域：当局域网上任意

28、一个结点发送广播帧时，能收到这个广播帧的所有结点都送广播帧时，能收到这个广播帧的所有结点都处于同一个广播域。处于同一个广播域。2 2中继器和集线器中继器和集线器3 3桥接和交换桥接和交换4 4路由器路由器IEEE 802.3标准10Base510Base210BaseT10Broad3610BaseFP传输媒体同轴电缆（50欧姆）同轴电缆（50欧姆）非屏蔽双绞线同轴电缆（75欧姆）850nm光纤对编码技术基带（曼彻斯特码）基带（曼彻斯特码）基带（曼彻斯特码）宽带（DPSK）曼彻斯特码（on-off）拓扑总线总线星形总线/树形星形最大网段5001851001800500每段节点数10030-33

29、3.4.1 3.4.1 快速以太网快速以太网100Base-TX1类STP双绞线、5类UTP双绞线： 1对发送、1对接收；MLT3位编码： 1）三种电平：+V、-V、0 2）输入位0，不变 3）输入位1：由非00 由0相反电平1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 11 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1+V0-V100Base-FX62.5/125s光纤：1芯发送、1芯接收；4B/5B-NRZI编码：100Base-T43类UTP双绞线、5类UTP双绞线： 3对传送数据、1对冲突检测； 8B/6T-NRZ编码：子信道D1 D2 D3 D4发送*接收*冲突检测*100Base-T以

30、太网媒体选项 100BASE-T4 100BASE-TX 100BASE-FX传输介质 4对3、4、5 2对1类STP、 2条光纤 类UTP双绞线 5类UTP双绞线信号传输技术 8B6T MLT-3 4B5B 介质段长度 100m 100m 400m物理范围、跨距 200m 200m 400m （冲突域）拓扑结构 星型 星型 星型 网卡上连接器 RJ-45 RJ-45 ST3.4.2 吉比特以太网吉比特以太网吉比以太网(GigaEthernet)；半双工使用CSMA/CD协议；利用成熟技术： 以太网协议管理帧传送和介质访问层 存取； 光纤通道技术；目前主流技术主流技术；最小帧问题第一个问题：最

31、小帧 最小帧长512比特，争用期512字节； 载波扩展技术，帧补充（0F）至512字节；目的地址 源地址 类型/长度数据FCS扩展正常数据帧满足最小帧条件的数据帧资源浪费问题第二个问题：资源浪费 帧阵发，第一个短帧补充，后续短帧连续发；64kbit(8kB)帧间隔MAC帧MAC帧(扩展)帧间隔MAC帧媒体访问控制第三个问题：流控制和缓冲 允许非对称流量控制千兆以太网物理层标准 标准 介质 激光器 最大传输距离1000BASE-X（802.3z）8B/10B 1000BASE-SX 62.5m多模光纤 850nm 275m/275m 50m多模光纤 850nm 316m/550m 1000BAS

32、E-LX 62.5m多模光纤 1310nm 316m/550m 50m多模光纤 1310nm 316m/550m 9m单模光纤 1310nm 316m/5000m 1000BASE-CX STP 25m1000BASE-T （802.3ab）PAM-5 5类UTP 100m自动协商(Auto-Negotiation)优先级技术1（最高）1000BaseT全双工21000BaseT半双工3100BaseT2全双工4100BaseTX全双工全双工5100BaseT2半双工6100BaseT47100BaseTX半双工半双工810BaseT全双工全双工9（最低）10BaseT半双工半双工3.4.3

33、3.4.3 十吉比特以太网十吉比特以太网 以太网在局域网中占有绝对的优势。以太网在局域网中占有绝对的优势。 但是在很长一段时间内，人们普遍认但是在很长一段时间内，人们普遍认为由于带宽以及传输距离上的限制，无法为由于带宽以及传输距离上的限制，无法将以太网用于城域网及广域网中。将以太网用于城域网及广域网中。 但十吉比特以太网的出现彻底改变了但十吉比特以太网的出现彻底改变了人们对以太网的看法。人们对以太网的看法。3.4.3 3.4.3 十吉比特以太网十吉比特以太网2002年正式采纳为802.3ae标准；保留以太网媒体访问控制协议、以太网帧格式和大小；只支持全双共方式；只采用光纤作为传输媒体。物理媒体

34、选项技术编码方式媒体选项物理媒体激光器 传输距离8.3m单模光纤1310nm 2m-10km50/62.5m多模光纤 1310nm 2m-300m10GBaseR 64B/66B黑光纤10GBaseSW 50/62.5m多模光纤 850nm 2m-300m10GBaseLW 8.3m单模光纤1310nm 2m-10km10GBaseEW 8.3m单模光纤1550n 2m-40km10GBaseX8B/10B 10GBaseLX410GBaseW 64B/66B3.4.4 交换式以太网交换式以太网 随着计算机网络的普及、各种业务随着计算机网络的普及、各种业务和应用的发展，用户对带宽和服务质量和应用的发展，用户对带宽和服务质量的要求越来越高，传统的共享介质型局的要求越来越高，传统的共享介质型局域网难以满足组网和用户不