第四章计算机局域网络(市场营销学中南财经政法大学,郑兆红)

1、Page 12022/5/23第四章第四章 计算机局域网络计算机局域网络本章重点本章重点局域网的特点及关键技术局域网的特点及关键技术介质访问控制方法：介质访问控制方法： CSMA/CD，TOKEN-PASSING以太网技术以太网技术高速局域网高速局域网Page 22022/5/231. LAN的特点的特点 覆盖范围小覆盖范围小房间、建筑物、园区范围房间、建筑物、园区范围 距离距离25km 高传输速率高传输速率10Mbps1000Mbps 低误码率低误码率10-8 10-10 采用总线、星形、环形拓扑采用总线、星形、环形拓扑 双绞线、同轴电缆、光纤双绞线、同轴电缆、光纤 为一个单位所拥有，自行建

2、为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务设，不对外提供服务Page 32022/5/23l拓扑结构（逻辑、物理）拓扑结构（逻辑、物理）总线型总线型、星型星型、环型、树型、环型、树型l介质访问方法介质访问方法按协议实现信道共享按协议实现信道共享:CSMA/CD和和Token-passingl信号传输形式信号传输形式基带基带、宽带、宽带Page 42022/5/23n总线型总线型: 所有结点都直接连接到共享信道所有结点都直接连接到共享信道n星型星型 : 所有结点都连接到中央结点所有结点都连接到中央结点n环型环型 : 结点通过点到点链路与相邻结点连接结点通过点到点链路与相邻结点连接BusStarR

3、ingABCCADCBABCATPage 52022/5/23IEEE802标准标准网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC媒体访问控制媒体访问控制 MAC高层高层 OSI IEEE 802物理层物理层PHY由由NOS来实现来实现Page 62022/5/23IEEE802标准的主要成员标准的主要成员802.2 - 逻辑链路控制逻辑链路控制LLC 802.3 - 802.4 - 802.5 - 802.6 - 802.8 802.11 无线无线LANPage 72022/5/23802.3CSMA/CD802.4Token Bus802.5Token Rin

4、g802.6DQDB802.8FDDI802.2 LLC数据链路层数据链路层 物理层物理层LLCMAC802.1D Bridge802.1A 体系结构体系结构IEEE802体系结构示意图体系结构示意图PHYPage 82022/5/23 载波侦听多路访问载波侦听多路访问/ /冲突检测冲突检测( (CSMA/CD)CSMA/CD)C Carrier arrier S Sense ense M Multiple ultiple A Access/ccess/C Collision ollision D Detectetect 令牌传递令牌传递( (Token Passing)Token Passi

5、ng)Token RingToken RingToken BusToken BusFDDI(FDDI(双环双环) )常见的有两种：常见的有两种：Page 92022/5/23 工作原理：发送前监听。每个站点在发送数据之前要监工作原理：发送前监听。每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。若有，则此站听信道上是否有数据在传送。若有，则此站不能不能发送，发送，需需等待一段时间后重试。等待一段时间后重试。 载波监听策略：载波监听策略： 非坚持非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。一个随机时间后再次监听。 坚持坚持CSM

6、A：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲空闲。 1-坚持坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据：一听到信道空闲就立即发送数据 p-坚持坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率：听到信道空闲时，以概率p发送数据发送数据（以以概率概率1-p延迟一段时间后再发送延迟一段时间后再发送）CSMA技术不能解决发送中出现的冲突现象。技术不能解决发送中出现的冲突现象。Page 102022/5/23工作原理：工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲发送前先监听信道是否空闲，若空闲则则立即发送数据立即发送数据。在发送时，。在发送时，边发边边发边继续继续监听。若监听。若

7、监听到冲突，则立即停止发送。监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。（称为退避）以后，再重新尝试。CSMA/CD可归结为四句话：可归结为四句话： 发前先侦听，空闲即发送，发前先侦听，空闲即发送， 边发边检测，冲突时退避。边发边检测，冲突时退避。Page 112022/5/23媒体忙？媒体忙？发送发送帧帧碰撞？碰撞？发发送送完？完？发送发送JamJamN16?N16?YesYesNoNoNoNoYesYes发送成功发送成功YesYes发送失败发送失败NoNo延迟随机时间延迟随机时间NoNoYesYes发送帧发送帧碰撞次数碰撞次数N+N+Page

8、122022/5/23ABDC站点站点干线耦合器干线耦合器单向环单向环 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环发送缓冲区发送缓冲区接收缓冲区接收缓冲区 接收接收发送发送线路线路驱动驱动线路线路接收接收控制器控制器DTE环路环路输输入入环路环路输出输出干线耦合器的干线耦合器的结构结构 传输媒体：传输媒体：STP、光纤，速率、光纤，速率4/16Mbps； 最多站点数：最多站点数：250， 信号采用曼彻斯特编码信号采用曼彻斯特编码TCU高层软件高层软件Page 132022/5/23工作状态：工作状态： 发送方式发送方式 （站点发送数据时）（站点发送数据时） 收听收

9、听/转发方式（其他时候）转发方式（其他时候）收听方式下，收听方式下，TCU与与DTE断开断开 TCU对对位流再生并转发位流再生并转发，同时，同时监视帧中监视帧中是否出现本站地址和令牌是否出现本站地址和令牌。若出现本站若出现本站地址，则将开关地址，则将开关K闭合，闭合，TCU与与DTE接通，接通，位流复制到位流复制到DTE，同时继续转发；若出现，同时继续转发；若出现令牌且有数据要发送，则截获令牌，转令牌且有数据要发送，则截获令牌，转为发送方式，发送数据帧。为发送方式，发送数据帧。发送方式下，数据以帧为单位从发送方式下，数据以帧为单位从TCU的的输出端发送到下一个输出端发送到下一个TCU的输入端。

10、的输入端。 DTETCU收听方式收听方式KKDTETCU发送方式发送方式KKPage 142022/5/231）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。）的特殊帧来控制的。只有只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。站只能等待。2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。面加挂上自己的数据进行发送。Page 152022/5/233）数据帧通过任何一个站点数据帧通过任何一个站点(除源站点外除源

11、站点外)时，该时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较： a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中；供高层软件处理，同时将帧送回环中； b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。如果地址不符合，则直接将帧送回环中。 4）数据循环一周后由发送站回收。数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，从环上移去，同时再放一个空令牌到环上同时再放一个空令牌到环上，使其，使其余的站点能获得

12、发送帧的许可权。余的站点能获得发送帧的许可权。Page 162022/5/23ATATATDataCTDataCTDataCTDataCData（a）（b）（c）帧循环一圈后帧循环一圈后A将数据帧回收将数据帧回收并放出空令牌并放出空令牌A有数据要发有数据要发送，它抓住空送，它抓住空令牌令牌A将令牌修改将令牌修改为数据帧，并为数据帧，并加挂数据加挂数据Page 172022/5/23 起始、结束起始、结束标志标志 访问控制字段访问控制字段包括包括：起始起始接入控制接入控制结束结束1B1B1B令牌帧令牌帧非令牌帧（信息帧非令牌帧（信息帧/控制帧）控制帧）起始起始 访问控制访问控制 帧控制帧控制目的

13、地址目的地址源地址源地址数据数据FCS结束结束帧状态帧状态1112/62/6 04 1 1BP P P T M R R R优先级位优先级位 令牌位令牌位监督位监督位预约位预约位 优先级与预约优先级与预约及及优先级限制优先级限制位位。 令牌位：帧类型标识。令牌位：帧类型标识。0 - 令牌；令牌；1 - 信息信息/控制帧控制帧 监督位：防止无效帧在环路中无限循环。监督位：防止无效帧在环路中无限循环。Page 182022/5/23ABCDE集线器集线器Page 192022/5/23 特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网物理层：传输媒体为物理层：传输媒体为75

14、宽带同轴电缆，数据宽带同轴电缆，数据速速率率为为1Mb/s、5Mb/s或或10Mb/s；传输机制为以太网和令牌环的结合：传输机制为以太网和令牌环的结合： 物理传输采用广播方式；物理传输采用广播方式； 介质访问控制采用令牌方式。介质访问控制采用令牌方式。Page 202022/5/23按功能划分为两个子层：按功能划分为两个子层：LLC和和MAC功能分解的目的：功能分解的目的： 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分部分分开开，降低实现的复杂度。，降低实现的复杂度。 局网特点：共享信道局网特点：共享信道(如总线如总线)。需要解决介质。需要解决介质访问控制

15、访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于问题。分层可以使帧的传输独立于介质和介质和MAC方法。方法。 LLC： 与介质、拓扑无关；与介质、拓扑无关； MAC：与介质、拓扑相关。：与介质、拓扑相关。Page 212022/5/23LAN的链路层的链路层与传统的数据链路层的区别：与传统的数据链路层的区别： LAN链路支持多重访问，支持成组地址和广播链路支持多重访问，支持成组地址和广播； 支持支持MAC介质介质访问控制功能访问控制功能； 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点、多路复提供某些网络层的功能，如网络服务访问点、多路复用用、流量控制、差错控制、流量控制、差错控制.MAC子层功能：成

16、帧子层功能：成帧/拆帧，拆帧， 实现、维护实现、维护MAC协议，位差错协议，位差错检测，寻址检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供子层功能：向高层提供SAP，建立，建立/释放逻辑连接，差错释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，控制，帧序号处理，提供提供某些网络层功能某些网络层功能。 LANLAN对对LLCLLC子层透明，仅在子层透明，仅在MACMAC子层才可见子层才可见LANLAN的标的标准准( (对不同的对不同的LANLAN标准标准，区别在区别在MACMAC子层子层) )Page 222022/5/23 DSAPSSAP控制控制数据数据 111/2长度无限制长度无限制 单位：字节单位：字节高层

17、高层PDU LLC数据数据 LLC首部首部MAC首部首部MAC尾部尾部MAC数据数据LLC帧和帧和MAC帧的帧的关系关系Page 232022/5/23IEEE802标准为每个标准为每个DTE规定了一个规定了一个48位的全局地址位的全局地址，它是它是站点的站点的全球全球唯一唯一的的标识符，与其物理位置标识符，与其物理位置无关无关。MAC地址（物理地址）地址（物理地址）MAC地址地址为为6Byte（48位）位）。MAC地址的前地址的前3个字节（高个字节（高24位）由位）由IEEE统一分配统一分配给厂商，低给厂商，低24位由厂商分配位由厂商分配给每一块网卡。给每一块网卡。网卡的网卡的MAC地址可以

18、认为就是该网卡所在站点的地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。地址。Page 242022/5/23网络层网络层由于由于IEEE 802局域网拓扑结构简单，一般不需中间局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等如路由选择等)是是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故制等功能可在数据链路层完成，故IEEE 802标准没标准没有单独设立网络层。有单独设立网络层。高层高层局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来

19、实现，如）来实现，如Unix、Windows NT、Netware等。等。Page 252022/5/23IEEE 802.3，即使用即使用1坚持的坚持的CAMA/CD协议的协议的LAN标准标准，数据率从，数据率从1M到到10M (现已发展到现已发展到1000M)，支持多种传输媒体。，支持多种传输媒体。Page 262022/5/23Page 272022/5/2310Base5 粗同轴粗同轴10Base2 细同轴细同轴10BaseT 双绞线双绞线 10BaseF MMF100BaseT 双绞线双绞线100BaseF MMF/SMF1000BaseX 屏蔽短双绞线屏蔽短双绞线/MMF/SMF1

20、000BaseT 双绞线双绞线10 Base 5Page 282022/5/23Page 292022/5/23Page 302022/5/23Page 312022/5/236.10Broad36Page 322022/5/23 物理层物理层站接口站接口数据封装数据封装/解封（解封（MAC 帧）帧）链路管理（链路管理（CSMA/CD协议）协议）曼彻斯特编码曼彻斯特编码/译码译码发送发送/接收接收MACLLCPage 332022/5/23l每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据l为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点为决定那个站点接收，需

21、要寻址机制来标识目的站点l目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧ABCABCABCABCAA(1)C 发现总线空闲发现总线空闲(2)C发送帧，目的地址为发送帧，目的地址为A(3)B 忽略该帧忽略该帧(4)A复制该帧复制该帧A信号由终端电阻吸收信号由终端电阻吸收终端电阻终端电阻Page 342022/5/23FCSSATypePADADataPadFCSPA SALENSFDDALLC PDUPadPage 352022/5/23FCSSATypePADADataPadPA帧n帧n+1Page 362022/5/23以网络交换机为主干的以太网以网络交换机为主

22、干的以太网拓扑仍为星形结构（总线拓扑仍为星形结构（总线/HUBLAN_SWITCH）为何要使用网络交换机？为何要使用网络交换机？ 以太网以太网共享介质网络共享介质网络 共享介质网络中共享介质网络中站点数的增加将导致站点数的增加将导致LAN的性能降低的性能降低，相当于多个子，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数减少站点数)网络交换网络交换总线网络或基于集线器的网络：总线网络或基于集线器的网络：网络总带宽网络总带宽=10Mbps，n个站点共享，每站点平均带宽个站点共享，每站点平均带宽10/n Mbps；基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信

23、息，不受基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制，的限制， 网络总带宽网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为，每个连接的带宽为10Mbps ；Page 372022/5/23使用交换机后，可建立多个并发使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如：的通信。例如：8个端口可建立个端口可建立4个并发通信，个并发通信，总带宽总带宽 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps在访问服务器的流量非常大的网在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置络中，可在交换机上设置1-2个高个高速端口速端口(100Mbps/1Gbps)，把服，把服务器与该高

24、速端口相连，便可大务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为连接服务器的方法又称为Big-Pipe。10Mbps 网络交换机网络交换机Page 382022/5/23交换机的两种用法交换机的两种用法(以以10Mbps网络交换机为例网络交换机为例)： (1) 端口下接站点：站点独占端口下接站点：站点独占10Mbps带宽带宽 (2) 端口下接网段：网段中所有站点共享端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽带宽共享共享10M独享独享10M共享共享10M独享独享10M网络交换机网络交换机SwitchHUBHUBPage 39202

25、2/5/232. 100Mbps 快速以太网快速以太网又称快速以太网又称快速以太网(Fast Ethernet，FE)，包括，包括100Base-TX和和100Base-FX。与与10Mbps网络的比较：网络的比较：拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样；拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样；传输率快传输率快10倍；倍；帧结构和介质访问控制方式沿用帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3。 3种不同的物理层标准：种不同的物理层标准：MAC子层子层100BaseFX100BaseTX2对对5类类 UTP光纤光纤4对对3类类 UTP100BaseT4Page 402022/5/23快速以太网组成实

26、例快速以太网组成实例网卡网卡(外置或内置收发器外置或内置收发器)、收发器、收发器(外置外置)与收发器电缆与收发器电缆集线器（双绞线或光纤接口集线器（双绞线或光纤接口）双绞线及光缆双绞线及光缆外置光纤收发器外置光纤收发器光纤光纤100Base FX100Base FX集线器集线器100Base TX100Base TX集线器集线器100Base TX100Base TX集线器集线器光纤光纤插有光纤接口网卡插有光纤接口网卡UTP5UTP5UTP5UTP5UTP5UTP5UTP5UTP5光纤光纤UTP5UTP5Page 412022/5/233.FDDI (Fiber Distributed Dat

27、a Interface)网络由双环构成，可靠性高。网络由双环构成，可靠性高。传输速率为传输速率为100Mbps。介质访问控制方法采用介质访问控制方法采用Token Passing，类似于令牌环。，类似于令牌环。传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十几十km)。集中器集中器集中器集中器令牌令牌服务器服务器Page 422022/5/234.千兆以太网千兆以太网(Gigabit Ethernet，GE)两种标准：两种标准：802.3z和和802.3ab802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线屏蔽短双绞线/MMF/SMF802.3ab 1000BaseT

28、 无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线(5类，类，6类类)连接距离较短：连接距离较短：1000BaseX:双绞线双绞线 - 25米；米；MMF - 550米；米；SMF - 3km1000BaseT: 5类双绞线类双绞线 100米米 拓扑结构和媒体布线方法同拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同；相同； 传输速率比传输速率比100BaseT快快10倍；倍； 帧结构和介质访问控制方式仍沿用帧结构和介质访问控制方式仍沿用IEEE802.3。 允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。Page 432022/5/23LAN互连的必要性及要解决的问题互

29、连的必要性及要解决的问题LAN互连的必要性：互连的必要性： 地域限制、负载问题、互通问题、安全问题地域限制、负载问题、互通问题、安全问题LAN互连互连的困难的困难： 帧格式不同、帧格式不同、传输速传输速率不同、最大帧长不同率不同、最大帧长不同LAN互连互连的实现：的实现： 中继器中继器/HUB 在物理层上实现互联在物理层上实现互联 网桥网桥 在数据链路层上实现互联在数据链路层上实现互联 路由器路由器 在网络层上实现互联在网络层上实现互联Page 442022/5/23Page 452022/5/23用用网桥网桥进行进行LAN扩展扩展的缺点：的缺点： 时延时延增加增加 没有流量控制功能，重载时会

30、丢失帧没有流量控制功能，重载时会丢失帧 不能防止广播风暴不能防止广播风暴（广播消息仍会泛滥到网（广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段）桥所连接的各个网段）两种类型的网桥：两种类型的网桥： 透明网桥（透明网桥（Transparency Bridge） 源选径网桥（源选径网桥（Source Routing Bridge）Page 462022/5/23 特点特点：由网桥：由网桥实现实现路由选择，网桥和路由对路由选择，网桥和路由对站点站点透明透明 网桥采用存储、转发方式，需要有足够缓存网桥采用存储、转发方式，需要有足够缓存 网桥有网桥有寻址和路由选择寻址和路由选择能力能力，路由选择采用查表法：，路

31、由选择采用查表法：网桥内的网桥内的端口端口-地址表地址表描述了到达每个站点的路由。描述了到达每个站点的路由。端口号端口号MAC地址地址12311 122131 32 33321LANxLANyLANz连接三个网段的网桥连接三个网段的网桥端口端口-地址表的结构地址表的结构Page 472022/5/23选路方法：选路方法： （参考上图）（参考上图） 假定假定网桥网桥开机后从端口开机后从端口1收到来自收到来自LANx的帧，的帧，它就它就查查端口端口-地地址址表表： . 若目的若目的MAC地址在本端口的表项中地址在本端口的表项中，则丢弃此帧，则丢弃此帧 . 若目的若目的MAC地址在其他端口的地址在其

32、他端口的表表项项中，则中，则把帧把帧转发转发到相应到相应端口所在的端口所在的LAN . 若目的若目的MAC地址地址不在表中，则用洪泛法转发不在表中，则用洪泛法转发，即向除即向除接收接收到该帧的端口到该帧的端口(本例为端口本例为端口1)之外的之外的其他所有其他所有端口端口广播广播。端口端口- -地址地址表表的的建立方法：建立方法： 在转发过程中逆向学习在转发过程中逆向学习若帧的若帧的源地址源地址不在表中，则插不在表中，则插入到表中。入到表中。Page 482022/5/23网桥工作原理归纳为：网桥工作原理归纳为：学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。注：网络交换机工作原理与网桥类似注：网络交换机工作原理与网桥类似可看成是一个可看成是一个多端口的高速网桥（工作在链路层上）多端口的高速网桥（工作在链路层上）透明网桥透明网桥的优缺点：的优缺点： 优点：优点：容易配置、安装，无需管理容易配置、安装，无需管理 缺点：缺点：不能保证最佳路