计算机局域网络

第4章计算机局域网络本章内容局域网的特点及关键技术局域网的体系结构共享信道的介质访问控制方法以太网（Ethernet）*高速局域网*无线局域网（WLAN）4.1局域网（LAN）概述hubhubhubSwitchServerfarmstationstationsstations1.特点覆盖范围小房间、建筑物、园区范围距离≤25km高传输速率10Mb/s～1000Mb/s低误码率10-8～10-11拓扑：总线、星形、环形介质：UTP、Fiber、COAX私有性：自建、自管、自用2.局域网的关键技术拓扑结构（逻辑、物理）总线型、星形、环形、树形介质访问方法CSMA/CD、Token-passing信号传输形式基带、宽带以上三种技术决定了局域网的特征LAN典型拓扑结构总线型:所有结点都直接连接到共享信道星型:所有结点都连接到中央结点环型:节点通过点到点链路与相邻节点连接BusStarRingABCADCBABCAT3.局域网体系结构局域网的标准：IEEE802（ISO8802）IEEE802是一个标准系列：IEEE802,IEEE802.1～IEEE802.14其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC

高层OSIIEEE802物理层PHY由TCP/IP和NOS实现IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口IEEE802标准系列中的主要标准802.2-逻辑链路控制802.3-CSMA/CD（以太网）

802.4-TokenBus（令牌总线）802.5-TokenRing（令牌环）802.6-分布队列双总线DQDB--MAN标准802.8–FDDI（光纤分布数据接口）802.11–WLAN（无线局域网）IEEE802体系结构示意图数据链路层在不同的子标准中定义分别对应于LLC子层和MAC子层……802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing802.6DQDB802.8FDDI802.2LLC数据链路层

物理层LLCMAC802.1DBridge802

体系结构PHY网际互联局域网的物理层功能：位流的传输；同步前序的产生与识别；信号编码和译码。IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。两个接口：连接单元接口（AUI）－可选，仅用于粗同轴电缆介质相关接口（MDI）屏蔽不同介质的特性，使之不影响MAC子层的操作局域网的数据链路层按功能划分为两个子层：LLC和MAC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部分分开，以适应不同的传输介质。解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。LLC子层功能：建立/释放逻辑连接成帧/拆帧差错控制帧序号处理提供某些网络层功能MAC子层功能：成帧/拆帧实现、维护MAC协议差错检测寻址对不同的LAN标准，它们的LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层（和物理层）。PALLC的帧结构DSAPSSAP控制域数据111/2长度可变单位：字节高层PDU

LLC首部

LLC数据MAC数据IEEE802LAN的封装过程：LLC帧MAC帧分组介质上传输的帧MAC首部MAC尾部MAC尾部MAC数据MAC首部局域网的网络层和高层IEEE802标准没有定义网络层和更高层：没有路由选择功能局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实现。4.2介质访问控制方法局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道。问题：各站点如何访问共享信道？如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。两类介质共享技术：静态分配（FDM、WDM、TDM、CDM）不适用于局域网动态分配（随机接入、受控接入）CSMA/CD、Token-Passing信道共享技术分类信道共享技术TDMFDMATDMSTDM随机访问受控访问CSMACSMA/CD集中控制分散控制轮询令牌静态分配动态分配以太网令牌环网WDMCDM局域网中的介质访问控制方法常见的有两种：载波检测多路访问/冲突检测（CSMA/CD）CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect

采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法令牌传递（TokenPassing）TokenRingTokenBusFDDI采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法1.CSMA多个站点如何安全地使用共享信道？最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。不坚持的CSMA空闲则发送，忙则等待随机时间等待时不监听若有多个站点都在等待发送，必然冲突！1-坚持的CSMA空闲则发送，忙则等待等待时继续监听p-坚持的CSMA空闲则以p的概率发送，以1-p的概率延迟一个时间单位等待时继续监听一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？以上方法均无法处理！CSMA/CD—带冲突检测的载波监听多路访问用于IEEE802.3以太网工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）；发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。CSMA/CD操作的流程图媒体忙？发送帧碰撞？发送完？发送JamN≥16?YesNoNoYes发送成功Yes发送失败No延迟随机时间NoYes发送碰撞次数N+1站点1站点2距离L传播时延tCSMA/CD协议的时间槽时间槽——能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）若两站点之间传播时延为a，则时间槽＝2a。如下图所示：站点2发送帧碰撞站点1在t＝0时发送帧站点2停止发送当δ→0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽→2a。时间槽的意义：一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突；时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系！以太网中，时间槽＝51.2µs传输速率＝10Mb/s时，一个时间槽内可发送512bits，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）。由此可知：1.冲突只可能在一帧的前64字节内发生；2.帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；∴以太网规定，最小帧长度为64字节3.长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。与时间槽相关的几个网络参数采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：

Fmin＝kSRk:系数可以看出：最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。

非常重要的结论！CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法算法如下：1.令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）；2.k=min（重传次数，16）；3.r=在[0,1,…,(2k-1)]中随机取一个数；4.退避时间=rT。限定最大重传次数＝16，若发送16次仍不成功，则发送失败。退避时间的确定（退避算法）CSMA/CD的优缺点控制简单，易于实现；网络负载轻时，有较好的性能：延迟时间短、速度快网络负载重时，性能急遽下降：冲突数量的增长使网络速度大幅度下降2.令牌传递（TokenPassing）ABDC站点干线耦合器单向环点到点链路主要用于IEEE802.5令牌环网

拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环TokenRing/802.5的操作哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待；拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令牌，使其余的站点能获得帧的发送权。TokenRing/802.5的操作举例AT=0T（c）帧循环一圈后,A将数据帧回收并放出空令牌AT=0TData（a）A有数据要发送,它抓住空令牌（b）AT=1A将令牌修改为数据帧头,并加挂数据发送TDataCData目的站点从环上拷贝数据TDataCTDataCTDataC令牌环网的实际结构——星型环路ABCDE集线器4.3传统以太网以太网的产生与发展70年代中期由施乐公司（BobMetcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网）最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的经DEC,Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准）DIXV1（1980）、DIXV2（1982）－EthernetII特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆1985年被采纳为IEEE802.3，支持多种传输媒体。“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”EthernetII和IEEE802.3二者区别很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展…一种在以前被假定为电磁波的传播介质，具有绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特性。IEEE802.3以太网标准（主要的）传统以太网：10Mb/s802.3——粗同轴电缆802.3a——细同轴电缆802.3i——双绞线802.3j——光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u——双绞线，光纤千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z——屏蔽短双绞线、光纤802.3ab——双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s802.3ae——光纤传统以太网10Base5粗同轴10Base2细同轴10Base-TUTP

10Base-FMMF快速以太网和千兆以太网100Base-TUTP100Base-FMMF/SMF1000Base-XSTP/MMF/SMF1000Base-TUTP以太网的物理层选项与标识方法速率、信号方式、介质类型速率（Mb/s）基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位:百米）或介质类型（T，F，X）10

Base

5传统以太网的四种物理层选项的特征见教材p109，表4.3Ethernet/802.3操作任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。ABCAC发送帧，目的地址为AABCA复制该帧A信号由终端电阻吸收ABCC发现网络空闲终端电阻ABCB忽略该帧AEthernet/IEEE802.3帧格式PR：前导码-10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD：帧首定界符–10101011，表示一帧的开始DA/SA：目的/源MAC地址LEN：数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-1500Type：类型，高层协议标识LLC-PDU（Data）：数据，最少46字节,最多1500字节，不够时以Pad填充Pad：填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节FCS：帧校验序列（CRC-32）66246-15004字节FCSSATypeDADataPadEthernetIEEE802.32/62/6246-15004字节FCSSALENDALLC-PDUPad

校验区间64-1518字节PRSFD71PRSFD71用途：保证帧长≥64字节MAC地址又称为物理地址，是网络站点的全球唯一的标识符。MAC地址大多固化在网络站点的硬件中,如网卡。网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。一个站点允许有多个MAC地址，安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。IEEE802.3标准规定：MAC地址的长度为6个字节，共48位；可表示246≈70万亿个地址（有2位用于特殊用途）高24位称为机构惟一标识符OUI，由IEEE统一分配给设备生产厂商；如3COM公司的OUI=02608C低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。也可以是2个字节，但这种格式的地址很少使用。I/GOUI（22位）G/LEI（24位）0=全局管理地址1=本地管理地址（一般不用）0=单播地址1=组播地址MAC地址的三种类型：单播地址：（I/G＝0）拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点。——点对点传输多播地址：（I/G＝1）拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点。——点对多点传输广播地址：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。——广播传输注意，以上分类只适用于目的地址。同轴电缆以太网粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强收发器:发送/接收,冲突检测总线型拓扑

粗缆收发器AUI电缆NICVampiretap最大段长度500m每段最多站点数100≥2.5m网络最大跨度2.5km

网络最多5个段

终端匹配器细缆BNC接头NIC细缆以太网（10Base2）细同轴电缆，可靠性稍差无外置收发器轻便、灵活、成本较低总线型拓扑每段最大长度185m每段最多站点数30≥0.5m网络最大跨度925m网络最多5个段

终端匹配器

双绞线（UTP），两头压接RJ45连接器；所有站点都与HUB（集线器）相连接；

HUB的作用：信号放大与整形星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。轻便、安装密度高、便于维护NICHUB每段最大长度100m多台HUB级连可以支持更多站点双绞线以太网（10Base-T）双绞线的连接标准在以太网的标准中，10Mbps与100Mbps双绞线系统采用相同的线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。色标 Pin# Signal白橙 1 TD+橙 2 TD-白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用12345678当两个HUB连接时，要使用交叉连接方法。两台微机直接连接时，也可参考此接法。光纤以太网

使用光纤介质；两根62.5/125μm多模光纤，收发各一根星形拓扑结构；通常用于远距离网络连接；主要类型：

FOIRL（光纤中继器间链路）用于连接两个HUB（或中继器）链路间最大距离1km10Base-FL（用以替代FOIRL）

链路间最大距离2km

任意两节点间的中继器数≤6个光纤与其他介质可使用介质转换器进行转换介质转换器是可连接不同介质的中继器全双工以太网只能在双绞线和光纤链路上实现；收、发使用了不同的物理信道不再使用CSMA/CD机制，因此传输距离不受时间槽的限制；但要受到信号衰减的影响全双工操作的条件：使用双绞线或光纤；链路两端的设备都必须支持全双工操作；支持全双工的设备包括全双工网卡、网络交换机。4.4局域网扩展

什么情况下需要扩展？网络范围扩大更多的站点加入网络多个独立的局域网进行互联如何扩展？主要在三个层次上物理层数据链路层网络层在物理层上进行局域网扩展设备：总线网：中继器星形/环形网：集线器特点：一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个网段；扩展后的网络仍是一个冲突域。优缺点：简单、成本低网络规模不能太大站点数量：冲突随站点数量的增多而变得越来越严重地域范围：时间槽的限制只能互联相同类型的网络例：从分离的部门网络到统一的企业网络集线器人力资源部集线器市场部集线器技术开发部集线器财务部在数据链路层上进行局域网扩展设备：网桥、交换机特点：一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段；扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域；扩展后的网络仍是一个广播域。在链路层上扩展局域网网桥/交换机独立的冲突域网段1HUB网段2HUB广播域优缺点：冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；地域范围不再受时间槽的限制；远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上转发速度有所降低；不能隔离广播帧。在网络层上进行局域网扩展设备：路由器特点：一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络；扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。优缺点：隔离广播域，限制了广播帧的泛滥；地域范围可以任意扩展；能根据最佳路由转发分组；可以互联不同类型的网络；转发速度低，成本较高，维护复杂。财务部集线器技术开发部集线器市场部集线器人力资源部集线器在网络层上扩展局域网技术开发部路由器集线器财务部路由器集线器市场部路由器集线器路由器人力资源部集线器企业网/广域网4.5高速局域网10Mb/s满足应用要求吗？从10Mb/s向100Mb/s、1000Mb/s迁移起因：对主干带宽的需求80年代末开始，直到今天仍未停止主要产品FDDI快速以太网100VG-AnyLAN千兆以太网、万兆以太网最终胜利者是谁？关键：兼容(保护投资)、灵活、简易、技术成熟1.快速以太网（FastEthernet，FE）传输速率为100Mb/s的以太网，比传统以太网快10倍标准为IEEE802.3u，100Base-T帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3标准。拓扑结构为基于集线器的星形结构；传输介质只支持双绞线和光纤；提供了10/100Mb/s自适应功能；IEEE802.3u定义了4种不同的物理层标准（p128）100Base-TX：使用两对5类双绞线100Base-FX：使用62.5/125μm多模光纤100Base-T4：使用四对3类双绞线100Base-T2：使用两对3类双绞线100Base-TX的拓扑结构max.5mHUBHUB任意两个站点间最多允许3个链路段工作站工作站max.100m快速以太网的应用主干连接需要高带宽的服务器和高性能工作站网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站向桌面系统普及10Mb/s10MHUB企业网100Mb/s100MHUB100Mb/s服务器100Mb/s小型机100Mb/s100MHUB2.千兆位以太网和万兆位以太网千兆位以太网，1000Mb/s，（GigabitEthernet，GE）技术进步的必然新的应用网络分布计算、计算机视频、网络存储快速以太网的迅速普及要求主干有更高的带宽两个主要标准IEEE802.3z，1998.6正式公布1000Base-SX，MMF/550m1000Base-LX，SMF/5000m1000Base-CX，屏蔽短铜缆/25mIEEE802.3ab，1999.6正式公布1000Base-T，UTP/100m千兆以太网的物理层技术1000Base-X信号编码与解码1000Base-T信号编码与解码1000Base-CX短铜缆收发器1000Base-LX1300nm长波光纤收发器1000Base-SX850nm短波光纤收发器1000Base-TUTP收发器25米2对短屏蔽铜缆5000米9μm单模光纤550/220米50/62.5μm多模光纤100米4对5类UTPMAC子层（全双工/半双工）更高层千兆位介质无关接口（GMII）千兆位以太网特征全双工或半双工沿用10Mb/s传统以太网帧格式半双工仍使用CSMS/CD协议兼容10Base-T和100Base-T节点能力的自动协商速率提高到1000Mb/s时的网络跨距问题：为保持兼容，半双工时的最小帧长度仍规定为64字节，导致网络跨距缩短为不足20米，实用价值大大降低！解决方法：1.将时间槽扩展为512字节（是以前的8倍），帧间隔96ns；2.“载波扩展”技术：帧长不足512字节时，在其后填充特殊的符号至512字节；（是否完美？）“帧突发”技术：允许站点连续发送多个短帧解决短帧较多时网络传输效率低的问题短帧较多时将使网络传输效率大大降低。极端情况下，只有正常时的12%。使用“帧突发”技术后，效率可提高到72%，达到快速以太网的95％。链路两端的节点必须各自向对方通告自己的能力（速度、物理层类型、半/全双工）并自动选择合适的工作模式。千兆以太网的拓扑结构在半双工方式时，网络跨距减小很多：任意两个站点间最多只能有一个中继器（p139图4.42）在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器的特性有关：站点间允许有多台千兆设备，可以构造较大范围的网络（p140图4.43）千兆位交换机千兆位交换机千兆位路由器千兆以太网的应用交换机到交换机的连接或园区网之间的主干连接，例如两个校区之间的链路（P141图4.44）；将网络交换机之间的10/100M链路用1000M链路代替，可以显著地提高网络的整体性能。

具有高带宽需求的服务器集群或某些高性能工作站与网络主干之间的连接（P141图4.45）；通过网络服务器中配置的千兆以太网卡，可以建立与交换机之间的1000M连接，极大地提高了服务器的传输带宽。

企业网络或园区网络的主干（P142图4.46）；千兆位以太网交换机能同时支持多台100Mbit/s交换机、路由器、集线器和服务器等设备。同时，以千兆位以太网交换机为核心的主干网络能支撑更多的网段，每个网段有更多的节点及更高的带宽。

多机系统主机之间的互联。万兆位以太网万兆位以太网的特征传输速率为10Gb/s；保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度，（64B，1518B）；不再使用CSMA/CD协议；只能工作在全双工方式；只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；支持