计算机网络与通信课件第5章

1、第 五 章 局 域 网 技 术,5.1 局域网体系结构,1、特点 为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限； 所有的站共享较高的总带宽(即较高的数据传输速率)； 较低的时延和较低的误码率； 各站为平等关系而不是主从关系； 能进行广播(一站向其他所有站发送)或多播(multicast)(一站向多个站发送，又称为组播)。 主要涉及拓扑结构、传输介质和介质访问控制（MAC）三项关键技术问题,2、局域网的体系结构与广域网区别,由于局域网只是一个计算机通信网，而且局域网不存在路由选择问题，因此它不需要网络层，而只有最低的两个层次。 局域网的种类繁多，其媒体接入控制的方法也各不相同，远远不像广域网那样

2、简单。 为了使局域网中的数据链路层不致过于复杂，就应当将局域网的数据链路层划分为两个子层，即：媒体接入控制或媒体访问控制MAC（Medium Access Control）子层和逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子层，而网络的服务访问点SAP则在LLC层与高层的交界面上。,3、网络的拓扑结构,网络上的各节点相互连接的方法和方式，我们称之为网络的拓扑结构，它用来表示网络上的计算机、电缆和其它部件的布局或物理位置。 拓扑结构的选择，将对网络的性能、网络需要的设备类型、网络的可扩展性和管理网络的方法有着不同程度的影响。,三种标准的拓扑结构：,总线型：总线型拓扑也称直线型总

3、线。它用一根称之为干线的电缆以直线方式连接网络上的所有计算机。 星型：所有计算机通过电缆连接到一个称为集线器的中央部件。信号通过集线器从一台计算机发送到另一台计算机。 环型：环型拓扑结构用一个电缆环连接所有的计算机。,(1) 总线上的通信,计算机的数据包含目的地址，发送到电缆上，但只有地址相匹配的计算机才接受信息。 一个时刻只有一台计算机能够发送信号，网络性能受计算机数量的影响 被动型的拓扑结构，计算机只监听，不负责将数据从一台计算机移送到另一台计算机。,总线上的通信,需在总线两端接终端匹配器，以抑制反射干扰 扩展： 柱型连接器连接两段电缆，但多次使用会使信号减弱； 中继器连接两段电缆，在发送

4、前会增强信号,(2) 星型拓扑结构的特点：,提供集中式的资源和管理，可按需改变和扩充网络； 中央点出故障，整个网络瘫痪；某台计算机某段电缆出故障，其余部分仍可继续工作； 需要大量电缆。 集线器是网络的中央部件。也称为多端口中继器。,集线器,主动型集线器：有源集线器, 再生信号并重新传输。需要电源。 被动型集线器：无源集线器。仅作为连接点，但不放大或再生信号；不需要电源。,(3) 环型拓扑结构特点,不需要终端匹配器，信号沿一个方向传送。 主动型拓扑结构，每台计算机都增强信号后再继续传送。 一台计算机的失败将影响整个网络。,环型拓扑结构的通信,只有得到空标记令牌的网站允许发送数据 令牌是一具有特定

5、数据格式的电子信息，空标记为01111111，忙标记为01111110。 令牌环访问控制的基本过程 A发送前，等待空标记令牌通过 B得到空标记令牌，空标记换为忙标记，紧跟着令牌，发送数据 C发送出去的帧在环上循环一周后，回到始发站，由始发站将该帧从环上移下，将忙标记换为空标记,(4) 主要拓扑结构的变形,星型总线：一条直线型总线主干上连接了几个星型拓扑结构的网络。特点：一台计算机的失败不影响整个网络；一台如果集线器某连接点出故障，只影响与该集线器相连接的那段网段和计算机，网络的其余部分扔可继续工作。 星型环：一个含实际环的集线器上连接了几个星型拓扑结构的网络。,4、IEEE802局域网标准系列

6、,IEEE802标准,ISO/OSI的对应层,5、局域网模型,(1) 物理层,PLS : physical layer Signaling . 向MAC子层提供服务； 负责比特流的编码，解码； 载波检测,PMA : physical medium Attatchment . 向PLS子层提供服务； 冲突检测、超长控制； 发送和接收串行比特流,(2) 数据链路层,MAC子层：Media Access Control。与拓扑结构及传输媒介密切相关 将上层交下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，将帧拆卸)； 实现和维护MAC协议； 比特差错检测； 寻址。,MAC 地址：物理地址,标识系统

7、是一个核心问题。名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处 802标准中的MAC地址： 48bit 前三个字节由厂商向IEEE购买；后三个字节由厂商分配 MAC地址的作用：用来找到我们所要进行通信的计算机。,MAC地址格式,0: 单播地址 1：组播地址,0: 全局管理地址 1：本地管理地址,单播地址： 组播地址 广播地址：全1地址,LLC（Logical Link control） 建立和释放数据链路层的逻辑连接； 提供与高层的接口； 差错控制； 给帧加上序号。,LLC子层所提供的服务,LLC1:不确认的无连接服务。局域网中差错率较小，不可靠传输引起麻烦可

8、能性较小；点对点、广播、多播 特别适合于广播和多播； LLC2:面向连接服务。连接建立、数据传送和连接断开；适合于传送很长的数据文件； LLC3:带确认的无连接服务。不要确认则不够可靠；建立连接则又嫌太慢。用于传送某些非常重要且时间性也很强的信息。 LLC4:高速传送服务。,LLC PDU和MAC帧的关系,局域网对LLC子层是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,1、局域网中的介质访问控制方法 通过集中器或复用器与主机相连 复用器: 成对使用 一个复用,另一个分用 时分复用 频分复用 集中器:又称统计复用器或智能

9、复用器，按排队方式对整个报文的存储转发，单端使用 使用多点接入技术 受控接入 集中式控制：多点线路轮询 分散式控制：令牌环形网 随机接入：争用接入,5.2 媒体访问控制技术,(1) 纯ALOHA,2、载波侦听多址访问：源于ALOHA技术,M11,M12,M21,M31,M31,Mm1,M21,M31,M12,Mm1,M11,站1,站2,站3,站m,t,t,t,t,t,信道,重发时各站的等待时间是随机的，帧发送成功的 条件是在该帧发送时刻之前和之后各一段时间T0 内，没有其他帧的发送,纯ALOHA吞吐量S,吞吐量S：又称为吞吐率，它等于在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数。 理想随机接入系统的

10、吞吐量S的极限值是1。 纯ALOHA的吞吐量的极大值只能达到理想值的18.4。 纯ALOHA的吞吐量S不应超过10。,当需要进行突发式的交互性的数据通信时，采用纯ALOHA这样的方式可能既简单又便宜。例： 假定线路的数据率为4800b/s； 设每份报文有60的字符； 用户用键盘输入一份报文需2分钟； 每个字符用10bit进行编码； 则每个终端的平均数据率仅5b/s。如采用ALOHA方式，取S0.1，即仅利用信道容量的10，则信道的总数据率为480b/s。这样的系统一共可容纳480/596个交互式的用户 结论：相当不错,纯ALOHA的应用场合,（2）时隙ALOHAS-ALOHA),工作原理： 将

11、所有各站在时间上都同步 将时间划分为一段段等长的时隙 (slot)T0 不论帧在何时产生(即到达一个站)，它只能在每个时隙开始时才能发送出去。 结果： 易损区间由2T0变为T0 吞吐量的极限值由0.184提高到0.368,(3)CSMA(Carrier Sense Multiple Access),每个站发送数据前监听信道上其他站是否在发送数据。如在发送，则此站就暂不发送数据，从而减少了发生冲突的可能。(“先听再讲”) 注意:总线上并没有“载波”,“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,A: 不坚持CSMA: 信道闲时，立即发送； 忙时等待随机时间后重新监听。 B

12、: 1坚持CSMA: 信道闲时，立即发送； 忙时继续监听直至空闲后发送, C: P坚持CSMA: 监听载波，忙继续监听， 不忙，以概率P发送数据。以概率 (1-p)延迟一段时间(端到端的传播 时延)再发送,1 km,A,B,t,t = 0,单程端到端 传播时延记为,A: 冲突检测的原因： 传播时延影响载波监听:电磁波在电缆中的传播速度只有在自由空间的65%左右，1km5s,(4) CSMA/CD（先听再讲，边听边讲）,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,A,B,B: 工作过程：检测到冲突，停止发送数

13、据，并发送强干扰信号,A,B,t,A 检测 到冲突,信 道 占 用 时 间,强化碰撞，所有用户都知道已发生碰撞,(5)CSMA/CD的实现: A: 载波侦听：以太网采用曼彻斯特编码；无信号传送时，信道中没有跳变沿 B: 冲突检测：比较法：在发送帧时也同时进行接收，将收到的信号逐比特地与发送的比特相比较.编码违例判决法：当两个帧的信号迭加在信道上时，电压的摆动值要比正常值大一倍且过零点不在每比特的中央出现。,C:随机延迟重传,当发生冲突时，延迟时间（t）是前次等待时间的两倍。即：t= R x A x 2N 其中，R为随机数，A为计时单位，N为冲突次数 第i次冲突后，等待时隙数从（0-2i-1）个

14、时隙中挑选；第10次冲突后，最大时隙固定在1023，不再增加，第15次冲突 后，系统请求发送失败。,(6)争用期：可能发生冲突的时间间隔 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,5.3以太网与IEEE 802.3标准,是一种基带总线局域网， 最初由美国施乐(Xerox)公司的Palo Alto研究中心(简称为PARC)于1975年研制成功， 2.94Mb/s。 以无源的电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太(Ether)来命名。

15、1981年，施乐公司与数字装备公司(Digital)以及英特尔(Intel)公司合作，联合提出了以太网的规约。1982年修改为第二版规约，即DIX Ethernet V2，成为世界上第一个局域网产品的规约。 IEEE802.3 是对以太网的标准化。不同之处仅在于头字段的定义。,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始 定界符,7 字节,1 字节,8 字节,插入,IP层,目的地址,源地址,类型,数 据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,(1)以太网的MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,M

16、AC 层,IP 层,目的地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,源地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,类型字段 2 字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,数据字段 46 1500 字节,数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加 入整数字节的填充字段，,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,FCS 字段 4 字节

17、,当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。,(2)争用期长度及最小帧长,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长

18、为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。,(3)无效的 MAC 帧,(4)以太网的几个重要特性,采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。原因是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率不大 使用 CS

19、MA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 以太网采用曼彻斯特编码,(5) 802.3 帧格式,以太网的类型字段值均大于1518，802.3的长度字段的最大值为1518，可以区分以太网帧和802.3帧格式,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,8 字节,插入,目的地址,源地址,长度,LLC 数据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,(6) 百兆以太网：又称为快速以太网,在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号 必须为星型拓扑而不是总线拓扑，连接设备为交换机 在全双工方式下

20、工作而无冲突发生。可不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s 帧格式、最小、最大帧长、MAC地址等与10M以太网相同,(7) 千兆以太网,允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。 CSMA/CD受到限制。 1 Gbps的速率下，64B

21、帧在监听到碰撞前一经发送完成，因此最小帧长由64B改为512B,否则，最大冲突域会变成快速以太网的1/10,(8)10吉比特以太网,10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,以太网接入举例：光纤到大楼 FTTB,100 M,10 M,10 M,100 M,吉比特以太网,光结点汇接点,1 Gb/s,1 Gb/s

22、,高速汇接点 GigaPoP,某大学有三个系，各自有一个局域网,5.4局域网扩展,三个独立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,1、物理层拓扑（集线器、中继器）,一系,三系,二系,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,2、在数据链路层扩展局域网 （网桥、交换机）,B2,B1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,网桥使各网段成为隔离开的碰撞域,过滤通信量；可互连不同物理层、 不同 MAC 子层和不同速率的局域网,3、虚拟局域网VLAN （Virtual Local

23、 Area Network）,VLAN是在一个物理网络上划分出来的逻辑网络。这个网络对应于OSI 模型的第二层网络。 VLAN的划分不受网络端口的实际物理位置的限制； VLAN 有着和普通物理网络同样的属性； 第二层的单播、广播和多播帧在一个VLAN内转发、扩散，而不会直接进入其他的VLAN之中。 由于实现了广播域分隔，VLAN可以将广播风暴控制在一个VLAN内部，广播包消耗的带宽所占的比例大大降低,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网: VLAN1, VL

24、AN2 和 VLAN3,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时， 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,B1 发送数据时，工作站

25、A1, A2 和 C1 都不会收到 B1 发出的广播信息。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络 不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。,虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,(1) 虚拟局域网使用的以太网帧格式,802.3 MAC 帧

26、,字节,6,6,2,46 1500,4,目地地址,源地址,长度/类型,数 据,FCS,长度/类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID,2 字节,2 字节,插入 4 字节的 VLAN 标记,4,用户优先级(3bits),CFI,规范格式指示器，以太网 交换机中总为0,(2) VLAN划分方法 A:基于端口的VLAN（Port-Based）,VLAN是某些交换机端口的集合，网络管理员只需要管理和配置交换机端口，而不管交换机端口连接什么设备； 包括两个步骤： 首先启用VLAN（用VLAN ID标识）；而后将交换机端口指定到相应VLAN下。,跨交换机的VLAN,使用Trunk（干道）方式实现跨交换机的VLAN内部连通，交换机的Trunk端口不隶属于某个VLAN，而是可以承载所有VLAN的帧。 Trunk是用来在不同的交换机之间进行连接，以保证在跨越多个交换机上建立的同一个VLAN的成员能够相互通讯；,交换机的端口模式,Access模式：则该接口只能为一个VLAN的成员； Trunk模式，则该接口可以是多个 VLAN 的成员，默认可以传输本交换机支持的所有VLAN（14094），但是也可以通过设置接口的许可VLAN列表来限制某些VLAN的流量不能通过这个trunk口。,B:基于