第八讲 局域网技术.ppt

1、第八讲 局域网技术,本章重点,局域网的特点及关键技术 介质访问控制方法： CSMA/CD，TOKEN-PASSING 以太网技术 高速局域网,8.1 局域网(LAN)基本概念,8.1.1 LAN的特点,覆盖范围小 房间、建筑物、园区范围 距离数km 高传输速率 1Mbps1000Mbps 低误码率 10-8 10-10 采用总线、星形、环形拓扑 一般仅包含OSI参考模型的低二层功能 协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充,Switch,Server farm,station,stations,stations,什么是局域网？P98,局域网的拓扑结构,8.1.2 局域网的拓扑结构

2、,网络实例 星型拓扑：ATM 环状拓扑：IBM令牌环、FDDI 总线拓扑：以太网,8.1.3 局域网技术的三个要素,传输介质（物理信道）-传输技术 基带、宽带 拓扑结构 总线型、星型、环型、树型 介质访问控制方法 - 信道分配策略/多路访问协议 拟解决问题 该哪个节点发送？ 发送时会不会出现冲突？ 出现冲突怎么办？ 目标 按协议实现信道共享，CSMA/CD和Token-passing,共享介质的访问控制技术 集中式控制 网络中设置一个集中控制设备来控制和管理各节点通信，各节点只有经它授权才可以访问介质。 分布式控制 网络中无专门的集中式控制设备，各站点间的通信是按照某种事先的约定由各站点自身控

3、制解决。 局域网一般采用分布式控制方式： 随机访问方式：以竞争方式获得信道使用权以太网 令牌传递方式：顺序访问信道令牌环网,8.2 IEEE802局域网体系结构,8.2.1 IEEE 802参考模型,进行合理的信道分配，解决信道竞争问题,解决数据帧的可靠传送,MAC子层依赖于物理媒体和媒体访问控制方法 局域网采用的媒体有多种，对应的媒体访问控制方法也有多种，采用MAC子层屏蔽了物理媒体的区别。 LLC子层与媒体无关，保证可靠传输,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，降低实现的复杂度。 局网特点：共享信道(如总线)。需要解决介质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的

4、传输独立于介质和MAC方法。,按功能划分为两个子层：LLC和MAC,LAN的数据链路层,8.2.2 IEEE802标准之间的关系,IEEE802标准的主要成员,802.2 - 逻辑链路控制LLC 802.3 - CSMA/CD（以太网） 802.4 - Token Bus （令牌总线） 802.5 - Token Ring（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 无线LAN,IEEE802标准间关系,IEEE 802.3的体系结构与功能实现,物理层,电缆,连接器,收发器,AUI电缆,网卡,站接口,数据封装/解封（

5、MAC 帧）,链路管理（CSMA/CD协议）,曼彻斯特编码/译码,发送/接收,MAC,LLC,8.3 局域网介质访问控制方式,三种方式 带有冲突碰撞检测的载波监听多址访问 CSMA/CD技术IEEE802.3标准 令牌环访问控制技术 Token-Ring技术IEEE802.5标准 令牌总线访问控制技术 Token-Bus技术IEEE802.4标准,8.3.1 CSMA/CD介质访问控制技术,CSMA/CD： Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 带有冲突检测的载波监听多路访问，以随机访问和竞争的方式获得介质的访问权； 以太网（Ethern

6、et）采用的就是CSMA/CD； “载波监听”：对信道上的信号的监听； “多路访问”：又称“多址访问”，即以广播形式传输数据； “冲突检测”：指当一个站在发送数据的同时要检测是否有冲 突发生；,8.3.1.1 纯ALOHA随机访问方法,发送方：各站将信息包对载波调制，随机地以广播方式发往信道（报头带有信宿地址），信宿端在规定时间那发回确认应答包，表示传输成功。否则，认为传送失败，发送方重发。若多次重发不成功，则放弃发送，以后再发； 接收方：随时监听信道上有无载波信号，若有信号，则判断报头地址是否本节点的，若是则接收，否则放弃； 存在问题：各站随机发送，可能某一时刻有两站或多站同时发送，信号在公

7、用信道上发生冲突，造成传送失败； 解决办法：发送站发送前先对信道进行监听，若无其他站发送的载波信号再发送，减少了冲突的机会； 优点：控制方式简单； 缺点：信道负载大时，冲突的概率高，发送成功率很低； 适用范围：可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；,CSMA/CD访问技术的前身，“载波监听”的来源,8.3.1.2 CSMA：载波监听多点访问,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，则此站不能发送，需等待一段时间后重试。 载波监听策略： 非坚持CSMA：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。 坚持CSMA：监听到信道忙

8、时，仍继续监听，直到信道空闲。 1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据 p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p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。,8.3.1.3 CSMA/CD 带冲突检测的载波监听多点访问,工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。,CSMA/CD的流程图,Ethernet/802.3操作,每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据 为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点 目的站点将该帧

9、复制，其他站点则丢弃该帧,A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,A,(1)C 发现总线空闲,(2)C发送帧，目的地址为A,(3)B 忽略该帧,(4)A复制该帧,A,信号由终端电阻吸收,终端电阻,8.3.1.4 IEEE802.3的帧格式,IEEE802.3/Ethernet帧格式,PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界 - 10101011 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） Type： 类型。高层协议标识 LLC PDU+pad - 最少46字节, 最多1500

10、字节 Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域46字节，则无Pad) FCS： 帧校验序列（CRC-32）,8 6 6 2 46-1500 4字节,FCS,SA,Type,PA,DA,Data,Pad,Ethernet,IEEE 802.3,7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节,校验区间,64-1518 字节,帧间隔,在相继发送的两帧之间强制插入9.6ms的间隔 目的：确保其他站点也能占用信道,PA,帧间隔 9.6 ms,帧n,帧n+1,8.3.2 令牌环（IEEE802.5）,A,B,D,C,站点,干线耦合器,单向环, 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环,发送

11、缓冲区,接收缓冲区,接收,发送,线路驱动,线路接收,控制器,DTE,环路输入,环路输出,干线耦合器的结构, 传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps； 最多站点数：250， 信号采用曼彻斯特编码,TCU,高层软件,干线耦合器（TCU）,工作状态： 发送方式 （站点发送数据时） 收听/转发方式（其他时候） 收听方式下，TCU与DTE断开 TCU对位流再生并转发，同时监视帧中是否出现本站地址和令牌。若出现本站地址，则将开关K闭合，TCU与DTE接通，位流复制到DTE，同时继续转发；若出现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。 发送方式下，数据以帧为单位从TCU的输出端发送到

12、下一个TCU的输入端。,DTE,TCU,收听方式,K,K,DTE,TCU,发送方式,K,K,Token Ring/802.5的操作,1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。 2）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。,3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该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，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。 4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在

13、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，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。,Token Ring/802.5的操作举例,A,T = 0,T,A,T = 0,T,A,T = 1,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后 A将数据帧回收 并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,令牌环的维护,令牌丢失 超时机制 数据帧无法撤销 监控位,主动令牌管理站：,IEEE802.5的帧结构, 起始、结束标志 访问控制字段包括：,起始,接入控制,结束,1B,

14、1B,1B,令牌帧,非令牌帧（信息帧/控制帧）,起始,访问控制,帧控制,目的地址,源地址,数据,FCS,结束,帧状态, 优先级与预约及优先级限制位。 令牌位：帧类型标识。0 - 令牌；1 - 信息/控制帧 监督位：防止无效帧在环路中无限循环。,实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,令牌环的优缺点,优点 具有同等的介质访问权 提供优先权服务 缺点 信道利用率低 环维护复杂，实现较困难,8.3.3 令牌总线(IEEE 802.4), 特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网 物理层：传输媒体为75宽带同轴电缆，数据速率为1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s； 传输机制为以太网和令牌环的结合：

15、物理传输采用广播方式； 介质访问控制采用令牌方式。,CSMA/CD与令牌环、令牌总线的比较,网络拓扑结构 CSMA/CD与Token Bus：总线结构 Token Ring ：环状结构 介质访问控制方法性质 争用： CSMA/CD 无争用： Token Bus与Token Ring（区别优先级控制） 复杂度 CSMA/CD算法简单，易于实现 令牌协议需要复杂的环维护功能，实现较困难 适用环境 CSMA/CD适用于实时性要求不高的环境 令牌协议适用于实时性要求较高的环境 CSMA/CD一般用于通信负荷较轻的环境 令牌协议适用于通信负荷较重的环境,局域网的LLC层,负责处理诸如数据链路层所做的差错

16、及流量控制等问题，并向上提供统一的接口，从而屏蔽了底层（MAC和物理层）各种不同的物理网络的实现细节。,IEEE802.2,LLC的帧结构,DSAP,SSAP,控制,数据,1,1,1/2,长度无限制 单位：字节,高层PDU,LLC数据,LLC首部,MAC首部,MAC尾部,MAC数据,LLC帧和MAC帧的关系,局域网 共享式局域网（Shared LAN） 交换局域网（Switched LAN）,8.4 局域网组网技术,最早的采用共享媒体的争用型网络 ALOHA 70年代中期由Xerox Palo Alto Research Center (Bob Metcalfe) 提出，数据率为2.94M，称

17、为Ethernet（以太网）。 经DEC, Intel and Xerox公司改进为10M标准(DIX 标准) 。 1985年定名为IEEE 802.3，即使用1坚持的CAMA/CD协议的LAN标准，数据率从1M到10M (现已发展到1000M)，支持多种传输媒体。 Ethernet是指基带总线LAN。 Ethernet和IEEE 802.3的帧格式不同。,8.4.1 共享式以太网,1. Ethernet和IEEE 802.3,IEEE 802.3 规范,传统以太网 802.3 同轴电缆Ethernet 802.3a 细缆Ethernet 802.3i 双绞线 802.3j 光纤 快速以太网F

18、E 802.3u 双绞线，光纤 千兆以太网GE IEEE802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 IEEE802.3ab 双绞线,802.3布线介质标准,10Base5 粗同轴 10Base2 细同轴 10BaseT 双绞线 10BaseF MMF 100BaseT 双绞线 100BaseF MMF/SMF 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 1000BaseT 双绞线,2. 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, 电气隔离 AUI : 连接件单元接口 总线型拓扑 用于网络骨干连接,最大段长度 500米 每段最多站点数 100,两站点间最

19、小距离 2.5米,粗缆,Vampire tap,BNC端子,收发器,AUI 电缆,NIC,网络最大跨度 2.5公里,3. 10Base2,细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑 用于办公室LAN,细缆,BNC 接头,NIC,每段最大长度 185m 每段最多站点数 30,两站点间最短距离 0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,4. 10BaseT,双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。 转发器/中继器/HUB物理层

20、设备(工作在物理层)。 用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大长度 100m,5. 10BaseF,使用光纤进行长距离连接，例如建筑物间连接。 星形拓扑结构 最常见的布线标准： 10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长2 km,6. 10Broad36,使用75电缆连接，拓扑结构为树形 用于宽带LAN,8.4.2 交换式以太网,以网络交换机为主干的以太网 拓扑仍为星形结构（总线/HUBLAN_SWITCH） 为何要使用网络交换机？ 以太网共享介质网络 共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数)网络交换 总线网络或基于集线

21、器的网络： 网络总带宽=10Mbps，n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息，不受CSMA/CD的限制， 网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps ；,交换式以太网,网络交换机特点 第二层交换 独享、可并行通信的端口 同时提供多条数据传输路径（非共享），从而使网络的整体吞吐量大为提高 每个端口都为一个独立的冲突域 将不同运行速度的网段连接起来,网络交换机,交换机内维护着一张地址表，将各端口同与之相连的节点（MAC）地址关联起来。它是数据帧转发的依据。,交换式以太网,总线网络或基于集线器的网络 网络总带宽=10

22、Mbps，n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息，不受CSMA/CD的限制 网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps ；,使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如： 8个端口可建立4个并发通信， 总带宽 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps 在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置1-2个高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为Big-Pipe。,10Mbps 网络交换机,交换机的两种用法(以10Mbps网

23、络交换机为例)： (1)端口下接站点：站点独占10Mbps带宽 (2)端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽,共享10M,独享10M,共享10M,独享10M,网络交换机Switch,HUB,HUB,8.4.3 100Mbps 快速以太网,又称快速以太网(Fast Ethernet，FE)，包括100Base-TX和100Base-FX。 与10Mbps网络的比较： 拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样； 传输率快10倍； 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：,MAC子层,100BaseFX,100BaseTX,2对5类 UTP,光纤,4对3类 UTP

24、,100BaseT4,快速以太网组成实例,网卡(外置或内置收发器)、收发器(外置)与收发器电缆 集线器（双绞线或光纤接口） 双绞线及光缆,外置光纤收发器,光纤,100Base FX集线器,100Base TX集线器,100Base TX集线器,光纤,插有光纤接口网卡,UTP5,UTP5,UTP5,UTP5,光纤,UTP5,8.4.4 千兆以太网(Gigabit Ethernet，GE),两种标准：802.3z和802.3ab 802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线(5类，6类) 连接距离较短： 1000BaseX:双绞线

25、 - 25米；MMF - 550米；SMF - 3km 1000BaseT: 5类双绞线 100米 拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同； 传输速率比100BaseT快10倍； 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。,以太网交换机在大中小企业机构中组网示意图,3.FDDI (Fiber Distributed Data Interface),网络由双环构成，可靠性高。 传输速率为100Mbps。 介质访问控制方法采用Token Passing，类似于令牌环。 传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十km)。,集中器,集中器,令牌,服务器,8.4.6 虚拟