【教学课件】第9章局域网体系结构.ppt

数字通信与数字通信与数字通信与数字通信与计计算算算算机网机网机网机网络络第第第第9 9章章章章 局域网体系结构局域网体系结构局域网体系结构局域网体系结构局域网是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备连在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。本章从介绍局域网的体系结构、协议标准及拓扑结构入手，详细讨论CSMA/CD总线网、令牌环网及令牌总线网的媒体访问控制方法。通过本章的学习，重点掌握和理解以下内容：l理解计算机局域网的体系结构l了解常用的局域网标准：IEEE802.3、IEEE802.5各自的特点l理解载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的工作过程l了解高速局域网和千兆位以太网的基本情况9.1.1 局域网的概念、特点局域网的概念、特点 1.局域网的定义与发展过程在较小的地理范围内，利用通信线路将许多数据设备连接起来，实现彼此之间的数据传输和资源共享的系统称为局域网。它的发展般分为三个阶段：（1）60年代末至70年代初是萌芽阶段。（2）70年代中期是局域网发展的一个重要阶段。（3）80年代初期是局域网走向大发展的时期。利用光导纤维作为通信介质构成的高速主干环网，是目前许多局域网系统采用的一种结构形式。9.1 局域网概述局域网概述2.局域网特点（1）地理范围有限。（2）通信速率高。（3）可采用多种通信介质。（4）可靠性较高。一般说来，决定局域网特性的主要技术有三个方面：（1）局域网的拓扑结构。（2）用以共享媒体的介质访问控制方法 （3）用以传输数据的介质。由局域网本身的特点决定局域网具有以下优点：（1）能够方便地共享网内资源，包括主机、外部设备、软件、数据；（2）便于系统扩展；（3）提高了系统的可靠性、可用性、可维护性；（4）各设备位置可以灵活地调整和改变；（5）有较快的响应速度（数据传输率较高）。9.1.2 局域网的应用局域网的应用 计算机局域网所具有的这些优点决定了它在社会各个领域有着广泛的应用，它可以用于办公自动化、工业生产自动化、企业管理信息系统、生产过程实时控制、军事指挥和控制系统、辅助教学系统、医疗管理系统、银行系统、软件开发系统和商业系统等方面，其中主要作用如下：1.办公自动化 2.工业生产自动化3.应用于教育领域4.计算机协同工作技术9.2.1 服务器服务器 网络使用一个专门的结点共享外围设备，该结点为网上所有的用户所共知，具有固定的地址，并为网上用户提供服务。这种提供服务的结点称为服务器（Server）。常见的服务器类型有以下几种。1.文件服务器给用户提供了操作系统中文件系统的各种功能。2.打印服务器接有打印机，提供网络打印。3.终端服务器又称为终端集中器，终端到其他结点之间的通信都通过终端集中器。9.2 局域网的组成局域网的组成 9.2.2 工作站工作站 工作站又称为客户机。工作站是指当一台计算机连接到局域网上时，这台计算机就成为局域网的一个工作站。工作站与服务器不同，服务器是为网络上许多网络用户提供服务以共享它的资源，而工作站仅对操作该工作站的用户提供服务。工作站是用户和网络的接口设备，用户通过它可以与网络交换信息，共享网络资源。工作站通过网卡、通信介质以及通信设备连接到网络服务器。现在的工作站都用具有一定处理能力的PC（个人计算机）机来承担。9.2 局域网的组成局域网的组成 9.2.3 网络适配器（网络适配器（NIC）网络适配器NIC（Network Interface Card）也就是俗称的网卡。网卡是构成计算机局域网络系统中最基本的、最重要的和必不可少的连接设备，计算机主要通过网卡接入局域网络。网卡一方面负责接收网络上传过来的数据包，解包后，将数据通过主板上的总线传输给本地计算机；另一方面它将本地计算机上的数据打包后送入网络。网卡和计算机的连接是通过总线扩展槽，根据连接的扩展槽不同，可将网卡进行分类。一般分为ISA总线网卡和PCI总线网卡。9.2 局域网的组成局域网的组成 9.3.1 局域网参考模型局域网参考模型 1.IEEE802参考模型9.3 局域网的体系结构局域网的体系结构 IEEE802参考模型的最低层对应于OSI模型中的物理层，包括以下功能：信号的编码/解码 前导的生成/去除（该前导用于同步）比特的传输/接收 物理层之上的层次主要为局域网的用户提供相应的服务。它们的主要功能如下：在传输时将要传输的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错检测等字段；在接收时，将接收到的帧解包，进行地址识别和差错检测；管理和控制对于局域网传输媒体的访问；为高层协议提供相应的接口，即一个或多个服务访问点（SAP），并且进行流量和差错控制。2.IEEE802协议3.此标准将数据链路层分为逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层，逻辑链路控制子层主要提供寻址、排序、差错控制和流量控制等功能。9.3.2 逻辑链路控制逻辑链路控制LLC子子层层 1.LLC向高层提供的服务有四种类型：面向连接的服务确认无连接服务不确认无连接服务高速传送服务2.逻辑链路控制子层的服务访问点LLCSAP在一个主机的LLC子层上面应设有多个服务访问点，以便向多个进程提供服务。需用到两个地址：（1）MAC（介质访问控制）地址。（2）SAP地址。9.3 局域网的体系结构局域网的体系结构 3.LLC协议4.（1）LLC帧的说明5.LLC帧的说明没有分界符及校验字段；LLC帧是MAC帧中的数据字段；有源地址（源服务访问点），这样适应于点点、点多点及广播式通信。LLC帧控制字段和HDLC中的控制字段一样，控制字段将LLC帧分为信息帧、管理监控）帧、无编号帧，分别完成不同的功能。（2）LLC/MAC的接口 用服务原语实现：MA-DATA.request；MA-DATA.indication；MA-DATA.confirm。9.3.3 媒体访问控制媒体访问控制MAC子层子层 1.媒体访问控制策略2.在所有的媒体访问控制技术中，最关键的参数是控制点和控制方法。集中方式具有以下的优点：3.能提供除了对媒体访问外的其他更高级的功能，如优先级控制、可靠性等。4.每个站点的访问控制逻辑简单 5.避免对等实体间进行分布合作可能带来的问题 缺点：在整个网络中，如果控制点不能工作，则会导致整个网络瘫痪 由于所有对共享媒体的访问要经过控制站点的允许，可能会形成瓶颈，降低效率。分布式媒体访问控制方式的优缺点正好与之相反。一般可以将访问控制技术分为两种：同步和异步。在同步技术中，整个信道带宽被分割成许多部分，每一部分被分配给某一个站点。在电路交换中的频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM）技术就属于这种同步机制。异步技术分为三种：时间片轮转、预约和竞争。在时间片轮转中，每个节点按照一定的时间顺序得到传输时间。预约技术更适合于传输连续数据的情况。对突发性的数据传输，竞争是最常用的机制。2.MAC帧格式由于采用不同的MAC协议，各MAC帧的确切定义不尽相同。但是所有的MAC帧的格式都大致类似。MAC帧各字段的含义如下：MAC控制字段：包括所有实现媒体访问控制所必须的协议控制信息。DA和SA：目的地址和源地址，用于指示接收端和发送端的MAC地址。LLC：来自于LLC层的数据信息。CRC：循环校验字段，用于差错控制。9.4.1 802.3局域网概述局域网概述 规定了CSMA/CD访问方法和物理层技术规范。最典型的网络是以太网（Ethernet）。现在的以太网也采用星状拓扑。1.组网方式基于802.3的总线局域网通常有四种组网方式：（1）10Base5网络（2）10Base2网络（3）10BaseT网络（4）10BaseF网络 2.帧结构（1）前导码：用于收发双方的时钟同步。（2）帧起始定界符：表示帧的开始。（3）目标地址和源地址。（4）数据域长度：用于指明数据域的字节数。（5）数据域：用于携带LLC PDU（协议数据单元）。（6）填充域：必要时用于填充帧，使帧长达到最短有效长度。（7）校验字段：4个字节，使用32位的CRC校验。3.MAC子层功能说明4.MAC子层有两个主要的功能，一是数据的封装与解封包括组帧、寻址和错误检测；另一个是介质访问管理，包括介质分配和冲突解决。9.4.2 CSMA/CD介质访介质访问控制协议及以太网问控制协议及以太网 1.载波侦听多路访问协议CSMA载波侦听多路访问CSMA（Carrier Sense Multi Access）又称为“先听后说”，是减少冲突的主要技术。具体方法是网中各站在发送信息帧之前，先监听信道，看信道是忙或闲，如信道闲（即没有别的站往信道上发送信息帧）就发送信息帧；否则，就推迟自己的发送行动。推迟的时间，选择一种退避算法决定。根据退避算法，载波侦听多路访问可以分为三种类型：非坚持型CSMA1-坚持型CSMAP坚持型CSMA。2.载波侦听多路访问/冲突检测协议CSMA/CDCSMA/CD的规则如下：（1）若信道空闲，则发送信息帧，否则转第（2）步；（2）若信道忙，一直监听直到信道空闲，然后立即传输；（3）若在传输过程中监听到冲突，则发出一个短小的人为干扰信号，让所有的站点都知识发生了冲突并停止传输；（4）发完人为干扰信号后等待一个随机时间，再次尝试传输（从第（1）步开始重复）。9.5 IEEE802.5标准：标准：令牌环局域网令牌环局域网 9.5.1 令牌环局域网络令牌环局域网络 IBM令牌环是一种星形环形结构，即结构上呈星形，但将各工作站连成环。IBM令牌环是一种星形环形结构，即结构上呈星形，但将各工作站连成环。环站是计算机、文件服务器和终端设备，设备入网时均需要带一个适配器。环站是计算机、文件服务器和终端设备，设备入网时均需要带一个适配器。线集中器是一个连接设备，环站通过线集中器将传输介质构成环网。传输介质可以是双绞线、光纤或宽带电缆，或是它们的混合，形成多介质网络。网桥作为IBM令牌环之间的连接设备。信关实质上是一个网间连接器。环形网络一直用于局域网和广域网中。9.5.2 令牌环工作原理令牌环工作原理*9.5.3 令牌环令牌环MAC子层协议子层协议1.IEEE802.5MAC帧格式PPPTMRRR访问控制字段格式如下：（2）数据帧格式SD、AC和ED字段同令牌帧FC：帧控制格式：FFRRCCCCDA：目的地址SA：源地址FCS：帧校验序列。FS：帧状态。ACAC2.令牌环的媒体访问控制功能（1）帧发送（2）令牌发送（3）帧接收（4）优先权操作*9.5.4 令牌总线局域网令牌总线局域网1.令牌总线网的工作原理：2.（1）网络在启动后，只有获得令牌的站才能向网上发送数据。3.（2）令牌在逻辑环上是根据地址传递的。4.（3）逻辑环上任何一个站保持令牌的时间是一定的。5.（4）逻辑环在稳定状态下的操作由数据传送和令牌传递两个阶段交替进行。6.（5）令牌总线型网络具有优先级控制。7.（6）在非稳定状态下，逻辑环上所有使用令牌的站有逻辑环的维护功能。8.（7）总线上的站可以加入逻辑环，也可以不加入逻辑环。2.令牌总线令牌总线MAC子层协议子层协议MAC帧格式如下：帧格式如下：3.令牌总线介质访问控制4.控制方法主要包括：5.（1）逻辑环的初始化6.（2）插入环算法7.（3）退环算法8.（4）故障控制。*9.6 快速以太网与千快速以太网与千兆以太网技术兆以太网技术IEEE802.3委员会于1992年提出制定快速以太网标准。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。包括：100Base-TX100Base-T4100Base-Fx。*9.6.1 快速以太网快速以太网*9.6.2 千兆位以太网千兆位以太网1.千兆位以太网2.是IEEE802.3标准的扩展，在保持与以太网和快速以太网设备兼容的同时，提供1000Mbps的数据带宽。千兆位以太网的关键是利用交换式全双工操作部件构建主干网络，连接超级服务器和工作站。可有多种网络拓扑结构。它基于以太网结构，保留了IEEE802.3以太网标准帧格式以及IEEE802.3的网络管理功能，且网络管理原理保持不变，现存的软件（如LAN协议）都可运行。2.千兆以太网技术特点传输速率高有较高的网络带宽高仍然采用以太网标准，仅仅是速度快仍然采用CSMA/CD介质访问控制方法与以太网完全兼容技术简单依靠RSVP、IEEE802.1P、IEEE802.1Q技术标准，提供VLAN服务，提供质量保证，支持多媒体信息传输，有很好的网络扩充能力，易升级，易扩展对于传输数据（DATA）业务信息有极佳的性能3.向千兆位以太网迁移迁移方式一般有三种：交换机到交换机的升级交换机到服务器的升级建筑物和园区主干网升级2002年6月12日802.3以太网标准组织批准了10G以太网标准的最后草案。1万兆以太网的特点万兆以太网的特点万兆以太网并非将千兆以太网的速率简单地提高到10倍，有很多复杂的技术问题要解决。万兆以太网主要具有以下特点：l 万兆以太网的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s的帧格式完全相同。9.6.3 万兆以太网万兆以太网l万兆以太网仍然保留了802.3标准对以太网最小帧和最大帧长度的规定。这就使得用户在将已有的以太网升级时，仍便于和较低速率的以太网进行通信。l由于数据传输速率高达10Gb/s，因此万兆以太网的传输介质不再使用铜质的双绞线，而只使用光纤。它使用长距离的光收发器与单模光纤接口，以便于能够在广域网和城域网的范围内工作。它也可以使用较便宜的多模光纤，但传输距离限制在65300m。l万兆以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。由于不使用CSMA/CD协议，这就使得万兆以太网的传输距离不再受冲突检测的限制。l标准中采用了局域网和广域网两种物理层模型，从而使以太网技术方便被引入广域网中，进而使LAN、MAN和WAN网络可采用同一种以太网网络核心技术。这样，也方便对各网络的统一管理和维护，并避免了繁琐的协议转换，实现了LAN、MAN和WAN网络的无缝连接。9.6.3 万兆以太网万兆以太网9.6.3 万兆以太网万兆以太网2万兆以太网的分万兆以太网的分层结构构9.6.4 交换式局域网交换式局域网9.6.4 交换式局域网交换式局域网1局域网交局域网交换机工作原理机工作原理局域网交换机（此处指第二层的网络交换机）的原理很简单,它是依据第二层的地址传送网络帧。第二层的地址又称硬件地址（MAC地址），第二层交换机通常提供很高的吞吐量（线速）、低延时（10左右），每端口的价格比较经济。第二层的交换机对于路由器和主机是“透明的”，主要遵从802.1标准。9.6.4 交换式局域网交换式局域网9.7 无线局域网无线局域网9.7.1 无线局域网概述无线局域网概述WLAN（WirelessLocalAreaNetwork）是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网。WLAN的常见形式是把一个（远程）计算机以无线方式联入一个计算机网络中，作为网络中的一个结点，使之具有网上工作站所具有的同样的功能，获得网络上的所有服务；或把数个（有线或无线）局域网联成一个区域网.9.7 无线局域网无线局域网9.7.2 无线局域网的技术特点无线局域网的技术特点（1）可移动性）可移动性无无线线局局域域网网使使用用户户工工作作站站和和网网络络数数据据源源不不局局限限在在一一定定的的物理连接上物理连接上,可以满足用户在移动中保持网络连接。可以满足用户在移动中保持网络连接。（2）降低成本）降低成本无无线线局局域域网网用用无无线线信信道道作作为为传传输输媒媒介介，彻彻底底避避免免了了由由于于线线缆缆故故障障造造成成的的网网络络瘫瘫痪痪问问题题，同同时时节节省省了了线线缆缆成成本本和和布布线线或或重重新新布布线线开开支支。尤尤其其在在物物理理布布线线困困难难的的地地方方选选用用无线网络会极大地降低组网成本。无线网络会极大地降低组网成本。9.7 无线局域网无线局域网9.7.3 无线局域网的协议标准无线局域网的协议标准目前,无线局域网有很多协议标准,如IEEE802.11、IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11e、蓝牙（Bluetooth，又称为IEEE802.15）、HomeRF、OpenAir等。虽然标准众多,但大致可分为两大发展方向：以高速传输应用发展为主（IEEE802.11、IEEE802.11a）；以低速短距离的应用为主（蓝牙和HomeRF）。