现代通信网络new修改后.pptx

3-1 概述局域网（LAN）也称局部网，是指覆盖较小地理范围的计算机网络，它的研究是从20世纪60年代后期开始的。1975年美国的XEROX公司推出的Ethernet（以太网），采用总线竞争式基本理论，也是LAN发展史上的一个重要里程碑。英国的剑桥大学计算机系研究的开发了著名的Cambrige Ring LAN（剑桥环局域网）。第1页/共66页Data point 公司推出了第一个用于办公室系统的ARCnet LAN。1980年 Xerox DEC 和Inter三大公司联合公布了局域网的事实标准DIX标准，（Ethernet）使得LAN的典型代表Ethernet由实验室进入规划阶段。1980年2月IEEE下属的802局域网标准委员会宣告成立，推出了一系列LAN的标准。第2页/共66页 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）。第3页/共66页ABCAAABBCC总线局域网上的帧传送Aa)C向A发送帧b)帧的目的站不是BB忽略它C)A在经过时将之复制A总线型基本拓扑结构基本拓扑结构第4页/共66页用户工作站用户工作站环路连接器用户工作站网络服务器环型第5页/共66页中心节点机网络服务器用户工作站用户工作站星型第6页/共66页IEEE802简介遵循ISO OSI模型IEEE802系列标准主要解决局域网低3层的功能。由于LAN拓扑结构简单，共享传输介质，在任意两个节点之间都有唯一的路由，所以网络层不存在路由选择问题，因此IEEE802标准不单独设立网络层，但是考虑到多个LAN要互连，IEEE802在实现模型中的LLC之上设立了网际层。在LAN中，多个站点共享介质，在节点传输数据之前必须首先解决设备占用传输介质问题，因此在数据链路层中要有介质访问控制功能，由于介质的多样性，必须提供多种介质的访问控制方法。IEEE802标准把数据链路层划分成两个子层：第7页/共66页 LLC（逻辑链路控制子层），负责向网际层提供服务。MAC（介质访问控制子层），管理基于各种介质的链路上的通信，在发送时负责将数据装成带有地址和差错校验段的帧；在接收数据时负责把帧拆封，执行地址识别和差错校验。第8页/共66页 3-2 IEEE802标准系列IEEE802.1 负责解决802计划中其他各种标准之间的互操作性，网络互联及系统管理。IEEE802.2 LLC负责逻辑链路控制子层协议IEEE802.3 定义使用CSMA/CD协议和总线拓扑的网络，继承了DIX标准，并补充了Grand Junction Networks公司向IEEE提交的100BASE X（快速以太网）的协议。IEEE802.4 定义了一种使用宽频带或单信道媒体的令牌总线拓扑（Token Bus）。IEEE802.5 规定了令牌环网的拓扑，在这种拓扑结构中，电缆形成了一个封闭的环（Token Ring）。IEEE802.6 标准针对城域网提出了一种快速而合算的连接LAN的方案，采用了西澳大利亚大学建议的分布式队列双总线技术。第9页/共66页IEEE802.7 负责制定使用宽频带技术及其安装方法、网络标准。IEEE802.8 作为802.3至802.5的标准中介绍电缆的替代标准，选中光纤电缆及其安装方法。IEEE802.9 用于电话和数据通信的各种桌面接口，其目标是建立一种与ISDN 和802.2 技术相兼容的标准。IEEE802.10 处理加密问题以及与OSI-RM相兼容的安全结构问题。IEEE802.11 解决无线局域网的协议和接口标准等问题。IEEE802.12 （100VG-AnyLAN）HP公司提交的使用需求优先协议的四重信号法的100Mbps以太网方案。IEEE802.15 解决有关WPAN的标准，分为802.15.1802.15.4第10页/共66页IEEE802.15.1 采用蓝牙（Bluetooth）标准 IEEE802.15.2 主要研究WPAN和WLAN互存性 IEEE802.15.3 制定将来在WPAN中的高速传输标准 IEEE802.15.4 研究特别节电的技术和低复杂度的方案，将其应用到诸如传感器、远端控制和家庭自动化等领域第11页/共66页IEEE802协议 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。第12页/共66页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LLC SAP 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：（a）MAC（介质访问控制）地址。（b）SAP地址。LLC层层第13页/共66页3）LLC协议（a）LLC帧的说明 LLC帧的说明n没有分界符及校验字段；nLLC帧是MAC帧中的数据字段；n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。（b）LLC/MAC的接口 用服务原语实现：MA-DATA.request；MA-DATA.indication；MA-DATA.confirm。第14页/共66页媒体访问控制策略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：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。每个站点的访问控制逻辑简单 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。MAC层层第15页/共66页 3-3 CSMA/CD（IEEE802.3）1）帧结构（MAC格式）介质访问控制方式前导码（PA）7Byte 10101010提示即将到来的数据帧，同时使系统调整同步输入时钟起始帧分界符（SFD）1Byte 10101011标记了帧的到来目的地址（DA）6Byte 标记目标的物理地址（即NIC独一无二地址）或连接当前LAN和下一个LAN路由器的地址PASFDDASALIDATAPADFCS校验内容 （PDU）第16页/共66页源地址（SA）6Byte 包含了最后一个转发数据帧设备的物理地址其可以是发送数据帧的站点，也可以是最近接收和转发数据帧的路由器PDU的长度/类型（LI）2Byte 指明了PDU的字节数，如果PDU的长度是固定的，可以用来表示类型数据帧（PDU）可以根据帧的格式和信息域的长度不同（46Byte1500Byte不等），PDU是上层（LLC）所创建（802.2），然后整个传给802.3，如果长度不够，增加PAD域补充字节数FCS（CRC32）4Byte的差错检测信息基带系统中，使用曼彻斯特数字编码；宽带系统中（10BROAD36）使用数字/模拟编码（差分PSK）第17页/共66页2）载波侦听多路访问（CSMA）CSMA是“先听后说”是减少冲突的主要技术。冲突是信息在介质上的混合，如果各站点随机地发送，冲突必然产生。共享介质中各站点都要通过共享介质来发送自己的数据，其它节点都可以从介质上来接收数据，仅有一个节点发送时，才能成功，当两个或两个以上节点同时发送时，共享介质上是多个节点发送信息的混合，目标节点无发识别，则发送失败。CSMA是在一个站点发送前，首先监测共享介质上有没有其他站在发送信息，如果是“平静的”即介质空闲，该站就发送，如果介质忙，则退避一段时间再尝试。第18页/共66页 CSMA有三种类型：非坚持型CSMA：如果共享介质空闲就立即发送，如果忙，则等待一随机时间再尝试。1坚持型CSMA：如果介质空闲就立即发送，如果忙则继续侦听，直到空闲立即发送，如果有冲突（在规定时间内未得到回复），则等待一随机时间后再侦听。P坚持型CSMA：如果介质空闲则以概率P发送，而以概率1-P等待一段单位时间，如果介质忙则继续侦听，直到空闲后再以概率P发送。由于共享介质有一定的长度，一个站发送时，另一个站检测到载波时有一段延迟时间，即检测到空闲并非真正空闲，如此时发送数据将导致冲突。两个或两个以上站点同时发现介质空闲也具有相当的概率，由于存在着传播延时，所以即使利用载波侦听（CS），发生冲突也是不可避免的。第19页/共66页3）载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）单纯的CSMA算法，不检测冲突，即使冲突发生，也要将已破坏的帧发送完，显然降低了共享介质的利用率，CSMA/CD是对CSMA的一种改进的方案。冲突检测的最基本思想：站点一边将信息输送到共享介质上，一边从共享介质上接收数据，然后将发送的信息和接收的信息进行比较，如果一致，则说明没有冲突发生；如果不一致则说明发生了冲突，称之为“边说边听”。一旦检测到冲突后，发送站点就停止发送已开始发送的帧，并向总线发送一串“阻塞码”，让其他各站点均能感知冲突发生，冲突检测可以及早释放共享介质，提高信道利用率。第20页/共66页有两种情况出现：当传播时延比传输时延要大许多时，即当帧过短时，可能出现发送站检测不到冲突的情况，因此，要求帧的最短长度要大于冲突检测时间内能传送的位数（冲突检测时间2倍的传输时延），IEEE802.3 MAC格式中的填充位，就是要达到最小帧长的要求而设立的。如果A、B两个站点的物理距离比较近，会较早地检测到冲突，检测到冲突，即停止发帧，这就使得一个帧的开头部分已发出，接收端已收到有头无尾的帧“冲突碎片”，这样的帧不必交高层处理，而采取丢去的办法。第21页/共66页 4）冲突退避算法 一旦冲突，就要重发原数据帧，冲突过的帧重发后，有可能再次冲突，为避免和减轻这种情况经常采用错开重发时间，重发时间的控制问题，就是冲突退避算法问题。为降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再利用CSMA方法试图传输，为保持这种退避稳定，最常用的算法称做二进制指数算法：T=RA2N其中 T：为本次冲突后等待重发的间隔时间 R：为随机数 A：为计时单位，与传播时间和传输时间有关 N：为冲突次数第22页/共66页其原理是根据某一帧冲突的历史，估计网上信息量而决定重发的等待时间，实际上控制器延迟一随机长度的间隔时间，是两倍于前次的等待时间。这种算法对于未发生冲突的帧或很少发生冲突的帧具有优先发送的概率，而对于多次发生冲突的帧，发送成功的概率反而减小。另外系统还设置了一个最大重传次数，超过了这个数，则不再重传，并告错。第23页/共66页OSI参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制子层介质访问控制子层物理层IEEE 802模型第24页/共66页LLCMACPacketLogical Link ControlMedia Access ControlMAC Frame 802.2 LLCNetworkData LinkPhysicalLAN数据链路层的子层与具体媒质有关功能都集中在MAC子层第25页/共66页LLC子层的主要功能建立和释放数据链路层的逻辑连接提供与高层的接口(Service Access Point)差错控制给帧加上序号局域网对LLC子层是透明的,只有下到MAC子层才能看到所连接的是什么标准的局域网(总线网或令牌环网)第26页/共66页 MAC的子层功能对高层数据进行封帧和解帧比特差错控制实现和维护MAC协议寻址Vendor CodeSerial Number24bit/s24bit/s在网络设备出厂时MAC地址被烧在ROM里面第27页/共66页MAC子层功能说明 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。第28页/共66页 5.以太网（Ethernet）10BASE2第29页/共66页 10BASE5第30页/共66页 10BASET第31页/共66页第32页/共66页 UTP（STP）1236通信规则RJ45连接头引脚传输信号1Tx2Tx3Rx4NC5NC6Rx7NC8NC第33页/共66页568A，568B定义的布线规则Pin568A568B1绿白橙白2绿橙3橙白绿白4蓝蓝5蓝白蓝白6橙绿7棕白棕白8棕棕第34页/共66页 快速以太网4对UTP2对UTP或STP2对光纤第35页/共66页3-3 无线局域网（WLAN）蓝牙技术（Bluetooth）家用无线电技术（Home RF）IEEE802.11b第36页/共66页 1.蓝牙技术（Bluetooth）Bluetooth原为欧洲中世纪的丹麦国王Harald II名字，他为统一四分五裂的瑞典、芬兰、丹麦立下了不朽的功劳，瑞典爱立信公司企图将此作为一种全球通用的无线电技术而命此名，也许有一统天下的含义。1998年5月由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚、东芝五家公司联合制定了近距离无线电通信技术的标准，其目的是实现最高数据率1Mbps（有效传输速率为721Kbps)，最大传输距离为10m的无线通信技术蓝牙技术。1999年12月，微软宣布全面支持“蓝牙”技术。2000年初，蓝牙SIG（Special Interest Group）已有3COM、爱立信、IBM、诺基亚、英特尔、朗讯、微软、摩托罗拉、东芝等九大集团公司和200多家成员企业组成，SIG公布了1.0版本规范。第37页/共66页蓝牙是一种低功耗的无线电技术，当初的目的是为了取代现有的PC机、打印机和移动电话等设备上的有线接口，可以随时随地地用无线接口来代替有线电缆的连接，具有很强的移植性，可用于多种通信场合，形成所谓的“个人局域网”（Personal Area NetworkPAN），最多255个节点。蓝牙技术提供了一种低成本、近距离的无线通信，作为一种无线数据与语言通信的开放标准，工作在全球通用的2.4GHz ISM频段。采用跳频技术，把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线收发器按照一定的码序列（跳频图案）不断地从一个信道跳到另一个信道，跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术可使这个窄带成倍地扩展成宽频带，使可能的干扰的影响变得很小，与其它系统相比较，蓝牙的跳频更快，数据包更短，更加稳定。第38页/共66页蓝牙的应用实现总的来说有三种集成方案第39页/共66页 网络服务的形式日趋多样，每个设备可以提供的服务也可以是多样的。对于蓝牙设备来说，要想访问另一个设备的服务，必须知道另一个设备上提供的服务，以及获取该服务的一些信息（如该服务使用的各种协议栈、服务名称、服务提供者和获得服务需要的参数）。类似的IrDA协议栈中也存在类似的协议，因此服务发现协议具有普遍意义。服务发现协议（SDP）综述第40页/共66页 服务发现协议是典型的客户服务器模型。客户服务器交互是大多数网络通信的基础模式。客户发送请求，等待响应。而服务器等待请求并完成基于请求的动作，形成响应的数据包，返回给客户。服务器应该满足多个请求同时到达的情况，并且对数据库进行保护。服务发现协议中，客户机组成服务查询请求的PDU（Protocol Data Unit）发送给服务器，服务器根据不同的请求，查询本地服务记录数据库，组成适当的响应PDU，返回给客户，从而完成一次查询。一个蓝牙设备可以既是服务器同时是客户机。第41页/共66页例1：局域网的接入第42页/共66页第43页/共66页蓝牙局域网接入模型第44页/共66页组网组网数据传输数据传输逻辑链路逻辑链路物理链路第45页/共66页例2：电话网的接入（PSTN网关结构）蓝牙摸块PC机语音电路PCM语音编解码双工语音PSTN网用户线串行口数据流PCM码流第46页/共66页 网关和终端的连接步骤第47页/共66页终端2终端1网关电话网接入系统第48页/共66页2.家用无线电射频技术（Home RF）Home RF技术是由Motorola、Inter、Compaq等主导，应用跳频扩频（FHSS）技术，配合SWAP（Share Wireless Access Protocol）系统为主要技术的无线网络，能够和传统的电话线路相兼容，提供语音传输；Hone RF还能根据调制技术的不同，在50m范围内，提供1到2Mbps的数据传输速率，最多可连接127节点，事实上它也遵循IEEE802.11标准，主要放在家用无线网络市场。第49页/共66页 3.IEEE802.11 有Lucent、Cisco、3COM、IBM、Dell、Apple、Intel、AMD等为主导，1997年由IEEE正式公布的无线局域网络标准。根据现有的标准（IEEE802.11b），它的传输速率可达11Mbps，符合这一规格运行的产品称之为“WIFI”标准，俗称为无线局域网（WLAN），也有称“超蓝牙”，802.11a能提供54Mbps的数据率，进一步可达到100Mbps的目标。（1）802.11b的特色高速率高可靠性：采用了CSMA/CA算法，可以减少冲突的概率，保证了一定的传输质量，进一步提供了RTS/CTS功能，可以避免盲点的问题。第50页/共66页安全性高：物理层采用了DSSS技术，本身就具有一定的安全机制，再加上MAC层所提供的WEP（Wired Equivalent Privacy）加密方法，通过RC4算法，将64（128）位Key加入数据中进行运算，大幅度提高数据的安全性。漫游：通过多种频道的切换功能以及换手“Hand off”的沟通法则，802.11的无线节点也能像常用的移动电话一样，享受漫游服务。第51页/共66页（2）网络拓扑结构a.Infrastructure（永久性基础结构）Infrastructure拓扑以中央的骨干线路（DS）为主轴，由访问点（Access Point）来协调各无线节点之间的通信，访问点和通信范围内各节点 所组成的群组称之为BSS（Basic Service Set）也 就是无线局域网结构的基本群组单位，它采用点并列功能PCF（Point Coordination Function）协调机制来进行沟通，除此之外，BSS之间第52页/共66页还可以通过DS形成所谓的ESS（Extended Service Set）Infrastructure 拓扑：第53页/共66页 b.AdHOC 网络AdHOC拓扑结构：第54页/共66页只要有两个（以上）的无线节点就可以组成一个AdHOC，不需要通过访问点与DS，各节点之间采用DCF（Distributed Coordination Function）分布式的协调（对等）机制进行沟通，这种结构称之为独立的（Independent）BSS，对于建立临时性的局域网，非常方便。以上a、b两种拓扑是为了配合不同的应用环境而制定的，且802.11允许这两种拓扑同时并存。（3）物理层802.11b的物理层所定义的是电子信号的收发、检测转换工作，共三种物理层技术：第55页/共66页a.IR红外线：采用了散射红外线，利用4级或16级PPM调制来进行传输。b.FHSS跳频扩频技术c.DSSS直扩序列扩频（4）MAC802.11b的MAC定义了DCF与PCF两个子层，其中DCF是必需的基本机制，而PCF则是一种可选择的机制。a.DCF：采用了CSMA/CA算法，也属于竞争性的传输逻辑，假设节点A企图传输数据，先进行CS，如果无线介质正空闲，那么节点A会等待一个DIFS（分配间隔帧空间）时间间隔之后，再对介质进行检测感应，如果介质仍是空闲状态，才真正将数据送出。第56页/共66页CS的感应：分为实际感应和虚拟感应实际感应是借助于天线实际测出无线介质中的信号强度；虚拟感应用所定义的传输周期来计算该节点的传输时间、以及无线介质可能的闲置时间。CA（冲突避免）：以特定的Back off 算法减少冲突发生的概率，如A点经过DIFS后，发现已经有其它节点在进行传输，这时A就会在等待一个DIFS，同时加上一个随机的Back off时间，来降低冲突的概率，这是因为要判断无线介质中信号是否发生冲突是不容易的。第57页/共66页DCF还提供了一种称之为4路握手的传输算法，通过特定的信号格式来加强数据传输的可靠性。TRRTSCTSDATAACKReady to Send 包含了数据长度信息Clear to Send 无线介质处于预约，没有收到CTS，会再发RTS经检查无误后，回传确认信号ACKAdHOC拓扑只使用DCF。第58页/共66页b.PCF：是附加在DCF上的可选协调机制，负责以轮询的方式，来分配BSS中的无线介质的访问，属于非竞争性的传输机制，并提供时限性服务，PCF只适用于具有访问点的BSS结构中。（5）帧结构MAC的帧结构包含了三大部分：帧头正文检查字段第59页/共66页Frame Control D/ID Add1 Add2 Add3 Sq.C Add4Frame BodyFCS(CRC)帧头：2 2 6 6 6 2 6 Byte正文：0 2312 Byte检查字段：4 Byte第60页/共66页Frame Control：帧控制信号（协议版本、帧类型、分段、WEP、电源管理）D/ID（Duration/ID）：定义帧传输的时间长度（持续时间）Address1Address4：包含了目的（接收）、源（发送）的地址信息，也包含了BSS ID 用以区别无线局域网子网络Sq.C（Sequence Control）：包含了12bit的顺序字段以及4bit的分段，用以辨别帧的序列以及在整个字段中的位置Frame Body：实际数据的存放位置FCS：采用32bit的CRC检查，提供帧的检错第61页/共66页（6）WLAN所需设备介绍PCMCIA无线网卡（Notebook用）第62页/共66页PC用无线转接卡（PCI接口）第63页/共66页访问点 AP（无线网桥）第64页/共66页室内用外接天线和室外天线第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页