局域网概述.ppt

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1、3.1 局域网概述一、局域网的定义及特性局域网的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目有限。局域网的优点有：能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及硬件、数据。从一个站点可以访问全网。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。5/17/2023 15/17/2023 2图5-1(a)是星形网。近年来由于 集线器 集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中，星形以太网以及多级星形结构的以太网获得了非常广泛的应用。图5-1(b)是 环形网 环形网，最典型的就是 令牌环形网 令牌环形网(token ring)，它又称为令牌环。图5-1(c

2、)为 总线网 总线网，各站直接连在总线上。总线网可使用两种协议。一种是传统以太网使用的CSMA/CD，另一种是令牌传递总线网。图5-1(d)是树形网，它是总线网的变型。5/17/2023 33.2 局域网的体系结构(LAN Architecture)一、IEEE 802 参考模型n 局域网不存在路由选择问题，其体系结构只有ISO/RM中的最低二层，但其数据链路层划分为二个子层，即MAC和LLC；物理层媒体接入控制MAC逻辑链路控制LLC5/17/2023 4局域网的数据链路层拆成两个子层，即 逻 逻 辑 辑 链 链 路 路 控 控 制 制LLC(Logical Link Control)子层和

3、 媒 媒 体 体 接 接 入 入 控 控 制 制MAC(Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说是都透明的，5/17/2023 5IEEE 802 参考模型与OSI/RM 的对比5/17/2023 6 物理层的主要功能(1)信号的编码与译码；(2)前同步码的产生与去除；(3)比特的传输与接收；5/17/2023 7MAC子层的功能(1)数据帧的封装与拆封；(2)实现和维护MAC协议；(3)比特差错检测；(4)寻址；只有在MAC子层才能看到局域网的分类（总线、令牌环等）5/

4、17/2023 8n LLC子层的主要功能(1)建立和释放数据链路层的逻辑连接；(2)提供与高层的接口；(3)差错控制；(4)给帧加上序号；5/17/2023 9 IEEE 802标准系列802.1(A)概述和体系结构802.1(B)寻址、网络管理、网间互联及高层接口802.2 逻辑链路控制（LLC）802.3 带碰撞检测的载波侦听多路访问方法和物理层规范802.4 令牌传递总线访问方法和物理层规范802.5 令牌环访问方法和物理层规范802.6 城域网访问方法和物理层规范802.9 LAN-ISDN接口802.10 互操作LAN安全标准802.11 无线局域网802.12 100VG ANY

5、 LAN 802.14 交互式电视网 5/17/2023 105/17/2023 11二、LLC子层1.逻辑链路控制 子层的业务访问点LLC SAP网络进程通信时需要两种地址，即MAC地址和SAP地址；一个用户可同时使用多个SAP；2.LLC子层所提供的服务：操作类型1不确认的无连接服务（数据报）；操作类型2面向连接服务；操作类型3带确认的无连接服务；5/17/2023 12LLC/PDU的结构5/17/2023 13三、媒体接入控制 MAC子层n MAC地址：802标准规定可采用48bit或16bit两种方案中的一种，尽管48bit方案会增加开销，但使全球任一站均有不同的地址，因此普遍使用；

6、n 6字节MAC地址的前3字节由IEEE管理，每一个称为地址块或厂商代码，后3个字节由该厂家自行分配；n 第1个字节的最低位称为I/G比特，0/1分别表示单个/组地址；n 第1个字节的次低位称为G/L比特，0/1分别表示局部/全局地址；n 任一站仅接收发往本站（MAC地址相符）的帧，包括单播、广播、多播三种类型；5/17/2023 14n 单 播(unicast)帧(一对一)，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。n 广 播(broadcast)帧(一对全体)，即发送给所有站点的帧(全1地址)。n 多播(multicast)帧(一对多)，即发送给一部分站点的帧。5/17/2023 153

7、.3 IEEE 802.3标准：CSMA/CD 802.3局域网是一种基带总线型局域网。在不涉及网络协议细节时，一般也可以把802.3局域网简称为以太网。802.3局域网中采用的是1坚持的CSMA/CD协议。5/17/2023 16一、载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD n 载波监听：站点能监测到链路是忙还是空闲，n 冲突检测：站点在传输的同时监听链路，从而能够监测到站点所传输的帧与别的站点传输的帧之间发生冲突的情形 5/17/2023 17n 基本算法：若媒体空闲，传输；否则，转第2步。n 若媒体忙，一直监听直到信道空闲然后立即传输。n 若在传输中监听到冲突，发出一个短小的人为干扰信号

8、让所有的站点都知道发生了冲突并停止传输。n 发完人为干扰信号，等待一段随机的时间，再次试图传输（从第1步开始重复。5/17/2023 18检测冲突信息所需要的时间5/17/2023 19争用期：冲突可能发生的时间，一般取2倍的信号从一端传输到另一端的传播时间（2）。802.3规定为512微秒。5/17/2023 20CSMA/CD：二进制指数退避n CSMA/CD遇到冲突后采用二进制指数退避技术：n 先确定基本的退避时间，一般取2。n 再定义K=MIN（重传次数，10）。n 然后从集合0，2K-1中随机选一个整数，记为R。n 重传所需的时间为R*2 n 在16次冲突后，站点放弃传输，并报告一个

9、错误。5/17/2023 21以太网帧格式n 每个帧所能携带的用户数据最长为1500字节，同时以太网限制每个帧中从源地址字段结束到检验和字段开始的长度最小为46字节，如果用户数据不够，则通过填充来满足限制，即最小帧长为512比特5/17/2023 225/17/2023 23802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧：（1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致；（2）帧的长度不是整数个字节；（3）用收到的帧检验序列FCS查出有差错；（4）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46 1500字节之间。5/17/2023 24二、传统以太网的连接方法传统以太网可使用的传输媒体

10、有四种，即粗缆、细缆、铜线和光缆。图5-7在MAC层下面给出了对应于这四种传输媒体的物理层，即10BASE5(粗缆)、10BASE2(细缆)、10BASE-T(双绞线)和10BASE-F(光缆)。图5-8给出了用铜缆或铜线连接到以太网的示意图。5/17/2023 255/17/2023 265/17/2023 27粗缆以太网是最初使用的以太网，其网卡通过DB-15型 连接器 连接器(15针)与 收发器电缆 收发器电缆(transceiver cable)相连，收发器电缆的正式名称是 AUI AUI 电缆 电缆，其长度不超过50米，在电缆上信号采用曼彻斯特编码。AUI是连接单元接口(Attach

11、ment Unit Interface)的缩写。收发器电缆的另一端连接到 收发器 收发器(transceiver)。收发器电缆的长度不能超过50 m。收发器由两部分组成，一部分是含有电子元器件的 媒体连接单元 媒体连接单元 MAU MAU(Medium Attachment Unit)，另一部分是没有电子元器件的插入式 分接头 分接头(tap)，称为 媒体相关接口 媒体相关接口 MDI MDI(Medium Dependent Interface)，它直接插入到电缆中(不用切断电缆)就能和同轴电缆的内部导线有良好的接触连接。5/17/2023 28收发器的功能如下：（1）从计算机经收发器电缆得

12、到数据向同轴电缆发送，或反过来，从同轴电缆接收数据经收发器电缆送给计算机。（2）检测在同轴电缆上发生的数据帧的碰撞。（3）在同轴电缆和电缆接口的电子设备之间进行电气隔离。（4）当收发器或所连接的计算机出故障时，保护同轴电缆不受其影响。上述最后一个功能叫做 超长控制 超长控制(jabber control)5/17/2023 29以太网的最大作用距离802.3标准中规定：在任意两个站之间最多可以有三个 同轴电缆段。接到转发器的电缆的总长度不超过1000m。5/17/2023 3050500507505050050250505005028005/17/2023 31网卡的功能主要有以下三个：（1）

13、数据的封装与解封，发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。（2）链路管理，主要是CSMA/CD协议的实现。（3）编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。5/17/2023 32集线器的一些特点如下：（1）从表面上看，使用集线器的局域网在物理上是一个星形网，但由于集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。也就是说，使 使 用 用 集 集 线 线 器 器 的 的 以 以 太 太 网 网 在 在 逻 逻 辑 辑 上 上 仍 仍 是 是 一 一个 个 总 总 线 线 网 网，各 各 工 工 作

14、作 站 站 使 使 用 用 的 的 还 还 是 是 CSMA/CD CSMA/CD 协 协 议 议，并 并 共 共 享 享 逻 逻辑 辑 上 上 的 的 总 总 线 线。网络中的各个计算机必须竞争对传输媒体的控制，并且 在 在 一 一 个 个 特 特 定 定 时 时 间 间 至 至 多 多 只 只 有 有 一 一 台 台 计 计 算 算 机 机 能 能 够 够发 发 送 送 数 数 据 据。因此，这种10BASE-T以太网又称为 星 星 型 型 总 总 线 线(star-shaped bus)或 盒中总线 盒中总线(bus in a box)。5/17/2023 33（2）一个集线器有许多端口

15、，因此，一个集线器很像一个 多端口的转发器 多端口的转发器。（3）集线器和转发器都是工作在物理层 集线器和转发器都是工作在物理层，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到工作站发来的比特时，就简单地将该比特向所有其他端口转发。若两个端口同时有信号输入(即发生碰撞)，那么所有的端口都收不到正确的帧。（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。5/17/2023 343.4 IEEE802.5 令牌环介质访问控制协议令牌环：许多站点通过环接口（干线耦合器）连接到环中，环接口之间通过点到点线路连接而成的。帧沿某一固定的方向绕环传递，每个站点从它的上游邻居接收帧，然后

16、转发给下游邻居站点。令牌：一种特殊的信息幀，发送信息的标志。有两种基本状态，空闲和忙。分别用0111，1111和0111，1110表示。5/17/2023 35干线耦合器（转发器）有两种工作状态。一种是收听（转发）方式，一种是发送方式。收听时主要任务是：1.转发从环路输入的比特流，再生，在这种情况下干线耦合器和接在耦合器上的主机实际上断开的。2.不停的监视以下两种特殊的比特组合（本站的地址和令牌）截获到令牌后就将干线耦合器的状态置为发送方式。在单令牌的网络中，只有一个站工作在发送方式下，其他的站只能处于收听方式而不能发送数据。5/17/2023 36令牌环网络工作模式监听模式 传送模式令牌环5

17、/17/2023 37令牌环的工作原理n 网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行n 当一个站点要发送数据时，必须得到令牌n 环路上每个站点边转发数据边检查数据帧的目的地址，若为本站点的目的地址便接收数据n 数据帧绕环一周返回后，由发送站从环路上撤销，同时检查是否有错。n 发送站点完成数据传送后，重新产生一个新的令牌。5/17/2023 383.4 令牌总线局域网（802.4）n 将局域网物理总线上的站点构成一个逻辑环，每一个站点在一个有序的序列中被指定一个位置，序列中的最后一个站点又跟着第一个站点。每个站点都知道它之前的前趋站和它之后的后继站。n 物理上总线，逻辑上环形。每个站点都有公平的访问权

18、，发送时延是确定的n 这种局域网协议比较复杂，所以应用不广泛n 特点：既有总线结构的接入方便和可靠性高的特点，又具有令牌环网无冲突和发送时延有确定上限的特点；5/17/2023 39802.3 802.4 802.5三种局域网的比较802.3 CSMA/CD 协议简单、成本低、可靠性高、使用广泛、轻负载时延迟小；检测冲突要求模拟部件有较好性能，最小帧长要求使短信息浪费带宽，时延不确定、不适于实时信息传送，速率上升后效率下降或对距离限制，负载重时冲突较多、严重影响吞吐量；5/17/2023 40802.4 令牌总线网吞吐量高、并随传输速率的增加而增加、也不随网络负荷而变化和不因距离增加而下降，支

19、持优先级的设置、每个站点的传输时延和等待时间均有上限，可用于实时信息传输；算法实现复杂，轻负载时时间开销较大，难于用光纤传输，目前使用较少；5/17/2023 41802.5 令牌环网具有令牌总线网的优点,但传输媒体可使用光纤；需设立集中监控站用于对令牌的维护，如处理丢失的令牌等，环内站点的开机停机会影响环的时延；5/17/2023 423.5 扩展的局域网一、在物理层扩展局域网n 一个学院的三个系各有一个10BASE-T局域网(如图5-19(a)所示)，可通过一个主干集线器互相连接起来，成为一个更大的扩展的局域网(如图5-19(b)所示)。5/17/2023 435/17/2023 44二、

20、在数据链路层扩展局域网网桥：工作在数据链路层，如果目的和源不在同一个局域网中，根据MAC层的目的地址对收到的帧进行转发；如果目的和源在同一个局域网中，则将该帧简单抛弃。具有过滤帧的功能；如果目的地址未知则使用洪泛法进行处理。当网桥在转发前要执行 CSMA/CD算法，若检测到冲突会进行退避以防止冲突，这点与网卡功能相同。站表是通过自学习的方法学习得到，是动态的过程5/17/2023 455/17/2023 46使用网桥可以带来以下好处：（1）过滤通信量 过滤通信量。（2）扩大了物理范围 扩大了物理范围。（3）提高了可靠性 提高了可靠性。（4）可 可 互 互 连 连 不 不 同 同 物 物 理 理

21、 层 层、不 不 同 同 MAC MAC 子 子 层 层 和 和 不 不 同 同 速 速 率 率(如10 Mbit/s和100 Mbit/s以太网)的局域网 的局域网。5/17/2023 47网桥也有不少缺点，例如：（1）由于网桥对接收的帧要先存储和查找站表，然后才转发，这就 增加了时延 增加了时延。（2）在MAC子层并 没有流量控制功能 没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。5/17/2023 48（3）具有不同MAC子层的网段桥接在一起时，网桥在转发一个帧之前，必须修改帧的某些字段的内容，以适合另一个MAC子层的要求。这也耗

22、费时间，因而 增加时延 增加时延。（4）网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生较大的 广播风暴 广播风暴。有时在两个网桥之间还可使用一段点到点链路。图5-21说明了这种情况。5/17/2023 49透明网桥n 含义：802.1(D)标准，目的是能使802标准的三种局域网在接上该设备后即可实现互连，这就是“透明”的含义。n 为进行数据帧的过滤与转发，每个站点有站表，内容包括站地址，端口和时间；n 站表开始是空的，在转发过程中逐步建立；5/17/2023 50透明网桥 n 每个网桥维护一张过滤数据库，列出了每个可能的目的地以及哪一条输

23、出线路（端口号）。n 假设一个桥在端口x上接收到一个MAC帧：n 查询过滤数据库，决定该目的MAC地址是否列在除端口x外的其它端口中。n 扩散：n 如果目的MAC地址没有找到，把该帧往除了它所到来的端口外的所有端口发送。n 转发：n 如果目的地址列在过滤数据库中的某个端口y中，如果端口y是非阻塞的，把该帧通过端口y转发到它所连接的LAN n 逆向学习：利用每个MAC帧中的源地址字段 n 超时：过滤数据库中每一项都有一个防止过时的计时器，一定时间站点没有活动将从过滤数据库中清除 5/17/2023 51透明网桥的路由机制支撑树算法n 目的：各网段通过桥互连后可能形成环路，该算法找出网络拓扑中的一

24、个子集，使任何两个站点间只有一条通路，就可避免数据帧在环内不停循环而使网络无法正常工作；n 算法：选择一个最小序号的网桥作为树的根，然后依据最短路径原理，每个桥再决定到根桥最小花费的路径，每个网桥确定它的根端口，然后每个局域网仅允许一个选取桥用来转发帧，其余端口被阻塞；n 缺点：不能最有效地利用网络资源；当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法可能要花费很多的时间。5/17/2023 525/17/2023 53源站选路网桥n 透明网桥的优点是安装简单，但它仅用到拓扑结构的一个子集，网络资源利用不充分；n 源站选路网桥的基本思想是由源站自己去选择路由;n 为了发现合适的路由，源站以广播方式向目

25、的站发送发现帧做探测，该帧在传送中，记录所经过的路由，当其到达目的地后又分别沿各自路由返回源站，源站再根据探测结果选定路由；n 发现帧的另一作用是确定允许通过的最大帧长；5/17/2023 54透明网桥和源站选择路由网桥的比较特点 透明网桥 源站选择路由网桥是否面向连接 无连接 面向连接透明性 透明 不透明配置 自动的 人工的路由 非最优 优化定位 逆向学习 通过发现帧故障处理 由网桥处理 由主机处理复杂性 在网桥中 在主机中5/17/2023 55n 多端口网桥以太网交换机n 1990年问世的 交 换 式 集 线 器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为

26、以太网 交换 机(switch)或 第 二 层 交 换 机(表明这种交换机工作在数据链路层)。n“交换机”并无准确的定义和明确的概念，而现在的很多交换机已混杂了网桥和路由器的功能。n 以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥。5/17/2023 56n 对于普通10 Mbit/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mbit/s)的N分之一。在使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的数据率还是10 Mbit/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此拥有N对端口的交换机的总容量为N 10 Mbit/s。5/17/2023 57