《计算机局域网络》PPT课件.ppt

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1、Page 1,2023/8/1,第四章 计算机局域网络,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,Page 2,2023/8/1,4.1 局域网(LAN)概述,LAN的特点,覆盖范围小房间、建筑物、园区范围 距离25km高传输速率10Mbps1000Mbps低误码率10-8 10-10 采用总线、星形、环形拓扑双绞线、同轴电缆、光纤为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务,Switch,Serverfarm,station,stations,stations,Page 3,2023/8/1,2.局域网的关键技术,拓扑结构（

2、逻辑、物理）总线型、星型、环型、树型介质访问方法按协议实现信道共享:CSMA/CD和Token-passing信号传输形式基带、宽带,Page 4,2023/8/1,LAN典型拓扑结构,总线型:所有结点都直接连接到共享信道星型:所有结点都连接到中央结点环型:结点通过点到点链路与相邻结点连接,Bus,Star,Ring,A,B,C,C,A,D,C,B,A,B,C,A,T,Page 5,2023/8/1,3.LAN参考模型,IEEE802标准,网络层,数据链路层,物理层,逻辑链路控制 LLC,媒体访问控制 MAC,高层,OSI,IEEE 802,物理层PHY,由NOS来实现,Page 6,2023

3、/8/1,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,Page 7,2023/8/1,802.3CSMA/CD,802.4Token Bus,802.5Token Ring,802.6DQDB,802.8FDDI,802.2 LLC,数据链路层,物理层,LLC,MAC,802.1D Bridge,802.1A 体系结构,IEEE802体系结构示意图

4、,PHY,Page 8,2023/8/1,4.2 局域网中的介质访问控制方法,载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 令牌传递(Token Passing)Token RingToken BusFDDI(双环),常见的有两种：,Page 9,2023/8/1,1.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

5、CSMA：监听到信道忙时，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。,Page 10,2023/8/1,2.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。,Page 11,2023/8/1,CSMA/CD的流程图,Page 12,2023/8/1,3.令牌环（IEEE802.5）

6、,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,Page 13,2023/8/1,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

7、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的输出端发送到下一个TCU的输入端。,DTE,TCU,收听方式,K,K,DTE,TCU,发送方式,K,K,Page 14,2023/8/1,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。,Page 15,2023/8/1,3）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：

8、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。,Page 16,2023/8/1,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

9、加挂数据,Page 17,2023/8/1,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,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。,Page 18,2023/8/1,实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,Page 19,2023/8/1,4.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

10、为1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s；传输机制为以太网和令牌环的结合：物理传输采用广播方式；介质访问控制采用令牌方式。,Page 20,2023/8/1,5.LAN的数据链路层,按功能划分为两个子层：LLC和MAC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。分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。,Page 21,2023/8/1,LAN的链路层与传统的数据链路层的区别：LAN链路支持多重访问，支持成组地址和广播；支持MAC介质访问控制

11、功能；提供某些网络层的功能，如网络服务访问点、多路复用、流量控制、差错控制.MAC子层功能：成帧/拆帧，实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供SAP，建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。LAN对LLC子层透明，仅在MAC子层才可见LAN的标准(对不同的LAN标准，区别在MAC子层),Page 22,2023/8/1,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,Page 23,2023/8/1,MAC子

12、层的地址,IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。MAC地址（物理地址）MAC地址为6Byte（48位）。MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。,Page 24,2023/8/1,5.LAN的网络层和高层,网络层由于IEEE 802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等)是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE 802标准没有单独设立网络层。高层局

13、域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来实现，如Unix、Windows NT、Netware等。,Page 25,2023/8/1,4.3 以太网,70年代中期由Xerox Palo Alto Research Center(Bob Metcalfe)提出，数据率为2.94M，称为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

14、和IEEE 802.3的帧格式不同。,1.Ethernet和IEEE 802.3,Page 26,2023/8/1,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FE 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,Page 27,2023/8/1,802.3布线介质标准,10Base5 粗同轴10Base2 细同轴10BaseT 双绞线 10BaseF MMF100BaseT 双绞线100BaseF MMF/

15、SMF1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT 双绞线,Page 28,2023/8/1,2.10Base5,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,Page 29,2023/8/1,3.10Base2,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

16、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,Page 30,2023/8/1,4.10BaseT,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物理层设备(工作在物理层)。用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大长度 100m,Page 31,2023/8/1,5.10BaseF,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

17、，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,Page 32,2023/8/1,7.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（MAC 帧）,链路管理（CSMA/CD协议）,曼彻斯特编码/译码,发送/接收,MAC,LLC,Page 33,2023/8/1,8.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复制，其他站点则丢弃该帧,A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,B,C,(1)C 发

18、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,信号由终端电阻吸收,终端电阻,Page 34,2023/8/1,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-10101011DA：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

19、,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,Page 35,2023/8/1,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,Page 36,2023/8/1,1.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

20、)网络交换总线网络或基于集线器的网络：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；,4.4 高速局域网,Page 37,2023/8/1,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

21、方法又称为Big-Pipe。,10Mbps 网络交换机,Page 38,2023/8/1,交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)：(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,Page 39,2023/8/1,2.100Mbps 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

22、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,100BaseT4,Page 40,2023/8/1,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,Page 41,2023/8/1,3.FDDI(Fiber Distributed Data Interfa

23、ce),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,Page 42,2023/8/1,4.千兆以太网(Gigabit Ethernet，GE),两种标准：802.3z和802.3ab802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线(5类，6类)连接距离较短：1000BaseX:双绞线-25米；MMF-550米；SMF-3km1000BaseT:5类双绞线 100米 拓扑结构和媒体布线

24、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。,Page 43,2023/8/1,4.5 LAN的扩展（LAN互连）网桥,LAN互连的必要性及要解决的问题,LAN互连的必要性：地域限制、负载问题、互通问题、安全问题LAN互连的困难：帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同LAN互连的实现：中继器/HUB 在物理层上实现互联 网桥 在数据链路层上实现互联 路由器 在网络层上实现互联,Page 44,2023/8/1,用网桥实现多个网段互连,hub,10Base2-细缆Ethern

25、et,10Base5 粗缆Ethernet,10BaseT-双绞线,router,server,hub,网桥,网段3,网段4,10Base5 粗缆Ethernet,网段1,网段2,Page 45,2023/8/1,用网桥进行LAN扩展的缺点：时延增加 没有流量控制功能，重载时会丢失帧 不能防止广播风暴（广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段）两种类型的网桥：透明网桥（Transparency Bridge）源选径网桥（Source Routing Bridge）,Page 46,2023/8/1,1.IEEE802.1透明网桥,特点：由网桥实现路由选择，网桥和路由对站点透明,网桥采用存储、转发

26、方式，需要有足够缓存 网桥有寻址和路由选择能力，路由选择采用查表法：网桥内的端口-地址表描述了到达每个站点的路由。,连接三个网段的网桥,端口-地址表的结构,Page 47,2023/8/1,选路方法：（参考上图）假定网桥开机后从端口1收到来自LANx的帧，它就查端口-地址表：.若目的MAC地址在本端口的表项中，则丢弃此帧.若目的MAC地址在其他端口的表项中，则把帧转发到相应端口所在的LAN.若目的MAC地址不在表中，则用洪泛法转发，即向除接收到该帧的端口(本例为端口1)之外的其他所有端口广播。,端口-地址表的建立方法：在转发过程中逆向学习若帧的源地址不在表中，则插入到表中。,Page 48,2

27、023/8/1,网桥工作原理归纳为：学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。,注：网络交换机工作原理与网桥类似可看成是一个多端口的高速网桥（工作在链路层上）,透明网桥的优缺点：优点：容易配置、安装，无需管理 缺点：不能保证最佳路由,Page 49,2023/8/1,2.源选径网桥,特点：由源站负责路由选择，路由信息放在发送的帧的首部（即把要经过的路径放在帧中，帧按该路径传送）,选路方法：源站向目的站发送探测帧，该帧在扩展的LAN中沿所有可能路由传送；每个探测帧都记录下它所经过的路由；这些探测帧在到达目的站后，再沿各自的路由返回源站；由源站选择其中的最佳路由，作为发送帧中的路由信息。

28、,源选径网桥的优缺点：优点：网桥功能可以很简单；可以用最佳路由传送。缺点：源站计算路由费时；主机负担重。,Page 50,2023/8/1,3.两种网桥的比较,透明网桥,源选径网桥,服务类型,无连接,面向连接,对源站的透明性,完全透明,不透明,配置、管理,自动配置，容易管理,人工方法,选择的路由,次佳,最佳,目的地确定方法,逆向学习,探测帧,故障处理及拓扑变化,网桥负责,主机负责,复杂性和开销,网桥负担,主机负担,Page 51,2023/8/1,作业：P113 1，2，3，4补充：1.为什么网桥（交换机）不能隔离广播信息?2.网桥工作在OSI参考模型的那一层上？3.一个小型局域网络，用一台有8个10Mb/s端口和 1个100Mb/s 端口的网络交换机作为核心连接设备。交换机的8个10M端口分别连接8台PC机，100M端口与1台服务器相连。若该网络的流量主要是集中于PC机与服务器之间，PC之间很少进行通信。问：该网络的理论上的最大传输速率为多少？4.对于100BaseT标准，其传输速率为多少？采用了什么类型的传输介质？,