计算机网络-局域网.ppt
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1、计算机网络Computer Networks,第四章 局域网,本章对共享介质局域网、交换与高速局域网的工作原理与组网方法,以及虚拟局域网、无线局域网的工作原理进行系统的讨论。,内容概要,内容纲要,以太网 高速以太网 虚拟局域网 无线局域网,内容纲要,以太网 高速以太网 虚拟局域网 无线局域网,以太网,1、局域网概述(4.1节)2、传统以太网(4.2节)3、以太网的MAC层(4.3节)4、扩展的局域网(4.4节),1、局域网概述,局域网(Local Area Network,简称LAN)是计算机网络的一种。局域网是在一个较小的范围(一个办公室、一幢楼、一家工厂等),利用通信线路将众多计算机(一般
2、为微机)及外围设备连接起来,达到数据通信和资源共享的目的。,局域网的概念,以太网,1、局域网概述,局域网最主要的特点是:网络通常为一个单位所拥有,地理范围几米到几公里。局域网具有较高的数据率、较低的时延和较小的误码率。决定局域网特性的主要技术:设备互联的拓扑结构;用于传输数据的传输媒体;由于信道共享而采用的媒体接入控制方法。,局域网的特点,以太网,局域网具有如下的一些主要优点:能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。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。响应速度较快。,局域网的优点,以太网,局域网的拓扑,以太
3、网,集线器,(a)星型网*,(b)环型网,(c)总线网,(d)树型网,干线耦合器,匹配电阻,局域网的拓扑星型拓扑,以太网,星型拓扑基本特性:每一个站点通过点-点链路连至中心结点,所有的通信都由中心结点控制,一般采用线路交换。中心结点也可以有数据处理能力并提供共享资源。近年来由于集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中,星形网以及多级结构的星形网获得了非常广泛的应用。,局域网的拓扑星型拓扑,以太网,星型拓扑优点:(1)建网容易,配置方便;(2)每个连接故障容易排除,不影响全网;(3)控制协议相对简单。星型拓扑缺点:(1)在同样覆盖面积内;所用电缆量较大;(2)扩展不方便,需要预留或增设电缆
4、;(3)对中心结点要求非常高,一旦中心结点产生故 障,全网将不能工作。,局域网的拓扑环型拓扑,以太网,环型拓扑基本特性:由一些中继器通过点到点链路连成的一个闭合环。入网设备连到中继器上。中继器是较简单的设备,无存储转发功能。它从一条链路上接收数据,以相同速率在另一条链路上输出。数据在环上是单向传输的。由于所有站点共享一个环,因此要对站点对环的访问进行控制。控制采用分布的办法,即每个站都有控制发送和接收的访问逻辑。,局域网的拓扑环型拓扑,以太网,环型拓扑优点:(1)电线长度较短,与总线拓扑类似;(2)适于采用光缆连接,从而提高数据速率。环型拓扑缺点:(1)某段链路或某个中继器有故障会使全网 不能
5、工作;(2)站点离网、入网都较困难。,局域网的拓扑总线型拓扑,以太网,总线型拓扑基本特性:将所有站点通过硬件接口连接到单根传输介质 共享总线上。在IEEE802标准中IEEE802.3(即以太网)和IEEE802.4(令牌总线)都是总线拓扑。,局域网的拓扑总线型拓扑,以太网,总线型拓扑优点:(1)与星型拓扑相比,所需电缆长度较短;(2)结构简单,可靠性高;(3)扩充较容易(如增加站点、延长电缆等)。总线型拓扑缺点:(1)故障检测不很容易,如总线有故障需分段 查找,如站点有故障需一个一个查;(2)站点需要提供访问控制功能。,双绞线:价格便宜、安装方便,在局域网中使用最多。但抗干扰能力较差,传输距
6、离较短。同轴电缆:分为粗缆和细缆,有较高的数据传输率,抗干扰能力较好,传输距离较远。光纤:损耗低、抗干扰能力强,传输率高,传输距离远。但价格贵,技术复杂。无线传输:采用无线电波、红外线、微波等作为媒体。设备价格昂贵,技术复杂。,局域网的传输媒体,以太网,静态划分信道:如频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等。但这种划分信道的方法代价较高,不适合于局域网。动态媒体接入控制:又称为多点接入,其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。随机接入:所有的用户可随机地发送信息。受控接入:如多点线路探询(polling),或轮询。,局域网的媒体共享技术,以太网,2、传统以太网,DIX Ethernet
7、V2 是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约IEEE 的 802.3 标准DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别,因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”严格说来,“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,以太网的工作原理两个标准,以太网,2、传统以太网,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准,802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:逻辑链路控制 LLC 子层:连接管理(建立和释放连接)、与高层的接口、帧的可靠、按序传输及流量控制。媒体接入控制 MAC子层:帧的封装和拆封、物理介质传输差错的检测、寻
8、址,介质访问控制协议。,以太网的工作原理两个标准,以太网,2、传统以太网,以太网的工作原理两个标准,以太网,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据链路层,站点 2,LLC 子层看不见下面的局域网,2、传统以太网,网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network Interface Card),或“网卡”。网卡的重要功能:进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。,以太网的工作原理网卡的作用,以太网,2、传统以太网,以太网的工作原理网卡的作用,以太网,CPU,高速缓存,存储器,I/O 总线,计算机,
9、至局域网,网络接口卡(网卡),串行通信,并行通信,2、传统以太网,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。链路管理 主要是CSMA/CD协议实现。,以太网的工作原理网卡的作用,以太网,2、传统以太网,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根 总线上。当初认为这样的连接方法既简单又 可靠,因为总线上没有有源器件。,以太网的工作原理CSMA/CD,以太网,B向 D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻(用来吸收总线上传播的信号),匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受B 发送的数据,2、传统以太网,
10、为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施:采用较为灵活的无连接的工作方式,即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。,以太网的工作原理CSMA/CD,以太网,2、传统以太网,载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据,如果有,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞。,以太网的工作原理CSMA/CD,以太网,2、传统以太网,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信
11、道上的信号电压大小,由信号电压摆动值的大小来判断是否发生了碰撞。正常发送时,计算机发送的数据都是使用曼彻斯特编码的信号;发生碰撞时,信号会产生严重的失真。一旦发生碰撞,就立即停止发送。,以太网的工作原理CSMA/CD,以太网,2、传统以太网,当某个站监听到总线是空闲时,也可能总线并非真正是空闲的。A 向 B 发出的信息,要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息),必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。,以太网的工作原理CSMA/CD,以太网,1 km,A,B,B 检
12、测到信道空闲发送数据,发生碰撞,A,B,A,B,t=0 A 检测到信道空闲发送数据,A,B,A,B,A和B发送数据均失败,它们都要推迟一段时间后再重新发送,2、传统以太网,使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信。每个站在发送数据之后的一小段时间内,存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,以太网的工作原理CSMA/CD,以太网,2、传统以太网,传统以太网有四种不同的物理层:,传统以太网的连接方法,以太网,2、传统以太网,传统以太网的连接方法,以太网,主机箱,主机箱,主机箱,双绞线,集线器,BNC T 型接头
13、,收发器电缆,网卡,插入式分接头,MAU,MDI,保护外层,外导体屏蔽层,内导体,收发器,DB-15连接器,BNC 连接器插口,RJ-45插头,AUI电缆,10Base2以太网和BNC接口,10Base2以太网,RJ45 接口和双绞线,2、传统以太网,以太网,250 m,750 m,网段 1,转发器,网段 2,网段 3,转发器,转发器,转发器,转发器扩展以太网最大作用距离,2、传统以太网,不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线,分别用于发送和接收。在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备,叫做集线器(hub)。集线器使用了大规模集成电路芯片,因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高
14、了。,传统以太网的连接方法10BASE-T,以太网,【问题】当局域网刚刚问世时,总线形的以太网被认为可靠性比星形结构的网络好。但现在以太网又回到了星形结构,使用集线器作为交换结点。那么以前的看法是否有些不正确?,最初大家认为星形结构的网络的可靠性较差。那时大规模集成电路刚刚起步,集成度还不高,因此若要制作出非常可靠的星形结构的网络交换机,则其费用将是很高的。然而随着以太网上站点数目的增多,总线型接头数目增多可靠性下降。大规模集成电路以及专用芯片的发展使得星形结构的集中式网络可以做得既便宜又可靠。星形结构的集中式网络终于又成为以太网的首选拓扑。,2、传统以太网,局域网的拓扑结构变化,以太网,2、
15、传统以太网,10BASE-T 的通信距离稍短,每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现,既降低了成本,又提高了可靠性。10BASE-T 双绞线以太网的出现,是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑,它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,传统以太网的连接方法10BASE-T,以太网,2、传统以太网,使用集线器的以太网在物理上是一个星型网;在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议,并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多端口的转发器集线器工作在物理层。集线器芯片实现自适应串音回波抵消。,传统以太网的连接方法10BAS
16、E-T,以太网,2、传统以太网,传统以太网的连接方法10BASE-T,以太网,集线器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,3、以太网的MAC层,在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或 MAC 地址。但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”,所以本课件也采用这种习惯用法,尽管这种说法并不太严格。,MAC层的硬件地址,以太网,路由器由于同时连接到两个网络上,因此它有两块网卡和两个硬件地址。,3、以太网的MAC层,网卡上的硬件地址,以太网,路由器,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-
17、00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,十六进制表示的 EUI-48 地址:AC-DE-48-00-00-80,第 1 字节,第 6 字节,3、以太网的MAC层,网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下,然后进行其他处理。否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧:单播(unicast)帧(一对一)广播(broadcast)帧(一对全体)多播(multicast)帧(一对多),网卡检查 MAC 地址,以太网,3、以太网的MAC层,常用的以太网MAC帧格式有两种标准:DIX Et
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