第4章计算机局域.ppt

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1、1,第4章 计算机局域网络,2,本章要点,局域网的特点及关键技术局域网的体系结构介质访问控制方法传统以太网(Ethernet)高速局域网技术无线局域网与虚拟局域网,3,4.1 局域网概述,20世纪60年代末，局域网先驱：ALOHA无线电系统20世纪70年代：以太网（Ethernet）技术产生20世纪80年代：令牌环(Token Ring)，FDDI(Fiber Distributed Data Interface,光纤分布式数据接口)技术产生，IEEE的802委员会提出802系列标准以太网在竞争中取得了统治地位,4,局域网的组成,网络服务器工作站网络适配器,常见的局域网组成,客户机,A,B,传

2、输介质,资源（打印机）,网卡,客户机,客户机,服务器,C,5,服务器是整个网络系统的核心；它为网络用户提供服务并管理整个网络，在其上运行的操作系统是网络操作系统。根据服务器在网络中所承担的任务和所提供的功能不同把服务器分为：文件服务器、打印服务器和通信服务器。,6,工作站又称客户机。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客户机。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。客户机通过网卡、通信介质以及通信设备连接到网络服务器。现在的客户机都用具有一定处理能力的PC（个人计算机）机来承担。网络适配器NIC（Network Interface Card）俗

3、称网卡。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。,7,4.1.1局域网的特点,覆盖范围小房间、建筑物、园区范围距离25km高传输速率10Mb/s1000Mb/s低误码率10-8 10-11拓扑：总线、星形、环形介质：UTP、Fiber、COAX私有性：自建、自管、自用传输方式以广播方式为主,8,4.1.2局域网的关键技术,连接各种设备的拓扑结构（物理、逻辑）星形、环形、总线型传输形式基带传输、宽带传输介质访问控制方法CSMA/CD、Token-passing,9,1.局域网的拓扑结构,总线型:所有结点都直接连接到共享信道星型:所有结点都

4、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,A,B,C,A,Bus,B,C,C,A,Ring,A,D,C,B,T,Star,10,2.传输形式与传输介质,传输介质主要是指计算机网络中发送和接收者之间的物理通路，其中有通信电缆，也有无线信道如微波线路和卫星线路。而局域网的典型传输介质是双绞线、同轴电缆和光缆。基带传输：双绞线、基带同轴电缆、光导纤维宽带传输：宽带同轴电缆、无线电波,11,3.介质访问控制方法,网络中的多个站点如何共享通信媒体，解决信道争用问题局域网中常用的访问控制方式：带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD-Carrier Sense Multiple Acces

5、s With Collision Detection)；令牌环(Token Ring)令牌总线(Token Bus)CSMA/CA(无线局域网),12,4.2.3局域网的体系结构,1.IEEE 802标准体系结构,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TCP/IP和NOS来实现,IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers-“电器与电子工程师协会”,13,物理层,IEEE 802规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范

6、。采用基带信号传输；数据的编码采用曼彻斯特编码；传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光缆等；拓扑结构可以是总线型、树型、星型和环型；传输速率有10Mbps、16Mbps、100Mbps、1000Mbps。两个接口：连接单元接口（AUI）可选，仅用于粗同轴电缆介质相关接口（MDI）屏蔽不同介质的特性，使之不影响MAC子层的操作,14,数据链路层,LAN的数据链路层分为两个功能子层：逻辑链路控制子层（LLC）介质访问控制子层（MAC）将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。LLC：与介质

7、、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。,15,MAC层,构成了数据链路层的下半部，直接与物理层相邻。MAC子层是与传输介质有关的一个数据链路层的功能子层，主要制定管理和分配信道的协议规范。解决多个节点如何使用共享介质的问题。MAC地址:作用：局域网上的计算机利用MAC地址表示自己和他人的身份MAC地址通常存储在网络接口卡NICMAC地址位于OSI参考模型的数据链路层,16,LLC层,构成了数据链路层的上半部，在MAC子层的支持下向网络层提供服务。可运行于所有802局域网和城域网的协议之上。LLC子层与传输介质无关，独立于介质访问控制方法，隐藏了各种局域网技术之间的差别，向网络层提供一个统一的格

8、式与接口。作用是在MAC子层提供的介质访问控制和物理层提供的比特服务的基础上，将不可靠的信道处理为可靠的信道，确保数据帧的正确传输。,17,以后一般不考虑 LLC 子层,由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。对不同的LAN标准，它们的LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层（和物理层）。,18,局域网的网络层和高层,IEEE 802标准没有定义网络层和更高层：没

9、有路由选择功能局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实现。,19,2.IEEE802标准的组成,802.1A 概述、局域网的体系结构802.1B 寻址、网络互连，网络管理和性能测试、网络互连以及接口原语等。802.2 标准定义了逻辑链路控制协议（LLC）的功能及其服务。802.3 标准定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层和物理层的规范；引伸出802.3u（快速以太网）标准。802.4 标准定义了令牌总线（TokenBus）介质访问控制子层与物理层的规范

10、。802.5 标准定义了令牌环（TokenRing）介质访问控制子层与物理层的规范。802.6 定义了城域网MAN的MAC子层和物理层的规约。802.7 宽带技术802.8 光纤技术,20,802.9 综合话音数据局域网802.10 局域网的安全性802.11 无线局域网标准802.12 优先级高速局域网802.13 未使用802.14 电缆电视（Cable-TV,Cable Modem标准）。802.15 定义无线个人区域网（WPAN）802.16 定义宽带无线标准802.17 弹性分组环(Resilient Packet Ring)802.18 无线管制(Radio Regulatory

11、TAG)802.19 共存(Coexistence TAG)802.20 移动宽带无线接入(MBWA)802.21 媒质无关切换(Media Independent Handoff),21,IEEE802只包含两层：数据链路层，物理层;IEEE802定义了多种物理层802.3802.1x，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法；数据链路层分为逻辑链路控制LLC和介质访问控制MAC两个子层：LLC：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关；MAC：进行寻址与差错检测，与介质、拓扑相关,MAC在各子标准802.3-802.1x

12、中定义。,22,4.2 介质访问控制方法,局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道。问题：各站点如何访问共享信道？如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？信道分配方法静态分配：FDM、WDM、TDM。动态分配：ALOHA（随机分配多址协议）、CDMA/CD（载波监听多路访问/碰撞检测）和令牌环基本假设：站点模型、单信道假设、碰撞假设,23,4.2.1CSMA/CD,1.ALOHA协议ALOHA协议是70年代在夏威夷大学由Norman Abramson及其同事发明的，目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题。基本思想：用户想发就发，发完后进行冲突检测，若有冲突，则等待一个

13、随机时长后重复进行，直到发送成功。特点：无协调关系、多用户竞争单信道使用权不进行载波侦听，不考虑目前的实际情况信道利用率低，为18%冲突检测：在共享介质中，某个用户发送数据后，网上所有用户（包括发送者）都可以收到数据，发送者把收到的数据与保留在缓冲区中的数据进行比较，若不同，则表明发生了冲突。,24,25,ALOHA协议的改进-分槽ALOHA,基本思想为：将时间分为离散的时间片；用户要发送数据时必须等待下一个时间片才能开始发送。在一定程度上避免了发送的随意性，减少了冲突，提高了信道的利用率。主要特点：进行了简单的时间同步，但并未完全避免冲突（可基本避免发送过程中的冲突，但发送开始时仍有冲突）；

14、信道的最大利用率：36%；时间片的定义与允许的最大包长和介质的时延有关。存在问题：发送开始时仍有冲突；如果时间片的定义不合适，有可能在发送过程中还存在冲突。问题的原因：各站点在发送数据时从不考虑其它站点是否已经在发送数据，这样当然会引起许多冲突。,26,2.载波侦听多路访问协议CSMA(Carrier Sense Multiple Access),基本思想：站点在发送数据前，进行载波侦听，以判断目前是否有人在发送数据，然后再采取相应动作。载波侦听：根据物理接口的电气特性，捕获信道上的脉冲信号，并与发送数据用的载波信号比较，以判断是否有人在发送数据的技术。CSMA有多种形式：1-坚持CSMA非坚

15、持CSMAP坚持CSMA,27,1-坚持CSMA,当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，就坚持监听，一旦发现信道空闲，就立即发送数据（发送数据的概率为1）。若发生冲突，就等待一随机长时间，再重新开始监听信道两种发生冲突的可能信号传输的延迟造成的冲突对个站点在监听到信道空闲时，同时发送此协议的性能高于ALOHA协议,28,非坚持CSMA,当一个站点要发送数据时，首先监听信道，若信道忙，就随机等待一段时间后再开始监听信道（非坚持）；一旦发现信道空闲，就立即发送数据此协议的信道利用率高于1-坚持式CSMA协议网络的延迟增大,29,P坚持CSMA,用于时隙信道当一个站点要发送数据时，首先监听

16、信道，若信道忙则等到下个时间片再开始监听信道；若信道空闲便以概率p发送数据，而以概率q=1-p推迟到下个时间片再重复上述过程，直到数据被发送概率p的目的就是试图降低1-坚持式协议中多个站点同时发送而造成冲突的概率采用坚持监听是试图克服非坚持式协议中造成的时间延迟p的选择直接关系到协议的性能,30,B,A,冲突,结论：在CSMA中冲突是不可避免的，必须进行冲突检测和处理！,三种CSMA是否完全避免了冲突呢？,例：站点A在发送数据，但由于信道的传播时延，数据还未到达站点B，此时站点B要发送数据，它侦听到信道是空闲的，于是也开始发送数据，从而发生冲突。,31,3.具有冲突检测的载波侦听多路访问协议C

17、SMA/CD(CSMA With Collision Detection),1）CSMA/CD 基本思想：某站点想要发送数据，它必须首先侦听信道；如果信道空闲，立即发送数据,并进行冲突检测；如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，立即发送数据,并进行冲突检测；如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据，并等待一随机长的时间，重新侦听信道。讲前先听，忙则等待；无声则讲，边讲边听，冲突即停；后退重传，多次无效，放弃发送。,32,CSMA/CD操作的流程图,33,2）碰撞窗口,问题：站点在发送数据后多长时间内可以检测到冲突呢？假设：局域网内站点之间最大的传播时延为：=两站点的距离/信号

18、传播速度。,当0时，将不会再发生冲突。结论：站点最迟在开始发送后2 时间（称之为碰撞窗口或时间槽或争用期）内可以检测到冲突！所以，在2 后没有冲突才表明数据发送成功！,-/2 时刻A、B数据发生冲突,34,碰撞窗口的意义：一个站点开始发送后，若在碰撞窗口内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突；碰撞窗口与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系！以太网中，碰撞窗口51.2s传输速率10Mb/s时，一个碰撞窗口内可发送512bits，即64字节（所以也称一个碰撞窗口长度为64字节）。由此可知：1.冲突只可能在一帧的前64字节内发生；2.帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；以太网规定，最小帧

19、长度为64字节3.长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。想一想：什么情况下会产生碎片帧？,35,采用CSMA/CD的局域网中，由于冲突窗口的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：FminkSR k:系数可以看出：最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。,36,3）退避算法,退避算法:让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是立即再发送数据，而是推迟（这叫做退避）一个随机时间。,37,截断二进制指数退避算法,CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法（1）确

20、定基本退避时间，一般是取为争用期2。（2）定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k=Min(重传次数，10)。（3）从离散整数集合0,1,2,(2 k-1)中随机地取出一个数，记为r。重传输所需的时间就是r倍的基本退避时间rT。（4）当重传达16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。,38,4）CSMA/CD的优缺点,控制简单，易于实现；网络负载轻时，有较好的性能：3040以内延迟时间短、速度快网络负载重时，性能急遽下降：7080以上冲突数量的增长使网络速度大幅度下降,39,4.2.2令牌传递（Token Passing）,令牌环 Token Ring令牌总线 Token Bus令

21、牌:一个比特串 令牌绕环网旋转 忙令牌:01111111 空闲令牌:01111110,40,1.Token Ring/802.5,网上所有站点都处于空闲时，令牌沿环绕行 发送站点 必须等待，直到捕获到令牌 发送数据帧释放令牌 吸收数据帧（绕环一周后）中间站点（数据帧的目的地址与自己不同）转发环上的数据帧 接收站点（数据帧的目的地址与自己相同）拷贝环上的数据帧转发环上的数据帧,41,Token Ring/802.5的操作举例,42,令牌环网的实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,43,2.Token BUS,在物理上令牌总线是一根线型或树型的电缆，其上连接各个站点；在逻辑上，所有站点构成

22、一个环。,44,4.3 传统以太网（Ethernet）,4.3.1以太网的产生和发展以太网是美国施乐（Xerox）公司的Palo Alto研究中心（简称PARC）于1975年研制成功的。数据率为2.94Mb/s。最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的1980年9月，Dec公司、Intel公司和施乐公司联合提出了10Mbps的以太网第一个版本的DIX V1。1982年出第二版DIX Ethernet V2.特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆IEEE802委员会的802工作组于1983年制订了第一个IEEE的以太网标准，其编号为802.3，速率10MbpsEthernet II和

23、IEEE 802.3二者区别很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展,45,以太网的总线连接,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。,46,以太网的交付机制,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。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失

24、了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,47,IEEE 802.3 以太网标准（主要的）,传统以太网：10Mb/s802.3 粗同轴电缆802.3a 细同轴电缆802.3i 双绞线802.3j 光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u 双绞线，光纤千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z 屏蔽短双绞线、光纤802.3ab 双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s802.3ae 光纤,48,4.3.2以太网的物理层选项,标识方法速率、信号方式、介质类型,49,4.3.3 MAC帧格式,MAC帧格式有DIX Ethe

25、rnet V2和IEEE 802.3两种标准，常用标准是DIX Ethernet V2。,50,IEEE802.3标准的MAC帧和Ethernet V2的MAC帧相似，不同点在第三字段，在Ethernet V2中该字段表示LLC的上层所使用的协议类型，而在802.3标准中该字段表示后面数据字段的长度。大于或等于0600H（1536）认为是长度（DIX V2标准），反之为长度（802.3标准）MAC帧数据字段至少46字节，长度不够时，则应加以填充，内容不限，这样，MAC帧的最小长度是64字节。,51,52,4.3.4 MAC地址,在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址，这一地址被固化在每

26、个网卡的ROM中，每个网卡在出厂时都赋于了一个全世界范围内唯一的地址编号，地址为6字节（即48位）。与其物理位置无关。一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口的个数。例如：安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址。所有网卡制造商对网卡地址范围达成协议，每个制造商只能使用许可范围内的地址，这样可保证生产出来的网卡不使用重复的地址。IEEE的注册管理委员会RAC负责分配地址6个字节中的前3个字节（称为地址块），大约1250美元可以买一块，一个地址块中的24位可以生产224=16777216个网卡地址。后三个字节的地址由制造厂

27、家自行安排。例如，3Com公司生产的网卡的MAC地址的前3个字节为02-60-8C。,53,I/G,OUI（22位）,G/L,EI（24位）,IEEE802.3标准规定：,MAC地址的长度为6个字节，共48位；可表示24670万亿个地址（有2位用于特殊用途）高24位为机构惟一标识符OUI，由IEEE统一分给设备生产厂商；如3COM公司的OUI=02608C低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。,54,MAC地址的三种类型,单播地址（Unicast Addr）：（I/G0）拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点点对点传输；多播地址（Mul

28、ticast Addr）：（I/G1）拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点点对多点传输；广播地址（Broadcast Addr）：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输。注意，以上分类只适用于目的地址，对于源地址只能为单播地址。,55,4.3.5 同轴电缆以太网,1.粗缆以太网10Base-5粗缆以太网的物理连接器包括：同轴电缆、网卡、收发器以及收发器电缆(AUI)。可靠性好，抗干扰能力强,56,组网规则:,单个电缆段的最大长度为500m。在一个缆段上最多连接100个网络站点。两个站点之间的距离应大于等于2.5m。收

29、发器电缆的长度不能超过50m。在缆段的两端必须安装终接器，且其中一端接地。当要求延长缆段长度或扩展网络规模时，可以使用中继器连接多段。IEEE802.3规定了“5-4-3”原则：即最多用4个转发器连接5个网段，其中只有3个网段可以连接结点，其余的网段仅用做加长距离。故最长距离是2500m，在5个缆段上最多可连接300个站点。,57,2.细缆以太网10Base2,提供BNC(细同轴电缆标准介质连接器)接口的网卡。用于连接站点和细同轴电缆的T型连接器和BNC连接器50终端器、50细同轴电缆(RG-8)。可靠性稍差，无外置收发器，轻便、灵活、成本较低，总线型拓扑,58,组网规则,每个缆段的最大长度为

30、185m。每个缆段上最多连接30个站点。站点之间最小距离为0.5m。每个缆段的两端必须安装50终接器，且一端接地。每个缆段可由多个带BNC接头的细缆段组成，通过T型连接器将电缆和站点连接起来，T型连接器必须直接连接到网卡的BNC接口上，在它们之间不能再连接其他电缆。当要求延长缆段长度或扩展网络规模时，可以使用中继器连接多段。同样遵守“5-4-3”原则，即最多用4个转发器连接5个网段，其中只有3个网段可以连接结点，其余的网段仅用做加长距离。故最长距离是925m，最多可连接300个站点。,59,4.3.6双绞线以太网（10Base-T）,主要以集线器HUB作为枢纽，工作站通过网卡的RJ-45 插座

31、与RJ-45接头相连，另一端HUB的端口都可供RJ-45的接头插入，装拆非常方便。星形拓扑，逻辑拓扑结构仍是总线，轻便、安装密度高、便于维护,60,双绞线的连接标准在以太网的标准中，10Mbps与100Mbps双绞线系统采用相同的线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。色标 Pin#Signal白橙 1 TD+橙 2 TD-白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用,61,当两个HUB连接时，要使用交叉连接方法。两台微机直接连接时，也可参考此接法。,62,63,4.3.7 光纤以太网10Base-F,10Mbps光纤以太网，使用两根62.5/12

32、5m多模光纤，收发各一根，在介质上传输的是光信号而不是电信号。星形拓扑结构10Base-F具有传输距离长、安全可靠、可避免电击的危险等优点。光纤介质适宜连接相距较远的站点，所以10Base-F常用于建筑物间的连接，它能够建园区主干网(如：北京大学早期的校园主干网采用的就是10Base-T技术)，并能实现工作组级局域网与主干网的连接。由于光纤的带宽很宽，10Base-F只用了很小一部分，不经济，现已被100Base-FX等淘汰。,64,4.3.8 全双工以太网,只能在双绞线和光纤链路上实现；收、发使用了不同的物理信道不再使用CSMA/CD机制，因此传输距离不受时间槽的限制；但要受到信号衰减的影响

33、全双工操作的条件：使用双绞线或光纤；链路两端的设备都必须支持全双工操作；支持全双工的设备包括全双工网卡、网络交换机。,65,4.4 局域网扩展,什么情况下需要扩展？网络范围扩大更多的站点加入网络多个独立的局域网进行互联如何扩展？主要在三个层次上物理层数据链路层网络层,66,4.4.1 在物理层上进行局域网扩展,设备：总线网：中继器，星形/环形网：集线器特点：一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个网段；扩展后的网络仍是一个冲突域。还是一个网络优缺点：简单、成本低使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信，扩大了局域网覆盖的地理范围。网络规模不能太大站点数量：冲突随站点数量的增

34、多而变得越来越严重地域范围：时间槽的限制只能互联相同类型的网络，如果使用不同的数据率，那么就互连起来。总的吞吐量并未提高。,67,例：从分离的部门网络到统一的企业网络,68,4.4.2在数据链路层上进行局域网扩展,设备：网桥、以太网交换机特点：一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段；扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域；扩展后的网络仍是一个广播域。优缺点：冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；地域范围不再受时间槽的限制；远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上转发速度有所降低；不能隔离广播帧。,69,网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的

35、功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口,70,71,4.4.3在网络层上进行局域网扩展,设备：路由器特点：一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络；扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。优缺点：隔离广播域，限制了广播帧的泛滥；地域范围可以任意扩展；能根据最佳路由转发分组；可以互联不同类型的网络；转发速度低，成本较高，维护复杂。,72,73,4.5 高速局域网技术,个人计算机的广泛应用；在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；从理论上讲，一台微通道或EISA总线的微型机能产

36、生大约250Mb/s的流量；基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽；在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。,推动局域网技术发展的因素,74,传统以太网中的一些问题传统以太网使用共享介质，虽然总线带宽为10Mbps，每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少,但网络节点增多时，网络的负荷加重，冲突和重发增加，网络效率下降、传输延时增加，造成总线带宽为3040%；服务器端使用16位网卡（速率10MBPS），使得服务器的网络输入/输出成为整个网络的瓶颈；,75,解决方案,升级到高速网络，提高Ethernet的

37、数据传输速率：如100BASE-T(快速以太网)、FDDI、1000BASE-T(千兆位以太网)、ATM；发挥现有网络技术，采用网络分段、优化服务器、增加路由器，提高子网的网络性能；导致了局域网互连技术的发展；使用局域网交换机，将“共享介质局域网”改为“交换式局域网”；导致了“交换式局域网”技术的发展。,76,4.5.1 100Mbps快速以太网（Fast Ethernet，FE）,1）传输速率为100Mb/s的以太网，比传统以太网快10倍标准为IEEE802.3u拓扑结构为基于集线器的星形结构；传输介质只支持双绞线和光纤；帧结构和介质访问控制方式、组网方法沿用IEEE802.3标准。每个比特

38、的发送时间由100ns降低到了10ns；提供了10/100Mb/s自适应功能。2）IEEE802.3u定义了4种不同的物理层标准100Base-TX：使用两对5类双绞线100Base-FX：使用62.5/125m多模光纤100Base-T4：使用四对3类双绞线100Base-T2：使用两对3类双绞线,77,3）Fast Ethernet的协议结构,78,4）100Base-TX的拓扑结构,79,5）快速以太网的应用主干连接需要高带宽的服务器和高性能工作站网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站向桌面系统普及,80,6）100BASE-T快速以太网的优缺点,优点：具有较高的性能，适合网络结

39、点多或者对网络带宽要求较高的应用环境；基于以太网的技术，与现有10BASE-T的兼容可以容易的移植到高速网络上；最大地利用了已有的设备、电缆布线和网络管理技术；众多的厂商支持缺点：仍然是一种共享式以太网网络，采用CSMA/CD作为介质存取方式，网络结点增加时，网络性能会下降；CSMA/CD方式使得网络延时变化较大，不适合实时性应用；速率较高，中继器间距较小，100BASE-TX不适合做主干；,81,4.5.2 千兆位以太网和万兆位以太网,1.吉比特以太网（Gigabit Ethernet，GE）1）允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作，是一种共享媒体式局域网。使用 802.3 协

40、议规定的帧格式；在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）；与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。,82,2）吉比特以太网的物理层,1000BASE-X 基于光纤通道的物理层，IEEE 802.3z，1998.6正式公布：1000BASE-SX SX表示短波长，MMF/550m1000BASE-LX LX表示长波长，SMF/5000m1000BASE-CX CX表示铜线，屏蔽短铜缆/25m1000BASE-T IEEE 802.3ab，1999.6正式公布使用 4对 5 类线 UTP，UTP/100m,83,3）吉比特以太网的协

41、议结构,84,4）吉比特以太网的拓扑结构,85,1000Mb/s，全双工或半双工沿用10Mb/s传统以太网帧格式半双工仍使用CSMS/CD协议兼容10Base-T和100Base-T节点能力的自动协商,链路两端的节点必须各自向对方通告自己的能力（速度、物理层类型、半/全双工）并自动选择合适的工作模式。,5）吉比特以太网的特征,86,6）速率提高到1000Mb/s时的网络跨距问题,为保持兼容，半双工时的最小帧长度仍规定为64字节，导致网络跨距缩短为不足20米，实用价值大大降低！解决方法：1.将时间槽扩展为512字节（是以前的8倍）；2.“载波扩展”技术：帧长不足512字节时，在其后填充特殊的符号

42、至512字节；（想一想，是否完美？）“帧突发”技术：允许站点连续发送多个短帧解决短帧较多时网络传输效率低的问题,短帧较多时将使网络传输效率大大降低。极端情况下，只有正常时的12%。,使用“帧突发”技术后，效率可提高到72%，达到快速以太网的95。,87,7）千兆以太网的应用,交换机到交换机的连接或园区网之间的主干连接，例如两个校区之间的链路（P141图4.44）；将网络交换机之间的10/100M链路用1000M链路代替，可以显著地提高网络的整体性能。具有高带宽需求的服务器集群或某些高性能工作站与网络主干之间的连接（P141图4.45）；通过网络服务器中配置的千兆以太网卡，可以建立与交换机之间的

43、1000M连接，极大地提高了服务器的传输带宽。企业网络或园区网络的主干（P142图4.46）；千兆位以太网交换机能同时支持多台100Mbit/s交换机、路由器、集线器和服务器等设备。同时，以千兆位以太网交换机为核心的主干网络能支撑更多的网段，每个网段有更多的节点及更高的带宽。多机系统主机之间的互联。,88,用Ethernet组建企业网的全面解决方案：,桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet；部门级网络系统采用传输速率为100Mb/s的Fast Ethernet；企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的Gigabit Ethernet。,89,2.万兆位以太网（10Gbit/

44、s）,万兆位以太网的特征传输速率为10Gb/s；保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度；不再使用CSMA/CD协议；只能工作在全双工方式；只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；支持两种类型的物理层：10Gbit/s局域网物理层和10Gbit/s广域网物理层：多个万兆位以太网可以通过SONET/SDH网络实现广域连接，使用单模光纤时端到端的传输距离可达上百公里。标准：IEEE 802.3ae，2002年公布局域网物理层：10GBase-X和10GBase-R，MMF:300m，SMF:几十km；广域网物理层：10GBase-W，SMF:几百km以上。,90,速度提高到10Gb/s所遇到

45、的问题：不采用特殊措施，网络跨距将只有2米；若使用“载波扩展”（帧长至少4096字节），短帧的传输效率将降低到1.5；同时使用“帧突发”，最大效率也只能达到30；“载波扩展”的额外开销使吞吐率下降，冲突概率增大。解决方法：前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本抛弃CSMA/CD，只工作在全双工方式；只使用光纤介质（双绞线目前成本太高）。万兆位以太网的应用主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与端用户的直接连接。,91,交换式局域网,共享式局域网与交换式局域网的比较,并发连接；S=N10Mb/s,92,交换式局域网的基本结构,93,4.5.3 FDDI,光纤分布式数据接口（Fiber

46、 Distributed Data Interface）传输速率为100Mb/s；网络由光纤介质的双环构成，可靠性高；介质访问控制方法采用Token Passing；网络覆盖范围较大（几十km几百km）。,94,FDDI的工作原理,正常情况下，仅主环工作，次环用于备份。当主环出现故障时，FDDI在能够自动重新配置，使网络流量绕过主环中的故障点从备份环中通过。,目前已被快速以太网和千兆以太网所替代。,95,4.6无线局域网（WLAN）IEEE 802.11,问题一：网吧等小型网络一般采用什么介质？问题二：假设距离上允许，在校园内任何角落都可以上网，若采用双绞线会可否办到？,结论：证明有线网络有其

47、不适应的地方，需要无线网络做必要的补充。,96,计算机无线联网的形式,便携式计算机以无线方式接入计算机网络两个或多个有线局域网通过无线方式互联全无线方式构成一个局域网有线局域网中安装无线接入设备构成以固定设施为基础的无线局域网,97,无线网络的应用,布线不方便或者不可能的场合组网漫游访问不同建筑物局域网间通过点对点无线链路互联,98,无线局域网的标准,目前常用的无线网络标准主要有美国IEEE（电机电子工程师协会所制定的802.11标准（包括802.11a、802.11b 及802.11g.等标准），蓝牙（Bluetooth）标准。,99,无线局域网的物理层,1.有基础设施的无线局域网Infra

48、structured 网,100,基本服务集 BSS,扩展的服务集 ESS,基本服务集 BSS,A,B,漫游,接入点 AP,接入点 AP,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,101,扩展的服务集 ESS,A,B,接入点 AP,接入点 AP,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。,102,扩展的服务集 ESS,A,B,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,基本服务集中的基站叫做接入点 AP(Ac

49、cess Point)其作用和网桥相似。,103,A,B,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS(Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。,104,扩展的服务集 ESS,A,B,802.x局域网,因特网,ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。,105,扩展的服务集 ESS,B,802.x局域网,因特网,移动站 A

50、 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。,106,2.无基础设施的无线局域网（Ad Hoc 网）,移动自组网（MANET），无基础设施，没有基本服务集中的接入点 AP，而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络中的每一个移动设备都具有路由器的转发分组的功能。,自组网络,A,E,D,C,B,F,源结点,目的结点,转发结点,转发结点,转发结点,107,接入例：有线网的扩展,108,典型的 WLAN 拓扑例,109,中继例：扩展距离-无线网桥,中继：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼与大楼之间 的数据传输。,110,无线中