计算机网络课件：第四章局域网基本工作原理1VIP

1、第四章 局域网基本工作原理,4.1 局域网技术特点,范围有限(25km), 应用于公司, 校园, 办公室 高速传输(101000Mbps）、误码率低(10-8 10-11) 关键技术要素：拓扑结构，传输介质和 介质访问控制方式(medium access control mode，MAC),拓扑结构(物理，逻辑): 星型 , 总线型，环型，树型 介质访问控制方式: CSMA/CD、令牌传递 传输模式: 基带传输，宽带传输,局域网关键技术,总线型,环型,星型,介质访问控制方式： 控制工作站通过公共传输介质发送数据的方法。,哪个工作站发送数据？ 有冲突吗? 产生冲突时怎么办?,4.2 局域网分类,

2、4.3.1 局域网发展历史 1972, 加州大学, Newhall 环网 1974, 剑桥大学, Cambridge ring网 1980S, 1990s,4.3 局域网和 IEEE 802 参考模型,令牌总线网(GM),令牌环网(IBM),以太网,随机 MAC,确定的 MAC,实时数据传输 通信负荷重 环维护复杂,4.3.2 IEEE 802 协议,IEEE: Institute of Electrical and electronic Engineers(美国电气及电子工程师学会),IEEE 802 委员会， 1980.2,IEEE 802,WG,WG1,WG2,802.3,802.10,

3、802.11,TAG,网络,数据链路层,物理,Logical link control (逻辑链路控制 ),LLC,Medium access control(介质访问控制), MAC,高层,OSI,IEEE 802,物理层,为网络层提供功能 ,服务和接口,网络层,数据链路层,物理层,LLC,MAC,高层,OSI,IEEE 802,物理层,不同局域网采用不同协议,所有局域网采用相同协议,网络,数据链路层,物理,LLC,MAC,高层,OSI,物理层,网络层,直接将分组封装进MAC帧,直接将分组封装进以太帧,802.1,局域网体系结构 网络互联,802.2,LLC功能和服务,802.3-16,MA

4、C和物理层 不同介质控制技 术标准,802.3：CSMA/CD 802.4：令牌总线 802.5：令牌环网 802.6： 广域网技术 802.7： 宽带网络技术 802.8： 光纤传输技术 802.9: 综合声音数据局域网技术 802.10：互操作局域网安全 802.11：无线局域网技术 802.12: 高速局域网技术(100Mb/s)。 802.13: Cable-TV 802.14: 混合光纤同轴电缆网 802.15: 近距离无线网技术 802.16: 宽带无线网技术,简化的 IEEE 802 协议结构,4.4 以太网工作原理,4.4.1 以太网介质控制方式,信道共享技术,TDM,FDM,

5、STDM,ATDM,随机接入,受控接入,CSMA,CSMA/CD,集中式,分布式,WDM,CDM,1. CSMA/CD发展,CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect (载波侦听多路访问/冲突检测) 随机接入, 竞争性, 平等,1971，夏威夷大学校园网: ALOHA 无线分组广播网: 使用无线广播技术的分组交换计算机网络,随机争用,ALOHA,载波侦听,10M 以太网试验系统,Xerox DEC Intel,物理层和数据链路层以太网规则 (1980.9),以太网V2.0(1981.11),IEEE 802.3,2. CSMA

6、/CD工作原理,以太网数据发送过程,以太网数据接收过程,载波侦听:,发送前侦听: 信道空闲: 多个工作站准备发送, 冲突不可避免 随机等待一段时间再试 信道繁忙: 保持侦听： 信道空闲时马上发送数据 信道空闲时随机等待一段时间再发送数据 随机等待一段时间再侦听,发送过程中：,保持侦听 冲突发生时停止发送数据 发送干扰信息加强以方便其它站点检测到冲突 等待一段随机时间后再试,CSMA/CD:,先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发,CSMA/CD优点和缺点,容易控制和实施 当载荷轻时性能好 延迟少 高速,当载荷重时，因冲突增加性能急速下降,4.4.2 以太帧的基本结构,7 个连续的 0 xaa（

7、十六进制） 确保目的地址到达前，网卡处于稳定状态,1个 0 xab（十六进制） 前导码的继续,接收、发送工作站的硬件地址 MAC地址用于数据链路层,Eg: 08-01-00-2A-10-C3,MAC 地址,IEEE决定, 唯一，固定 , 固化在网卡的 EPROM中,存储,ROM,只读存储,PROM,可编程 ROM,EPROM,可擦除可编程 ROM,EEPROM,电可擦除可编程 ROM,全局/本地(U/L)：第一个字节的第七位，用于确定该地址是全局管理的还是本地管理的。如果将U/L位设置为0，那么通过分配唯一的公司ID，IEEE已对地址进行了管理。如果U/L位被设置为1，则地址是本地管理的。网络

8、管理员已覆盖制造地址，并指定其他地址。 个人/组(I/G)：第一个字节的最低位，用来确定地址是个人地址（单播）还是组地址（多播）。,典型的802.x网络适配器地址，U/L和I/G位均设置为0，对应于全局管理的单播MAC地址。,数据字段的字节总数 帧长度: 64B-1518B,46+18,1510+18,需要送到目的站点的实际数据 最小长度是确保接收站有足够时间检测冲突并通知源工作站及时重发传错的数据帧 当数据小于46字节，填充任意字符补齐，通常填0,差错控制 检测字段:目的地址 ,源地址 , 长度和数据 32-CRC,4.5 高速局域网的工作原理,4.5.1 背景,个人计算机的发展和广泛应用,

9、基于Web的互联网和企业网应用 数据仓库 桌面电视会议 3D图形 高清晰度图像,10Mbps,10Mbps,5Mbps,3.3Mbps,平均,10Mbps/N,4.5.2 实现高速局域网 途径,交换式局域网发展,提高以太网的速率 10Mbps100Mbps10Gbps ；CSMA/CD,将大型的局域网划分成子网, 子网间通过网桥或路由器连接在一起， CSMA/D，,将介质共享模式改变为交换模式,局域网互联技术的发展,4.5.2 光纤分布式数据接口：Fiber distributed data interface , FDDI,主环 备用环,（a） FDDI 结构,（b） FDDI环自愈,FDD

10、I工作原理: FDDI网络的工作建立在短令牌帧的基础上。当所有站都空闲时，短令牌帧沿环运行。,FDDI技术特征,基于IEEE802.5的单令牌环 MAC协议 IEEE 802.2, 与使用 802 协议的局域网兼容 数据传输率: 100Mbps，环中工作站数量1000, 环长:100km ； 双环结构可提供更好的容错能力 多模或单模光纤 支持同步或异步传输，可动态分配带宽,FDDI应用,计算机机房网 办公室或建筑物群的主干网 校园网的主干网 多校园或企业的主干网,令牌传递消除数据冲突 双环结构提供良好的容错能力 内部网络管理 可预期并确定的延迟 100Mbit/s技术条件下覆盖的地理范围最大

11、适合大型局域网或城域网,FDDI优点,FDDI缺点,协议复杂 费用高, 和快速以太网和千兆位以太网相比成本效益差 与广泛使用的以太局域网相联困难,FDDI,快速以太网 千兆位以太网,4.5.3 快速以太网,1995.9，IEEE 802.3u ，快速以太网 速率: 100Mbps, 10倍 于常规 以太网 传统以太数据帧结构 , CSMA/CD 传输一位的时间从100ns减少至10ns （毫微秒，纳秒， 1秒的10亿分之一）,快速以太网的体系结构,MII: 介质无关接口,多模、单模光纤,连接单元接口(AUI: access unit interface ,in 10Mbps),100BASE-

12、TX,2 对 UTP5或2 对 STP（1 对用于发送 ，1对用于接收，双式系统 两个节点间的速率: 100Mbps 长度100M 数据编码: 4B/5B，用于FDDI,将四位数据转换成 五位编码,100B-T4,4对 UTP3或 UTP4或 UTP5, 3 对适用于接收数据，1 对用于检测冲突，半双式系统 两个节点间的速率: 33.3 Mbps 长度100M 数据编码：8B/6T,将八位数据编码成 六位编码,逢三进一,退一还三,1 0 -1,100BASE-FX,2条单模或多模光纤， 1条用于发送， 1条用于接收，双工系统 长度415M 数据编码：4B/5B-NRZI,快速以太网优点,可靠性

13、高 易于扩展 低成本,4.5.4 千兆位以太网,企业,部门,桌面系统,10Mbps 以太网,100Mbps 快速以太网,1000Mbps千兆位以太网,千兆位以太网标准,1995.11 高速网络研究组 1996,8 802.3z 工作组 (多模光纤和STP ) 1997, 802.3ab 工作组(单模光纤和 UTP ) 1998,2 802.3z 协议,千兆位以太网体系结构,短铜缆收发器 25米/半双工 50米/全双工 2对特殊的屏蔽双绞线,长波（1310nm）光纤收发器 316m(半双工) 5000米(全双工) 10m 单模光纤,短波(850nm)光纤收发器 550/275米 50/62.5

14、m 多模光纤,UTP收发器 100米 RJ-45接口 4对5类UTP,GMII: 千兆位介质无关接口,千兆以太网的拓扑结构 在半双工方式时，网络跨距减小很多： 任意两个站点间最多只能有一个中继器 在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器的特性有关： 站点间允许有多台千兆设备，可以构造较大范围的网络,1000Mb/s，半双工或全双工系统 传统 10Mb/s以太网数据帧结构 半双工系统时：CSMA/CD 于10Base-T和100Base-T兼容 自动协商节点能力,连接两端的工作站需要向对方报告其自身的能力，如速度、物理层类型、半双工还是全双工等，并自动 选择合适的工作模式,千兆位以太网技术特征,

15、网络跨距,为了兼容, 最小帧长依然是64字节， 当速度增至1000Mb/s 网络跨距20m， 实践价值急剧下降!,?,1 km,A,B,t,t = 0,单程端到 端传播时延:,1 km,A,B,t,t = B 发送数据,t = / 2 冲突,A,B,A,B,t = 0 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到 端时延:,争用期,首先发送数据帧的工作站在2后可知道是否发生了冲突 2：两倍端到 端延迟，或往返延迟，也称争用期或碰撞窗口 在争用期没有冲突发生意味着在这一段时间将不会有冲突发生,争用期长度,以太网: 51.2 s 在10 Mb/s以太网中，在这一时间可发送 512 位( 64字节

16、) 当以太网发送数据，如果前面字节没有发生冲突，则后续字节也不会发生冲突,最短有效帧长,因为只要检测到冲突就需要停发数据，所以已发出数据 一定小于64 字节 以太网将最短有效帧长设置为64 字节,所有长度小于64字节数据帧为无效帧，意味着有冲突产生,以太网的信道利用率,以太网信道被 占用的情况： T0 = L/C (s) L: 帧长度,(位) C:速率,(b/s) T0: 传输一个数据帧所需的时间， (s),成功发送,CP,2,2,2,2,T0,t,占用,冲突,发送一个数据帧所需的平均时间,CP,CP,a : CP :检测冲突并立即停止发送, 信道利用率高 a CP , :每次冲突浪费大量信道资源，信道利用率低,以太数据帧长度不能太短，否则 T0 会太小，a则太大 当 T0 和速率 C