局域网体系结构

1、第9章 局域网体系结构2005年8月计算机系网络教研室田华9.1学习目标n 了解了解局域网的特点、应用范围 9.1局域网概述n局域网的主要特点： 较小的地域范围 高传输速率和低误码率 一般为一个单位所建、管理 侧重共享信息的处理n局域网的主要功能： 资源共享 通信交往n局域网的主要技术 拓扑结构 传输介质 介质访问控制方法（如何使用传输线路）9.3学习目标n 了解了解1 IEEE802参考模型的层次结构，各层功能，各层中英文名称2 IEEE802主要协议：802.3、802.5、802.11 LLC帧、MAC帧的结构（MAC地址） 局域网的体系结构IEEE802参考模型n最低层 对应于OSI模

2、型中的物理层 功能： 信号的编码/解码 前导的生成/去除（该前导用于同步） 比特的传输/接收 n物理层以上层次 对应于OSI模型中的数据链路层 主要功能： 组装帧，加入组装帧，加入地址、差错检测、控制信息等字段地址、差错检测、控制信息等字段； 解包帧，进行地址识别和差错检测；解包帧，进行地址识别和差错检测； 管理和控制对于局域网传输媒体的访问管理和控制对于局域网传输媒体的访问； 为高层协议提供相应的接口，并且进行流量和差错控制为高层协议提供相应的接口，并且进行流量和差错控制。LLCnLLC向高层提供的服务有四种类型： 面向连接的服务确认无连接服务不确认无连接服务高速传送服务n LLC的功能1.

3、为高层协议调用数据链路层功能提供接口，称为SAP（Service Access Point）服务访问点。通过SAP提供面向连接的服务。2.端到端的差错控制和确认3.端到端的流量控制LLC和MAC高层数据LLC数据LLC首部MAC首部MAC尾部MAC数据MAC子层n局域网大多采用广播传输技术。n所有站点共享一个传输信道，任何时候只允许一个站点使用信道（向信道上发送数据）。若有两个或多个站点同时发送数据，则信号在信道上就会发生碰撞或冲突（collision），导致数据发送失败。n解决冲突的办法就是采用一套信道分配的策略来控制各个站点如何使用信道，即介质（信道）访问（使用）控制MAC（Medium

4、Access Control）。n由于网络中使用的传输介质及拓扑结构的不同，使得介质访问控制的策略也不相同，因此在局域网的数据链路层底部特别设置一个介质访问控制子层来专门负责信道分配的问题。局域网？以太网？n局域网 按地理范围划分n在局域网发展过程中，曾出现过很多厂商生产的不同局域网组网的方案。 IDX联盟的以太网 IBM的token ring等从以太网到IEEE 802.3n1976年，Xerox公司建成世界上第一个CSMA/CD局域网（2.94Mbps），在一公里长的粗同轴电缆上连接了100多个个人工作站，此系统被称作以太网（ethernet）。n以太网的成功促使Xerox、DEC和Int

5、el联合开发该产品，并制定了一个10Mbps的以太网标准。IEEE 802.3标准正是建立在此标准之上。nIEEE 802.3和以太网的区别： IEEE 802.3描述了运行在各种介质上的从1Mbps10Mbps的整个1-坚持式CSMA/CD系统的家族。 两者帧的头部字段定义也有所不同。n以太网 =？CSMA/CD =？IEEE 802.3IEEE 802 和Ethernet IIn局域网中的多种帧格式产生的原因 1980 DEC,Intel,Xerox制订了Ethernet I的标准 1982 DEC,Intel,Xerox又制订了Ehternet II的标准 1982 IEEE开始研究Et

6、hernet的国际标准802.3 1983 Novell基于IEEE的802.3的原始版开发了专用的Ethernet帧格式 1985 IEEE推出IEEE 802.3规范 后来为解决EthernetII与802.3帧格式的兼容问题推出折衷的Ethernet SNAP格式 局域网的相关标准-IEEEnIEEE 802.1A：概述及网络体系结构：概述及网络体系结构nIEEE 802.1B：寻址、网络管理和网际互联：寻址、网络管理和网际互联nIEEE 802.2：逻辑链路控制协议：逻辑链路控制协议nIEEE 802.3：CSMA/CD介质访问控制方法和物理层技术规范（以太网）介质访问控制方法和物理层

7、技术规范（以太网）nIEEE 802.4：令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范：令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范nIEEE 802.5：令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范：令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范nIEEE 802.6：DQDB介质访问控制方法和物理层技术规范介质访问控制方法和物理层技术规范（MAN）nIEEE 802.7：宽带：宽带LAN（时分剑桥环网）（时分剑桥环网）nIEEE 802.8：光纤局域网：光纤局域网 （FDDI）nIEEE 802.9：综合话音数据局域网（：综合话音数据局域网（ISDN）nIEEE 802.10：可互操作的局域网的安全机制（：可互

8、操作的局域网的安全机制（Virtual LAN）nIEEE 802.11：CSMA/CA（WLAN）nIEEE 802.12：优先级请求访问局域网（：优先级请求访问局域网（100VoiceGrade-AnyLAN）nIEEE 802.14：有线电视网上的数据传输：有线电视网上的数据传输nIEEE 802.15：WPAN（Wireless Personal Area Networks）nIEEE 802.16：Broadband wireless（Wireless MAN）nIEEE 802.17：坚固型分组环（：坚固型分组环（RPR，Resilient Packet Ring ）nIEEE 8

9、02.18：Radio Regulatory TAG（Technical Advisory Group）nIEEE 802.19：Coexistence Technical Advisory GroupIEEE 802各标准之间的关系802.3 MAC802.3 物理层802.4 MAC802.4 物理层802.5 MAC802.5 物理层802.6 MAC802.6 物理层802.2 LLC802.1A 概述及体系结构802.1B 寻址、管理802.1B 网际互联9.3.2 LLCnIEEE 802 链路层通信用到2个地址 SAP 区分进程 MAC 区分线路高层高层数据数据LLC数据数据目的

10、访问点目的访问点DSAPMAC控制控制MAC尾部尾部MAC数据数据源访问点源访问点SSAP控制控制字段字段源源MAC地址地址目的目的MAC地址地址MAC地址n由IEEE全球统一分配n顺序编号，和使用MAC的计算机所在的地理位置无关。n48bitn前24bit 厂商编号n后24bit 厂商定义的产品编号9.3.3 MAC层n静态分配（同步）1. FDM2. TDM将频带或时间片固定地分配给各个站点。适用于站点数量少且固定的场所特点：控制简单，效率高。n动态分配（异步时分多路复用） 1.随机访问（争用，contention）只要有数据，就可直接发送，发生冲突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络

11、，负载重时效率低。2.控制访问发送站点必须先获得发送的权利，再发送数据，不会发生冲突。在负载重的网络中可获得很高的信道利用率。形式：轮转（round-robin）预约（reservation）信道分配策略可分为两大类：碰撞9.4 IEEE 802.3内容nCSMA/CD介质访问控制方法n物理层技术规范 速率：110Mbps 信号编码：曼彻斯特编码 信号传输方式：基带？频带？ 介质 拓扑IEEE 802.3的物理层介质规范n按历史的发展顺序依次为： 10Base5（粗缆以太网） 10Base2（细缆以太网） 10Base-T（双绞线以太网） 10Base-F（光纤以太网）n含义： “10”：速率

12、为10 Mbps “Base”：基带信号传输 “5”：单段的最大长度为5个100米 “2”：单段的最大长度为2个100米，实际为600英尺，约182.88米 “T”：Twisted pair，使用双绞线介质 “F”：Fiber optics使用光纤介质IEEE802.3物理层标准10BASE510BASE210BASE-F10BASE-T最大网段最大网段长度长度500m185m500/1000/2000m 100m拓扑结构拓扑结构总线型总线型总线型总线型星型星型星型星型介质介质50 粗缆粗缆50 细缆细缆单模单模/多模光缆多模光缆100 UTP连接器连接器NIC-DB-15BNCST/SCRJ

13、-45介质挂接介质挂接方法方法MAU栓接同栓接同轴电缆轴电缆外接或在外接或在NIC中中外接或在外接或在NIC中中外接或在外接或在NIC中中站站/网段网段1003010BASE-FP 33 2（NIC和和中继器中继器）最多网段最多网段数数5555不加中继器线路最大距离10Base5和10Base2组网方式组网方式介质介质直径直径(mm)阻抗阻抗()速率速率(Mbps)单段最大单段最大长度长度(m)每段最大每段最大节点数节点数节点间距节点间距最小值最小值(m)最大最大段数段数最长最长距离距离10Base5粗同轴电缆1050105001002.552.5km10Base2细同轴电缆550102003

14、00.55925m10BASE-T以太网跨距n单段长度：100mn增加1个中继器 100m*2=200mn增加2个中继器 中继器之间5m 100m+5+100m=205m100m100m100m100m5m曼彻斯特编码n曼彻斯特编码（Manchester encoding）和差分曼彻斯特编码（differential Manchester encoding）都为自同步归零码。曼彻斯特编码属绝对相位编码，而差分曼彻斯特编码属相对相位编码。n所有的802.3系统都采用曼彻斯特编码，实现比较简单。其信号的高电平为+0.85V，低电平为-0.85V。n由于在每个1/2位周期处都会发生跳变，不仅可提供用

15、于同步的时钟信号（但编码效率降低），也为信道侦听提供了可能。IEEE 802.3 MAC帧结构n前导码7个字节（10101010），用于收发双方的时钟同步。n帧起始定界符1个字节（10101011），标志帧的开始。n目的地址和源地址2或6个字节10Mbps的基带系统只用6字节地址。目的地址可分为：单地址：最高比特位为“0”，用于单播（unicast）。组地址：最高比特位为“1”，用于组播（multicast）。广播地址：全“1”，用于广播（broadcast）。n通过次高位的不同来区分全局地址和局部地址：局部地址：次高位为“1”，由网络管理员指定，只用于本网中。全局地址：次高位为“0”，由IE

16、EE统一分配，保证在世界上的唯一性。共有248-271013个。Unicast、multicast、broadcastIEEE 802.3 MAC帧结构n长度字段 2个字节（01500），用于指明数据域的字节数。n数据域 01500个字节，用于存放被传输的数据（LLC PDU）。n填充域 046个字节，802.3规定有效帧从目的地址到校验和字段的最短长度为64字节（固定部分为18字节） ，当数据域长度小于46个字节时，就使用本字段的填充来满足最短帧的要求。n校验和 4个字节，使用32位CRC校验IEEE802.3帧长度nDA+SA+L+LLCPDU +FCS= 6 + 6 +2+(461500

17、)+4=641518ByteEthernet II 帧DMACSMAC Length/TDATA/PADFCSIEEE 802.3标准的介质访问控制方法n1-坚持式CSMA/CD协议： 先听后说： 当站点有数据发送时，先监听信道，若信道忙就重复监听直到信道空闲，一旦信道空闲就立即发送数据。 边听边说： 在发送数据时仍继续监听信道 通过检测回复信号的能量或脉冲宽度并将之与发送的信号作比较，就可判断是否发生冲突。 冲突停止，等待重发： 若发生冲突就终止数据发送 实际上会再发送4到6个字节的干扰串（jam），以便加强冲突，使所有站点都能尽早发现冲突，退出数据发送，这叫作冲突强化措施（collisio

18、n consensus enforcement） 等待一随机时间后，再重新尝试发送。CSMA/CDn半双工的工作模式 共享线路 同一时刻只能传输一路信号 通过分时实现线路复用。 通过传输数据帧头的地址区分数据的接收者是谁。（统计时分复用）载波检测发送数据发送数据组织数据组织数据总线忙？总线忙？启动发送启动发送冲突吗？冲突吗？发送冲突发送冲突加强信号加强信号退后延迟退后延迟延迟时间延迟时间t = r T 0 r 16？发送成功发送成功发送失败发送失败YNYYYNNNCSMA/CD的发送接收帧接收帧启动接收启动接收接收完成？接收完成？冲突发生吗？冲突发生吗？是发给自己的吗？是发给自己的吗？废弃接收

19、数据废弃接收数据处理接收数据处理接收数据发送成功发送成功YYYNNNCSMA/CD的接收CSMA/CD协议中的碰撞槽时间n t=rTnT（碰撞槽时间）的计算fafa碰撞信号fafb使用CSMA/CD方式如果B发现冲突，则应能保证碰撞信号在A结束发送当前帧之前到达A。以便A能够根据碰撞信号知道需要重新发送当前帧。A-B的距离： S网络传输速率：R=0.7C帧长：L帧在媒体上的传输速率：V物理层处理延迟：tPHYABT 2*S/V+2*tPHYLmin = R*T最小帧长、网络直径nLmin=(2*S/V+2*tPHY)*Rn当Lmin=64byte时nR=10Mbps,网络直径S=5376mnR

20、=100Mbps,网络直径S= 537.6m帧扩展技术n当传输速率达到1Gbps时，会出现网络直径0的情况。n因此使用帧扩展技术，将最小帧长扩展到4096位（512字节）。n如果帧长10Base以太网的 T =512bit/10Mbps=51.2 s=10BASE-T网络应符合：站点单程延时*2+线单程延时/m*线长*2+中继器单程延时*中继器个数*2 T(0.5+0.5)*2+0.57*m/100+2*n*2 51.210base-T组网规则n10M以太网组网的5-4-3-2-1规则 5个网段 信道上只能有4个中继器 其中3个网段上可以增加节点 另外2个网段除了中继器间链路外不能增加节点 以

21、上构成一个大的冲突域共享式以太网组网步骤n硬件安装 制作网线 安装网卡 连接设备n软件安装和设置 网卡驱动的安装和配置 网络协议的安装和配置 双绞线的标志n标志内容： 双绞线类型 NEC/UL防火测试和级别 CSA防火测试 长度标志 生产日期 双绞线的生产商和产品号码举例：nAVAYA-C SYSTEMIMAX：双绞线的生产商n1061C+：该双绞线的产品号n 4/24：说明这条双绞线是由4对24 AWG电线的线对所构成。铜电缆的直径通常用AWG(American Wire Gauge)单位来衡量。通常AWG数值越小，电线直径越大。我们通常使用的双绞线均是24AWG。nCM：是指通信通用电缆，

22、CM是NEC(美国国家电气规程)中防火耐烟等级中的一种。nVERIFIED UL：说明双绞线满足UL(Underwriters Laboratories Inc.保险业者实验室)的标准要求。UL成立于1984年，是一家非营利的独立组织，致力于产品的安全性测试和认证。nCAT 5E：指该双绞线通过UL测试，达到超5类标准。n31086FEET 09745.0 METERS：表示生产这条双绞线时的长度点。1英尺等于0.3048米，有的双绞线以米作为单位。AVAYA-C SYSTEIMAX 1061C+ 4/24AWG CM VERIFIEDUL CAT5E 31086FEET 09745.0 ME

23、TERS 双绞线以太网组网的硬件连接n单一集线器结构n多集线器单集线器结构n双绞线长度100mn联网计算机台数：2-24多集线器级联结构交叉线的制作n一端T568B，一端T568A 3 6 1 4 5 2 7 8绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 1 2 3 4 5 6 7 8 多集线器级联结构n平行式级联n树型级联多集线器级联结构多集线器10M配置规则n每段UTP100mn任意2个节点之间最多可以有5个网段，4个集线器n整个网络范围500mn网络中不能出现环路9.5 IEEE802.5令牌环局域网n令牌环工作原理 所有节点必须拥有一个令牌才能发送数据 令牌在网络上按一个方向从一个节点到另一个节点，整个路径形成一个环 每个节点占用令牌的时间一定n令牌环的物理层 类似10BASE-T 使用屏蔽双脚线9.6 IEEE802.4令牌总线n令牌总线工作原理 网络启动后，形成逻辑环 只有获得令牌的节点才可以发送数据 令牌在逻辑环上根据地址从高到低传递 任何节点保持令牌的时间固定n令牌总线的物理层 总线 类似于10BASE-5，使用同轴电缆连接多集线器100M配置规则n每段UTP100mn任意2个节点之间最多可以有2个集线器n集线器之间的级联电缆长度5mn整个网络范围205mn网络