成为以太网的帧课件

1、第9章 局域网体系结构局域网是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备连在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。本章从介绍局域网的体系结构、协议标准及拓扑结构入手，详细讨论CSMA/CD总线网、令牌环网及令牌总线网的媒体访问控制方法。通过本章的学习，重点掌握和理解以下内容：l 理解计算机局域网的体系结构l 了解常用的局域网标准：IEEE802.3、IEEE802.5各自的特点l 理解载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的工作过程l 了解高速局域网和千兆位以太网的基本情况19.1.1 局域网的概念、特点 1. 局域网的定义与发展过程 在较小的地理范围内，利用通信线路将许多数据设备连

2、接起来，实现彼此之间的数据传输和资源共享的系统称为局域网。它的发展般分为三个阶段：（1）60年代末至70年代初是萌芽阶段 。（2）70年代中期是局域网发展的一个重要阶段。 （3）80年代初期是局域网走向大发展的时期。利用光导纤维作为通信介质构成的高速主干环网，是目前许多局域网系统采用的一种结构形式。 9.1 局域网概述22. 局域网特点 （1）地理范围有限。（2）通信速率高。 （3）可采用多种通信介质。（4）可靠性较高。 一般说来，决定局域网特性的主要技术有三个方面：（1）局域网的拓扑结构。（2）用以共享媒体的介质访问控制方法（3）用以传输数据的介质。由局域网本身的特点决定局域网具有以下优点：

3、（1）能够方便地共享网内资源，包括主机、外部设备、软件、数据；（2）便于系统扩展；（3）提高了系统的可靠性、可用性、可维护性；（4）各设备位置可以灵活地调整和改变；（5）有较快的响应速度（数据传输率较高）。 39.1.2 局域网的应用 计算机局域网所具有的这些优点决定了它在社会各个领域有着广泛的应用，它可以用于办公自动化、工业生产自动化、企业管理信息系统、生产过程实时控制、军事指挥和控制系统、辅助教学系统、医疗管理系统、银行系统、软件开发系统和商业系统等方面，其中主要作用如下：1. 办公自动化 2. 工业生产自动化 3. 应用于教育领域 4. 计算机协同工作技术 49.2.1 服务器 网络使用

4、一个专门的结点共享外围设备，该结点为网上所有的用户所共知，具有固定的地址，并为网上用户提供服务。这种提供服务的结点称为服务器（Server）。常见的服务器类型有以下几种。 1. 文件服务器给用户提供了操作系统中文件系统的各种功能。 2. 打印服务器接有打印机，提供网络打印。 3. 终端服务器又称为终端集中器，终端到其他结点之间的通信都通过终端集中器。 9.2 局域网的组成 59.2.2 工作站 工作站又称为客户机。工作站是指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工作站。工作站与服务器不同，服务器是为网络上许多网络用户提供服务以共享它的资源，而工作站仅对操作该工作站的用户提供

5、服务。工作站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。工作站通过网卡、通信介质以及通信设备连接到网络服务器。现在的工作站都用具有一定处理能力的PC（个人计算机）机来承担。 9.2 局域网的组成 69.2.3 网络适配器（NIC） 网络适配器NIC（Network Interface Card）也就是俗称的网卡。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。网卡一方面负责接收网络上传过来的数据包，解包后，将数据通过主板上的总线传输给本地计算机；另一方面它将本地计算机上的数据打包后送入网络。网卡和计算机的连接是通过总

6、线扩展槽，根据连接的扩展槽不同，可将网卡进行分类。一般分为ISA总线网卡和PCI总线网卡。 9.2 局域网的组成 79.3.1 局域网参考模型 IEEE802参考模型 9.3 局域网的体系结构 8 IEEE802参考模型的最低层对应于OSI模型中的物理层，包括以下功能：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 物理层之上的层次主要为局域网的用户提供相应的服务。它们的主要功能如下：在传输时将要传输的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错检测等字段； 在接收时，将接收到的帧解包，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； 为高层协议提供相应的接口，即一个

7、或多个服务访问点（SAP），并且进行流量和差错控制。 9IEEE802协议 此标准将数据链路层分为逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层，逻辑链路控制子层主要提供寻址、排序、差错控制和流量控制等功能。109.3.2 逻辑链路控制LLC子层 1. LLC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 2. 逻辑链路控制子层的服务访问点LLC SAP 在一个主机的LLC子层上面应设有多个服务访问点，以便向多个进程提供服务。需用到两个地址：（1）MAC（介质访问控制）地址。（2）SAP地址。9.3 局域网的体系结构 11LLC协议 （1）LLC帧的说明 LLC帧的

8、说明没有分界符及校验字段；LLC帧是MAC帧中的数据字段；有源地址（源服务访问点），这样适应于点点、点多点及广播式通信。LLC帧控制字段和HDLC中的控制字段一样，控制字段将LLC帧分为信息帧、管理监控）帧、无编号帧，分别完成不同的功能。（2）LLC/MAC的接口 用服务原语实现：MA-DATA.request； MA-DATA.indication；MA-DATA.confirm。 129.3.3 媒体访问控制MAC子层 媒体访问控制策略 在所有的媒体访问控制技术中，最关键的参数是控制点和控制方法。集中方式具有以下的优点：能提供除了对媒体访问外的其他更高级的功能，如优先级控制、可靠性等。 每

9、个站点的访问控制逻辑简单 避免对等实体间进行分布合作可能带来的问题 缺点：在整个网络中，如果控制点不能工作，则会导致整个网络瘫痪 由于所有对共享媒体的访问要经过控制站点的允许，可能会形成瓶颈，降低效率。分布式媒体访问控制方式的优缺点正好与之相反。 13 一般可以将访问控制技术分为两种：同步和异步。在同步技术中，整个信道带宽被分割成许多部分，每一部分被分配给某一个站点。在电路交换中的频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM）技术就属于这种同步机制。 异步技术分为三种：时间片轮转、预约和竞争。在时间片轮转中，每个节点按照一定的时间顺序得到传输时间。预约技术更适合于传输连续数据的情况。对突发性的

10、数据传输，竞争是最常用的机制。149.4.2 CSMA/CD介质访问控制协议1. 载波侦听多路访问协议CSMA 以太网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。总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这种通信方式是广播通信。但我们并不总是希望使用广播通信。为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台计算机拥有一个与其他计算机都不同的地址。在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。现在的电子技术可以很容易地做到：仅当数据帧中的目的地址与计算机的地址一致时，该计算机才能接收这个数据帧。计算机对不是发送给自己的数据帧，则一律不接收。下图是

11、上述概念的示意图。1516 为了通信的简便，以太网采取了两种方法第一:采用无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。第二:不要求收到数据的目的站发回确认。不要确认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。因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。17 以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议，即CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 载波监听多点接入/碰撞检测。下面是CSMA/CD的要点。“多点接入”“载波监听”“碰撞检测”18因为电磁波在总线上总是以有限

12、的速率传播的。因此当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非是空闲的。如下图所示的例子可以说明这种情况。1920 显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。以太网的这一特点称为发送的不确定性。214争用期以太网的端到端往返时延2称为争用期(contention period)。争用期又称为碰撞窗口(collision window)。为了使每个站都能尽可能早地知道是否发生了碰撞，以太网还采取一种叫做强化碰撞的措施。

13、这就是当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞如图5-6所示。22239.4.3 传统以太网的连接方法 传统以太网可使用的传输媒体有四种，即粗缆、细缆、铜线和光缆。下图在MAC层下面给出了对应于这四种传输媒体的物理层，即10BASE5(粗缆)、10BASE2(细缆)、10BASE-T(双绞线)和10BASE-F (光缆)。2425用铜缆或铜线连接到以太网的示意图。26 粗缆以太网是最初使用的以太网，其网卡通过DB-15型连接器(15针)与收发器电缆(transceiv

14、er cable)相连，收发器电缆的正式名称是AUI电缆。AUI是连接单元接口(Attachment Unit Interface)的缩写。收发器电缆的另一端连接到收发器(transceiver)。收发器电缆的长度不能超过50 m。收发器由两部分组成，一部分是含有电子元器件的媒体连接单元MAU (Medium Attachment Unit)，另一部分是没有电子元器件的插入式分接头(tap)，称为媒体相关接口MDI (Medium Dependent Interface)，它直接插入到电缆中(不用切断电缆)就能和同轴电缆的内部导线有良好的接触连接。27 收发器的功能如下：（1）从计算机经收发器

15、电缆将数据向同轴电缆发送，或反过来，从同轴电缆接收数据经收发器电缆送给计算机。（2）检测在同轴电缆上发生的数据帧的碰撞。（3）在同轴电缆和电缆接口的电子设备之间进行电气隔离。（4）当收发器或所连接的计算机出故障时，保护同轴电缆不受其影响。28 网卡的功能主要有以下三个：（1）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。（2）链路管理，主要是CSMA/CD协议的实现。 （3）编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。29 集线器的一些特点如下：（1）从表面上看，使用集线器的局域网在物理上是一个星形网，但由于集线器是使用电子

16、器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。也就是说，使用集线器的以太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。网络中的各个计算机必须竞争对传输媒体的控制，并且在一个特定时间至多只有一台计算机能够发送数据。因此，这种10BASE-T以太网又称为星型总线(star-shaped bus)或盒中总线(bus in a box)。30 （2）一个集线器有许多端口，因此，一个集线器很像一个多端口的转发器。（3）集线器和转发器都是工作在物理层，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到工作站发来的比特时，就简单地

17、将该比特向所有其他端口转发。若两个端口同时有信号输入(即发生碰撞)，那么所有的端口都收不到正确的帧。为了说明上述原理，下图给出三个端口的集线器的示意图(实际的集线器不会只有三个端口)。（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。3132 为了比较这三种以太网布线方案的区别，下图画出了一组办公室用三种不同方案布线的情况。3334上述的三种以太网的主要指标的比较如表9-1所示。359.4.4 以太网的MAC层1 MAC层的硬件地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。“名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。”严格地讲，名字应当与系统的

18、所在地无关。802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。36 现在IEEE的注册管理委员会RAC (Registration Authority Committee)是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的六个字节中的前三个字节(即高位24 bit)。世界上凡要生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买由这三个字节构成的一个号(即地址块)，这个号的正式名称是机构惟一标识符OUI (Organizationally Unique Identifier)，通常也叫做公司标识符(company_id)。目前的价格是1250美元买一个地址块。例如，3Com公司生产的网卡

19、的MAC地址的前六个字节是02-60-8C。地址字段中的后三个字节(即低位24 bit)则是由厂家自行指派，称为扩展标识符(extended identifier)，只要保证生产出的网卡没有重复地址即可。3738下图表示用网卡上的硬件地址来标识局域网上的计算机和路由器。39“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧(一对一)，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。 广播(broadcast)帧(一对全体)，即发送给所有站点的帧(全1地址)。 多播(multicast)帧(一对多)，即发送给一部分站点的帧。402 两种不同的MAC帧格式以太网的MAC帧格式有两种标准，一种是

20、DIX Ethernet V2标准，另一种是IEEE的802.3标准。下图画出了这两种不同的MAC帧格式。4142 IEEE 802.3标准规定的MAC帧和以太网V2的MAC帧的区别是：（1）第三个字段是长度/类型字段。根据长度/类型字段的数值大小，这个字段可以表示MAC客户数据字段的长度(请注意：不是整个数据帧的长度)，也可以等同于以太网V2的类型字段。（2）当长度/类型字段表示类型时，802.3的MAC帧和以太网V2的MAC帧一样，它的MAC客户数据字段装的是来自IP层的IP数据报。43 从MAC子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入八个字节(由硬件生成)，它由两个字段构成。第一个字段共七

21、个字节，称为前同步码(1和0交替的码)。前同步码的作用是使接收端在接收MAC帧时能够迅速实现比特同步。第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011，表示在这后面的信息就是MAC帧了。44 802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧：（1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致；（2）帧的长度不是整数个字节；（3）用收到的帧检验序列FCS查出有差错；（4）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46 1500字节之间。459.5 IEEE802.5标准：令牌环局域网 469.5.1 令牌环局域网络 IBM令牌环是一种星形环形结构，即结构上呈星形，但将各工作站连成环。 IBM

22、令牌环是一种星形环形结构，即结构上呈星形，但将各工作站连成环。环站是计算机、文件服务器和终端设备，设备入网时均需要带一个适配器。环站是计算机、文件服务器和终端设备，设备入网时均需要带一个适配器。线集中器是一个连接设备，环站通过线集中器将传输介质构成环网。传输介质可以是双绞线、光纤或宽带电缆，或是它们的混合，形成多介质网络。网桥作为IBM令牌环之间的连接设备。信关实质上是一个网间连接器 。环形网络一直用于局域网和广域网中。 479.5.2 令牌环工作原理 48*9.5.3 令牌环MAC子层协议1. IEEE802.5MAC帧格式PPPTMRRR访问控制字段格式如下：49（2）数据帧格式SD、AC

23、和ED字段同令牌帧FC：帧控制格式：FFRRCCCCDA：目的地址SA：源地址FCS：帧校验序列。FS：帧状态。 ACAC50令牌环的媒体访问控制功能（1）帧发送（2）令牌发送（3）帧接收（4）优先权操作51*9.5.4 令牌总线局域网令牌总线网的工作原理：（1）网络在启动后，只有获得令牌的站才能向网上发送数据。 （2）令牌在逻辑环上是根据地址传递的 。（3）逻辑环上任何一个站保持令牌的时间是一定的 。（4）逻辑环在稳定状态下的操作由数据传送和令牌传递两个阶段交替进行。（5）令牌总线型网络具有优先级控制。（6）在非稳定状态下，逻辑环上所有使用令牌的站有逻辑环的维护功能。（7）总线上的站可以加入

24、逻辑环，也可以不加入逻辑环。522. 令牌总线MAC子层协议MAC帧格式如下： 令牌总线介质访问控制控制方法主要包括：（1）逻辑环的初始化（2）插入环算法（3）退环算法（4）故障控制。53*9.6 快速以太网与千兆以太网技术54IEEE802.3委员会于1992年提出制定快速以太网标准。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。包括：100Base-TX1

25、00Base-T4100Base-Fx。*9.6.1 快速以太网55*9.6.2 千兆位以太网千兆位以太网是IEEE802.3标准的扩展，在保持与以太网和快速以太网设备兼容的同时，提供1000Mbps的数据带宽。千兆位以太网的关键是利用交换式全双工操作部件构建主干网络，连接超级服务器和工作站。可有多种网络拓扑结构。它基于以太网结构，保留了IEEE802.3以太网标准帧格式以及IEEE 802.3的网络管理功能，且网络管理原理保持不变，现存的软件（如LAN协议）都可运行。 562. 千兆以太网技术特点传输速率高 有较高的网络带宽高 仍然采用以太网标准，仅仅是速度快仍然采用CSMA/CD介质访问控

26、制方法 与以太网完全兼容 技术简单 依靠RSVP、IEEE802.1P、IEEE802.1Q技术标准，提供VLAN服务，提供质量保证，支持多媒体信息传输，有很好的网络扩充能力，易升级，易扩展对于传输数据（DATA）业务信息有极佳的性能573. 向千兆位以太网迁移迁移方式一般有三种：交换机到交换机的升级交换机到服务器的升级建筑物和园区主干网升级582002年6月12日802.3以太网标准组织批准了10G以太网标准的最后草案。1万兆以太网的特点万兆以太网并非将千兆以太网的速率简单地提高到10倍，有很多复杂的技术问题要解决。万兆以太网主要具有以下特点：l 万兆以太网的帧格式与10Mb/s、100Mb

27、/s和1000Mb/s的帧格式完全相同。9.6.3 万兆以太网59l 万兆以太网仍然保留了802.3标准对以太网最小帧和最大帧长度的规定。这就使得用户在将已有的以太网升级时，仍便于和较低速率的以太网进行通信。l 由于数据传输速率高达10Gb/s，因此万兆以太网的传输介质不再使用铜质的双绞线，而只使用光纤。它使用长距离的光收发器与单模光纤接口，以便于能够在广域网和城域网的范围内工作。它也可以使用较便宜的多模光纤，但传输距离限制在65300m。l 万兆以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。由于不使用CSMA/CD协议，这就使得万兆以太网的传输距离不再受冲突检测的限制。l 标准中采用了局域网和广域网两种物理层