计算机局域网

第五章计算机局域网5.1局域网的特点及类型5.2局域网的层次结构5.3以太网及介质访问控制方法5.4令牌环网及介质访问控制方法5.5局域网资源共享模式5.6虚拟局域网5.7无线局域网5.1局域网概述局域网的概念局域网(LocalAreaNetwork)是在一个局部的地理范围内(如一个学校、工厂和机关内)，将各种计算机、外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网，简称LAN。5.1局域网的特点及类型20世纪80年代微型计算机出现1972年Xerox公司发明以太网使微机局域网得到了快速的发展结合局域网形成与发展：回忆：局域网的快速发展由哪两个因素促成的？90年代局域网发展更加迅速。办公室简单局域网5.1局域网的特点及类型hubhubhubSwitchServerfarmstationstationsstations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/s～1000Mb/s低误码率10-8

～10-11拓扑：总线型、星形、环形介质：UTP、Fiber、COAX私有性：自建、自管、自用5.1局域网的特点及类型5.1.1局域网的优点具有较高的数据通信速率。现在常见的以太网的数据传输速率为100Mbps或1000Mbps。从一个站点可以访问全网，从而方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据等资源。构建局域网时一般不使用公用通信线路，而是自行布设专用线路。系统易于扩展和演变，各类设备的位置可以灵活调整。系统具有可靠性和开放性，局域网的体系结构符合ISO的OSI标准，能与任何符合OSI标准的系统进行通信。（1）总线拓扑将所有站点通过适配器连接到单根传输介质——共享总线上。总线末端都有一个50欧姆的电阻，称为终结器。作用：阻止信号发射基本特性优点与星型拓扑相比，所需电缆长度较短；结构简单，可靠性高；扩充(如增加站点、延长电缆等)较容易。缺点故障检测不很容易，如总线有故障需分段查找，如站点有故障需一个一个查；容错能力差，产生冲突。5.1局域网的特点及类型（2）环型拓扑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。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。基本特性缺点某段链路或某个中继器有故障会使全网不能工作；站点离网、入网都较困难。（3）星型拓扑每一个站点通过点-点链路连至中心节点，所有的通信都由中心节点控制，一般采用线路交换。基本特性优点建网容易，配置方便；每个连接的故障容易排除，不影响全网；控制协议相对简单。缺点对中心节点要求非常高，一旦中心节点产生故障,全网将不能工作。5.1局域网的特点及类型（4）混合型拓扑为总线型变形，或者可以看做多级星形结构，是一种使用广播的信道。5.2局域网的层次结构局域网的标准：IEEE802（ISO8802）IEEE802是一个标准系列：IEEE802.X,IEEE802.1～IEEE802.14其体系结构只包含了两个层次：数据链路层、物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC

高层

OSI

IEEE802物理层PHY由TCP/IP和NOS实现IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口5.2局域网的层次结构5.2.1局域网的层次模型数据链路层协议结构IEEE802体系结构示意图数据链路层在不同的子标准中定义分别对应于LLC子层和MAC子层……802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing802.6DQDB802.8FDDI802.2LLC数据链路层物理层LLCMAC802.1DBridge802

体系结构PHY网际互联局域网的数据链路层按功能划分为两个子层：LLC和MAC功能分解的目的：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、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。5.2局域网的层次结构5.2.1局域网的层次模型1．LLC子层LLC(LogicLinkControl)逻辑链路控制子层，即IEEE802.2标准

作用：流量控制、差错控制等软件中实现5.2局域网的层次结构LLC子层的作用由于不同的网络类型有不同的介质访问子层与之对应，而逻辑链路控制子层LLC则掩盖了不同物理网络之间的差别，以统一的格式为网络层提供服务LLC子层把网络层的分组（在TCP/IP中即IP数据包）加上LLC头，交给MAC子层组成相应的802.X帧发送5.2局域网的层次结构LLC提供的三种服务不可靠的数据报服务可靠的数据报服务面向连接的服务对于不同的数据帧和控制帧有不同的格式有确认的数据报服务和面向连接的服务，在帧格式中包含源地址、目的地址、序列号、确认号等无确认的数据包服务的帧格式中不包含序列号和确认号5.2局域网的层次结构5.2.1局域网的层次模型2．MAC子层MAC（MediaAccessControl）介质访问控制子层

作用：介质访问控制等

主要由硬件（网卡）实现

提供了LLC子层与物理层之间的接口5.2局域网的层次结构功能：位流的传输；同步前序的产生与识别；信号编码和译码。IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。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3.物理层5.2局域网的层次结构5.2.2IEEE802标准体系---LMSC5.3以太网及介质访问控制方法LAN的结构类型LAN的结构主要有三种类型：以太网（Ethernet）令牌环（TokenRing）令牌总线(TokenBus）另外还包括：作为这三种网的骨干网－光纤分布数据接口（FDDI）5.3以太网及介质访问控制方法一、以太网（Ethernet）局域网经过了近三十年的发展，尤其是在快速以太网（100Mbps）和吉比特以太网，10吉比特以太网进入市场后，以太网已经在局域网市场中占据绝对的优势。以至于很多人将局域网和以太网视为同一个概念。以太网在逻辑上是总线型的，其中心设备相当于一根总线，因此每个站点发送数据是通过“广播”方式将数据送往共享介质。任何站点都没有预约发送时间，发送是随机的。这样就有可能会出现两个或多个站点同时发送数据，而信号在总线上相互干扰的情况，即发生“冲突”。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。提出问题：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）？解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。两类介质共享技术：静态分配（FDM、WDM、TDM、CDM）不适用于局域网动态分配（随机接入、受控接入）CSMA/CD、Token-Passing5.3以太网及介质访问控制方法5.3.1CSMA/CD介质访问控制方法一、信道分配方法分析：在多个竞争用户之间分配单个信道传统方法为频分多路复用（FDM）。FDM适用于用户数量比较少而且固定不变，并且每个用户都有繁重的流量负担的时候。对于发送方数量非常多且经常不断变化，或者流量突发性大的，如果同样使用频分N等分：第一种情况只有很少的用户需要进行通信，则大量宝贵的频谱被浪费掉。第二种情况如果希望进行通信的用户数超过了N个，则有些用户将被拒绝；第三种情况即使有些已经被分配了频段的用户并不发送或者接收数据，他们也无法将自己的频段转给其他用户。既然传统的静态信道分配方法不能适应突发性流量，以太网使用动态分配方法:CSMA/CD5.3.1CSMA/CD介质访问控制方法多个站点如何安全地使用共享信道？最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否可以立即发送？若有多个站点都在等待发送，必然冲突！解决：等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率）若信道忙，如何处理？继续监听：等到信道空闲后立即发送等到信道空闲后等待随机时间后再发送等待一段随机时间后再重新检测信道一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？以上方法均无法处理！载波监听多路访问协议CSMA载波监听协议（CarrierSenseProtocol）持续和非持续CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，载波监听多路访问）它检测其他站的活动情况，据此调整自己的行为1、1-持续CSMA(1-persistentCSMA）2、非持续CSMA(NonpersistentCSMA)3、p-持续CSMA(p-persistentCSMA)

1-持续CSMA每个站在发送前，先侦听信道，当信道忙或发生冲突时，要发送帧的站，则等待并持续侦听，一旦信道空闲，便立即发送，即发送的概率为1；如冲突，则延时一随机时隙数后，重新发送。其中，长的传播延迟和同时发送帧，会导致多次冲突，降低系统性能。非持续CSMA

（NonpersistentCSMA）每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙或发生冲突时，则不再继续侦听，它并不持续侦听信道，而是在冲突时，延时一随机的时隙数后，再侦听信道它有更好的信道利用率，但导致更长延迟。p-持续CSMA

（p-persistentCSMA）它应用于分槽信道每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则等到下一时隙；如信道空闲，则以概率p发送帧，即信道空闲时，这个时槽，按照欲发送的站P概率发送，而以概率q=1-p不发送，把本次发送延至下一时隙。若不发送，下一时槽仍空闲，同理进行发送。若信道忙，则等待下一时槽，若冲突，则等待随机的一段时间，重新开始……5.3以太网及介质访问控制方法以太网采用IEEE802.3定义的载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）技术来避免冲突的发生，使多个站点能够共享信道。CSMA/CD—带冲突检测的载波监听多路访问MA（MultipleAccess）总线型特点：多点接入CS(CarrierSense)载波监听：发送前监听线路CD(CollisionDetection)碰撞检测核心5.3以太网及介质访问控制方法用于IEEE802.3以太网工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送冲突强化信号（Jam）；发送Jam信号的目的是使所有的站点都能检测到冲突等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。CSMA/CD的工作流程可以概况为“先听后发，边发边听，冲突停止，延迟重发”。载波监听碰撞检测JAM阻塞信号：特殊字节来强化冲突，以便让总线上所有设备都知道发生冲突回退算法：将所有设备停止发送一段随机时间，然后尝试发送数据最先发送数据帧的站，在发送数据帧后最多经过时间2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延2称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次成功发送数据。5.3以太网及介质访问控制方法站点1站点2距离L传播时延tCSMA/CD协议的时间槽时间槽——能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）若两站点之间传播时延为a，则时间槽＝2a。如下图所示：站点2发送帧碰撞站点1在t＝0时发送帧站点2停止发送当δ→0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽→2a。5.3以太网及介质访问控制方法总结CSMA/CD:显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站不能同时进行发送和接收。因此，使用CSMA/CD协议的以太网只能进行半双工通信。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。CSMA/CD的优缺点控制简单，易于实现；网络负载轻（40％以内）时，有较好的性能延迟较小网络负载重时，性能急剧下降冲突数量增加各工作站需要频繁执行重发操作大量的重发操作反过来又使冲突率进一步增加网络延迟增大延迟时间不可预计（非确定性延迟）5.3以太网及介质访问控制方法5.3.2典型的以太网5.3.2典型的以太网主机箱收发器电缆网卡AUI保护外层外导体屏蔽层内导体收发器RJ-45连接器1、10BASE5（粗缆以太网）同轴电缆以太网粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强收发器:发送/接收,冲突检测,电气隔离总线型拓扑

粗缆收发器AUI电缆NICVampiretap最大段长度500m每段最多站点数100≥2.5m网络最大跨度2.5km

网络最多5个段

终端匹配器5.3.2典型的以太网2、10BASE2（细缆以太网）主机箱BNCT型接头BNC连接器插口BNC网卡BNC插头细缆BNC接头NIC细缆以太网（10Base2

）细同轴电缆，可靠性稍差无外置收发器轻便、灵活、成本较低总线型拓扑每段最大长度185m每段最多站点数30≥0.5m网络最大跨度

925m网络最多5个段

终端匹配器

5.3.2典型的以太网3、10BASE-T（以太网）主机箱双绞线集线器RJ-45插头5.3.2典型的以太网双绞线（UTP），两头压接RJ45连接器；所有站点都与HUB（集线器）相连接；

HUB的作用：信号放大与整形星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。轻便、安装密度高、便于维护NICHUB每段最大长度100m多台HUB级连可以支持更多站点双绞线以太网（10Base-T）在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。100BASE-T以太网又称为快速以太网(FastEthernet)。5.3.2典型的以太网3、100BASE-T（快速以太网）100BASE-T以太网的特点100Base-T沿用了IEEE802.3规范所采用的CSMA/CD技术。无论是帧的结构、长度还是错误检测机制等都没有做任何的改动。此外，100Base-T支持所有能够在IEEE802.3网络环境下运行的软件和应用。100Base-T提供了10Mbps和100Mbps两种网络传输速率的自适应功能，网络设备之间可以通过发送快速链路脉冲（FLP）进行自动协商，从而实现10Base-T和100Base-T两种不同网络环境的共存和平滑过度。三种不同的物理层标准根据使用的传输介质的不同，定义了三种不同的物理层标准：100BASE-TX使用2对UTP5类线（超5类）或屏蔽双绞线STP。

100BASE-FX使用2对光纤。

100BASE-T4使用4对UTP3类线或5类线。

吉比特以太网允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。使用802.3协议规定的帧格式。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。吉比特以太网的物理层1000BASE-X基于光纤通道的物理层：1000BASE-SXSX表示短波长1000BASE-LXLX表示长波长1000BASE-CXCX表示铜线1000BASE-T使用4对5类线UTP

5.3.3以太网的MAC层源地址广播通信方式目的地址MAC地址又称作“物理地址”或者“硬件地址”，作用：在网络中标识计算机身份。MAC地址又称为物理地址，它是网络站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。MAC地址大多固化在网络站点的硬件中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IEEE802.3标准规定：MAC地址的长度为6个字节，共48位；可表示246≈70万亿个地址（有2位用于特殊用途）高24位称为机构惟一标识符OUI

，由IEEE统一分配给设备生产厂商；如3COM公司的OUI=02608C低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给所生产的每一块网卡或设备的网络接口。也可以是2个字节，但2字节的地址很少使用5.3以太网及介质访问控制方法Ethernet帧结构-mac帧MAC帧物理层1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报0x800IP数据报MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式目的地址字段6字节MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式源地址字段6字节MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式类型字段2字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式数据字段46~1500

字节数据字段的正式名称是MAC

客户数据字段最小长度64字节

18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度

MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式FCS字段4

字节当传输媒体的误码率为1106

时，MAC子层可使未检测到的差错小于11014。当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节5.4令牌环网及介质访问控制方法5.4.1令牌环网令牌环网最初是由IBM公司在20世纪80年代开发的一种网络传输系统。在20世纪90年代初，令牌环网体系结构与以太网进行了激烈的竞争并成为最流行的连网技术。但是后来以太网不断改进它的实用性、速度和可靠性，并最终超过了令牌环网。IEEE802.5描述了令牌环网技术的规范。令牌网通过屏蔽或非屏蔽双绞线以4Mbps或16Mbps速率传输数据，使用令牌传递机制和星型环状混合物理结构，通常令牌环网比以太网实现起来更昂贵。2.令牌传递（TokenPassing）ABDC站点干线耦合器单向环点到点链路主要用于IEEE802.5令牌环网

拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环TokenRing/802.5的操作哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（Token）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待；拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令牌，使其余的站点能获得帧的发送权。TokenRing/802.5的操作举例AT=0T（c）帧循环一圈后,A将数据帧回收并放出空令牌AT=0TData（a）A有数据要发送,它抓住空令牌（b）AT=1A将令牌修改为数据帧头,并加挂数据发送TDataCData目的站点从环上拷贝数据TDataCTDataCTDataCIEEE802.5的帧结构令牌帧数据帧/控制帧起始访问控制帧控制目的地址源地址数据FCS结束帧状态1112/62/6≥

04

1

1PPP

T

M

RRR优先级位令牌位监督位预约位起始访问控制结束111访问控制字段包括：优先级位与优先级预约位。令牌位：帧类型标识。

0：令牌帧；

1：信息/控制帧监督位：防止无效帧无限循环。令牌环网的实际结构——星形环路ABCDE集线器5.4令牌环网及介质访问控制方法5.4.3FDDIFDDI的拓扑结构类似于环形网。它使用令牌环网所采用的令牌传递方式。在这种方式下，令牌沿着网络传递，当一个设备需要传送数据时，它就截取令牌并把它所要发送的数据添加进令牌，这样就形成了一个帧。该帧沿着网络循环传播，直到它的目标站点接受它。与令牌环技术不一样的是：FDDI将它的令牌环网设计成双环结构，在两个完整的环上运行。主环承载数据，次环作为备份，而且双环是逆向旋转的。当所有器件都正常时，使用主环发送数据，具有自恢复功能，如图所示，当线路或站点出现故障时，可以将主环和次环连接起来使用。这种冗余措施使得采用了FDDI的网络非常可靠。5.4令牌环网及介质访问控制方法5.4.3FDDIFDDI（FiberDistributedDataInterface）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TokenPassing；网络覆盖范围较大（几十km～几百km）。集中器集中器服务器主环次环FDDIDASSASSAS: