计算机网络CN03课件

13.1局域网概述

——LAN的发展历史20世纪70’s1974年英国剑桥大学剑桥环网1975年美国Xerox(施乐)公司实验性以太网20世纪80’s局域网高速发展IEEE802委员会20世纪90’s至今10BASE-TFDDI100BASE-T千兆以太网ATM23.1局域网概述

——LAN的功能硬件资源共享软件资源共享信息发布电子邮件办公自动化33.1局域网概述

——LAN的分类令牌环网以太网廉价的网络接口卡易于安装使用广泛高速度53.2相关概念局域网的几个概念

带宽：给定范围内的最高频率和最低频率之差，代表网络的通信能力。带宽越大，数据传输越快

共享和交换

双工：双向同时通信

半双工：双方交替通信63.3局域网组成

——硬件系统7LAN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，降低实现的复杂度。局网特点：共享信道(如总线)。需要解决介质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。9MAC子层的地址IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。——MAC地址（物理地址）MAC地址为6Byte（48位）。MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。10LAN的网络层和高层网络层由于IEEE802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等)是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE802标准没有单独设立网络层。高层局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来实现，如Unix、WindowsNT、Netware等。11IEEE802标准的主要成员802.2-逻辑链路控制LLC802.3-CSMA/CD（以太网）802.4-TokenBus（令牌总线）802.5-TokenRing（令牌环）802.6-分布队列双总线DQDB--MAN标准802.8–FDDI（光纤分布数据接口）802.11–无线LAN133.3.2介质访问控制(MAC)载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect令牌传递(TokenPassing) TokenRing TokenBus FDDI(双环)143.3.2介质访问控制

——CSMA：载波监听多点访问工作原理发送前监听。每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。若有，则此站不能发送，需等待一段时间后重试。载波监听策略：非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲。

1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据

p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p延迟一段时间后再发送）153.3.2介质访问控制

——令牌环（IEEE802.5）拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环操作流程1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。

17令牌环（IEEE802.5）的操作1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。

2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。18令牌环（IEEE802.5）的操作(续1)3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中；b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。

19TokenRing/802.5的操作举例AT=0TAT=0TAT=1TDataCTDataCTDataCTDataCData（a）（b）（c）帧循环一圈后A将数据帧回收并放出空令牌A有数据要发送，它抓住空令牌A将令牌修改为数据帧，并加挂数据213.3.2介质访问控制

——令牌总线(IEEE802.4)特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网传输机制为以太网和令牌环的结合：

物理传输采用广播方式；介质访问控制采用令牌方式。22令牌环（IEEE802.5）的操作1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。

2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。233.3.4网络操作系统(NOS)NOS的基本功能⑴支持网络通信⑵支持多用户使用⑶提供统一、友好的网络操作环境25网络操作系统

——UnixBellLab.开发的多任务通用操作系统Unix的特点⑴技术成熟，稳定性和可靠性高⑵极强的伸缩性⑶网络功能强⑷强大的数据库支持能力⑸开放性好、开发功能强26网络操作系统

——WindowsNT/Windows2000WindowsNT/2000的特点⑴内置网络功能⑵友好的界面⑶实现多种网络结构模式⑷配套产品丰富27网络操作系统

——Linux免费且提供源代码的操作系统Linux的特点⑴遵守GPL的自由软件⑵与Unix相似⑶支持多种硬件平台293.4局域网结构对等网络结构专用服务器主丛式结构303.5常用局域网10Base5粗同轴10Base2细同轴10BaseT双绞线10BaseFMMF100BaseT双绞线100BaseFMMF/SMF1000BaseX屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT双绞线数据率（Mbps）基带或宽带Base，Broad段最大长度（百米）或介质类型（T，F，X）10

Base

531传输媒体(介质)磁介质

高带宽、低费用、高延时（小时）例：7GB/8mm，1000盘/50*50*50cm，24h可送到任何地方。总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s金属导体双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质：无线电、短波、微波、卫星、光波32●双绞线内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套--螺旋绞合的双导线，≈1mm--每根4对、25对、1800对--典型连接距离100m（LAN）--RJ45插座、插头--优缺点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短33屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽34●同轴电缆基带同轴电缆

一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带同轴电缆

一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器

铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套35细同轴

--50，D=1.02cm，10Mbps

--185m、4中继、5段（925m）

--优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator） 抗干扰能力强 距离短 可靠性差粗同轴--75，D=2.54cm，10Mbps--500m、4中继、5段（2500m）

--优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好

36●光纤依靠光波承载信息速率高，通信容量大

仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便37光纤传输原理——利用了光的反射

光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。

光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低

亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0

光传输系统：光源、介质、光检测器 光源:850nm/1300nm/1500nm发光二极管/激光二极管 介质:光纤 光检测器:光电二极管PIN/雪崩二极管APD

单向传输，双向需两根光纤38●光纤传送模式：MMF、SMF多模MMF

输入电信号输出电信号单模SMF

波长:1300,1550nm波长:850,1300nmh2h1芯/封套特性h1h2光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播39●典型的光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF 玻璃包层——125um40●高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束41●无线介质使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰42无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用的频率43地面微波接力两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔44地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长22,300公里地球45常用传输媒体的比较46常用局域网

——10Base2细同轴电缆，可靠性稍差

BNCT型接头连接

总线型拓扑用于办公室LAN细缆BNC接头NIC每段最大长度185m每段最多站点数30两站点间最短距离0.5m网络最大跨度925m网络最多5个段4710BaseT双绞线介质（UTP）以Hub（集线器）为中心节点。Hub－多端口转发器。

拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。

转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。转发器/中继器/HUB——物理层设备(工作在物理层)。用于小型LAN。NICHUB段最大长度100m4810BaseF使用光纤进行长距离连接，例如建筑物间连接。星形拓扑结构最常见的布线标准：

10BaseFL-异步点到点链路，链路最长2km49常用局域网——交换式以太网以网络交换机为主干的以太网拓扑仍为星形结构（总线/HUB→LAN_SWITCH）为何要使用网络交换机？以太网——共享介质网络共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数)→网络交换◆基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制，网络总带宽=（n/2～n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps；50常用局域网——交换式以太网使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如：8个端口可建立4个并发通信，总带宽=(8/2)*10Mbps=40Mbps在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置1-2个高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为Big-Pipe。10Mbps网络交换机51常用局域网

——交换式以太网交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)：(1)

端口下接站点：站点独占10Mbps带宽(2)

端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽共享10M独享10M共享10M独享10M网络交换机SwitchHUBHUB52常用局域网

——100Mbps快速以太网又称快速以太网(FastEthernet，FE)，包括100Base-TX和100Base-FX。与10Mbps网络的比较：拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样；传输率快10倍；帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3。

3种不同的物理层标准：MAC子层100BaseFT100BaseTX2对5类UTP光纤4对3类UTP100BaseT453快速以太网组成实例网卡(外置或内置收发器)、收发器(外置)与收发器电缆集线器（双绞线或光纤接口）双绞线及光缆外置光纤收发器光纤100BaseFX集线器100BaseTX集线器100BaseTX集线器光纤插有光纤接口网卡UTP5UTP5UTP5UTP5光纤UTP554常用局域网

——FDDI(FiberDistributedDataInterface)网络由双环构成，可靠性高。传输速率为100Mbps。介质访问控制方法采用TokenPassing，类似于令牌环。传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十km)。集中器集中器令牌服务器55高速局域网

——千兆以太网(GE:GigabitEthernet)两种标准：802.3z和802.3ab802.3z1000BaseX屏蔽短双绞线/MMF/SMF802.3ab1000BaseT无屏蔽双绞线(5类，6类)连接距离较短：1000BaseX:双绞线-25米；MMF-550米；SMF-3km1000BaseT:5类双绞线－100米

拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同；传输速率比100BaseT快10倍；

帧结构和介质访问控制方式仍沿用IEEE802.3。允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。56无线局域网传输方式无线电波红外线网络拓扑无中心拓扑有中心拓扑

网络接口物理层数据链路层57LAN的扩展（LAN互连）—网桥LAN互连的必要性：地域限制、负载问题、互通问题、安全问题LAN互连的困难：帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同LAN互连的实现：中继器/HUB－在物理层上实现互联网桥－在数据链路层上实现互联路由器－在网络层上实现互联58●用网桥实现多个网段互连hub10Base2-细缆Ethernet10Base5粗缆Ethernet10BaseT-双绞线routerserverhub网桥网段3网段410Base5粗缆Ethernet网段1网段259●用网桥进行LAN扩展的缺点：

时延增加

没有流量控制功能，重载时会丢失帧

不能防止广播风暴（广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段）●两种类型的网桥：透明网桥（TransparencyBridge）源选径网桥（SourceRoutingBridge）601.IEEE802.1透明网桥特点：由网桥实现路由选择，网桥和路由对站点透明网桥采用存储、转发方式，需要有足够缓存网桥有寻址和路由选择能力，路由选择采用查表法：网桥内的端口-地址表描述了到达每个站点的路由。端口号MAC地址123111221313233321LANxLANyLANz连接三个网段的网桥端口-地址表的结构61选路方法：（参考上图）假定网桥开机后从端口1收到来自LANx的帧，它就查端口-地址表：.若目的MAC地址在本端口的表项中，则丢弃此帧.若目的MAC地址在其他端口的表项中，则把帧