《计算机网络》课程教案

第五章计算机局域网§5.1局域网概述§5.2Ethernet局域网§5.3令牌环网与FDDI§5.4令牌总线§5.5高速局域网§5.6交换局域网§5.7虚拟局域网§5.8无线局域网§5.1局域网概述遵循的标准IEEE8021980年2月IEEE成立802研究组建立了802体系结构局域网特性共用一条信道§5.1局域网概述碰撞IEEE802标准介质访问控制子层MAC逻辑链路控制子层LLC高层物理层§5.1局域网概述IEEE802标准——各层功能物理层编码/译码、提取时钟、发送/接收、载波检测等其它功能。当然需要向上层提供相应的服务逻辑链路控制子层LLC完成在网络的两个节点之间的一条点-点或多点链路上的数据帧传输控制；差错控制、流量控制、数据报服务、虚电路服务等功能是HDLC协议的子集介质访问控制子层MAC介质接入控制和对信道资源的分配§5.1局域网概述IEEE802标准——总览802.1—定义网络体系、网络互联、网络管理和性能测试802.2—定义逻辑链路控制子层LLC功能和服务802.3—定义CSMA/CD总线介质访问控制子层和物理层规范802.4—定义令牌总线介质访问控制子层和物理层规范802.5—定义令牌环介质访问控制子层和物理层规范802.11—定义无线局域网规范802.15—定义近距离个人无线网络标准802.16—定义宽带无线局域网标准§5.1局域网概述局域网特点传输信道的共享具有“冲突”局域网性能决定因素拓扑结构传输介质介质访问指控制多个结点利用公共传输介质发送和接收数据的方法§5.2Ethernet局域网Ethernet的发展20世纪60年代——ALOHA无线分组广播网20世纪70年代——提出总线局域网思想1973年——Ethernet网络名字1976年7月——发表奠基论文“Ethernet:DistributedPacketSwitchingforLocalComputerNetwork”1980年——Xerox、DEC、Intel公布规范§5.2Ethernet局域网Ethernet的发展（续）1981年——IEEE802推出IEEE802.31982年——Ethernet控制器推出1990年——推出采用普通双绞线1993年——推出采用光纤1995年——推出100MBPS速率1998年——推出1GBPS速率标准1999年——推出1GBPS速率产品目前——研究10GBPS速率标准和产品§5.2Ethernet局域网Ethernet基本工作流程B向

D发送数据

C

D

A

E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有D接受B发送的数据§5.2Ethernet局域网Ethernet网络标准LLC子层采用HDLC协议MAC子层采用IEEE802.3协议CSMA/CD技术CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection

带冲突检测的载波侦听多路访问§5.2Ethernet局域网CSMA/CD工作原理：先听后发，边听边发，冲突停止,延迟重发。§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧结构格式PASFDDASALLLC-PDUPADFCS字节数712/62/620~15000~464§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧结构——前导码（PA）前导码由7个字节组成其每个字节编码都为：“10101010”

用于使物理介质稳定和建立位同步。PASFDDASALLLC-PDUPADFCS§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧结构——帧起始定界符（SFD）帧起始定界符由1个字节组成其编码为：“10101011”

用于表示一个有效帧的开PASFDDASALLLC-PDUPADFCS§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧结构——目的地址（DA）目的地址由2个字节或6个字节组成用于表示帧接收的目的站地址当第“0”位数据为“0”时，表示目的地址是单个地址如果地址部分全部为“1”，表示广播地址PASFDDASALLLC-PDUPADFCS§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧结构——源地址（SA）

源地址由2个字节或6个字节组成用于表示发送站的地址不能全部为“1”PASFDDASALLLC-PDUPADFCS§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧结构——数据长度（L）数据长度由2个字节组成用于表示该帧所携带的LLC数据量的字节数（N）其取值范围为46≤N≤1500确定整个帧的最小长度为64个字节，最大为1518个字节PASFDDASALLLC-PDUPADFCS§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧结构——检验序列（FCS）

检验序列由4个字节组成用于存放CRC检验所产生的检验码生成多项式为：G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1。PASFDDASALLLC-PDUPADFCS§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧结构——

数据域（LLCPDU）和填充字段（PAD）

数据域用于携带LLC层实体传输下来的数据单元。数据域长度在0个字节——1500个字节之间。如果数据域中没有LLC数据单元，则需要用PAD部分来填充，使其达到最小的长度单位，即46个字节PASFDDASALLLC-PDUPADFCS§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的帧——最短帧长设定以太网取51.2

s

为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧§5.2Ethernet局域网MAC子层采用的地址称为网络物理地址，共48位长度可以有248个网卡数量通常封装在网卡的ROM中。在世界范围内唯一标识一个网卡前24位为IEEE统一分配的生产厂商标识后24位为厂商自定通常写法为00-51-20-81-00-12§5.2Ethernet局域网MAC子层帧的发送和接收发送过程接收过程§5.2Ethernet局域网10BASE-510BASE-210BASE-T10BASE-F10BROAD36传输介质50Ω粗同轴电缆50Ω细同轴电缆非屏蔽双绞线85mm光纤75Ω粗同轴电缆信号技术基带曼彻斯特码基带曼彻斯特码基带曼彻斯特码曼彻斯特码ON/OFF宽带DPSK拓扑结构总线结构总线结构星型结构星型结构总线/树形最大段长度500185100500180每段最大结点数10030233传输速率10MBps§5.2Ethernet局域网Ethernet网络的“黄金规则”最多只允许有5个网段（每段500米）最多只允许使用4个中继器

其中3个网段上可以有数据节点另2个网段上不能有节点以上形成一个冲突域简称为：5-4-3-2-1§5.2Ethernet局域网Ethernet网络网卡结构§5.3令牌环网与FDDI令牌环网络标准LLC子层采用IEEE802.2协议MAC子层采用IEEE802.5协议TokenRing技术§5.3令牌环网与FDDI令牌环网络的基本概念令牌的概念用于控制、管理及传输数据帧的一种数据格式令牌的格式SDACED字节数111起始定界符访问控制结束定界符§5.3令牌环网与FDDI令牌环网络的工作过程令牌令牌令牌加数据令牌+数据令牌+数据令牌+数据复制数据令牌+数据令牌卸下数据§5.3令牌环网与FDDI令牌环网络的特点用传输介质组成一个封闭的环所有站点连接到这个封闭环上一次只能有一个站点进行数据发送当没有站点进行数据发送时，在环上传输令牌§5.3令牌环网与FDDIMAC子层采用的帧结构——帧起始定界符大小为1个字节指示令牌或帧的开始。编码为“JK0JK000”采用曼彻斯特编码技术表示“0”，采用无电平变换的比特表示J或K。SDACFCDASAINFOFCSEDFS§5.3令牌环网与FDDIMAC子层采用的帧结构——地址部分DA是目的地址，大小为2个字节或6个字节目的地址中第“0”位为“0”，表示单个目的地址目的地址内容中全为“1”，表示广播地址SA是源地址，大小与目的地址一致源地址中第“0”位必须为“0”SDACFCDASAINFOFCSEDFS§5.3令牌环网与FDDIMAC子层采用的帧结构——访问控制字段大小为1个字节，编码为“PPPTMRRR”PPP表示优先级（前三位）RRR表示预留位（后三位）T表示令牌位M表示监控位SDACFCDASAINFOFCSEDFSPPP=“000”为最低优先级PPP=“111”为最高优先级预约下一个令牌或帧的优先级T=1表示该数据单元是帧T=0表示该数据单元是令牌用来防止帧在环中连续运行当将帧中M置为“1”时，则抛弃该帧通常该位为“0”§5.3令牌环网与FDDIMAC子层采用的帧结构——帧控制字段大小为1个字节，编码为“FFZZZZZZ”FF=0表示为MAC帧FF=1表示为LLC帧ZZZZZZ不同的取值，表示不同帧的不同功能SDACFCDASAINFOFCSEDFS§5.3令牌环网与FDDIMAC子层采用的帧结构——信息和检验字段信息字段大小为n个字节包括LLC数据帧或与MAC协议控制有关的信息帧检验字段大小为4个字节采用循环冗余检验技术SDACFCDASAINFOFCSEDFS§5.3令牌环网与FDDIMAC子层采用的帧结构——帧的结束定界符大小为1个字节，编码为“JK1JK1IE”表示一个帧或令牌的结束I为中间帧位E为差错检验位SDACFCDASAINFOFCSEDFSI=0表示最后帧或唯一帧I=1表示该帧后面还有帧发送站将其置“0”在传输过程中，如果错，则由其它站置“1”§5.3令牌环网与FDDIMAC子层采用的帧结构——帧状态字大小为1个字节，编码为“ACrr

ACrr”A为地址识别位C为帧拷贝位rr为保留部分SDACFCDASAINFOFCSEDFS发送站设置为“0”目的站接收后设置为“1”发送站设置为“0”目的站接收并拷贝到缓冲区后设置为“1”因为FS字段位于FCS检验码外因此在一个字节中AC重复了一次§5.3令牌环网与FDDIMAC子层帧的发送和接收发送过程接收过程§5.3令牌环网与FDDI物理层标准令牌环路采用屏蔽双绞线速率为1MBps或4MBps基带信号传输，采用曼彻斯特编码每个站使用两对双绞线与“线路中心”连接一对用于入线，一对用于出线

§5.3令牌环网与FDDIFDDI网络FiberDistributedDataInterface光纤分布数据接口是一个全光纤通信网络§5.3令牌环网与FDDIFDDI网络——网络结构FDDI网络是一个双环结构使用节点中继器和光纤构成封闭的环路各个网络工作站或网络设备和节点中继器相连令牌或帧令牌或帧§5.3令牌环网与FDDIFDDI网络——采用技术采用IEEE802.5协议环路上有多个令牌在游动在帧前加了一个前导序列PA每个站设置3个计数器（令牌保持计数器、令牌轮转计数器、有效传输计数器）提高可靠性方面当有一个环出现故障时，使用另一个环完成数据传输当两个环都有故障时，则将两个环连接成一个环

数据帧数据帧§5.3令牌环网与FDDIFDDI网络——物理层标准FDDI使用多模光纤由2个光纤环构成FDDI网络——技术性能最大传输速率100MBps线路总长200公里最大节点数1000最大帧长度4500字节误码率小于2.5×10-10

§5.4令牌总线网令牌总线网络的标准LLC子层采用IEEE802.2协议MAC子层采用IEEE802.4协议Token技术令牌或者数据帧§5.4令牌总线网令牌总线网络的特点物理为总线型结构，逻辑为环型结构使用令牌完成数据帧的传输介质访问延迟时间有确定值不会出现冲突支持优先级服务早期局域网速率10Mb/s存在的问题介质共用问题网络带宽均分冲突增加如何提高局域网速率？提高数据传输速率将介质共享方式改为交换方式划分子网，减少冲突问题？§5.5高速局域网快速以太网与早期以太网基本相同数据传输速率达到100Mb/s改进方法缩短发送帧间隔时间原来为9.6

s现在为0.96

s标准名称IEEE802.3u快速以太网——协议结构§5.5高速局域网快速以太网——物理层标准100BASE—TX100BASE—T4100BASE—FX§5.5高速局域网快速以太网——物理层标准（一）100BASE—TX采用5类UTP使用两对线路进行数据传输一对用于发送，速率为100Mb/s另一对用于接收，速率为100Mb/s结点到结点之间距离100m全双工系统§5.5高速局域网快速以太网——物理层标准（二）100BASE—T4采用3类UTP使用四对线路进行数据传输三对用于发送与接收，速率为100Mb/s另一对用于冲突检测结点到结点之间距离100m非全双工系统§5.5高速局域网快速以太网——物理层标准（三）100BASE—FX采用单模或多模光纤使用2芯线路进行数据传输一芯用于发送，速率为100Mb/s另一芯用于接收，速率为100Mb/s结点到结点之间距离可以为2Km全双工系统§5.5高速局域网千兆以太网GigabitEtheernet1995年11月成立研究组1996年8月成立802.3z工作组研究多模光纤和屏蔽双绞线1997年初，成立802.3ab工作组研究单模光纤和非屏蔽双绞线1998年2月。正式推出标准IEEE802.3z§5.5高速局域网千兆以太网数据传输速率达到1000Mb/s改进方法缩短发送帧间隔时间原来为0.96

s现在为0.096

s§5.5高速局域网千兆以太网——协议结构§5.5高速局域网千兆以太网——物理层标准1000BASE—T1000BASE—CX1000BASE—LX1000BASE—SX§5.5高速局域网千兆以太网——物理层标准（一）1000BASE—T使用超5类UTPUTP长度为100米1000BASE—CX使用STPSTP长度25米§5.5高速局域网千兆以太网——物理层标准（二）1000BASE—LX使用波长为1300nm的单模光纤光纤长度为3000米1000BASE—SX使用波长为850nm的多模光纤光纤长度300~550米§5.5高速局域网10Gb/sEthernet1999年3月成立HSSG研究组2002年完成制定特点帧格式与前面的以太网一致保留最小帧长和最大帧长只使用光纤只使用全双工方式不使用CSMA/CD协议§5.5高速局域网10Gb/sEthernet——物理层标准局域网物理层（LANPHY）标准速率为10Gb/s交换机可支持10个千兆以太网接口广域网物理层（WANPHY）标准速率为9.95328Gb/s符合SONET/SDH的OC-192/STM-64标准传输的帧插入到OC-192/STM-64帧的有效载荷中§5.5高速局域网10Gb/sEthernet——物理层特点使用单模光纤，传输距离可以达到40Km使用多模光纤，传输距离限制在65m~300m早期局域网速率10Mb/s存在的问题介质共用问题网络带宽均分冲突增加如何提高局域网速率？提高数据传输速率将介质共享方式改为交换方式划分子网，减少冲突问题？§5.6交换局域网交换式局域网结构组成局域网交换机网络线路网络结点端口MAC地址1A2B3C4D§5.6交换局域网交换式局域网工作原理交换机建立端口号/MAC地址映射表交换机接收一个端口传输的数据根据地址映射表，将数据转发到另一个端口如果地址映射表中没有对应的，则向所有端口转发，并在收到答复帧后，建立对应关系§5.6交换局域网“端口号/MAC地址映射表”建立与维护通过手工方式建立通过“地址学习”法建立根据答复帧，找到映射关系更新原来的映射表§5.6交换局域网交换机转发方式直接转发只接收目的地址后，就直接转发存储转发接收完整的帧后，通过差错检验和判断目的地址后转发改进的直接转发只接收帧中前64个字节，通过差错检验和判断目的地址后转发§5.6交换局域网交换式局域网中交换机特点低延迟支持不同的传输速率和工作模式自动识别端口速率和工作模式支持虚拟局域网服务可以建立端口之间多个并发连接，实现多个结点之间数据的并发传输可以隔离本地数据帧§5.7虚拟局域网虚拟局域网（VirtualLAN）概念将工作性质相同或相似的网络结点在网络交换机的支持下利用软件技术划分成多个“逻辑工作组”每个逻辑工作组称为虚拟局域网英文缩写为：VLAN§5.7虚拟局域网虚拟局域网（VLAN）的含义交换机第一个VLAN第二个VLAN第三个VLAN§5.7虚拟局域网虚拟局域网（VLAN）的实现（之一）用交换机端口号实现划分将某些端口划分为一个VLAN一个端口属于一个VLAN，就不能属于另一个VLAN用户的移动需要重新配置VLAN§5.7虚拟局域网虚拟局域网（VLAN）的实现（之二）用MAC地址划分将某些MAC地址划分为一个VLAN一个MAC地址可以属于两个不同的VLAN用户的移动不需要重新配置VLAN但需要网络初始建立阶段就完成划分§5.7虚拟局域网虚拟局域网（VLAN）的实现（之三）用网络层地址划分将某些IP地址划分为一个VLAN一个IP地址可以属于两个不同的VLAN用户的移动不需要重新配置VLAN可以建立服务目的明确的VLAN检查IP地址花费的费用比检查帧地址要大§5.7虚拟局域网虚拟局域网（VLAN）的实现（之四）用IP广播组划分使用一个代理设备通过发送和接收IP广播包动态建立一个IP地址可以属于两个不同的VLAN用户的移动不需要重新配置VLAN可以建立服务目的明确的VLAN可以跨越更大的范围，具有更大的灵活性检查IP地址花费的费用比检查帧地址要大§5.7虚拟局域网虚拟局域网（VLAN）的特点方便网络管理，减少网络管理开销提供更好的安全性改善网络服务质量减少网络中存在的广播风暴A发送数据的目的为F交换机1没有F的映射交换机2没有F的映射产生了广播风暴§5.8无线局域网应用范围作为传统局域网的扩充建筑物之间的连接漫游访问特殊的网络（临时的）§5.8无线局域网发展历程1987年开始研究1990年建立IEEE802.11研究组1997年建立IEEE802.11标准随后推出IEEE802.11a、IEEE802.11b目前最新的是IEEE802.11j§5.8无线局域网采用的技术——分类红外无线技术扩频无线技术“蓝牙”技术§5.8无线局域网采用的技术——红外无线技术利用红外线较宽的频带传输传输速率为1M～2Mb/s可视方式传输，点对点传输不会穿越不透明物体，保密性好频率高，抗干扰能力强利用房间天花板反射，可以覆盖整个房间系统安装简单，易于管理信号受阳光、雪、雾、尘埃等影响§5.8无线局域网采用的技术——扩频无线技术分类跳频扩频通信FHSSFrequenceHoppingSpreadSpectrum直接序列扩频通信DSSSDirectSequenceSpreadSpectrum§5.8无线局域网采用的技术——跳频扩频通信FHSS技术传输的数据信号按照一定的时间间隔从一个频率跳到另一个频率每个频率会驻留一段时间，在每个驻留的频率上发送数据帧频率跳动的过程中不发送数据帧频率驻留的时间（时间间隔）称为驻留时间IEEE802.11规定使用2.4G~2.4835GHz频率范围IEEE802.11规定驻留时间为400msIEEE802.11规定传输速率为1Mb/s或2Mb/s§5.8无线局域网采用的技术——直接序列扩频通信DSSS传输的数据信号与一个伪随机码信号经过模二加在伪随机码信号的频率上进行传输IEEE802.11规定使用2.4G~2.4835GHz频率范围IEEE802.11规定传输速率为1Mb/s或2Mb/s§5.8无线局域网采用的技术——蓝牙（Bluetooth）技术低成本、短距离语音和数据通信的开放无线技术1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM、Inte五家公司联合制定研究计划1999年下半年，微软、摩托罗拉、3COM、朗讯与以上五家公司联合成立“蓝牙”技术推广组21世纪被评为“十年来十大热门技术”之一§5.8无线局域网采用的技术——蓝牙（Bluetooth）技术特点是一种短程无线通信技术范围指定为10m，可扩展到100m提供低价、大容量的语音与数据网络工作在2.45GHz频段，速率为1Mb/s，使用快速跳频技术（1600跳/s）支持点对点或点对多点的连接每个设备配置符合IEEE802标准的48位地址采用TDM方案实现全双工通信，支持电路交换和分组交换§5.8无线局域网采用的技术——蓝牙（Bluetooth）技术组成天线单元链路控制单元（硬件）链路管理单元（软件）蓝牙软件（协议）核心协议层、电缆代替层、电话控制协议层、采纳其它协议层§5.8无线局域网采用的技术——蓝牙（