计算机网络技术第4章.ppt

1、20世纪70年代以来，局域网技术得到了快速的发展，局域网在计算机网络应用领域占有越来越重要的地位。 局域网是一种覆盖地理范围相对较小的网络，目前在企业、学校、家庭等范围内应用广泛。 由于局域网具有较低的传输时延和误码率，同时具有投资少、见效快的特点，加上用起来方便快捷，所以逐渐成为了计算机网络的一个重要的组成部分。,第4章 局域网,本章主要内容,局域网的基本概念和特点 局域网的组成和几种常见的拓扑结构 以太网的工作原理以及扩展 现在比较流行的局域网技术 高速局域网 无线局域网 虚拟局域网 蓝牙技术等,4.1 局域网概述,局域网通常建立在比较集中的工业区、商业区、政府部门、大学以及各种公司和企业

2、中。 IEEE 802委员会给出了局域网的定义：“局域网是允许中等地域内众多独立设备通过中等速率的物理信道直接互连通信的数据通信系统”。 其中， “中等地域”是指网络的覆盖范围有限，一般在几千米以内； “独立设备”是指组成网络的设备是独立自治的，包括计算机和通信设备，它们处在相同的工作状态； “中等速率”的提法已经过时，目前局域网的通信速率已经达到了10Gbps甚至更高。,4.1.1 局域网的特点,(1) 覆盖的地理范围有限。几米几千米。 (2) 具有很高的数据传输速率。10Mbps1000Mbps，甚至10Gbps以上。 (3) 误码率低。10-810-11之间。 (4) 通信协议比较简单，

3、拓扑结构比较灵活。 (5)局域网的3个技术要素：网络拓扑、传输介质和介质访问控制方法是。 (6) 局域网一般包含OSI模型中的低3层的功能，即涉及通信子网的内容。 (7) 局域网多采用灵活多变的分布式传输控制方式和广播式通信。 (8) 从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质局域网与交换介质局域网两类。,从局域网的应用角度来看：,4.1.2 局域网的分类,1. 按拓扑结构分类 星型局域网 环型局域网 总线型局域网 树型局域网 2. 按传输介质分类 同轴电缆局域网 双绞线局域 光纤局域网 无线局域网,3. 按访问传输介质的方法分类 以太网（Ethernet) 令牌网（Token Ring)

4、 ATM网 4.按操作系统进行分类 Netware网（Novell公司） 3+OPEN网（3COM公司） Windows NT网（Microsoft公司） LAN Manager网（IBM公司） VINES网（BANYAN公司）,5.按照数据的传输速度分类 10Mbps局域网 100Mbps局域网 1000Mbps局域网 6.按照信息的交换方式分类 交换式局域网 共享式局域网等。,4.1.2 局域网的分类,4.1.3 媒体共享技术,媒体共享技术是近年来出现的一种新技术，是为了使众多的用户能够合理而方便地共享通信媒体的一种技术。 这种技术可以分成以下两类： 1. 静态划分信道 2. 动态媒体接入

5、控制,4.1.3 媒体共享技术,1. 静态划分信道 频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等 用户只要分配到信道就不会和别的用户发生冲突。 这种划分信道的方法不够灵活，代价较高，不适合于局域网和某些广播信道的网络使用。 2. 动态媒体接入控制 动态媒体接入控制又称为多点接入，它的特点是信道并非在用户通信时固定地分配给用户。,2. 动态媒体接入控制 1) 随机接入 所有的用户可以随机地发送信息，但是如果产生碰撞（即发生了突变），使得这些用户的发送都失败。因此，必须有解决碰撞的网络协议，如传统的以太网就属于这种。,2) 受控接入 受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。 这一类

6、型的典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探寻。 光纤分布式数字接口(FDDI)就属于分散控制的接入。,4.1 局域网概述,4.1.1 局域网的特点 4.1.2 局域网的分类 4.1.3 媒体共享技术,4.2 局域网的体系结构与IEEE 802标准,局域网重要特征： 采用带地址的帧来传送数据； 任意节点之间只有一条唯一的通路，不存在中间交换，也就是不要求进行路由选择。 IEEE 802参考模型：是指IEEE委员会参考OSI参考模型制定的局域网的参考模型。 IEEE 802标准：是指IEEE标准中关于局域网和城域网的一系列标准，其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。,图4

7、.1 IEEE 802参考模型与OSI参考模型的对应关系,IEEE 802参考模型只对应于OSI参考模型的最低两层（物理层和链路层）。,4.2.1 局域网的体系结构,1. 物理层,在局域网中，物理层是必不可少的，它实现物理连接，提供在物理实体之间发送和接收比特的能力： 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 物理层具有电气、机械、功能和规程4大物理特性，它能够实现这4大物理特性的匹配。,2. 数据链路层,(1)数据链路层功能 数据链路层负责对数据帧的封装、发送和接受。 对上层屏蔽了下层的具体实现细节，可以使数据帧的传输独立于所采用的物理介质和介质访问方式。 同时

8、它还允许继续完善和补充新的介质访问控制方式，以适应于已有的和未来发展的各种物理网络，具有很好的可扩充性。,IEEE 802把数据链路层分为媒体访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。,(1)数据链路层功能 (2) MAC帧格式 由于MAC子层具有将数据封装成帧的功能，所以通常也称这些帧为MAC帧。,2. 数据链路层,MAC帧的各字段的含义： (1) MAC控制字段：包括所有实现媒体访问控制所必须的协议控制信息。 (2) DA和SA：目的地址和源地址，用于指示接收端和发送端的MAC地址。 (3) LLC：来自于LLC层的数据信息。 (4) CRC：循环校验字段，用于差错控制。,3.

9、其他层的功能,当仅局限于一个局域网中时，仅用物理层和数据链路层就能完成报文分组转接的功能。 如果涉及多个网络互连时，报文分组就必须经过多条链路才能到达目的地，此时就必须专门设置一个层次来完成网络层的功能。所以IEEE 802标准的实现模型中在LLC之上设立了网际层，即网络层的一个子层，所以有时LLC的上层也叫网络层。,4.2.2 IEEE 802协议,IEEE在1980年2月成立了局域网标准化委员会（IEEE 802委员会），专门从事局域网的协议制订，并形成了一系列的标准，这些标准被称为IEEE 802标准（也称为IEEE 802协议）。 IEEE 802标准将OSI模型的数据链路层分为LLC

10、子层和MAC子层 LLC子层主要提供寻址、排序、差错控制和流量控制等功能 MAC子层主要集中了与接入媒体有关的部分，负责在物理层的基础上进行无差错通信，并且管理多个源链路与目的链路。,IEEE 802.1标准：定义了局域网体系结构、网络互连以及网络管理与性能测试。 IEEE 802.2标准：定义了逻辑链路控制子层功能与服务。,IEEE 802标准内容：,IEEE 802.3标准：定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范 IEEE 802.4标准：定义了令牌总线介质访问控制子层与物理层规范 IEEE 802.5标准：定义了令牌环介质访问控制子层与物理层规范 IEEE 802.6标准：

11、定义了城域网介质访问控制子层与物理层规范,IEEE 802.7标准：定义了宽带网技术。 IEEE 802.8标准：定义了光纤传输技术。 IEEE 802.9标准：定义了综合语音与数据局域网（IVD-LAN）技术。 IEEE 802.10标准：定义了可互操作的局域网安全性规范。 IEEE 802.11标准：定义了无线局域网技术。,IEEE 802标准内容（续）：,4.3 传统以太网,以太网（Ethernet）是在 20 世纪 70 年代研制开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测（ CSMA/CD ）机制，数据传输速率达到 10MBPS 。 以太网共享传输媒

12、体通常为同轴电缆或双绞线电缆。 在星型配置结构中，集线器/交换机通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。,什么叫以太网？,以太网的速率的变化趋势：10Mbps，1000Mbps，1Gbps，10Gbps。 通常把最早进入市场的10Mbps以太网叫做“传统以太网”。 本节将通过介绍传统以太网来讨论以太网的基本原理。,4.3.1 工作原理,1. 以太网的标准 1975年，美国施乐公司（Xerox）的ALTO研究中心和Stanford大学研制成功以太网。最早的传输率为2.94Mbps。 1980年9月，DEC、Intel和Xerox这3大公司联合推出了10Mbps以太网规约的第一个版本，

13、即Ethernet V 1.0规范。 1982年又修改并公布了第二版的规约V 2.0，即DIX Ethernet V2规范，成为世界上第一个局域网产品的规约。 1983年IEEE 802委员会的802工作组制定了第一个IEEE的以太网标准，其编号为802.3，数据传输率为10Mbps。,2. 以太网的体系结构,在以太网中，数据链路层被分割成两个子层，即逻辑链路控制子层和媒体接入控制子层。LLC向上层提供连接环境，MAC向下层提供介质访问方法。,3. 以太网网卡,1）以太网网卡的作用 每个网卡都有自己的控制器，用来确定何时发送、何时从网络上接受信息和数据，并且负责执行IEEE 802.3的规范，

14、如构成帧、计算帧检验序列等。 网卡和局域网之间的通信是通过电缆或者双绞线以串行的传输方式进行的。 网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主机板上的I/O总线以并行的方式进行的。,网卡能进行串行和并行之间的转换，这是网卡的一个重要功能。 网卡必须装有对数据进行缓存的存储芯片,每个网卡都有一个属于自己的网络节点地址，它是在生产网卡的时候由生产厂家写入ROM（只读存储器）中的，也叫做MAC地址（物理地址），而且这个地址是唯一的。,2）网卡分类 根据计算机总线类型划分： ISA总线网卡、EISA总线网卡、PCI总线网卡和PCMCIA总线网卡； 根据传输速度划分： 10Mbps网卡、10/100Mbps自

15、适应网卡和千兆以太网卡; 根据网卡与通信介质的接口划分： 细同轴电缆接口（BNC）网卡、粗同轴电缆接口（AUI）卡、双绞线接口（RJ-45）网卡和光纤接口网卡等。,图 计算机主板插口,ISA扩展槽,PCI扩展槽,PCI总线网卡(32位),ISA总线网卡(16位),PCMCIA: PC Memory Card International Associaton个人计算机存储卡国际委员会。,细同轴电缆接口（BNC）网卡,粗同轴电缆接口（AUI）网卡,双绞线接口（RJ-45）网卡,光纤接口网卡,无线网卡,无线HUB,网卡不是完全自治的计算机单元，通常称为半自治单元。 当网卡收到一个差错的帧时，它就丢弃

16、此帧而不必通知它所插入的计算机； 当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给网络层。 当计算机要发送一个IP数据报时，就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送给局域网。,以太网是总线型局域网。 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，这种通信方式叫做广播式通信。,4. 载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）,4.3.1 工作原理,以太网的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）。 CS

17、MA/CD的标准是IEEE 802.3。,4. 载波侦听多路访问/冲突检测,CSMA/CD工作原理,“载波侦听”是指发送节点在发送数据之前，必须首先要侦听总线上是不是还有其它的节点在发送数据，即检测总线是不是处在空闲状态。 “多路访问”包括两层含义，一是表示多个节点可以同时访问媒体，二是表示一个节点发送的数据可以被其他多个节点所接收。 “冲突检测”是指发送结点在发送数据的同时，还必须监听总线上是不是还有其他的节点在发送数据，是否会发生冲突。 CMCA/CD的工作原理可以简单的概括为4点：先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟重发。,CSMA/CD工作流程,以太网的工作原理 先听后发 边听边发

18、冲突停止 随机延迟后重发,4.3.2 传统以太网连接方法,目前使用最广泛的传输媒体是双绞线。,4.3 传统以太网,1. 粗缆以太网,粗缆以太网最大作用距离,收发器电缆的长度不能超过50m。 单个网段长度通常被限制在500m。,每个段长最长为185m。 电缆的造价比较低，而且安装比较容易，在转角处容易转弯，可以直接连接在机箱上。 相关的媒体连接单元和媒体相关接口都安装到了网卡上。,2. 细缆以太网,虽然局域网在物理上是一个星型网络，但是在逻辑上仍然是一个总线网; 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，以太网中的各个工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。,3. 双绞线以太网

19、,集线器工作在物理层，它的每个端口都具有接收和发送的功能，它可以将端口接收到的信息向其他的端口转发。 但是如果两个端口同时有信号输入，那么所有的端口都收不到正确的帧。 粗缆以太网和细缆以太网逐渐退出了市场。,表4-1 3种以太网的比较,4.4 以太网的MAC层,4.4.1 MAC层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又叫MAC地址。这一个地址被固化在每个网卡的ROM中，每个网卡在出厂时都赋予了一个全世界范围内唯一的地址编号，地址为6字节。 网卡地址是标示某个系统的重要标识符,IEEE的注册管理委员会(RAC)是管理局域网全球地址的管理机构，负责分配地址6个字节中的前3个字节（称为地址块），后3个字

20、节的地址由制造厂家自行安排。 由于网卡是插入在计算机中的，所以当网卡被插入计算机中后，网卡上的地址标识符就是这台计算机的MAC地址了。 当网卡接收到从网络上传来的MAC帧时，第一步就是要检查MAC帧中的MAC地址。如果发现此MAC帧是发送给本站的，就收下，然后再进行其他的操作，如果不是就直接将该帧丢弃。,从网络上接收到的发送给本站的帧包括3种类型： (1) 单播帧(Unicast)，即一对一，这种帧的MAC地址与本站的MAC地址是相同的。 (2) 广播帧(Broadcast)，即一对全体，这种帧是发送给全体站点的。 (3) 多播帧(Multicast)，即一对多，这种帧是发送给一部分站点的。,

21、4.4.2 两种不同的MAC帧格式,以太网的MAC帧格式有两种标准: DIX Ethernet V2标准 IEEE 802.3标准 最常用的MAC帧是以太网V2的格式。,DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网” 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,图4.13 两种不同的MAC帧格式,SAP:服务访问点,FCS: Frame Check Sequence， 侦校验序列,前2个字段分别为6字节长的目的地址和源地址字段。 第3个字段是类型字段，用来标识上一层使用的是

22、什么协议，以便把MAC帧的数据上交给该协议。 第4个字段是MAC客户数据字段，其长度在461500字节之间。 最后一个字段是4字节的帧检验序列FCS。 为了达到比特同步，需要增加8个字节，其中第一个字段共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。,以太网V2的MAC帧组成,802.3标准规定，凡是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461500字

23、节之间，而有效的MAC帧长度在641518字节之间。,IEEE 802.3标准规定的MAC帧稍微复杂些，它和以太网V2的MAC帧的存在一定的区别。,对于查出的无效MAC帧，就简单丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。,4.5 局域网扩展,4.5.1 在物理层扩展局域网,在物理层扩展局域网使用的设备是转发器和集线器。,在一个10BASE-T的局域网中，主机与集线器的最大距离是100m，因而两个主机之间的最大距离是200m。 集线器之间的距离可以是100m,如果使用了光纤甚至可以更远。 使用这种多级结构虽然碰撞域增大了，但是并未提高总的吞吐量。 如果两个局域网使用了不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,4.5.2 在数据链路层扩展局域网,网桥工作在数据链路层，它根据MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能，当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发该数据帧，而是先检查此帧的目的MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口。,1. 使用网桥扩展局域网,网桥可以将各个网段成为隔离的碰撞域。,工作在物理层的集线器和工作在数据链路层的网桥之间的区别：