第6章 计算机局域网络.pdf
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1、第6章计算机局域网络本章主要内容局域网 LAN 概述介质访问控制方法传统以太网(Ethernet 局域网扩展*高速局域网*无线局域网(WLAN MW OH MBHI,ABH*flB1 0*MHB MHB*KMBMOHBt MK Sw!学习目的与要求通过本章学习,了解局域网的基本概念、特点和应用;了解局域网体系结构和 IEEE802标准;了解局域网的资源共享和工 作模式;掌握常用局域网的介质访问控制原 理及应用;掌握典型局域网的组成、特点和 应用。2WB Mt 0-B mi (MH*MHB MV flBi MB JI6.1局域网(LAN 概述局域网产生的原因-80年代,微型机发展迅速,彼此需要相
2、互通信(近距离),共享资源;功能分布:分布式计算,分布式数据库定义局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在 一起的通信网络。局域网的三个属性,局域网是一种通信网络1 通信设备是广义的在一个小区域内 3工jgpy,ji MM MM VM !MM MM*1*MV MB I BMiiBI j j i MMBj j LAN的特点覆盖范围小房间、建筑物、园区范围距离S25km高传输速率 10Mb/s1000Mb/s低误码率10-8 10-11一 拓扑:总线型、星形、环形介质:UTP、Fiber、COAX私有性:自建、自管、自用局域网的用途 网络资源共享:LAN内的硬件资源和软件资源都可以进行 有效的共
3、享。网络中的各工作站在使用服务器端的软件 资源时都可像试用本机资源一样使用这些软件资源。信息发布:LAN中的用户可以通过WEB服务器,在WEB 页面上以图、文、声并茂的多媒体方式,向全LAN发布各 种信息。电子邮件:EMAIL是LAN中必不可少的重要功能,是快捷 方便、经济有效的一种通信方式,极大的方便了网络用 户之间的通信联系。自动化:LAN的用户可以通过办公自动化系统察看办 公信息。各单位可以根据具体的工作方式自行定义办公 流程,规范工作程序,提高办公效率。从而实现无纸化、现代化办公。5 2.LAN的技术特征拓扑结构(逻辑、物理)总线型、星形、环形、树形,介质访问方法CSMA/CD、Tok
4、en-passing信号传输形式基带、宽带拓扑结构网络拓扑结构有:总线结构:用一条无源通信线路作主干,入网计算机通过 相应接口连到线路上。最典型的是以太网 环形结构:它是总线网的变型都属于使用广播信道的网 络;主要用于频分复用的宽带局域网 星形结构:以一台计算机或交换机为中心,以放射状连 接若干台计算机,形成星形连接,是集中控制的 树形结构:环形网络的传输线路构成一个封闭的环,入 网计算机连到这个环形线路上,最典型的是令牌环形网在实际应用中,以树形网居多ant一集线器星形网干线耦合器环形网局域网的拓扑结构树形网8信号传输方式按传输介质上所传输的信号方式不同,局域网可分 为基带网和宽带网。基带网
5、传送数字信号,信号占 用整个频道,但传输范围较小。宽带网传输模拟信 号,同一信道上可传输多路信号,它的传输范围较 大。目前局域网中绝大多数采用基带传输方式.9传输介质局域网使用的传输介质有双绞线、光纤、同轴电缆、无线电波、微波等。因此对应的局域网有双绞线网、光纤网、同轴电缆网、无线局域网、微波网。目前小型局域网大都是双绞线网,而较大型局域网 则采用光纤和双绞线传输介质的混合型网络。近年来,无线网络技术发展迅速,它将成为未来局 域网的一个重要发展方向。103.局域网体系结构局域网的标准:IEEE802(ISO8802)IEEE802是一一个标准系列:IEEE802,IEEE802.1-IEEE8
6、02.14其体系结构只包含了两个层次:数据链路层、物理层数据链路层分为逻辑链路控制(LLC)和介质访问控制(MAC)两个子层OSI IEEE 802IEEE802系列中的主要标准02.2-逻辑链路控制02.3-CSMA/CD(以太网)02.4 一 Tokenus(令牌总线)02.5-Token Ring(令牌环)02.6-分布队列双总线DQD MAN标准802.8-FDDI(光纤分布数据接口)802.11-WLAN(无线局域网)IEEE802体系结构示意图LLC8 o 2 体系结构802.1 D Bridge802.2 LLC802.3 CSMA/CD802.4 Token Bus802.5
7、Token Ring802.6 DQDB802.8 FDDI.MACjPHY网际互联r数据链路层物理层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13局域网的物理层功能: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14局域网的数据链路层链路层的功能 提供一个或多个SAP 发送时将数据组装成带地址和差错检测的帧 接收时拆卸帧、执行地址识别和差错检测 管理链路上的通信按功能划
8、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,实现/维护MAC协议,差错 检测,寻址。16MAC子层 MAC的主要功能是:1.数据封装(发送和接收)1 .帧组织(帧定界及帧同步)4 2.地址形成或辨识(源地址和目的地址处理)3 .差错检测(物理介质传输差错的检测)2.1 访问管理1 .介质分配(避免冲突)2 .解决总线竞争(处理冲突)17MAC子层的地址问题 IEEE802标准为每个DT
9、E规定了一个48位的全局地址,相当 于站点的唯一标识符。J MAC地址字段可以采用两种形式之一:6B全球范围,2B单 位范围 地址块:地址字段的前3个字节(高24位)由IEEE统一分配 给厂商,低24位由厂商分配 地址类型标识:地址字段的第一字节的最低位I/G:0-单个站地址,1-组地址地址范围标识:地址字段的第一字节的最低第二位U/L:0-局部管理,1-全局管理I/GU/L46位地址18MAC地址 MAC地址的一个主要的功能就是区分或标识 以太网、令牌环和FDDI局域网上的接口卡。Vendor Code(2Qits)MACAddressMost Significant ByteLeast S
10、ignificant Byte19 广播地址OxFFFF.FFFF.FFFFo广播地 址可以让局域网上的所有设备接收到同一个 帧。组播地址在以太网和FDDI中使用。可以 让局域网上的部分是设备接收到同一个帧。在IP组播中也使用组播地址。功能地址只在令牌环上使用。它由目的 MAC地址中的一位指示。它们可以完成环监 控,NETBIOS,网桥和LAN管理器帧等功能。20LLC子层用于由IEEE 802及FDDI规定的所有介质的访 问控制标准,提供LLC用户之间通过MAC子 层进行数据交换的手段LLC基于HDLC,但又不是HDLC的帧结构二提供三种类型的操作:类型 操作:不确认的无连接服务 类型 操作
11、:面向连接服务 类型 操作:带确认的无连接服务21 LLC子层功能:向高层提供统一的链路访问 形式,组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接,差错 控制,帧序号处理,提供某些网络层功能。对不同的LAN标准,它们的LLC子层都是一样的,区别仅在MAC子层(和物理层)。22j ifiH fBMHtMffWH Hy M MB MMBB MMI MHBLLC的帧结构工 1 1/2 长度可变 单位:字节DSAP SSAP控制域 数据IEEE802 LAN的封装过程:高层PDULLC帧LLC首部 LLC数据MAC帧MAC首部MACBMAC尾部MAC首部 MAC数据 MAC尾部介质上传 输的帧24jfUBlUgm I
12、B*1 1Hl/Pt MB.IMiJI:i-:,,,.j但一三:二二一,j2i uxr-:小PAMAC首部MAC数据MAC尾部局域网的网络层和高层 IEEE 802标准没有定义网络层和更高层:没有路由选择功能局域网拓扑结构比较简单,一般不需中间转接流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据 链路层完成网络层和更高层通常由协议软件(如TCP/IP 协议、IPX/SPX协议)和网络操作系统来实 现。26MAC头LAN体系结构IP头应用层数据应用层Addr.8bitTCP层Addr.32 or 128bitIP层Addr.7bitLLC层Addr.48bitMAC尾MAC层MACLLC 头 I IP
13、头 I TCP头应用层数据 MAC尾LLC PDUMAC帧276.2介质访问控制方法共享网络环境是指网络上的所有的设备通过 一条公用的信道来传输数据,又称广播网络O当同一时刻这些设备中的多个节点试图发送 数据时,就会发生冲突。冲突会使其所涉及的各节点的数据传输发生28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。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。介质访问控制解决共享或广播网络中,当信道的使 用产生竞争时,如何分配信道的使用权。分为静态 分配和动态分配两类介质共享技术:静态分配(FDM、WDM、TDM
14、、CDM 不适用于局域网动态分配(随机接入、受控接入)CSMA/CD、Token-Passing29静态分配:只要一个用户得到了信道就不会和别的 用户冲突。(用户数据流量具有突发性和间歇性)动态分配:称为多路访问或多点接入,指多个用户 共用一条线路,而信道并非是在用户通信时固定分 配给用户,这样的系统又称为竞争系统。动态分配方法又可以分为:随机访问,典型ALOHA协议、CSMA协议;受控访问,典型令牌网竞争系统和集中控制的多点线路轮询30信道共享技术分类信道共享技术局域网中的介质访问控制方法常见的有两种:载波检测多路访问/冲突检测(CSMA/CD Carrier Sense Multiple
15、Access/Collision Detect 采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法 令牌传递(Token Passing Token Ring(令牌环网)Token Bus(令牌总线网)FDDI(光纤分布式数据接口)采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法321.CSMA/CD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!一,解决:等待一段随机时间后再发(降低了冲突概率)3t 若信道忙,如何处理?继续监听:0 4 1 1起始访问控制帧控制目的地址源地址数据FCS帧状
16、态结束R R R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3预约位 r监督位 T令牌位3优先级位监督位:防止无效帧无限循环。帧格式访问控制 AC 字段由优先权比特(P、令 牌(T 和监视(M?比特以及保留比特 R 组成。由该字段的名字可知,其功能是控制 对环的访问。在其出现在令牌帧时:P比特表示令牌的优先权,因此指示工作站收到 该令牌后便可发送那些帧。T比特用来区分令牌帧和常规帧。M比特由活动 监视器用来防止帧绕环连续散发。R比特用来使工作站指示高优先权帧的请求,请 求发出的下一个令牌具有请求的优先权。53 帧控制 FC 字段定义帧的类型和控制功
17、能如果帧 类型(F 指示MAC帧,环上所有工作站都对其接 收和解释,并根据需要对控制比特(Z 进行动作。如果它是工帧,控制比特公由终点地址字段标识的 工作站解释。源点地址(SA 和终点地址(DA 字段可为16比 特或48比特。对于特定的令牌环网,应有一致的地 址长度。DA标识帧意图发往的工作站,可以是一个 站或多个站。源点地址 SA 字段表示发送该帧的站。信息(I 字段用来载携用户数据或附加控制信息。字段中最大长度虽无限制,但由于允许DTE发送帧 时有时间限制,所以也就限制了I字段的长度,通常 最大值的5000个字节 帧检验序列(FCS 是32比特的循环冗余检验用来 检验FC,DA,SA和I各
18、字段在传输中有无差错。最后一个字段为帧状态 FS o FS由两个字段组 成:地址识别比特(A 和帧拷贝比特(C。如果 该帧要由一个或多个工作站识别,则将A比特置为1。如果它拷贝了该帧,便将C比特置1。使用这种方法,发起工作站可了解下述状态:被寻址的工作站是否存在或关闭;被寻址的工作站在工作,但未拷贝帧;被寻址的站工作且拷贝了帧令牌环网的实际结构星形环路集线器56令牌环的监控 工作监控站:全网唯一;备用监控站:除监控站之外的其他站 工作监控站的作用:检查令牌是否丢失:通过有效帧定时器检测 清除无效帧:由M位判断无效帧 保护环路最小时延,保证令牌在环中转动,若工作站点 数少于24,则接入24位缓冲
19、器 纠正时钟恢复的偏差:6位弹性缓冲器 报警:严重故障通知,旁路故障站点工作监控站不能确定环断点的位置,靠信标(BECON)帧的传播来实现令牌环的性能:轻载时,平均时延较大;重载时,近似于TDM(频分复用),信道利用率为100%57hmim w;MM*om J 令牌环的优缺点令牌环的主要优点在于它提供的访问方式的可调整性和确定 性,且各站具有同等访问环的权力,但也可以有优先权操作 和带宽保护。适合使用光纤通信介质,实现高速传输,实时 性强,适用于分布控制应用环境。令牌环主要缺点是有较复杂的令牌维护要求。空闲令牌的丢 失,将降低环路的利用率,令牌重复也会破坏网的正常运行,故必须选一个工作站作为监
20、控站。如果监控站失效,竞争协议将保证很快地选出另一站点作为 监控站(每个站点都具有成为监控站的能力)。当监控站正 常运行时,它单独负责判断整个环的工作是否正确。环网潜在的问题是,一个结点连接出问题都会使网络失效,O另外,结点入环、退环都要暂停环网工作,灵活 性差。6.3传统以太网以太网的产生与发展 20世纪70年代中期由施乐公司(Bob Metcalfe)提出,数据率为2.94Mb/s,称为Ethernet(以太网)最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的经DEC,Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准(DIX标准)DIX V1(1980)、DIX V2(1982)-Ethernet
21、 II特征:基带传输、总线拓扑、CSMA/CD,同轴电缆 1985年被采纳为IEEE 802.3,支持多种传输媒体。“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”Ethernet II和IEEE 802.3二者区另U很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同 目前已发展到万兆以太网,仍在继续发展59IEEE 802.3以太网标准(主要的)传统以太网:10Mb/s 802.3粗同轴电缆;802.3a细同轴电缆 802.3i双绞线 802.3j光纤快速以太网(FE):100Mb/s 802.3u双绞线,光纤千兆以太网(GbE):1000Mb/s(1Gb/s)802.3z屏蔽短双绞线、光纤 80
22、2.3ab 双绞线万兆以太网:10Gb/s 802.3ae 光纤以太网的物理层选项与标识方法速率、信号方式、介质类型10 Base 5速率(Mb/s 基带或宽带 每段最大长度(单位:百米)或Base,Broad 介质类型(T,F,X 传统以太网快速以太网和千兆以太网10Base5 10Base2 10Base-T 10Base-F粗同轴 细同轴UTP MMFlOOBase-T lOOBase-F lOOOBase-X lOOOBase-TUTPMMF/SMF STP/MMF/SMF UTP61Ethernet/802.3 操作 任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议;.每个站点都可以接收
23、到所有来自其他站点的数据(广播信道);只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据;目的站点将复制该帧,其他站点则忽略该帧。c发现网络空闲C发送帧,目的地址为AEthernet I IEEE802.3帧格式7 1 2/6 2/6 2 1644518字节IEEE 802.376 6 2 r-46-1500-4 字节PR SFD DA SA Type Data FCS_EthernetPR:前导码 10101010序列,用于使接收方与发送方SFD:帧首定界符-10101011,表示一帧的开始DA/SA:目的/源MAC地址LEN:数据长度(数据部分的字节数),取值范围:0-1500Type:类型,高层
24、协议标识用途:保证帧长N64字节LLC-PDU Data:数据,最少46字节,最多1500字节,不够时以Pad填充Pad:填充字段(可选),其作用是保证帧长不小于64字节FCS:帧校验序列(CRC-32)IEEE802.3帧与 Ethernet 帧的区别:Ethernet帧的数据字段存放的是网络层分组 IEEE802.3帧存放的是LLC协议数据单元 Ethernet帧数据字段前面的字段是类型字段(Type)IEEE802.3帧存放的是LLOPDU的长度(Len)帧的长度两者规定在64-1518B之间.对于低于64B 的处理方式:Ethernet帧的字节的”填充”在网络 高层完成的;而IEEE8
25、02.3帧在LLCPDU后面附加”填充”字节直到64位64MAC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。65I f MIBHB ES也可以是2个字J节,但2字节的 二地址很少使用。J一 IEEE802.3标准规定:MAC地址的长度为6个字节/洪48位:可表示
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