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1、第9章 局域网体系结构,2005年8月 计算机系网络教研室 田华,9.1学习目标,了解 局域网的特点、应用范围,9.1局域网概述,局域网的主要特点: 较小的地域范围 高传输速率和低误码率 一般为一个单位所建、管理 侧重共享信息的处理 局域网的主要功能: 资源共享 通信交往 局域网的主要技术 拓扑结构 传输介质 介质访问控制方法(如何使用传输线路),9.3学习目标,了解 1 IEEE802参考模型的层次结构,各层功能,各层中英文名称 2 IEEE802主要协议:802.3、802.5、802.11 LLC帧、MAC帧的结构(MAC地址),局域网的体系结构,IEEE802参考模型,最低层 对应于O
2、SI模型中的物理层 功能: 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 物理层以上层次 对应于OSI模型中的数据链路层 主要功能: 组装帧,加入地址、差错检测、控制信息等字段; 解包帧,进行地址识别和差错检测; 管理和控制对于局域网传输媒体的访问; 为高层协议提供相应的接口,并且进行流量和差错控制。,LLC,LLC向高层提供的服务有四种类型: 面向连接的服务 确认无连接服务 不确认无连接服务 高速传送服务 LLC的功能 为高层协议调用数据链路层功能提供接口,称为SAP(Service Access Point)服务访问点。通过SAP提供面向连接的服务。 端到端的差错
3、控制和确认 端到端的流量控制,LLC和MAC,高层数据,LLC数据,LLC首部,MAC首部,MAC尾部,MAC数据,MAC子层,局域网大多采用广播传输技术。 所有站点共享一个传输信道,任何时候只允许一个站点使用信道(向信道上发送数据)。若有两个或多个站点同时发送数据,则信号在信道上就会发生碰撞或冲突(collision),导致数据发送失败。 解决冲突的办法就是采用一套信道分配的策略来控制各个站点如何使用信道,即介质(信道)访问(使用)控制MAC(Medium Access Control)。 由于网络中使用的传输介质及拓扑结构的不同,使得介质访问控制的策略也不相同,因此在局域网的数据链路层底部
4、特别设置一个介质访问控制子层来专门负责信道分配的问题。,局域网?以太网?,局域网 按地理范围划分 在局域网发展过程中,曾出现过很多厂商生产的不同局域网组网的方案。 IDX联盟的以太网 IBM的token ring等,从以太网到IEEE 802.3,1976年,Xerox公司建成世界上第一个CSMA/CD局域网(2.94Mbps),在一公里长的粗同轴电缆上连接了100多个个人工作站,此系统被称作以太网(ethernet)。 以太网的成功促使Xerox、DEC和Intel联合开发该产品,并制定了一个10Mbps的以太网标准。IEEE 802.3标准正是建立在此标准之上。 IEEE 802.3和以太
5、网的区别: IEEE 802.3描述了运行在各种介质上的从1Mbps10Mbps的整个1-坚持式CSMA/CD系统的家族。 两者帧的头部字段定义也有所不同。 以太网 =?CSMA/CD =?IEEE 802.3,IEEE 802 和Ethernet II,局域网中的多种帧格式产生的原因 1980 DEC,Intel,Xerox制订了Ethernet I的标准 1982 DEC,Intel,Xerox又制订了Ehternet II的标准 1982 IEEE开始研究Ethernet的国际标准802.3 1983 Novell基于IEEE的802.3的原始版开发了专用的Ethernet帧格式 198
6、5 IEEE推出IEEE 802.3规范 后来为解决EthernetII与802.3帧格式的兼容问题推出折衷的Ethernet SNAP格式,局域网的相关标准-IEEE,IEEE 802.1A:概述及网络体系结构 IEEE 802.1B:寻址、网络管理和网际互联 IEEE 802.2:逻辑链路控制协议 IEEE 802.3:CSMA/CD介质访问控制方法和物理层技术规范(以太网) IEEE 802.4:令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范 IEEE 802.5:令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范 IEEE 802.6:DQDB介质访问控制方法和物理层技术规范(MAN) IEEE 802
7、.7:宽带LAN(时分剑桥环网) IEEE 802.8:光纤局域网 (FDDI) IEEE 802.9:综合话音数据局域网(ISDN) IEEE 802.10:可互操作的局域网的安全机制(Virtual LAN) IEEE 802.11:CSMA/CA(WLAN) IEEE 802.12:优先级请求访问局域网(100VoiceGrade-AnyLAN) IEEE 802.14:有线电视网上的数据传输 IEEE 802.15:WPAN(Wireless Personal Area Networks) IEEE 802.16:Broadband wireless(Wireless MAN) IEE
8、E 802.17:坚固型分组环(RPR,Resilient Packet Ring ) IEEE 802.18:Radio Regulatory TAG(Technical Advisory Group) IEEE 802.19:Coexistence Technical Advisory Group,IEEE 802各标准之间的关系,9.3.2 LLC,IEEE 802 链路层通信用到2个地址 SAP 区分进程 MAC 区分线路,高层 数据,LLC 数据,目的访问点 DSAP,MAC 控制,MAC 尾部,MAC 数据,源访问点 SSAP,控制 字段,源MAC 地址,目的 MAC地址,MAC地
9、址,由IEEE全球统一分配 顺序编号,和使用MAC的计算机所在的地理位置无关。 48bit 前24bit 厂商编号 后24bit 厂商定义的产品编号,9.3.3 MAC层,静态分配(同步) FDM TDM 将频带或时间片固定地分配给各个站点。 适用于 站点数量少且固定的场所 特点: 控制简单,效率高。,动态分配(异步时分多路复用) 随机访问(争用,contention) 只要有数据,就可直接发送,发生冲突后再采取措施解决冲突。 适用于负载轻的网络,负载重时效率低。 控制访问 发送站点必须先获得发送的权利,再发送数据,不会发生冲突。 在负载重的网络中可获得很高的信道利用率。 形式: 轮转(rou
10、nd-robin) 预约(reservation),信道分配策略可分为两大类:,碰撞,9.4 IEEE 802.3内容,CSMA/CD介质访问控制方法 物理层技术规范 速率:110Mbps 信号编码:曼彻斯特编码 信号传输方式:基带?频带? 介质 拓扑,IEEE 802.3的物理层介质规范,按历史的发展顺序依次为: 10Base5(粗缆以太网) 10Base2(细缆以太网) 10Base-T(双绞线以太网) 10Base-F(光纤以太网) 含义: “10”:速率为10 Mbps “Base”:基带信号传输 “5”:单段的最大长度为5个100米 “2”:单段的最大长度为2个100米,实际为600
11、英尺,约182.88米 “T”:Twisted pair,使用双绞线介质 “F”:Fiber optics使用光纤介质,IEEE802.3物理层标准,不加中继器线路最大距离,10Base5和10Base2,10BASE-T以太网跨距,单段长度:100m 增加1个中继器 100m*2=200m 增加2个中继器 中继器之间5m 100m+5+100m=205m,100m,100m,100m,100m,5m,曼彻斯特编码,曼彻斯特编码(Manchester encoding)和差分曼彻斯特编码(differential Manchester encoding)都为自同步归零码。曼彻斯特编码属绝对相位
12、编码,而差分曼彻斯特编码属相对相位编码。 所有的802.3系统都采用曼彻斯特编码,实现比较简单。其信号的高电平为+0.85V,低电平为-0.85V。 由于在每个1/2位周期处都会发生跳变,不仅可提供用于同步的时钟信号(但编码效率降低),也为信道侦听提供了可能。,IEEE 802.3 MAC帧结构,前导码 7个字节(10101010),用于收发双方的时钟同步。 帧起始定界符 1个字节(10101011),标志帧的开始。 目的地址和源地址 2或6个字节 10Mbps的基带系统只用6字节地址。目的地址可分为: 单地址:最高比特位为“0”,用于单播(unicast)。 组地址:最高比特位为“1”,用于
13、组播(multicast)。 广播地址:全“1”,用于广播(broadcast)。 通过次高位的不同来区分全局地址和局部地址: 局部地址:次高位为“1”,由网络管理员指定,只用于本网中。 全局地址:次高位为“0”,由IEEE统一分配,保证在世界上的唯一性。共有248-271013个。,Unicast、multicast、broadcast,IEEE 802.3 MAC帧结构,长度字段 2个字节(01500),用于指明数据域的字节数。 数据域 01500个字节,用于存放被传输的数据(LLC PDU)。 填充域 046个字节,802.3规定有效帧从目的地址到校验和字段的最短长度为64字节(固定部分
14、为18字节) ,当数据域长度小于46个字节时,就使用本字段的填充来满足最短帧的要求。 校验和 4个字节,使用32位CRC校验,IEEE802.3帧长度,DA+SA+L+LLCPDU +FCS = 6 + 6 +2+(461500)+4 =641518Byte,Ethernet II 帧,DMAC,SMAC,Length/T,DATA/PAD,FCS,IEEE 802.3标准的介质访问控制方法,1-坚持式CSMA/CD协议: 先听后说: 当站点有数据发送时,先监听信道,若信道忙就重复监听直到信道空闲,一旦信道空闲就立即发送数据。 边听边说: 在发送数据时仍继续监听信道 通过检测回复信号的能量或脉
15、冲宽度并将之与发送的信号作比较,就可判断是否发生冲突。 冲突停止,等待重发: 若发生冲突就终止数据发送 实际上会再发送4到6个字节的干扰串(jam),以便加强冲突,使所有站点都能尽早发现冲突,退出数据发送,这叫作冲突强化措施(collision consensus enforcement) 等待一随机时间后,再重新尝试发送。,CSMA/CD,半双工的工作模式 共享线路 同一时刻只能传输一路信号 通过分时实现线路复用。 通过传输数据帧头的地址区分数据的接收者是谁。(统计时分复用),载波检测,发送数据,组织数据,总线忙?,启动发送,冲突吗?,发送冲突 加强信号,退后延迟 延迟时间t = r T 0
16、 r 2 k k = min( n,1 0 ),冲突次数 n=n+1,发送完成?,冲突次数16?,发送成功,发送失败,Y,N,Y,Y,Y,N,N,N,CSMA/CD 的发送,接收帧,启动接收,接收完成?,冲突发生吗?,是发给自己的吗?,废弃接收数据,处理接收数据,发送成功,Y,Y,Y,N,N,N,CSMA/CD的接收,CSMA/CD协议中的碰撞槽时间,t=rT T(碰撞槽时间)的计算,使用CSMA/CD方式 如果B发现冲突,则应能保证碰撞信号在A结束发送当前帧之前到达A。以便A能够根据碰撞信号知道需要重新发送当前帧。 A-B的距离: S 网络传输速率:R=0.7C 帧长:L 帧在媒体上的传输速
17、率:V 物理层处理延迟:tPHY,A,B,T 2*S/V+2*tPHY Lmin = R*T,最小帧长、网络直径,Lmin=(2*S/V+2*tPHY)*R 当Lmin=64byte时 R=10Mbps,网络直径S=5376m R=100Mbps,网络直径S= 537.6m,帧扩展技术,当传输速率达到1Gbps时,会出现网络直径0的情况。 因此使用帧扩展技术,将最小帧长扩展到4096位(512字节)。 如果帧长 512字节,添加扩展位(非“0”、“1”的符号)。,9.2学习目标,了解 局域网硬件软件组成,9.2局域网的组成,服务器 工作站 网络适配器(network adapter) NIC(
18、network interface card) 连接电缆 双绞线、同轴电缆、光纤、无线 网络设备 中继器、集线器、网桥、局域网交换机,网卡的功能,物理层的功能 提供物理连接接口、实现信号编码等将计算机接入局域网 数据链路层 提供数据链路层端点地址- MAC地址 提供数据链路层差错、流量控制,网卡的功能,网卡,功能: 物理层功能 实现计算机与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配 接收和执行计算机送来的各种控制命令,完成物理层功能。 数据链路层 按照使用的介质访问控制方法,实现共享网络的介质控制 信息帧的发送与接收 差错校验 提供数据缓存能力,实现无盘工作站的复位和引导,网卡 -分类,按总线分
19、 PCI接口网卡 现在应用最广泛的,也是最流行的网卡。它具有性价比高、安装简单等特点。 USB接口网卡 最近才出现的产品,主要是为了满足没有内置网卡的笔记本用户。它通过主板上的USB引出来的。,网卡的种类,网卡 -分类,按总线分 PCI接口网卡 现在应用最广泛的,也是最流行的网卡。它具有性价比高、安装简单等特点。 USB接口网卡 最近才出现的产品,主要是为了满足没有内置网卡的笔记本用户。它通过主板上的USB引出来的。,网卡 -分类,按介质访问协议分类 Ethernet ARCnet TokenRing FDDI ATM FastEthernet,集线器(HUB),功能: 放大接收到的信号 以太
20、网的集中连接点 缺点: 无过滤 无路径检测、交换功能 不同速率的不能级联,冲突域的概念,由于以太网中各节点共享信道资源,每个节点发送的信息会在整个以太网络中广播,会出现信号冲突。 将按这种方式连接起来的网段称为一个冲突域。,100m,100m,5m,100m,100m,集线器的端口,级联端口 普通端口,集线器 -分类,按端口数量分 这是最基本的分类标准之一 目前主流集线器主要有8口、16口和24口等大类,集线器-分类,普通 智能 机架 堆栈,集线器 -分类,按提供的带宽划分 10Mbps集线器 100Mbps集线器 10/100Mbps双速集线器 也称:10/100Mbps自适应集线器,共享式
21、以太网组网,网络组成 计算机+网线+HUB 计算机 操作系统:Windows 网卡+网卡驱动 网络协议组件 网线 UTP直通电缆,10Base冲突直径设计规则,10Base以太网的最小帧长:64Byte=512bit 10Base以太网的传输速率:10Mbps =10Base以太网的 T =512bit/10Mbps=51.2 s =10BASE-T网络应符合:,站点单程延时*2 +线单程延时/m*线长*2 +中继器单程延时*中继器个数*2 T,(0.5+0.5)*2+0.57*m/100+2*n*2 51.2,10base-T组网规则,10M以太网组网的5-4-3-2-1规则 5个网段 信道
22、上只能有4个中继器 其中3个网段上可以增加节点 另外2个网段除了中继器间链路外不能增加节点 以上构成一个大的冲突域,共享式以太网组网步骤,硬件安装 制作网线 安装网卡 连接设备 软件安装和设置 网卡驱动的安装和配置 网络协议的安装和配置,双绞线的标志,标志内容: 双绞线类型 NEC/UL防火测试和级别 CSA防火测试 长度标志 生产日期 双绞线的生产商和产品号码,举例:,AVAYA-C SYSTEMIMAX:双绞线的生产商 1061C+:该双绞线的产品号 4/24:说明这条双绞线是由4对24 AWG电线的线对所构成。铜电缆的直径通常用AWG(American Wire Gauge)单位来衡量。
23、通常AWG数值越小,电线直径越大。我们通常使用的双绞线均是24AWG。 CM:是指通信通用电缆,CM是NEC(美国国家电气规程)中防火耐烟等级中的一种。 VERIFIED UL:说明双绞线满足UL(Underwriters Laboratories Inc.保险业者实验室)的标准要求。UL成立于1984年,是一家非营利的独立组织,致力于产品的安全性测试和认证。 CAT 5E:指该双绞线通过UL测试,达到超5类标准。 31086FEET 09745.0 METERS:表示生产这条双绞线时的长度点。1英尺等于0.3048米,有的双绞线以米作为单位。,AVAYA-C SYSTEIMAX 1061C+
24、 4/24AWG CM VERIFIEDUL CAT5E 31086FEET 09745.0 METERS,双绞线以太网组网的硬件连接,单一集线器结构 多集线器,单集线器结构,双绞线长度100m 联网计算机台数:2-24,多集线器级联结构,交叉线的制作,一端T568B,一端T568A 3 6 1 4 5 2 7 8 绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 1 2 3 4 5 6 7 8,多集线器级联结构,平行式级联 树型级联,多集线器级联结构,多集线器10M配置规则,每段UTP100m 任意2个节点之间最多可以有5个网段,4个集线器 整个网络范围500m
25、 网络中不能出现环路,9.5 IEEE802.5令牌环局域网,令牌环工作原理 所有节点必须拥有一个令牌才能发送数据 令牌在网络上按一个方向从一个节点到另一个节点,整个路径形成一个环 每个节点占用令牌的时间一定 令牌环的物理层 类似10BASE-T 使用屏蔽双脚线,9.6 IEEE802.4令牌总线,令牌总线工作原理 网络启动后,形成逻辑环 只有获得令牌的节点才可以发送数据 令牌在逻辑环上根据地址从高到低传递 任何节点保持令牌的时间固定 令牌总线的物理层 总线 类似于10BASE-5,使用同轴电缆连接,多集线器100M配置规则,每段UTP100m 任意2个节点之间最多可以有2个集线器 集线器之间
26、的级联电缆长度5m 整个网络范围205m 网络中不能出现环路,无线局域网(Wireless LAN)协议,WLAN中通过有线介质将一些基站(base station)连接起来,每个基站通过微波或红外信号与移动的计算机进行通信,一个基站同时只能与一台计算机通信。 WLAN最基本使用CSMA协议,但由于各个站点发出的信号范围有限(不像有线网络中一个站点发出的信号可到达所有的站点),因此会造成: 隐藏站点问题(hidden station problem):图(a)中,A向B发送时,由于C听不到误以为可发送数据,造成B接收失败。 暴露站点问题(exposed station problem):图(b
27、)中,B向A发送时,C听到信道忙误认为它不能向D发送数据,实际上并不影响A和D两站的接收。,CSMA with Collision Avoidance协议,CSMA/CA(避免冲突的CSMA协议)是WLAN采用的介质访问控制协议,其相应的国际标准为IEEE 802.11。 发送方先激发(RTS)接收方发送一个短帧(CTS),使接收方周围的站点不会在即将到来的数据帧期间发送数据而导致冲突(避免冲突)。 当多个站点同时向一个站点激发时仍会发生冲突,在预定时间内没有收到CTS的发送方采用二进制指数退避算法,在等待一随机时间后再次重试。,CSMA/CA的分析,A首先向B发送一包含后继数据帧长度的RTS短帧(30字节)。B回复一个也包含数据帧长度(从RTS中得到)的CTS短帧。A一旦收到CTS,就开始发送数据。 侦听到RTS的其它站点均向A关闭,并保持足够长的沉默时间使A可无冲突地收到CTS。侦听到CTS的其它站点均向B关闭,并在后继数据到来期间(从CTS中可知)保持沉默。 C位于A范围内, B范围外:听不到CTS,可随意地在A发送数据帧时发送自己的帧。 D和E都位于B范围内:听到CTS后,关闭所有的发送,直到A到B的帧被认为发送完毕。,
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