第4章计算机局域.ppt
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1、1,第4章 计算机局域网络,主讲人:周云艳 Email:,2,本章要点,局域网的特点及关键技术 局域网的体系结构 介质访问控制方法 传统以太网(Ethernet) 高速局域网技术 无线局域网与虚拟局域网,3,4.1 局域网概述,20世纪60年代末,局域网先驱:ALOHA无线电系统 20世纪70年代:以太网(Ethernet)技术产生 20世纪80年代:令牌环(Token Ring),FDDI (Fiber Distributed Data Interface, 光纤分布式数据接口)技术产生,IEEE的802委员会提出802系列标准 以太网在竞争中取得了统治地位,4,局域网的组成,网络服务器 工
2、作站 网络适配器,常见的局域网组成,客户机,A,B,传输介质,资源 (打印机),网卡,客户机,客户机,服务器,C,5,服务器是整个网络系统的核心; 它为网络用户提供服务并管理整个网络,在其上运行的操作系统是网络操作系统。 根据服务器在网络中所承担的任务和所提供的功能不同把服务器分为:文件服务器、打印服务器和通信服务器。,6,工作站 又称客户机。当一台计算机连接到局域网上时,这台计算机就成为局域网的一个客户机。 是用户和网络的接口设备,用户通过它可以与网络交换信息,共享网络资源。 客户机通过网卡、通信介质以及通信设备连接到网络服务器。 现在的客户机都用具有一定处理能力的PC(个人计算机)机来承担
3、。 网络适配器NIC(Network Interface Card) 俗称网卡。是构成计算机局域网络系统中最基本的、最重要的和必不可少的连接设备,计算机主要通过网卡接入局域网络。,7,4.1.1局域网的特点,覆盖范围小 房间、建筑物、园区范围 距离25km 高传输速率 10Mb/s1000Mb/s 低误码率 10-8 10-11 拓扑:总线、星形、环形 介质:UTP、Fiber、COAX 私有性:自建、自管、自用 传输方式以广播方式为主,8,4.1.2局域网的关键技术,连接各种设备的拓扑结构(物理、逻辑) 星形、环形、总线型 传输形式 基带传输、宽带传输 介质访问控制方法 CSMA/CD、To
4、ken-passing,9,1.局域网的拓扑结构,总线型: 所有结点都直接连接到共享信道 星型 : 所有结点都连接到中央结点 环型 : 结点通过点到点链路与相邻结点连接,A,B,C,A,Bus,B,C,C,A,Ring,A,D,C,B,T,Star,10,2.传输形式与传输介质,传输介质主要是指计算机网络中发送和接收者之间的物理通路,其中有通信电缆,也有无线信道如微波线路和卫星线路。而局域网的典型传输介质是双绞线、同轴电缆和光缆。 基带传输:双绞线、基带同轴电缆、光导纤维 宽带传输:宽带同轴电缆、无线电波,11,3.介质访问控制方法,网络中的多个站点如何共享通信媒体,解决信道争用问题 局域网中
5、常用的访问控制方式: 带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD-Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection); 令牌环(Token Ring) 令牌总线(Token Bus) CSMA/CA(无线局域网),12,4.2.3局域网的体系结构,1.IEEE 802标准体系结构,网络层,数据链路层,物理层,逻辑链路控制 LLC,媒体访问控制 MAC,高层,OSI,IEEE 802,物理层PHY,由TCP/IP和NOS来实现,IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers
6、 -“电器与电子工程师协会”,13,物理层,IEEE 802规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。 采用基带信号传输; 数据的编码采用曼彻斯特编码; 传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光缆等; 拓扑结构可以是总线型、树型、星型和环型; 传输速率有10Mbps、16Mbps、100Mbps、1000Mbps。 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,数据链路层,LAN的数据链路层分为两个功能子层: 逻辑链路控制子层(LLC) 介质访问控制子层(MAC) 将功能中与硬件
7、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。,15,MAC层,构成了数据链路层的下半部,直接与物理层相邻。MAC子层是与传输介质有关的一个数据链路层的功能子层,主要制定管理和分配信道的协议规范。解决多个节点如何使用共享介质的问题。 MAC地址: 作用:局域网上的计算机利用MAC地址表示自己和他人的身份 MAC地址通常存储在网络接口卡NIC MAC地址位于OSI参考模型的数据链路层,16,LLC层,构成了数据链路层的上半部,在MAC子层的支
8、持下向网络层提供服务。可运行于所有802局域网和城域网的协议之上。LLC子层与传输介质无关,独立于介质访问控制方法,隐藏了各种局域网技术之间的差别,向网络层提供一个统一的格式与接口。 作用是在MAC子层提供的介质访问控制和物理层提供的比特服务的基础上,将不可靠的信道处理为可靠的信道,确保数据帧的正确传输。,17,以后一般不考虑 LLC 子层,由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网,因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC(即 802.2 标准)的作用已经不大了。 很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而
9、没有 LLC 协议。 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)。,18,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。,19,2.IEEE802标准的组成,802.1A 概述、局域网的体系结构 802.1B 寻址、网络互连,网络管理和性能测试、网络互连以及接口原语等。 802.2 标准定义了逻辑链路控制协议(LLC)的功能及其服务。
10、 802.3 标准定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层和物理层的规范;引伸出802.3u(快速以太网)标准。 802.4 标准定义了令牌总线(Token Bus)介质访问控制子层与物理层的规范。 802.5 标准定义了令牌环(Token Ring)介质访问控制子层与物理层的规范。 802.6 定义了城域网MAN的MAC子层和物理层的规约。 802.7 宽带技术 802.8 光纤技术,20,802.9 综合话音数据局域网 802.10 局域网的安全性 802.11 无线局域网标准 802.12 优先级高速局域网 802.13 未使用 802.14 电缆电视(Cable-TV,Cable Mo
11、dem标准)。 802.15 定义无线个人区域网(WPAN) 802.16 定义宽带无线标准 802.17 弹性分组环(Resilient Packet Ring ) 802.18 无线管制(Radio Regulatory TAG) 802.19 共存(Coexistence TAG) 802.20 移动宽带无线接入(MBWA) 802.21 媒质无关切换(Media Independent Handoff),21,IEEE802只包含两层:数据链路层,物理层; IEEE802定义了多种物理层802.3802.1x,以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法; 数据链路层分为逻辑链路控制L
12、LC和介质访问控制MAC两个子层: LLC: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、帧序号处理等功能,与介质、拓扑无关; MAC:进行寻址与差错检测,与介质、拓扑相关, MAC在各子标准802.3-802.1x中定义。,22,4.2 介质访问控制方法,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)? 信道分配方法 静态分配:FDM、WDM、TDM。 动态分配:ALOHA(随机分配多址协议)、CDMA/CD(载波监听多路访问/碰撞检测)和令牌环 基本假设:站点模型、单信道假设
13、、碰撞假设,23,4.2.1CSMA/CD,1.ALOHA协议 ALOHA协议是70年代在夏威夷大学由Norman Abramson及其同事发明的,目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题。 基本思想: 用户想发就发,发完后进行冲突检测,若有冲突,则等待一个随机 时长后重复进行,直到发送成功。 特点: 无协调关系、多用户竞争单信道使用权 不进行载波侦听,不考虑目前的实际情况 信道利用率低,为18% 冲突检测: 在共享介质中,某个用户发送数据后,网上所有用户(包括发送者)都可以收到数据,发送者把收到的数据与保留在缓冲区中的数据进行比较,若不同,则表明发生了冲突。,24,25,ALOHA协议的改
14、进-分槽ALOHA,基本思想为: 将时间分为离散的时间片; 用户要发送数据时必须等待下一个时间片才能开始发送。 在一定程度上避免了发送的随意性,减少了冲突,提高了信道的利用率。 主要特点: 进行了简单的时间同步,但并未完全避免冲突(可基本避免发送过程中的冲突,但发送开始时仍有冲突); 信道的最大利用率:36%; 时间片的定义与允许的最大包长和介质的时延有关。 存在问题: 发送开始时仍有冲突; 如果时间片的定义不合适,有可能在发送过程中还存在冲突。 问题的原因:各站点在发送数据时从不考虑其它站点是否已经在发送数据,这样当然会引起许多冲突。,26,2.载波侦听多路访问协议CSMA (Carrier
15、 Sense Multiple Access),基本思想:站点在发送数据前,进行载波侦听,以判断目前是否有人在发送数据,然后再采取相应动作。 载波侦听:根据物理接口的电气特性,捕获信道上的脉冲信号,并与发送数据用的载波信号比较,以判断是否有人在发送数据的技术。 CSMA有多种形式: 1-坚持CSMA 非坚持CSMA P坚持CSMA,27,1-坚持CSMA,当一个站点要发送数据时,首先监听信道,若信道忙,就坚持监听,一旦发现信道空闲,就立即发送数据(发送数据的概率为1)。若发生冲突,就等待一随机长时间,再重新开始监听信道 两种发生冲突的可能 信号传输的延迟造成的冲突 对个站点在监听到信道空闲时,
16、同时发送 此协议的性能高于ALOHA协议,28,非坚持CSMA,当一个站点要发送数据时,首先监听信道,若信道忙,就随机等待一段时间后再开始监听信道(非坚持);一旦发现信道空闲,就立即发送数据 此协议的信道利用率高于1-坚持式CSMA协议 网络的延迟增大,29,P坚持CSMA,用于时隙信道 当一个站点要发送数据时,首先监听信道,若信道忙则等到下个时间片再开始监听信道;若信道空闲便以概率p发送数据,而以概率q=1-p推迟到下个时间片再重复上述过程,直到数据被发送 概率p的目的就是试图降低1-坚持式协议中多个站点同时发送而造成冲突的概率 采用坚持监听是试图克服非坚持式协议中造成的时间延迟 p的选择直
17、接关系到协议的性能,30,B,A,冲突,结论:在CSMA中冲突是不可避免的,必须进行冲突检测和处理!,三种CSMA是否完全避免了冲突呢?,例:站点A在发送数据,但由于信道的传播时延,数据还未到达站点B,此时站点B要发送数据,它侦听到信道是空闲的,于是也开始发送数据,从而发生冲突。,31,3.具有冲突检测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD(CSMA With Collision Detection),1)CSMA/CD 基本思想: 某站点想要发送数据,它必须首先侦听信道; 如果信道空闲,立即发送数据,并进行冲突检测; 如果信道忙,继续侦听信道,直到信道变为空闲,立即发送数据,并进行冲突检测;
18、如果站点在发送数据过程中检测到冲突,立即停止发送数据,并等待一随机长的时间,重新侦听信道。 讲前先听,忙则等待;无声则讲,边讲边听,冲突即停;后退重传,多次无效,放弃发送。,32,CSMA/CD操作的流程图,33,2)碰撞窗口,问题:站点在发送数据后多长时间内可以检测到冲突呢? 假设:局域网内站点之间最大的传播时延为: = 两站点的距离 / 信号传播速度。,当0时,将不会再发生冲突。 结论:站点最迟在开始发送后2 时间(称之为碰撞窗口或时间槽或争用期)内可以检测到冲突!所以,在2 后没有冲突才表明数据发送成功!,- /2 时刻A、B数据发生冲突,34,碰撞窗口的意义: 一个站点开始发送后,若在
19、碰撞窗口内没有检测到冲突,则本次发送不会再发生冲突; 碰撞窗口与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系! 以太网中,碰撞窗口51.2s 传输速率10Mb/s时,一个碰撞窗口内可发送512bits,即64字节(所以也称一个碰撞窗口长度为64字节) 。 由此可知: 1. 冲突只可能在一帧的前64字节内发生; 2. 帧长度小于64字节时,将无法检测出冲突; 以太网规定,最小帧长度为64字节 3. 长度小于64字节的帧(碎片帧)都是无效帧。 想一想:什么情况下会产生碎片帧?,35,采用CSMA/CD的局域网中,由于冲突窗口的限制,传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系:
20、FminkSR k:系数 可以看出: 最小帧长度不变时,传输率越高,网络跨距就越小; 传输率固定时,网络跨距越大,最小帧长度就应该越大; 网络跨距固定时,传输率越高,最小帧长度就应该越大。,36,3)退避算法,退避算法:让发生碰撞的站在停止发送数据后,不是立即再发送数据,而是推迟(这叫做退避)一个随机时间。,37,截断二进制指数退避算法,CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法 (1)确定基本退避时间,一般是取为争用期2 。 (2)定义参数k,它等于重传次数,但k不超过10,即k=Min(重传次数,10)。 (3)从离散整数集合0,1,2,(2 k-1)中随机地取出一个数,记为r。重传输所需
21、的时间就是r倍的基本退避时间rT。 (4)当重传达16次仍不能成功时,则丢弃该帧,并向高层报告。,38,4)CSMA/CD的优缺点,控制简单,易于实现; 网络负载轻时,有较好的性能: 3040以内 延迟时间短、速度快 网络负载重时,性能急遽下降: 7080以上 冲突数量的增长使网络速度大幅度下降,39,4.2.2令牌传递(Token Passing),令牌环 Token Ring 令牌总线 Token Bus 令牌: 一个比特串 令牌绕环网旋转 忙令牌: 01111111 空闲令牌: 01111110,40,1.Token Ring/802.5,网上所有站点都处于空闲时,令牌沿环绕行 发送站点
22、 必须等待,直到捕获到令牌 发送数据帧释放令牌 吸收数据帧(绕环一周后) 中间站点(数据帧的目的地址与自己不同) 转发环上的数据帧 接收站点(数据帧的目的地址与自己相同) 拷贝环上的数据帧 转发环上的数据帧,41,Token Ring/802.5的操作举例,42,令牌环网的实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,43,2.Token BUS,在物理上令牌总线是一根线型或树型的电缆,其上连接各个站点;在逻辑上,所有站点构成一个环 。,44,4.3 传统以太网(Ethernet),4.3.1以太网的产生和发展 以太网是美国施乐(Xerox)公司的Palo Alto研究中心(简称PARC)于1
23、975年研制成功的。数据率为2.94Mb/s。 最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的 1980年9月,Dec公司、Intel公司和施乐公司联合提出了10Mbps的以太网第一个版本的DIX V1。1982年出第二版DIX Ethernet V2 . 特征:基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆 IEEE802委员会的802工作组于1983年制订了第一个IEEE的以太网标准,其编号为802.3,速率10Mbps Ethernet II和IEEE 802.3二者区别很小 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 ,45,以太网的总线连接,最初的以太网是将许多
24、计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠,因为总线上没有有源器件。,46,以太网的交付机制,采用较为灵活的无连接的工作方式,即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。 这样做的理由是局域网信道的质量很好,因信道质量产生差错的概率是很小的。 以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧,其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传,但以太网并不知道这是一个重传的帧,而是当作一个新的数据帧来发送。,47,IEEE 802.3 以太网标准(主要的),传
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