计算机通信与网络-ch04 局域网与广域网-贺.ppt
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1、计算机通信与网络 Computer Telecommunications & Networks,第4章 局域网与广域网,局域网概述 以太网技术 以太网的MAC层 局域网的扩展 高速以太网 虚拟局域网 无线局域网 广域网,内容纲要,4.1 局域网概述,1、局域网的定义 局域网是指将分散在一个局部地理范围(如一栋大楼等)的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络。,2、局域网的特点 覆盖区域小:传输距离在0.1km25km。 传输速率高:一般为1 Mbit/s 100Mbit/s。 (10 Mbps,100 Mbps,1 Gbps的以太网得到广泛应用) 误 码 率 低: 一般在10-8 10-11
2、范围内。 无路由选择: 大多采用广播方式传输数据,一个站发出 数据,其它所有站都能接收到。 专 用 性:局域网具有专用性质。,3、局域网的四个技术特性 传输媒体,指用于连接网络设备的介质类型 有线媒体:双绞线、同轴电缆、光纤等。 无线媒体:微波、红外线和激光等。 传输技术,指借助传输媒体进行数据通信的技术。 基带传输:直接传输曼彻斯特编码数字信号。 宽带传输:调制传输,支持频分复用和多路传输。 局域网中通常采用基带传输技术。 网络拓扑,指物理结构,如星型、环型、总线型、树型。 媒体访问控制,对传输媒体的访问控制方法(MAC)。 基于信道划分的媒体访问控制 基于随机访问的媒体访问控制 基于轮询的
3、媒体访问控制,各种拓扑结构,匹配电阻,交换机,干线耦合器,总线网Bus (广播式多路访问,结构简单, 可靠性高,扩展性好),星形网Star (通过中心站点进行),树形网Tree (分层结构,扩展性好,寻址方便),环形网Ring (控制简便,结构对称,传输速率高),交换机,交换机,交换机,4、IEEE 802 局域网标准,5、局域网的四个技术特性,数据链路层分为两个子层: 逻辑链路控制LLC (Logical Link Control) 与传输媒体无关,实现不同类型网络的接入。 媒体接入控制MAC (Medium Access Control) 实现对传输媒体的访问控制。,近年来出现的系列标准,
4、 802.3ac:虚拟局域网VLAN(1998)。 802.3ab:1000Base-T物理层参数和规范(1999)。 802.3ad:多重链接分段的聚合协议(2000)。 802.3u:100Mbit/s快速以太网。 802.1Q: 虚拟桥接以太网(1998)。 802.14:利用CATV宽带通信标准(1998)。 802.15:无线个人网 (WPAN: Wireless Personal Area Network)。 802.16:宽带无线访问标准。,无线局域网 IEEE 802.11 系列标准 IEEE 802.11 2Mbit/s IEEE 802.11b 11Mbit/s IEEE
5、802.11a 54Mbit/s IEEE 802.11g 54Mbit/s IEEE 802.11n 108Mbps以上,最高速率可达320Mbps,无线局域网 IEEE 802.11 系列标准,IEEE 802.11 ,1997年,2Mbit/s, 2.4GHz IEEE 802.11a,1999年,54Mbit/s,5GHz IEEE 802.11b,1999年,11Mbit/s,2.4GHz IEEE 802.11c,符合802.1D的媒体桥接(MAC Layer Bridging)。 IEEE 802.11d,根据各国无线电规定做的调整。 IEEE 802.11e,对服务等级(QoS
6、)的支持。 IEEE 802.11f, 基站互连,2006年撤销 IEEE 802.11g, 2003年,物理层补充(54Mbit/s,工作在2.4GHz)。 IEEE 802.11h, 2004年,覆盖室内和室外, 5GHz频段 IEEE 802.11i, 2004年,无线网络的安全方面的补充。 IEEE 802.11j, 2004年,根据日本规定做的升级。 IEEE 802.11l, 预留及准备不使用。 IEEE 802.11m, 维护标准;互斥及极限。 IEEE 802.11n, 2009年,300Mbps600Mbps。 IEEE 802.11k, 2008年,无线局域网络频谱测量规范
7、 IEEE 802.11r, 2008年,快速基础服务转移 IEEE 802.11s, 2007年,流量管理和网络管理。 IEEE 802.11w, 2009年,针对802.11管理帧的保护。 IEEE 802.11x, 包括802.11a/b/g等三个标准。 IEEE 802.11y, 2008年,针对美国36503700 MHz 的规定。 IEEE 802.11ac,802.11n之后的版本。工作在5G频段,理论1Gbit/s。,4.2 以太网(Ethernet) 技术,10 Base-5 1983 10Mbps 500m AUI粗缆以太网 10 Base-2 1988 10Mbps 18
8、5m BNC细缆以太网 10 Base-T 1990 10Mbps 100m RJ45双绞线以太网 BASE 表示基带传输,以太网拓扑: 总线式局域网 媒体访问控制:CSMA/CD 传统系列标准(规范),综合布线系统: 结构:双绞线,RJ45,集线器,星形拓扑结构 逻辑:总线型,集线器实现总线的汇集,以太网的连接方法,Medium Attachment Unit (MAU),双绞线 UTP (Unshielded Twisted Paired ) 3类(2对),5类(4对) 集线器 HUB, 8口,12口,24口等 接口:RJ-45, 也有BNC或光纤接口, 站点和集线器距离应小于100m,1
9、0BASE-T 双绞线,细同轴电缆: 直径0.508cm,单段电缆最大长度 185 米 终接器: 50欧电阻,其中一端接地。 网卡: BNC / T型头, 接入细缆 中继器: 最多4个中继器,实现信号中继放大,10BASE-2 细缆,粗同轴电缆: 直径1.016cm,单段电缆最大长度500米。 终接器 : 50欧电阻,其中一端接地。 网卡: DB15 (AUI) / MAU 接入单元接口 (AUI: Attachment Unit Interface) (MAU: Medium Attachment Unit) 收发器 (Transceiver) 实现信号驱动、接收,连接电缆最长50米 最多4
10、个中继器,实现信号中继放大。,10BASE-5 粗缆,网 络 中 心 (一 号 办 公 楼),综 合 楼,1000Base-SX 25对主干电缆2根 100Base-TX 规划中1000Base-SX,PSTN,Internet,一-2 号 楼,三 号 教 学 楼,二 号 教 学 楼,宿 舍 楼,广 州 市 XX 中 学 校 园 网 网 络 连 接 示 意 图,总长约180米,总长约180米,约60米,约60米,ISDN BRI,N*PSTN Line,总长约200米,Cisco 2620,PSTN,CHINANET,综 合 楼 SuperStack 3 3300SM*1,二 号 教 学 楼
11、SuperStack 3 3300SM*1,Transcend Workgroup 6.2 网 管 工 作 站,WEB/DNS 服务器(PDC) 数据库服务器(BDC) HP LH3000 HP LH3000,1000BASE-SX 100BASE-TX,ISDN连接163,3Com Switch 4007 中 心 交 换 机,远 程 访 问 服 务 器 Cisco 2620,广 州 市 第 XX 中 学 校 园 网 拓 扑 结 构 图,SuperStack 3 3300SM*1 SuperStack 3 3300XM*1,三 号 教 学 楼 SuperStack 3 3300SM*1 Sup
12、erStack 3 3300XM*1,64K DDN PSTN电话线路,图 书 馆 服 务 器 HP LC2000,1-2号楼,代 理 服 务 器 HP LC2000,网络中心,4.3 以太网的MAC层,1、MAC地址 2、MAC帧格式 3、CSMA/CD的工作过程 4、以太网的信道利用率,1、MAC地址,(1) 静态MAC地址:MAC48 或 EUI48 48 bit(16进制: MM-MM-MM-XX-XX-XX) 以太网卡制造商将MAC地址固化到网卡中,又称为物理地址 地址前24位:IEEE分配的网卡制造商标识,OUI(组织唯一标识符) 地址后24位:由网卡制造商为其网卡分配一个唯一的编
13、号,(2) 动态MAC地址:16 bit 由安装网络系统管理分配 主机运行,通过网络请求获得。,每台主机唯一的标识符:标识地址,路由器由于同时连接到两个网络上,因此它有两块网卡和两个硬件地址。,网卡上的MAC硬件地址,路由器,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址. 如果是发往本站的帧则收下,然后进行其他处理。 否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下
14、三种帧: 单播(unicast)帧(一对一) 广播(broadcast)帧(一对全体) 多播(multicast)帧(一对多),网卡检查 MAC 地址,B1,最高位 最先发送,最低位,最高位,最低位 最后发送,00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001,最低位 最先发送,最高位,最低位,最高位 最后发送,机构惟一标志符 OUI,扩展标志符,高位在前,低位在前,十六进制 EUI-48 地址: AC-DE-48-00-00-80,二进制 EUI-48 地址:,第 1 字节,第 6 字节,I/G 比特,I/G 比特,字节顺序,B2,B3
15、,B4,B5,B6,B1,字节顺序,B2,B3,B4,B5,B6,10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000,802.5 802.6,802.3 802.4,802.5 802.6,常用的以太网MAC帧格式有两种标准 : DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,2、两种不同的 MAC 帧格式,区别: 目的地址字段、源地址字段的长度不同 长度/类型字段:定义不同,数据字段:长度461500字节。数据长度小于 46 字节时, 应填充字段,以保证 MAC 帧长不
16、小于 64 字节 校验序列:FCS 4 字节:误码率为 1108 时,MAC子层可 使未检测到的差错小于 11014 同步字段:8个字节(同步码 7 字节,帧定界符 1 个字节。,MAC 帧,字节,2/6,2/6,2,4,IP 层,物理层,目的地址,源地址,长度/类型,FCS,MAC 层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始 定界符,7 字节,1 字节,数 据,MAC 子层,IP 层,LLC 子层,这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用,43 1497,1,1,1,DSAP,SSAP,控制,CSMA/CD方式的发送方工作过程 当某个
17、结点的LLC协议希望发送数据时,将LLC帧传给下层的MAC协议,MAC协议将LLC帧封装在用户数据字段,形成MAC帧。 MAC协议监听传输媒体,检查是否有信号正在传输。 如有信号传输,则转(2)监听;否则发送数据,同时监听。 如在发送过程中没有检测到冲突,则本次发送任务成功。否则,立即终止本次发送,并发送冲突加强信号,使得其它结点都能感知到发生冲突,MAC协议计算发送失败的次数。 如果发送失败次数小于等于某个阈值,根据失败次数执行二进制指数退避算法,计算得到某个退避时间值,等待该退避时间,转(2)准备重新发送。否则,停止发送尝试,通知上层LLC实体,报告可能出现网络故障。,3、CSMA/CD的
18、工作过程,CSMA/CD方式的接收方工作过程 局域网上的每个站点的MAC协议实体都监听传输媒体,如果有信号传输,则接收信息,得到MAC帧; 其中,对于因冲突造成的长度不足最小有效帧长的残帧,MAC实体不予理会。 MAC实体分析帧中的目的地址,如果目的地址为本站点地址,就复制接收该帧。否则,简单丢弃该帧。 特别地,对于具有组播地址和广播地址的数据帧,将会有多个站点复制和接收该帧。 其中,CSMA/CD方式在发生冲突时采用二进制指数退避算法。,3、CSMA/CD的工作过程,参 数 数 值,争用期时隙(Slot time) 51.2 us 帧间隔(Inter Frame Gap) 9.6 us 尝试
19、次数(Attempt Limit) 16 退避限制数(Back off Limit) 10 阻塞信号(Jam Size ) 32 bits 最大帧长( Max Frame Size ) 1518 bytes 最小帧长( Min Frame Size ) 64 bytes 地址长度(Address Size ) 6 bytes,CSMA/CD方式的主要参数,4、以太网的信道利用率,CSMA/CD的媒体访问控制方法中,一个帧从开始发送,然后经过若干次冲突检测和重传,到最后发送成功。 冲突造成发送失败,从而浪费网络总线信道资源,造成信道利用率的下降。,A在t=0时刻向F发送帧。,F在t= - 时刻向
20、A发送帧,在t=时检测到冲突,即发送噪声帧。,A在t= 2时刻收到F向全网发送的噪声帧。,争用期(最大冲突检测时间、冲突窗口): 2 其中为最远距离站点间的传输时间。,例3-10:假定 d=2 km 长的CSMA/CD网络的数据率为R=1 Gb/s,设信号在网络上的传播速率为 C=2108 m/s,求能够使用此协议的最短帧长。 解: = d/C = 2000m/(2*108m/s)=10s 争 用 期 = 2 = 20s 最短帧长 = R*2= 1Gbps*20s = 20,000 bit,信道占用时间图,以太网的信道利用率,争用期平均个数为Nc,争用期长度为2 帧长为 L bit,传输速率为
21、 C bit/s,发送时延 T0=L/C (s)。 帧间间隔为,即发送成功后要经过使信道转为空闲才发送下一帧。 假设检测到冲突后并不发送冲突加强信号。 总线局域网上共有N个站,每个站发送帧的概率都是p,假设:,以太网的信道利用率,平均信道利用率 (归一化吞吐量),发送一帧所需的平均时间,令N个站中有一个站发送帧,而其它(N-1)个站均不发送帧,此时,没有冲突,发送数据成功。发送成功的概率,随机变量争用期个数: 的值为 0, 阈值 之间的整数。 (事件 :前(i-1)次发送失败, 且第 i 次发送成功) 为计算出争用期个数的数学期望(平均个数),假定争用期个数没有限制 以太网的平均信道利用率,争
22、用期平均个数,以太网的信道利用率,假设总线长度为1km,信号传播速率为2108m/s,数据传输速率为5Mb/s。 对于各种不同的帧长情况,如128,256,512和1024bit,可以计算得到,局域网的最大平均信道利用率max随站点个数N变化的趋势如图所示。,局域网概述 以太网技术 以太网的MAC层 局域网的扩展 高速以太网 虚拟局域网 无线局域网 广域网,内容纲要,多个局域网之间的通信 物理层扩展 集线器 数据链路层扩展 二端口网桥 多端口网桥 (以太网交换机) 扩展的局域网在网络层看来仍然是一个网络。,4.4 局域网的扩展,1、在物理层扩展局域网,用集线器扩展局域网,站表,端口管理 软件,
23、网桥协议 实体,端口 1,端口 2,缓存,网段 B,网段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,端口,网桥,网桥,网桥的内部结构,2、在数据链路层扩展局域网,网桥,过滤:网桥收到帧,先检查目标 MAC 地址,然后转发。,优点 缺点,集线器的物理层扩展特点,网桥的数据链路层扩展特点,过滤通信量、提高了可靠性。 互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率(如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网)的局域网。 时延:存储转发增加时延;不同MAC网段桥接时延更大。 广播风暴:MAC 子层没有流量控制功能,传播过多的广播信息会产生网络拥塞。一般,网桥适合于用户数不超过几百个、通信量不太大的局域网,
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