三级网洛局域网.ppt

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1、第四章 局域网,局域网的特点 IEEE802.3 ETHERNET IEEE802.5 TOKENRING IEEE802.4 TOKEN BUS 网桥,局域网(LAN)概述,局域网的定义 在小区域范围内使多种数据通信设备连在一起进行资源共享的通信网络。(IEEE 802)1.计算机通信网;2.通信设备含计算机、终端、传真机等;3.覆盖地理范围小，不超过几十km。,覆盖范围小房间、建筑物、园区范围高传输速率10Mbps1000Mbps低误码率 10-8 10-10 采用总线、星形、环形拓扑双绞线、同轴电缆、光纤为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务各站为平等关系而不是主从关系能进行广播或多

2、播,Switch,Serverfarm,station,stations,stations,局域网的关键技术,拓扑结构（逻辑、物理）总线型、星型、环型、树型介质访问方法按协议实现信道共享CSMA/CD和Token-passing信号传输形式基带、宽带,LAN典型拓扑结构,总线型/树型: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,Bus,Star,Ring,A,B,C,C,A,D,C,B,A,B,C,A,T,LAN参考模型,IEEE802委员会制定 1、物理层：透明传输位流，规定信号编码、传输媒体、拓扑结构及数据率 2、数据链路层：流量控制、

3、寻址、排序、差错控制等功能 3、IEEE 802标准没有单独设立网络层。4、高层：局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来实现，如Unix、Windows NT、Netware等。,LAN参考模型,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,（）（）（）,服务访问点SAP,由NOS来实现,LAN的数据链路层,按功能划分为两个子层：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，降低实现的复杂度。局网特点：共享信道(如总线)。需要解决介质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于介

4、质和MAC方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。,主要的LAN标准,802.1 概述、体系结构、网络互连 802.2 LLC（逻辑链路控制）802.3 CSMA/CD（以太网）802.4 Token Bus（令牌总线）802.5 Token Ring（令牌环）802.6 分布队列双总线DQDB-MAN标准 802.7 宽带技术 802.8 FDDI（光纤分布数据接口）802.9 综合话音数据局域网 802.10 可互操作的局域网的安全 802.11 无线LAN,信道共享技术,接入 方法,集中式控制：轮询，主机按顺序逐个 询问各站是否有数据要发送,分散式控制：令牌环网，传递令

5、牌，获得 令牌才有权发送数据,随机接入：站点可随时发送数据，争用信道，易冲突,受控接入,1、通过集中器或复用器连接,特点：附加设备，集中控制接入方法：顺序扫描查询，或使用中断技术,2、通过多点接入技术,特点：一条公用信道连接所有主机，按协议分配信道,通过复用器或集中器连接,主机,前端机,MUX,M,M,M,M,MUX,T,C,T,T,T,T,T,用户使用多点接入共享一个公共信道,主机对公用信道的共享进行集中控制,信道的共享采用分散式控制,随机接入技术:CSMA和CSMA/CD,CSMA：载波监听多点访问 工作原理：发送前监听。附加硬件装置，每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有 数据在传送。

6、若有，则此站暂停发送，等待一段时间后重试 载波监听策略：非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机 时间后再次监听。坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲,1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据（以概率1发送）p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据，即以概率1-p延迟一段时间后再发送,性能：轻载时，1坚持CSMA吞吐量最大；重载时，非坚持CSMA吞吐量最大。,缺点：由于传播时延的存在，冲突不可避免,坚持CSMA：,站A,站B,B监听到信道空闲，发送,A监听到信道空闲发送,为A、B之间的传播时延,CSMA/CD：带冲突检测的载波监听多点访问,退

7、避算法：以截断二进制指数类型，来决定重发时延 从 0,1,2,.,2k-1 中随机取一个数r，重发时延=r 基本重发时延 其中 k=min 重发次数，10 动态退避算法,工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。,1-坚持的：监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送,站点检测到冲突后，往往发送人为干扰信号，强化冲突，以通知其他站点,冲突检测（CD）,原因：有两个以上站点同时发送帧 站点在发送帧的同时，检测信道是否冲突 检测方法：1.比较接收到的信号电压的大小 2.检测曼彻斯特编码的过零点 3.比较接收到的信号与刚发

8、出的信号,Ethernet和IEEE 802.3,1、70年代中期由Xerox Palo Alto Research Center(Bob Metcalfe)提出，数据率为2.94M，称为Ethernet（以太网）。2、经DEC,Intel and Xerox公司改进为10M标准(DIX 标准)。3、1985年定名为IEEE 802.3，即使用1坚持的CAMA/CD协议的LAN标准，数据率从1M到10M(现已发展到1000M)，支持多种传输媒体。4、Ethernet是指基带总线LAN。5、Ethernet和IEEE 802.3的帧格式不同。,IEEE 802.3 规范,传统以太网 10M 80

9、2.3 同轴电缆Ethernet 802.3a 细缆Ethernet 802.3i 双绞线 802.3j 光纤快速以太网FE 100M 802.3u 双绞线，光纤千兆以太网GE 1000M IEEE802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 IEEE802.3ab 双绞线,802.3布线介质标准,10Base5 粗同轴10Base2 细同轴10BaseT 双绞线 10BaseF MMF100BaseT 双绞线100BaseF MMF/SMF1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT 双绞线,10BASE5 p104 图4-9,粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强分插头：插入电缆收发

10、器：发送/接收,冲突检测,电气隔离，超长控制AUI：连接件单元接口总线型拓扑，用于网络骨干连接,粗缆,转发器/中继器的作用：扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的 失真和衰减。是物理层设备,10BASE2,10BASET,双绞线介质（UTP）以Hub（集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。转发器/中继器/HUB物理层设备(工作在物理层)。用于小型LAN。,NIC,hub,段最大长度 100m,10BASEF 使用光纤进行长距离连接，最适于建筑物间的连接。星形拓扑结

11、构10Broad36 使用75电缆连接，拓扑结构为树形 用于宽带LAN,多个网段互连,hub,10Base2-细缆Ethernet,10Base5 粗缆Ethernet,10BaseT-双绞线,路由器,服务器,hub,网桥,收发器的特点,从计算机经收发器电缆得到数据向同轴电缆发送，或反过来，从同轴电缆接收数据经收发器电缆送给计算机；检测在同轴电缆上发生的数据帧的冲突；在同轴电缆和电缆接口的电子设备之间进行电气隔离；当收发器或所连接的计算机出故障时，保护同轴电缆不受其影响。,集线器的特点,使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站仍然共享逻辑上的总线，而使用的还是CSMA/CD协议。一个

12、集线器有许多端口，每个端口通过RJ-45插座用两对双绞线与一个工作站上的网卡相连。因此，一个集线器很像一个多端口的转发器。集线器的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当某个端口收到信号时，立即向其他端口转发。若多个端口同时有信号输入，则所有端口都收不到正确信号。,网卡的功能,数据的封装与解封封装:发送时，将LLC PDU加上MAC子层的首部，称为MAC帧。解封:接收时，剥去MAC帧首部和尾部，送交LLC子层 链路管理:CSMA/CD协议。编码与译码:曼彻斯特编码与译码。,交换式以太网,以网络交换机为主干的以太网拓扑仍为星形结构（总线/HUBLAN_SWITCH）为何要使用网络交换机？以太网共享

13、介质网络 共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数)网络交换总线网络或基于集线器的网络：网络总带宽=10Mbps，n个站点共享，每站点平均带宽10/n Mbps；基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制，网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps；,交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例),(1)端口下接站点：站点独占10Mbps带宽(2)端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽,共享10M,独享10M,共享10M,独享10M,网络交换机Switch,HU

14、B,HUB,虚拟LAN（VLAN）：逻辑工作组,HUB,HUB,HUB,HUB,A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,C1,C2,C3,VLAN1,VLAN2,VLAN3,VLAN中某站发出的广播只有同一虚拟网内的站点才能收到,IEEE 802.5标准：令牌环,令牌环的组成拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环 传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps；最多站点数：250，信号采用曼彻斯特编码,A,B,D,C,站点,单向环,Token Ring/802.5的操作,1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的

15、站只能等待。2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中；b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。,Token Ring/802.5的操作举例,A,T=0,T,A,T=0,T,A,T=1,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data

16、,C,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后A将数据帧回收并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,IEEE 802.4：令牌总线,特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网传输机制为以太网和令牌环的结合：物理传输采用广播方式；介质访问控制采用令牌方式。,局域网的扩展：网桥,LAN互连的必要性：地域限制、负载问题、可靠性问题、互通问题、安全问题、性能/价格比高于WANLAN互连的困难：帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同LAN互连的实现：中继器/HUB 在物理层上实现互联 网桥 工作在数据链路层的一种网络互联设备，在互联的LAN之间实现帧的存储和转发,用

17、网桥实现多个网段互连,hub,10Base2-细缆Ethernet,10Base5 粗缆Ethernet,10BaseT-双绞线,router,server,hub,网桥,网段3,网段4,10Base5 粗缆Ethernet,网段1,网段2,网桥的基本原理,LAN通过网桥构成扩展性网络 网桥是数据链路层设备，作用在MAC子层上 网桥采用存储、转发方式，需要有足够缓存 网桥有寻址和路由选择能力,网桥的工作过程,端口管理软件,网桥协议实体,站表,站地址,端口,A,B,C,D,E,1,1,1,2,2,缓冲区,端口1,端口2,网桥,A,B,E,D,C,(1)接收帧(2)缓存(3)查表(4)丢弃发往同L

18、AN 的帧；否则转发 到相应端口,仅在同一个网段中通信的帧，不会被网桥转发到另一个网段去，因而不会加重整个网络的负担。,网桥的优点,过滤通信量。网桥使局域网同网段的各工作站之间的通信量局限在本网段的范围内，而不会经过网桥流到其它的网段去。可减轻局域网的负荷。转发器由于没有智能，无过滤功能。转发器对所有的帧一律转发。从层次上看，转发器工作在物理层，而网桥工作在链路层的MAC子层。扩大了物理范围，也增加了整个局域网上工作站的最大数目。可使用不同的物理层。可互连不同类型的局域网。提高了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段。性能得到改善,网桥的缺点,由于网桥对接收的帧要先存储和查找站表，然后才

19、转发。时延增加在MAC子层没有流量控制功能，重载时会丢失帧 不能防止广播风暴（广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段。网桥只适合于用户数不太多和通信量不太大的局域网）具有不同MAC子层的网段桥接在一起时，网桥在转发一个帧之前，必须修改帧的某些字段的内容，适合另一个MAC子层的要求。这也需要耗费时间。,IEEE802.1透明网桥,特点：由网桥决定路由选择，网桥和路由对各站点透明,选路方法：网桥收到来自LANx 的帧，查站表.若目的LAN=LANx，则丢弃此帧.若目的LAN在站表中，则向目的LAN转发.若目的LAN不在站表中，则用洪泛法（即向除x之外的 所有端口）转发,站表建立方法：在转发过程中逆

20、向学习,如果网桥B1从端口2收到来自E的帧，就可以知道以后给E的帧都向端口2转发,B2,B,D,C,E,1,2,3,B1,A,1,2,实现前提：假定LAN和网桥构成支撑树，即任意两个LAN 之间只有一条通路无环路支撑树算法：以序号最小的网桥为根，按照最短路径，动态求出支撑树,透明网桥的优点：容易配置、安装，无需管理缺点：不能充分利用全部资源；不能保证最佳路由,网桥工作原理归纳为：学习源地址，丢弃本网段帧，转发异网段帧，广播未知帧。,注：网络交换机工作原理与网桥类似可看成是一个多端口的高速网桥（工作在链路层上）,支撑树的构成,LAN2,A,LAN3,B,C,LAN4,D,LAN 1,E,F,LA

21、N5,A,LAN2,LAN3,G,B,LAN 1,LAN4,D,LAN5,E,支撑树算法：以序列号最小的网桥为根，按照最短路径，动态求出支撑树，保证任意两个LAN之间只有一条通路，无环路,网络配置中的冗余易产生“兜圈子”问题,“兜圈子”问题,B2,B1,A,LAN 1,LAN 2,F,目的地址未知，采用洪泛法转发,F,F,F,源站选路网桥,特点：由源站负责路由选择，路由信息放在帧首,选路方法：源站向目的站发送探测帧，该帧在扩展的LAN中沿所有可能路由传送；每个探测帧都记录下它所经过的路由；这些探测帧在到达目的站后，再沿各自的路由返回源站；由源站选择其中的最佳路由，作为发送帧中的路由信息,图中，

22、B到E的路由信息列表为“B1,L2,B2,L4”，跟随数据从B站发送,路由信息为网桥号、LAN号相间的序列,两种网桥的比较,透明网桥,源站选路网桥,服务类型,无连接,面向连接,对源站的透明性,完全透明,不透明,配置、管理,自动配置，容易管理,人工方法,选择的路由,次佳,最佳,目的地确定方法,逆向学习,探测帧,故障处理及拓扑变化,网桥负责,主机负责,复杂性和开销,网桥负担,主机负担,快速以太网组成实例,网卡(外置或内置收发器)、收发器(外置)与收发器电缆集线器（双绞线或光纤接口）双绞线及光缆,外置光纤收发器,光纤,100Base FX集线器,100Base TX集线器,100Base TX集线器

23、,光纤,插有光纤接口网卡,UTP5,UTP5,UTP5,UTP5,光纤,UTP5,光纤数据分布接口FDDI,网络由双环构成，可靠性高。传输速率为100Mbps。介质访问控制方法采用Token Passing，类似于令牌环。传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十km)。,集线器,集线器,令牌,服务器,千兆以太网(Gigabit Ethernet，GE),两种标准：802.3z和802.3ab802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线(5类，6类)连接距离较短：1000Base-X:1000Base-CX 短距离屏蔽双绞线-25米；1000Base-SX 多模光纤MMF和850nm激光器(550米)；1000Base-LX 单模光纤SMF(3km)或MMF和1300nm激光器 1000BaseT:5类双绞线 100米 拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同；传输速率比100BaseT快10倍；,3级网络结构,