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1、第5章 局 域 网,5.1 局域网概述5.2 传统以太网5.3 以太网的MAC层5.4 扩展的局域网5.5 虚拟局域网5.6 高速以太网5.7 其他种类的高速局域网5.8 无线局域网,退出,5.1 局域网概述,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：（1）能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。（2）便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。（3）提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,图5-1(a)是星形网。近年来由于集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中，星形以太网以及多级星形
2、结构的以太网获得了非常广泛的应用。图5-1(b)是环形网，最典型的就是令牌环形网(token ring)，它又称为令牌环。图5-1(c)为总线网，各站直接连在总线上。总线网可使用两种协议。一种是传统以太网使用的CSMA/CD，另一种是令牌传递总线网。图5-1(d)是树形网，它是总线网的变型。,媒体共享技术可分为如下两大类：（1）静态划分信道这种划分信道的方法不够灵活，不适合于局域网和某些广播信道的网络使用。（2）动态媒体接入控制它又称为多点接入(multiple access)，其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。这里又分为以下两类：随机接入，随机接入的特点是所有的用户可随机地发送信息
3、。受控接入，受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。,5.2 传统以太网,“传统以太网”表示最早进入市场的10 Mbit/s速率的以太网。5.2.1 以太网的工作原理1以太网的两个标准局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层和媒体接入控制MAC(Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说是都透明的，如图5-2所示。,本章介绍的以太网主要都是假定数据链路层只有一个MAC层而不考虑LLC子层。这样做
4、对以太网工作原理的讨论会更加简洁。,2网卡的作用网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(Network Interface Card)，但现在更多的人愿意使用更为简单的名称“网卡”。网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的，如图5-3所示。,网卡不是完全自治的单元，通常称为半自治单元。当网卡收到一个有差错的帧时，它就丢弃此帧而不必通知它所插入的计算机。当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给网络层。当计算机要发送一个IP数据报时，就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网。,3CSMA/CD协议以太网将许多计算机都
5、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。总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这种通信方式是广播通信。但我们并不总是希望使用广播通信。为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台计算机拥有一个与其他计算机都不同的地址。在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。现在的电子技术可以很容易地做到：仅当数据帧中的目的地址与计算机的地址一致时，该计算机才能接收这个数据帧。计算机对不是发送给自己的数据帧，则一律不接收。图5-4是上述概念的示意图。,为了通信的简便，以太网采取了两种方法。第一，采用无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。第二，
6、不要求收到数据的目的站发回确认。不要确认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。因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。,以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议，即CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)载波监听多点接入/碰撞检测。下面是CSMA/CD的要点。“多点接入”“载波监听”“碰撞检测”,因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。因此当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非是空闲的。如图5-5所示的例子可以说明这种情况。,显然，在使用CSMA/CD协议时，
7、一个站不可能同时进行发送和接收。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。以太网的这一特点称为发送的不确定性。,4争用期以太网的端到端往返时延2称为争用期(contention period)。争用期又称为碰撞窗口(collision window)。为了使每个站都能尽可能早地知道是否发生了碰撞，以太网还采取一种叫做强化碰撞的措施。这就是当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户
8、都知道现在已经发生了碰撞如图5-6所示。,5.2.2 传统以太网的连接方法传统以太网可使用的传输媒体有四种，即粗缆、细缆、铜线和光缆。图5-7在MAC层下面给出了对应于这四种传输媒体的物理层，即10BASE5(粗缆)、10BASE2(细缆)、10BASE-T(双绞线)和10BASE-F(光缆)。图5-8给出了用铜缆或铜线连接到以太网的示意图。,粗缆以太网是最初使用的以太网，其网卡通过DB-15型连接器(15针)与收发器电缆(transceiver cable)相连，收发器电缆的正式名称是AUI电缆。AUI是连接单元接口(Attachment Unit Interface)的缩写。收发器电缆的另
9、一端连接到收发器(transceiver)。收发器电缆的长度不能超过50 m。收发器由两部分组成，一部分是含有电子元器件的媒体连接单元MAU(Medium Attachment Unit)，另一部分是没有电子元器件的插入式分接头(tap)，称为媒体相关接口MDI(Medium Dependent Interface)，它直接插入到电缆中(不用切断电缆)就能和同轴电缆的内部导线有良好的接触连接。,收发器的功能如下：（1）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。（2）检测在同轴电缆上发生的数据帧的碰撞。（3）在同轴电缆和电缆接口的电子设备之间
10、进行电气隔离。（4）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。上述最后一个功能叫做超长控制(jabber control)。,网卡的功能主要有以下三个：（1）数据的封装与解封，发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。（2）链路管理，主要是CSMA/CD协议的实现。（3）编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。,集线器的一些特点如下：（1）从表面上看，使用集线器的局域网在物理上是一个星形网，但由于集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。也就是说，使用集线器的以太网在逻辑上
11、仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。网络中的各个计算机必须竞争对传输媒体的控制，并且在一个特定时间至多只有一台计算机能够发送数据。因此，这种10BASE-T以太网又称为星型总线(star-shaped bus)或盒中总线(bus in a box)。,（2）一个集线器有许多端口，因此，一个集线器很像一个多端口的转发器。（3）集线器和转发器都是工作在物理层，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到工作站发来的比特时，就简单地将该比特向所有其他端口转发。若两个端口同时有信号输入(即发生碰撞)，那么所有的端口都收不到正确的帧。为了说明上述
12、原理，图5-10给出三个端口的集线器的示意图(实际的集线器不会只有三个端口)。（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。,为了比较这三种以太网布线方案的区别，图5-11画出了一组办公室用三种不同方案布线的情况。,上述的三种以太网的主要指标的比较如表5-1所示。,5.2.3 以太网的信道利用率,5.3 以太网的MAC层,5.3.1 MAC层的硬件地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。“名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。”严格地讲，名字应当与系统的所在地无关。802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。
13、,现在IEEE的注册管理委员会RAC(Registration Authority Committee)是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的六个字节中的前三个字节(即高位24 bit)。世界上凡要生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买由这三个字节构成的一个号(即地址块)，这个号的正式名称是机构惟一标识符OUI(Organizationally Unique Identifier)，通常也叫做公司标识符(company_id)。目前的价格是1250美元买一个地址块。例如，3Com公司生产的网卡的MAC地址的前六个字节是02-60-8C。地址字段中的后三个字节(即低位24 bit
14、)则是由厂家自行指派，称为扩展标识符(extended identifier)，只要保证生产出的网卡没有重复地址即可。,有的书将上述最低位写为“第一比特”，但这样有些含糊不清，因为“第一”的定义是不明确的。这点可从图5-16看出。,图5-17表示用网卡上的硬件地址来标识局域网上的计算机和路由器。,这里“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧(一对一)，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。广播(broadcast)帧(一对全体)，即发送给所有站点的帧(全1地址)。多播(multicast)帧(一对多)，即发送给一部分站点的帧。,5.3.2 两种不同的MAC帧格式以太网的M
15、AC帧格式有两种标准，一种是DIX Ethernet V2标准，另一种是IEEE的802.3标准。图5-18画出了这两种不同的MAC帧格式。,IEEE 802.3标准规定的MAC帧和以太网V2的MAC帧的区别是：（1）第三个字段是长度/类型字段。根据长度/类型字段的数值大小，这个字段可以表示MAC客户数据字段的长度(请注意：不是整个数据帧的长度)，也可以等同于以太网V2的类型字段。（2）当长度/类型字段表示类型时，802.3的MAC帧和以太网V2的MAC帧一样，它的MAC客户数据字段装的是来自IP层的IP数据报。,从MAC子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入八个字节(由硬件生成)，它由两个字
16、段构成。第一个字段共七个字节，称为前同步码(1和0交替的码)。前同步码的作用是使接收端在接收MAC帧时能够迅速实现比特同步。第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011，表示在这后面的信息就是MAC帧了。,802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧：（1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致；（2）帧的长度不是整数个字节；（3）用收到的帧检验序列FCS查出有差错；（4）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46 1500字节之间。,5.4 扩展的局域网,5.4.1 在物理层扩展局域网一个学院的三个系各有一个10BASE-T局域网(如图5-19(a)所示)，可通过一个主
17、干集线器互相连接起来，成为一个更大的扩展的局域网(如图5-19(b)所示)。,5.4.2 在数据链路层扩展局域网1网桥的内部结构图5-20给出了一个网桥的内部结构要点。最简单的网桥有两个端口(即接口)。复杂些的网桥可以有更多的端口。,使用网桥可以带来以下好处：（1）过滤通信量。（2）扩大了物理范围。（3）提高了可靠性。（4）可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率(如10 Mbit/s和100 Mbit/s以太网)的局域网。,网桥也有不少缺点，例如：（1）由于网桥对接收的帧要先存储和查找站表，然后才转发，这就增加了时延。（2）在MAC子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存
18、的存储空间可能不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。,（3）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，以适合另一个MAC子层的要求。这也耗费时间，因而增加时延。（4）网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生较大的广播风暴。有时在两个网桥之间还可使用一段点到点链路。图5-21说明了这种情况。,2透明网桥目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。透明网桥使用了一个支撑树(spanning tree)算法，即互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑
19、的一个子集，在这个子集里整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。为什么要找出一个支撑树呢？可以看图5-22所示的简单例子。当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法可能要花费很多的时间。,3源路由选择网桥源路由选择网桥假定了每一个站在发送帧时都已经清楚地知道发往各个目的站的路由，因而在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。,4多端口网桥以太网交换机1990年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(表明这种交换机工作在数据链路层)。“交换机”并无准确的定义和明确的概念，而现在的很
20、多交换机已混杂了网桥和路由器的功能。以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥。,对于普通10 Mbit/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mbit/s)的N分之一。在使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的数据率还是10 Mbit/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此拥有N对端口的交换机的总容量为N 10 Mbit/s。图5-23举出了一个简单的例子。,5.5 虚拟局域网,在IEEE 802.1Q标准中对虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)是这样定义的：虚拟局域网是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻
21、辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。图5-24画的是使用了四个交换机的网络拓扑。,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即所谓的“广播风暴”)而引起性能恶化。,5.6 高速以太网,5.6.1 100BASE-T以太网100BASE-T是在双绞线上传送100 Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议，它又称为快速以太网(Fast Ethernet)。,5.6.2 吉
22、比特以太网IEEE在1997年通过了吉比特以太网的标准802.3z，它在1998年成为了正式标准。由于吉比特以太网仍使用CSMA/CD协议并与现有的以太网兼容，这就使得在局域网的范围ATM更加缺乏竞争力。吉比特以太网的物理层使用两种成熟的技术：一种来自现有的以太网，另一种则是ANSI制定的光纤通道(fibre channel)。采用成熟技术就能大大缩短吉比特以太网标准的开发时间。,吉比特以太网的物理层共有以下两个标准。11000BASE-X(802.3z标准)21000BASE-T(802.3ab标准)凡发送的MAC帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC帧的发送长度增大
23、到512字节，但这对有效载荷并无影响，如图5-25所示。,吉比特以太网还增加一种功能称为分组突发(packet bursting)。这就是当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。但随后的一些短帧则可一个接一个地发送，它们之间只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成了一串分组的突发，直到达到1500字节或稍多一些为止，如图5-26所示。图5-27是吉比特以太网的一种配置举例。,5.6.3 10吉比特以太网10吉比特以太网并非将吉比特以太网的速率简单地提高到10倍。10吉比特以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。这就使得10吉比特
24、以太网的传输距离不再受进行碰撞检测的限制而大大提高了。,吉比特以太网的物理层是使用已有的光纤通道的技术，而10吉比特以太网的物理层则是新开发的。10吉比特以太网有下述两种不同的物理层。（1）局域网物理层LAN PHY（2）可选的广域网物理层WAN PHY由于10吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。,5.7 其他种类的高速局域网,5.7.1 100VG-AnyLAN局域网100VG是一种无碰撞局域网，能更好地支持多媒体传输。在网络上可获得高达95%的吞吐量。在媒体接入控制MAC子层运行一种新的协议，叫做需求优先级(
25、demand priority)协议。,5.7.2 光纤分布式数据接口FDDI光纤分布式数据接口FDDI(Fiber Distributed Data Interface)是一个使用光纤作为传输媒体的令牌环形网。FDDI的主要特性如下：（1）使用基于IEEE 802.5令牌环标准的MAC协议；（2）利用多模光纤进行传输，并使用有容错能力的双环拓扑；（3）数据率为100 Mbit/s，光信号码元传输速率为125 Mbaud；,（4）1000个物理连接(若都是双连接站，则为500个站)；（5）最大站间距离为2 km(多模光纤)，环路长度为100 km，即光纤总长度为200 km；（6）具有动态分配
26、带宽的能力，故能同时提供同步和异步数据服务；（7）分组长度最大为4500字节。FDDI主要用作校园环境的主干网。这种环境的特点是站点分布在多个建筑物中，其中可能遇到点对点链路长达2 km的情形。FDDI就作为一些低速网络之间的主干网。,5.8 无线局域网,5.8.1 无线局域网的组成便携站(portable station)和移动站(mobile station)表示的意思并不一样。便携站当然是便于移动的，但便携站在工作时其位置是固定不变的。而移动站不仅能够移动，而且还可以在移动的过程中进行通信。移动站一般都是使用电池供电。1998年IEEE制定出无线局域网的协议标准802.11。,无线局域网
27、可分为两大类。第一类是有固定基础设施的，第二类是无固定基础设施的。802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集BSS(Basic Service Set)。一个基本服务集BSS所覆盖的地理范围叫作一个基本服务区BSA(Basic Service Area)。基本服务区BSA和无线移动通信的蜂窝小区相似。在无线局域网中，一个基本服务区BSA的范围可以有几十米的直径。,在802.11标准中，基本服务集里面的基站使用了一个新名词，叫做接入点AP(Access Point)。一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到一个主干分配系统DS(Distribution System)，然后
28、再接入到另一个基本服务集，这样就构成了一个扩展的服务集ESS，如图5-29所示。,另一类无线局域网是无固定基础设施的无线局域网，它又叫作自组网络(ad hoc network)。这种自组网络没有上述基本服务集中的接入点AP而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络，如图5-30所示。移动自组网络也就是移动分组无线电网络。,移动自组网络和移动IP并不相同。移动IP技术是指漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。漫游的主机可以直接连接到或通过无线链路连接到固定网络上的另一个子网。,5.8.2 802.11标准中的物理层物理层的3种实现方法。1跳频扩频跳频扩频FHSS(Frequency
29、 Hopping Spread Spectrum)是扩频技术中常用的一种。它使用2.4 GHz的ISM频段(即2.4000 2.4835 GHz)。共有79个信道可供跳频使用。第一个频道的中心频率为2.402 GHz，以后每隔1 MHz一个信道。因此每个信道可使用的带宽为1 MHz。当使用二元高斯移频键控GFSK时，基本接入速率为1 Mbit/s。当使用4元GFSK时，接入速率为2 Mbit/s。,2直接序列扩频直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)是另一种重要的扩频技术。它也使用2.4 GHz的ISM频段。当使用二元相对移相键控时，基本接入速率
30、为1 Mbit/s。当使用4元相对移相键控时，接入速率为2 Mbit/s。3红外技术红外技术IR(InfraRed)是指使用波长为850 950 nm的红外线在室内传送数据。接入速率为12 Mbit/s。,5.8.3 802.11标准中的MAC层无线局域网不能简单地搬用CSMA/CD协议。这里主要有两个原因：第一，CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，以便发现是否有其他的站也在发送数据，这样才能实现“碰撞检测”的功能。但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。第二，更重要的是，即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在
31、接收端仍然有可能发生碰撞。,图5-31的例子表示了无线局域网的特殊问题。,未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)。站B向A发送数据。而C又想和D通信。但C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据。这就是暴露站问题(exposed station problem)。802.11标准设计了独特的MAC层，如图5-32所示。,802.11规定，所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔IFS(InterFrame Space)。常用的三种帧间间
32、隔如下：（1）SIFS，即短(Short)IFS，长度为28 s。（2）PIFS，即点协调功能IFS(比SIFS长)，是为了在开始使用PCF方式时(在PCF方式下使用没有争用)优先获得接入到媒体中。（3）DIFS，即分布协调功能IFS(最长的IFS)，在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。CSMA/CA协议的原理可用图5-33来说明。,仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。具体来说，就是：（1）在发送它的第一个帧之前检测到信道处于忙态。（2）在每一次的重传后。（3）在每一次的成功发送后。,为了更好地解决隐蔽站带来的碰撞问题，802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。具体的做法如图5-34(a)所示。源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS(Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信(包括相应的确认帧)所需的持续时间。若媒体空闲，则目的站B就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS(Clear To Send)，如图5-34(b)所示。,图5-35给出了RTS和CTS帧以及数据帧和ACK帧的传输时间关系。,
