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1、第五章 计算机局域网,5.1 局域网的特点及类型,5.2 局域网的层次结构,5.3 以太网及介质访问控制方法,5.4 令牌环网及介质访问控制方法,5.5 局域网资源共享模式,5.6 虚拟局域网,5.7 无线局域网,5.1 局域网概述,局域网的概念局域网(Local Area Network)是在一个局部的地理范围内(如一个学校、工厂和机关内)，将各种计算机、外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网，简称LAN。,5.1 局域网的特点及类型,20世纪80年代微型计算机出现,1972年Xerox公司发明以太网,使微机局域网得到了快速的发展,结合,局域网形成与发展：回忆：局域网的快速发展由哪
2、两个因素促成的？,90年代局域网发展更加迅速。,办公室简单局域网,5.1 局域网的特点及类型,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：总线型、星形、环形介质：UTP、Fiber、COAX私有性：自建、自管、自用,5.1 局域网的特点及类型,5.1.1 局域网的优点,具有较高的数据通信速率。现在常见的以太网的数据传输速率为100Mbps或1000Mbps。从一个站点可以访问全网，从而方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据等资源。构建局域网时一般不使用公用通信线路，而是自行布设专用线路。系统易于扩展和演变，各类设
3、备的位置可以灵活调整。系统具有可靠性和开放性，局域网的体系结构符合ISO的OSI标准，能与任何符合OSI标准的系统进行通信。,（1）总线拓扑,将所有站点通过适配器连接到单根传输介质共享总线上。总线末端都有一个50欧姆的电阻，称为终结器。作用：阻止信号发射,基本特性,优点,与星型拓扑相比，所需电缆长度较短；结构简单，可靠性高；扩充(如增加站点、延长电缆等)较容易。,缺点,故障检测不很容易，如总线有故障需分段查找，如站点有故障需一个一个查；容错能力差，产生冲突。,5.1 局域网的特点及类型,（2）环型拓扑,由一些中继器通过点到点链路连成的一个闭合环。入网设备连到中继器上。它从一条链路上接收数据,以
4、相同速率在另一条链路上输出。数据在环上是单向传输的。,基本特性,缺点,某段链路或某个中继器有故障会使全网不能工作；站点离网、入网都较困难。,（3）星型拓扑,每一个站点通过点-点链路连至中心节点，所有的通信都由中心节点控制，一般采用线路交换。,基本特性,优点,建网容易，配置方便；每个连接的故障容易排除，不影响全网；控制协议相对简单。,缺点,对中心节点要求非常高，一旦中心节点产生故障,全网将不能工作。,5.1 局域网的特点及类型,（4）混合型拓扑,为总线型变形，或者可以看做多级星形结构，是一种使用广播的信道。,5.2 局域网的层次结构,局域网的标准：IEEE802（ISO8802）IEEE802是
5、一个标准系列：IEEE802.X,IEEE802.1IEEE802.14其体系结构只包含了两个层次：数据链路层、物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层,5.2 局域网的层次结构,5.2.1 局域网的层次模型,数据链路层协议结构,IEEE802体系结构示意图,数据链路层在不同的子标准中定义分别对应于LLC子层和MAC子层,局域网的数据链路层,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，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
6、：与介质、拓扑相关。,5.2 局域网的层次结构,5.2.1 局域网的层次模型,1LLC子层 LLC(Logic Link Control)逻辑链路控制子层，即IEEE802.2标准 作用：流量控制、差错控制等 软件中实现,5.2 局域网的层次结构,LLC子层的作用,由于不同的网络类型有不同的介质访问子层与之对应，而逻辑链路控制子层LLC则掩盖了不同物理网络之间的差别，以统一的格式为网络层提供服务LLC子层把网络层的分组（在TCP/IP中即IP数据包）加上LLC头，交给MAC子层组成相应的802.X帧发送,5.2 局域网的层次结构,LLC提供的三种服务,不可靠的数据报服务可靠的数据报服务面向连接
7、的服务对于不同的数据帧和控制帧有不同的格式有确认的数据报服务和面向连接的服务，在帧格式中包含源地址、目的地址、序列号、确认号等无确认的数据包服务的帧格式中不包含序列号和确认号,5.2 局域网的层次结构,5.2.1 局域网的层次模型,2MAC子层 MAC（Media Access Control）介质访问控制子层 作用：介质访问控制等 主要由硬件（网卡）实现 提供了LLC子层与物理层之间的接口,5.2 局域网的层次结构,功能：位流的传输；同步前序的产生与识别；信号编码和译码。IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。两个接口：连接单元接口（AUI）可选，仅用于
8、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,3.物理层,5.2 局域网的层次结构,5.2.2 IEEE 802标准体系-LMSC,5.3 以太网及介质访问控制方法,LAN的结构类型LAN的结构主要有三种类型：以太网（Ethernet）令牌环（Token Ring）令牌总线(Token Bus）另外还包括：作为这三种网的骨干网光纤分布数据接口（FDDI）,5.3 以太网及介质访问控制方法,一、以太网（Ethernet）局域网经过了近三十年的发展，尤其是在快速以太网（100Mbps）和吉比特以太网，10吉比特以太网进入市场后，以太网已经在局域网市场中占据绝对的优
9、势。以至于很多人将局域网和以太网视为同一个概念。,以太网在逻辑上是总线型的，其中心设备相当于一根总线，因此每个站点发送数据是通过“广播”方式将数据送往共享介质。任何站点都没有预约发送时间，发送是随机的。这样就有可能会出现两个或多个站点同时发送数据，而信号在总线上相互干扰的情况，即发生“冲突”。,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。提出问题：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）？解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。两类介质共享技术：静态分配（FDM、WDM、TDM、CDM）不适用于局域网动态分配（随机接入、受控接入）CS
10、MA/CD、Token-Passing,5.3 以太网及介质访问控制方法,5.3.1 CSMA/CD介质访问控制方法,一、信道分配方法分析：在多个竞争用户之间分配单个信道传统方法为频分多路复用（FDM）。FDM适用于用户数量比较少而且固定不变，并且每个用户都有繁重的流量负担的时候。对于发送方数量非常多且经常不断变化，或者流量突发性大的，如果同样使用频分N等分：第一种情况只有很少的用户需要进行通信，则大量宝贵的频谱被浪费掉。第二种情况如果希望进行通信的用户数超过了N个，则有些用户将被拒绝；第三种情况即使有些已经被分配了频段的用户并不发送或者接收数据，他们也无法将自己的频段转给其他用户。既然传统的
11、静态信道分配方法不能适应突发性流量，以太网使用动态分配方法:CSMA/CD,5.3.1 CSMA/CD介质访问控制方法,多个站点如何安全地使用共享信道？最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否可以立即发送？若有多个站点都在等待发送，必然冲突！解决：等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率）若信道忙，如何处理？继续监听：等到信道空闲后立即发送等到信道空闲后等待随机时间后再发送等待一段随机时间后再重新检测信道一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？以上方法均无法处理！,载波监听多路访问协议CSMA,载波监听协议（Carrier Sense Protocol
12、）持续和非持续CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）它检测其他站的活动情况，据此调整自己的行为1、1-持续CSMA(1-persistent CSMA）2、非持续CSMA(Nonpersistent CSMA)3、p-持续CSMA(p-persistent CSMA),1-持续CSMA,每个站在发送前，先侦听信道，当信道忙或发生冲突时，要发送帧的站，则等待并持续侦听，一旦信道空闲，便立即发送，即发送的概率为1；如冲突，则延时一随机时隙数后，重新发送。其中，长的传播延迟和同时发送帧，会导致多次冲突，降低系统性能。,非持续CSMA（Nonpersi
13、stent CSMA）,每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙或发生冲突时，则不再继续侦听，它并不持续侦听信道，而是在冲突时，延时一随机的时隙数后，再侦听信道它有更好的信道利用率，但导致更长延迟。,p-持续CSMA（p-persistent CSMA）,它应用于分槽信道每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则等到下一时隙；如信道空闲，则以概率p发送帧，即信道空闲时，这个时槽，按照欲发送的站P概率发送，而以概率q=1-p不发送，把本次发送延至下一时隙。若不发送，下一时槽仍空闲，同理进行发送。若信道忙，则等待下一时槽，若冲突，则等待随机的一段时间，重新开始,5.3 以太网及介质访问控制方法,以太
14、网采用IEEE 802.3定义的载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）技术来避免冲突的发生，使多个站点能够共享信道。CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问MA（Multiple Access）总线型特点：多点接入CS(Carrier Sense)载波监听：发送前监听线路CD(Collision Detection)碰撞检测,核心,5.3 以太网及介质访问控制方法,用于IEEE802.3以太网工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就
15、立即发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送冲突强化信号（Jam）；发送Jam信号的目的是使所有的站点都能检测到冲突等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。CSMA/CD的工作流程可以概况为“先听后发，边发边听，冲突停止，延迟重发”。,JAM阻塞信号：特殊字节来强化冲突，以便让总线上所有设备都知道发生冲突,回退算法：将所有设备停止发送一段随机时间，然后尝试发送数据,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后最多经过时间 2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测
16、到碰撞，才能肯定这次成功发送数据。,5.3 以太网及介质访问控制方法,CSMA/CD协议的时间槽,时间槽能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）若两站点之间传播时延为a，则时间槽2a。如下图所示：,站点2发送帧,当0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽2a。,5.3 以太网及介质访问控制方法,总结CSMA/CD:显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站不能同时进行发送和接收。因此，使用CSMA/CD协议的以太网只能进行半双工通信。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,CSMA/CD的优缺点,控
17、制简单，易于实现；网络负载轻（40以内）时，有较好的性能延迟较小网络负载重时，性能急剧下降冲突数量增加各工作站需要频繁执行重发操作大量的重发操作反过来又使冲突率进一步增加网络延迟增大延迟时间不可预计（非确定性延迟）,5.3 以太网及介质访问控制方法,5.3.2 典型的以太网,5.3.2 典型的以太网,主机箱,收发器电缆,网卡,AUI,保护外层,外导体屏蔽层,内导体,收发器,RJ-45连接器,1、10BASE5（粗缆以太网）,同轴电缆以太网,粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器:发送/接收,冲突检测,电气隔离总线型拓扑,5.3.2 典型的以太网,2、10BASE
18、2（细缆以太网）,主机箱,BNC T 型接头,BNC 连接器插口,BNC网卡,BNC插头,细缆以太网（10Base2）细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器 轻便、灵活、成本较低总线型拓扑,每段最大长度 185m每段最多站点数 30,0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,终端匹配器,5.3.2 典型的以太网,3、10BASE-T（以太网）,主机箱,双绞线,集线器,RJ-45插头,5.3.2 典型的以太网,双绞线（UTP），两头压接RJ45连接器；所有站点都与HUB（集线器）相连接；HUB的作用：信号放大与整形星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。轻便、安装密度高、便于维护,NIC,
19、HUB,双绞线以太网（10Base-T）,在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。,5.3.2 典型的以太网,3、100BASE-T（快速以太网）,100BASE-T 以太网的特点,100Base-T沿用了IEEE 802.3规范所采用的CSMA/CD技术。无论是帧的结构、长度还是错误检测机制等都没有做任何的改动。此外，100Base-T支持所有能够在IEEE802.3网络环境下运行的软件和应用。100Base-T提供了10 Mbps和100 Mb
20、ps两种网络传输速率的自适应功能，网络设备之间可以通过发送快速链路脉冲（FLP）进行自动协商，从而实现10Base-T和100Base-T两种不同网络环境的共存和平滑过度。,三种不同的物理层标准,根据使用的传输介质的不同，定义了三种不同的物理层标准：100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类线（超5类）或屏蔽双绞线 STP。100BASE-FX 使用 2 对光纤。100BASE-T4使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。,吉比特以太网,允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使
21、用 CSMA/CD 协议）。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。,吉比特以太网的物理层,1000BASE-X基于光纤通道的物理层：1000BASE-SX SX表示短波长1000BASE-LX LX表示长波长1000BASE-CX CX表示铜线1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP,5.3.3 以太网的MAC层,源地址,广播通信方式,目的地址,MAC地址又称作“物理地址”或者“硬件地址”，作用：在网络中标识计算机身份。,MAC地址,又称为物理地址，它是网络站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。网络站点
22、的每一个网络接口都有一个MAC地址。MAC地址大多固化在网络站点的硬件中一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口的个数。例如安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址,IEEE802.3标准规定：MAC地址的长度为6个字节，共48位；可表示24670万亿个地址（有2位用于特殊用途）高24位称为机构惟一标识符OUI，由IEEE统一分配给设备生产厂商；如3COM公司的OUI=02608C低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给所生产的每一块网卡或设备的网络接口。,也可以是2个字节，但2字节的地址很少使用,5.3 以太网及介
23、质访问控制方法,Ethernet 帧结构-mac帧,MAC 帧,物理层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始定界符,7 字节,1 字节,IP 层,0 x800 IP数据报,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,目的地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,源地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,类型字段 2 字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层
24、的这个协议。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,数据字段 46 1500 字节,数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部=数据字段的最小长度,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,FCS 字段 4 字节,当传输媒体的误码率为 1106 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。,当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2
25、的 MAC 帧格式,在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。,为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节,5.4 令牌环网及介质访问控制方法,5.4.1 令牌环网,令牌环网最初是由IBM公司在20世纪80年代开发的一种网络传输系统。在20世纪90年代初，令牌环网体系结构与以太网进行了激烈的竞争并成为最流行的连网技术。但是后来以太网不断改进它的实用性、速度和可靠性，并最终超过了令牌环网。IEEE802.5描述了令牌环网技术的规范。令牌网通过屏蔽或非
26、屏蔽双绞线以4Mbps或16Mbps速率传输数据，使用令牌传递机制和星型环状混合物理结构，通常令牌环网比以太网实现起来更昂贵。,2.令牌传递（Token Passing）,A,B,D,C,站点,干线耦合器,单向环,点到点链路,主要用于IEEE802.5令牌环网 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环,Token Ring/802.5的操作,哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（Token）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待；拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；数据帧循环
27、一周后由源站点回收，并送出一个空令牌，使其余的站点能获得帧的发送权。,Token Ring/802.5的操作举例,IEEE802.5的帧结构,令牌帧,数据帧/控制帧,起始,访问控制,帧控制,目的地址,源地址,数据,FCS,结束,帧状态,访问控制字段包括：优先级位与优先级预约位。令牌位：帧类型标识。0：令牌帧；1：信息/控制帧 监督位：防止无效帧无限循环。,令牌环网的实际结构星形环路,A,B,C,D,E,集线器,5.4 令牌环网及介质访问控制方法,5.4.3 FDDI,FDDI的拓扑结构类似于环形网。它使用令牌环网所采用的令牌传递方式。在这种方式下，令牌沿着网络传递，当一个设备需要传送数据时，它
28、就截取令牌并把它所要发送的数据添加进令牌，这样就形成了一个帧。该帧沿着网络循环传播，直到它的目标站点接受它。与令牌环技术不一样的是：FDDI将它的令牌环网设计成双环结构，在两个完整的环上运行。主环承载数据，次环作为备份，而且双环是逆向旋转的。当所有器件都正常时，使用主环发送数据，具有自恢复功能，如图所示，当线路或站点出现故障时，可以将主环和次环连接起来使用。这种冗余措施使得采用了FDDI的网络非常可靠。,5.4 令牌环网及介质访问控制方法,5.4.3 FDDI,FDDI（Fiber Distributed Data Interface）,传输速率为100Mb/s；网络由光纤介质的双环构成，可靠
29、性高；介质访问控制方法采用Token Passing；网络覆盖范围较大（几十km几百km）。,FDDI的自修复功能正常情况下，仅主环工作，次环用于备份。当主环出现故障时，FDDI在能够自动重新配置，使网络流量绕过主环中的故障点从备份环中通过。,FDDI的优缺点主要优点：令牌传递协议消除了数据冲突；双环结构提供了优秀的容错能力；内建的网络管理能力；令牌传递协议能保证预知的、确定的时延；在现有的100Mb/s的网络技术中，其网络覆盖范围最大，适用于大型LAN和MAN。主要缺点：协议比较复杂；安装和管理相对困难；价格昂贵，与快速以太网和千兆以太网相比，性能价格比低；与广泛使用的以太网之间进行互联比较
30、困难。目前正逐渐被快速以太网和千兆以太网所替代。,5.5 局域网资源共享模式,5.5.1 对等模式,若网络操作系统的各个模块平等地分布在所有的网络站点上，则网络不需要专用服务器，所有站点在网络中的地位和作用是相同的。此时，安装在任何一个站点上的系统软件都一致，每一台工作站既可以作为客户去访问其它站点，同时又可作为服务器向其它站点提供服务，所有工作站均有相同的协议栈，都具有自主权，彼此之间能够直接共享设定的网络资源。这种交互模式就是对等模式。对等模式有如下优点：在网络中没有服务处理中心和控制中心，即网络的服务和控制功能分布于各个站点上。可见，该模式具有分布处理及分布控制的特征。易于使用，每个工作
31、站的资源可以直接共享。灵活性好，容易安装与维护。负载均衡。价格相对便宜，而且不需要专用服务器。,5.5 局域网资源共享模式,5.5.2 客户机/服务器模式,在分布式计算中，一个应用程序被动地等待，而另一个应用程序通过请求启动通信的模式就是客户/服务器模式。其实质是指通信中涉及到的两个应用程序之间的服务与被服务关系。,功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程,数据链路层,物理层,运输层,网络层,应用层,计算机 3,因特网,5.5.2 客户机/服务器模式,客户程序具有以下特点：1、功能相对简单，不需要特殊的硬件和复杂的操作系统；2、可与多个服务器进行通信；3、是普通的应用程序，在进行通信时临时成为客户，但在本地也可以执行其他的功能；4、在用户计算机本地运行的同时，用户可随时开始或停止工作。,服务器程序的特点：1、一般需要强大的硬件和高级的操作系统；2、可以同时处理多个远程用户的请求；3、是一种专门用来提供某种服务的、享有特权的应用程序；4、在一台共享计算机上运行，系统启动时自动调用，并一直维持运行状态。,
