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1、第四章 局域网,讲 授 人：董亚坤,1,计算机网络课件,授 课 内 容：教材第61页,计算机网络课件,你准备好了吗？,问题一：什么是计算机网络？问题二：计算机网络的基本功能？问题三：什么是网络拓扑结构？可分为几类？问题四：CSMA/CD的工作过程？问题五：计算机网络按距离划分可分为几类？,2,知 识回 顾,温故而知新，可以为师矣！,名言提示：,任 务 单任务一：预习教材61页到64页。任务二：找出本节课知识要点。1、了解局域网的定义和产生背景。2、局域网具有什么技术特点？（重点）3、局域网的技术要素有哪些？4、局域网的分类 1）以太网的技术要素有哪些（重点）2）拓展：了解FDDI和ATM的特点
2、。,局域网概述,一、定义：是覆盖范围比较小的计算机网络，一般采用数字通信技术，有较快的通信速率。,LAN,WAN,二、技术特点：1、局域网覆盖有限的地理范围。（1-20千米）例：网吧、公司、机关、校园等2、局域网具有较高的数据传输速率。（一般不少于10M bps)3、局域网数据传输质量高，误码率低。（10-710-12）4、局域网属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展。5、协议简单、结构灵活、建设成本低。,三、技术要素1、传输介质 双绞线 有线介质 同轴电缆 光纤,红外线无线介质 无线电波 微波,2、介质访问控制方法,CSMA/CD、令牌总线、令牌环等,带有冲突检测的载波侦听多路访问法,3、传
3、输技术:基带传输和宽带传输,4、拓扑结构,匹配电阻,集线器,总线网,星形网,树形网,环形网,8,四、局域网的分类（一）以太网 1、概 述 背 景：1972年在美国施乐公司研制成功。目 的：将办公室工作站与昂贵主计算机连接起来。技 术 要素：传输介质：粗缆、细缆、双绞线、光缆 拓 扑结构：总线型、星型 介质访问控制方法：CSMA/CD,2、以太网分类1）10Mbps 10 Base-5 10Base-2 10Base-T传输介质：粗缆 细缆 双绞线拓扑结构：总线型 总线型 星型网段长段：500米 185米 100米传输技术：基带 基带 基带中央结点：集线器,绞合,11,10BASE-2以太网连接
4、,12,10BASE-T以太网连接,AUI,13,100BASE-T以太网方法,3）千兆位以太网和万兆位以太网 千兆位以太网是目前最快的以太网。又称为吉比特以太网。采用光纤和UTP传输介质。万兆位又称为十吉比特以太网。速率可达10Gbps,2）快速以太网100Bate-X 100Bate-TX 100Bate-Fx双绞线，100Mbps，交换机 多模光纤,(三）FDDI名称：光纤光步式数据接口特点：采用光纤做传输介质。高速率高可靠性，传输距 离可达100千米。用大型网络主干网中。,特点：采用光纤为传输介质，独享带宽，无需路由，高速率，适合多媒体通信要求。,拓展：（二）ATM 1、概述 名称：异
5、步传输模式 基本数据单元为信元,信元,元 头：5个字节,用户数据：48个字节,课堂小结,重点,重点,重点,17,思 考：,你做为一名网络管理者，你组建局域网时应该注意哪些问题？,课堂强化训练1、目前计算机网络中，技术较为成熟，发展最为迅速的技术是（）2、局域网一般采用（）通信技术。3、局域网数据传输质量（）误码率（）,4、局域网建设成本（），粗缆每网段的最大传输距离为（）米。5、局域网采用的拓扑结构有()()()6、局域网从介质控制方法可分为:()和（）局域网，以太网的介质访问控制方法是,局域网,数字,低,500,总线型,环形,星型,共享介质,交换式,（带有冲突检测的载波侦听多路访问法）,高,
6、低,7、以太局域网产生（）年美国（公司。8、10Base-T，10Base-2，10Base-5采用的传输介质分别是（）（)（）9、局域网的英文是（）10、100BaseT采用（）拓扑结构，中央结点为（）；（）适合多媒体通信的要求。11、ATM的名称是（）它处理的数据单元是（）其中它包括（）个字节。12、FDDI的名称是（）它采用（）做为传输介质。,1972,施 乐）,双绞线,同轴电缆,光纤,LAN,星型,交换机,ATM,异步传输模式,信元,53,光纤分布式数据接口,光纤,作业：1、这节课你学到了什么？2、预习局域网的组成！,记下来吧,成功源于你的积级主动！,21,谢 谢 大 家,网络适配器（
7、网卡）,工作站与网络的接口设备，用于发送和接收数据帧。除作为工作站连接入网的物理接口外，还控制帧的发送和接收分ISA、EISA和PCI三种类型,22,网卡的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。,23,网络适配器（网卡）,网卡有AUI接口（粗缆接口）、BNC接口（细缆接口）和RJ-45接口（双绞线接口）三种接口类型。,24,CPU,高速缓存,存储器,I/O 总线,计算机,至局域网,网络接口卡（网卡）,串行通信,并行通信,25,中继器,用于连接同类型的两个局域网或延伸一个局域网。当我们安装一个局域网而物理距离又超过了线路的规定长度时，就
8、可以用它进行延伸。,26,网桥,27,网桥基本特征,网桥在数据链路层上实现局域网互连；网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络；网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信；网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。,28,交换机,交换机与网桥都是工作在数据链路层，交换机可以认为是一个多端口的网桥；交换机工作在数据链路层，完成帧的转发；由于交换机完成帧一级的交换，它是工作在数据链路层，因此也叫做第二层交换机。,29,5.2 局域网的拓扑结构,星形结构总线型结构环形结
9、构树形结构,30,星形拓扑结构,31,优点,（1）结构简单，便于管理；（2）控制容易，组网简单；（3）连接的故障不影响整个网络；（4）集中控制，故障的检测和隔离方便；（5）延迟时间短，传输的误码率低。,32,缺点,（1）对中央节点的可靠性要求很高；（2）费用比较高，要大量的电缆，维护、安装难；（3）扩展困难：加电缆和中央节点的接口；（4）点对点连接，共享数据能力差（5）专用通信电缆，利用率不高。,33,总线型拓扑结构,34,1.总线型拓扑构型,总线型局域网是“共享介质”方式；所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突(collision)”是不可避免的；“冲突”
10、会造成传输失败；必须解决多个结点访问总线的介质访问控制(MAC，Medium Access Control)问题。,35,36,介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？发送时会不会出现冲突？出现冲突怎么办？总线型拓扑的优点是：结构简单，实现容易，易于扩展，可靠性较好。,37,缺点,(1)故障诊断困难；(2)故障隔离比较困难；(3)实时性不强；(4)总线长度有限制，扩展麻烦。,38,环形拓扑结构,39,结点使用点到点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；多个结点共享一条环通路；环建立、维护、结点的插入与撤出如何实现？环网协议的设计；,40,环形拓扑
11、结构优点,(1)简化路径的选择，没有路径选择问题（两个节点之间只有唯一点通路），控制协议简单。(2)电缆长度短，所需的电缆少于星形拓扑网络。(3)网络的实时性好，适用于数据传输实时性要求较高的场合。(4)适合于光纤网，传输速度快，避免电磁干扰。,41,缺点,(1)网络扩展困难。(2)接点过多时，传输速度慢。,42,树形拓扑结构,43,树形拓扑结构,(1)易于扩展(2)故障隔离较容易缺点：对根结点的依赖性太大,44,5.3局域网的体系结构,电气和电子工程师协会（Institute of Electronical and Electronics Engineers,IEEE）于1980年2月专门成
12、立了IEEE 802委员会，专门制定局域网的国际标准，即著名的IEEE 802参考模型。,45,IEEE802参考模型（LAN/RM）,局域网参考模型和OSI参考模型的对应关系,46,47,48,千兆位以太网的应用,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层媒体接入控制 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 子层则与传输介质无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是
13、透明的,49,局域网对 LLC 子层是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据链路层,站点 2,LLC 子层看不见下面的局域网,50,LLC帧和MAC帧的关系,51,逻辑链路控制子层LLC,功能LLC层为网络层提供服务（通过SAP）建立/释放逻辑连接差错控制帧序号处理,52,（LLC）,53,LLC提供的服务,LLC1无应答（确认）的无连接服务；LLC2面向连接服务；LLC3应答（确认）的无连接服务；LLC4高速传送服务。,54,介质访问控制子层（MAC）,MAC是数据链路层上特有的一个子层，用于解决共享信道的分配问题。IEEE 802 已规定的MAC有CSMA/CD
14、、令牌总线、令牌环等。MAC子层要完成MAC帧的封装、解封和介质访问控制两个主要功能。,55,MAC地址,MAC地址是主机在网络中的站地址或物理地址（硬件地址）48bit的全球地址，固化在网卡的ROM中严格的讲MAC地址是一个站标识符。,56,Ethernet地址结构,Ethernet地址=Manufacture ID+NIC ID 24bit 24bit 公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5A典型的Ethernet地址：00-60-8C-01-28-12 0000000010
15、10000010001100 000000010010100000010010Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡；,57,5.4 IEEE 802.3标准系列和以太网,以太网(Ethernet)最初是美国Xerox（施乐）公司和STANFORD大学Palo Alto研究中心合作于1975年推出的一种局域网。1980年9月，DEC、Intel、Xerox三公司合作公布Ethernet 物理层和数据链路层的规范，也称DIX规范。在此基础上形成IEEE802.3,58,IEEE802.3标准对应于OSI/RM模型的最低两层，详细描述了总线拓扑结构的CSMA/CD介质访问控制方法，物
16、理收发信号（PLS）子层的服务规范以及物理层的逻辑、电气和机械特性等。,59,IEEE 802.3标准与10Mbit/s以太网,IEEE802.3定义了基带传输和宽带传输两大类标准（物理层）,60,1.IEEE 802.3帧格式,前导码字段P占7个字节，每个字节的比特模式为“10101010”，用于实现收发双方的时钟同步。帧起始定界符字段SFD占1个字节，其比特模式为“10101011”，它紧跟在前导码后，用于指示一帧的开始。,61,IEEE 802.3帧格式,IEEE 802.3的字段长度在01500之间；为使CSMA/CD协议正常操作，需要维持一个最短帧长度；帧校验序列FCS字段是32位(
17、即4个字节)的循环冗余码(CRC)，其校验范围不包括前导字段P及帧起始定界符字段SFD。,62,2.CSMA&CSMA/CD原理,总线争用技术可分为载波监听多路访问CSMA（Carrier Sense Multiple Access）和具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）两大类。IEEE 802.3标准采用CSMA/CD协议。,63,“多路访问”表示许多计算机在多个地点接入到一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂
18、时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,64,CSMA,载波监听多路访问CSMA的技术，也称做先听后说LBT(Listen Before Talk)。要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听，以确定是否有别的站点在传输数据。若信道空闲,传送,若忙,避让一段时间再尝试。,65,避让算法,1.非坚持算法(1)如果媒本是空闲的，则可以立即发送。(2)如果媒体是忙的，则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。,66,避让算法,2.1-坚持算法(1)如果媒体空闲的，则可以立即发送。(2)如果媒
19、体是忙的，则继续监听，直至检 测到媒体是空闲，立即发送。,67,避让算法,3.P-坚持算法(1)监听总线，如果媒体是空闲的，则以P的概率发送，而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。(2)延迟一个时间单位后，再重复步骤(1)。(3)如果媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤(1)。,68,如何解决冲突,信号传播时延冲突的问题,69,发生冲突可能性的讨论,A,B,L,长度为L，电磁波传输的速度为C，则信号从A到B的时间T=L/C,A,B,A在时刻t0监听到链路空闲，发送数据，在t1T时刻，B监听到链路空闲，发送数据，于是碰撞出现了,DA,t0,t1,DB
20、,A,B,X,t0,t1,t2,70,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。,71,冲突（碰撞）检测,“冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了冲突（碰撞）。,72,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送
21、数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,73,CSMA/CD发送过程流程图,74,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以太网不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。,75,争用期,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 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到碰撞，才能肯
22、定这次发送不会发生碰撞。,76,争用期或碰撞窗口的概念,77,争用期的长度,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,78,最短有效帧长,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,79,二进制指数类型退避算法(truncated binary exponent
23、ial type),发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2；退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数，1个小时间片等于两站之间的最大传播时延的两倍；当数据帧再次发生冲突，将参量L加倍；设置一个最大重传次数，超过该次数，则不再重传，并报告出错。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。,80,3.IEEE802.3物理层规范,一种简明的表示方法：数据传输率(Mpbs)10Base5（粗缆以太网）10Base2（细缆以太网）10Base-T（双绞线以太网）10Base-F（光纤以太网）10BROAD3
24、6。,81,82,（1）细缆以太网（10BASE-2）10BASE-2以太网采用0.2英寸50的同轴电缆作为传输介质，传输速率为10Mbps。10BASE-2使用网卡自带的内部收发器（MAU）和BNC接口，采用T形接头就可将两端的工作站通过细缆连接起来，组网开销低，连接方便。（2）双绞线以太网（10BASE-T）10BASE-T以太网是使用非屏蔽双绞线电缆来连接的传输速率为10mbps的以太网。,83,10BASE-2以太网连接,84,10BASE-T以太网连接,85,5.4.2 高速局域网,1.100BASE-T,86,100BASE-T组网方法,87,快速以太网的网络拓扑结构图,88,5.
25、4.3 千兆以太网,千兆以太网1.以太网向千兆位以太网的升级方法（1）交换机到交换机链路的升级（2）交换机到服务器链路的升级（3）快速以太网骨干网的升级（4）高性能工作站的升级 2千兆位以太网的物理层连接（1）光缆介质上的长波和短波激光（2）150欧姆均衡屏蔽同轴电缆（1000BaseCX）,89,IEEE802.3Z 千兆以太网的结构模型,90,千兆位以太网的应用,91,5.5 令牌网,令牌环网络（Token-Ring）系统在1985年由IBM公司率先推出。令牌环网的拓扑结构为环形，采用专用的令牌环介质访问控制方式，传输介质为屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）或者光纤，传输速率为4
26、Mbps或者16Mbps。令牌环网络系统遵循IEEE802.2和IEEE802.5标准，在传输效率、实时性、地理范围等网络性能上都优于采用CSMA/CD介质访问控制方式的以太网。令牌环网络的覆盖范围没有限制，但站点数却受到一定限制。使用STP时可连接2260台设备，而使用UTP时只能连接272台设备。令牌环网络的原理图如图所示。,92,令牌环网络原理图,干线耦合器原理,93,传送过程,94,总线结构中的令牌环,95,5.6 FDDI光纤环网,FDDI，即光纤分布式数据接口，是以光纤传输介质的局域网标准，由美国国家标准协会ANSI X3T9.5委员会制定。FDDI采用主、副双环结构，主环进行正常
27、的数据传输，副环为冗余的备用环。FDDI网的网络拓扑结构,96,FDDI的网络拓扑结构属于环形结构,97,5.7 无线局域网,有固定基础设施的无线局域网,基本服务集 BSS,扩展的服务集 ESS,基本服务集 BSS,A,B,漫游,接入点 AP,接入点 AP,分配系统 DS,门桥,802.x局域网,因特网,门桥,98,有固定基础设施的无线局域网,扩展的服务集 ESS,A,B,接入点 AP,接入点 AP,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BS
28、S 的基站。,99,有固定基础设施的无线局域网,扩展的服务集 ESS,A,B,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,基本服务集中的基站叫做接入点 AP(Access Point)其作用和网桥相似。,100,A,B,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,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)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。,101,扩展的服务集 ESS,A,B,802.x局域网,因特网,ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用
29、户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。,102,扩展的服务集 ESS,B,802.x局域网,因特网,移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。,103,无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network),自组网络,A,E,D,C,B,F,源结点,目的结点,转发结点,转发结点,转发结点,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。,104,虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。
30、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。,5.8 虚拟局域网,105,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,106,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟
31、局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。,107,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,B1 发送数据时，工作站 A1,A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。,108,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,
32、以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,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“广播风暴”)而引起性能恶化。,109,虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,虚拟局域网使用的以太网帧格式,110,5.9 局域网操作系统,网络操作系统（NOS，Network Operating System）是管理计算机网络资源的系统软件，是网络用户与计算机网络之间的接口。网络操作系统既有单机操作系统的处理机管理、内存管理、文件管理、设备管理和作业管理等功能，还具有对整个网络的资源进行协调管理，实现计算机之间高效可靠的通信，提供各种网络服务和为网上用户提供便利的操作与管理平台等网络管理功能。,111,服务模式,对等（Peer to Peer）模式文件服务器模式客户机/服务器模式,112,对等模式,文件服务器模式,113,C/S运作模式原理,114,
