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1、第五讲 局域网及广域网(1),本章结构：局域网概述以太网技术无线局域网广域网技术 关键知识点：局域网的组成、特点及拓扑结构；以太网的网络介质访问控制方法及分类；无线局域网标准及结构；广域网特点及各种广域网技术。,第三章 局域网及广域网,教学目的：本章将主要学习局域网技术、广域网技术等基本知识，它们是学习计算机网络、交换技术、路由技术的前提，为我们使用和管理计算机网络打下基础。教学要求：掌握常见局域网的类型、特点及拓扑结构；掌握以太网的工作原理、特点及分类等；了解无线局域网的标准及结构；掌握广域网的基本概念、通信方式及协议；了解广域网几种常见的特性及用途。,3.1 局域网技术概述,3.1.1局域
2、网的定义 3.1.2局域网标准,3.1.1 局域网的定义,定义：局域网LAN(Local Area Network)是一种在较小的地理范围内，用共享通信介质将大量计算机及各种IP设备连接在一起，实现数据传输和资源共享的计算机网络。需要解决的主要问题：连接接口连接设备通信介质访问协议通信距离、速率等关键问题：多个用户如何在共享介质上进行正确、有效的通信？,3.1.1 局域网的拓扑结构,星形拓扑结构：集中控制，易于维护且安全性高；出现故障不影响其他端用户间的通信；中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。一般应用在使用HUB或交换机组成的小型网络中。,3.1.1 局域网的拓扑结构,树形拓扑结构：是星形
3、拓扑的扩展，在园区网中使用，组成层次化的网络；Hub级联的个数是有限制的，一般最远PC间不要超过5段。但如果采用全双工以太网交换机则不受限制。,3.1.1 局域网的拓扑结构,环型网络拓扑结构：每个端用户都与两个相临的端用户相连，因而存在着点到点链路，但总是以单向方式操作；如果环的某一点断开，环上所有端间的通信便会终止；环型拓扑结构主要应用在令牌环（Tokenring）或光纤数字分布接口（FDDI）等网络中。,3.1.1 局域网的拓扑结构,总线型拓扑结构：使用同一介质或电缆连接所有端用户的一种方式，连接端用户的物理介质由所有设备共享；一次仅能为一个端用户发送数据，其他端用户必须等待，直到通过竞争
4、获得发送权；一般应用于早期的以太网及令牌总线（Tokenbus）网络中。,3.1.2 局域网标准与参考模型,IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers-“电器与电子工程师协会”,1、局域网的标准：IEEE802（ISO8802）系列：802.1-表示局域网中的高层互联与管理协议 802.2-逻辑链路控制802.3-CSMA/CD（以太网，Ethernet）Ethernet 成为IEEE 802.3 标准（1985）IEEE 802.3u Fast Ethernet 标准（1995）IEEE 802.3z Gigabit Ethe
5、rnet 标准（1998）IEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准（1999）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802.8 FDDI（光纤分布数据接口）802.11 WLAN（无线局域网）802.x,2.IEEE802局域网参考模型,IEEE802只包含两层：数据链路层，物理层;IEEE802定义了多种物理层802.3802.1x，以适应不同的网络介质和不 同的介质访问控制方法；数据链路层又分为逻辑链路控制LLC和介质访问控制MAC两个子层：LLC：向高层提供统一的链路访问形
6、式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关；MAC：进行寻址与差错检测，与介质、拓扑相关,MAC在各子标准802.3-802.1x中定义。,3.2 以太网技术,3.2.1以太网标准3.2.2CSMA协议3.2.3 CSMA/CD协议3.2.4 802.3的MAC地址3.2.5 令牌环网IEEE802.5简介3.2.6 高速局域网,3.2.1 以太网标准,1、IEEE 802.3标准,传统以太网：10Mb/s802.3 粗同轴电缆802.3a 细同轴电缆802.3i 双绞线802.3j 光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u 双绞线，光纤千兆以太
7、网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z 屏蔽短双绞线、光纤802.3ab 双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s802.3ae 光纤,2、以太网标准标识方法,载波侦听多路访问协议CSMA基本思想：站点在发送数据前，进行载波侦听，以判断目前是否有人在发送数据，然后再采取相应动作。载波侦听：根据物理接口的电气特性，捕获信道上的脉冲信号，并与发送数据用的载波信号比较，以判断是否有人在发送数据的技术。CSMA有多种形式：1-坚持CSMA非坚持CSMAP坚持CSMA,某站点要发送数据时，先侦听信道；如果空闲，则以概率P发送数据，以概率1-P推迟到下一个时间片，然后侦听信道；如果信道忙
8、，则等下一个时间片，然后侦听信道；重复上述过程，直到数据发送完。,某站点要发送数据时，先侦听信道；如果空闲，则立即发送；否则，等待一个随机时间后，重复上述过程。,3.2.2 CSMA 协议,某站点要发送数据时，先侦听信道；如果空闲，则立即发送；如果忙，继续侦听，直到信道空闲，然后以概率1发送数据；,三种CSMA是否完全避免了冲突呢？例：站点A在发送数据，但由于信道的传播时延，数据还未到达站点B，此时站点B要发送数据，它侦听到信道是空闲的，于是也开始发送数据，从而发生冲突。,B,A,冲突,结论：在CSMA中冲突是不可避免的，必须进行冲突检测和处理！,1、CSMA/CD 基本思想：某站点想要发送数
9、据，它必须首先侦听信道；如果信道空闲，立即发送数据,并进行冲突检测；如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，立即发送数据,并进行冲突检测；如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据，并等待一随机长的时间，重新侦听信道。,问题：-是否还存在冲突呢？-是否能正确处理冲突呢？-一个数据包发送后在多长时间内能够确定是否会发生冲突呢？,3.2.3 CSMA/CD 协议,2 802.3 CSMA/CD工作的流程图,（1）定义一个时间片等于T=2（为网段最远两站点间信息位传输的时间）。在以太网中一般取时间片的长度为512bits，即在10Mbit/s以太网下为51.2微秒。（2）定义一个参数k
10、等于重传次数（其最大值为10），令L=2k。所以，当第1次发生冲突时，L2。第2次发生冲突时，L4等等。（3）退避间隔t取1到L个时间片中的一个随机数，即t=（1L）T。（4）当重传达16次仍不能成功则不再重传，则丢弃该数据帧，并向上层报告出错。,3 二进制指数回退算法：,3.2.4 802.3的MAC地址,MAC又称为物理地址，它是网络节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。网络节点的每一个网络接口（网卡）都有一个唯一的MAC地址。MAC地址固化在网卡中.一个节点允许有多个MAC地址，取决于该站点网络接口的个数。例如：安装有多块网卡的
11、计算机；有多个以太网接口的路由器。,IEEE802.3 标准MAC地址规定：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位为机构惟一标识符OUI，由IEEE统一分给设备生产厂商；如3COM公司的OUI=02608C低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。,I/G,OUI（22位）,G/L,EI（24位）,MAC地址的三种类型：单播地址（Unicast Addr）：（I/G0）拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点点对点传输；多播地址（Multicast Addr）：（I/G1）拥有多播地址的
12、帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点点对多点传输；广播地址（Broadcast Addr）：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输。注意，以上分类只适用于目的地址，对于源地址只能为单播地址。,返 回,3.2.5 令牌环网IEEE802.5简介,问题：能否设计出没有冲突的网络协议呢？令牌环网主要思路：为了防止冲突，把网络设计成一种闭合的环型，在环型网络上设计一个令牌（token)，该令牌在网络上循环，需要发送数据者必须获取令牌，然后发送数据，发完后在释放令牌，以便其他人使用。,1、令牌环工作原理,在没有站点发送数据时，令牌在环上不停
13、地旋转；如果某站点要发送数据等待令牌的到来；抓住令牌并破坏掉；站点往环中发送数据；发送的数据沿环旋转一周后，由发送站点负责将其移走发送站点重新产生令牌。接收者收取目标地址，然后与自己的地址比较，若不同，则继续侦听，若相同，则把数据包存放在自己的接收缓冲区中，并进行CRC校验，正确则交给上层协议，否则丢弃之。,2、Token Ring/802.5的工作举例,1 快速以太网（Fast Ethernet）快速以太网的基本要点：协议标准为：IEEE802.3u；采用共享集线器（HUB）的连接方式；传输介质只支持双绞线和光纤，不再支持同轴电缆；距离从1000 米减少到100米；数据传输率从10Mbps提
14、高到100Mbps；保留IEEE802.3 以太网的介质访问协议CSMA/CD及帧格式；提供10/100Mbps自适应功能；支持3种物理层接口：100Base-TX：使用两对5类双绞线100Base-FX：使用62.5/125m多模光纤100BASE-T4：使用四对3类双绞线,3.2.6 高速局域网,2 千兆以太网(Gigabit Ethernet)：协议标准为IEEE802.3z；数据传输率为1000Mbps(1 Gbps)；兼容10Base-T和100Base-T；保留了以太网的CSMA/CD协议及帧格式，并进行了扩充；物理层支持两种标准四种接口：IEEE 802.3z，1998.6正式公
15、布-1000Base-SX，MMF/550m，多模光纤接口-1000Base-LX，SMF/5000m，单模光纤接口-1000Base-CX，屏蔽短铜缆接口/25mIEEE 802.3ab，1999.6正式公布-1000Base-T，UTP双绞线接口/100m,千兆位以太网物理层接口标准,IEEE802.3z的数据链路层协议,IEEE802.3z的帧格式：,当帧长小于512字节时，需填充“载波扩展”符号,IEEE802.3z保留了IEEE802.3对用户的最小帧长度是64字节，最大帧长度为1518字节约定，便于与以太网和快速以太网的兼容；载波扩展（Carrier Extension）技术：实际
16、传输时，为保证数据发送期间检测到冲突，当帧小于512字节，MAC层将在帧后面填补足够的扩充符号，这个过程叫做载波扩展。帧的校验部分不包含载波扩展的符号；,由于载波扩展信号不是有用的用户数据，从而降低了信道的利用率。例如，一个64字节的帧将浪费448字节用于传输载波扩展符；突发包（packet bursting）技术：如果第一个帧不够512字节，则采用载波扩展技术填充并发送，而后续的数据帧即使不够512字节，也不进行填充，而只在帧与帧之间发送适当的载波扩展字符，以防止其它工作站在突发包期间开始传输。减少载波扩展信号从而提高信道的利用率。,IEEE802.3z的介质访问协议：IEEE802.3z
17、千兆位以太网的MAC协议与802.3 相同（省略）。,万兆位以太网的基本要点：传输速率为10Gb/s；保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度；不再使用CSMA/CD协议；只能工作在全双工方式；只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；支持两种物理层：10Gbit/s局域网物理层和10Gbit/s广域网物理层：多个万兆位以太网可以通过SDH网络实现广域连接，使用单模光纤时端到端的传输距离可达上百公里。万兆位以太网的标准：IEEE 802.3ae，2002年公布局域网物理层：10GBase-X和10GBase-R，MMF:300m，SMF:几十km；广域网物理层：10GBase-W，SMF:几百km以上。,3 万兆位以太网(10 Gigabit Ethernet),速度提高到10Gb/s所遇到的问题：不采用特殊措施，网络跨距将只有2米；若使用“载波扩展”技术，帧长至少4096字节，短帧的传输效率将降低到1.5；同时使用“突发帧”技术，最大效率也只能达到30；解决方法：前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本抛弃CSMA/CD，只工作在全双工方式；只使用光纤介质。万兆位以太网的应用主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与端用户的直接连接。,
