第五章-局域网课件.ppt
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- 第五 局域网 课件
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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 高速以太网5.6 虚拟局域网5.7 其他种类的高速局域网5.8 无线局域网5.1 局域网概述n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。n局域网具有如下的一些主要优点:n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。n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。n提高了系统的可靠性、可用性和残存性。局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网媒体共享技术n静态划分信道n频分复用n时分复用n波分复用n
2、码分复用 n动态媒体接入控制(多点接入)n随机接入n受控接入,如多点线路探询(polling),或轮询。5.2 传统以太网5.2.1 以太网的工作原理 n1.两个标准 nDIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约。nIEEE 的 802.3 标准。nDIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别,因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。n严格说来,“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 数据链路层的两个子层 n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
3、拆成两个子层:n逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层n媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。n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 子层来说都是透明的 局域网对 LLC 子层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2以后一般不考虑 LLC 子层 n由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网,因此现在 802
4、委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC(即 802.2 标准)的作用已经不大了。n很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。IEEE 802标准系列n802.1 A:网络管理和性能测量;B:概述、体系结构、网络互连;n 802.2 LLC的功能;n 802.3 CSMA/CD 总线网的MAC和物理层的规范;n 802.4 Token Bus令牌总线网的MAC和物理层的规范;n 802.5 Token Ring令牌环网的MAC和物理层的规范;n 802.6 分布队列双总线DQDB MAN城域网标准;n 802.7 宽带技术;n 802.8 光纤技术(光纤分布数据接口FDDI)
5、;n 802.9 综合业务数字网ISDN;n 802.10 局域网安全技术;n 802.11 无线局域网;IEEE 802标准之间的关系802.3CSMA/CDMAC物理层802.4令牌总线MAC物理层802.5令牌环MAC物理层802.6MANMAC物理层802.9语音数据综合ISDN802.11无线局域网802.8光纤技术802.7宽带技术802.2 逻辑链路控制LLC802.1B 综述及体系结构8 0 2.1A管理802.10 局域网安全物理层数据链路层网络层ISO/OSIIEEE 8022.网卡的作用 n网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network
6、Interface Card),或“网卡”。n网卡的重要功能:n进行串行/并行转换。n对数据进行缓存。n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。n实现以太网协议。计算机通过网卡和局域网进行通信 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n最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠,因为总线上没有有源器件。3.CSMA/CD 协议 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻(用来吸收总线上传播的信号)匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据以太网的广播方式发送 n总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发
7、送的数据信号。n由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致,因此只有 D 才接收这个数据帧。n其他所有的计算机(A,C 和 E)都检测到不是发送给它们的数据帧,因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。n具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。以太网采取了两种重要的措施 n采用较为灵活的无连接的工作方式,即不必先建立连接就可以直接发送数据。n以太网对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。n这样做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。以太网提供的服务 n以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。n当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧,其他什么也不
8、做。差错的纠正由高层来决定。n如果高层发现丢失了一些数据而进行重传,但以太网并不知道这是一个重传的帧,而是当作一个新的数据帧来发送。载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CDnCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。n“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,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞。n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。碰
9、撞检测n“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。n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)。n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,表明产生了碰撞。n所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。冲突造成的信号变形冲突造成的信号变形检测到碰撞后n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。n每一个正在发送数据的站,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。电磁波在总线上的有限传播速率的
10、影响 n当某个站监听到总线是空闲时,也可能总线并非真正是空闲的。nA 向 B 发出的信息,要经过一定的时间后才能传送到 B。nB 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息),则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。n碰撞的结果是两个帧都变得无用。1 kmABt碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=t=0单程端到端传播时延记为 1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0 A 检测到信道空闲发送
11、数据ABt=0t=B 检测到发生碰撞停止发送STOPt=2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 重要特性n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)。n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。n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。4.争用期n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。n以太网的端到端往返时延 2 称为争用期,或碰撞窗口。n经过争用期这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。二进制指数
12、类型退避算法n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。n确定基本退避时间,一般是取为争用期 2。n定义重传次数 k,k 10,即 k=Min重传次数,10n从整数集合0,1,(2k 1)中随机地取出一个数,记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。n当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告。争用期的长度 n以太网取 51.2 s 为争用期的长度。n对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送512 bit,即 64 字节。n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。最短有效帧长 n如果发生冲突,就一定
13、是在发送的前 64 字节之内。n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。n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。强化碰撞 n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),以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号 ABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据B 也能够检测到冲突,并立即停止发送数据帧,接着就发送干扰信号。这里为了简单起见,只画出 A 发送干扰信号
14、的情况。5.2.2 传统以太网的连接方法 n传统以太网可使用的传输媒体有四种:n铜缆(粗缆或细缆)n铜线(双绞线)n光缆n这样,以太网就有四种不同的物理层。10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制 MAC铜缆或铜线连接到以太网的示意图 主机箱主机箱主机箱双绞线集线器BNC T 型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAUMDI保护外层外导体屏蔽层内导体收发器DB-15连接器BNC 连接器插口RJ-45插头 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
15、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。粗缆以太网 10BASE5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
16、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。粗缆以太网 10BASE510Base510Base2细缆细缆n 用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50 欧),可代替粗同轴电缆。n 将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 MDI都安装在网卡上,取消了外部的 AUI电缆。n 细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口。10BaseT10Base-Tn10BASE-T 的通信距离稍短
17、,每个站到集线器的距离不超过 100 m。n这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现,既降低了成本,又提高了可靠性。n10BASE-T 双绞线以太网的出现,是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑,它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。具有三个端口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线RJ45RJ45接头接头布线标准 TIA/EIA568标准 UTP线对的定义Pair 1:蓝 pair 2:桔 pair 3:绿 pair 4:棕 568A 1 2 3 4 5 6 7 8绿白 绿 桔白 蓝 蓝白 桔 棕白 棕 568B 1 2 3 4 5 6 7 8桔白 桔 绿
18、白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 不同设备间的连线直通线:568A-568A 或568B-568B交叉线:568A-568B原则:同类设备间用交叉线,不同类设备间用直通线(交换机的MDI口与网卡相同)10BaseFn 使用光纤进行长距离连接,例如建筑物间连接。使用光纤进行长距离连接,例如建筑物间连接。n 星形拓扑结构星形拓扑结构n 最常见的布线标准:最常见的布线标准:n 10BaseFL-10BaseFL-异步点到点链路,链路最长异步点到点链路,链路最长2 km2 km10M10M以太网以太网802.3802.3标准内容标准内容5.2.3 以太网的信道利用率 我们假定:n总线上共有 N 个站,每个站
19、发送帧的概率都是 p。n争用期长度为 2,即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。n帧长为 L(bit),数据发送速率为 C(b/s),因而帧的发送时间为 L/C=T0(s)。以太网的信道利用率 n一个帧从开始发送,经碰撞后再重传数次,到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间 使得信道上无信号在传播)时为止,共需平均时间为 Tav。发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2T0t占用期 争用期的平均个数 NR 发送一帧所需的平均时间 Tav22以太网的信道利用率(续)令 A 为某个站发送成功的概率,则 A=P某个站发送成功=Np(1 p)N 1 (5-1)显然,某个站发送失败的概率为
20、 1 A。因此,P争用期为 j 个=P发送 j 次失败但下一次成功 =(1 A)jA (5-2)争用期的平均个数等于帧重发的次数 NR:NjAAAARjj()()/110(5-3)以太网的信道利用率(续)求出以太网的信道利用率(它又称为归一化吞吐量)为:这里参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。(5-4)12(1121000AaTNTTTSRav0Ta(5-5)最大信道利用率若设法使 A 为最大,则可获得最大的信道利用率。将(5-4)式对 p 求极大值,得出当 p=1/N 时可使 A等于其极大值 Amax:当 N 时,Amax=1/e 0.368。(5-6)1max11NNA 将(
21、5-6)式中的 Amax 值代入(5-4)式,即得出信道利用率的最大值 Smax。取 A=Amax=e1 0.368 时,(5-4)式可简化为:若 a0,则信道利用率的最大值可达到 100%。信道利用率的最大值 Smax N (5-7)aS44.411maxa 1 时的信道利用情况(a=4)ABABt=T0ABABt=3T0t=4T0t=2T0ABt=5T0参数 a=4 使得信道利用率很低。n考虑到 T0 是帧长 L 与数据的发送速率 C之比,于是参数 a 可写为:n(5-9)式的分子正是时延带宽积,或以比特为单位的信道长度,而分母是以比特为单位的帧长。参数 a 和时延带宽积的联系LCCLTa
22、/0(5-9)a=0.01 时的信道利用情况参数 a=0.01 使得信道利用率很高。ABABt=t=0.5ABt=100ABt=100.55.3 以太网的 MAC 层5.3.1 MAC 层的硬件地址 n在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或 MAC 地址。n802 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。n但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”,所以本书也采用这种习惯用法,尽管这种说法并不太严格。MAC 层的硬件地址nEthernet地址地址 网络物理地址网络物理地址 物理网络地址物理网络地址;nEthernet地址地址=Manufacture
23、ID+NIC ID 24bit+24bitn 公司:公司:Cisco 00-00-0cn Novell 00-00-1Bn 00-00-D8n 3Com 00-20-AFn 00-60-8Cn IBM 08-00-5An典型的典型的Ethernet地址地址:00-60-8C-01-28-12 000000001010000010001100 000000010010100000010010nEthernet地址具有惟一性,取决于你所使用的网卡。地址具有惟一性,取决于你所使用的网卡。第 1最高位最先发送最低位最高位最低位最后发送00110101 01111011 00010010 0000000
24、0 00000000 00000001最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送机构惟一标志符 OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的 EUI-48 地址:AC-DE-48-00-00-80二进制表示的 EUI-48 地址:第 1 字节第 6 字节I/G 比特I/G 比特字节顺序第 2第 3第 4第 5第 6第 1字节顺序第 2第 3第 4第 5第 610101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6802.3802.4网卡上的硬件地址 路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-022
25、0-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F6路由器由于同时连接到两个网络上,因此它有两块网卡和两个硬件地址。网卡检查 MAC 地址 n网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.n如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理。n否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。n“发往本站的帧”包括以下三种帧:n单播(unicast)帧(一对一)n广播(broadcast)帧(一对全体)n多播(multicast)帧(一对多)5.3.2 两种不同的 MAC 帧格式 n常用的以太网MAC帧格式有两种标准:nDIX
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