局域网课件.ppt

1、计算机网络局域网制作：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l静态划分信道频分复用时分复用波分复用码分复用 l动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。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计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU 和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP 地址并行通信l 以太网的通信方案3.3.2 CSMA/CD 协议

2、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 发送的数据以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换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 传播时延对载波监听的影响 例如，1km,t=5s.t=0 A发送，t=3 s B发送，当t=4 s 发生碰撞，=2 sT=5 s B检测到碰撞 T=2*5-2=8 A检测到碰撞1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发

3、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 二进制指数类型退避算法(truncated binary exponential type)l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。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。定义重传次数 k，k 10，即 k=Min重传次数,10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。当重

4、传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。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 发送干扰信号的情况。CSMA/CD的帧发送流程 例题1假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s。设信号在网络上传播速率为200000km/s 求能够使用此协议的最短帧长例题2l将定在使用CSMA/CD协议的10Mb/s的以太网某站在发送数据时检测到碰撞，执行退避算法时选择了随机数R=100。这个站需要等待多长时间后才能再次发送数据？使用

5、集线器的双绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45 插头具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线以太网的信道利用率 l 一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，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，是发送一帧所需的平均时间。发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间参数 a l 在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T0 之比：0Ta(3-2)l 发送一帧占用线路的时间是 T0+，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限

6、信道利用率 Smax为：信道利用率的最大值 Smax aTTS1100max以太网 MAC 帧物理层MAC层10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网的 MAC 帧格式 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2

7、的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 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的这个协议。MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 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 层目的地址源

8、地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 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 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的 8 字节

9、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l数据字段的长度与长度字段的值不一致；l帧的长度不是整数个字节；l用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；l数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。无效的 MAC 帧 例 3l假定站点A、B在同一个10Mb/s的以太网段上，这两个站点之间的传播时延为225比特时间，先假定A开始发送一帧，并且在A发送结束之前，B也发送一帧，如果A发送的是以太网允许的最短帧，那么A在检测到和B碰撞之前能否

10、把自己的数据发送完毕？换言之，如果A在发送完毕之前没有检测到碰撞，那么能够肯定A发送的帧不会和B发送的帧发生碰撞。例3续l在上面A和B同时发送了数据帧，当t=225比特时间，A和B同时检测到发生了碰撞，并且在t=228+48=273比特时间完成了干扰信号的传输。A和B选择不同的r值退避，假定A和B选择的随机数分别为ra=0,rb=1.试问A和B搁在什么时间开始重传数据帧，A重传的数据帧在什么时间到达B，A重传的数据会不会和B再次发生碰撞，B会不会在预定的重传时间停止发送数据？3.5 扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网l主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 以太网集线器光纤光纤调

11、制解调器光纤调制解调器l 某大学有三个系，各自有一个局域网用多个集线器可连成更大的局域网三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域1.网桥的内部结构 站表接口管理 软件网桥协议 实体缓存接口 1接口 2网段 B网段 A111222站地址 接口网桥网桥接口 1接口 212网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF如果 B1 B2是网桥：AB通信，CD，EF都可以同时通信AC通信，EF可以同时通信吞吐量30Mb/s如果 B1 B2是集线器：AB通信，都不可以同时通信吞吐量10Mb/s

12、用户层IPMAC站 1用户层IPMAC站 2物理层网桥 1网桥 2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T 物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥不改变它转发的帧的源地址l集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。l网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。网桥和集线器（或转发器）不同 l 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。l“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。l

13、透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。2.透明网桥网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表l(1)从端口从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站目的站 MAC 地址。地址。l(2)如有，则查找出到此如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口地址应当走的端口 d，然后进行，然后进行(3)，否则转到否则转到(5)。l(3)如到这个如到这个 MAC 地址去的端口地址去的端口 d=x，则丢弃此帧（因为这表示不，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口需要经过网桥进行转发）。否

14、则从端口 d 转发此帧。转发此帧。l(4)转到转到(6)。l(5)向网桥除向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。站）。l(6)如源站不在转发表中，则将源站如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发。如源站在转发表中，则执行表中，则执行(7)。l(7)更新计时器。更新计时器。l(8)等待新的数据帧。转到等待新的数据帧。转到(1)。地址 接口转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF121

15、2地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2网桥的自学习和转发帧的步骤归纳 l 网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。l 转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。如有，则按转发表中给出的接口进行转发。若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。l 这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。透明网桥使用了生成树算

16、法 局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 AF不停地兜圈子A 发出的帧F1网桥 1 转发的帧F2网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了生成树l 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。l 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。l 即插即用l 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。以太网交换机的特点交换机直接与主机相连l网桥连接到局域网交换机用以太网交换机扩展局域网 一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机

17、路由器以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网:VLAN1,VLAN2 和 VLAN3以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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 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。以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1,V

18、LAN2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。以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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 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。400节点企业网络设计方案l 这个企业分为销售部，售后服务部，设计部，财务部，服务器区组成。其中，销售部有20台计算机，售后服务部有20台计算机，财务部有20台计算机，服务器区有20台服务器，设计部有3

19、20台计算机。l 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 802.3MAC 帧字节66246 15004MAC 帧目地地址源地址长度/类型数 据FCS长度/类型=802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节2 字节插入 4 字节的 VLAN 标记4用户优先级CFI例题假定一个以太网上的通信量中的假定一个以太网上的通信量中的80%是在本局域是在本局域网上进行的，而其余的网上进行的，而其余的20

20、%的通信量是在本局域的通信量是在本局域网和因特网之间进行的。另一个以太网的情况则网和因特网之间进行的。另一个以太网的情况则反过来。这两个以太网一个使用以太网集线器，反过来。这两个以太网一个使用以太网集线器，而另一个使用以太网交换机。你认为以太网交换而另一个使用以太网交换机。你认为以太网交换机应当用在哪一个网络？机应当用在哪一个网络？例题：l有10个站连接到以太网上。试计算以下三种情况下每一个站所能得到的带宽：(1)10个站都连接到一个10 M Bit/s以太网集线器；(2)10个站都连接到一个100 M Bit/s以太网集线器；(3)10个站都连接到一个10 M Bit/s以太网交换机。3.6

21、 高速以太网3.6.1 100BASE-T 以太网l速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。l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。l100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。100BASE-T 以太网的特点l 根据公式要在发送数据率提高的同时保持a不变l 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。l 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。LCL/CTa0三种不同的物理层标准 l100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类

22、线或屏蔽双绞线 STP。编码：多电平传输3（MLT-3）l100BASE-FX 使用 2 对光纤。编码：4B5B-NRZ1l100BASE-T4使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。8B6T-NRZ3.6.2 吉比特以太网l 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。l 使用 802.3 协议规定的帧格式。l 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。l 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。吉比特以太网的物理层 l 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：1000BASE-SX SX表示短波长 1000B

23、ASE-LX LX表示长波长 1000BASE-CX CX表示铜线l 1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP 载波延伸和分组突发吉比特以太网的物理层 l 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l 1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP 全双工方式 l 当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。吉比特以太网的配置举例 1 Gb/s 链路吉比特交换集线器百兆比特或吉比特集线器100 Mb/s 链路中

24、央服务器3.6.3 10 吉比特以太网l 10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。l 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。l 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。l 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。10吉比特以太网的物理层 l 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。l 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/

25、SDH（即OC-192/STM-64）相连接。为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。端到端的以太网传输 l 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。l 这种工作方式的好处是：成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜。统一的帧格式简化了操作和管理。以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进 l 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：l 可扩展的（从 1

26、0 Mb/s 到 10 Gb/s）。l 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。l 易于安装。l 稳健性好。3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入l 以太网已成功地把速率提高到 1 10 Gb/s，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。l 以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。l 采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。以太网接入举例：光纤到大楼 FTTB 100 M10 M10 M100 M吉比特以太网光结点汇接点1 Gb/s1 Gb/s高速汇接点 GigaPoP其他类型的高速局域网或接口lFDDI：光纤分布式数字接口1998 使用光纤作为传输媒体的令牌环形网100Mb/s曾在90年代初被称为下一代局域网芯片复杂价格昂贵，没有拥有过很大市场其他类型的高速局域网或接口lHIPPI：高性能并行接口主要用于超级计算机遇一些外围设备的高速接口1987年设计时数据传送标准800Mb/s，后来又到了1600Mb/s，6.4Gb/s谢谢观看！