第4章计算机局域网络1汇总课件

第第4 4章章 计算机局域网络计算机局域网络4.1 4.1 局域网概述局域网概述4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法4.3 4.3 传统以太网传统以太网4.4 4.4 局域网扩展局域网扩展2024/7/121本章学习要求：本章学习要求：掌握局域网的特点及关键技术掌握局域网的特点及关键技术掌握局域网的体系结构掌握局域网的体系结构掌握介质访问控制方法：掌握介质访问控制方法：CSMA/CD了解了解MAC帧格式、掌握帧格式、掌握MAC地址地址了解各种传统以太网特点了解各种传统以太网特点掌握局域网扩展方法掌握局域网扩展方法第第4 4章章 计算机局域网络计算机局域网络2024/7/122局域网产生的原因局域网产生的原因局域网产生的原因局域网产生的原因:80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；离），共享资源；分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库分布式的网络应用：分布式计算，分布式数据库定义定义定义定义:局域网是在一个较小的范围，利用通信线路将众多计局域网是在一个较小的范围，利用通信线路将众多计算机（一般为微机）及外设连接起来，达到数据通信算机（一般为微机）及外设连接起来，达到数据通信及资源共享目的的一种网络。及资源共享目的的一种网络。第第4 4章章 计算机局域网络计算机局域网络2024/7/1234.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 局域网的特点局域网的特点局域网的特点局域网的特点覆盖范围小覆盖范围小房间、建筑物、园区范围距离房间、建筑物、园区范围距离0.125km之间之间高传输速率高传输速率 10Mbps1000Mbps低误码率低误码率10-8 10-11 采用星形、环形、总线、树形拓扑采用星形、环形、总线、树形拓扑为一个单位所拥有，自行建设，不为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务对外提供服务双绞线、同轴电缆、光纤双绞线、同轴电缆、光纤技术侧重点是共享信息的处理技术侧重点是共享信息的处理4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1244.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 局域网的关键技术局域网的关键技术局域网的关键技术局域网的关键技术决定局域网特性的主要技术有三种：决定局域网特性的主要技术有三种：用以连接各种设备的用以连接各种设备的拓扑结构拓扑结构星形、星形、环形、总线型、树形环形、总线型、树形用以数据通信的用以数据通信的数据传输形式数据传输形式 基带、频带（宽带）基带、频带（宽带）用以共享资源的用以共享资源的介质访问控制方法介质访问控制方法 按协议实现信道共享按协议实现信道共享:CSMA/CD、CSMA/CA、TOKEN PASSING这三种技术在很大程度上决定了传输介质、传输数据的类型、这三种技术在很大程度上决定了传输介质、传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量和效率，以及网络的应用等各种网络网络的响应时间、吞吐量和效率，以及网络的应用等各种网络特性。特性。4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1251.1.1.1.局域网的典型拓扑结构：局域网的典型拓扑结构：局域网的典型拓扑结构：局域网的典型拓扑结构：星型星型 :所有结点都连接到中央结点所有结点都连接到中央结点环型环型 :结点通过点到点链路与相邻结点连接结点通过点到点链路与相邻结点连接总线型总线型:所有结点都直接连接到共享信道所有结点都直接连接到共享信道4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1262.2.2.2.传输形式：传输形式：传输形式：传输形式：基带传输基带传输把数字脉冲信号直接在传输介质上传输把数字脉冲信号直接在传输介质上传输典型传输介质：双绞线、基带同轴电缆和光导纤维典型传输介质：双绞线、基带同轴电缆和光导纤维频带传输（宽带传输）频带传输（宽带传输）把数字脉冲信号经调制后再在传输介质上传输把数字脉冲信号经调制后再在传输介质上传输典型传输介质：宽带同轴电缆和无线电波等典型传输介质：宽带同轴电缆和无线电波等局域网中主要的传输形式为基带传输，频带传输用在无线局域局域网中主要的传输形式为基带传输，频带传输用在无线局域网中。网中。4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1273.3.3.3.介质访问控制方法：介质访问控制方法：介质访问控制方法：介质访问控制方法：即信道访问控制方法（简称：访问方法），指网络中的多个站即信道访问控制方法（简称：访问方法），指网络中的多个站点如何共享通信媒体（介质）的。点如何共享通信媒体（介质）的。4.1 4.1 局域网概述局域网概述局域网采用的访问方法有：局域网采用的访问方法有：带冲突检测的载波侦听多路访问带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA/CD冲突避免的载波侦听多路访问冲突避免的载波侦听多路访问 CSMA/CA（无线局域网）（无线局域网）令牌环令牌环Token Ring（TOKEN PASSING）令牌总线令牌总线Token Bus（TOKEN PASSING）2024/7/1284.1.3 4.1.3 4.1.3 4.1.3 局域网体系局域网体系局域网体系局域网体系结构结构结构结构4.1 4.1 局域网概述局域网概述1.IEEE 802 1.IEEE 802 标准简介标准简介标准简介标准简介 描述物理层和数据链路层的功能及与网络层的接口服务。描述物理层和数据链路层的功能及与网络层的接口服务。2024/7/129IEEE802定义的物理层功能：定义的物理层功能：1.位流的发送位流的发送/接收接收 2.前导码（前缀）的生成前导码（前缀）的生成/除去（用于同步）除去（用于同步）3.信号的编码信号的编码/译码译码具体规定了信号的编码具体规定了信号的编码/译码、拓朴结构、传输媒体和速率：译码、拓朴结构、传输媒体和速率：1.信号编码采样曼彻斯特编码信号编码采样曼彻斯特编码 2.介质为双绞线、同轴电缆、光缆、无线介质等介质为双绞线、同轴电缆、光缆、无线介质等 3.拓扑结构为总线型、树形（星形）和环形拓扑结构为总线型、树形（星形）和环形 4.传传输输速速率率为为1Mbps、4Mbps、10Mbps、16Mbps、100Mbps、1000Mbps等等4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1210局域网的物理层确定了两个接口：局域网的物理层确定了两个接口：1.介质相关接口（介质相关接口（MDI）该该接接口口随随介介质质的的不不同同而而改改变变，但但不不影影响响数数据据链链路路控控制制子子层层LLC和媒体访问控制子层和媒体访问控制子层MAC的工作。的工作。2.连接单元接口（连接单元接口（AUI）特特殊殊的的连连接接部部件件，类类似似于于粗粗缆缆以以太太网网中中的的收收发发器器电电缆缆。可可选选项项，因为在细缆和双绞线情况下，因为在细缆和双绞线情况下，AUI不存在。不存在。4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1211IEEE 802委员会按功能将数据链路层划分为两个子层委员会按功能将数据链路层划分为两个子层:1.逻辑链路控制（逻辑链路控制（LLC）子层（数据链路控制子层）子层（数据链路控制子层）2.介质访问控制（介质访问控制（MAC）子层（媒体访问控制子层）子层（媒体访问控制子层）n功能分解的原因与目的：功能分解的原因与目的：l将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度。实现的复杂度。l局域网特点：共享信道，需要解决介质访问控制问题。局域网特点：共享信道，需要解决介质访问控制问题。分层可以使分层可以使LLC帧的传输独立于介质和帧的传输独立于介质和MAC方法，方法，使使LAN体系结构能适应多种传输媒体，也即在局域网上同一体系结构能适应多种传输媒体，也即在局域网上同一LLC可可以有几种以有几种MAC方式的选择以适应不同的媒体和访问方法。方式的选择以适应不同的媒体和访问方法。4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1212nLLC功能：功能：向高层提供一个或多个服务访问点（向高层提供一个或多个服务访问点（SAP：两个相邻层之间两个相邻层之间的逻辑接口）；的逻辑接口）；数据帧的发送数据帧的发送/接收；接收；帧顺序控制、差错控制和流量控制；帧顺序控制、差错控制和流量控制；某种网络层功能，如数据报、虚电路和多路复用等。某种网络层功能，如数据报、虚电路和多路复用等。nMAC功能：功能：管理多个源链路和多个目的链路；管理多个源链路和多个目的链路；IEEE802制定了若干介质访问控制方法；制定了若干介质访问控制方法；LLC：与介质、拓扑无关；与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。：与介质、拓扑相关。4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1213n实际应用中一般不考虑实际应用中一般不考虑 LLC 子层子层到了到了20世纪世纪90年代后，激烈竞争的局域网市场逐渐明朗。年代后，激烈竞争的局域网市场逐渐明朗。以太网（以太网（只有只有MAC层协议以及物理层的局域网）在局域层协议以及物理层的局域网）在局域网市场中已取得垄断地位，并且几乎成了局域网的代名词。网市场中已取得垄断地位，并且几乎成了局域网的代名词。因此因此802委员会制定的逻辑链路控制子层委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即即802.2标标准）的作用已经不大了，很多厂商生产的网卡上就仅装有准）的作用已经不大了，很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议而没有协议而没有LLC协议。协议。本章在介绍以太网时一般都不用考虑本章在介绍以太网时一般都不用考虑LLC子层。子层。4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/1214LAN的网络层和更高层次的网络层和更高层次由于由于IEEE 802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能所以网络层的很多功能(如路由选择等如路由选择等)是没有必要的，而是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故完成，故IEEE 802标准没有单独设立网络层。标准没有单独设立网络层。IEEE802没有定义局域网的高层，在实际计算机网络中，没有定义局域网的高层，在实际计算机网络中，一般由一般由TCP/IP等协议集和网络操作系统（等协议集和网络操作系统（NOS：Unix、Windows NT、Netware）共同来实现。）共同来实现。4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/12152.IEEE 802 2.IEEE 802 标准的组成标准的组成标准的组成标准的组成4.1 4.1 局域网概述局域网概述2024/7/12164.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法4.2.1 4.2.1 信道分配问题信道分配问题信道分配问题信道分配问题计算机网络按照通信传播方式可以分成两类：计算机网络按照通信传播方式可以分成两类：n使用点到点连接的网络使用点到点连接的网络 广域网广域网n使用广播信道的网络使用广播信道的网络 局域网局域网l关键问题：如何解决对信道争用关键问题：如何解决对信道争用解决信道争用问题的解决信道争用问题的协议称为介质访问控制协议协议称为介质访问控制协议 MAC（Medium Access Control），是数据链路层协议的一），是数据链路层协议的一部分。部分。2024/7/1217IEEE 802.3MAC标准中相关概念标准中相关概念:冲突：在广播式信道中（例如总线型网络中的总线），冲突：在广播式信道中（例如总线型网络中的总线），有两个或两个以上工作站同时发送数据，在信道上产生有两个或两个以上工作站同时发送数据，在信道上产生信号的混合。信号的混合。载波侦听：发送信息前，检测信道的空闲状态。载波侦听：发送信息前，检测信道的空闲状态。冲突检测：发送信息时，检测是否发生冲突。冲突检测：发送信息时，检测是否发生冲突。多路访问：多结点（工作站）访问同一媒体（共享信道）多路访问：多结点（工作站）访问同一媒体（共享信道），或者多结点从同一媒体接收信息。，或者多结点从同一媒体接收信息。多路访问协议：多路访问协议：控制多个用户共用一条信道的协议。控制多个用户共用一条信道的协议。4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/1218信道分配方法有两种：静态分配和动态分配信道分配方法有两种：静态分配和动态分配n静态分配静态分配l频分多路复用频分多路复用 FDM（波分复用（波分复用WDM）w原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；w特点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通特点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；信量都较大的情况；w缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。l时分多路复用时分多路复用 TDMw原理：每个用户拥有固定的信道传送时间槽；原理：每个用户拥有固定的信道传送时间槽；w特点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通特点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；信量都较大的情况；w缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化。4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/1219n动态分配动态分配l信道分配模型的五个基本假设：信道分配模型的五个基本假设：w站点模型：每个站点是独立的，并以固定的速率产生站点模型：每个站点是独立的，并以固定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁；帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁；w单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成单信道假设：所有的通信都是通过单一的信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息；的，各个站点都可以从信道上收发信息；w冲突假设：所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须冲突假设：所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发；重发；w连续时间和时间分槽（确定何时发送）；连续时间和时间分槽（确定何时发送）；w载波侦听和非载波侦听。载波侦听和非载波侦听。4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/12204.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法CSMA/CD主要解决问题：主要解决问题：1.各站点如何访问共享介质；各站点如何访问共享介质；2.如何解决同时访问造成的冲突。如何解决同时访问造成的冲突。CSMA/CD对站点的要求对站点的要求1.具有判断信道忙具有判断信道忙/闲的能力（利用站点的接收器接收信道上闲的能力（利用站点的接收器接收信道上传输的信号：信号有变化忙；信号无变化闲）。传输的信号：信号有变化忙；信号无变化闲）。2.具有判断冲突的能力。具有判断冲突的能力。4.2.2 CSMA/CD4.2.2 CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问协议）（带冲突检测的载波侦听多路访问协议）（带冲突检测的载波侦听多路访问协议）（带冲突检测的载波侦听多路访问协议）2024/7/1221冲突检测冲突检测冲突检测是一个模拟过程，当站点在发送时，其硬件设备必冲突检测是一个模拟过程，当站点在发送时，其硬件设备必须侦听线缆。须侦听线缆。站点站点通过检测信道上反馈信号的能量或脉冲宽度并将之与传通过检测信道上反馈信号的能量或脉冲宽度并将之与传送信号比较就可判断是否产生了冲突。送信号比较就可判断是否产生了冲突。u基带接收机搜索高于预期的电压电平来检测冲突的发生基带接收机搜索高于预期的电压电平来检测冲突的发生u宽带接收机则常使用把收到的数据与发出的数据的比特逐宽带接收机则常使用把收到的数据与发出的数据的比特逐个进行比较的方法来检测冲突的发生个进行比较的方法来检测冲突的发生4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/12221.1.载波侦听多路访问协议（载波侦听多路访问协议（载波侦听多路访问协议（载波侦听多路访问协议（CSMACSMA）为了减少局域网上各个站之间的发送冲突，人们引入了载波侦为了减少局域网上各个站之间的发送冲突，人们引入了载波侦听多路访问（听多路访问（CSMA）的策略，也叫做的策略，也叫做先听后说先听后说。基本的基本的CSMA介质访问方法介质访问方法（1）一个站要发送信息时，首先需侦听总线，以确定介质上是）一个站要发送信息时，首先需侦听总线，以确定介质上是否有其他站点发送的信号否有其他站点发送的信号（2）若介质上空闲的（没有其他站点发送），则可以发送信息）若介质上空闲的（没有其他站点发送），则可以发送信息（3）若介质忙（其他站点正在发送），则此站不能发送，需）若介质忙（其他站点正在发送），则此站不能发送，需等等等等待一段时间待一段时间待一段时间待一段时间后重试，即返回（后重试，即返回（1）等待一段时间：等待一段时间：坚持退避坚持退避4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/1223坚持退避算法坚持退避算法坚持退避：坚持退避：“等待一定间隔时间等待一定间隔时间”非坚持（不坚持）非坚持（不坚持）CSMA（nonpersistent CSMA）：n原理原理若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先侦侦听信道；听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。n优点：减少了冲突的概率；优点：减少了冲突的概率；n缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/1224 1-坚持型坚持型CSMA（1-persistent CSMA）n原理原理l若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先侦侦听信道；听信道；l若站点发现信道空闲，则发送；若站点发现信道空闲，则发送；l若信道忙，则继续若信道忙，则继续侦侦听直至发现信道空闲，然后完成发送；听直至发现信道空闲，然后完成发送；n优点：减少了信道空闲时间；优点：减少了信道空闲时间；n缺点：增加了发生冲突的概率；缺点：增加了发生冲突的概率；n信道效率比非坚持信道效率比非坚持CSMA低，传输延迟比非坚持低，传输延迟比非坚持CSMA小。小。n广播延迟对本协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的广播延迟对本协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差。可能性越大，协议性能越差。4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/1225 p-坚持型坚持型CSMA（p-persistent CSMA）n原理：原理：若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先侦侦听信道；听信道；若站点发现信道空闲，则以概率若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率发送数据，以概率q=1-p 延迟一个时间单位（时间单位等于最大的传播延迟）。延迟一个时间单位（时间单位等于最大的传播延迟）。延迟后重复第一步；延迟后重复第一步；若信道忙，则重复第一步。若信道忙，则重复第一步。n优点：优点：降低了降低了1坚持算法的冲突概率坚持算法的冲突概率减轻了非坚持算法中介质利用率低的问题减轻了非坚持算法中介质利用率低的问题n难点：难点：P值的选择：值的选择：NP 9.6 9.6 s s帧帧n帧帧n+14.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/12354.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法强化碰撞强化碰撞强化碰撞强化碰撞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发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。了碰撞。2024/7/1236数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号人为干扰信号 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。2024/7/12373.CSMA/CD3.CSMA/CD中使用的退避算法中使用的退避算法中使用的退避算法中使用的退避算法n问题问题现在考虑一种情况。当某个站正在发送数据时，有另外两个现在考虑一种情况。当某个站正在发送数据时，有另外两个站有数据要发送。这两个站进行载波侦听，发现总线忙，于站有数据要发送。这两个站进行载波侦听，发现总线忙，于是就等待。当他们同时发现总线变为空闲时，就立即发送自是就等待。当他们同时发现总线变为空闲时，就立即发送自己的数据。但这必然再次产生碰撞。经冲突检测发现了碰撞，己的数据。但这必然再次产生碰撞。经冲突检测发现了碰撞，就停止发送。然后再重新发送就停止发送。然后再重新发送这样下去，一直不能发送这样下去，一直不能发送成功。成功。以太网使用截断二进制指数类型的退避算法解决这个问题。以太网使用截断二进制指数类型的退避算法解决这个问题。4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/1238n截断二进制指数（截断二进制指数（Truncated Binary Exponential）退避算法）退避算法(1)确定基本退避时间确定基本退避时间T，一般取为时间槽长度，即，一般取为时间槽长度，即T2 ；(2)定义一个参数定义一个参数k，它等于重传的次数，但不超过，它等于重传的次数，但不超过10，即，即kmin（重传次数，（重传次数，10）；）；(3)从离散的整数集合从离散的整数集合 0，1，（，（2k1）中随机的抽取一个数，中随机的抽取一个数，记为记为r。则重传前需要延迟的时间为。则重传前需要延迟的时间为rT；(4)当重传达当重传达16次仍不能成功，则丢弃帧，并向上层软件或管理实体次仍不能成功，则丢弃帧，并向上层软件或管理实体报告，由他们来决定如何处理此错误。报告，由他们来决定如何处理此错误。例如例如：在第一次重传时，在第一次重传时，k1，r0或或1。因此重传推迟的时间是。因此重传推迟的时间是0或或T。（第一次重传表明是第二次传送该帧，第一次传送失败）（第一次重传表明是第二次传送该帧，第一次传送失败）在第二次重传时，在第二次重传时，k2，r0，1，2或或3。因此重传推迟的时间是。因此重传推迟的时间是0，T，2T或或3T。依此类推，直到重传达。依此类推，直到重传达16次。次。2024/7/12394.CSMA/CD4.CSMA/CD中发送和接收流程中发送和接收流程中发送和接收流程中发送和接收流程2024/7/12402024/7/12415.CSMA/CD5.CSMA/CD存在的问题存在的问题存在的问题存在的问题在网络信息较少时能够较好地工作，当网络上传输的信息逐在网络信息较少时能够较好地工作，当网络上传输的信息逐渐增多时，冲突会越来越多。正常情况下，渐增多时，冲突会越来越多。正常情况下，CSMA/CD网络网络的网络利用率为的网络利用率为3040，当网络利用率达到，当网络利用率达到80时，冲突时，冲突会导致网络速率急剧下降。会导致网络速率急剧下降。导致大量冲突的因素：导致大量冲突的因素：n传输信息站点太多传输信息站点太多n网卡出现故障网卡出现故障n网络介质故障网络介质故障n网络布线不符合规范网络布线不符合规范扩充网络时注意限制网段规模（冲突域规模）扩充网络时注意限制网段规模（冲突域规模）扩充网络时注意限制网段规模（冲突域规模）扩充网络时注意限制网段规模（冲突域规模）4.2 4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法2024/7/1242