局域网

1. 局域网

2. 局域网概述 • 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。 • 局域网具有如下的一些主要优点： • 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。 • 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。 • 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

3. 局域网概述 局域网的拓扑结构 • 总线型拓扑结构 • 环型拓扑结构 • 星型拓扑结构

4. 局域网概述 1.总线型拓扑结构 • 所有的站点都直接连接到一条作为公共传输介质的总线上，所有结点都可以通过总线传输介质发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点利用总线发送数据。

5. 局域网概述 2.环型拓扑结构 • 所有的结点通过通信线路连接成一个闭合的环。在环中，数据沿着一个方向绕环逐站传输

6. 局域网概述 3.星型拓扑结构 • 是由一个被称为中央节点的节点和一系列通过点到点链路接到中央节点的节点组成的

7. 媒体共享技术 • 静态划分信道 • 频分复用 • 时分复用 • 波分复用 • 码分复用 • 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。

8. 局域网协议和体系结构 IEEE802标准概述 • IEEE 802.1概述，局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连。 • IEEE 802.2定义了逻辑链路控制（LLC）子层的功能与服务。 • IEEE 802.3描述 CSMA/CD 总线式介质访问控制协议及相应物理层规范。 • IEEE 802.4描述令牌总线（token bus)式介质访问控制协议及相应物理层规范。 • IEEE 802.5描述令牌环（token ring）式介质访问控制协议及相应物理层规范。 • IEEE 802.6描述城域网（MAN）的质访问控制协议及相应物理层规范。 • IEEE 802.7描述宽带时隙环介质访问控制方法及物理层技术规范； • IEEE 802.8描述光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范；。 • IEEE 802.9描述语音和数据综合局域网技术。 • IEEE 802.10描述局域网安全与解密问题。 • IEEE 802.11描述无线局域网技术。 • IEEE 802.12描述用于高速局域网的介质访问方法及相应的物理层规范。

9. 局域网协议和体系结构 • IEEE802协议的结构图

10. 局域网协议和体系结构 局域网的体系结构 • 局域网只涉及OSI的物理层和数据链路层

11. 局域网协议和体系结构 IEEE 802.3 协议 • 是一个使用 CSMA/CD媒体访问控制方法的协议标准。 • CSMA/CD的工作原理 • 即先听后发，边发边听，冲突停止，随机延时后重发。具体过程如下： • 当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络察看是否有其他站点正在传输，即侦听信道是否空闲。 • 如果信道忙，则等待，直到信道空闲。 • 如果信道闲，站点就传输数据。 • 在发送数据的同时，站点继续侦听网络确信没有其他站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。 • 当一个传输节点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的节点都有能发现。 • 其它节点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时间 Backoff Time）后重发。

12. 局域网协议和体系结构 IEEE 802.5协议 • 早期局域网存在一种环形结构，而环形网中采用令牌技术来进行访问控制。为此IEEE组织为其定义了IEEE 802.5协议，阐述了令牌环（Token Ring）技术。 • 令牌环中主要有下面的三种操作 • 截获令牌并且发送数据帧。 • 接收与转发数据。 • 取消数据帧并且重发令牌。

13. 传统以太网以太网的工作原理 • 1. 两个标准 • DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 • IEEE 的 802.3 标准。 • DIX 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”。 • 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网

14. 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

15. LLC LLC 逻辑链路控制 MAC MAC 媒体接入控制 局域网对 LLC 子层是透明的 LLC 子层看不见 下面的局域网 网络层 网络层 数据 链路层 局 域 网 物理层 物理层 站点 1 站点 2

16. 以后一般不考虑 LLC 子层 • 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 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。 • 很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

17. 2. 网卡的作用 • 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 • 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。

18. 计算机通过网卡和局域网进行通信 计算机 高 速 缓 存 网络接口卡 （网卡） CPU 存储器 至局域网 串行通信 I/O 总线 并行通信

19. 3. CSMA/CD 协议 • 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。 匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻 只有 D 接受 B 发送的数据 E A B D C B向D 发送数据 不接受 不接受 不接受 接受

20. 以太网的广播方式发送 • 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 • 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。 • 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。 • 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

21. 为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 • 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。 • 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。 • 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。

22. 以太网提供的服务 • 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 • 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 • 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。

23. 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。 • “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。 • “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。 • 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。

24. 碰撞检测 • “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。 • 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，表明产生了碰撞。 • 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

25. 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。

26. 电磁波在总线上的有限传播速率的影响 • 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。 • A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 • B 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。 • 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

27. B 发送数据 碰撞 t =   A 检测到发生碰撞 t =  B 检测到发生碰撞 t = 2  1 km A B t = 0 t 单程端到端 传播时延记为

28. B 发送数据 碰撞 t =   A 检测到发生碰撞 t =  B 检测到发生碰撞 t = 2  t =  B 检测到发生碰撞 停止发送 STOP STOP t = 2  A 检测到 发生碰撞 A B 1 km A B t = 0 t 单程端到端 传播时延记为 t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据 A B t =   B 检测到信道空闲 发送数据 A B t =   / 2 发生碰撞 A B A B

29. 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

30. 4. 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，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

31. 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential 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。 • 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。 • 定义参数 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。 • 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

32. 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。

33. 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。

34. 强化碰撞 • 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。

35. A 发送数据 B 发送数据 TB 信 道 占 用 时 间 A 检测 到冲突 数据帧 开始冲突 TJ 干扰信号  人为干扰信号 A B  t 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。

36. 传统以太网的连接方法 • 传统以太网可使用的传输媒体有四种： • 铜缆（粗缆或细缆） • 铜线（双绞线） • 光缆 • 这样，以太网就有四种不同的物理层。 以太网媒体接入控制 MAC 10BASE5 粗缆 10BASE2 细缆 10BASE-T 双绞线 10BASE-F 光缆

37. 铜缆或铜线连接到以太网的示意图 主机箱 主机箱 主机箱 网卡 DB-15 连接器 双绞线 收发器电缆 RJ-45 插头 BNC 连接器 插口 收发器 插入式 分接头 MAU 内导体 MDI 集线器 BNC T 型接头 外导体屏蔽层 保护外层 10BASE5 粗缆 10BASE2 细缆 10BASE-T 双绞线

38. 细缆以太网 10BASE2 • 用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50 W)，可代替粗同轴电缆。 • 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。 • 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。

39. 网卡的功能 • 数据的封装与解封 发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。 • 链路管理 主要是 CSMA/CD 协议的实现。 • 编码与译码 即曼彻斯特编码与译码。

40. 星形网 10BASE-T • 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 • 在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。 • 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

41. 以太网在局域网中的统治地位 • 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。 • 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。 • 10BASE-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。

42. 集线器的一些特点 • 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 • 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。 • 集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。

43. 具有三个端口的集线器 集 线 器 双绞线 网卡 网卡 网卡 工作站 工作站 工作站

44. 架设局域网的硬件设备 网络适配器（网卡） • 网卡又名网络适配器（Network Interface Card），简称NIC。它是计算机和网络线缆之间的物理接口，是一个独立的附加接口电路。任何的计算机要想连入网络就必须确保在主板上接入网卡。 • 网卡的作用是将计算机要发送的数据整理分解为数据包，转换成串行的光信号或电信号送至网线上传输；同样也把网线上传过来的信号整理转换成并行的数字信号，提供给计算机。

45. 架设局域网的硬件设备 局域网的传输介质 • 双绞线 • 双绞线电缆可以分为两类：屏蔽型双绞线（STP）和非屏蔽型双绞线（UTP） • 同轴电缆 • 同轴电缆由内、外两个导体组成，且这两个导体是同轴线的，所以称为同轴电缆 • 光导纤维 • 光导纤维简称为光纤 。光纤由纤芯、包层及护套组成。纤芯由玻璃或塑料组成，包层则是玻璃的，使光信号可以反射回去，沿着光纤传输

46. 架设局域网的硬件设备 集线器 • 集线器的英文称为“Hub”。它的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，所以它具有在物理上扩展网络的功能，属于物理层设备。集线器可以把所有节点集中在以它为中心的节点上，不具备任何智能，它只是简单的把电信号放大，然后转发给所有接口。 • 集线器通常具有如下功能和特性： • 可以是星型以太网的中央节点，工作在物理层； • 对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大此信号网络的传输距离； • 一般采用RJ-45标准接口； • 以广播的方式传送数据； • 无过滤功能，无路径检测功能； • 不同速率的集线器不能级联； • 所连接的客户端都在一个冲突域中

47. 架设局域网的硬件设备 交换机 • 交换机（Switch）又称为网桥。 在外形上交换机和集线器很相似，并且都应用于局域网，但是交换机是一个拥有智能和学习能力的设备。 交换机接入网络后可以在短时间内学习掌握此网络的结构以及与它相连计算机的相关信息，并且可对接收到的数据进行过滤，而后将数据包送至与目的主机相连的接口。 因此交换机比集线器传输速度更快，内部结构也更加复杂。

48. 架设局域网的硬件设备 • 交换机通常具有如下功能和特性： • 可以是星型以太网的中央节点，工作在数据链路层； • 可以过滤接收到的信号，并把有效传输信息按照相关路径送至目的端口； • 一般采用RJ-45标准接口； • 参照每个计算机的接入位置，有目的的传送数据； • 有过滤功能和路径检测功能； • 不同类型的交换机和集线器可以相互级联； • 所连接的客户端都在一个独自的冲突域中。

49. 以太网的MAC层 MAC层的硬件地址 • 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 • 802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。 • 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。

50. MAC地址