第 6 章 计算机局域网络

1. 第6章 计算机局域网络 • 本章主要内容 • 局域网（LAN）概述 • 介质访问控制方法 • 传统以太网（Ethernet） • 局域网扩展 • *高速局域网 • *无线局域网（WLAN）

2. stations hub stations hub hub station Server farm Switch 6.1 局域网（LAN）概述 • 1. LAN的特点 • 覆盖范围小 • 房间、建筑物、园区范围 • 距离≤25km • 高传输速率 • 10Mb/s～1000Mb/s • 低误码率 • 10-8～ 10-11 • 拓扑：总线型、星形、环形 • 介质：UTP、Fiber、COAX • 私有性：自建、自管、自用

3. 2. LAN的技术特征 • 拓扑结构（逻辑、物理） • 总线型、星形、环形、树形 • 介质访问方法 • CSMA/CD、Token-passing • 信号传输形式 • 基带、宽带

4. IEEE 802 OSI 高层 由TCP/IP和NOS实现 IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口 网络层 逻辑链路控制 LLC 数据链路层 介质访问控制 MAC 物理层 物理层PHY 3. 局域网体系结构 • 局域网的标准：IEEE802（ISO8802） • IEEE802是一个标准系列：IEEE802, IEEE802.1～IEEE802.14 • 其体系结构只包含了两个层次：数据链路层、物理层 • 数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层

5. IEEE802系列中的主要标准 • 802.2 –逻辑链路控制 • 802.3 –CSMA/CD（以太网） • 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）

6. 8 0 2 体系结构 802.1D Bridge 网际互联 802.2 LLC LLC 数据链路层 802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.6 DQDB 802.8 FDDI … … MAC PHY 物理层 IEEE802体系结构示意图 • 数据链路层在不同的子标准中定义 • 分别对应于LLC子层和MAC子层

7. 局域网的物理层 • 功能： • 位流的传输； • 同步前序的产生与识别； • 信号编码和译码。 • IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。 • 两个接口： • 连接单元接口（AUI）－可选，仅用于粗同轴电缆 • 介质相关接口（MDI） • 屏蔽不同介质的特性，使之不影响MAC子层的操作

8. 局域网的数据链路层 • 按功能划分为两个子层：LLC和MAC • 功能分解的目的： • 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。 • 解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。 • LLC： 与介质、拓扑无关； • MAC：与介质、拓扑相关。

9. 局域网的数据链路层的特点： • 局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播； • 支持介质访问控制功能； • 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点(SAP)、多路复用、流量控制、差错控制…… • MAC子层功能：实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。 • LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。 • 对不同的LAN标准，它们的LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层（和物理层）。

10. 1 1 1/2 长度可变 单位：字节 DSAP SSAP 控制域 数据 LLC数据 MAC数据 MAC数据 MAC首部 MAC尾部 LLC的帧结构 IEEE802 LAN的封装过程： 分组 高层PDU LLC帧 LLC首部 MAC帧 MAC首部 MAC尾部 介质上传输的帧 PA

11. 局域网的网络层和高层 • IEEE 802标准没有定义网络层和更高层： • 没有路由选择功能 • 局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接 • 流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成 • 网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实现。

12. 6.2 介质访问控制方法 • 局域网使用广播信道（多点访问、随机访问），多个站点共享同一信道。问题： • 各站点如何访问共享信道？ • 如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？ • 解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。 • 两类介质共享技术： • 静态分配（FDM、WDM、TDM、CDM） • 不适用于局域网 • 动态分配（随机接入、受控接入） • CSMA/CD、Token-Passing

13. 局域网中的介质访问控制方法 • 常见的有两种： • 载波检测多路访问/冲突检测（CSMA/CD） • Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect • 采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法 • 令牌传递（Token Passing） • Token Ring • Token Bus • FDDI • 采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法

14. 1. CSMA/CD • 多个站点如何安全地使用共享信道？ • 最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。 • 若信道空闲，是否可以立即发送？ • 若有多个站点都在等待发送，必然冲突！ • 解决：等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率） • 若信道忙，如何处理？ • 继续监听： • 等到信道空闲后立即发送 • 等到信道空闲后等待随机时间后再发送 • 等待一段随机时间后再重新检测信道 • 一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？ • 以上方法均无法处理！

15. CSMA/CD—带冲突检测的载波监听多路访问 • 用于IEEE802.3以太网 • 工作原理： • 发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送； • 如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送； • 在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送冲突强化信号（Jam）； • 发送Jam信号的目的是使所有的站点都能检测到冲突 • 等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。 • 归结为四句话： • 发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。

16. 发送帧 Yes 媒体忙？ 延迟随机时间 No No Yes 发送 N≥16? No No 发送完？ 碰撞？ 发送失败 Yes Yes 碰撞次数N+1 发送成功 发送Jam CSMA/CD操作的流程图

17. 站点1在t＝0时发送帧 碰撞 距离L 站点1 站点2 站点2 发送帧 传播时延 t 站点2 停止发送 CSMA/CD协议的时间槽 • 时间槽——能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口） • 若两站点之间传播时延为a，则时间槽＝2a。如下图所示： 当δ→0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽→2a。

18. 时间槽的意义： • 一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突 • 时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系 • 以太网中，时间槽＝51.2µs • 传输速率为10Mb/s时，一个时间槽内可发送512bits，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节） 。 • 由此可知： • 1. 冲突只可能在一帧的前64字节内发生； • 2. 帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突； • 所以，以太网规定的最小帧长度为64字节 • 3. 长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。 • 想一想：什么情况下会产生碎片帧？

19. 与时间槽相关的几个网络参数 • 采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系： Fmin＝kSR k:系数 • 可以看出： • 最小帧长度不变时，传输速率与网络跨距成反比； • 传输率固定时，网络跨距与最小帧长度成正比； • 网络跨距固定时，传输率与最小帧长度成正比。 • 非常重要的结论！

20. 退避时间的确定（退避算法） • CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法 • 算法如下： • 1. 令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）； • 2. k=min（重传次数，10）； • 3. r=在 [0, 1, …, (2k-1)] 中随机取一个数； • 4. 退避时间=rT。 • 最大重传次数限定为16，若发送16次仍不成功，则发送失败。

21. CSMA/CD的优缺点 • 控制简单，易于实现； • 网络负载轻（40％以内）时，有较好的性能 • 延迟较小 • 网络负载重时，性能急剧下降 • 冲突数量增加 • 各工作站需要频繁执行重发操作 • 大量的重发操作反过来又使冲突率进一步增加 • 网络延迟增大 • 延迟时间不可预计（非确定性延迟）

22. 2. 令牌传递（Token Passing） • 主要用于IEEE802.5令牌环网 • 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环 D 点到点链路 干线耦合器 站点 单向环 A C B

23. Token Ring/802.5的操作 • 哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（Token）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待； • 拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送； • 目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环； • 数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令牌，使其余的站点能获得帧的发送权。

24. 帧循环一圈后, A将数据帧回收 并放出空令牌 （c） （a） T T = 0 T = 0 A A Data A有数据要发送, 它抓住空令牌 T T T C C Data Data 目的站点从环上拷贝数据 T = 1 Data A A将令牌修改为数据帧头, 并加挂数据发送 T C Data T C Data （b） Token Ring/802.5的操作举例

25. 1 1 1 访问控制 起始 结束 ≥ 0 1 1 1 2/6 2/6 4 1 1 P P PTMR R R 令牌位 监督位 预约位 优先级位 IEEE802.5的帧结构 令牌帧 数据帧/控制帧 访问控制 帧控制 起始 数据 帧状态 源地址 FCS 目的地址 结束 • 访问控制字段包括： •  优先级位与优先级预约位。 • 令牌位：帧类型标识。 0：令牌帧； 1：信息/控制帧 •  监督位：防止无效帧无限循环。

26. 令牌环网的实际结构——星形环路 B C A 集线器 D E

27. 6.3 传统以太网 • 以太网的产生与发展 • 20世纪70年代中期由施乐公司（Bob Metcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网） • 最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的 • 经DEC, Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准） • DIX V1（1980）、DIX V2（1982）－Ethernet II • 特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆 • 1985年被采纳为IEEE 802.3，支持多种传输媒体。 • “带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范” • Ethernet II和IEEE 802.3二者区别很小 • 仅是帧格式和支持的传输介质略有不同 • 目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展 …

28. IEEE 802.3 以太网标准（主要的） • 传统以太网：10Mb/s • 802.3 —— 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/s • 802.3u ——双绞线，光纤 • 千兆以太网（GbE）：1000Mb/s（1Gb/s） • 802.3z —— 屏蔽短双绞线、光纤 • 802.3ab —— 双绞线 • 万兆以太网：10Gb/s • 802.3ae —— 光纤

29. 10Base5 速率（Mb/s） 基带或宽带 Base，Broad 每段最大长度（单位:百米）或 介质类型（T，F，X） 传统以太网 • 10Base5 粗同轴 • 10Base2 细同轴 • 10Base-T UTP • 10Base-F MMF • 快速以太网和千兆以太网 • 100Base-T UTP • 100Base-F MMF/SMF • 1000Base-X STP/MMF/SMF • 1000Base-T UTP • 以太网的物理层选项与标识方法 • 速率、信号方式、介质类型

30. A B C A B C 终端电阻 A C 发现网络空闲 C 发送帧，目的地址为A A B C A B C A A A 复制该帧 B 忽略该帧 信号由终端电阻吸收 Ethernet/802.3操作 • 任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议； • 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）； • 只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据； • 目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。

31. 7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节 IEEE 802.3 DA SA LEN PR SFD FCS Pad LLC-PDU 校验区间 64-1518 字节 7 1 6 6 2 46-1500 4字节 Ethernet DA FCS SA Type Pad PR SFD Data Ethernet / IEEE802.3帧格式 PR： 前导码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界符 – 10101011，表示一帧的开始 DA/SA：目的/源MAC地址 LEN： 数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-1500 Type： 类型，高层协议标识 LLC-PDU（Data）：数据，最少46字节, 最多1500字节，不够时以Pad填充 Pad： 填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节 FCS： 帧校验序列（CRC-32） 用途：保证帧长≥64字节

32. MAC地址 • 又称为物理地址，它是网络站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。 • 网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。 • MAC地址大多固化在网络站点的硬件中 • 一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口的个数。例如 • 安装有多块网卡的计算机； • 有多个以太网接口的路由器。 • 网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址。

33. 也可以是2个字节，但2字节的地址很少使用。 0=全局管理地址 1=本地管理地址（一般不用） 0=单播地址 1=组播地址 • IEEE802.3标准规定： • MAC地址的长度为6个字节，共48位； • 可表示246≈70万亿个地址（有2位用于特殊用途） • 高24位称为机构惟一标识符OUI，由IEEE统一分配给设备生产厂商； • 如3COM公司的OUI=02608C • 低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给所生产的每一块网卡或设备的网络接口。 I/G G/L OUI（22位） EI（24位）

34. MAC地址的三种类型： • 单播地址：（I/G＝0） • 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：（I/G＝1） • 拥有多播地址的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：（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。

35. Vampire tap 粗缆 最大段长度 500m 每段最多站点数 100 收发器 AUI 电缆 NIC 终端匹配器 ≥2.5m 网络最多5个段 网络最大跨度 2.5km 同轴电缆以太网 粗缆以太网（10BASE5） • 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 • 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 • 总线型拓扑

36. 细缆 BNC接头 NIC • 细缆以太网（ 10Base2） • 细同轴电缆，可靠性稍差 • 无外置收发器 • 轻便、灵活、成本较低 • 总线型拓扑 每段最大长度 185m 每段最多站点数 30 ≥0.5 m 网络最多5个段 终端匹配器 网络最大跨度925 m

37. 多台HUB级连 可以支持更多站点 HUB 每段最大长度 100m 双绞线以太网（10Base-T） • 双绞线（UTP），两头压接RJ45连接器； • 所有站点都与HUB （集线器）相连接； • HUB的作用：信号放大与整形 • 星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。 • 轻便、安装密度高、便于维护 NIC

38. 1 2 3 4 5 6 7 8 • 双绞线的连接标准 • 在以太网的标准中，10Mb/s与100Mb/s双绞线系统采用相同的线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。 色标 Pin# Signal 白橙1 TD+ 橙2 TD- 白绿3 RD+ 蓝4 不用 白蓝5 不用 绿6 RD- 白棕7 不用 棕8 不用

39. 当两个HUB连接时，要使用交叉连接方法。 • 两台微机直接连接时，也可参考此接法。

40. 光纤以太网 • 使用光纤介质； • 两根62.5/125μm多模光纤，收发各一根 • 星形拓扑结构； • 通常用于远距离网络连接； • 主要类型： • FOIRL（光纤中继器间链路） • 用于连接两个HUB（或中继器） • 链路间最大距离1 km • 10Base-FL（用以替代FOIRL） • 链路间最大距离2 km • 任意两节点间的中继器数≤6个 • 光纤与其他介质可使用介质转换器进行转换 • 介质转换器是可连接不同介质的中继器

41. 全双工以太网 • 收、发使用不同的物理信道 • 不再使用CSMA/CD机制，因此传输距离不受时间槽的限制； • 但要受到信号衰减的影响 • 全双工操作的条件： • 使用双绞线或光纤； • 链路两端的设备都必须支持全双工操作； • 支持全双工的设备包括全双工网卡、网络交换机。

42. 6.4 局域网扩展 • 什么情况下需要扩展？ • 网络范围扩大 • 更多的站点加入网络 • 多个独立的局域网进行互联 • 如何扩展？ • 主要在三个层次上 • 物理层 • 数据链路层 • 网络层

43. 在物理层上进行局域网扩展 • 设备： • 总线网：中继器 • 星形/环形网：集线器 • 特点： • 一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个网段； • 扩展后的网络仍是一个冲突域。 • 优缺点： • 简单、成本低 • 网络规模不能太大 • 站点数量：冲突随站点数量的增多而变得越来越严重 • 地域范围：时间槽的限制 • 只能互联相同类型的网络

44. 集线器 集线器 集线器 集线器 人力资源部 市场部 技术开发部 财务部 例：从分离的部门网络到统一的企业网络

45. 在数据链路层上进行局域网扩展 • 设备： • 网桥、交换机 • 特点： • 一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段； • 扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域； • 扩展后的网络仍是一个广播域。 • 优缺点： • 冲突被限制在小范围内，甚至可被消除； • 地域范围不再受时间槽的限制； • 远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上 • 转发速度有所降低； • 不能隔离广播帧。

46. 网桥/交换机 网段1 网段2 HUB HUB 广播域 独立的冲突域 在链路层上扩展局域网

47. 在网络层上进行局域网扩展 • 设备： • 路由器 • 特点： • 一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络； • 扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。 • 优缺点： • 隔离广播域，限制了广播帧的泛滥； • 地域范围可以任意扩展； • 能根据最佳路由转发分组； • 可以互联不同类型的网络； • 转发速度低，成本较高，维护复杂。

48. 企业网 / 广域网 路由器 路由器 路由器 集线器 集线器 集线器 路由器 集线器 集线器 集线器 集线器 集线器 人力资源部 市场部 财务部 技术开发部 人力资源部 市场部 技术开发部 财务部 在网络层上扩展局域网

49. 6.5 高速局域网 • 10Mb/s满足应用要求吗？ • 从10Mb/s向100Mb/s、1000Mb/s迁移 • 起因：对主干带宽的需求 • 20世纪80年代末开始，直到今天仍未停止 • 主要产品 • FDDI • 快速以太网 • 100VG-AnyLAN • 千兆以太网、万兆以太网 • 最终胜利者是谁？ • 关键：兼容 (保护投资)、灵活、简易、技术成熟

50. 1.快速以太网（Fast Ethernet，FE） • 传输速率为100Mb/s的以太网，比传统以太网快10倍 • 标准为IEEE802.3u • 拓扑结构为基于集线器的星形结构； • 传输介质只支持双绞线和光纤； • 帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3标准。 • 提供了10/100Mb/s自适应功能； • IEEE802.3u定义了4种不同的物理层标准 • 100Base-TX：使用两对5类双绞线（最常用） • 100Base-FX：使用62.5/125μm多模光纤 • 100Base-T4：使用四对3类双绞线 • 100Base-T2：使用两对3类双绞线