局域网和广域网技术.ppt

第 3 章 局域网与广域网技术主要内容v3.1 局域网概述v3.2 以太网技术v3.3 无线局域网v3.4 广域网技术3.1 局域网概述v3.1.1 局域网的定义v3.1.2 局域网标准局域网是限定区域的网络局域网的线路是专用的 局域网具有较高的数据通信速率 局域网具有开放性 ?目前，很难对局域网作出明确定义，这是因为局域网正处于飞速发展的过程中，在网络产品、技术等方面还存在着许多不确定因素。 3.1.1局域网的定义局域网概述v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。 v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。3.1.2局域网标准?IEEE802是主要的局域网标准，该标准所描述的局域网通过共享的传输介质通信。?IEEE802标准包括局域网参考模型与各层协议。应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层逻辑链路控制（LLC）层介质访问控制（MAC）层物理层OSIIEEE802物理层是必须的，它负责处理机械、电气、功能和过程方面的特性，以建立、维持和撤消物理链路。数据链路层也是必须的，它负责把不可靠的传输信道改造成可靠的传输信道，采用差错检测和帧确认技术，传送带有校验信息的数据帧。 局域网标准( 续):IEEE802标准集802.10安全和保密802概述及其体系结构802.1网络管理802.3CDMA/CD802.3物理层802.4Token bus802.4物理层802.5Token ring802.5物理层802.6MAN802.6物理层802.11WLAN802.11物理层802.15BlueTooth802.15物理层802.2逻辑链路控制(LLC)802.1桥接数链层网际互联LLCMAC物理层IEEE802系列标准及其关系局域网的拓扑 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v静态划分信道频分复用时分复用波分复用码分复用 v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。 3.2 以太网技术v3.2.1 以太网的定义v3.2.2 CSMA/CDv3.2.3 高速以太网3.2.1 以太网的定义v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 数据链路层的两个子层 v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。v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 v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。v很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。 网卡的作用 v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”。 v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。 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v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。 3.2.2 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 v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。 v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。 v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。v具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。 为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 v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。 v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。 以太网提供的服务 v以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。v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。v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/CDvCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。v“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。v“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。 v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。 碰撞检测v“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。v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）。v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。v所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。检测到碰撞后v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。v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影响 v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。 vA 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。vB 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。v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v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）。v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。 v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。 争用期v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。v以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。v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。 3.2.3 高速以太网v速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。v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。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。 100BASE-T 以太网的特点v可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。vMAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。v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。v帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。 三种不同的物理层标准 v100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 v100BASE-FX 使用 2 对光纤。 v100BASE-T4使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。 吉比特以太网v允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。v使用 802.3 协议规定的帧格式。v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）。v与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。吉比特以太网的物理层 v1000BASE-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v1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP 载波延伸(carrier extension) v吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。 v由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小的数值。v吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。 在短 MAC 帧后面加上载波延伸 v凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。v接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。 目地地址源地址数据长度数 据FCSMAC 帧的最小值 = 64 字节载波延伸前同步码加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度512 字节在以太网上实际传输的帧长分组突发 v当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。 v随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。 发送的数据 分组#1 RRRRRRRR 分组#2 RRRR 分组#3 RRR 分组#4争用期 512 字节将突发计时器设定为 1500 字节载波延伸载波监听 全双工方式 v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 链路中央服务器10 吉比特以太网v10 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。v10 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。v10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。v10 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。 吉比特以太网的物理层 v局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率