1、Part IV 局域网,Local Area Networks(LANs),2018/9/24,2,TOPICS,LAN的定义拓朴结构LAN参考模型媒介共享机制寻址机制帧内容标识以太网高速LAN,2018/9/24,3,2018/9/24,4,常见网络技术分类方法,网络技术常分为三大类局域网：Local Area Network (LAN)城域网：Metropolitan Area Network (MAN)广域网：Wide Area Network (WAN)实施应用最广的是LAN 和 WAN,2018/9/24,5,局域网 (LAN),一种工程化的分类法非常普遍 (most network
2、s are LANs)同时存在多种LAN技术,2018/9/24,6,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10Mbps1000Mbps低误码率10-8 10-10 采用总线、星形、环形拓扑双绞线、同轴电缆、光纤为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务,Switch,Serverfarm,station,stations,stations,2018/9/24,7,为什么会有Local Area Networks？,A computer is more likely to communicate with computers that are nearby th
3、an with computers that are distant计算机更倾向域与物理上临近的而不是相隔较远的计算机通信,称为本地性原理,2018/9/24,8,局域网的关键技术,拓扑结构（逻辑、物理）总线型、星型、环型、树型介质访问方法按协议实现信道共享:CSMA/CD和Token-passing信号传输形式基带、宽带,2018/9/24,9,TOPICS,LAN的定义拓朴结构媒介共享机制LAN参考模型寻址机制帧内容标识以太网高速LAN,2018/9/24,10,拓朴结构（Topology）,一个数学术语意为：geometry for curved surfaces,2018/9/24,1
4、1,网络拓扑,指明网络的一般 “形状”拓扑（形状）有很多类型，常见如星型、总线型LAN中常用该术语主要指的是内部的互连作用：隐藏了实际设备的细节，从而更易获得宏观了解,2018/9/24,12,Star Topology,所有结点都有单独连接到中央结点中央结点又称为 hub,A,B,C,A,2018/9/24,13,Ring Topology,没有中央节点连接直接从一台计算机连接到另一台,A,D,C,B,T,2018/9/24,14,Bus Topology,所有结点都直接连接到共享信道共享信道形成了主干道,C,2018/9/24,15,总线网络的范例: 以太网(Ethernet),最流行的一
5、种 LAN，应用广泛IEEE 标准 802.3以太网标准规定了所有的细节：例如以太帧格式、使用的电压、信号调制方法。历经多次进化保持同样的帧格式数据传输率不同：10Mbps-100Mbps-1000Mbps连接方式不同：同轴电缆、UTP5,2018/9/24,16,Manchester 编码：以太帧的发送方式,采用边缘触发方式,2018/9/24,17,TOPICS,LAN的定义拓朴结构LAN参考模型媒介共享机制寻址机制帧内容标识以太网高速LAN,2018/9/24,18,LAN 硬件的组织框图,2018/9/24,19,LAN参考模型,IEEE802标准,网络层,数据链路层,物理层,逻辑链路
6、控制 LLC,媒体访问控制 MAC,高层,OSI,IEEE 802,物理层PHY,由NOS来实现,IEEE:制定标准的机构802: 该标准的编号标准：是一种公认的衡量数量或质量的标准。 An acknowledged measure of comparison for quantitative or qualitative value;,2018/9/24,20,LAN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，降低实现的复杂度。 局网特点：共享信道(如总线)。需要解决介质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于介
7、质和MAC方法。 LLC： 与介质、拓扑无关； MAC：与介质、拓扑相关。,2018/9/24,21,MAC子层功能：成帧/拆帧， 实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供SAP，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。 LAN对LLC子层透明，仅在MAC子层才可见LAN的标准(对不同的LAN标准，区别在MAC子层),2018/9/24,22,LAN的网络层和高层,网络层由于IEEE 802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(如路由选择等)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完成，故IEEE
8、802标准没有单独设立网络层。高层局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来实现，如Unix、Windows NT、Netware等。,2018/9/24,23,802.3CSMA/CD,802.4Token Bus,802.5Token Ring,802.6DQDB,802.8FDDI,802.2 LLC,数据链路层,物理层,LLC,MAC,802.1D Bridge,802.1A 体系结构,IEEE802体系结构示意图,PHY,Most Popular,2018/9/24,24,IEEE802标准的主要成员,802.2 - 逻辑链路控制LLC 802.3 - CSMA/CD（以太
9、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 无线LAN,2018/9/24,25,TOPICS,LAN的定义拓朴结构LAN参考模型媒介共享机制寻址机制帧内容标识以太网高速LAN,2018/9/24,26,LAN中的媒介共享机制,LAN中所有的数据传输都使用共享媒介完成任意时刻只有一个节点在传输数据站点轮流使用媒介 “take turns” using medium如何保证fairness ？Media Access Control
10、(MAC) policy介质访问控制方法，常见两种：载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)令牌传递(Token Passing)：Token Ring、Token Bus、FDDI(双环),2018/9/24,27,图例：Ethernet Transmission,任意时刻只有一个节点在传输数据传输信号波及整个电缆所有站点接收传输信号CSMA/CD media access scheme演示,2018/9/24,28,CSMA/CD ：载波监听多点访问,多点访问 (MA)多台计算机连接到共享媒介每个的媒介访问算法相同载波监听 (CS)在媒介空闲前等待“抓住”媒介后才开始传送帧可能会出现同
11、时传播现象,2018/9/24,29,CSMA/CD ：载波监听多点访问(continued),两个同时进行的传输活动彼此干扰称为 collision冲突CSMA Collision Detection (CD，冲突检测)在发送时，边发边继续监听若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。Animation,2018/9/24,30,冲突后的退避策略,当冲突发生等待随机时间 t1, 0 t1 d采取 CSMA 方案，再试如果再发生冲突等待随机时间 t2, 0 t2 2d每个连续冲突后都把随机范围加倍称为 exponential backoff：指数退避,2018
12、/9/24,31,CSMA/CD的流程图,2018/9/24,32,无线网的媒介访问,网络范围有限不是每个站点都能收到每个传输信号因此无法使用 CSMA/CD实例：最大传输距离： d站点 1 和 3 无法接收彼此的信号：可能同时发数据给2如何在1向2讲话时让3闭嘴？,2018/9/24,33,CSMA/CA：载波监听多路访问/冲突避免,专用于无线网两头在开始真正的数据前先进行短信沟通：“1 ：I want to send something to 2” 注意：1周围的天线（包括2）都听见这句话，3听不见“2 ：ok,ready to receive from 1” 注意：3听见这句话，就会等待
13、一个分组的传输。数据帧开始从 1 发 2目的: 在传送前通知1或2范围内的所有天线：线路被占用。这种机制称为： Collision Avoidance (CA),2018/9/24,34,Ring Topology,另一种非常流行的LAN 拓朴比特流单向流动存在多种环技术,2018/9/24,35,Token 传递,在环拓朴中使用的保证公平访问的机制Token（令牌）是一种特殊的、保留的消息（message）很小 (a few bits),2018/9/24,36,令牌环（IEEE802.5）,A,B,D,C,站点,干线耦合器,单向环, 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环,发送缓冲区,接收缓
14、冲区,接收,发送,线路驱动,线路接收,控制器,DTE,环路输入,环路输出,干线耦合器的结构, 传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps； 最多站点数：250， 信号采用曼彻斯特编码,TCU,高层软件,2018/9/24,37,干线耦合器（TCU）,工作状态： 发送方式 （站点发送数据时） 收听/转发方式（其他时候）收听方式下，TCU与DTE断开 TCU对位流再生并转发，同时监视帧中是否出现本站地址和令牌。若出现本站地址，则将开关K闭合，TCU与DTE接通，位流复制到DTE，同时继续转发；若出现令牌且有数据要发送，则截获令牌，转为发送方式，发送数据帧。发送方式下，数据以帧为单位从TCU的输出
15、端发送到下一个TCU的输入端。,DTE,TCU,收听方式,K,K,DTE,TCU,发送方式,K,K,2018/9/24,38,Token Ring/802.5的操作,1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。,2018/9/24,39,3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较： a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中； b)如果地址不符合，则直接将
16、帧送回环中。 4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。,2018/9/24,40,Token Ring/802.5的操作举例,A,T = 0,T,A,T = 0,T,A,T = 1,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后A将数据帧回收并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,2018/9/24,41,实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,2018/9/24
17、,42,Token Ring 方法的优势,容易发现断环硬件失败干扰,2018/9/24,43,Token Ring 方法的缺陷,一条线断则整个环断点到点的连接方式在办公室环境中布线不方便增删站点不容易,2018/9/24,44,几种令牌传输环技术,ProNet-1010 MbpsIBM Token Ring最初 4 Mbps后来 16 MbpsFiber Distributed Data Interconnect (FDDI)100 Mbps,2018/9/24,45,TOPICS,LAN的定义拓朴结构LAN参考模型媒介共享机制寻址机制帧内容标识以太网高速LAN,2018/9/24,46,识别
18、目的地,所有共享媒介LAN都接收所有的传输信号如何让发送方指明传输目的地给每个站点分配一个唯一的数字称为该站点的 address每个发出的帧都包含接收者的地址,2018/9/24,47,MAC子层的地址,IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。MAC地址（物理地址）MAC地址为6Byte（48位）。MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。,2018/9/24,48,地址标识,每个帧都含有目标地址所有站点接收所有的传输帧，检查
19、目的地址，丢弃那些不属于自己的帧注意：网卡硬件、而非软件负责检查目标地址,2018/9/24,49,Possible Destinations,包可发送到:单个目的站点 (unicast)网络上所有站点 (broadcast)某些站点 (multicast)如何区分？利用地址本身的信息,2018/9/24,50,使用多种地址选项的优点,Unicast提高两台计算机之间交互的效率Broadcast提高将信息发送到所有计算机的效率Multicast提高将信息发送到部分计算机的效率,2018/9/24,51,Broadcast on Ethernet,地址全 1代表广播发送方将广播地址写入帧将帧发送
20、到共享网络所有站点都会接收到接收方永远接收两种帧含本站单播地址的帧含广播地址的帧,2018/9/24,52,Multicast on Ethernet,保留一半的地址作为多播网卡总是接受单播和广播地址也能够接受多个多播地址软件决定接受的多播地址通知网卡,2018/9/24,53,混合模式,用于测试/调试网络允许网卡接受所有包大多数网卡支持这一功能,2018/9/24,54,TOPICS,LAN的定义拓朴结构LAN参考模型媒介共享机制寻址机制帧内容标识以太网高速LAN,2018/9/24,55,帧内容标识,用整型类型域来告诉接收方传输的数据类型Two possibilities显式的帧类型(ex
21、plicit type):在硬件帧中包含标识内容类型的字段，又称Self-identifying。隐式的帧类型：帧中没有类型字段，数据收发方必须在发送前事先协商，自己处理内容类型。,2018/9/24,56,帧格式的概念模型,Header包含地址和类型信息格式固定Payload包含待发数据,2018/9/24,57,以太帧的图示,发送方负责填写发送方地址： source接收方地址： destination数据类型： frame type循环冗余校正码： CRC,2018/9/24,58,以太帧类型实例,2018/9/24,59,不使用自标识帧的网络,两种知道帧中数据类型的方法：收发双方都只使用
22、一种格式的数据发送数据前，双方约定在数据区的头几个字节存储类型信息大多数系统都需要类型信息。,2018/9/24,60,如何把类型信息包含在帧数据区域的图示,实践中类信息同数据比较起来较小软件可以随意选择解释类型信息的方式，因此类型信息的格式应当标准化,2018/9/24,61,一个类信息标准的例子,由IEEE定义当硬件不包含类信息时使用称： LLC / SNAP header00 00 00:规定以太网类型的组织0800:一个以太网类型，代表IP v4,2018/9/24,62,类型解析,网卡硬件接收每个传输帧的拷贝检查地址，决定是否保留将接收的帧转给系统软件网络设备软件检查帧类型将帧转给相
23、应的软件模块,2018/9/24,63,网卡硬件,2018/9/24,64,网络分析仪,用于检测和维护网络的专用设备以混杂模式监听生成总结 (e.g., % of broadcast frames)特定结果 (e.g., frames from a given address),2018/9/24,65,TOPICS,LAN的定义拓朴结构LAN参考模型媒介共享机制寻址机制帧内容标识以太网高速LAN,2018/9/24,66,以太网,70年代中期由Xerox Palo Alto Research Center (Bob Metcalfe) 提出，数据率为2.94M，称为Ethernet（以太网）
24、。 经DEC, Intel and Xerox公司改进为10M标准(DIX 标准) 。 1985年定名为IEEE 802.3，即使用1坚持的CAMA/CD协议的LAN标准，数据率从1M到10M (现已发展到1000M)，支持多种传输媒体。 Ethernet是指基带总线LAN。 Ethernet和IEEE 802.3的帧格式不同。,1. Ethernet和IEEE 802.3,2018/9/24,67,IEEE 802.3 规范,传统以太网 802.3 同轴电缆Ethernet 802.3a 细缆Ethernet 802.3i 双绞线 802.3j 光纤快速以太网FE 802.3u 双绞线，光纤
25、千兆以太网GE IEEE802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 IEEE802.3ab 双绞线,2018/9/24,68,802.3布线介质标准,10Base5 粗同轴10Base2 细同轴10BaseT 双绞线 10BaseF MMF100BaseT 双绞线100BaseF MMF/SMF1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT 双绞线,2018/9/24,69,以太网连接,三种布线方案对应三个时代使用的帧格式相同,2018/9/24,70,早期的粗线以太网布线,粗缆正式术语：10Base5又称： thicknet粗缆网,2018/9/24,71,2.10Base5,粗同
26、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AUI : 连接件单元接口总线型拓扑用于网络骨干连接,最大段长度 500米每段最多站点数 100,两站点间最小距离 2.5米,粗缆,Vampire tap,BNC端子,收发器,AUI 电缆,NIC,网络最大跨度 2.5公里,10Base5,2018/9/24,72,第二代：细线以太网,细同轴电缆正式名称： 10Base2Called thinnet,2018/9/24,73,3. 10Base2,细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑用于办公室LAN,细缆,BNC 接头,NIC,每段最大长度 185
27、m每段最多站点数 30,两站点间最短距离 0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,10Base2,2018/9/24,74,双绞线以太网,使用 hub正式名称 10Base-TCalled twisted pair Ethernet,2018/9/24,75,10BaseT,双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。转发器/中继器/HUB物理层设备(工作在物理层)。 用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大长度 100m,2018/9/
28、24,76,5.10BaseF,使用光纤进行长距离连接，例如建筑物间连接。 星形拓扑结构最常见的布线标准： 10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长2 km,10Broad36,使用75电缆连接，拓扑结构为树形 用于宽带LAN,10BaseF,2018/9/24,77,办公环境中的以太网布线,2018/9/24,78,以太网卡的接口,2018/9/24,79,关于以太网拓朴的一个注解,看上去原始的以太网采用bus 型现代以太网通常采用star 型实际上，现代以太网物理上 star逻辑上 bus称为 star-shaped bus,2018/9/24,80,IEEE 802.3的体系结构与
29、功能实现,物理层,电缆,连接器,收发器,AUI电缆,网卡,站接口,数据封装/解封（MAC 帧）,链路管理（CSMA/CD协议）,曼彻斯特编码/译码,发送/接收,MAC,LLC,2018/9/24,81,Ethernet/802.3操作,每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧,A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,B,C,(1)C 发现总线空闲,(2)C发送帧，目的地址为A,(3)B 忽略该帧,(4)A复制该帧,信号由终端电阻吸收,终端电阻,2018/9/24,82,IEEE802.3/Ethernet帧格
30、式,PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD： 帧首定界 - 10101011DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B）Type： 类型。高层协议标识LLC PDU+pad - 最少46字节, 最多1500字节 Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域46字节，则无Pad)FCS： 帧校验序列（CRC-32）,8 6 6 2 46-1500 4字节,FCS,SA,Type,PA,DA,Data,Pad,Ethernet,IEEE 802.3,7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4
31、字节,校验区间,64-1518 字节,2018/9/24,83,帧间隔,在相继发送的两帧之间强制插入9.6ms的间隔 目的：确保其他站点也能占用信道,PA,帧间隔 9.6 ms,帧n,帧n+1,2018/9/24,84,TOPICS,LAN的定义拓朴结构LAN参考模型媒介共享机制寻址机制帧内容标识以太网高速LAN,2018/9/24,85,1.交换式以太网,以网络交换机为主干的以太网拓扑仍为星形结构（总线/HUBLAN_SWITCH）为何要使用网络交换机？ 以太网共享介质网络 共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数)网络交换总
32、线网络或基于集线器的网络：网络总带宽=10Mbps，n个站点共享，每站点平均带宽10/n Mbps；基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制， 网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps ；,高速局域网,2018/9/24,86,使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如：8个端口可建立4个并发通信，总带宽 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置1-2个高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为Big
33、-Pipe。,10Mbps 网络交换机,2018/9/24,87,交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)： (1)端口下接站点：站点独占10Mbps带宽 (2)端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽,共享10M,独享10M,共享10M,独享10M,网络交换机Switch,HUB,HUB,2018/9/24,88,2. 100Mbps 快速以太网,又称快速以太网(Fast Ethernet，FE)，包括100Base-TX和100Base-FX。与10Mbps网络的比较：拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样；传输率快10倍；帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3。,3种
34、不同的物理层标准：,MAC子层,100BaseFX,100BaseTX,2对5类 UTP,光纤,4对3类 UTP,100BaseT4,2018/9/24,89,快速以太网组成实例,网卡(外置或内置收发器)、收发器(外置)与收发器电缆集线器（双绞线或光纤接口）双绞线及光缆,外置光纤收发器,光纤,100Base FX集线器,100Base TX集线器,100Base TX集线器,光纤,插有光纤接口网卡,UTP5,UTP5,UTP5,UTP5,光纤,UTP5,2018/9/24,90,3.FDDI (Fiber Distributed Data Interface),网络由双环构成，可靠性高。传输速
35、率为100Mbps。介质访问控制方法采用Token Passing，类似于令牌环。传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十km)。,集中器,集中器,令牌,服务器,2018/9/24,91,4.千兆以太网(Gigabit Ethernet，GE),两种标准：802.3z和802.3ab802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线(5类，6类)连接距离较短：1000BaseX:双绞线 - 25米；MMF - 550米；SMF - 3km1000BaseT: 5类双绞线 100米 拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同；
36、 传输速率比100BaseT快10倍； 帧结构和介质访问控制方式仍沿用IEEE802.3。 允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。,2018/9/24,92,FDDI的失败自恢复图示,2018/9/24,93,4.ATM,Asynchronous Transfer Mode (ATM)由电信公司设计希望兼容VoiceVideoData,2018/9/24,94,ATM,基本单位称为 ATM switch每个站点都与交换机连接交换机之间可以互连,2018/9/24,95,ATM 连接的一些细节,全双工需要两条光纤,2018/9/24,96,ATM 的特点,高数据率 (e.g. 155 M
37、bps)定长包Called cells对语音传输尤为重要Cell 大小为 53 字节48 字节为数据5 字节为头部,2018/9/24,97,本章总结,Local Area Networks网络范围小采用共享媒介多种局域网技术同时存在拓朴指的是一般形状BusRingStar,2018/9/24,98,本章总结(continued),地址是给每个站点分配的唯一数字放在帧头中硬件识别地址的形式UnicastBroadcastMulticast,2018/9/24,99,本章总结(continued),类型信息描述帧中数据的类型由发送方设定由接收方检视帧格式头部包含地址和类型信息负载部分包含发送数据,2018/9/24,100,本章总结(continued),LAN 技术Ethernet (bus)IBM Token RingFDDI (ring)ATM (star),2018/9/24,101,本章总结(continued),布线与拓朴结构区分逻辑拓朴物理拓朴 (布线)Hub 可用于 Star-shaped busStar-shaped ring,
