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CH4 局域网

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CH4 局域网

CH4 局域网

5.星型环结构 星型环拓扑是将星型拓扑和环型拓扑混合起来的一 种拓扑，试图取这两种拓扑的优点于一个系统中， 克服了典型的星型和典型的环型两个拓扑的不足和 缺陷。这种拓扑的配置是由一批接在环上的连接集 中器(实际上是指安装在楼内各层的配线架)组成， 从每个集中器按星型结构接至每个用户站上。
4.2
局域网体系结构
千兆位以太网Gigabit 4.6.4 千兆位以太网Gigabit Ethernet
千兆位以太网Gigabit Ethernet的特点： (1)数据传输速率为1000Mbps； (2)与传统的10Mbps Ethernet的有相同的帧格式； (3)与传统的10Mbps Ethernet的有相同的介质访问 控制方法CSMA/CD； (4)与传统的10Mbps Ethernet的有相同的组网方法。
MAC地址 4.5.3 MAC地址
MAC地址可分成以下三种类型： (1)单播地址 (2)多播地址 (3)广播地址 IEEE 802.3标准规定MAC地址的长度可以是2字节(16 位)，也可以是6字节(48位)，但MAC地址的长度一般 为6字节。
4.5.4 同轴电缆以太网
1.粗同轴电缆以太网 粗同轴电缆以太网(10BASE-5)简称粗缆以太网或标准以太 网，它是最早实现的以太网。粗缆以太网主要是由同轴电缆、 网卡、中继器、收发器电缆(AUI电缆)以及收发器等设备将 各个站点连接在一起而构成的。 2.细同轴电缆 细同轴电缆以太网简称细缆以太网或10BASE-2以太网。同粗 缆以太网相比较，细缆以太网的成本相对较低，在物理上也 较容易处理，安装过程也很简单。电缆在连接站点时，无需 使用收发器和收发器电缆，而是直接将细同轴电缆连接到网 卡上。
4.5.6 光纤以太网
光纤以太网是在光纤上运行的一种以太网类型。底 层连接可以用标准的以太网速度运行，包括10Mb/s、 100Mb/s、1Gb/s或者10Gb/s。所有连接必须以全双 工速度运行。 在传统以太网中，主要由光纤中继器间链路(Fiber Optic Inter Repeater Link，FOIRL)和10BASE-FX 两种光纤标准。

CH4 局域网技术

CH4 局域网技术

广播域3 VLAN 30
财务部
工程部
市场部
VLAN技术
VLAN （Virtual Local Area Network） • VLAN是在一个物理网络上划分出来的逻辑网 络。这个网络对应于OSI 模型的第二层网络。 • VLAN的划分不受网络端口的实际物理位置的 限制； • VLAN 有着和普通物理网络同样的属性；
4.1节 4.2节
4.3节 4.4节
4.5节 4.6节
4.2 局域网协议
IEEE 802参考模型只对应OSI参考模型的 数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为 逻辑链路控制子层与介质访问控制子层。
4.1节 4.2节
4.3节 4.4节
4.5节 4.6节
4.2 局域网协议
IEEE 802.1标准：局域网体系结构、网络互连，网络管理与 性能测试等。 IEEE 802.2标准：定义了LLC子层的功能与服务。 IEEE 802.3标准：定义了CSMA/CD总线MAC子层与物理层 规范。 IEEE 802.4标准：定义了令牌总线MAC子层与物理层规范。 IEEE 802.5标准：定义了令牌环MAC子层与物理层规范。 IEEE 802.6标准：定义了城域网MAN MAC子层与物理层规 范。 IEEE 802.7标准：定义了宽带技术规范。 IEEE 802.8标准：定义了光纤技术规范。 IEEE 802.9标准：定义了综合语音与数据局域网技术规范。 IEEE 802.10标准：定义了可互操作的局域网安全性规范。 IEEE 802.11标准：定义了无线局域网技术规范。
4.1节 4.2节
4.3节 4.4节
4.5节 4.6节
4.4.2 C/S局域网
C/S局域网的类型：工作组方式
提供网络服务器群

CH4 计算机网络各章课件 局域网

CH4 计算机网络各章课件 局域网

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。

很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议 而没有 LLC 协议。
适配器的作用


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”。 适配器的重要功能： 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。
计算机通过适配器 和局域网进行通信
剩余问题

剩下的一个重要问题就是如何协调总线上各计 算机的工作。
由于总线上只要有一台计算机在发送数据，总 线的资源就被占用，因此，在同一时间只能允 许一台计算机发送数据，否则各计算机之间就 会相互干扰，结果大家都无法正常发送数据。


这个任务交由媒体接入控制（MAC）子层来完 成。
媒体接入控制方法要解决以下几个问题：

建立和释放数据链路层的逻辑连接； 提供与高层的接口； 差错控制； 给帧加上序号
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 逻辑链路控制 媒体接入控制 LLC MAC 物理层 站点 1 局域网 网络层 LLC MAC 物理层 站点 2 数据 链路层
以后一般不考虑 LLC 子层
t = 2 A 检测到 发生碰撞
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 （端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了

CH4计算机网络局域网 PPT资料共138页

CH4计算机网络局域网 PPT资料共138页
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
人为干扰信号
A 发送数据
B 发送数据
A
开始冲突
B
TB A 检测 到冲突
TJ
所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检 测”也称为“冲突检测”。
课件制作人：谢希仁
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。
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。
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。
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
以太网提供的服务

CH4 局域网

CH4 局域网

控制访问
---负载较重时
得发送机会) 预约 (各站先声明有数据
要发送, 然后按预
约顺序发送)
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。
ALOHA系统*
最早采用争用协议
Mesh
特征：
1.每两个通信的设备间都有一个专用链路。 2.每个设备需要n-1个网络I/O端口。 3.n个设备完全互连需要n(n-1)/2条链路。
优点：
1．可用性好。 2．可靠性好。 3．保密和安全。 4．有利于错误检查和错误隔离。
Mesh
缺点：
1. 链路数、网络I/O端口数太多，每个设备 的安装和配置困难。
不稳定区域：
对于时隙ALOHA，位于G>1的部分。
结论：
时隙 ALOHA 系统的效率比纯 ALOHA 系统 提高了一倍 !
Pure ALOHA vs. Slotted ALOHA*
CSMA
Carrier Sense Multiple Access Protocol 定义：
即所谓“先听后说”。 希望传输的站首先对信道进行监听以确定是否有别
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。
局域网的拓扑结构
集线器
星形网
总线网
匹配电阻
干线耦合器
环形网
树形网
Fully connected mesh topology

CH4_LAN

CH4_LAN
Biblioteka AN网络设计的考虑
1 2 3 4 5
网络链路的容量配置； 网络拓扑结构的选择； 路由算法； 拥塞管理； 网络结构和协议等。
LAN网络设计的重点

1 拥塞管理； 2 接入控制； 3 网络结构等。 一般来说，局域网中的各种节点通过一 个共享总线或环等简单结构互通互连， 路由算法不需要。
CH4(增) 局域网(LAN)性能分析
4.1 局域网介绍



计算机网络提供了计算机之间以及各种数据终 端之间的互通互连。 根据地理范围大小，计算机网络可以分为LAN, MAN, WAN。 LAN会局限在一个不大的范围，最多25公里； 主要特征是在局域网内，线路质量好，速率 高，误码低，同时网络拓扑结构可以选择为极 其简单的结构，路由也很简单。
如果用表示平均到达率，单位为：包/秒； L表示平均包长，单位为：比特； C为信道速率， 单位为：比特/秒。 则： X = L / C表示包的平均传输时间 归一化的吞吐率 S X
信道利用率或效率
信道利用率表示传输包的时间占总时间的比例，用表示。 用D表示包中的比特数，H表示包中开销的比特数，则 D S D H 如果忽略开销，则： S
吞吐率



在网络层面，吞吐率表示单位时间内能 够通过网络的比特数或包的数量。 对一给定的局域网，最大化网络的吞吐 率和最小化网络的时延是矛盾的要求。 局域网的重要性能特征可以使用时延-吞 吐率曲线来描述，它很好地表现了时延 和吞吐率的关系。
归一化的吞吐率

一般，为去除信道速率的影响，常使用 归一化的吞吐率。归一化的吞吐率就是 用吞吐率除以信道速率，用 S表示。
平均转送时延
平均转送时延：包最后一个比特到达发送站的时间 到最后一个比特传

CH4 局域网_aka

*4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 4.4.2 在数据链路层扩展局域网 4.5 虚拟局域网 4.5.1 虚拟局域网的概念 4.5.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式
第 4 章 局域网（续）
*4.6 高速以太网 4.6.1 100BASE-T 以太网 4.6.2 吉比特以太网 4.6.3 10 吉比特以太网 4.7 其他种类的高速局域网 4.7.1 100VG-AnyLAN 局域网 4.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI 4.7.3 高性能并行接口 HIPPI 4.7.4 光纤通道 4.8 无线局域网 *4.8.1 无线局域网的组成 4.8.2 802.11 标准中的物理层 4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层
服务）
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。
– 随机接入：站点可随时发送数据，争用信道，易冲突 – 受控接入 ：
• 集中式控制，如多点线路探询(polling)，或轮询。 • 分散式控制，令牌环网，传递令牌，获得令牌才有权发送数
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：
动态分配的前提：5个假定
• 1. 站模型假定：各站独立，且以固定速率 产生帧。在成 功发送一帧之前，站点不会产生新帧（单用户系统） • 2. 单信道假定：只有一个信道，各站平等共享该信道 • 3. 冲突假定：若有冲突（两帧有重叠），必须重发 • 4. 时间假定：

Ch4 局域网


4.4.1 快速以太网 4.4.2 千兆位以太网 4.4.3 万兆位以太网 4.4.4 100G/40G以太网
第四章 局域网
31/94
Networking techno;ogy
4.4.1 快速以太网
第四章 局域网
32/94
Networking techno;ogy
物理层标准
100Base-TX
以太网帧的最小帧长度
对于10Mbps的以太网，64Bytes的发送时间就是
51.2μs时间
因此两个站点的最大距离为2500m所带来的延迟外加
上4个Repeater的延迟必须小于51.2μs
第四章 局域网
14/94
Networking techno;ogy
二进制指数退避算法
算法是用来确定第k次碰撞后等待多长时间 （Ti）再进行第i+1次尝试： Ti = r *51.2μs
IEEE802.3：长度
第四章 局域网
18/94
Networking techno;ogy
以太网帧中字段含义（3）
Data(用户数据)：0～1500 Bytes
PAD(填充字段)：0～46 Bytes
保证最小帧长度为64字节，
CRC校验码： 32位
生成多项式为：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16
第四章 局域网
17/94
Networking techno;ogy
以太网帧中字段含义（2）
源地址： 6字节
单播地址，唯一地址
Cisco是00-00-0c， IBM是 08-00-5A
类型/长度（ype/Length ）：2字节
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课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁

内导体
MAU
外导体屏蔽层
保护外层
BNC T 型接头
集线器
课件制作人：谢希仁
以太网的最大作用距离
500 m 50 m 转发器 转发器 750 m 250 m 转发器 转发器 50 m 网段 2 网段 1 网段 3 500 m 50 m
500 m
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
A 发送数据 A
人为干扰信号
开始冲突
B 发送数据 B
TB
A 检测 到冲突
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
电磁波在总线上的 有限传播速率的影响
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
星形网 10BASE-T

课件制作人：谢希仁
4.1 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。
课件制作人：谢希仁
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”。



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。
计算机通过网卡 和局域网进行通信
计算机 高 速 缓 存
CPU
存储器
网络接口卡 （网卡）
至局域网 串行通信
I/O 总线
并行通信
课件制作人：谢希仁
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
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）



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。
课件制作人：谢希仁
载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD
课件制作人：谢希仁
局域网的拓扑
集线器
星形网
总线网
匹配电阻
干线耦合器
环形网
树形网
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 随机接入 受控接入 ，如多点线路探询(polling)， 或轮询。
课件制作人：谢希仁

动态媒体接入控制（多点接入）

4.2 传统以太网
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
课件制作人：谢希仁
铜缆或铜线连接到以太网 的示意图
主机箱 网卡 主机箱 主机箱 DB-15 连接器 收发器
收发器电缆 插入式 分接头 MDI BNC 连接器 插口 RJ-45 插头
双绞线
计算机网络
第 4 章 局域网
课件制作人：谢希仁
第 4 章 局域网
4.1 局域网概述 *4.2 传统以太网 4.2.1 以太网的工作原理 4.2.2 传统以太网的连接方法 4.2.3 以太网的信道利用率 *4.3 以太网的 MAC 层 4.3.1 MAC 层的硬件地址 4.3.2 两种不同的 MAC 帧格式
课件制作人：谢希仁
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 逻辑链路控制 媒体接入控制 LLC MAC 物理层 站点 1 局域网 网络层 LLC MAC 物理层 站点 2 数据 链路层
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
课件制作人：谢希仁
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。
课件制作人：谢希仁
以太网提供的服务
课件制作人：谢希仁
t=0
A
1 km 碰撞
B
B 发送数据
t= t=
t t = 2
A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞
单程端到端 传播时延记为
t=0
A
1 km 碰撞
B
B 发送数据
t= t=
t t = 2 t=0 A 检测到 信道空闲 发送数据
A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞 A A A A STOP STOP A B B B B B
课件制作人：谢希仁
第 4 章 局域网（续）
*4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 4.4.2 在数据链路层扩展局域网 4.5 虚拟局域网 4.5.1 虚拟局域网的概念 4.5.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式
课件制作人：谢希仁
第 4 章 局域网（续）
*4.6 高速以太网 4.6.1 100BASE-T 以太网 4.6.2 吉比特以太网 4.6.3 10 吉比特以太网 4.7 其他种类的高速局域网 4.7.1 100VG-AnyLAN 局域网 4.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI 4.7.3 高性能并行接口 HIPPI 4.7.4 光纤通道 4.8 无线局域网 *4.8.1 无线局域网的组成 4.8.2 802.11 标准中的物理层 4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层
单程端到端 传播时延记为
t= B 检测到信道空闲 发送数据 t=/2 发生碰撞 t= B 检测到发生碰撞 停止发送
t = 2 A 检测到 发生碰撞
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。
只有 D 接受 B 发送的数据 A 不接受 B B向 D 发送数据 C 不接受 D 接受 E 不接受
课件制作人：谢希仁
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。