局域网体系结构

第9章局域网体系结构局域网是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备连在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。本章从介绍局域网的体系结构、协议标准及拓扑结构入手，详细讨论CSMA/CD总线网、令牌环网及令牌总线网的媒体访问控制方法。通过本章的学习，重点掌握和理解以下内容：l理解计算机局域网的体系结构l了解常用的局域网标准：IEEE802.3、IEEE802.5各自的特点l理解载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的工作过程l了解高速局域网和千兆位以太网的基本情况9.1.1局域网的概念、特点1.局域网的定义与发展过程在较小的地理范围内，利用通信线路将许多数据设备连接起来，实现彼此之间的数据传输和资源共享的系统称为局域网。它的发展—般分为三个阶段：（1）60年代末至70年代初是萌芽阶段。（2）70年代中期是局域网发展的一个重要阶段。（3）80年代初期是局域网走向大发展的时期。利用光导纤维作为通信介质构成的高速主干环网，是目前许多局域网系统采用的一种结构形式。9.1局域网概述2.局域网特点（1）地理范围有限。（2）通信速率高。（3）可采用多种通信介质。（4）可靠性较高。一般说来，决定局域网特性的主要技术有三个方面：（1）局域网的拓扑结构。（2）用以共享媒体的介质访问控制方法（3）用以传输数据的介质。由局域网本身的特点决定局域网具有以下优点：（1）能够方便地共享网内资源，包括主机、外部设备、软件、数据；（2）便于系统扩展；（3）提高了系统的可靠性、可用性、可维护性；（4）各设备位置可以灵活地调整和改变；（5）有较快的响应速度（数据传输率较高）。9.1.2局域网的应用计算机局域网所具有的这些优点决定了它在社会各个领域有着广泛的应用，它可以用于办公自动化、工业生产自动化、企业管理信息系统、生产过程实时控制、军事指挥和控制系统、辅助教学系统、医疗管理系统、银行系统、软件开发系统和商业系统等方面，其中主要作用如下：1.办公自动化2.工业生产自动化3.应用于教育领域4.计算机协同工作技术9.2.1服务器网络使用一个专门的结点共享外围设备，该结点为网上所有的用户所共知，具有固定的地址，并为网上用户提供服务。这种提供服务的结点称为服务器（Server）。常见的服务器类型有以下几种。1.文件服务器给用户提供了操作系统中文件系统的各种功能。2.打印服务器接有打印机，提供网络打印。3.终端服务器又称为终端集中器，终端到其他结点之间的通信都通过终端集中器。9.2局域网的组成9.2.2工作站工作站又称为客户机。工作站是指当一台计算机连接到局域网上时，这台计算机就成为局域网的一个工作站。工作站与服务器不同，服务器是为网络上许多网络用户提供服务以共享它的资源，而工作站仅对操作该工作站的用户提供服务。工作站是用户和网络的接口设备，用户通过它可以与网络交换信息，共享网络资源。工作站通过网卡、通信介质以及通信设备连接到网络服务器。现在的工作站都用具有一定处理能力的PC（个人计算机）机来承担。9.2局域网的组成9.2.3网络适配器（NIC）网络适配器NIC（NetworkInterfaceCard）也就是俗称的网卡。网卡是构成计算机局域网络系统中最基本的、最重要的和必不可少的连接设备，计算机主要通过网卡接入局域网络。网卡一方面负责接收网络上传过来的数据包，解包后，将数据通过主板上的总线传输给本地计算机；另一方面它将本地计算机上的数据打包后送入网络。网卡和计算机的连接是通过总线扩展槽，根据连接的扩展槽不同，可将网卡进行分类。一般分为ISA总线网卡和PCI总线网卡。9.2局域网的组成9.3.1局域网参考模型1.IEEE802参考模型物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层媒体接入控制MAC逻辑链路控制LLCOSI参考模型IEEE802参考模型服务访问点SAPIEEE802参考模型的范围9.3局域网的体系结构IEEE802参考模型的最低层对应于OSI模型中的物理层，包括以下功能：•信号的编码/解码•前导的生成/去除（该前导用于同步）•比特的传输/接收物理层之上的层次主要为局域网的用户提供相应的服务。它们的主要功能如下：•在传输时将要传输的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错检测等字段；•在接收时，将接收到的帧解包，进行地址识别和差错检测；•管理和控制对于局域网传输媒体的访问；•为高层协议提供相应的接口，即一个或多个服务访问点（SAP），并且进行流量和差错控制。2.IEEE802协议此标准将数据链路层分为逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层，逻辑链路控制子层主要提供寻址、排序、差错控制和流量控制等功能。802.1网际互连802.2逻辑链路控制物理层物理层物理层物理层802.3媒体访问802.6媒体访问802.5媒体访问802.4媒体访问802.1寻址管理802.1体系结构网际互连逻辑链路控制LLC媒体访问控制MAC物理层9.3.2逻辑链路控制LLC子层1.LLC向高层提供的服务有四种类型：•面向连接的服务•确认无连接服务•不确认无连接服务•高速传送服务2.逻辑链路控制子层的服务访问点LLCSAP在一个主机的LLC子层上面应设有多个服务访问点，以便向多个进程提供服务。需用到两个地址：（1）MAC（介质访问控制）地址。（2）SAP地址。9.3局域网的体系结构3.LLC协议（1）LLC帧的说明①LLC帧的说明•没有分界符及校验字段；•LLC帧是MAC帧中的数据字段；•有源地址（源服务访问点），这样适应于点—点、点—多点及广播式通信。②LLC帧控制字段和HDLC中的控制字段一样，控制字段将LLC帧分为信息帧、管理监控）帧、无编号帧，分别完成不同的功能。（2）LLC/MAC的接口用服务原语实现：MA-DATA.request；MA-DATA.indication；MA-DATA.confirm。9.3.3媒体访问控制MAC子层1.媒体访问控制策略在所有的媒体访问控制技术中，最关键的参数是控制点和控制方法。集中方式具有以下的优点：•能提供除了对媒体访问外的其他更高级的功能，如优先级控制、可靠性等。•每个站点的访问控制逻辑简单•避免对等实体间进行分布合作可能带来的问题缺点：•在整个网络中，如果控制点不能工作，则会导致整个网络瘫痪•由于所有对共享媒体的访问要经过控制站点的允许，可能会形成瓶颈，降低效率。分布式媒体访问控制方式的优缺点正好与之相反。一般可以将访问控制技术分为两种：同步和异步。在同步技术中，整个信道带宽被分割成许多部分，每一部分被分配给某一个站点。在电路交换中的频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM）技术就属于这种同步机制。异步技术分为三种：时间片轮转、预约和竞争。•在时间片轮转中，每个节点按照一定的时间顺序得到传输时间。•预约技术更适合于传输连续数据的情况。•对突发性的数据传输，竞争是最常用的机制。2.MAC帧格式MAC控制DACRCLLCSA由于采用不同的MAC协议，各MAC帧的确切定义不尽相同。但是所有的MAC帧的格式都大致类似。MAC帧各字段的含义如下：•MAC控制字段：包括所有实现媒体访问控制所必须的协议控制信息。•DA和SA：目的地址和源地址，用于指示接收端和发送端的MAC地址。•LLC：来自于LLC层的数据信息。•CRC：循环校验字段，用于差错控制。9.4.1802.3局域网概述规定了CSMA/CD访问方法和物理层技术规范。最典型的网络是以太网（Ethernet）。现在的以太网也采用星状拓扑。1.组网方式基于802.3的总线局域网通常有四种组网方式：（1）10Base5网络（2）10Base2网络（3）10BaseT网络（4）10BaseF网络2.帧结构（1）前导码：用于收发双方的时钟同步。（2）帧起始定界符：表示帧的开始。（3）目标地址和源地址。（4）数据域长度：用于指明数据域的字节数。（5）数据域：用于携带LLCPDU（协议数据单元）。（6）填充域：必要时用于填充帧，使帧长达到最短有效长度。（7）校验字段：4个字节，使用32位的CRC校验。3.MAC子层功能说明MAC子层有两个主要的功能，一是数据的封装与解封．包括组帧、寻址和错误检测；另一个是介质访问管理，包括介质分配和冲突解决。LLC子层发送数据封装发送介质访问管理接收介质访问管理接收数据解封MAC子层发送数据编码接收数据解码9.4.2CSMA/CD介质访问控制协议及以太网1.载波侦听多路访问协议CSMA载波侦听多路访问CSMA（CarrierSenseMultiAccess）又称为“先听后说”，是减少冲突的主要技术。具体方法是网中各站在发送信息帧之前，先监听信道，看信道是忙或闲，如信道闲（即没有别的站往信道上发送信息帧）就发送信息帧；否则，就推迟自己的发送行动。推迟的时间，选择一种退避算法决定。根据退避算法，载波侦听多路访问可以分为三种类型：•非坚持型CSMA•1-坚持型CSMA•P坚持型CSMA。2.载波侦听多路访问/冲突检测协议CSMA/CDCSMA/CD的规则如下：（1）若信道空闲，则发送信息帧，否则转第（2）步；（2）若信道忙，一直监听直到信道空闲，然后立即传输；（3）若在传输过程中监听到冲突，则发出一个短小的人为干扰信号，让所有的站点都知识发生了冲突并停止传输；（4）发完人为干扰信号后等待一个随机时间，再次尝试传输（从第（1）步开始重复）。9.5IEEE802.5标准：令牌环局域网9.5.1令牌环局域网络IBM令牌环是一种星形—环形结构，即结构上呈星形，但将各工作站连成环。IBM令牌环是一种星形—环形结构，即结构上呈星形，但将各工作站连成环。环站是计算机、文件服务器和终端设备，设备入网时均需要带一个适配器。环站是计算机、文件服务器和终端设备，设备入网时均需要带一个适配器。线集中器是一个连接设备，环站通过线集中器将传输介质构成环网。传输介质可以是双绞线、光纤或宽带电缆，或是它们的混合，形成多介质网络。网桥作为IBM令牌环之间的连接设备。信关实质上是一个网间连接器。环形网络一直用于局域网和广域网中。9.5.2令牌环工作原理*9.5.3令牌环MAC子层协议1.IEEE802.5MAC帧格式SDEDAC字节111令牌帧SDFCAC字节111数据帧DAINFOSA2或62或6≥0FCSEDFS411PPPTMRRR访问控制字段格式如下：（2）数据帧格式•SD、AC和ED字段同令牌帧•FC：帧控制格式：FFRRCCCC•DA：目的地址•SA：源地址•FCS：帧校验序列。•FS：帧状态。AC××AC××2.令牌环的媒体访问控制功能（1）帧发送（2）令牌发送（3）帧接收（4）优先权操作*9.5.4令牌总线局域网1.令牌总线网的工作原理：（1）网络在启动后，只有获得令牌的站才能向网上发送数据。（2）令牌在逻辑环上是根据地址传递的。（3）逻辑环上任何一个站保持令牌的时间是一定的。（4）逻辑环在稳定状态下的操作由数据传送和令牌传递两个阶段交替进行。（5）令牌总线型网络具有优先级控制。（6）在非稳定状态下，逻辑环上所有使用令牌的站有逻辑环的维护功能。（7）总线上的站可以加入逻辑环，也可以不加入逻辑环。2.令牌总线MAC子层协议MAC帧格式如下：PAFCSDDASADATA-UNITFCSED前导码帧开始帧控制目标地址源地址数据帧校验序列帧结束定界符3.令牌总线介质访问控制控制方法主要包括：（1）逻辑环的初始化（2）插入环算法（3）退环算法（4）故障控制。*9.6快速以太网与千兆以太网技术IEEE802.3委员会于1992年提出制定快速以太网标准。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。包括：•100Base-TX•100Base-T4•100Base-Fx。*9.6.1快速以太网*9.6.2千兆位以太网1.千兆位以太网是IEEE802.3标