04_局域网技术

1Internet/Intranet技术专业：计算机科学与技术任课教师：程细柱韶关学院计算机系程细柱2第四章局域网技术4.1以太网原理简介4.2以太网的物理拓朴结构及逻辑拓朴4.310M以太网物理层4.4100以太网物理层4.5千兆以太网4.6以太网数据链路层的介质访问控制方式4.7CSMA/CD技术与共享式以太网4.8交换型以太网4.9全双工以太网4.10局域网连接设备4.11生成树协议4.12虚拟局域网技术韶关学院计算机系程细柱34.1以太网原理简介图4.110BASE5信息传送方式电缆终端子T接线器或TAP节点10BASE5（粗以太网）：以太网的先驱，50为粗同轴电缆为共享介质，速率：10M，电缆最长：500m①原理：帧是通信的最小单位，结点将要传送的数据分成几段，分别封装在帧的数据部分，MAC控制器将帧发送到收发器上，收发器对帧进行编码变成比特流，最后发送到同轴电缆上；接收的时候也要通过收发器译码，将比特流转换成帧发送到MAC控制器上。②MAC地址：结点的惟一标识，由IEEE分配，全球惟一，被写在网卡芯片中，也叫物理地址或网络接口地址。③CSMA/CD：载波侦听多路访问/冲突检测协议，这种以太网是半双工的。韶关学院计算机系程细柱44.2以太网的物理拓朴结构及逻辑拓朴以太网的拓朴结构有：①物理上总线型，逻辑上总线型：如10Base2、10Base5②物理上星型，逻辑上总线型：中心结点设备用集线器，广播方式，任何一台主机向另一台发送数据帧时，在中心结点上就像广播一样，其他主机也能“看”到。③物理上星型，逻辑上星型：中心结点设备用以太网交换机，中心结点以交换方式转发数据，即在源主机与目的主机之间建立一个逻辑通道，两者之间进行通信，每对源与目的都有自已的逻辑通道，不会干扰其他源与目的通信。图310Base_T星型双绞线Ethernet网络集线器5类非屏蔽双绞线韶关学院计算机系程细柱54.310M以太网物理层数据编码方式有：①NRZ编码（不归0制）：高电平表示“1”，低电平表示“0”，用于计算机内部。缺点：不容易区别连续发送的“1”或“0”②曼彻斯特编码：低电平跳变到高电平表示“1”，高电平跳变到低电平表示“0”。优点：1）容易区别连续发送的“1”或“0”2）容易提取同步信号。3）容易检测冲突，因为没有冲突的帧平均电压为0，否则平均电压会改变。收发器负责计算机内的NRZ编码和网络上的曼彻斯特编码的转换。MAC控制器收发器信道NRZ编码曼彻斯特编码韶关学院计算机系程细柱6111010001字节时钟NRZ-L曼彻斯特编码图4.2数据编码方式韶关学院计算机系程细柱71、10M的总线型以太网10BASE2（细以太网）：收发器内置，50为细同轴电缆为共享介质，速率为10M，电缆最长为185m，支持30个结点，总长最长为925m10BASE5（粗以太网）：50为粗同轴电缆为共享介质，速率为10M，电缆最长为500m，支持100个收发器，4个中继器，总长最长为2500m图110Base2细缆Ethernet网络T型和BNC型连接器终端匹配器细同轴电缆图210Base5粗缆Ethernet网络终端匹配器收发器粗同轴电缆AUI电缆韶关学院计算机系程细柱810Base_T(双绞线以太网)：收发器内置，5类非屏蔽双绞线为传输介质，速率为10M，每根双绞线最长为100m10Base_F(光纤以太网)：传输介质为光纤，有10BASE-FB、10BASE-FL和10BASE-FP三个规范。图310Base_T星型双绞线Ethernet网络集线器5类非屏蔽双绞线图4.3集线器的工作方式WAlphaXYBetaZ2、10M的星型以太网韶关学院计算机系程细柱94.4100以太网物理层100M以太网采用CSMA/CD控制协议，MAC子层与物理层之间采用介质无关接口（MII），拓朴结构为星型，有以下几种：①100BASE-TX：采用2对5类UTP双绞线或2对1类STP双绞线作为传输介质，其中一对用于发送，另一对用于接收，最大网段长度为100米，5类UTP使用RJ45连接器，1类STP使用DB9连接器，采用4B/5B编码方法，传输速率为100Mbps②100BASE-FX:采用2对光纤（多模或单模）作为传输介质，最大网段长度为450米，可用FDDIMIC连接器、ST连接器和SC连接器，采用4B/5B编码方法，传输速率为200Mbps，适用于高速主干网、有电磁干扰环境、要求通信保密性好和传输距离远的应用场合。③100BASE-T4：采用4对3类、4类和5类UTP双绞线作为传输介质，其中3对用于传输数据，另1对用于冲突检测，使用RJ45连接器，最大网段长度为100米，采用8B/6B编码方法。韶关学院计算机系程细柱10100M快速以太网和10M以太网比较100M快速以太网和10M以太网比较有以下差异：①100Mbps以太网中的介质无关接口（MII）取代了10Mbps以太网中的AUI接口。注：AUI采用位串行接口，MII采用4位（半位元组）接口。②100BASE-X采用“4B/5B”信号编码方案，100BASE-T4采用“8B/6B”信号编码方案，而10Mbps以太网采用的是“曼彻斯特”编码，在数据率增加时会受到严重的电磁干扰和射频干扰。③10Mbps以太网卡只能工作在单一的数据率上，100Mbps以太网卡能同时工作于100Mbps和10Mbps的数据率之上，具有自动协商选择功能。韶关学院计算机系程细柱11自动协商功能：能使链路一端去询问另一端的特征，从而决定其共同的工作模式。自动协商在两个端口的物理层进行，当设备加电启动时，它在连接的链路上发送一串链路脉冲（FLP）信号，当另一端收到FLP时，它会选择最佳的工作模式，之后FLP将不再出现，进入正常工作状态。注：屏蔽双绞线和光纤介质不支持自动协商功能。韶关学院计算机系程细柱124.5千兆以太网千兆以太网的特点：①不改变传统以太网络的帧结构和布线系统，可与现存的10M或100M的以太网设备及电缆基础设施配合工作。②基于以太网技术，有利于现存以太网升级到千兆以太网，且不用改变以前的软硬件设施。③新介质无关接口（GMII）取代了100Mbps以太网中的介质无关接口（MII），发送和接受数据扩宽到8位（MII是4位）。④采用了名为“8B/10B”信号编码方案，即把每8位数据净荷编码成10位线路编码，其中多余的位用于错误检查。⑤采用载波扩展和帧突发技术，取代了以前的CSMA/CD技术。韶关学院计算机系程细柱13载波扩展：由于千兆以太网如果仍用CSMA/CD技术的话，那么两个节点之间的距离就不能超过20m，为了使其覆盖范围扩展160m,半双工千兆以太网时间槽长度扩展到4096位（100M以太网为512位）。帧突发：由于载波扩展使长度较小的以太网帧的发送效率降低了，为了解决该问题，引入了帧突发技术，即：对于DTE发送的第一个小于512B的帧依然扩展到512B，但随后发送的不扩展，而是加入96位的帧间隔后连续发送。韶关学院计算机系程细柱144.6以太网数据链路层的介质访问控制方式以太网上的所有结点都连接在共享介质上，每个结点都可随机地、平等地竞争在共享介质上的传输的机会，所以需要一种仲载机制决定在某个时刻由哪个结点发送信号。CSMA/CD就是这样的仲载机制，本节要学习以下内容：1、CSMA/CD与帧发送2、帧接收过程3、MAC控制器和收发器的功能4、时间间隙与网络的直径及最小帧长度的关系韶关学院计算机系程细柱151、CSMA/CD与帧发送以太网采用CSMA/CD（载波侦听/冲突检测）仲载机制。㈠载波侦听：当有帧要发送时，首先对物理介质进行载波侦听，有两种情况：①结点侦听到信道上有帧在发送，就推迟发送；当收到当前发送帧的最后一个比后，延迟IFG，帧间隔时间便开始传送帧。②如果结点发现信道空，则检查空闲时间是否大于IFG，如果是，则开始发送数据帧；否则，延迟剩余的IFG时间再发送数据帧。韶关学院计算机系程细柱16㈡冲突检测及帧发送：在帧发送过程中，结点同时对信道进行冲突检测，如果在整个发送过程中结点都没有检测到冲突，则发送成功；否则进行如下处理：①结点检测到冲突后，首先进入发送“冲突加强信号”阶段。持续发送一个Jam时间（即发送32个比特所需要的时间），然后停止发送。②结点等待一段随机时间后，回到第一步，重新尝试发送帧。当第n次重发时,随机时间=r×时隙，其中r∈(0,2^n)见下图：韶关学院计算机系程细柱17图4.4CSMA/CD帧发送工作流程图其他结点发送结束？延迟剩余的IFG延迟剩余的IFG发送包的下一个比特NYYNYN发送帧1.以帧装配包2.尝试计数器清零碎其他结点正在发送？自上次发送到现在是否超过IFG？发送包的第一个比特检测到冲突？发送结束？帧发送成功NYNY帧发送失败冲突太多发32位数据（Jam）尝试计数器加1尝试计数器16?计算后退时间延迟后退时间YN冲突恢复12453服从等待发送韶关学院计算机系程细柱18当结点没有数据发送时，结点就处于接收状态。结点不停地对信道监测，当它发现信道上有帧在传送时，就开始接收数据帧，直到底层信道通知结束为止。结点接收到帧后，进行下列工作：①检查帧的长度。目的地址满足以下3个条件时，就进行下一步操作；否则，抛弃该帧：•与自已的MAC地址相同；•可以接收的组地址；•广播地址。②对帧进行CRC检验，如果CRC有效则正确接收；否则，MAC将丢弃该帧。③对帧的长度或类型字段做判断，识别出是以太网帧还是IEEE帧。如果是以太网帧，在除去帧头、帧尾后交给网络层处理；如果是IEEE帧，则交给LLC子层处理。（注：数据包长度0600H的帧的IEEE802帧，否则为以太网帧）2、帧接收过程韶关学院计算机系程细柱193、MAC控制器和收发器的功能CSMA/CD算法是由MAC控制器和收发器共同完成。㈠MAC控制器是内置在网卡内的芯片，它完成以下3个功能：①接收上层数据，封装成帧，发往收发器；②决定何时发送数据帧；③从收发器接收数据帧，做相应处境后交给上层协议。㈡收发器提供了MAC与介质之间的接口，它完成以下功能：①从MAC接收数据帧，对其进行编码并发到介质上；②从介质上接收信号，解码后发给MAC；③在发送过程中不停地对介质进行冲突检测，发现有冲突时就通知MAC；④侦听介质上是否3有信号发送，并通知MAC。韶关学院计算机系程细柱204、时间间隙与网络的直径及最小帧长度的关系时间间隙(SlotTime)：设信号从网络端点A传到网络端点B所需的延迟时间为，则这段2的时间称为时间间隙。公式如下：①SlotTime=2ⅹ(S/0.7C+t)（其中：S=网络最大直经，t=信号经过中继器、收发器等到设备产生的延迟，0.7C=信号在媒体上传输的速度）②SlotTime=L/R（其中：L=站点在SlotTime期间至少要发送的帧长，称作最小帧长度；R=网络的传输率）由公式①和②公式可得：2ⅹ(S/0.7C+t)=L/R可见：①当传输率R一定时，网络的直径S越大，最小帧长度L就越长。②SlotTime不仅与网络的最大直径S有关，而且与网络上物理设备的延迟有关。因此：扩大网络，就需要增长最小帧长度；缩短帧长度，则要缩小网络规模。以太网将最小帧长度固定在512比特（64字节），即：时间间隙=512比特时间（发送512比特所需要的时间）；但是，当网络速率增大时，如果保持时间间隙仍为512比特时间的话，它的时间长度实际是被缩短了，所以1G的以太网定义为4096比特时间。韶关学院计算机系程细柱214.7CSMA/CD技术与共享式以太网共享式以太网：带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方式的以太网是共享式以太网。如：10BASE5、10BASE2、10BASE-T共享型以太网存在着以下缺点：①网络上的所有结点共享总线带宽；②由于数据帧以广播方式在共享介质上向所有节点传送，致使数据带宽的利用率较低；③由于受到CSMA/CD的约束，网络的范围受到了限制。图4.5共享型