《计算机网络》课件 第3章-广域网、局域网与城域网技术

第3章广域网、局域网与城域网技术发展趋势本章学习要求：掌握：广域网技术掌握：局域网技术了解：宽带城域网技术3.1广域网技术广域网的主要特征广域网技术发展的轨迹光网络与光以太网技术3.1.1广域网的主要特征广域网是一种公共数据网络广域网技术研究的重点是宽带核心交换技术3.1.2广域网技术发展的轨迹在广域网的发展过程中，用于构成广域网的网络类型主要有：–公共电话交换网、综合业务数字网、ATM网–X.25网、帧中继网–光以太技术从传统的电信网向ISDN的发展ISDN端口电话交换网电话机电话机传真机传真机X.25网计算机计算机ISDNISDN端口传真机传真机电话机电话机计算机计算机公共电话交换网早期，利用电话交换网(publicswitchingtelephonenetwork，PSTN)的模拟信道，使用调制解调器(modem)这种设备，通过拨号建立结点之间的线路连接的网络，完成计算机之间的低速数据通信X.25网X.25网是一种典型的公用分组交换网，它是CCITT为广域网制定的一个公用分组交换网；制定X.25标准的基础是传输速率低、误码率高的通信线路，为了克服通信线路数据传输质量较差的缺点，X.25标准采用了复杂的差错控制、流量控制与拥塞控制机制，协议复杂，工作效率不高；X.25网的传输速率一般为64Kbps；X.25标准主要是针对大型机与终端连网。帧中继帧中继主要考虑如何减少数据帧在通信子网中的开销，没有采用流量控制与差错控制机制，通信子网中的差错控制由主机的高层来保证；数据帧通过帧中继网的处理时间可以比通过X.25网降低一个数量级，而吞吐量要比X.25网络提高一个数量级以上；目前帧中继网的数据传输速率一般为1.5Mbps；帧中继网主要用于局域网之间的互连。异步传输模式ATM网ATM——异步传输模式B-ISDN——宽带综合业务数字网；ATM的基本数据传输单元是信元；信元长度固定为53字节；信元包括5字节的信元头与48字节的用户数据。53字节信元头用户数据48字节5字节异步传输模式ATM网ATM是一种面向连接的技术；采用小的、固定长度的信元作为数据传输单元；能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信；ATM以统计时分多路复用方式动态分配网络带宽，网络传输延时小，适应实时通信的要求；ATM没有链路级纠错与流量控制，协议简单，数据交换效率高；ATM采用两级虚电路机制，增加了虚电路分配的灵活性；ATM的数据传输速率可以在155Mbps～2.4Gbps。物理链路、虚通路与虚通道的关系物理链路（PhysicalLink）虚通路（VP，VirtualPath）虚通道（VC，VirtualChannel）物理链路虚通路虚通道支持远程教学的ATM网ATM端用户ATM交换机ATM交换机ATM交换机ATM交换机ATM网络ATM接口卡声音文本视频ATM端用户ATM端用户综合业务数据网CCITT提出将语音、数据、图像等业务综合在ISDN一个网络之中；B-ISDN的目标是将语音、数据、静态与动态图像传输综合在一个通信网中，覆盖从低传输速率、非实时传输要求，到高传输速率、实时突发性等各类传输要求；B-ISDN采用异步传输模式ATM技术。3.1.3光网络与光以太网技术第一代传输网络以铜缆与无线射频为主，在发展过程中无法逾越带宽的瓶颈问题；第二代传输网络在主干线路使用光纤，发挥光纤的高带宽、低误码率、抗干扰等优点，交换结点的电信号与光信号转换仍是带宽瓶颈；第三代全光网以光结点取代现有网络的电结点，使用光纤将光结点互联成网，克服现有网络在传输和交换时的瓶颈。ASON的概念自动交换光网络(automaticswitchedopticalnetwork，ASON)引入智能控制的很多方法，解决光网络的自动路由发现、分布式呼叫连接管理，以实现光网络的动态配置连接管理。3.2局域网技术局域网技术发展的轨迹Ethernet的基本工作原理高速Ethernet技术交换式局域网与虚拟局域网技术无线局域网技术研究与发展蓝牙技术的研究与发展3.2局域网的技术特点局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园等有限范围内的计算机连网的需求；局域网提供高数据传输速率（10～100Mbps）、低误码率的数据传输环境，数据传输速率高达1Gbps的高速局域网正在发展中；决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法；从介质访问控制方法的角度来看，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。3.3局域网技术发展的轨迹随机访问型无线分组网ALOHANET环形局域网Newhall/CambridgeRing无线局域网WLAN：802.11以太网Ethernet：802.3令牌总线形局域网TokenBus：802.4令牌环形局域网TokenRing：802.5高速局域网FE/GE/10GE交换式局域网SwitchedEthernet局域网互联LANBridge虚拟局域网VLAN分布式数据接口FDDI：802.6城域网MAN局域网LANIEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE802标准；IEEE802标准之间的关系802.10可互操作的局域网安全802.2逻辑链路控制子层802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing802.6城域网802.9语音与数据综合局域网802.11无线局域网802.1体系结构与网络互联IEEE802模型与协议传输介质类型与介质访问控制方法局域网的传输介质类型：同轴电缆双绞线光纤无线通信信道介质访问控制方法:带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）令牌总线（TokenBus）令牌环（TokenRing）3.4局域网拓扑结构类型与特点3.4.1总线型拓扑结构总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；所有结点可以通过总线以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突”不可避免；“冲突”会造成传输失败；必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC，MediumAccessControl）问题。总线型局域网的拓扑结构CSMA/CD介质访问控制方法Ethernet通常采用双绞线等传输介质作为总线，所有结点通过总线发送或接收数据，结点通过总线以广播方式发送数据，因此需要共享总线的冲突问题Ethernet的核心技术：带有冲突检测的载波侦听多路访问(carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection，CSMA/CD)介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？发送时会不会出现冲突？出现冲突怎么办？CSMA/CD的发送流程可以概括为：先听后发边听边发冲突停止延迟重发总线型拓扑的优点：结构简单，实现容易；易于扩展，可靠性较好。Ethernet网卡结构发送与接收信号的收发器曼彻斯特编码与解码器Ethernet数据链路控制部分帧装配部分与主机的接口Ethernet物理地址Ethernet物理地址用于IEEE802.3协议的介质访问控制(MAC)子层的帧中，它被称为MAC地址Ethernet物理地址的长度为48位，因此允许分配的地址应该有247个Ethernet物理地址在全球范围唯一，IEEE注册管理委员会(RAC)为每个网卡分配地址的前三字节3.4.2环型拓扑结构结点使用点-点线路连接，构成闭合的物理环型结构；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；多个结点共享一条环通路；环建立、维护、结点的插入与撤出。令牌环的工作原理TokenRing结点A结点B结点E结点D结点C令牌结点A结点B结点C结点D结点ETokenRingTokenRing方式的优点：环中结点访问延迟确定适用于重负载环境支持优先级服务TokenRing方式的缺点：环维护工作复杂实现比较困难3.4.3星型拓扑结构逻辑结构与物理结构的关系交换局域网(SwitchedLAN)的物理结构3.4.4令牌总线的工作原理结点D结点E结点A结点B结点CTokenBusTokenBus结点A结点B结点D结点C结点E令牌TokenBus的环维护工作：环初始化新结点加入环结点从环中撤出环恢复优先级TokenBus的主要特点：介质访问延迟时间有确定值；通过令牌协调各结点之间的通信关系，各结点之间不发生冲突，重负载下信道利用率高；支持优先级服务。3.5IEEE802参考模型IEEE802参考模型与OSI参考模型的关系应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层OSI参考模型逻辑链路控制子层IEEE802参考模型介质访问控制子层物理层初期局域网拓扑结构：总线型、环型、星型。介质访问控制方法:带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌总线（TokenBus）、令牌环（TokenRing）。介质：同轴电缆、双绞线、光纤、无线通信信道。定义了帧的结构、长度。定义了介质专用接口：AUI、BNC、RJ-45。传统共享式局域网的缺点传统局域网技术建立在“共享介质”基础上，典型的介质访问控制方法是CSMS/CD、TokenRing、TokenBus；介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质；每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少；网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。3.6高速局域网的工作原理3.6.1高速局域网的研究方法推动局域网技术发展的因素：个人计算机的广泛应用。在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；基于Web的Internet/Intranet应用要求更高的带宽；在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。高速局域网的研究方法第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率：10Mbps→100Mbps→100Gbps；第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，导致局域网互连技术的发展；第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致“交换式局域网”技术的发展。局域网分类传统以太网快速以太网千兆以太网速度10Mbps100Mbps1000Mbps以上物理层标准802.3802.3u802.3z传输方式半双工半双工/全双工全双工访问冲突控制CSMA/CDCSMA/CD/无无设备10Mbps共享HUB10/100Mbps共享HUB/交换HUB交换式HUB帧格式802.3MAC帧格式802.3MAC帧格式802.3MAC帧格式传输介质粗缆、细缆、双绞线、光缆细缆、双绞线、光缆细缆、双绞线、光缆接口AUI、BNC、RJ-45RJ-45RJ-453.6.2快速以太网FastEthernet传输速率100Mbps；保留传统以太帧的结构与MAC子层的CSMA/CD方法，对物理层进行调整；定义新物理层标准，并提供10Mbps与100Mbps速率自动协商功能；定义介质专用接口(mediaindependentinterface，MII)，将MAC子层与物理层分隔开，传输介质和信号编码方式的变化不影响MAC子层；每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns；1995年9月，IEEE802委员会正式批准了FastEthernet标准IEEE802.3u。FastEthernet的协议结构IEEE802.2LLCIEEE802.3MACMII（功能与AUI相同）100BASE-TX2对5类线或STP100BASE-FX光纤100BASE-T44对3,4,5类UTP100BASE-T集线器3.6.3千兆以太网保留传统Ethernet的帧结构与帧的最小、最大长度规定，以便和低速率Ethernet通信；定义千兆介质专用接口(gigabitMII，GMII)，将MAC子层与物理层分隔开；修改CSMA/CD介质控制方法，冲突窗口时间、载波扩展、短帧发送、帧突发处理；延续自动协商的概念，并将它扩展到光纤连接中，主要用于协调链路