工业数据通信和控制网络(局域网)

1计算机网络第4章局域网（一）2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4.3.1MAC层的硬件地址4.3.2两种不同的MAC帧格式3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4第4章局域网（续）*4.6高速以太网4.6.1100BASE-T以太网4.6.2吉比特以太网4.6.310吉比特以太网4.7其他种类的高速局域网4.7.1100VG-AnyLAN局域网4.7.2光纤分布式数据接口FDDI4.7.3高性能并行接口HIPPI4.7.4光纤通道4.8无线局域网*4.8.1无线局域网的组成4.8.2802.11标准中的物理层4.8.3802.11标准中的MAC层5局域网概述64.1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。局域网的拓扑匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网环形网8局域网的拓扑9局域网的拓扑10局域网的拓扑11局域网的拓扑12局域网的IEEE802系列标准IEEE802协议:IEEE802系列标准定义了若干种局域网LAN，包括对物理层、介质访问控制(MAC)子层的定义和描述。组成：802.1基本介绍和接口原语定义802.2逻辑链路控制（LLC）子层802.3采用CSMA/CD技术的局域网802.4采用令牌总线（TokenBus）技术的局域网802.5采用令牌环（TokenRing）技术的局域网131415传统以太网1.两个标准1.DIX（DEC、Intel、Xerox）EthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。2.IEEE的802.3标准。DIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网16数据链路层的两个子层——以太网的工作原理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：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的。17总之：•让MAC子层与介质密切相关；•让LLC子层与所有介质访问方法无关；18局域网对LLC子层是透明的局域网网络层物理层站点1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网1920212223TCP/IP体系不考虑LLC子层由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2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。242.网卡的作用性质网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，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25计算机通过网卡和局域网进行通信CPU高速缓存存储器I/O总线计算机至局域网网络接口卡（网卡）串行通信并行通信262728共享信道的访问控制1.静态分配①频分多路复用FDM（波分复用WDM）原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；②时分多路复用TDM原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量的变化29共享信道的访问控制2.动态分配（多点访问multipleaccess）随机访问：网上各站都可以根据自己的意愿随机地访问信道，两个或两个以上站点同时发送信息会产生冲突。典型网络：以太网受控访问：每一时刻网上只有一个站点发送信息；集中式控制（多点轮询polling），分散式控制。3031323334353637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。3.以太网的CSMA/CD协议B向D发送数据CDAE匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有D接受B发送的数据38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。39为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施1.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。2.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。40以太网提供的服务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。41载波监听多点接入/碰撞检测——CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“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。42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”。43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，避免继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。44电磁波在总线上的有限传播速率的影响当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。1kmABt碰撞t=2A检测到发生碰撞t=B发送数据B检测到发生碰撞t=t=0单程端到端传播时延记为1kmABt碰撞t=B检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2A检测到发生碰撞t=B发送数据B检测到发生碰撞t=ABABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为47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。4849505152535455564.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。57二进制指数类型退避算法(truncatedbinaryexponentialtype)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。①确定基本退避时间，一般是取为争用期2。②定义重传次数k，k10，即：k=Min[重传次数,10]③从整数集合[0,1,…,(2k1)]中随机地取出一个数，记为r。重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。④当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。58争用期的长度以太网取51.2s为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。59最短有效帧长如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。60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(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。TJ人为干扰信号ABTBtB发送数据A检测到冲突开始冲突信道占用时间A发送数据B也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出A发送干扰信号的情况。624.2.2传统以太网的连接方法传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆这样，以太网就有四种不同的物理层。10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制MAC63铜缆或铜线连接到以太网示意图主机箱主机箱主机箱双绞线集线器BNCT型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAUMDI保护外层外导体屏蔽层内导体收发器DB-15连接器BNC连接器插口RJ-45插头粗缆10BASE5细缆10BASE5双绞线10BASE-T64以太网的最大作用距离250m750m500m500m500m50m50m50m网段1转发器网段2网段3转发器转发器转发器65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。66星形网10BASE-T不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。67以太网在局域网中的统治地位10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。68集线器的一些特点集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享