计算机网络-06局域网技术

计算机网络基础教程第6章局域网技术计算机网络第6章局域网技术2本章概要本章将从计算机网络的发展和演变、计算机网络的定义、计算机网络的类型、计算机网络的结构和应用几个方面对计算机网络进行简单地介绍，以使读者对计算机网络的概念及其应用有一个初步的了解和认识。计算机网络第6章局域网技术36-1介质访问控制子层点到点网全双工信道，则两个网络节点可以各自占用一个信道，同时向对方发送数据。半双工信道，则可以利用通信协议来保证在任何时刻都只有一个网络节点在使用信道。广播网所有网络节点共享同一个通信信道，每个节点发出的消息都可以被所有其他的节点接收。信道争用：如果有两个或多个网络节点同时发送数据，则数据信号会在信道中发生碰撞，导致数据发送失败，这个过程被称为冲突（Collision）。在数据链路层专门设计了一个介质访问控制（MediumAccessControl，MAC）子层，用来实现广播网中的信道分配，解决信道争用问题。点到点网中没有MAC子层的概念。几乎所有的局域网都以广播信道作为通信的基础，而广域网中除卫星网以外，都采用点到点连接，所以介质访问控制子层对于局域网技术来说尤为重要。计算机网络第6章局域网技术46-1-1信道分配策略静态分配策略静态分配策略包括频分多路复用和同步时分多路复用，这种分配策略是预先将频带或时隙固定地分配给各个网络节点，各节点都有自己专用的频带或时隙，彼此之间不会产生干扰。静态分配策略适用于网络节点数目少而固定，且每个节点都有大量数据要发送的场合。动态分配策略动态分配策略包括随机访问和控制访问，本质上属于异步时分多路复用。各站点当且仅当有数据需要发送时，才占用信道进行数据传输。控制访问有两种方法：轮转和预约。计算机网络第6章局域网技术56-1-2介质访问控制协议争用协议纯ALOHA时分ALOHA载波监听多路访问协议1-坚持CSMA非坚持CSMAp-坚持CSMA带有冲突检测的CSMA无冲突协议位图协议二进制倒计数协议有限争用协议计算机网络第6章局域网技术66-2IEEE802标准与局域网局域网技术从20世纪80年代开始迅速发展，各种局域网产品层出不穷，但是不同的设备生产商其产品互不兼容，这给网络系统的维护和扩充带来了很大的困难。为了使不同厂家生产的局域网设备能够互连互通，美国电气与电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）于1980年2月专门成立了一个局域网标准化委员会——IEEE802委员会来统一制订局域网的有关标准，这些标准统称IEEE802标准。IEEE802标准已被美国国家标准协会ANSI接受为美国国家标准，随后又被国际标准化组织ISO采纳为国际标准，称为ISO8802标准。计算机网络第6章局域网技术76-2-1IEEE802标准概述IEEE802委员会认为，由于局域网只是一个计算机通信网，而且不存在路由选择问题，因此它不需要网络层，有最低的两个层次就可以；但与此同时，由于局域网的种类繁多，其介质访问控制方法也各不相同，因此有必要将局域网分解为更小而且更容易管理的子层。同时，因为用户需求各异，不可能使用一种单一的技术就能满足所有的需求，因此局域网技术中存在多种传输介质和多种网络拓扑，相应地介质访问控制方法就有多种，IEEE802委员会决定把几个建议都制订为标准，而不是仅形成一个标准。应用层表示层物理层会话层传输层网络层数据链路层OSI参考模型介质访问控制MAC物理层逻辑链路控制LLC传输介质IEEE802参考模型的范围IEEE802参考模型服务访问点SAPIEEE802.1A：概述及网络体系结构IEEE802.1B：寻址、网络管理和网际互连IEEE802.2：逻辑链路控制协议IEEE802.3：CSMA/CDIEEE802.4：令牌总线IEEE802.5：令牌环IEEE802.6：分布队列双总线（城域网标准）IEEE802.7：宽带技术IEEE802.8：光纤技术IEEE802.9：综合业务数据局域网IEEE802.10：交互局域网的安全IEEE802.11：无线局域网IEEE802.12：优先级高速局域网100VG-AnyLANIEEE802.14：电缆电视（Cable-TV）计算机网络第6章局域网技术86-2-2IEEE802.3：CSMA/CDIEEE802.3是为采用1-坚持CSMA/CD协议的基带总线局域网制订的标准。世界上第一个CSMA/CD局域网是由美国Xerox公司的PaloAlto研究中心（PARC）于1975年研制成功的，当时网络的数据传输速率为2.94Mb/s，以无源的电缆作为总线，在一条1公里长的电缆上连接了100多个个人工作站，系统被称为以太网（Ethernet）。以太在历史上是指一种可以传播电磁波的物质。组网方式IEEE802.3总线局域网可以使用粗缆、细缆、双绞线和光纤作为传输介质，因此组网方式也跟所采用的传输介质紧密相关。下图是分别采用粗缆、细缆和双绞线的3种总线局域网的组网方式。粗缆细缆收发器电缆收发器插入式分接头(a)10Base5连接器(b)10Base2双绞线(c)10Base-T集线器计算机网络第6章局域网技术96-2-2IEEE802.3：CSMA/CDMAC子层MAC帧结构现在流行的总线局域网的MAC子层的帧结构有两种标准：一种是IEEE802.3标准；另一种是DIXEthernetV2标准。如图6-13所示，两种帧结构都是由5个字段组成，但是个别字段的意义存在差别。MAC子层功能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。目的地址源地址数据长度数据FCS目的地址源地址类型数据FCS802.3MAC帧以太网v2MAC帧字节2或62或6246～15004计算机网络第6章局域网技术106-2-3IEEE802.5：令牌环令牌环基本原理环的比特长度：环的比特长度就是指环上能同时容纳的比特数环形网络：环形网络由许多称为环接口的设备和各环接口间的点-点链路组成，各个站点通过环接口连到网上1比特延迟到站上去自站上来到站上去自站上来环接口(b)监听模式(c)发送模式无方向环环接口站(a)环网DACBTDACBDACBDACBT(a)令牌轮转至A(b)A捕获令牌发送数据(c)A撤销数据(d)重新生成令牌计算机网络第6章局域网技术116-2-3IEEE802.5：令牌环令牌环基本原理星形环网计算机网络第6章局域网技术126-2-3IEEE802.5：令牌环IEEE802.5令牌环物理层：IEEE802.5标准提供了多种数据传输速率（1Mb/s、4Mb/s、16Mb/s等），可以使用屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线、光纤等作为传输介质，数据编码采用差分曼彻斯特编码，其高、低电平分别用+3.5V～+4.5V和-4.5V～-3.5V来表示。MAC子层：令牌环的维护：令牌环网采用集中监控的方法对环进行维护，网中有一个监控站（MonitorStation）负责网络的运行管理令牌环的性能特点：令牌环最大的优点就是在重载时可以高效工作帧格式令牌环的控制帧(a)令牌帧PPPTMRRR起始结束接入控制字节111起始帧控制接入控制字节111目的地址源地址数据FCS帧状态结束2或62或6411AC××AC××控制比特类型≥0(b)数据帧计算机网络第6章局域网技术136-2-4IEEE802.4：令牌总线令牌总线网的基本原理工作原理：在物理上，令牌总线是一根线形或树形的电缆，其上连接着若干站点。但在逻辑上，所有工作的站点都被组织在一个逻辑环里面优先级策略：首先保证最高优先级的数据占用一定的带宽进行发送，仅当带宽有富余时才发送较低优先级的数据。宽带同轴电缆1311719171420逻辑环令牌运动方向本站目前不在逻辑环中计算机网络第6章局域网技术146-2-4IEEE802.4：令牌总线IEEE802.4令牌总线物理层：IEEE802.4标准的令牌总线网采用阻抗为75Ω的宽带同轴电缆，可以使用单/双电缆，可以使用端头，也可以不用。采用3种不同的模拟调制方式：相位连续频移键控、紧凑相位频移键控和多级双二进制调幅相移键控，数据传输速率有1Mb/s、5Mb/s和10Mb/s三种。令牌总线也可以使用光纤作为传输介质，采用幅移键控技术，数据传输速率有5Mb/s、10Mb/s和20Mb/s三种MAC帧结构11起始帧控制源地址数据FCS结束2或62或60～818241目的地址字节令牌总线的控制帧计算机网络第6章局域网技术156-2-4IEEE802.4：令牌总线令牌总线维护令牌传递算法：令牌在逻辑环上是按地址从高到低的顺序传递的，最低地址又传给最高地址。逻辑环上的每个站由3个地址决定它的位置：本站地址TS、前趋地址PS和后继地址NS，其中PS和NS是动态设置和保持的。TS发完数据后将令牌传给NS；NS获得令牌后，如果有数据的话会立即发送数据；TS通过监听总线上的信号，便能确定NS是否获得了令牌；如果没有监听到信号，则应采取一系列措施，保证有且仅有一个站获得令牌。站插入算法：在令牌总线中，逻辑环是一个动态的环，不时有新的站要加入，因此环上每个站都应定期地使新的站有机会插入。站删除算法：站的删除，也即站退出逻辑环相当容易。可以采用两种不同的方法。环初始化算法：环初始化算法实际上是站插入算法的一个特例。当系统启动时，并没有逻辑环存在，环的初始化就是通过竞争产生出一个站，由它创造出一个令牌，并建立起只包含该站的一个逻辑环。此后利用站插入算法，其余的站就可以逐个加入。故障处理逻辑环中断令牌丢失重复令牌计算机网络第6章局域网技术166-2-5802.3、802.4与802.5的比较单纯从性能角度比较这三种局域网技术的优劣是没有意义的。人们总可以找到一些参数，使得某种局域网技术显得比其他的局域网技术好。因此对局域网技术的选择往往要从网络性能、网络用途、网络规模及网络代价等多方面来综合考虑。对3种局域网技术可以做出的惟一结论是：在很重的负载下IEEE802.3总线网彻底不能用，而基于令牌的IEEE802.4总线网或IEEE802.5环网却可以达到接近于100%的效率；若负载范围是从轻到中等，则3种局域网都可以胜任。计算机网络第6章局域网技术176-2-6IEEE802.6：分布队列双总线由于城域网的覆盖范围远远超出局域网的覆盖范围，无法使用前面介绍的局域网技术来构建城域网，IEEE成立了一个专门的委员会为都市建网定义了一种城域网标准，即IEEE802.6标准的分布队列双总线（DistributedQueueDualBus，DQDB）。两条平行的单向总线穿绕于整个城市，每个站点同时连接到两条总线上。每条总线都有一个首端，它能产生一个稳定的53字节的信元流。每个信元从首端沿着总线往下传，当它到达终点时，就从总线上消失。123N总线B总线A上的流向计算机...总线B上的流向首端首端总线A计算机网络第6章局域网技术186-2-7IEEE802.2：逻辑链路控制子层局域网的底层只提供尽力的数据报业务，不保证数据的可靠传输，尽管这对有些系统来说已经足够，但仍有些系统希望底层网络能提供更好的服务。为此，IEEE802委员会定义了运行在介质访问控制（MAC）子层之上的逻辑链路控制（LLC）子层。LLC子层负责处理诸如差错控制、流量控制等问题，保证数据的可靠传输；同时向上提供统一的数据链路层接口，从而屏蔽各种物理网络的实现细节。LLC可提供3种服务：不确认的无连接服务，确认的无连接服务和确认的面向连接服务。计算机网络第6章局域网技术196-3高速局域网随着越来越多的计算机接入局域网，同时计算机上大量运行基于图形界面的应用程序，使得网络通信流量激增，尤其当多个以太网互连时，由于所有用户都参与竞争有限的同一个网络带宽，造成网络负载加重，因此用户对于高速局域网的需求也与日俱增。计算机网络第6章局域网技术206-3-1FDDI环网FDDI物理层传