第2章 网络规划 计算机网络

第2章局域网技术第2章局域网技术局域网参考模型以太网的发展以太网的基本技术10Mbps以太网100Mbps快速以太网1Gbps快速以太网以太网交换技术虚拟局域网无线局域网蓝牙技术22.1局域网参考模型局域网参考模型与OSI参考模型的关系32.1局域网参考模型IEEE802委员会专门研究和制订有关局域网的各种标准目前，许多802标准已被修改成为ISO的国际标准最初的IEEE802委员会共有6个分委员会，其编号分别为802.1～802.6，相应的标准分别称为标准802.1～802.6，但现在已经增加到二十几个分委员会了42.1局域网参考模型部分主要的IEEE802分委员会802.3―CSMA/CD共享总线网（以太网）802.4―令牌总线网802.5―令牌环形网802.6―城域网802.11―无线局域网802.14―交互式电视网（包括CableModem）802.15―无线个人网络WPAN（包括蓝牙技术）802.16―宽带无线接入标准802.20—移动宽带无线接入标准802.22—无线区域网52.1局域网参考模型6IEEE802各分委员会的结构802.10可互操作的局域网的安全标准802.1体系结构、网络互连802.2逻辑链路控制LLC802.3CSMA/CDMAC物理层802.4令牌总线MAC物理层802.5令牌环网MAC物理层802.6城域网MAC物理层802.11无线局域网802.16宽带无线局域网其他2.1局域网参考模型7LLCPDU和MACPDU的关系2.2以太网的发展1976年，施乐（Xerox）公司设计了第一个局域网系统，被命名为Ethernet，带宽为2.94Mbps1980年，DEC、Intel和Xerox联合发表了EthernetVersion2规范，将带宽提高到了10Mbps，并正式投入商业市场1982年12月，IEEE通过了802.3CSMA/CD规范1990年，推出交换以太网技术1993年，推出全双工以太网技术1995年3月，通过了802.3u，即100Mbps的以太网1998年6月，通过了802.3z，进入千兆以太网时代2002年，通过了802.3ae，即10Gbps的以太网2007年，提出了802.3ba，目标40Gbps/100Gbps82.3.1媒体访问控制技术以太网采用共享媒体方式传输数据信息，即连接在一个以太网上的所有站点使用公共的传输媒体——总线收发数据以太网的媒体访问控制方式使用了载波侦听多路访问/冲突检测协议，即CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）协议，解决站点对共享总线的访问CSMA/CD协议载波侦听多路访问冲突检测92.3.1媒体访问控制技术CSMA协议在采用这种协议的局域网中，数据帧会在整个总线上传输，即以广播方式传送数据，每个连接在总线上的站点都能收听到该数据帧总线有两个状态：“空闲”和“忙”每个站点在使用总线发送数据帧前首先侦听网络，查问网络是否处于“空闲”状态，再决定自己发送帧的时间决定发送帧时间的算法非坚持CSMA1-坚持CSMAP-坚持CSMA102.3.1媒体访问控制技术CD协议冲突：发生两个以上站点同时使用总线的现象一个站点已经在使用总线，其它站点再去使用总线两个站点同时开始使用总线要求数据帧发送站点在发送帧的同时要检测是否产生了冲突一旦发现冲突，立即停止当前数据帧的发送，并发出一个特殊的冲突信号以通知总线上的其它站点发生了冲突冲突时间：从数据开始发送到冲突信号在总线上传输给每个站点所花的时间冲突时间决定了网络直径或总线长度112.3.1媒体访问控制技术在以太网中，媒体访问控制采用1-坚持CSMA协议，同时又作了以下改进：帧间隙时间按后退策略延迟发送，采用二进制指数退避算法决定需要等待的随机时间长度122.3.1媒体访问控制技术13CSMA/CD协议发送数据流程站点准备发送帧侦听信道信道空闲？等待N发送数据并侦听Y发生冲突？继续发送发送完成N按后退策略延迟Y发送冲突信号2.3.1媒体访问控制技术14接收数据帧的过程接收帧接收完成?是否帧碎片？目的地址符合？CRC正确？长度字节？长度正确？有其他位？YNYNNYYNYNNYYN对准错CRC错按类型处理正确接收长度错2.3.1媒体访问控制技术15冲突时间是站点开始发送帧时，帧可能发生冲突所花费时间的上限即在这段时间中，发送的帧可能会和其他的帧发生冲突冲突时间的估算冲突时间a的计算公式a＝2S/0.7C＋2Tphy其中：S为A与B之间的距离C为光速Tphy为物理层的延迟时间ABABABAB(a)A开始发送(b)B开始发送(c)冲突发生(d)A在发送过程中检测到冲突2.3.1媒体访问控制技术冲突时间是CSMA/CD机制中一个重要的参数，它在发送帧的过程中起了下面4个作用它是检测一次冲突所需的最长时间，即超过了该时间，正在向总线上发送的帧再也不会因遭到冲突而损坏确定了帧的“最小帧长度”，最小帧长度能保证在网络最大跨距范围内，任何站在发送帧后，都能检测到可能发生的冲突决定了在总线上出现的最大帧碎片长度可以作为冲突后帧要重新发送所需的时间延迟计算的基本单位162.3.2数据帧格式数据帧是以太网在MAC层的基本传输单位由于历史发展的原因，实际的以太网数据帧格式或者说封装格式有多种Ethernet-II格式EthernetRaw格式802.3/802.2格式SNAP格式172.3.2数据帧格式Ethernet-II格式是指以太网版本2.0的格式与IEEE802.3规范相互兼容，可直接用在TCP/IP网络中18前导码目的地址(DA)源地址(SA)类型(TYPE)数据(DATA)校验序列(FCS)8B6B6B2B46~1500B4B2.3.2数据帧格式IEEE802.3/802.2格式不带有子网访问协议的802.3/802.2格式19前导码帧首定界符目的地址源地址长度（L）LLC协议数据单元(LLCPDU)校验序列7B1B6B6B2B46~1500B4B2.3.2数据帧格式IEEE802.3/802.2格式不带有子网访问协议的802.3/802.2格式20前导码帧首定界符目的地址源地址长度（L）LLC协议数据单元(LLCPDU)校验序列7B1B6B6B2B46~1500B4B前导码目的地址(DA)源地址(SA)类型(TYPE)数据(DATA)校验序列(FCS)8B6B6B2B46~1500B4B2.3.2数据帧格式EthernetII与IEEE802.3两种帧的兼容性当长度字段位置上的值大于最大帧长度（即1518B）时，就认为该帧采用EthernetII帧格式，否则就认为该帧为IEEE802.3格式实际做法是取0600H（十进制1536）作为区分EthernetII与IEEE802.3两种帧的界限IP分组的值为0800H212.3.3曼彻斯特编码技术物理层编码需要将帧转换成数字信号发送到传输媒体上最常用的物理层编码方式为不归零（NRZ）编码使用两个不同的电压电平表示二进制位例如：高电平表示“1”，低电平表示“0”NRZ编码的缺点接收方很难确定一位的开始和结束，特别是在连续多位相同是容易混淆，需要同步信号辅助当传输的数据中“1”和“0”的个数不均衡时，会存在直流分量，将影响接收方的正确接收222.3.3曼彻斯特编码技术曼彻斯特编码技术在每一位时间的中间，信号有一个跳变（“高低”或“低高”）这个跳变既可作为同步信号，也可表示数据由高到低的跳变用来表示“1”，由低到高的跳变用来表示“0”也称为“自同步码”曼彻斯特编码的直流分量是固定的，当媒体上的信号产生冲突时，直流电平会产生变化，可以用作检测冲突的依据232.3.3曼彻斯特编码技术241000100111NRZ编码曼彻斯特编码2.4.110Mbps以太网的连接种类以太网的传输媒体粗缆细缆非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线（STP）光纤252.4.110Mbps以太网的连接种类10M以太网媒体特性2610BASE-210BASE-510BASE-T10BASE-F10BROAD-36速率(Mbps)1010101010信号传输方式基带基带基带基带宽带最大网段长度185M500M100M2000M1800M拓扑结构总线型总线型星形星形总线型支持媒体细同轴电缆粗同轴电缆双绞线多模光纤同轴电缆连接器BNCDB-15RJ-45STBNC站数/网段301002（NIC和中继）2(两个光中继)100站点最小间距0.5M2.5M0.5M0.5M0.5M最大网段数555522.4.110Mbps以太网的连接种类10BASE-5以太网终端器：用于对信号进行吸收，防止信号在总线的端点产生反射AUI电缆：有15条连接线，采用D型插口和插头（也称为DB-15连接器）以半双工方式工作缺点：网络的组建、安装和维护不方便，成本也较高272.4.110Mbps以太网的连接种类10BASE-2以太网传输媒体：RG-8(50Ω)的细缆连接部件：BNC头、T型连接器、终端器缺点：可靠性差、排错困难、不利于维护282.4.110Mbps以太网的连接种类10BASE-T双绞线以太网对应IEEE802.3i标准传输媒体：双绞线根据电气性能指标分为7种类型，最为常用的是5类线根据电缆上是否有屏蔽层分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）连接器：RJ-45EIA/TIA568AEIA/TIA568BAT&T……291白橙2橙色3白绿4蓝色5白蓝6绿色7白褐8褐色EIA/TIA568B2.4.110Mbps以太网的连接种类10BASE-T双绞线以太网双绞线通常只使用1/2（发送信号）、3/6（接收信号）直通双绞线通常用于不同类型设备间互连（如：网卡与集线器）交叉双绞线通常用于同种类型设备间互连（如：网卡与网卡）3012361236568B568B直通(平行)双绞线白橙橙色白绿绿色白橙橙色白绿绿色12361236568B568A交叉双绞线白橙橙色白绿绿色白橙橙色白绿绿色2.4.110Mbps以太网的连接种类10BASE-T双绞线以太网优点：可靠性高、易于安装和维护、成本低缺点：在相同的传输速率下，网络覆盖范围小于同轴电缆312.4.110Mbps以太网的连接种类10BASE-F光纤以太网传输媒体：光纤优点：传输距离远、速度快、抗干扰性好传输点模数类光纤单模光纤多模光纤折射率分布类光纤322.4.110Mbps以太网的连接种类10BASE-F光纤以太网光纤连接器33SC光纤插头多用于交换机和网卡ST光纤插头多用于光纤配线架LC光纤插头多用于交换机和网卡2.4.2集线器集线器（Hub）是局域网的星形连接点可以对经过的信号进行整形和放大，可以延长网络距离，起到中继器的作用，属于物理层设备分类独立型集线器模块化集线器堆叠式集线器342.4.2集线器中继器和总线以太网组网规则（5-4-3-2-1中继规则）355个网段4个中继器3个网段可以连接站点2个网段只用作延伸网络距离1个共享以太网，站点总数小于1024个2.4.3网卡网卡网络接口卡（NetworkInterfaceCard，NIC）网络适配器通常安装在网络站点内，负责站点和网络之间的通信网卡的基本功能提供与站点主机的接口电路数据缓存器的管理数据链路控制和管理编码和译码网络信息的收发362.4.3网卡网卡的分类网络媒体：细缆接口、粗缆接口、双绞线接口、光纤接口总线类型：ISA、EISA、PCI、MCA等数据传输速率：10M、100M、1000M372.5100Mbps快速以太网1995年，IEEE通过了100Mbps快速以太网标准IEEE802.3μ几乎完全继承了10M以