计算机网络基础-第四章

《计算机网络基础》第四章第四章局域网技术4.1局域网的概述4.2传输介质4.3局域网的标准4.4局域网介质访问技术4.5以太网技术4.6交换式局域网与虚拟局域网4.7局域网互连设备小结习题《计算机网络基础》第四章4.1局域网的概述在20世纪70年代初期，研究人员发展了局域网的技术，该技术作为固定的昂贵的点对点连接的替代物，在基本原理上同远程网络是不同的，因为它依赖于共享网络。每一个局域网包括一种共享媒体，许多计算机都连在上面，计算机按某种顺序使用共享媒体来传输数据。由于共享消除了重复性，降低了费用，所以允许计算机共享媒体的局域网技术变得流行起来，并且得到了飞速发展。《计算机网络基础》第四章4.1局域网的概述局域网（LAN,localareanet）是一个数据通信系统，它在一个适中的地理范围内，把若干独立的设备连接起来，通过物理通信信道，以适当的数据速率实现各独立设备之间的平等通信,实现资源共享。《计算机网络基础》第四章4.1局域网的概述局域网具有如下特点：局域网是一种实现各独立设备的通信网络。局域网能使若干独立的设备相互进行直接通信。这表明局域网支持多对多的通信，即连接在LAN中的任何一个设备都能与网上的任何其他设备直接进行通信。局域网概念中的“设备”是广义的，它包括在传输媒体上通信的任何设备，如计算机、终端、各种数据通信设备和信号转换设备等。局域网的地域范围是在一个适中的地理范围内，通常在方圆10公里之内。局域网是通过物理通信组成的，通常的物理信道媒体是双绞线、同轴电缆、光纤等。局域网的信道以适当的数据速率进行数据传输。《计算机网络基础》第四章4.1局域网的概述局域网主要由网络服务器、用户工作站、网络适配器和传输媒体等4个部分组成。其中网络服务器是网络控制的核心，一个局域网至少需要配备一台服务器。局域网中使用的基本网络拓扑结构有总线、环状和星形几种。《计算机网络基础》第四章4.1局域网的概述局域网与广域网（WAN,wideareanet）有着重要的区别。广域网通常是应用公共远程通信设施，为用户提供远程用户之间的快速信息交换的系统，相对通信范围要大得多。局域网与广域网的不同之处主要表现在如下几方面：（１）覆盖范围（２）传输介质（３）通信方式（４）通信管理（５）通信效率（６）服务范围（７）网络性能（８）投资《计算机网络基础》第四章4.2传输介质在局域网中，要使网络中的计算机能正常通信，必须提供一条正常的物理通道。在这条通道上，信息可以通过某种形式从一台计算机传递到另一台计算机。这条通道在网络中称为传输介质。传输介质决定了网络的传输速率、网络段的最大长度、传输的可靠性及网卡的复杂性。《计算机网络基础》第四章4.2传输介质图4.1传输介质分类网络传输介质无线传输介质无线电红外线微波同轴电缆粗缆细缆双绞线非屏蔽双绞线屏蔽双绞线光纤质多模单模有线传输介质通常意义下的网络传输介质可按以下方式进行分类：《计算机网络基础》第四章4.2.1双绞线双绞线（TwistedPairCable）是局域网中最常用的一种传输介质，它由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，把它们互相拧在一起可以降低信号干扰的程度。一根双绞线电缆中可包含多对双绞线，连接计算机终端的双绞线电缆通常包含4对双绞线。《计算机网络基础》第四章4.2.1双绞线1．双绞线的分类双绞线可分为屏蔽双绞线,如图4.2(b)所示和非屏蔽双绞线,如图4.2(a)所示两种。屏蔽双绞线的内部信号线外面包裹着一层金属网，在屏蔽层外面是绝缘外皮，屏蔽层能够有效地隔离外界电磁信号的干扰。和非屏蔽双绞线相比，屏蔽双绞线具有较低的辐射，且其传输速率较高。(a)非屏蔽双绞线(b)屏蔽双绞线图4.2双绞线《计算机网络基础》第四章4.2.2同轴电缆同轴电缆也是局域网中被广泛使用的一种传输介质，如图4.3所示。同轴电缆由内部导体和外部导体组成，内部导体可以是单股的实心导线，也可以是多股的绞合线。外部导体可以是单股线，也可以是网状线。同轴电缆可以用于长距离的电话网络、有线电视信号的传输信道以及计算机局域网络。外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆图4.3同轴电缆《计算机网络基础》第四章4.2.2同轴电缆按直径的不同，同轴电缆可分为粗缆和细缆两种。细缆近年来发展较快，如图4.4（a）所示。粗缆多应用于较大局域网的网络干线，布线距离较长，可靠性较好，如图4.4（b）所示。（a）细缆与BNC接头（b）粗缆图4.4细缆与粗缆《计算机网络基础》第四章4.2.3光纤在现在的大型网络系统中，几乎都采用光导纤维即光纤（FiberOpticCable）作为主干网络传输介质。相对于其他传输介质，光纤具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰性强、安全性高等优点，如图4.5所示。在网络传输介质中，光纤是发展最为迅速的，也是最有前途的一种网络传输介质。《计算机网络基础》第四章光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯《计算机网络基础》第四章光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射《计算机网络基础》第四章输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤《计算机网络基础》第四章4.2.4无线传输介质无线传输介质主要有微波、红外线、卫星、无线电、激光等，在计算机网络中使用较多无线传输介质主要是微波和卫星。目前无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即微波与红外线。《计算机网络基础》第四章4.3局域网的标准局域网出现后不久，其产品的数量和品种迅速增多，用户为了能在不同厂家生产的局域网间很方便地进行通信，迫切希望有一个局域网的标准。美国电气和电子工程师学会1980年成立的IEEE802委员会，对此做出了积极的贡献，它所制定的IEEE802标准已逐步成为国际标准。《计算机网络基础》第四章4.3局域网的标准IEEE802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，解决最低两层——物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务、网际互联有关的高层功能。IEEE802的局域网参考模型与ISO/OSI参考模型的对应关系如图4.8所示。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC物理层OSI参考模型局域网参考模型图4.8局域网参考模型与OSI参考模型的比较《计算机网络基础》第四章4.3局域网的标准IEEE802标准把数据链路层分为逻辑链路控制（LLC）和媒体接入控制（MAC）两个功能子层。这种功能分解主要是为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，同时使数据链路功能中与硬件有关的部分和与硬件无关的部分分开，从而降低研究成本。局域网的媒体访问控制子层位于数据链路层的较低层次，它的主要功能是控制对传输媒体的访问。局域网的逻辑链路控制子层位于数据链路层的较高层次，它集中了与媒体访问无关的部分。逻辑链路控制子层的主要功能是建立和释放数据链路层的逻辑连接；提供与高层的接口；进行差错控制和给帧编号等。《计算机网络基础》第四章4.3局域网的标准IEEE802委员会为局域网制定的IEEE802标准是随着局域网的发展而不断完善的标准系列。下面介绍已经制定出的主要IEEE802标准：802.2逻辑链路控制子层802.3CSMA/CD...802.1体系结构与网络互联802.4令牌总线802.5令牌环802.6城域网802.9语音与数据综合局域网802.11无线局域网802.10可互操作的局域网安全图4.9IEEE802标准之间的关系《计算机网络基础》第四章4.4局域网介质访问技术介质访问控制方法即信道访问控制方法，IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法，包括IEEE802.3载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）总线网、IEEE802.4令牌总线（TokenBus）网和IEEE802.5令牌环（TokenRing）网。《计算机网络基础》第四章4.4.1CSMA/CD介质访问控制在总线型局域网中，所有的节点都直接连接到同一条物理信道上，当时认为这样的连接方法既简单又可靠。总线方式具有的特点是当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。但我们并不总是希望使用广播通信。为了在总线上实现一对一的通信，可以给每一台计算机分配一个唯一的地址。在发送数据帧时，帧的首部字段写明接收站的地址，仅当数据帧的目的地址与计算机的地址一致时，该计算机才能接收这个数据帧；计算机对不是发送给自己的数据帧，则一律不接收（即丢弃该帧）。《计算机网络基础》第四章4.4.1CSMA/CD介质访问控制图4.10在总线网络上实现一对一通信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《计算机网络基础》第四章4.4.1CSMA/CD介质访问控制以太网中的一个重要问题是如何协调总线上各计算机的工作。因为我们知道，总线上只要有一台计算机在发送数据，总线的传输资源就被占用，因此在同一时刻只能允许一台计算机发送数据。否则各计算机之间就会互相干扰，结果是大家都无法正常发送数据。以太网中采用一种特殊的协议，即载波侦听多路访问／冲突检测（CSMA/CD）来解决这个问题。《计算机网络基础》第四章4.4.1CSMA/CD介质访问控制我们将CSMA/CD媒体访问控制规则的工作过程总结如下：①发送数据前先侦听信道，如果信道空闲，则可进行发送，否则转到步骤②；②如果信道忙，则继续侦听信道，一旦发现信道空闲，就进行发送；③如果在发送过程中检测到冲突，则立即停止正常发送，转而发送一个短的干扰信号，其目的是使网络上其他站点都知道出现了冲突；④发送了干扰信号后，退避一段随机时间，重新尝试发送，转到步骤①。《计算机网络基础》第四章4.4.1CSMA/CD介质访问控制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。确定基本退避时间，一般是取为争用期2。定义重传次数k，k10，即k=Min[重传次数,10]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。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。《计算机网络基础》第四章4.4.1CSMA/CD介质访问控制可以看出CSMA/CD是一种“争用”型的媒体访问控制方式，即各站点争先抢用传输信道，谁先占有信道谁先发送数据。但是数据发出之后可能产生冲突，冲突后就必须推迟一段时间重新发送，因此它不能保证一定在某一时间之内能够将数据成功发送出去。CSMA/CD的这一特点称为发送的不确定性。由于CSMA/CD发生冲突的概率会随着网络中站点数量的增加而增加，因此以太网在组网时对网络中站点的数目有限制，它在网络数据负荷量不太大的场合下才能发挥出较好的性能。《计算机网络基础》第四章4.4.2令牌环令牌环网即符合IEEE802.5标准，它是一种典型的环状拓扑结构的网络。令牌环网的网络结构如图4.11所示。它由许多称为环接口的设备和各环接口间的点对点链路组成，各个站点通过环接口连接到网络上。发送数据站的环接口将数据发送到输出链路上，数据沿环单方向流经各个站点，其余站的环接口从输入链路上接收数据，同时照原样将数据转发到输出链路上，数据返回到发送站环接口时被取消。由此可见，尽管环是由一系列点对点链路组成的，但环上发送的数据能被所有站点接收到，而且在任何时刻也只能允许一个站点发送数据，因而令牌环网也存在发送权的争用问题。《计算机网络基础》第四章4.4.2令牌环A物理连线BCDE逻辑环线图4.11令牌环网的网络结构为了解决发送权的争用问题，使用一个称为令牌（Token）的特殊帧，并规定只有获得令牌的站点才有权利发送数据，数据发送完后立即释放令牌供其他站使用。由于环中只有一个令牌，因此任何时刻最多只有一个站点发送，不会产生冲突。《计算机网络基础》第四章4.4.2令牌环令牌环网的工作过程如下。（１）当网络空闲时，令牌