以太网技术

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1、局域网技术,本章教学提要,教学目标： 掌握主要的局域网组网设备的功能与选择、常见的局域网拓扑结构、以太网技术； 理解局域网的特点和功能、IEEE802标准、介质访问控制的原理、无线局域网工作原理和基本组网方式； 了解令牌环网、FDDI、VLAN的概念与实现方式。 教学难点： 介质访问控制，以太网技术系列，无线局域网,局域网概述 (发展、特点、常见的拓扑结构),局域网的特点,地理覆盖范围小： 通常不超过几十公里，甚至只在一幢建筑或一个房间内。 数据的传输速率高： 最高可达10Gbit/s。 通信质量高： 误码率在10-810-11 支持多种传输介质： 同轴电缆、双绞线、光纤、无线介质 成本低、安

2、装、扩充及维护方便 通常属于某个部门、企业或单位所有,局域网的功能与应用,功能： 资源共享（硬件、软件资源） 相互通信（数据传送与电子邮件） 提高计算机系统的可靠性 分布式计算和高性能计算环境,应用： 办公自动化 生产自动化 管理信息化 银行业务处理 军事指挥控制 商务管理 ,常见局域网拓扑结构,网络拓扑结构决定网络性能； 局域网设计的目标是覆盖 “有限的地理范围” 基本通信机制上选择了“共享介质”方式和“交换”方式。 在传输介质的物理连接、介质访问取控制方法上形成了自己的特点； 在网络拓扑上的基本结构 总线型 环型（包括双环型） 星型（包括扩展星型）,总线型拓扑,结构：各工作节点（包括服务器

3、与工作站）均连在一条总线上，传输介质通常采用同轴电缆。在需要分支的地方，电缆线上配有特制的分支插口，与之相连的各工作站、服务器节点内也有相应的分支插头。,总线型拓扑的性能特点,各节点地位平等，无中心节点控制。所有结点都可以通过总线传输介质发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点利用总线发送数据“共享” 。 总线上的信息通常以基带形式串行传输，并从发送节点向两端扩散，当一个结点利用总线传输介质以“广播”方式发送信号时时，其他结点都可以用“收听”到所发送的信号，故又称广播式网络 “共享”产生“冲突”（collision），冲突造成数据传输的失效，需要提供一种机制用于解决冲突问题。,环型,各节点通

4、过环路接口连在一条闭合的环型通信线路中 传输介质可采用电缆或光缆 数据以基带信号串行传输，但从发送节点出来后，在环中沿一个固定方向绕环逐站传输 多个结点共享一条环通路的共享介质结构，也要提供旨在解决冲突问题介质访问控制。,增加环形拓扑可靠性，还引入了双环拓扑。 在单环的基础上在各站点之间再连接一个备用环，从而当主环发生故障时，由备用环继续工作。,星型,结构：网络由各节点以中央节点为中心相连接，各节点与中央节点以点对点方式连接。 传输介质可采用电缆或光缆,星型拓扑的性能特点,任何两节点之间的数据通信都要通过中央节点，中央节点集中执行通信控制策略，如完成节点间通信时物理连接的建立、维护和拆除； 中

5、央节点通常为集线器或交换机 优点：结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易 缺点：中央结点单点故障,扩展星型,星型拓扑结构的一种扩充，又叫树型拓扑结构 ； 结构特点：一个星型拓扑的末端节点又是其他星型拓扑的中央节点。,IEEE802局域网标准,IEEE802.1A综述与体系结构(说明与OSI/ISO的对应关系),IEEE802.2逻辑链路控制(LLC)规范与协议,IEEE802.1B寻址、网络互连和网络管理,IEEE802标准是一个标准体系，并且随着局域网技术的发展，该体系中在不断地增加新的标准和协议。,IEEE局域网标准的关注点,只关注OSI的物理层和数据链路层 首先，LAN是一种通信网，只

6、涉及到有关的通信功能，至多与OSI七层模型中的下三层有关。 其次，LAN基本上采用共享信道的技术，可以不设立单独的网络层。 不同局域网技术的区别主要在物理层和数据链路层； 当不同技术的LAN需要在网络层实现互连时，可以借助其他已有的通用网络层协议如第7章中要介绍的IP协议。,IEEE802标准,ISO/OSI的对应层,局域网模型,局域网模型的有关说明,物理层： 与OSI的物理层类似，主要规定比特流的传输与接收，描述所使用的信号电平的编码及解码，规定网络的拓朴结构，传输介质及介质的传输速率等。 数据链路层： 被分为LLC子层与MAC子层。 MAC子层-处理局域网中各站点对通信介质的争用问题，不同

7、类型的局域网使用不同的介质访问控制协议； LLC子层-屏蔽MAC子层的具体实现，将其变成统一的LLC界面，从而向网络层提供一致的服务。,划分LLC与MAC子层的原因,OSI模型中的数据链路层不具备局域网所需的介质访问控制功能； 局域网基本上采用共享介质环境，从而数据链路层必须考虑介质访问控制机制； 介质访问控制机制与物理介质、物理设备和物理拓扑等涉及硬件实现的部分直接有关； 分为两个子层，可保证层服务的透明性，在形式上保持与OSI模型的一致性。 使整个体系结构的可扩展性更好，以备将来接受新的介质与介质访问控制方法。,局域网介质访问控制,介质访问控制 CSMA/CD Token,共享网络环境与冲

8、突,共享网络环境是指网络上的所有的设备通过一条公用的信道来传输数据。又称广播网络。 当同一时刻这些设备中的多个节点试图发送数据时，就会发生冲突。 冲突会使其所涉及的各节点的数据传输发生失败。 通常将可能发生冲突的所有设备和与之相关的共享介质称为一个冲突域。,局域网介质访问控制,介质访问控制： 解决共享或广播网络中，当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权。 在局域网中，特从数据链路层中分出介质访问控制子层，用以完成信道分配或介质访问控制功能。 使网络有更高的工作效率、可靠性和可扩展性。,介质访问控制的类型,集中式： 有一个单独的集中控制器或一个具有控制整个网络能力的节点来管理网络的通信。

9、分布式： 无集中控制节点，各节点均处于平等地位。节点间的通信由各节点自身控制。进一步分为： 1)争用型介质访问控制协议，又称随机型的介质访问控制协议，如CSMA/CD。 2)确定型介质访问控制协议，又称有序的访问控制协议，如令牌法。,CSMA/CD,为“带冲突检测的载波侦听多点访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)” 的英文缩写： 载波侦听CS是指网络中的各个站点都具备一种对总线上所传输的信号或载波进行监测的功能。 多点访问MA指总线上的一个站点占用总线发送信号时，所有连到同一总线上的其他站点都可以通过各自的接收器收

10、听，只不过目标节点会对所接收的信号进行进一步的处理，而非目标节点则忽略所收到的信号。 冲突检测CD指一种检测或识别冲突的机制，是实现冲突退避的前提。,站点装配帧并准备发送,侦听信道忙否？,启动发送并检测冲突,冲突否？,发送完成？,发送冲突加强信号,冲突次数增1,冲突次数16？,计算随机延迟时间,等待延迟时间后再次启动发送,发送成功,发送失败,工作原理归结： 先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发。,若干说明,如何判断信道忙或空闲？ 以差分Machester编码为例，若信道存在电平跳变，则判断为忙，否则判为空闲 如何检测冲突？ 比较法-将侦听信号与原始的发送信号进行比较以判断是否发生冲突。

11、 编码违例判决法-分析侦听到的信号是否符合原始的编码规律，如差分Manchester编码规律。 如何随机延迟？ 采用二进制指数后退算法：一般地，第n次冲突后的等待时间从0到2n-1中选取；达到10次后，随机等待的最大时隙固定在1023；16次冲突后，控制器不再动作，报告发送失败。,令牌控制法,又称令牌(Token)传递机制或许可证法； 令牌是一种特殊的控制帧，用来控制各个结点介质访问权限。 令牌在环中沿固定方向逐站传送，只有获得令牌的节点才能启动帧的发送。,两种介质访问控制方式的比较,局域网组网设备,服务器/客户机(工作站) 集线器、交换机 网卡,局域网的主要组网设备,计算机： 服务器、客户机

12、/工作站 中继器(Reapter) 和集线器（Hub) 网桥(Bridge)和交换机(Switch) 网络适配器或网卡,局域网组网的两种模式,对等模式(P2P模式)： 对等网络环境下的所有计算机地位平等，不存在对网络资源进行集中控制与管理的主机。每台机器都能以同样方式作用于对方，即都可以充当服务器角色为其他主机提供共享资源，也可以充当客户机的角色使用其他主机共享出来的资源。 主从模式(C/S模式） 在主从网络中，至少有一台服务器作为网络中的核心控制部件，对网络资源进行集中的控制与管理。除了网络管理功能外，还可提供多种网络服务。 又被称为客户机/服务器(client/server)模式，简称C/

13、S模式。,服务器,在网络中为其它计算机提供服务的计算机。 通常由高性能计算机(如小型机、专用服务器)承担： 能够响应多用户的请求； 处理速度快，通常采用多CPU来提高处理能力 存储容量大，采用硬盘阵列来增加硬盘容量； 安全性好； 可靠性高，要求提供一定的冗余措施和容错性,服务器的种类,提供用户管理或身份验证的用户管理服务器 提供各种文件操作和管理功能的文件服务器 提供共享数据库和数据库管理系统(DBMS)的数据库服务器 提供网络共享打印及其管理服务的打印服务器 在局域网环境中提供TCP/IP应用时，还可能会有E-mail服务器、DNS服务器、FTP服务器和WEB服务器等。,客户机/工作站,客户

14、机： C/S模式下提出服务请求并接受服务的计算机，通常由PC机或专用工作站担任。 工作站： 对等网络环境下的所有计算机，它们地位平等，只能相互提供简单的共享。,主机与OSI模型,网络中的计算机统称为主机。 主机不属于OSI的某一特定层，而是被视为是一种涵盖了OSI所有七层的设备.,网卡,局域网中提供主机与通信介质相连的网络组件。 其性能和质量直接影响网络运行性能。,网卡的主要功能,数据的发送与接收 数据缓冲区越大越好，一般为2-64KB 编码与解码： 曼彻斯特或差分曼彻斯特编码 帧的封装与拆卸 以太网帧、FDDI帧 介质访问控制 CSMA/CD、令牌环,网卡与OSI模型,网卡的功能包括了物理层

15、与数据链路层 ，我们通常将其归入数据链路层设备。,网卡的组成,帧的装配与拆卸 数据缓冲,MAC子层协议控制电路,编码与解码电路,网卡地址,每一块网卡在出厂时均获得一个唯一的地址，称为网卡地址。 网卡地址有许多别名： 物理地址/硬件地址/MAC地址 MAC地址的长度为48位的二进制数，或12位的十六进制数 前24比特代表厂商标识，后24比特为产品的序列号。,中继器/集线器,物理层网络互连设备，集线器又称多端口中继器 物理对网络进行扩展： 当网络段传输超出网络拓朴结构/网络传输介质决定的最大传输距离时，起中继、放大及整形作用，将其按原方向重新发送。 网络扩展是以冲突域的增加和因此造成的网络性能下降

16、为代价。,中继器/集线器连接的网络,任何以中继器或集线器互连而成的网络段处于同一个冲突域中。即对每个主机而言，冲突的几率进一步增加。,当网络的物理距离增大时，一个远端节点的信号由于在过长的传输介质上的较长时延,还会导致冲突无法检测。,集线器的分类？,依据接口速度，分为10M、100M和自适应三种； 根据管理方式可分为智能型和非智能型； 按配置形式分为独立型和堆叠式,集线器的选购,主要考虑三个因素：接口类型、接口速率、是否可堆叠或自适应。 接口类型： 主机接口通常为RJ-45接口；上连(uplink)端口有RJ-45接口、AUI粗缆接口、BNC细缆接口、光纤接口(少见到)等可选。,Question Answer,是否存在一种既能提供在物理上扩展网络的功能，同时又不会使冲突域增大的网络互连设备？ 数据链路层的网络互连设备 网桥 交换机 除MAC机制外，降低冲突的一种有效方法。,网桥/交换机,数据链路层上的网络互连设备，交换机又称多端口网桥； 依据第二层地址进行网络流量过滤，忽略关于本地网络的所有流量，转发目标地址不在本地的数