第5章局域网演示教学

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1、第5章 局 域 网,5.1 局域网概述 5.2 传统以太网 5.3 以太网的MAC层 5.4 扩展的局域网 5.5 虚拟局域网 5.6 高速以太网 5.7 其他种类的高速局域网 5.8 无线局域网,退出,5.1 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： （1）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。 （2）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。 （3）提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,图5-1(a)是星形网。近年来由于集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中，

2、星形以太网以及多级星形结构的以太网获得了非常广泛的应用。图5-1(b)是环形网，最典型的就是令牌环形网(token ring)，它又称为令牌环。图5-1(c)为总线网，各站直接连在总线上。总线网可使用两种协议。一种是传统以太网使用的CSMA/CD，另一种是令牌传递总线网。图5-1(d)是树形网，它是总线网的变型。,5.2 传统以太网,“传统以太网”表示最早进入市场的10 Mbit/s速率的以太网。 5.2.1 以太网的工作原理 1以太网的两个标准 局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层和媒体接入控制MAC (Medium Acce

3、ss Control)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子层来说是都透明的，如图5-2所示。,本章介绍的以太网主要都是假定数据链路层只有一个MAC层而不考虑LLC子层。这样做对以太网工作原理的讨论会更加简洁。,2网卡的作用 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC (Network Interface Card)，但现在更多的人愿意使用更为简单的名称“网卡”。网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的，如图5-3所示。,网卡不是完全自治的单元，通常称为半自治单元。

4、当网卡收到一个有差错的帧时，它就丢弃此帧而不必通知它所插入的计算机。当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给网络层。当计算机要发送一个IP数据报时，就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网。,3CSMA/CD协议 以太网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。总线的特点是：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。这种通信方式是广播通信。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，可以使每一台计算机拥有一个与其他计算机都不同的地址。在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。现在的电子技术可以很容易地做到

5、：仅当数据帧中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。 图5-4是上述概念的示意图。,为了通信的简便，以太网采取了两种方法。第一，采用无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。第二，不要求收到数据的目的站发回确认。不要确认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。因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。,以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议，即CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 载

6、波监听多点接入/碰撞检测。下面是CSMA/CD的要点。 “多点接入” “载波监听” “碰撞检测”,因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。因此当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非是空闲的。如图5-5所示的例子可以说明这种情况。,显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。 每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。以太网的这一特点称为发送的不确定性。,4争用期 以太网的端到端往返时延2称为争用期(contention period)。争用期又称为碰撞

7、窗口(collision window)。 为了使每个站都能尽可能早地知道是否发生了碰撞，以太网还采取一种叫做强化碰撞的措施。这就是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(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞如图5-6所示。,5.2.2 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，即粗缆、细缆、铜线和光缆。 图5-7在MAC层下面给出了对应于这四种传输媒体的物理层，即10BASE5(粗缆)、10BASE2(细缆)、10BASE-T(双绞线)和10BASE-F (光缆)。 图5-8给出了用铜缆

8、或铜线连接到以太网的示意图。,粗缆以太网是最初使用的以太网，其网卡通过DB-15型连接器(15针)与收发器电缆(transceiver cable)相连，收发器电缆的正式名称是AUI电缆。AUI是连接单元接口(Attachment Unit Interface)的缩写。收发器电缆的另一端连接到收发器(transceiver)。收发器电缆的长度不能超过50 m。收发器由两部分组成，一部分是含有电子元器件的媒体连接单元MAU (Medium Attachment Unit)，另一部分是没有电子元器件的插入式分接头(tap)，称为媒体相关接口MDI (Medium Dependent Interfa

9、ce)，它直接插入到电缆中(不用切断电缆)就能和同轴电缆的内部导线有良好的接触连接。,收发器的功能如下： （1）从计算机经收发器电缆得到数据向同轴电缆发送，或反过来，从同轴电缆接收数据经收发器电缆送给计算机。 （2）检测在同轴电缆上发生的数据帧的碰撞。 （3）在同轴电缆和电缆接口的电子设备之间进行电气隔离。 （4）当收发器或所连接的计算机出故障时，保护同轴电缆不受其影响。 上述最后一个功能叫做超长控制(jabber control)。,网卡的功能主要有以下三个： （1）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。

10、 （2）链路管理，主要是CSMA/CD协议的实现。 （3）编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。,集线器的一些特点如下： （1）从表面上看，使用集线器的局域网在物理上是一个星形网，但由于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。也就是说，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，并共享逻辑上的总线。网络中的各个计算机必须竞争对传输媒体的控制，并且在一个特定时间至多只有一台计算机能够发送数据。因此，这种10BASE-T以太网又称为星型总线(star-shaped bus)或盒中总线(bus in a box)。,（2

11、）一个集线器有许多端口，因此，一个集线器很像一个多端口的转发器。 （3）集线器和转发器都是工作在物理层，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到工作站发来的比特时，就简单地将该比特向所有其他端口转发。若两个端口同时有信号输入(即发生碰撞)，那么所有的端口都收不到正确的帧。为了说明上述原理，图5-10给出三个端口的集线器的示意图(实际的集线器不会只有三个端口)。 （4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。,为了比较这三种以太网布线方案的区别，图5-11画出了一组办公室用三种不同方案布线的情况。,上述的三种以太网的主要指标的比较如表5-1所示。,5.2.3 以太

12、网的信道利用率,5.3 以太网的MAC层,5.3.1 MAC层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。 “名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。” 严格地讲，名字应当与系统的所在地无关。 802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。,现在IEEE的注册管理委员会RAC (Registration Authority Committee)是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的六个字节中的前三个字节(即高位24 bit)。世界上凡要生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买由这三个字节构成的一个号(即

13、地址块)，这个号的正式名称是机构惟一标识符OUI (Organizationally Unique Identifier)，通常也叫做公司标识符(company_id)。目前的价格是1250美元买一个地址块。例如，3Com公司生产的网卡的MAC地址的前六个字节是02-60-8C。地址字段中的后三个字节(即低位24 bit)则是由厂家自行指派，称为扩展标识符(extended identifier)，只要保证生产出的网卡没有重复地址即可。,有的书将上述最低位写为“第一比特”，但这样有些含糊不清，因为“第一”的定义是不明确的。这点可从图5-16看出。,图5-17表示用网卡上的硬件地址来标识局域网上

14、的计算机和路由器。,这里“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧(一对一)，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。 广播(broadcast)帧(一对全体)，即发送给所有站点的帧(全1地址)。 多播(multicast)帧(一对多)，即发送给一部分站点的帧。,5.3.2 两种不同的MAC帧格式 以太网的MAC帧格式有两种标准，一种是DIX Ethernet V2标准，另一种是IEEE的802.3标准。图5-18画出了这两种不同的MAC帧格式。,IEEE 802.3标准规定的MAC帧和以太网V2的MAC帧的区别是： （1）第三个字段是长度/类型字段。根据长度/类型字段的数

15、值大小，这个字段可以表示MAC客户数据字段的长度(请注意：不是整个数据帧的长度)，也可以等同于以太网V2的类型字段。 （2）当长度/类型字段表示类型时，802.3的MAC帧和以太网V2的MAC帧一样，它的MAC客户数据字段装的是来自IP层的IP数据报。,从MAC子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入八个字节(由硬件生成)，它由两个字段构成。第一个字段共七个字节，称为前同步码(1和0交替的码)。前同步码的作用是使接收端在接收MAC帧时能够迅速实现比特同步。第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011，表示在这后面的信息就是MAC帧了。,802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧

16、： （1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致； （2）帧的长度不是整数个字节； （3）用收到的帧检验序列FCS查出有差错； （4）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46 1500字节之间。,5.4 扩展的局域网,5.4.1 在物理层扩展局域网 一个学院的三个系各有一个10BASE-T局域网(如图5-19(a)所示)，可通过一个主干集线器互相连接起来，成为一个更大的扩展的局域网(如图5-19(b)所示)。,5.4.2 在数据链路层扩展局域网 1网桥的内部结构 图5-20给出了一个网桥的内部结构要点。最简单的网桥有两个端口(即接口)。复杂些的网桥可以有更多的端口。,使用网桥可以带来以下好处： （1）过滤通信量。 （2）扩大了物理范围。 （3）提高了可靠性。 （4）可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率(如10 Mbit/s和100 Mbit/s以太网)的局域网。,网桥也有不少缺点，例如： （1）由于网桥对接收的帧要先存储和查找站表，然后才转发，这就增加了时延。 （2）在MAC子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出，以致产生帧