计算机网络电子课件教案-第3章_局域网技术

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1、第3章 局域网技术 理解局域网的三个要点：v它仅提供通信功能。仅包含了低两层（物理层和数据链路）的功能，所以连到局域网的数据通信设备必须加上高层协议和网络软件才能组成计算机网络。v局域网连接的是数据通信设备。 v局域网传输距离有限，网络覆盖的范围小。 局域网：将较小地理区域内的数据通讯设备连接在一起的通讯网络 特点：（ 1）地理范围有限（2）传输速率高，延迟小（4）误码率低（4）网络的管理权属单一组织所有 应用：连接一个楼群、一栋楼或一个办公室里的数据通讯设备3.1 局域网的发展和分类 1969年，世界上第一个计算机网络ARPANET在美国诞生。 1972年，贝尔公司提出2种环形网技术 197

2、3年，Bob Metcalfe和David Boggs发明以太网 1980年，制定了以太网V1.0规范 1983年，制定IEEE802.3标准，并提出光纤高速网标准FDDI 1985年，制定令牌环标准IEEE802.5 1990年，开发快速以太网技术 1995年，制定快速以太网标准IEEE802.3uv以太网容易使用、价格低廉，并且具有极好的扩展性。 v在过去的十年中，以太网的速度已经从10Mbps发展到100Mbps、再发展到1000Mbps，现在又发展到10G以太网。v长距离的千兆以太网技术和百兆以太网技术。3.2 局域网的硬件配置 网络硬件实现局域网的物理连接，为连在局域网上的计算机之间

3、的通信提供一条物理通道。包括：网络服务器、网络工作站、网络接口卡、网络设备、传输介质、介质连接器和各种适配器。 计算机系统是网络的基本单元，具有访问网络、数据处理和提供共享资源的能力。有网络服务器和网络工作站之分。通信系统是连接网络基本单元的硬件系统，主要作用是通过通信电缆（即传输介质或传输媒体）、网络设备等硬件系统将计算机连接在一起，为网络提供通信功能。局域网硬件系统图 (1)服务器server 提供网络通信功能 为网络用户提供各种软硬件资源，并能管理和分配这些资源，协调用户对资源的访问。 提供文件管理功能 提供各种Internet信息服务，如文件服务、打印服务、存储服务、电子邮件服务、域名

4、服务、Web服务、文件传输服务 提供各种网络应用服务，如信息管理系统、远程教学、电子图书馆、IP 电话、电子商务和远程医疗、视频点播、电视会议等多媒体应用。 提供网络管理功能，监控网络运行情况，对网络进行性能管理、失效管理、配置管理、设备管理等。 网络工作站Client 网络工作站是指用户能够在网络环境中工作，访问网络共享资源的计算机系统，通常又被称为客户机（Client）。网络工作站是连接在局域网上的一台计算机，用户通过它来访问网络，共享资源。主要作用：是为网络用户提供一个访问网络服务器、共享网络资源、与网上的其它节点交流信息的操作台和前端窗口，使用户能够在网上工作，如在网上传输文件、使用共

5、享打 印机打印文件、访问Internet各种信息服务和共享网上的各种软硬件资源等。 网络接口卡 （NICNetwork Interface Card）又称网络适配器（NIANetwork Interface Adapter），简称网卡。网卡是安装在计算机中的一块电路板，作为计算机的外部设备插在扩展槽中，用于实现计算机和传输介质之间的物理连接，为计算机之间相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。在局域网中，每一台连网计算机都需要安装一块或多块网卡，通过介质连接器将计算机接入网络电缆系统。 网卡功能：完成物理层和数据链路层，包括网卡与传输介质的物理连接、 介质访问控制（如CSMA

6、/CD）、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码（如曼切斯特代码的转换）、数据的串、并行转换等功能。 网卡的种类 ： （1）支持协议不同：以太网卡、快速以太网卡、FDDI网卡、ATM网卡（2）总线接口分类：ISA总线网卡、PCI总线网卡、EISA总线网卡等 网络设备 网络设备是集线器、中继器、交换机等网络连接设备和网桥、路由器等网间互连设备的统称。通过这些设备可以把计算机连接起来组成局域网，或将局域网与局域网互连起来，组成更大规模的互连网。网络设备是组建计算机网络的关键设备。 传输介质 传输介质是通信双方交流信息的物理通道，用于两个网络站点之间原始比特流的实际传输。传输介质

7、的品种繁多，每一种介质在带宽、延迟、信号衰减、抗干扰能力、传输距离、安装维护难度等方面都不相同。传输介质的选用是非常重要的，它对网络性能影响极大。在局域网中，常用的是有线传输介质，主要有非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、同轴电缆和光缆。 3.3 局域网基本技术 3.3.1 局域网参考模型 物理层物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流，它的主要作用是确保二进制位信号的正确传输。 局域网传输介质与传输距离。 物理接口的机械特点、电气特点、性能特点和规程特点。 传输信号的编码方案，局域网常用的编码方案有曼切斯特码、差分曼切斯特码、非 归零码、4B/5B码、8B/10B等。 错误校验码以及同步信号的产生与删

8、除。 传输速率。 拓扑结构，局域网常见的拓扑结构（参见图1-1）有星型、环型、总线型及树型。 物理信令（PLS），物理层向介质访问控制子层提供的服务原语，包括请求、证实、指示原语。 MAC子层MAC子层主要制定管理和分配信道的协议规范，即用来决定广播信道中信道分配的协议属于MAC子层。MAC子层是与传输介质有关的一个数据链路层的功能子层。主要功能是进行合理的信道分配，解决信道竞争问题。它 在支持LLC子层中，完成介质访问控制功能，为竞争的用户分配信道使用权，并具有管理多链路的功能。MAC子层为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。 IEEE802已制定的介质访问控制标准有：带冲突检测的载波监听

9、多路访问、令牌环和令牌总线等。 LLC子层LLC子层与传输介质无关，它独立于介质访问控制方法，隐藏了各种802网络之间的差别，向网络层提供一个统一的格式和接口。 作用是在MAC子层提供的介质访问控制和物理层提供的比特服务的基础上，将不可靠的信道处理为可靠的信道，确保 数据帧的正确传输。LLC子层的具体功能包括：数据帧的组装与拆卸、帧的收发、差错控制、数据流控制和发送顺序控制等功能。为网络层提供两种类型的服务：面向连接服务和无连接服务。 3.3.2 介质访问控制方法CSMA/CD、令牌环等是著名的多路访问信道的分配算法和协议。其中，CSMA/CD（Carrier Sense Multiple A

10、ccess/Collision Detect）是具有冲突检测（CD）功能的载波监听多路访问（CSMA）控制方法 .(1)CSMA-载波监听多路访问v载波监听多路访问CSMA技术，也称做无听后说 LBT(Listen Before Talk)。v要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监 听，以确定是否有别的站点在传输数据。如果媒 体空闲，该站点便可传输数据；否则，该站点将 避让一段时间后再做尝试。v这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常 用的退避算法有非坚持、1坚持、P坚持三种 。1、非坚持算法算法规则为：如果媒本是空闲的，则可以立即发送。如果媒体是忙的，则等待一个由概率分布 决定的随机重

11、发延迟后，再重复前一步骤。采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生 的可能性。非坚持算法的缺点是：即使有几个站点为都 有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过程中 ，致使媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。2、1-坚持算法算法规则：如果媒体空闲的，则可以立即发送。如果媒体是忙的，则继续监听，直至检测 到媒体是空闲，立即发送。算法优点：只要媒体空闲，站点就立即可发 送，避免了媒体利用率的损失；缺点：假若有两个或两个以上的站点有数据 要发送，冲突就不可避免。3、P-坚持算法算法规则：监听总线，如果媒体是空闲的，则以P的概率发送，而 以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最 大传播时延

12、的2倍。延迟一个时间单位后，再重复步骤。如果媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤 。P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又 能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案。问题在于如何选择P的有效值。如果选择P过大，当有多个站点试图发送，冲突就不可避 免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量 降低到零。P值选得过小，则媒体利用率又会大大降低。带预测的P-坚持CSMAz 所有的节点根据网络积压参数（Backlog）等待随机时间片来访问介 质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞。每一个节点发送前随机的插 入0W个很小的随机时间片，因此网络中任一节点在发送普通报文 前平均插

13、入W/2个随机时间片，而W则根据网络积压参数变化进行动 态调整，其公式是WBLWbase，其中Wbase16，BL为网络积压的 估计值，它是对当前发送周期有多少个节点需要发送报文的估计。具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使总 线上两个站点没有监听到载波信号而发送帧时， 仍可能会发生冲突。由于CSMA算法没有冲突检测 功能，即使冲突已发生，仍然将已破坏的帧发送 完，使总线的利用率降低。一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程 中仍继续监听媒体，以检测是否存在冲突。如果 发生冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串 阻塞信号，用以通知总线上其它各有

14、关站点。这 样，通道容量就不致因白白传送已受损的帧而浪 费，可以提高总线的利用率。这种方案称做载波 监听多路访问/冲突检测协议，简写为CSMA/CD， 这种协议已广泛应用于局域网中。 CSMA/CD -CSMA/CD的工作流程 二进制指数退避（Backoff）算法 间隙时间与网络带宽、传输时延和重发次数有关，计算公式为：T=RA2N式中，T为间隙时间，R为随机数，A为计时单位，N为冲突次数。 载波监听与冲突检测z载波监听y监听信道上有无载波信号z冲突检测y（基带总线系统）冲突产生的电压比正常产生的电压高的多；高于收发器单独发出的最大值时，就冲突了 令牌环 介质访问方法的基础是令牌（Token）

15、。令牌是一种特殊的帧（3字节），用于控制网络站点的发送权，只有抓住令牌的网络站点才能发送数据。由于只有一个令牌，一次只能有一个站点发送，因此令牌环技术不存在争用现象，是一种无争用型介质访问控制方法。令牌环的工作原理如下 访问控制字节4.5 环网访问控制方式-令牌环Token ring（书上称为标记 环）介质 访问控制方式 令牌传递过程（第一阶段）环网访问控制方式-令牌环Token ring 访问控制方式 令牌传递过程（第二阶段）环网访问控制方式-令牌环Token ring 访问控制方式 令牌传递过程（第三阶段）3.4 具有代表性的传统网络 分类： 3.4.1 以太网（Ethernet） 3.4

16、.1.1 以太网的技术特性 以太网是基带网，它采用基带传输技术。 以太网的标准是IEEE802.3，它使用CSMA/CD介质访问控制方法。 以太网是一种共享型网络，网络上的所有站点共享传输媒体和带宽。 以太网是广播式网络 以太网的数字信号采用曼切斯特编码方案，快速以太网采用4B/5B编码方案。 以太网所支持的传输介质类型有50基带同轴电缆（粗同轴电缆和细同轴电缆）、非蔽双绞线和光纤。 以太网所构成的拓扑结构主要是总线型和星型。 有多种以太网标准，它们支持不同的传输速率（10Mbps、100Mbps和1000Mbps），最高可达10Gbps。 以太网是可变长帧，长度为60Bytes1514Bytes。 以太网技术先进，但很简单，这是它获得成功的主要原因。 以太网技术成熟，价格低廉、易扩展、易维护、易管理。3.4.1.2 IEEE802.3 以太网的