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1、1五讲局域网及广域网 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2第三章第三章 局域网及广域网局域网及广域网教学目的：教学目的：l本章将主要学习局域网技术、广域网技术等基本章将主要学习局域网技术、广域网技术等基本知识，它们是学习计算机网络、交换技术、本知识，它们是学习计算机网络、交换技术、路由技术的前提，为我们使用和管理计算机网路由技术的前提，为我们使用和管理计算机网络打下基础。络打下基础。教学要求：教学要求：l掌握常见局域网的类型、特点及拓扑结构；掌握常见局
2、域网的类型、特点及拓扑结构；l掌握以太网的工作原理、特点及分类等；掌握以太网的工作原理、特点及分类等；l了解无线局域网的标准及结构；了解无线局域网的标准及结构；l掌握广域网的基本概念、通信方式及协议；掌握广域网的基本概念、通信方式及协议；l了解广域网几种常见的特性及用途。了解广域网几种常见的特性及用途。33.1 局域网技术概述局域网技术概述3.1.1局域网的定义局域网的定义 3.1.2局域网标准局域网标准 43.1.1 局域网的定义局域网的定义定义：局域网定义：局域网LAN(Local Area Network)是一种在较小的地理范围内，是一种在较小的地理范围内，用共享通信介质将大量计算机及各
3、种用共享通信介质将大量计算机及各种IP设备连接在一起，实现数据传输和设备连接在一起，实现数据传输和资源共享的计算机网络。资源共享的计算机网络。需要解决的主要问题：需要解决的主要问题：l连接接口连接接口l连接设备连接设备l通信介质通信介质l访问协议访问协议l通信距离、速率等通信距离、速率等关键问题：多个用户如何在共享介质关键问题：多个用户如何在共享介质上进行正确、有效的通信上进行正确、有效的通信？SwitchSwitchSwitchSwitchhubhubSwitchSwitchServerServerstationstationstationstationstationstationServe
4、rServerstationstationstationstationstationstation53.1.1 局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构星形拓扑结构：星形拓扑结构：l集中控制，易于维护且集中控制，易于维护且安全性高安全性高；l出现故障不影响其他端出现故障不影响其他端用户间的通信；用户间的通信；l中心系统一旦损坏，整中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪个系统便趋于瘫痪。l一般应用在使用一般应用在使用HUB或或交换机组成的小型网络交换机组成的小型网络中。中。63.1.1 局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构树形拓扑结构：树形拓扑结构：l是星形拓扑的扩展，是星形拓扑的扩展，在园区网中使用，组在园
5、区网中使用，组成层次化的网络成层次化的网络；lHub级联的个数是有级联的个数是有限制的，一般最远限制的，一般最远PC间不要超过间不要超过5段。但如段。但如果采用全双工以太网果采用全双工以太网交换机则不受限制。交换机则不受限制。73.1.1 局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构环型网络拓扑结构环型网络拓扑结构：l每个端用户都与两个每个端用户都与两个相临的端用户相连，相临的端用户相连，因而存在着点到点链因而存在着点到点链路，但总是以单向方路，但总是以单向方式操作式操作；l如果环的某一点断开，如果环的某一点断开，环上所有端间的通信环上所有端间的通信便会终止；便会终止；l环型拓扑结构主要应环型拓扑结构主要
6、应用在令牌环用在令牌环（Tokenring）或光纤）或光纤数字分布接口数字分布接口（FDDI）等网络中）等网络中。83.1.1 局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构总线型拓扑结构总线型拓扑结构：l使用同一介质或电缆连使用同一介质或电缆连接所有端用户的一种方接所有端用户的一种方式，连接端用户的物理式，连接端用户的物理介质由所有设备共享介质由所有设备共享；l一次仅能为一个端用户一次仅能为一个端用户发送数据，其他端用户发送数据，其他端用户必须等待，直到通过竞必须等待，直到通过竞争获得发送权争获得发送权；l一般应用于早期的以太一般应用于早期的以太网及令牌总线网及令牌总线（Tokenbus）网络中）网络中。
7、93.1.2 局域网标准与参考模型局域网标准与参考模型IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers-“电器电器与电子工程师协会与电子工程师协会”1、局域网的标准：、局域网的标准：IEEE802（ISO8802）系列）系列：l802.1-表示局域网中的高层互联与管理协议表示局域网中的高层互联与管理协议 l802.2-逻辑链路控制逻辑链路控制l802.3-CSMA/CD（以太网，（以太网，Ethernet）uEthernet 成为成为IEEE 802.3 标准标准（1985）uIEEE 802.3u Fast Ethernet 标准（
8、标准（1995）uIEEE 802.3z Gigabit Ethernet 标准（标准（1998）uIEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准（标准（1999）l802.4-Token Bus（令牌总线）（令牌总线）l802.5-Token Ring（令牌环）（令牌环）l802.6-分布队列双总线分布队列双总线DQDB-MAN标准标准l802.8 FDDI（光纤分布数据接口）（光纤分布数据接口）l802.11 WLAN（无线局域网）（无线局域网）l l802.x102.IEEE802局域网参考模型局域网参考模型n IEEE802只包含两层：只包含两层：数据链路层，物理层数
9、据链路层，物理层;n IEEE802定义了多种物理层定义了多种物理层802.3802.1x，以适应不同的网络介质和不，以适应不同的网络介质和不 同的介质访问控制方法；同的介质访问控制方法；n 数据链路层又分为数据链路层又分为逻辑链路控制逻辑链路控制LLC和和介质访问控制介质访问控制MAC两个子层：两个子层：lLLC：向高层提供统一的链路访问形式，组帧：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立拆帧、建立/释放逻辑释放逻辑连接、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关；连接、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关；lMAC：进行寻址与差错检测，与介质、拓扑相关：进行寻址与差错检测，
10、与介质、拓扑相关,MAC在各子标准在各子标准802.3-802.1x中定义。中定义。数据链路层数据链路层物理层物理层 OSI IEEE802 介质访问控制子层介质访问控制子层 MAC802.3CSMA/CD802.4令牌总线令牌总线802.5令牌环令牌环802.8FDDI802.11WLANIEEE802.2 逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层LLCIEEE802.1 上层协议接口子层上层协议接口子层802.x113.2 以太网技术以太网技术3.2.1以太网标准以太网标准3.2.2CSMA协议协议3.2.3 CSMA/CD协议协议3.2.4 802.3的的MAC地址地址3.2.5 令牌环网令牌环
11、网IEEE802.5简介简介3.2.6 高速局域网高速局域网123.2.1 以太网标准以太网标准1、IEEE 802.3标准标准传统以太网：传统以太网：10Mb/s802.3 粗粗同同轴电缆轴电缆802.3a 细细同同轴电缆轴电缆802.3i 双绞线双绞线802.3j 光纤光纤快速以太网（快速以太网（FE）：）：100Mb/s802.3u 双绞线，光纤双绞线，光纤千兆以太网（千兆以太网（GE）：）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z 屏蔽短双绞线、光纤屏蔽短双绞线、光纤802.3ab 双绞线双绞线万兆以太网（万兆以太网（10GE）：）：10Gb/s802.3ae 光纤光纤132、以太网
12、标准标识方法、以太网标准标识方法速率（速率（Mb/s）基带或宽带基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位每段最大长度（单位:百米）或百米）或介质类型（介质类型（T，F，X）10 Base 5传统以太网传统以太网10Base5 粗同轴粗同轴10Base2 细同轴细同轴10Base-T UTP 10Base-F MMF快速以太网和千兆以太网快速以太网和千兆以太网100Base-T UTP100Base-F MMF/SMF1000Base-X STP/MMF/SMF1000Base-T UTP14载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议CSMA基本思想：基本思想：站点在发送数据前，进行站点在
13、发送数据前，进行载波侦听载波侦听，以判断目，以判断目前是否有人在发送数据，然后再采取相应动作。前是否有人在发送数据，然后再采取相应动作。载载波波侦侦听听：根根据据物物理理接接口口的的电电气气特特性性，捕捕获获信信道道上上的的脉脉冲冲信信号号，并并与与发发送送数数据据用用的的载载波波信信号号比比较较，以以判判断断是是否否有有人人在发送数据的技术。在发送数据的技术。CSMA有多种形式：有多种形式：l1-坚持坚持CSMAl非坚持非坚持CSMAlP坚持坚持CSMAl某站点要发送数据时，先侦听信道；某站点要发送数据时，先侦听信道；l如果空闲，则以概率如果空闲，则以概率P发送数据，以概发送数据，以概率率1
14、-P推迟到下一个时间片，然后侦听信推迟到下一个时间片，然后侦听信道；道；l如果信道忙，则等下一个时间片，然后如果信道忙，则等下一个时间片，然后侦听信道；侦听信道；l重复上述过程，直到数据发送完。重复上述过程，直到数据发送完。l某站点要发送数据时，先侦听信道；某站点要发送数据时，先侦听信道；l如果空闲，则立即发送；如果空闲，则立即发送；l否则，等待一个随机时间后，重复上否则，等待一个随机时间后，重复上述过程。述过程。3.2.2 CSMA 协议协议l某站点要发送数据时，先侦听信道；某站点要发送数据时，先侦听信道；l如果空闲，则立即发送；如果空闲，则立即发送；l如果忙，继续侦听，直到信道空闲，如果忙
15、，继续侦听，直到信道空闲，然后以概率然后以概率1发送数据；发送数据；15三种三种CSMA是否完全避免了冲突呢？是否完全避免了冲突呢？例：站点例：站点A在发送数据，但由于信道的传播时延，数据还在发送数据，但由于信道的传播时延，数据还未到达站点未到达站点B，此时站点，此时站点B要发送数据，它侦听到信道是要发送数据，它侦听到信道是空闲的，于是也开始发送数据，从而发生冲突。空闲的，于是也开始发送数据，从而发生冲突。BA冲突冲突结论：在结论：在CSMA中冲突是不可避免的，必须进行冲突检测和处理！中冲突是不可避免的，必须进行冲突检测和处理！16 1、CSMA/CD 基本思想：基本思想：n 某站点想要发送数
16、据，它必须首先某站点想要发送数据，它必须首先侦听信道侦听信道；n 如果信道空闲，立即发送数据如果信道空闲，立即发送数据,并进行并进行冲突检测冲突检测；n 如如果果信信道道忙忙，继继续续侦侦听听信信道道，直直到到信信道道变变为为空空闲闲，立立即即发发送送数数据据,并进行冲突检测；并进行冲突检测；n 如如果果站站点点在在发发送送数数据据过过程程中中检检测测到到冲冲突突，立立即即停停止止发发送送数数据据，并并等待一随机长的时间，重新侦听信道。等待一随机长的时间，重新侦听信道。n问题：问题：-是否还存在冲突呢？是否还存在冲突呢？-是否能正确处理冲突呢？是否能正确处理冲突呢？-一个数据包发送后在多长时间
17、内能够确定是否会发生冲突呢一个数据包发送后在多长时间内能够确定是否会发生冲突呢？3.2.3 CSMA/CD 协议协议17信道忙？信道忙？发送发送帧帧冲突？冲突？发发送送完完？中断发送中断发送N16?N16?YesYesNoNoNoNoYesYes发送成功发送成功YesYes发送失败发送失败NoNo延迟随机时间延迟随机时间NoNoYesYes发送发送碰撞次数碰撞次数N+1N+12 802.3 CSMA/CD工作的流程图工作的流程图18（1）定义一个时间片等于定义一个时间片等于T=2（为网段最远两站点间信息为网段最远两站点间信息位传输的时间）。在以太网中一般取时间片的长度为位传输的时间）。在以太网
18、中一般取时间片的长度为512bits，即在，即在10Mbit/s以太网下为以太网下为51.2微秒。微秒。（2）定义一个参数定义一个参数k等于重传次数（其最大值为等于重传次数（其最大值为10），令），令L=2k。所以，当第。所以，当第1次发生冲突时，次发生冲突时，L2。第。第2次发生冲突时，次发生冲突时，L4等等。等等。（3）退避间隔）退避间隔t取取1到到L个时间片中的一个随机数，即个时间片中的一个随机数，即t=（1L）T。（4）当重传达当重传达16次仍不能成功则不再重传，则丢弃该数据帧，次仍不能成功则不再重传，则丢弃该数据帧，并向上层报告出错。并向上层报告出错。3 二进制指数回退算法：二进制指
19、数回退算法：193.2.4 802.3的的MAC地址地址MAC又称为又称为物理地址物理地址，它是网络节点的全球唯一的标，它是网络节点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。识符，与其物理位置无关。l注意：注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。是在物理层。网络节点的每一个网络接口（网卡）都有一个唯一网络节点的每一个网络接口（网卡）都有一个唯一的的MAC地址。地址。lMAC地址固化在网卡中地址固化在网卡中.一个节点允许有多个一个节点允许有多个MAC地址，取决于该站点网络接地址，取决于该站点网络接口的个数。例如：口的个数。例如：l安装有多块网卡的计算机
20、；安装有多块网卡的计算机；l有多个以太网接口的路由器。有多个以太网接口的路由器。20IEEE802.3 标准标准MAC地址规定：地址规定：lMAC地址的长度为地址的长度为6个字节个字节，共，共48位；位；u可表示可表示246 70万亿个地址（有万亿个地址（有2位用于特殊用途）位用于特殊用途）l高高24位为机构惟一标识符位为机构惟一标识符OUI，由，由IEEE统一分给设备生产厂商；统一分给设备生产厂商；u如如3COM公司的公司的OUI=02608Cl低低24位称为扩展标识符位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。络硬件接口。I/
21、GOUI（22位）位）G/LEI（24位）位）0=全局管理地址全局管理地址1=本地管理地址（一般不用）本地管理地址（一般不用）0=单播地址单播地址1=组播地址组播地址21MAC地址的三种类型：地址的三种类型：l单播地址（单播地址（Unicast Addr）：（：（I/G0）拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点点对点传输；点对点传输；l多播地址（多播地址（Multicast Addr）：（：（I/G1）拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点点点对多
22、点传输；对多点传输；l广播地址（广播地址（Broadcast Addr）：（全：（全1地址，地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输。广播传输。注意，以上分类只适用于注意，以上分类只适用于目的地址，对于源地址只能为目的地址，对于源地址只能为单播地址单播地址。返返 回回223.2.5 令牌环网令牌环网IEEE802.5简介简介n 问题：能否设计出没有冲突的网络协议呢？问题：能否设计出没有冲突的网络协议呢？n 令牌环网主要思路：令牌环网主要思路：为了防止冲突，把网络设计成一种闭合的环型，为了防止冲突，把网
23、络设计成一种闭合的环型，在环型网络上设计一个令牌（在环型网络上设计一个令牌（token)，该令牌在网络上循环，需要发送，该令牌在网络上循环，需要发送数据者必须获取令牌，然后发送数据，发完后在释放令牌，以便其他人数据者必须获取令牌，然后发送数据，发完后在释放令牌，以便其他人使用。使用。ABDC站点站点干线耦合器干线耦合器单向环单向环点到点链路点到点链路231 1、令牌环工作原理、令牌环工作原理 在没有站点发送数据时，令牌在环上不停地旋转；在没有站点发送数据时，令牌在环上不停地旋转；如果某站点要发送数据如果某站点要发送数据l等待令牌的到来；等待令牌的到来；l抓住令牌并破坏掉；抓住令牌并破坏掉；l站
24、点往环中发送数据；站点往环中发送数据；l发送的数据沿环旋转一周后，由发送站点负责将其移走发送的数据沿环旋转一周后，由发送站点负责将其移走l发送站点重新产生令牌。发送站点重新产生令牌。接收者收取目标地址，然后与自己的地址比较，若不同，则接收者收取目标地址，然后与自己的地址比较，若不同，则继续侦听，若相同，则把数据包存放在自己的接收缓冲区中，继续侦听，若相同，则把数据包存放在自己的接收缓冲区中，并进行并进行CRC校验，正确则交给上层协议，否则丢弃之。校验，正确则交给上层协议，否则丢弃之。242、Token Ring/802.5的工作举例的工作举例AT=0T=0TData（a）A有数据要发有数据要发
25、送送C,它抓住令它抓住令牌并破坏之牌并破坏之CBD（b）AT=1T=1A将数据发送将数据发送TDataCDataC站点从环上站点从环上拷贝数据拷贝数据TDataCTDataCTDataCBCDAT=0T=0T（c）帧循环一圈后帧循环一圈后,A将数据帧回收将数据帧回收并产生新令牌并产生新令牌DCB251 快速以太网（快速以太网（Fast Ethernet）快速以太网的基本要点：快速以太网的基本要点：l协议标准为：协议标准为：IEEE802.3u；l采用共享集线器（采用共享集线器（HUB）的连接方式；）的连接方式；l传输介质只支持双绞线和光纤，不再支持同轴电缆；传输介质只支持双绞线和光纤，不再支持
26、同轴电缆；l距离从距离从1000 米减少到米减少到100米；米；l数据传输率从数据传输率从10Mbps提高到提高到100Mbps；l保留保留IEEE802.3 以太网的介质访问协议以太网的介质访问协议CSMA/CD及帧格式；及帧格式；l提供提供10/100Mbps自适应功能；自适应功能；l支持支持3种物理层接口：种物理层接口：u100Base-TX：使用两对：使用两对5类双绞线类双绞线u100Base-FX：使用：使用62.5/125m多模光纤多模光纤u100BASE-T4：使用四对：使用四对3类双绞线类双绞线3.2.6 3.2.6 高速局域网高速局域网262 千兆千兆以太网以太网(Gigab
27、it Ethernet)：l协议标准为协议标准为IEEE802.3z；l数据传输率为数据传输率为1000Mbps (1 Gbps)；l兼容兼容10Base-T和和100Base-T；l保留了以太网的保留了以太网的CSMA/CD协议及帧格式，协议及帧格式，并进行了扩充并进行了扩充；l物理层支持两种标准四种接口：物理层支持两种标准四种接口：uIEEE 802.3z，1998.6正式公布正式公布-1000Base-SX，MMF/550m，多模光纤接口，多模光纤接口-1000Base-LX，SMF/5000m，单模光纤接口，单模光纤接口-1000Base-CX，屏蔽短铜缆接口，屏蔽短铜缆接口/25mu
28、IEEE 802.3ab，1999.6正式公布正式公布-1000Base-T，UTP双绞线接口双绞线接口/100m27千兆位以太网物理层接口标准千兆位以太网物理层接口标准10/100M SWITCH or HUB工作站工作站/服务器服务器Max.100m光缆光缆RJ45工作站工作站/服务器服务器RJ4510/100M SWITCH or HUB1000M bps SWITCHMax.3km28IEEE802.3z的数据链路层协议的数据链路层协议n IEEE802.3z的帧格式：的帧格式：当帧长小于当帧长小于512字节时，需填充字节时，需填充“载波扩展载波扩展”符符号号 7 1 6 6 2 46
29、-1500 4 0-448字节字节64字节字节512字节字节CRCSALEN/TypeDADataPad载波扩展载波扩展PRSFDl IEEE802.3z保留了保留了IEEE802.3对用户的最小帧长度是对用户的最小帧长度是64字节，最大帧长字节，最大帧长度为度为1518字节约定，便于与以太网和快速以太网的兼容；字节约定，便于与以太网和快速以太网的兼容；l载波扩展载波扩展（Carrier Extension）技术技术：实际传输时，为保证数据发送期间：实际传输时，为保证数据发送期间检测到冲突，当帧小于检测到冲突，当帧小于512字节，字节，MAC层将在帧后面填补足够的扩充符号，层将在帧后面填补足够
30、的扩充符号，这个过程叫做载波扩展。帧的校验部分不包含载波扩展的符号；这个过程叫做载波扩展。帧的校验部分不包含载波扩展的符号；29l 由于载波扩展信号不是有用的用户数据，从而降低了信道的利用率。由于载波扩展信号不是有用的用户数据，从而降低了信道的利用率。例如，一个例如，一个64字节的帧将浪费字节的帧将浪费448字节用于传输载波扩展符字节用于传输载波扩展符；l 突发包（突发包（packet bursting）技术）技术：如果第一个帧不够如果第一个帧不够512字节，则采用载波扩展技术填充并发送字节，则采用载波扩展技术填充并发送，而后续而后续的数据帧即使不够的数据帧即使不够512字节，也不进行填充，而
31、只在帧与帧之间发送适字节，也不进行填充，而只在帧与帧之间发送适当的载波扩展字符，以防止其它工作站在突发包期间开始传输当的载波扩展字符，以防止其它工作站在突发包期间开始传输。减少载波扩展信号从而提高信道的利用率。减少载波扩展信号从而提高信道的利用率。n IEEE802.3z的介质访问协议：的介质访问协议：IEEE802.3z 千兆位以太网的千兆位以太网的MAC协议与协议与802.3 相同（省略）相同（省略）。30万兆位以太网的基本要点：万兆位以太网的基本要点：l传输速率为传输速率为10Gb/s；l保留了保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度；的帧格式、最大帧长度和最小帧长度；l不再使用
32、不再使用CSMA/CD协议；协议；l只能工作在全双工方式；只能工作在全双工方式；l只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；l支持两种物理层：支持两种物理层：10Gbit/s局域网物理层和局域网物理层和10Gbit/s广域网物理层：广域网物理层：多个万兆位以太网可以通过多个万兆位以太网可以通过SDH网络实现广域连接，使用单模光纤时网络实现广域连接，使用单模光纤时端到端的传输距离可达上百公里。端到端的传输距离可达上百公里。万兆位以太网的标准万兆位以太网的标准：IEEE 802.3ae，2002年年公布公布l局域网物理层：局域网物理层：u10GBase-X和和10
33、GBase-R，MMF:300:300m，SMF:几十几十km；l广域网物理层：广域网物理层：u10GBase-W，SMF:几百几百km以上。以上。3 万兆位以太网万兆位以太网(10 Gigabit Ethernet)31速度提高到速度提高到10Gb/s所遇到的问题：所遇到的问题：l不采用特殊措施，网络跨距将只有不采用特殊措施，网络跨距将只有2米米；l若使用若使用“载波扩展载波扩展”技术，帧长至少技术，帧长至少40964096字节，短帧的传输效率将字节，短帧的传输效率将降低到降低到1.51.5；同时使用；同时使用“突发帧突发帧”技术，最大效率也只能达到技术，最大效率也只能达到3030；解决方法：解决方法：l前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本u抛弃抛弃CSMA/CD，只工作在全双工方式只工作在全双工方式；u只使用光纤介质。只使用光纤介质。万兆位以太网的应用万兆位以太网的应用l主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与端用户的直接主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与端用户的直接连接。连接。