网络技术基础第四章.docx
《网络技术基础第四章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《网络技术基础第四章.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
网络技术基础第四章
第四章计算机局域网
本章主要内容
LAN的特点
LAN的体系结构
LAN的基本组成
LAN的基本网型
以太网（Ethernet）
10BASE系列以太网
其他LAN类型
4.1LAN的特点
LAN的特点
●跨越一个物理上有限的距离（一般在10km以内）
●为一个单位或组织拥有
●共享传输信道
●传输速率高（1～100Mbps）
●误码率低（10-8～10-11之间）
●多采用分布式控制和广播式通信
各站平等，可进行广播（一站发，其他所有站收）或组播（一站发，多站收）。
LAN与WAN相比
与广域网相比，广域网主要问题是如何充分利用信道和通信设备，局域网主要问题是多源、多目的数据链路管理。
链路（link）中间没有任何交换结点的点到点间的物理线路段。
从通信角度看，由于存在各种干扰，物理链路不可能绝对可靠。
要传输数据，还须具有控制数据传输的规程（协议）。
数据链路（datalink）=物理链路+实现可靠传输控制协议所需的硬件和软件一条物理链路可以复用多条数据链路
4.2LAN的体系结构
4.2.1OSI参考模型与LAN
局域网的体系结构遵循但并不完全符合OSI参考模型。
由于局域网只是一个通信网，所以只有OSI参考模型的低3层和应用层，而且网络层并非必要（共享传输介质时，由于任意两节点间只有一条链路，无需进行路由选择和流量控制）。
LAN的物理层和数据链路层
·物理层
作用在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。
·数据链路层
作用在不太可靠的物理链路上,通过数据链路层协议（链路控制规程）实现可靠的数据传输。
4.2.2物理层
1．OSI的物理层
主要解决接口设备的四个特性：
✧机械特性连接器形状、引脚数等
✧电气特性信号的电气参数等（如电压量值）
✧功能特性接口引脚的分配等（某一引脚处出现某一电平的电压表示的意义）
✧过程特性传输数据顺序、通信方式（双工/半双工）等
①机械特性
规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。
②电气特性
规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电咱路的特性，一般包括：
接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明、以及与互连电缆相关的规则等。
物理层的电气特性还规定了DTE-DCE接口线的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电器参数。
③功能特性
规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。
④过程特性
规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。
物理层协议举例EIARS-232-C接口标准
EIARS-232-C是由美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口标准。
RS（RecommendedStandard）的意思是“推荐标准”，232是标识号码，而后缀“C”则表示该推荐标准已被修改过的次数。
·RS-232-C的机械特性
ERS-232-C的机械特性规定使用一个25芯的标准连接器，并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置等都做了详细说明。
实际的用户并不一定需要用到RS-232-C标准的全集，这在个人计算机（PC）高速普及的今天尤为突出，所以一些生产厂家为RS-232-C标准的机械特性做了变通的简化，使用了一个9芯标准连接器,将不常用的信号线舍弃。
·RS-232-C的电气特性
RS-232-C的电气特性规定逻辑“1”的电平为-15至-5伏，逻辑“0”的电平为+5至+15伏，也即RS-232-C采用+15伏和-15伏的负逻辑电平，+5伏和-5伏之间为过渡区域不做定义。
·RS-232-C的功能特性
RS-232-C的功能特性定义了25芯标准连接器中的20根信号线，其中2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线、剩下的5根线做备用或末定义。
下图为RS-232引脚分配:
·RS-232-C的过程特性
RS-232-C的工作过程是在各根控制信号线有序的“ON”（逻辑“0”）和“OFF”（逻辑“1”）状态的配合下进行的。
在DTE—DCE连接的情况下，只有CD（数据终端就绪）和CC（数据设备就绪）均为“ON”状态时，才具备操作的基本条件：
此后，若DTE要发送数据，则须先将CA（请求发送）置为“ON”状态，等待CB（清除发送）应答信号为“ON”状态后，才能在BA（发送数据）上发送数据。
2．LAN的物理层
LAN的物理层没有采用DTC/DCE模型,它定义的是数据终端设备和链路传输媒介的接口。
这是因为LAN采用多种传输媒体，所以物理层要求更复杂,一般分为两个子层（sublayer），一个与传输媒体有关，一个与传输媒体无关。
如以太网物理层分为以下两层：
·PLS（物理信令,physicalsignaling）子层
负责比特流的曼彻斯特编码、解码、载波监听。
数据编码改变了计算机使用的0、1简单数字信号模式，能更好地适应物理介质的特性，有助于位与帧的同步。
·PMA（物理媒体连接件,physicalmediumattachment）子层
负责冲突检测、超长控制、发送和接收串行比特流。
4.2.3数据链路层
·问题的提出
物理层是网络通信的传输基础。
但物理层只负责信号传送，并不能完成通信。
如果传送的信号不能被第二个设备准确无误地接收，那么线路上传送的只是众多无用的电平——“通电”而非“通信”。
仅有物理层，我们可以将信号送到一条线路上，但无法控制将由该线路上连接的若干设备中的哪一个来接收信号，无法知道要接收方的设备是否做好了接收准备并具备了接收条件，也没有办法阻止线路上的其他设备在此同时发送信号以避免“信号碰撞”发生。
·数据链路控制
网络通信至少要求两个设备一起工作，一个发送，一个接收。
为此,需要进行大量的协调工作。
例如,在半双工传送方式下,必须保证任一时刻只有一个设备在传送数据。
这类传输协调功能称为“线路规则”（linediscipline），除了线路规则，数据链路层最重要的功能还有流量控制和差错控制。
这三种功能总称为“数据链路控制”。
【注】数据链路控制中的“差错控制”是指允许接收方通知发送方传送过程中是否有帧丢失或损坏了，以及重发的协调。
1．OSI的数据链路层
【作用】在不太可靠的物理链路上,通过数据链路层协议（链路控制规程）实现可靠的数据传输。
主要功能：
⏹链路管理通过交换信息建立、维持和释放数据链路
⏹帧同步发方打包成帧，收方能正确识别帧的起止
⏹流量控制发送速率控制
⏹差错控制检错重发（重传8～16次仍失败，将作为不可恢复的故障报告上层用户）
⏹信息分离区分同一信道或同一帧中数据和和控制信息
⏹透明传输使收方不致于将与控制信息相同的数据当成控制信息接收
⏹寻址多点连接时,帧能正确送达,且收方知道发方站址。
OSI的数据链路层采用所谓”高级数据链路控制协议”（HDLC,highleveldatalinkcontrol）。
HDLC以“帧”（frame）为信息传输的基本单位。
帧格式如图所示，由F、A、C、I、FCS、F六个字段组成。
附加各字段的目的是解决链路管理、帧同步、流量控制、差错控制、信息分离、透明传输和寻址等问题。
◆帧同步由标志（flag）字段（8位）标识帧的起止
◆透明传输0比特填充技术（发送前先扫描整个帧，若标志字段间连续5个1，则在其后插一个0，接收时同样扫描整个帧，若标志字段间连续5个1，则将其后的一个0删去）。
◆寻址由地址字段（8位，可扩展到16位）标识
◆差错控制由FCS（16位CRC）字段进行差错控制
◆流量控制等由控制字段（8位）确定的帧类型控制和滑动窗口控制方法控制。
HDLC帧的类型
HDLC的命令和响应均以帧的格式进行传输,并根据控制字段的结构分为三种格式:
·信息帧（I帧）要传送的数据和捎带的流量控制、差错控制等信息
·监视帧（S帧）均为次站对主站的响应帧，不带信息字段
RR（receiveready）帧接收准备好，希望主站继续发送
RNR（receivenotready）帧从站正忙（缓冲区满等），希望主站停止发送
REJ（reject）帧要求重发N（R）顺序号起各帧（被拒收）
SERJ（selectivereject）帧要求重发顺序号为N（R）的那一帧
·无编号帧（U帧）用于链路管理（包括数据链路的建立、释放、恢复的命令和响应）
2．LAN的数据链路层
由于采用多站共享传输介质方式，必须解决信道如何分配以解决信道争用问题，必须有媒体访问控制功能。
此外，由于LAN采用的拓扑结构与传输媒体的多样性，必须提供多种媒体访问控制方法。
所以其数据链路层要求也更为复杂，和物理层一样,分为两个子层：
◆与传输媒体有关（媒体访问控制层）
◆与传输媒体无关（逻辑链路控制层）
·LAN的数据链路层：
MAC子层
负责执行在物理层基础上进行无差错通信，有管理多个源链路和多个目的链路的功能（对不同的局域网，其MAC子层是不相同的，所以将在后面介绍）。
主要功能：
①管理链路上的通信（实现和维护MAC协议）
②发送时将数据组装成带有地址和差错校验字段的MAC帧
③接收时拆卸帧，并执行地址识别和差错校测
·LAN的数据链路层：
LLC子层
主要功能:
①建立和终止链路（建立和释放数据链路层的逻辑连接，通过SAP向高层提供逻辑接口）
②控制帧流量（具有帧的接收、发送控制功能）
③确认帧（具有帧差错控制功能）
④帧排序（给LLC帧加上序号）
LLC层提供的4种不同类型的服务：
操作类型1（LLC1）不确认的无连接服务（数据报服务）
局域网中最为广泛使用，尤其适合点-点通信、广播通信和组播通信（以太网即用之）。
此时，端到端的差错控制和流量控制由高层协议提供。
操作类型2（LLC2）面向连接服务（虚电路）
特别适合在一定时间内向同一目的地连续发送许多或传送很长的数据文件。
操作类型3（LLC3）带确认的无连接服务（可靠的数据报）
不建连接先发出信息，收方发确认信息。
（只用于令牌总线）
操作类型4（LLC4）高速传送服务（只用于城域网）
4.2.4IEEE802标准系列
IEEE802委员会为局域网制定了一套标准，即所谓“IEEE参考模型”。
其中：
·802.1标准对这一组标准作一介绍并定义了接口原语
·802.2标准描述了数据链路层的上部，它使用了LLC（逻辑链路控制）协议。
该标准总的说来是基于HDLC数据链路控制协议，但又不是HDLC的帧结构，HDLC关于位填充、结束标志等不适用于局域网，因此被LLC删除。
·802.3、802.4和802.5分别了描述了3个局域网标准，即CSMA/CD、令牌总线和令牌环标准。
IEEE802.2逻辑链路控制（LLC）标准与媒体访问控制（MAC）标准一起执行数据链路层功能。
4.3LAN的基本组成
以W/S系统总线型以太网为例
4.3.1硬件组成
①文件服务器（FileServer）专用服务器/高档微机
②工作站（Workstation）或客户机（Client）
通常是微机（有盘/无盘）
【瘦客户机】与特定服务器配套使用的无盘计算机。
（如果使用Sun公司的瘦客户机，就必须购买一台Sun公司的服务器。
不同厂商之间的系统无法相互替代）
③传输媒介
◆双绞线
◆同轴电缆
◆光导纤维（光纤）
◆无线传输（无线电/微波/红外/激光）
④网卡（NIC，LANCard）
◆又称“网络接口卡”、“网络适配器”
网卡是网络设备（电脑等）与传输媒介（如电缆）间的信号转换接口电路和协议支持部件。
⑤其余共享的硬件资源
硬盘、打印机、Modem等
⑥网络及网间连接器
HUB、中继器、交换器、路由器、网关、网桥等
·传输媒介：
双绞线
◆双绞线（Twisted-PairCable）
“双绞”的作用是减少相邻导线的电磁干扰。
双绞线可分为:
■STP（屏蔽，shielded）可减少外部电磁干扰
■UTP（无屏蔽,unshielded）价廉（常用）
特点:
●模拟传输（宽带信号）/数字通信（基带信号）均可使用
●单位价格最低，但每根只能连接一站点，线路总费用增加
●抗高频干扰能力较差
●使用双绞线需在传输速率和传输距离之间作出选择
普通电话线就是一种传输模拟信号用的双绞线，但不宜直接用于计算机网络的信号（数字信号）传输（需经MODEM处理）。
双绞线的分类：
按其传输性能，双绞线通常又分为——
1类线用于≤5Mbps传输（适用于语音/低速传输）
2类线用于≤5Mbps传输（适用于语音/低速传输）
3类线用于≤16Mbps传输（最常用的10M以太网用电缆,4芯）
4类线用于≤20Mbps传输
5类线用于≤100Mbps传输（8芯）
超5类线用于≤155Mbps传输（8芯,目前最常用的网络电缆）
6类线用于≤200Mbps传输
电缆上通常印有类别标志,如cat5或category5（5类线）
【说明】标准规定计算机网络常用双绞线（UTP）每根长度不宜超过100米。
·传输媒介：
同轴电缆
◆同轴电缆（CoaxialCable）
可分为：
■基带传输（数据通信）型
50Ω——RG-11A/U型（粗缆，φ10mm）
RG-58A/U型（细缆，φ5mm）
93Ω——RG62型
■频带传输（模拟传输）型
75Ω——公用天线电视系统（CATV）用
（CATV还有一种300Ω扁平电缆）
·传输媒介：
光导纤维
◆光导纤维（光纤，OpticalFiber）
光是一种电磁波，它在真空中传输速度最快（30万千米/秒），且传输速度随传输介质密度增大而降低。
相对于其他传输媒介，低损耗、高带宽和高抗干扰性是光纤最主要的优点。
目前光纤的数据传输率已达2.4G甚至更高速率（20G以上）。
根据贝尔实验室测试，当数据速率为420Mbps且距离为119km无中继器时，其误码率为10-8，可见其传输质量很好。
光纤表层有用于保护芯线和将光反射回玻璃导体内的镀层，然后封装坚韧的芳纶（制造防弹衣的材料）外皮，最后再用PVC等材料制作的护套封装。
主要用于：
主干网（高速）/防雷击/保密（防窃听）
光纤按其传输模式可分为：
多模光纤和单模光纤
多模光纤（multimodefiber）
多模光纤是指在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。
其光纤芯径在50到100μm的范围内，多条入射角度不同的光线可以同时在一条光纤反射式地传播，传输距离2km（100M带宽）。
多模光纤根据折射率的分布特性，可分为渐变型（graded-index）和突变型（step-index）两种。
折射率为渐变型的光纤，其折射率随光纤芯径变化（中心处为0）；
折射率为突变型的光纤，其折射率在整个光纤直径方向为一常量。
由于突变型多模光纤传输时光信号畸变较大，故常用渐变型多模光纤，其主要规格有：
Ø50μm（纤芯直径）/125μm（包层直径）
Ø62.5μm（纤芯直径）/125μm（包层直径）
Ø100μm（纤芯直径）/140μm（包层直径）
多模光纤对准要求不太严格，弯曲时损耗不太灵敏，被推荐应用于所有的建筑物综合布线系统。
支持100Mbps传输率/1.5～2km和1000Mbps传输率/≤300m范围的LAN。
计算机网络一般使用62.5μm多模光纤。
单模光纤（single-imodefiber）
单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大，折射率为突变型，光线沿其中心直线传输，故光信号的损耗很小，离散也很小，传输距离大大高于多模光纤。
常用规格为8.3μm（纤芯直径）/125μm（包层直径），衰减小，适合远程传送，但需用昂贵的注入式激光二极管作光源。
光导纤维：
按波长分类
按工作波长光纤还可划分为：
短波光纤（SW）85nm（0.8～0.9μm，第一窗口）均为多模
长波光纤（LW）1300nm（1.25～1.35μm，第二窗口）单模或多模
1550nm（1.53～1.58μm，第三窗口）均为单模
标准
光纤类型
最大距离
100Base-FX
百兆位基带
62.5/125微米多模光纤
2千米
10/125微米单模光纤
15或40千米
1000Base-SX
千兆位基带（短波）
50/125微米多模光纤
500米
62.5/125微米多模光纤
220米
1000Base-LX
千兆位基带（长波）
50/125微米多模光纤
550米
62.5/125微米多模光纤
550米
10/125微米单模光纤
5千米
·传输媒介：
无线传输
◆无线传输（无线电/微波/红外/激光）
只能直线传输。
红外线和激光对环境（如雨、雾、雷电）干扰特别敏感。
微波对环境干扰不敏感，但方向性不强，存在着窃听、插入数据等一系列不安全问题。
主要用于移动通信和不便于铺设有线电缆（或光缆）的场合。
4.3.2软件组成
①网络操作系统（NOS）
UNIX、Windows2000（Server版）等
②工作站操作系统
Windows9X/Me/XP等
③各种应用软件
数据库管理系统等
4.4LAN的基本网型
4.4.1三大基本网型
三个LAN协议（争用、轮询、令牌传递）分别与三个LAN的基本拓扑结构（总线型、星型、环型）相组合，形成了三大基本网型：
■以太网 ■令牌总线网 ■令牌环网
4.4.2其他常见网型
■FDDI光纤环网
■快速以太网和千兆位以太网
■ATM网
■无线局域网
4.5以太网（Ethernet）
4.5.1概述
【以太网】使用IEEE802.3标准（即采用CSMA/CD访问控制方式）的网络系统。
v由美国Xerox（施乐）公司和Stanford（斯坦福）大学联合开发并于75年推出，原为总线型，现已扩展到星形、星形总线、树形等。
81年Xerox、DEC、Intel联合推出商业产品。
85年IEEE802委员会在此基础上颁布了802.3标准。
v由于以太网与其他LAN类型相比，具有易用、易安装、易维护、低成本等诸多优点，目前世界上80～85%与LAN相连的PC和工作站使用以太网连接。
v以太网为基带系统，采用曼彻斯特编码，且只支持LLC层的类型1操作。
4.5.2以太网电缆标志
示例：
◆50Ω同轴电缆（基带传输型）
10BASE5同轴电缆（每个网段最大长度500米）
2185米；—F光纤；—T双绞线
电缆上传输的信号是基带信号（数字信号）
传输速率为10Mbs（兆位比特/秒）
◆75Ω同轴电缆（宽带传输型）
10BROAD36同轴电缆（每个网段最大长度3600米）
电缆上传输的信号是宽带信号（模拟信号）
传输速率为10Mbs（兆位比特/秒）
4.5.3以太网的分类
传统以太网按其电缆标志分类：
◆10BASE5（粗缆以太网）
◆10BASE2（细缆以太网）
◆10BASE-T（双绞线以太网）
◆10BASE-F（光纤以太网）
◆1BASE5（低速以太网）
◆10BROAD36（宽带以太网）
◆100BASE-T（快速以太网）光纤或双绞线
近年来高速以太网不再按电缆类型分类，如：
◆GigabitEthernet（千兆以太网）光纤或双绞线
发展趋势：
10G带宽（万兆以太网）。
4.5.4以太网的特点及原理
【特点】任何一个网上设备在传输数据时，其他的设备只能等待，同时有两个或两个以上设备在传输数据时，“碰撞”便会发生而导致重发，直到没有出现碰撞为止。
（简言之，任何一个站点在传输数据时，其他站点必须等待——即所谓CSMA/CD访问控制方式或曰“争用”方式）
Ø为了能够正确地检测出冲突信号，一般要限制最大电缆段（网段）长度。
CSMA/CD协议源于ALOHA协议，后者则源于70年代夏威夷大学的专家为解决分组无线网而设计的一种解决信道分配问题的巧妙算法。
ALOHA：
夏威夷人问候语,欢迎,再见
ALOHA协议的基本思想：
网上各站点在任何时刻只要需要，就可以自由地发送信息（以帧的形式）；信息发送完毕，发送站等待一段时间，等待时间等于信道上最远的两个站之间的传输时延的两倍（2r）；若在等待时间内收到接收站的应答信息，则表明发送成功，否则重发该数据帧；但为了避免继续冲突，各站需等待一段随机时间后再重发；若再产生冲突，则再等待一段随机时间再重发……若多次重发都失败，则停止发送该帧。
纯ALOHA协议最大的缺点是最大吞吐量不到理想值的18%（吞吐量:
成功发送的信息数与实际发送的信息数之比）。
ALOHA协议的最大特点是“想说就说”。
在ALOHA协议基础上，产生了CSMA（载波监听多路访问）技术。
CSMA协议的基本思想：
每个站在发送数据前，先监听信道上有无其他站正在发送信息，若无，则发送数据；则有，则暂不发送，退避一段时间后再尝试。
——其最大的特点是“先听后说”。
CSMA的监听策略有三种算法：
·非坚持
一旦监听到信道忙就不再坚持听下去，延迟一段随机时间后再重新监听。
（信道利用率不高）
·1坚持
监听到信道忙时仍然坚持听下去，直到空闲为止。
一旦信道空闲就发送。
如有冲突，等待一随机时间后再监听。
（冲突较大）
·p坚持
监听到信道忙时仍然坚持听下去，直到空闲为止。
当听到信道空闲时，以概率p发送数据。
（p=1时，即为1坚持）
p坚持的主要问题是如何确定一个合适的p值。
CSMA/CD协议的基本思想：
每站在发送数据前，先监听信道是否空闲；若是，则发送数据，并继续监听下去，一旦监听到冲突，立即停止发送，并在短时间内连续向信道发出一串阻塞信号（JAM）强化冲突，如果信道忙，则暂不发送，退避一随机时间后再尝试。
CSMA/CD协议在CSMA协议基础上增加了发送期间检测冲突的功能。
其最大特点是“先听后说,边说边听”。
该协议已被IEEE802委员会采纳，并以此为依据制定了IEEE802.3标准。
CSMA/CD协议同样可分为非坚持、1坚持和p坚持3种。
以太网通常采用非时隙1坚持CSMA/CD。
4.5.5以太网的帧格式
帧长度：
64～1518字节（从DA～FCS）
803.3帧格式
PA
1010…1010
前导
SFD
10101011
帧起始
DA
目标地址
SA
源地址
L
数据字段长度
DATA
数据
PAD
帧填充
FCS
帧校验
7字节1字节6字节6字节2字节46-1500字节4字节
以太网帧格式
PA
1010…1010
前导
11
同步
DA
目标地址
SA
源地址
类型
DATA
PAD
FCS
升级会员 