计算机网络 指导教师:杨建国 二零一零年三月

第五章 计 算 机 局 域 网 第一节 计 算 机 局 域 网 协 议 第二节 IEEE 802.3 类 型 的 网 络 第五章 计 算 机 局 域 网 第一节 计 算 机 局 域 网 协 议 第二节 IEEE 802.3 类 型 的 网 络 第三节 IEEE 802.4 标 准 第四节 IEEE 802.5 标 准 第五节 光 纤 分 布 数 据 接 口 第六节 其 他 类 型 局 域 网

第五章 计 算 机 局 域 网 5.1 计 算 机 局 域 网 协 议 一.IEEE 802 简介 第五章 计 算 机 局 域 网 5.1 计 算 机 局 域 网 协 议 一.IEEE 802 简介 1.物理层: 处理机械、电气、功能和过程等方面的特性

2.数据链路层: 负责把数据从一个节点可靠地传输到相邻的 节点 LLC子层:向网络层提供服务 　节点 LLC子层:向网络层提供服务 MAC子层:管理各种介质的链路上的通信,执行地址识别 　和差错校验 LLC MAC 物理层

3.网际层:为了局域网互连

决定局域网特性的三要素是： 网络拓扑 传输介质 介质访问控制方法:共享介质式局域网、交换式局域网

介质访问控制方法要解决以下几个问题： 该哪个结点发送数据？ 发送时会不会出现冲突？ 出现冲突怎么办？

介质访问控制方法: 带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD 令牌总线 token bus 令牌环 token ring

二. IEEE 802 标准系列 标 准 职 责 职 责 IEEE802.1 网络互连 IEEE802.7 宽带网 IEEE802.2 标 准 职 责 职 责 IEEE802.1 网络互连 IEEE802.7 宽带网 IEEE802.2 逻辑链路控制 IEEE802.8 光纤网 IEEE802.3 CSMA/CD 及100BaseX IEEE802.9 集成式电 话与数据 IEEE802.4 令牌总线网 IEEE802.10 LAN的安 全性技术 IEEE802.5 令牌环网 IEEE802.11 无线通信 IEEE802.6 城域网 IEEE802.12 100VG-AnyLAN

IEEE 802标准之间的关系：

三. LLC 子层 1.LLC协议标准向网际层提供三种服务: 无确认无连接方式服务: 面向连接方式服务: 有确认的无连接服务:

2.LLC帧格式与HDLC帧格式: HDLC帧格式 LLCPDU帧格式 1 1,2 N 标志 帧校验 数据信息I 控制信息C 地址 SSAP DSAP 1 1,2 N

5.2 IEEE 802.3 类 型 的 网 络 Ethernet的发展 Ethernet的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法 随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA 1972年，Xerox公司开始Ethernet实验网的研究 1979年，Xerox公司宣布了Ethernet产品 1980年，Xerox、DEC与Intel联合宣布Ethernet V2.0规范 20世纪90年代，10Base-T标准使得Ethernet性能价格比大 大提高 目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速 Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位

Ethernet数据发送流程的分析:

CSMA/CD的发送流程可以概括为： 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发

Ethernet接收流程:

载波侦听过程: 目的：检查是否已经有结点利用总 线在发送数据

冲突检测：比较法和编码违例判决法

冲突:信息在共享介质上混合 冲突窗口的概念

Ethernet实现方法:

Ethernet网卡结构:

Ethernet物理地址 : Ethernet地址 → 网络物理地址 → 物理网络地址 ; Ethernet地址 = Manufacture ID + NIC ID 24bit + 24bit 公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5A 典型的Ethernet地址 ： 00-60-8C-01-28-12 000000001010000010001100 000000010010100000010010

Ethernet物理地址的十六进制与二进制的表示方法:

网络协议分析器及其应用 : 网络分析器或网络监视器是一种用来测试网络系统运行 　状态的设备 当网络分析器连接到被测试的网络时，它能监控特定的 　事件，并且报告诸如每秒平均接收帧数或平均帧长度等 　统计数据 网络分析器的另外一个重要的作用是对特定协议 　（TCP/IP、FTP、HTTP）的解码，它按照指定的协议 　规则加以解释，然后将协议分析的结果显示出来

网络分析器的连入方式：

网络分析器捕获的帧数据：Ethereal（wireshark） 《计算机网络实验教程》,jeanna Matthews,人民邮电出版社

网络分析器显示的Ethernet帧结构：

一. IEEE 802.3 标准 1.帧结构: 前导码与帧前定界符字段 目的地址和源地址字段 长度字段 LLC数据字段 帧校验字段 PA SD DA SA L DATA PAD FCS 前导码与帧前定界符字段 目的地址和源地址字段 长度字段 LLC数据字段 帧校验字段

前导码与帧前定界符字段: 前导码：7个字节，10101010…101010比特序列 帧前定界符：1字节，10101011 目的地址和源地址字段: 地址字段长度：2个字节或6个字节 目的地址类型： 单一结点地址（unicast address） 多点地址（multicast address） 广播地址（broadcast address）

长度字段: 帧的最小长度为64字节，最大长度为1518字节 LLC数据字段: LLC数据字段是帧的数据字段，长度最小为46个字节 少于46个字节，需要填充 帧校验字段: 采用32位的CRC校验 校验的范围:目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段

2.载波侦听多路访问: CSMA(“先听后说”)的类型: 非坚持型CSMA:如果介质闲，立即发送；如果介质忙， 等待一随机时间再试 1-坚持型CSMA:如果介质闲，立即发送；如果介质忙， 继续侦听，直到介质空闲立即发送 P 坚持型CSMA:如果介质闲，以概率P发送，而以1-P等待 一段时间；如果介质忙,继续侦听，直到介质空闲以P发送

3.CSMA/CD（“边说边听”）： 　具有冲突检测的载波侦听多路访问方法 基本思想 ：站点一边将信息输送到共享介质上，一边 　从介质上接收信息，然后比较发送信息与接收信息，如 　果一致，没有冲突；如果不一致，发生冲突 传播时延:一个帧从A站出发到达B站之间的时间 传输时延:一个站发送一帧所用的时间

4.冲突退避算法: 二进制指数退避算法公式: T = R · A · 2N T为本次冲突后等待重发的间隔时间、R为随机数、A　为计时单位、N为冲突次数 它本质上根据某一帧冲突的历史估计网上信息量而决定　重发应等待的时间。系统还设置一个最大重传次数，超 　过这个次数， 则不再重传，并报告出错

二.Ethernet 以太网就是采用CSMA/CD算法，并用二进制指数退避和 　1-坚持算法 常见的IEEE802.3类型的网络就是以太网 它是基带系统，采用曼彻斯特编码

总线拓扑结构，采用RG58A/U同轴电缆（又叫细缆网络、 廉价网络） 之所以叫这个名字，是传输距离为100M的2倍，实际只有 185M 1.10Base2网络: 总线拓扑结构，采用RG58A/U同轴电缆（又叫细缆网络、 　廉价网络） 之所以叫这个名字，是传输距离为100M的2倍，实际只有 　185M 端接器 接地端接器 T型头

T型头图：

遵循5-4-3原则：可以有5个网段，通过4个中继器连接， 　但只有3个网段可以连接计算机，另外两个网段的用途 　是将网络延伸至更远的距离。一个网段最多可以连接 　30个节点

2.10Base5网络（标准以太网）： 总线拓扑结构，连接计算机和网络电缆是短电缆（附加 　装置接口AUI电缆、收发电缆）。采用RG-8、RG-11型电 　缆（粗的同轴电缆），它安装不灵活不容易，但抗电磁 　干扰，防止信号衰减 由于难于安装，所以用得很少 遵循5-4-3原则

3.10BaseT网络: 星型拓扑结构，T表示使用双绞线作为传输介质 遵循5-4-3原则

它的安装可以使用3种不同介质标准中的任何一种 4.100BaseX网络（快速以太网）: 星型拓扑结构 它的安装可以使用3种不同介质标准中的任何一种 介质标准的名称 介质类型 网段的最大长度 100BASE TX 5类UTP、STP（2对） 100m 100BASE T4 3，4，5类UTP（4对） 100BASE FX 2.5μm多模光缆（双导束） 400m

IEEE802.3标准 项目 10BASE5 10BASE2 10BASE-T 种类 RG11同轴粗缆 RG58同轴细缆 无屏蔽双绞线UTP 访问方式 CSMA/CD 传输速度 10Mbps 传输方式 基本频带 拓扑结构 总线型 星形 最小结点距离 2.5m 0.5m --- 最大分段长度 500m 185m 100m 网络的最大长度 2500m 925m 最多结点数 100台 30台 512台 备注 终端连接器 收发器 T形头 集线器（HUB）RT45接头

5.3 IEEE 802.4 标 准 一. 令牌总线网原理 1.令牌总线的基本原理:

2.逻辑环网与物理环网、争用总线网比较:

2.响应窗口:信号从总线的一端传输到另一端后再返回到这一 端的时间 二.令牌总线MAC帧格式 1.令牌总线MAC帧格式: ED FCS DATA-UNIT SA DA FC SD PA 1 2 或6 0~任意 4 2.响应窗口:信号从总线的一端传输到另一端后再返回到这一 端的时间 3.八种802.4的帧格式:

三. 令牌总线MAC 1.逻辑环的初始化: 争用令牌的解决: 每个参与竞争的站发出一个宣称令牌(claim-token)帧 在发出该帧之后就监听总线 否则在超时后进行下一次尝试 转向第二步重复这一过程,直到所有的地址位都用完

2.插入环算法: 持有令牌的站等待一个响应窗口的时间内可能发生情况: 无响应: 收到一个正确的响应: 收到碰撞的响应为: 无效响应: 3.退出环算法:

4.令牌传递算法: Ts在发送完数据帧后,发送带有DA的令牌帧,此后Ts监听总线 如Ts未监听总线上的有效帧,且已超时,则重复第一步 如仍没有,Ts认定Ns有故障,就发送Who-Follows帧 如Ts未收到响应Who-Follows帧的置Ns帧,则重复第三步 如仍没有,就用另一种策略来创建逻辑环 如果在发送征求Ns2帧后,仍无响应,则断定发生了网络故障

5.故障控制: 两类故障:下游站失败与多个令牌故障.

6.各种介质访问控制技术的特征: “在哪里控制”: 分布式: 集中式:优点(提供更复杂更灵活的控制;各个工作站的访 问逻辑较简单;避免了复杂配合问题)、缺点(监控站成为 网络中的单失效点;监控站的工作可能成为网络性能的瓶 颈) “怎样控制”: 同步控制:指对各个连接分配固定的带宽. 异步控制:根据工作站请求的容量分配带宽(循环式、预约 式、竞争式)

5.4 IEEE 802.5 标 准 一. 令牌环网原理

二. 令牌环网帧格式 1.令牌帧格式: ED AC SD 1

2. 数据帧格式: ED FCS INFO SA DA FC AC SD 1 2 或6 0~任意 4 FS

三. 令牌环MAC 1.数据帧的发送: 2.令牌帧的发送: 3.数据帧的接收: 4.优先级操作：

四.令牌环网的硬件组成 1.令牌环网集线器: 2.令牌环网布线: 3.网卡:

五.各种局域网比较

5.5 光 纤 分 布 数 据 接 口 一. 光纤网基本组成

1.光纤网概述: 光纤优点:通信量大,铺设方便,维护简单,抗电磁干扰,传输远 光纤缺点:制造工艺复杂,耦合困难,当光纤断裂时,故障点难 寻找 光信道的组成: 激光器、光纤、光电探测器、光耦合器.

2. FDDI主要技术特点 : 使用 802.5的单令牌环网介质访问控制协议 使用 802.2协议，与符合 802标准局域网兼容 数据传输速率为100Mb/s，连网的结点数最大为1000，环 　路长度为100km 可以使用双环结构，具有容错能力 可以使用多模或单模光纤 具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输

3.光纤局域网的结构: 4.比较IEEE802.5与FDDI: 相同点：令牌控制、环上各站都有相同的访问权、分配其 站优先级 不同点：令牌发送时间、容量分配方案

5. FDDI主要应用环境 : 计算机机房网 办公室或建筑物群的主干网 校园网的主干网 多校园的主干网

二.FDDI 标准 1.FDDI的物理层协议:PMD和PHY 2.FDDI的帧格式: ED FCS INFO SA DA FC SD PA FS

3.FDDI的容量分配: + 帧绕环1周时间+发送1令牌时间+发送1最长帧时间≤TTRT

5.6 其 他 类 型 的 局 域 网 一. 100VG-AnyLAN 1.四重信号传输法: 2.优先请求法: 5.6 其 他 类 型 的 局 域 网 一. 100VG-AnyLAN 1.四重信号传输法: 2.优先请求法: 3.优点:增加了数据的安全性;提供了带有结构式优先级系统 的各种应用

二.ARCnet 1.它是一种传送令牌的总线拓扑 2.每个节点有一个表格,里面包含两个地址:SID与NID 3.优点:网络简单、便宜;灵活性较大

三.AppleTalk 它是由相互连接在一起的计算机、打印机和其他设备以 及AppleTalk网络软件组成的,所有设备都赋予一定范围 的地址

四.高速局域网的工作原理 1.高速局域网的研究方法：推动局域网技术发展的因素 个人计算机的广泛应用： 在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网 　络数据传输速率只提高了上千倍 从理论上讲，一台微通道或EISA总线的微型机能产生大约 　250Mb/s的流量 基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽 在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类 　应用中，人们需要有更高带宽的局域网

传统共享式局域网的缺点： 传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典型的 　介质访问控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus 介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用 　公共传输介质 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急 　剧减少 网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络 　效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将 　会下降

高速局域网的研究方法： 第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率： 　10Mb/s→100Mb/s→10Gb/s 第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由 　器互连的子网，导致了局域网互连技术的发展 第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致了 　“交换式局域网”技术的发展

交换式局域网—基于硬件交换技术： 并发连接 S = N×10Mb/s 共享式局域网与交换式局域网的比较：

局域网产品类型与相互之间的关系：

2.快速以太网： Fast Ethernet的传输速率比普通Ethernet快10倍，数据 　传输速率达到了100Mb/s Fast Ethernet保留着传统的帧格式、介质访问控制方法 　与组网方法 每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns 1995年9月，IEEE 802委员会正式批准了Fast Ethernet 　标准IEEE 802.3u

Fast Ethernet的协议结构：

3.千兆以太网： 用Ethernet组建企业网的全面解决方案： 桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet 部门级网络系统采用传输速率为100Mb/s的Fast 　Ethernet 企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的Gigabit

Gigabit Ethernet的协议结构：

4.10Gb/s Ethernet 10Gb/s Ethernet主要具有以下特点： 10Gb/s Ethernet的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s 　Ethernet相同 10Gb/s Ethernet保留了802.3标准对Ethernet最小帧长 　度和最大帧长度的规定 10Gb/s Ethernet的传输介质只使用光纤 10Gb/s Ethernet只工作在全双工方式，因此不存在争用 　问题

10Gb/s Ethernet的物理层协议： 局域网物理层标准： 一个10Gb/s Ethernet交换机可以支持10个Gigabit Ethernet网端口 可选的广域网物理层标准： 广域网物理层符合光纤通道技术速率体的SONET/SDH 的OC-192/STM-64的标准

五.交换式局域网的工作原理 1.交换式局域网的基本结构：

2.局域网交换机的工作原理 ：

3.局域网交换机的技术特点： 低交换延迟 支持不同的传输速率和工作模式 支持虚拟局域网服务

六.虚拟局域网的工作原理 1.虚拟网络的概念： 虚拟网络建立在局域网交换机之上 以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理 逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制 一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但 　它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样

2.虚拟局域网的实现技术 ： 虚拟局域网的物理结构与逻辑结构

虚拟局域网的组网方法： 基于端口划分VLAN 基于MAC地址划分VLAN 基于网络层协议划分VLAN 根据IP组播划分VLAN 按策略划分VLAN　 按用户定义、非用户授权划分VLAN

用交换机端口号定义虚拟局域网成员：

虚拟局域网的优点： 方便网络用户管理 减少网络管理开销 提供更好的安全性 改善网络服务质量

附：虚拟专用网的工作原理 1.VPN的概念： VPN的英文全称是“Virtual Private Network”，翻译过来就是“虚拟专用网络” 虚拟专用网络我们可以把它理解成是虚拟出来的企业内部专线。它可以通过特殊的加密的通讯协议在连接在Internet上的位于不同地方的两个或多个企业内部网之间建立一条专有的通讯线路，就好比是架设了一条专线一样，但是它并不需要真正的去铺设光缆之类的物理线路。这就好比去电信局申请专线，但是不用给铺设线路的费用，也不用购买路由器等硬件设备 VPN技术原是路由器具有的重要技术之一，目前在交换机，防火墙设备或WINDOWS2000等软件里也都支持VPN功能，一句话，VPN的核心就是在利用公共网络建立虚拟私有网。

七.无线局域网 1.无线局域网的应用： 作为传统局域网的扩充 建筑物之间的互连 漫游访问 特殊网络

典型的无线局域网结构：

特殊无线网络的结构： ad hoc一个临时需要的对等网络,无集中服务器的无线网络 主要用于军事用途

2.红外无线局域网： 红外无线（infrared radio,IR）是按视距方式传播 红外线频谱是非常宽，可以提供极高的数据传输速率 红外局域网的数据传输有三种基本技术： 定向光束红外传输技术 全方位红外传输技术 漫反射红外传输技术

3.扩频无线局域网： 跳频通信 (frequence hopping spread spectum,FHSS ) IEEE 80211标准规定跳频通信使用2.4GHz的工业、科学 与医药专用的ISM频段 跳频扩频通信的数据传输速率为1Mb/s或2Mb/s

直接序列扩频(direct sequence spread spectrum,DSSS) 直接序列扩频也使用2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM 频段 数据传输速率为1Mb/s或2Mb/s 系统实际发送的信号d(t)是发送数据a(t)与伪随机码c(t) 模二加的结果

4.无线局域网标准IEEE 802.11： 802.11层次模型结构:

CSMA/CA基本工作原理: 802.11的MAC层采用的是CSMA/CA (collision avoidance)的 冲突避免方法 冲突避免要求每一个发送结点在发送帧之前需要先侦听信 道。如果信道空闲，结点可以发送帧 发送站在发送完一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔， 检查接收站是否发回帧的确认ACK。如果接收到确认，则 说明此次发送没有出现冲突，发送成功 如果在规定的时间内没有接收到确认，表明出现冲突，发 送失败，重发该帧。直到在规定的最大重发次数之内，发 送成功

CSMA/CA基本工作原理示意图:

作业题 1.作业题 2. 3.