1、第3章 计算机局域网络技术及应用,2,【本章目标】,计算机局域网是常见的且容易实现的通信网络。本章首先介绍局域网的定义和特点，然后介绍局域网的体系结构、常见的介质存取控制技术，以太网技术及其性能分析与应用，重点是以太网和高速以太网技术,3,【本章内容】,1 计算机局域网络概述：特点，分类，IEEE802局域网络标准及协议 2 局域网介质存取控制技术：以太网的介质存取控制方法，令牌环访问原理，令牌总线访问原理 3 以太网技术：以太网的特征，帧格式，以太网卡 4 高速以太网技术：快速以太网，交换式以太网，千兆以太网，万兆以太网 5 计算机局域网络性能分析 6 计算机局域网技术的应用 重点：CSMA
2、/CD,4,3.1 计算机局域网络概述,3.1.1 计算机局域网络的特点 3.1.2 计算机局域网络分类 3.1.3 IEEE 802局域网络标准及协议,5,3.1.1 计算机局域网络的定义,局域地区网络（Local Area Networks，简记为LAN）。在下列方面LAN与其它类型的数据网络不同，通信常被限制在中等规模的地理区域内，例如一座办公楼、一个仓库或一所学校，能够依靠具有较高数据率的物理信道，并且这种信道具有始终一致的低误码率”。,6,3.1.1 计算机局域网络的特点, 由于网络的地理范围不大，通信介质费用所占的比重不大。常用的通信物理介质有双绞线、同轴电缆及光纤等； 信道具有较
3、宽的通信频带，数据传输速率较高； 有高度互连的特性和扩充的灵活性； 网络中不一定需要中央主机结点，而只需向用户提供分散有效的数据处理及计算功能即可； 信道中电文传送控制的方法与机构比较简单可靠； 当网络中某一站发生故障时不会影响整个系统的运行； 实现网络系统的费用不多，通常属于一个事业/企业单位所有，而不属于公用服务业； 建网周期短，见效快，成本低，社会效益大。,7,3.1.2 计算机局域网络分类,（1）按网络拓扑结构分类。 总线型局域网 星型局域网 树型局域网 环型局域网（2）按局域网通信介质类型分类。有线局域网:双绞线网、光纤网、同轴电缆网无线局域网：无线局域网、微波网,8,3.1.2 计
4、算机局域网络分类,（3）按介质访问控制方式分类。共享介质局域网交换局域网虚拟局域网VLAN（4）按传输的信号方式分类。基带网：基带网传送数字信号，信号占用整个频道，但 传输范围较小。宽带网：传输模拟信号，同一信道上可传输多路信号，它的传输范围较大。 在局域网中基带网使用的比较多。,9,3.1.3 IEEE 802局域网络标准及协议,图2-1 IEEE 802体系结构与OSI体系结构的对应关系,10,图2-2 IEEE 802部分标准之间的关系,11,3.2.1 介质存取控制技术概述 3.2.2 以太网的介质存取控制方法 3.2.3 令牌环访问原理 3.2.4 令牌总线访问原理 3.2.5 三种
5、介质存取控制技术的比较,3.2 局域网介质存取控制技术,12,3.2.1 介质存取控制技术概述,MAC协议:规定了MAC子层所提供的介质存取控制方法所采用的技术。局域网的MAC子层采用的是异步控制技术。在异步控制方式中，工作站可以随便的接入，网络可以根据工作站的请求分配带宽，可以分为循环、预约、竞争三种方式。,13,1循环方式,在循环方式中，每个工作站轮流得到发送权限，所有的站点按照一定的顺序传递发送权限。发送权限顺序的控制可以是集中式的，也可以是分布式的。如轮询（Polling）是循环式集中控制方式，令牌总线（Token Bus）是循环式分布控制方式。循环方式优点在于重负载时候效率高，而负载
6、不高的时候效率低。,14,2预约方式,预约方式是按信道的时间划分为若干时间段，若工作站要发送数据，则必须提前预约所需要占用的时间段。预约方式适用于那种需要长时间连续传输数据的通信方式，如语音通话和长文件的传输。,15,3竞争方式,在竞争方式中，每个工作站通过竞争获取发送权限。这种竞争是无序的，适用于分布式控制。总线结构中CSMA/CD协议就是采用的竞争控制方式。竞争方式的优点在于在负载不高的情况下，效率高；当重负载时，导致冲突机会增大，网络性能就会急剧下降。,16,3.2.2 以太网的介质存取控制方法,（1）以太网的典型结构,最初的以太网是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
7、既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 这种局域网被叫做总线结构局部网络,17,（2）以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,18,（3）为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 这样做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。,1
8、9,1.具有冲突检测的载波侦听多路存取方法 CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 多路存取：“多点接入”，许多计算机连接在一根总线上，通过该总线进行收发。 “载波侦听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生冲突。 具有“冲突检测”：如果有冲突发生，发送方可以检测到。,20,载波侦听多路存取方法访问原理：任何一个站需要发送数据时，首先侦听一下目前有无另一个站正在发送，即介质上有无信号传输。如果侦听的结果是总线空闲，则
9、该站可以立即发送一帧数据；如果侦听结果是总线上有数据传送，则就一直侦听下去，等到发现总线上无信号传输时，该站就立即发送一帧数据。 这种方式也叫1-坚持CSMA。,21,思考题1：同时侦听到总线空闲时，会发生什么？ 思考题2：这个可能发生的现象由谁来检测较好？,22,冲突检测,“冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“冲突”就是发生了碰撞。因此“冲突检测” 也称为“碰撞检测” 。,23,
10、检测到冲突后,在发生冲突时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了冲突，就要立即停止发送，并且也通知其他站停止接收，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,24,进行冲突检测的时间：争用期,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,25,争用期的长度,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在
11、争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,26,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,27,最短有效帧长,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异
12、常中止的无效帧。,28,29,二进制指数退避算法 (truncated binary exponential type),发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。二进制指数退避算法过程如下： 1. 将冲突发生后的时间划分为长度为2的时隙 2. 发生第一次冲突后，各个站点等待0或1个时隙在开始重传 3. 发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0，1，2或3个时隙在开始重传 4. 第i次冲突后，在0至2的i次方减一间随机地选择一个等待的时隙数，在开始重传 5. 10次冲突后，选择等待的时隙数固定在0至1023（2的10次方减一）间 6. 16次冲突后，发送失败，即
13、丢弃该帧，并向高层报告。,30,CSMA/CD的规则： 1)若媒体空闲，传输；否则，转第2步。 2)若媒体忙，一直监听直到信道空闲然后立即传输。 3)若在传输中监听到冲突，发出一个短小的人为干扰(jamming)信号（32比特）让所有的站点都知道发生了冲突并停止传输。 4)发完人为干扰信号，等待一段随机的时间(用二进制指数类型退避算法确定 )，再次试图传输（从第1步开始重复）。,31,2.各种不同的CSMA技术,在CSMA技术中，若载波侦听后，发现总线忙，根据以后处理方法的不同又可分为三种不同的CSMA技术。,非坚持CSMA（Non-Persistent CSMA）若总线忙，则不再侦听，隔一定
14、时间间隔后再侦听。若总线空闲，则立即发送。隔一定时间间隔再侦听的这个时间间隔，是依一定的概率分布决定的。, P坚持CSMA（P-Persistent CSMA） 若总线忙，继续侦听，但当发现总线空闲时，并不总是发送数据，为减少冲突，以概率P发送数据，以概率（1-P）延迟一个单位时间，再侦听。, 1坚持CSMA（1-Persistent CSMA） 若总线忙，继续侦听，直到发现总线空闲时，立即发送数据；若有冲突，回退一个随机时间间隔，重新侦听。CSMA/CD技术采用的就是1坚持CSMA技术。,32,非坚持CSMA延迟较长。P坚持CSMA理论上比较好。1坚持CSMA采用了冲突检测技术，冲突浪费的时
15、间并不多；又由于1坚持CSMA采用了二进制指数退避时间的算法，二个原来冲突的站下次几乎不可能再冲突。因此， CSMA/CD 中采用1坚持CSMA技术。 CSMA/CD称为总线争用介质控制技术，是最普通也较为成熟的技术。,为什么CSMA/CD 中采用1坚持CSMA技术？,33,3.2.3 令牌环访问原理,图2-6 令牌环的基本结构,34,令牌,无数据发送时,35,数据发送过程示例 假设环上有4个站点A、B、C、D，若站点A要发送数据到C,36,使用一个称之为“令牌”的控制标 志，当无信息在环上传送时，令牌处于“空闲”状态，它沿环从一个工作站到 另 一个工作站不停地进行传递。当某一工作站准备发送信
16、息时，就必须等待，直到检测并捕获 到经过该站的空闲令牌为止，然后，将令牌的控制标志从“空闲”状态改变为“忙”状态，并发送出一帧信息。其他的工作站随时检测经过本站的帧，当发送的帧目的地址与本站地址相符时，就接收该帧，待复制完毕再转发此帧，直到该帧沿环一周返回发送站，并收到接收站指向发送站的肯定应签信息时，才将发送的帧信息进行清除，并使令牌标志又处于“空闲”状 态，继续插入环中。当另一个新的工作站需要发送数据时，按前述过程，检测到令牌，修改状态，把信息装配成帧，进行新一轮的发送。,37,令牌环的特点, 在轻负载情况下，效率很低；而在重负载情况下环路中令牌以循环方式工作，因而效率高，访问权力平均。
17、空闲令牌的特定模式作控制用，不能出现在用户数据中，用户数据采用如遇到连续五个“1”就插入“0”的办法实现透明。 环路必须是足够长，以便能够保存令牌，如果某些工作站被旁路，则它们的延迟需要人为补充。,38,3.2.4 令牌总线访问原理,图2-8 总线结构中的令牌传送,39,3.2.5 三种介质存取控制技术的比较,与确定型介质访问控制方法比较，CSMA/CD方法有以下几个特点： CSMA/CD介质访问控制方法算法简单，易于实现。 CSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机竞争总线的方法，适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格的应用环境。 CSMA/CD在网络通信负荷较低时表现出较好的吞
18、吐率与延迟特性。但是，当网络通信负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加。因此，CSMA/CD方法一般用于通信负荷较轻的应用环境中。,40,与随机型介质访问控制方法比较，采用确定型介质访问控制方法令牌总线、令牌环有以下几个特点： 令牌总线、令牌环网中结点两次获得令牌之间的最大时间间隔是确定的，因而适用于对数据传输实时性要求较高的环境。如生产过程控制领域。 令牌总线、令牌环在网络通信负荷较重时表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟，因而适用于通信负荷较重的环境。 令牌总线、令牌环的不足之处在于它们需要复杂的环维护功能，实现较困难。,41,相同：采用令牌实现循环式分布控制介质的存取。网中
19、结点两次获得令牌之间的最大时间间隔是确定的，因而适用于对数据传输实时性要求较高的环境。如生产过程控制领域。在网络通信负荷较重时表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟，因而适用于通信负荷较重的环境。都需要维护令牌，保证只有一个令牌。 不同：令牌环网是基于物理环路的，物理电路的可靠性影响大。令牌总线是基于逻辑环路的，环路的建立和维护更复杂。,令牌总线、令牌环的相同点与区别,42,3.3 计算机局域网络接口,3.3.1 网络接口单元 3.3.2 常用网卡介绍,43,3.3.1 网络接口单元,网络接口单元是指网络中的各种设备怎样通过接口单元与通信网络相连接，即网络中各种工作站怎样和传输介质相连接。,图2-
20、9 网络接口单元（NIU）的位置,44,铜缆或铜线连接到以太网 的示意图,主机箱,主机箱,主机箱,双绞线,集线器,BNC T 型接头,收发器电缆,网卡,插入式 分接头,MAU,MDI,保护外层,外导体屏蔽层,内导体,收发器,DB-15 连接器,BNC 连接器 插口,RJ-45 插头,45,NIU的功能是, 从用户设备接收数据； 缓冲数据，直到能对介质进行存取； 用带有地址信息的包形成发送数据； 对介质上的包进行地址识别； 把发送到该地址的包缓冲到NIU内部； 把数据从NIU传送到入网设备。,46,以太网卡的功能,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
21、将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。 链路管理 主要是 CSMA/CD 协议的实现。 编码与译码 即曼彻斯特编码与译码。,47,3.3.2 常用网卡介绍,图2-10 以太网卡外形,48,49,图2-12 IBM token ring的连接方式,50,图2-14 ARC net网卡的基本连接,51,3.4 高速以太网技术3.4.1 快速以太网 3.4.2 交换式以太网 3.4.3 千兆以太网 3.4.4 万兆以太网,52,3.4.1 快速以太网,以太网一般具有以下特征： 共享介质。 广播传输。 CSMA/CD。 以太网MAC地址与帧格式。,53,各字段含义如下： 前导：由7个字节的“10
22、101010”比特串组成，该字段的曼彻斯特编码会产生10MHz的方波，使发送方与接收方同步； 开始标志：由1个字节的“10101011”比特串组成，标志着一个帧的开始； 长度：由2个字节组成，标明数据字段的字节数； 填充字段：IEEE802.3规定有效帧从目的地址开始，到校验和字段的最短长度为64字节。当数据字段的长度小于46字节时，由填充字段填充。数据和填充两个字段长度和是461500字节。 校验和：由4个字节组成，一般采用循环冗余校验（CRC-32）。,以太网的帧格式,54,3.4.2 交换式以太网,图2-16 100Base T以太网示例,55,100Base-T 以太网的特点,可在全双
23、工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。 采用自动协商协议，兼容10BASE-T。,56,三种不同的物理层标准,100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线，STP。(4B/5B/NRZ，MLT3) 100BASE-FX 使用 2 对光纤。(4B/5B,NRZI) 100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。(8B/6T,NRZ) 新：100BASE-T2 使用 2 对 UTP 3 类线或 5 类线。(PAM5),57
24、,快速以太网,现在用的快速以太网，符合的标准是100BASE-T。 100BASE- VG 或100VG-Anylan也属于快速以太网，但没有得到广泛应用。,58,3.4.3 千兆以太网（吉比特以太网）,59,吉比特以太网的特点,允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，新增“载波延伸” “分组突发” 。（注：全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。,60,吉比特以太网的物理层,1000BASE-X 基于光纤通道的物理层： 1000BA
25、SE-SX SX表示短波长。275/550m 1000BASE-LX LX表示长波长。275/550/5000m 1000BASE-CX CX表示铜线，25m 1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP ,100m,61,3.4.4 万兆以太网 (10 吉比特以太网),10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD
26、 协议。,62,3.4.4 万兆以太网, 10GBase-CX4。这是短距离铜缆方案。用于InfiniBand中的4x连接器和CX4电缆，最大长度15m。 10GBase-SR。用于短距离多模光纤，根据线缆类型能达到2682m，使用新型2GHz多模光纤时，能超过300m。 10GBase-LX4。使用波分复用，支持多模光纤。能达到240300m的传输距离，当使用单模光纤时，能超过10km。 10GBase-LR和10GBase-ER。通过单模光纤分别支持10km和40km的传输距离。 10GBase-SW、10GBase-LW和10GBase-EW。用于广域网、同步光纤网或SDH设备。物理层分
27、别对应10GBase-SR，10GBase-LR和10GBase-ER，因此使用光纤支持距离也一致。 10GBase-T。使用非屏蔽双绞线。,63,端到端的以太网传输,10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。 这种工作方式的好处是： 成熟的技术 互操作性很好 在广域网中使用以太网时价格便宜。 统一的帧格式简化了操作和管理。,64,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是： 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。 灵活的
28、（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。 易于安装。 稳健性好。,65,3.5 计算机局域网络性能分析,3.5.1 基本概念 3.5.2 以太网性能分析 3.5.3 令牌环网和令牌总线网性能分析 3.5.4 局域网络性能的比较,66,主要性能指标,信道吞吐率（S）：描述的是在单位时间内被成功传送的信息量，可以是每秒多少个报文或多少个报文组。 信道利用率（）：描述的是信道传输信息的有效时间与信道总可利用时间之比。在这里它通常不包括报头开销、传输冲突等各种形式的开销。延迟时间（D）：又称传输延迟或时延，描述的是分组从源站开始产生直至最后被成功地传送到目的站所需要的时间。,67,图2-18网络延迟
29、时间构成,它由四个部分构成。排队延迟描述从分组产生，在发送的队列中等待，直到到达队列最前端所需要的时间;分组虽然到达队列的最前头，通常并不能立刻服务，而必须等待信道空闲，这段时间即访问延迟，一般与访问信道的协议有关；发送延时用来描述发送整个分组所需的时间，它与接口的操作速度和数据速率大小密切相关；信号在信道上传输，还存在一个传播延迟，这是因为信号从源站传到目的站还要一定的传播时间。,68,LAN性能评价方法, 测量法:测量法是对实际计算机网络系统本身进行观测， 收集各种事件的统计资料，再加以分析以评价网络性能。 分析法:将实际系统化为数学模型，然后求出分析表达式，并求解用以表示系统性能。作为一种数学工具，排队论起到了重要作用，而且收到了很好的效果。 模拟法:模拟法最终还是通过计算机程序实现，并得到一些结果。然后，通过对所得到的结果来分析网络的性能,
