Transcript 第四章

第四章
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
局域网技术
局域网的技术特点
局域网的拓扑结构
IEEE802参考模型与协议
共享介质LAN的工作原理
高速局域网的工作原理
交换局域网的工作原理
虚拟局域网的工作原理
无线局域网的工作原理
小结
4.1
局域网的技术特点
(1）覆盖地理范围有限。
（2）具有较高的数据传输速率（10Mbps--1Gbps)和
较低的误码率.
（3）主要技术要素是：网络拓朴、传输介质与介质
访问控制方法。
4.2局域网拓朴
星形网
以一台计算机为中心，
以放射状连接若干台
计算机，形成星形连
接，是集中控制的。
集线器
环形网
环形网络的传输线路构
成一个封闭的环，入网
计算机连到这个环形线
路上，最典型的是令牌
环形网。
干线耦合器
局域网拓朴
匹配电阻
总线网
用一条无源通信线路作 
主干，入网计算机通过
相应接口连到线路上。
可以使用两种协议，最
典型的是以太网。
匹配电阻
树型网
它是总线网的变型都属
于使用广播信道的网络，
主要用于频分复用的宽
带局域网。





4.4
共享介质LAN的工作原理
共享介质 LAN
(1）CSMA/CD -- 带有冲突检测的载波侦听多路访问
（2）Token Bus-- 令牌总线
（3）Token Ring-- 令牌环
4.4.1 Ethernet基本工作原理
Ethernet核心技术：随机争用型介质访问控制方法。
(IEEE 802.3)
作用：解决多结点共享公用总线传输介质的问题
随机争用型：任何连网结点都是随机发送数据，网中
无集中控制，各结点都必须平等地争用
发送时间。
一、 Ethernet发展背景
1、ALOHA
 信道无占用--> 发送-->等待-->应答-->发送成功
无应答-->重发
同时发送-->冲突-->随机重发
 信道利用率为18.4%

2、Slotted ALOHA (见图)
 将信道时间分成相等的时间片。
 所有结点只能在每个时间片开始的时刻发起数据传输.
 信道利用率为36.8%.
3、CSMA 方法
 采用‘先听后讲’（Listen Before Talk)
⑴ 1-坚持 CSMA 方法
 若信道空闲-->立即发送
 若信道忙-->侦听-->空闲-->立即发送
 η=52.9%
⑵ P-坚持 CSMA 方法
 若信道空闲-->以P概率发送
 若信道忙-->等待下一时间片-->重复上述过程
 η=79.1%
⑶不坚持CSMA 方法
 若信道空闲-->立即发送
 若信道忙-->不帧听
随机延迟-->时间到-->立即发送
 η=81.5%
 二、CSMA/CD 基本工作原理
 CSMA/CD 发送流程
先听后发、边发边听、冲突停止、随机延迟后重
发。
发 送 帧
装 配 帧
总线忙？
1
Y
开始发送
N
N
冲突吗？
Y
2
3
冲突加强
发送完成？
N+1-->N
Y
Y
4
N>=Nmax？
N
5
计算后退延迟时间
发送成功
冲突过多
等待后退延迟时间
1、 总线忙？
Ethernet 的数据信号是D.M编码，如果总线上存在
电平跳变，则判断总线忙。
2、冲突吗？
冲突检测方法：比较法和编码违例法

比较法：将发送信号波形与接收到的波形进行比较，
迭加后若不等于发送的信号波形，表示总线有冲突产
生。

编码违例法：若总线上只有一个结点发送数据，信号
一定符合D.M。否则产生冲突。
3、 冲突加强
 为确保有足够的冲突持续时间，以使网中的所有结点
都能检测冲突存在。废弃冲突帧，减少因冲突浪费的
时间。
 冲突检测后，发送阻塞码（4个字节的任意数据）即
冲突加强信号。
4、Nmax ?
 Nmax=16
 若 N>16 次，认为线路故障。系统进入‘冲突过多’
结束状态。
5、 计算后退延迟时间
 为公平地解决信道争用冲突，制定分布控制的后退延
迟算法。
 最典型的CSMA/CD算法-----截止二进制指数后退延迟
算法。

τ=2k R a
τ----结点重发应后退的时间
k---冲突次数
R----随机数
a----冲突窗口
a=2D/V
D----总线长度
V---- 电磁波传播速度

为避免延迟太长,响应太慢.算法限定了k的范围.
当N<10, k=N;
当10<=N<16, k=10
 Ethernet 帧结构
前导码 SFD
n
DA SA 长度 LLC PAD
4
FCS
前导码: 7个字节1010---10 共56位的bit 序列组成
 SFD---帧前定界符:10101011
 目的地址/源地址: 6B 48bit-->247种不同地址.
 长度: 2B 用于指示LLC数据字段的长度.
 LLC数据:
46B <= n<=1500B
Lmin=6+6+2+46+4=64B
Lmax=1500+6+6+2+4=1518B
 PAD :若帧长度<46B,则追加填充字符.
FCS: 32位CRC，范围 DA、SA、L、LLC、PAD

4.5 高速LAN工作原理
1.LAN产品类型:
交换LAN --LAN---
共享LAN---
交换式以太网
ATM
Ethernet-10BASET-100BASET-1G
Token Bus 2-10M
Token Ring 4-16M
FDDI--FDDIⅡ--FFOL
2、 FDDI 光纤分布式数据接口
是一种高性能的光纤标记环LAN.其技术特点:
 使用基于IEEE802.5的单令牌的环网介质访问控制协
议.
 使用IEEE802.2协议,与符合IEEE802标准的LAN兼容.
服务器
Router
FDDI主干环
Router
Token Bus
Router
Ethernet
Token
Ring
采用4B/5B(4 out of 5)编码技术.
3、 Fast Ethernet
 产生背景：用户对LAN带宽提出了更高的要求。
 选择方法：
 保持802.3的原有状况，只是将其速率提高以保护用户
的已有投资。
 重新设计一种新的LAN体系结构与介质访问控制方法，
取代传统的LAN。
 1995年IEEE采纳了802.3u作为Fast Ethernet的标准。
但只是对802.3标准的追加。

Fast Ethernet的基本思想
1）保留传统的10Mbps速率以太网的特征，即帧格式、
CSMA/CD和组网方法均相同。
2）将每bit发送时间由100ns降低到10ns。
3 ） 物 理 层 采 用 100BASE-T 标 准 。 用 介 质 专 用 接 口 将
MAC子层与物理层分隔开来。
4）所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响
MAC子层。
Fast Ethernet的协议结构
IEEE 802.2 LLC
IEEE 802.3 MAC
MII（功能与AUI相同）
100 BASE-TX
两对5类线或STP
100 BASE-T4
四对3,4,5类UTP
100 BASE-T集线器
100 BASE-FX
单模、多模光纤
4、Gigabit Ethernet
 产生背景：对带宽更高的要求。
 Gigabit Ethernet的基本思想
1）保留传统的10Mbps速率以太网的特征，即帧格
式、CSMA/CD和组网方法均相同。
2）将每bit发送时间由100ns降低到1ns。
3）物理层采用1000BASE-T标准。用介质专用接口
将MAC子层与物理层分隔开来。
4）所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影
响MAC子层。
Gigabit Ethernet的协议结构
IEEE 802.2 LLC
IEEE 802.3 MAC
GMII（功能与AUI相同）
8B/10B编码解码方式
1000 BASE-CX
屏蔽双绞线
1000 BASE-SX
多模光纤
PAM5编码解码方式
1000 BASE-T
非屏蔽双绞线
1000 BASE-T集线器
1000 BASE-LX
单模光纤
每个码元携带2个bit的信息。
•PAM:5级脉冲幅度调制
讨论的问题
 长距离线路是受延迟时间限制而非带宽限制。
t
v
103 104 105 106
1012
4.6 交换局域网工作原理
 共享式LAN的缺点
公共通道被多个节点使用
MAC--->用来保证各结点”公平”使用公共介
质
信道利用率随负载增加---> 实际速率
吞吐量
网络延迟时间
解决方法
如 果 信 道 容 量 10Mbps/N
(N 个 节 点 平 分 带 宽 )
 100Mbps/N ---->Fast Ethernet
 N=N1+N2+----Ni--->“缆段微化”-->互连LAN
 N×10Mbps --->交换LAN
4.6.1交换LAN的基本结构
1、 折叠式主干网
100Mbps
服务器
广域网
路
10Mbps 由
器
交换机
10Mbps
10Mbps
10Mbps
10Mbps
10Mbps
10BASE-T HUB

HUB与交换机之间可达几公里。
 中央交换机提供总频宽可为千M位。共享LAN为
10M。
广域网
2、层次式100Mbps链路结构
100Mbps
交换机
服务器
100Mbps
交换机
10Mbps
100Mbps
路
由
器
100Mbps
100BASE-T HUB
100Mbps
100Mbps
3、全双工交换以太网
广域网
100Mbps
交换机
服务器
100Mbps
交换机
100Mbps
交换机
路
由
器
100Mbps
交换机
100Mbps
10Mbps
100Mbps
100Mbps
全双工运行在交换机之间以及交换机和服务器之
间。链路中没有冲突，可增加100%的吞吐量。
4、几种不同技术及性能比较

100M交换
100M全双工
10M全双工
100M共享
10M交换
10M共享
4.6.2 交换LAN的工作原理
 对于传统的共享介质以太网,当HUB中的一个节点发送数
据时,用广播方式将数据传送到HUB的每一个端口。在一
个时间片内只允许有一个节点占用公用信道。
 交换LAN从根本上改变了“共享介质”的工作方式，通过
支持交换机端口节点之间的多个并发连接，实现多节点之
间数据的并发传输，从而增加LAN的带宽，改善LAN的
性能与服务质量。
转发机构
地址表
地址表
缓冲器
端口
端口
地址
1
结点A
2
3
1
2
3
4
5
6
DA
DA
MAC帧
DA=结点C
MAC帧
DA=结点B
结点A
结点B
结点C
结点D
4
结点B
5
结点C
6
结点D
4.6.3 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（VLAN）服务
4.7 虚拟局域网的工作原理
4.7.1 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。

4.7.2 虚拟局域网的实现技术
虚拟局域网的组网方法

用交换机端口号定义虚拟局域网

用 MAC地址定义虚拟局域网

用网络层地址定义虚拟局域网

IP广播组虚拟局域网
用交换机端口号定义虚拟局域网成员
局域网交换机
端口
1
2
3
4
5
6
7
8
VLAN 1
VLAN 2
（a）
局域网交换机1
端口
1
2
3
4
5
6
7
局域网交换机2
8
端口
VLAN 1
VLAN 2
（b）
1
2
3
4
5
6
7
8
4.8 无线局域网的工作原理
4.8.1 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
高速主干局域网
无线发射与
接收的天线
移动结点
单元
移动结点
4.8.2 无线局域网的主要类型
红外线局域网
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
 扩频局域网
跳频通信
直接序列扩频
 窄带微波局域网
申请执照的窄带RF
免申请执照的窄带RF

4.8.3 无线局域网标准
IEEE 802.11基本结构模型
4.9小结




局域网的设计目标是覆盖有限的地理范围，在基本通
信机制上选择与广域网不同的方式，从存储转发方式
改变为共享介质与交换方式；
局域网在拓扑结构上主要分为总线型、环型与星型结
构三种；在网络传输介质上主要采用双绞线、同轴电
缆与光纤，但目前无线局域网的发展很快；
从介质访问控制方法的角度，局域网可以分为共享介
质式局域网与交换式局域网两类；
目前应用最广泛的局域网是以太网Ethernet，它的核
心技术是随机争用共享介质的访问控制方法，即
CSMA/CD方法；





随着各种应用对局域网带宽有更高要求，传输速率为
100Mbps与1Gbps的快速以太网与千兆以太网出现，
并成为高速局域网方案中的首选技术；
交换式局域网改变了共享介质的工作方式，可以通过
局域网交换机实现多结点之间数据的并发传输；
交换技术发展为虚拟局域网的实现提供了技术基础 ；
无线局域网作为传统局域网的补充，已成为局域网应
用的一个热点问题。无线局域网使用的是无线传输介
质，按采用的传输技术可分为红外线局域网、扩频局
域网和窄带微波局域网3类。目前较成熟的无线局域网
标准是IEEE 802.11。
习题 四---1/3/5/7