计算机通信与网络_CH04局域网与广域网

计算机通信与网络ComputerTelecommunications&Networks南京邮电大学计算机学院“计算机通信与网络”国家精品课程组第4章局域网与广域网局域网概述以太网技术局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网内容纲要内容纲要局域网概述以太网技术局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网4.1局域网概述1、局域网的定义•局域网是指将分散在一个局部地理范围(如一栋大楼等)内的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络。•局域网技术着重讨论如何公平、有效利用公共传输介质（公共传输信道），在其他方面仍然使用数据链路层相关技术。4.1局域网概述2、局域网的特点•网络覆盖的区域相对较小，通常传输距离在0.1km25km，总成本较低。•传输速率高，局域网的数据传输速率一般为1～100Mbit/s。随着技术发展，10Mbit/s，100Mbit/s，1000Mbit/s的以太网得到了广泛的应用，正在推出10Gbit/s的以太网。•传输质量高，误码率低，局域网的误码率一般在10-810-11范围内。4.1局域网概述2、局域网的特点•局域网具有专用性质。由于局域网的范围小，总价不高，往往可以由企业自己建设和管理、使用，采取相应网络安全措施。•局域网主要考虑高速传输，资源共享，在网络内部一般不考虑计费问题。•局域网拓扑结构相对简单，大多采用广播方式传输数据，一个站发出数据，其它所有站都能接收到。因此，局域网不需要考虑路由选择问题。4.1局域网概述3、局域网的四个技术特性传输媒体：指用于连接网络设备的介质类型，常用的有双绞线、同轴电缆、光纤，以及微波、红外线和激光等无线传输媒体。传输技术：指借助传输媒体进行数据通信的技术，常用的有基带传输和宽带传输。网络拓扑：物理结构和形状媒体访问控制方法：指多台计算机对公共传输媒体的访问控制方法4.1局域网概述4、局域网的传输媒体局域网的传输媒体包括有线媒体和无线媒体两类。有线传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤。无线传输媒体有微波、红外线和激光等。全球开放的ISM（工业,科学,医疗）频段局域网可以使用目前所有传输技术。4.1局域网概述5、局域网的传输技术利用传输媒体进行数据传输的技术，可以分为基带传输和宽带传输两种。基带传输，即不经过调制，直接将数字信号波形加载到传输媒体上进行传输。通常采用曼彻斯特或差分曼彻斯特编码的信号。宽带传输，即将待传输的数字信号波形调制到合适的中心频率上，宽带传输可以支持信道的频分复用和信号的多路传输。局域网中通常采用基带传输技术。4.1局域网概述6、局域网典型的拓扑结构•星（Star）型局域网所有站点的通信都通过中心站点进行•环（Ring）型控制简便，结构对称性好，传输速率高。如：IBM令牌环网•总线（Bus）型采用广播式多路访问方法，结构简单，可靠性高，扩展性好。如：采用集线器(HUB)组网•树（Tree）型分层结构，扩展性好，寻址方便4.1局域网概述各种拓扑结构匹配电阻交换机干线耦合器总线网星形网树形网环形网交换机交换机交换机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既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。B向D发送数据CDAE匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有D接受B发送的数据局域网的信道共享技术4.1局域网概述总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A,C和E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不收下来。在具有广播特性的总线上实现一对一通信。局域网的信道共享技术4.1局域网概述所谓“访问”指的是在两个实体之间建立联系并交换数据信息。在网络中，媒体访问方式（介质访问方式，媒体接入方式）泛指分配介质使用权限的机理、策略和算法。在局域网中主要考虑对于公共传输介质的动态资源共享方法。7、局域网的媒体访问控制技术4.1局域网概述4.1局域网概述7、局域网的媒体访问控制技术根据网络中计算机站点获得对共享公共传输介质使用权（即获得发送数据的控制权）的方法，有三类媒体访问控制方法。基于信道划分的媒体访问控制基于随机访问的媒体访问控制基于轮询的媒体访问控制4.1局域网概述信道共享技术，即如何分配使用公共信道传输资源的方法和策略，有静态和动态的信道分配方案。静态分配方案：固定的分配动态分配方案：能够根据数据源对传输资源的随机需求而动态分配。公共信道共享技术多个计算机系统共享使用公共信道资源的介质访问方法又称为多路访问技术，分为受控访问和随机访问。受控访问：各个用户不能任意接入到信道而必须服从一定的控制。又分为集中式控制和分散式控制。随机访问：所有的用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息，又称为争用接入。公共信道共享技术4.1局域网概述4.1局域网概述基于信道划分的媒体访问控制方法一般使用静态资源分配方法。频分复用，静态时分复用，码分复用，波分复用为静态分配，一般采用集中控制（受控访问）。时分复用也适合于动态复用。公共信道共享技术4.1局域网概述公共信道共享技术局域网所使用的拓扑结构和传输技术决定了其网络内的计算机之间的数据通信采用公共传输信道（媒体）共享方法。网络中的计算机站点对网络传输的需求是随机的，需要协调多个计算机站点对共享的传输媒体（介质）资源的使用，即规定局域网中的站点什么时间能向共享的网络中发送数据。4.1局域网概述动态信道分配的主题是如何在多个随机竞争的用户之间分配单个共享的广播信道，所有站点都连接到一个共享信道上，所用的接入和共享信道的技术称为多点接入控制方法（多路访问技术），又称为介质访问控制方法，媒体接入控制，MAC技术。公共信道共享技术ALOHA纯ALOHA、时隙ALOHACSMA非坚持，1－坚持，P－坚持改进的CSMACSMA/CD，CSMA/CA竞争系统的介质访问控制技术4.1局域网概述ALOHA纯ALOHA：用于局域网无线公用信道上，集中控制，仅使用两个频率，上行传输（争用）为407.35MHz,下行传输（广播）为413.475MHz，信道利用率最高为18.4％时隙ALOHA：将时间分为等长的时隙，只能在每个时隙的开始才发送分组，目的是减少冲突。信道利用率最高为36.8%。竞争系统的介质访问控制技术共享信道的数据链路层ABCD网络中站点随机发送数据，在公共信道中产生相互干扰，称为“冲突”。共享信道的数据链路层竞争系统的介质访问控制技术ABCD网络中站点只在时隙开始时发送数据，减少了冲突的可能性。共享信道的数据链路层2、竞争系统的介质访问控制技术每个站点不关心网络忙闲状态，随机发送数据，产生了信号冲突，降低了通信效率。发送前判断网络状态，减少冲突。CSMA,CarrierSenseMultipleAccess•每个站点在发送分组前，监听公共信道上其它站点是否在发送分组。如果信道忙，就暂不发送。如果信道空闲，则进入发送处理。共享信道的数据链路层竞争系统的介质访问控制技术非坚持CSMA•发现信道忙则不再侦听，等待一个随机长的时间后，再开始侦听/发送过程。1－坚持CSMA•发现信道忙则持续侦听，直至信道空闲；•等到信道空闲后发送数据（概率为1）。P－坚持CSMA•发现信道忙则持续侦听，直至信道空闲；•等到信道空闲后，以概率P发送数据，或以（1－P）概率推迟发送。共享信道的数据链路层竞争系统的介质访问控制技术尽管已发送前载波监听，但由于通信的随机性和传播时延的影响，在一个站点开始发送后的一段时间内，仍然可能发生冲突，称为“争用期”。1km碰撞ABt=0t＝τ－δt＝2τ－δt＝τB发送数据B检测到冲突A检测到冲突A发送数据共享信道的数据链路层竞争系统的介质访问控制技术CSMA机制仍然不能完全避免多个站点发送数据的冲突。CSMA的缺点：当两(多)个站发生冲突后，各冲突站并不知道，仍继续发送已遭破坏的数据帧。应答超时后才能确认冲突。若帧很长，则信道的浪费相当大。CSMA的改进：增加了“冲突检测”的功能，即改为“CSMA/CD”。共享信道的数据链路层竞争系统的介质访问控制技术CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)CSMA/CD的工作原理•载波监听•冲突检测•多路访问（多次访问）共享信道的数据链路层竞争系统的介质访问控制技术二进制指数退避算法对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参数为L＝2；退避间隔取0～L个时间间隔，1个时间间隔等于任意两个站之间最大传播时延的两倍，即2T（设最大传播时延为T）；当帧重复发生一次冲突，则参数L加倍；设置一个最大重传次数，超过这个限值，则停止，不再重传，并报告出错。这种算法是按后进先出的次序控制的，即未冲突，或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率。环型网中各个站点和传输链路依次相连接，构成一个闭合的环。环型网都采用无冲突的介质访问控制方法，属于分散的轮询控制方式。环型网通过逐站转发数据实现传输介质共享，但不是广播方式。主要的介质访问方法有令牌环、时隙环及寄存器插入环。共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法IEEE802.5令牌环（标记环）TokenRing，IBM公司IEEE802.5令牌环介质访问方式的特点•将各个站点、链路依次串成闭合环路•环内令牌、数据单向传输，•分散控制•令牌沿环循环，同一时刻环中只有一个令牌•传输介质：屏蔽双绞线，4Mbit/s，16Mbit/s共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法•IEEE802.5令牌环介质访问控制使用一个令牌沿着环单向循环，且应确保令牌在环中是唯一的。Token令牌共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法网上站点要求发送帧，必须等待空令牌。当获取空令牌，则将它改为忙令牌，后随数据帧；环内其它站点不能发送数据。环上站点接收、移位数据，并进行检测。如果与本站地址相同，则同时接收数据，接收完成后，设置相应标记。该帧在环上循环一周后，回到发送站，发送站检测相应标记后，将此帧移去。将忙令牌改成空令牌，继续向下一个站点传送，供后续站发送帧。共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法A站收到Token空闲?YACDA=C?ABCDToken等待共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法由于电磁波的传播速度有限，传输介质中可能同时存在多个数据位。环上每个中继器引入至少1bit延迟环上保留的位数：传播延迟(s/km)介质长度数据速率+中继器延迟共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法介质长度L=1km数据速率C=4Mbit/s站点数N=50解：传播延迟tp=L/v传播速率v=2105km/stp=5s环上保留的位数=514+50=70bit共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法IEEE802.5MAC帧格式SDEDACSDFCACDAINFOSAFCSFSED令牌格式帧格式帧序列始帧序列尾FCS校验对象111共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法如何防止数据帧在环上无休止循环？•设置监控器•在帧结构上留一个标识如何监测令牌出错？•无令牌•多个令牌•忙令牌死循环共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法集中式检测设置监控站（超时计数器），检测令牌丢失在帧结构上检测忙标记，发现死循环分布式检测每站设置定时器：当站有数据要发且等待令牌的时间超限，认为令牌丢失共享信道的数据链路层环形网介质访问控制方法拓扑结构Token令牌ABCDE共享信道的数据链路层令牌总线介质访问方法工作原理•TokenBus在物理总线上建立逻辑环。•逻辑环上，令牌是站点可以发送数据的必要条件。•令牌在逻辑环中按地址的递减顺序传送到下一站点。•从物理上看，含DA的令牌帧广播到BUS上，所有站点按DA=本站地址判断收否。共享信道的数据