第6章 局域网与城域网

第6章局域网与城域网第6章局域网与城域网6.1局域网技术特征6.2局域网/城域网参考模型和标准6.3介质访问控制方法6.4以太网和以太交换6.5高速以太网6.6光纤分布式数据接口6.7城域网和DQDB第6章局域网与城域网6.1局域网技术特征6.1.1局域网的基本特征从硬件的角度看，局域网(LAN)是传输介质、网卡、工作站、服务器以及其他网络连接设备的集合体；从软件角度看，LAN由网络操作系统(NOS，NetworkOperatingSystem)统一协调、指挥，提供文件、打印、通信和数据库等服务功能；从体系结构来看，LAN由一系列层次的服务和协议标准来定义。第6章局域网与城域网LAN标准主要由IEEE802委员会制定，并得到国际标准化组织ISO的采纳。相对于广域网，LAN的基本特征有下列三方面：(1)覆盖的地理范围可以在一幢办公楼、一个校园的区域，其距离一般在0.1～10km；从技术上来说，LAN现已可延伸到城域网(MAN)的范围。(2)数据传输速率高，如10Mb/s、100Mb/s(百兆)、1000Mb/s(千兆)的以太网已得到了广泛应用，正在推出10Gb/s(万兆)的以太网。(3)误码率很低，大致为10-8～10-10。第6章局域网与城域网局域网一般具有专用性质，多建在一个单位内，作为办公自动化(OA，OfficeAutomation)系统、计算机集成制造系统(CIMS，ComputerIntegratedManufactureSystem)，在接入Internet的基础设施中，起十分重要的作用。局域网侧重共享信息的处理和存储。在众多的局域网中，Xerox公司的以太网作为局域网的典型代表，占有很大的市场份额。第6章局域网与城域网6.1.2局域网的基本技术能反映局域网特征的基本技术有网络拓扑结构、数据传输介质和介质访问控制方法等三个方面。这些技术基本上可确定网络性能(网络的响应时间、吞吐量和利用率)、数据传输类型和网络应用等。其中介质访问控制(MAC)方法对网络特性有着重要的影响。1.网络拓扑结构局域网以及城域网的典型拓扑结构有星(Star)型、环(Ring)型、总线(Bus)型、树(Tree)型4种，如图6.1.1所示。第6章局域网与城域网1)星型拓扑结构星型拓扑结构有集中控制方式和分布控制方式两种，如用户话机与程控电话交换机的连接是典型的集中控制星型拓扑，在计算机局域网中较少应用，LAN一般采用分布控制的星型拓扑结构。第6章局域网与城域网图6.1.1(a)星型；(b)环型；(c)总线型；(d)树型(b)(a)(c)(d)…第6章局域网与城域网2)环型拓扑结构环型拓扑结构是一种有效的分布式拓扑。它控制简便，结构对称性好，传输速率高，且吞吐量随负荷的增加而近乎线性增加。IBM公司提出的标记环(TokenRing)网、早期的剑桥环网以及城域网、FDDI(光纤分布式数据接口)均为环型拓扑结构。环上的接入节点为点-点连接，有利于光纤的接入。环型拓扑结构的缺点是任何一段线路或节点失效都将导致网络瘫痪。在实际应用中，常采用双环结构以提高其可靠性。第6章局域网与城域网3)总线型拓扑结构总线型拓扑结构的重要特征是采用广播式多路访问方法。它的结构简单，可靠性高，扩充方便，是局域网中最为流行的一种拓扑形式。在实用中，采用集线器(Hub)、以太交换机来连接计算机，其结构从物理上看类似星型结构，但其逻辑结构仍然是总线型拓扑，如图6.1.2所示。第6章局域网与城域网图6.1.2总线逻辑的星型连接结构集线器(Hub)第6章局域网与城域网4)树型拓扑结构树型拓扑结构在分布式LAN中较流行，它采用完全二叉树形式，扩充性能好，寻址方便，较适合多监测点的实时控制和管理系统。当前，在企业网、校园网中常以以太路由交换机、集线器(Hub)组成树型拓扑结构。第3章所述的典型传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤(光缆)以及无线、微波、红外线等在局域网和城域网中都得到了广泛的应用。第6章局域网与城域网根据网络应用的需求，应从传输性能、可靠性、灵活性以及经济性等因素综合选择合适的拓扑结构和传输介质。目前，楼群之间的LAN常选用价格较低的多模光纤，城域网中则需选用单模光纤。局域网数据传输的基本形式有两种：基带传输和频带传输。大多数传统的LAN都使用基带传输，CATV中的数据传输可选择频带传输。第6章局域网与城域网2.介质访问控制方法所谓“访问(Access)”，指的是在两个实体间建立联系并交换数据(信息)。在任何网络中，访问方式泛指分配介质使用权限的机理、策略和算法，是一种关键技术，它几乎用到了计算机和通信网中的一切可用技术。表6.1.1列出了按访问技术分类的介质访问控制方法，主要有预约、选择、争用、环和混合等5类。第6章局域网与城域网表6.1.1访问技术分类第6章局域网与城域网第6章局域网与城域网评价介质访问控制有三个基本要素：·协议简单；·有效的通道利用率(Utilization)；·公平性(Fairness)：网上站点的用户公平合理地使用网络。第6章局域网与城域网6.2局域网/城域网参考模型和标准6.2.1IEEE802局域网/城域网参考模型20世纪80年代初，局域网的标准化工作已经展开。其中，国际电工委员会(IEC)着重于研究实时的工业过程控制的网络标准化，如PROWAY，该标准可按优先级设置用户，最高优先级用户获取介质进行传输的等待时间不超过2ms；美国电气与电子工程师协会(IEEE)、欧洲计算机制造厂商协会(ECMA)侧重于研究办公自动化(OA)构架的LAN标准化。第6章局域网与城域网IEEE设立了802委员会，公布了多项LAN和MAN的标准文本，如今美国国家标准局(ANSI)已将IEEE802标准列为美国国家标准。1984年，IEEE802标准又被ISO接纳为国际标准，命名为ISO8802。图6.2.1给出了IEEE802局域网/城域网(LAN&MAN)参考模型。IEEE802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，802委员会认为，其工作重心首先集中于OSI―RM的最低两层的功能，以及与第3层的接口服务、网络互连有关的高层协议。因LAN的网络拓扑简单，没有路由问题，一般不单独设置网络层。OSI―RM的数据链路层对应LAN参考模型的两个子层：逻辑链路控制(LLC)子层和介质访问控制(MAC)子层，提供了数据链路控制与介质和布局无关的理想特性。第6章局域网与城域网图6.2.1IEEE802局域网/城域网参考模型OSI-RM应用层7654321LLCMAC物理层PSAPMSAPNSAPLSAPIEEELAN&MAN参考模型高层协议网间互联表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层物理层PSAPMSAP网间互联第6章局域网与城域网1.物理层功能物理层实现比特流的传输与接收，同步引导码的生成/删除等，并规定了有关的拓扑结构和传输速率，规定了所使用的信号、介质和编码，包括对基带信号的编码和频带信道的分配。2.数据链路层功能局域网数据链路层分为两个子层：介质访问控制(MAC，MediaAccessControl)子层和逻辑链路控制(LLC，LogicalLinkControl)子层。第6章局域网与城域网1)介质访问控制(MAC)子层介质访问控制(MAC)子层在支持LLC子层中完成介质访问控制功能。IEEE802已规定了CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)、TokenBus(标记总线)、TokenRing(标记环)、CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突避免)等一系列MAC功能。在使用MSAP(MAC子层服务访问点)支持LLC时，MAC子层实现帧的寻址和识别，并完成帧校验序列的产生和检验等工作。第6章局域网与城域网2)逻辑链路控制(LLC)子层IEEE802规定了两种类型的链路服务：无连接LLC(类型I)和面向连接LLC(类型II)服务。在类型I的操作中，信息帧在LLC实体间交换，无须在对等层实体间事先建立逻辑链路。站点对类型I的LLC帧既不确认，也无任何流量控制或差错恢复功能。在类型II的操作中，任何信息帧在交换前，在一对LLC实体间必须建立逻辑链路；在数据传送方式中，信息帧依次序发送，并提供流量控制或差错恢复功能。第6章局域网与城域网3.服务访问点(SAP)在参考模型中，每个实体和另一系统的对等层实体间按协议进行通信。在一个系统内的相邻层实体间通过接口进行通信，用服务访问点(SAP)来定义逻辑接口。由图6.2.1可知，在网间互联子层与LLC子层实体间可有多个LSAP，网间互联子层与高一层实体间可有多个NSAP，但LLC―MAC，MAC―物理层间只有一个服务访问点，分别称为MSAP、PSAP。第6章局域网与城域网4.服务原语LLC/MAC的用户服务原语如图6.2.2所示。1)网络互联层与LLC子层间的服务原语(1)不确认无连接数据传输原语如图6.2.2(a)所示。LLC子层用户发送L-DATA.req原语到LLC子层，请求使用不确认无连接协议发送一个LSDU；对端的LLC子层向网络互联层发送L-DATA.ind，指示LSDU的到达。第6章局域网与城域网图6.2.2LLC子层L_DATA.reqL_DATA.indMA_DATA.reqMA_DATA.indMA_DATA.confMAC子层L_CONN.reqL_CONN.confL_CONN.reqL_CONN.confL_DISC.reqL_DISC.confL_DATA.indL_DATA.reqL_CONN.indL_CONN.indL_DISC.ind(a)(b)(c)第6章局域网与城域网(2)面向连接服务的原语如图6.2.2(b)所示。请求建立连接的服务原语组为L-CONN.req、L-CONN.ind、L-CONN.conf。数据传输的服务原语组为L-DATA.req、L-DATA.ind、L-DATA.conf。释放连接的服务原语组为L-DISC.req、L-DISC.ind、L-DISC.conf。此外，还有复位(Reset)、流控的服务原语组。第6章局域网与城域网2)LLC子层与MAC子层间的服务原语图6.2.2(c)给出了LLC子层与MAC子层间的服务原语，包括MA-DATA.req、MA-DATA.ind、MA-DATA.conf。任何一条服务原语需要包含一些必要的参数，指定必须为接收实体所使用的信息。例如，L-DATA.req(local-address，remote-address，L-sdu，service-class)。local-address和remote-address指定数据单元传输中涉及的本地LSAP和远程RSAP，远端可指定为单地址或组地址;L-sdu参数指定由链路层实体传送的链路服务数据单元，service-class参数可指明数据单元传送要求的优先级。第6章局域网与城域网此外，还有status参数(指示与数据单元传输有关的成功程度)、reason参数(指示断链的原因、LLC内部的错误、远程实体的请求)、amount参数(提供LLC实体允许通过的数据量信息)等。值得注意的是，IEEE802面向连接的服务原语中的REQUEST原语请求“服务提供者”发送请求信息，INDICATION原语指示该请求已达目的地，这两条原语与ISO所定义的相同，但并没有RESPONSE原语类型。第6章局域网与城域网IEEE802协议所提供的服务并不将CONFIRMATION与另一服务用户的动作结合在一起，CONFIRMATION原语类型定义为仅表示服务提供者的确认，只有局部意义，因此INDICATION原语和CONFIRMATION原语之间并不存在定时关系。IEEE802面向连接的服务能确保所发送的数据能传送到另一个SAP，且没有任何丢失、重复、损伤或重新排序，但并不保证远程服务用户是否收到了数据，因此,IEEE802服务规范并不需要定义响应服务原语。第6章局域网与城域网6.2.2IEEE802局域网标准IEEE802委员会先后为LAN内的数字设备提出了一套连接的标准，如图6.2.3所