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　　计算机网络 第7章局域网 靳海轶 东软信息学院计算机系网络教研室 本章知识点 了解局域网的发展史 掌握局域网的拓扑结构 理解以太网的工作原理、CSMA/CD协议 掌握MAC地址、争用期、最短帧长 以太网的帧格式 掌握组建以太网方法，集线器和交换机区别 理解VLAN 局域网的产生与发展 20世纪60年代末，局域网先驱：ALOHA 无线年代：以太网（Ethernet）技术 产生 20世纪80年代：令牌环(Token Ring)， FDDI (Fiber Distributed Data Interface, 光纤分布式数据接口)技术产生，IEEE的 802委员会提出802系列标准 以太网在竞争中取得了统治地位 IEEE 802系列标准 IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers INC， 即“电气与电子工程师协会” 该委员会制定了一系列局域网络标准， 统称为IEEE 802标准。 IEEE 802系列标准 802.1──通用网络概念及网桥等 802.1Q VLAN 802.2── LLC 逻辑链路控制等 802.3── CSMA/CD访问方法及物理层规定 802.3 10Mb/s 802.3u 100Mb/s 802.3z 1Gb/s 802.3ae 10Gb/s 802.4──Token BUS访问方法,物理层规定 802.5──Token Ring访问方法及物理层规定等 802.6── MAN 城域网的访问方法及物理层规定 802.7──宽带局域网 802.8──光纤局域网(FDDI) IEEE 802系列标准 802.9── ISDN局域网 802.10──网络的安全 802.11──WLAN 无线M 802.11b 5.5M 11M 802.12──100VG-AnyLAN高速区域网络 802.13──未使用 802.14 ──CATV交互式有线 ──WPAN无线个人网技术标准，如蓝牙 (Bluetooth)。 802.16 ──WMAN宽带无线接入技术 局域网的拓扑结构 局域网中常见的拓扑结构有总线型、星 型和环形三种 局域网的体系结构 局域网是一种通信网络，只涉及的OSI模型中 的数据链路层和物理层，不涉及高层的内容 IEEE的802委员会将局域网分为两个子层： MAC子层和LLC子层 MAC子层主要用来解决多个节点如何使用共享 介质的问题。 数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在 LLC子层，其主要功能是：数据链路的建立和 释放、LLC帧的封装和拆卸、差错控制、提供 与高层的接口等 局域网的体系结构 OSI参考模型 IEEE 802参考模型 7.应用层 6.表示层 高层 5.会线.网络层 LLC子层 2.数据链路层 MAC子层 局域网 1.物理层 物理层 不考虑LLC 子层 由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是802.3 标准中 的几种局域网，因此现在802 委员会制 定的逻辑链路控制子层LLC （即802.2 标准）的作用已经不大了。 很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC 协议而没有LLC 协议。 以太网 1972年以太网刚刚产生时，速度仅有 2.94Mbps 1982 DIX v2版本的推出，以太网的速度已经 提高到了10Mbps 1995年出现了100Mbps以太网标准和产品， 1998年又推出了吉比特以太网标准，2002年6 月10吉比特以太网标准也正式推出 以太网已经成为占统治地位的局域网技术 以太网的基本工作模型 以太网是一个总线型的网络，任何一个 主机发出的信号，都能被网络中其他所 有的主机收到。 以太网需要解决的问题 冲突问题 寻址问题 MAC地址 每一块网卡从被生产出来，就带有一个全球唯 一的、固化在ROM中的地址。这个地址称为 MAC地址(或硬件地址、物理地址) 。 一个MAC地址的长度是48bit (即6个字节) 。 其中前3个字节称为机构唯一标识符OUI， 由IEEE的注册管理委员会RAC负责分配。 后3个字节称为扩展标识符，可以由各厂家 自行指定。 MAC地址 在发送数据时，以太网的帧首部写入目 的主机的MAC地址 主机收到数据帧后，首先检查帧首部的 目的MAC地址，如果是发给自己的，就 接收数据帧，否则将数据帧丢弃 实现广播网络中的一对一通信 网卡上的硬件地址 路由器由于同时连接到两个网络上， 因此它有两块网卡和两个硬件地址。 1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02 路由器 20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4 20-60-8C-11-D2-F6 网卡检查MAC 地址 网卡从网络上每收到一个MAC 帧就首先 用硬件检查MAC 帧中的MAC 地址. 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他 的处理。 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧（一对一） 广播(broadcast)帧（一对全体） 组播(multicast)帧（一对多） CSMA/CD 协议 在以太网中，同一时间只能允许一台计 算机发送信息。 因为在以太网中，数据的发送都是采 用广播的方式；因此，只要有一台计算 机在发送数据，总线就会被占用。 如果有多台计算机同时发送，它们就 会相互干扰，结果大家都无法正常发送 数据。 CSMA/CD协议 以太网使用载波监听多路访问／冲突检 测协议（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ， CSMA/CD）来解决总线使用权的问 题，处理网络中产生的冲突问题 网络中的每个结点都能访问总线，通过 总线发送数据，称为多路访问 载波监听多路访问/冲突检测 CSMA/CD “载波监听”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，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此，“载波 监听”就是用电子技术检测总线上有没有 其他计算机发送的数据信号。 CSMA/CD协议 “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，表明产生了冲突。 CSMA/CD协议 在发送数据前，结点需要先“听”一下总线上是 否有数据信号，这个过程称为载波侦听 如果检测到有数据信号，结点便等待直到总线 空闲。如果“听”到总线没有数据信号，那么结 点就将数据帧发送出去 在发送数据帧的同时，还需要继续监听总线， 检测是否发生了冲突，称为冲突检测 如果检测到了冲突，就马上停止数据发送。等 待一个随机的时间后，再次重发 争用期 一个站发出数据后，要开始进行冲突检测。那 么是不是要一直检测下去呢？ 不是的，其实只要检测一段时间就够了；如 果过了这段时间还没有检测到冲突，那么以后 肯定就不会发生碰撞了。 那么究竟要检测多长时间呢？ 经过推导，发现这个时间的长度为两倍的以 太网端到端传播时延 即：争用期＝2 总线长度/信号的传播速率 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。 带宽 “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带 宽度，信道传输能力的度量，单位是赫（Hz ） （或千赫、兆赫、吉赫等）。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据 率”的同义语，单位是“ 比特每秒”，或b/s (bit/s)。 例如：传统以太网理论上每秒可以传输一千万 比特，它的带宽为10Mb/s。 网络的吞吐量 常用的带宽单位 更常用的带宽单位是 千比每秒，即kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即Mb/s （106 b/s） 吉比每秒，即Gb/s （109 b/s） 太比每秒，即Tb/s （1012 b/s） 请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240 。 时延(delay 或latency) 传播时延 电磁波在信道中需要传播一 定的距离而花费的时间。 信号传输速率 （即发送速率）和信号在 信道上的传播速率是完全不同的概念。 信道长度（米） 传播时延 = 信号在信道上的传播速率（米/秒） 以太网的争用期长度 以太网中规定：取51.2 μs 为争用期的长度。 对于10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即64 字节。 以太网在发送数据时，在前51.2 μs 内会进行 冲突检测，如果没有检测到冲突，则以后就不 会发生冲突了。以太网就认为这个数据帧的发 送是成功的。 以太网的最短有效帧长 如果发生冲突，就一定是在发送的前64 字节 （前51.2 μs ）之内。 由于一旦检测到冲突，是要立即停止发送的； 所以如果发生冲突，则发送出去的数据一定是 小于64 字节的。 因此，以太网规定了最短有效帧长为64 字节， 即一个正常帧的长度必须不小于64字节。 凡是接收端收到长度小于64 字节的帧都认 为是由于冲突而异常中止的无效帧。 最短有效帧长的计算 最短有效帧长L：应该是在争用期这段时间内， 发送端发送的数据长度。 L = 争用期×发送速率(带宽) 例子：假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为 100Mb/s，设信号在网络上的传播速率为 200 000km/s 。求能使用此协议的最短有效帧长。 以太网的帧格式 现在主流的以太网帧格式是DIX V2标准 的帧格式 以太网的帧格式 目的地址字段占6字节，指明接收方的MAC地 址 源地址字段占6字节，表示发送方网卡的MAC 地址 类型字段占两字节，指明所封装的高层协议数 据的类型 数据字段存放高层的协议数据单元，其中最常 用的是IP数据报，数据字段的最短长度是46字 节，最大值是1500字节 CRC校验和用来检查帧传递过程中发生的错误。 如果CRC校验出错，那么接收方就丢弃这个帧 以太网的性能和提供的服务 以太网在轻负载下面工作得很好。在重负载下 （在以太网上，超过30 ％的利用率就认为是重 负载），冲突会浪费掉大量的网络带宽 以太网向高层提供的是无连接的服务，向高层 提供的是不可靠的通信服务，它只会去尽力投 递 如果出现了帧丢失的情况，高层应该负责检测 出这些错误，并将数据交给以太网重发，以太 网不会意识到这是以前发送过的数据，它会认 为这是高层交给它的新数据 以太网的性能和提供的服务 以太网是一个简单的局域网络，容易实 现和管理。 在局域网络中线路状况都比较好，出错 概率很低的情况下，以太网能够比较好 地工作，也能适合于高效率的传输数据。 组建以太网 组建以太网需要 网卡 通信介质 局域网设备 网卡 网卡主要完成数据链路层和物理层的功能： 帧的封装与解封装。 接收高层的数据，将其封装成帧；收到一个帧后， 如果是发给自己的，去掉帧的首部和尾部，将数据 交给高层协议。 实现介质访问协议。主要是实现CSMA/CD协议 对数据进行编码和译码。 即如何表示0和1的问题。10Mbps的以太网采用曼 彻斯特编码。 通信介质 传统以太网可使用的传输媒体有四种： 铜缆（粗缆或细缆） 铜线（双绞线） 光缆 这样，以太网就有四种不同的物理层。 以太网媒体接入控制MAC 以太网媒体接入控制MAC 10BASE5 10BASE2 10BASE-T 10BASE-F 10BASE5 10BASE2 10BASE-T 10BASE-F 粗缆 细缆 双绞线 光缆 粗缆 细缆 双绞线 光缆 铜缆或铜线连接到以太网 的示意图 主机箱 主机箱 主机箱 网卡 DB-15 连接器 收发器电缆 双绞线 收发器 插入式 BNC 连接器 RJ-45 插口 插头 分接头 内导体 MAU MDI 集线器 外导体屏蔽层 保护外层 BNC T 型接头 BNC 终结器（终端电阻） 接地端 BNC 终端电阻 用粗缆连接到计算机 粗缆 抽头（吸髓）Vampire taps 收发器 Transceiver 收发器线缆 四种电缆对比表 最大区间长 节点数/ 名称 电缆 优点 度 段 10Base5 粗同轴电缆 500m 100 用于主干很好 10Base2 细同轴电缆 185m 30 最便宜的系统 10Base-T 双绞线 易于维护 最适于在楼间 10Base-F 光纤 2000m 1024 使用 局域网设备 主要的局域网设备有集线器和交换机 主机将帧发给集线器后，集线器会将这个帧以 广播的方式发送给其他所有的主机 集线器不能识别数据帧的格式和内容，它做的 就是将表示这个帧的电信号发送给其他所有的 主机 集线器是工作在物理层上的设备，用集线器连 接起来的局域网中所有主机要共享集线器的带 宽 局域网设备 交换机是工作在数据链路层的设备。 交换机收到一个数据帧后，能够识别出这个帧 的结构，根据帧的目的地址，将这个帧转发到 对应的某个端口上去，而不是广播到其他所有 的端口 在每个交换机内部都维护有一张表，这个表记 录了交换机上每个端口所连接主机的MAC地址 信息，交换机根据这个表来把数据帧转发到正 确的端口上 冲突域和广播域 在一个集线器连接的局域网中，一个时 刻只能有一台主机发送数据，如果有两 台主机同时发送就会产生冲突，所以一 个集线器都是一个冲突域 当一个主机发出一个广播帧（目的MAC 地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF）时，这个 帧所能达到的区域就是一个广播域 冲突域和广播域 对于集线器，广播域和冲突域是重合的。 对于交换机而言，如果收到一个广播 帧，交换机会将这个帧转发给其他所有 的主机，所以一个交换机是一个广播域 交换机有多个冲突域，每个端口是一个 冲突域。 VLAN 随着局域网的范围在不断扩大，广播域 也在不断地扩大，随之带来了“广播风暴” 问题 虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN ）是为解决以太网的广 播风暴问题和安全性而提出的一种技术 VLAN 在交换机上做特定的设置，将属于一个 局域网的主机分成若干个小组，每个小 组就是一个VLAN ，有一个VLAN标识。 一个VLAN是一个逻辑广播域，一个广播 帧只在某个VLAN范围内传递，不会传递 到其他的VLAN上。利用VLAN可以有效 地在交换机上分割广播域 VLAN VLAN 的优点 控制广播风暴 提高网络整体安全性 网络管理简单、直观 划分VLAN 基于端口 基于MAC地址 基于网络层 根据IP组播划分VLAN VLAN标准 1996 年3 月, IEEE 802委员会完成了 VLAN 初期标准的制定, 提出了802. 1Q 虚拟局域网的帧格式 三层交换 不同VLAN之间主机不能直接通信，需要路由 器转发数据，这会大大增加路由器的负担，会 使路由器成为网络传输的瓶颈 第三层交换技术路由技术与交换技术合二为一。

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