第三章 计算机局域网解读.docx
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第三章计算机局域网解读
第三章计算机局域网
【计划课时】16课时(要求预习教材第二、三章,)
【实物教具】网卡、BNC接头、T形头、双绞线、同轴电缆、50Ω终端电阻、中继器、HUB
3.1LAN的特点P102
·跨越一个物理上有限的距离(一般在10km以内)
·为一个单位或组织拥有
·共享传输信道
·传输速率高(1~100Mbps)
·误码率低(10-8~10-11间)
·多采用分布式控制和广播式通信
各站平等,可进行广播(一站发,其他所有站收)或组播(一站发,多站收)
与广域网相比,广域网主要问题是如何充分利用信道和通信设备,局域网主要问题是多源、多目的数据链路管理。
【链路】(link)中间没有任何交换结点的点到点间的物理线路段。
从通信角度看,由于存在各种干扰,物理链路不可能绝对可靠。
要传输数据,还须具有控制数据传输的规程(协议)。
【数据链路】(datalink)=物理链路+实现可靠传输控制协议所需的硬件和软件
一条物理链路可以复用多条数据链路
3.2LAN的体系结构
3.3.1OSI参考模型与LAN
局域网的体系结构遵循但并不完全符合OSI参考模型。
由于局域网只是一个通信网,所以只有OSI参考模型的低3层,而且网络层并非必要(共享传输介质时,由于任意两节点间只有一条链路,无需进行路由选择和流量控制)。
一、物理层
【作用】在一条物理传输媒体上,实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。
1.OSI的物理层P37
主要解决接口设备的四个特性:
P38
机械特性——连接器形状、引脚数等
电气特性——信号的电气参数等(如电压量值)
功能特性——接口引脚的分配等(某一引脚处出现某一电平的电压表示的意义)
规程特性——传输数据顺序、通信方式(双工/半双工)等
2.LAN的物理层
LAN采用多种传输媒体,所以物理层要求更复杂,一般分为两个子层(sublayer),一个与传输媒体有关,一个与传输媒体无关。
如以太网物理层分为以下两层:
·PLS(物理信令,physicalsignaling)子层(负责比特流的曼彻斯特编码、解码、载波监听)数据编码改变了计算机使用的0、1简单数字信号模式,能更好地适应物理介质的特性,有助于位与帧的同步。
·PMA(物理媒体连接件,physicalmediumattachment)子层(负责冲突检测、超长控制、发送和接收串行比特流)
二、数据链路层P44
【作用】在不太可靠的物理链路上,通过数据链路层协议(链路控制规程)实现可靠的数据传输。
1.OSI的数据链路层(功能较简单)P73
主要功能:
链路管理——通过交换信息建立、维持和释放数据链路
帧同步——发方打包成帧,收方能正确识别帧的起止
流量控制——发方速率控制
差错控制——检错重发(重传8~16次仍失败,将作为不可恢复的故障报告上层用户)
信息分离——区分同一信道或同一帧中数据和和控制信息
透明传输——使收方不致于将与控制信息相同的数据当成控制信息接收
寻址——多点连接时,帧能正确送达,且收方知道发方站址。
数据链路层协议(数据链路控制规程)有面向字符和面向比特两类。
后者传输效率高,广泛用于计算机网络。
·面向字符——在字符(8个二进制位一组)基础上生成报文和接收报文
该规程规定了若干控制字符,以识别报文的开始和结束,如用字符STX(ASCII值2)指示报文开始,用字符ETX(ACSII值3)指示报文结束,二者之间为报文正文(8个二进制位一组)。
00000010(STX)
字符1
字符2
字符3
00000011(ETX)
·面向比特——在二进制位基础上生成报文和接收报文(传输效率高,广泛用于计算机网络。
该规程中报文称为“帧”。
每帧均以二进制位组(01111110)开始和结束。
该帧标志间是正文(任意长二进制位,不必是8的倍数)。
01111110(帧标志)
0010100010……
01111110(帧标志)
OSI根据IBM公司协议扩充而成的高级数据链路控制协议(HDLC,highleveldatalinkcontrol)即为面向比特型数据链路层协议。
其帧格式见P54图2.20
01111110
F(标志)
地址字段
A
控制字段
C
信息字段
(要传送的数据,任意长度)
帧校验字段
FCS
01111110
F(标志)
FCS—FrameCheckSequence
附加各字段的目的是解决链路管理、帧同步、流量控制、寻址、差错控制、信息分离、透明传输和寻址等问题:
P54
帧同步——由标志(flag)字段(8位)标识帧的起止
透明传输——0比特填充技术(发送前先扫描整个帧,若标志字段间连续5个1,则在其后插一个0,接收时同样扫描整个帧,若标志字段间连续5个1,则将其后的一个0删去)。
寻址——由地址字段(8位,可扩展到16位)标识(全1为广播地址,全0为无效地址)
差错控制——由FCS(16位)字段控制
流量控制等——由控制字段(8位)确定的帧类型控制和滑动窗口控制方法控制。
信息帧(I帧):
要传送的数据和捎带的流量控制、差错控制等信号
监视帧(S帧):
均为次站对主站的响应帧,不带信息字段P56表1.2
RR(receiveready)帧:
接收准备好,希望主站继续发送
RNR(receivenotready)帧:
次站正忙(缓冲区满等),希望主站停止发送
REJ(reject)帧:
要求重发N(R)顺序号起各帧(被拒收)
SERJ(selectivereject)帧:
要求重发顺序号为N(R)的那一帧
无编号帧(U帧):
用于链路管理(包括数据链路的建立、释放、恢复的命令和响应)
控制字段
0
信息帧(数据传送)
10
00
RR帧
监控帧
(次站对主站的响应帧)
10
10
RNR帧
10
01
REJ帧
10
11
SERJ帧
11
无编号帧(链路管理)
2.LAN的数据链路层P105
由于采用多站共享传输介质方式,必须解决信道如何分配以解决信道争用问题,必须有媒体访问控制功能。
此外,由于LAN采用的拓扑结构与传输媒体的多样性,必须提供多种媒体访问控制方法。
所以其数据链路层要求也更为复杂,同样分为两个子层:
一个与传输媒体有关,一个与传输媒体无关。
·MAC(媒体访问控制,mediumaccesscontrol)子层
负责执行在物理层基础上进行无差错通信,有管理多个源链路和多个目的链路的功能(对不同的局域网,其MAC子层是不相同的,所以将在后面介绍)。
主要功能:
①管理链路上的通信(实现和维护MAC协议)
②发送时将数据组装成带有地址和差错校验字段的MAC帧
③接收时拆卸帧,并执行地址识别和差错校测
·LLC(逻辑链路控制,logicallinkcontrol)子层
LLC子层主要功能则是:
①建立和终止链路(建立和释放数据链路层的逻辑连接,通过SAP向高层提供逻辑接口)
会议代表上学学生旅游人员
(↑↓)(↑↓)(↑↓)SAP(访问服务点,进出门处)
LLC(出发地/目的地清点人数)
MAC(组成团体或接收团体)
PHYSICS(编号排队上/下交通工具)
交通线路(公路/铁路/水路/航空等)
②控制帧流量(具有帧的接收、发送控制功能)
③确认帧(具有帧差错控制功能)
④帧排序(给LLC帧加上序号)
LLC层提供的4种不同类型的服务:
P108-110
·操作类型1(LLC1):
不确认的无连接服务(数据报服务)
局域网中最为广泛使用,尤其适合点-点通信、广播通信和组播通信(以太网即用之)
此时,端到端的差错控制和流量控制由高层协议提供。
·操作类型2(LLC2):
面向连接服务(虚电路)
特别适合在一定时间内向同一目的地连续发送许多或传送很长的数据文件。
·操作类型3(LLC3):
带确认的无连接服务(可靠的数据报)
不建连接先发出信息,收方发确认信息。
(只用于令牌总线)
·操作类型4(LLC4):
高速传送服务(只用于城域网)
3.3.2IEEE802标准系列
IEEE802委员会为局域网制定了一套标准:
802.1标准对这一组标准作一介绍并定义了接口原语,802.2标准描述了数据链路层的上部,它使用了LLC(逻辑链路控制)协议。
803.3、802.4和802.5分别了描述了3个局域网标准,即CSMA/CD、令牌总线和令牌环标准。
IEEE802.2逻辑链路控制(LLC)标准与媒体访问控制(MAC)标准一起执行数据链路层功能。
IEEE802.2标准总的说来是基于HDLC数据链路控制协议,但又不是HDLC的帧结构,HDLC关于位填充、结束标志等不适用于局域网,因此被LLC删除。
3.3LAN的基本组成
以W/S系统总线型以太网为例:
(参见教材P116图3.11)
3.3.1硬件组成
①文件服务器(FileServer)——专用服务器/高档微机
②工作站(Workstation)或客户机(Client)——通常是微机(有盘/无盘)
【瘦客户机】与特定服务器配套使用的无盘计算机。
(如果使用Sun公司的瘦客户机,就必须购买一台Sun公司的服务器。
不同厂商之间的系统无法相互替代)
③传输媒介(教材P402.2.2节)
a.双绞线(Twisted-PairCable)见P40
“双绞”的作用是减少相邻导线的电磁干扰。
可分为:
·STP(屏蔽,shielded)——可减少外部电磁干扰
·UTP(无屏蔽,unshielded)——价廉(常用)
特点:
模拟传输(宽带信号)/数字通信(基带信号)均可使用
单位价格最低,但每根电缆只能直接连接一个站点,使线路总费用增加
抗高频干扰能力较差
使用双绞线需在传输速率和传输距离之间作出选择
普通电话线就是一种传输模拟信号用的双绞线,但不宜直接用于计算机网络的信号(数字信号)传输(需经MODEM处理)。
b.同轴电缆(CoaxialCable)
可分为:
·基带传输(数据通信)型见P40图2.9
50Ω——RG-11A/U型(粗缆,φ10mm)
RG-58A/U型(细缆,φ5mm)
93Ω——RG62型
·宽带传输(模拟传输)型见P41
75Ω——公用天线电视系统(CATV)用(还有一种300Ω扁平电缆)
c.光导纤维(光纤,OpticalFiber)P42图2.11图2.12
主要用于:
主干网(高速)/防雷击/保密(防窃听)
光是一种电磁波,它在真空中传输速度最快(30万千米/秒),且传输速度随传输介质密度增大而降低。
相对于其他传输媒介,低损耗、高带宽和高抗干扰性是光纤最主要的优点。
目前光纤的数据传输率已达2.4G甚至更高速率(20G以上)。
根据贝尔实验室测试,当数据速率为420Mbps且距离为119km无中继器时,其误码率为10-8,可见其传输质量很好。
光纤表层有用于保护芯线和将光反射回玻璃导体内的镀层,然后封装坚韧的芳纶(制造防弹衣的材料)外皮,最后再用PVC等材料制作的护套封装。
光纤按其传输模式可分为
·多模光纤(multimodefiber)
多模光纤是指在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。
其光纤芯径在50到100μm的范围内,多条入射角度不同的光线可以同时在一条光纤反射式地传播,传输距离2km(100M带宽)。
多模光纤根据折射率的分布特性,可分为渐变型(graded-index)和突变型(step-index)两种。
折射率为渐变型的光纤,其折射率随光纤芯径变化(中心处为0),折射率为突变型的光纤,其折射率在整个光纤直径方向为一常量。
由于突变型多模光纤传输时光信号畸变较大,故常用渐变型多模光纤,其主要规格有:
50μm(纤芯直径)/125μm(包层直径),一般只用于短距离传输(远小于下种)
62.5μm(纤芯直径)/125μm(包层直径),缓变型增强多模光纤,较高的光耦合效率
100μm(纤芯直径)/145μm(包层直径),多模
光纤对准要求不太严格,弯曲时损耗不太灵敏,被推荐应用于所有的建筑物综合布线系统。
支持100Mbps传输率和1.5~2km范围的LAN(波长0.85μm)。
计算机网络一般使用62.5μm光纤。
·单模光纤(single-modefiber)
单模光纤的纤芯直径很小,在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大,折射率为突变型,光线沿其中心直线传输,故光信号的损耗很小,离散也很小,传输距离大大高于多模光纤。
常用规格为8.3μm(纤芯直径)/125μm(包层直径),衰减小,适合远程传送,但需用昂贵的注入式激光二极管作光源。
〖说明〗按工作波长光纤还可划分为:
短波光纤(SW):
0.85μm(0.8~0.9μm,第一窗口)均为多模
长波光纤(LW):
1.30μm(1.25~1.35μm,第二窗口)单模或多模
1.55μm(1.53~1.58μm,第三窗口)均为单模
【使用光纤注意事项】光缆不易分支,所以一般适用于点到点的连接。
光纤在任何时间都只能单向传输,因此,要实行双向通信,必须成对使用,一个用于输入,一个用于输出。
每一条光纤电缆的连接都需要小心地磨光光端头,通过电烧烤或化学工艺与光学接口连在一起。
整个安装过程,必须确保光通道没有被阻塞,也不能将光纤拉得太紧或形成直角。
光缆弯曲时容许的最小曲率半径应不小于光缆外径的15~20倍。
【光纤软跳线】光纤的传输是单方向的,所以两机间如果连接光纤的话,必须至少是两根光纤,一根发送数据,一根接收数据。
一般的光纤又分为2芯、4芯、6芯、8芯光纤等,可以连接到多个计算机。
一般来说,多芯光纤并不直接连接到计算机的网卡上,而是连接到一种叫做光端器的设备上。
还有一种光纤,即所谓“光纤软跳线”,它并非一般常识中的那种JUMPER,也是光纤,一根光纤软跳线中只含有一根光纤,只能进行单向的数据传输,其作用就是连接光端器和计算机上的网卡。
一般连接一台计算机需要两根光纤软跳线,一根发送数据,一根接收数据。
【光纤连接方式】光纤有三种连接方式。
首先,可以将它们接入连接头并插入光纤插座。
连接头要损耗10%到20%的光,但是它便于系统重新配置。
第二是机械接合,即将两根小心切割好的光纤的一端放在一个套管中,然后钳起来。
其操作需要专业人员进行,光的损耗约为10%。
第三种是融合连接,形成的光纤和单根光纤差不多是相同的,损耗最小。
d.无线传输(微波/红外/激光)P43
只能直线传输。
红外线和激光对环境(如雨、雾、雷电)干扰特别敏感。
微波对环境干扰不敏感,但方向性不强,存在着窃听、插入数据等一系列不安全问题。
主要用于移动通信和不便于铺设有线电缆(光缆)的场合。
④网卡(NIC,LANCard)——又称“网络接口卡”、“网络适配器”
是网络设备(电脑等)与传输媒介(如电缆)间的信号转换接口电路和协议支持部件。
⑤其余共享的硬件资源(硬盘、打印机、Modem等)
⑥网络及网间连接器(HUB、中继器、交换器、路由器、网关、网桥等)
3.3.2软件组成
①网络操作系统(NOS)——主流为Novell公司的NetWare网络操作系统和微软公司的WindowsNT(Server版),Windows2000(Server版),
②工作站操作系统——MS-DOS、Windows9X
③各种应用软件——如数据库管理系统
3.4LAN的基本网型
3.4.1三大基本网型
三个LAN协议(争用、轮询、令牌传递)分别与三个LAN的基本拓扑结构(总线、星、环)相结合,形成了三大基本网型:
·以太网·ARCNet网·令牌环网
3.4.2其他网型
·FDDI光纤环网
·100VG-AnyLAN(HP公司开发,可利用3类双绞线实现声音级网络传送,淘汰)
·ATM
·无线局域网
3.5以太网(Ethernet)
3.5.1概述
【以太网】符合IEEE803.3标准(即采用CMSA/CD访问控制方式)的网络系统。
由美国Xerox(施乐)公司和Stanford(斯坦福)大学联合开发并于75年推出,原为总线型,现已扩展到星形、星形总线、树形等。
由于以太网与其他LAN类型相比,具有易用、易安装、易维护、低成本等诸多优点,目前世界上80~85%与LAN相连的PC和工作站使用以太网连接。
以太网为基带系统,采用曼彻斯特编码,且只支持LLC层的类型1操作。
传统以太网主要技术指标
拓扑结构
传输媒体
最大网段长
最大节点数
访问控制协议
编码形式
传输速率
总线型
星型
UTP
STP
同轴电缆
光纤
100m
100m
粗同轴500m
细同轴185m
多模4km
1024个
1024个
粗同轴100个
细同轴30个
IEEE803.3
CSMA/CD
曼彻斯特
10Mbit/s
3.5.2以太网电缆标志
【例】50Ω同轴电缆(基带传输型)
—F光纤
—T双绞线
10BASE5同轴电缆(每个网段最大长度500米)
电缆上传输的信号是基带信号(数字信号)
传输速率为10Mbs(兆位比特/秒)
75Ω同轴电缆(宽带传输型)
10BROAD36同轴电缆(每个网段最大长度3600米)
电缆上传输的信号是宽带信号(模拟信号)
传输速率为10Mbs(兆位比特/秒)
3.5.3以太网的分类
传统以太网按其电缆标志分类。
·10BASE5(粗缆以太网)
·10BASE2(细缆以太网)
·10BASE-T(双绞线以太网)
·10BASE-F(光纤以太网)
·1BASE5(低速以太网)
·10BROAD36(宽带以太网)
·100BASE-T(快速以太网)光纤或双绞线
近年来高速以太网不再按电缆类型分类,如:
·GigabitEthernet(千兆以太网)光纤或双绞线
发展趋势:
10G带宽(万兆以太网)。
3.5.4以太网的特点
任何一个网上设备在传输数据时,其他的设备只能等待,同时有两个或两个以上设备在传输数据时,“碰撞”便会发生而导致重发,直到没有出现碰撞为止。
(简言之,任何一个站点在传输数据时,其他站点必须等待——即所谓CSMA/CD访问控制方式或曰“争用”方式)
为了能够正确地检测出冲突信号,一般要限制最大电缆段(网段)长度。
3.5.5以太网的帧格式P117
帧长度:
64~1518字节(从DA~FCS)
803.3帧格式
PA
1010…1010
前导
SFD
10101011
帧起始
DA
目标地址
SA
源地址
L
数据字段长度
DATA
数据
PAD
帧填充
FCS
帧校验
7字节1字节6字节6字节2字节46-1500字节4字节
以太网帧格式
PA
1010…1010
前导
11
同步
DA
目标地址
SA
源地址
类型
DATA
PAD
FCS
帧校验
MAC控制操作码(2字节)
控制码参数(60字节,不足填0)
62位2位6字节6字节2字节46-1500字节4字节
PA=PreambleSFD=Start-of-FrameDelimiter
DA=DestinationAddressSA=SourceAddressFCS=FrameCheckSequence
【注】类型值不超过1500时,表示数据字段长度;等于8888(十六进制)时,表示MAC控制帧,等于8100(十六进制)时,表示VLAN-tagged(标识)帧,用来辅助路由和网络管理。
值为其他时,表示非标准的专用帧。
3.5.6以太网的站点地址(address)P118
IEEE为局域网制定了两种管理模式:
全局管理和局部管理,相应工作站的地址也分为:
全局地址和局部地址。
前者又称“绝对地址”或MAC地址,对所有空间和时间(即在任何LAN中)都是单值的、唯一的。
后者是指在局部管理方式下每个局域网按自己的地址结构为工作站所规定的地址。
这种地址仅在自身的局域网中才是单值的、唯一的,故又称“相对地址”。
其识别符在地址字段的第2位。
全局地址(目标地址与源地址可以在不同网域上):
I/G
1
46位地址
局部地址(目标地址与源地址必须在同一网域上):
I/G
0
14位地址
I/G=1表示单地址I/G=0表示组地址
MAC地址又称硬件地址或物理地址。
使用MAC地址的不是以太网就是令牌环网。
MAC地址有六个字节的信息,常用十六进制表示,前三个字节为网络设备生产厂商代号,后三个字节为厂商分配到设备上的序列号,如下:
00000CB40E1A
或00-00-C-B4-0E-1A简写为C-B4-E-1A
著名网络厂商标识
厂商
CISCO
3Com
HP
Sun
IBM
Intel
厂商代号
00000C
02608C
080009
080020
08005A
00AA00
每个MAC地址在全球都是唯一的。
如果生产商用完了分配的标识数字,它总是能够得到新的前缀。
FF-FF-FF-FF为广播地址。
SA不可为广播地址。
检测本机MAC地址的方法:
使用winipcfg命令(适配器地址即MAC地址)
3.5.7以太网的MAC子层功能
以太网的MAC子层负责执行CSMA/CD协议:
1.发送和接收数据封包
a.帧处理(帧定界,帧同步)
b.寻址(源地址和目的地址处理)
c.错误检测(物理介质传输错误)
发送过程:
最开始是正确的前导/SFD序列,接着是真正的帧内容(包括DA,SA,长度/类型以及数据),最后是作为FCS域的计算出的CRC序列。
MAC层应有效地将主机(计算机)传递给它的面向字节的数据进行转化,并将其串行化为可在网络介质上进行传输的位流。
接收过程:
MAC层必须将输入的位流重新转化为由字节构成的帧。
MAC层检查所接收到的位流,找出帧起始位置,并丢弃前导和帧起始SFD字段。
然后MAC层将所接收帧中的目标地址字段值与并与本机的MAC地址进行比较。
如果不匹配,便丢弃接收帧。
如果匹配则将对所接收的帧独立计算其CRC值,并将计算结果与从接收帧FCS字段(最后4个字节)中值CRC比较。
如果彼此不匹配,MAC层就发出“出错”报告。
2.介质存取管理
a.介质分配(冲突避免)
b.竞争化解(冲突处理)
3.5.8以太网的网卡
以太网卡的基本功能和图形
网络总线
曼彻斯特
收发器AUI编码/译码器LAN控制器
【注】FIFO=先进先出
【类型】
常用网卡类型总线规格适用机型
NE1000及兼容卡(8位)ISA总线IBM-PC、XT
NE2000及兼容卡(16位)ISA总线286(AT)至486
NE3200及兼容卡(32位)EISE总线EISA总线PC
VL总线卡(32位)VESA
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