第4章 计算机局域网.docx
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第4章计算机局域网
第3章计算机局域网
主要内容:
4.1局域网概述(概念、特点、决定局域网特性的几项技术等)
4.2局域网的参考模型
4.3总线型局域网(拓扑结构、媒体访问控制办法CSMA/CD、以太网)
4.4令牌环局域网(媒体访问控制办法、令牌环网的管理)
4.5令牌总线局域网(工作原理等)
4.6三种局域网的比较
重点内容:
1、局域网的参考模型
2、决定局域网特性的主要技术
3、总线局域网的媒体访问控制方法
4、令牌环局域网的工作原理
5、令牌总线局域网的工作原理
6、
4.1局域网概述
4.1.1局域网的概念和特点
局域网的研究开始于20世纪70年代,这也是吸取了计算机网络没有标准化带来的不便,对局域网的研究和标准化的提出都比较及时。
当时比较典型的代表是在1975年美国的Xerox公司推出的试验性以太网和1974年英国剑桥大学研制的剑桥环网。
现在,应用比较广泛的局域网有:
Novell公司的NetWare
IBM公司的令牌环网
4COM公司的4COMEther系列网
微软公司windowsNT
目前,局域网处于飞速发展和广泛应用之中,很难给出局域网的一个严格的定义,给出的比较通俗的定义是这样:
局域网(LAN-LocalAreaNetwork)是将分散在有限地理范围内(如一栋大楼,一个部门)的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络,通过功能完善的网络软件,实现计算机之间的相互通信和共享资源。
局域网的特点
∙网络覆盖范围小(25公里以内),通常是一个机关、工厂、学校、一个建筑物等。
∙高的传输速率和低的传输误码率。
∙硬软件设施及协议方面有所简化:
对于广域网而言,它涉及的范围广,通信的线路长、要进行通信时,要涉及到的通信设备比较多和线路比较多,要解决的问题也就很多,所以要用到的协议比较复杂。
但对局域网而言,距离较短,传输数据的速率高,并且可靠性较高,要面对的问题就会少一些,所以,网络协议相对比较简单。
∙媒体访问控制方法相对简单
∙采用广播方式传输数据信号,一个结点发出的信号可被网上所有的结点接收,不考虑路由选择的问题,甚至可以忽略OSI网络层的存在。
4.1.2决定局域网特性的主要技术
决定局域网特性的主要技术有三项:
网络拓扑结构、传输介质和媒体访问控制方法,下面分别给以介绍:
1、网络拓扑结构
构成局域网的网络拓扑结构主要有星形结构、总线结构、环形结构和混合形结构。
星形结构:
星形结构由中央结点和分支结点构成,各个分支结点均与中央结点具有点到点的物理连接,分支结点之间没有直接的物理通路。
如果分支结点间需要传输信息,必须通过中央结点进行转发;或者由中央结点周期性地询问各分支结点,协助分支结点进行信息的转发。
最近几年,由于集线器(Hub)的出现和双绞线大量用于局域网中,星型拓扑结构用的开始广泛起来。
总线结构:
重要特征就是采用广播式多路访问方法,即一个接点发出消息,其他各个结点都能收到这个消息。
优点:
1)可靠性高
2)扩充方便
典型的代表:
著名的Ether网
目前,总线结构是局域网中应用最广泛的一种的拓扑结构。
环形结构:
环接口设备通过传输媒体串接形成闭合环路,每个环接口设备仅与其相邻的两个环接口设备(分别对应上行和下行环接口设备)之间具有点到点连接,入网设备通过环接口设备接入环路。
当某个结点具有信息希望发送时,信息首先发到对应的环接口设备,并沿环路发往其下行的环接口设备,该设备进行转发或者递交给其附接的结点。
优点:
控制简单
结构对称性好
传输速率高
应用:
IBM令牌环网
剑桥大学的剑桥环网
混合形结构:
混合形结构是将上述各种拓扑混合起来的结构,常见的有树形(总线结构的演变或者总线和星形的混合)、环星形(星形和环形拓扑的混合)等。
应用的实例:
Datepoint公司的PBX混合局域网络
2、传输媒体
用于局域网的传输技术主要分有线传输和无线传输两类,有线传输使用的媒体包括双绞线、同轴电缆和光缆;无线传输媒体为大气层,使用技术主要包括微波、红外线和激光。
局域网的传输形式:
基带传输和宽带传输
4、媒体访问控制方法:
将传输媒体的频带有效的分配给网上各站点的方法,称为媒体访问控制方法。
访问方法有很多,例如固定分配(频分多路访问、时分多路访问等),
不同的拓扑结构的局域网,采用的访问方法可能不同:
环型网采用的令牌访问方法
总线型网采用CSMA/CD访问方法等
4.2局域网的参考模型
局域网也是网络体系结构的一种,它的模型或者说它的层次结构应该采用OSI参考模型。
类似于OSI模型,局域网中的各个层次在设计时,只需涉及改层与其上下层之间的接口和该层所要完成的协议即可,不再需要考虑与其他各层之间的关系。
近年来,由于局域网的发展非常迅速,产品的种类繁多,在传输媒体、媒体访问控制方法和数据链路的控制等方面都形成了自己的特色,有了计算机网络体系结构没有及时形成标准的教训,许多组织都对局域网的标准化进行研究,其中IEEE802委员会制定的IEEE802标准进展较快,许多IEEE802标准已经成为ISO国际标准化组织。
大家都已经知道了,在OSI模型中,下三层主要负责通信工作,而局域网而言,他在通信方面有自己的特色:
1)传输数据的单位是帧。
2)局域网的拓扑结构都比较简单,以总线、树型或环型为主,并且是多个站点共享传输信道,在任意的两个站点之间只有唯一一条链路,所以路径选择和流量控制的要求不是很强。
所以局域网中,没有必要设置网络层,但是物理层是必须有的。
物理层:
主要进行物理连接,在实现比特流的传输和接收。
其主要任务是描述传输媒体接口的一些特性。
例如接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性,这一点跟OSI模型相同。
数据链路层在局域网中也是必须的,主要作用是:
通过一些数据链路层协议,在不太可靠的传输信道上实现可靠的传输,负责帧的传送与控制。
但是在局域网中,由于各站共享公用信道,因此,就要解决信到如何分配,如何避免或解决信道争用,这就意味着数据链路层必须有媒体访问控制功能。
但局域网中,采用的拓扑结构和传输媒体多种多样,相应的媒体访问控制方法也有多种,所以数据链路层就会包括与传输媒体有关和无关的部分,也就是与硬件有关和无关的部分。
相应的层就分为:
逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC).
逻辑链路控制子层LLC:
集中了与媒体接入无关的部分,具有帧的发送和接收及差错控制功能;
将要发送的数据加上地址和循环冗余校验码等形成LLC帧。
在接收数据时,去掉控制字段,对帧进行拆封,并执行地址识别和CRC校验功能,同时还能执行一些网络层的功能,例如多路复用等。
媒体访问控制子层MAC:
这部分是接如各种媒体有关的部分,负责管理多个两路和多个目的两路的功能。
●发送信息时,把LLC帧组装成带有地址和差错控制校验字段的MAC帧,接收数据时,执行地址识别和差错校验。
●实现和维护MAC协议。
局域网中,拓扑结构相对简单,网络层是不必要的,但是通常在数据链路层中的逻辑链路控制子层上设置网络层的服务访问点SAP。
如此一来局域网中只包括了两层,如图:
4.4IEEE802标准
为了规范LAN的设计,IEEE的802委员会针对各种局域网的特点,并且参照ISO/OSI参考模型,制定了有关局域网标准(称为IEEE802系列标准)。
有关LAN的标准化主要集中在OSI体系结构的低二层,已制定了一系列的标准,具体包括:
IEEE802.1A——综述和体系结构
IEEE802.1B——寻址、网络管理和网络互连
IEEE802.2——逻辑链路控制协议(LLC)
IEEE802.4——载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)访问控制方法和物理层规范
IEEE802.4——令牌总线(Token-Bus)访问控制方法和物理层规范
IEEE802.5——令牌环(Token-Ring)访问控制方法和物理层规范
IEEE802.7——宽带时间片环(Time-Slot)访问控制方法和物理层规范
IEEE802.8——光纤网媒体访问控制方法和物理层规范
IEEE802.9——等时网(Isonet)
IEEE802.10——LAN的信息安全技术
IEEE802.11——无线LAN媒体访问控制方法和物理层规范
IEEE802.12——100MbpsVG-Anylan访问控制方法和物理层规范
IEEE802系列标准间的关系如图所示:
4.4总线型局域网
4.4.1总线型局域网的组成
总线型局域网的拓扑结构:
总线型的拓扑结构,即采用单根传输线作为传输媒体,所有的站点经网卡接口接到传输媒体上(或总线上)。
任何一个站点所发送的信息都沿着媒体传输,其他的所有站点都可以接收。
主要的成分:
传输媒体、收发器、网卡、工作站等
1、传输媒体:
可以使用双绞线合同轴电缆,通常情况下,不用光缆。
另外,在总线两端要加上端吸收器(吸收电阻)。
2、收发器:
3、网卡:
又称网络适配器。
通常,网卡以插件板的形式插入到计算机的一个扩展槽中。
主要作用:
将工作站或其他的网络设备发送的数据送入网络,或从网络中接收其他设备发来的数据,并将它送给工作站。
为实现上述任务,网卡应具有下述功能:
1)数据的封装和接封
2)链路的管理
3)编码和解码
4、工作站:
通信系统的使用者,可以是PC机、工程工作站等。
4.4.2CSMA/CD媒体访问控制
各种局域网的性能在很大程度上取决于所选的媒体访问控制协议,直接影响到网络的响应时间、吞吐量和效率等。
总线型局域网通常采用的媒体访问控制协议是载波侦听多路访问冲突监测媒体访问控制协议,简称CSMA/CD。
这一协议来源于ALOHA协议。
4.4.2.1ALOHA协议
基本思想:
//无论何时,各站点只要有信息,就发送
//时间=信道上最大可能的往返延迟,即信道上最远站之间传播延迟的两倍
如果两个站点同时发送信息,信息在同一信道上进行传输时,这些信息会相互工扰而出现错误,叫“冲突”。
出现冲突时,等待一段时间,然后重发。
致命的缺点:
当发送信息的工作站增加或发送信息的频率增加时,信道的负载就会增加,冲突也将增加,导致信道的吞吐量变得很低,甚至降到零。
4.4.2.2载波侦听多路访问协议(CSMA)
这是对ALOHA协议的改进,基本思想如下:
基本上是先听后说。
.
常用的算法有三种:
1、不坚持CSMA
●如果信道是空闲的,则发送信息
●如果信道是忙的,等待一段时间,重复第一步
2、1坚持CSMA
●如果信道空闲,发送信息
●如果信道是忙的,继续监听,直到信道空闲,立即发送信息
●如果发生冲突,等待一段时间重复第一步
3、P坚持CSMA
●如果信道是空闲的,则以P概率发送,而以(1-P)的概率延迟一个单位时间
●如果信道是忙的,继续侦听直到信道空闲,重复第一步
●如果发送被延迟一个时间单位,则重复第一步。
4.4.4载波侦听多路访问/冲突检测协议(CSMA/CD)
采用CSMA协议是,当总线上两个站点侦听到总线上没有信号存在而发送数据,但仍会产生冲突。
CSMA/CD是对CSMA协议的改进,基本思想如下:
有数据发送
信道空闲
监听
发送数据并监听
有冲突
4.4令牌环局域网
4.4.1拓扑结构和传输媒体
拓扑结构为环状拓扑结构,即所有的通信共享一条物理通道,即连接网中的所有节点的点到点链路,环由该链路和许多中继器或适配器组成,每个中继器通过单向传输链路连接到另外两个中继器,形成单一的闭合通路。
环状局域网通常采用的传输媒体:
双绞线、同轴电缆、光缆等。
4.4.2媒体访问控制
对令牌环局域网,采用的媒体访问控制方法有三种:
令牌环网、时隙开槽环网、寄存器插入环网。
其中令牌环网是使用最普通的一种。
令牌环网的工作原理:
在这一方法下,环上流动着叫做令牌的一种特殊格式的帧,当环上的各站都没有数据发送时,令牌处于空闲状态,当环上的工作站要发送数据时,必须先获得令牌。
具体工作过程有以下几个阶段:
1、截获令牌与发送数据:
因为信息在环型网中按照同一个方向流动,所以当站点要发数据时,等待空闲的令牌送到自己的位置时,把令牌截获下来,并将空闲令牌改为忙令牌,并把要发送的数据加在忙令牌的后面,发送到环上进行传输。
当令牌处于芒的状态时,其他的站点就不能发送数据,只有等待,直到令牌重新变成闲的状态。
2、接收帧与转发帧:
数据发送到环上后,环上的各个站点都可以收到这个数据,但是,每一个站点都会把自己的地址同发送过来的数据的目的地址比较,如果目的地址同自己的地址相同,则复制该帧,送入本站,并把帧向下一站转发。
如果目的地址同他自己的地址不同,则它只是把该数据帧转发给下一个工作站。
4、撤销帧与重新发令牌:
原站点发送的数据帧还要沿着环向下传输,最后还要回到原站点。
原站点对数据帧进行检查,判断数据发送是否成功,如果发送成功,则撤销发送的数据帧,并立即生成一个新的令牌,发送的环上,使得其他的站点也有机会发送数据。
如果原站点发现目的站点没有复制数据帧,则重新发送数据帧。
4.4.2MAC帧的格式
在IEEE802.5标准中,令牌环的MAC子层有两种基本形式:
令牌帧和非令牌帧。
其格式如图:
1、令牌帧
包括三部分:
帧的起始字段和结束字段以及访问控制字段。
●帧开始/结束标志(SD/ED)
标识帧的开始和结束,取值分别为JK0JK000和JK1JK1IE。
其中E位(差错标志):
由环接口设备置位,环接口设备在转发每个帧的同时,也执行差错校验动作,并利用环接口设备具有的一位延迟来置位差错标志。
●访问控制字段(AC):
Pr/Rr:
本帧优先级和预定优先级,
T:
令牌标识,T=0时,标识对应帧为令牌帧,T=1时,标识对应帧为信息帧。
M:
监视位,由环路中的监控器(或者具有监控功能的RPU)填写,发送结点发送该帧(或令牌)时,M置为0,当该帧经过监控器时,监控器将该位置为1。
如果监控器发现监视位已经被置为1,则认为发送结点出了故障,未能按规定撤出该帧,此时监控器负责撤出该帧,并发出令牌帧。
2、信息帧
●帧控制字段(FC):
格式为“FFzzzzzz”;
FF:
帧的种类,FF=00,MAC控制帧;FF=10,管理帧。
FF=01,数据帧,本帧携带的LLC帧填放在DATA字段中;
●帧状态标志(FS):
格式为“ACxxACxx”;
由发送方复位和接收方置位,表示帧的收取状况。
A:
地址确认位,由接收方置位,表示帧中的宿地址正确;
C:
信息复制位,由接收方置位,表示此帧已被接收方正确复制。
Xx:
保留未用。
4.4.4令牌环的管理
令牌环网出现的故障主要有两个方面:
令牌和数据帧。
1、对于令牌而言,主要出现的问题有:
环上没有空闲的令牌,一直都是持续的忙令牌。
正常情况下,即使各站都没有信息发送,但总有令牌不断在环上传输。
但有时会出现环上没有空闲令牌,使得各个站点都不能发送数据。
对于这个问题的解决办法是:
令一个工作站为管理站,或称监控站。
由于正常情况下,令牌在环上传输以圈所用的时间是一定的,所以监控站利用了这点特性,设置了定时器,定时器设置的时间限度为令牌扰环路一周所需最长时间。
当定时器得值超过这一规定时间时,则认为令牌处了故障,监控站向环路发出一个新的令牌。
2、对于数据帧,常出现的问题是:
站点发送完数据后出现了故障,没有能力在回收数据帧,而数据帧在环上不会自动消失,所以这种数据帧在环路上就会一直循环下去。
对于这一问题的解决办法是:
在发送站发送数据时,其访问控制字段中有一个监督比特M置0,当数据帧第一次经过监控站时,监控站将监督比特置为1。
当一个数据帧再次经过监控站时,监控站就认为该数据帧在环上形成了循环,就会把给数据帧从环上情除掉。
4.4.4令牌环网的特点
1、同一时刻,环上只有一个数据帧在传输(一个结点在传输数据);
1、上所有结点共享网络带宽;
2、有最小的传输延迟时间(令牌传输需要时间);
3、数据从一个结点传到另一个结点的时间是可计算的,可用于实时控制。
4.5令牌总线网
总线型局域网接如方便,可靠性高,但当网络赋在增加时,冲突也会急剧增加,网络的吞吐量就会急剧下降。
令牌环网不会有这个问题,但管理复杂、可靠性差。
所以把总线型局域网和令牌环网的优点结合起来便产生了令牌总线网。
4.5.1令牌总线网的工作原理
从物理的拓扑结构上看,令牌总线型网是总线型局域网,各站点共享总线传输信道。
从逻辑结构上看,他有是一种环型结构,接在总线上的各站组成一个逻辑环,每个站被赋予一个顺序逻辑位置。
具体工作过程如下:
1、在网络中设置了令牌,只有拥有令牌的站点才与资格向总线上发送数据,而当一个站点获得了令牌后,其他站点只能监听总线或从总线上接收信息。
由于网中只有一个令牌,所以在同一时刻只可能有一个工作站访问信道,因此不会出现冲突。
2、令牌按照逻辑顺序传递,当逻辑环路建立后,令牌便在逻辑环上不断的轮转,从高地址向低地址传递,到了最低的地址的站点后,就返回给最高地址的站点。
3、网上各个站点有公平访问权。
当一个站点得到令牌后,如果有数据发送,就立即向往上发送数据。
数据发送结束时,立即把令牌传递给下一个站点,即交出发送权。
如果取得令牌的站点,没有数据发送,就立即把令牌传递给下面的站点。
由于令牌是按照逻辑上的顺序传递的,所以所有的站点的权利是公平的。
4.5.2令牌总线网数据帧的格式
▪前导码(P),用于收发同步;
▪帧开始标志(SD),标识帧的开始,使用了曼彻斯特编码中的非数据位,取值为LH0LH000;
▪帧控制字段(FC),用于区分帧的类型,包括MAC控制帧(如令牌08H、设置后继等)、LLC数据帧、站点管理数据帧等。
▪宿/源地址(DA/SA)
▪数据字段(DATA),根据帧控制字段(FC)的取值,数据字段可以包含LLC协议数据单元、MAC管理数据、和MAC控制帧的数据;
▪帧校验序列(FCS),对SD和ED之间的所有字段进行循环冗余校验;
▪帧结束标志(ED),标识帧的结束,同时也标识了帧中FCS的位置,使用了曼彻斯特编码中的非数据位,取值为LH1LH1IE;其中L和H的含义等同于SD中的相应值。
ARCNet是典型的令牌总线网络
4.6三种局域网的比较
1、总线型局域网:
是应用最广泛的局域网,主要特点:
1)竞争型媒体访问控制方法:
各站点都是平等的,没有主次之分,通过竞争来发送消息,没有优先权问题。
2)总线结构简单,媒体接入方便,网络容易实现,并且价格低廉。
3)广播式通信:
由于总线网上的任何一站都通过公用总线发送数据,其他所有所有站都可以接收。
4)在轻负载时,总线型网络很有效。
在重负载时,冲突就会增加。
5)发送和响应时间都具有随机性,由于是竞争用总线,存在冲突,每个工作站发送和响应时间都不确定,实时性差。
6)不适合用光缆作为传输媒体。
2、令牌网
7)无冲突的媒体访问控制方法,通过令牌来控制发送权。
8)可设置优先级。
9)重负载时,效率高。
10)有最小的传输延迟时间(令牌传输需要时间)。
2、令牌总线网
令牌总线网的特点
1、整个网络具有最小的传输延时,由于物理环网传送数据必须按照环路进行,而逻辑环网传送数据有直接通路,所以逻辑环网延迟时间短。
2、当网络负载增加时,总线型网的冲突增加,系统的效率迅速下降,但逻辑环网传送令牌的时间为常数,没有冲突问题,效率会较高。
3、总线型局域网采用的是竞争的办法占用传输媒体,访问和响应都有随机性,不能满足实时性的要求。
但逻辑环可以使得访问时间和响应时间都具有确定性,因此具有良好实时性。
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