成為以太網的幀課件

1、第9章 局域網體系結構局域網是一種在有限的地理范圍內將大量PC機及各種設備連在一起實現數據傳輸和資源共享的計算機網絡。本章從介紹局域網的體系結構、協(xié)議標準及拓撲結構入手，詳細討論CSMA/CD總線網、令牌環(huán)網及令牌總線網的媒體訪問控制方法。通過本章的學習，重點掌握和理解以下內容：l 理解計算機局域網的體系結構l 了解常用的局域網標準：IEEE802.3、IEEE802.5各自的特點l 理解載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）的工作過程l 了解高速局域網和千兆位以太網的基本情況19.1.1 局域網的概念、特點 1. 局域網的定義與發(fā)展過程 在較小的地理范圍內，利用通信線路將許多數據設備連

2、接起來，實現彼此之間的數據傳輸和資源共享的系統(tǒng)稱為局域網。它的發(fā)展般分為三個階段：（1）60年代末至70年代初是萌芽階段 。（2）70年代中期是局域網發(fā)展的一個重要階段。 （3）80年代初期是局域網走向大發(fā)展的時期。利用光導纖維作為通信介質構成的高速主干環(huán)網，是目前許多局域網系統(tǒng)采用的一種結構形式。 9.1 局域網概述22. 局域網特點 （1）地理范圍有限。（2）通信速率高。 （3）可采用多種通信介質。（4）可靠性較高。 一般說來，決定局域網特性的主要技術有三個方面：（1）局域網的拓撲結構。（2）用以共享媒體的介質訪問控制方法（3）用以傳輸數據的介質。由局域網本身的特點決定局域網具有以下優(yōu)點：

3、（1）能夠方便地共享網內資源，包括主機、外部設備、軟件、數據；（2）便于系統(tǒng)擴展；（3）提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護性；（4）各設備位置可以靈活地調整和改變；（5）有較快的響應速度（數據傳輸率較高）。 39.1.2 局域網的應用 計算機局域網所具有的這些優(yōu)點決定了它在社會各個領域有著廣泛的應用，它可以用于辦公自動化、工業(yè)生產自動化、企業(yè)管理信息系統(tǒng)、生產過程實時控制、軍事指揮和控制系統(tǒng)、輔助教學系統(tǒng)、醫(yī)療管理系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、軟件開發(fā)系統(tǒng)和商業(yè)系統(tǒng)等方面，其中主要作用如下：1. 辦公自動化 2. 工業(yè)生產自動化 3. 應用于教育領域 4. 計算機協(xié)同工作技術 49.2.1 服務器 網絡使用

4、一個專門的結點共享外圍設備，該結點為網上所有的用戶所共知，具有固定的地址，并為網上用戶提供服務。這種提供服務的結點稱為服務器（Server）。常見的服務器類型有以下幾種。 1. 文件服務器給用戶提供了操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的各種功能。 2. 打印服務器接有打印機，提供網絡打印。 3. 終端服務器又稱為終端集中器，終端到其他結點之間的通信都通過終端集中器。 9.2 局域網的組成 59.2.2 工作站 工作站又稱為客戶機。工作站是指當一臺計算機連接到局域網上時，這臺計算機就成為局域網的一個工作站。工作站與服務器不同，服務器是為網絡上許多網絡用戶提供服務以共享它的資源，而工作站僅對操作該工作站的用戶提供

5、服務。工作站是用戶和網絡的接口設備，用戶通過它可以與網絡交換信息，共享網絡資源。工作站通過網卡、通信介質以及通信設備連接到網絡服務器?，F在的工作站都用具有一定處理能力的PC（個人計算機）機來承擔。 9.2 局域網的組成 69.2.3 網絡適配器（NIC） 網絡適配器NIC（Network Interface Card）也就是俗稱的網卡。網卡是構成計算機局域網絡系統(tǒng)中最基本的、最重要的和必不可少的連接設備，計算機主要通過網卡接入局域網絡。網卡一方面負責接收網絡上傳過來的數據包，解包后，將數據通過主板上的總線傳輸給本地計算機；另一方面它將本地計算機上的數據打包后送入網絡。網卡和計算機的連接是通過總

6、線擴展槽，根據連接的擴展槽不同，可將網卡進行分類。一般分為ISA總線網卡和PCI總線網卡。 9.2 局域網的組成 79.3.1 局域網參考模型 IEEE802參考模型 9.3 局域網的體系結構 8 IEEE802參考模型的最低層對應于OSI模型中的物理層，包括以下功能：信號的編碼/解碼 前導的生成/去除（該前導用于同步）比特的傳輸/接收 物理層之上的層次主要為局域網的用戶提供相應的服務。它們的主要功能如下：在傳輸時將要傳輸的數據組裝成幀，幀中包含有地址和差錯檢測等字段； 在接收時，將接收到的幀解包，進行地址識別和差錯檢測； 管理和控制對于局域網傳輸媒體的訪問； 為高層協(xié)議提供相應的接口，即一個

7、或多個服務訪問點（SAP），并且進行流量和差錯控制。 9IEEE802協(xié)議 此標準將數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層和媒體訪問控制子層，邏輯鏈路控制子層主要提供尋址、排序、差錯控制和流量控制等功能。109.3.2 邏輯鏈路控制LLC子層 1. LLC向高層提供的服務有四種類型： 面向連接的服務確認無連接服務不確認無連接服務高速傳送服務 2. 邏輯鏈路控制子層的服務訪問點LLC SAP 在一個主機的LLC子層上面應設有多個服務訪問點，以便向多個進程提供服務。需用到兩個地址：（1）MAC（介質訪問控制）地址。（2）SAP地址。9.3 局域網的體系結構 11LLC協(xié)議 （1）LLC幀的說明 LLC幀的

8、說明沒有分界符及校驗字段；LLC幀是MAC幀中的數據字段；有源地址（源服務訪問點），這樣適應于點點、點多點及廣播式通信。LLC幀控制字段和HDLC中的控制字段一樣，控制字段將LLC幀分為信息幀、管理監(jiān)控）幀、無編號幀，分別完成不同的功能。（2）LLC/MAC的接口 用服務原語實現：MA-DATA.request； MA-DATA.indication；MA-DATA.confirm。 129.3.3 媒體訪問控制MAC子層 媒體訪問控制策略 在所有的媒體訪問控制技術中，最關鍵的參數是控制點和控制方法。集中方式具有以下的優(yōu)點：能提供除了對媒體訪問外的其他更高級的功能，如優(yōu)先級控制、可靠性等。 每

9、個站點的訪問控制邏輯簡單 避免對等實體間進行分布合作可能帶來的問題 缺點：在整個網絡中，如果控制點不能工作，則會導致整個網絡癱瘓 由于所有對共享媒體的訪問要經過控制站點的允許，可能會形成瓶頸，降低效率。分布式媒體訪問控制方式的優(yōu)缺點正好與之相反。 13 一般可以將訪問控制技術分為兩種：同步和異步。在同步技術中，整個信道帶寬被分割成許多部分，每一部分被分配給某一個站點。在電路交換中的頻分多路復用（FDM）和時分多路復用（TDM）技術就屬于這種同步機制。 異步技術分為三種：時間片輪轉、預約和競爭。在時間片輪轉中，每個節(jié)點按照一定的時間順序得到傳輸時間。預約技術更適合于傳輸連續(xù)數據的情況。對突發(fā)性的

10、數據傳輸，競爭是最常用的機制。149.4.2 CSMA/CD介質訪問控制協(xié)議1. 載波偵聽多路訪問協(xié)議CSMA 以太網將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠。總線的特點是：當一臺計算機發(fā)送數據時，總線上的所有計算機都能檢測到這個數據。這種通信方式是廣播通信。但我們并不總是希望使用廣播通信。為了在總線上實現一對一的通信，可以使每一臺計算機擁有一個與其他計算機都不同的地址。在發(fā)送數據幀時，在幀的首部寫明接收站的地址?，F在的電子技術可以很容易地做到：僅當數據幀中的目的地址與計算機的地址一致時，該計算機才能接收這個數據幀。計算機對不是發(fā)送給自己的數據幀，則一律不接收。下圖是

11、上述概念的示意圖。1516 為了通信的簡便，以太網采取了兩種方法第一:采用無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數據。第二:不要求收到數據的目的站發(fā)回確認。不要確認的理由是局域網信道的質量很好，因信道質量產生差錯的概率是很小的。因此，以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。17 以太網采用的協(xié)調方法是使用一種特殊的協(xié)議，即CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測。下面是CSMA/CD的要點。“多點接入”“載波監(jiān)聽”“碰撞檢測”18因為電磁波在總線上總是以有限

12、的速率傳播的。因此當某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，也可能總線并非是空閑的。如下圖所示的例子可以說明這種情況。1920 顯然，在使用CSMA/CD協(xié)議時，一個站不可能同時進行發(fā)送和接收。因此使用CSMA/CD協(xié)議的以太網不可能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信(半雙工通信)。每一個站在自己發(fā)送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。以太網的這一特點稱為發(fā)送的不確定性。214爭用期以太網的端到端往返時延2稱為爭用期(contention period)。爭用期又稱為碰撞窗口(collision window)。為了使每個站都能盡可能早地知道是否發(fā)生了碰撞，以太網還采取一種叫做強化碰撞的措施。

13、這就是當發(fā)送數據的站一旦發(fā)現發(fā)生了碰撞時，除了立即停止發(fā)送數據外，還要再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現在已經發(fā)生了碰撞如圖5-6所示。22239.4.3 傳統(tǒng)以太網的連接方法 傳統(tǒng)以太網可使用的傳輸媒體有四種，即粗纜、細纜、銅線和光纜。下圖在MAC層下面給出了對應于這四種傳輸媒體的物理層，即10BASE5(粗纜)、10BASE2(細纜)、10BASE-T(雙絞線)和10BASE-F (光纜)。2425用銅纜或銅線連接到以太網的示意圖。26 粗纜以太網是最初使用的以太網，其網卡通過DB-15型連接器(15針)與收發(fā)器電纜(transceiv

14、er cable)相連，收發(fā)器電纜的正式名稱是AUI電纜。AUI是連接單元接口(Attachment Unit Interface)的縮寫。收發(fā)器電纜的另一端連接到收發(fā)器(transceiver)。收發(fā)器電纜的長度不能超過50 m。收發(fā)器由兩部分組成，一部分是含有電子元器件的媒體連接單元MAU (Medium Attachment Unit)，另一部分是沒有電子元器件的插入式分接頭(tap)，稱為媒體相關接口MDI (Medium Dependent Interface)，它直接插入到電纜中(不用切斷電纜)就能和同軸電纜的內部導線有良好的接觸連接。27 收發(fā)器的功能如下：（1）從計算機經收發(fā)器

15、電纜將數據向同軸電纜發(fā)送，或反過來，從同軸電纜接收數據經收發(fā)器電纜送給計算機。（2）檢測在同軸電纜上發(fā)生的數據幀的碰撞。（3）在同軸電纜和電纜接口的電子設備之間進行電氣隔離。（4）當收發(fā)器或所連接的計算機出故障時，保護同軸電纜不受其影響。28 網卡的功能主要有以下三個：（1）數據的封裝與解封，發(fā)送時將上一層交下來的數據加上首部和尾部，成為以太網的幀。接收時將以太網的幀剝去首部和尾部，然后送交上一層。（2）鏈路管理，主要是CSMA/CD協(xié)議的實現。 （3）編碼與譯碼，即曼徹斯特編碼與譯碼。29 集線器的一些特點如下：（1）從表面上看，使用集線器的局域網在物理上是一個星形網，但由于集線器是使用電子

16、器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統(tǒng)仍然像一個傳統(tǒng)的以太網那樣運行。也就是說，使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是CSMA/CD協(xié)議，并共享邏輯上的總線。網絡中的各個計算機必須競爭對傳輸媒體的控制，并且在一個特定時間至多只有一臺計算機能夠發(fā)送數據。因此，這種10BASE-T以太網又稱為星型總線(star-shaped bus)或盒中總線(bus in a box)。30 （2）一個集線器有許多端口，因此，一個集線器很像一個多端口的轉發(fā)器。（3）集線器和轉發(fā)器都是工作在物理層，它的每個端口都具有發(fā)送和接收數據的功能。當集線器的某個端口接收到工作站發(fā)來的比特時，就簡單地

17、將該比特向所有其他端口轉發(fā)。若兩個端口同時有信號輸入(即發(fā)生碰撞)，那么所有的端口都收不到正確的幀。為了說明上述原理，下圖給出三個端口的集線器的示意圖(實際的集線器不會只有三個端口)。（4）集線器采用了專門的芯片，進行自適應串音回波抵消。3132 為了比較這三種以太網布線方案的區(qū)別，下圖畫出了一組辦公室用三種不同方案布線的情況。3334上述的三種以太網的主要指標的比較如表9-1所示。359.4.4 以太網的MAC層1 MAC層的硬件地址在局域網中，硬件地址又稱為物理地址或MAC地址?！懊种赋鑫覀兯獙ふ业哪莻€資源，地址指出那個資源在何處，路由告訴我們如何到達該處?！眹栏竦刂v，名字應當與系統(tǒng)的

18、所在地無關。802標準所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符。36 現在IEEE的注冊管理委員會RAC (Registration Authority Committee)是局域網全球地址的法定管理機構，它負責分配地址字段的六個字節(jié)中的前三個字節(jié)(即高位24 bit)。世界上凡要生產局域網網卡的廠家都必須向IEEE購買由這三個字節(jié)構成的一個號(即地址塊)，這個號的正式名稱是機構惟一標識符OUI (Organizationally Unique Identifier)，通常也叫做公司標識符(company_id)。目前的價格是1250美元買一個地址塊。例如，3Com公司生產的網卡

19、的MAC地址的前六個字節(jié)是02-60-8C。地址字段中的后三個字節(jié)(即低位24 bit)則是由廠家自行指派，稱為擴展標識符(extended identifier)，只要保證生產出的網卡沒有重復地址即可。3738下圖表示用網卡上的硬件地址來標識局域網上的計算機和路由器。39“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀： 單播(unicast)幀(一對一)，即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。 廣播(broadcast)幀(一對全體)，即發(fā)送給所有站點的幀(全1地址)。 多播(multicast)幀(一對多)，即發(fā)送給一部分站點的幀。402 兩種不同的MAC幀格式以太網的MAC幀格式有兩種標準，一種是

20、DIX Ethernet V2標準，另一種是IEEE的802.3標準。下圖畫出了這兩種不同的MAC幀格式。4142 IEEE 802.3標準規(guī)定的MAC幀和以太網V2的MAC幀的區(qū)別是：（1）第三個字段是長度/類型字段。根據長度/類型字段的數值大小，這個字段可以表示MAC客戶數據字段的長度(請注意：不是整個數據幀的長度)，也可以等同于以太網V2的類型字段。（2）當長度/類型字段表示類型時，802.3的MAC幀和以太網V2的MAC幀一樣，它的MAC客戶數據字段裝的是來自IP層的IP數據報。43 從MAC子層向下傳到物理層時還要在幀的前面插入八個字節(jié)(由硬件生成)，它由兩個字段構成。第一個字段共七

21、個字節(jié)，稱為前同步碼(1和0交替的碼)。前同步碼的作用是使接收端在接收MAC幀時能夠迅速實現比特同步。第二個字段是幀開始定界符，定義為10101011，表示在這后面的信息就是MAC幀了。44 802.3標準規(guī)定凡出現下列情況之一的即為無效的MAC幀：（1）MAC客戶數據字段的長度與長度字段的值不一致；（2）幀的長度不是整數個字節(jié)；（3）用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；（4）收到的幀的MAC客戶數據字段的長度不在46 1500字節(jié)之間。459.5 IEEE802.5標準：令牌環(huán)局域網 469.5.1 令牌環(huán)局域網絡 IBM令牌環(huán)是一種星形環(huán)形結構，即結構上呈星形，但將各工作站連成環(huán)。 IBM

22、令牌環(huán)是一種星形環(huán)形結構，即結構上呈星形，但將各工作站連成環(huán)。環(huán)站是計算機、文件服務器和終端設備，設備入網時均需要帶一個適配器。環(huán)站是計算機、文件服務器和終端設備，設備入網時均需要帶一個適配器。線集中器是一個連接設備，環(huán)站通過線集中器將傳輸介質構成環(huán)網。傳輸介質可以是雙絞線、光纖或寬帶電纜，或是它們的混合，形成多介質網絡。網橋作為IBM令牌環(huán)之間的連接設備。信關實質上是一個網間連接器 。環(huán)形網絡一直用于局域網和廣域網中。 479.5.2 令牌環(huán)工作原理 48*9.5.3 令牌環(huán)MAC子層協(xié)議1. IEEE802.5MAC幀格式PPPTMRRR訪問控制字段格式如下：49（2）數據幀格式SD、AC

23、和ED字段同令牌幀FC：幀控制格式：FFRRCCCCDA：目的地址SA：源地址FCS：幀校驗序列。FS：幀狀態(tài)。 ACAC50令牌環(huán)的媒體訪問控制功能（1）幀發(fā)送（2）令牌發(fā)送（3）幀接收（4）優(yōu)先權操作51*9.5.4 令牌總線局域網令牌總線網的工作原理：（1）網絡在啟動后，只有獲得令牌的站才能向網上發(fā)送數據。 （2）令牌在邏輯環(huán)上是根據地址傳遞的 。（3）邏輯環(huán)上任何一個站保持令牌的時間是一定的 。（4）邏輯環(huán)在穩(wěn)定狀態(tài)下的操作由數據傳送和令牌傳遞兩個階段交替進行。（5）令牌總線型網絡具有優(yōu)先級控制。（6）在非穩(wěn)定狀態(tài)下，邏輯環(huán)上所有使用令牌的站有邏輯環(huán)的維護功能。（7）總線上的站可以加入

24、邏輯環(huán)，也可以不加入邏輯環(huán)。522. 令牌總線MAC子層協(xié)議MAC幀格式如下： 令牌總線介質訪問控制控制方法主要包括：（1）邏輯環(huán)的初始化（2）插入環(huán)算法（3）退環(huán)算法（4）故障控制。53*9.6 快速以太網與千兆以太網技術54IEEE802.3委員會于1992年提出制定快速以太網標準。在IEEE802.3基礎上，把傳輸速率從10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定為快速以太網標準IEEE802.3u。在IEEE802.3基礎上，把傳輸速率從10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定為快速以太網標準IEEE802.3u。包括：100Base-TX1

25、00Base-T4100Base-Fx。*9.6.1 快速以太網55*9.6.2 千兆位以太網千兆位以太網是IEEE802.3標準的擴展，在保持與以太網和快速以太網設備兼容的同時，提供1000Mbps的數據帶寬。千兆位以太網的關鍵是利用交換式全雙工操作部件構建主干網絡，連接超級服務器和工作站?？捎卸喾N網絡拓撲結構。它基于以太網結構，保留了IEEE802.3以太網標準幀格式以及IEEE 802.3的網絡管理功能，且網絡管理原理保持不變，現存的軟件（如LAN協(xié)議）都可運行。 562. 千兆以太網技術特點傳輸速率高 有較高的網絡帶寬高 仍然采用以太網標準，僅僅是速度快仍然采用CSMA/CD介質訪問控

26、制方法 與以太網完全兼容 技術簡單 依靠RSVP、IEEE802.1P、IEEE802.1Q技術標準，提供VLAN服務，提供質量保證，支持多媒體信息傳輸，有很好的網絡擴充能力，易升級，易擴展對于傳輸數據（DATA）業(yè)務信息有極佳的性能573. 向千兆位以太網遷移遷移方式一般有三種：交換機到交換機的升級交換機到服務器的升級建筑物和園區(qū)主干網升級582002年6月12日802.3以太網標準組織批準了10G以太網標準的最后草案。1萬兆以太網的特點萬兆以太網并非將千兆以太網的速率簡單地提高到10倍，有很多復雜的技術問題要解決。萬兆以太網主要具有以下特點：l 萬兆以太網的幀格式與10Mb/s、100Mb

27、/s和1000Mb/s的幀格式完全相同。9.6.3 萬兆以太網59l 萬兆以太網仍然保留了802.3標準對以太網最小幀和最大幀長度的規(guī)定。這就使得用戶在將已有的以太網升級時，仍便于和較低速率的以太網進行通信。l 由于數據傳輸速率高達10Gb/s，因此萬兆以太網的傳輸介質不再使用銅質的雙絞線，而只使用光纖。它使用長距離的光收發(fā)器與單模光纖接口，以便于能夠在廣域網和城域網的范圍內工作。它也可以使用較便宜的多模光纖，但傳輸距離限制在65300m。l 萬兆以太網只工作在全雙工方式，因此不存在爭用問題。由于不使用CSMA/CD協(xié)議，這就使得萬兆以太網的傳輸距離不再受沖突檢測的限制。l 標準中采用了局域網和廣域網兩種物理層