局域网和广域网技术.ppt

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1、第 3 章 局域网与广域网技术,主要内容,3.1 局域网概述3.2 以太网技术3.3 无线局域网3.4 广域网技术,3.1 局域网概述,3.1.1 局域网的定义3.1.2 局域网标准,局域网是限定区域的网络局域网的线路是专用的 局域网具有较高的数据通信速率 局域网具有开放性 目前，很难对局域网作出明确定义，这是因为局域网正处于飞速发展的过程中，在网络产品、技术等方面还存在着许多不确定因素。,3.1.1局域网的定义,局域网概述,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网

2、。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,3.1.2局域网标准IEEE802是主要的局域网标准，该标准所描述的局域网通过共享的传输介质通信。IEEE802标准包括局域网参考模型与各层协议。,物理层是必须的，它负责处理机械、电气、功能和过程方面的特性，以建立、维持和撤消物理链路。数据链路层也是必须的，它负责把不可靠的传输信道改造成可靠的传输信道，采用差错检测和帧确认技术，传送带有校验信息的数据帧。,局域网标准(续):IEEE802标准集,局域网的拓扑,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,树形网,环形网,媒体共享技术,静态划分信道频

3、分复用时分复用波分复用码分复用 动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。,3.2 以太网技术,3.2.1 以太网的定义3.2.2 CSMA/CD3.2.3 高速以太网,3.2.1 以太网的定义,两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 的 802.3 标准。DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,数据链路层的两个子层,为了使

4、数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,局域网对 LLC 子层是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据链路层,站点 2,LLC 子层看不见下面的局域网,以后一般不考虑 LLC 子层,由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet

5、 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。,网卡的作用,网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network Interface Card)，或“网卡”。网卡的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。,计算机通过网卡和局域网进行通信,CPU,高速缓存,存储器,I/O 总线,计算机,至局域网,网络接口卡（网卡）,串行通信,并行通信,最初的以太网是将

6、许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,3.2.2 CSMA/CD 协议,B向 D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受B 发送的数据,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A,C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,为了通信的简便以太

7、网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access wi

8、th Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“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。,碰撞检测,“碰撞检测”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，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就

9、是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,电磁波在总线上的有限传播速率的影响,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。,1

10、 km,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,1 km,A,B,t,t=B 检测到信道空闲发送数据,t=/2发生碰撞,A,B,A,B,t=0 A 检测到信道空闲发送数据,A,B,t=0,A,B,单程端到端传播时延记为,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,争用期,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2

11、称为争用期，或碰撞窗口。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。,3.2.3 高速以太网,速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。,100BASE-T 以太网的特点,可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。帧间时间间隔从原来的

12、9.6 s 改为现在的 0.96 s。,三种不同的物理层标准,100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。100BASE-FX 使用 2 对光纤。100BASE-T4使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。,吉比特以太网,允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。,吉比特以太网的物理层,1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：1000BASE-SX SX表示短波长10

13、00BASE-LX LX表示长波长1000BASE-CX CX表示铜线1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP,载波延伸(carrier extension),吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小的数值。吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。,在短 MAC 帧后面加上载波延伸,凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使

14、MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。,目地地址,源地址,数据长度,数 据,FCS,MAC 帧的最小值=64 字节,载波延伸,前同步码,加上载波延伸使 MAC 帧长度=争用期长度512 字节,在以太网上实际传输的帧长,分组突发,当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。,发送的数据,分组#1 RRRRRRRR 分组#2 RRRR

15、分组#3 RRR 分组#4,争用期 512 字节,将突发计时器设定为 1500 字节,载波延伸,载波监听,全双工方式,当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。,吉比特以太网的配置举例,1 Gb/s 链路,吉比特交换集线器,百兆比特或吉比特集线器,100 Mb/s 链路,中央服务器,10 吉比特以太网,10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10

16、 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,吉比特以太网的物理层,局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。,端到端的以太网传输,10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网

17、和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。这种工作方式的好处是：成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜。统一的帧格式简化了操作和管理。,以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。易于安装。稳健性好。,其他种类的高速局域网,100VG-AnyLAN 局域网使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 光纤分布式数据接口 FDDI(Fiber Distributed Data Interface)使用光纤作为传输

18、媒体的令牌环形网 高性能并行接口 HIPPI(HIgh-Performance Parallel Interface)主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存储器、图形工作站等）的高速接口光纤通道(Fibre Channel),3.3无线局域网,3.3.1 无线局域网分类3.3.2 WLAN标准3.3.3 无线局域网的基本结构,为什么需要无线局域网？,有线网络所存在的使用限制：具有空旷场地的建筑物内；具有复杂周围环境的制造业工厂、货物仓库内；机场、车站、码头、股票交易场所等一些用户频繁移动的公共场所内；缺少网络电缆而又不能打洞布线的历史建筑物内；受自然条件影响而无法实施布线的环境，如存在河道

19、；在一些需要临时增设网络节点的场合，如体育比赛场地、展示会等 无线局域网的应用走上前台。无线局域网(Wireless Local Area Network)就是指采用无线传输介质的局域网，简称WLAN。,无线局域网的主要类型,1.红外线局域网定向光束红外线全方位红外传输技术漫反射红外传输技术2.扩频无线局域网跳频通信直接序列扩频,无线局域网的主要类型,3.窄带微波无线局域网申请执照的窄带RF免申请执照的窄带RF,无线局域网标准,支持无线局域网的技术标准主要有：蓝牙技术：手机或PDA为主要设计对象HomeRF技术：主要服务为家庭无线网络IEEE 802.11系列：无线局域网标准,无线局域网标准,

20、1.IEEE 802.11的基本结构模型 图3.17给出了IEEE802.11工作组开发的基本结构模型。无线局域网的最小构成模块是基本服务集（BSS，Basic Service Set），它包括使用相同MAC协议的站点。一个BSS可以是独立的，也可以通过一个访问点连接到主于网上，访问点的功能就像一个网桥。MAC协议可以是完全分布式的，或者由访问点来控制。BSS一般对应于一个单元。扩展访问集（ESS，Extended Service Set）包括由一个分布式系统连接的多个BSS单元。典型的分布式系统是一个有线的主干局域网。ESS 对于逻辑链路控制LLC子层来说是一个单独的逻辑网络。,无线局域网标

21、准,IEEE802.11基本结构模型,无线局域网标准,IEEE 802.11标准定义了三种移动结点无跳变结点基本服务集跳变结点 扩展访问集跳变结点,无线局域网标准,2.IEEE 802.11服务 IEEE802.11定义了无线局域网必须提供的服务，这些服务主要有五种。联系（Association）重联系（Reassociation）终止联系（Disassociation）认证（Authentication）隐私权（Privacy）,无线局域网标准,3.物理介质规范IEEE802.11 定义了三种物理介质。数据速率为1Mbps和2Mbps，波长在 850nm950nm之间的红外线。运行在2.4G

22、Hz ISM频带上的直接序列扩展频谱。它能够使用7条信道，每条信道的数据速率为1Mbps或2Mbps。运行在2.4GHz ISM频带上的跳频的扩频通信，数据速率为1Mbps或2Mbps。,无线局域网标准,4.介质访问控制规范 IEEE 802.11工作组考虑了两种介质访问控制MAC算法。一种是分布式的访问控制，它和Ethernet网类似，通过载波侦听方法来控制每个访问结点；另一种算法是集中式访问控制，它是由一个中心结点来协调多结点的访问控制。分布式访问控制协议适用于特殊网络，而集中式控制适用于几个互连的无线结点和一个与有线主干网连接的基站。,无线局域网标准,IEEE 802.11工作组最后决定

23、采用分布式基础无线网（DFW）的介质访问控制算法。IEEE 802.11协议的介质访问控制MAC层又分为2个子层：分布式协调功能（DCF）子层与点协调功能(PCF)子层。分布式协调功能(DCF)子层使用了一种简单的CSMA算法，没有冲突检测功能。按照简单的CSMA的介质访问规则进行如下两项工作。如果一个结点要发送帧，它需要先侦听介质。如果介质空闲，结点可以发送帧；如果介质忙，结点就要推迟发送，继续监听，直到介质空闲。结点延迟一个空隙时间IFS，再次侦听介质。如果发现介质忙，则结点按照二进制指数退避算法延时，并继续监听介质。如果介质空闲，结点就可以传输。,无线局域网的组网方式一：对等网络,最简单

24、的无线局域网结构，又称Ad-Hoc方式。由一组有无线网络接口的计算机组成。同一Ad-Hoc网络中的计算机要有相同的工作组名、ESSID和密码。配置简单，在管理和预先设置方面没有要求。可以实现点对点与点对多点连接。但不能连接外部网络。适用于用户数相对较少的网络规模。,无线局域网的组网方式二：基础结构网络,最常见的无线局域网构建模式，又称Infrastucture方式。以AP为中心，实现对网络访问集中控制。其弱点是AP成为单故障点；可与有线网络结合起来使用,无线网络与有线网络的互连示例,无线局域网的物理实现,红外线(IR)采用波长小于1的红外线作为传输媒体，有较强的方向性，受阳光干扰大。它支持12

25、Mbit/s数据速率，适于近距离通信。无线电波方式(具有覆盖范围大，抗干扰、抗噪声、抗衰减和保密性好的优点)直接序列式扩频（DSSS）：支持12Mbit/s数据速率 跳频扩展频谱（FHSS）：支持1Mbit/s数据速率,无线局域网设备,无线网卡：相当于有线网卡在有线局域网中的作用。按总线类型可分为适用于台式机的PCI接口的无线网卡，适用笔记本的PCMCIA接口的无线网卡，笔记本和台式机均适用的USB接口的无线网卡。无线访问接入点（AP）：无线局域网中进行数据发送和接收的集中设备，相当于有线网络中的集线器。通常，一个AP能够在几十至上百米的范围内连接多个无线用户。AP可以通过标准的Etherne

26、t电缆与传统的有线网络相联，从而可作为无线网络和有线网络的连接点。,无线局域网设备(续),无线网桥：用于无线或有线局域网之间的无线互连。天线(Antenna)：将信号源发送的信号藉由天线传送至远处。天线有定向性(Uni-directional)与全向性(Omni-directional)之分，前者较适合于长距离使用，而后者则较适合区域性之应用。无线路由器：集成了无线AP的接入功能和路由器的第三层路径选择功能的无线连网设备。,3.4 广域网技术,3.4.1 广域网的定义与应用3.4.2 广域网接入技术,广域网的基本概念,当主机之间的距离较远时，例如，相隔几十或几百公里，甚至几千公里，局域网显然就

27、无法完成主机之间的通信任务。这时就需要另一种结构的网络，即广域网。广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。通常一个结点交换机往往与多个结点交换机相连。在广域网中的一个重要问题就是分组的转发机制（与局域网相比，传输距离差距技术也不同、协议更复杂。由不同位置的局域网、城域网或单机构成）。,由局域网和广域网组成互联网,广域网,相距较远的局域网通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网,应当注意,即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在这种网络中，不同网络的“互连”才是其最主要的特征。广域网是单个的网络，它使用结点交换机连接各主机而不是用路由器连接各网络。结点交换机在单个

28、网络中转发分组，而路由器在多个网络构成的互联网中转发分组。连接在一个广域网（或一个局域网）上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其网络的物理地址即可。,WAN的特点,范围广：地区、国家、洲际、全球建立在电信网络的基础上应用环境复杂：线路、技术、协议、设备介质：双绞线、同轴、光纤、地面微波、卫星传输速率：主干网高，但接入速率低误码率高：复杂的错误控制技术，开销？拓扑结构：点到点连接构成的网状结构公共服务：电信服务商Pro：资源利用率高、用户建网成本低Con：投资大，运行费高，用户必须依赖电信部门,广域网的拓扑结构,广域网的协议层次,涉及到OSI/RM的最低三层：物理层：PSTN、DDN、xDSL、SONET数据链路层：ISDN、FR、ATM网络层：X.25,广域网接入技术分类,专线,电路交换,分组交换,服务供应商,服务供应商,广域网接入技术（第一层）,专线,电路交换,分组交换,HDLC,PPP,PPP,HDLC,X.25,Frame-Relay,服务供应商,服务供应商,广域网接入技术（第二层）,