第4.1講 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng))

1、1計算機網(wǎng)絡(luò)第 4 章 局域網(wǎng)（一）2第 4 章 局域網(wǎng) 4.1 局域網(wǎng)概述*4.2 傳統(tǒng)以太網(wǎng)4.2.1 以太網(wǎng)的工作原理4.2.2 傳統(tǒng)以太網(wǎng)的連接方法4.2.3 以太網(wǎng)的信道利用率*4.3 以太網(wǎng)的 MAC 層4.3.1 MAC 層的硬件地址4.3.2 兩種不同的 MAC 幀格式3第 4 章 局域網(wǎng)（續(xù)）*4.4 擴展的局域網(wǎng)4.4.1 在物理層擴展局域網(wǎng)4.4.2 在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng) 4.5 虛擬局域網(wǎng) 4.5.1 虛擬局域網(wǎng)的概念 4.5.2 虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式 4第 4 章 局域網(wǎng)（續(xù)）*4.6 高速以太網(wǎng)4.6.1 100BASE-T 以太網(wǎng)4.6.2 吉比特以太網(wǎng)

2、4.6.3 10 吉比特以太網(wǎng) 4.7 其他種類的高速局域網(wǎng)4.7.1 100VG-AnyLAN 局域網(wǎng)4.7.2 光纖分布式數(shù)據(jù)接口 FDDI4.7.3 高性能并行接口 HIPPI4.7.4 光纖通道 4.8 無線局域網(wǎng) *4.8.1 無線局域網(wǎng)的組成4.8.2 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的物理層4.8.3 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的 MAC 層5局域網(wǎng)概述64.1 局域網(wǎng)概述n局域網(wǎng)最主要的特點是：網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目均有限。 n局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點：n能方便地共享昂貴的外部設(shè)備、主機以及軟件、數(shù)據(jù)。從一個站點可訪問全網(wǎng)。n便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活

3、調(diào)整和改變。n提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。局域網(wǎng)的拓撲 匹配電阻集線器干線耦合器總線網(wǎng)星形網(wǎng)樹形網(wǎng) 環(huán)形網(wǎng)8局域網(wǎng)的拓撲 9局域網(wǎng)的拓撲10局域網(wǎng)的拓撲11局域網(wǎng)的拓撲12局域網(wǎng)的IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)u IEEE 802協(xié)議協(xié)議:IEEE 802IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)定義了若干種局域網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)定義了若干種局域網(wǎng)LANLAN，包括對物，包括對物理層、介質(zhì)訪問控制理層、介質(zhì)訪問控制(MAC)(MAC)子層的定義和描述。子層的定義和描述。u 組成：組成：802.1 802.1 基本介紹和接口原語定義基本介紹和接口原語定義802.2 802.2 邏輯鏈路控制（邏輯鏈路控制（LLCLLC）

4、子層）子層802.3 802.3 采用采用CSMA/CDCSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)802.4 802.4 采用令牌總線（采用令牌總線（Token BusToken Bus）技術(shù)的局域網(wǎng)）技術(shù)的局域網(wǎng)802.5 802.5 采用令牌環(huán)（采用令牌環(huán)（Token RingToken Ring）技術(shù)的局域網(wǎng)）技術(shù)的局域網(wǎng)131415傳統(tǒng)以太網(wǎng)n1. 兩個標(biāo)準(zhǔn) nDIX（DEC、Intel、Xerox） Ethernet V2 是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。nIEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)。lDIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)與 IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)只有很小的差別，因

5、此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。1.嚴(yán)格說來，“以太網(wǎng)”應(yīng)當(dāng)是指符合 DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng) 16數(shù)據(jù)鏈路層的兩個子層 以太網(wǎng)的工作原理 n為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，802 委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層：n邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層n媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。n與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對 LLC 子層來說都是透明的。 17總之： 讓MAC 子層與介質(zhì)密切相關(guān)；

6、 讓LLC子層與所有介質(zhì)訪問方法無關(guān)；18局域網(wǎng)對 LLC 子層是透明的 局 域 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層物理層站點 1網(wǎng)絡(luò)層物理層邏輯鏈路控制LLCLLC媒體接入控制MACMAC數(shù)據(jù)鏈路層站點 21920212223TCP/IP 體系不考慮 LLC 子層 n由于TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。n很多廠商生產(chǎn)的網(wǎng)卡上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議。 242. 網(wǎng)卡的作用性質(zhì)n網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接

7、口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網(wǎng)卡”。 n網(wǎng)卡的重要功能：n進行串行/并行轉(zhuǎn)換n對數(shù)據(jù)進行緩存n在計算機的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動程序n實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議25計算機通過網(wǎng)卡和局域網(wǎng)進行通信 CPU高速緩存存儲器I/O 總線計算機至局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡（網(wǎng)卡）串行通信并行通信262728共享信道的訪問控制 1. 靜態(tài)分配n頻分多路復(fù)用FDM（波分復(fù)用WDM）原理：將頻帶平均分配給每個要參與通信的用戶；n時分多路復(fù)用TDM原理：每個用戶擁有固定的信道傳送時槽；l優(yōu)點：適合于用戶較少，數(shù)目基本固定，各用戶的通信量都較大的情況；l缺點：無法靈活地適應(yīng)站點數(shù)及其通信量的變化29

8、共享信道的訪問控制2.動態(tài)分配（多點訪問multiple access）n隨機訪問：網(wǎng)上各站都可以根據(jù)自己的意愿隨機地訪問信道，兩個或兩個以上站點同時發(fā)送信息會產(chǎn)生沖突。典型網(wǎng)絡(luò)：以太網(wǎng)n受控訪問：每一時刻網(wǎng)上只有一個站點發(fā)送信息；集中式控制（多點輪詢polling），分散式控制。3031323334353637n最初的以太網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總線上。當(dāng)初認(rèn)為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。3. 以太網(wǎng)的CSMA/CD 協(xié)議 B向 D發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發(fā)送的數(shù)據(jù)38以太網(wǎng)的廣

9、播方式發(fā)送 l 總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 l 由于只有計算機 D 的地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數(shù)據(jù)幀。 l 其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個數(shù)據(jù)幀而不能夠收下來。l 具有廣播特性的總線上實現(xiàn)了一對一的通信。 39為了通信的簡便以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施 n采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。 n以太網(wǎng)對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進行編號，也不要求對方發(fā)回確認(rèn)。l這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，因信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯的概率是很小的。 40以太網(wǎng)提供的服務(wù) l 以太

10、網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。l 當(dāng)目的站收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。l 如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的幀，而是當(dāng)作一個新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。 41載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CDl CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。l “多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。l “載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)

11、，以免發(fā)生碰撞。 l 總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 42碰撞檢測l “碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。l 當(dāng)幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。l 當(dāng)一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認(rèn)為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。l 所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。43檢測到碰撞后n在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。n每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了

12、碰撞，就要立即停止發(fā)送，避免繼續(xù)浪費網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。44電磁波在總線上的有限傳播速率的影響 n當(dāng)某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的。 nA 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過一定的時間后才能傳送到 B。nB 若在 A 發(fā)送的信息到達 B 之前發(fā)送自己的幀(因為這時 B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。n碰撞的結(jié)果是兩個幀都變得無用。 1 kmABt碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù)B 檢測到發(fā)生碰撞 t = t = 0單程端到端傳播時延記為 1 kmABt碰撞t = B 檢測到信道空閑

13、發(fā)送數(shù)據(jù)t = / 2發(fā)生碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù)B 檢測到發(fā)生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)ABt = 0t = B 檢測到發(fā)生碰撞停止發(fā)送STOPt = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞STOPAB單程端到端傳播時延記為 47重要特性n使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。n每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。 n這種發(fā)送的不確定性使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 4849505152535455564. 爭用期n最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送

14、數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。n以太網(wǎng)的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。n經(jīng)過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。 57二進制指數(shù)類型退避算法 (truncated binary exponential type)n發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。l確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。l定義重傳次數(shù) k ，k 10，即： k = Min重傳次數(shù), 10l從整數(shù)集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數(shù)，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。l

15、當(dāng)重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 58爭用期的長度 n以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭用期的長度。n對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。n以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。 59最短有效幀長 n如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。 n由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。 n以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)，凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 60強化碰撞 n當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時，除了立即停止發(fā)

16、送數(shù)據(jù)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(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。 數(shù)據(jù)幀干擾信號 TJ人為干擾信號 ABTBt B 發(fā)送數(shù)據(jù)A 檢測到?jīng)_突開始沖突信道占用時間A 發(fā)送數(shù)據(jù)B 也能夠檢測到?jīng)_突，并立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接著就發(fā)送干擾信號。這里為了簡單起見，只畫出 A 發(fā)送干擾信號的情況。624.2.2 傳統(tǒng)以太網(wǎng)的連接方法 n傳統(tǒng)以太網(wǎng)可使用的傳輸媒體有四種：n銅纜（粗纜或細纜）n銅線（雙絞線）n光纜n這樣，以太網(wǎng)就有四種不同的物理層。 10BASE5粗纜10BASE2細纜10BASE-T雙絞線10BASE-F光纜以太網(wǎng)媒體接入控制 MAC6

17、3銅纜或銅線連接到以太網(wǎng)示意圖 主機箱主機箱主機箱雙絞線集線器BNC T 型接頭收發(fā)器電纜網(wǎng)卡插入式分接頭MAUMDI保護外層外導(dǎo)體屏蔽層內(nèi)導(dǎo)體收發(fā)器DB-15連接器BNC 連接器插口RJ-45插頭粗纜10BASE5 細纜10BASE5 雙絞線10BASE-T 64以太網(wǎng)的最大作用距離 250 m750 m500 m500 m500 m50 m50 m50 m網(wǎng)段 1轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)段 2網(wǎng)段 3轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器65網(wǎng)卡的功能 n數(shù)據(jù)的封裝與解封：發(fā)送時將上一層交下來的數(shù)據(jù)加上首部和尾部，成為以太網(wǎng)的幀。接收時將以太網(wǎng)的幀剝?nèi)ナ撞亢臀膊?，然后送交上一層?n鏈路管理：主要是 CSMA/CD 協(xié)議的實現(xiàn)。 n編碼與譯碼：即曼徹斯特編碼與譯碼。 66星形網(wǎng) 10BASE-T n不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。n在星形網(wǎng)的中心則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫做集線器(hub)。 n集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此這樣的硬件設(shè)備的可靠性已大大提高了。 67以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位n10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。n這種 10 Mb/s 速