计算机网络-局域网

简介: 计算机网络-局域网

局域网


局域网是一种在相对有限的地理范围内,通过一些网络设备将许多原本相对孤立的计算机资源和其他各种终端设备互联在一起,实现一个高速而稳定的数据传输和资源共享的计算机网络系统。


区别于一般的广域网,局域网通常具有以下特点:


  • 地理分布范围小,一般为数百米到数公里的区域范围之内。可以覆盖一幢大楼、一所校园或者一个企业的办公室
  • 数据传输速率高,早期的一般为10-100Mbps的传输速率,目前1000Mbps的局域网非常普遍,可适用于如语音、图像、视频等各种业务数据信息的高速交换
  • 数据误码率低,这是因为局域网通常采用短距离基带传输,可以使用高质量的传输媒体,从而提高数据传输质量
  • 一般以PC机为主体,还包括中断以及各种外设,网络中一般不架设主骨干网系统
  • 协议相对比较简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。


局域网拓扑结构


计算机网络拓扑结构主要是指通信子网的物理拓扑结构。它通过网络中节点与通信线路之间的集合关系表示网络结构概况,反应出网络中各个实体之间的结构关系。通俗的说,拓扑结构就是指各个设备节点之间是如何连线的。拓扑结构的设计是建设计算机网络的第一步,也是实现各种网络协议的基础,它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大的影响。


局域网的物理拓扑结构一般分为四种:总线型拓扑结构,环形拓扑结构,星形拓扑结构,全连接的网状形拓扑结构


总线型拓扑结构:

  • 总线型拓扑结构:

  • 环形拓扑结构:

  • 星形拓扑结构:

  • 全连接的网状形拓扑结构:


以太网


以太网是最早使用的局域网,也是目前石永红最广泛的网络产品。以太网有10Mbps,100Mbps,1000Mbps,10Gbps等多种速率


以太网传输介质


以太网比较常用的传输机制包括同轴电缆、双绞线和光纤是那种,以IEEE802.3委员会习惯用类似于“10Base-T”的方式进行命名。这种命名方式由三部分组成


  • 10:表示速率,单位是Mbps
  • Base:表示传输机制,Base表示基带,Broad表示宽带
  • T:表示传输介质,T表示双绞线、F表示光纤、数字代表铜缆的最大段长


以太网时隙


时间被分为离散的区间称为时隙。帧总是在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可能发送0,1或者多个帧,分别对应空闲时隙、成功发送和发生冲突的情况


  • 设置时隙理由:在以太网规则中,若发生冲突,则必须让网上每个主机都检测到。但信号传播整个介质需要一定的时间。考虑到极限情况,主机发送的帧很小,俩冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻,B开始发送帧。这样当A的帧到达B时候,B检测到了冲突,于是发送阻塞我信号。但是B阻塞信号还没有传输到A,A的帧已经发送完成了,那么A就检测不到冲突而误认为是发送成功,不再发送。由于信号的传播时延,检测到冲突需要一定的时间,所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。


  • 在最坏的情况 下,检测到冲突所需的时间:若A和B是网上相距最远的两个主机,设信号A和B之间的传播时延为τ,假定A在t时刻开始发送一帧,则这个帧会在t+τ时刻到达B,若B在t+τ-ε时刻开始发送这一帧,则B在t+τ时就会检测到冲突,并且发出阻塞信号。阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突,所以一帧的发送事件必须大于2τ。按照标准,10Mbps以太网采用中继器时,连接最大长度为2500m,最多经过4个中继器,因此规定对于10Mbps以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2us。51.2us也就是512位数据在10Mbps以太网速率下的传播时间,常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位=64字节,因此以太网帧最小长度为64字节。


  • 冲突发生的时段


冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间,即512位时的时段

当网上所有的主机都检测到冲突之后就会停发帧

512位时是主机捕获信道的事件,如果某主机发送一个帧的512位时,而没有发生冲突,则以后也就不会再发生冲突了。


提高传统以太网带宽的途径


  • 交换以太网
  • 全双工以太网
  • 高速服务器连接


以太网帧格式

前导码 目的地址 原地址 类型 数据 帧校验序列
8 6 6 2 46-1500 4


访问控制方式:


  • 对于单个信道的多路访问控制,可以采用FDM技术实现。
  • 随机访问介质访问控制:主要有ALOHA协议和CSMA协议
  • ALOHA协议
  • CSMA协议:
  • 1-坚持CSMA:
  • 非坚持CSMA:
  • p-坚持CSMA:
  • CSMA/CD访问控制方式


冲突检测的计算:

  • 信号传播时延

image.png

  • 数据传播时延

image.png

  • 最短数据帧长

最短数据帧长(bit)=任意两站点之间的最大距离(m)/信号传播速度(200m/us)×数据传输速率×2


二进制退避指数算法:


  • 对每个数据帧,当第一次发生冲突时,设置一个参量L=2.
  • 退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数,1个时间片等于两站之间的最大传播时延的2倍
  • 当数据帧再次发生冲突,将参量L加倍
  • 设置一个最大的重传次数,超过该次数,则不再重传,并报告出错


注意:在以太网中规定,最多重传16次,否则向上层程序报错。参量L最大不超过1024


局域网协议


802标准包括局域网参考模型与各层协议,该标准所描述的局域网参考模型与OSI/RM的关系。局域网参考模型只对应OSI/RM的数据链路层和物理层,它将数据链路层划分为LLC子层和MAC子层。


IEEE 802参考模型


IEEE802 LAN/RM放招了OSI/RM。IEEE 802标准包括了OSI/RM最低两层的功能。


  1. 物理层:对于局域网来说,物理层是必须的,它负责提现机械电气和规程方面的特性,以建立、维持和拆除物理链路,它提供在物理层实体间的发送和接收位数据流的能力
  2. MAC子层:MAC子层和LLC子层提供媒体介质访问控制的功能服务,而且可以提供多个可供选择的介质访问控制方法,IEEE802已经规定的介质访问控制方法有CSMA/CD、令牌总线、令牌等多种
  3. LLC子层:LLC子层中规定了无确认无连接、有确认无连接和面向连接3中类型的链路服务


IEEE802.2协议


LLC是一种IEEE802.2局域网协议,规定了局域网参考模型中LLC子层的实现。IEEE802.2LLC应用于IEEE802.3和IEEE802.5,以实现如下功能:


  1. 端到端的差错控制功能、端到端的流浪控制功能
  2. 完成无连接服务功能、完成面向连接服务功能
  3. 能进行多路复用,一般来讲,一条单一的物理链路将一个站点与一个LAN相连,应能在该链路上提供具有多个逻辑端点的数据传送


LLC帧格式及其控制字段


LLC提供的三种服务

服务类型 特点 适用性 LLC操作类型
无确认无连接的服务 数据报类型不涉及任何流控与差错控制功能 一是高层软件具有流控和差错控制,二是连接建立和维护机制引起了不必要的开销 LLC1型操作,用于编号信息帧支持无连接服务
面相连接方式的服务 类似于HDLC,在数据报通信需要建立连接,同时通过连接来提供流控和差错控制功能 可用于简单的设备中,如终端控制器,它自身的流量控制能力差,需要借助数据链路层协议 LLC2型操作,用HDLC的异步平衡方式的操作支持连接方式的LLC服务
有确认无连接的服务 提供了数据报确认功能,但不建立连接 高效,可靠,适用于传送少量的重要数据 LLC3型操作,用两种新的无编号帧支持有确认无连接服务


IEEE 802.3协议


帧格式如下

前导码 SFD 目的地址 原地址 长度 帧头 数据 帧校验序列
7 1 6 6 2 8 38-1492 4


IEEE 802.4协议


令牌传递协议


IEEE 802.5协议


令牌环访问孔子,令牌环永远环形拓扑的局域网


环长度公式

image.png

其中5(us/km)是信号传播速度200m/us的倒数


高速局域网


100M以太网


快速以太网即802.3u标准,包括两种技术规范100Base-T和100VG-AnyLAN。100Base-T是从10Base-T发展而来,它的应用十分广泛;快速以太网主要有100Base-T4、100Base-TX和100Base-FX三种标准的物理层规范


  • 100Base-T4:是一种可以使用3,4,5类无屏蔽双绞线或者屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用4对双绞线,3对用于传送数据,1对用于检测信号冲突。在传输中使用8B/6T编码方式,信号频率为25MHz。符合EIA586结构化布线标准。使用同10Base-T相同的RJ-45连接器。它的最大网段长度为100m。
  • 100Base-TX:是一种五类无屏蔽双绞线或者屏蔽双绞线的快速以太网技术,它使用两对双绞线,其中一对用于发送数据,另外一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B编码方式,信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT1类布线标准。使用同10Base-T相同的RJ-45连接器。他的最大网段长度为100m。支持全双工数据传输
  • 100Base-FX:是一种使用光纤作为传输介质的快速以太网技术,可使用单模和多模光纤。在传输中使用4B/5B编码方式,信号频率为125MHz


千兆以太网


千兆位以太网是在以太网技术的改进和提高的基础上,再次将100Mbps的快速以太网数据传输速率提高了10倍,使其达到了每秒千兆位的网络系统(1000Mbps)。与快速以太网一样,千兆以太网也是IEEE 802.3以太网标准的扩展,所以千兆以太网也可以在原来的以太网系统基础上实现平滑的过度并完全升级。并且同样可以大大节省因网络系统升级所带来的各种费用和开销。


千兆以太网物理层包括编码/译码,收发器和网络介质三部分,并且其中不同的收发器对应于不同的传输介质类型。


万兆以太网


以太网主要在局域网中占据绝对优势。但是在很长一段时间中,人们普遍认为以太网不能用于城域网,特别是汇聚层以及骨干层。主要原因在于以太网用于做城域网骨干带宽太低,传输距离过短。当时认为最有前途的是FDDI和DQDB。随后几年里ATM技术称为热点,几乎所有人都认为ATM将成为统一局域网、城域网和广域网的唯一技术。但是由于种种原因,当前在国内上述三种技术中只有ATM技术成为城域网汇聚层骨干层的备选方案


无线局域网


无线局域网主要运用射频的技术取代原来局域网系统中必不可少的传输介质来完成数据信号的传送任务。就应用汇层上提供的服务功能来说,它与有线局域网没好友什么不同之处。只是由于无线局域网的传输媒介不同,所以无论设计在硬件架设、空间使用限制的弹性、使用的机动性、便利性等都要比传统的有线局域网有更多的优势


无线局域网的基本模型


  • IEEE 802.11工作组开发的一个模型:一个扩展服务集由两个或者更多的通过分布系统互联的BSS组成。一般分布系统时一个有线骨干LAN。扩展服务集相对于逻辑链路控制层来说,只是一个简单的逻辑LAN


无限局域网标准定义了3种站点


  • 不迁移:这种个站点的位置是固定的或者只是在某一个BSS的通信站点的通信范围内移动
  • BSS迁移:站点从某个ESS的BSS迁移到同一个ESS的另一个BSS。在这种情况下,为了把数据传输给站点,就需要具备寻址功能以便识别站点的新位置
  • ESS迁移:站点从某个ESS的BSS迁移到另一个ESS的BSS。在这种情况下,因为由IEEE 802.11所支持的堆高层连接的维护不能得到保证,因而服务可能受到破坏


介质访问存取控制技术


IEEE 802.11 考虑了两种MAC算法:


  • 分布式访问控制协议:
  • DFWMAC(分布式基础无线MAC):


物理介质规范


  • 红外线
  • 扩展频谱


蓝牙技术


蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙的彪顺是IEEE 802.15,工作在2.4GHz频带,带宽为1Mbps


蓝牙技术的特点可归纳为如下几点:


  • 全球范围适用:蓝牙工作在2.4GHz频段,全球大多数国家ISM频段允许范围是2.4-2.4835Ghz,使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证
  • 可同时传输语音和数据:蓝牙采用电路交换技术和分组交换技术,支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音让同事传输的信道。每个语音信道数据速率为64kbps,语音信号编码采用脉冲编码调制或者联系可变斜率的增量调制方法
  • 客户以建立临时性的对等连接:根据蓝牙设备在网络中的角色分为主设备和从设备
  • 具有良好的抗干扰能力
  • 体积小便于集成
  • 低功耗
  • 开放接口标准
  • 成本低


常用拓扑结构


  • 不使用接入点的独立无线局域网
  • 使用接入点的独立无线局域网
  • 组合方式的无线局域网


虚拟局域网


VLAN是指在局域网交换机里采用网络管理软件所构建的可跨越不同网段、不同网络、不同位置的端到端的逻辑网络


VLAN功能


  • 提高管理效率:减少网络中站点的移动、增加和改变所带来的工作量,可以大大的简化网络配置和调试工作
  • 控制广播网数据:VLAN内成员共享广播域,VLAN间的广播被隔离,这样可以提高网络的传输效率,VLAN利用了交换网络的高速性能
  • 增强网络的安全性:广播可以将数据传向每一个站点,通过将网络划分为一个个相互独立的VLAN,对成员进行分组限制广播,并可以根据MAC地址、应用类型、协议类型等限制成员或计算机对网络资源的访问
  • 实现虚拟工作组:按照应用或功能组建虚拟工作组


VLAN划分方法


  • 按照交换端口号划分
  • 按照MAC地址划分
  • 按照第三层协议划分
  • IP组播VLAN
  • 基于策略的VLAN
  • 按用户定义、非用户授权划分


VLAN之间的通信


  • MAC地址静态登记方式
  • 帧标签方式
  • 虚连接方式
  • 路由方式


VLAN的实现


当一个网桥或者交换机接收到来自某个计算机工作站的数据帧,它将给这个数据帧加上一个标签以标识这个数据帧来自于哪个VLAN


加标签的原则有多种


  • 基于数据帧来自于网桥端口
  • 基于数据帧的数据链路层协议源地址
  • 基于数据帧的网络层协议源地址
  • 基于数据帧的其他字段或者多个字段的综合


VTP协议


用来保持VLAN的删除、添加、修改等管理操作的一致性。

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