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圳丑白
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1 第 15 章局域网概述南京大学计算机系 2007 年 9 月 7 日星期五黄皓教授

2 参考文献 1. Rich Seifert, 千兆以太网 - 技术与应用, 机械工业出版社,2000 年 2. 敖志刚, 万兆位以太网及其实用技术, 电子工业出版社,2007 年 7 月 2007 年 9 月 7 日星期五 2

3 引言以太网的发展史 : 以太网的产生与 DIX 联盟 1973 年, 位于加利福尼亚 Palo Alto 的 Xerox 公司提出并实现了最初的以太网 Robert Metcalfe 博士被公认为以太网之父, 他研制的实验室原型系统运行速度是 (3Mb/s) 1979 年,Xerox ( 专利和技术 ) DEC( 最大的网络计算机供应商 ) Intel( 将商品化以太网集成到廉价芯片中 ) 公司联合起来, 致力于以太网技术的标准化和商品化, 并促进该项技术在网络产品中的应用由它们组成的 DEC-Intel-Xerox(DIX) 三驾马车,1980 年 9 月开发并发布了 10Mb/s 版的以太网标准 : Digital Equipment Corp.,Intel Corp.,Xerox Corp.,The Ethernet: A Local Area Network, Data Link Layer and Physical Layer Specifications, Version 1.0, September, 1980.

4 引言以太网的发展史 : 以太网的产生与 DIX 联盟与 DIX 工作同步的是,IEEE 成立了如今闻名的 802 计划, 其目标是为 LAN 技术标准化提供广泛的工业框架 802 的第一次会议于 1980 年 2 月在加利福尼亚的旧金山召开该委员会被分成了几个工作组 (WG ) IEEE 研究基于以太网,IEEE 研究令牌总线, 研究令牌环

5 引言以太网的发展史 : 10Mb/s 以太网发展成熟 1983 年 6 月,IEEE 标准委员会通过了第一个标准与 DIX 以太网标准基本上使用的是相同的技术 Synoptics Communications 公司开发了在双绞线上传输 10Mb/s 以太网信号的技术 IEEE 于 1990 年 9 月通过了使用双绞线介质的以太网 (10BASE-T ) 标准

6 引言以太网的发展史 : LAN 桥接与交换 DEC 在 80 年代初开发了第一个透明 LAN 网桥, 并于 1984 年发布了商品化产品 1990 年发布了 IEEE 802.1D 标准 IEEE Standard 802.3x, Specification for Full Duplex Peration, 1997

7 引言以太网的发展史 : 快速以太网年间,Grand Junction 网络公司开发了一种高速以太网, 运行速度达到 100 Mb/s IEEE Standard 802.3u, Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layer, Medium Attachment Units, and Repeater for 100Mb/s Operation, Type 100BASE-T, 1995

8 引言以太网的发展史今 : 千兆以太网交换技术与快速以太网的结合无疑对网络服务器和园区主干网施加了更大的压力 1996 年 IEEE8O2. 3 成立了一个标准开发任务组,1998 年完成并通过了标准 Draft Standard 802.3z, Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layer, Repeater Management Parameters for for 1000Mb/s Operation, 1998

9 引言以太网流行的原因以太网从一开始就得到了许多计算机制造商的支持以太网特别简单它的确缺乏许多诱人的特性和选项, 而这对它没有任何损害, 相反还是一个优点, 因为构造以太网使用的电路较少, 由此可以降低成本

10 15.1 背景局域网的应用领域个人计算机局域网共享部门级的服务器共享部门级的设备客户 / 服务器计算模式个人计算机之间的通信

11 15.1 背景局域网的应用领域后端网络和存储网络大型机超级计算机和海量存储器设备进行互连存储域网络 (Storage Area Network,SAN) SAN 将特定服务器的存储任务分离出来 (15.1) 高速办公室网络桌面图像处理器视频点播传真等大数据量的应用需要很大的网络数据流量

12 15.1 背景局域网的应用领域主干局域网把一座 ( 很可能是大型 ) 建筑或一组建筑内的所有设备互连起来建筑物或部门内使用成本低容量小的网络, 然后再用大容量局域网把它们互连起来

13 大楼 1 服务区核心交换区大楼 2 广域网接入区

14 15.2 拓扑结构和传输媒体局域网的主要构成拓扑结构布局传输媒体媒体接入控制四种不同范畴在选择时会互相依赖

15 15.2 拓扑结构和传输媒体拓扑结构总线拓扑结构使用多接人点媒体所有站点通过称为分接头 (tap) 的硬件接口直接连接到一个线性传输媒体上在站点和分接头之间的全双工操作使得数据能够在总线上发送和接收来自任何站点的传输沿前后两个方向传遍整个媒体, 并被所有其他站点接收在总线的两端是端接器, 它吸收所有信号并将之排出总线

16 15.2 拓扑结构和传输媒体拓扑结构树形拓扑结构来自任意站点的传输将传遍整个媒体, 并被所有其他站点接收

17 15.2 拓扑结构和传输媒体拓扑结构共享介质的问题目标地址问题访问控制问题分成帧, 设置帧头, 指示目标地址

18 15.2 拓扑结构和传输媒体拓扑结构环形拓扑结构网络由一组转发器 (repeater) 构成, 转发器由点对点的链路连接这些链路是单向的, 即数据只按同一个方向传输, 其结果是数据在环中沿一个方向循环每个站点与网上的一个转发器相连需要媒体接人控制来决定每个站点在什么时候可以插入帧

19 15.2 拓扑结构和传输媒体拓扑结构星形拓扑结构在星形 (star) 局域网的拓扑结构中, 各站点直接连到一个公共的中心节点上通常, 各站点通过两条点对点链路连到一个中心节点, 一条传输, 一条接收集线器交换机集线器或交换机站点站点站点

20 15.2 拓扑结构和传输媒体拓扑结构拓扑结构的选择选择拓扑结构的因素可靠性可扩展性性能使用基带同轴电缆的总线拓扑结构难于使用使用双绞线对或光纤的星形拓扑结构有很好的扩展性距离相当远速度非常高的链路可用在环形拓扑结构中

21 15.2 拓扑结构和传输媒体拓扑结构传输媒体的选择传输媒体的选择受到局域网的拓扑结构的限制容量可靠性支持的数据类型环境范围 3 类非屏蔽双绞线 (UTP) 是一种便宜且已成熟的媒体, 一般情况下它能支持的数据率非常有限屏蔽双绞线和基带同轴电缆要贵得多, 但是能够提供较大的容量 5 类 UTP, 可以为少量设备提供高数据率 ; 如果使用星形拓扑结构, 并将多个星形配置中的交换设备互相连接起来就能够支持大型网络安装光纤有很多吸引人的优点, 如电磁隔离大容量小体积, 但是光纤构件的价格太高

22 15.3 局域网体系结构物理层链路层拓扑结构传输媒体媒体接入控制 (MAC) 逻辑链路控制 (LLC)

23 15.3 局域网体系结构链路层的功能在传输时, 将数据和地址及差错检测字段组装成帧在接收时, 分解帧, 并执行地址识别和差错检测监管局域网传输媒体的接人向高层提供接口并执行流量控制和差错控制将链路层分为 MAC 层与 LLC 层的原因对共享接入式媒体的接入管理需要一些逻辑, 而它们在 OSI 第 2 层数据链路控制中是找不到的对于相同的 LLC, 可以提供几个 MAC 的选择

24 15.3 局域网体系结构 LLC 服务不确认的无连接服务连接模式服务确认的无连接服务媒体接入控制集中控制循环预约争用

25 LLC PDU 一般 MAC 帧格式 MAC 控制目的 MAC 地址源 MAC 地址 LLCPDU CRC

26 以太网帧结构前导码 (preanible) 包含 8 个字节前 7 个字节的值为 0x55, 而最后一个字节的值为 0xD5 结果前导码将成为一个由 62 个 1 和 0 相隔 ( ) 的串行比特流, 最后 2 位是连续 1 表示数据链路层帧的开始在 DIX 的太网中, 前导码被认为是物理层封装的一部分, 而不是数据链路层的封装前导码 DA SA 类型数据 CRC

27 以太网帧结构 ( 续 ) 目的地址 (DA) 包含 6 个字节 DA 标识了帧的目的地站点 DA 可以是单播地址或组播地址源地址 (SA) 包含 6 个字节 SA 标识了发送帧的站 SA 通常是单播地址 ( 即, 第 1 位是 0) 前导码 DA SA 类型数据 CRC

28 以太网帧结构 ( 续 ) 类型域包含 2 个字节类型域标识了在以太网上运行的客户端协议使用类型域, 单个以太网可以向上复用 (upward multiplex) 不同的高层协议 (IP,IPX, AppleTalk, 等等 ) 以太网控制器一般不去解释这个域, 但是使用它来确定所连接计算机上的目的进程本来类型域的值由 Xerox 公司定义, 但在 1997 年改由 IEEE 负责前导码 DA SA 类型数据 CRC

29 以太网帧结构 ( 续 ) 数据域包含字节数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息由于 CSMAJCD 算法的限制, 以太网帧必须不能小于某个最小长度高层协议要保证这个域至少包含 46 字节如果实际数据不足 46 个字节, 则高层协议必须执行某些 ( 未指定 ) 填充算法前导码 DA SA 类型数据 CRC

30 802.3/Ethernet v2 帧格式 7 1 2/6 2/ 字节 PA SFD DA SA LEN LLC PDU Pad FCS IEEE 校验区间字节字节 Ethernet PA DA SA Type Data Pad FCS Ethernet PA: 前同步码序列, 用于使接收方与发送方同步 SFD: 帧首定界 DA: 目的 MAC 地址 ; SA: 源 MAC 地址 LEN: 数据长度 ( 数据部分的字节数 )(0-1500B 1500B) Type: 类型高层协议标识 LLC PDU+pad : 最少 46 字节, 最多 1500 字节 Pad: 填充字段, 保证帧长不少于 64 字节 ( 若 Data 域 46 字节, 则无 Pad) FCS: 帧校验序列 (CRC( CRC-32)

31 以太网帧结构以太网和多数数据通信系统一样, 传输一个字节的顺序是从最低有效位 (least-significant-bit, 对应于 2 0 的数字位 ) 到最高有效位 (mostsignificant-bit, 对应于 2 7 的数字位 ) 另外习惯上在书写二进制数字时, 最低值位写在最左面, 而最高值位写在最右面这种写法被称为小端 (Little Endian) 形式或正规形式相反, 令牌环和 FDDI LAN 使用大端 (Big Endian) 格式, 从最高值位到最低值位传送每个字节十六进制字节值发送的位 ( 从左到右 ) AA E

32 以太网帧结构多字节的域, 这些域是以从左到右排列的以连接符 - 分隔的字节串表示每个字节包含两个十六进制数字 C-4A 将按以下顺序 ( 从左向右读 ) 串行地发送 :

33 以太网地址供应商地址代码块特定供应商的唯一标识符 First Bit Transmitted 0= 单播地址,1= 组播地址 Last Bit Transmitted

34 15.4 网桥将一个局域网扩展到其限制之外有两种常用方法 : 网桥和路由器网桥必须用在采用相同物理层和链路层协议的局域网之间路由器则是更通用的设备, 能够实现多种不同的局域网和广域网之间的互联

35 使用网桥的原因可靠性性能安全性地理位置

36 网桥的功能读取局域网 A 上传输的所有帧, 并接受站点地址在局域网 B 上的帧对局域网 B 使用媒体接入控制协议, 在 B 上重传每个帧对从 B 到 A 的通信量采取相同的动作

37 网桥的功能网桥不更改它收到的帧的内容和格式, 由于两个局域网使用同样的局域网协议, 这样做是没有问题的网桥应该具有足够的缓存空间以满足峰值需要网桥必须具有寻址能力和路由选择智能一个网桥可以连接两个以上的局域网

38 网桥协议体系结构网桥在 MAC 层工作两个局域网通过一个网桥连接这两个局域网都使用同样的 MAC 层和眦协议图 15.9 MAC 中继网桥的概念并不局限于使用单一网桥连接的两个相邻局域网如果局域网之间距离比较远, 那么它们可以与两个网桥连接, 而这两个网桥又可以通过其他通信设施连接

39 网桥的路由算法固定路由算法动态路由算法支撑树算法

40 网桥的路由算法动态路由算法当一个网桥刚刚连接到局域上时, 其转发表显然是空的这时若网桥收到一个帧, 网桥应当按照以下算法处理该帧和建立起自己的转发表

41 透明网桥算法 1. 从端口 x 收到无差错的帧在转发表中查找目的站 MAC 地址 2. 如有, 则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d, 然后进行 (3), 否则转到 (5) 3. 如到这个 MAC 地址去的端口 d=x, 则丢弃此帧否则从端口 d 转发此帧 4. 转到 (6) 5. 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧 6. 如源站不在转发表中, 则将源站 MAC 地址加入到转发表, 登记该帧进入网桥的端口号, 设置计时器然后转到 (8) 如源站在转发表中, 则执行 (7) 7. 更新计时器 8. 等待新的数据帧转至 (1)

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈本章目标通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型掌握 IP 协议原理理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍主机主机 Internet TCP/IP 早期的协议族全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层应用层主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层