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局域网体系结构.ppt

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局域网体系结构,局域网体系结构,计算机网络体系结构:计算机各层、协议及层间接口的集合称为体系结构(architecture) 或者说是:网络信及其部件所应完成功能的精确定义。 一个网络的基本功能包括:信号的发送接收、差错控制、链接管理、流量控制、路径选择、顺序控制、会话控制… 分层:就是“分而治之”…,2.1、局域网概述,1)以太网:常见的局域网 ——历史及发展以太网已经占据了世界范围内局域网市场90%以上的份额,到处都可以见到多种形式的以太网。以太网最初规定为3Mbit/s(兆比特每秒),但几乎立即就变成了10Mbit/s。到1998年,它准备好了在1Gbit/s上打一场新的战争。现在,以太网已经超过了它所有的竞争对手,并在光纤上实现了向10Gbit/s以太网的迈进。,2.1、局域网概述,2)工作方式: 以太网描述为一个彬彬有礼的晚宴,在晚宴上,要说话的客人(计算机)并不会打断别人,而是在开口说话之前等待谈话安静下来(在网络电缆上没有通信流量)。如果两位客人同时开始说话(冲突),那么他们都会停下来,互相道歉,等上一会儿,然后他们其中的某一位再开始说话。 这个方案的技术术语就是CSMA/CD。 载波侦听(Carrier Sense):您能够分辨出是否有人正在讲话。 多路访问(Multiple Access):每个人都能够讲话。 冲突检测(Collision Detection):您知道您在什么时候打断了别人的讲话,2.1局域网概述,3)以太网拓扑结构 以太网拓扑结构是没有环路的分支总线结构,同一个网络上任意两台主机之间只有一条让包通过的路径。以太网在一个网段上交换3类包:单播、多播和广播。 随着现代交换机的出现,现在的逻辑网段通常由许多物理网段构成,而每个物理网段上面只连接两个设备:交换机端口和主机。交换机负责把单播和多播包发送到接收方所在的网段上;广播流量则被转发到一个逻辑网段的所有端口上。 一个逻辑网段可能包含了以不同速度(10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s 或 10Gbit/s)运行的物理网段(或者无线网段),因此,为了消除潜在的冲突,交换机必须有缓冲和计时功能。,2.1局域网概述,4)局域网的特点(见课本) 5) 局域网的组成(见课本),2.2 局域网体系结构,6)IEEE 802标准系列(局域网),2.2 局域网体系结构,7)OSI互联参与模型 1、第一层是物理层(也即OSI模型中的第一层)物理层实际上就是布线、光纤、网卡和其它用来把两台网络通信设备连接在一起的东西。物理层负责在网络上传输数据比特流。 2、数据链路层 数据链路层的一个主要功能就是通过校验、确认和反馈、重发等手段,将原始的物理连接改造成无差错的数据链路。 另外,数据链路层还要解决流量控制的问题 。数据链路层还管理数据格式。,2.2 局域网体系结构,3. 网络层:网络层关心的是通信子网的运行控制,其主要任务是把网络协议数据单元(通常称为分组)从源传送到目标,网络层管理路由策略处理路由中的一系列问题,网络层控制着通信子网网络层是针对子网的最高层次。(计费软件) 4. 运输层: 有运输层后,高层用户就可利用运输层的服务直接进行端到端的数据传输,从而不必知道通信子网的存在。通过运输层的屏蔽,高层用户看不到通信子网的更替和技术变化。运输层为上层用户提供端对端的透明优化数据传输服务 。 运输层负责选择通信使用的网络。另一种方法是把数据划分成多个小的分组(数据子集),再分别传送。,2.2 局域网体系结构,5. 会话层: 会话层允许不同主机上的各种进程之间进行会话。运输层是主机到主机的层次,而会话层是进程到进程之间的层次。会话层组织并同步进程间的对话,它可管理对话允许双向同时进行或任何时刻只能向一个方向进行。在后一种场合下,会话层提供一种数据权标来控制哪一方有权发送数据。会话层还提供同步服务。 **在会话层及以上的高层次中,数据传送的单位不再另外命名,统称为报文。,,2.2 局域网体系结构,6. 表示层: 表示层为上层用户提供共同需要的数据或信息语法表示变换。 为了让采用不同的编码方法的计算机能相互理解通信交换后数据的值,可以采用抽象的标准方法来定义数据结构,并采用标准的编码表示形式。,,2.2 局域网体系结构,7. 应用层: 不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。网络环境下不同主机间的文件传送、访问和管理网络环境下传送标准电子邮件的文电处理系统方便不同类型终端和不同类型主机间通过网络交互访问的虚拟终端VT(Virtual Terminal)协议等,都属于应用层的范畴。,,2.2 局域网体系结构,,2.2 局域网层次结构,8)局域网层次结构如图3.5所示。,,,图3.5 局域网层次结构,2.2 局域网层次结构,.1 物理层的主要功能 物理层的主要功能有:(1) 把计算机要发送的数据编码成信号,或把从通信介质上接收的信号译码成数据。(2) 处理用于发送与接收同步的前同步码(3) 编码信号对应的比特流的发送与接收。,,,曼彻斯特编码,曼彻斯特编码,也叫做相位编码(PE),是一个同步时钟编码技术,被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码被用在以太网媒介系统中。在这个技术下,实际上的二进制数据被传输通过这个电缆,不是作为一个序列的逻辑1或0来发送的,2.2 局域网层次结构,2 数据链路层:MAC与LLC 在局域网参考模型中被分成介质访问控制MAC和逻辑链路控制LLC两个子层。1.逻辑链路控制(LLC)子层2) 功能特点及服务访问点LLC SAP 由于LAN不设单独的网络层,属于网络层的某些功能就由LLC子层完成。对于数据报服务,只要在帧中给出源地址和目的地址即可,不用建立连接。一个主机中可能有多个进程在运行,它们可能同时与其他的一些进程进行通信,因而一个主机的LLC层应设多个服务访问点(L-SAP),来自多个L-SAP的服务在LLC子层中进行复用。,,,2.2 局域网层次结构,2.介质访问控制MAC子层:MAC子层要完成MAC帧的封装、解封和介质访问控制两个主要功能。 1) MAC层的硬件地址: 在局域网中,硬件地址又称为物理地址或MAC地址(因为这种地址用在MAC帧中)。大家知道,在所有计算机系统的设计中,标识系统是一个核心问题。在标识系统中,地址就是为标识某个系统的一个非常重要的标识符。802标准为局域网规定了一种48b的全球地址,是指局域网上的每一台计算机所插入的网卡的地址。现在IEEE的注册管理委员会是局域网全球地址的法定管理机构,它负责分配地址字段的前3个字节(即高24位)。这个号的正式名称是机构惟一标识符世界上凡是生产局域网网卡的厂家都必须向,,,2.2 局域网层次结构,IEEE购买由这3个字节构成的一个号(即地址块)。地址字段中的后3个字节(即低24位)则是由厂家自行指定,称为扩展标识符,只要保证生产的网卡没有重复地址即可。可见用一个地址块可以生成224个不同的地址。用这种方式得到的48位地址称为MAC-48。在生产网卡时这种六字节的MAC地址已被固化在网卡的只读存储器(ROM)中。MAC地址也常常称为硬件地址或物理地址。IEEE规定地址字段的最低1位I/G。当I/G位为0时,地址字段表示一个单个的站地址。当I/G位为1时表示组地址,用来进行多播。因此IEEE只分配地址字段的前3个字节中的23位。当I/G位分别为0或1时,一个地址块可分别生成224个单个站地址和224个组地址。,,,2.2 局域网层次结构,由于网卡是插在计算机中的,因此网卡上的硬件地址 就可用来标识插有该网卡的计算机。网卡从网络上每收 到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址。 如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理; 否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。这样就不浪 费主机的处理机和内存资源。这里的帧包括以下3种帧:(1) 单播帧(一对一) (2) 广播帧(一对全体)(3) 多播帧(一对多),,,2.2 局域网层次结构,2) MAC帧格式MAC层从LLC层接收一块数据,并进行相应的介质访问控制,然后把数据传输出去。和其他协议层一样,MAC层会组装一个MAC协议数据单元(PDU),这个PDU又叫做MAC帧。MAC PDU分为MAC控制字段、目的MAC地址、源MAC帧地址、LLC字段和循环校验字段CRC。,,,2.2、以太网的帧结构,一个LLC帧的长度为 DA+SA+L+LLCPDU+FCS=6+6+2+(46~1500)+4=64~1518 即当LLCPDU为46个字节时,帧最小,帧长为64字节;当LLCPDU为1500字节时,帧最大,帧长为1518字节。,2.2 局域网层次结构,.3 MAC与LLC的功能 MAC子层的主要功能是:具体管理通信实体访问信道而建立数据链路的控制过程,包括帧的封装和拆封、物理介质传输差错的检测、寻址、实现介质访问控制协议等。LLC子层的主要功能是提供一个或多个服务访问点,以复用的形式建立多点-多点之间的数据通信链路,并包括连接管理(建立和释放连接)、差错控制、按序传输及流量控制等。MAC子层和LLC子层合并在一起,近似等效于OSI参考模型中的数据链路层。,,,2.3、以太网的分类,传统以太网技术 1.粗缆以太网最初的以太网布线方案10BASE-5,被非正式地称为粗缆以太网(thick wire Ethernet)。因为其通信介质是一根大的同轴电缆,每隔2.5m一个标志,标明分接头插入处,连接处通常采用插入式分接头,将其触针小心地插入到同轴电缆的内芯。10BASE-5表示的意思是:工作速率为10Mb/s,采用基带信号,最大支持的网段长为500m。粗网使用的网卡不包括模拟硬件,也不处理模拟信号,处理这些事情的模拟硬件是一种叫做收发器(transceiver)的独立设备。每台计算机需要一个收发器。,,2.3、以太网的分类,从物理上讲,收发器直接连接到以太网上,电缆连接收发器与计算机中的网卡。这样,收发器总是远离计算机。例如,在办公楼里收发器可能连接铺设在过道天花板中的以太网上。把NIC连接到收发器的电缆被称为连接单元接口电缆,NIC和收发器上的连接器被称为AUI连接器。如图3.6所示为粗缆布线方案。,,,,图 粗缆以太网,2.3、以太网的分类,2.细缆以太网线很多硬件允许以太网使用比最初的粗缆更细、更柔软的同轴电缆。这种同轴电缆正式名称为10BASE-2,非正式名称为细缆以太10BASE-2表示的意思是:工作速率为10Mb/s,采用基带信号,最大支持的网段长为185m。布线方案与粗网布线方案相比有3个主要的不同点:(1) 细缆通常在安装与运行方面比粗缆要便宜。(2) 因为完成收发器功能的硬件被做在网卡内发器。(3) 细缆不使用AUI电缆来连接网卡与通信介质,而是使用一个BNC连接器(BNC connector)直接连接到每台计算机的后部。,,,2.3、以太网的分类,如图3.7所示为细缆的布线方案。 尽管细缆以太网的布线方案与粗缆以太网的布线方案看起来完全不同,但是这两种方案拥有一些相同的特点。粗缆与细缆都是同轴的,这就是说它们都能屏蔽外部的干扰信号。粗缆与细缆都需要终止器,并且都使用总线拓扑。更重要的是,因为两种布线系统有相似的电子特性(如电阻与电容),所以信号以相同方式沿电缆传播 。,,2.3、以太网的分类,3.双绞线以太网这种方案的正式名称是10BASE-T,但它通常被称为双绞线以太网或简称TP以太网。已经成为以太网标准的10BASE-T根本不使用同轴电缆,10BASE-T以太网并没有像其他布线方案那样的共享物理介质,相反的,10BASE-T扩展了连接多路复用的思想:以一个电子设备作为网络的中心。这个电子设备叫做以太网集线器(Hub)。像其他布线方案一样,10BASE-T要求每台计算机都有一块网络接口卡和一条从网卡到集线器的直接连接。这一连接使用双绞线和RJ-45连接器。连接器的一端插入计算机的网卡中,另一端插入集线器。这样,每台计算机到集线器都有一条专用连接,并且不用同轴电缆。,,,2.3、以太网的分类,集线器技术是连接多路复用器概念的扩展。集线器中的电子部件模拟物理电缆,使整个系统像一个传统以太网一样运行。事实上,软件并不区分粗缆以太网、细缆以太网及10BASE-T,网络接口负责处理细节以及屏蔽任何不同点。尽管所有集线器都能容纳多台计算机,但集线器还是有许多种尺寸。集线器的特点如下:(1) 表面上看,使用集线器的局域网在物理上是一个星形网,但由于集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。,,2.3、以太网的分类,也就是说,使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线 网,各工作站使用的还是CSMA/CD协议,并共享逻辑上 的总线。网络中的各个计算机必须竞争对传输媒体的控 制,并且在一个特定时间至多只有一台计算机能够发送 数据。因此,这种10BASE-T以太网又称为星形总线(2) 一个集线器有许多端口,每个端口通过RJ-45插头用两对双绞线与一个工作站上的网卡相连。因此,一个集线器很像一个多端口的转发器。(3) 集线器和转发器都是工作在物理层,它的每个端 口都具有发送和接收数据的功能。,,,2.3、以太网的分类,(4) 集线器采用了专门的芯片,进行自适应串音回波抵消,这样就可使端口转发出去的较强信号不至于对该端口接收到的较弱信号产生干扰。每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时。集线器本身必须非常可靠。现在堆叠式集线器由4~8个集线器一个叠在另一个上面构成,一般都有少量的容错能力和网络管理功能。模块化的机箱式智能集线器有很高的可靠性,它全部的网络功能都以模块方式实现。各模块可进行热拔插,可在不断电的情况下更换或增加新模块。集线器上的指示灯还可显示网络上的故障情况,给网络的管理带来了很大的方便。,,,2.3、以太网的分类,4.3种布线方案的比较 如下表所示。,,,2.3、以太网的分类,,,,图3.9 三种布线方案比较,2.3、以太网的分类,4 交换式以太网:交换式以太网的核心设备是交换式集线器,交换式集线器又叫以太网交换机,通常有十几个端口。因此,以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥,工作在数据链路层。此外,以太网交换机的每个端口都直接与主机相连,工作在全双工方式。以太网交换机由于使用了专用的交换机芯片,因此其交换速率较高。对于普通10Mb/s的共享式以太网,若共有N个用户,则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的N 分之一。在使用以太网交换机时,虽然在每个端口到主机的数据率还是10Mb/s,但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽,因此拥有N对端口的交换机的总容量为N×10Mb/s。这正是交换机的最大优点。,,,2.3、以太网的分类,数据速率为10Mb/s的共享式以太网,10个结点同时使用时,每个结点使用的平均传输速率为1Mb/s。16端口的以太网交换机(2个100Mb/s,14个10Mb/s),进行通信时,总容量为(2×100 +14×10)Mb/s。 共享式以太网转到交换式以太网时,所有的接入设备(软件、硬件、网卡等)都不需要做任何改动,也就是说,所有的接入设备继续使用CSMA/CD协议。此外,只要增加集线器的容量,整个系统的容量是很容易扩充的。 以太网交换机一般具有多种速率端口,例如:10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s等端口的各种组合,这就大大地方便了各种不同情况的用户。如下图所示,以太网交换机由3个10Mb/s端口分别和3个系的10BASE-T局域网相连,还有3个100Mb/s的端口分别和E-mail 服务器、WWW服务器以及一个连接Internet 的路由器相连。,,,2.3、以太网的分类,,,,2.3、以太网的分类,交换以太网采用存储转发技术或直通(Cut-Through)技术来实现信息帧的转发。存储转发技术是将需发送的信息帧完全接收并存放到输入缓存后再发送至目的端口;而直通技术是在接收到信息帧时和交换式集线器中的目的地址表相比较,查找到目的地址后就直接将信息帧发送到目的端口。直通交换:当接收到一个帧的目的地址(大约一个帧的前20到30字节)后马上决定转发的目的端口,并且开始转发,而不必等待接收到一个帧的全部字节后再进行转发。存储转发交换:从功能上讲,就是网桥所使用的技术,等待到全部数据都接收后再进行处理,包括校验、转发等。相对于直通技术而言,传递延迟比较大。,,,2.3、以太网的分类,5、高速以太网技术:高速以太网是一个新的IEEE局域网标准,它为现有的广大以太网用户提供了一个平滑升级的方案。快速以太网标准的正式名为100BASE-T(由3COM、Intel所组成的快速以太网联盟所制),由IEEE 802.3u规范。另外由HP、AT&T和IBM所组成的100VG-AnyLAN论坛支持的100VG-AnyLAN采用请求优先的介质访问方法,由IEEE 802.12规范。为了支持各种类型的介质,快速以太网提供了3种类型的发送接收器,2种用于双绞线(即100BASE-T4:使用4对3类或4类或5类UTP;100BASE-TX:使用2对5类UTP或2对阻抗为150的STP),1种用于光纤(即100BASE-FX)。,,,2.3、以太网的分类,5. 1.100Mb/s以太网1) 100BASE-T技术100BASE-T又称为快速以太网(Fast Ethernet),它是使用10BASE-T的CSMA/CD介质访问控制方法在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑以太网。100BASE-T的网卡有很强的自适应性,能够自动识别10Mb/s和100Mb/s,所有在100BASE-T上的应用软件和网络软件都可以保持不变。IEEE于1995年正式通过了100BASE-T快速以太网的国际标准,即802.3u标准。,,,2.3、以太网的分类,5. 2) 100BASE-VG技术100BASE-VG是一种使用集线器的100Mb/s高速局域网,它的含义是指在语音级UTP电缆上进行100Mb/s速率传输,且适合于以太网和权标环网,100BASE-VG常简写为100VG,它的IEEE标准为802.12 ,100BASE-VG网络采用4对线以半双工方式传送数据,信息分4路同时传输,并提供与100Mb/s速率相应的带宽。100BASE-VG网络采用5B6B编码来传输数据,将数据流中每5位划分为一组,然后按编码规则将这5位转换为相应的6位编码,因此每对UTP上30MBaud的信号速率可以获得25Mb/s的数据速率。,,,2.3、以太网的分类,100BASE-VG网络是一种无冲突局域网,能更好地支 持多媒体传输,在媒体接入控制MAC子层没有沿用 CSMA/CD方法而是采用一种需求优先协议。100BASE-VG网络采用星形拓扑结构,由中央集线器对全网实行集中式访问控制,每个集线器经配置都支持以太网卡和权标环网卡及其帧格式,但两者不能共存于 同一网段中,网络结点可以是客户机、服务器或其他连 接设备(如集线器、交换机、网桥等)。100BASE-VG网络与以太网或权标环网互联时要使用网桥;100BASE-VG与FDDI、ATM或广域网连接时要使用路由器。,,,2.3、以太网的分类,5.3、1Gb/s(吉比特)以太网:吉比特以太网仍使用原有以太网的帧结构、帧长及CSMA/CD协议,仅在底层将数据速率提高到了1Gb/s,因此与标准以太网及快速以太网兼容。吉比特的标准802.3z考虑以下几个要点:(1)允许在1Gb/s下全双工和半双工2种方式工作。(2)使用802.3协议规定的帧格式。(3)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)。(4)在10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。,,,2.3、以太网的分类,吉比以太网还增加一种分组突发功能,就是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,但随后的一些短帧则可一个接一个地发送,它们之间只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成了一串分组的突发,直到达到1500B或稍多一些为止。当吉比特以太网工作在全双工方式时,不使用载波延伸和分组突发。吉比特以太网可用作快速以太网的主干网,也可在高带宽的应用(如医疗图像或CAD的图形等)中用来连接工作站和服务器。吉比特以太网交换机可以直接与多个图形工作站相连,也可以与几个100Mb/s以太网集线器相连,然后再和大型服务器连在一起。它可以很容易将FDDI主干网进行升级。,,,2.3、以太网的分类,5.4.10Gb/s以太网:10Gb/s以太网并非将吉比特以太网的速率简单地提高到10倍,这里有许多技术上的问题要解决。以下是10Gb/s以太网的主要特点。10Gb/s以太网的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同。10Gb/s以太网还保留了802.3标准规定的最小和最大帧长。由于数据速率很高,10Gb/s以太网不再使用铜线而只是使用光纤作为传输媒体。,,,2.3、以太网的分类,10Gb/s以太网只工作在全双工方式,因此不存在争用问题,也不使用CSMA/CD协议。吉比特以太网的物理层是使用已有的光纤通道技术,而10Gb/s以太网的物理层则是新开发的。10Gb/s以太网有下述2种不同的物理层。 (1) 局域网物理层LAN PHY。 (2) 可选的广域网物理层WAN PHY。,,,2.3、以太网的分类,以太网从10Mb//s到10Gb/s的演进证明了以太网具有以特点:可扩展的(从10Mb/s到10Gb/s)。灵活的(多种媒体、全/半双工、共享/交换)。易于安装。稳健性好。,,,2.4 以太网升级,1 以太网升级的含义:简单地讲,以太网升级是指用功能指标高的新型以太网替换功能指标低的以太网。例如,用100Mb/s的快速以太网网卡替换10Mb/s网卡,用100Mb/s快速以太网交换机替换10Mb/s的集线器,用1000Mb/s千兆交换机替换100Mb/s快速以太网交换机等。,,,
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