数据通信与控制网络

1. 数据通信与控制网络

2. 第3章 局域网技术及其以太网 • 主要内容 • 3.1 局域网概述 • 3.2 局域网协议 • 3.3 网络互联技术 • 3.4 以太网及其组网方式 • 3.5 高速以太网技术简介 • 3.6 工业以太网

3. 3.1 局域网概述 • 局域网经历了三代： • 第一代是以CSMA/CD和标记环为代表，提供终端到主机的联接，支持客户机/服务器结构，运行在中等数据率； • 第二代以FDDI为代表，满足对LAN骨干网的要求，支持高性能工作站； • 第三代以千兆位以太网与ATM局域网为代表，提供多媒体应用所需的吞吐量和实时传输的质量保证。

4. 3.1 局域网概述 • 局域网的研究始于70年代，以1975年美国施乐Xerox公司推出的实验性以太网（Ethernet）和1974年英国剑桥大学研制的剑桥环网为典型代表。 • 目前，Novell公司的 Netware、IBM公司的令牌环网、3COM公司的3COM Ether系列网、Microsoft公司的Windows NT、Datapoint公司的ARCNET网等是局域网市场流行最广的网络。

5. 3.1 局域网概述 • 3.1.1 局域网的组成与特点 • 局域网：在较小的地理范围内，利用通信线路将众多微机等设备连接起来，实现相互间的数据传输和资源共享的系统称为计算机局域网络。 • 局域网基本组成包括如下部分： • （1）服务器（Server） • （2）客户机（Client）。 • （3）网络硬件设备。 • （4）通信介质。 • （5）网络操作系统和局域网络协议等软件。

6. 3.1 局域网概述 • 局域网特点： • （1）以微机为主要建网对象。大部分局域网中没有中央主机系统，只有多种微机及外设，可以说局域网是专为微机而设计的网络系统。 • （2）地理覆盖范围有限。通常网络分布在一座办公大楼或集中的建筑群内，为一个部门所有，涉辖范围一般只有几公里。一般来说，局域网的覆盖范围在10km之内。至多不超过25km。 • （3）通信传输速率高且误码率低。局域网一般为基带传输，传输速率一般为10～100Mbps，甚至更高。因为传输距离短误码率很低，一般在10-9～10-12范围内，能支持计算机间高速通信。

7. 3.1 局域网概述 • （4）可采用多种通信介质。如低廉的非屏蔽双绞线、同轴电缆或价格昂贵的光纤等。 • （5）一般采用灵活方便的分布式控制和广播式通信传输控制方式，可靠性较高。结点的增删比较容易。 • （6）建网周期短且便于管理和扩充。局域网由于范围小，又为部门所有，因此建网周期短、成本低，因此维护管理和扩充都十分方便。

8. 特 性 一般局域网 高速局域网 计算机化分组交换机 3.1 局域网概述 传输媒体 双绞线、同轴电缆、光纤 CATV同轴电缆 双绞线 拓扑结构 总线、树、环 总线 星线 传输速率（Mbps） l～20 50 9.6～64 最大距离（km） 25 1 1 转接技术 报文分组 报文分组 线路转接 支持设备数 100～1000 10 100～1000 • 3.1.2 局域网分类 • 局域网通常划分成三类：一般局域网（LAN）、高速局域网（HSLN）和计算机化分组交换机（CBX）。三类局域网的主要特性见表。

9. 3.1 局域网概述 • 1、一般局域网（LAN） • LAN可以支持小型机、大型机、终端和其他外围设备的互连。 • 最常见的LAN的类型是采用同轴电缆的总线/树型网。也可选择采用双绞线、同轴电缆、甚至光纤的环型网。 • LAN的传输速率为1Mbps～20Mbps。 • 美国电气和电子工程师协会（IEEE）成立的IEEE802委员会制定了LAN的标准，其标准称为IEEE802标准。

10. 3.1 局域网概述 • 2．高速局域网（HSLN） • HSLN是为大型机和大容量存贮设备之间高吞吐量而设计。 • HSLN的主要集中于采用CATV同轴电缆的总线结构，HSLN可达到很高的数据速率（标准的是50Mbps），但距离和所联设备数非常有限。 • HSLN主要用于计算机房的装置。一般不用于小型机、微型机和一些不太贵的外设。 • HSLN的标准由美国国家标准局（ANSI）所属的一个委员会，即ANSX3T9.5委员会制定。

11. 3.1 局域网概述 • 3．计算机化分组交换机（CBX） • CBX是一种数字专用分组交换机，用于处理声音和数据的转接。 • 通常采用星型或层星型拓扑结构，用双绞线将端结点连到转接点。 • LAN和HSLN采用报文分组转接，而CBX则采用电路转接。 • CBX中，对单个端结点的数据速率一般较低，但保证一定的频带宽度。当连接建立之后，网络中基本无延迟。 • CBX主要适用于语音传输、终端-终端和终端-主机的数据传输。

12. 3.1 局域网概述 • HSLN可以提供相当高的数据传输速率，但由于价格昂贵，所联设备和传输距离的限制，所以，应用面非常狭窄。 • 而LAN和CBX的应用范围都非常广。 • 从技术上而言，LAN发展得较快，现在已试图将LAN的技术应用于CBX。 • 从开放系统互连的角度看，LAN的通用性更大。国际上有关LAN下三层的标准已趋于成熟。 • 以下所有局域网均指LAN。

13. OSI参考模型 LAN 3.1 局域网概述 数据链路层 逻辑链路子层 （LLC） 媒体访问控制子层 （MAC） 物理层 物理层 图5-1 局域网的参考模型 • 3.1.3 局域网的层次结构 • 局域网对应了ISO/OSI参考模型的最低两层： • 其中物理层用来建立物理连接； • 数据链路层将数据组成帧进行传输，并对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控制，使不可靠的链路变为可靠的链路。参考模型见图。

14. 3.1 局域网概述 • 1.物理层 • 物理层完成信号的编码/译码、前导码的生成/除去、比特的发送/接收等功能。 • 有关信号与编码常采用曼彻斯特编码； • 介质为双绞线、同轴电缆和光缆等； • 拓扑结构多为总线、树和环型； • 传输速率为1Mbps，4Mbps，10Mbps，50Mbps，100Mbps等。

15. 3.1 局域网概述 • 数据链路层分为：数据链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）两个功能子层。 • 目的：使数据链路功能中与硬件有关的部分和与硬件无关的部分分开。 • 2.MAC子层 • LAN对于不同的拓扑结构和媒体，其访问控制不同。 • 如总线形，各站点采用竞争方式；环形结构采用令牌传递方式等，所以说局域网的差别主要体现在物理层和MAC子层。 • MAC子层有管理多个源链路和多个目的链路的功能。 • IEEE802标准制定了几种介质访问控制方法（如CSMA/CD，Token-Ring，Token-Bus等）。

16. 802.1 B 网际互联 互联 3.1 局域网概述 802.1 B 802.1 A 802.2 LLC 数据 链路层 802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.6 MAN 802.3 802.4 802.5 802.6 物理层 图5-2 IEEE802 主要标准的关系图

17. 3.1 局域网概述 • 3. LLC子层 • LLC子层屏蔽了媒体访问控制方法，为连到局域网上的端系统提供端到端的差错控制和流量控制。 • 向高层提供一个或多个服务访问点SAP的逻辑接口，具有帧的接收、发送功能。 • 发送时把要发送的数据加上地址和循环冗余校验CRC字段等构成LLC帧； • 接收时把帧拆封，执行地址识别和CRC校验功能，并且有帧顺序、差错控制和流量控制等功能。 • 包括一些网络层的功能，如数据报，虚电路和多路复用等。

18. 3.1 局域网概述 • 3.1.4 局域网的基本技术 • 1.拓扑结构：星（Star）、环（Ring）、总线或树（Bus/Tree） • 2.传输形式 • 局域网的传输形式有两种：基带传输与宽带传输。 • 典型的传输介质：双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光导纤维，电磁波等。 • 3.介质访问控制方法 • 主要有五类：固定分配、需求分配、适应分配、探询和随机访问。 • 其中环型网采用的令牌访问方法，总线型网采用的CSMA/CD访问方法等是局域网典型的访问方法。

19. 802.1 网络互联 因特网 3.2 局域网协议 802.1 寻址 802.1 体系结构 802.2 逻辑链路控制（LLC） 逻辑链路 802.3 802.4 802.5 802.6 802.13 介质访 问控制 MAC MAC MAC MAC … MAC 物理层 物理层 物理层 物理层 物理层 物 理 • IEEE 802局域网络标准委员会对计算机局域网络协议制定了若干标准，统称为IEEE 802系列标准。

20. 3.2 局域网协议 • IEEE 802委员会下设若干个子委员会，研究局域网的不同发展领域，其研究目标包括： • （1）IEEE 802.l标准，包括局域网体系结构、系统构成、网络互联，以及网络管理与性能测量； • （2）IEEE 802.2标准，定义了逻辑链路控制层（LLC）功能与服务； • （3）IEEE 802.3标准，定义了载波侦听多路访问/冲突检测CSMA/CD总线介质访问控制方法与物理层规范； • （4）IEEE 802.4标准，定义了令牌总线介质访问控制方法与物理层规范； • （5）IEEE 802.5标准，定义了令牌环介质访控制方法与物理层规范； • （6）IEEE 802.6标准，定义了城域网MAN介质访问控制方法与物理层规范；

21. 3.2 局域网协议 • （7）IEEE 802.7标准，定义了宽带技术； • （8）IEEE 802.8标准，定义了光纤技术； • （9）IEEE 802.9标准，定义了语音与数据综合局域网技术； • （l0）IEEE 802.10标准，定义了可互操作的局域网安全性规范； • （11）IEEE 802.11标准，定义了无线局域网技术； • （12）IEEE 802.12标准，定义了优先级高速局域网（100Mb/s)； • （l3）IEEE 802.13标准，定义了快速以太网5B/6B编码技术。 • IEEE 802.l～IEEE 802.6已经成为ISO的国际标准ISO8802-l～ISO8802-6。

22. 3.3 网络互联技术 • 3.3.1 网络互联的基本概念 • 网络互联是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，以构成更大规模的因特网络系统，实现因特网络资源的共享。 • 互联的网络和设备可以是同种类型的网络、异构网络，以及运行不同网络协议的设备和系统。使原来不能通信的网络间实现相互通信。 • 在互连网中，每个子网为互连网的一个部分，每个子网的网络资源都应该成为互连网中的共享资源。同时，又应该屏蔽各子网在网络协议、服务类型、网络管理等方面的差异。 • 网络互连技术能实现更大规模、更大范围的网络连接，使网络、网络设备、网络操作系统与网络资源、网络服务成为一个整体。

23. 3.3 网络互联技术 • 要实现网络互联必须做到： • （l）在互联的网络之间提供链路，至少有物理线路和数据线路； • （2）在不同网络结点的进程之间提供适当的路由来交换数据； • （3）提供网络记账服务，记录网络资源使用情况； • （4）提供各种互联服务，应尽可能不改变因特网的结构。 • 网络互联类型主要有：局域网-局域网互联、局域网-远程网互联、局域网通过远程网与局域网的互联，以及远程网与远程网的互联。

24. 3.3 网络互联技术 • 3.3.2 网络互联设备分类 • 网间互联设备有： • 中继器（Repeater）、网桥（Bridge）、路由器（Router）和网关（Gateway）。 • 网络互连从通信协议的角度可分为四个层次： • 在物理层，使用中继器在不同网段之间复制位信号； • 在数据链路层，使用网桥在局域网之间存储或转发数据帧； • 在网络层，使用路由器在不同网络间存储转发分组信号； • 在传送层及传送层以上，使用网关进行协议转换，提供更高层次的接口。

25. 3.3 网络互联技术 • 1．中继器 • 中继器起简单的信号放大作用，只能接收和转发数据流，它对所通过的数据不作处理。 • 主要用于延长电缆和光缆的传输距离。 • 中继器工作在物理层，实现两个相同的局域网段间的电气连接，在两个物理网段上做比特流的复制，用以扩展局域网的地理范围。 • 一个中继器只包含有一个输入端口和一个输出端口。 • 中继器只适用于总线拓扑结构的网络。 • 使用中继器的好处是扩展网络的成本较低廉。 • 主要有电信号中继器和光信号中继器。

26. 3.3 网络互联技术 中继器图：

27. 3.3 网络互联技术 • 2．网桥 • 网桥是存储转发设备，是在数据链路层上实现不同网的互联。网桥的基本特征是： • （1）网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络； • （2）网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现两个因特网络之间的通信； • （3）网桥需要两个因特网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议； • （4）网桥可以分隔两个网络之间的通信量，有利于改善因特网络的性能与安全性。 • 网桥在局域网中经常被用来将一个大型局域网分成既独立工作又能相互通信的多个子网互联结构，从而改善各个子网的性能与安全性。

28. 3.3 网络互联技术 • 网桥能够解析它所接受的帧，并能指导如何把数据传送到目的地。 • 它能够读取目标地址信息（ MAC），并决定是否向网络的其他段转发（重发）数据包，而且，如果数据包的目标地址与源地址位于同一段，就可以把它过滤掉。 • 当节点通过网桥传输数据时，网桥就会根据已知的MAC地址和它们在网络中的位置建立过滤数据库（也就是人们熟知的转发表）。 • 网桥利用过滤数据库来决定是转发数据包还是把它过滤掉

29. 3.3 网络互联技术 • 3．路由器 • 路由器在网络层上实现多个网络之间的互联。路由器的基本特征是： • （1）路由器为两个或两个以上网络之间的数据传输解决最佳路由选择； • （2）路由器与网桥的主要区别是： • 网桥把几个物理的子网连接起来，向用户提供一个大的逻辑网络。 • 路由器则是从路由选择角度为不同的逻辑上独立的子网用户之间的数据传输提供传输的路线； • （3）路由器要求结点网络层以上的各层使用相同或兼容的协议。

30. 3.3 网络互联技术 • 可路由的协议包括TCP/IP、IPX/SPX和Apple Talk。 • 不可路由的协议包括Net BEUI和SNA。 • 为了找出最优路径，各个路由器间要通过路由协议来相互通信。 • 路由协议可用收敛时间和带宽开销来表征： • 收敛时间：路由器在网络发生变化或断线时寻找出最优传输路径所耗费的时间。 • 带宽开销：运行中的网络为支持路由协议所需要的带宽，

31. 3.3 网络互联技术 • 路由协议：RIP、OSPF、EIGRP和BGP • 为IP和IPX设计的RIP（路由信息协议）。 • 为IP设计的OSPF（开放的最短路径优先）。 • 为IP、IPX和Apple Talk而设计的EIGRP (增强内部网关路由协议)。 • 为IP、IPX和Apple Talk而设计的BGP（边界网关协议）。

32. 3.3 网络互联技术 • 桥式路由器和路由交换机 • 网桥路由器或桥式路由器：表示路由器具备了网桥的某些特征。 • 结合路由器和网桥的好处就是可以转发不可路由的协议，如NetBEUI。还可以通过一台设备连接多种网络。 • 路由交换机：是路由器和交换机结合而成的。 • 能解析OSI模型的第二层和第三层的数据。

33. 3.3 网络互联技术 • 4．网关或网间协议变换器 • 网关（Gateway）也叫网间协议变换器或信关。 • 网关是比网桥和路由器更复杂的网络互联设备，能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。 • 可以实现不同协议的网络之间的互朕，包括不同操作系统的网络之间互联，也可以实现局域网与主机、局域网与远程网之间的互联。 • 网关应实现不同网络协议之间的转换。

34. 3.3 网络互联技术 • 3.3.3 局域网操作系统 • 局域网操作系统是实现计算机与网络连接的重要软件。 • 局域网操作系统通过网卡驱动程序与网卡通信，实现介质访问控制和物理层协议。 • 对不同传输介质、不同拓扑结构、不同介质访问控制协议的异型网，要求计算机操作系统能很好解决异型网络互连的问题。 • Netware，Windows NT Server，LAN Manager都是局域网操作系统的范例。

35. 3.3 网络互联技术 • LAN Manager局域网操作系统 • 微软公司推出的基于Client/Server结构的服务器开放式局域网操作系统，具有优越的局域网操作系统性能。 • 采用网络驱动接口规范NDIS，支持Ethernet，Token Ring，ARC Net等不同协议的网卡、多种拓扑、传输介质。 • 提供丰富的实现进程间通信的工具，支持客户机的图形用户接口。 • 采用以域为管理实体的管理方式，对服务器、用户机、应用程序、网络资源与安全，实行集中式网络管理。通过加密口令控制用户访问，进行身份鉴定，保障网络的安全性。

36. 3.3 网络互联技术 • Netware • 由Novell公司和Apple公司联合提出，用于支持多种局域网协议的互连技术。 • Netware互连技术的核心是开放数据链路接口ODI（Open Data link Interface）。 • Netware可以支持Ethernet，Token Bus，Token Ring局域网。 • 可在服务器或工作站上插入多个不同协议的网卡，构成网桥，实现多种局域网络的互连。

37. 3.3 网络互联技术 • Windows NT Server • 采用网络驱动接口规范NDIS与传输驱动接口标准，内置多种标准网络协议，如TCP/IP，NetBIOS，NetBEUI，允许用户同时使用不同的网络协议进行通信。 • 用于高性能工作站、服务器、大型企业网络、政府机关等异种机互连的应用环境。 • 由Windows NT Server和Windows NT Workstation两部分共同构成完整的系统。

38. 3.4 以太网及其组网方式 • 3.4.1 以太网概述 • 以太网是20世纪70年代末由美国数字设备公司Dec、Intel和Xerox三家公司共同研制出来的计算机局域网，简称DIX网，后来发展成了以太网。 • 1984年推出细电缆以太网产品，后来推出粗电缆、双绞线、CATV宽带同轴电缆、光缆以及多种媒体的混合以太网产品。 • 以太网优点： • 传输速率高、网络软件丰富、系统功能强、安装连接简单和使用维护方便。

39. 3.4 以太网及其组网方式 • 3.4.1.1以太网的发展阶段及其特点 • 以太网采用CSMA/CD的访问控制机制，是一种共享介质的局域网。 • 发展变化可分为以下几个阶段： • （1）同轴粗电缆阶段。最初的以太网传输速率为每秒10兆位，10Base-5类同轴电缆（粗缆），10Mbps以太网为大学和企业的主干网。 • （2）同轴细电缆阶段。基于细缆的10Base-2类，10Mbps以太网由于安装简单，价格便宜，得到了推广应用。 • （3）双绞线电缆阶段。用电话系统双绞线为传输介质的以太网比同轴电缆组网更便宜、更灵活，更适合于局域网环境。 • （4）光缆阶段。 10Base-FL等。 • （5）近年来，发展了100Base-T、1000Base-T的以太网，采用了5类双绞线作为这类网络的传输介质。

40. 3.4 以太网及其组网方式 • 以太网发展的特点： • 1）简易性：结构简单、易于实现、便于修改； • 2）低成本：超大规模集成电路的发展和应用使联接设备及网络接口的成本不断下降； • 3）兼容性：建成的各个以太网之间均在数据链路层交换数据，可以消除各种以太网之间的不相容因素； • 4）编址灵活性：编址机构能够指出信息帧是送往一个节点、一组节点还是所有的节点； • 5）均等性：从时间平均值看，所有节点对网络访问的机会是均等的； • 6）扩展性：按照协议工作的任一节点都不会妨碍其它节点的扩展；

41. 3.4 以太网及其组网方式 • 7）低延时：网络设计使帧在网络上的传输延时尽可能小。以太网的平均响应时间为30ms； • 8）稳定性：在满负载条件下，网络是稳定的； • 9）可维护性：便于网络的维护、操作与规范化； • 10）层次化体系结构：层次化体系结构便于分析数据链路协议的逻辑概念和通信媒体的物理细节； • 11）广泛的使用范围：适用于办公自动化、分布数据处理和终端访问网络等领域； • 12）高可靠性：单个工作站的故障不会影响整个网络，并可通过总线对各工作站进行检测、诊断，便于维护和故障恢复。

42. 3.4 以太网及其组网方式 • 3.4.1.2以太网的主要技术指标 • 1) 传输速率：一般为10Mbps，最新的速率可达100010Mbps； • 2）拓扑结构：总线形结构为主； • 3）通信媒体：同轴电缆、双绞线、光纤； • 4）所遵循的网络标准：IEEE 802.3； • 5）介质访问控制方式：CSMA/CD； • 6）网络层次：OSI中的物理层和数据链路层； • 7）传输类型：报文分组交换； • 8）分组长度：64～1518字节； • 9）最大站数：1024个； • 10）站间最大距离：2.5km（使用中继器）；

43. 3.4 以太网及其组网方式 • 3.4.2 以太网的工作原理 • 3.4.2.1 IEEE802 3以太网标准 • l．IEEE 802.3体系结构 • IEEE802.3分为两大部分：媒体访问控制子层（MAC）和物理层，对应于OSI的最低两层。 • 物理层中定义了两个兼容接口：媒体相关接口MDI和访问单元接口AUI。 • 媒体相关接口MDI是一个干线电缆接口，所有站都必须严格遵守IEEE802.3定义的物理媒体信号的确切技术规范，严格遵守站点正确动作的规程； • 访问单元接口AUI是干线联接电缆与站点的联接接口。

44. 2．MAC的帧结构包含的字段如下： • l）前导码（P）：由7个字节的码组合，用作建立接收器的比特同步。 • 2）帧首定界符（SFD）：“10101011”序列，用作接收器对帧的首位进行定位，指示一帧的实际开始。 • 3）目的地址（DA）：2或6个字节的二进制数，用以指示该帧发往的目的站的地址，可以是唯一的地址、组地址或全地址。

45. 3.4 以太网及其组网方式 • 4）源地址（SA）：指示发送该帧的站，其长度必须与DA的长度相同。 • 5）长度（LEN）：2个字节二进制数，指示LLC数据的字节数。 • 6）LLC PDU：46至1500个字节，是由LLC提供的协议数据单元。 • 7）填充（PAD）：保证帧的长度而附加的8位位组序列。 • 8）帧校验序列（FCS）：32bit循环冗余校验码。

46. 3.4 以太网及其组网方式 • 3．MAC子层功能 • MAC子层由数据封装和媒体访问管理两个功能模块组成。 • 当节点发送信息时，由LLC子层送出的发送信息经过发送数据封装模块形成帧结构，然后由发送媒体访问管理模块控制帧的发送，再通过物理层发送到媒体上。 • 当接收信息时，节点通过物理层接收到帧后，由接收媒体访问管理模块控制，把帧交给接收解封模块。帧解封后，成为LLC子层所需要的信息，然后进入LLC子层。 • MAC子层，具有冲突检测的载波帧听多路访问协议。

47. 3.4 以太网及其组网方式 • （1）发送数据封装模块的功能 • 接收LLC子层所提供的数据。 • 在该数据的前面加上前导码P、帧起始定界符SFD、目的地址DA、源地址SA、数据长度LEN。 • 在它后面附加上填充PAD和CRC校验序列，组成一个完整的MAC帧。然后把它交给发送媒体访问管理模块发送。

48. 3.4 以太网及其组网方式 • （2）发送媒体访问管理模块的功能 • 媒体空闲时，经过一个延迟，将发送信息送给物理层收发信号PLS接口，启动帧的发送。 • 物理层收发信号PLS接口将发送信息转换为媒体所要求的电信号并发送到媒体上，并同时对碰撞信号进行检测。 • 若没有碰撞产生，则发送完成。

49. 3.4 以太网及其组网方式 • 若产生了碰撞，物理层收发信号接口向MAC发出碰撞检测信号，通知媒体访问管理模块进行碰撞处理。 • 该模块收到信号后首先发送一个阻塞（Jam）位序列来强制碰撞继续，使得其它站有足够时间进行碰撞检测，然后停止发送，经一个随机的时间延时后，进行重发尝试。直至发送成功。

50. 3.4 以太网及其组网方式 • （3）接收媒体访问管理模块的功能 • 对物理层接收到的帧进行过滤和校验。 • 当物理层收发信号PLS检测到一帧的前导码时，该模块即开始检测到达的帧是否错误，帧长是否超过最大长度，是否为8位的整数倍，是否有碰撞产生等，然后过滤掉出错的帧，将接收正确的帧交给接收数据封装模块处理。