莆田学院：《计算机网络技术基础》第三章计算机局域网.doc_大学文库

《网络技术基础》课程讲义三章计算机局域网第1页共28页第三章计算机局域网【计划课时】16课时【实物教具】网卡、BNC接头、T形头、双绞线、同轴电缆、509终端电阻、中继器、HUB 3.1LAN的特点P8 ·跨越一个物理上有限的距离(一般在10km以内) 为一个单位或组织拥有共享传输信道传输速率高(1~100Mbps) 误码率低(106~10间) 多采用分布式控制和广播式通信各站平等,可进行广播(一站发,其他所有站收)或组播(一站发,多站收) 与广域网相比,广域网主要问题是如何充分利用信道和通信设备,局域网主要问题是多源多目的数据链路管理。【链路】(link)中间没有任何交换结点的点到点间的物理线路段从通信角度看,由于存在各种干扰,物理链路不可能绝对可靠。要传输数据,还须具有控制数据传输的规程(协议λ 【数据链路】( data link)=物理链路+实现可靠传输控制协议所需的硬件和软件一条物理链路可以复用多条数据链路 3.2LAN的体系结构P9 321OSI参考模型与LAN 局域网的体系结构遵循但并不完全符合0SⅠ参考模型。由于局域网只是一个通信网,所以只有0SI参考模型的低3层和应用层,而且网络层并非必要(共享传输介质时,由于任意两节点间只有一条链路,无需进行路由选择和流量控制) 、物理层【作用】在一条物理传输媒体上,实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。 1.OSI的物理层主要解决接口设备的四个特性: 机械特性一一连接器形状、引脚数等电气特性一一信号的电气参数等(如电压量值) 功能特性一—接口引脚的分配等(某一引脚处出现某一电平的电压表示的意义) 过程特性一一传输数据顺序、通信方式(双工/半双工)等 ①机械特性: 规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等 24.87 莆田学院计算机教研室2003年图3.1常用连接机械特性

《网络技术基础》课程讲义第三章计算机局域网第 1 页共 28 页莆田学院计算机教研室 2003 年 3 月第三章计算机局域网【计划课时】16 课时【实物教具】网卡、BNC 接头、T 形头、双绞线、同轴电缆、50Ω终端电阻、中继器、HUB 3.1 LAN 的特点 P118 ·跨越一个物理上有限的距离（一般在 10km 以内） ·为一个单位或组织拥有 ·共享传输信道 ·传输速率高（1～100Mbps） ·误码率低（10-8～10-11 间） ·多采用分布式控制和广播式通信各站平等，可进行广播（一站发，其他所有站收）或组播（一站发，多站收）与广域网相比，广域网主要问题是如何充分利用信道和通信设备，局域网主要问题是多源、多目的数据链路管理。【链路】（link）中间没有任何交换结点的点到点间的物理线路段。从通信角度看，由于存在各种干扰，物理链路不可能绝对可靠。要传输数据，还须具有控制数据传输的规程（协议）。【数据链路】（data link） =物理链路+实现可靠传输控制协议所需的硬件和软件一条物理链路可以复用多条数据链路 3.2 LAN 的体系结构 P119 3.2.1 OSI 参考模型与 LAN 局域网的体系结构遵循但并不完全符合 OSI 参考模型。由于局域网只是一个通信网，所以只有 OSI 参考模型的低 3 层和应用层，而且网络层并非必要（共享传输介质时，由于任意两节点间只有一条链路，无需进行路由选择和流量控制）。一、物理层【作用】在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。 1．OSI 的物理层主要解决接口设备的四个特性：机械特性——连接器形状、引脚数等电气特性——信号的电气参数等（如电压量值）功能特性——接口引脚的分配等（某一引脚处出现某一电平的电压表示的意义）过程特性——传输数据顺序、通信方式（双工/半双工）等 ①机械特性：规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等

《网络技术基础》课程讲义三章计算机局域网第2页共28页左图列出了各类已被IS0标准化了的DCE连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。一般来说,DTE的连接器常用插针形式,其几何尺寸与DCE连接器相配合,插针芯数和排列方式与 DCE连接器成镜像对称。 ②电气特性规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电咱路的特性,一般包括:接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明、以及与互连电缆相关的规则等。物理层的电气特性还规定了DTE-DCE接口线的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电器参数。 (a)非平衡发送器接收器(b)非平衡发送器差动接收器(c)平衡发送器差动接收器图3.2电器连接方式 DTE与DCE接口的各根导线(也称电路)的电气连接方式有非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种 1)非平衡方式。采用分立元件技术设计的非平衡接口,每个电路使用一根导线,收发两个方向共用一根信号地线,信号速率≤20kbps,传输距离≤15。由于使用共用信号地线,所以会产生比较大的串扰。 CCITTV.28建议采用这种电气连接方式, EIA RS-232-C标准基本与之兼容 2)采用差动接收器的非平衡方式。这类采用集成电路技术的非平衡接口,与前一种方式相比,发送器仍使用非平衡式,但接收器使用差动接收器。每个电路使用一根导线,但每个方向都使用独立的信号地线,使串扰信号较小。这种方式的信号速率可达300kbps,传输距离为10n (300kbps时)-1000m(<=3kbps时)。 CCITT V.10/X.26建议采用这种电气连接方式, EAI RS-423 标准与之兼容。 3)平衡方式。采用集成集成电路技术设计的平衡接口,使用平衡式发送器和差动式接收每个电路采用两根导线,构成各自完全独立的信号回路,使得串扰信号减至最小。这种方式的信号速率<=10Mbps,传输距离为10m(10Mbps时)-1000m(<=100kbps时)。 CCITT V.11/X.27 建议采用这种电气连接方式, EAI RS-423标准与之兼容。图3.2给出这三种电气连接方式的结构。 ③功能特性: 规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。 ④过程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤,这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完物理层协议举例—E|ARS-232-c接口标准莆田学院计算机教研室2003年3月

《网络技术基础》课程讲义第三章计算机局域网第 2 页共 28 页莆田学院计算机教研室 2003 年 3 月左图列出了各类已被 ISO 标准化了的 DCE 连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。一般来说，DTE 的连接器常用插针形式，其几何尺寸与 DCE 连接器相配合，插针芯数和排列方式与 DCE 连接器成镜像对称。 ②电气特性：规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电咱路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明、以及与互连电缆相关的规则等。物理层的电气特性还规定了 DTE-DCE 接口线的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电器参数。 DTE 与 DCE 接口的各根导线（也称电路）的电气连接方式有非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种。 1)非平衡方式。采用分立元件技术设计的非平衡接口，每个电路使用一根导线，收发两个方向共用一根信号地线，信号速率≤20kbps，传输距离≤15。由于使用共用信号地线，所以会产生比较大的串扰。CCITTV.28 建议采用这种电气连接方式，EIA RS-232-C 标准基本与之兼容。 2)采用差动接收器的非平衡方式。这类采用集成电路技术的非平衡接口，与前一种方式相比，发送器仍使用非平衡式，但接收器使用差动接收器。每个电路使用一根导线，但每个方向都使用独立的信号地线，使串扰信号较小。这种方式的信号速率可达 300kbps，传输距离为 10m （300kbps 时）-1000m(<=3kbps 时）。CCITT V.10/X.26 建议采用这种电气连接方式，EAI RS-423 标准与之兼容。 3)平衡方式。采用集成集成电路技术设计的平衡接口，使用平衡式发送器和差动式接收器，每个电路采用两根导线，构成各自完全独立的信号回路，使得串扰信号减至最小。这种方式的信号速率<=10Mbps，传输距离为 10m（10Mbps 时）-1000m(<=100kbps 时）。CCITT V.11/X.27 建议采用这种电气连接方式，EAI RS-423 标准与之兼容。图 3.2 给出这三种电气连接方式的结构。 ③功能特性：规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。 ④过程特性：规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。物理层协议举例——EIA RS-232-C 接口标准

《网络技术基础》课程讲义三章计算机局域网第3页共28页 EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA( Electronic Industry Association)在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口标准。RS( Recommended standard)的意思是“推荐标准”,232是标识号码,而后缀“C”则表示该推荐标准已被修改过的次数 RS-232标准提供了一个利用公用电话网络作为传输媒体,并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。远程电话网相连接时,通过调制解调器将数字转换成相应的模拟信号,以使其能与电话网相容:在通信线路的另一端,另一个调制解调器将模拟信号逆转换成相应的数字数据,从而实现比特流的传输。图3.3给出了两台远程计算机通过电话网相连的结构图。从图中可看出,DTE实际上是数据的信源或信宿,而DCE则完成数据由信源到信宿的传输任务。 RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信,与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系。 DTE DT TE 王啊画()國世仙 RS-232接口 DTE RS-232接口 DTE 主机A 机 2接口图3.3RS-232C的连接 RS-232-C的机械特性规定使用一个25芯的标准连接看·看器,并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置等都做了详25 细说明。实际的用户并不一定需要用到RS232C标准的全 DB-25型插座集,这在个人计算机(PC)高速普及的今天尤为突出,所以些生产厂家为RS-232-C标准的机械特性做了变通的简化, 使用了一个9芯标准连接器将不常用的信号线舍弃。 9 6 DB-9型插座 RS-232-C的电气特性规定逻辑 +15 「负电平 “1”的电平为-15至-5伏,逻辑“0” 过渡区域逻辑状态1 的电平为+5至+15伏,也即RS-232℃采辑“1” 信号状态传号空号用+15伏和-15伏的负逻辑电平,+5伏功能状态通断和-5伏之间为过渡区域不做定保护地线助发送数据发送数据助接收数据 16 请求发送接收定时准备发送本地回路数据设备就绪信号地线 RS-232-C的功能特性定义数据终端就结载波检視信号质量检测器了25芯标准连接器中的20根信响铃指示保留或未分配数据速率选择发送定时甫助载波检测 2513 辅助准备发送

《网络技术基础》课程讲义三章计算机局域网第4页共28页号线,其中2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线、剩下的5根线做备用或末定右图为RS-232引脚分配图。 RS-232-C的过程特性(工作过程)是在各根控制信号线有序的“0N”(逻辑“0”)和 “OFF”(逻辑“1”)状态的配合下进行的。在DTE—DCE连接的情况下,只有CD(数据终端就绪) 和C(数据设备就绪)均为“0N”状态时,才具备操作的基本条件:此后,若DTE要发送数据, 则须先将CA(请求发送)置为“0N”状态,等待CB(清除发送)应答信号为“0N”状态后,才能在 BA(发送数据)上发送数据。由于RS-232-C标准信号电平过高、采用非平衡发送和接收方式,所以存在传输速率低 (≤20Kbpc)、传输距离短(《15m)、串扰信号较大等缺点。1977年底,EIA颁布了一个新标准RS-449, 次年,这个接口标准的两个电气子标准:RS-423(采用差动接收器的非平衡方式)和RS-422(平衡方式)也相继问世。这些标准在保持与RS-232-C兼容的前提下重新定义了信号电平,并改进了电路方式,以达到较高的传输速率和较大的传输距离。 2.LAN的物理层 LAN采用多种传输媒体,所以物理层要求更复杂,一般分为两个子层( sublayer),一个与传输媒体有关,一个与传输媒体无关, 如以太网物理层分为以下两层 ·PLS(物理信令, physical signaling)子层(负责比特流的曼彻斯特编码、解码、载波监听)数据编码改变了计算机使用的0、1简单数字信号模式,能更好地适应物理介质的特性,有助于位与帧的同步。 ·PMA(物理媒体连接件, physical medium attachment)子层(负责冲突检测、超长控制发送和接收串行比特流) 、数据链路层【作用】在不太可靠的物理链路上通过数据链路层协议(链路控制规程实现可靠的数据传输。物理层是网络通信的传输基础数据链路控制但物理层只负责信号传送,并不能完莆田学院 How can error be corrected?

《网络技术基础》课程讲义第三章计算机局域网第 4 页共 28 页莆田学院计算机教研室 2003 年 3 月号线，其中 2 根地线、4 根数据线、11 根控制线、3 根定时信号线、剩下的 5 根线做备用或末定义。右图为 RS-232 引脚分配图。 RS-232-C 的过程特性（工作过程）是在各根控制信号线有序的“ON”(逻辑“0”)和 “OFF”(逻辑“1”)状态的配合下进行的。在 DTE—DCE 连接的情况下，只有 CD(数据终端就绪) 和 CC(数据设备就绪)均为“ON”状态时，才具备操作的基本条件：此后，若 DTE 要发送数据，则须先将 CA(请求发送)置为“ON”状态，等待 CB(清除发送)应答信号为“ON”状态后，才能在 BA(发送数据)上发送数据。由于 RS-232-C 标准信号电平过高、采用非平衡发送和接收方式，所以存在传输速率低 (≤20Kbpc)、传输距离短(《15m)、串扰信号较大等缺点。1977年底，EIA颁布了一个新标准RS-449，次年，这个接口标准的两个电气子标准：RS-423(采用差动接收器的非平衡方式)和 RS-422(平衡方式)也相继问世。这些标准在保持与 RS-232-C 兼容的前提下重新定义了信号电平，并改进了电路方式，以达到较高的传输速率和较大的传输距离。 2．LAN 的物理层 LAN 采用多种传输媒体，所以物理层要求更复杂，一般分为两个子层(sublayer)，一个与传输媒体有关，一个与传输媒体无关。如以太网物理层分为以下两层： ·PLS（物理信令，physical signaling）子层（负责比特流的曼彻斯特编码、解码、载波监听）数据编码改变了计算机使用的 0、1 简单数字信号模式，能更好地适应物理介质的特性，有助于位与帧的同步。 ·PMA（物理媒体连接件，physical medium attachment）子层（负责冲突检测、超长控制、发送和接收串行比特流）二、数据链路层【作用】在不太可靠的物理链路上,通过数据链路层协议(链路控制规程)实现可靠的数据传输。物理层是网络通信的传输基础。但物理层只负责信号传送，并不能完

《网络技术基础》课程讲义三章计算机局域网第5页共28页成通信。如果传送的信号不能被第二个设备准确无误地接收,那么线路上传送的只是众多无用的电平——“通电”而非“通信”。仅有物理层,我们可以将信号送到一条线路上,但无法控制将由该线路上连接的若干设备中的哪一个来接收信号,无法知道要接收方的设备是否做好了接收准备并具备了接收条件,也没有办法阻止线路上的其他设备在此同时发送信号以避免“信号碰撞”发生。网络通信至少要求两个设备起工作,一个发送,一个接收。为此,需要进行大量的协调工作。例如,在半双工传送方式下,必须保证任时刻只有一个设备在传送数据。这类传输协调功能称为“线路规则”( line discipline),除了线路规则,数据链路层最重要的功能还有流量控制和差错控制。这三种功能总称为“数据链路控制”。 1.OSI的数据链路层主要功能: 链路管理一一通过交换信息建立、维持和释放数据链路帧同步—一发方打包成帧,收方能正确识别帧的起止流量控制一一发方速率控制差错控制—一检错重发(重传8~16次仍失败,将作为不可恢复的故障报告上层用户) 信息分离一一区分同一信道或同一帧中数据和和控制信息透明传输一一使收方不致于将与控制信息相同的数据当成控制信息接收寻址一一多点连接时,帧能正确送达,且收方知道发方站址数据链路层协议(数据链路控制规程)有面向字符和面向比特两类。后者传输效率髙,广泛用于计算机网络。面向字符——在字符(8个二进制位一组)基础上生成报文和接收报文该规程规定了若干控制字符,以识别报文的开始和结束,如用字符STX( ASCII值2)指示报文开始,用字符EⅨX(ACS值3)指示报文结束,二者之间为报文正文(8个二进制位组) 00000010 字符1 字符2 字符3 000000ll (STX) (ETX) 莆田学院计算机教研室2003年3月

《网络技术基础》课程讲义第三章计算机局域网第 5 页共 28 页莆田学院计算机教研室 2003 年 3 月成通信。如果传送的信号不能被第二个设备准确无误地接收，那么线路上传送的只是众多无用的电平——“通电”而非“通信”。仅有物理层，我们可以将信号送到一条线路上，但无法控制将由该线路上连接的若干设备中的哪一个来接收信号，无法知道要接收方的设备是否做好了接收准备并具备了接收条件，也没有办法阻止线路上的其他设备在此同时发送信号以避免“信号碰撞”发生。网络通信至少要求两个设备一起工作，一个发送，一个接收。为此，需要进行大量的协调工作。例如，在半双工传送方式下，必须保证任一时刻只有一个设备在传送数据。这类传输协调功能称为“线路规则”（line discipline)，除了线路规则，数据链路层最重要的功能还有流量控制和差错控制。这三种功能总称为“数据链路控制”。 1．OSI 的数据链路层主要功能：链路管理——通过交换信息建立、维持和释放数据链路帧同步——发方打包成帧，收方能正确识别帧的起止流量控制——发方速率控制差错控制——检错重发（重传 8～16 次仍失败，将作为不可恢复的故障报告上层用户）信息分离——区分同一信道或同一帧中数据和和控制信息透明传输——使收方不致于将与控制信息相同的数据当成控制信息接收寻址——多点连接时，帧能正确送达，且收方知道发方站址。数据链路层协议（数据链路控制规程）有面向字符和面向比特两类。后者传输效率高，广泛用于计算机网络。 ·面向字符——在字符（8 个二进制位一组）基础上生成报文和接收报文该规程规定了若干控制字符，以识别报文的开始和结束，如用字符 STX（ASCII 值 2）指示报文开始，用字符 ETX（ACSII 值 3）指示报文结束，二者之间为报文正文（8 个二进制位一组）。 00000010 （STX）字符 1 字符 2 字符 3 00000011 （ETX）

《网络技术基础》课程讲义三章计算机局域网第6页共28页面向比特——在二进制位基础上生成报文和接收报文(传输效率高,广泛用于计算机网络。该规程中报文称为“帧″。每帧均以二进制位组(ol1开始和结束。该帧标志间是正文(任意长二进制位,不必是8的倍数 01111(帧标志) 00l0100010 01(帧标志) oSⅠ根据IBM公司协议扩充而成的高级数据链路控制协议(HDLC, high level data link control)即为面向比特型数据链路层协议。该层数据“帧”( frame)格式如下:P12-114 011111 址字段控制字段信息字段帧校验字段|01110 F(标 (要传送的数据,任意长度) FCSF(标志) FCS-Frame Check sequence 附加各字段的目的是解决链路管理、帧同步、流量控制、差错控制、信息分离、透明传输和寻址等问题: 帧同步一一由标志(flag)字段(8位)标识帧的起止透明传输——0比特填充技术(发送前先扫描整个帧,若标志字段间连续5个1,则在其后插一个0,接收时同样扫描整个帧,若标志字段间连续5个1,则将其后的个0删去) 寻址一一由地址字段(8位,可扩展到16位)标识(全1为广播地址,全0为无效地址) 差错控制一一由FCS(16位CRC)字段进行差错控制流量控制等——由控制字段(8位)确定的帧类型控制和滑动窗口控制方法控制信息帧(Ⅰ帧):要传送的数据和捎带的流量控制、差错控制等信号监视帧(S帧):均为次站对主站的响应帧,不带信息字段 RR( receive ready)帧:接收准备好,希望主站继续发送 RNR( receive not ready)帧:次站正忙(缓冲区满等),希望主站停止发送 EJ( reject)帧:要求重发N(R)顺序号起各帧(被拒收 SERJ( selective reject)帧:要求重发顺序号为N(R)的那一帧无编号帧(U帧):用于链路管理(包括数据链路的建立、释放、恢复的命令和响应) 控制字段信息帧(数据传送) 10 RR帧监控帧莆田学院计算机教研室2003年3月

《网络技术基础》课程讲义第三章计算机局域网第 6 页共 28 页莆田学院计算机教研室 2003 年 3 月 ·面向比特——在二进制位基础上生成报文和接收报文（传输效率高，广泛用于计算机网络。该规程中报文称为“帧”。每帧均以二进制位组（01111110）开始和结束。该帧标志间是正文（任意长二进制位，不必是 8 的倍数）。 01111110（帧标志） 0010100010…… 01111110（帧标志） OSI 根据 IBM 公司协议扩充而成的高级数据链路控制协议（HDLC,high level data link control）即为面向比特型数据链路层协议。该层数据“帧”（frame）格式如下：P112-114 01111110 F（标志）地址字段 A 控制字段 C 信息字段 (要传送的数据,任意长度) 帧校验字段 FCS 01111110 F（标志） FCS—Frame Check Sequence 附加各字段的目的是解决链路管理、帧同步、流量控制、差错控制、信息分离、透明传输和寻址等问题：帧同步——由标志(flag)字段（8 位）标识帧的起止透明传输——0 比特填充技术（发送前先扫描整个帧，若标志字段间连续 5 个 1，则在其后插一个 0，接收时同样扫描整个帧，若标志字段间连续 5 个 1，则将其后的一个 0 删去）。寻址——由地址字段（8 位，可扩展到 16 位）标识（全 1 为广播地址，全 0 为无效地址）差错控制——由 FCS（16 位 CRC）字段进行差错控制流量控制等——由控制字段（8 位）确定的帧类型控制和滑动窗口控制方法控制。信息帧（I 帧）：要传送的数据和捎带的流量控制、差错控制等信号监视帧（S 帧）：均为次站对主站的响应帧，不带信息字段 RR（receive ready）帧：接收准备好，希望主站继续发送 RNR（receive not ready）帧：次站正忙（缓冲区满等），希望主站停止发送 REJ（reject）帧: 要求重发 N（R）顺序号起各帧（被拒收） SERJ（selective reject）帧：要求重发顺序号为 N（R）的那一帧无编号帧（U 帧）：用于链路管理（包括数据链路的建立、释放、恢复的命令和响应）控制字段 0 信息帧（数据传送） 10 00 RR 帧监控帧

莆田学院：《计算机网络技术基础》第三章 计算机局域网

莆田学院：《计算机网络技术基础》第三章计算机局域网