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1、第5章 局域网,第5章 局域网,5.1 IEEE802局域网体系结构5.2 以太网工作原理5.3 传统以太网5.4 高速以太网5.5 交换式以太网5.6 虚拟局域网5.7 无线局域网5.8 非主流局域网,5.1 IEEE802局域网体系结构,5.1.1 IEEE802局域网参考模型,IEEE802 LAN/RM分为两层：数据链路层；物理层。 它们分别与OSI的数据链路层和物理层相对应。IEEE802 LAN/RM的数据链路层又分成两个子层：逻辑链路控制(Logical Link Control, LLC)子层；媒体接入控制(Medium Access Control, MAC)子层。,5.1.
2、1 IEEE802局域网参考模型,5.1.2 媒体接入控制子层,LAN拓扑和信道特点LAN主要采用总线(Bus)、环形(Ring)及星形(Star)拓扑(Topology)。LAN的一个显著特点是网上的所有计算机使用一条共享信道进行广播式通信。如果多个结点同时争用信道，就会产生发送冲突(Collision)，必须解决如何进行信道争用问题。即媒体接入控制问题。LAN媒体接入控制方式受控接入：分为分集中式控制和分散式控制两种；随机接入。,5.1.2 媒体接入控制子层,MAC地址目的地址有三种类型：单播地址(Unicast Address)。多播地址(Multicast Address)。广播地址(
3、Broadcast Address)。IEEE的注册管理机构统一管理分配6个字节全球地址。前3个字节是组织唯一标识符(Organizationally Unique Identifier, OUI);后3个字节称为扩展标识符(Extended Identifier)，由生产厂家指派。通用名称EUI-48，EUI (Extended Unique Identifier)。I/G (Individual/Group)比特，即单地址/组地址比特。G/L (Globe/Local)比特，即全球/本地比特。,5.1.2 媒体接入控制子层,以太网地址在网上的传送顺序,5.1.3 逻辑链路控制子层,LLC寻
4、址LLC子层地址: SAP地址， LLC服务访问点，标识网络层的通信进程。LLC层提供的服务类型1LLC1，不确认的无连接服务;类型2LLC2，可靠的面向连接的服务;类型3LLC3，带确认的无连接服务.LLC帧格式,5.2 以太网工作原理,5.2.1 以太网技术的发展,1975年Robert Metcalfe和David Boggs研制成功了以太网。1980年DIX1.0版以太网规范。1982年DIX以2.0版作为终结，称为DIX以太网。1983年底10Base5标准面世，IEEE802.3的第一个以太网标准。,Robert Metcalfe最初的以太网设计,5.2.1 以太网技术的发展,以太
5、网传输速率增长（b/s）,5.2.1 以太网技术的发展,IEEE802.3以太网标准,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,带冲突检测的载波侦听多点接入(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)。随机接入技术的先驱ALOHAALOHA的改进CSMA增加了发前监听的机制，减少了发送冲突。CSMA有三种方式：非坚持CSMA。1坚持CSMA。P坚持CSMA。CSMA的改进CSMA/CD传播时延仍会引起发送冲突。,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,CSMA/CD工作流程CSMA/CD在C
6、SMA的基础上增加了冲突检测的功能。帧间隙时间(Inter Frame Gap, IFG)。,CSMA/CD工作流程图,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,截断二进制指数退避算法 (Truncated Binary Exponential Back-off)冲突次数n=n+1 if 1n16than m = min ( n, 10)k在0，1，2，2 m1 中随机取1个数后退时间取为k 2else if n16 than 放弃本次发送,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,CSMA/CD冲突过程分析冲突过程冲突窗口(Collision Window)。 :信道的往返传
7、播时延(Round-Trip Propagation Delay)冲突占用信道的时间。冲突占用信道的最大时间为: 冲突检测方法CSMA/CD时槽(Time Slot)IEEE802.3将时槽取为发送512位的时间，称为512位时。冲突域(Collision Domain),CSMA/CD冲突过程,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,一个CSMA/CD以太网区域，同一个冲突域中的两个或多个站点同时发送数据就会产生冲突，CSMA/CD在冲突域内能正常进行冲突检测，超出冲突域就不能正常工作。以太网接收处理站点若不处于发送状态则处于接收状态。判断是否冲突碎片，若是丢弃之。识别目的地址。若
8、与本站地址不符就丢弃此帧。传输差错校验和处理。判断是DIX以太网帧，还是IEEE802.3以太网帧，并进行相应处理。以太网运行参数,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,以太网运行参数,5.2.3 以太网传输特点,半双工传输方式IEEE802.3x标准中有定义了全双工以太网共享总线带宽传输的不确定性无连接、不可靠的传输服务,5.2.5 以太网帧格式和数据封装,以太网帧格式长度/类型：2个字节，指明数据字段的长度或数据的协议类型。DIX以太网标准中指定一位类型字段。老的IEEE 802.3标准定义为长度字段。1997年后新的IEEE 802.3标准修改为长度/类型字段。,5.2.5
9、以太网帧格式和数据封装,以太网数据封装子网接入协议SNAPIEEE 802.3以太网使用长度字段时无法标识其数据字段封装的网络层PDU的协议类型，有两种解决方案： 由LLC帧头部中SAP实现，用于IEEE 802体系。 用于为DIX以太网开发的一些网络层软件定义了一个 5个字节的子网接入协议，用来标识所携带数据的协 议类型，称为隐式帧类型(Implicit Frame Type)。,5.2.5 以太网帧格式和数据封装,以太网数据封装,5.3 传统以太网,5.3.1 物理层,10Mb/s以太网物理层、网络接口卡和中继器,5.3.1 物理层,媒体连接单元(Medium Attachment Uni
10、t, MAU)， 也称为收发器(transceiver)。主要功能如下：连接传输媒体。信号发送与接收。冲突检测。超长控制。物理层信号(Physic Layer Signaling, PLS)主要功能如下：编码解码。载波监听。连接单元接口(Attachment Unit Interface, AUI)连接PLS和MAU。,5.3.2 网络接口卡,网络接口卡(Network Interface Card, NIC) 主要涉及物理层和MAC层，包括五个部分：媒体接入单元(MAU)。物理层信号(PLS)。连接单元接口(AUI)。MAC子层。计算机总线接口。,5.3.3 中继器和集线器,中继器工作在IE
11、EE 802.3的物理层，接收、恢复并转发物理信号，以扩展以太网。 中继器包括了MAU、AUI以及中继单元。 中继器扩展以太网受到CSMA/CD冲突域最大跨距的限制。集线器(Hub)：多个端口的中继器即多口中继器，使以太网形成星形结构，但逻辑上是总线结构，因此被称为星形总线(Star-Shaped-Bus)。,5.3.4 传统以太网及其联网方式,粗缆以太网10Base5,5.3.4 传统以太网及其联网方式,细缆以太网10Base2光纤以太网10BaseF双绞线以太网10BaseT引发的星形布线结构是以太网发展中的重大进展，线路的设计安装类似普通的电话系统并可同时进行。双绞线以太网扩展：hub间
12、的级连和堆叠。,5.3.4 传统以太网及其联网方式,10BaseT以太网连网示意图,RJ45连接器,hub级连,Hub堆叠,5.4 高速以太网,5.4.1 100BaseT,100BaseT的特点MAC子层：保持了与10Mbit/s以太网同样的MAC子层;时槽变为5.12s，冲突域减小到200m。物理层：与10Mbit/s以太网物理层的结构有所不同:媒体无关接口(Medium Independent Interface, MII)协调子层(Reconciliation Sublayer, RS)物理编码子层(Physical Coding Sublayer, PCS)物理媒体连接(Physic
13、al Medium Attachment, PMA)物理媒体相关(Physical Medium Dependent, PMD)媒体相关接口(Medium Dependent Interface, MDI),5.4.1 100BaseT,5.4.1 100BaseT,100BaseT包括4个不同的物理层规范，支持多种媒体。不再采用统一的曼彻斯特编码。增加了10/100Mbit/s自动协商功能。定义了I类和II类两种类型的中继器。100BaseT的物理层规范100BaseTX与10BaseT有许多相似之处。使用5类UTP。采用4B/5B-MLT3编码。100BaseT4100BaseT2100B
14、aseFX,5.4.1 100BaseT,100Mbit/s以太网扩展当传输媒体长度达到冲突域的最大跨距时，系统只能使用一个I类中继器或两个II类中继器。,100BaseT最大网络跨距（m）,5.4.1 100BaseT,10/100Mbit/s自动协商(Auto-Negotiation)模式自动协商功能位于物理层中PMD之下。准静态机制。工作在点到点链路上而不是整个网络。快速链路突发脉冲(FLP)序列。链路代码字(LCW)包含了自己的链路类型及流量控制配置等信息。协商的内容包括：10M/100Mbit/s线路速率、全双工/半双工模式、不使用/使用全双工以太网的流量控制。,5.4.2 千兆以太
15、网,千兆以太网的特点MAC子层与10Mbit/s和100Mbit/s以太网相同的帧格式和基本相同的CSMA/CD协议。时槽增大到4096位，最大网络跨距可达到200m。增加了载波扩展措施。增加了帧突发的功能。物理层和100Mbit/s以太网结构和功能相似，有如下变化：MII扩展为千兆位媒体无关接口(GMII)。包括多个不同的物理层规范。主要使用8B/10B-NRZ编码方式。只能使用一个中继器。,5.4.2 千兆以太网,5.4.2 千兆以太网,千兆以太网物理层标准1000BaseX(802.32)100BaseLX100BaseSX100BaseCX1000BaseT(802.3ab),千兆以太
16、网各种物理层的链路长度限制（m）,5.4.2 千兆以太网,载波扩展(Carrier Extension)最小帧长的传输时间远小于时槽，不能正常进行冲突检测，在MAC子层定义了载波扩展机制。帧突发(Frame Bursting)为改善短帧的传输效率，在MAC子层又定义了帧突发机制。,5.4.2 千兆以太网,1000BaseX自动协商1000BaseT UTP千兆以太网 支持UTP自动协商功能。1000BaseX光纤千兆以太网 自动协商的特点是：只用于配置1000BaseX类型；是物理编码子层(PCS)的一个功能；重新定义了16比特的交换信息的格式。,5.4.3 万兆以太网,万兆以太网应用,5.5
17、 交换式以太网,5.5.1 简介,CSMA/CD以太网有下述问题：任何时间内只能有一个工作站发送信息。各站点共享网络固定的带宽。由于冲突域的限制，难以构造较大规模的网络。20世纪90年代以太网交换机(Switch)能增加以太网的带宽和规模，同时又能与传统的电缆线和网络适配卡协调工作。 交换机本质上是一个高速的多口网桥(Multiport Bridge)，工作在数据链路层的MAC子层，每个端口都包含一个MAC实体，但不使用MAC地址。,5.5.2 网桥,工作原理,5.5.2 网桥,网桥一般有两个端口，桥接两个网段。每个端口都有一块网卡，有自己的MAC子层和物理层。基本功能是在不同LAN网段之间转
18、发帧。网桥主要特点：工作在MAC子层。进行帧过滤减少了通信量。隔离了冲突域，扩大了网络跨距。可连接不同类型的LAN。地址学习透明网桥(Transparent Bridge)，IEEE 802.1d或ISO8802.1d。网桥刚刚连接到LAN上时，其桥接表是空的,采用洪泛法(Flooding)转发它。逆向学习法(Backward Learning)，在转发过程中通过学习把桥接表逐步建立起来。,5.5.3 交换机,2层交换机本质上是一个多口网桥，工作在MAC子层。通过学习生成并维护一个包含端口-MAC地址映射的交换表，根据交换表进行帧的转发。多个端口可以并行地工作，n个端口数据传输率为R Mbit
19、/s的以太网交换机最大可提供 0.5n R Mbit/s 的总带宽。网络交换机有四个基本部分组成：端口端口缓冲器帧转发机构存储转发交换(Store-Forward)直通交换(Cut-Through)无碎片交换(Fragment-Free)底板体系结构,5.5.3 交换机,5.5.4 交换式以太网及其特点,小规模的工作组级交换式以太网大规模的交换式以太网：接入层、汇聚层和核心层跨距突破了单个冲突域的限制，可以构造更大规模的网络广播域(Broadcast Domain)和广播风暴(Broadcast Storm),交换机隔离了5个独立的冲突域,5.6 虚拟局域网,5.6.1 VLAN (Virtu
20、al LAN)及其特点,不是一种新型的网络，只是给用户提供一种网络服务。建立在交换式网络的基础之上，由一些交换机连接的以太 网网段构成的与物理连接和地理位置无关的逻辑工作组，是 一个广播域。比一般的LAN有更好的安全性。VLAN的划分可以控制通信流量，提高网络带宽利用率。,VLAN示例,5.6.2 VLAN的划分,基于端口(Port-Based)基于MAC地址(MAC Address-Based)基于协议(Protocol-Based),5.6.3 VLAN的帧格式,IEEE 802.3Q标准IEEE 802.3ac标准 VLAN标记(Tag)，最大帧长扩大到1522B，只适用于VLAN。,V
21、LAN帧格式,5.6.4 VLAN运行,相关概念标记端口(Tagged Port)和非标记端口(Untagged Port)标记帧(Tagged Frame)和非标记帧(Untagged Frame)中继线(Trunk)VLAN广播,5.6.4 VLAN运行,跨VLAN的访问VLAN之间的通信采用路由技术。一般采用单臂路由方式(Router On a Stick)，路由器到交换机只有一个物理连接，使用标记端口，形成trunk，支持多个逻辑连接。子接口(Subinterface)：只有一个MAC地址，每个子接口对应一个VLAN，并分配一个IP地址。每个VLAN都构成一个独立的网络，对应的路由器接
22、口的子接口作为该VLAN的默认网关(Default Gateway)。,5.6.4 VLAN运行,跨VLAN访问示例,5.6.4 VLAN运行,5.7 无线局域网,5.7.1 IEEE 802.11 WLAN,网络结构IEEE 802.11 WLAN是目前最有影响的WLAN。IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g等。基本服务集(Basic Service Set, BSS)。包括一个基站和若干个移动站。基站也称为接入点(Access Point, AP)。基本服务区(Basic Service Area, BSA)，有100m左右。分布系统(Distrib
23、ution System, DS)，一个有线或无线的主干LAN。扩展服务集(Extended Service Set, ESS)。,5.7.1 IEEE 802.11 WLAN,自组网络 (ad hoc network)。,IEEE802.11 WLAN的网络结构,5.8 非主流局域网,5.8.1 令牌环,令牌环(Token Ring)，标准是IEEE 802.5令牌环工作原理基于令牌(Token)的分散控制方式的受控接入技术，只有获得令牌的站点才有权在环路上发送数据。环接口有两种工作方式：发送方式：收听方式，主要任务有两个方面：一方面，中继由环接口输入端输入 的比特流; 另一方面，监听通过的
24、 比特流的组合模式并做相应处理。提供了8个优先级，使信息在环网上能按优先级发送。,5.8.1 令牌环,令牌重插策略 发送的最后一帧全部返回发送站。 发送完最后一帧且帧头返回发送站。 发送完最后一帧。,使用令牌重插策略的传输过程,5.8.1 令牌环,使用令牌重插策略的传输过程,5.8.3 光纤分布数据接口FDDI,FDDI标准为ISO9314, 主要特点：使用基于IEEE 802.5令牌环标准的令牌传递MAC协议，帧格式也类似IEEE 802.5。使用802.2 LLC协议，与IEEE 802 LAN兼容。双环拓扑，正常时仅主环工作，故障时启动次环，进行环路重构，具有容错能力。能够使用MMF或SMF，还可使用双绞线。数据传输速率为100Mbit/s，使用4B/5B-NRZI编码。最大结点数为500；站间最大距离2km(MMF)，环路长度0100km(SMF)。最大帧长度4500B。,
