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1、2023年1月10日,计算机网络与通信课件第5章 局域网,高等教育出版社 刘化君 等编著计算机网络与通信教材配套课件,2023年1月10日,第5章 局域网,主要内容:5.1 局域网体系结构5.2 以太网工作原理5.3 以太网技术5.4 无线局域网本章小结,本章目标:在掌握局域网概念的基础上，从局域网体系结构、协议标准及拓扑结构入手,理解CSMA/CD总线局域网、令牌环网等介质访问控制方法，并了解目前比较先进的局域网技术，以及无线局域网技术基础知识。,2023年1月10日,5.1 局域网体系结构,5.1.1 局域网的基本概念5.1.2 IEEE 802局域网标准系列5.1.3 IEEE 802局
2、域网体系结构,2023年1月10日,5.1.1 局域网的基本概念,局域网是一个数据通信系统，它允许在有限地理范围内的许多独立设备相互之间直接进行通信。目前，局域网已经成为计算机网络最流行的形式，是一种在有限地理范围内将大量微型计算机及各种设备互连在一起，实现数据通信和资源共享的计算机通信网络。,2023年1月10日,1.局域网的特点,1）局域网是一个计算机通信网络，以实现数据通信为目的，所连接的设备具备数据通信功能，能方便地共享外部设备、主机、以及软件数据。局域网一般以PC机为主体，包括终端及各种外设，网络中一般不设中央主机系统。2）连网范围较小,通常限于一幢建筑物、一所校园或一个企业内部。局
3、域网地理覆盖范围大约在0.5m25km以内。3）数据传输速率高、误码率低。数据传输速率一般为10 Mbit/s1000 Mbit/s，目前可高达10 Gbit/s。误码率一般在10-1110-8以下。4）局域网协议中所用到的数据链路控制部分基于HDLC协议。5）易于安装，配置和维护简单，造价低廉。,2023年1月10日,2.局域网的拓扑结构,星状拓扑:所有结点都连接到中央结点环状拓扑:结点通过点到点链路与相邻结点连接总线拓扑:所有结点都直接连接到共享信道,Bus,Star,Ring,A,B,C,A,D,C,B,A,B,C,A,T,2023年1月10日,影响局域网特性的关键技术:拓扑结构（逻辑、
4、物理）总线、星状、环状、树状介质访问方法CSMA/CD、Token-passing信号传输形式基带、宽带以上三种技术决定了局域网的特征,2023年1月10日,3局域网的组成,局域网是一个集中在一个地理区域的计算机网络，例如在一个建筑物中或一个大学校园内。当用户从一个大学或者公司的园区接入Internet时，几乎总是以局域网的方式接入。比较典型的接入方式是从主机到局域网，再经路由器到Internet，图5-2所示就是一个局域网访问Internet的组成示例。,图5-2 局域网组成示例,2023年1月10日,5.1.2 IEEE 802局域网标准系列,1980年2月IEEE成立了一个802委员会，
5、专门从事局域网标准的制定工作。IEEE 802委员会使用ISO/OSI-RM作为框架，发布了一系列局域网标准，并不断增加新的标准，现有的IEEE 802局域网标准及其内部结构关系如图5-3所示。,2023年1月10日,IEEE802体系结构示意图,数据链路层在不同的子标准中定义分别对应于LLC子层和MAC子层,2023年1月10日,IEEE802标准系列中的主要标准,802.2-逻辑链路控制802.3-CSMA/CD（以太网）802.4-Token Bus（令牌总线）802.5-Token Ring（令牌环）802.6-分布队列双总线DQDB-MAN标准802.8 FDDI（光纤分布数据接口）
6、802.11 WLAN（无线局域网）,2023年1月10日,5.1.3 IEEE 802局域网体系结构,局域网的标准：IEEE 802（ISO 8802）IEEE 802是一个标准系列：IEEE 802,IEEE 802.1IEEE802.14其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层,2023年1月10日,1局域网的物理层,功能：位流的传输；同步前序的产生与识别；信号编码和译码。IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。两个接口：连接单元接口（AUI）可选，仅用于粗同轴电缆介质相关接口（MDI）屏蔽不同
7、介质的特性，使之不影响MAC子层的操作,2023年1月10日,2局域网的数据链路层,按功能划分为两个子层：LLC和MAC功能分解的目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。,2023年1月10日,图5-4 IEEE 802 局域网参考模型,2023年1月10日,局域网的数据链路层的特点：局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播；支持介质访问控制功能；提供某些网络层的功能，如网络服务访问点(SAP)、多路复用、流量控制、差错
8、控制、.MAC子层功能：实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。对不同的LAN标准，它们的LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层（和物理层）。,2023年1月10日,（1）介质访问控制子层及MAC地址,MAC层提供数据帧的无连接传输。MAC实体接收来自LLC子层或直接来自网络层的数据帧。该实体构造一个包含源和目的MAC地址以及帧校验序列FCS的PDU，FCS是一个简单的CRC校验和。MAC地址指定了工作站到局域网的物理连接。MAC实体的主要任务是执行MAC协议，该协议控制何时
9、应将帧发送到共享传输介质上。在局域网中，每个网卡都有一个唯一的物理地址，称为MAC地址，有时也称为LAN地址或链路地址。由于这种地址用在MAC帧中，所以MAC地址是比较流行的一个术语。MAC地址是在介质访问控制子层上使用的地址，是网络结点在全球唯一的标识符，与其物理位置无关。,2023年1月10日,MAC地址,由于网卡插在计算机中，因此网卡上的MAC地址可用来标识插有该网卡的计算机；同样当路由器用网卡连接到局域网时，网卡上的MAC地址可用来标识插有该网卡的路由器的某个端口，如图5-5所示。,图5-5 与LAN相连的每个网卡都有唯一的MAC地址,2023年1月10日,MAC地址又称为物理地址，它
10、是网络站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。MAC地址大多固化在网络站点的硬件中。一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口的个数。例如：安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址。,2023年1月10日,IEEE 802.3标准规定：MAC地址的长度为6个字节，共48位；可表示24670万亿个地址（有2位用于特殊用途）高24位称为机构惟一标识符OUI，由IEEE统一分配给设备生产厂商；如3COM公司的OUI=02608C
11、低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。,也可以是2个字节，但这种格式的地址很少使用。,I/G,OUI（22位）,G/L,EI（24位）,2023年1月10日,MAC地址的三种类型：单播地址：（I/G0）拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点。点对点传输多播地址：（I/G1）拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点。点对多点传输广播地址：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输注意，以上分类只适用于目的地址。,2023年1月10日,（2）逻辑链路控制子层,LLC层构建
12、于MAC数据报服务之上，向上提供4种服务类型。1）类型1即LLC1，不确认的无连接服务。2）类型2即LLC2，面向连接服务。3）类型3即LLC3，带确认的无连接服务，也就是带有确认的单个帧的无连接传输。4）类型4即LLC4，所有上述类型的高速传送服务，是专为城域网用的。,2023年1月10日,LLC PDU结构,LLC层中的数据单元称为协议数据单元（PDU）。LLC PDU与HDLC类似，包含目标服务访问点（DSAP）地址字段、源服务访问点（SSAP）地址字段、控制字段以及信息字段四个字段，如图5-7所示。,图 5-7 LLC PDU结构,2023年1月10日,PA,LLC的帧结构,高层PDU
13、,LLC首部,IEEE802 LAN的封装过程：,LLC帧,MAC帧,分组,介质上传输的帧,MAC首部,MAC尾部,2023年1月10日,3.局域网的网络层和高层,IEEE 802标准没有定义网络层和更高层：没有路由选择功能局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实现。,2023年1月10日,5.2以太网工作原理,5.2.1 介质访问控制方法5.2.2 载波侦听多址访问协议5.2.3 以太网帧格式及数据封装,2023年1月10日,5.2.1 介质访问控制方法
14、,局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道。问题：各站点如何访问共享信道？如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。两类介质共享技术：静态分配（FDM、WDM、TDM、CDM）不适用于局域网动态分配（随机接入、受控接入）CSMA/CD、Token-Passing,2023年1月10日,信道共享技术分类,2023年1月10日,局域网中的介质访问控制方法,常见的有两种：载波检测多路访问/冲突检测（CSMA/CD）Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 采用随机访问技术的竞争型介质访问控
15、制方法令牌传递（Token Passing）Token RingToken BusFDDI采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法,2023年1月10日,5.2.2 载波侦听多址访问协议,多个站点如何安全地使用共享信道？1ALOHA技术纯ALOHA通信协议很简单，网络中的任何结点都可以随时发送数据。数据发送后，发送端侦听信道等待确认。如果得到了确认信息就认为传输成功；如果在一段时间内，例如2001500 ns内没有收到确认信息，这个结点就认为有另一个结点或多个结点在同一时刻也在进行数据传送，也就是出现碰撞（冲突），冲突导致多路数据信号的叠加，叠加后的信号波形将不等于任何一路发送的信号波形，
16、因此接收结点不可能接收到有效数据信号，这样多个结点此次发送都失败。这时，发生冲突的多个结点需要各自随机后退一个延迟时间，并再次发送数据，直至发送成功为止。,2023年1月10日,2CSMA技术,最简单的改进思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否可以立即发送？若有多个站点都在等待发送，必然冲突！解决：等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率）若信道忙，如何处理？继续监听：等到信道空闲后立即发送等到信道空闲后等待随机时间后再发送等待一段随机时间后再重新检测信道一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？以上方法均无法处理！,2023年1月10日,CSMA/CD带冲突
17、检测的载波侦听多址访问用于IEEE802.3以太网工作原理：发送前先侦听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续侦听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续侦听。若侦听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）；发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。,3CSMA/CD协议,（1）CSMA/CD协议的发送过程,2023年1月10日,图5-9 MAC子层CSMA/CD的工作流程,（2）CSMA/CD协议的接收过程,（a）发送过程（b）
18、接收过程,2023年1月10日,CSMA/CD协议的时间槽,时间槽能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）若两站点之间传播时延为a，则时间槽2a。如下图所示：,站点2发送帧,当0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽2a。,2023年1月10日,时间槽的意义：一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突；时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系！以太网中，时间槽51.2s传输速率10Mb/s时，一个时间槽内可发送512bits，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）。由此可知：1.冲突只可能在一帧的前64字节内发生；2.帧长度小于64字节时，
19、将无法检测出冲突；以太网规定，最小帧长度为64字节3.长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。想一想：什么情况下会产生碎片帧？,2023年1月10日,与时间槽相关的几个网络参数,采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：FminkSR k:系数可以看出：最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。,非常重要的结论！,2023年1月10日,退避时间的确定（退避算法）,CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法算法如下：1
20、.令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）；2.k=min（重传次数，10）；3.r=在 0,1,(2k-1)中随机取一个数；4.退避时间=rT。限定最大重传次数16，若发送16次仍不成功，则发送失败。,2023年1月10日,CSMA/CD的优缺点,控制简单，易于实现；网络负载轻时，有较好的性能：3040以内延迟时间短、速度快网络负载重时，性能急遽下降：7080以上冲突数量的增长使网络速度大幅度下降,2023年1月10日,5.2.3 以太网帧格式及数据封装,1IEEE 802.3的MAC帧格式,图 5-11 IEEE 802.3 MAC帧格式,2023年1月10日,IEEE 802.3/Ethe
21、rnet MAC帧格式,PR：前导码-10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD：帧首定界符 10101011，表示一帧的开始DA/SA：目的/源MAC地址LEN：数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-1518BType：类型，高层协议标识LLC-PDU（Data）：数据，最少46字节,最多1500B，不够时以Pad填充 Pad：填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64BFCS：帧校验序列（CRC-32）,用途：保证帧长64字节,2023年1月10日,802.3/Ethernet操作,任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（
22、广播信道）；只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。,2023年1月10日,图5-13 用于将DIX v2.0帧封装在802.3帧中的LLC SNAP头部,为了允许DIX v2.0标准的软件能兼容IEEE 802.3 MAC帧，子网访问协议(SNAP)提供了一种将DIX v2.0标准的MAC帧封装在类型1 LLC PDU中的方法，如图5-13所示。LLC头部的DSAP和SSAP字段被设置为AA，用于通知LLC层已包含DIX v2.0帧，并且可进行相应的处理。控制字段的值0 x03表明类型1服务。SNAP头部由一个3 B的供应商代码（ORG，通常设为0
23、)和兼容所需的2 B的Type字段构成。,2023年1月10日,5.3 以太网技术,5.3.1 传统以太网5.3.2 快速以太网5.3.3 千兆以太网5.3.4 万兆以太网5.3.5 虚拟局域网,2023年1月10日,以太网的产生与发展70年代中期由施乐公司（Bob Metcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网）最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的经DEC,Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准）DIX V1（1980）、DIX V2（1982）Ethernet II特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆1985年被采纳为
24、IEEE 802.3，支持多种传输媒体。“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”Ethernet II和IEEE 802.3二者区别很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展,一种在以前被假定为电磁波的传播介质，具有绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特性。,2023年1月10日,IEEE 802.3 以太网标准（主要的）,传统以太网：10Mb/s802.3 粗同轴电缆802.3a 细同轴电缆802.3i 双绞线802.3j 光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u 双绞线，光纤千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z
25、屏蔽短双绞线、光纤802.3ab 双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s802.3ae 光纤,5.3.1 传统以太网,2023年1月10日,1.传统以太网的物理层,（1）介质连接单元（MAU）,（2）物理层信令（PLS）,（3）连接单元接口（AUI）,2023年1月10日,2.以太网及其连网方式,图5-15 以太网的标识方法,2023年1月10日,表5-1 IEEE 802.3定义的各种物理层参数,2023年1月10日,图5-16 以太网电缆的连接,图5-17 采用双绞线缆的以太网,2023年1月10日,同轴电缆以太网,粗缆以太网（10 Base5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发
26、器:发送/接收,冲突检测,电气隔离总线型拓扑,2023年1月10日,细同轴电缆以太网（10Base2）细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器 轻便、灵活、成本较低总线型拓扑,每段最大长度 185m每段最多站点数 30,0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,终端匹配器,2023年1月10日,双绞线缆的以太网,10Base T使用两对无屏蔽的双绞线(UTP)(直径为0.4 mm到0.5mm)组网。首先在双绞线（UTP）两头压接RJ-45连接器，并且与一个集线器(Hub)相连；所有站点都与集线器（Hub）相连接；单个网段的最大长度为100m，如图5-19(a)所示。10BaseT的优点
27、是成本低廉，轻便、安装密度高、便于维护。,图5-17 采用双绞线缆的以太网,2023年1月10日,双绞线的连接标准在以太网的标准中，10Mbps与100Mbps双绞线系统采用相同的线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。色标 Pin#Signal白橙 1 TD+橙 2 TD-白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用,2023年1月10日,当两个Hub连接时，要使用交叉连接方法。两台微机直接连接时，也可参考此接法。,2023年1月10日,3.局域网扩展技术,（1）集线器式局域网,图 5-18 连接两个以太网的中继器,2023年1月10日,图5-1
28、9利用多个集线器将分散的局域网连接成多级星状局域网,2023年1月10日,（2）交换机式局域网,图5-20 用以太网交换机互连局域网,2023年1月10日,(3)局域网的光纤扩展,图5-21 使用光纤调制解调器连接计算机和远程LAN,2023年1月10日,5.3.2 快速以太网,1.快速以太网的特性（1）100BaseT 的MAC层（2）100BaseT 的物理层,图5-22 10BaseT（左）和100BaseT（右）以太网物理层的结构,2023年1月10日,传输速率为100Mb/s的以太网，比传统以太网快10倍标准为IEEE802.3u拓扑结构为基于集线器的星形结构；传输介质只支持双绞线和
29、光纤；帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3标准。提供了10/100Mb/s自适应功能；IEEE802.3u定义了4种不同的物理层标准（p128）100Base-TX：使用两对5类双绞线100Base-FX：使用62.5/125m多模光纤100Base-T4：使用四对3类双绞线100Base-T2：使用两对3类双绞线,2快速以太网的物理层标准,2023年1月10日,表 5-2 快速以太网的物理层标准,2023年1月10日,3.10/100Mbit/s自动协商模式,自动协商功能允许一个结点向同一网段上另一端的网络设备广播其传输容量。对于100BaseT来说，自动协商将允许一个结点上的网卡
30、或一个集线器能够同时适应10Mbit/s和100 Mbit/s两种传输速率，能够自动确定当前的速率模式，并以该速率进行通信。IEEE自动协商模式技术避免了由于信号不兼容可能造成的网络损坏。链路类型自动协商的优先级顺序依次为：100BaseT2全双工、100BaseT2、100BaseTX全双工、100BaseT4、100BaseTX、100BaseT全双工和10BaseT。这是增强型的10BaseT链路一体化信号方法，并与链路一体化反向兼容。,2023年1月10日,4.快速以太网应用,图5-23 快速以太网的组成,主干连接需要高带宽的服务器和高性能工作站网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管
31、工作站向桌面系统普及,2023年1月10日,千兆位以太网（Gigabit Ethernet，GE）技术进步的必然新的应用网络分布计算、计算机视频、网络存储快速以太网的迅速普及要求主干有更高的带宽两个主要标准IEEE 802.3z，1998.6正式公布1000Base-SX，MMF/550m1000Base-LX，SMF/5000m1000Base-CX，屏蔽短铜缆/25mIEEE 802.3ab，1999.6正式公布1000Base-T，UTP/100m,5.3.3 千兆以太网,2023年1月10日,1千兆位以太网的特性,千兆位以太网技术仍然是以太网技术。在数据链路层，它仍采用了与802.3以
32、太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流量控制模式以及布线标准。千兆位以太网的数据传输速率再次增加了10倍，使得CSMA/CD MAC协议的限制成为关注的焦点。例如，在l Gbit/s的速率下，一个最小长度为64 B的帧的发送会导致在发送站侦听到碰撞之前，此帧发送已经完成。鉴于这个原因，微时隙时间被扩展到512 B而不是64 B。这个改动在对半双工模式中维持200 m的冲突域直径很有必要。如果不这样做，那么最大冲突域直径会变成快速以太网的1/10（25 m）。,2023年1月10日,千兆位以太网的特征1000Mb/s，全双工或半双工沿用10Mb/s传统以太网帧格式半双工仍使用
33、CSMS/CD协议兼容10Base-T和100Base-T节点能力的自动协商速率提高到1000Mb/s时的网络跨距问题：为保持兼容，半双工时的最小帧长度仍规定为64字节，导致网络跨距缩短为不足20米，实用价值大大降低！解决方法：1.将时间槽扩展为512字节（是以前的8倍）；2.“载波扩展”技术：帧长不足512字节时，在其后填充特殊的符号至512字节；（想一想，是否完美？）“帧突发”技术：允许站点连续发送多个短帧解决短帧较多时网络传输效率低的问题,短帧较多时将使网络传输效率大大降低。极端情况下，只有正常时的12%。,使用“帧突发”技术后，效率可提高到72%，达到快速以太网的95。,链路两端的节点
34、必须各自向对方通告自己的能力（速度、物理层类型、半/全双工）并自动选择合适的工作模式。,2023年1月10日,千兆以太网的物理层技术,千兆位介质无关接口（GMII）,2023年1月10日,2千兆位以太网物理层标准,表5-3 千兆位以太网的物理层规范,2023年1月10日,3载波扩展,图5-25 载波扩展的帧结构,2023年1月10日,4.帧突发,图5-26帧突发机制,2023年1月10日,5.1000BaseX自动协商,1000BaseT双绞线千兆以太网支持UTP自动协商功能，对10BaseT和100BaseT向后兼容以太网数据传输速率。1）只用于配置1000BaseX类型，包括半双工/全双工
35、模式和流量控制方式。2）属于网络编码层（PCS）的一个功能，使用8B/10B编码中的控制码元组合传递自动协商的信息，不再使用UTP自动协商的快速链路突发脉冲（FLP）。3）重新定义了16比特的交换信息格式，不再包含FLP中标明链路类型的比特，只包含配置双工模式和流量控制方式的比特，支持非对称/对称的流量控制方式。,2023年1月10日,6.千兆以太网的应用在半双工方式时，网络跨距减小很多：任意两个站点间最多只能有一个中继器（p139图4.42）在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器的特性有关：站点间允许有多台千兆设备，可以构造较大范围的网络,图5-27千兆以太网拓扑结构,2023年1月10日
36、,千兆以太网的应用交换机到交换机的连接或园区网之间的主干连接，例如两个校区之间的链路；将网络交换机之间的10/100M链路用1000M链路代替，可以显著地提高网络的整体性能。具有高带宽需求的服务器集群或某些高性能工作站与网络主干之间的连接；通过网络服务器中配置的千兆以太网卡，可以建立与交换机之间的1000M连接，极大地提高了服务器的传输带宽。企业网络或园区网络的主干；千兆位以太网交换机能同时支持多台100Mbit/s交换机、路由器、集线器和服务器等设备。同时，以千兆位以太网交换机为核心的主干网络能支撑更多的网段，每个网段有更多的节点及更高的带宽。多机系统主机之间的互联。,2023年1月10日,
37、速度提高到10Gb/s所遇到的问题：不采用特殊措施，网络跨距将只有2米；若使用“载波扩展”（帧长至少4096字节），短帧的传输效率将降低到1.5；同时使用“帧突发”，最大效率也只能达到30；“载波扩展”的额外开销使吞吐率下降，冲突概率增大。解决方法：前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本抛弃CSMA/CD，只工作在全双工方式；只使用光纤介质（双绞线目前成本太高）。万兆位以太网的应用主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与端用户的直接连接。,5.3.5 万兆以太网,2023年1月10日,万兆位以太网的特征传输速率为10Gb/s；保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度；不再使
38、用CSMA/CD协议；只能工作在全双工方式；只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；支持两种类型的物理层：10Gbit/s局域网物理层和10Gbit/s广域网物理层：多个万兆位以太网可以通过SONET/SDH网络实现广域连接，使用单模光纤时端到端的传输距离可达上百公里。标准：IEEE 802.3ae，2002年公布局域网物理层：10GBase-X和10GBase-R，MMF:300m，SMF:几十km；广域网物理层：10GBase-W，SMF:几百km以上。,2023年1月10日,10吉比特以太网的物理层,表 5-4 10吉比特以太网的物理层标准,2023年1月10日,5.3.5 虚拟局域网,1
39、何谓虚拟局域网VLAN是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的网络技术。,图5-30 虚拟局域网的物理分区和逻辑分区,2023年1月10日,2为什么要划分虚拟局域网,1）抑制网络广播风暴。2）增加网络安全性。3）便于集中化管理与控制。,2023年1月10日,3虚拟局域网的帧格式,图5-31虚拟局域网的帧格式,2023年1月10日,4划分虚拟局域网的基本策略,(1)基于端口的虚拟局域网(2)基于MAC地址的虚拟局域网(3)基于IP地址的虚拟局域网,2023年1月10日,5.4 无线局域网,随着Internet的飞速发展,计算机网络从传统的有线网络发展到了无
40、线网络，作为无线网络之一的无线局域网（WLAN），满足了人们实现移动办公的梦想，为人们创造了一个丰富多彩的自由天空。WLAN已经成为局域网应用领域的一个重要组成部分。WLAN属于介质访问子层的范畴。,2023年1月10日,无线 LANs:不拘范围(经常是移动的)联网形态IEEE 802.11 标准:MAC 协议无需注册的频率范围(US):900Mhz,2.4Ghz,基本服务集(BSS)包括:无线主机接入点(AP):基站由BSS再联合组成分配系统(DS)用门桥（portal）接入有线网,2023年1月10日,自组网络（Ad Hoc Networks）,自组网络:IEEE 802.11 站点可以不
41、使用AP动态地组成网络应用:在会议室、汽车中举行“膝上型”会议与个人使用的电子设备进行互联战场上 自组网络与因特网的连接采用所谓的残桩网络(stub network)方式,2023年1月10日,无线局域网中的隐蔽站问题,隐蔽站:A,C两个站点不能互相“听见”障碍物,信号衰减在B站点发生冲突 802.11MAC的设计目标:避免可能在B站发生的冲突CSMA/CA:带有冲突避免（Collision Avoidance）策略的CSMA,2023年1月10日,802.11 MAC层:CSMA/CA,802.11 CSMA:发送方-如果检测到信道闲置了DISF 秒.然后传输整个帧(无冲突检测)-如果检测到
42、信道忙 然后 进行二进制避退（binary bakeoff）802.11 CSMA 接收方:如果接收 OK 等待 SIFS后返回ACK,2023年1月10日,IEEE 802.11 MAC 协议,802.11 CSMA 协议:其他方NAV:网络分配向量（Network Allocation Vector）802.11 帧具有传输时间字段其他站点(听见有传输时)必须推迟若干 NAV时间单位再对信道进行访问,2023年1月10日,冲突避免:RTS-CTS 交换,CSMA/CA:进行显式的信道预留发送方:发送简短的 RTS:request to send接收方:使用简短的 CTS:clear to
43、send回应CTS 为发送方预留了信道,并通知了其他(可能是隐蔽的)站点避免了隐蔽站点的冲突,2023年1月10日,冲突避免:RTS-CTS 交换,由于RTS/CTS比较短:发送时间短，发生冲突的可能小最终的结果同冲突检测基本一致IEEE 802.11 允许:CSMACSMA/CA:信道预留从AP进行轮询,2023年1月10日,点对点的数据链路协议（DLC）,一方发,一方收,一条链路:比广播信道简单的多无需介质访问控制不必进行MAC寻址e.g.,拨号链路,ISDN 线路等常见的点对点DLC协议:SLIP(Serial Line Internet Protocol)PPP(point-to-po
44、int 协议)SDLC:Synchronous Data Link Control(SNA的面向比特的数据链路规程)HDLC:High level data link control(ISO高级数据链路控制),2023年1月10日,PPP 设计要求 RFC 1557,分组成帧:将网络层的分组封装入数据链路层的帧 同时可以承载任意网络协议的网络层数据(不仅仅是 IP)提供向上分用的能力位流透明:在数据字段中，必须能携带任意组合的位流错误检测(无需校正)网络层地址协商:端点间可以学习/配置对方的网络地址,2023年1月10日,PPP 无需做的工作,无错误校正/恢复无流量控制允许失序递交 无需支持多
45、点链路(e.g.,轮询),出错恢复、流量控制、分组重新排序 都被赶到更高层去解决了!,2023年1月10日,PPP 数据帧(p90),Flag:定界符(成帧)Address:没用(只有一种选择)Control:没用;将来可能会用作多点控制字段Protocol:本帧传递数据的上层协议(eg,PPP-LCP,IP,IPCP,etc),2023年1月10日,PPP 数据帧,info:所携带的上层数据check:CRC 进行错误检测,2023年1月10日,字节填充（Byte Stuffing）,“数据透明”要求:数据字段必须可以包括帧的flag字段的固定字节Q:如何判断这个 到底是数据还是flag?发
46、送方:在每个数据字节后加入一个额外的接收方:在连续收到两个01111110 时:丢弃第一个字节,继续数据接收单个01111110:flag 字节,2023年1月10日,本章小结,局域网的体系结构：物理层和数据链路层(及两个子层)局域网的特点以及局域网具有的技术特征。介质访问控制方法：CSMA/CD、Token Passing以太网的工作原理，MAC地址。局域网的扩展：在不同层次上实现的优缺点？高速局域网技术：快速以太网、千兆/万兆以太网。速度提升需要解决哪些问题？如何解决？,2023年1月10日,思考与练习,1.画出局域网参考模型，简述其各层的主要功能。2.常见的局域网拓扑结构有哪几种，各有何
47、特点？3.局域网中数据链路层中的两个子层是什么？它们有哪些主要功能？4.逻辑链路控制（LLC）子层向上可提供哪几种操作类型？5.简述介质访问控制子层的功能和介质访问控制技术。6.IEEE 802 协议标准主要包括哪些内容？7.CSMA/CD协议中的冲突域是什么？8.以太网中的数据帧为什么要限制最大帧长度和最小帧长度？9.分析以太网MAC帧格式的各字段含义。10.试画出CSMA/CD 工作流程图。11.100Mbit/s以太网升级到1000 Mbit/s时，需要解决哪些技术问题？,2023年1月10日,本章到此结束,欢迎使用计算机网络与通信（第2版）教材 高等教育出版社 刘化君 等编著,Thank you,
