介质访问控制子层YF.ppt

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1、课前提问：,如何理解物理连接与数据链路的关系什么是数据链路什么是物理线路什么是物理连接,数据链路：物理线路+通信协议物理线路：传输介质+传输设备物理连接：能够传输信号的物理线路（结点是否：加电、连接）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,2,掌握：Ethernet局域网的基本工作原理 高速、交换、虚拟局域网的基本概念。网桥的基本工作原理。了解：局域网与城域网的主要技术特点 局域网拓扑结构的类型与特点 令牌环网与FDDI的基本工作原理。理解：IEEE 802参考模型与协议的基本概念 无线局域网的基本工作原理。,第5章MAC(介质访问控制)子层,本章学习要求：,07网络：10年04月06日（星期二

2、）上午3、4节,2023/6/14,主讲人：杨 帆,3,5.1 局域网与城域网基本概念 局域网与城域网,网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。能方便地共享资源（昂贵的外设、主机以及软件、各类数据。可设置出口与外网连接。,1、局域网,2、城域网,一个城市范围内。互联大量局域网。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,4,3、局域网技术的三要素,网络拓扑 传输介质 介质访问控制方法,设计和研究局域网时，其基本技术内容主要集中以下三个方面：,注意：教材P131-132的文字叙述，同学们自己思考是否存在问题。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,5,5.1.2 局域网拓扑结构类型与特点,网络

3、拓扑结构：总线型环型星型结构 下面分别介绍。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,6,1、总线型拓扑构型,特点：1）所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；2）所有结点都可以通过总线以“广播”方式发送或接收数据；3）作为传输介质的总线通常采用同轴电缆或双绞线；,由于所有结点都可以通过总线以“广播”方式发送或接收数据，因此会不可避免的出现“冲突（collision）”。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,7,总线结构的数据传输冲突,“冲突”会造成传输失败，因此，必须解决多个结点访问总线的控制问题。（也叫介质访问控制 medium access control，MAC）,介质访问控制方法：

4、是指控制多个节点利用公共传输介质发送和接收数据的方法。它应解决以下几个问题：1）应该哪个结点发送数据？2）在发送时会不会出现冲突？3）出现冲突时怎么办？,2023/6/14,主讲人：杨 帆,8,2、环型拓扑构型,结点使用点对点线路连接，构成闭合的物理环型结构；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；多个结点共享一条环通路；与总线结构一样，环形拓扑也要解决介质访问控制问题。,特点：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,9,3、星型拓扑构型(P134),有一个中心节点；每个节点通过点对点线路与中心节点连接；任何两点间的通信都要通过中心节点转接。,特点：,真正意义上的星型结构是在交换局域网(switche

5、d LAN)出现之后，中心节点是一个交换机（CBX），它可在多对通信节点之间建立并发的逻辑连接。,CBX,2023/6/14,主讲人：杨 帆,10,5.1.3 传输介质类型与介质访问控制方法,1、局域网的传输介质类型 同轴电缆（粗缆）10base5同轴电缆（细缆）10base2双绞线 10base-T光纤 10base-F无线通信信道 红外线、跳频扩频等,就目前的技术看，双绞线已能用于数据传输速率为100Mb/s、1Gb/s 的高速局域网中；在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术；同轴电缆已较少使用。,标准格式：速率+传输方式+距离

6、/介质类型。如10BASE5代表：速率10Mbit/s,基带传输，500米距离。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,11,带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方法令牌总线（token bus）方法令牌环（token ring）方法,2、介质访问控制方法:,传统的局域网采用“共享介质”的工作方式，不同的拓扑结构，其介质访问控制方法也不同。IEEE802.2支持几种不同的共享介质访问控制方法：,因此，也就有三种不同的共享介质局域网。在它们的基础上，可扩展实现其它的网络（如无线局域网、城域网、综合局域网等）。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,12,IEEE 802 参考模型包含三个

7、层次，逻辑链路控制子层LLC、介质访问控制子层MAC以及物理层。与OSI参考模型的对应关系如下图：,5.1.4 IEEE 802参考模型,MAC子层提供与传输介质访问有关的支持；LLC 子层与传输介质无关，仅提供逻辑链路控制能力（如建立、释放链路），内容较少，不做重点介绍。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,13,1、IEEE 802标准内容（P135-137）IEEE 802是关于局域网的一个系列标准，主要内容包括：,IEEE 802.1，定义了局域网体系结构、网络互联，以及网络管理与性能测试；IEEE 802.2，定义了逻辑链路控制（LLC）子层功能与服务；IEEE 802.3，定义了C

8、SMA/CD总线介质访问控制子层与物理层标准；IEEE 802.4，定义了令牌总线介质访问控制子层与物理层标准；IEEE 802.5，定义了令牌环介质访问控制子层与物理层标准；IEEE 802.11，定义无限局域网访问控制子层与物理层标准IEEE 802.15，定义近距离个人无线网络访问控制子层与物理层标准IEEE 802.16，定义了宽带无线局域网访问控制子层与物理层标准；,2023/6/14,主讲人：杨 帆,14,2、IEEE 802标准系列内容之间的关系（简化）,MAC子层,从网上找到的关系图,2023/6/14,主讲人：杨 帆,15,8,802标准原文中的关系图,2023/6/14,主

9、讲人：杨 帆,16,2023/6/14,主讲人：杨 帆,17,3、局域网技术发展现状与趋势,Ethernet占居绝对优势，成为构建局域网的首选技术；FE（100M）/GE（1G）/10GE（10G）成为构建大型局域网系统的三个基本层次；IP协议直接使用Ethernet帧，LLC协议已经很少使用；GE/10GE保留传统的Ethernet帧结构；无线局域网技术已成为研究热点。,（P136-137）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,18,5.2 Ethernet局域网（原理）5.2.1 Ethernet的发展（P137-139）,Ethernet的核心技术来源于夏威夷大学的无线分组交换网ALOH

10、A；20世纪70年代，基于ALOHA,Bob Metcalfe提出了总线型局域网的设计思想,并将其实验网络命名为Ethernet，还与人合作提出了介质存取访问控制方法CSMA/CD；1980年，Xerox、DEC与Intel联合宣布Ethernet V2.0规范（1982年成为IEEE 802.3标准）；1990年，10Base-T标准的制定以及Ethernet交换机的出现，使得Ethernet性能价格比大大提高，加速了Ethernet的应用和发展；1993年，10Base-F标准的制定,使得Ethernet可以使用光纤介质；1995年，推出了100Mb/s的Fast Ethernet标准和产

11、品；1998年，推出了1Gb/s的Gigabit Ethernet标准，99年产品问世；目前局域网中的主流技术为：交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet。,Ethernet的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,19,Ethernet2.0帧结构主要包括以下内容：前导码与帧前定界符字段目的地址和源地址字段 类型字段数据字段（由LLC层传递下来的数据）帧校验字段,5.2.2 Ethernet帧结构与工作流程分析 1.Ethernet帧结构（P143-144）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,20,1）前导码与帧前定界符字

12、段 前导码：7个字节，10101010101010比特序列。帧前定界符：1个字节，10101011。2）目的地址和源地址字段 地址字段长度：6个字节。目的地址类型：单一结点地址（unicast address）（首位=0）；多点地址（multicast address）（首位=1）；广播地址（broadcast address）（全1）。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,21,3）类型字段 指出网络层使用的协议类型。如：0 x0800 IP协议 0 x8137 Netware公司的IXP协议4）数据字段 数据字段是帧的数据字段，长度为461500字节，少于46个字节，需要填充。5）帧校验字

13、段 采用32位的CRC校验，校验的范围是：目的地址、源地址、类型、数据等字段。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,22,2.Ethernet数据发送流程分析（P139-140）,Ethernet数据传输采用CSMA/CD方法，其基本思想是：先听后发、边听边发、冲突停发、延迟重发,2023/6/14,主讲人：杨 帆,23,主要技术环节：1）载波侦听 2）冲突检测 3）停止发送 4）随机延迟，重发,装配帧,冲突次数,过多?,冲突吗？,启动发送,冲突加强,发送完成?,计算后退,延迟时间,冲突次数,N+1N,结束：,冲突过多,Y,N,Y,发送帧,总线忙？,N,Y,等待后退,延迟时间,N,结束：,发送

14、成功,Y,N,听,检测冲突,停发,重发,这四个环节实现了先听后发 边听边发冲突停发延迟重发 的基本思想。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,24,载波侦听过程,目的：检查是否已经有结点利用总 线在发送数据。方法：通过总线电平是否跳变，判断总线的忙/闲状态,因为Ethernet的物理层规定，发送的数据采用曼彻斯特编码方式。,总线忙：总线电平按曼彻斯特编码规律跳变。总线空闲：总线电平不发生跳变。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,25,冲突：总线上同时出现两个或以上的发送信号。冲突窗口：2倍的传播延迟2D/V（如果超过该时间还没有检测出冲突，就能肯定该节点已取得总线访问权。被称为冲突窗口）（P

15、139-142）,冲突检测,2023/6/14,主讲人：杨 帆,26,冲突的特点是，多个发送信号波形会叠加，且不符合曼彻斯特编码的信号波形（每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T）。,冲突检测方法：比较法（发送与接收的信号波形是否相同）编码违例判决法（是否符合曼彻斯特编码规律）（P141）,检测原理：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,27,发现冲突，停止发送,发送冲突加强信号，确保其他结点能发现冲突，并丢弃冲突帧;冲突次数+1，不超过16次冲突，则延迟重发;当冲突次数超过16时，表示发送失败，放弃该帧发送。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,28,随机延迟,

16、关键是确定“随机延迟时间”。采用截止二进制指数后退延迟算法：2kRa 其中：为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为冲突窗口值（51.2s），R为随机整数;限定k的范围,k=min（n，10）;如果重发次数n10，则取k=n；如果重发次数n10时，则k取值为10。因此第n次重发延迟是分布在0与2min（n，10）-1个时间片之间，最大可能延迟时间为1023 个时间片;在到后退延迟时间之后，结点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程;,2023/6/14,主讲人：杨 帆,29,补充：对截止二进制指数后退延迟算法的理解,延迟时间2kRa，被称为截止二进制指数后退延迟算法。一个时间片=51.2*R s

17、；更确切的表示：（2k-1）Ra=2kRa+Ra 第n次重发延迟是分布在0与2min（n，10）-1个时间片之间，最大可能延迟时间为1023 个时间片;“后退延迟”：冲突次数没增加一次，延时加长2倍。“截止”：当冲突次数超过10次时，不再增加延时的时长。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,30,3.Ethernet接收流程分析 除了发送节点外，其他所有节点均处于接收状态。（P144-145）,是本站地址？是本组地址？是广播地址？,2023/6/14,主讲人：杨 帆,31,5.2.4 Ethernet实现方法（P146）,1、网卡 将Ethernet帧的发送、接收、CSMA/CD介质访问控制机

18、制等内容，设计成一个具有清晰层次结构的处理模块，一端能与计算机相连，另一端能与传输介质相连，这就是“Ethernet网络接口卡”。,逻辑功能,接插件,2023/6/14,主讲人：杨 帆,32,Ethernet网卡模块结构,接计算机I/O总线,2023/6/14,主讲人：杨 帆,33,2、以太网连接（示意）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,34,3、最大作用距离,2023/6/14,主讲人：杨 帆,35,5.2.4 Ethernet物理地址,Ethernet物理地址=制造商 ID+产品 ID（24bit）（24bit）公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-

19、00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5A典型的Ethernet地址：00-60-8C-01-28-12（十六进制表示）（二进制表示）,网络中的不同层次都存在地址定义和寻址问题；而网络中的地址可分为物理地址和逻辑地址两类。物理地址是指固化在网卡EPROM中的地址（也称硬件地址或MAC地址）；Ethernet物理地址共48位，前24位由IEEE的注册管理委员会按厂家分配，后24位由生产厂家编码。,IEEE的注册管理委员会分配给不同生产厂商的ID,2023/6/14,主讲人：杨 帆,36,用MAC地址标识设备,每块网卡有一个唯一的MAC地址，存于EPROM中

20、；路由器的MAC地址由其端口数决定，有几个端口就有几个MAC地址。如下所示。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,37,5.2.5 网络协议分析器及其应用（简介）,当网络分析器连接到被测试的网络时，它能监控特定的事件，并且报告诸如每秒平均接收帧数或平均帧长度等统计数据；网络分析器的另外一个重要的作用是对特定协议（TCP/IP、FTP、HTTP）的解码，它按照指定的协议规则加以解释，然后将协议分析的结果显示出来。,网络分析器或网络监视器是一种用来测试网络系统运行状态的设备。,分析举例见下：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,38,网络分析器捕获的帧数据,2023/6/14,主讲人：杨 帆,39

21、,网络分析器显示的Ethernet帧结构,2023/6/14,主讲人：杨 帆,40,5.3 令牌总线网 5.3.1 令牌总线的工作原理（P150）,令牌总线是一种在总线拓扑中利用“令牌”作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。在采用令牌总线方法的LAN中，任何一个节点只有在取得令牌后才能使用共享总线发送数据。（对应IEEE802.4标准）令牌：一种用来控制节点总线访问权的具有特殊结构的控制帧。令牌传递规则：由高地址到低地址循环传递。（形成逻辑环）,07网络：10年04月07日（星期三）上午3、4节,2023/6/14,主讲人：杨 帆,41,1、令牌总线的环维护工作（P151）,环

22、初始化新结点加入环结点从环中撤出 环恢复（丢失或出现多个令牌时能恢复正常）优先级,2、令牌总线的主要特点,介质访问延迟时间有确定值结点之间不会发生冲突在重负情况下，信道的利用率高 支持优先级服务,2023/6/14,主讲人：杨 帆,42,5.3.2 令牌环网与FDDI(P151-153)1、令牌环网的工作原理,所有结点通过环接口连接成物理环形，在令牌中设一个忙/闲标志位，令牌延环单向逐站传递。,拿到空闲令牌的结点可发数据；先将令牌标志置“忙”，再发送数据；目的结点收到数据帧后作出标记并复制；发送结点重新收到自己发出的数据帧时，再将令牌的标志置为“闲”，向下一个结点传送。,2023/6/14,主

23、讲人：杨 帆,43,2、IEEE 802.5标准（P152 简单了解一下）,IEEE 802.5标准将令牌环技术标准化，主要内容包括：单令牌协议：环中只能存在一个有效令牌，简化优先级与环出错恢复功能的实现。优先级位：用于设定令牌的优先级。监控站：环中设置一个监控站，执行环维护功能。预约指示器：用于令牌预约，以控制每个结点利用空闲令牌发送不同优先级的数据帧所占用的时间。MAC帧：25种用来完成环维护功能。比如：环监控器竞争、环查询、环恢复、入环、出环、优先级控制等。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,44,3、光纤分布式数据接口FDDI,FDDI（Fiber Distributd Data I

24、nterface）是以光纤为传输介质的高速主干网。可用于互连多个局域网的主干网。,数据传输率：100M结点数=1000个环长=100KM可使用双环结构,2023/6/14,主讲人：杨 帆,45,5.4 高速局域网的工作原理5.4.1 高速局域网的研究方法 1、高速局域网的发展,个人计算机的广泛应用；在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；从理论上讲，一台微通道或EISA总线的微型机能产生大约250Mb/s的流量；基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽；在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带

25、宽的局域网。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,46,2、传统共享式局域网的缺点,每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少；网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。,传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典型的介质访问控制方法是CSMS/CD（802.3）、Token Bus（802.4）、Token Ring（802.5）；介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质；由此带来的缺点有：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,47,3、解决方法,第一种方案：提高Ethernet的数

26、据传输速率：10Mb/s100Mb/s1Gb/s 10Gb/s；第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥 或路由器互连的子网，导致了局域网 互连技术的发展；第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致了“交换式局域网”技术的发展。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,48,交换式局域网基于硬件交换技术,并发连接；每个连接传输速率为所链端口的最小带宽。共享式局域网与交换式局域网的比较,2023/6/14,主讲人：杨 帆,49,5.4.2 快速以太网Fast Ethernet,每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns，数据传输速率提高为100Mb/s；使用 802.3 协议规定的

27、帧格式和介质访问控制方法（CSMA/CD）；,Fast Ethernet又称100 Base-T以太网。1995年9月，IEEE 802委员会正式批准了Fast Ethernet的相关技术标准，定为IEEE 802.3u。,1、Fast Ethernet的特点,2023/6/14,主讲人：杨 帆,50,Fast Ethernet的协议结构,2、Fast Ethernet的协议结构,100Base-T定义了介质无关接口MII(Medium Independent Interface)，支持100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX三种传输介质。（P172-173）,MII：

28、隔离MAC子层与物理层，使物理层在实现100Mb/s速率时所使用的传输介质和编码方式的变化不会影响MAC子层。,物理层,MAC,LLC,2023/6/14,主讲人：杨 帆,51,5.4.3 吉比特以太网（Gigabit Ethernet）,数据传输率为 1000Mb/s；使用 802.3 协议规定的帧格式。目前有四种传输介质标准,1、吉比特以太网的特点,2023/6/14,主讲人：杨 帆,52,2、Gigabit Ethernet的协议结构（1000Base-T）,5类,将每比特数据编码为比特,1000Base-CX屏蔽双绞线,1000Base-LX单膜光纤,125M线路波特率，并行传输比特，

29、8*125=1000,物理层,MAC,LLC,2023/6/14,主讲人：杨 帆,53,5.4.4 10Gbs Ethernet 1、10Gbs Ethernet的主要特点,10Gb/s Ethernet的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s Ethernet相同；10Gb/s Ethernet保留了802.3标准对Ethernet最小帧长度和最大帧长度的规定；10Gb/s Ethernet的传输介质只使用光纤；10Gb/s Ethernet只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,54,2、10Gb/s Ethernet的物理层协议,10Gb/

30、s Ethernet有以下两种物理层协议标准：局域网物理层标准 物理层的数据传输率为10Gb/s；一个10Gb/s Ethernet交换机可以支持10个Gigabit Ethernet网端口；可选的广域网物理层标准 广域网物理层采用光纤通道技术，并符合光纤通道技术速率体系SONET/SDH的OC-192/STM-64的标准。OC-192/STM-64的标准速率为9.95328Gb/s，而不是精确的10Gb/s。因此，10GBps必须采用一种调整策略，通过10G MII将工作速率降至9.58464Gbps。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,55,5.5 交换式局域网的工作原理 5.5.1 交

31、换式局域网的基本结构,1、交换机：具有多个端口，并能在多个端口之间建立多个并发连接实现数据并发传输的计算机系统。,2、交换式局域网：以交换机为核心组建的局域网。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,56,5.5.2 局域网交换机的工作原理,1、交换机的结构（P161）一个交换机由端口、队列缓冲、端口-地址表以及转发机构四大逻辑部件组成，结构如下：,地址表,1,6,5,4,3,2,MAC帧,DA=结点B,转发机构,缓冲器,端口,结点E,2023/6/14,主讲人：杨 帆,57,2、工作过程（P162-163）,1）帧中指出目标地址 2）查表找出对应端口 3）建立源目端口连接 4）相同端口不转发,

32、交换机在开机时，建立端口-地址表；工作过程中不断地进行维护，保持该表有效。具体工作过程可概括为以下4点：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,58,如何知道哪个结点连到哪个端口？当结点从一个端口移到另一个端口时，如何更新对应关系？,3、端口号/MAC地址映射表的建立与维护,1）问题：,初始化端口号/MAC地址映射表（空表）通过“读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口号”来建立端口号与结点（MAC地址）的对应关系；查表，如果没有该对应关系，就加入该对应关系；如果有，就更新对应记录。,2）方法：利用地址学习法来动态地建立和维护端口号/MAC地址映射表。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,59,直

33、接交换方式 接收、转发；存储转发交换方式 接收、检错、转发改进的直接交换方式 接收帧的前64字节后，检错、转发,3、交换机的帧转发方式,Ethernet交换机的帧转发方式主要有三种：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,60,5.5.3 局域网交换机的技术特点,低交换延迟（与网桥和路由器相比）支持不同的传输速率和工作模式 支持虚拟局域网服务,2023/6/14,主讲人：杨 帆,61,课前思考问题：在物理网络中，站点的位置是相对固定的，属于一个特定的工作组，位于同一网段。如何实现以下需求：,1）如何方便地改变站点的工作组？2）如何指定不同网段相同工作属性的访问权限？3）一个网段站点太多时，如何减

34、少广播信息以保证网络性能？,07网络：10年04月13日（星期二）上午3、4节,2023/6/14,主讲人：杨 帆,62,5.6 虚拟局域网的工作原理5.6.1 虚拟网络（VN）的概念,虚拟局域网是建立在交换技术之上的;以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理;逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制;一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。（P164）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,63,5.6.2 虚拟局域网（VLAN）的实现技术,1、VLAN的结构,2023/6/14,主讲人：杨 帆,64,2、虚拟局域网的组网方法,用交换机端口号定义

35、虚拟局域网；用 MAC地址定义虚拟局域网；用网络层地址定义虚拟局域网；IP广播组虚拟局域网。（P165-167）,用交换机端口号定义虚拟局域网成员,一个交换机内划分虚拟子网,多个交换机间划分虚拟子网,2023/6/14,主讲人：杨 帆,65,3、VLAN使用的帧格式(补充),虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,（参见P143 Ethernet结构帧）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,66,4、虚拟局域网的优点(P167-168),方便网络用户管理；提供更好的安全性；改善网络服务质量；

36、减少网络管理开销。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,67,5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网概述,1）建筑物之间的互连2）漫游访问 3）特殊网络（无固定基础设施，也叫自组织网）,1、无线局域网作为传统局域网的扩充，用来连接移动和不易于布线的节点。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,68,2、无线局域网的技术特点 802.11系列标准(包括802.11a和802.11b)定义了无线局域网的技术规范，主要是CSMA/CA协议和物理层的技术内容：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,69,5.7.2 红外无线局域网（简介）,红外无线（infrared radio,IR）是按视距方式传播

37、；红外线频谱是非常宽，可以提供极高的数据传输速率；红外局域网的数据传输有三种基本技术：定向光束红外传输技术；全方位红外传输技术；漫反射红外传输技术。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,70,5.7.3 扩频无线局域网 1.跳频通信(frequence hopping spread spectum,FHSS),发送信号的频率按固定的时间间隔从一个频率跳到另一个频率。接收器和发送器同步跳动，以便正确接收信息。跳频扩频通信减少了其他信号源在一个特定频率上干扰通信的可能性。,IEEE 802.11标准规定跳频通信使用2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段;跳频扩频通信的数据传输速率为1Mb/

38、s或2Mb/s。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,71,2.直接序列扩频(direct sequence spread spectrum,DSSS),直接序列扩频也使用2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段;数据传输速率为1Mb/s或2Mb/s;系统实际发送的信号d(t)是发送数据a(t)与伪随机码c(t)模二加的结果;接收端使用与发送端相同的伪随机码c(t)，从而取出发送数据a(t)。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,72,5.7.4 无线局域网标准IEEE 802.11,1、802.11层次模型结构,MAC 层通过协调功能来确定在移动网络中的移动站在什么时间能发送数据或接收

39、数据。它包括两个子层。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,73,DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,74,PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生,因而PCF向上提供无争用服务。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,75,2、CSMA/CA基本工作原理,冲突避免要求每一个发送结点在发送帧之前需要先侦听信道。如果信道空闲，结点可以发送帧;发送站在发送完一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔，检查接收站是否发回帧的确认ACK。如果

40、接收到确认，则说明此次发送没有出现冲突，发送成功;如果在规定的时间内没有接收到确认，表明出现冲突，发送失败，重发该帧。直到在规定的最大重发次数之内，发送成功。,802.11的MAC层采用的是CSMA/CA(collision avoidance,CA)的载波检测/冲突避免介质访问方法：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,76,重要概念：帧间间隔 IFS,所有站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS(InterFrame Space)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先

41、级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到介质，则介质变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,77,CSMA/CA基本工作原理示意图,SIFS：短帧帧间隔 PIFS：短协调功能帧间间隔 DIFS：分布协调功能帧间间隔 发送的帧不同，等待的时间间隔就不同。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,78,5.8 局域网互联与网桥的基本工作原理 5.9.1 局域网互联的基本概念,局域网互联的应用环境 一个单位的多个部门局域网的互连；办公楼之间局域网的互连；将数千台计算机按地理位置或组织关系划分为多个

42、子网的互连；超过单个局域网的最大覆盖范围的多个局域网互连；企业中部门的信息对安全、保密方面要求不同的局域网互连。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,79,5.8.2 网桥的基本工作原理,1、网桥：一种具有数据接收、地址过滤和数据转发功能的在数据链路层实现网络互联的设备（计算机系统）。2、网桥具有以下基本特征：在数据链路层上实现局域网互连；能够互连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（至少有2个以上端口）；以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的各网络之间的通信；要求互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能

43、与安全性。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,80,3、网桥的工作过程（P176-177）,H1H2不经过网桥,H1H4经过网桥,工作原理：同网丢弃，异网转发。,H4,Data,H4,Data,2023/6/14,主讲人：杨 帆,81,5.8.3 网桥的层次结构（P177-178）,1、协议层次 当主机A向主机B发送数据时，分组将按箭头方向逐层传输。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,82,2、网桥帧转发过程,网桥是通过站表（路由表）实现帧转发功能的。站表的数据项包括站地址、端口号、帧进入网桥的时间。通过帧中的目标主机查站表，找到目标端口号，若与源端口号不同则转发，否则丢弃。协议不同时，需

44、要执行帧的拆装操作。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,83,5.8.4 网桥的路由选择策略,透明网桥（transparent bridge）源路由网桥（source routing bridge）,1.网桥的基本分类 按照网桥路由表（站表）的建立方法，可将网桥分为：,（解决如何形成并维护站表的问题。依据方法的不同，可有不同的网桥。）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,84,2.透明网桥,网桥对于互连局域网的各结点来说是“透明”的，局域网上的各结点不负责路由选择；透明网桥一般用在两个使用同样的MAC层协议的网段之间的互连。例如连接两个Ethernet网段，或两个令牌环网；透明网桥的最大优点

45、是容易安装，是一种即插即用设备。,透明网桥：由网桥自己决定路由选择，对互联局域网屏蔽自身特性的网桥。透明网桥的特点：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,85,3.透明网桥的站表（路由）形成过程,刚接入到网络时，站表为空；接收到一个帧时记录源MAC地址、进入端口号、进入时间，并向其它端口转发该帧；进入网桥的帧不断被转发，就自动形成了站表。说明：1）正常使用则是通过查询站表来实现转发功能。2）自动生成的站表有可能出现“环状结构”。（如下图）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,86,为了避免局域网互联时形成环状结构，透明网桥使用了一个生成树算法。（P179-180）,网桥,网桥,反复地复制和转发

46、统一帧，从而增加网络负荷，降低系统性能。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,87,网络拓扑与对应的生成树,生成树（spanning tree）算法,间隔广播网桥标识号；选择一个网桥为树根(例如，最小标识号的网桥)；以最短路径为依据，找到树上的每一个结点；,2023/6/14,主讲人：杨 帆,88,3.源路由网桥及其主要特点（P181）,源结点以广播方式向目的结点发送一个用于探测的发现帧；发现帧将在整个通过网桥互连的局域网中沿着所有可能的路由传送；当这些发现帧到达目的结点时，就沿着各自的路由返回源结点；源结点在得到这些路由信息之后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。（在后续帧的首部填写所选

47、路由）,源路由网桥是按发送帧的源结点给出的路由来转发分组的。这些路由信息位于信息帧的首部。源结点确定路由的过程如下：,2023/6/14,主讲人：杨 帆,89,5.8.5 网桥与广播风暴,1、集线器与冲突域,在集线器连接的网络中，任一结点发送的帧都会被传送到网上的其他结点。集线器连接的所有节点就是一个冲突域。尽管网桥能够有效隔离不同局域网之间的流量，使各自的冲突域不能造成更大范围的冲突。但当网桥中的缓冲较小、而站表较大时，则无法存储完整的站表。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,90,2、网桥与广播风暴（P198-199）,网桥在无法确定目标地址的时候就会“盲目地”广播数据帧，这会使网络无用

48、的通信量剧增，造成“广播风暴”。,如果站表中没有504机的记录，就会,2023/6/14,主讲人：杨 帆,91,5.8.6 网桥与二层交换机,网桥与交换机都是工作在数据链路层，交换机可以认为是一个多端口（同类型）的网桥；交换机由硬件机制实现帧的转发；交换机的时延可以减少到s量级；由于交换机完成帧的交换，工作在数据链路层，因此也叫做第二层交换机。,网桥：端口数少但种类多，由软件实现查表转发，在数据链路 层实现网络互联。交换机：端口数多但只有一种，由硬件实现查表转发，在数据 链路层实现组网功能。,2023/6/14,主讲人：杨 帆,92,本章小结,局域网设计的主要目标是覆盖一个公司、一所大学、一幢

49、办公大楼的“有限的地理范围”；决定局域网特性的三要素是：网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法；从采用的介质访问控制方法的角度，可以分为共享介质式局域网与交换式局域网两类；广泛应用的是Ethernet（以太网）。速率为10Mb/s的以太网已基本不用，目前应用最为广泛的局域网是100Mb/s速率的Ethernet网，速率为1Gb/s的Gigabit Ethernet已成为高速局域网方案中的主流技术，更高传输速率的10Gb/s的Ethernet已成为骨干网的主要应用技术；（接下页）,2023/6/14,主讲人：杨 帆,93,交换式局域网通过局域网交换机支持连接到交换机端口的结点之间的多个并发连接，实现多结点之间数据的并发传输，增加了网络带宽，改善局域网的性能与服务质量；交换技术的发展为虚拟局域网的实现提供了技术基础；网桥、第二层交换机用于实现局域网的互联。,本章作业：（P184-188）一至三题做在书上。四、4、5、7、11,