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1、介质访问控制子层,三要素：网络拓扑、传输介质、介质访问控制方法。局域网拓扑结构类型与特点主要分为总线型、环型和星型拓扑结构三种。一 总线型拓扑结构,决定局域网与城域网性能的三要素,特点：1.总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；2.所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；3.总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；4.所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据，出现“冲突（collision）”是不可避免的；“冲突”会造成传输失败；5.必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC，medium access control）问题。,介质访问控制方法要解决
2、的问题：-该哪个结点发送数据?-发送时会不会出现冲突?-出现冲突怎么办?总线型拓扑的优点：-结构简单，实现容易；-易于扩展，可靠性较好。,二 环型拓扑构型特点：1.结点使用点点线路连接，构成闭合的物理环型结构；2.环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；3.在环形拓扑中，多个结点共享一条环通路；4.实现环的建立、维护、结点的插入与撤出。,三 星型拓扑构型,局域网的传输介质类型 常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道;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
3、的趋势已经明朗。介质访问控制方法1.带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD、2.令牌总线 token bus3.令牌环 token ring,IEEE 802参考模型IEEE 802标准描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系:,IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，统称为IEEE 802标准,Ethernet的发展Ethernet的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即CSMA/CD，这种技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；Xerox公司于1972年开始Ethernet实验网的研究,在1979年宣布了Ethernet产品；1980年，Xerox、DEC与Intel联合宣布E
4、thernet V2.0规范；90年代，10Base-T标准使得Ethernet性能价格比大大提高；目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。,Ethernet数据发送流程Ethernet中,CSMA/CD的发送流程可以简单的概括为先听后发、边听边发、冲突停止、延迟重发。,一 载波侦听过程总线发送数据时，首先侦听信道是否空闲，即检查是否已经有其它结点利用总线在发送数据。下图显示了总线电平跳变与总线忙闲状态的关系：,令牌总线的工作原理,令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作为控制节点访问公共传输介质的确定
5、型介质访问控制方法。在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。与CSMA/CD方法相比，令牌总线方法比较复杂，需要完成大量的环维护工作，包括环初始化、新结点加入环、结点从环中撤出、环恢复和优先级服务。令牌总线的工作原理如下图所示。,令牌环网的工作原理最有影响的令牌环网是IBM公司的Token Ring，IEEE802.5标准就是在IBM公司的Token Ring协议的基础上发展和形成的。在Token Ring中，结点通过环接口连接成物理环形。令牌是一种特殊的MAC控制帧，帧中有一位标志令牌忙/闲。令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排
6、列顺序相同。如果某结点有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。当此结点获得空闲令牌之后，将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后传送数据。令牌环的基本工作过程如下图所示。,IEEE802.5标准对以上技术进行了一些改进，主要表现在以下几点：-单令牌协议，即环中只能存在一个有效令牌-支持多优先级方案-设置一个监控站，执行环维护功能-通过预约指示器进行令牌预约,光纤分布式数据接口（FDDI）,光纤分布式数据接口(FDDI)是可以用来形成以光纤作为传输介质的高速主干网，它可以用于局域网与计算机互联。典型的FDDI作为主干网互联多个局域网的主干环网结构如下图所示。,FDDI的主要技术特点 1.使用基于I
7、EEE 802.5的单令牌环网介质访问控制MAC协议；2.使用IEEE 802.2协议，与符合IEEE 802标准的局域网兼容；3.数据传输速率为100Mb/s，连网结点数最大为1000，环路长度为100km；4.可以使用双环结构，具有容错能力；5.可以使用多模或单模光纤；6.具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。FDDI的主要应用环境1.计算机机房网（称为后端网络）2.办公室或建筑物群的主干网（称为前端网络）3.校园网的主干网4.多校园的主干网,高速局域网的工作原理,推动局域网技术发展的因素1.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
8、只提高了上千倍；从理论上讲，一台微通道或者EISA总线的微型机能产生大约250Mb/s的流量；2.基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽；3.在数据仓库、桌面电视会议、3D图形以及高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。传统共享式局域网的缺点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、Token Ring、Token Bus；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；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
9、传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。,高速局域网的解决方法,第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率，从10Mb/s提高到100Mb/s甚至到1Gb/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，这就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”，这就导致了“交换式局域网”技术的发展。交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。,下图显示了共享介质与交换式局域网工作原理上的区别。,快速以太网（Fast Ethernet）Fast Ethernet的传输速率比普通Etherne
10、t快10倍，数据传输速率达到了100Mb/s；Fast Ethernet保留着传统的帧格式、介质访问控制方法与组网方法；每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns；1995年9月，IEEE 802委员会正式批准了Fast Ethernet标准IEEE 802.3u。,下图是Fast Ethernet的协议结构,千兆以太网(Gigabit Ethernet),用Ethernet组建企业网的全面解决方案:1.桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet；2.部门级网络系统采用传输速率为100Mb/s的Fast Ethernet；3.企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的Giga
11、bit Ethernet。,10Gb/s Ethernet,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。两种物理层协议标准局域网物理层标准：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：广域网物理层符合光纤通道技术速率体的SONET/SDH
12、的OC-192/STM-64的标准,交换式局域网与虚拟局域网,交换式局域网的核心设备使局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。典型的交换式局域网是交换式以太网（switched Ethernet），它的核心部件是以太网交换机（Ethernet switch）。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器连接。,交换式Ethernet的结构如下图所式,局域网交换机的技术特点,1.低交换延迟这是局域网交换机的主要特点，从传输延迟时间的量级来看，如果局域网交换机为几十s，那么网桥为几百s，而路由器为几千s。2.支持不同的传
13、输速率和工作模式 局域网交换机的端口可以设计成支持不同的传输速率，例如支持10Mb/s的端口、支持100Mb/s的端口、支持100Mb/s的端口。同时，端口还可以设计成支持半双共和全双工两种工作模式。3.支持虚拟局域网服务交换式局域网是虚拟局域网的基础，目前的Ethernet交换机基本上都可以支持虚拟局域网服务。,虚拟网络的概念虚拟网络建立在局域网交换机之上；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。虚拟局域网的物理结构与逻辑结构虚拟局域网的一组结点可以位于不同的物
14、理网段上，但它们不受结点所在物理位置的束缚，相互之间的通信就像在同一个局域网中一样。下图给出了典型的虚拟局域网的物理结构和逻辑结构。,虚拟局域网的组网方法1.用交换机端口号定义虚拟局域2.用MAC地址定义虚拟局域网3.用网络层地址定义虚拟局域4.IP广播组虚拟局域网,用交换机端口号定义虚拟局域网成员虚拟局域网从逻辑上把局域网交换机的端口化肥为不同的虚拟子网，各虚拟子网相对独立。在图(a)中，局域网交换机端口1、2、3、7和8组成VLAN1，端口4、5和6组成VLAN2。同时，虚拟局域网也可以跨越多个交换机。图(b)中，局域网交换机1的1、2、3端口和局域网交换机2的4、5、6、7端口组成VLA
15、N1，局域网交换机1的4、5、6、7、8端口和局域网交换机2的1、2、3、8端口组成VLAN2。,虚拟局域网的主要优点表现在：1.方便网络用户管理，减少网络管理开销2.提供更好的安全性3.改善网络服务质量,局域网互连的应用环境,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。,网桥的基本工作原理,数据链路层互联的设备是网桥(bridge),在网络互联中它起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用，用来实现多个网络系统之间的数据交换。网桥
16、的基本特征1.网桥在数据链路层上实现局域网互连；2.网桥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；3.网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信；4.网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；5.网桥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与安全性。网桥的工作过程网桥最常见的用法是用于连接两个局域网，以下给出了两个局域网通过网桥互联的工作原理。,网桥的层次结构,网桥帧转发过程,网桥的路由选择策略,网桥的基本分类网桥按照其路由表的建立方法分为两类-透明网桥（transparent bridge）-源路选网桥（source
17、routing bridge）透明网桥的主要特点透明网桥由各个网桥自己来决定路由选择，局域网上的各结点不负责路由选择，网桥对于互连局域网的各结点来说是“透明”的；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是容易安装，是一种即插即用设备。,生成树（spanning tree）算法,透明网桥使用的是生成树算法建立路由表。首先必须选出一个网桥作为生成树的根，接着，按根到每个网桥的最短路径来构造生成树。如图所示的是一个包含环路的网络拓扑结构和计算后产生的一个逻辑上无环路的生成树。,源路选网桥的主要特点,源路选网桥由发
18、送帧的源结点负责路由选择；源路由网桥假定每个结点在发送帧时，都已经清楚地知道发往各个目的结点的路由，因而在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中；为了发现适合的路由，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。,网桥与广播风暴,网桥“盲目地”广播会使网络无用的通信量剧增，造成“广播风暴”如图：,多端口网桥与第二层交换,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的网桥；交换机工作在数据链路层，完成帧的转发；交换机采用基于硬件的转发机制，其交换时延可以减少到s量级；由于交换机完成帧一级的交换，它是工作在数据链路层，因此也叫做第二层交换机。,
