计算机通信与网络CH04局域网与广域网.ppt

计算机通信与网络Computer Telecommunications&Networks,南京邮电大学计算机学院“计算机通信与网络”国家精品课程组,第4章 局域网与广域网,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,内容纲要,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,4.1 局域网概述,1、局域网的定义局域网是指将分散在一个局部地理范围(如一栋大楼等)的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络。,4.1 局域网概述,2、局域网的特点网络覆盖的区域相对较小，通常传输距离在0.1km25km。传输速率高，局域网的传输速率一般为1 Mbit/s 100Mbit/s。目前，10 Mbit/s，100 Mbit/s，1000 Mbit/s的以太网得到了广泛的应用，正在推出10 Gbit/s的以太网。误码率低，局域网的误码率一般在10-8 10-11范围内，传输质量高。局域网具有专用性质。局域网大多采用广播方式传输数据，一个站发出数据，其它所有站都能接收到。因此，局域网不需要考虑路由选择问题。,4.1 局域网概述,3、局域网的四个技术特性传输媒体，指用于连接网络设备的介质类型，常用的有双绞线、同轴电缆、光纤，以及微波、红外线和激光等无线传输媒体。传输技术，指借助传输媒体进行数据通信的技术，常用的有基带传输和宽带传输两种。网络拓扑，物理结构和形状 媒体访问控制方法，指多台计算机对传输媒体的访问控制方法,4.1 局域网概述,4、局域网的传输媒体局域网的传输媒体包括有线媒体和无线媒体两类。有线传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤。无线传输媒体有微波、红外线和激光等。,4.1 局域网概述,5、局域网的传输技术利用传输媒体进行数据传输的技术，可以分为基带传输和宽带传输两种。基带传输，即不经过调制，直接将数字信号波形加载到传输媒体上进行传输。数字信号通常采用经过曼彻斯特或差分曼彻斯特编码的信号。宽带传输，即将待传输的数字信号波形调制到合适的中心频率上，宽带传输可以支持信道的频分复用和信号的多路传输。局域网中通常采用基带传输技术。,4.1 局域网概述,6、局域网典型的拓扑结构星（Star）型局域网所有站点的通信都通过中心站点进行环（Ring）型控制简便，结构对称性好，传输速率高。如：IBM令牌环网总线（Bus）型采用广播式多路访问方法，结构简单，可靠性高，扩展性好。如：采用集线器(HUB)组网树（Tree）型分层结构，扩展性好，寻址方便,4.1 局域网概述,各种拓扑结构,匹配电阻,交换机,干线耦合器,总线网,星形网,树形网,环形网,交换机,交换机,交换机,4.1 局域网概述,7、局域网的媒体访问控制技术为了协调多个站点对共享的传输媒体资源的使用，即规定局域网中的站点什么时间能向网络中发送数据的问题。有三类媒体访问控制方法。基于信道划分的媒体访问控制 基于随机访问的媒体访问控制 基于轮询的媒体访问控制,8、IEEE 802 局域网标准,4.1 局域网概述,近年来出现的系列标准,802.3ac：虚拟局域网VLAN（1998）。802.3ab：1000Base-T物理层参数和规范（1999）。802.3ad：多重链接分段的聚合协议（2000）。802.3u：100Mbit/s快速以太网。802.1Q:虚拟桥接以太网(1998)。802.14：利用CATV宽带通信标准（1998）。802.15：无线个人网（WPAN:Wireless Personal Area Network）。802.16：宽带无线访问标准。,4.1 局域网概述,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.2 以太网技术,1、以太网概述 以太网是以CSMA/CD方式工作的一种总线式局域网IEEE 802委员会在局域网的数据链路层定义了两个子层，即逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层和媒体接入控制MAC(Medium Access control)子层,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据链路层,站点 2,LLC 子层看不见下面的局域网,4.2 以太网技术,1、以太网概述,4.2 以太网技术,Ethernet，1973年由Xerox公司的Metcalfe提出。1980年，DEC、Intel和Xerox联手推出DIX Ethernet 1.0标准，DIX Ethernet 2.0标准与IEEE 802.3 标准只有很小的区别(帧格式中两个字节的定义有区别)。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet 2.0 标准的局域网。,4.2 以太网技术,以太网工作原理 采用了第三章所介绍的载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的方法进行信道访问控制。,参 数 数 值,争用期时隙(Slot time)51.2 us 帧间隔(Inter Frame Gap)9.6 us 尝试次数(Attempt Limit)16 退避限制数(Back off Limit)10 阻塞信号(Jam Size)32 bits 最大帧长(Max Frame Size)1518 bytes 最小帧长(Min Frame Size)64 bytes 地址长度(Address Size)6 bytes,CSMA/CD方式的主要参数,以太网的系列标准（规范）,传统以太网标准10 Base-5 1983 10Mbps 500m AUI 粗缆以太网10 Base-2 1988 10Mbps 185m BNC细缆以太网10 Base-T 1990 10Mbps 100m RJ45双绞线以太网BASE 表示基带传输,4.2 以太网技术,4.3 以太网的MAC层,1、MAC地址2、MAC帧格式3、CSMA/CD的工作过程4、以太网的信道利用率,内容纲要,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,1、MAC地址,在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,4.3 以太网的MAC层,第 1,最高位最先发送,最低位,最高位,最低位最后发送,00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001,最低位最先发送,最高位,最低位,最高位最后发送,机构惟一标志符 OUI,扩展标志符,高位在前,低位在前,十六进制表示的 EUI-48 地址：AC-DE-48-00-00-80,二进制表示的 EUI-48 地址：,第 1 字节,第 6 字节,I/G 比特,I/G 比特,字节顺序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,第 1,字节顺序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000,802.5802.6,802.3802.4,802.5802.6,路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。,网卡上的硬件地址,路由器,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,4.3 以太网的MAC层,1、MAC地址,网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下，然后进行其他处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）,网卡检查 MAC 地址,4.3 以太网的MAC层,1、MAC地址,2、MAC帧格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2 标准IEEE 的 802.3 标准最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,两种不同的 MAC 帧格式,4.3 以太网的MAC层,MAC 帧,字节,6,6,2,4,IP 层,物理层,目的地址,源地址,长度/类型,FCS,MAC 层,前同步码,帧开始定界符,7 字节,1 字节,数 据,MAC 子层,IP 层,LLC 子层,这种 802.3+802.2 帧已经较少使用,43 1497,1,1,1,DSAP,SSAP,控制,以太网 V2 的格式,4.3 以太网的MAC层,2、MAC帧格式,以太网 V2 的格式,目的地址字段 6 字节，源地址字段 6 字节类型字段 2 字节：类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部=数据字段的最小长度（46字节）,4.3 以太网的MAC层,2、MAC帧格式,数据字段的长度461500字节。当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节帧校验序列FCS 4 字节：当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014,以太网 V2 的格式,4.3 以太网的MAC层,2、MAC帧格式,为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面信息就是MAC 帧。,以太网 V2 的格式,4.3 以太网的MAC层,2、MAC帧格式,3、CSMA/CD的工作过程,CSMA/CD方式的发送方工作过程：(1)当某个结点的LLC协议实体希望发送数据时，将LLC帧传给下层的MAC协议实体，MAC协议实体将LLC帧封装在用户数据字段，形成MAC帧。(2)MAC协议实体监听传输媒体，检查是否有信号正在传输。(3)如果媒体上有信号在传输，则转(2)继续监听，否则，发送数据，同时对媒体继续监听。(4)如果在发送数据过程中没有检测到冲突，则本次发送任务成功完成。否则，立即终止本次发送过程，并向媒体发送一个冲突加强的信号。以使其它结点都能感知到发生冲突，MAC协议实体计算发送失败的次数。(5)如果在发送失败次数小于等于某个阈值，根据失败次数执行二进制指数退避算法，计算得到某个退避时间值，等待该退避时间，转(2)准备重新发送。否则，停止发送尝试，通知上层LLC实体，报告可能出现网络故障。,4.3 以太网的MAC层,CSMA/CD方式的接收方工作过程：(1)局域网上的每个站点的MAC协议实体都监听传输媒体，如果有信号传输，则接收信息，得到MAC帧；其中，对于因冲突造成的长度不足最小有效帧长的残帧，MAC实体不予理会。(2)MAC实体分析帧中的目的地址，如果目的地址为本站点地址，就复制接收该帧。否则，简单丢弃该帧。特别地，对于具有组播地址和广播地址的数据帧，将会有多个站点复制和接收该帧。其中，CSMA/CD方式在发生冲突时采用二进制指数退避算法。,4.3 以太网的MAC层,3、CSMA/CD的工作过程,4、以太网的信道利用率,采用CSMA/CD作为媒体访问控制方法，无法避免冲突的发生。冲突必然造成本次发送过程失败，从而浪费网络总线信道资源，造成信道利用率的下降。从统计平均的角度看，CSMA/CD方式下信道利用率究竟可以达到多高呢？假设：争用期长度为2，帧长为Lbit，数据发送速率为Cbit/s，帧间间隔为，即发送成功后要经过时间使信道转为空闲才发送下一帧。假设检测到冲突后并不发送冲突加强信号。总线局域网上共有N个站，每个站发送帧的概率都是p。帧发送时延为T0=L/C(s)。争用期平均个数为Nc。,4.3 以太网的MAC层,一个帧从开始发送，然后经过若干次冲突检测和重传，到最后发送成功的整个过程中信道占用时间如图所示：,4.3 以太网的MAC层,4、以太网的信道利用率,以太网的信道利用率,发送一帧所需的平均时间为Tav，则(4-3)一帧的发送时延为T0，所以CSMA/CD方式下局域网平均信道利用率(也称为归一化吞吐量)为：(4-4)令PA为N个站中有一个站发送帧，而其它(N-1)个站均不发送帧，此时，没有冲突，发送数据成功。发送成功的概率为(4-5),以太网的信道利用率,在成功发送一帧之前，所经过的争用期个数是一个随机变量，其值为0到某阈值之间的随机整数，我们可以求出其数学期望值。争用期个数为i的概率为：P争用期个数为i=P前(i-1)次发送失败 且第i次发送成功=(1P A)i-1PA(4-6)为了简单起见，假定争用期个数没有限制。那么，可以计算出争用期个数的数学期望(平均个数)为(4-7)将式(4-7)代入式(4-4)，可得CSMA/CD方式下局域网平均信道利用率为：(4-8),以太网的信道利用率,其中，表示总线的端到端传播时延与帧的发送时延的比值。在总线式局域网中，端到端传播时延通常是确定的。如果帧长越长，帧的发送时延T0就越大，a值就越小，由式(5-8)，局域网的平均信道利用率就越大。假设总线长度为1km，信号传播速率为2108m/s，数据传输速率为5Mb/s。对于各种不同的帧长情况，如128，256，512和1024bit，可以计算得到，局域网的最大平均信道利用率max随站点个数N变化的趋势如图所示。,以太网的信道利用率,以太网的连接方法,4.4 以太网的连接方法,网络接口卡（网卡）AUI（Attachment Unit Interface）接入单元接口收发器(Transceiver)实现信号驱动、接收，连接电缆最长50米。最多4个中继器，实现信号中继放大。粗同轴电缆，直径1.016cm，单段电缆最大长度500米。终接器：50欧电阻，其中一端接地。,4.4 以太网的连接方法,10BASE-5,网络接口卡（网卡）BNC接口，网卡上自带驱动器。最多4个中继器，实现信号中继放大。细同轴电缆，直径0.508cm，单段电缆最大长度 185 米。站点接入网络时，通过T型头连接。终接器50欧电阻，其中一端接地。,4.4 以太网的连接方法,10BASE-2,10Base2以太网和BNC接口,10Base2以太网,10Base-T双绞线，UTP(Unshielded Twisted Paired)3类（2对），5类（4对）集线器HUB，8口，12口，24口等接口：RJ-45，也有BNC或光纤接口，站点和集线器距离应小于100m,4.4 以太网的连接方法,RJ45 接口和双绞线,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,在许多情况下，一个单位可能拥有多个局域网。因而需要实现局域网之间的通信。本节要讨论的时在物理层或者数据链路层将局域网进行扩展。这种扩展的局域网在网络层看来仍然是一个网络。,4.5 局域网的扩展,1、在物理层扩展局域网,用多个集线器可连成更大的局域网,集线器,集线器,一系,二系,集线器,三系,三个独立的碰撞域,4.5 局域网的扩展,1、在物理层扩展局域网,用多个集线器可连成更大的局域网,一系,二系,三系,集线器,集线器,集线器,集线器,主干集线器,4.5 局域网的扩展,优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,用集线器扩展局域网,4.5 局域网的扩展,1、在物理层扩展局域网,2、在数据链路层扩展局域网,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口。,网桥,4.5 局域网的扩展,站表,端口管理 软件,网桥协议 实体,端口 1,端口 2,缓存,网段 B,网段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,端口,网桥,网桥,网桥的内部结构,4.5 局域网的扩展,过滤通信量。扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。,网桥带来的好处,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,存储转发增加了时延。在MAC 子层并没有流量控制功能。具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,网桥的缺点,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,用户层,IP,MAC,站 1,用户层,IP,MAC,站 2,物理层,网桥 1,网桥 2,A,B,用户数据,IP-H,MAC-H,MAC-T,DL-H,DL-T,物理层,DL,R,MAC,物理层,物理层,DL,R,物理层,物理层,LAN,LAN,两个网桥之间还可使用一段点到点链路,4.5 局域网的扩展,集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。,网桥和集线器（或转发器）不同,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。,透明网桥,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,(1)从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢 弃），在转发表中查找目的站 MAC 地址。(2)如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行(3)，否则转到(5)。(3)如到这个 MAC 地址去的端口 d=x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。(4)转到(6)。,透明网桥处理帧的算法,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,透明网桥处理帧的算法,(5)向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样 做可保证找到目的站）。(6)如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址 加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口 号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转 发表中，则执行(7)。(7)更新计时器。(8)等待新的数据帧。转到(1)。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,网桥在转发表中登记以下三个信息,站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,透明网桥转发表根据的原理,转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。原理：如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,4、扩展的局域网在数据链路层扩展局域网,透明网桥引起的兜圈子,局域网 2,局域网 1,网桥 2,网桥 1,A,F,不停地兜圈子,A 发出的帧,网络资源白白消耗了,4.5 局域网的扩展,透明网桥支撑树算法,这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。透明网桥支撑树算法：互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集，在这个子集里整个连通的网络中不存在回路。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,多端口网桥以太网交换机,交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,以太网交换机的特点,以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,以太网交换机独占传输媒体的带宽,对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是 10 Mb/s，由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对端口的交换机总容量为 2N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,以太网交换机三种转发方式,存储转发方式直通方式（Cut-Through）无碎片直通方式（Fragment-free Cut-Through）,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,以太网交换机三种转发方式,存储转发方式：交换机先将MAC帧全部读入到内部缓冲区，进行帧校验，一旦有错，就立即通知源站点重发。利用存储转发机制，网管员可以定义过滤算法来控制交换机的通信量，实现速率不同两个端口间信息处理。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,以太网交换机三种转发方式,存储转发方式：交换机的传输延迟大（随帧的长度而变化），缓存是有限的，当负荷增大时，会引起阻塞现象。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,以太网交换机三种转发方式,直通方式（Cut-Through）交换机收到MAC帧时，不待收完整，就按帧头的DA来判别起转发端口。起转发速度快，延迟一致性好（与帧长短无关）。由于采用直通方式（Cut-Through），在转发时不进行差错校验，当某些帧已有错仍然加以转发，做无用功；且不适宜速率不同的两个端口间转发，100Mbit/s网段的信息直通转发到10Mbit/s网段，必产生阻塞。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,以太网交换机三种转发方式,无碎片直通方式(Fragment-free Cut-Through)以太网最小帧的长度为64字节（含帧头、尾），无碎片直通方式针对这一特征，设置一个64字节的FIFO缓冲，相对可减少出错帧的转发率（凡小于64字节的帧均不转发）。无碎片直通方式较之直通方式提供了较好的差错检验，而几乎没有增加延迟。不分段交换方式会检查到帧的数据域。,4.5 局域网的扩展,2、在数据链路层扩展局域网,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.6 高速局域网,常见的高速以太网100BASE-T以太网千兆以太网10Gbit/s以太网,1、100BASET以太网,1995年,IEEE 通过 100Base-T 标准，称为Fast Ethernet。在交换式快速以太网中，提供给每个端口的带宽为 100Mbit/s。100Base-T标准定义了三种OSI物理层规范 100Base-TX，使用 2 对 5类UTP电缆；100Base-T4，使用 对3类、4类或5类UTP电缆；100Base-FX，使用光缆。,4.6 高速局域网,特点性价比高，传输速率 100Mbit/s完全兼容10Base-T 标准(CSMA/CD)，星型拓扑结构支持MII（介质独立接口），支持全双工通信集线器或交换机之间的网线最大长5m。两个DTE之间的最大距离为205m。,4.6 高速局域网,1、100BASET以太网,2、千兆以太网,1996年，Gigabit Ethernet问世，1999年IEEE推出1000Base-X标准,即IEEE 802.3z标准：IEEE 802.3z、IEEE 802.3abIEEE 802.3z定义：1000Base-LX,1000Base-SX,1000Base-CXIEEE 802.3ab定义：1000Base-T,4.6 高速局域网,3、万兆以太网,IEEE 802.3ae主要特点保持了以太网的帧格式10G以太网只采用光纤作传输介质，若采用单模光纤和增强型收发器，传输距离40km,若使用多模，距离为300m只支持全双工方式，不存在争用问题(冲突),4.6 高速局域网,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速局域网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.7 虚拟局域网,1、虚拟局域网的概念虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。,4.7 虚拟局域网,VLAN允许一组不限物理位置的用户群共享一个独立的广播域，可在一个物理网络中划分多个VLAN，可使得不同的用户群属于不同的广播域。通过划分用户群，控制广播范围等方式，VLAN技术能够从根本上解决网络效率与安全性等问题。VLAN对广播域的划分是通过交换机软件完成的。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,B1 发送数据时，工作站 A1,A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。,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。VLAN中使用的以太网帧格式,4.7 虚拟局域网,2、虚拟局域网使用的帧格式,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速局域网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.8 无线局域网(WLAN),无线局域网标准IEEE 802.11 2Mbit/sIEEE 802.11b 11Mbit/sIEEE 802.11a 54Mbit/s IEEE 802.11g,无线局域网的组成,有固定基础设施的无线局域网,基本服务集 BSS,扩展的服务集 ESS,基本服务集 BSS,A,B,漫游,接入点 AP,接入点 AP,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x局域网,因特网,无线局域网的组成,一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS(Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。,无线局域网的组成,基本服务集中的基站叫做接入点 AP(Access Point)，其作用和网桥相似。ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。,无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network),自组网络,A,E,D,C,B,F,源结点,目的结点,转发结点,转发结点,转发结点,自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。,移动自组网络的应用前景,在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的。,移动自组网络和移动 IP,移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。,802.11 标准中的物理层,1997 年 IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分，802.11。在1999年又制订了剩下的两部分，802.11a 和 802.11b。802.11 的物理层有以下三种实现方法：跳频扩频 FHSS直接序列扩频 DSSS红外线 IR,4.8 无线局域网,802.11 标准中的物理层,802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带，采用正交频分复用 OFDM，它也叫做多载波调制技术（载波数可多达 52 个）。可以使用的数据率为 6,9,12,18,24,36,48 和 56 Mb/s。802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术，数据率为 5.5 或 11 Mb/s。,4.8 无线局域网,802.11 标准中的 MAC 层,无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。主要有两个原因。CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。,4.8 无线局域网,无线局域网的特殊问题,A,B,C,D,当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。,这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem),B 的作用范围,无线局域网的特殊问题,C 的作用范围,A,D,C,B,B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。,其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem),CSMA/CA 协议,无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制。下面先介绍 802.11 的 MAC 层。,802.11 的 MAC 层,MAC 层,无争用服务,争用服务,分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA),点协调功能 PCF(Point Coordination Function),物理层,802.11b,802.11a,IEEE 802.11,MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。,帧间间隔 IFS,所有的站在发送完后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间通称帧间间隔 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媒体，则媒体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。,CSMA/CA 协议的原理,欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS（发布协调功能帧间间隔）后就可发送。,二进制指数退避算法,在信道从忙态转为空闲时，各站要进入争用窗口，执行退避算法。第 i 次退避就在 22+i 个时隙中随机地选择一个。第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2 个）中随机选择一个。第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4 个）中随机选择一个。,使用退避算法,仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在每一次的重传后。在每一次的成功发送后。,2.对信道进行预约,802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。,A,C,B,D,E,源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS(Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。,2.对信道进行预约,802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。,CTS,A,C,B,D,E,CTS,若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS(Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。,A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。,局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速局域网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.9 广域网,广域网概述广域网中的分组交换X.25分组交换网帧中继网异步传递方式ATM,1、广域网概述,广域网的构成当主机之间的距离较远时，例如，相隔几十或几百公里，甚至几千公里，局域网显然就无法完成主机之间的通信任务。这时就需要另一种结构的网络，即广域网。广域网的特点网络范围大，距离远；网络用户数量多，网络拓扑结构复杂。,4.9 广域网,由局域网和广域网组成互联网,广域网,相距较远的局域网通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网,广域网和互联网,广域网是单个的网络，它使用结点交换机连接各主机而不是用路由器连接各网络。结点交换机在单个网络中转发分组，而路由器在多个网络构成的互联网中转发分组。连接在一个广域网（或一个局域网）上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其网络的物理地址即可。即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在互联网中，不同网络的“互连”才是其最主要的特征。,数据报和虚电路,根据网络接口