计算机网络教学.ppt

第三章 局域网,第三章 局域网,3.1 局域网概述3.2 以太网3.3 以太网的MAC层3.4 局域网的扩展3.5 高速以太网3.6 无线局域网3.7 本章作业,3.1 局域网概述,局域网产生的原因 80年代，微型机发展迅速，小区域内的计算机需要共享资源、相互通信。局域网的基本特点高数据传输率（10 1000 Mbps）短距离（0.1 10 km）低出错率（10-8 10-11）决定局域网性能的三要素网络拓扑传输介质介质访问控制方法,3.1 局域网概述,总线形拓扑构型所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；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；,匹配电阻,总线网,3.1 局域网概述,总线形拓扑构型因此出现“冲突（collision）”是不可避免的，“冲突”会造成传输失败；必须解决多个结点访问总线的介质访问控制问题。,匹配电阻,冲突,3.1 局域网概述,星形拓扑构型交换局域网(switched LAN)的物理结构。,中央结点,星形网,3.1 局域网概述,环形拓扑构型结点使用点点线路连接，多个结点共享一条闭合的环通路；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；环建立、维护、结点的插入与撤出。,干线耦合器,环形网,3.1 局域网概述,共享信道的访问控制1.静态分配频分多路复用FDM（波分复用WDM）原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；时分多路复用TDM原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；静态分配的问题延时时间长；信道利用率低,3.1 局域网概述,共享信道的访问控制2.动态分配（多点访问multiple access）随机访问：网上各站都可以根据自己的意愿随机地访问信道，两个或两个以上站点同时发送信息会产生冲突。典型网络：以太网受控访问：每一时刻网上只有一个站点发送信息；集中式控制（多点轮询polling），分散式控制。,3.1 局域网概述,局域网的IEEE 802系列标准IEEE 802协议:IEEE 802系列标准定义了若干种局域网LAN，包括对物理层、介质访问控制(MAC)子层的定义和描述。组成：802.1 基本介绍和接口原语定义802.2 逻辑链路控制（LLC）子层802.3 采用CSMA/CD技术的局域网802.4 采用令牌总线（Token Bus）技术的局域网802.5 采用令牌环（Token Ring）技术的局域网,3.1 局域网概述,802标准在网络体系结构中的位置,802.2 逻辑链路控制子层LLC,802.1 接口原语定义,802.3MAC层802.3物理层,802.4MAC层802.4物理层,802.5MAC层802.5物理层,802.6MAC层802.6物理层,802.9MAC层802.9物理层,802.11MAC层802.11物理层,802.12MAC层802.12物理层,802.1 管理,802 局域网概述与体系结构,802.10 安全,CSMA/CD以太局域网,Token Bus令牌总线局域网,Token Ring令牌环局域网,分布队列双总线城域网,综合语音/数据局域网,无线局域网,交换式局域网,数据链路层,物理层,3.1 局域网概述,分成两个子层的原因管理多点访问信道的逻辑不同于传统的数据链路控制：局域网具有共享传输介质的特点；必须解决发生冲突的问题；由MAC子层提供多种介质访问控制方法的实现。对于同一个LLC，可以提供多个MAC选择。LLC隐藏了不同802MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口；LLC子层提供确认机制和流量控制；总之：让MAC子层与介质密切相关；让LLC子层与所有介质访问方法无关；,3.1 局域网概述,局域网参考模型LLC子层主要功能：建立和释放数据链路层的逻辑连接；提供与高层的接口；差错控制；给帧加序号。MAC子层主要功能：成帧与拆帧；比特差错检测；寻址；竞争处理。物理层主要功能：信号的编码与译码；比特的传输与接收。,3.1 局域网概述,逻辑链路控制子层LLCLLC提供三种服务无确认的数据报服务有确认的数据报服务可靠的面向连接服务LLC帧结构：基于HDLC有效地址为27=128个（最低位有特殊含义）目的地址最低位：0单个地址；1组地址组地址表示数据要发往某一特定站的一组服务访问点；源地址最低位：0命令帧；1应答帧,3.1 局域网概述,介质访问控制子层MAC主要任务：成帧与拆帧；比特差错检测；寻址；竞争处理。一般由硬件网卡完成。,3.1 局域网概述,服务访问点SAP与地址MAC地址：某主机的物理地址；SAP地址：某进程在主机中的地址；,3.2 以太网,以太网的产生与发展1975，美国施乐(Xerox)公司研制出2.94Mbps的共享信道以太网（Ethernet）。Bob Metcalfe（哈佛大学博士毕业）和David Boggs发明了以太网，连接了1英里内的256台计算机。1979年，Metcalfe创建了3Com公司。1980，DEC、Intel和Xerox共同制定了10Mbps的以太网标准，DIX V1。1982，修改为DIX Ethernet V2，该标准成为IEEE802.3的基础。1995，产生了100Mbps的快速以太网标准。1998，产生了1000Mbps的吉比特以太网标准。,3.2 以太网,IEEE 802.3 以太网标准,3.2 以太网,以太网的信道共享技术多用户共享单一信道，并由此产生冲突，这样的系统称为竞争系统；关键问题：如何解决对信道争用。随机访问技术的发展：ALOHA CSMA（增加载波监听）CSMA/CD（增加冲突检测）,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,B,3.2 以太网,以太网的广播方式发送总线上每一台工作的计算机都检测到B发送的数据信号。计算机D的地址与数据帧首部的目的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。其它所有的计算机（A，C和E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,B向 D发送数据,C,D,A,E,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受B 发送的数据,3.2 以太网,以太网简化通信的两种措施采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,3.2 以太网,以太网提供的服务以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,3.2 以太网,随机访问技术：ALOHA协议定义：控制多个用户共用一条信道的协议。由来：70年代，Norman Abramson设计了ALOHA协议。目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；分类：纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议。,3.2 以太网,纯ALOHA协议最原始的ALOHA。用于地面分组无线电系统。基本思想：每个站可随时发送数据帧，然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机的时间重发，直到重传成功为止。,3.2 以太网,纯ALOHA协议帧发送成功的条件：设发送一帧所需时间为T（帧时），且帧长固定。必须在该帧发送前后各一段时间T内（一共有2T的时间间隔）没有其它帧发送。,3.2 以太网,纯ALOHA协议信道效率：帧时：发送一个标准长度的帧所需的时间吞吐率S：在帧时T内成功发送的平均帧数。若S=0，意味着信道上无成功数据帧传送；若S=1，意味着数据帧一个接一个传送，帧间无空隙。若S 1，意味着每个帧都冲突 所以吞吐率应为 0S,3.2 以太网,纯ALOHA协议信道效率：设在任一帧时内生成K帧（包括新帧和重发帧）的概率服从泊松分布，则：生成0帧的概率为 两个帧时内产生的平均帧数为2G 即：，由于S=GP0，所以S=Ge-2G,3.2 以太网,纯ALOHA协议信道效率：对于S=Ge-2G，得S=e-2G+Ge-2G(-2)，并令其为0 e-2G-2Ge-2G=0，推得2G=1 当G=0.5时，S有最大值，S=1/(2e)，S0.184 在纯ALOHA中，其吞吐率最大为0.184,3.2 以太网,时隙ALOHA协议72年Robert提出基本思想：把信道时间划分成离散的时间隙，隙长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时隙开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。,3.2 以太网,时隙ALOHA协议在一个时隙内只产生一个新帧，新帧不允许立即发送，将在下一个时隙的开始处t0+t 时发送，不会发生冲突在一个时隙内产生一个以上新帧，在前一个时隙结束t0+t 时发送，两个以上的帧同时发送，将发生冲突,3.2 以太网,时隙ALOHA协议信道效率：冲突危险区是纯ALOHA的一半。与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8%。,3.2 以太网,以太网：CSMA和CSMA/CD载波监听多路访问协议（Carrier Sense Multiple Access Protocols，CSMA）基于ALOHA协议。主要区别：增加载波监听（发送前监听）。站点在准备发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。主要类型：非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA）p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）,3.2 以太网,1-坚持型CSMA原理：在监听到信道忙时，仍坚持监听下去，一直到信道空闲为止（信道空闲则以概率1发送数据）优点：减少了信道空闲时间缺点：增加了发生冲突的概率,3.2 以太网,1-坚持型CSMA严重缺陷：传播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差。,3.2 以太网,非坚持型CSMA原理：“非坚持”，一旦监听到信道忙，就不再坚持听下去，而是延迟一段随机时间后重新再监听。优点：减少了冲突的概率；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；,3.2 以太网,p-坚持型CSMA（适用于分隙信道）原理：若信道空闲，以概率p发送，以概率(1p)延迟下一个时隙发送；若信道忙，等待下一个时隙重新开始发送；若冲突，等待一随机时间再发送。可根据信道上通信量的多少设定不同的p值，因而可以提高信道利用率,3.2 以太网,几种多路访问协议性能比较,3.2 以太网,CSMA/CD（冲突检测）为什么引入冲突检测:当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD。原理：站点使用CSMA协议进行数据发送；发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；发出干扰信号后，随机等待一段时间，再重复上述过程。,3.2 以太网,CSMA/CD（冲突检测）“冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了冲突。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压幅值将会增大（互相叠加）。在发生冲突时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了冲突，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,3.2 以太网,CSMA/CD（冲突检测）信号传播延时对冲突检测的影响：当某个站监听到总线空闲，总线并非真是空闲的。A向B发信息，由于存在传播时延，A发出的信息要经过一段的时间才能传送到B。B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。,1 km,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,3.2 以太网,CSMA/CD（冲突检测）信号传播延时对冲突检测的影响：,t=B 检测到信道空闲发送数据,t=/2发生碰撞,A,B,A,B,t=0 A 检测到信道空闲发送数据,A,B,A,B,3.2 以太网,CSMA/CD流程图,3.2 以太网,CSMA/CD特性使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信，只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇冲突的可能性。发送的不确定性，整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,3.2 以太网,CSMA/CD的争用期最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2（端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延2 称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,3.2 以太网,CSMA/CD的争用期长度与最短有效帧长度以太网取 51.2 s为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,3.2 以太网,CSMA/CD的争用期长度与最短有效帧长度采用CSMA/CD的局域网中，由于争用期长度的限制，传输速率R、网络跨距S、最短有效帧长度Fmin三者之间必须满足一定的关系：FminkSR k:系数可以看出：Fmin不变时，传输速率R越高，网络跨距S就越小；传输率R固定时，网络跨距S越大，Fmin就应该越大；网络跨距S固定时，传输率R越高，Fmin就应该越大。,3.2 以太网,CSMA/CD的二进制指数退避算法发生冲突的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2 定义重传次数 k，k 10从整数集合0,1,(2k-1)中随机选取一个数，记为r。重传时间间隔为 r 倍的基本退避时间当重传16次仍不能成功时放弃发送，并向高层报告,3.2 以太网,CSMA/CD的二进制指数退避算法在一个时隙的起始处，两个CSMA/CD站点同时发送一个帧。求前4次竞争都冲突的概率?第一次竞争冲突的概率为1；第一次冲突后，A、B都将在等待0个或1个时隙之间选择，选择的组合有4种，其中00和11将再次冲突，所以第二次竞争时，冲突的概率为0.5第二次冲突后：A、B都将在0、1、2、3之间选择，选择的组合有16种，其中00、11、22、33将再次冲突，所以第三次竞争时，冲突的概率为0.25,3.2 以太网,CSMA/CD的二进制指数退避算法在一个时隙的起始处，两个CSMA/CD站点同时发送一个帧。求前4次竞争都冲突的概率?第三次冲突后：A、B都将在0、1、2、3、4、5、6、7之间选择，选择的组合共有64种，其中00、11、77将再次冲突，所以第四次竞争时，冲突的概率为0.125前四次竞争都冲突的概率为：1 x 0.5 x 0.25 x 0.125=0.015625,3.2 以太网,CSMA/CD的强化碰撞（人为干扰）,A,B,t,3.2 以太网,以太网信道效率一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。-端到端传播时延=电缆长度/信号传播速率=L/CT0-帧的发送时间=帧长/带宽=F(bit)/B(b/s),3.2 以太网,以太网信道效率平均竞争时隙数为e，因此平均竞争时间为2e要提高信道效率，帧长F不能太短，电缆长度L不能太长，带宽不能太大,3.2 以太网,以太网连接方式：以太网可使用的传输媒体有四种：粗缆细缆双绞线光缆相应地，以太网有四种不同的物理层：,3.2 以太网,粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器：发送/接收，冲突检测，电气隔离总线型拓扑,3.2 以太网,细缆以太网（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,3.2 以太网,双绞线以太网（10BaseT）双绞线（UTP），两头压接RJ45连接器；所有站点都与HUB（集线器）相连接；HUB的作用：信号放大与整形星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。轻便、安装密度高、便于维护,NIC,HUB,3.2 以太网,双绞线以太网（10BaseT）双绞线的连接标准：在以太网标准中，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,1 2 3 4 5 6 7 8,3.2 以太网,双绞线以太网（10BaseT）两个HUB或微机连接时，要使用交叉连接方法。,3.3 以太网的MAC层,MAC层的硬件地址在局域网中，硬件地址又称物理地址，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。大家习惯于将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”。,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 10000000,802.5802.6,802.3802.4,3.3 以太网的MAC层,网卡上的硬件地址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。,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-F6,3.3 以太网的MAC层,网卡检查 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，然后再进行其他的处理。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）,3.3 以太网的MAC层,两种不同的 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。,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,10101010101010 10101010101010101011,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,3.3 以太网的MAC层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,目的地址字段 6 字节,3.3 以太网的MAC层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,源地址字段 6 字节,3.3 以太网的MAC层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,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。,3.3 以太网的MAC层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,数据字段 46 1500 字节,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,3.3 以太网的MAC层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,FCS 字段 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。,3.3 以太网的MAC层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,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,3.3 以太网的MAC层,无效的 MAC 帧数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。,3.3 以太网的MAC层,帧间最小间隔帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站有足够的时间清理接收缓存，做好接收下一帧的准备。,3.4 局域网的扩展,物理层上扩展：集线器（HUB）原理：多端口转发器，信号放大整形，一端口收到信号广播到所有其它端口特点：使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网碰撞域增大了，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，不能用集线器将它们互连起来,3.4 局域网的扩展,数据链路层上扩展：网桥（Bridge）工作在数据链路层的一种网络互连设备；原理：网桥收到一个帧，并不是向所有的端口转发，而是检查此帧的目的 MAC 地址，再确定将该帧转发到哪个端口。,3.4 局域网的扩展,数据链路层上扩展：网桥（Bridge）,3.4 局域网的扩展,数据链路层上扩展：网桥（Bridge）优点：过滤通信量。扩大物理范围。提高可靠性。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）的局域网缺点：存储转发增加了时延。在MAC 子层没有流量控制功能。,3.4 局域网的扩展,透明网桥：把网桥与相关的网络在物理上连接后，不需要做任何配置，即可实现网络互联的数据链路层设备“透明”局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，站点“看不到”网桥。,3.4 局域网的扩展,透明网桥工作原理：网桥刚启动时，地址/端口对应表（站表）为空，采用洪泛方法转发帧；（向其它的LAN网段转发）在转发过程中采用逆向学习算法收集MAC地址。网桥通过分析数据帧的源MAC地址得到MAC地址与端口的对应关系，并登记到站表中。网桥对站表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项。,3.4 局域网的扩展,多个网桥产生回路的问题：多个网桥（并行网桥）可能产生回路。,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,3.4 局域网的扩展,解决多个网桥产生回路问题的方法：生成树（也叫支撑树）：思想：让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生成树（Spanning Tree）覆盖实际的拓扑结构。构造生成树：每个桥广播自己的编号，最小的桥称为生成树的根；每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个LAN和桥到根的路径最短；当某个LAN或网桥发生故障时，要重新计算生成树；生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树。,3.4 局域网的扩展,解决多个网桥产生回路问题的方法：生成树：,LAN拓扑,生成树,3.4 局域网的扩展,源路由网桥：由发送帧的源站提供路由信息，网桥中不需存储和维护路由信息。原理：发送帧的源站将路由信息放在信息帧的首部，然后发送该帧，网桥读取源LAN上的信息帧，并依信息帧的路由信息来决定如何发送该帧。源站需存储和维护路由信息。源站的路由信息获得：采用动态路由搜寻过程，即源站向其它工作站广播一个路由查找帧，根据各个目标工作站的回应信息，建立路由信息表。,3.4 局域网的扩展,源路由的产生：每个站点通过广播“查找帧”来获得到达各个站点的最佳路由。若目的地址未知，源站发送“查找帧”，每个网桥收到后广播，目的站收到后发应答帧，该帧经过网桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知道了到目的站的最佳路由。优点：对带宽进行最优的使用。缺点：源路由网桥对主机是不透明的，主机必须知道网桥的标识以及连接到哪一个网段上。,3.4 局域网的扩展,透明网桥：对主机是透明的采用自动配置方式透明网桥使用支撑树，它一般不是最佳路由源路由网桥：对主机是不透明的采用手工配置方式可以利用最佳路由,3.4 局域网的扩展,多端口网桥以太网交换机：1990 年问世的交换式集线器(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。以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，以太网交换机工作在数据链路层。,3.4 局域网的扩展,交换式以太网图例,3.4 局域网的扩展,以太网交换机的特点：交换式局域网通常以百兆以太网交换机或千兆以太网交换机作为局域网的核心设备，交换机的每个端口都可用于连接一个网络、一个子网或一台主机每个端口连接的网段形成一个冲突域。端口之间帧的传输不受CSMA/CD的限制多个网段（网络或子网）组成的交换式局域网由局域网中的交换机负责各网段间的数据传输交换机上不同类型的端口支持不同类型的传输介质，不同类型的端口其最大传输距离也不尽相同,3.4 局域网的扩展,以太网交换机的特点：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，但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 对端口的交换机的总容量为 N*10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。,3.4 局域网的扩展,用以太网交换机扩展局域网：,3.4 局域网的扩展,不同的协议层有不同的网络互联设备：,3.5 高速以太网,100BASE-T 以太网：速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。拓扑结构为星型100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。,3.5 高速以太网,100BASE-T 以太网的特点：使用交换式集线器可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。帧间时间间隔从原来的 9.6 s改为现在的 0.96 s。,3.5 高速以太网,吉比特以太网：允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。,3.5 高速以太网,吉比特以太网之载波延伸：吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能确保信道利用率。吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。,3.5 高速以太网,吉比特以太网之载波延伸：凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节。接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。,目地地址,源地址,数据长度,数 据,FCS,MAC 帧的最小值=64 字节,载波延伸,前同步码,加上载波延伸使 MAC 帧长度=争用期长度512 字节,在以太网上实际传输的帧长,3.5 高速以太网,吉比特以太网之分组突发：当很多短帧要发送时，为提高网络性能，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。,发送的数据,分组#1 RRRRRRRR 分组#2 RRRR 分组#3 RRR 分组#4,争用期 512 字节,将突发计时器设定为 1500 字节,载波延伸,载波监听,3.5 高速以太网,10 吉比特以太网：10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,3.5 高速以太网,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网具有以下突出的特点：可扩展性（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。灵活性（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。易于安装。稳健性好。,3.6 无线局域网,有固定基础设施无线局域网：,课件制作人：谢希仁,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,3.6 无线局域网,课件制作人：谢希仁,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,一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有站在本 BSS 以内都可直接通信，和本 BSS 以外的站通信要通过本 BSS 的基站。,有固定基础设施无线局域网：,3.6 无线局域网,课件制作人：谢希仁,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,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。,有固定基础设施无线局域网：,3.6 无线局域网,课件制作人：谢希仁,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,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，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS,有固定基础设施无线局域网：,3.6 无线局域网,课件制作人：谢希仁,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,ESS 还可通过门桥(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。,有固定基础设施无线局域网：,3.6 无线局域网,课件制作人：谢希仁,基本服务集 BSS,扩展的服务集 ESS,基本服务集 BSS,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,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,有固定基础设施无线局域网：,3.6 无线局域网,无固定基础设施无线局域网自组网络(ad hoc)：自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP，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。,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,3.6 无线局域网,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。,3.6 无线局域网,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式：跳频扩频 FHSS直接序列扩频 DSSS红外线 IR,3.6 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。,3.6 无线局域网,802.11 标准中的 MAC 层：,3.6 无线局域网,802.11 标准中的 MAC 层CSMA/CA 协议：无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因：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，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使能够实现碰撞检测的功能，并且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。,3.6 无线局域网,802.11 标准中的 MAC 层CSMA/CA 协议：无线局域网的隐蔽站点问题：,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。,3.6 无线局域网,802.11 标准中的 MAC 层CSMA/CA 协议：无线局域网的暴露站点问题：,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。,3.6 无线局域网,802.11 标准中的 MAC 层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。,3.6 无线局域网,802.11 标准中的 MAC 层CSMA/CA 协议：CSMA/CA 协议的原理：欲发送数据的站先检测信道。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。当源站检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS后就可发送它的第一个 MAC 帧。WHY 这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有，就要让高优先级帧先发送。,3.6 无线局域网,802.11 标准中的 MAC 层CSMA/CA 协议：CSMA/CA 协议的原理：如果没有高优先级的帧要发送，则源站发送了