计算机网络与通信第5章.ppt

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1、第5章 局域网,第5章 局域网,5.1 IEEE802局域网体系结构5.2 以太网工作原理5.3 传统以太网5.4 高速以太网5.5 交换式以太网5.6 虚拟局域网5.7 无限局域网5.8 非主流局域网,5.1 IEEE802局域网体系结构,5.1.1 IEEE802局域网参考模型,IEEE802 LAN/RM分为两层：数据链路层；物理层。它们分别与OSI的数据链路层和物理层相对应。IEEE802 LAN/RM的数据链路层又分成两个子层：逻辑链路控制(Logical Link Control,LLC)子层；与媒体接入无关 差错控制、流量控制-提供面向连接或非连接的服务媒体接入控制(Medium

2、 Access Control,MAC)子层。成帧、寻址、实现MAC管理和差错检查-不可靠 核心：媒体接入，如果解决共享信道问题。,(五大功能：帧控制、透明传输、链路管理),5.1.1 IEEE802局域网参考模型,IEEE802标准,IEEE802.1 综述、体系结构、寻址、网际互联和网络管理IEEE802.2 逻辑链路控制IEEE802.3 CSMA/CD接入方法和物理层技术标准IEEE802.4 令牌总线IEEE802.5 令牌环网IEEE802.6 城域网IEEE802.7 宽带技术IEEE802.8 光纤技术IEEE802.9 综合话音数据局域网IEEE802.10 安全IEEE80

3、2.11 无线局域网IEEE802.14 电缆电视IEEE802.15 蓝牙，个人 IEEE802.16宽带无线IEEE802.17 弹性分组环,5.1.2 媒体接入控制子层,LAN拓扑和信道特点LAN主要采用总线1(Bus，平等、双向、广播)、环形3(Ring，闭合环路、)及星形2(Star，逻辑，总线)拓扑(Topology)。LAN的一个显著特点是网上的所有计算机使用一条共享信道进行广播式通信。如果多个结点同时争用信道，就会产生发送冲突(Collision)，必须解决如何进行信道争用问题。即媒体接入控制问题。(在MAC层，其他流量控制等在LLC)LAN媒体接入控制方式受控接入：分为集中式

4、控制（门禁、工业总线）和分散式控制（令牌网）两种；随机接入(以太网)。不同的网络各具特色的媒体接入控制方式具体网络中讲,5.1.2 媒体接入控制子层,MAC地址（本地址-目的地址）目的地址有三种类型：单播地址(Unicast Address)。（一对一通信）多播地址(Multicast Address)。（一对多通信）广播地址(Broadcast Address)。（全1地址，所有节点）IEEE的注册管理机构统一管理分配6个字节全球地址。前3个字节是组织唯一标识符(Organizationally Unique Identifier,OUI);后3个字节称为扩展标识符(Extended Ide

5、ntifier)，由生产厂家指派。通用名称EUI-48，EUI(Extended Unique Identifier)。I/G(Individual/Group)比特，即单地址/组地址比特。G/L(Globe/Local)比特，即全球/本地比特。,5.1.2 媒体接入控制子层,以太网地址在网上的传送顺序,令牌环网的传输顺序也是先高后低，每个字节内是先高位后低位。MAC-48的6个字节的其他46个比特用来表示一个特定的MAC地址，246个地址很多，每个网卡坏了，地址就不用了。,5.1.3 逻辑链路控制子层,LLC寻址（每个站中都有多个进程，要求多个服务访问点）LLC子层地址:SAP地址，LLC服

6、务访问点，标识网络层的通信进程。（IP:0X06,IPX:0XE0）访问顺序：MAC找到一个站点，LLC找到网络层的一个进程LLC层提供的服务类型1LLC1，不确认的无连接服务;单播，多播类型2LLC2，可靠的面向连接的服务;单播类型3LLC3，带确认的无连接服务.重要的实时性LLC帧格式,单地址、组地址,命令、响应,7比特服务访问点,信息、监督、无编号,5.2 以太网工作原理,5.2.1 以太网技术的发展,1975年Robert Metcalfe和David Boggs研制成功了以太网。1980年DIX1.0版以太网规范。1982年DIX以2.0版作为终结，称为DIX以太网。1983年底10

7、Base5标准面世，IEEE802.3的第一个以太网标准。,Robert Metcalfe最初的以太网设计,5.2.1 以太网技术的发展,以太网传输速率增长（b/s）,5.2.1 以太网技术的发展,IEEE802.3以太网标准,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,带冲突检测的载波侦听多点接入(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,CSMA/CD)。随机接入技术的先驱ALOHA（随机发、收检测、不确认、发后监听，没收到确认重传-随机等待后重发）ALOHA的改进CSMA增加了发前监听的机制，减少了发送冲突。CSM

8、A有三种监听策略：非坚持CSMA。1坚持CSMA。P坚持CSMA。CSMA的改进CSMA/CD传播时延仍会引起发送冲突。,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,CSMA/CD工作流程CSMA/CD在CSMA的基础上增加了冲突检测的功能。帧间隙时间(Inter Frame Gap,IFG)。,以太网1坚持 CSMA/CD工作流程：发前监听通道，若空闲发送，若忙转2.一直监听直到信道闲，开始发送。边发送边检测冲突，没有-发送完成；有冲突-停止发送-发拥塞信号-随机等待-回退1.若连续发送多帧，每帧都如此。,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,截断二进制指数退避算法(Tru

9、ncated Binary Exponential Back-off)冲突次数n=n+1 if 1n16than m=min(n,10)k在0，1，2，2 m1 中随机取1个数后退时间取为k 2else if n16 than 放弃本次发送,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,CSMA/CD冲突过程分析冲突过程冲突窗口(Collision Window)。:信道的往返传播时延(Round-Trip Propagation Delay)冲突占用信道的时间。冲突占用信道的最大时间为:冲突检测方法CSMA/CD时槽(Time Slot)IEEE802.3将时槽取为发送512位的时间，称

10、为512位时。冲突域(Collision Domain),CSMA/CD冲突过程,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,一个CSMA/CD以太网区域，同一个冲突域中的两个或多个站点同时发送数据就会产生冲突，CSMA/CD在冲突域内能正常进行冲突检测，超出冲突域就不能正常工作。以太网接收处理站点若不处于发送状态则处于接收状态。判断是否冲突碎片，若是丢弃之。识别目的地址。若与本站地址不符就丢弃此帧。传输差错校验和处理。判断是DIX以太网帧，还是IEEE802.3以太网帧，并进行相应处理。以太网运行参数,5.2.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD,以太网运行参数,5.2.3 以太网

11、传输特点,半双工传输方式IEEE802.3x标准中有定义了全双工以太网共享总线带宽传输的不确定性无连接、不可靠的传输服务,5.2.5 以太网帧格式和数据封装,以太网帧格式长度/类型：2个字节，指明数据字段的长度或数据的协议类型。DIX以太网标准中指定一位类型字段。老的IEEE 802.3标准定义为长度字段。1997年后新的IEEE 802.3标准修改为长度/类型字段。,5.2.5 以太网帧格式和数据封装,以太网数据封装子网接入协议SNAPIEEE 802.3以太网使用长度字段时无法标识其数据字段封装的网络层PDU的协议类型，有两种解决方案：由LLC帧头部中SAP实现，用于IEEE 802体系。

12、用于为DIX以太网开发的一些网络层软件定义了一个 5个字节的子网接入协议，用来标识所携带数据的协 议类型，称为隐式帧类型(Implicit Frame Type)。,5.2.5 以太网帧格式和数据封装,以太网数据封装,5.3 传统以太网,5.3.1 物理层,10Mb/s以太网物理层、网络接口卡和中继器,5.3.1 物理层,媒体连接单元(Medium Attachment Unit,MAU)，也称为收发器(transceiver)。主要功能如下：连接传输媒体。信号发送与接收。冲突检测。超长控制。物理层信号(Physic Layer Signaling,PLS)主要功能如下：编码解码。载波监听。连

13、接单元接口(Attachment Unit Interface,AUI)连接PLS和MAU。,5.3.2 网络接口卡,网络接口卡(Network Interface Card,NIC)主要涉及物理层和MAC层，包括五个部分：媒体接入单元(MAU)。物理层信号(PLS)。连接单元接口(AUI)。MAC子层。计算机总线接口。,5.3.3 中继器和集线器,中继器工作在IEEE 802.3的物理层，接收、恢复并转发物理信号，以扩展以太网。中继器包括了MAU、AUI以及中继单元。中继器扩展以太网受到CSMA/CD冲突域最大跨距的限制。集线器(Hub)：多个端口的中继器即多口中继器，使以太网形成星形结构，

14、但逻辑上是总线结构，因此被称为星形总线(Star-Shaped-Bus)。,5.4 高速以太网,5.4.1 100BaseT,100BaseT的特点MAC子层：保持了与10Mbit/s以太网同样的MAC子层;时槽变为5.12s，冲突域减小到200m。物理层：与10Mbit/s以太网物理层的结构有所不同:媒体无关接口(Medium Independent Interface,MII)协调子层(Reconciliation Sublayer,RS)物理编码子层(Physical Coding Sublayer,PCS)物理媒体连接(Physical Medium Attachment,PMA)物理

15、媒体相关(Physical Medium Dependent,PMD)媒体相关接口(Medium Dependent Interface,MDI),5.4.1 100BaseT,协调子层i,并行,4B编码i,线路编码i,5.4.1 100BaseT,100BaseT包括4个不同的物理层规范，支持多种媒体。不再采用统一的曼彻斯特编码。增加了10/100Mbit/s自动协商功能。定义了I类和II类两种类型的中继器。100BaseT的物理层规范100BaseTX 与10BaseT有许多相似之处。使用5类UTP。采用4B/5B-MLT3编码。100BaseT4100BaseT2100BaseFX：光纤

16、,5.4.1 100BaseT,100Mbit/s以太网扩展当传输媒体长度达到冲突域的最大跨距时，系统只能使用一个I类中继器或两个II类中继器。,100BaseT最大网络跨距（m）,5.4.1 100BaseT,10/100Mbit/s自动协商(Auto-Negotiation)模式自动协商功能位于物理层中PMD之下。准静态机制。工作在点到点链路上而不是整个网络。快速链路突发脉冲(FLP)序列。链路代码字(LCW)包含了自己的链路类型及流量控制配置等信息。协商的内容包括：10M/100Mbit/s线路速率、全双工/半双工模式、不使用/使用全双工以太网的流量控制。,5.4.2 千兆以太网,千兆以

17、太网的特点MAC子层与10Mbit/s和100Mbit/s以太网相同的帧格式和基本相同的CSMA/CD协议。时槽增大到4096位，最大网络跨距可达到200m。增加了载波扩展措施。增加了帧突发的功能。物理层和100Mbit/s以太网结构和功能相似，有如下变化：MII扩展为千兆位媒体无关接口(GMII)。包括多个不同的物理层规范。主要使用8B/10B-NRZ编码方式。只能使用一个中继器。,5.4.2 千兆以太网,5.4.2 千兆以太网,千兆以太网物理层标准1000BaseX(802.32)100BaseLX100BaseSX100BaseCX1000BaseT(802.3ab),千兆以太网各种物理

18、层的链路长度限制（m）,5.4.2 千兆以太网,载波扩展(Carrier Extension)最小帧长的传输时间远小于时槽，不能正常进行冲突检测，在MAC子层定义了载波扩展机制。帧突发(Frame Bursting)为改善短帧的传输效率，在MAC子层又定义了帧突发机制。,5.4.2 千兆以太网,1000BaseX自动协商1000BaseT UTP千兆以太网 支持UTP自动协商功能。1000BaseX光纤千兆以太网 自动协商的特点是：只用于配置1000BaseX类型；是物理编码子层(PCS)的一个功能；重新定义了16比特的交换信息的格式。,5.4.3 万兆以太网,万兆以太网的特点MAC子层仍使用

19、IEEE 802.3帧格式。不再使用CSMA/CD，只定义了全双工方式。定义了两种物理层：LAN物理层和WAN物理层。采用点对点连接，支持星形拓扑和结构化布线技术。物理层与千兆以太网物理层结构相似，GMII 变为万兆位媒体无关接口(XGMII)。WAN物理层10GbaseW增加了广域网接口子层(WAN Interface Sublayer,WIS)。,5.4.3 万兆以太网,5.4.3 万兆以太网,万兆以太网物理层标准10GbaseXLAN类型的物理层，使用8B/10B编码。只包含一个规范：并行的LAN物理层10GbaseLX4。使用稀疏波分复用(CWDM)技术，并列第配置了4对激光发送器/接

20、收器，组成了4条通道。并行物理层技术将原来速率很高的比特流拆分成多列，处理速度降低，降低了对器件的要求。10GbaseR串行的LAN类型的物理层，使用64B/66B编码。串行方式是指数据流发送接收直接进行，不拆分。在逻辑上比并行技术简单，但对物理层器件的要求更高。包含3个规范：10GbaseSR、10GbaseLR和10GbaseER。,5.4.3 万兆以太网,10GbaseW串行的WAN类型的物理层，采用64B/66B编码，使用与SDH/SONET基本一致的帧格式以及与OC-192c相同的9.58464Gbit/s的数据传输速率。可以对SDH/SONET基础设施提供访问能力。包含三个规范：1

21、0GbaseSW;10GbaseLW;10GbaseEW。为实现万兆以太网和OC-192c帧格式和数据传输速率的转换和适配，加入了一个WIS。,5.4.3 万兆以太网,万兆以太网应用,5.5 交换式以太网,5.5.1 简介,CSMA/CD以太网有下述问题：任何时间内只能有一个工作站发送信息。各站点共享网络固定的带宽,效率随节点数下降。由于冲突域的限制，难以构造较大规模的网络。20世纪90年代以太网交换机(Switch)能增加以太网的带宽和规模，同时又能与传统的电缆线和网络适配卡协调工作。交换机本质上是一个高速的多口网桥(Multiport Bridge)，工作在数据链路层的MAC子层，每个端口

22、都包含一个MAC实体，但不使用MAC地址。,5.5.2 网桥,工作原理,网桥一般有两个端口，网桥两个网段。每个端口都有一块网卡，有自己的MAC子层和物理层。基本功能是在不同LAN网段之间转发帧。网桥主要特点：1.工作在MAC子层。2.进行帧过滤减少了通信量。3.隔离了冲突域，扩大了网络跨距。可连接不同类型的LAN。,网桥与中继器和集线器对比,5.5.2 网桥,地址学习透明网桥(Transparent Bridge)，IEEE 802.1d或ISO8802.1d。网桥刚刚连接到LAN上时，其桥接表是空的,采用洪泛法(Flooding)转发它。逆向学习法(Backward Learning)，在转

23、发过程中通过学习把桥接表逐步建立起来。,5.5.3 交换机,2层交换机本质上是一个多口网桥，工作在MAC子层。通过学习生成并维护一个包含端口-MAC地址映射的交换表，根据交换表进行帧的转发。多个端口可以并行地工作，n个端口数据传输率为R Mbit/s的以太网交换机最大可提供 0.5n R Mbit/s 的总带宽。网络交换机有四个基本部分组成：端口端口缓冲器帧转发机构存储转发交换(Store-Forward)直通交换(Cut-Through)无碎片交换(Fragment-Free)底板体系结构,5.5.3 交换机,5.5.4 交换式以太网及其特点,小规模的工作组级交换式以太网大规模的交换式以太网

24、：接入层、汇聚层和核心层跨距突破了单个冲突域的限制，可以构造更大规模的网络广播域(Broadcast Domain)和广播风暴(Broadcast Storm),交换机隔离了5个独立的冲突域,5.6 虚拟局域网,5.6.1 VLAN(Virtual LAN)及其特点,不是一种新型的网络，只是给用户提供一种网络服务。建立在交换式网络的基础之上，由一些交换机连接的以太 网网段构成的与物理连接和地理位置无关的逻辑工作组，是 一个广播域。比一般的LAN有更好的安全性。VLAN的划分可以控制通信流量，提高网络带宽利用率。,VLAN示例,5.6.2 VLAN的划分,基于端口(Port-Based)难于解决

25、设备移动和变更的问题。工作站移动需要改变VLAN的设置，不能是一个端口设备分到几个VLAN中。基于MAC地址(MAC Address-Based)一个VLAN是一组MAC地址的组合；解决了设备移动的问题，最初要管理员手动配置，在大规模网络中增加了管理的复杂性。基于协议(Protocol-Based)基于协议或网络地址即IP的子网号进行划分。可在第三层上实现。,5.6.3 VLAN的帧格式,IEEE 802.3Q标准IEEE 802.3ac标准 VLAN标记(Tag)，最大帧长扩大到1522B，只适用于VLAN。,TPID:标记协议标识符，2B,是一个全局赋予的VLN以太网类型。TCI:标记控制

26、信息，2B，分为：优先级（0最高）、规范格式指示、VLAN标识符；标识符范围 0-4095；0表示无、4095未用、1基于端口的方式、其他可用。,5.6.4 VLAN运行,相关概念标记端口(Tagged Port)和非标记端口(Untagged Port)标记帧(Tagged Frame)和非标记帧(Untagged Frame)：重新计算FCS中继线(Trunk):标记端口VLAN广播,5.6.4 VLAN运行,跨VLAN的访问VLAN之间的通信采用路由技术。一般采用单臂路由方式(Router On a Stick)，路由器到交换机只有一个物理连接，使用标记端口，形成trunk，支持多个逻辑

27、连接。子接口(Subinterface)：只有一个MAC地址，每个子接口对应一个VLAN，并分配一个IP地址。每个VLAN都构成一个独立的网络，对应的路由器接口的子接口作为该VLAN的默认网关(Default Gateway)。,5.6.4 VLAN运行,跨VLAN访问示例,5.6.4 VLAN运行,5.7 无线局域网,5.7.1 IEEE 802.11 WLAN,网络结构IEEE 802.11 WLAN是目前最有影响的WLAN。IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g等。基本服务集(Basic Service Set,BSS)。包括一个基站和若干个移动站。

28、基站也称为接入点(Access Point,AP)。基本服务区(Basic Service Area,BSA)，有100m左右。分布系统(Distribution System,DS)，一个有线或无线的主干LAN。扩展服务集(Extended Service Set,ESS)。,5.7.1 IEEE 802.11 WLAN,自组网络(ad hoc network)。,IEEE802.11 WLAN的网络结构,5.7.1 IEEE 802.11 WLAN,IEEE 802.11 WLAN体系结构,5.7.1 IEEE 802.11 WLAN,PMD直接面向无连接媒体，主要功能如下：检查媒体状态实

29、现载波侦听。进行数据编码和调制。通过无线信道进行信号的发送和接收。PLCP的主要功能如下：为各种物理层生成相应格式的帧。进行载波监听信号分析，发出信道评价信号。DCF向上提供争用服务，CSMA/CD协议。PCF使用几种控制方式，向上提供无争用服务。,5.7.1 IEEE 802.11 WLAN,移动站通过AP接入以太网的通信协议结构,5.7.2 IEEE 802.11物理层,IEEE 802.11a/b/g/nIEEE 802.11a定义在5GHz频段，支持54Mbit/s的传输速率。采用正交频分复用(OFDM)的技术，在48个子信道上传输信息，子信道采用正交幅度调制(QAM)方式进行信号调制

30、。与802.11b不兼容。,5.7.2 IEEE 802.11物理层,IEEE 802.11b定义在2.4GHz的ISM频段，使用高速率直接序列扩频(High Rate DSSS,HRDSSS)。支持5.5Mbit/s和11Mbit/s的传输速率。PLCP层协议和DSSS标准相同。Wi-Fi(Wireless Fidelity)。IEEE 802.11g运行于2.4GHz，速率达到了54Mbit/s。与802.11b向后兼容。IEEE 802.11n108Mbit/s，速率最高可达320Mbit/s。与802.11a/b/g标准兼容。双频多模(Dual Band and Multimode)W

31、LAN,5.7.3 IEEE 802.11 MAC层,无线信道的特点,WLAN的隐蔽站点问题/暴露站点问题,隐蔽站点：AC不通，同时给B发暴露站点：A给B，C收到与自己无关的信号，不再给D发,可能,可能,5.7.3 IEEE 802.11 MAC层,CSMA/CA 信道接入过程示例（A-C,B,D-C）,5.7.3 IEEE 802.11 MAC层,虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)网络分配向量(Network Allocation Vector,NAV)。站点将同时利用虚拟载波监听和物理载波监听信道。,NAV实现虚拟载波监听,5.7.3 IEEE 802.11 MAC

32、层,RTS/CTS信道预约机制基本的CSMA/CA 不能解决隐蔽站 点问题,可使用 RTS-CTS-DATA-ACK 四次握手 方式。,RTS/CTS信道预约机制的信道接入过程图示,5.7.3 IEEE 802.11 MAC层,RTS/CTS信道预约机制解决隐蔽站点问题,5.7.3 IEEE 802.11 MAC层,点协调功能(PCF)AP进行集中控制实现PCF。使用类似轮询的方法使各个结点得到发送权。轮询时使用PIFS。AP周期性地安排一些无争用周期(Contention-Free Period,CFP)，进行PCF的传输活动。,PCF工作模式,5.7.4 WLAN管理,接入网络关联(Association)和去关联(Disassociation)建立关联前先与AP进行联络，有两种方式：被动扫描和主动扫描，扫描之后，选择一个信号最强的AP，启动关联过程。,站点接入网络的过程(主动扫描),5.7.4 WLAN管理,越区漫游（一个ESS内；不同ESS检-断开网络连接）,20-30%重叠,5.7.4 WLAN管理,电源管理节电控制对WLAN非常有意义。移动站在无传输活动时处于休眠状态。发往休眠站点的数据帧先在AP中缓存，当休眠站点被唤醒时AP再把缓存的数据发给它们。,