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计算机网络计算机网络 ( (第第3 3版版) ) 吴功宜 编著 普通高等教育精品教材 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 第第5 5章章 介质访问控制子层介质访问控制子层 本章学习要求： 了解：局域网的分类与特点。 理解：IEEE 802参考模型与介质访问控制子层 的基本概念。 掌握：Ethernet局域网的基本工作原理。 掌握：高速局域网、交换局域网与虚拟局域网 的基本工作原理。 掌握：无线局域网WLAN与802.11标准的基本 概念。 掌握：网络互联基本概念与网桥基本工作原 理。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 3 本章知识点结构 计算机网络第5章 介质访问控制子层 4 5.1 局域网技术的发展与演变 5.1.1 局域网技术的研究与发展 计算机网络第5章 介质访问控制子层 5 介质访问控制的基本概念 分布式控制的方法 局域网中不存在中心主机，而是由每个主机各 自决定是否发送数据，以及出现冲突时如何处 理。 “介质访问控制方法”要解决的三个基本问题 ： 什么时候发送数据？ 如何发现冲突？ 出现冲突怎么办？ 计算机网络第5章 介质访问控制子层 6 5.1.2 介质访问控制方法CSMA/CD、 Token Bus与Token Ring的比较 三种不同的介质访问控制方法对应三种不同类型 的局域网： 采用带有冲突检测的载波侦听多路访问 (CSMA/CD) 访问控制方法的总线形Ethernet， 称为“以太网”。 采用令牌控制的令牌总线形（Token Bus）局域 网，称为“Token Bus”或“令牌总线网”。 采用令牌控制的令牌环形（Token Ring）局域 网，称为“Token Ring”或“令牌环网”。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 7 CSMA/CD总线形局域网特点 计算机网络第5章 介质访问控制子层 8 令牌总线形局域网的特点 计算机网络第5章 介质访问控制子层 9 令牌环局域网的特点 计算机网络第5章 介质访问控制子层 10 CSMA/CD方法的主要特点 介质访问控制方法算法简单，易于实现。目前 ，有很多种VLSI可以实现CSMA/CD方法，有 利于降低Ethernet组网成本，扩大应用范围。 一种随机访问控制方法，适用于对传输实时性 要求不高的办公环境。 在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与 延迟特性。当网络通信负荷增大时，由于冲突 增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 11 确定型介质访问控制方法Token Bus、Token Ring 的主要特点： 适用于对数据传输实性要求较高的应用环境，如 生产过程控制领域。 在网络通信负荷较重时，表现出很好的吞吐率与 较低的传输延迟，因此适用于通信负荷较重的应 用环境。 环的维护过程复杂，实现起来比较困难。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 12 不同通信负荷下实际数据传输速率的比较 计算机网络第5章 介质访问控制子层 13 5.1.3 Ethernet技术的研究与发展 计算机网络第5章 介质访问控制子层 14 延时带宽积物理意义 计算机网络第5章 介质访问控制子层 15 Ethernet技术的发展过程 计算机网络第5章 介质访问控制子层 16 5.1.4 局域网参考模型与协议标准 计算机网络第5章 介质访问控制子层 17 IEEE 802协议结构 计算机网络第5章 介质访问控制子层 18 5.2 Ethernet基本工作原理 5.2.1 Ethernet数据发送流程分析 计算机网络第5章 介质访问控制子层 19 载波侦听 总线电平跳变与总线忙闲状态的判断 计算机网络第5章 介质访问控制子层 20 冲突窗口的概念 冲突窗口=2D/V D为总线传输介质的最大长度 V是电磁波在介质中的传播速度 计算机网络第5章 介质访问控制子层 21 冲突检测 曼彻斯特编码信号的波形叠加 计算机网络第5章 介质访问控制子层 22 发现冲突、停止发送 如果在发送数据过程中检测出冲突，为了解决 信道争用冲突，发送主机要进入停止发送数据 、随机延迟后重发的流程。 随机延迟重发的第一步是发送“冲突加强干扰 序列（jamming sequence）信号”。冲突加强 干扰序列信号长度规定为32bit。 发送冲突加强干扰序列信号的目的是：确保有 足够的冲突持续时间，使网中所有主机都能检 测出冲突存在，并立即丢弃冲突帧，减少由于 冲突浪费的时间，提高信道利用率。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 23 随机延迟重发 帧的最大重发次数为16 CSMA/CD后退延迟算法是截止二进制指数后退延迟算 法为：2kRa 为重新发送所需的后退延迟的时间 a是冲突窗口值 R是随机数 二进制指数k的范围，定义了k=min（n，10） 重发次数n10，则k取值为n 重发次数n10时，则k取值为10 计算机网络第5章 介质访问控制子层 24 5.2.2 Ethernet帧结构 Ethernet帧结构比较 计算机网络第5章 介质访问控制子层 25 5.2.3 Ethernet接收流程的分析 计算机网络第5章 介质访问控制子层 26 5.2.4 Ethernet网卡设计与物理地址 典型的10BASE-5的Ethernet实现方法 计算机网络第5章 介质访问控制子层 27 Ethernet网卡与计算机之间关系 计算机网络第5章 介质访问控制子层 28 Ethernet物理地址 计算机网络第5章 介质访问控制子层 29 5.2.5 Ethernet物理层标准命名方法 IEEE 802.3 X Type-Y Name X表示数据传输速率，单位为Mbps Y表示网段的最大长度，单位为100m Type表示传输方式是基带还是频带 Name表示局域网的名称 计算机网络第5章 介质访问控制子层 30 5.3 交换式局域网与虚拟局域网技术 5.3.1 交换式局域网技术 交换基本的功能： 建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口 号对应关系的映射表。 在发送主机与接收主机端口之间建立虚连接。 完成帧的过滤与转发。 执行生成树协议，防止出现环路。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 31 局域网交换机的工作原理 计算机网络第5章 介质访问控制子层 32 交换机的交换方式 计算机网络第5章 介质访问控制子层 33 5.3.2 虚拟局域网技术 传统局域网与 虚拟局域网 组网结构的比较 计算机网络第5章 介质访问控制子层 34 VLAN的划分方法 基于交换机端口的VLAN划分方法 计算机网络第5章 介质访问控制子层 35 基于主机MAC地址的VLAN划分方法 计算机网络第5章 介质访问控制子层 36 基于网络层地址或协议的VLAN划分方法 计算机网络第5章 介质访问控制子层 37 IEEE802.1Q的基本内容 扩展后的Ethernet帧结构 计算机网络第5章 介质访问控制子层 38 VLAN数据帧交换过程 计算机网络第5章 介质访问控制子层 39 VLAN技术的优点： 可以通过软件设置的方法灵活地组织逻辑工作 组，极大地方便了局域网的管理。 限制了局域网中的广播通信量，有效地提高了 局域网系统的性能。 网络管理员可以通过制定交换机转发规则，能 够提高局域网系统的安全性。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 40 5.4 高速Ethernet研究与发展 5.4.1 Fast Ethernet 在传统10Mbps的Ethernet基础上发展起来的一 种速率为100Mbps的高速局域网。 IEEE 802委员会正式批准标准IEEE 802.3u 。 保留着传统Ethernet的帧格式与最小、最大帧 长度等特征。 定义了介质专用接口（MII），将MAC层与物 理层分隔开。 目前100ASE-T主要有三种物理层标准： 100BASE-TX、100BASE-T4、100BASE-FX。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 41 支持半双工与全双工工作模式 可以提供半双工模式之外，也可以工作在全双 工模式。 全双工模式不存在争用问题，MAC层不需要 采用CSMA/CD方法。 增加了10Mbps与100Mbps速率自动协商功能 具有10Mbps与100Mbps速率网卡共存的速率 自动协商机制。 自动协商只涉及到物理层，不需要人为干预， 能够自动配置。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 42 5.4.2 Gigabit Ethernet GE可以应用于数据仓库、高性能计算机、存 储区域网与云计算硬件平台中。 GE标准是IEEE 802.3z。 GE的传输速率达到了1000Mbps，它仍然保留 着传统的Ethernet的帧格式与最小、最大帧长 度等特征。 定义了千兆介质专用接口（GMII）。 GE已经成为大、中型局域网系统主干网的首 选方案，有着广泛的应用前景。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 43 5.4.3 10 Gigabit Ethernet 10GbE主要特点： 保留着传统的Ethernet的的帧格式与最小、最大帧长 度的特征。 10GbE定义了专用的介质专用接口10GMII。 10GbE只工作在全双工方式，不再不采用CSMA/CD协 议，覆盖范围不受传统Ethernet网的冲突窗口限制， 传输距离只取决于光纤通信系统的性能。 10GbE的应用领域已经从局域网，逐渐扩展到城域网 与广域网的核心交换网之中。 10GbE的物理层协议分为：局域网物理层标准与广域 网物理层标准两类。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 44 5.4.4 40 Gigabit Ethernet 与100 Gigabit Ethernet 40 GbE与100 GbE研究的背景 移动Internet应用 三网融合的高清视频业务增长的需要 云计算、物联网应用的兴起 城域网与广域网核心交换网传输带宽增长的 需求 计算机网络第5章 介质访问控制子层 45 40GbE的研究与应用 40Gbps的波分复用WDM技术早在1996年就出 现了。 20042006年前后在局部范围内开始商用，同 时路由器开始提供40Gbps的接口。 在20072008年有多个厂商能够提供速率为 40Gbps 的波分复用设备。 40GbE技术将会大量应用于IDC、高性能计算 机、高性能服务器集群与云计算平台。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 46 100GbE技术的研究与应用 100GbE的标准是802.3ba 100GbE保留着传统的Ethernet的的帧格式与最 小、最大帧长度的规定 100GbE物理接口主要有三种类型： 1010GbE短距离互联的LAN接口技术 425GE中短距离互联的LAN 接口技术 10m的铜缆接口和1m的系统背板互联技术 计算机网络第5章 介质访问控制子层 47 5.4.5 光以太网与城域以太网 光以太网的基本概念 光以太网术语是北电网络2000年提出，得到网络界与 电信界的认同和支持。 10Gbps、40Gbps 、100Gbps高速以太网中只采用全双 工模式，物理传输介质以光纤为主。 可以充分地将Ethernet技术与SDH、MPLS与DWDM 等成熟的光通信技术交叉融合、优势互补，以提升 Ethernet技术的服务质量QoS、网络安全性与系统可靠 性，使得光以太网成为能够满足电信级服务要求的网 络技术。 利用光纤的巨大带宽资源与成熟、广泛应用的 Ethernet技术，为网络运营商建造新一代的宽带城域 网提供技术支持。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 48 城域以太网的基本概念 宽带城域网选择网络方案的三大驱动因素是成本、可 扩展性和易用性的话，那么选择Ethernet技术作为下 一代构建宽带城域网的主要技术是非常恰当的。 Ethernet具有良好的扩展性，能够容易地实现从 10Mbps到100Gbps的平滑升级，并且能够覆盖从几十 米到100公里的范围。 研究可运营的光以太网已经不是单一的技术研究，而 是提出了城域以太网的解决方案。光以太网、城域以 太网的发展将从根本上改变网络运营商规划、建设、 管理思想。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 49 5.5 Ethernet组网设备与组网方法 5.5.1 Ethernet基本的组网方法与设备 用中继器连接两个Ethernet缆段结构 中继器的工作原理 计算机网络第5章 介质访问控制子层 50 集线器（HUB） 计算机网络第5章 介质访问控制子层 51 集线器组网结构 计算机网络第5章 介质访问控制子层 52 5.5.2 交换Ethernet与高速Ethernet组网方法 典型的交换以太网组网结构 计算机网络第5章 介质访问控制子层 53 5.5.3 局域网结构化布线的基本概念 建筑物综合布线系统结构示意图 计算机网络第5章 介质访问控制子层 54 5.6 局域网互联与网桥 5.6.1 局域网互联与网桥的基本概念 网桥是实现两个或两个以上相同类型的同构局 域网的互联，也可以实现两个或两个以上不同 类型的异构局域网的互联设备。 网桥主要有两大主要的功能： 端口号与对应的MAC地址表的转发表生成与 维护 帧接收、过滤与转发 计算机网络第5章 介质访问控制子层 55 网桥结构与工作原理 计算机网络第5章 介质访问控制子层 56 源路由网桥 源路由网桥由发送帧的源主机负责路由选择。 每个主机在发送帧时，将详细的路由信息写在 帧头部，网桥根据源主机确定的路由转发帧。 为了发现合适的路由，源主机以广播方式向目 的主机发送用于探测的发现帧。 源主机得到这些路由信息后，从可能的路由中 选择出一个最佳路由。 常用的方法是：如果有超过一条的路径，源主 机将选择经过的中间经过的网桥跳数最少的路 径。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 57 透明网桥 用透明网桥互联局域网时，网桥的转发表开始 是空的。网桥采取与交换机采取自学习方法， 在转发帧的过程中，逐渐将建立和更新转发表 。 透明网桥通过自学习算法生成和维护网桥转发 表，是一种即插即用的局域网互联设备。 局域网的主机不负责帧传输路径的选择。互联 的局域网主机不需要知道网桥的存在，也不需 要了解网桥之间的连接关系，网桥对主机是透 明的。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 58 5.6.2 网桥的工作流程 计算机网络第5章 介质访问控制子层 59 5.6.3 生成树协议 网桥互联形成环状结构 计算机网络第5章 介质访问控制子层 60 分析生成树协议执行过程的网络结构示意图 计算机网络第5章 介质访问控制子层 61 有效拓扑结构 计算机网络第5章 介质访问控制子层 62 主机之间的帧传输路径 计算机网络第5章 介质访问控制子层 63 5.6.4 网桥与中继器、集线器、交换机的比较 网桥与中继器作用的比较 计算机网络第5章 介质访问控制子层 64 中继器、集线器、网桥与交换机的比较 比较的内容中继器集线器交换机网桥 协议层 次物理层物理层MAC层MAC层 主要功能连接多个缆段， 增加总线长 度， 增加接入的主机 数量 接入多台计算机 形成星形结构的 Ethernet 连接多台计算机 ， 实现 快速帧转 发 互联多个同构或 异构的局域网 工作原理信号放大与整形信号放大与整形在多端口之间同 时转发 多帧 MAC地址过滤 与 帧转发 结构特点两个端口可以有多端口可以有多端口可以有多端口 使用地址MAC地址MAC地址 冲突域连接在多个缆段 上的所有主机属 于一个冲突域 连接在集线器上 的所有主机属于 一个冲突域 如果主机独占端 口，则不存在冲 突 每个互联的局域 网分别是一个冲 突域 计算机网络第5章 介质访问控制子层 65 5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网发展背景 无线局域网（WLAN）不仅能够作为独立的一种移动 通信网络来使用，而且可以作为传统局域网的补充。 无线局域网以微波、激光与红外线等无线电波作为传 输介质，来全部或部分取代传统局域网中的双绞线与 光纤。 无线局域网不仅能够满足移动和特殊应用领域网络的 要求，还能覆盖有线局域网难以布线的位置。 无线局域网的发展速度很快。目前，支持2Mbps传输 速率的系统已经成熟，而速率为40Mbps80Mbps的 系统正在研究中。 计算机网络第5章 介质访问控制子层 66 无线局域网802.11协议发展过程 1997年形成了第一个无线局域网的标准802.11。 802.11定义了使用红外、跳频扩频与直接序列扩频技术 ，传输速率为1Mbps或2Mb