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ComputerTelecommunications 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 内的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络 局域网技术着重讨论如何公平 有效利用公共传输介质 公共传输信道 在其他方面仍然使用数据链路层相关技术 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 1km 25km 总成本较低 传输速率高 局域网的数据传输速率一般为1 100Mbit s 随着技术发展 10Mbit s 100Mbit s 1000Mbit s的以太网得到了广泛的应用 正在推出10Gbit s的以太网 传输质量高 误码率低 局域网的误码率一般在10 8 10 11范围内 4 1局域网概述 2 局域网的特点局域网具有专用性质 由于局域网的范围小 总价不高 往往可以由企业自己建设和管理 使用 采取相应网络安全措施 局域网主要考虑高速传输 资源共享 在网络内部一般不考虑计费问题 局域网拓扑结构相对简单 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 网络拓扑 物理结构和形状媒体访问控制方法 指多台计算机对公共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 全球开放的ISM 工业 科学 医疗 频段局域网可以使用目前所有传输技术 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 通常采用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 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上 当初认为这样的连接方法既简单又可靠 因为总线上没有有源器件 B向D发送数据 C D A E 匹配电阻 用来吸收总线上传播的信号 匹配电阻 不接受 不接受 不接受 接受 B 只有D接受B发送的数据 局域网的信道共享技术 4 1局域网概述 总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号 只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致 因此只有D才接收这个数据帧 其他所有的计算机 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收下来 在具有广播特性的总线上实现一对一通信 局域网的信道共享技术 4 1局域网概述 所谓 访问 指的是在两个实体之间建立联系并交换数据信息 在网络中 媒体访问方式 介质访问方式 媒体接入方式 泛指分配介质使用权限的机理 策略和算法 在局域网中主要考虑对于公共传输介质的动态资源共享方法 7 局域网的媒体访问控制技术 4 1局域网概述 4 1局域网概述 7 局域网的媒体访问控制技术根据网络中计算机站点获得对共享公共传输介质使用权 即获得发送数据的控制权 的方法 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 4 1局域网概述 信道共享技术 即如何分配使用公共信道传输资源的方法和策略 有静态和动态的信道分配方案 静态分配方案 固定的分配动态分配方案 能够根据数据源对传输资源的随机需求而动态分配 公共信道共享技术 多个计算机系统共享使用公共信道资源的介质访问方法又称为多路访问技术 分为受控访问和随机访问 受控访问 各个用户不能任意接入到信道而必须服从一定的控制 又分为集中式控制和分散式控制 随机访问 所有的用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息 又称为争用接入 公共信道共享技术 4 1局域网概述 4 1局域网概述 基于信道划分的媒体访问控制方法一般使用静态资源分配方法 频分复用 静态时分复用 码分复用 波分复用为静态分配 一般采用集中控制 受控访问 时分复用也适合于动态复用 公共信道共享技术 4 1局域网概述 公共信道共享技术局域网所使用的拓扑结构和传输技术决定了其网络内的计算机之间的数据通信采用公共传输信道 媒体 共享方法 网络中的计算机站点对网络传输的需求是随机的 需要协调多个计算机站点对共享的传输媒体 介质 资源的使用 即规定局域网中的站点什么时间能向共享的网络中发送数据 4 1局域网概述 动态信道分配的主题是如何在多个随机竞争的用户之间分配单个共享的广播信道 所有站点都连接到一个共享信道上 所用的接入和共享信道的技术称为多点接入控制方法 多路访问技术 又称为介质访问控制方法 媒体接入控制 MAC技术 公共信道共享技术 ALOHA纯ALOHA 时隙ALOHACSMA非坚持 1 坚持 P 坚持改进的CSMACSMA CD CSMA CA 竞争系统的介质访问控制技术 4 1局域网概述 ALOHA纯ALOHA 用于局域网无线公用信道上 集中控制 仅使用两个频率 上行传输 争用 为407 35MHz 下行传输 广播 为413 475MHz 信道利用率最高为18 4 时隙ALOHA 将时间分为等长的时隙 只能在每个时隙的开始才发送分组 目的是减少冲突 信道利用率最高为36 8 竞争系统的介质访问控制技术 共享信道的数据链路层 网络中站点随机发送数据 在公共信道中产生相互干扰 称为 冲突 共享信道的数据链路层 竞争系统的介质访问控制技术 网络中站点只在时隙开始时发送数据 减少了冲突的可能性 共享信道的数据链路层 2 竞争系统的介质访问控制技术 每个站点不关心网络忙闲状态 随机发送数据 产生了信号冲突 降低了通信效率 发送前判断网络状态 减少冲突 CSMA CarrierSenseMultipleAccess每个站点在发送分组前 监听公共信道上其它站点是否在发送分组 如果信道忙 就暂不发送 如果信道空闲 则进入发送处理 共享信道的数据链路层 竞争系统的介质访问控制技术 非坚持CSMA发现信道忙则不再侦听 等待一个随机长的时间后 再开始侦听 发送过程 1 坚持CSMA发现信道忙则持续侦听 直至信道空闲 等到信道空闲后发送数据 概率为1 P 坚持CSMA发现信道忙则持续侦听 直至信道空闲 等到信道空闲后 以概率P发送数据 或以 1 P 概率推迟发送 共享信道的数据链路层 竞争系统的介质访问控制技术 尽管已发送前载波监听 但由于通信的随机性和传播时延的影响 在一个站点开始发送后的一段时间内 仍然可能发生冲突 称为 争用期 共享信道的数据链路层 竞争系统的介质访问控制技术 CSMA机制仍然不能完全避免多个站点发送数据的冲突 CSMA的缺点 当两 多 个站发生冲突后 各冲突站并不知道 仍继续发送已遭破坏的数据帧 应答超时后才能确认冲突 若帧很长 则信道的浪费相当大 CSMA的改进 增加了 冲突检测 的功能 即改为 CSMA CD 共享信道的数据链路层 竞争系统的介质访问控制技术 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection CSMA CD的工作原理载波监听冲突检测多路访问 多次访问 共享信道的数据链路层 竞争系统的介质访问控制技术 二进制指数退避算法 对每个帧 当第一次发生冲突时 设置参数为L 2 退避间隔取0 L个时间间隔 1个时间间隔等于任意两个站之间最大传播时延的两倍 即2T 设最大传播时延为T 当帧重复发生一次冲突 则参数L加倍 设置一个最大重传次数 超过这个限值 则停止 不再重传 并报告出错 这种算法是按后进先出的次序控制的 即未冲突 或很少发生冲突的帧 具有优先发送的概率 环型网中各个站点和传输链路依次相连接 构成一个闭合的环 环型网都采用无冲突的介质访问控制方法 属于分散的轮询控制方式 环型网通过逐站转发数据实现传输介质共享 但不是广播方式 主要的介质访问方法有令牌环 时隙环及寄存器插入环 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 IEEE802 5令牌环 标记环 TokenRing IBM公司IEEE802 5令牌环介质访问方式的特点将各个站点 链路依次串成闭合环路环内令牌 数据单向传输 分散控制令牌沿环循环 同一时刻环中只有一个令牌传输介质 屏蔽双绞线 4Mbit s 16Mbit s 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 IEEE802 5令牌环介质访问控制使用一个令牌沿着环单向循环 且应确保令牌在环中是唯一的 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 网上站点要求发送帧 必须等待空令牌 当获取空令牌 则将它改为忙令牌 后随数据帧 环内其它站点不能发送数据 环上站点接收 移位数据 并进行检测 如果与本站地址相同 则同时接收数据 接收完成后 设置相应标记 该帧在环上循环一周后 回到发送站 发送站检测相应标记后 将此帧移去 将忙令牌改成空令牌 继续向下一个站点传送 供后续站发送帧 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 Y DA C 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 由于电磁波的传播速度有限 传输介质中可能同时存在多个数据位 环上每个中继器引入至少1bit延迟环上保留的位数 传播延迟 s km 介质长度 数据速率 中继器延迟 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 介质长度L 1km数据速率C 4Mbit s站点数N 50 解 传播延迟tp L v传播速率v 2 105km stp 5 s环上保留的位数 5 1 4 50 70bit 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 如何防止数据帧在环上无休止循环 设置监控器在帧结构上留一个标识如何监测令牌出错 无令牌多个令牌忙令牌死循环 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 集中式检测设置监控站 超时计数器 检测令牌丢失在帧结构上检测忙标记 发现死循环分布式检测每站设置定时器 当站有数据要发且等待令牌的时间超限 认为令牌丢失 共享信道的数据链路层 环形网介质访问控制方法 拓扑结构 Token令牌 A B C D E 共享信道的数据链路层 令牌总线介质访问方法 工作原理TokenBus在物理总线上建立逻辑环 逻辑环上 令牌是站点可以发送数据的必要条件 令牌在逻辑环中按地址的递减顺序传送到下一站点 从物理上看 含DA的令牌帧广播到BUS上 所有站点按DA 本站地址判断收否 共享信道的数据链路层 令牌总线介质访问方法 特点无冲突 令牌环的信息帧长度可按需而定 顺序接收Fairness 公平性 站点等待Token的时间是确知的 需限定每个站发送帧的最大值 CSMA CD因检测冲突需要填充信息位 不允许小于46字节 共享信道的数据链路层 令牌总线介质访问方法 8 IEEE802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 WirelessPersonalAreaNetwork 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型局域网 IEEE802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 LogicalLinkControl 子层和媒体接入控制MAC MediumAccesscontrol 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 逻辑链路子层与局域网传输介质 拓扑结构 介质访问控制方法无关 LLC和MAC子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准 802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层 逻辑链路控制LLC LogicalLinkControl 子层介质访问控制MAC MediumAccessControl 子层 媒体接入控制 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层 而LLC子层则与传输媒体无关 不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的 LLC和MAC子层 MAC子层的功能 介质的访问控制链路层帧的寻址和识别帧校验序列的产生和检验LLC子层的功能规定了三种类型的链路服务 无连接LLC 类型I 面向连接LLC 类型II 确认无连接LLC 类型III LLC和MAC子层 在参考模型中 每个实体和另一系统的对等层实体间按协议进行通信 而在一个系统内的相邻层实体间通过接口进行通信 用服务访问点 SAP 来定义逻辑接口 在网间互连子层与LLC子层实体间可有多个LSAP 网间互连子层与高一层实体间可有多个NSAP 但LLC MAC MAC 物理层间只有一个服务访问点 分别称MSAP PSAP 4 2以太网技术 以太网Ethernet 1973年由Xerox公司的Metcalfe提出 1980年 DEC Intel和Xerox联手推出了DIXEthernet1 0标准 并得到发展和应用 目前广泛使用的DIXEthernet2 0标准与IEEE802 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DIXEthernet2 0标准的局域网 1 以太网概述 4 2以太网技术 以太网工作原理传统的以太网使用公共总线方式连接网络中的计算机 各个计算机采用载波监听多路访问 冲突检测 CSMA CD 的方法进行信道访问控制 载波监听 冲突检测 多次访问 CSMA CD的工作原理载波监听 任一站要发送信息时 首先要监测总线 用来判决介质上有否其他站的发送信号 如果介质状态忙 则继续检测 直到发现介质空闲 如果检测介质为空闲 则可以立即发送 多路访问 意思是网络上所有主机收发数据共同使用同一条总线 且发送数据是广播式的 4 2以太网技术 CSMA CD的工作原理冲突检测 每个站在发送帧期间 同时检测总线上可能的信号冲突 一旦检测到冲突 就立即停止发送数据 并向总线上发一串阻塞信号 通报总线上各站已发生冲突 多次访问 按照算法等待一个随机时间后 再次进入载波监听发送过程 4 2以太网技术 各站点尝试争用信道而遇到冲突时 随机选择一定范围内的退避等待时间片 2T 数 第1次冲突 0 1 即21 1 第2次冲突 0 3 即22 1 第10次冲突 0 1023 即210 1 此后固定选择范围 第16次冲突 仍不成功则放弃 并报告上层 这种算法按后进先出的次序控制 即未发生冲突 或很少发生冲突的帧 具有优先发送的概率 4 2以太网技术 CSMA CD的二进制指数退避算法 若两个最远距离站点间的传输时间为 则网络的最大冲突检测时间为2 0 4 2以太网技术 争用期 争用期 又称为冲突窗口 即最大冲突检测所需时间 为了保证检测的可靠性 要求必须在发送期间检测到冲突 最短帧 4 2以太网技术 争用期 例3 10 假定2km长的CSMA CD网络的数据率为1Gb s 设信号在网络上的传播速率为2 108m s 求能够使用此协议的最短帧长 参数数值 争用期时隙 Slottime 51 2us帧间隔 InterFrameGap 9 6us尝试次数 AttemptLimit 16退避限制数 BackoffLimit 10阻塞信号 JamSize 32bits最大帧长 MaxFrameSize 1518bytes最小帧长 MinFrameSize 64bytes地址长度 AddressSize 6bytes 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10Base 5198310Mbps500mAUI粗缆以太网10Base 2198810Mbps185mBNC细缆以太网10Base T199010Mbps100mRJ45双绞线以太网BASE表示基带传输 4 2以太网技术 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 鉴于大家都早已习惯了将这种48bit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 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 001101010111101100010010000000000000000000000001 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 101011001101111001001000000000000000000010000000 802 5802 6 802 3802 4 802 5802 6 Individual Group0 单个站地址1 组地址 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 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 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 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 DIXEthernetV2标准IEEE的802 3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式 以太网MAC帧和IEEE802 3帧可能会出现在同一个网络中 需要加以区别 两种不同的MAC帧格式 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 1010101010101010101010101010101011 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 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 以太网的MAC层 2 MAC帧格式 数据字段的长度46 1500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FCS4字节 当传输媒体的误码率为1 10 8时 MAC子层可使未检测到的差错小于1 10 14 以太网V2的格式 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 以太网的MAC层 2 MAC帧格式 不同标准以太网采用不同的连接方法 以太网的连接方法 网络接口卡 网卡 AUI AttachmentUnitInterface 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 粗同轴电缆 直径1 016cm 单段电缆最大长度500米 价格昂贵 安装困难 终接器 50欧电阻 其中一端接地 最多使用4个中继器 实现信号中继放大 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 细同轴电缆 直径0 508cm 单段电缆最大长度185米 价格不高 安装简单 电缆接头制作比较容易 站点接入网络时 通过T型头连接 容易接触不良 故障定位困难 终接器 50欧电阻 其中一端接地 最多4个中继器 实现信号中继放大 以太网的连接方法 10BASE 2 10Base 2以太网和BNC接口 10Base 2以太网 10Base T双绞线 UTP UnshieldedTwistedPaired 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网络设备可靠性高 故障定位容易 安装简单 电缆价格低 4 4以太网的连接方法 RJ 45接口和双绞线 集线器的原理和作用 集线器又称为HUB 在双绞线以太网中用于连接网络工作站 并实现集中汇接 即实现网络用户的接入功能 集线器同时具有网络信号再生放大功能 实现远距离传送 在使用集线器的以太网中 默认集线器仍然使用广播共享总线方式 即CSMA CD访问机制 集线器的一些特点 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作 因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网 各工作站使用CSMA CD协议 并共享逻辑上的总线 集线器很像一个多端口的转发器 工作在物理层 具有三个端口的集线器 物理结构 星型逻辑结构 总线型 局域网概述以太网技术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 一个局域网中需要资源共享的计算机可能距离较远 也可能一个单位拥有多个局域网也需要相互协作 要实现较大范围的资源共享就需要实现局域网之间的通信 局域网之间需要资源共享 但可能出于安全考虑 也需要保持各自独立性 4 3局域网的扩展 利用中继设备的信号再生放大功能可以实现一个局域网中计算机的远距离通信 但一个局域网中计算机数量过多会导致冲突机会增加 传输效率降低 网络范围太大又会导致最大往返时延过大 冲突检测失效 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 3局域网的扩展 CSMA CD方式的 5 4 3 原则 介质的最大利用率取决于帧的长度和传播时间 因此网络最大传播时延不能过大 由于争用期的限制 使用CSMA CD介质访问控制方式的Ethernet 限制每段电缆的最大长度为500m 最多5段电缆 4个中继器 其中3段电缆可以接入用户 在使用共享集线器的以太网中 仍然受到 5 4 3 原则的限制 一般集线器的级联不超过3级 以太网的最大应用距离 250m 750m 网段1 转发器 网段2 网段3 转发器 转发器 转发器 4 3局域网的扩展 以太网的扩展随着网络用户数量的增加 网络需要具有更多的用户接入能力 由于以太网传输距离和接入设备规模的限制 必须通过网络设备互连 以实现更大范围的资源共享 使用集线器 HUB 可以实现低成本的网络用户互连 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 4 3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 3局域网的扩展 优点使原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够进行跨冲突域的通信 扩大了局域网覆盖的地理范围 缺点冲突域增大 用户数也增加 冲突概率增加 总吞吐量未必提高 冲突严重时甚至吞吐量降低 网络距离增加导致CSMA CD机制失效 如果不同的冲突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 4 3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 使用网桥扩展局域网可以避免使用集线器出现的问题 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 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 3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 3局域网的扩展 端口1 端口2 过滤通信量 扩大了网络范围 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10Mb s和100Mb s以太网 的局域网 使用网桥带来的好处 4 3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 转发处理时延更大 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 3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 3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冲突 就必须停止发送和进行退避 网桥的接口功能很像一个网卡 转发帧时执行CSMA CD算法 但网桥实际却没有网卡 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 3局域网的扩展 2 在数据链路层扩展局域网 目前局域网互连使用得最多的网桥是透明网桥 transparentbridge 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IEEE802 1D 透明网桥 4 3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 则查找出此MAC地址所在的端口d 然后执行 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 3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 3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 作为以后可能的目的地址 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 3局域网的扩展 2 在数据链路层扩展局域网 透明网桥转发表生成的原理 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 3局域网的扩展 2 在数据链路层扩展局域网 2 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 3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 3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 switchinghub 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 3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 进行无冲突地传输数据 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 3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10Mb 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 10Mb 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10Mb 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2N 10Mb s 这正是交换机的最大优点 4 3局域网的扩展 2 在数据链路层扩展局域网 4 3局域网的扩展 以太交换原理在共享式网络中 随着用户数量的增加 每用户所使用的平均带宽减小 网络冲突加剧 网络带宽利用率下降 采用以太网交换机 实现多个端口的信息交换 可将LAN分为多个独立的网段 并以线速支持网段交换 允许不同用户对进行并行通信 网桥的功能扩展 以太网交换机实现了网络冲突域的划分 4 3局域网的扩展 采用以太交换技术 其本质是将共享介质的网段划分为多个网段 每个网段成为一个独立的冲突域 以太网交换机是基于OSI RM的第2层的网络连接设备 根据帧的目的MAC地址 判断是否本网段用户信息 若是 交换机不必处理 若不是则存储转发 4 3局域网的扩展 以太网交换机从某个端口收到数据帧并差错检验后 根据目的MAC地址进行相应的判断和处理 帧过滤 目的MAC地址与源MAC地址在相同网段 丢弃 目的MAC地址与源MAC地址在不同网段 则向特定端口转发 地址表中无此MAC地址或目的MAC地址为广播地址 向所有其它端口广播 用交换机连接多个集线器 4 3局域网的扩展 三个独立的冲突域 实现了网络互连 同时利用交换机帧过滤功能 保持了各个冲突域的相对独立 4 3局域网的扩展 优点原有的以太网基础设施可继续使用 通过以太交换机实现网络分段 均衡网络负荷 扩展了网络有效带宽 减小网络冲突域的规模 网络规模越小 网络段内站点数越少 每个站点的平均带宽越高 实现帧的过滤 提供了一定的安全性 提供全双工模式操作 提高了处理效率 以太网交换机三种转发方式 以太网交换机收到一帧 经过地址查询 确定转发端口 如何进行转发 存储转发方式直通方式 Cut Through 无碎片直通方式 Fragment freeCut Through 4 3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 3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 并随帧的长度而变化 缓存是有限的 当负荷增大时 会引起阻塞现象 4 3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 不必待接收完整 就按帧头的DA来判别其转发端口 转发速度快 延迟一致性好 与帧长短无关 在转发时不进行差错校验 当某些帧已有错仍然加以转发 浪费资源 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 3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 freeCut 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 该交换方式会检查到帧的数据域 4 3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 4高速局域网 常见的高速以太网随着计算机技术的发展 计算机系统处理能力 存储能力越来越强 要求网络通信速率更高 100BASE T以太网千兆以太网10Gbit s以太网 1 100BASE T以太网 1995年 IEEE通过100Base T标准 称为FastEthernet 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 4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 支持MII 介质独立接口 星型拓扑结构 支持全双工通信最小帧长64字节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 4高速局域网 1 100BASE T以太网 2 千兆以太网 1996年 GigabitEthernet问世 1999年IEEE推出1000Base X标准 即IEEE802 3z标准 IEEE802 3z IEEE802 3abIEEE802 3z定义 1000Base LX 1000Base SX 1000Base CX 4 4高速局域网 千兆以太网 IEEE802 3ab定义 1000Base T一个网段的最大长度100米 关于 争用期 使用 载波延伸 技术 保持最短帧长仍为64字节 但如果出现最短帧 需要使用字节填充 将争用时间增大为512字节 3 万兆以太网 IEEE802 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 无冲突 4 4高速局域网 局域网概述以太网技术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 5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 而不是一种新型局域网 4 5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 5虚拟局域网 2 虚拟局域网使用的帧格式 虚拟局域网的划分方式 在划分VLAN的交换机上 每个端口都被赋予一个VLAN号 只有相同VLAN号的用户才同属于一个独立的广播域 广播被限制在各自的VLAN之内 因此 能够最大限度地控制广播的影响范围以及减少由于共享介质所造成的安全隐患 VLAN有两种划分方法 静态VLAN StaticVLAN 动态VLAN DynamicVLAN 静态虚拟局域网划分 静态VLAN也就是基于端口的VLAN 划分静态VLAN是一种最简单的VLAN创建方式 这种VLAN易于建立与监控 在划分时 既可把同一交换机的不同端口划分为同一虚拟局域网 也可把不同交换机的端口划分为同一虚拟局域网 这样 就可把位于不同物理位置 连接在不同交换机上的用户按照一定的逻辑功能和安全策略进行分组 根据需要将其划分为同一或不同的VLAN 动态虚拟局域网划分 动态VLAN相对静态VLAN是一种较为复杂的划分方法 它可以通过智能网络管理软件基于硬件的MAC地址 IP地址或者基于组播等条件来动态地划分VLAN 基于MAC的VLAN 根据网络上主机网卡的MAC地址设置VLAN 基于IP地址的VLAN 根据用户的网络地址划分VLAN 基于组播的VLAN 相同VLAN内成员的通信 当VLAN中的成员位于同一台交换机时 成员之间的通信就十分简单 与未划分VLAN时一样 把数据帧直接转发到相应的端口即可 如果是跨交换机划分的VLAN 即同一VLAN的成员位于不同的交换机 通常采用以下技术来实现 访问连接 AccessLink 主干连接 TrunkLink 不同VLAN间的主机通信 在同一个VLAN广播域内的主机可以自由通信 而且数据的交换是在第二层数据链路层进行的 也就是通常所指的第二层交换 在不同广播域的VLAN间通信则需要建立在第三层网络层的基础上 也就是说需要具有路由功能的设备来实现不同VLAN之间的主机的通信 使用路由器使用第三层交换机 局域网概述以太网技术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 6无线局域网 WLAN 无线局域网标准IEEE802 112Mbit sIEEE802 11b11Mbit sIEEE802 11a54Mbit sIEEE802 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 DistributionSystem 然后再接入到另一个基本服务集 构成扩展的服务集ESS ExtendedServiceSet 无线局域网的组成 基本服务集当中的基站叫做接入点AP AccessPoint 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 adhocnetwork 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 6无线局域网 802 11标准中的物理层 802 11a的物理层工作在5GHz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56Mb s 802 11b的物理层使用工作在2 4GHz的直接序列扩频技术 数据率为5 5或11Mb s 4 6无线局域网 802 11标准中的MAC层 无线局域网不能简单地搬用CSMA CD协议 主要有两个原因 CSMA CD协议要求一个