第5章_介质访问控制子层

Packet Tracer5 3 1 介质访问控制子层 2 本章学习要求 了解 局域网与城域网的主要技术特点 局域网拓扑结构的类型与特点 常用的局域网传输媒体 局域网的共享媒体技术 IEEE802参考模型与协议的基本概念 重点掌握 局域网的拓朴结构Ethernet局域网的基本工作原理CSMA CD协议 MAC帧 以太网的连接方法高速局域网 交换局域网的基本工作原理虚拟局域网的基本工作原理无线局域网的基本工作原理网桥的基本工作原理 3 4 IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准 它们统称为IEEE802标准 IEEE802标准之间的关系 5 1 4IEEE802参考模型 5 5 1 4IEEE802参考模型 IEEE802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系 IEEE802LAN的数据链路层 LAN的数据链路层分为两个功能子层 逻辑链路控制子层 LLC 介质访问控制子层 MAC LLC子层和MAC子层的功能将数据组成帧 并对数据帧进行顺序控制 差错控制和流量控制 使不可靠的物理链路变为可靠的链路 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由于局域网现在基本采用以太网 LLC变得没那么重要 网络层直接将分组封装到以太网数据帧中 我们不再讨论LLC 6 IEEE802标准系列 802 3CSMA CD总线网的MAC和物理层的规范 802 11无线局域网的MAC和物理层的规范 802 15近距离个人区域无线网络 802 16宽带无线城域网 7 局域网概述 局域网产生的原因80年代 微型机发展迅速 彼此需要相互通信 近距离 共享资源 功能分布 分布式计算 分布式数据库 局域网的概念 局域网 LocalAreaNetwork 简称LAN 是计算机网络的一种 局域网是在一个较小的范围 一个办公室 一幢楼 一家工厂等 利用通信线路将众多计算机 一般为微机 及外围设备连接起来 达到数据通信和资源共享的目的 8 局域网的拓朴结构 最常见的局域网拓朴结构有星型 环型 总线型和树型 如图所示 集线器 a 星型网 b 环型网 c 总线网 d 树型网 图1局域网的拓朴结构 注 图 a 在物理上是一个星型网 但在逻辑上仍是一个总线网 干线耦合器 匹配电阻 9 介质访问控制的基本概念 多个主机同时在一条共享介质上发送数据 就会产生冲突 10 如何解决传输冲突 介质访问控制方法要解决以下几个问题 该哪个结点发送数据 发送时会不会出现冲突 出现冲突怎么办 使用介质访问控制 MAC mediumaccesscontrol 方法 两种基本方法 1 设定一个中心控制主机 由它来决定主机发送数据的顺序 无冲突2 分布式控制 各个主机自主决定 需解决冲突问题 11 局域网中最常用的介质访问控制方法 介质访问控制方法控制网络节点何时能够发送数据 IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法 IEEE802 3载波监听多路访问 冲突检测 CSMA CD IEEE802 4令牌总线 TokenBus IEEE802 5令牌环 TokenRing 12 令牌环网 基本原理环中数据沿着一个方向绕环逐站传输 谁可以发送帧 是由一个沿着环旋转的称为 令牌 Token的特殊帧来控制的 只有拿到令牌的站点可以发送帧 而没有拿到令牌的站只能等待 令牌有 闲 和 忙 两个状态 一个站点有数据要发送 必须等空闲令牌到来 截获到空闲令牌 置令牌的状态为 忙 并把要传送的数据加上去 令其继续往前传送 每到一个站点 该站点的转发器便将帧内的目的地与本站的地址进行比较 如果两地址符合 则复制该帧 并在帧中置入 已收到 标志 然后让帧继续传送 当传送回发源站点时 若没有检查到 已收到 标志则继续发送当前帧 否则撤消所发送的数据帧并立即生成一个新的令牌发送到环上 这时还有数据就继续发送 否则生成空闲令牌 令牌总线工作过程类似 持有令牌时一定时间内可发送数据 令牌工作过程 载波监听多路访问 冲突检测CSMA CD 所有节点都通过总线发送与接收数据 但同一时刻只允许一个节点发送 以广播的方式 其它节点只能以收听的方式接收数据可能会出现多个节点同时发送数据的情况 出现冲突 collision 造成多个节点的传输都失败 各个节点通过竞争的方式来获取发送权 获得发送权的时间是不确定的 因此属于随机型介质访问控制方法 15 CSMA CD与TokenBus TokenRing的比较 CSMA CD的特点 算法简单 易于实现是一种随机访问控制方法 实时性得不到保证 适合办公环境网络通信负荷增大时 冲突增多 网络吞吐率下降 传输延迟增加TokenBus TokenRing的特点发送数据的时间间隔是确定的 实时性有保证 是确定型的访问控制方法 适合工业环境网络通信负荷增大时 没有浪费时间 网络吞吐率与传输延迟都很好环的维护过程复杂 实现困难 16 5 1 3以太网Ethernet的产生和发展 Ethernet的核心技术是CSMA CD介质访问控制方法 随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA 1968 1972 Xerox创建第一个实验性的以太网 1972 1977 DEC Intel和Xerox将以太网标准化 1979 1983 IEEE802 3标准问世 1982年 10BASE 5出现 10BASE T结构化布线的历史 1986 1990 交换式和全双工制以太网的出现 1990 1994 快速以太网的出现 1992 1995 千兆网的出现 1996至今 17 高速以太网的发展背景 当局域网的节点数不断增加时 每个节点平均分配到的带宽将原来越少 冲突和重发次数将大幅增长 三种可能的解决方案 提高数据传输速率增加传播延时带宽积延时带宽积 传播延时X带宽将共享介质方式改为交换方式 建立多个并发连接将一个大型局域网划分成多个小型局域网 使得每个子网的内部节点数减少 18 数据在总线传播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 5 2Ethernet基本工作原理 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 19 为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 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 20 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 21 CSMA CD协议的工作流程 CSMA CD协议的工作过程通常可以概括为 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发 22 载波监听多点接入 碰撞检测CSMA CD CSMA CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 也叫带有冲突检测的载波侦听多路访问协议 是一种随机争用型的介质访问控制方法 多点接入 表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上 载波监听 是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据 如果有 则暂时不要发送数据 以免发生碰撞 总线上并没有什么 载波 因此 载波监听 就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号 以太网规定发送的数据采用曼彻斯特编码 23 碰撞检测 碰撞检测 就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小 当几个站同时在总线上发送数据时 总线上的信号电压摆动值将会增大 互相叠加 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 表明产生了碰撞 所谓 碰撞 就是发生了冲突 因此 碰撞检测 也称为 冲突检测 24 检测到碰撞后 正常发送时 计算机发送的数据都是使用曼彻斯特编码的信号 在发生碰撞时 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碰撞 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 25 电磁波在总线上的有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时 也可能总线并非真正是空闲的 A向B发出的信息 要经过一定的时间后才能传送到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 碰撞的结果是两个帧都变得无用 每个站点都是在监听到信道 空闲 时才发送数据的 为什么还会发生碰撞 根本原因是因为电磁波在媒体上的传播速度总是有限的 26 假设局域网两端的站A和站B相距1km 电磁波在1km电缆上的传播时延约为5 s 单程传播时延记为 数据帧发生冲突的示意图 27 1km A B t t B检测到信道空闲发送数据 t 2发生碰撞 A B A B t 0A检测到信道空闲发送数据 A B t 0 A B 单程端到端传播时延记为 A和B发送数据均失败 它们都要推迟一段时间后再重新发送 28 冲突窗口 最先发送数据帧的站点 至多经过时间2 两倍的端到端往返时延 就可以知道该帧是否发生了碰撞 经过2 还没有检测到碰撞 才能肯定这次发送不会发生碰撞 以太网的端到端往返时延2 称为冲突窗口 其中 D V D为总线传输介质的最大长度 V为传播速度 以太网物理层协议规定了总线最大长度 因此可确定冲突窗口大小 29 最短有效帧长 30 为了保证任何一个节点在发送任何一个数据帧都能检测到可能存在的冲突 就要求发送一个最短帧的时间都要超过冲突窗口的时间 Lmin为最短帧的长度 S为发送速率以太网取51 2 s为竞争窗口的长度 对于10Mb s以太网 在竞争窗口内可发送512bit 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 因此冲突窗口又称为争用期 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 或 发现冲突 停止发送 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时 除了立即停止发送数据外 还要再继续发送若干比特的加强干扰序列信号 jammingsignal 发送加强干扰序列信号的目的是 确保有足够的持续冲突时间 使得网络中所有节点都能检测出冲突的存在 31 人为干扰信号 A B t B也能够检测到冲突 并立即停止发送数据帧 接着就发送干扰信号 这里为了简单起见 只画出A发送干扰信号的情况 32 随机延迟重发 问题 考虑这样的一种情形 当某站正在发送数据时 另外两个站有数据要发送 这两个站进行载波监听 发现总线忙 于是就等待 当它们发现总线变为空闲时 就立即发送自己的数据 但这必然再次发生碰撞 经检测发现了碰撞 就停止发送 然后再重新发送 这样下去 一直不能发送成功 解决这一问题 需要采用所谓的退避算法 33 退避算法 就是让发生碰撞的站在停止发送数据后 不是立即再发送数据 而是推迟 这叫做退避 一个随机时间才能再发送数据 具体做法是 1 确定基本退避时间 一般是取为争用期2 2 定义参数k 它等于重传次数 但k不超过10 k 10 即k min 重传次数 10 3 从离散整数集合 0 1 2 2k 1 中随机地取出一个数 记为r 重传所需的时延就是r倍的基本退避时间 4 当重传达16次仍不能成功时 则丢弃该帧 并向高层报告 这样做是为了减小再次发生碰撞的概率 说明想发送数据的站太多 以致连续发生碰撞 二进制指数类型退避算法 truncatedbinaryexponentialtype 34 重要特性 使用CSMA CD协议的以太网不能进行全双工通信而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 存在着遭遇碰撞的可能性 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率 35 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 DIXEthernetV2标准IEEE的802 3标准IEEE802 3标准的MAC帧和EthernetV2的MAC帧相似 不同点在第三字段 在EthernetV2中该字段表示LLC的上层所使用的协议类型 而在802 3标准中该字段表示后面数据字段的长度 最常用的MAC帧是以太网V2的格式 36 5 2 2Ethernet帧结构 Ethernet帧结构 前导码与帧前定界符字段目的地址和源地址字段长度 类型字段LLC数据字段帧校验字段 37 Ethernet帧结构的讨论 前导码与帧前定界符字段前导码或前同步码 是用来迅速实现MAC帧的比特同步 有7个字节 即10101010 101010比特序列帧前定界符或帧开始定界符 是表示后面的信息就是MAC帧 1字节 10101011目的地址和源地址字段地址字段长度 2个字节或6个字节目的地址类型 单一结点地址 unicastaddress 多点地址 multicastaddress 广播地址 broadcastaddress 38 长度 类型字段帧的最小长度为64字节 最大长度为1518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 LLC数据字段 46 1500B LLC数据字段是帧的数据字段 长度最小为46个字节少于46个字节 需要填充整数字节的字段 以保证以太网的MAC帧长不小于64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帧校验字段采用32位的CRC校验校验的范围是 目的地址 源地址 长度 LLC数据等字段 Ethernet帧结构 39 40 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 以太网V2的MAC帧格式 目的地址字段6字节 41 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 以太网V2的MAC帧格式 源地址字段6字节 42 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 以太网V2的MAC帧格式 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 43 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 以太网V2的MAC帧格式 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 44 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 以太网V2的MAC帧格式 FCS字段4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 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 45 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 以太网V2的MAC帧格式 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 表示后面的信息就是MAC帧 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 46 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 无效的MAC帧 47 Ethernet接收流程 48 帧间最小间隔为9 6 s 相当于96bit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的接收缓存来得及清理 做好接收下一帧的准备 帧间最小间隔 49 5 2 4Ethernet网卡设计与物理地址 计算机与局域网的连接和通信是通过网络接口卡NIC NetworkInterfaceCard 来实现的 网络接口卡又称为通信适配器 adapter 简称为网卡 网卡和局域网之间的通信是以串行方式进行的 网卡覆盖802 3的mac子层与物理层当网卡收到一个有差错的帧时 就将该帧丢弃 当收到一个正确的帧时就用中断来通知计算机并交付给协议栈中的网络层 当计算机要发送一个IP数据报时 就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网 50 图2图解PCI网卡 图1一块10 100Mbps的PCI网卡 51 网卡的功能 数据的封装与解封发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部 成为以太网的帧 接收时将以太网的帧剥去首部和尾部 然后送交上一层 链路管理主要是CSMA CD协议的实现 编码与译码即曼彻斯特编码与译码 网卡的重要功能 进行串行 并行转换 对数据进行缓存 在计算机的操作系统安装设备驱动程序 实现以太网协议 52 Ethernet物理地址 MAC地址 在局域网中 硬件地址又称为物理地址或MAC地址 这一地址被固化在每个网卡的ROM中 每个网卡在出厂时都赋于了一个全世界范围内唯一的地址编号 地址为6字节 即48位 所有网卡制造商对网卡地址范围达成协议 每个制造商只能使用许可范围内的地址 这样可保证生产出来的网卡不使用重复的地址 IEEE的注册管理委员会RAC负责分配地址6个字节中的前3个字节 称为地址块 一个地址块中的24位可以生产224 16777216个网卡地址 后三个字节的地址由制造厂家自行安排 例如以下公司生产的网卡的MAC地址的前3个字节为 公司 Cisco00 00 0cNovell00 00 1B00 00 D83Com00 20 AF00 60 8CIBM08 00 5A 53 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 54 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 55 5 2 5Ethernet物理层标准命名方法 了解常见的命名含义 如 IEEE802 310Base 5 表示传输速率为10Mbps 基带传输 粗同轴电缆 最大长度为500m的物理层标准IEEE802 310Base 2 表示传输速率为10Mbps 基带传输 细同轴电缆 最大长度为200m的物理层标准IEEE802 310Base T 表示传输速率为10Mbps 基带传输 使用双绞线的物理层标准 56 5 3交换式局域网与虚拟局域网技术 共享式以太网采用了以共享集线器为中心的星型连接方式 但其实际上是总线型的拓扑结构 当网络规模不断扩大时 冲突大大增加 网络整体性能下降 在网络节点较多时 以太网的带宽使用效率只有30 40 57 传统共享式以太网共用传输介质 交换式以太网 SwitchingEthernet 交换式以太网交换机 Switch 是工作在数据链路层 根据接入交换机帧的mac地址 过滤 转发数据帧的一种网络设备采用交换机作为中央设备的以太网成为交换式以太网 交换机提供了多个通道 允许多个用户之间同时进行数据传输 58 59 交换式局域网 基于硬件交换技术 共享式局域网与交换式局域网的比较 交换式以太网的工作原理 交换机对数据的转发是以网络节点计算机的MAC地址为基础的 交换机在内部建立一个 端口 MAC地址 映射表 建立映射表后 当某个端口接收到数据帧后 交换机会读取出该帧中的目的节点MAC地址 并通过 端口 MAC地址 的对照关系 迅速的将数据帧转发到相应的端口 以太网交换机对数据帧的转发方式分为三类 直接交换 改进直接交换与存储转发交换 60 交换机对数据帧的转发方式一 直接交换方式 Cut Through 不接收完整个转发的帧 只收到帧中最前面的源地址和目的地址即可 根据目的地址找到相应的交换机端口 并将该帧发送到该端口 特点优点 速度快 延时小 缺点 在转发帧时不进行错误校验 可靠性相对低 另外 不能对不同速率的端口转发 100到10Mbps时就需要缓冲帧 61 交换机对数据帧的转发方式二 存储转发交换方式 Store and Forward 与直接交换方式类似 不同处在于要把信息帧全部接收到内部缓冲区中 并对信息帧进行校验 一旦发现错误就通知源发送站重新发送帧 特点优点 可靠性高 能支持不同速率端口之间的转发 缺点 延迟时间大 交换机内的缓冲存储器有限 当负载较重时 易造成帧的丢失 62 交换机对数据帧的转发方式三 改进的直接交换方式将前两者结合起来 在收到帧的前64字节后 判断帧的帧头字段是否正确 特点 对于短的帧 交换延迟时间与直接交换方式相同 对于长的帧 交换延迟时间减少 63 虚拟局域网VLAN 什么是虚拟局域网 VLAN 通过路由和交换设备 在网络的物理拓朴结构基础上建立一个逻辑网络 以使得网络中任意几个局域网网段或 和 节点能够组合成一个逻辑上的局域网 建立在局域网交换机上 以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理 逻辑工作组的节点组成不受物理位置的限制 同一逻辑分组的成员可以分布在相同的物理网段上 也可以分布在不同的网络上 64 65 VLAN的划分方法 基于交换机端口的虚拟局域网基于交换机端口的虚拟局域网无法自动解决节点的移动 增加和变更问题 如果一个节点从一个端口移动到另一个端口时 网络管理者必须对虚拟局域网成员进行重新配置 66 VLAN中使用集线器 当交换机端口连接的是一个集线器时 由于集线器所支持的是一个共享介质的多用户网络 因此 按交换机端口号的划分方案只能将连接到集线器的所有用户划分到同一个VLAN中 67 基于MAC地址的虚拟局域网 优点 允许节点移动到网络其它物理网段 可以解决基于端口的VLAN所不能解决的问题 将一个集线器连接区域内的节点划分到不同的VLAN中 缺点 需要对大量的毫无规律的MAC地址进行操作 68 69 基于网络层地址的虚拟局域网 使用节点的网络层地址来配置虚拟局域网 要求交换机能够处理网络层的数据 有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网 用户可以随意移动节点而无需重新配置网络地址 一个虚拟局域网可以扩展到多个交换机的端口上 甚至一个端口能对应于多个虚拟局域网 由于检查网络层地址比检查MAC地址的延迟要大 因此 这种方法影响了交换机的交换时间以及整个网络的性能 70 VLAN的优点 控制网络的广播风暴 一个VLAN中广播发送的数据不会发送到另一个VLAN 确保网络的安全性 网络管理员可以制定交换机转发规则 简化网络管理 可通过软件设置的方法灵活组网 71 5 4高速Ethernet的研究与发展 背景工作站的处理能力增强各种应用的功能越来越强多媒体 视频会议 虚拟现实 计算机辅助设计CAD等 异步应用要求计算机系统有较大的带宽 同步应用要求实时的传送数据 要求高的数据带宽 网络延迟短 可靠性高 服务器的集中化提供服务器的集群 便于管理 提高安全性 文件的大小日益增加要求更高的网络带宽 网络用户和工作站数目的日益增加 72 73 5 4 1快速以太网 FastEthernet的传输速率比普通Ethernet快10倍 数据传输速率达到了100Mb s FastEthernet保留着传统的帧格式 介质访问控制方法与组网方法 每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns 1995年9月 IEEE802委员会正式批准了FastEthernet标准IEEE802 3u 100Base T的三种标准 100Base TX支持2对五类非屏蔽双绞线 UTP 或2对一类屏蔽双绞线 STP 其中1对用于发送 另1对用于接收 因此100Base TX可以全双工方式工作 每个节点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据 使用五类UTP的最大距离为100米 100Base T4支持4对三类非屏蔽双绞线UTP 其中有3对用于数据传输 1对用于冲突检测 100Base FX支持2芯的多模或单模光纤 100Base FX主要是用作高速主干网 从节点到集线器HUB的距离可以达到450米 74 千兆位以太网 GigabitEthernet 及其它以太网 千兆位以太网产生的背景 千兆位以太网同样保留着传统的100Base T的所有特征 GigabitEthernet标准的工作是从1995年开始的 1995年11月IEEE802 3委员会成立了高速网研究组 1996年8月成立了802 3z工作组 主要研究使用光纤与短距离屏蔽双绞线的GigabitEthernet物理层标准 1997年初成立了802 3ab工作组 主要研究使用长距离光纤与非屏蔽双绞线的GigabitEthernet物理层标准 其它 10GigabitEthernet 40GigabitEthernet 100GigabitEthernet 光以太网 城域以太网 75 5 5以太网组网设备与组网方法 10Base 5 10Base 2与中继器数字信号在同轴电缆中传输会有衰减 因此单根同轴电缆的长度有所限制 要想传输更远距离 需使用中继器中继器的特点 工作在物理层 只对信号进行接收 放大 整形与转发的作用 不属于网络互联设备不涉及帧的结构 不对帧进行任何处理 只起到增加电缆长度的作用不同电缆上的节点仍然属于同一个局域网中继器的使用数量有限制 76 集线器 10BaseT 集线器的作用相当于一个多端口的中继器 转发器 数据从集线器的一个端口进入后 集线器会将这些数据从其他所有端口广播出去 扩充信号传输距离 将信号放大并整形后再转发 消除信号传输的失真和衰减 集线器 用集线器 Hub 作为以太网的中心连接设备时 所有的结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接 以太网从物理结构上看是星型结构 但在逻辑上仍是总线型结构 并且MAC层仍然采用CSMA CD介质访问控制方法 当集线器接收到某个结点发送的帧时 立即将数据帧通过广播方式转发到其他连接端口 普通的集线器都提供两类端口 用于连接结点的RJ 45端口 用于扩展的向上连接端口 集线器很像一个多端口的转发器 工作在物理层 单一集线器结构组网 堆叠式集线器结构 集线器的级联 使用双绞线通过集线器的RJ 45端口实现级联 5 6局域网互连与网桥 局域网互连的基本概念局域网互连的应用环境一个单位的多个部门局域网的互连 办公楼之间局域网的互连 将数千台计算机按地理位置或组织关系划分为多个子网的互连 超过单个局域网的最大覆盖范围的多个局域网互连 企业中部门的信息对安全 保密方面要求不同的局域网互连 82 网桥的基本工作原理 网桥基本特征 网桥在数据链路层 MAC层 上实现局域网互连 网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议 不同传输介质与不同传输速率的网络 网桥以接收 存储 地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信 网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议 网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量 有利于改善互连网络的性能与安全性 83 网桥的路由策略 网桥帧转发过程 84 网桥的基本分类 按照网桥转发表的建立方法 分为两类 源路由网桥 sourceroutingbridge 透明网桥 transparentbridge 85 源路由网桥的主要特点 由发送帧的源结点负责路由选择 假定每个结点都知道发往各个目的结点的路由 发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中 为了发现适合的路由 源结点以广播方式向目的结点发送一个用于探测的发现帧 发现帧将在整个通过网桥互连的局域网中沿着所有可能的路由传送 当这些发现帧到达目的结点时 就沿着各自的路由返回源结点 源结点在得到这些路由信息之后 从所有可能的路由中选择出一个最佳路由 86 透明网桥的主要特点 透明网桥由各个网桥自己来决定路由选择 局域网上的各结点不负责路由选择 网桥对于互连局域网的各结点来说是 透明 的 透明网桥一般用在两个使用同样的MAC层协议的网段之间的互连 例如连接两个Ethernet网段 或两个令牌环网 87 生成树 spanningtree 算法 网桥互联的环状结构要避免出现环路的情况 88 网桥与中继器 集线器 交换机的比较 见P181表5 2中继器 只起延长线缆的作用集线器 节点仍然处于同一个冲突域 89 网桥 可隔开多个局域网 有各自的冲突域对于广播 多播的数据帧 或者在转发表中找不到目的端口 网桥 盲目地 广播 使网络无用的通信量剧增 造成 广播风暴 90 5 7无线局域网 由于无线局域网可以在不受地理条件限制 通信不便利以及移动通信的情况下 组建计算机网络 因此具有有线网络不可取代的优势 早已经成为潜力巨大的市场 90年代初 工作在900MHz 2 4MHz和5GHz频率上的无线局域网设备就已经出现 但是由于价格 性能 通用性等种种原因 没有得到广泛应用 1997年6月 第一个无线局域网标准IEEE802 11正式颁布实施 为无线局域网的物理层和MAC层提供了统一的标准 有力推动了该市场的快速发展 91 无线局域网的功能与组成 功能提供对现有有线网络的临时连接帮助提供对现有网络的备份提供一定程度的可携带性扩展网络 使其突破物理连接的限制从所用基础设施区分 有固定基础设施的无线局域网无固定基础设施的无线局域网自组织网络 adhocnetwork 92 有固定基础设施的无线局域网 无线局域网的标准 IEEE802 11 一个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 93 802 11标准中的服务集 802 11标准规定了无线局域网的最小构件是 基本服务集 BSS 在一个基本服务集BSS内 所有的站均运行同样的MAC协议并以争用方式共享同样的媒体 一个基本服务集可以是孤立的 也可以通过一个接入点AP连接到一个主干 分配系统 DS 接入点AP的作用与网桥相似 也就是控制模块 而分配系统通常就是一个有线主干局域网 一个扩展服务集包括两个或更多的基本服务集 而这些基本服务集通过分配系统连接在一起 扩展服务集