第四章局域网

第四章局域网 主要内容 局域网概述局域网参考模型CSMA CD和IEEE802 3标准令牌总线访问控制和IEEE802 4标准令牌环访问控制和IEEE802 5标准局域网性能 局域网概述 局域网的理解通信网络的一种形式 IEEE802局域网是共享媒体的对等通信网络 对所有站点广播信息 本身不提供保密性 通过公共物理媒体使得各站点能实现点到点的直接通信 而不需要中继的交换节点 局域网和广域网的主要不同有以下几个方面 局域网覆盖范围小 通常为一座或一组楼群 局域网通常由某个组织单独拥有 局域网的内部数据传输速率要比广域网高的多 LAN的特点 覆盖范围小房间 建筑物 园区范围距离 25km高传输速率10Mbps 1000Mbps低误码率 10 8 10 10拓扑结构 总线 星形 环形拓扑传输媒体 双绞线 同轴电缆 光纤为一个单位所拥有 自行建设 不对外提供服务 拓扑结构 1 拓扑通信网络中 指连接于网络中的端系统或工作站之间互连的方式 局域网常见的拓扑形状为 总线型 所有结点都直接连接到共享信道星型 所有结点都连接到中央结点环型 结点通过点到点链路与相邻结点连接总线形是树形的一个特例 只有主干而无分支 而当忽略两者的区别时 我们统称为总线 树形拓扑 LAN典型拓扑结构 树形 总线拓扑 主要特性 使用一个多点媒体 因此不存在转发或重发的问题 端接器 任何一个站点发出的信号向两个方向广播 并可被其他所有站点接收 吸收任何信号 并移出总线 传输媒体双绞线 基带 宽带同轴电缆 光纤这种设计存在的问题 指明传送的目标站点 帧中携带地址冲突产生需要规范传送机制 访问控制方式 环形拓扑 转发器在环形拓扑中 局域网或城域网由一组转发器组成 这些转发器之间通过点到点的连接组成一个闭合环路 特点 闭合的环路媒体 双绞线 基带同轴电缆 无线媒体源站点将媒体上的信号移出网外单向传输问题帧何时插入 星形拓扑 中心节点在星形局域网拓扑中 每个站点直接与一个公共的中心节点连接 一般而言 每个站点通过两条点到点的连接到一个中心节点 其中每一条链路各负责一个方向的传输 物理拓扑与逻辑拓扑物理媒体 双绞线 光纤 无线媒体两种操作集线器 总线型的逻辑拓扑结构交换机 星型的逻辑拓扑结构 混合拓扑 混合拓扑总线和星型环形和星型层次星型和树型传输媒体和拓扑的选择总线拓扑结构的配置最灵活 而且它的配置非常简单 环形拓扑结构覆盖的范围相当广而且速度非常的高 但是它的缺点为 一条链路或一个转发器的故障会导致整个网络的瘫痪 星形拓扑在建筑物中进行布线时非常简单和自然 它最合适用于短距离传输 而且非常适合于局域网站点数量相对少并且速率较高的场合 其他因素 网络负载 可靠性 支持的数据类型以及覆盖范围 局域网参考模型 局域网体系结构IEEE802标准逻辑链路控制LLC子层媒体访问控制MAC子层 局域网体系结构 IEEE802 1标准定义了关于局域网的参考模型 图IEEE802参考模型和OSI参考模型 局域网体系结构 物理层的功能 信号的编码 解码 前导的生成 去除 位的传输 接收传输媒体和拓扑结构的说明链路层的功能 在传输时 将传输的数据组装成帧在接收时 将收到的帧解包 进行地址识别和差错检测管理和控制对传输媒体的访问为高层协议提供相应节口 进行流量和差错控制 LLC 局域网体系结构 DL划分的原因 局域网的通信已经复杂到有必要将其分解为更小且更容易管理的子层介质不同 拓扑不同 协议不同 不可能只使用单一的技术满足所有的需求共享媒体的访问控制逻辑没有定义达到的目的与HDLC规程相一致与网络拓扑 传输速率 传输媒介 编码技术无关 LAN的数据链路层 按功能划分为两个子层 LLC和MAC功能分解的目的 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开 降低实现的复杂度 分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法 LLC 与介质 拓扑无关 MAC 与介质 拓扑相关 LLC逻辑链路控制子层 与传统的数据链路层的异同 相同都仅涉及两个站点间链路层协议数据单元的传输在传输时不需要中继交换节点的参与不同局域网的链路是共享媒体 链路不是点到点 必须支持多点访问LLC子层功能 向高层提供SAP 建立 释放逻辑连接 差错控制 帧序号处理 提供某些网络层功能 组播和广播功能 逻辑链路控制LLC子层 LLC为用户提供三种类型的服务以供选择 无确认无连接服务数据报方式支持单点 多点 广播有连接服务只支持单点传送 无组 广播有确认无连接服务 提供对数据报的确认机制 同时在进行数据传输前无需建立逻辑连接 逻辑链路控制LLC子层 LLC帧DSAP和SSAP与MAC中的地址共同标识用户LLC协议操作与类型操作I型操作 在对等L SAP之间交换L PDU不要求建立连接 对PDU的传输的情况不予确认 无流量控制和差错恢复II型操作 在对等L SAP之间交换带有数据域的L PDU之前 要求建立连接 允许由反方向传递的带有数据域的L PDU携带确认信息 无流量控制和差错恢复类型第一类LLC协议 只支持I型第二类LLC协议 均支持 媒体访问控制MAC子层 媒体 通信信道媒体访问 用户对通信信道的使用媒体访问控制 决定由谁使用信道解决问题 应该由哪个节点发送数据在发送时会不会出现冲突出现冲突后如何处理媒体访问控制决定广播链路中信道如何分配 使得对传输媒体的访问更加有序有效 媒体访问控制MAC子层 技术核心在什么地方进行控制集中方式 选取一个控制器 只有他可以授权使用信道优点 访问控制逻辑简单 避免对等实体分工合作带来困难 缺点 控制点会导致整个网络的瘫痪 形成瓶颈 降低效率 分布方式 所有站点共同使用相应的媒体访问控制机制来决定站点间传输的次序 如何控制对公共媒体的访问同步机制 多路复用 无法采用 因每个站点的传输无法预知异步机制 时间片轮转预约竞争 MAC帧 MAC层从LLC层接收一块数据 并进行相应的媒体访问控制 然后把数据传输出去 和其他协议一样 MAC层会组装一个MAC数据单元 PDU 这个PDU又叫作MAC帧 在大多数链路控制协议中 不仅使用CRC来检测错误 而且会通过重传该毁坏帧来纠错 在LAN中 两种功能分别属于MAC和LLC层 MAC子层的地址 IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址 它是站点的全球唯一的标识符 与其物理位置无关 MAC地址 物理地址 MAC地址为6Byte 48位 目标地址的最高位为0时表示普通地址 为1表示组地址 全1的目标地址上广播地址 所有站都接收这种帧 MAC地址的前3个字节 高24位 由IEEE统一分配给厂商 低24位由厂商分配给每一块网卡 网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址 IEEE802标准 1 参考模型 实现模型 图IEEE802参考模型和实现模型 IEEE802标准 2 工作组名称研究内容802 1高层接口 HILI 包括网络结构 网际合作和LAN的网络管理802 2逻辑链路控制 LLC 802 3载波监听多路访问 冲突检测 CSMA CD 802 4令牌总线802 5令牌环802 6城域网 MAN 802 7广域技术建议组 BBTAG 802 8光钎技术建议组 FOTAC 802 9综合业务局域网接口 ISLAN 802 10交互性局域网安全性标准 SILS 802 11无线局域网 WLAN 802 12命令优先级802 13基于有线电视的广域通信网 历史 以太网的核心技术是共享公共媒体传输介质的介质存取控制方法 思想来源于ALOHA网在1970年信息处理协会论文中 BobMetcalft发现了ALOHA网论文中关于网络模型的错误 在修改模型的基础上 提出了 冲突检测 载波侦听 机制与 随机后退延迟 算法 以此作为哈佛大学博士论文通过答辩1972年 与DavidBaggs开发出第一个实验性的局域网1973年 命名为Ethernet1976年 发表以太网的核心技术介质存取控制方法CSMA CD1977年 与同时共同申请专利 ALOHA 20世纪60年代末 夏威夷大学为了将在夏威夷各个岛屿的不同校区之间进行计算机通信而研发的一个以无线广播方式工作的分组交换网纯ALOHA协议基本思想网络中的任一个结点都可以随时发送数据 想发则发 具体操作用户发送数据 等待2R t时间 如果收到确认 则传输成功 否则 等待随机时间后重新发送数据帧 多次发送后仍失败 放弃 容易产生冲突 但协议简单 ALOHA 效率帧时T 发送一个标准长度的帧所需要的时间t 帧长 位传输速率吞吐量s 无限多用户 平均每帧时产生的新帧数s 1 用户产生新帧的速率大于信道处理的能力 不合理 00高负荷 G S关系 S G P0 其中 P0发送的帧不会产生冲突的概率 ALOHA P0计算冲突时间如果一次传输所需要的时间为T 则冲突危险区为2个帧时 一次成功的传输 必须保证其他用户在2个帧时没有数据发送 普阿松分布在任意一个帧时内 生成k帧的概率服从普阿松分布Pr k Gk E G K 生成0帧的概率为 Pr 0 e G 在整个冲突危险区内无任何其他帧产生的概率为 P0 e G e G e 2G ALOHA 吞吐量计算S G P0 G e 2G最大吞吐量计算S e 2G 2Ge 2G 1 2G e 2GG 0 5 Smax 1 2 G 0 184结论 负载增加 冲突次数迅速上升 信道利用率最多为18 4 分析原因 不对结点发送数据的时间做任何的约束 分槽ALOHA协议 1972年 Robert提出了改进算法 即分槽ALOHA协议 时槽 信道上的时间被分成离散的时间间隔 大小相当于帧的传输时间 基本思想 所有需要发送数据帧的结点只能在时槽开始处才能传输数据具体操作 等待时隙开始处传送帧 冲突分析 只有在同一个时槽开始进行传输的帧才有可能冲突 所以冲突危险区比纯ALOHA降低了一半 分槽ALOHA 效率S G P0 G e G最大吞吐量计算S eG Ge 2G 1 G eGG 1 Smax 1 G 0 368结论 负载增加 冲突次数迅速上升 信道利用率最多为36 8 小结 1 2 ALOHA的优点适用无任何协调关系的多用户单信道竞争使用权的系统两者的区别 是否将时间分散为离散的时隙ALOHA的缺点每个站点都可以任意发送 不考虑其他站点 致使冲突高 效率低 没有考虑局域网的特点 与帧的传输时间相比 传播时间很短 小结 2 2 当传输时间传播时间 当一个站点开始传输后 别的站点立刻会知道 因此可以等待 传播延迟越短 站点越能更快了解到网络的状态反馈 有助于提高效率 又称为先听后说 LBT ListenBeforeTalk 基本思想想要传输的站点首先侦听媒体上是否有其他站点传输 如果媒体忙 则等待 如果空闲 则传输 具体操作侦听信道 媒体忙 则等待 媒体闲 发送数据 发送后 等待确认 如没收到 重发 冲突 两个或多个站点都侦听到信道空闲 同时发送了数据 效率 要远好于ALOHA 但取决于帧的平均长度和传播时间 帧越长 传播时间越短效率越高 载波监听多路访问CSMA协议 1 2 等待的方法在CSMA机制中 当发现媒体忙时 需要一个算法来决定该怎么办 非坚持CSMA 不坚持监听 等待一个随机延迟时间后 再重复CSMA1坚持CSMA协议 坚持监听 一直坚持侦听到信道空闲为止 信道空闲则发送数据帧 P坚持CSMA协议坚持监听 直到监听到信道空闲 信道空闲以概率p发送 以概率 1 p 延迟一个时间 重新监听信道 载波监听多路访问CSMA协议 2 2 在CSMA中 两个帧发生冲突 在这两个坏帧传输的这段时间内 其他站点都不能传输 改进 载波监听多路访问 冲突检测CSMA CD基本思想侦听信道 如信道闲 则传输 否则信道忙 一直监听直到信道空闲 在发送过程中 侦听信道 如侦听到冲突 则发送一个人为干扰信号 让所有站点都知道发生了冲突并停止传输 发送干扰信号 等待随机时间 再次试图传输 载波监听多路访问 冲突检测CSMA CD 具体操作载波监听 先听后发冲突检测 边听边发冲突停止 发现冲突 停止发送延迟重发 二进制指数退避算法 载波监听 先听后发以太网的物理层规定发送的数据采用曼彻斯特编码方式 可以通过判断总线电平是否出现跳变来判断总线的忙闲状态 忙 总线电平将会按曼彻斯特编码规律出现跳变闲 总线电平将不会发送跳变冲突检测 边听边发载波侦听并不能完全消除冲突方法 比较法 编码违例判决法 载波监听多路访问 冲突检测CSMA CD 冲突停止 发现冲突 停止发送冲突加强信号 确保有足够的冲突持续时间 使用网中所有结点都能检测出冲突 并立即丢弃冲突帧 减少因冲突浪费的时间 提高信道利用率 延迟重发 二进制指数退避算法 对每个数据帧 当第一次发生冲突时 设置一个参数L 21 1 退避间隔取其中的一个随机数 即等待0或1个时槽后重新发送 时槽 2R 当数据帧再次冲突 L 22 1 退避间隔取其中的一个随机数 即等待0或1 2 3个时槽后重新发送 当数据帧第10 16冲突 L 210 1 退避间隔取其中的一个随机数 即随机数时槽后重新发送 当数据帧第16冲突后 站点放弃传输 70年代中期由XeroxPaloAltoResearchCenter BobMetcalfe 提出 数据率为2 94M 称为Ethernet 以太网 经DEC IntelandXerox公司改进为10M标准 DIX标准 1985年定名为IEEE802 3 即使用1坚持的CAMA CD协议的LAN标准 数据率从1M到10M 现已发展到1000M 支持多种传输媒体 Ethernet是指基带总线LAN Ethernet和IEEE802 3的帧格式不同 Ethernet和IEEE802 3载波 IEEE802 3标准 1 表IEEE802 310Mb s物理层媒体选项 802 3布线介质标准 10Base5粗同轴10Base2细同轴10BaseT双绞线10BaseFMMF100BaseT双绞线100BaseFMMF SMF1000BaseX屏蔽短双绞线 MMF SMF1000BaseT双绞线 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AUI 连接件单元接口总线型拓扑用于网络骨干连接 最大段长度500米每段最多站点数100 两站点间最小距离2 5米 粗缆 Vampiretap BNC端子 收发器 AUI电缆 NIC 网络最大跨度2 5公里 10Base2 细同轴电缆 可靠性稍差BNCT型接头连接总线型拓扑用于办公室LAN 细缆 BNC接头 NIC 每段最大长度185m每段最多站点数30 两站点间最短距离0 5m 网络最大跨度925m 网络最多5个段 10BaseT 双绞线介质 UTP 以Hub 集线器 为中心节点 Hub 多端口转发器 拓扑结构为星形 逻辑上仍然是总线形 转发器 中继器的作用 将信号放大并整形后再转发 消除信号传输的失真和衰减 转发器 中继器 HUB 物理层设备 工作在物理层 用于小型LAN NIC HUB 段最大长度100m 10BaseF 星形拓扑结构使用光纤进行长距离连接 例如建筑物间连接 最常见的布线标准 10BaseFL 异步点到点链路 链路最长2km Ethernet 802 3操作 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据为决定那个站点接收 需要寻址机制来标识目的站点目的站点将该帧复制 其他站点则丢弃该帧 信号由终端电阻吸收 IEEE802 3标准 IEEE802 3标准描述了在多种媒体上的从1Mb s 10Mb s局域网解决方案 它的帧结构如下图所示 每帧以7个字节的前导字段开头 每个字节的内容为10101010 该字段经过曼切斯特编码会产生10MH 持续5 6 s的方波 从而使接收方和发送方的时钟同步 随后是帧起始定界符 它是一个10101011的序列 表示帧本身的开始 帧还包括了源地址和目的地址 它可能是一个普通地址 组地址或者广播地址 小结 以太网适合于不要求实时性操作的办公室环境下 即使有个别站因竞争不利而发不出帧或很长时间才能发出帧时也不会造成重大损失 但这种情况对工业环境下的实时控制是不利的 另外以太网中的分布控制和广播发送的特点对工作条件恶劣的工厂环境是很重要的优点 令牌环访问控制和IEEE802 5标准 令牌环控制最早于1969年在贝尔实验室研制的上采用 1971年提出了一种改进算法即分槽环 IEEE802采纳了令牌环技术作为局域网媒体访问控制方法的一个标准 即IEEE802 5标准 技术产生原因环实际上并不是一个广播介质 是不同的点到点链路组成的环 点到点链路有很多技术优势 各个站点是公平的 信道访问时间有确定的上界 环网工程几乎全部采用数字技术 令牌环访问控制 基本思想在令牌环中 当所有的站点都空闲时 一种特殊的比特格式 令牌在绕环运行 当一个站点向发送数据帧时 必须抓住令牌 并且在传输帧之前将令牌从环中删除 数据发送完毕 站点负责将令牌放置于环中 实现通过将3字节的令牌帧中的T比特位设置为1 令牌帧改造一个数据帧的起始序列 1 数据帧 0 令牌 令牌环访问控制 存在的问题令牌环容纳问题 当环中所有站点均空闲 环本身必须有足够的时延来容纳一个完整的令牌在环中流动 电缆断裂问题 解决令牌环容纳问题 每个站点增加1比特的时延 使站点时延和信号传播的时延大于令牌传输的时延 环网所容纳的比特数与站点数之和大于令牌的长度 电缆断裂问题 线路中心 改善网络的可靠性和可维护性 通常称为星形环 令牌环访问控制 线路中心 令牌环访问控制 环网容纳的比特数1比特的 物理长度 在数据传输的过程中 比特之间的相距间隔 假设数据的传输速率是RMb s 信号在信道的传播速度为200m s 则站点每隔1 R s就发送1比特 该比特传播的距离为200 Rm 如果环的速率为1Mb s 环长为1000m 则同一时刻只能有5比特在环上 即环网容纳的比特数是5 站点增加1比特的时延 侦听模式 发送模式 令牌环访问控制协议 令牌环 工作过程当网络初始化时 由指定的站点生成令牌 令牌沿着网络环单向逐站传送 只有当空令牌传到某站点 该站点才可发送数据 数据沿着网络环单向逐站传送 数据经过目的站时 目的站接收 复制 数据继续单向逐站传送 数据经过源站时 源站收回 不再传送 源站交出令牌 传送给下以站 特点 没有冲突发生 重负载下 效率接近100 令牌环访问控制协议 环接口有两种操作模式 侦听和发送 在侦听模式时 接收到的比特以1比特时延复制并输出 只有当站点抓住令牌时才进入发送模式 在该模式下 接口截断输入输出的连接 将它自己的数据输出到环上 发送站负责将发出的帧从环上移去 并转入侦听模式 令牌环访问控制协议 帧的确认机制利用帧中的帧状态字段FS的A 访问 和C 拷贝 来实现 FS 帧状态 ACXXACXX其中 A地址确认位 C帧复制位 X未定义位 AC两个位做两份备份 以防出错 首先 发送站点将AC位初始化为0 如果目的站点在环中 则目的站点将A位置为1 表示该地址已被确认 如目的站点复制该数据帧 则目的站点将C位置为1 表示数据接收 发送站点通过帧状态字段获知目的站点是否在环上 以及是否接收数据 如目的站点在环上但没有复制帧 发送站点可以在以后重发 令牌环访问控制协议 预约和请求令牌邻居最先享有申请获得令牌的机会优先级机制设置优先级 允许站点按不同的次序获取令牌优先级在本地定义 且令牌的优先级由AC字段的3个优先级位来设置 共8个级别 令牌的优先级通过预约机制来进行改变 预约由本地定义 且预约也由AC字段的3个预约位来设置 共8个级别 令牌环访问控制协议 优先级和预约算法欲发送数据的站点必须等待一个优先级小于站点优先级的令牌 等待时 如果经过的数据帧或令牌的预约位小于站点的优先级 则将预约值设置为该站点的优先级 实现预约 当站点获得令牌 则将令牌位的值设置为1变为数据帧 该帧的预约值清0 优先级字段的值保持不变 当站点撤销帧并且产生新令牌时 检查帧的预约位 如已经预约且预约值大于令牌优先级 则新令牌的优先级为预约值 预约值设置为0 然后将老优先级和当前优先级入栈 站点被指定为堆栈站点 只有该站点可以将令牌恢复到老优先级 例如 后图 优先级和预约算法示例 c 5 0 c top 12 优先级和预约算法小结 令牌环的优先级策略是一种严格的优先级机制 当高优先级的帧等待传输时低优先级的帧没有任何发送的机会 导致低优先级的帧在很长的一段时间内都没有办法通过令牌传送 设置令牌持有时间THT 不允许有任意长度的帧 因为设置了令牌持有时间 可以计算出令牌轮转时间TRT TRT 活跃站点数 THT 环延迟 令牌环访问控制协议 早释令牌问题 如果发送的数据帧大于环网位长 则传输没有结束 帧的头部已回到传输站点 所以数据传输完毕 可以马上发出令牌 如果发送的数据帧长小于环网位长 则传输结束 必须等待传输的帧的头部回来 才可以发出令牌 致使效率降低 解决 早释令牌ERT earlytokenrelease允许一个站点传输完毕 不论数据帧的头部是否返回 可以发出令牌 优先级是最近受到的帧的优先级 令牌环访问控制协议 环维护设一个监控站进行管理 若它失效 由竞争选举地址最高的站点将为监控站 通过请求令牌帧CT实现 由帧控制字段具体实现 监控站的任务环的初始化 产生令牌 保证令牌不丢失 通过超时计时器 收回无效令牌帧 产生新的令牌 消除无限循环帧 孤儿帧 通过访问控制字段的监控位实现 IEEE802 5标准 提供多种数据速率 4Mbps 16Mbps支持多种传输媒体 双绞线 光纤采用差分曼彻斯特编码令牌持有时间为91ms 4Mbps的LAN最大帧长4550字节 16Mbps的LAN最大帧长18200字节 帧格式如下 局域网性能分析概述 研究的问题不同拓扑结构的局域网 他们的最大吞吐量是多少 前提N个站点 具有规范化的最大传播延迟 最大传播延迟 a 传播时间 传输时间传播时间等于链路距离d除以传播速率V 传输时间等于帧长L除以数据速率B a d V L B Bd V L Bd V 用比特表示的媒体长度 即线路上能容纳的最大比特数 是由线路的物理特性决定的 a 数据链路长度 帧长度a可理解为按帧计数的线路长度 局域网性能分析概述 令牌环基本数据C 一个循环的平均时间DF 传输一个数据帧的平均时间TF 传输一个令牌的平均时间吞吐量S DF DF TF 令牌传递的延时 令牌从站点i发出 到重新回到站点的时间间隔 规范化 帧的传输时间为1 传播时间则为a 局域网性能分析概述 令牌环情况1 传播时间小于1 即a 1 吞吐量计算传输用时 1共用时间 1 a NS 1 1 a N 当N趋于无穷大S 1令牌延时计算令牌花费的时间 a 令牌循环一周的时间数据传输时间 N 1个站点发送数据 数据传输花费的时间是1 令牌延时 n 1 a 局域网性能分析概述 令牌环情况2 传播时间大于1 即a 1 吞吐量计算传输用时 1共用时间 a a NS 1 a a N 当N趋于无穷大S 1 a令牌延时计算令牌花费的时间 a 令牌循环一周的时间数据传输时间 N 1个站点发送数据 数据传输花费的时间是a 令牌延时 n 1 a a na 局域网性能分析概述 CSMA CD 总线基本数据时槽T 检测一个冲突所需的最长时间 端到端之间传播延迟的两倍 概率P 一个站点在一个时间片可以成功发送一个帧的概率 取决于 站点数和给定站点在该时间片内发送的概率Ps 竞争时段C 一个帧成功发送之前经过的时间片的个数 吞吐量S L B L B T C 其中 T 一个时间片的时间 局域网性能分析概述 CSMA CD 总线概率P的计算假设站点数为N 每个站点在时间片按概率Ps发送 则一个站点在一个时间片成功发送的概率为该站点发送的概率乘以其他站点没有发送的概率 P N Ps 1 Ps N 1最大成功概率P 1 1 N N 1其中 Ps 1 N 竞争间隔的计算C i 等待i时间片的概率 其中i 1 C i 1 P i P 1 P 1 1 1 N 1 N 1 局域网性能分析概述 CSMA CD 总线最大利用率计算规范化 传输时间为1 传播时间为aS 1 1 2a c 1 2a 1 2a 1 P P 1 1 2a 1 1 N 1 N 1 N S 1 1 3 44a 延时CSMA CD的延时很难表达 主要和协议有关 一般 当系统饱和时 延时会没有限制的增长 局域网性能分析概述小结 1 2 802 3优点 目前 使用最为广泛的网络标准 因而具有丰富的运行经验 它的协议简单 价格合理 可靠性高 站点可在网络运行时安装 不必终止网络的运行 协议提供公平的访问机会 它在延迟和吞吐量方面上佳 缺点 802 3有很多模拟部件 它是非确定的 这对实时工作常常不合适 它没有优先级 电缆长度限于2 5km 因为来回的电缆长度决定了时槽的宽度 因此也决定了网络性能 局域网性能分析概述小结 2 2 802 5优点 完全数字化 环网可以采用多种传输媒体 标准双绞线成本低廉 并且按装简便 线路中心的使用使令牌环成为唯一能自动检测和消除电缆故障的局域网 有优先级 有短帧 最后在重负载时它的吞吐量和效率极佳 缺点 集中式监控站的出现 轻负载时发送站点必须等待的令牌 因而总是存在一些延迟 局域网互连 网络互联是计算机网络发展到一定阶段的必然产物 是指采用各种网络互连设备将同一类型的网络或不同类型的网络及其产品相互连接起来 组成地理覆盖范围更大 功能更强大的网络 网络互连也可以理解为将一个网络分解为若干个子网 主要研究网桥局域网交换机虚拟局域网 局域网互连 网络互联是计算机网络发展到一定阶段的必然产物 是指采用各种网络互连设备将同一类型的网络或不同类型的网络及其产品相互连接起来 组成地理覆盖范围更大 功能更强大的网络 网络互连也可以理解为将一个网络分解为若干个子网 互联形式局域网与局域网互联 LAN LAN局域网与远程网互联 LAN WAN局域网通过远程网与互联网互联 LAN WAN LAN远程网与远程网互联 WAN WAN 局域网互连 网络互联的必要性异构网络大量存在 不同协议存在权限下放 网络划分子网的必要性网络的跨越范围网络互联服务的要求提供网络间的链路 至少必须提供物理层和链路层的连接 提供不同网络中进程间的数据路由选择和传递 提供记帐服务 跟踪各个网络和路由器使用情况 且记录状态信息 能够适应网络间的许多差异 而不必变更所连接网络的体系结构 局域网互连 网络间的差异服务协议寻址方式分组大小差错 流量 拥塞控制参数安全性计费方式 局域网互连 网络互联设备用于网络之间互联的设备分类 按照网络互联设备对7层结构的哪一层进行了协议和功能进行转换转发器 网桥 路由器 网关中继器实现网络物理层的连接 放大衰减的信号网桥在不同或相同局域网之间存储和转发帧 提供数据链路层上的协议转换 路由器在不同局域网之间存储和转发分组 提供网络层上的协议转换 网关对高层协议进行协议转换的网间连接器 又称协议转换器 局域网互连 中继器是一种在网络层的互联设备所连接的局域网都使用相同的协议和帧格式主要的功能是重新产生信号 扩展局域网的覆盖距离缺点 更多的站点访问媒体 导致更多的流量并导致局域网性能下降安全性 更多的站点可以访问信息 网桥 网桥最早是设计为把那些具有相同的物理层和媒体访问子层的局域网互连起来而设计的适合于不太复杂的局域网之间的连接 它工作在OSI模型的第二层 进行相似网络间的帧的转发 提供了一种对LAN的扩展 由于网桥实现MAC子层的连接 故对于遵循IEEE802标准的局域网是完全透明的 存在的必然性无序性 各个部门各自为政可靠性 网络故障的屏蔽性能考虑 多LAN的性能高 冲突域范围缩小地理考虑 地理位置分散安全考虑 宜于定义不同的安全级别 网桥 网桥所要解决的问题不同帧格式在不同局域网间复制MAC帧 对格式进行重排 重新计算校验和 不同数据速率设置缓冲区 防止拥塞 不同的超时时间不同的最大帧长度网桥将大的帧分解为小的帧 让主机的网络应用了解通信所要经过的LAN的最大帧长度 网桥的作用 过滤当网桥收到一个MAC帧时 网桥检查帧的源地址和目的地址 如果目的地址与源地址属于同一网络的地址 则不对帧进行转发 实现了帧的过滤 网络的屏蔽 转发如果目的地址与源地址不属于同一网络的地址 则根据网桥保持的路由表选择正确的网络进行转发 路由在多个局域网和多个网桥的局域网互联环境中 网桥收到一个MAC帧后 必须决定向哪个局域网转发 网桥保存了其他网桥的状态信息以及到达每一个网络所经过的桥的个数和花费 网桥的分类 根据帧转发功能分配考虑 网桥分为 透明网桥源地址选择网桥 透明网桥 TransparentBridge 主要用于以太网的互联源路由网桥 SourceAddressBridge 主要用于令牌环如果要互联以太网和令牌环网 需要用源地址透明网桥 透明网桥TB IEEE802 1委员会制定了的标准 该标准的主要特性是 为了同种MAC协议的LAN间互连和采用任何MAC标准的LAN互连 目标是把几个局域网连接在网桥上之后就可以运行了 不要改动硬件和软件 不用设置地址开关 不用装入路由表或参数 现有LAN的运行不受网桥的影响 网桥的功能是自己学习获得的 具体可以分为三个环节 帧的转发 过滤数据库 地址学习 逆向学习法backwardlearning环路分解 生成树算法 帧的转发 数据结构 过滤数据库 目的地址 属于那一条输出线路 超时 规则 假设一个桥在端口接收到一个MAC帧 1 查询过滤数据库 决定目的地址是否列在除端口X外的其他端口中2 如果目的MAC的地址没有找到 就把该帧往除了他所到来的端口外的所有端口发送 即进行扩散 3 如果目的地址列在过滤数据库的某端口Y中 若Y不等于X 则确定端口Y是否处于堵塞或转发状态 4 如果端口是非堵塞的 则将该帧通过Y转发到他所连接的LAN中 路由学习 当一帧到达特定的端口时 桥显然知道该帧来自于哪一个LAN 帧的源地址字段表示了源站点 因而桥可以更新该MAC地址对应的过滤数据库的有关信息 计时器 当一个新的表项加入到过滤数据库时 设置计时器 缺省值为30秒 如果计时器超时 判断相应的位置信息是不合法 删除表项 修改和维护 例子 学习 站点A给B发送数据 网桥通过察看帧的源地址了解到A在端口1 过滤数据库中加入 扩散 网桥并不知道B在何处 因此把帧向所有其它端口 即端口2和3 进行扩散 转发 B收到A发过来的帧之后 可能会进行回应 即B发送数据给A 这个时候网桥察看源地址了解到B在端口2上 加入表项 同时帧的目的地址A在过滤数据库中存在 并且在端口1上 因此B发回给A的帧向端口1转发 过滤 现在站点C向A发送数据 由于A C和网桥连接到同一个集线器上 网桥也会收到该帧 察看源地址C 记录C在端口1 加入表项 同时目的地址A在过滤数据库中并且所在的端口正是收到该帧的端口 因此不进行转发 老化 过滤数据库表项的TTL每秒都增加 超过某个值则从数据库中清除 一般缺省的TTL设置为300秒 老化主要是考虑到网桥的内存有限 节点移动的情况 引入的原因 站点A发帧给站点B 1 查询 网桥1与2同时转发到B LANY 2 同时 网桥1接收到网桥2的转发 网桥2接收到网桥1的转发 查看MAC帧的源地址为A 又确知从LANY来 修改过滤数据库为 结论 两个桥不能转发目的为A的帧 环路生成 产生的问题广播风暴 对于但单播帧 出现错误学习和重复转发的问题 解决 生成树算法 Spanningtreealgorithm概念 桥标识 桥的MAC地址和一个优先级构成 根桥 生成树的根 每个网桥广播他的桥标识 小者为之 根端口 桥到根桥的最小花费路径所使用的端口 如存在花费相同的端口 选择具有更低端口号的端口根路径花费 每个桥到根桥的具有最小花费的路径花费选取桥 局域网中的到根桥的路径花费最小的桥选取端口 选取桥中的用来把桥连接到局域网上的端口 环路分解 算法步骤 确定根桥确定其他网桥的根端口对每个LAN确定一个唯一的指定桥和指定端口 如果有两个以上网桥的根通路费用相同 则选择优先级最高的网桥作为指定桥 如果指定桥有多个多口连接LAN 则选取标识符值最小的端口为选取端口 路径花费 通过端口在一个局域网上传输帧的花费 生成树算法 Spanningtreealgorithm 开始所有桥都认为自己是根桥 每个桥都会在它连接的每个LAN上广播一个BPDU来宣告这个信息 其他桥收到该BPDU后 比较根桥ID的大小 如果新的根桥更小 则更新根桥BID 否则发送一BPDU给新启动的桥 新的桥将更新根桥 每个BPDU由下列信息组成 产生该BPDU消息的桥标识发送该BPDU消息的端口标识产生该BPDU消息的桥所了解到的根桥标识到根桥的路径花费 直接连接到根桥的端口花费一般为0 生成树创建 决定根桥 例子 用三元组来表示一个BPDU消息 Y D X 表示桥X发送的BPDU消息 其中到根桥Y的花费为D 假设所有网桥开始加电 都宣称自己是根桥 B3收到B2来的BPDU消息 B2 0 B2 因为2 3 因此B3接受B2为根桥 接着B3转发该BPDU 在转发时更新路径花费 因此B3往LANA转发BPDU B2 1 B3 该BPDU将被B5收到 同时这个时候B2收到B1来的BPDU消息 发现B1的BID更小 因此接受B1为根桥 同时往LANC转发BPDU消息 B1 1 B2 该BPDU将被B3接收 B5也收到B1发送的BPDU 接受B1为根桥 B5会把刚收到的BPDU转发给LANA B3会收到 B1 1 B5 B3接受B1为根桥 并且发现B2和B5都更靠近B1 停止转发消息 任何时候一个桥从某个端口收到一个BPDU时 要判断是否是一个 更好 的BPDU消息 收到的BPDU标识一个具有更小BID的根桥的BPDU 这说明自己不是根桥 从而停止生成BPDU 只转发来自其他桥的消息 在转发时当然要更新路径花费选取根桥为B1 知道了选取桥 也就知道选取端口 如果选取桥有多个端口连接到该LAN 则把具有更小端口号的端口作为选取端口 如果收到的BPDU标识同一个根桥 但是具有更小的路径花费 或者根桥BID和路径花费相同 但是发送该BPDU的桥BID更小 这说明自己不是该LAN的选取桥 停止通过该端口转发BPDU消息 生成树创建 选取端口 判断 对应于网桥的最小费用 如费用相同 选择标记最小的端口例如 B2 6 L2 B1 6B2 4 L4 B6 6 L1 B1 10B2 4 L4 B4 6 L3 B5 4 L1 B1 14所以 B2的根端口是 生成树创建 网桥确定根端口 局域网L1 L2与根桥相连局域网L3 L3 B3 2 B1 2 L3 B4 6 L3 B3 2 L2 B1 8XL3 B5 1 L3 B3 2 L2 B1 3X局域网L4 L4 B2 6 L2 B1 6L4 B4 6 B3 2 L2 B1 8L4 B6 6 L1 B1 6选择ID号小者 B2 生成树创建 确定每一个LAN的选取端口 对于广播帧的转发 网桥按照生成树来进行转发 即通过其活跃端口 即选取端口 来转发广播帧 对于组播帧 许多已有的网桥采用和广播帧类似的处理 即通过其活跃端口来转发组播帧 这样组播帧都会转发到互连的所有LAN上 主要用于以太网 只能互连不同的网段 对于广播帧 对各个端口转发 不能隔离广播风暴 小结 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 以太网交换机实现了网络冲突域的划分 以太网交换机是一种高性能的多端口网桥 和网桥一样 它从一个端口接收以太网帧 然后向另外一个端口转发 同时它也具有通过自学习来构建转发表的功能 支持全双工模式 吞吐量是原来的一倍 局域网交换机 以太网交换技术的工作原理 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 局域网交换机 存储转发 StoreandForward 误码率较高交换机先将MAC帧全部读入到内部缓冲区 进行帧校验 CRC 如果有错 丢弃该帧 如果无错 则在转发或交换表中查找其目的地址 确定输出端口 将帧发到目的端 利用存储转发机制 定义过滤算法来控制交换机的通信量 实现速率不同的端口间信息处理 直通 CutThrough 误码率较低收到MAC帧时 不待收完整 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 由于在转发时不进行差错校验 当某些帧已有错仍然加以转发 浪费网络资源 且不适宜实现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 必然产生阻塞 交换以太网信息帧转发技术 无残帧 FragmentFree 在转发前等待64字节的缓冲队列 以太网最小帧的长度为64字节 含帧头 尾 无碎片直通 Fragment freeCut Through 方式针对这一特征 相对可减少残帧的转发率 凡小于64字节的帧均不转发 但仍不适合高速率端口向低速率端口转发信息 交换以太网信息帧转发技术 以太交换主要功能 解决共享总线网络的