计算机网络_ch04_ 局域网与广域网

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,计算机网络ComputerNetworks,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.1局域网概述,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)的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络。,4.1局域网概述,局域网的特点：网络覆盖的区域相对较小，通常传输距离在0.1km25km。传输速率高，局域网的传输速率一般为1Mbit/s100Mbit/s。目前，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。误码率低，局域网的误码率一般在10-810-11范围内，传输质量高。局域网具有专用性质。局域网侧重共享信息的处理、存储。,4.1局域网概述,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两种。网络拓扑，物理结构和形状媒体访问控制方法，指多台计算机对传输媒体的访问控制方法,4.1局域网概述,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。,4.1局域网概述,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。数字信号通常采用经过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,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,4.1局域网概述,局域网的媒体访问控制为了协调多个站点对共享的传输媒体资源的使用，即规定局域网中的站点什么时间能向网络中发送数据的问题。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,IEEE802局域网标准,4.1局域网概述,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)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。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。,4.1局域网概述,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),4.1局域网概述,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LLCMAC，MAC物理层间只有一个服务访问点，分别称MSAP，PSAP。,LLC和MAC子层,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,IEEE802局域网帧结构,4.1局域网概述,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.2局域网信道的介质访问控制,介质访问控制，又称为媒体访问控制，是为了协调多个站点对共享的传输介质资源的使用，即规定局域网中的站点什么时间能向网络中发送数据的问题。,1、介质访问控制基本概念,4.2局域网信道的介质访问控制,a.基于信道划分的介质访问控制b.基于随机访问的介质访问控制c.基于轮询的介质访问控制,1、介质访问控制基本概念,ALOHA纯ALOHA、时隙ALOHACSMA非坚持，1坚持，P坚持改进的CSMACSMA/CD，CSMA/CA,2、基于随机访问的介质访问控制,4.2局域网信道的介质访问控制,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%。,2、基于随机访问的介质访问控制,4.2局域网信道的介质访问控制,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”。,4.2局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,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。,4.2局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,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。,4.2局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,非坚持CSMA站点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发现信道忙则持续等待，直至信道空闲；发现信道空闲后发送数据（概率为1）。P坚持CSMA发现信道忙则持续等待，直至信道空闲；发现信道空闲后，以概率P发送数据，或以（1P）概率推迟发送。,4.2局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,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”。,4.2局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,CSMA的缺点：当两(多)个站发生冲突后，各冲突站仍继续发送已遭破坏的数据帧。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”。,4.2局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)CSMA/CD的工作原理载波监听多路访问冲突检测,4.2局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,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局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,CSMA/CD的工作原理冲突检测：每个站在发送帧期间，同时具有检测冲突的能力。一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通报总线上各站已发生冲突。,4.2局域网信道的介质访问控制,2、基于随机访问的介质访问控制,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。,令牌总线介质访问方法,4.2局域网信道的介质访问控制,3、基于轮询访问的介质访问控制,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。,4.2局域网信道的介质访问控制,3、基于轮询访问的介质访问控制,令牌环介质访问方法,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。,4.2局域网信道的介质访问控制,3、基于轮询访问的介质访问控制,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.3以太网技术,以太网概述以太网是以CSMA/CD方式工作的一种总线式局域网，是一种总线式局域网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,Ethernet，1973年由Xerox公司的Metcalfe提出。1980年，DEC、Intel和Xerox联手推出DIXEthernet1.0标准，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。,4.3以太网技术,以太网工作原理载波监听多点接入/冲突检测(CSMA/CD),4.3以太网技术,CSMA/CD介质访问控制方法,CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)冲突检测：边发送边监听，只要监听到冲突，则冲突双方立即停止发送。CSMA/CD的工作原理载波监听冲突检测多次访问IEEE802.3和以太网标准EthernetII,4.3以太网技术,CSMA/CD概念模型,信道的三种状态：传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间片空闲周期：所有站点都不使用信道,时间,争用时间片,to,4.3以太网技术,冲突的检测,冲突检测方法比较发送信号与检测信号的能量或脉冲宽度变化冲突检测的要求时间片宽度最大冲突检测时间在一个时间片内可以检测到最远距离的冲突发送有效帧的时间最大冲突检测时间防止在发生冲突时完成短帧发送,4.3以太网技术,若两个最远距离站点间的传输时间为T，则网络的最大冲突检测时间为2T。,冲突检测时间,T,A在t=0时刻向F发送帧。,F在t=T-时刻向A发送帧，在t=T时检测到冲突，立即发送噪声帧。,A在t=2T时刻收到F向全网发送的噪声帧。,冲突检测时间与时间片的关系,时间片,A,B,t1,t2,t3,开始发送,开始发送,发现冲突，终止发送数据帧，广播信道阻塞信号，避让。,最远距离,时间,时间,收到B发送的阻塞信号，终止发送过程。,CSMA/CD概念模型争用时间片的宽度为2T。,时间片,帧长度与时间片的关系,A,B,t1,t2,t3,t4,t5,结束发送阻塞信号,开始发送,结束发送,A无法判定冲突由自己造成，自认为已成功发送出帧。,开始发送,发现冲突,最远距离,时间,时间,CSMA/CD要求最短帧的发送时间至少为2T。,各站点尝试争用信道而连续遇到冲突时，随机选择一定范围内的某个退避等待时间片（2T）数：第1次冲突：01（即21-1）；第2次冲突：03（即22-1）；第10次冲突：01023（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。,二进制指数后退算法,二进制指数退避算法的过程,对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参数为L2；退避间隔取1到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。,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,4.3以太网技术,以太网工作原理争用期和最短有效帧长总线式局域网的端到端往返时延称为争用期，也称为冲突窗口。争用期的物理意义在于：提供了设计总线式局域网中最小有效帧长的计算依据。,争用期,4.3以太网技术,计算机A在t1时刻监听到总线为空闲，并开始向总线上发送数据帧。计算机B也有数据需要发送，并在t2时刻监听到总线也为空闲，并开始向总线上发送数据帧。有：-t2t1。(4-1),争用期,4.3以太网技术,以计算机A为例，从开始发送数据的时刻t1到确知发生了冲突的时刻(t2+)，这段时间长度为：tt2+t1由(4-1)和(4-2)可知，0t2。,争用期,4.3以太网技术,最短帧的计算,例：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2108m/s，求能够使用此协议的最短帧长。,4.3以太网技术,以太网的系列标准（规范）,传输速率拓扑结构传输介质网段长度允许的最大网段数,4.3以太网技术,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,4.3以太网技术,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.4以太网的MAC层,MAC地址MAC帧格式CSMA/CD的工作过程以太网的信道利用率,DIXEthernet2.0特点,介质访问控制方式：CSMA/CD地址字段：DA，SA均为6字节差错校验：32bit帧校验序列(FCS)帧长：461500字节(不包括帧头、帧尾26字节)，若数据字段小于46字节，附加填充字节，满足最小64字节的帧长度要求。,4.4以太网的MAC层,MAC帧格式,(a)DIXV2MAC帧结构,(b)IEEE802.3MAC帧结构两种MAC帧结构,4.4以太网的MAC层,帧长：461500字节(不包括帧头、帧尾26字节)，若数据字段小于46字节，附加填充字节，满足最小64字节的帧长度要求。,MAC帧格式,4.4以太网的MAC层,CSMA/CD的工作过程,CSMA/CD方式的发送方工作过程：(1)当某个结点的LLC协议实体希望发送数据时，将LLC帧传给下层的MAC协议实体，MAC协议实体将LLC帧封装在用户数据字段，形成MAC帧。(2)MAC协议实体监听传输媒体，检查是否有信号正在传输。(3)如果媒体上有信号在传输，则转(2)继续监听，否则，发送数据，同时对媒体继续监听。(4)如果在发送数据过程中没有检测到冲突，则本次发送任务成功完成。否则，立即终止本次发送过程，并向媒体发送一个冲突加强的信号。以使其它结点都能感知到发生冲突，MAC协议实体计算发送失败的次数。(5)如果在发送失败次数小于等于某个阈值，根据失败次数执行二进制指数退避算法，计算得到某个退避时间值，等待该退避时间，转(2)准备重新发送。否则，停止发送尝试，通知上层LLC实体，报告可能出现网络故障。,4.4以太网的MAC层,CSMA/CD方式的接收方工作过程：(1)局域网上的每个站点的MAC协议实体都监听传输媒体，如果有信号传输，则接收信息，得到MAC帧；其中，对于因冲突造成的长度不足最小有效帧长的残帧，MAC实体不予理会。(2)MAC实体分析帧中的目的地址，如果目的地址为本站点地址，就复制接收该帧。否则，简单丢弃该帧。特别地，对于具有组播地址和广播地址的数据帧，将会有多个站点复制和接收该帧。其中，CSMA/CD方式在发生冲突时采用二进制指数退避算法。,CSMA/CD的工作过程,4.4以太网的MAC层,以太网的信道利用率,采用CSMA/CD作为媒体访问控制方法，无法避免冲突的发生。冲突必然造成本次发送过程失败，从而浪费网络总线信道资源，造成信道利用率的下降。从统计平均的角度看，CSMA/CD方式下信道利用率究竟可以达到多高呢？假设：争用期长度为2，帧长为Lbit，数据发送速率为Cbit/s，帧间间隔为，即发送成功后要经过时间使信道转为空闲才发送下一帧。假设检测到冲突后并不发送冲突加强信号。总线局域网上共有N个站，每个站发送帧的概率都是p。帧发送时延为T0=L/C(s)。争用期平均个数为Nc。,4.4以太网的MAC层,以太网的信道利用率,一个帧从开始发送，然后经过若干次冲突检测和重传，到最后发送成功的整个过程中信道占用时间如图所示：,4.4以太网的MAC层,以太网的信道利用率,发送一帧所需的平均时间为Tav，则(4-3)一帧的发送时延为T0，所以CSMA/CD方式下局域网平均信道利用率(也称为归一化吞吐量)为：(4-4)令PA为N个站中有一个站发送帧，而其它(N-1)个站均不发送帧，此时，没有冲突，发送数据成功。发送成功的概率为(4-5),以太网的信道利用率,在成功发送一帧之前，所经过的争用期个数是一个随机变量，其值为0到某阈值之间的随机整数，我们可以求出其数学期望值。争用期个数为i的概率为：P争用期个数为i=P前(i-1)次发送失败且第i次发送成功=(1PA)i-1PA(4-6)为了简单起见，假定争用期个数没有限制。那么，可以计算出争用期个数的数学期望(平均个数)为(4-7)将式(4-7)代入式(4-4)，可得CSMA/CD方式下局域网平均信道利用率为：(4-8),以太网的信道利用率,其中，表示总线的端到端传播时延与帧的发送时延的比值。在总线式局域网中，端到端传播时延通常是确定的。如果帧长越长，帧的发送时延T0就越大，a值就越小，由式(5-8)，局域网的平均信道利用率就越大。假设总线长度为1km，信号传播速率为2108m/s，数据传输速率为5Mb/s。对于各种不同的帧长情况，如128，256，512和1024bit，可以计算得到，局域网的最大平均信道利用率max随站点个数N变化的趋势如图所示。,以太网的信道利用率,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,1.以太网的连接方法,4.5以太网的组网方式,粗缆以太网,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。最多4个中继器，实现信号中继放大。粗同轴电缆，直径1.016cm，单段电缆最大长度500米。终接器：50欧电阻，其中一端接地。,细缆以太网,网络接口卡（网卡）BNC接口，网卡上自带驱动器。最多4个中继器，实现信号中继放大。细同轴电缆，直径0.508cm，单段电缆最大长度185米。站点接入网络时，通过T型头连接。终接器50欧电阻，其中一端接地。,10Base2以太网和BNC接口,10Base2以太网,双绞线以太网,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,RJ45接口标准和双绞线,RJ45引脚12345678EIA568A绿白绿橙白蓝蓝白橙棕棕白EIA568B橙白橙绿白蓝蓝白绿棕棕白,RJ45引脚12345678MDIIITX+TX-RX+RX-MDIXRX+RX-TX+TX-,RJ45接口和双绞线,具有三个端口的集线器,集线器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,CSMA/CD方式的“543”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“543”原则的限制，一般集线器的级联不超过3级。,以太网的最大作用距离,250m,750m,网段1,转发器,网段2,网段3,转发器,转发器,转发器,在许多情况下，一个单位可能拥有多个局域网。因而需要实现局域网之间的通信。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。,4.5以太网的组网方式,2.以太网级联与扩展,a、在物理层扩展局域网,用多个集线器可连成更大的局域网,集线器,集线器,一系,二系,集线器,三系,三个独立的碰撞域,以太网级联与扩展,a、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,以太网级联与扩展,优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞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。,用集线器扩展局域网,a、在物理层扩展局域网,以太网级联与扩展,b、在数据链路层扩展局域网,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。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，并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,以太网级联与扩展,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,以太网级联与扩展,过滤通信量。扩大了物理范围。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。,网桥带来的好处,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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,以太网级联与扩展,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碰撞，就必须停止发送和进行退避。在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。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,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,目前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,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,(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，则查找出到此MAC地址应当走的端口d，然后进行(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,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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)。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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。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。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,透明网桥转发表根据的原理,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。,b、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,以太网级联与扩展,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。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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，进行无碰撞地传输数据。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。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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2N10Mb/s。这正是交换机的最大优点。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,以太网交换机三种转发方式,存储转发方式直通方式（Cut-Through）无碎片直通方式（Fragment-freeCut-Through）,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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（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。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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，不待收完整，就按帧头的DA来判别起转发端口。起转发速度快，延迟一致性好（与帧长短无关）。由于采用直通方式（Cut-Through），在转发时不进行差错校验，当某些帧已有错仍然加以转发，做无用功；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。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,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。不分段交换方式会检查到帧的数据域。,b、在数据链路层扩展局域网,以太网级联与扩展,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,快速以太网100BASET,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。,4.6高速以太网,快速以太网,特点性价比高，传输速率100Mbit/s完全兼容10Base-T标准(CSMA/CD)，星型拓扑结构支持MII（介质独立接口），支持全双工通信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。,4.6高速以太网,100VG-AnyLAN,1994年，IEEE802.12推出100VG-Any（也称100Base-VG）,由HP和AT&T开发。采用星型拓扑结构，支持IEEE802.3和IEEE802.5标记环网帧格式。采用需求优先权轮询(DemandPriorityPolling)的介质访问控制方式，是一种无冲突的局域网。,4.6高速以太网,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-CXIEEE802.3ab定义：1000Base-T,4.6高速以太网,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(冲突),4.6高速以太网,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.7虚拟局域网,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，而并不是一种新型局域网。,4.7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。,虚拟局域网VLAN的特性,一个VLAN是一个有限的广播域。VLAN内的所有成员是独立于物理位置的、相同逻辑广播域的组成员。在一个VLAN中，可以通过软件来管理成员，简便快捷。VLAN成员之间不需要路由。VLAN具有较好的安全性。VLAN需要使用交换机技术实现。,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,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,VLAN成员的通信,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,局域网概述局域网信道的介质访问控制以太网技术以太网的MAC层以太网的组网方式高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网,内容纲要,4.8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,4.8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。,4.8无线局域网,802.11标准中的MAC层,无线局域网却不能简单地搬用CSMA/CD协议。主要有两个原因。CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。,4.8无线局域网,无线局域网的特殊问题,A,B,C,D,当A和C检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。,这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hiddenstationproblem),B的作用范围,无线局域网的特殊问题,C的作用范围,A,D,C,B,B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。,其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题(exposedstationproblem),CSMA/CA协议,无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA协议。改进的办法是将CSMA增加一个碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。802.11就使用CSMA/CA协议。而在使用CSMA/CA的同时还增加使用确认机制。下面先介绍802.11的MAC层。,802.11的MAC层,MAC层,无争用服务,争用服务,分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA),点协调功能PCF(PointCoordinationFunction),物理层,802.11b,802.11a,IEEE802.11,MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。,帧间间隔IFS,所有的站在发送完后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间通称帧间间隔IFS(InterFrameSpace)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。,CSMA/CA协议的原理,欲发送数据的站先检测信道。在802.11标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。当源站发送它的第一个MAC帧时，若检测到信道空闲，