网络原理课件第五章

1、第五章局域网技术第五章局域网技术l主要内容主要内容 局域网体系结构局域网体系结构 信道共享技术信道共享技术 以太网系列标准以太网系列标准 无线局域网络无线局域网络5.1局域网概述局域网概述 l局域网产生的原因局域网产生的原因8080年代，微型机发展迅速，彼此需要相年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；互通信（近距离），共享资源；功能分布：分布式计算，分布式数据库功能分布：分布式计算，分布式数据库l局域网定义局域网定义是一种将是一种将小区域小区域内的内的各种通信设备各种通信设备互连互连在一起的在一起的通信网络通信网络。覆盖范围小房间、建筑物、园区范围距离25 km高传输速率

2、10 Mbps1000Mbps低误码率10-810-10 采用基带传输为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务局域网的基本特征局域网的基本特征l 局域网拓扑结构局域网拓扑结构星型结构星型结构环型结构环型结构总线型结构总线型结构树型结构树型结构l 传输介质传输介质双绞线双绞线基带同轴电缆基带同轴电缆光纤光纤无线无线局域网的基本构成局域网的基本构成 局域网的局域网的IEEE 802体系结构体系结构 IEEE 802中的主要标准中的主要标准l 802.1A 802.1A 概述和体系结构概述和体系结构 l 802.1B 802.1B 寻址、网络管理、网络互连及高层接口寻址、网络管理、网络互连及高层接

3、口l 802.2 802.2 逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层LLCLLCl 802.3 802.3 以太网访问方法和物理层规范以太网访问方法和物理层规范l 802.4 802.4 令牌总线网访问方法和物理层规范令牌总线网访问方法和物理层规范l 802.5 802.5 令牌环网访问方法和物理层规范令牌环网访问方法和物理层规范l 802.6 802.6 城域网访问方法和物理层规范（城域网访问方法和物理层规范（DQDBDQDB）l 802.8 802.8 光纤技术相关标准光纤技术相关标准 IEEE 802体系结构体系结构IEEE802IEEE802数据链路层划分子层的目的数据链路层划分子层的目的l

4、 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关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。部分分开，降低实现的复杂度。l 局域网特点：共享信道局域网特点：共享信道( (如总线如总线) )。需要解决。需要解决介质访问控制介质访问控制(MAC)(MAC)问题。子层划分可以使问题。子层划分可以使帧的传输独立于介质和帧的传输独立于介质和MACMAC方法。方法。LLCLLC： 与介质、拓扑无关与介质、拓扑无关MACMAC：与介质、拓扑相关：与介质、拓扑相关LLC与与MAC关系关系局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC站点 2IEEE80

5、2IEEE802网络体系各层功能网络体系各层功能1.1.物理层功能物理层功能信号的编码信号的编码/ /译码译码前导码的生成前导码的生成/ /去除去除比特的发送比特的发送/ /接收接收2.2.数据链路层功能数据链路层功能MACMAC子层功能：成帧子层功能：成帧/ /拆帧，拆帧， 实现、维护实现、维护MACMAC协协议，位差错检测，寻址。议，位差错检测，寻址。LLCLLC子层功能：向高层提供子层功能：向高层提供SAPSAP，建立，建立/ /释放逻辑释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。能。1. LLC1. LLC帧格式帧格式（控制信息与

6、（控制信息与HDLCHDLC大同小大同小异）异）高层高层PDUPDU LLC LLC数据数据 LLC LLC首部首部MACMAC首部首部MACMAC尾部尾部MACMAC数据数据LLCLLC帧和帧和MACMAC帧的关系帧的关系SSAPSSAP控制控制数据数据 1 11 11/21/2长度无限制长度无限制 单位：字节单位：字节DSAPDSAPLLC PDULLC PDU逻辑链路控制子层LLC（1）2.2.服务访问点（服务访问点（SAPSAP） LLC SAPLLC SAP：向上层提供进程访问能力。：向上层提供进程访问能力。 MAC SAPMAC SAP：MACMAC地址（即：网卡地址）地址（即：网

7、卡地址）3.LLC3.LLC提供的服务类型提供的服务类型 LLC1 LLC1 不确认无连接的服务不确认无连接的服务 LLC2 LLC2 面向连接的服务面向连接的服务 LLC3 LLC3 带确认无连接的服务带确认无连接的服务 LLC4 LLC4 高速传输服务高速传输服务 （19911991年专为城域网提年专为城域网提出）出）逻辑链路控制子层LLC（2）5.2信道共享技术信道共享技术l计算机网络可以分成两类：计算机网络可以分成两类：使用点到点连接的网络使用点到点连接的网络 广域网广域网使用广播信道（多路访问信道，随机使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络访问信道）的网络局域网局域网q关键

8、问题：如何解决对信道争用关键问题：如何解决对信道争用l解决信道争用的协议称为介质访问控制解决信道争用的协议称为介质访问控制协议协议 MACMAC（Medium Access ControlMedium Access Control），），是数据链路层协议的一部分。是数据链路层协议的一部分。l频分多路复用频分多路复用 FDMFDM（波分复用（波分复用WDMWDM）原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；信量都较大的情况；缺点：无法灵活适应站

9、点数及其通信量的变化。缺点：无法灵活适应站点数及其通信量的变化。l时分多路复用时分多路复用 TDMTDM原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；信量都较大的情况；缺点：无法灵活适应站点数及其通信量的变化。缺点：无法灵活适应站点数及其通信量的变化。信道的静态分配信道的静态分配l动态分配动态分配 局域网都采用动态分配策略，即根据当前局域网都采用动态分配策略，即根据当前对对信道请求的情况信道请求的情况动态协调动态协调各用户对信道的使各用户对信道的使用权。用

10、权。 类别：类别：冲突协议冲突协议无冲突协议无冲突协议 信道的动态分配信道的动态分配ALOHAALOHA冲突协议冲突协议l 上世纪上世纪7070年代，年代，Norman AbramsonNorman Abramson设计了设计了ALOHAALOHA协议协议目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协无协调关系调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；的用户争用单一共享信道使用权的系统；分类：分类：纯纯ALOHAALOHA协议和协议和时间片时间片ALOHAALOHA协议协议l 纯纯ALOHAALOHA协议协议基本思想：用户有数据要发送时，可以基本思

11、想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道直接发至信道；然后然后监听信道监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段段随机的随机的时间重发。时间重发。l 时间片时间片ALOHAALOHA协议协议基本思想：把信道时间基本思想：把信道时间分成离散的时间片分成离散的时间片，片长为一个，片长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在帧所需的发送时间。每个站点只能在时间片开始时时间片开始时才允才允许发送。其他过程与纯许发送。其他过程与纯ALOHAALOHA协议相同。协议相同。ALOHAALOHA协议的发送过程协议的发送过程CSMACSMA协议协议l载波监听多路访问协议l载

12、波监听（Carrier Sense）站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。l多路访问（Multiple Access）多个用户共用一条信道l三个变种1-坚持型CSMA（1-persistent ）非坚持型非坚持型CSMACSMA（nonpersistentnonpersistent ）p-p-坚持型坚持型CSMACSMA（p-persistentp-persistent）1-坚持型CSMAl基本原理基本原理 若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先监听信道监听信道； 若站点发现若站点发现信道空闲信道空闲，则，则发送发送；

13、 若信道忙，则若信道忙，则继续监听继续监听直至发现信道空闲，然后完成直至发现信道空闲，然后完成发送；发送； 若产生冲突，若产生冲突，等待一随机时间等待一随机时间，然后重新开始发送过，然后重新开始发送过程。程。l协议特点协议特点 优点：减少了信道空闲时间；优点：减少了信道空闲时间； 缺点：增加了发生冲突的概率；缺点：增加了发生冲突的概率； 广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；突的可能性越大，协议性能越差；非坚持型CSMACSMAl 基本原理基本原理若站点有数据发送，先若站点有数据发送，先监听信道监听信道；若站点

14、发现若站点发现信道空闲信道空闲，则发送；，则发送；若信道忙，若信道忙，等待一随机时间等待一随机时间，然后重新开始发送过，然后重新开始发送过程；程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。过程。l 协议特点协议特点优点：减少了冲突的概率；优点：减少了冲突的概率；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；信道效率比信道效率比 1-1-坚持坚持CSMACSMA高，传输延迟比高，传输延迟比 1-1-坚持坚持CSMACSMA大。大。 p-坚持型CSMACSMAl适用于分槽信道适用于分槽信道l基本原理基本原

15、理若站点有数据发送，先监听信道；若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则以若站点发现信道空闲，则以概率概率p p发送数据，发送数据，以以概率概率q =1- pq =1- p 延迟至下一个时槽发送。若延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；发出或时槽被其他站点所占用；若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送；送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。始发送。l 冲突当多个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆

16、当多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）。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，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，表明产生了就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了冲突。冲突。l 冲突检测当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD。CSMA/CDCSMA/CDl站点使用CSMA协议进行数据

17、发送；l在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；l在发出干扰信号后，等待一段随机时间（称为退避） ，再重复上述过程。CSMA/CDCSMA/CD工作过程工作过程 无冲突协议（Collision-Free ProtocolsCollision-Free Protocols）l 基本位图协议（基本位图协议（A Bit-Map ProtocolA Bit-Map Protocol）工作原理：）工作原理：共享信道上有共享信道上有NN个站，竞争周期分为个站，竞争周期分为NN个时槽，如果个时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特一个站有帧发送

18、，则在对应的时槽内发送比特1 1；NN个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送按站序号发送。lBRAPBRAP具有轮换优先权的广播识别协议具有轮换优先权的广播识别协议 按序轮转分配各站的发送权按序轮转分配各站的发送权 ；预约时间片的个数和工作站数相等预约时间片的个数和工作站数相等 无冲突协议（无冲突协议（Collision-Free ProtocolsCollision-Free Protocols）令牌协议l 网络中流转着一个被称为网络中流转着一个被称为“令牌令牌Token”Token”的帧，一个节点的帧，一个节点要发送数据必须首先

19、截获令牌，由于网络中要发送数据必须首先截获令牌，由于网络中只有一个令只有一个令牌牌，从而不会产生冲突。，从而不会产生冲突。 5.3 传统以太网IEEE 802.3 IEEE 802.3 和和 EthernetEthernetl 发展历史发展历史ALOHAALOHA系统系统ALOHA + ALOHA + 载波监听载波监听Xerox Xerox 设计了设计了2.94Mbps2.94Mbps的采用的采用CSMA/CDCSMA/CD协协议议的的EthernetEthernetXerox, DEC, IntelXerox, DEC, Intel共同制定了共同制定了10Mbps10Mbps的的CSMA/C

20、DCSMA/CD以太网标准以太网标准IEEEIEEE定义了采用定义了采用1-1-坚持型坚持型CSMA/CDCSMA/CD技术的技术的802.3802.3局域网标准，速率从局域网标准，速率从1M1M到到10Mbps10Mbps，802.3802.3标准与以太网协议略有差别。标准与以太网协议略有差别。 Ethernet和IEEE 802.3的帧格式不同。物理层类型： 网段最大长度传统以太网种类l传统以太网可使用的传输媒体有四种：传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）铜线（双绞线）光缆光缆l四种不同的物理层。四种不同的物理层。 10BASE510BASE

21、5粗缆粗缆10BASE210BASE2细缆细缆10BASE-T10BASE-T双绞线双绞线10BASE-F10BASE-F光缆光缆以太网媒体接入控制以太网媒体接入控制 MACMAC网卡作用网卡作用l网络接口板又称为通信适配器网络接口板又称为通信适配器(adapter)(adapter)或网络接口卡或网络接口卡 NIC (Network NIC (Network Interface Card)Interface Card)，或，或“网卡网卡”。 l网卡的重要功能网卡的重要功能进行串行进行串行/ /并行转换。并行转换。对数据进行缓存。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。在计算机的操

22、作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。实现以太网协议。网卡连接CPUCPU高高速速缓缓存存存储器存储器I/O I/O 总线总线计算机计算机至局域网至局域网网络接口卡网络接口卡（网卡）（网卡）串行通信串行通信并行通信并行通信网卡地址网卡地址l在局域网中，在局域网中，硬件地址硬件地址又称为又称为物理地址物理地址，或或 MAC MAC 地址、网卡地址地址、网卡地址。 l802 802 标准所说的标准所说的“地址地址”严格地讲应当严格地讲应当是每一个站的是每一个站的“名字名字”或标识符。或标识符。l地址类型地址类型单播单播(unicast(unicast) )帧（一对一）帧（一对一）广播广播(bro

23、adcast)(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体）多播多播(multicast)(multicast)帧（一对多）帧（一对多）网卡地址结构网卡地址结构第第 1最高位最高位最先发送最先发送最低位最低位最高位最高位最低位最低位最后发送最后发送00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001最低位最低位最先发送最先发送最高位最高位最低位最低位最高位最高位最后发送最后发送机构惟一标志符机构惟一标志符 OUI扩展标志符扩展标志符高位在前高位在前低位在前低位在前十六进制表示的十六进制表示的 EUI-48 地址：地址： AC-DE-48

24、-00-00-80二进制表示的二进制表示的 EUI-48 地址：地址：第第 1 字节字节第第 6 字节字节I/G 比特比特I/G 比特比特字节顺序字节顺序第第 2第第 3第第 4第第 5第第 6第第 1字节顺序字节顺序第第 2第第 3第第 4第第 5第第 610101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6802.3802.4802.5802.610Base5连接示意主机箱主机箱收发器电缆收发器电缆网卡网卡插入式插入式分接头分接头MAUMAUMDIMDI保护外层保护外层外导体屏蔽层外导体屏蔽层内导体内导体收发器收发器D

25、B-15DB-15连接器连接器10Base2连接示意主机箱主机箱BNC T BNC T 型接头型接头BNC BNC 连接器连接器插口插口10BaseT连接示意主机箱主机箱双绞线双绞线集线器集线器RJ-45RJ-45插头插头集线器集线器l集线器是使用电子器件来模拟实际电缆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。统的以太网那样运行。 l使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CDCSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。协议，

26、并共享逻辑上的总线。 l集线器很像一个多端口的转发器，工作集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。在物理层。集线器示意集线器示意集集线线器器网卡网卡工作站工作站网卡网卡工作站工作站网卡网卡工作站工作站双绞线双绞线以太网最大作用距离750 m750 m500 m500 m500 m50 m50 m50 m网段网段1转发器转发器网段网段2网段网段3转发器转发器转发器转发器转发器转发器1 km1 kmA AB Bt t冲突冲突t t = = B B 检测到检测到信道空闲信道空闲发送数据发送数据t t = = / 2 / 2发生冲突发生冲突t t = 2 = 2 A A 检测到冲突检测到冲突 t

27、t = = B B 发送数据发送数据B B 检测到发生冲突检测到发生冲突 t t = = A AB BA AB BA AB B t t = 0 = 0 A A 检测到检测到信道空闲信道空闲发送数据发送数据A AB Bt t = 0 = 0t t = = B B 检测到发生冲突检测到发生冲突停止发送停止发送STOPSTOPt t = 2 = 2 A A 检测到检测到发生冲突发生冲突STOPSTOPA AB B单程端到端单程端到端传播时延记为传播时延记为 以太网冲突示意过程以太网冲突示意过程争用期争用期l最先发送数据帧的站，在发送数据帧后最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间至多经过时间

28、2 2 （两倍的端到端往返（两倍的端到端往返时延）时延）就可知道发送的数据帧是否遭受就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。了碰撞。l以太网的端到端往返时延以太网的端到端往返时延 2 2 称为争用称为争用期，或碰撞窗口。期，或碰撞窗口。l经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。才能肯定这次发送不会发生碰撞。以太网争用期以太网争用期l以太网取以太网取 51.2 51.2 s s 为争用期的长度。为争用期的长度。l对于对于 10 Mb/s 10 Mb/s 以太网，在争用期内可以太网，在争用期内可发送发送512 bit512 bit，即，即

29、64 64 字节。字节。l以太网在发送数据时，若前以太网在发送数据时，若前 64 64 字节没字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。冲突。二进制指数后退算法二进制指数后退算法l 发生第一次冲突后，各个站点等待发生第一次冲突后，各个站点等待 0 0 或或 1 1 个时个时槽再开始重传；槽再开始重传；l 发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0, 0, 1, 21, 2或或3 3个时槽再开始重传；个时槽再开始重传；l 第第 i i 次冲突后，在次冲突后，在 0 0 至至 2 2i i-1 -1 间间随机地选择一个随

30、机地选择一个等待的时槽数，再开始重传；等待的时槽数，再开始重传；l 1010次冲突后，选择等待的时槽数固定在次冲突后，选择等待的时槽数固定在0 0至至2 210101 1之间；之间；l 1616次次冲突后，发送失败，报告上层。冲突后，发送失败，报告上层。最短帧长最短帧长l如果发生冲突，就一定是在发送的前如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 64 字节之内。字节之内。 l由于一检测到冲突就立即中止发送，这由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于时已经发送出去的数据一定小于 64 64 字字节。节。 l以太网规定了最短有效帧长为以太网规定了最短有效帧长为 64 64 字节，

31、字节，凡长度小于凡长度小于 64 64 字节的帧都是由于冲突字节的帧都是由于冲突而异常中止的而异常中止的无效帧无效帧。强化冲突强化冲突l 当发送数据的站一旦发现发生了冲突时，除了当发送数据的站一旦发现发生了冲突时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的特的人为干扰信号人为干扰信号(jamming signal)(jamming signal)，以便让，以便让所有用户都知道现在已经发生了冲突。所有用户都知道现在已经发生了冲突。强化冲突示意强化冲突示意数据帧干扰信号 TJABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据MAC帧

32、格式帧格式l以太网以太网MACMAC帧格式有两种标准帧格式有两种标准 ：DIX Ethernet V2 DIX Ethernet V2 标准标准IEEE IEEE 的的 802.3 802.3 标准标准l最常用的最常用的 MAC MAC 帧是帧是以太网以太网 V2 V2 的格式的格式。MAC帧格式示意帧格式示意MAC MAC 帧帧字节字节6 66 62 24 4IP IP 层层物理层物理层目的地址目的地址源地址源地址长度长度/ /类型类型FCSFCSMAC MAC 层层10101010101010 1010101010101010101110101010101010 1010101010101

33、0101011前同步码前同步码帧开始定界符帧开始定界符7 7 字节字节1 1 字节字节8 8 字节字节插入插入数数 据据MAC MAC 子层子层IP IP 层层LLC LLC 子层子层802.2802.2LLC LLC 帧帧当长度当长度/ /类型字段类型字段表示长度时表示长度时 802.3802.3MAC MAC 帧帧以太网以太网 V2V2 MAC MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCSFCS6 66 62 24 4字节字节46 150046 150043 149743 14971 11 11 1DSAPDSAP SSAPSSAP1 11 11 1 控制控制 数数 据

34、据字节字节DSAPDSAPSSAPSSAP控制控制上层数据报上层数据报上层数据报上层数据报MAC MAC 帧帧物理层物理层MAC MAC 层层IP IP 层层以太网以太网 V2V2 MAC MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCSFCS6 66 62 24 4字节字节46 150046 1500IP IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式目的地址字段目的地址字段 6 6 字节字节MAC MAC 帧帧物理层物理层MAC MAC 层层IP IP 层层以太网以太网 V2V2 MAC MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCSFC

35、S6 66 62 24 4字节字节46 150046 1500IP IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式源地址字段源地址字段 6 6 字节字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志类型字段用来标志上一层上一层使用的是什么协议，使用的是什么协议，以便把收到的以便把收到的 MAC MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。帧的数据上交给上一层的这个协议。 MAC MAC 帧帧物理层物理层MAC MAC 层层

36、IP IP 层层以太网以太网 V2V2 MAC MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCSFCS6 66 62 24 4字节字节46 150046 1500IP IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据字段数据字段 46 150046 1500 字节字节数据字段的正式名称是数据字段的正式名称是 MAC MAC 客户数据字段客户数据字段最小长度最小长度 64 64 字节字节 18 18 字节的首部和尾部字节的首部和尾部 = = 数据字段的最小长度数据字段的最小长度 MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据

37、FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 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。 MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1

38、字节8 字节插入在帧的前面插入的 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l 数据字段的长度与长度字段的值不一致；数据字段的长度与长度字段的值不一致；l 帧的长度不是整数个字节；帧的长度不是整数个字节；l 用收到的帧检验序列用收到的帧检验序列 FCS FCS 查出有差错；查出有差错；l 数据字段的长度不在数据字段的长度不在 46 1500 46 1500 字节之间。字节之间。l 有效的有效的 MAC MAC 帧长度为帧长

39、度为 64 1518 64 1518 字节之间。字节之间。l 对于检查出的无效对于检查出的无效 MAC MAC 帧就简单地丢弃。以帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。太网不负责重传丢弃的帧。 无效无效 MAC 帧帧 l 帧间最小间隔为帧间最小间隔为 9.6 9.6 s s，相当于，相当于 96 bit 96 bit 的发的发送时间。送时间。l 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 9.6 s s 才能再次发送数据。才能再次发送数据。l 目的：为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存目的：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

40、的准备。来得及清理，做好接收下一帧的准备。 帧间最小间隔帧间最小间隔 网桥网桥l网桥（网桥（BridgeBridge）：工作在数据链路层的一种）：工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的网络互连设备，它在互连的LANLAN之间实现帧的之间实现帧的存储和转发。存储和转发。l根据根据 MAC MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。帧的目的地址对收到的帧进行转发。l网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，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，而是先检查此并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的帧的目的 MAC MAC 地址，然后再确定将该帧转发地址，

41、然后再确定将该帧转发到哪一个端口到哪一个端口 网桥连接及内部结构网桥连接及内部结构站表端口管理 软件网桥协议 实体端口 1端口 2缓存网段 B网段 A111222站地址 端口网桥网桥网桥优点网桥优点l 过滤通信量。过滤通信量。 l 扩大了物理范围。扩大了物理范围。l 提高了可靠性。提高了可靠性。l 可互连不同物理层、不同可互连不同物理层、不同 MAC MAC 子层和不同速子层和不同速率（如率（如10 Mb/s 10 Mb/s 和和 100 Mb/s 100 Mb/s 以太网）的局域以太网）的局域网。网。网桥缺点网桥缺点l 存储转发增加了时延。存储转发增加了时延。 l 在在MAC MAC 子层并

42、没有流量控制功能。子层并没有流量控制功能。 l 具有不同具有不同 MAC MAC 子层的网段桥接在一起时时延子层的网段桥接在一起时时延更大。更大。l 网桥只适合于用户数不太多网桥只适合于用户数不太多( (不超过几百个不超过几百个) )和和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播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。这就是所谓过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的的广播风暴广播风暴。网桥与集线器区别网桥与集线器区别l 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。l 网桥在转发帧之前必须执行网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/

43、CD CSMA/CD 算法。算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。退避。在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。有网卡。 l 由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。的帧的源地址。透明网桥透明网桥/生成树网桥生成树网桥l 网桥工作在网桥工作在混杂（混杂（promiscuouspromiscuous）方式；方式；l 网桥接收到一帧后，通过网桥接收到一帧后，通过查询地址查询地址/ /端口对应表端口对应表来来确定是丢弃还是转发；确

44、定是丢弃还是转发；l 网桥刚启动时，网桥刚启动时，地址地址/ /端口对应表为空端口对应表为空，采用，采用洪泛洪泛方法方法转发帧；转发帧；l 在转发过程中采用在转发过程中采用逆向学习逆向学习算法收集算法收集MACMAC地址。网地址。网桥通过分析帧的源桥通过分析帧的源MACMAC地址得到地址得到MACMAC地址与端口的地址与端口的对应关系，并写入地址对应关系，并写入地址/ /端口对应表；端口对应表； l 网桥软件对地址网桥软件对地址/ /端口对应表进行不断的更新，并端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/ /端端口项；口项；透明

45、网桥的帧转发透明网桥的帧转发l 帧的转发过程帧的转发过程目的目的LANLAN与源与源LANLAN相同，则丢弃帧；相同，则丢弃帧；目的目的LANLAN与源与源LANLAN不同，则转发帧；不同，则转发帧；目的目的LANLAN未知，则洪泛帧未知，则洪泛帧; ;均执行逆向学习。均执行逆向学习。透透明明桥桥工工作作流流程程网桥回路问题网桥回路问题l 多个网桥（并行网桥）可能产生多个网桥（并行网桥）可能产生回路回路局域网局域网 2局域网局域网 1网桥网桥 2网桥网桥 1 AFF2F1不停地不停地兜圈子兜圈子A 发出的帧发出的帧网桥网桥 1 转发的帧转发的帧网桥网桥 2 转发的帧转发的帧网络资源白白消耗了网

46、络资源白白消耗了网桥回路问题网桥回路问题l 多个网桥（并行网桥）可能产生多个网桥（并行网桥）可能产生回路回路l 解决多个网桥产生回路的问题解决多个网桥产生回路的问题思想：让网桥之间互相通信，用一棵连接每思想：让网桥之间互相通信，用一棵连接每个个LANLAN的的生成树（生成树（Spanning TreeSpanning Tree）覆盖覆盖实际的拓扑结构。实际的拓扑结构。生成树构造生成树构造l 网桥回路解决方案：网桥回路解决方案：让网桥之间互相通信，用一棵连接每个让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LANLAN的的生成树生成树（Spanning TreeSpanning Tree）覆盖实际的拓扑结构

47、。覆盖实际的拓扑结构。l 构造生成树构造生成树每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的根；根；每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个使得每个LANLAN和桥到根的路径最短；和桥到根的路径最短；当某个当某个LANLAN或网桥发生故障时，要重新计算生成树；或网桥发生故障时，要重新计算生成树；生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树构变化，更新生成树。l 透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。透明网桥容易安装，但网

48、络资源的利用不充分。l 源路由源路由(source route)(source route)网桥在发送帧时将详细的网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。路由信息放在帧的首部中。l 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。帧，每个发现帧都记录所经过的路由。l 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧

49、的首部，都必须携带源站所确定的这一路由的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。信息。 源路由网桥源路由网桥以太网交换机以太网交换机l 通常都有多个端口，以太网交换机实质上就是通常都有多个端口，以太网交换机实质上就是一个一个多端口的网桥；多端口的网桥；l 特点特点以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在一般都工作在全双工方式全双工方式。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。传输数据。

50、 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其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。交换速率就较高。物理端口类型相同。物理端口类型相同。全双工以太网全双工以太网l不再使用不再使用CSMA/CDCSMA/CD；l前提条件：前提条件：发送和接收信道必须使用分离的网络介质；发送和接收信道必须使用分离的网络介质；任两个节点间须配备专门的链路；任两个节点间须配备专门的链路；网卡和网络交换机必须支持全双工方式。网卡和网络交换机必须支持全双工方式。l主要应用场合：主要应用场合：交换机到交换机的连接，它们之间通常有较远的距离；交换机到交换机的连接，它们之间通常有较远的距离；交换机到服务器

51、的连接，以提高通往服务器链路的带宽；交换机到服务器的连接，以提高通往服务器链路的带宽；长距离节点间的连接。长距离节点间的连接。 5.4 5.4 高速以太网高速以太网 l 速率达到或超过速率达到或超过 100 Mb/s 100 Mb/s 的以太网称为的以太网称为高高速以太网速以太网。l 在双绞线上传送在双绞线上传送 100 Mb/s 100 Mb/s 基带信号的星型基带信号的星型拓扑以太网，仍使用拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 IEEE 802.3 的的CSMA/CD CSMA/CD 协议。协议。100BASE-T 100BASE-T 以太网又称以太网又称为为快速以太网快速以太网(Fa

52、st Ethernet)(Fast Ethernet)。100BaseT100BaseT特点特点l MAC MAC 帧格式仍然是帧格式仍然是 802.3 802.3 标准规定的。标准规定的。l 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到长度减小到 100 m100 m。l 帧间时间间隔从原来的帧间时间间隔从原来的 9.6 9.6 s s 改为现在的改为现在的 0.96 0.96 s s。l 三种物理层类型三种物理层类型100BASE-TX100BASE-TX100BASE-FX100BASE-FX100BASE-T4100BASE-T4 10BA

53、SE10BASE-T-T100BASE-100BASE-TXTX100BAS100BASE-FXE-FX100BAS100BASE-T4E-T4编码方法编码方法曼彻斯特曼彻斯特4B/5B4B/5B4B/5B4B/5B8B/6T8B/6T传输介质传输介质UTP3/4/UTP3/4/5 5UTP5,STPUTP5,STP1 1多模多模/ /单模单模光纤光纤UTP3/4/UTP3/4/5 5信号频率信号频率20MHz20MHz125MHz125MHz125MH125MHz z25MHz25MHz使用线对使用线对2 2对对2 2对对2 2对对4 4对对发送线对发送线对1 1对对1 1对对1 1对对3

54、3对对网段距离网段距离100m100m100m100m150/412150/412/ /2000m2000m100m100m全双工能力全双工能力有有有有有有无无100BaseT100BaseT和和10BaseT10BaseT比较比较吉比特吉比特以太网（以太网（Gigabit EthernetGigabit Ethernet）l 又被称为前兆比特以太网又被称为前兆比特以太网l 支持全双工和半双工两种方式。支持全双工和半双工两种方式。l 使用使用 802.3 802.3 协议规定的帧格式。协议规定的帧格式。l 在半双工方式下使用在半双工方式下使用 CSMA/CD CSMA/CD 协议。协议。l 与

55、与 10BASE-T 10BASE-T 和和 100BASE-T 100BASE-T 技术向后兼容。技术向后兼容。l 物理层类型物理层类型1000BASE-X 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：基于光纤通道的物理层：q1000BASE-SX SX1000BASE-SX SX表示短波长表示短波长q1000BASE-LX LX1000BASE-LX LX表示长波长表示长波长q1000BASE-CX CX1000BASE-CX CX表示铜线表示铜线1000BASE-T 1000BASE-T 使用使用 4 4对对 5 5 类线类线 UTP UTP 载波扩展载波扩展l 根本目的在于扩展网络的物

56、理覆盖范围，由物根本目的在于扩展网络的物理覆盖范围，由物理层控制，而帧填充是由链路层控制理层控制，而帧填充是由链路层控制l 共享式千兆时间槽增加到共享式千兆时间槽增加到512B512B，10M10M和和100M 100M EthernetEthernet都是都是64B64Bl 最小帧长度保持在最小帧长度保持在64B64Bl 发送的数据帧超过发送的数据帧超过512B512B，则无需载波扩展，若，则无需载波扩展，若处于处于64B64B512B512B之间，需要之间，需要载波扩展载波扩展目地地址目地地址源地址源地址数据长度数据长度数数 据据FCSMAC 帧的最小值帧的最小值 = 64 字节字节载波延

57、伸载波延伸前同步码前同步码加上加上载波延伸使载波延伸使 MAC 帧长度帧长度 = 争用期长度争用期长度512 字节字节在以太网上实际传输的帧长在以太网上实际传输的帧长帧突发帧突发l 在发送数据帧的同时启动突发定时器在发送数据帧的同时启动突发定时器l 选择发送另一数据帧条件：选择发送另一数据帧条件：存在待发送数据帧；存在待发送数据帧；突发定时器尚未失效突发定时器尚未失效l 突发前的第一个数据帧需要载波扩展，突发期间突发前的第一个数据帧需要载波扩展，突发期间的数据帧不需要的数据帧不需要l 所有的发送数据帧长度之和不得超过所有的发送数据帧长度之和不得超过1500B1500B发送的发送的数据数据 分组

58、分组#1 RRRRRRRR 分组分组#2 RRRR 分组分组#3 RRR 分组分组#4争用期争用期 512 字节字节将突发计时器设定为将突发计时器设定为 1500 字节字节载波延伸载波延伸载波载波监听监听 吉比特以太网的配置举例吉比特以太网的配置举例 1 Gb/s 链路链路吉比特吉比特交换交换集线器集线器百兆比特或吉比特集线器百兆比特或吉比特集线器100 Mb/s 链路链路中央服务器中央服务器10吉比特以太网吉比特以太网 l 与与 10 Mb/s10 Mb/s，100 Mb/s 100 Mb/s 和和 1 Gb/s1 Gb/s 以太网的帧以太网的帧格式完全相同。格式完全相同。l 不使用铜线而只

59、使用光纤。不使用铜线而只使用光纤。l 只工作在全双工方式。只工作在全双工方式。 l 物理层类型物理层类型局域网物理层局域网物理层 ：10.000 Gb/s10.000 Gb/s。可选广域网物理层可选广域网物理层 ：OC-192/STM-64OC-192/STM-64q使使 10 10 吉比特以太网的帧能够插入到吉比特以太网的帧能够插入到 OC-OC-192/STM-64 192/STM-64 帧的有效载荷中，数据率为帧的有效载荷中，数据率为 9.95328 Gb/s9.95328 Gb/s。5.5 虚拟局域网虚拟局域网 l 虚拟局域网虚拟局域网 VLAN VLAN 是由一些局域网网段构成的与是

60、由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。这些网段具有某些共同的需求。每一个每一个 VLAN VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这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个帧的工作站是属于哪一个 VLANVLAN。l 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服虚拟局域网其实只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。务，而并不是一种新型局域网。l 虚拟局域网的优点虚拟局域网的优点 网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少 可以控制广播风暴；可以控制广播风暴；