第5章局域网络LANppt课件

1、1、lan的关键技术的关键技术（1）拓扑结构：星型、总线型、环型等。）拓扑结构：星型、总线型、环型等。（2）数据传输形式：基带、宽带、传输介质等。）数据传输形式：基带、宽带、传输介质等。（3）介质访问控制方法：）介质访问控制方法： 固定分配固定分配 按需求分配按需求分配 自适应分配自适应分配 控询分配控询分配 随机访问随机访问2、lan的体系结构的体系结构-ieee802系列系列osi/rmieee802系列(1) 为什么将为什么将dl层分为层分为llc、mac子层？子层？(2) 为什么没有为什么没有n层及更上层？层及更上层？llcmacph更上层(n)sap3、ieee802标准系列标准系列

2、 802.7 宽带技术 802.8 光纤技术 图 5-2 ieee 802 标准间的关系 802.10 可互操作的局域网的安全 802.1a 管理 802.1b 综述及体系结构 802.2 逻辑链路控制 llc 802.3 csma/cd mac 物理层 802.4 令牌总线 mac 物理层 802.5 令牌环 mac 物理层 802.6 局域网 man mac 物理层 802.9 语音数据 综合 局域网 802.11 无线 局域网 ieee 802 isoosi 网络层 数据链 路 层 物理层 llcmacpls更上层(n)sappmamdiph层aui: access unit inter

3、facemau：media access unit1、ph层：层：mac系统接口plsmautxfiforxfifo发收dodici 发送数据：驱动发送数据：驱动 接收数据：脉冲整形接收数据：脉冲整形 环路测试：环路测试：do di 冲突检测：波形比较，冲突检测：波形比较，ci信号信号 sqe测试：测试：signal quality error，每发一帧测试一次，每发一帧测试一次 过长保护：持续过长保护：持续20-50ms后，发后，发ci信号信号 链路完整性检测：物理链路分离的情况链路完整性检测：物理链路分离的情况aui有：内置：在同一网卡上有：内置：在同一网卡上 外置：与网卡分离外置：与网卡

4、分离收发器网卡aui10base-5包含：三对差分线：包含：三对差分线：do、di、ci 电源线、地线电源线、地线 发送发送data：manchester编码、发送前导码编码、发送前导码 接收接收data：manchester译码、锁定前导码译码、锁定前导码 错误检测：错误检测：pls mac的连接情况的连接情况 载波侦听：网络的活动状况载波侦听：网络的活动状况主要为了实现主要为了实现lan的链路控制管理协议：的链路控制管理协议：csma/cd具体包含：帧的处理具体包含：帧的处理 、寻址、差控、介质存取管理、寻址、差控、介质存取管理等等。等等。 帧的处理：帧的处理：10.10 10101011

5、 da sa lendatafcs10.1011da sa type datafcs56bit62bit8bit2bit由dix联盟提出。即digital、intel、xerox 寻址：寻址：在在内，采用物理地址进行寻址。内，采用物理地址进行寻址。ieee分配 厂商分配3byte3byte 差错处理：差错处理： 采用采用go back n frame arq 介质的存取管理：介质的存取管理：产生冲突产生冲突两站点同时发数据：产生冲突产生冲突两站点不同时发数据： 冲突检测：在什么时间范围内，没有检测到冲突冲突检测：在什么时间范围内，没有检测到冲突 则数据发送成功。则数据发送成功。：lan中，两最

6、远站点之间的传输时间。 协议中定义为：。256bit10mbps= 25.6us2 时间例如：10base-t 最多只能级联四个hub。 100base-t只能能级联二个hub。 冲突处理：冲突处理： 窗口内冲突：窗口内冲突：2 时间内发生的冲突。时间内发生的冲突。1) 发前导发前导/同步时的冲突：同步时的冲突：前导sfd拥塞序列64bit32bit冲突强化信号冲突强化信号2) 在前导在前导/同步后，同步后，2 时间内时间内的冲突：的冲突：收方放弃接收，发方自动重发。窗口外冲突：窗口外冲突：2 时间外发生的冲突。时间外发生的冲突。产生冲突产生冲突时间已经过2 时间 收方放弃接收 发送方不重发超

7、出拓扑限制llcmacph更上层(n)sapllcmacph更上层(n)sap dsap ssap control datallc帧结构：同hdlc的控制域 （1）吞吐率(s)：在一帧时内成功发送的平均帧数。 0 s 1 （2）网络负载(g)：在一帧时内需要发送的平均帧数。 g 1 服从poission（泊松）分布； 网络为单信道 有冲突发生； a 连续时间 a 有csma监听 b分隙时间 b 无载波监听 从t t + t 时间转换概率为： t ； （为平均到达率，则：g = t ) 在t 时间内多于一次发生的概率为0； 所有事件发生的概率相互独立；则：在 t 时刻有 k 个事件发生的概率为：

8、p(k,t) = (t) ek-tk!则：p成 = gk e-gk!s = g p成 所以有：ttt因此：s = g p成= g p成 = gk e-gk!= 则t时间生成0帧的概率：因此：s = g p成= g p成 = gk e-gk!= 则t时间生成0帧的概率：nnyyllcmacpls更上层pmamdipmamdiph层mau1810hubpcpcipg第一个包处理时延：10ms第二个包处理时延： 5mshubhub干扰帧hub123以构建传统构建传统ethernet：10base-5和和 10base-2(1) 10base-5: 粗缆以太网粗缆以太网maupcmaupcmaupc

9、2.5m 500m最大节点数目最大节点数目100个个15芯芯d型型连接器连接器aui 0.5m2km单模：20kmlalblcla lb lcmac1 mac1 mac1mac2 mac2 mac2 由发送方指定数据帧的转发路径。由发送方指定数据帧的转发路径。 发送方以广播方式发送一个发现帧（发送方以广播方式发送一个发现帧（discovery frame），），沿所有可能的路径到达目的站点，并记录所走过的路径，沿所有可能的路径到达目的站点，并记录所走过的路径，然后返回发送方。然后返回发送方。 发送方根据这些路径信息确定一条发送方根据这些路径信息确定一条最佳最佳的路径。并将路的路径。并将路径信息

10、插入到径信息插入到mac帧中。帧中。da sa path t/l data fcs18byte两种网桥的比较两种网桥的比较 透明桥透明桥 源选径桥源选径桥 连接服务连接服务 无无 面向连接面向连接 透明性透明性 对主机透明对主机透明 不透明不透明 人工管理人工管理 不需要不需要 需要需要 路径最佳路径最佳 不一定不一定 最佳最佳 拓扑适应性拓扑适应性 好好 差差802.3802.4模块模块fddi模块模块802.3u模块模块switch交换模块交换模块冲突域冲突域冲突域冲突域switch（1）802.3u：是由：是由“fea”提出来的提出来的 保留了保留了10mbps ethernet 的协议

11、：的协议：csma/cd 修改修改mac层以适应层以适应/兼容兼容10mbps传输速率传输速率 增强增强ph层、层、repeater以支持以支持utp5和光纤和光纤（2）802.12：是由：是由“fea”提出来的提出来的 定义了新定义了新 的的mac协议，比协议，比csma/cd更合理更合理优化优化ph层、层、repeater功能功能支持支持utp3、utp5和光纤和光纤更多的厂家支持更多的厂家支持802.3u，目前普遍采用，目前普遍采用逻辑链路控制（逻辑链路控制（llc）介质存取控制（介质存取控制（mac）plsrspmamdipcspma自动协商自动协商mdi更上层更上层mii802.3u

12、802.3aui介质介质介质介质（1）增加了）增加了rs协调子层协调子层 保证保证mac为一个标准实体（即为一个标准实体（即ph层的改变不影响层的改变不影响mac层）层） 将将mac的位串行接口映射为半位元组宽度的接口的位串行接口映射为半位元组宽度的接口即即mii（2）介质无关接口（）介质无关接口（mii）取代了）取代了aui 减少减少mac对对ph层的依赖（与介质相关问题无关）层的依赖（与介质相关问题无关） mii采用采用4位接口，信号频率从位接口，信号频率从100mhz降低到降低到25mhz mii在在10mbps和和100mbps速率下工作速率下工作 提供提供mac和和ph层之间专用报错

13、和管理信号层之间专用报错和管理信号 mii的长度的长度 0.5m; 而而aui 50m（3）双速）双速mac功能（功能（10 / 100mbps） 为了兼容为了兼容10mbps以太网，通过自动协商可以自动适应以太网，通过自动协商可以自动适应10 / 100mbps的数据传输速率。的数据传输速率。（4）取消）取消manchester编码编码 取消取消aui的的manchester编码，直接采用编码，直接采用nrz 对不同介质进行优化：对不同介质进行优化：5utp、3utp、光纤。、光纤。（5）自动协商）自动协商 自动协商只针对双绞线定义的，自动适应自动协商只针对双绞线定义的，自动适应10 / 1

14、00mbps。（6）定义）定义i、ii级中继规范级中继规范 i 级：允许有较大时延级：允许有较大时延-单中继规范单中继规范 i i 级：允许有较小时延级：允许有较小时延-双中继规范双中继规范 不支持混合网段（只能同一种介质构建网络）不支持混合网段（只能同一种介质构建网络） 修改过长保护，仅中继器有过长保护时间（网卡上无）修改过长保护，仅中继器有过长保护时间（网卡上无）i i 级中继级中继i i 级中继级中继小于小于100米米小于小于100米米小于小于5米米（7）全双工操作）全双工操作 由于遵从由于遵从csma / cd协议，因而受协议，因而受时间限制，由于网时间限制，由于网络速度为络速度为10

15、0mbps，所以网络拓扑为，所以网络拓扑为10mbps 网络的十网络的十分子一。采用全双工不受冲突域限制，扩大拓扑分子一。采用全双工不受冲突域限制，扩大拓扑。（8）介质、优化与网络规范）介质、优化与网络规范 100base-t4 3utp 100base-tx 5utp 100base-fx 多模光纤（多模光纤（62.5 / 125 m）采用采用4对对3utp实现实现100mbps的数据传输速率。的数据传输速率。mii信号信号: nrzpcs层层: 8b / 6t （针对（针对3utp）28=256 36=729 三进制编码，即有：三进制编码，即有：+1、0、-1三种状态三种状态 精心挑选数据

16、的编码值，可降低精心挑选数据的编码值，可降低rfi / emi 可动态修改传输码组以保持线路的可动态修改传输码组以保持线路的dc平衡平衡 多余值可用于帧定界符定义多余值可用于帧定界符定义半位元组半位元组特殊定界符特殊定界符sosasosbp3p4mii8b / 6t半位元组半位元组mii_clk1234 1通道：单向发送数据和冲突消除通道：单向发送数据和冲突消除 2通道：单向接收数据和冲突检测通道：单向接收数据和冲突检测 3通道：数据收发通道：数据收发 4通道：数据收发通道：数据收发 要达到要达到100mbps，则每个，则每个通道应有通道应有33mbps，由于，由于采用采用8b / 6t编码，

17、所以实编码，所以实际线路信号频率为：际线路信号频率为：25mhz，故用，故用4对对3utp实实现可以现可以100mbps 。采用采用2对对5utp实现实现100mbps的数据传输速率。的数据传输速率。mii信号信号: nrzpcs层层: 4b / 5b （针对（针对5utp或光纤传输介质）或光纤传输介质）24=16 25=32 将四位二进制编码映射到将四位二进制编码映射到5位二进制编码的集合上位二进制编码的集合上多余编码可用于帧控制：多余编码可用于帧控制：/i/：帧间隔（：帧间隔（ipg）；）；/j/k/： 用于帧起始定界；用于帧起始定界；/t/r/：帧结束定界。未用则保留。：帧结束定界。未用

18、则保留。 4b / 5b编码芯片早在编码芯片早在fddi中定义和成熟应用，比中定义和成熟应用，比8b/6t编码芯片得到更多商家支持，目前的主流技术。编码芯片得到更多商家支持，目前的主流技术。半位元组半位元组4b / 5b并转串并转串扰码器扰码器mlt-3nrz：125mbps光纤光纤: 100base-fx5utpmii4b： 100mbps 100mhz5b: 125mbps 125mhz 经过扰码和三电平编码后，信号频率为：经过扰码和三电平编码后，信号频率为：31.25mhz5utp: 100base-tx略略1993年年 802.3u：以太网：以太网 802.3x：全双工：全双工1997

19、年年 802.3ac：vlan 交换式交换式ethernet（核心设备：（核心设备：switch）本质上与网桥没什么差别本质上与网桥没什么差别（1）、网桥为何更名为交换机呢？）、网桥为何更名为交换机呢？ 主要原因：主要原因： 技术原因技术原因。网桥基于软件实现过滤、学习和转发机制，。网桥基于软件实现过滤、学习和转发机制，交换机则基于硬件实现。交换机则基于硬件实现。 市场原因市场原因。网桥的广播风暴、。网桥的广播风暴、502.1d的不稳定性、此时的不稳定性、此时的路由器还无法用硬件来实现。网桥的市场影响不佳。的路由器还无法用硬件来实现。网桥的市场影响不佳。（2）为什么要构建交换式以太网？（区别于

20、共享式以太网）为什么要构建交换式以太网？（区别于共享式以太网）主要原因：主要原因： 从本质上消除网络的拓扑限制；从本质上消除网络的拓扑限制； 减轻带宽的瓶颈限制，并在减轻带宽的瓶颈限制，并在10mbps和和100mbps以太网以太网之间构建较好的互补解决方案。之间构建较好的互补解决方案。serverswitchswitchhub解决突发带宽解决突发带宽或聚集带宽问或聚集带宽问题的互补方案题的互补方案100mbps10mbps10mbps100mbps聚集带宽聚集带宽的消除的消除（1）802.3x： mac被修改为支持全双工被修改为支持全双工 ethernet帧的帧的type域被采纳域被采纳 自

21、动协商子层被自动协商子层被pause帧取代帧取代 mac子层域子层域mac客户层之间新增客户层之间新增mac控制子层控制子层（2）流量控制：）流量控制：hubhubswitch100mbps10mbps（3）pause帧帧-一个特殊的一个特殊的mac帧帧 da sa type mac操作码操作码 mac操作数操作数 fcs 2byte88-08: ethernet00-01: pause帧帧 仅限于仅限于802.3全双工网络全双工网络 发方生成发方生成pause帧，收方帧，收方“淹没淹没”处理处理 收方收方pause定时器的值：为定时器的值：为0：继续发送；：继续发送； 非非0：每经过：每经过

22、512位时间减位时间减1 10/100mbps网，网，pause控制协议必须是对称的控制协议必须是对称的 100mbps网，网，pause控制协议可以是不对称的控制协议可以是不对称的赋给赋给16bit pause定时器的值定时器的值switchswitchvlan3vlan1vlan2(1) 概念：把物理上分散的站点在逻辑上划分在一个子网内概念：把物理上分散的站点在逻辑上划分在一个子网内(2) vlan的作用：的作用： 使大型网络的管理简单化；（传统采用网桥使大型网络的管理简单化；（传统采用网桥/路由器隔离）路由器隔离） 消除网桥消除网桥/路由跨网段传输的瓶颈；路由跨网段传输的瓶颈； 增加网络

23、连接的灵活性和负载的均衡；增加网络连接的灵活性和负载的均衡； 控制广播数据的传输控制广播数据的传输消除广播风暴；消除广播风暴； 增加网络的安全性增加网络的安全性比通常的安全措施更安全可靠。比通常的安全措施更安全可靠。(3) vlan的划分方式：的划分方式： 按端口划分：按端口划分：将将vlan交换机上的物理端口和交换机上的物理端口和vlan交换机内部的交换机内部的pvc（永久虚电路）端口分成若干个组，（永久虚电路）端口分成若干个组，每个组构成一个虚拟网，相当于一个独立的每个组构成一个虚拟网，相当于一个独立的vlan交换交换机机 。缺点：用户不能随意移动。缺点：用户不能随意移动。按按mac地址划

24、分地址划分 ：用户从一个物理位置移动到另一个用户从一个物理位置移动到另一个物理位置时，自动保留其所属物理位置时，自动保留其所属vlan的成员身份，但这的成员身份，但这种方式要求网络管理员将每个用户都一一划分在某个种方式要求网络管理员将每个用户都一一划分在某个vlan中，在一个大规模的中，在一个大规模的vlan中，这就有些困难中，这就有些困难 按网络协议划分按网络协议划分：可使广播域跨越多个可使广播域跨越多个vlan交换机，交换机，用户可以在网络内部自由移动用户可以在网络内部自由移动 。按按ipipx划分划分 ：每个每个vlan都是和一段独立的都是和一段独立的ip网段相网段相对应的对应的 ，有利

25、于将动态主机配置（有利于将动态主机配置（dhcp）技术结合起来，）技术结合起来，而且，用户可以移动工作站而不需要重新配置网络地址，而且，用户可以移动工作站而不需要重新配置网络地址，便于网络管理便于网络管理 ，主要缺点在于效率要比第二层差主要缺点在于效率要比第二层差 。按策略划分按策略划分 ：能实现多种分配方法，包括能实现多种分配方法，包括vlan交换机端交换机端口、口、mac地址、地址、ip地址、网络层协议等地址、网络层协议等 。按用户定义、非用户授权划分按用户定义、非用户授权划分：为了适应特别的：为了适应特别的vlan网网络，特别的网络用户的特别要求来定义和设计络，特别的网络用户的特别要求来

26、定义和设计vlan，而且，而且可以让非可以让非vlan群体用户访问群体用户访问vlan，但是需要提供用户密，但是需要提供用户密码，得到码，得到vlan管理的认证后才可以加入一个管理的认证后才可以加入一个vlan 。(4) vlan标记帧结构：标记帧结构： da sa vlan type info. fcs 4 byte 0 x88 0 x08 用户优先级用户优先级 cfi vidtpidtci8831120-7级：高、低级：高、低规范指示器规范指示器token-ring: 10 x00: 空空vlan0 xff: 保留保留 0 x01: 缺省（基于端缺省（基于端口的划分）口的划分）1998年年

27、6月，月，ieee802.3z（以（以主干网络技术主干网络技术提出的）提出的）目前常用：目前常用： 1000mbps ethernet atm1、千兆以太网与、千兆以太网与atm（1）atm网络特点：网络特点： 良好的扩展性和灵活性，具有全面控制功能，易于构建大型网络。良好的扩展性和灵活性，具有全面控制功能，易于构建大型网络。但在但在lan中的缺陷是明显的：中的缺陷是明显的： 1）atm目前主要承载目前主要承载ip业务，开销较高，业务，开销较高，155m 有有30m为开销；为开销； 2）不少厂商的）不少厂商的atm交换机之间难以保持完全兼容，价格较为昂贵；交换机之间难以保持完全兼容，价格较为昂

28、贵； 3）atm技术较为复杂，对网络管理员要求较高。技术较为复杂，对网络管理员要求较高。（2）千兆以太网的主要优势：）千兆以太网的主要优势： 成本低廉、互连性好、升级容易、组网简单、技术支持厂家多、成本低廉、互连性好、升级容易、组网简单、技术支持厂家多、技术发展快的优势技术发展快的优势 。逻辑链路控制（逻辑链路控制（llc）介质存取控制（介质存取控制（mac）rsrspmdmdipcspma自动协商自动协商mdi更上层更上层mii802.3u802.3z介质介质介质介质2、802.3z的层次结构的层次结构pcspmagmii（1）mii与与gmii： gmii采用采用8bit并行接口：则信号频

29、率位并行接口：则信号频率位125mhz。（2）pcs编码及规范：编码及规范：（3）中继器规范：）中继器规范： 由于协议由于协议“”时间的限制，采用单中继规范。时间的限制，采用单中继规范。3、802.3z的的mac半双工操作（共享式）半双工操作（共享式）（1）冲突域与最小帧长的关系）冲突域与最小帧长的关系tt2t1t4t3t52因此，因此，ethernet的的最小帧长为最小帧长为64byte，即即512bit。（2）载波扩展）载波扩展-延长冲突域至延长冲突域至512byte前导前导 sfd da sa t/l info. fcs 载波扩展载波扩展 64byte = 512bit512byte =

30、 4096bit对于最小帧，速度从对于最小帧，速度从10mbps提高到提高到100mbps，而时，而时间上则多出了间上则多出了8倍，实际数据传输速率仅提高了倍，实际数据传输速率仅提高了25%。（3）帧突发）帧突发-载波扩展方式的改进载波扩展方式的改进原理：原理：当一个站点发送第一帧时，不管是否需要载波扩展，当一个站点发送第一帧时，不管是否需要载波扩展，一个突发定时器将被启动，第一帧发完后：一个突发定时器将被启动，第一帧发完后： 若无帧发送，突发定时器清零，放弃信道；若无帧发送，突发定时器清零，放弃信道； 若有帧发送，突发定时器无效，重新竞争信道；若有帧发送，突发定时器无效，重新竞争信道； 若有

31、帧发送，突发定时器有效，按正常若有帧发送，突发定时器有效，按正常csma/cd操作。操作。突发时间：突发时间：8192byte = 65536bit#1rrrrrr#2rr512byteipg（4）千兆以太网的工作参数：）千兆以太网的工作参数： 参参 数数 值值冲突域冲突域 4096 bit帧间隔帧间隔 96 bit重发上限重发上限 16 次次后退上限后退上限 10 次次拥塞序列拥塞序列 32 bit帧长帧长 641518 byte突发限制突发限制 65536 bit4、802.3z最坏情况下的效率比较（单个站点）最坏情况下的效率比较（单个站点）（1）100mbps csma/cd网络网络单个

32、站点的最小帧单个站点的最小帧= pp+i+q其中：其中：=512512+96+64= 76%（2）载波扩展的）载波扩展的1000mbps ethernet= pmax(s, p)+i+q=5124096+96+64= 12%（3）帧突发）帧突发1000mbps ethernet= (n+1)pmax(s, p)+n(p+i+q)=n：在突发时间内可：在突发时间内可 以发送的帧数以发送的帧数65536 - 4096512+96+64= 92帧帧（92+1）5124096+92（512+96+64）= 72%5、位预算分析、位预算分析repeaterdtedte 100m 100m往返时延（往返时

33、延（rt）= 链路时延链路时延+ 中继时延中继时延+ dte时延时延+ 安全余量安全余量中继器最大往返时延：中继器最大往返时延：976位；位；dte最大往返时延：最大往返时延：432位位传输介质往返时延：传输介质往返时延：5utp：11.12位位/米，光纤：米，光纤：10.10位位/米米安全余量：安全余量：32位位rt= 20011.12+976+2432+32 = 4096位（即：位（即：512byte） 6、第、第3层交换机层交换机第第2层交换层交换 + 第三层路由第三层路由 第三层交换机第三层交换机（1）产生第三层交换机的原因）产生第三层交换机的原因phdln速度提高速度提高瓶颈瓶颈1)

34、 交换机本身性能改进的需要交换机本身性能改进的需要2) 使用路由器桥接的缺陷：使用路由器桥接的缺陷：v 路由器增加了路由器增加了3层路由选择的时间，层路由选择的时间， 数据的传输效率低。数据的传输效率低。v 增加、移动和改变节点的复杂性有增无减。增加、移动和改变节点的复杂性有增无减。v 路由器价格昂贵、结构复杂。路由器价格昂贵、结构复杂。v 增加子网增加子网/虚拟网的互连意味着要增加路由器端口，虚拟网的互连意味着要增加路由器端口， 投资也增大。投资也增大。（2）第三层交换机的发展）第三层交换机的发展1996年年 ipsilon公司：基于公司：基于atm的的ip交换交换 cisco公司：标记交换公司：标记交换 ibm公司：公司：aris（ip汇聚交换）汇聚交换） tos