计算机网络13

1、n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。n这些网段具有某些共同的需求。n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。n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。 4.5 虚拟局域网4.5.1 虚拟局域网的概念n利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网。n下面是由以太网交换机构成虚拟局域网的例子。以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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A

2、4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C

3、1A2A1A3C2B2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。 n从上个例子可以看出，每一个虚拟局域网的工作站可处于网络中的任何位置。n问题：用集线器可不可以组成虚拟局域网？4.6 高速以太网4.6.1 100BASE-T 以太网n速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。n如果100BASE-T以太网采用以太网交换机，它就可全双工工作，而且无碰撞发生。因此，可不使用 CSMA/CD 协议。三种不同的物理层标准 n100BAS

4、E-TXn使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 n100BASE-FX n使用 2 对光纤。 n100BASE-T4n使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。 4.6.2 吉比特以太网n允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。n使用 802.3 协议规定的帧格式。n在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。n与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。4.6.3 10 吉比特以太网n10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。n10 吉比特以太网还

5、保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。n10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。n10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。 端到端的以太网传输 n10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。n这种工作方式的好处是： n成熟的技术n互操作性很好n在广域网中使用以太网时价格便宜。n统一的帧格式简化了操作和管理。 4.7 其他种类的高速局域网n4.7.1 100VG-AnyLAN 局域网n使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 n

6、4.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) n使用光纤作为传输媒体的令牌环形网 n4.7.3 高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interface) n主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存储器、图形工作站等）的高速接口n4.7.4 光纤通道(Fibre Channel) 4.8 无线局域网4.8.1 无线局域网的组成n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 BSSAB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

7、n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BSSAB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。 n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BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网基本服务集中的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似。扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接

8、入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网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 (Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set)。扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB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。 扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基

9、本服务集BSSAB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(ad hoc network) 自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点n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 n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。n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。 n当

10、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。n4G中试图应用自组网络。 移动自组网络的缺点n由于移动自组网络中的每一个用户都可能成为转发者，所以用于移动自组网络的终端的软件和硬件更复杂，造价当然要比一般的终端要高。n当网络内终端的密度较小时，由于找不到合适的转发者，通信很难进行下去。n转发者的电池的电量有可能是被其他人耗掉的。n安全性很难得到保证。n所以移动自组网络很难普及。4.8.2 802.11 标准中的物理层n1997 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。n80

11、2.11 的物理层有以下三种实现方法：n跳频扩频 FHSSn直接序列扩频 DSSSn红外线 IR 802.11 标准中的物理层（续）n802.11a 的物理层工作在 5 GHz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 56 Mb/s。 n802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术，数据率为 5.5 或 11 Mb/s。 4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层1. CSMA/CA 协议 n无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要

12、有两个原因。nCSMA/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，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。n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。 A 的作用范围无线局域网的特殊问题 C 的作用范围ABCD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(hidden station problem) B 的作用范围无线局域网的特殊问题 C 的作用范围ADCB？B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D

13、 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(exposed station problem) n除此之外，无线信道还由于传输条件特殊，造成信号强度的动态范围非常大，致使发送站无法使用碰撞检测的方法来确定是否发生了碰撞。CSMA/CA 协议 n无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。n改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。n802.11 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。n下面

14、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(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 层

15、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。 802.11 的 MAC 层在物理层之上MAC 层包括两个子层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb

16、/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48,

17、 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11PCF 子层是选项，ad hoc就没有PCF层。它使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生。适合时间敏感的业务 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5

18、GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11帧间间隔 IFS n所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。n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。n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

19、撞的机会。 三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为 28 s，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第

20、1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIFS 长），是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度（其长度为 50 s），即78 s。 时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。 三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧

21、SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度，因此 DIFS 的长度为 128 s。 CSMA/CA 协议的原理 n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。n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。n当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在

22、等待一段时间 DIFS 后就可发送。 为什么信道空闲还要再等待 n这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。n如有，就要让高优先级帧先发送。 假定没有高优先级帧要发送 n源站发送了自己的数据帧。n目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。n若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。 虚拟载波监听 n虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在

23、这一段时间都停止发送数据。n这样就大大减少了碰撞的机会。 n“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。虚拟载波监听的效果 n这种效果好像是其他站都监听了信道。n所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。 网络分配向量 n当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。nNAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。 争用窗口 n信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅