计算机网络 介质访问控制子层

计算机网络介质访问控制子层第1页，课件共79页，创作于2023年2月本章学习要求：了解：局域网的分类与特点。理解：IEEE802参考模型与介质访问控制子层的基本概念。掌握：Ethernet局域网的基本工作原理。掌握：高速局域网、交换局域网与虚拟局域网的基本工作原理。掌握：无线局域网WLAN与802.11标准的基本概念。掌握：网络互联基本概念与网桥基本工作原理。《计算机网络》第5章介质访问控制子层2第2页，课件共79页，创作于2023年2月本章知识点结构《计算机网络》第5章介质访问控制子层3第3页，课件共79页，创作于2023年2月5.1局域网技术的发展与演变5.1.1局域网技术的研究与发展《计算机网络》第5章介质访问控制子层4第4页，课件共79页，创作于2023年2月介质访问控制的基本概念分布式控制的方法局域网中不存在中心主机，而是由每个主机各自决定是否发送数据，以及出现冲突时如何处理。“介质访问控制方法”要解决的三个基本问题：—什么时候发送数据？—如何发现冲突？—出现冲突怎么办？《计算机网络》第5章介质访问控制子层5第5页，课件共79页，创作于2023年2月5.1.2介质访问控制方法CSMA/CD、

TokenBus与TokenRing的比较三种不同的介质访问控制方法对应三种不同类型的局域网：采用带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)访问控制方法的总线形Ethernet，称为“以太网”。采用令牌控制的令牌总线形（TokenBus）局域网，称为“TokenBus”或“令牌总线网”。采用令牌控制的令牌环形（TokenRing）局域网，称为“TokenRing”或“令牌环网”。《计算机网络》第5章介质访问控制子层6第6页，课件共79页，创作于2023年2月CSMA/CD总线形局域网特点《计算机网络》第5章介质访问控制子层7第7页，课件共79页，创作于2023年2月令牌总线形局域网的特点《计算机网络》第5章介质访问控制子层8第8页，课件共79页，创作于2023年2月令牌环局域网的特点《计算机网络》第5章介质访问控制子层9第9页，课件共79页，创作于2023年2月CSMA/CD方法的主要特点介质访问控制方法算法简单，易于实现。目前，有很多种VLSI可以实现CSMA/CD方法，有利于降低Ethernet组网成本，扩大应用范围。一种随机访问控制方法，适用于对传输实时性要求不高的办公环境。在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与延迟特性。当网络通信负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加。《计算机网络》第5章介质访问控制子层10第10页，课件共79页，创作于2023年2月确定型介质访问控制方法TokenBus、TokenRing的主要特点：适用于对数据传输实性要求较高的应用环境，如生产过程控制领域。在网络通信负荷较重时，表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟，因此适用于通信负荷较重的应用环境。环的维护过程复杂，实现起来比较困难。《计算机网络》第5章介质访问控制子层11第11页，课件共79页，创作于2023年2月不同通信负荷下实际数据传输速率的比较《计算机网络》第5章介质访问控制子层12第12页，课件共79页，创作于2023年2月5.1.3Ethernet技术的研究与发展《计算机网络》第5章介质访问控制子层13第13页，课件共79页，创作于2023年2月延时带宽积物理意义《计算机网络》第5章介质访问控制子层14第14页，课件共79页，创作于2023年2月Ethernet技术的发展过程《计算机网络》第5章介质访问控制子层15第15页，课件共79页，创作于2023年2月5.1.4局域网参考模型与协议标准《计算机网络》第5章介质访问控制子层16第16页，课件共79页，创作于2023年2月IEEE802协议结构《计算机网络》第5章介质访问控制子层17第17页，课件共79页，创作于2023年2月5.2Ethernet基本工作原理5.2.1Ethernet数据发送流程分析《计算机网络》第5章介质访问控制子层18第18页，课件共79页，创作于2023年2月载波侦听总线电平跳变与总线忙闲状态的判断《计算机网络》第5章介质访问控制子层19第19页，课件共79页，创作于2023年2月冲突窗口的概念冲突窗口=2D/VD为总线传输介质的最大长度V是电磁波在介质中的传播速度《计算机网络》第5章介质访问控制子层20第20页，课件共79页，创作于2023年2月冲突检测曼彻斯特编码信号的波形叠加《计算机网络》第5章介质访问控制子层21第21页，课件共79页，创作于2023年2月发现冲突、停止发送如果在发送数据过程中检测出冲突，为了解决信道争用冲突，发送主机要进入停止发送数据、随机延迟后重发的流程。随机延迟重发的第一步是发送“冲突加强干扰序列（jammingsequence）信号”。冲突加强干扰序列信号长度规定为32bit。发送冲突加强干扰序列信号的目的是：确保有足够的冲突持续时间，使网中所有主机都能检测出冲突存在，并立即丢弃冲突帧，减少由于冲突浪费的时间，提高信道利用率。《计算机网络》第5章介质访问控制子层22第22页，课件共79页，创作于2023年2月随机延迟重发帧的最大重发次数为16CSMA/CD后退延迟算法是截止二进制指数后退延迟算法为：τ＝2k·R·a—τ为重新发送所需的后退延迟的时间—a是冲突窗口值—R是随机数二进制指数k的范围，定义了k=min（n，10）—重发次数n<10，则k取值为n—重发次数n≥10时，则k取值为10《计算机网络》第5章介质访问控制子层23第23页，课件共79页，创作于2023年2月5.2.2Ethernet帧结构Ethernet帧结构比较《计算机网络》第5章介质访问控制子层24第24页，课件共79页，创作于2023年2月5.2.3Ethernet接收流程的分析《计算机网络》第5章介质访问控制子层25第25页，课件共79页，创作于2023年2月5.2.4Ethernet网卡设计与物理地址典型的10BASE-5的Ethernet实现方法《计算机网络》第5章介质访问控制子层26第26页，课件共79页，创作于2023年2月Ethernet网卡与计算机之间关系《计算机网络》第5章介质访问控制子层27第27页，课件共79页，创作于2023年2月Ethernet物理地址《计算机网络》第5章介质访问控制子层28第28页，课件共79页，创作于2023年2月5.2.5Ethernet物理层标准命名方法IEEE802.3XType-YNameX表示数据传输速率，单位为MbpsY表示网段的最大长度，单位为100mType表示传输方式是基带还是频带Name表示局域网的名称《计算机网络》第5章介质访问控制子层29第29页，课件共79页，创作于2023年2月5.3交换式局域网与虚拟局域网技术5.3.1交换式局域网技术交换基本的功能：建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口号对应关系的映射表。在发送主机与接收主机端口之间建立虚连接。完成帧的过滤与转发。执行生成树协议，防止出现环路。《计算机网络》第5章介质访问控制子层30第30页，课件共79页，创作于2023年2月局域网交换机的工作原理《计算机网络》第5章介质访问控制子层31第31页，课件共79页，创作于2023年2月交换机的交换方式《计算机网络》第5章介质访问控制子层32第32页，课件共79页，创作于2023年2月5.3.2虚拟局域网技术传统局域网与

虚拟局域网

组网结构的比较《计算机网络》第5章介质访问控制子层33第33页，课件共79页，创作于2023年2月VLAN的划分方法基于交换机端口的VLAN划分方法《计算机网络》第5章介质访问控制子层34第34页，课件共79页，创作于2023年2月基于主机MAC地址的VLAN划分方法《计算机网络》第5章介质访问控制子层35第35页，课件共79页，创作于2023年2月基于网络层地址或协议的VLAN划分方法《计算机网络》第5章介质访问控制子层36第36页，课件共79页，创作于2023年2月IEEE802.1Q的基本内容扩展后的Ethernet帧结构《计算机网络》第5章介质访问控制子层37第37页，课件共79页，创作于2023年2月VLAN数据帧交换过程《计算机网络》第5章介质访问控制子层38第38页，课件共79页，创作于2023年2月VLAN技术的优点：可以通过软件设置的方法灵活地组织逻辑工作组，极大地方便了局域网的管理。限制了局域网中的广播通信量，有效地提高了局域网系统的性能。网络管理员可以通过制定交换机转发规则，能够提高局域网系统的安全性。《计算机网络》第5章介质访问控制子层39第39页，课件共79页，创作于2023年2月5.4高速Ethernet研究与发展5.4.1FastEthernet在传统10Mbps的Ethernet基础上发展起来的一种速率为100Mbps的高速局域网。IEEE802委员会正式批准标准—IEEE802.3u。保留着传统Ethernet的帧格式与最小、最大帧长度等特征。定义了介质专用接口（MII），将MAC层与物理层分隔开。目前100ASE-T主要有三种物理层标准：100BASE-TX、100BASE-T4、100BASE-FX。《计算机网络》第5章介质访问控制子层40第40页，课件共79页，创作于2023年2月支持半双工与全双工工作模式可以提供半双工模式之外，也可以工作在全双工模式。全双工模式不存在争用问题，MAC层不需要采用CSMA/CD方法。增加了10Mbps与100Mbps速率自动协商功能具有10Mbps与100Mbps速率网卡共存的速率自动协商机制。自动协商只涉及到物理层，不需要人为干预，能够自动配置。《计算机网络》第5章介质访问控制子层41第41页，课件共79页，创作于2023年2月5.4.2GigabitEthernetGE可以应用于数据仓库、高性能计算机、存储区域网与云计算硬件平台中。GE标准是IEEE802.3z。GE的传输速率达到了1000Mbps，它仍然保留着传统的Ethernet的帧格式与最小、最大帧长度等特征。定义了千兆介质专用接口（GMII）。GE已经成为大、中型局域网系统主干网的首选方案，有着广泛的应用前景。《计算机网络》第5章介质访问控制子层42第42页，课件共79页，创作于2023年2月5.4.310GigabitEthernet10GbE主要特点：保留着传统的Ethernet的的帧格式与最小、最大帧长度的特征。10GbE定义了专用的介质专用接口10GMII。10GbE只工作在全双工方式，不再不采用CSMA/CD协议，覆盖范围不受传统Ethernet网的冲突窗口限制，传输距离只取决于光纤通信系统的性能。10GbE的应用领域已经从局域网，逐渐扩展到城域网与广域网的核心交换网之中。10GbE的物理层协议分为：局域网物理层标准与广域网物理层标准两类。《计算机网络》第5章介质访问控制子层43第43页，课件共79页，创作于2023年2月5.4.440GigabitEthernet

与100GigabitEthernet40GbE与100GbE研究的背景移动Internet应用三网融合的高清视频业务增长的需要云计算、物联网应用的兴起城域网与广域网核心交换网传输带宽增长的需求《计算机网络》第5章介质访问控制子层44第44页，课件共79页，创作于2023年2月40GbE的研究与应用40Gbps的波分复用WDM技术早在1996年就出现了。2004～2006年前后在局部范围内开始商用，同时路由器开始提供40Gbps的接口。在2007～2008年有多个厂商能够提供速率为40Gbps的波分复用设备。40GbE技术将会大量应用于IDC、高性能计算机、高性能服务器集群与云计算平台。《计算机网络》第5章介质访问控制子层45第45页，课件共79页，创作于2023年2月100GbE技术的研究与应用100GbE的标准是802.3ba100GbE保留着传统的Ethernet的的帧格式与最小、最大帧长度的规定100GbE物理接口主要有三种类型：—10×10GbE短距离互联的LAN接口技术—4×25GE中短距离互联的LAN接口技术—10m的铜缆接口和1m的系统背板互联技术《计算机网络》第5章介质访问控制子层46第46页，课件共79页，创作于2023年2月5.4.5光以太网与城域以太网光以太网的基本概念光以太网术语是北电网络2000年提出，得到网络界与电信界的认同和支持。10Gbps、40Gbps、100Gbps高速以太网中只采用全双工模式，物理传输介质以光纤为主。可以充分地将Ethernet技术与SDH、MPLS与DWDM等成熟的光通信技术交叉融合、优势互补，以提升Ethernet技术的服务质量QoS、网络安全性与系统可靠性，使得光以太网成为能够满足电信级服务要求的网络技术。利用光纤的巨大带宽资源与成熟、广泛应用的Ethernet技术，为网络运营商建造新一代的宽带城域网提供技术支持。《计算机网络》第5章介质访问控制子层47第47页，课件共79页，创作于2023年2月城域以太网的基本概念宽带城域网选择网络方案的三大驱动因素是成本、可扩展性和易用性的话，那么选择Ethernet技术作为下一代构建宽带城域网的主要技术是非常恰当的。Ethernet具有良好的扩展性，能够容易地实现从10Mbps到100Gbps的平滑升级，并且能够覆盖从几十米到100公里的范围。研究可运营的光以太网已经不是单一的技术研究，而是提出了城域以太网的解决方案。光以太网、城域以太网的发展将从根本上改变网络运营商规划、建设、管理思想。《计算机网络》第5章介质访问控制子层48第48页，课件共79页，创作于2023年2月5.5Ethernet组网设备与组网方法5.5.1Ethernet基本的组网方法与设备用中继器连接两个Ethernet缆段结构中继器的工作原理《计算机网络》第5章介质访问控制子层49第49页，课件共79页，创作于2023年2月集线器（HUB）《计算机网络》第5章介质访问控制子层50第50页，课件共79页，创作于2023年2月集线器组网结构《计算机网络》第5章介质访问控制子层51第51页，课件共79页，创作于2023年2月5.5.2交换Ethernet与高速Ethernet组网方法典型的交换以太网组网结构《计算机网络》第5章介质访问控制子层52第52页，课件共79页，创作于2023年2月5.5.3局域网结构化布线的基本概念建筑物综合布线系统结构示意图《计算机网络》第5章介质访问控制子层53第53页，课件共79页，创作于2023年2月5.6局域网互联与网桥5.6.1局域网互联与网桥的基本概念网桥是实现两个或两个以上相同类型的同构局域网的互联，也可以实现两个或两个以上不同类型的异构局域网的互联设备。网桥主要有两大主要的功能：—端口号与对应的MAC地址表的转发表生成与维护—帧接收、过滤与转发《计算机网络》第5章介质访问控制子层54第54页，课件共79页，创作于2023年2月网桥结构与工作原理《计算机网络》第5章介质访问控制子层55第55页，课件共79页，创作于2023年2月源路由网桥源路由网桥由发送帧的源主机负责路由选择。每个主机在发送帧时，将详细的路由信息写在帧头部，网桥根据源主机确定的路由转发帧。为了发现合适的路由，源主机以广播方式向目的主机发送用于探测的发现帧。源主机得到这些路由信息后，从可能的路由中选择出一个最佳路由。常用的方法是：如果有超过一条的路径，源主机将选择经过的中间经过的网桥跳数最少的路径。《计算机网络》第5章介质访问控制子层56第56页，课件共79页，创作于2023年2月透明网桥用透明网桥互联局域网时，网桥的转发表开始是空的。网桥采取与交换机采取自学习方法，在转发帧的过程中，逐渐将建立和更新转发表。透明网桥通过自学习算法生成和维护网桥转发表，是一种即插即用的局域网互联设备。局域网的主机不负责帧传输路径的选择。互联的局域网主机不需要知道网桥的存在，也不需要了解网桥之间的连接关系，网桥对主机是透明的。《计算机网络》第5章介质访问控制子层57第57页，课件共79页，创作于2023年2月5.6.2网桥的工作流程《计算机网络》第5章介质访问控制子层58第58页，课件共79页，创作于2023年2月5.6.3生成树协议网桥互联形成环状结构《计算机网络》第5章介质访问控制子层59第59页，课件共79页，创作于2023年2月分析生成树协议执行过程的网络结构示意图《计算机网络》第5章介质访问控制子层60第60页，课件共79页，创作于2023年2月有效拓扑结构《计算机网络》第5章介质访问控制子层61第61页，课件共79页，创作于2023年2月主机之间的帧传输路径《计算机网络》第5章介质访问控制子层62第62页，课件共79页，创作于2023年2月5.6.4网桥与中继器、集线器、交换机的比较网桥与中继器作用的比较《计算机网络》第5章介质访问控制子层63第63页，课件共79页，创作于2023年2月中继器、集线器、网桥与交换机的比较比较的内容中继器集线器交换机网桥协议层次物理层物理层MAC层MAC层主要功能连接多个缆段，增加总线长度，增加接入的主机数量接入多台计算机形成星形结构的Ethernet连接多台计算机，实现快速帧转发互联多个同构或异构的局域网工作原理信号放大与整形信号放大与整形在多端口之间同时转发多帧MAC地址过滤与帧转发结构特点两个端口可以有多端口可以有多端口可以有多端口使用地址MAC地址MAC地址冲突域连接在多个缆段上的所有主机属于一个冲突域连接在集线器上的所有主机属于一个冲突域如果主机独占端口，则不存在冲突每个互联的局域网分别是一个冲突域《计算机网络》第5章介质访问控制子层64第64页，课件共79页，创作于2023年2月5.7无线局域网5.7.1无线局域网发展背景无线局域网（WLAN）不仅能够作为独立的一种移动通信网络来使用，而且可以作为传统局域网的补充。无线局域网以微波、激光与红外线等无线电波作为传输介质，来全部或部分取代传统局域网中的双绞线与光纤。无线局域网不仅能够满足移动和特殊应用领域网络的要求，还能覆盖有线局域网难以布线的位置。无线局域网的发展速度很快。目前，支持2Mbps传输速率的系统已经成熟，而速率为40Mbps～80Mbps的系统正在研究中。《计算机网络》第5章介质访问控制子层65第65页，课件共79页，创作于2023年2月无线局域网802.11协议发展过程1997年形成了第一个无线局域网的标准802.11。802.11定义了使用红外、跳频扩频与直接序列扩频技术，传输速率为1Mbps或2Mbps的无线局域网标准。802.11b定义了使用跳频扩频技术，传输速率为1、2、5.5与11Mbps的无线局域网标准。802.11a将传输速率提高到54Mbps。目前802.11标准已经从802.11、802.11a发展802.11j，对多种频段无线传输技术的物理层、MAC层、无线网桥，以