《计算机网络》课件-5直连网络

第5章

直连的网络5.1以太网

5.1.1物理特性

5.1.2版本及拓扑结构

5.1.3

CSMA/CD

5.1.4以太网的帧

5.1.5以太网组网

5.1.6以太网性能限制5.2高速以太网

5.2.1快速以太网

5.2.2

100VG-AnyLAN

5.2.3千兆以太网

5.2.4

10G以太网5.3无线网络

5.3.1物理特性

5.3.2冲突避免

5.3.3无线局域网的组成

5.3.4无线局域网协议标准

5.3.5

WiFi与3G5.0局域网概述1、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。

5.0局域网概述2、局域网的特点网络覆盖的区域相对较小，通常传输距离在0.1km

25km。传输速率高，局域网的传输速率一般为1Mbit/s

100Mbit/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10-8

10-11范围内，传输质量高。局域网具有专用性质。局域网大多采用广播方式传输数据，一个站发出数据，其它所有站都能接收到。因此，局域网不需要考虑路由选择问题。

5.0局域网概述3、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

5.0局域网概述4、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。

5.0局域网概述5、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。

5.0局域网概述6、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5.0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5.0局域网概述7、局域网的媒体访问控制技术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

8、IEEE802局域网标准5.0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。5.0局域网概述5.1以太网技术1、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

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数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网5.1以太网技术1、以太网概述5.1以太网技术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。5.1以太网技术以太网工作原理

采用了第三章所介绍的载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的方法进行信道访问控制。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)6bytesCSMA/CD方式的主要参数以太网的系列标准（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5.1以太网技术1、MAC地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或

MAC地址。

802

标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

但鉴于大家都早已习惯了将这种48bit的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。5.1以太网的MAC层第1最高位最先发送最低位最高位最低位最后发送001101010111101100010010000000000000000000000001最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送机构惟一标志符OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的EUI-48地址：AC-DE-48-00-00-80二进制表示的EUI-48地址：第1字节第6字节I/G比特I/G比特字节顺序第2第3第4第5第6第1字节顺序第2第3第4第5第6101011001101111001001000000000000000000010000000802.5802.6802.3802.4802.5802.6

路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。

网卡上的硬件地址路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F65.1以太网的MAC层1、MAC地址网卡从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.如果是发往本站的帧则收下，然后进行其他处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧：

单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）

网卡检查MAC地址5.1以太网的MAC层1、MAC地址2、MAC帧格式常用的以太网MAC帧格式有两种标准

：DIXEthernetV2标准IEEE的802.3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式。

两种不同的MAC帧格式5.1以太网的MAC层MAC帧字节6624IP层物理层目的地址源地址长度/类型FCSMAC层1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入数

据MAC子层IP层LLC子层802.2LLC帧当长度/类型字段表示长度时802.3MAC帧以太网V2MAC帧这种802.3+802.2帧已经较少使用目的地址源地址类型数

据FCS6624字节46~150043~1497111DSAPSSAP111

控制

数

据字节DSAPSSAP控制IP数据报IP数据报MAC帧物理层MAC层1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数

据FCS6624字节46~1500IP数据报

以太网V2的格式5.1以太网的MAC层2、MAC帧格式

以太网V2的格式目的地址字段6字节，源地址字段6字节类型字段2字节：类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议数据字段的正式名称是MAC客户数据字段最小长度64字节

18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度（46字节）5.1以太网的MAC层2、MAC帧格式数据字段的长度46－1500字节。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字节帧校验序列FCS4字节：当传输媒体的误码率为1

10

8

时，MAC子层可使未检测到的差错小于1

10

14

以太网V2的格式5.1以太网的MAC层2、MAC帧格式为了达到比特同步，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，表示后面信息就是MAC帧。

以太网V2的格式5.1以太网的MAC层2、MAC帧格式3、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。5.1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。5.1以太网的MAC层3、CSMA/CD的工作过程4、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。

5.1以太网的MAC层一个帧从开始发送，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：5.1以太网的MAC层4、以太网的信道利用率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]=(1－PA)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2×108m/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以太网的连接方法5.1以太网的连接方法网络接口卡（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。5.1以太网的连接方法10BASE-5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。5.1以太网的连接方法10BASE-210Base－2以太网和BNC接口10Base－2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100m5.1以太网的连接方法RJ－45接口和双绞线5.2高速局域网

常见的高速以太网100BASE-T以太网千兆以太网10Gbit/s以太网1、100BASE－T以太网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。

5.2高速局域网

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。

5.2高速局域网

1、100BASE－T以太网2、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-T5.2高速局域网

3、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)5.2高速局域网

5.3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AEDCBF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

5.3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。

5.3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。

5.3无线局域网

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(hiddenstationproblem)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2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2