介質(zhì)訪問控制子層YF.ppt

課前提問：,如何理解物理連接與數(shù)據(jù)鏈路的關(guān)系 什么是數(shù)據(jù)鏈路 什么是物理線路 什么是物理連接,數(shù)據(jù)鏈路：物理線路+通信協(xié)議 物理線路：傳輸介質(zhì)+傳輸設(shè)備 物理連接：能夠傳輸信號的物理線路（結(jié)點是否：加電、連接）,2019/7/4,主講人：楊 帆,2,掌握：Ethernet局域網(wǎng)的基本工作原理 高速、交換、虛擬局域網(wǎng)的基本概念。 網(wǎng)橋的基本工作原理。 了解：局域網(wǎng)與城域網(wǎng)的主要技術(shù)特點 局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的類型與特點 令牌環(huán)網(wǎng)與FDDI的基本工作原理。 理解：IEEE 802參考模型與協(xié)議的基本概念 無線局域網(wǎng)的基本工作原理。,第5章 MAC(介質(zhì)訪問控制)子層,本章學習要求：,07網(wǎng)絡(luò)：10年04月06日（星期二）上午3、4節(jié),2019/7/4,主講人：楊 帆,3,5.1 局域網(wǎng)與城域網(wǎng)基本概念 5.1.1 局域網(wǎng)與城域網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目均有限。 能方便地共享資源（昂貴的外設(shè)、主機以及軟件、各類數(shù)據(jù)。 可設(shè)置出口與外網(wǎng)連接。,1、局域網(wǎng),2、城域網(wǎng),一個城市范圍內(nèi)。 互聯(lián)大量局域網(wǎng)。,2019/7/4,主講人：楊 帆,4,3、局域網(wǎng)技術(shù)的三要素,網(wǎng)絡(luò)拓撲 傳輸介質(zhì) 介質(zhì)訪問控制方法,設(shè)計和研究局域網(wǎng)時，其基本技術(shù)內(nèi)容主要集中以下三個方面：,注意：教材P131-132的文字敘述，同學們自己思考是否存在問題。,2019/7/4,主講人：楊 帆,5,5.1.2 局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)類型與特點,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)： 總線型 環(huán)型 星型結(jié)構(gòu) 下面分別介紹。,2019/7/4,主講人：楊 帆,6,1、總線型拓撲構(gòu)型,特點： 1）所有結(jié)點都連接到一條作為公共傳輸介質(zhì)的總線上； 2）所有結(jié)點都可以通過總線以“廣播”方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)； 3）作為傳輸介質(zhì)的總線通常采用同軸電纜或雙絞線；,由于所有結(jié)點都可以通過總線以“廣播”方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，因此會不可避免的出現(xiàn)“沖突（collision）”。,2019/7/4,主講人：楊 帆,7,總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸沖突,“沖突”會造成傳輸失敗，因此，必須解決多個結(jié)點訪問總線的控制問題。 （也叫介質(zhì)訪問控制 medium access control ， MAC ）,介質(zhì)訪問控制方法：是指控制多個節(jié)點利用公共傳輸介質(zhì)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方法。它應解決以下幾個問題： 1）應該哪個結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)？ 2）在發(fā)送時會不會出現(xiàn)沖突？ 3）出現(xiàn)沖突時怎么辦？,2019/7/4,主講人：楊 帆,8,2、環(huán)型拓撲構(gòu)型,結(jié)點使用點對點線路連接，構(gòu)成閉合的物理環(huán)型結(jié)構(gòu)； 環(huán)中數(shù)據(jù)沿著一個方向繞環(huán)逐站傳輸； 多個結(jié)點共享一條環(huán)通路； 與總線結(jié)構(gòu)一樣，環(huán)形拓撲也要解決介質(zhì)訪問控制問題。,特點：,2019/7/4,主講人：楊 帆,9,3、星型拓撲構(gòu)型 (P134),有一個中心節(jié)點； 每個節(jié)點通過點對點線路與中心節(jié)點連接； 任何兩點間的通信都要通過中心節(jié)點轉(zhuǎn)接。,特點：,真正意義上的星型結(jié)構(gòu)是在交換局域網(wǎng)(switched LAN)出現(xiàn)之后，中心節(jié)點是一個交換機（CBX），它可在多對通信節(jié)點之間建立并發(fā)的邏輯連接。,CBX,2019/7/4,主講人：楊 帆,10,5.1.3 傳輸介質(zhì)類型與介質(zhì)訪問控制方法,1、局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)類型 同軸電纜（粗纜）10base5 同軸電纜（細纜）10base2 雙絞線 10base-T 光纖 10base-F 無線通信信道 紅外線、跳頻擴頻等,就目前的技術(shù)看，雙絞線已能用于數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mb/s、1Gb/s 的高速局域網(wǎng)中；在局部范圍內(nèi)的中、高速局域網(wǎng)中使用雙絞線，在遠距離傳輸中使用光纖，在有移動結(jié)點的局域網(wǎng)中采用無線技術(shù)；同軸電纜已較少使用。,標準格式：速率+傳輸方式+距離/介質(zhì)類型。 如10BASE5代表：速率10Mbit/s,基帶傳輸，500米距離。,2019/7/4,主講人：楊 帆,11,帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）方法 令牌總線（token bus）方法 令牌環(huán) （token ring）方法,2、介質(zhì)訪問控制方法:,傳統(tǒng)的局域網(wǎng)采用“共享介質(zhì)”的工作方式，不同的拓撲結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)訪問控制方法也不同。IEEE802.2支持幾種不同的共享介質(zhì)訪問控制方法：,因此，也就有三種不同的共享介質(zhì)局域網(wǎng)。在它們的基礎(chǔ)上，可擴展實現(xiàn)其它的網(wǎng)絡(luò)（如無線局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、綜合局域網(wǎng)等）。,2019/7/4,主講人：楊 帆,12,IEEE 802 參考模型包含三個層次，邏輯鏈路控制子層LLC、介質(zhì)訪問控制子層MAC以及物理層。與OSI參考模型的對應關(guān)系如下圖 ：,5.1.4 IEEE 802參考模型,MAC子層提供與傳輸介質(zhì)訪問有關(guān)的支持； LLC 子層與傳輸介質(zhì)無關(guān)，僅提供邏輯鏈路控制能力（如建立、釋放鏈路），內(nèi)容較少，不做重點介紹。,2019/7/4,主講人：楊 帆,13,1、 IEEE 802標準內(nèi)容 （P135-137） IEEE 802是關(guān)于局域網(wǎng)的一個系列標準，主要內(nèi)容包括：,IEEE 802.1，定義了局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，以及網(wǎng)絡(luò)管理與性能測試； IEEE 802.2，定義了邏輯鏈路控制（LLC）子層功能與服務(wù)； IEEE 802.3，定義了CSMA/CD總線介質(zhì)訪問控制子層與物理層標準； IEEE 802.4，定義了令牌總線介質(zhì)訪問控制子層與物理層標準； IEEE 802.5，定義了令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制子層與物理層標準； IEEE 802.11，定義無限局域網(wǎng)訪問控制子層與物理層標準 IEEE 802.15，定義近距離個人無線網(wǎng)絡(luò)訪問控制子層與物理層標準 IEEE 802.16，定義了寬帶無線局域網(wǎng)訪問控制子層與物理層標準； ,2019/7/4,主講人：楊 帆,14,2、IEEE 802標準系列內(nèi)容之間的關(guān)系（簡化）,MAC 子層,從網(wǎng)上找到的關(guān)系圖,2019/7/4,主講人：楊 帆,15,8,802標準原文中的關(guān)系圖,2019/7/4,主講人：楊 帆,16,2019/7/4,主講人：楊 帆,17,3、局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,Ethernet占居絕對優(yōu)勢，成為構(gòu)建局域網(wǎng)的首選技術(shù)； FE（100M）/GE（1G）/10GE（10G）成為構(gòu)建大型局域網(wǎng)系統(tǒng)的三個基本層次； IP協(xié)議直接使用Ethernet幀，LLC協(xié)議已經(jīng)很少使用； GE/10GE保留傳統(tǒng)的Ethernet幀結(jié)構(gòu)； 無線局域網(wǎng)技術(shù)已成為研究熱點。,（P136-137）,2019/7/4,主講人：楊 帆,18,5.2 Ethernet局域網(wǎng)（原理） 5.2.1 Ethernet的發(fā)展 （P137-139）,Ethernet的核心技術(shù)來源于夏威夷大學的無線分組交換網(wǎng)ALOHA； 20世紀70年代，基于ALOHA,Bob Metcalfe提出了總線型局域網(wǎng)的設(shè)計思想,并將其實驗網(wǎng)絡(luò)命名為Ethernet，還與人合作提出了介質(zhì)存取訪問控制方法CSMA/CD； 1980年，Xerox、DEC與Intel聯(lián)合宣布Ethernet V2.0規(guī)范 （1982年成為IEEE 802.3標準）； 1990年，10Base-T標準的制定以及Ethernet交換機的出現(xiàn)，使得Ethernet性能價格比大大提高，加速了Ethernet的應用和發(fā)展； 1993年， 10Base-F標準的制定,使得Ethernet可以使用光纖介質(zhì)； 1995年，推出了100Mb/s的Fast Ethernet標準和產(chǎn)品； 1998年，推出了1Gb/s的Gigabit Ethernet標準，99年產(chǎn)品問世； 目前局域網(wǎng)中的主流技術(shù)為：交換式Ethernet與最高速率為10Gb/s的高速Ethernet。,Ethernet的核心技術(shù)是CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方法。,2019/7/4,主講人：楊 帆,19,Ethernet2.0幀結(jié)構(gòu)主要包括以下內(nèi)容： 前導碼與幀前定界符字段 目的地址和源地址字段 類型字段 數(shù)據(jù)字段（由LLC層傳遞下來的數(shù)據(jù)） 幀校驗字段,5.2.2 Ethernet幀結(jié)構(gòu)與工作流程分析 1.Ethernet幀結(jié)構(gòu) （P143-144）,2019/7/4,主講人：楊 帆,20,1）前導碼與幀前定界符字段 前導碼：7個字節(jié)，10101010101010比特序列。 幀前定界符：1個字節(jié)，10101011。 2）目的地址和源地址字段 地址字段長度：6個字節(jié) 。 目的地址類型： 單一結(jié)點地址（unicast address）（首位=0）； 多點地址（multicast address） （首位=1） ； 廣播地址（broadcast address） （全1） 。,2019/7/4,主講人：楊 帆,21,3）類型字段 指出網(wǎng)絡(luò)層使用的協(xié)議類型。 如： 0x0800 IP協(xié)議 0x8137 Netware公司的IXP協(xié)議 4）數(shù)據(jù)字段 數(shù)據(jù)字段是幀的數(shù)據(jù)字段，長度為461500字節(jié)，少于46個字節(jié)，需要填充。 5）幀校驗字段 采用32位的CRC校驗， 校驗的范圍是：目的地址、源地址、類型、數(shù)據(jù)等字段。,2019/7/4,主講人：楊 帆,22,2.Ethernet數(shù)據(jù)發(fā)送流程分析（P139-140）,Ethernet數(shù)據(jù)傳輸采用CSMA/CD方法，其基本思想是： 先聽后發(fā)、邊聽邊發(fā)、 沖突停發(fā)、 延遲重發(fā),2019/7/4,主講人：楊 帆,23,主要技術(shù)環(huán)節(jié)： 1）載波偵聽 2）沖突檢測 3）停止發(fā)送 4）隨機延遲，重發(fā),裝配幀,沖突次數(shù),過多?,沖突嗎？,啟動發(fā)送,沖突加強,發(fā)送完成?,計算后退,延遲時間,沖突次數(shù),N+1N,結(jié)束：,沖突過多,Y,N,Y,發(fā)送幀,總線忙？,N,Y,等待后退,延遲時間,N,結(jié)束：,發(fā)送成功,Y,N,聽,檢測沖突,停發(fā),重發(fā),這四個環(huán)節(jié)實現(xiàn)了 先聽后發(fā) 邊聽邊發(fā) 沖突停發(fā) 延遲重發(fā) 的基本思想。,2019/7/4,主講人：楊 帆,24,載波偵聽過程,目的：檢查是否已經(jīng)有結(jié)點利用總 線在發(fā)送數(shù)據(jù)。 方法：通過總線電平是否跳變，判斷總線的忙/閑狀態(tài),因為Ethernet的物理層規(guī)定，發(fā)送的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼方式。,總線忙：總線電平按曼徹斯特編碼規(guī)律跳變。 總線空閑：總線電平不發(fā)生跳變。,2019/7/4,主講人：楊 帆,25,沖突：總線上同時出現(xiàn)兩個或以上的發(fā)送信號。 沖突窗口：2倍的傳播延遲2D/V （如果超過該時間還沒有檢測出沖突，就能肯定該節(jié)點已取得總線訪問權(quán)。 被稱為沖突窗口） （P139-142）,沖突檢測,2019/7/4,主講人：楊 帆,26,沖突的特點是，多個發(fā)送信號波形會疊加，且不符合曼徹斯特編碼的信號波形（每個比特的中間有一次電平跳變，兩次電平跳變的時間間隔可以是T/2或T）。,沖突檢測方法： 比較法（發(fā)送與接收的信號波形是否相同） 編碼違例判決法（是否符合曼徹斯特編碼規(guī)律） （P141）,檢測原理：,2019/7/4,主講人：楊 帆,27,發(fā)現(xiàn)沖突，停止發(fā)送,發(fā)送沖突加強信號，確保其他結(jié)點能發(fā)現(xiàn)沖突，并丟棄沖突幀; 沖突次數(shù)+1，不超過16次沖突，則延遲重發(fā); 當沖突次數(shù)超過16時，表示發(fā)送失敗，放棄該幀發(fā)送。,2019/7/4,主講人：楊 帆,28,隨機延遲,關(guān)鍵是確定“隨機延遲時間”。 采用截止二進制指數(shù)后退延遲算法： 2kRa 其中：為結(jié)點重新發(fā)送需要的后退延遲時間，a為沖突窗口值（51.2s），R為隨機整數(shù); 限定k的范圍,k=min（n，10）;如果重發(fā)次數(shù)n10，則取k=n；如果重發(fā)次數(shù)n10時，則k取值為10。因此第n次重發(fā)延遲是分布在0與2min（n，10）-1個時間片之間，最大可能延遲時間為1023 個時間片; 在到后退延遲時間之后，結(jié)點將重新判斷總線忙、閑狀態(tài)，重復發(fā)送流程;,2019/7/4,主講人：楊 帆,29,補充：對截止二進制指數(shù)后退延遲算法的理解,延遲時間2kRa ，被稱為截止二進制指數(shù)后退延遲算法。 一個時間片=51.2*R s； 更確切的表示：（2k-1） Ra= 2kRa+ Ra 第n次重發(fā)延遲是分布在0與2min（n，10）-1個時間片之間，最大可能延遲時間為1023 個時間片; “后退延遲”：沖突次數(shù)沒增加一次，延時加長2倍。 “截止”：當沖突次數(shù)超過10次時，不再增加延時的時長。,2019/7/4,主講人：楊 帆,30,3.Ethernet 接收流程分析 除了發(fā)送節(jié)點外，其他所有節(jié)點均處于接收狀態(tài)。 （P144-145）,是本站地址？ 是本組地址？ 是廣播地址？,2019/7/4,主講人：楊 帆,31,5.2.4 Ethernet實現(xiàn)方法 （P146）,1、網(wǎng)卡 將Ethernet幀的發(fā)送、接收、CSMA/CD介質(zhì)訪問控制機制等內(nèi)容，設(shè)計成一個具有清晰層次結(jié)構(gòu)的處理模塊，一端能與計算機相連，另一端能與傳輸介質(zhì)相連，這就是“Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口卡”。,邏輯功能,接插件,2019/7/4,主講人：楊 帆,32,Ethernet網(wǎng)卡模塊結(jié)構(gòu),接計算機I/O總線,2019/7/4,主講人：楊 帆,33,2、以太網(wǎng)連接（示意）,2019/7/4,主講人：楊 帆,34,3、最大作用距離,2019/7/4,主講人：楊 帆,35,5.2.4 Ethernet物理地址,Ethernet物理地址 = 制造商 ID + 產(chǎn)品 ID （24bit） （24bit） 公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5A 典型的Ethernet地址 ： 00-60-8C-01-28-12 （十六進制表示） 000000000110000010001100 000000010010100000010010 （二進制表示）,網(wǎng)絡(luò)中的不同層次都存在地址定義和尋址問題；而網(wǎng)絡(luò)中的地址可分為物理地址和邏輯地址兩類。物理地址是指固化在網(wǎng)卡EPROM中的地址（也稱硬件地址或MAC地址）；Ethernet物理地址共48位，前24位由IEEE的注冊管理委員會按廠家分配，后24位由生產(chǎn)廠家編碼。,IEEE的注冊管理委員會分配給不同生產(chǎn)廠商的ID,2019/7/4,主講人：楊 帆,36,用MAC地址標識設(shè)備,每塊網(wǎng)卡有一個唯一的MAC地址，存于EPROM中； 路由器的MAC地址由其端口數(shù)決定，有幾個端口就有幾個MAC地址。如下所示。,2019/7/4,主講人：楊 帆,37,5.2.5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器及其應用 （簡介）,當網(wǎng)絡(luò)分析器連接到被測試的網(wǎng)絡(luò)時，它能監(jiān)控特定的事件，并且報告諸如每秒平均接收幀數(shù)或平均幀長度等統(tǒng)計數(shù)據(jù)； 網(wǎng)絡(luò)分析器的另外一個重要的作用是對特定協(xié)議（TCP/IP、FTP、HTTP）的解碼，它按照指定的協(xié)議規(guī)則加以解釋，然后將協(xié)議分析的結(jié)果顯示出來。,網(wǎng)絡(luò)分析器或網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器是一種用來測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行狀態(tài)的設(shè)備。,分析舉例見下：,2019/7/4,主講人：楊 帆,38,網(wǎng)絡(luò)分析器捕獲的幀數(shù)據(jù),2019/7/4,主講人：楊 帆,39,網(wǎng)絡(luò)分析器顯示的Ethernet幀結(jié)構(gòu),2019/7/4,主講人：楊 帆,40,5.3 令牌總線網(wǎng) 5.3.1 令牌總線的工作原理 （P150）,令牌總線是一種在總線拓撲中利用“令牌”作為控制節(jié)點訪問公共傳輸介質(zhì)的確定型介質(zhì)訪問控制方法。在采用令牌總線方法的LAN中，任何一個節(jié)點只有在取得令牌后才能使用共享總線發(fā)送數(shù)據(jù)。（對應IEEE802.4標準） 令牌：一種用來控制節(jié)點總線訪問權(quán)的具有特殊結(jié)構(gòu)的控制幀。 令牌傳遞規(guī)則：由高地址到低地址循環(huán)傳遞。（形成邏輯環(huán)）,07網(wǎng)絡(luò)：10年04月07日（星期三）上午3、4節(jié),2019/7/4,主講人：楊 帆,41,1、令牌總線的環(huán)維護工作（P151）,環(huán)初始化 新結(jié)點加入環(huán) 結(jié)點從環(huán)中撤出 環(huán)恢復（丟失或出現(xiàn)多個令牌時能恢復正常） 優(yōu)先級,2、令牌總線的主要特點,介質(zhì)訪問延遲時間有確定值 結(jié)點之間不會發(fā)生沖突 在重負情況下，信道的利用率高 支持優(yōu)先級服務(wù),2019/7/4,主講人：楊 帆,42,5.3.2 令牌環(huán)網(wǎng)與FDDI (P151-153) 1、令牌環(huán)網(wǎng)的工作原理,所有結(jié)點通過環(huán)接口連接成物理環(huán)形，在令牌中設(shè)一個忙/閑標志位，令牌延環(huán)單向逐站傳遞。,拿到空閑令牌的結(jié)點可發(fā)數(shù)據(jù)； 先將令牌標志置“忙”，再發(fā)送數(shù)據(jù)； 目的結(jié)點收到數(shù)據(jù)幀后作出標記并復制； 發(fā)送結(jié)點重新收到自己發(fā)出的數(shù)據(jù)幀時，再將令牌的標志置為“閑”，向下一個結(jié)點傳送。,2019/7/4,主講人：楊 帆,43,2、 IEEE 802.5標準 （P152 簡單了解一下）,IEEE 802.5標準將令牌環(huán)技術(shù)標準化，主要內(nèi)容包括： 單令牌協(xié)議：環(huán)中只能存在一個有效令牌，簡化優(yōu)先級與環(huán)出錯恢復功能的實現(xiàn)。 優(yōu)先級位：用于設(shè)定令牌的優(yōu)先級。 監(jiān)控站：環(huán)中設(shè)置一個監(jiān)控站，執(zhí)行環(huán)維護功能。 預約指示器：用于令牌預約，以控制每個結(jié)點利用空閑令牌發(fā)送不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀所占用的時間。 MAC幀：25種用來完成環(huán)維護功能。比如：環(huán)監(jiān)控器競爭、環(huán)查詢、環(huán)恢復、入環(huán)、出環(huán)、優(yōu)先級控制等。,2019/7/4,主講人：楊 帆,44,3、光纖分布式數(shù)據(jù)接口FDDI,FDDI（Fiber Distributd Data Interface）是以光纖為傳輸介質(zhì)的高速主干網(wǎng)?？捎糜诨ミB多個局域網(wǎng)的主干網(wǎng)。,數(shù)據(jù)傳輸率：100M 結(jié)點數(shù)=1000個 環(huán)長=100KM 可使用雙環(huán)結(jié)構(gòu),2019/7/4,主講人：楊 帆,45,5.4 高速局域網(wǎng)的工作原理 5.4.1 高速局域網(wǎng)的研究方法 1、高速局域網(wǎng)的發(fā)展,個人計算機的廣泛應用； 在過去二十年中，計算機的處理速度提高了百萬倍，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率只提高了上千倍； 從理論上講，一臺微通道或EISA總線的微型機能產(chǎn)生大約250Mb/s的流量； 基于Web的Internet/Intranet應用也要求更高的帶寬； 在數(shù)據(jù)倉庫、桌面電視會議、3D圖形與高清晰度圖像這類應用中，人們需要有更高帶寬的局域網(wǎng)。,2019/7/4,主講人：楊 帆,46,2、傳統(tǒng)共享式局域網(wǎng)的缺點,每個結(jié)點平均能分配到的帶寬隨著結(jié)點數(shù)的不斷增加而急劇減少； 網(wǎng)絡(luò)通信負荷加重時，沖突和重發(fā)現(xiàn)象將大量發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)效率將會下降，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲將會增長，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量將會下降。,傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術(shù)是建立在“共享介質(zhì)”的基礎(chǔ)上，典型的介質(zhì)訪問控制方法是CSMS/CD（802.3）、Token Bus（802.4）、Token Ring（802.5）；介質(zhì)訪問控制方法用來保證每個結(jié)點都能夠“公平”地使用公共傳輸介質(zhì)；由此帶來的缺點有：,2019/7/4,主講人：楊 帆,47,3、解決方法,第一種方案：提高Ethernet的數(shù)據(jù)傳輸速率： 10Mb/s100Mb/s1Gb/s 10Gb/s ； 第二種方案：將一個大型局域網(wǎng)劃分成多個用網(wǎng)橋 或路由器互連的子網(wǎng)，導致了局域網(wǎng) 互連技術(shù)的發(fā)展； 第三種方案：將“共享介質(zhì)方式”改為“交換方式”， 導致了“交換式局域網(wǎng)”技術(shù)的發(fā)展。,2019/7/4,主講人：楊 帆,48,交換式局域網(wǎng)基于硬件交換技術(shù),并發(fā)連接； 每個連接傳輸速率為所鏈端口的最小帶寬。 共享式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)的比較,2019/7/4,主講人：楊 帆,49,5.4.2 快速以太網(wǎng)Fast Ethernet,每個比特的發(fā)送時間由100ns降低到了10ns，數(shù)據(jù)傳輸速率提高為100Mb/s； 使用 802.3 協(xié)議規(guī)定的幀格式和介質(zhì)訪問控制方法（CSMA/CD）；,Fast Ethernet又稱100 Base-T以太網(wǎng)。 1995年9月，IEEE 802委員會正式批準了Fast Ethernet的相關(guān)技術(shù)標準，定為IEEE 802.3u。,1、Fast Ethernet的特點,2019/7/4,主講人：楊 帆,50,Fast Ethernet的協(xié)議結(jié)構(gòu),2、Fast Ethernet的協(xié)議結(jié)構(gòu),100Base-T定義了介質(zhì)無關(guān)接口MII(Medium Independent Interface) ，支持100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX三種傳輸介質(zhì)。（P172-173）,MII：隔離MAC子層與物理層，使物理層在實現(xiàn)100Mb/s速率時所使用的傳輸介質(zhì)和編碼方式的變化不會影響MAC子層。,物 理 層,MAC,LLC,2019/7/4,主講人：楊 帆,51,5.4.3 吉比特以太網(wǎng)（ Gigabit Ethernet ）,數(shù)據(jù)傳輸率為 1000Mb/s； 使用 802.3 協(xié)議規(guī)定的幀格式。 目前有四種傳輸介質(zhì)標準,1、吉比特以太網(wǎng)的特點,2019/7/4,主講人：楊 帆,52,2、Gigabit Ethernet的協(xié)議結(jié)構(gòu) （1000Base-T）,5類,將每比特數(shù)據(jù)編碼為比特,1000Base-CX屏蔽雙絞線,1000Base-LX單膜光纖,125M線路波特率，并行傳輸比特，8*125=1000,物 理 層,MAC,LLC,2019/7/4,主講人：楊 帆,53,5.4.4 10Gbs Ethernet 1、10Gbs Ethernet的主要特點,10Gb/s Ethernet的幀格式與10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s Ethernet相同； 10Gb/s Ethernet保留了802.3標準對Ethernet最小幀長度和最大幀長度的規(guī)定 ； 10Gb/s Ethernet的傳輸介質(zhì)只使用光纖； 10Gb/s Ethernet只工作在全雙工方式，因此不存在爭用問題 。,2019/7/4,主講人：楊 帆,54,2、10Gb/s Ethernet的物理層協(xié)議,10Gb/s Ethernet有以下兩種物理層協(xié)議標準： 局域網(wǎng)物理層標準 物理層的數(shù)據(jù)傳輸率為10Gb/s；一個10Gb/s Ethernet交換機可以支持10個Gigabit Ethernet網(wǎng)端口； 可選的廣域網(wǎng)物理層標準 廣域網(wǎng)物理層采用光纖通道技術(shù)，并符合光纖通道技術(shù)速率體系SONET/SDH的OC-192/STM-64的標準。 OC-192/STM-64的標準速率為9.95328Gb/s，而不是精確的10Gb/s。 因此，10GBps必須采用一種調(diào)整策略，通過10G MII將工作速率降至9.58464Gbps。,2019/7/4,主講人：楊 帆,55,5.5 交換式局域網(wǎng)的工作原理 5.5.1 交換式局域網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu),1、交換機：具有多個端口，并能在多個端口之間建立多個并發(fā)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸?shù)挠嬎銠C系統(tǒng)。,2、交換式局域網(wǎng)： 以交換機為核心組建的局域網(wǎng)。,2019/7/4,主講人：楊 帆,56,5.5.2 局域網(wǎng)交換機的工作原理,1、交換機的結(jié)構(gòu)（P161） 一個交換機由端口、隊列緩沖、端口-地址表以及轉(zhuǎn)發(fā)機構(gòu)四大邏輯部件組成，結(jié)構(gòu)如下：,地址表,1,6,5,4,3,2,MAC幀,DA=結(jié)點B,轉(zhuǎn)發(fā)機構(gòu),緩沖器,端口,結(jié)點E,2019/7/4,主講人：楊 帆,57,2、工作過程（P162-163）,1）幀中指出目標地址 2）查表找出對應端口 3）建立源目端口連接 4）相同端口不轉(zhuǎn)發(fā),交換機在開機時，建立端口-地址表；工作過程中不斷地進行維護，保持該表有效。具體工作過程可概括為以下4點：,2019/7/4,主講人：楊 帆,58,如何知道哪個結(jié)點連到哪個端口？ 當結(jié)點從一個端口移到另一個端口時，如何更新對應關(guān)系？,3、端口號/MAC地址映射表的建立與維護,1）問題：,初始化端口號/MAC地址映射表（空表） 通過“讀取幀的源地址并記錄幀進入交換機的端口號”來建立端口號與結(jié)點（MAC地址）的對應關(guān)系； 查表，如果沒有該對應關(guān)系，就加入該對應關(guān)系；如果有，就更新對應記錄。,2）方法： 利用地址學習法來動態(tài)地建立和維護端口號/MAC地址映射表。,2019/7/4,主講人：楊 帆,59,直接交換方式 接收、轉(zhuǎn)發(fā)； 存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式 接收、檢錯、轉(zhuǎn)發(fā) 改進的直接交換方式 接收幀的前64字節(jié)后，檢錯、轉(zhuǎn)發(fā),3、交換機的幀轉(zhuǎn)發(fā)方式,Ethernet交換機的幀轉(zhuǎn)發(fā)方式主要有三種：,2019/7/4,主講人：楊 帆,60,5.5.3 局域網(wǎng)交換機的技術(shù)特點,低交換延遲（與網(wǎng)橋和路由器相比） 支持不同的傳輸速率和工作模式 支持虛擬局域網(wǎng)服務(wù),2019/7/4,主講人：楊 帆,61,課前思考問題： 在物理網(wǎng)絡(luò)中，站點的位置是相對固定的，屬于一個特定的工作組，位于同一網(wǎng)段。如何實現(xiàn)以下需求：,1）如何方便地改變站點的工作組？ 2）如何指定不同網(wǎng)段相同工作屬性的訪問權(quán)限？ 3）一個網(wǎng)段站點太多時，如何減少廣播信息以保證網(wǎng)絡(luò)性能？,07網(wǎng)絡(luò)：10年04月13日（星期二）上午3、4節(jié),2019/7/4,主講人：楊 帆,62,5.6 虛擬局域網(wǎng)的工作原理 5.6.1 虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN）的概念,虛擬局域網(wǎng)是建立在交換技術(shù)之上的; 以軟件方式實現(xiàn)對邏輯工作組的劃分與管理; 邏輯工作組的結(jié)點組成不受物理位置的限制; 一個邏輯工作組的結(jié)點可以分布在不同的物理網(wǎng)段上，但它們之間的通信就像在同一個物理網(wǎng)段上一樣。（P164）,2019/7/4,主講人：楊 帆,63,5.6.2 虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的實現(xiàn)技術(shù),1、VLAN的結(jié)構(gòu),2019/7/4,主講人：楊 帆,64,2、虛擬局域網(wǎng)的組網(wǎng)方法,用交換機端口號定義虛擬局域網(wǎng)； 用 MAC地址定義虛擬局域網(wǎng)； 用網(wǎng)絡(luò)層地址定義虛擬局域網(wǎng)； IP廣播組虛擬局域網(wǎng)。 （P165-167）,用交換機端口號定義虛擬局域網(wǎng)成員,一個交換機內(nèi)劃分虛擬子網(wǎng),多個交換機間劃分虛擬子網(wǎng),2019/7/4,主講人：楊 帆,65,3、VLAN使用的幀格式 (補充),虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個 4 字節(jié)的標識符，稱為 VLAN 標記(tag)，用來指明發(fā)送該幀的工作站屬于哪一個虛擬局域網(wǎng)。,（參見P143 Ethernet結(jié)構(gòu)幀）,2019/7/4,主講人：楊 帆,66,4、虛擬局域網(wǎng)的優(yōu)點 (P167-168),方便網(wǎng)絡(luò)用戶管理； 提供更好的安全性； 改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量； 減少網(wǎng)絡(luò)管理開銷。,2019/7/4,主講人：楊 帆,67,5.7 無線局域網(wǎng) 5.7.1 無線局域網(wǎng)概述,1）建筑物之間的互連 2）漫游訪問 3）特殊網(wǎng)絡(luò)（無固定基礎(chǔ)設(shè)施，也叫自組織網(wǎng)）,1、無線局域網(wǎng)作為傳統(tǒng)局域網(wǎng)的擴充，用來連接移動和不易于布線的節(jié)點。,2019/7/4,主講人：楊 帆,68,2、無線局域網(wǎng)的技術(shù)特點 802.11系列標準(包括802.11a和802.11b) 定義了無線局域網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范，主要是CSMA/CA協(xié)議和物理層的技術(shù)內(nèi)容：,2019/7/4,主講人：楊 帆,69,5.7.2 紅外無線局域網(wǎng) （簡介）,紅外無線（infrared radio,IR）是按視距方式傳播； 紅外線頻譜是非常寬，可以提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率； 紅外局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸有三種基本技術(shù)： 定向光束紅外傳輸技術(shù)； 全方位紅外傳輸技術(shù)； 漫反射紅外傳輸技術(shù)。,2019/7/4,主講人：楊 帆,70,5.7.3 擴頻無線局域網(wǎng) 1.跳頻通信 (frequence hopping spread spectum,FHSS ),發(fā)送信號的頻率按固定的時間間隔從一個頻率跳到另一個頻率。接收器和發(fā)送器同步跳動，以便正確接收信息。 跳頻擴頻通信減少了其他信號源在一個特定頻率上干擾通信的可能性。,IEEE 802.11標準規(guī)定跳頻通信使用2.4GHz的工業(yè)、科學與醫(yī)藥專用的ISM頻段; 跳頻擴頻通信的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s或2Mb/s。,2019/7/4,主講人：楊 帆,71,2.直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum,DSSS),直接序列擴頻也使用2.4GHz的工業(yè)、科學與醫(yī)藥專用的ISM頻段; 數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s或2Mb/s; 系統(tǒng)實際發(fā)送的信號d(t)是發(fā)送數(shù)據(jù)a(t)與偽隨機碼c(t)模二加的結(jié)果; 接收端使用與發(fā)送端相同的偽隨機碼c(t)，從而取出發(fā)送數(shù)據(jù)a(t)。,2019/7/4,主講人：楊 帆,72,5.7.4 無線局域網(wǎng)標準IEEE 802.11,1、 802.11層次模型結(jié)構(gòu),MAC 層通過協(xié)調(diào)功能來確定在移動網(wǎng)絡(luò)中的移動站在什么時間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。它包括兩個子層。,2019/7/4,主講人：楊 帆,73,DCF 子層在每一個結(jié)點使用 CSMA 機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此 DCF 向上提供爭用服務(wù)。,2019/7/4,主講人：楊 帆,74,PCF 子層使用集中控制的接入算法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個站從而避免了碰撞的產(chǎn)生,因而PCF向上提供無爭用服務(wù)。,2019/7/4,主講人：楊 帆,75,2、CSMA/CA基本工作原理,沖突避免要求每一個發(fā)送結(jié)點在發(fā)送幀之前需要先偵聽信道。如果信道空閑，結(jié)點可以發(fā)送幀; 發(fā)送站在發(fā)送完一幀之后，必須再等待一個短的時間間隔，檢查接收站是否發(fā)回幀的確認ACK。如果接收到確認，則說明此次發(fā)送沒有出現(xiàn)沖突，發(fā)送成功; 如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到確認，表明出現(xiàn)沖突，發(fā)送失敗，重發(fā)該幀。直到在規(guī)定的最大重發(fā)次數(shù)之內(nèi)，發(fā)送成功。,802.11的MAC層采用的是CSMA/CA (collision avoidance ,CA)的載波檢測/沖突避免介質(zhì)訪問方法：,2019/7/4,主講人：楊 帆,76,重要概念：幀間間隔 IFS,所有站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔 IFS (InterFrame Space)。 幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)，但低優(yōu)先級幀就必須等待較長的時間。 若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到介質(zhì)，則介質(zhì)變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機會。,2019/7/4,主講人：楊 帆,77,CSMA/CA基本工作原理示意圖,SIFS：短幀幀間隔 PIFS：短協(xié)調(diào)功能幀間間隔 DIFS：分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔 發(fā)送的幀不同，等待的時間間隔就不同。,2019/7/4,主講人：楊 帆,78,5.8 局域網(wǎng)互聯(lián)與網(wǎng)橋的基本工作原理 5.9.1 局域網(wǎng)互聯(lián)的基本概念,局域網(wǎng)互聯(lián)的應用環(huán)境 一個單位的多個部門局域網(wǎng)的互連； 辦公樓之間局域網(wǎng)的互連； 將數(shù)千臺計算機按地理位置或組織關(guān)系劃分為多個子網(wǎng)的互連； 超過單個局域網(wǎng)的最大覆蓋范圍的多個局域網(wǎng)互連； 企業(yè)中部門的信息對安全、保密方面要求不同的局域網(wǎng)互連。,2019/7/4,主講人：楊 帆,79,5.8.2 網(wǎng)橋的基本工作原理,1、網(wǎng)橋：一種具有數(shù)據(jù)接收、地址過濾和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備（計算機系統(tǒng)）。 2、網(wǎng)橋具有以下基本特征： 在數(shù)據(jù)鏈路層上實現(xiàn)局域網(wǎng)互連； 能夠互連兩個采用不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、不同傳輸介質(zhì)與不同傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)（至少有2個以上端口）； 以接收、存儲、地址過濾與轉(zhuǎn)發(fā)的方式實現(xiàn)互連的各網(wǎng)絡(luò)之間的通信； 要求互連的網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)鏈路層以上采用相同的協(xié)議； 可以分隔兩個網(wǎng)絡(luò)之間的廣播通信量，有利于改善互連網(wǎng)絡(luò)的性能與安全性。,2019/7/4,主講人：楊 帆,80,3、網(wǎng)橋的工作過程 （P176-177）,H1H2 不經(jīng)過網(wǎng)橋,H1H4 經(jīng)過網(wǎng)橋,工作原理：同網(wǎng)丟棄，異網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)。,H4,Data,H4,Data,2019/7/4,主講人：楊 帆,81,5.8.3 網(wǎng)橋的層次結(jié)構(gòu) （P177-178）,1、協(xié)議層次 當主機A向主機B發(fā)送數(shù)據(jù)時，分組將按箭頭方向逐層傳輸。,2019/7/4,主講人：楊 帆,82,2、網(wǎng)橋幀轉(zhuǎn)發(fā)過程,網(wǎng)橋是通過站表（路由表）實現(xiàn)幀轉(zhuǎn)發(fā)功能的。站表的數(shù)據(jù)項包括站地址、端口號、幀進入網(wǎng)橋的時間。 通過幀中的目標主機查站表，找到目標端口號，若與源端口號不同則轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄。 協(xié)議不同時，需要執(zhí)行幀的拆裝操作。,2019/7/4,主講人：楊 帆,83,5.8.4 網(wǎng)橋的路由選擇策略,透明網(wǎng)橋（transparent bridge） 源路由網(wǎng)橋（source routing bridge）,1.網(wǎng)橋的基本分類 按照網(wǎng)橋路由表（站表）的建立方法，可將網(wǎng)橋分為：,（解決如何形成并維護站表的問題。依據(jù)方法的不同，可有不同的網(wǎng)橋。）,2019/7/4,主講人：楊 帆,84,2. 透明網(wǎng)橋,網(wǎng)橋?qū)τ诨ミB局域網(wǎng)的各結(jié)點來說是“透明”的，局域網(wǎng)上的各結(jié)點不負責路由選擇； 透明網(wǎng)橋一般用在兩個使用同樣的MAC層協(xié)議的網(wǎng)段之間的互連。例如連接兩個Ethernet網(wǎng)段，或兩個令牌環(huán)網(wǎng)； 透明網(wǎng)橋的最大優(yōu)點是容易安裝，是一種即插即用設(shè)備。,透明網(wǎng)橋：由網(wǎng)橋自己決定路由選擇，對互聯(lián)局域網(wǎng)屏蔽自身特性的網(wǎng)橋。 透明網(wǎng)橋的特點：,2019/7/4,主講人：楊 帆,85,3. 透明網(wǎng)橋的站表（路由）形成過程,剛接入到網(wǎng)絡(luò)時，站表為空； 接收到一個幀時記錄源MAC地址、進入端口號、進入