第5章：介質(zhì)訪問控制子層

第5章

介質(zhì)訪問控制子層

盛武副教授

安徽理工大學1本章學習要求：了解：局域網(wǎng)的分類與特點了解：IEEE802參考模型與介質(zhì)訪問控制子層的基本概念掌握：Ethernet局域網(wǎng)的基本工作原理掌握：高速局域網(wǎng)、交換局域網(wǎng)與虛擬局域網(wǎng)的基本工作原理掌握：無線局域網(wǎng)WLAN與802.11標準的概念掌握：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)概念與網(wǎng)橋的基本工作原理2源動力應(yīng)用是推動一切技術(shù)發(fā)展的真正動力！無線接入網(wǎng)技術(shù)是當前研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點問題之一。局域網(wǎng)應(yīng)用舉例？4G移動接入技術(shù)3注意有些版本教材把本章定義為局域網(wǎng)應(yīng)用能力訓練：地址表示方法網(wǎng)卡（適配器）45.1局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與演變5.1.1局域網(wǎng)技術(shù)的研究與發(fā)展

背景知識回顧：決定局域網(wǎng)與城域網(wǎng)性能的三要素？

20世紀90年代Ethernet與TokenBus\TokenRing→21世紀Ethernet→高速、交換局域網(wǎng)與無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲、傳輸介質(zhì)、介質(zhì)訪問控制方法55.1.1局域網(wǎng)技術(shù)的研究與發(fā)展介質(zhì)訪問控制方法概念介質(zhì)訪問控制-MAC、共享介質(zhì)類型共享介質(zhì)-同軸電纜+10Base-2物理層協(xié)議多路訪問/存取沖突----如何解決？中心交換機式與分布式控制？6介質(zhì)訪問控制方法要解決問題：過獨木橋什么時候發(fā)送數(shù)據(jù)？如何發(fā)現(xiàn)沖突？發(fā)生沖突怎么辦？總線型拓撲的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易；易于擴展，可靠性較好。7總線結(jié)構(gòu)與沖突85.1.2介質(zhì)訪問控制方法的比較CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問控制方法）→總線型Ethernet（以太網(wǎng)）TokenBus→令牌總線網(wǎng)TokenRing→令牌環(huán)網(wǎng)CSMA/CD9令牌總線（TokenBus)

物理結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)10令牌環(huán)網(wǎng)（TokenRing)

網(wǎng)卡和點—點線路，構(gòu)成閉合的物理的環(huán)型結(jié)構(gòu)；

11CSMA/CD、TokenBus、TokenRing比較

節(jié)點概念-連入局域網(wǎng)的計算機異同點比較閱讀圖5-5辨析本節(jié)自己閱讀125.1.3Etherne技術(shù)的研究與發(fā)展Ethernet技術(shù)背景技術(shù)核心：是共享總線的介質(zhì)訪問控制CSMA/CD方法，夏威夷大學不同島嶼校區(qū)無線分組交換網(wǎng)ALOHANET。物理學中光傳播介質(zhì)“以太”，1977年Metcalfe申請Ethernet專利，1982年Ethernet控制器（電路芯片）2.高速Ethernet發(fā)展背景節(jié)點帶寬=總帶寬/節(jié)點數(shù)，傳播延時、帶寬提高傳輸速率交換式網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)135.1.4局域網(wǎng)參考模型與協(xié)議標準IEEE802標準所描述的局域網(wǎng)參考模型與OSI參考模型的關(guān)系：IEEE802的涵義14數(shù)據(jù)鏈路層的兩個子層為使數(shù)據(jù)鏈路層能適應(yīng)多種局域網(wǎng)標準，802委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層：邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層媒體接入控制MAC(MediumAccessControl)子層。與接入到傳輸介質(zhì)有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層，將數(shù)據(jù)直接封裝在MAC幀結(jié)構(gòu)（IP分組），而LLC子層則與傳輸介質(zhì)無關(guān)。15局域網(wǎng)對LLC子層是透明的

局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層物理層站點1網(wǎng)絡(luò)層物理層邏輯鏈路控制LLCLLC媒體接入控制MACMAC數(shù)據(jù)鏈路層站點2LLC子層看不見下面的局域網(wǎng)16IEEE802委員會為局域網(wǎng)制定了一系列標準，它們統(tǒng)稱為IEEE802標準；IEEE802標準協(xié)議之間的關(guān)系：發(fā)展趨勢：辦公環(huán)境、存儲區(qū)域網(wǎng)、云計算平臺（計算機后端網(wǎng)絡(luò)）

175.2Ethernet局域網(wǎng)基本工作原理5.2.1Ethernet數(shù)據(jù)發(fā)送流程分析1.Ethernet數(shù)據(jù)發(fā)送流程的分析

18CSMA/CD的發(fā)送流程可以概括為：先聽后發(fā)邊聽邊發(fā)沖突停止延遲重發(fā)19Ethernet結(jié)點

數(shù)據(jù)發(fā)送流程20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)21網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下沖突檢測：比較法和編碼違例判決法電子學角度22沖突窗口的概念（爭用期）總線長度、發(fā)送速率、電磁波傳播速度與最小幀長度關(guān)系D≦VL/2S協(xié)議標準規(guī)定沖突窗口長度：51.2s235.22.Ethernet幀結(jié)構(gòu)前導碼與幀前定界符字段目的地址和源地址字段

長度字段LLC數(shù)據(jù)字段幀校驗字段DIX幀與IEEE802.3幀的區(qū)別24Ethernet幀結(jié)構(gòu)的討論：前導碼與幀前定界符字段

前導碼：7個字節(jié)，56位的10101010…101010比特序列

幀前定界符：1字節(jié)，10101011

–識別地址字段目的地址和源地址字段

–硬件地址（物理地址/MAC）

源地址字段長度：6個字節(jié)

目的地址類型：（第一位數(shù)字0、1或全為1）單播地址（unicastaddress）--0多播地址（multicastaddress）---1廣播地址（broadcastaddress）--全為1255.2.4Ethernet網(wǎng)卡設(shè)計與物理地址1.Ethernet網(wǎng)卡實現(xiàn)方法26Ethernet網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)

27傳輸介質(zhì)接到以太網(wǎng)的示意圖

集線器BNCT型接頭收發(fā)器電纜網(wǎng)卡插入式分接頭MAUMDI保護外層外導體屏蔽層內(nèi)導體收發(fā)器BNC連接器插口RJ-45插頭28討論熟悉計算機網(wǎng)卡的作用？29網(wǎng)卡功能數(shù)據(jù)的封裝與解封發(fā)送時將數(shù)據(jù)加上首部和尾部-以太網(wǎng)的幀。接收時將以太網(wǎng)的幀剝?nèi)ナ撞亢臀膊浚徒簧弦粚?。鏈路管理訪問控制方法CSMA/CD協(xié)議的實現(xiàn)編碼與譯碼即曼徹斯特編碼與譯碼收發(fā)器芯片鏈路控制處理器串行接口30計算機通過網(wǎng)卡和局域網(wǎng)進行通信

計算機CPU存儲器I/O總線至局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡（網(wǎng)卡）串行通信并行通信高速緩存312.Ethernet物理地址⑴網(wǎng)絡(luò)中物理地址類型地址與尋址：任何通信實體都需要惟一地標識出來，網(wǎng)絡(luò)地址特點：①不同層次都存在地址與尋址問題②地址分為物理地址與邏輯地址③地址分為靜態(tài)地址、可配置編址與動態(tài)編址3種方式48位EUI-48表示物理地址物理地址：為網(wǎng)卡分配硬件地址標識聯(lián)網(wǎng)的計算機，固化在網(wǎng)卡EPROM中的地址。網(wǎng)絡(luò)層-IP地址；傳輸層：端口號；應(yīng)用層：用戶名；物理層：硬件地址/物理地址32⑵Ethernet物理地址（MAC地址）方法Ethernet地址→網(wǎng)絡(luò)物理地址→物理網(wǎng)絡(luò)地址;Ethernet地址=ManufactureID+NICID24bit+24bit

幾種公司Ethernet地址：典型的Ethernet地址：

00-60-8C-01-28-12

000000001010000010001100

000000010010100000010010Ethernet地址惟一性-網(wǎng)卡。

Cisco00-00-0cNovell00-00-1B00-00-D83Com00-20-AF00-60-8CIBM08-00-5A33Ethernet物理地址十六進制與二進制的表示方法

34網(wǎng)卡檢查MAC地址網(wǎng)卡從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個MAC幀就首先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址.如果是發(fā)往本站的幀則收下，否則就將此幀丟棄“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀：單播(unicast)幀（一對一）廣播(broadcast)幀（一對全體）多播(multicast)幀（一對多）35探究幾種地址概念物理地址：邏輯地址：MAC\IP\端口號\用戶名365.2.5Ethernet物理層標準命名方法IEEE802.3標準定義Ethernet介質(zhì)訪問控制子層與物理層的協(xié)議標準物理層命名標準：IEEE802.3XType-YName例子：IEEE802.3

10BASE-5，10表示傳輸速率是10Mb/s，基帶傳輸、使用同軸電纜、最大長度500米的物理層標準，采用曼徹斯特編碼。實用知識37補充：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器及其應(yīng)用

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；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。38網(wǎng)絡(luò)分析器的連入方式

39網(wǎng)絡(luò)分析器捕獲的幀數(shù)據(jù)

40網(wǎng)絡(luò)分析器顯示的Ethernet幀結(jié)構(gòu)

415.3交換式局域網(wǎng)與虛擬局域網(wǎng)技術(shù)5.3.1交換式局域網(wǎng)技術(shù)共享介質(zhì)方式→交換方式，交換機工作在鏈路層，依據(jù)接入的MAC地址，過濾→轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，以星狀拓撲結(jié)構(gòu)形成交換式局域網(wǎng)。42問題回顧探究？帶寬概念？43帶寬概念將數(shù)據(jù)傳輸速率稱為信道寬度，簡稱為帶寬。例如Ethernet的數(shù)據(jù)傳輸速率：

10Mbps→100Mbps→10Gbps交換機帶寬（背板帶寬）：單位時間能夠交換的最大數(shù)據(jù)量數(shù)量上=端口數(shù)×端口速率如果局域網(wǎng)中有N個結(jié)點，每個結(jié)點所能分到的帶寬為10Mb/s/N。

44交換式局域網(wǎng)—基于硬件交換技術(shù)并發(fā)連接；

S=N×10Mb/s共享式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)的比較45交換式局域網(wǎng)的工作原理

交換式局域網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

46局域網(wǎng)交換機的工作原理

47問題探究端口轉(zhuǎn)發(fā)表的建立與維護？依據(jù)幀的地址與幀進入交換機的端口號？48局域網(wǎng)產(chǎn)品類型與相互之間的關(guān)系

49局域網(wǎng)交換機的技術(shù)特點

交換機取代集線器；并發(fā)取代共享總線；獨占方式取代共享方式；不存在沖突，取消CSMA/CD控制方法；保留傳統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、長度特征。比較學習法505.3.2虛擬局域網(wǎng)的技術(shù)

創(chuàng)新思維：解決網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)問題催生的新技術(shù)結(jié)構(gòu)化布線與虛擬局域網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)的概念虛擬網(wǎng)絡(luò)建立在局域網(wǎng)交換機之上，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。

51虛擬局域網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)虛擬局域網(wǎng)與傳統(tǒng)局域網(wǎng)的區(qū)別如何劃分成組52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)-靜態(tài)地址用MAC地址定義虛擬局域網(wǎng)---物理地址法用網(wǎng)絡(luò)層地址定義虛擬局域網(wǎng)---IP地址法IP廣播組虛擬局域網(wǎng)--一組動態(tài)IP地址53用交換機端口號定義虛擬局域網(wǎng)成員

IEEE802.1Q545.4高速Ethernet的研究與發(fā)展

EISA總線實物圖55探究：高速局域網(wǎng)的研究方法第一種方案：提高Ethernet的數(shù)據(jù)傳輸速率：10Mb/s→100Mb/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。

56新技術(shù)與新概念40GigabitEthernet、100GigabitEthernet光以太網(wǎng)與城域以太網(wǎng)側(cè)重點：技術(shù)與應(yīng)用自己閱讀提高興趣575.5Ethernet組網(wǎng)設(shè)備與組網(wǎng)方法5.5.1普通Ethernet組網(wǎng)設(shè)備與方法⑴早期組網(wǎng)電纜10Base-5：攬段長500m、接入節(jié)點100個、傳輸速度10Mbps中繼器：信號放大與整波⑵集線器組網(wǎng)：與10Base-T、非屏蔽雙絞線、RJ-45接口585.5Ethernet組網(wǎng)設(shè)備與組網(wǎng)方法5.5.2交換Ethernet與高速Ethernet組網(wǎng)方法設(shè)備：高速交換機、高速網(wǎng)卡、千兆以太交換機、光纖或雙絞線設(shè)計GE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5.5.3結(jié)構(gòu)化布線概念75%網(wǎng)絡(luò)故障出在傳輸介質(zhì)自己閱讀圖5-23內(nèi)容局域網(wǎng)設(shè)計布線-動手能力訓練59討論根據(jù)你所了解的知識，為什么要實現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)？605.6局域網(wǎng)互連與網(wǎng)橋5.6.1局域網(wǎng)互連的基本概念

背景：局域網(wǎng)互連的應(yīng)用環(huán)境

/為什么要局域網(wǎng)互聯(lián)？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。？615.6.2網(wǎng)橋的基本工作原理

網(wǎng)橋基本特征：實現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)橋在數(shù)據(jù)鏈路層上（MAC層）實現(xiàn)局域網(wǎng)互連；網(wǎng)橋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)；網(wǎng)橋功能①端口號與對應(yīng)MAC地址表的轉(zhuǎn)發(fā)表生成與維護②幀接受、過濾與轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)橋以接收、存儲、地址過濾與轉(zhuǎn)發(fā)的方式實現(xiàn)互連的網(wǎng)絡(luò)之間的通信62網(wǎng)橋的工作過程（學習過程、轉(zhuǎn)發(fā)過程）

63網(wǎng)橋的層次結(jié)構(gòu)

64網(wǎng)橋工作原理（幀轉(zhuǎn)發(fā)過程）

探究：描述節(jié)點A向節(jié)點F幀發(fā)送過程655.6.3生成樹（spanningtree）協(xié)議

網(wǎng)橋互聯(lián)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)

66網(wǎng)絡(luò)拓撲與對應(yīng)的生成樹

生成樹協(xié)議目的：為任意兩個節(jié)點之間提供一條最佳的幀傳輸路徑67生成樹算法分析基本概念：根網(wǎng)橋、橋優(yōu)先級、端口優(yōu)先級、路徑成本注意：通過的局域網(wǎng)成本求和，傳輸延遲最小的幀傳輸路徑。此部分為新增加教材內(nèi)容得到：無環(huán)路的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、最佳傳輸路徑數(shù)學圖論生成樹問題知識，有些復雜！本部分自己閱讀學習為主68網(wǎng)橋與廣播風暴

網(wǎng)橋“盲目地”廣播會使網(wǎng)絡(luò)無用的通信量劇增，造成“廣播風暴”；

69網(wǎng)橋與廣播風暴的形成

705.6.6網(wǎng)橋與中繼器、集線器、交換機區(qū)別

網(wǎng)橋與交換機都是工作在數(shù)據(jù)鏈路層，交換機是一個多端口的網(wǎng)橋；交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層，完成幀的轉(zhuǎn)發(fā)，用基于硬件的轉(zhuǎn)發(fā)機制，其交換時延可以減少到μs量級；由于交換機完成幀一級的交換，它是工作在數(shù)據(jù)鏈路層，因此也叫做第二層交換機。自己閱讀表5-2，提高工程應(yīng)用能力71概念區(qū)別集線器：工作在物理層，只對端口上進來的比特流進行復制轉(zhuǎn)發(fā)，不支持多端口的并發(fā)連接。交換機：工作在數(shù)據(jù)鏈路層，每個端口都直接與一個單個主機或另一個集線器相連，工作在全雙工方式。能同時連通許多對的端口，直通方式轉(zhuǎn)發(fā)，通信完成后就斷開連接。網(wǎng)橋：在數(shù)據(jù)鏈路層，端口一般連接到局域網(wǎng)，存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。轉(zhuǎn)發(fā)器：工作在物理層，轉(zhuǎn)發(fā)所有的幀，不用檢測傳輸媒體。72結(jié)點：用于計算機網(wǎng)絡(luò)中，表示計算機或路由器。節(jié)點：用于天線中，表示駐波電場強度為零的點。計算機網(wǎng)絡(luò)抽象為結(jié)點與鏈路（連接的線路）的結(jié)合。下次課作為探究題目，比較各自的適用范圍及特征區(qū)別735.7無線局域網(wǎng)（WLAN）5.7.1無線局域網(wǎng)的應(yīng)用

①作為傳統(tǒng)局域網(wǎng)的擴充，無線電波傳輸介質(zhì)②建筑物之間的互連③移動Internet漫游訪問，RFID讀寫器-后臺服務(wù)器，物流系統(tǒng)。