計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信(第5章)

第5章

局域網(wǎng)第5章

局域網(wǎng)5.1IEEE802局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)5.2以太網(wǎng)工作原理5.3傳統(tǒng)以太網(wǎng)5.4高速以太網(wǎng)5.5交換式以太網(wǎng)5.6虛擬局域網(wǎng)5.1IEEE802局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)5.1.1IEEE802局域網(wǎng)參考模型IEEE802LAN/RM分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層；物理層。

它們分別與OSI的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層相對應(yīng)。IEEE802LAN/RM的數(shù)據(jù)鏈路層又分成兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制(LogicalLinkControl,LLC)子層；媒體接入控制(MediumAccessControl,MAC)子層。5.1.1IEEE802局域網(wǎng)參考模型5.1.2媒體接入控制子層LAN拓?fù)浜托诺捞攸c(diǎn)LAN主要采用總線(Bus)、環(huán)形(Ring)及星形(Star)拓?fù)?Topology)。LAN的一個(gè)顯著特點(diǎn)是網(wǎng)上的所有計(jì)算機(jī)使用一條共享信道進(jìn)行廣播式通信。如果多個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)爭用信道，就會產(chǎn)生發(fā)送沖突(Collision)，必須解決如何進(jìn)行信道爭用問題。即媒體接入控制問題。LAN媒體接入控制方式受控接入：分為分集中式控制和分散式控制兩種；隨機(jī)接入。5.1.2媒體接入控制子層MAC地址目的地址有三種類型：單播地址(UnicastAddress)。多播地址(MulticastAddress)。廣播地址(BroadcastAddress)。IEEE的注冊管理機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理分配6個(gè)字節(jié)全球地址。前3個(gè)字節(jié)是組織唯一標(biāo)識符(OrganizationallyUniqueIdentifier,OUI);后3個(gè)字節(jié)稱為擴(kuò)展標(biāo)識符(ExtendedIdentifier)，由生產(chǎn)廠家指派。通用名稱EUI-48，EUI(ExtendedUniqueIdentifier)。I/G(Individual/Group)比特，即單地址/組地址比特。G/L(Globe/Local)比特，即全球/本地比特。5.1.2媒體接入控制子層以太網(wǎng)地址在網(wǎng)上的傳送順序

5.1.3邏輯鏈路控制子層LLC尋址LLC子層地址:SAP地址，LLC服務(wù)訪問點(diǎn)，標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)層的通信進(jìn)程。LLC層提供的服務(wù)類型1——LLC1，不確認(rèn)的無連接服務(wù);類型2——LLC2，可靠的面向連接的服務(wù);類型3——LLC3，帶確認(rèn)的無連接服務(wù).LLC幀格式5.2以太網(wǎng)工作原理5.2.1以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展1975年RobertMetcalfe和DavidBoggs研制成功了以太網(wǎng)。1980年DIX1.0版以太網(wǎng)規(guī)范。1982年DIX以2.0版作為終結(jié)，稱為DIX以太網(wǎng)。1983年底10Base5標(biāo)準(zhǔn)面世，IEEE802.3的第一個(gè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。RobertMetcalfe最初的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

5.2.1以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以太網(wǎng)傳輸速率增長（b/s）

5.2.1以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

5.2.2以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CD帶沖突檢測的載波偵聽多點(diǎn)接入(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection,CSMA/CD)。隨機(jī)接入技術(shù)的先驅(qū)——ALOHAALOHA的改進(jìn)——CSMA增加了發(fā)前監(jiān)聽的機(jī)制，減少了發(fā)送沖突。CSMA有三種方式：非堅(jiān)持CSMA。1堅(jiān)持CSMA。P堅(jiān)持CSMA。CSMA的改進(jìn)——CSMA/CD傳播時(shí)延仍會引起發(fā)送沖突。5.2.2以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD工作流程CSMA/CD在CSMA的基礎(chǔ)上增加了沖突檢測的功能。幀間隙時(shí)間(InterFrameGap,IFG)。CSMA/CD工作流程圖

5.2.2以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CD截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法(TruncatedBinaryExponentialBack-off)

沖突次數(shù)n=n+1 if1≤n≤16 thanm=min(n,10) k在{0，1，2，…，2^m－1}中隨機(jī)取1個(gè)數(shù)

后退時(shí)間取為k×2τ elseifn＞16 than放棄本次發(fā)送5.2.2以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD沖突過程分析沖突過程沖突窗口(CollisionWindow)。:信道的往返傳播時(shí)延(Round-TripPropagationDelay)沖突占用信道的時(shí)間。沖突占用信道的最大時(shí)間為:沖突檢測方法CSMA/CD時(shí)槽(TimeSlot)IEEE802.3將時(shí)槽取為發(fā)送512位的時(shí)間，稱為512位時(shí)。沖突域(CollisionDomain)CSMA/CD沖突過程5.2.2以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CD一個(gè)CSMA/CD以太網(wǎng)區(qū)域，同一個(gè)沖突域中的兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生沖突，CSMA/CD在沖突域內(nèi)能正常進(jìn)行沖突檢測，超出沖突域就不能正常工作。以太網(wǎng)接收處理站點(diǎn)若不處于發(fā)送狀態(tài)則處于接收狀態(tài)。判斷是否沖突碎片，若是丟棄之。識別目的地址。若與本站地址不符就丟棄此幀。傳輸差錯(cuò)校驗(yàn)和處理。判斷是DIX以太網(wǎng)幀，還是IEEE802.3以太網(wǎng)幀，并進(jìn)行相應(yīng)處理。以太網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)5.2.2以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CD以太網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)

5.2.3以太網(wǎng)傳輸特點(diǎn)半雙工傳輸方式IEEE802.3x標(biāo)準(zhǔn)中又定義了全雙工以太網(wǎng)共享總線帶寬傳輸?shù)牟淮_定性無連接、不可靠的傳輸服務(wù)5.2.5以太網(wǎng)幀格式和數(shù)據(jù)封裝以太網(wǎng)幀格式前導(dǎo)：10101010B，建立位同步；幀起始定界符：10101011B，幀同步；長度/類型：2個(gè)字節(jié)，指明數(shù)據(jù)字段的長度或數(shù)據(jù)的協(xié)議類型。DIX以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中指定一位類型字段。舊的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義為長度字段。1997年后新的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)修改為長度/類型字段。5.2.5以太網(wǎng)幀格式和數(shù)據(jù)封裝以太網(wǎng)幀格式數(shù)據(jù)字段：0~1500B，以太網(wǎng)幀長度最大為6+6+2+1500+4=1518填充字段PAD：保證沖突檢測，數(shù)據(jù)最小值46B（64-18）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝子網(wǎng)接入?yún)f(xié)議SNAP IEEE802.3以太網(wǎng)使用長度字段時(shí)無法標(biāo)識其數(shù)據(jù)字段封裝的網(wǎng)絡(luò)層PDU的協(xié)議類型，有兩種解決方案：

由LLC幀頭部中SAP實(shí)現(xiàn)，用于IEEE802體系。

用于為DIX以太網(wǎng)開發(fā)的一些網(wǎng)絡(luò)層軟件定義了一個(gè)

5個(gè)字節(jié)的子網(wǎng)接入?yún)f(xié)議，用來標(biāo)識所攜帶數(shù)據(jù)的協(xié)

議類型，稱為隱式幀類型(ImplicitFrameType)。5.2.5以太網(wǎng)幀格式和數(shù)據(jù)封裝以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝5.3傳統(tǒng)以太網(wǎng)5.3.1物理層10Mb/s以太網(wǎng)物理層、網(wǎng)絡(luò)接口卡和中繼器

5.3.1物理層媒體連接單元(MediumAttachmentUnit,MAU)，

也稱為收發(fā)器(transceiver)。主要功能如下：連接傳輸媒體。信號發(fā)送與接收。沖突檢測。超長控制。物理層信號(PhysicLayerSignaling,PLS)

主要功能如下：編碼解碼。載波監(jiān)聽。連接單元接口(AttachmentUnitInterface,AUI)

連接PLS和MAU。5.3.2網(wǎng)絡(luò)接口卡網(wǎng)絡(luò)接口卡(NetworkInterfaceCard,NIC)

主要涉及物理層和MAC層，包括五個(gè)部分：媒體接入單元(MAU)。物理層信號(PLS)。連接單元接口(AUI)。MAC子層：數(shù)據(jù)封裝和解封，數(shù)據(jù)的串并-并串變換，幀的定界和尋址，媒體接入控制，差錯(cuò)校驗(yàn)計(jì)算機(jī)總線接口。5.3.3中繼器和集線器中繼器工作在IEEE802.3的物理層，接收、恢復(fù)并轉(zhuǎn)發(fā)物理信號，以擴(kuò)展以太網(wǎng)。

中繼器包括了MAU、AUI以及中繼單元。中繼器只是接收、再生并轉(zhuǎn)發(fā)物理信號。

中繼器擴(kuò)展以太網(wǎng)受到CSMA/CD沖突域最大跨距的限制。集線器(Hub)：多個(gè)端口的中繼器即多口中繼器，使以太網(wǎng)形成星形結(jié)構(gòu)，但邏輯上是總線結(jié)構(gòu)，因此被稱為星形總線(Star-Shaped-Bus)。5.4高速以太網(wǎng)5.4.1100BaseT100BaseT的特點(diǎn)MAC子層：保持了與10Mbit/s以太網(wǎng)同樣的MAC子層;時(shí)槽變?yōu)?.12μs，沖突域減小到200m。物理層：

與10Mbit/s以太網(wǎng)物理層的結(jié)構(gòu)有所不同:媒體無關(guān)接口(MediumIndependentInterface,MII)協(xié)調(diào)子層(ReconciliationSublayer,RS)物理編碼子層(PhysicalCodingSublayer,PCS)物理媒體連接(PhysicalMediumAttachment,PMA)物理媒體相關(guān)(PhysicalMediumDependent,PMD)媒體相關(guān)接口(MediumDependentInterface,MDI)

5.4.1100BaseT5.4.1100BaseT 100BaseT包括4個(gè)不同的物理層規(guī)范，支持多種媒體。

不再采用統(tǒng)一的曼徹斯特編碼。

增加了10/100Mbit/s自動協(xié)商功能。

定義了I類和II類兩種類型的中繼器。100BaseT的物理層規(guī)范100BaseTX

與10BaseT有許多相似之處。使用5類UTP。采用4B/5B-MLT3編碼。100BaseT4100BaseT2100BaseFX5.4.1100BaseT100Mbit/s以太網(wǎng)擴(kuò)展

當(dāng)傳輸媒體長度達(dá)到?jīng)_突域的最大跨距時(shí)，系統(tǒng)只能使用一個(gè)I類中繼器或兩個(gè)II類中繼器。100BaseT最大網(wǎng)絡(luò)跨距（m）

5.4.1100BaseT10/100Mbit/s自動協(xié)商(Auto-Negotiation)模式自動協(xié)商功能位于物理層中PMD之下。準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)制。工作在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)?？焖冁溌吠话l(fā)脈沖(FLP)序列。鏈路代碼字(LCW)包含了自己的鏈路類型及流量控制配置等信息。協(xié)商的內(nèi)容包括：10M/100Mbit/s線路速率、全雙工/半雙工模式、不使用/使用全雙工以太網(wǎng)的流量控制。5.4.2千兆以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)的特點(diǎn)MAC子層與10Mbit/s和100Mbit/s以太網(wǎng)相同的幀格式和基本相同的CSMA/CD協(xié)議。時(shí)槽增大到4096位，最大網(wǎng)絡(luò)跨距可達(dá)到200m。增加了載波擴(kuò)展措施。增加了幀突發(fā)的功能。物理層

和100Mbit/s以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能相似，有如下變化：MII擴(kuò)展為千兆位媒體無關(guān)接口(GMII)。包括多個(gè)不同的物理層規(guī)范。主要使用8B/10B-NRZ編碼方式。只能使用一個(gè)中繼器。

5.4.2千兆以太網(wǎng)5.4.2千兆以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)1000BaseX(802.32)100BaseLX：長波長光纖網(wǎng)段100BaseSX：短波長光纖網(wǎng)段100BaseCX：銅媒體，高質(zhì)量STP1000BaseT(802.3ab)：4對5類UTP千兆以太網(wǎng)各種物理層的鏈路長度限制（m）

5.4.2千兆以太網(wǎng)載波擴(kuò)展(CarrierExtension)

最小幀長的傳輸時(shí)間遠(yuǎn)小于時(shí)槽，不能正常進(jìn)行沖突檢測，在MAC子層定義了載波擴(kuò)展機(jī)制。擴(kuò)展位也進(jìn)行沖突檢測。幀突發(fā)(FrameBursting)

為改善短幀的傳輸效率，在MAC子層又定義了幀突發(fā)機(jī)制。若第一個(gè)是短幀，擴(kuò)展到一個(gè)時(shí)槽發(fā)送成功后，可連續(xù)發(fā)幀。5.4.2千兆以太網(wǎng)1000BaseX自動協(xié)商1000BaseTUTP千兆以太網(wǎng)

支持UTP自動協(xié)商功能。1000BaseX光纖千兆以太網(wǎng)

自動協(xié)商的特點(diǎn)是：只用于配置1000BaseX類型：雙工和流量控制方式；是物理編碼子層(PCS)的一個(gè)功能，不使用快速鏈路突發(fā)脈沖（FLP）；重新定義了16比特的交換信息的格式。5.4.3萬兆以太網(wǎng)萬兆以太網(wǎng)的特點(diǎn)MAC子層仍使用IEEE802.3幀格式。不再使用CSMA/CD，只定義了全雙工方式。定義了兩種物理層：LAN物理層和WAN物理層。采用點(diǎn)對點(diǎn)連接，支持星形拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)化布線技術(shù)。物理層與千兆以太網(wǎng)物理層結(jié)構(gòu)相似，GMII變?yōu)槿f兆位媒體無關(guān)接口(XGMII)。WAN物理層10GbaseW增加了廣域網(wǎng)接口子層(WANInterfaceSublayer,WIS)。

5.4.3萬兆以太網(wǎng)5.4.3萬兆以太網(wǎng)萬兆以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)10GbaseXLAN類型的物理層，使用8B/10B編碼。只包含一個(gè)規(guī)范：并行的LAN物理層10GbaseLX4。使用稀疏波分復(fù)用(CWDM)技術(shù)，并列第配置了4對激光發(fā)送器/接收器，組成了4條通道。并行物理層技術(shù)將原來速率很高的比特流拆分成多列，處理速度降低，降低了對器件的要求。10GbaseR串行的LAN類型的物理層，使用64B/66B編碼。串行方式是指數(shù)據(jù)流發(fā)送接收直接進(jìn)行，不拆分。在邏輯上比并行技術(shù)簡單，但對物理層器件的要求更高。包含3個(gè)規(guī)范：10GbaseSR、10GbaseLR和10GbaseER。5.4.3萬兆以太網(wǎng)10GbaseW串行的WAN類型的物理層，采用64B/66B編碼，使用與SDH/SONET基本一致的幀格式以及與OC-192c相同的9.58464Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率?？梢詫DH/SONET基礎(chǔ)設(shè)施提供訪問能力。包含三個(gè)規(guī)范：10GbaseSW;10GbaseLW;10GbaseEW。為實(shí)現(xiàn)萬兆以太網(wǎng)和OC-192c幀格式和數(shù)據(jù)傳輸速率的轉(zhuǎn)換和適配，加入了一個(gè)WIS。5.4.3萬兆以太網(wǎng)萬兆以太網(wǎng)應(yīng)用5.5交換式以太網(wǎng)5.5.1簡介CSMA/CD以太網(wǎng)有下述問題：任何時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)工作站發(fā)送信息。各站點(diǎn)共享網(wǎng)絡(luò)固定的帶寬。由于沖突域的限制，難以構(gòu)造較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì)90年代以太網(wǎng)交換機(jī)(Switch)能增加以太網(wǎng)的帶寬和規(guī)模，同時(shí)又能與傳統(tǒng)的電纜線和網(wǎng)絡(luò)適配卡協(xié)調(diào)工作。

交換機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)高速的多口網(wǎng)橋(MultiportBridge)，工作在數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層，每個(gè)端口都包含一個(gè)MAC實(shí)體，但不使用MAC地址。5.5.2網(wǎng)橋工作原理5.5.2網(wǎng)橋

網(wǎng)橋一般有兩個(gè)端口，橋接兩個(gè)網(wǎng)段。每個(gè)端口都有一塊網(wǎng)卡，有自己的MAC子層和物理層?；竟δ苁窃诓煌琇AN網(wǎng)段之間轉(zhuǎn)發(fā)幀。網(wǎng)橋主要特點(diǎn)：工作在MAC子層。進(jìn)行幀過濾減少了通信量。隔離了沖突域，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)跨距?？蛇B接不同類型的LAN。地址學(xué)習(xí)透明網(wǎng)橋(TransparentBridge)，IEEE802.1d或ISO8802.1d。網(wǎng)橋剛剛連接到LAN上時(shí)，其橋接表是空的,采用洪泛法(Flooding)轉(zhuǎn)發(fā)它。逆向?qū)W習(xí)法(BackwardLearning)，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中通過學(xué)習(xí)把橋接表逐步建立起來。LearningBridgesExample5.5.3交換機(jī)2層交換機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)多口網(wǎng)橋，工作在MAC子層。通過學(xué)習(xí)生成并維護(hù)一個(gè)包含端口-MAC地址映射的交換表，根據(jù)交換表進(jìn)行幀的轉(zhuǎn)發(fā)。多個(gè)端口可以并行地工作，n個(gè)端口數(shù)據(jù)傳輸率為RMbit/s的以太網(wǎng)交換機(jī)最大可提供0.5n

RMbit/s的總帶寬。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)有四個(gè)基本部分組成：端口端口緩沖器幀轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)構(gòu)存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換(Store-Forward)：差錯(cuò)校驗(yàn)直通交換(Cut-Through)無碎片交換(Fragment-Free)：查看沖突碎片底板體系結(jié)構(gòu)：電子線路，端口間快速數(shù)據(jù)交換5.5.3交換機(jī)5.5.4交換式以太網(wǎng)及其特點(diǎn)小規(guī)模的工作組級交換式以太網(wǎng)大規(guī)模的交換式以太網(wǎng)：接入層、匯聚層和核心層跨距突破了單個(gè)沖突域的限制，可以構(gòu)造更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)廣播域(BroadcastDomain)和可能導(dǎo)致廣播風(fēng)暴(BroadcastStorm)問題，由VLAN姐解決