網絡技術(第5章)part2

第5章局域網曹晶第5章局域網5.1IEEE802局域網體系結構5.2以太網工作原理5.3傳統(tǒng)以太網5.4高速以太網5.5交換式以太網5.6虛擬局域網5.7無線局域網5.8非主流局域網重點5.1IEEE802局域網體系結構5.1.1IEEE802局域網參考模型在20世紀80年代初期，美國電氣和電子工程師學會IEEE802委員會首先制定出了局域網標準，即IEEE802標準，該標準已成為ISO國際標準。IEEE802LAN/RM的數據鏈路層分成兩個子層：邏輯鏈路控制(LogicalLinkControl,LLC)子層；媒體接入控制(MediumAccessControl,MAC)子層。為什么要引入二個子層?引入二個子層的好處是：這種從功能上將LLC子層和MAC子層分開的方法，使得LLC子層的上面看不到具體的局域網。換言之，局域網對LLC子層是完全透明的，只有下到MAC子層才能看到所連接的局域網采用的是什么標準，例如，總線網、令牌環(huán)網。LLC子層提供與媒體接入方式無關的鏈路控制，包括差錯控制和流量控制，提供面向連接和無連接服務。5.1.1IEEE802局域網參考模型IEEE802標準5.1.2媒體接入控制子層1、LAN拓撲和信道特點：總線、環(huán)形及星形拓撲。

什么是媒體接入控制？LAN的特點是網上的所有計算機使用一條共享信道進行廣播式通信。如果多個結點同時爭用信道，就會產生發(fā)送沖突，必須解決如何進行信道爭用問題。2、LAN媒體接入控制方式：受控接入：分為集中式控制和分散式控制如令牌環(huán)網。隨機接入：如以太網。5.1.2媒體接入控制子層3、MAC地址：IEEE802規(guī)定MAC地址可采用6B/2B。目的地址有三種類型：單播地址：目標是一個站點多播地址：目標是一組站點廣播地址：目標是所有站點I/G比特，即單地址（0）/組地址（1）比特。G/L比特，即全球（0）/本地（1）比特。MAC地址MAC地址是燒錄在網卡里的。也叫硬件地址,是由48比特/bit長(6字節(jié)/bye)，16進制的數字組成。如何獲取本機的MAC？單擊開始，運行CMD，找到命令提示符，進入后輸入ipconfig/all即可前3個字節(jié)為廠商編號后3個字節(jié)為網卡的編號5.1.2媒體接入控制子層以太網地址在網上的傳送順序5.1.3邏輯鏈路控制子層IEEE802.2標準定義了LLC子層規(guī)范：它包括三方面的內容：LLC地址、LLC子層提供的服務和LLC幀結構。5.1.3邏輯鏈路控制子層1、LLC尋址：LLC子層地址：SAP地址，即LLC服務訪問點，提供對網絡層的接口，標識網絡層的通信進程。

局域網的網絡尋址分為二步：1、用MAC地址找到網絡中的某個主機，該主機的MAC子層將MAC幀的首部剝去并交LLC子層；2、用LLC幀的SAP地址找到該主機網絡層的某個進程。5.1.3邏輯鏈路控制子層2、LLC層提供的服務：類型1——LLC1，不確認的無連接服務;類型2——LLC2，可靠的面向連接的服務;類型3——LLC3，帶確認的無連接服務.3、LLC幀格式：5.2以太網工作原理5.2.1以太網技術的發(fā)展1975年哈佛大學的RobertMetcalfe和DavidBoggs研制成功了以太網Ethernet。1980年多家著名公司提出了DIX1.0版以太網規(guī)范。1982年DIX以2.0版作為終結，稱為DIX以太網。1983年底IEEE802.310Base5標準面世，是IEEE802.3的第一個以太網標準。以太網這個術語通常是指由DEC，Intel和Xerox公司在1982年聯合公布的一個標準，它是當今TCP/IP采用的主要的局域網技術，它采用一種稱作CSMA/CD的媒體接入方法。5.2.1以太網技術的發(fā)展以太網傳輸速率增長（b/s）以太網標準IEEE規(guī)范批準時間速度（b/s）站/網段拓撲結構網段長（m）支持的媒體10Base5802.3198310M100總線型50050Ω同軸電纜（粗）10Base2802.3a198810M30總線型18550Ω同軸電纜（細）1Base5802.3c19881M星型250100Ω2對線3類10BaseT802.3i199010M1024星型100100Ω2對線3類10Broad36802.3b198810M100總線型180075Ω同軸電纜10BaseF802.3i199210M星型2000多模光纜100BaseT（TX/T4/FX）802.3u1995100M星型100/100/20002對線100Ω5類/4對線100Ω3/4/5類/多模/單模光纜1000BaseT802.3ab1000M星型100UTP，4對5類1000BaseX(CX/SX/LX)802.3z19981000M星型25/550/550/5000屏蔽電纜/多模光纜/多/單模光纜10GBaseR/W/X802.3ae200210G星型65-40k多模/單模光纜IEEE802.3以太網標準5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CD1.隨機接入技術的先驅ALOHA（阿羅哈)2.ALOHA的改進CSMA增加了發(fā)前監(jiān)聽的機制，減少了發(fā)送沖突。CSMA有三種策略：非堅持CSMA。1堅持CSMA。P堅持CSMA。3.CSMA的改進CSMA/CD：帶沖突檢測的載波偵聽多點接入傳播時延仍會引起發(fā)送沖突。5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD工作流程：CSMA/CD在CSMA的基礎上增加了沖突檢測的功能。在連續(xù)發(fā)送的兩幀之間，站點需等待一個幀間隙時間(IFG)。一般為96位時。10Mbps的以太網IFG為9.6微秒100Mbps的以太網IFG為0.96微秒

5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD工作流程圖？動畫演示——CSMA/CD的工作原理

CSMA/CD的原理可以概括為：先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停發(fā)，隨機重發(fā)。如何控制隨機的回退時間呢?IEEE802.3采用截斷二進制指數退避算法計算退避時間。沖突次數n=n+1（n初值為0） if1≤n≤16 thank=min(n,10) r在{0，1，2，…，2k－1}中隨機取1個數，后退時間取為r×2τelseifn＞16 than放棄本次發(fā)送注：回退時間的基本單位是：2τ，2τ是信道的往返傳播時延。舉例：如果第二次發(fā)生碰撞：n=2k=MIN(2,10)=2R={0,1,2,3)延遲時間={0,51.2μs,102.4μs,153.6μs}其中任取一其算法過程如下：1.將沖突發(fā)生后的時間劃分為長度為2τ的時隙；2.發(fā)生第一次沖突后，各個站點等待0或1個時隙再開始重傳；3.發(fā)生第二次沖突后，各個站點隨機地選擇等待0、1、2或3個時隙再開始重傳；4.第i次沖突后，在0至2i-1隨機地選擇一個等待的時隙數，再開始重傳；5.10次沖突后，選擇等待的時隙數固定在0至1023（210-1）間；6.16次沖突后，發(fā)送失敗，報告上層。5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CD4.CSMA/CD沖突過程分析(略)5.沖突檢測方法：發(fā)送信息包的節(jié)點一面將信息流送至總線上，一面經接收器從總線上將信息流接收下來。將接收到的信息與發(fā)送的信息進行比較，如果兩者相同，則繼續(xù)發(fā)送；如果不一致，就表明發(fā)生了沖突，應停止發(fā)送信息。5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CD6.CSMA/CD時槽：時隙，往返傳播時延。IEEE802.3將時槽取為發(fā)送512位的時間，稱為512位時。對于10Mbps的以太網，時槽為51.2微秒。7.沖突域：指一個CSMA/CD以太網區(qū)域，同一個沖突域中的兩個或多個站點同時發(fā)送數據就會產生沖突，CSMA/CD在沖突域內能正常進行沖突檢測，超出沖突域就不能正常工作。因此,沖突域限制了CSMA/CD以太網的最大網絡跨距。5.2.3以太網傳輸特點半雙工傳輸方式：對于CSMA/CD方式，每個時刻只有一路傳輸，但在IEEE802.3x標準中定義了全雙工以太網，不使用CSMA/CD。共享總線帶寬：每個結點的平均帶寬與總線上的結點數成反比。傳輸的不確定性：傳輸時間難以計算。無連接、不可靠的傳輸服務：不是電路交換服務。5.2.4以太網信道利用率（略）5.2.5以太網幀格式和數據封裝以太網幀格式：46B所以，幀長為64B~1518BPAD：填充字段5.3傳統(tǒng)以太網5.3.1物理層下圖是10Mb/s以太網物理層、網絡接口卡NIC和中繼器：物理層信號連接單元接口媒體連接單元媒體相關接口物理媒體連接網絡接口卡以太網物理層的三個組成部分：1、媒體連接單元(MAU)，也稱為收發(fā)器，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。2、物理層信號(PLS)：編碼解碼。載波監(jiān)聽。3、連接單元接口(AUI)： 連接PLS和MAU。5.3.2網絡接口卡網絡接口卡(NIC)主要涉及物理層和MAC層，包括五個部分：媒體接入單元(MAU)。物理層信號(PLS)。連接單元接口(AUI)。MAC子層。計算機總線接口。5.3.3中繼器和集線器中繼器工作在IEEE802.3的物理層，接收、恢復并轉發(fā)物理信號，以擴展以太網。中繼器包括了媒體接入單元MAU、連接單元接口AUI以及中繼單元。

中繼器擴展以太網受到CSMA/CD沖突域最大跨距的限制。集線器(Hub)：多個端口的中繼器即多口中繼器，使以太網形成星形結構，但邏輯上是總線結構，因此被稱為星形總線。5.3.4傳統(tǒng)以太網及其聯網方式粗纜以太網10Base5細纜以太網10Base2光纖以太網10BaseF雙絞線以太網10BaseT說明：10表示信號的數據傳輸速率是10MbpsBase表示傳輸基帶信號5、2表示每個網段的最大距離是500m，200mF表示光纖T表示雙絞線，一般是無屏蔽雙絞線UTP5.4高速以太網（略）5.4.1100BaseT

5.4.2千兆以太網

5.4.3萬兆以太網

5.5交換式以太網5.5.1簡介CSMA/CD以太網存在問題：任何時間內只能有一個工作站發(fā)送信息。各站點共享網絡固定的帶寬。由于沖突域的限制，難以構造較大規(guī)模的網絡。5.5.1簡介20世紀90年代以太網交換機能增加以太網的帶寬和規(guī)模，同時又能與傳統(tǒng)的電纜線和網絡適配卡協調工作。交換機本質上是一個高速的多口網橋，工作在數據鏈路層的MAC子層，每個端口都包含一個MAC實體。5.5.2網橋1、工作原理5.5.2網橋 網橋一般有兩個端口，橋接兩個網段。每個端口都有一塊網卡，有自己的MAC子層和物理層。網橋的基本功能是在不同LAN網段之間轉發(fā)幀。

網橋主要特點：工作在MAC子層。進行幀過濾減少了通信量。隔離了沖突域，擴大了網絡跨距?？蛇B接不同類型的LAN。5.5.2網橋

2、地址學習透明網橋，其標準是IEEE802.1d或ISO8802.1d。透明的意思網橋上的每個站不需知道所發(fā)送的幀經過哪幾個網橋。網橋剛剛連接到LAN上時，其橋接表是空的,采用洪泛法轉發(fā)它。通過逆向學習法，在轉發(fā)過程中通過學習把橋接表逐步建立起來。5.5.3交換機2層交換機本質上是一個多口網橋，工作在MAC子層。通過學習生成并維護一個包含端口-MAC地址映射的交換表，根據交換表進行幀的轉發(fā)。多個端口可以并行地工作，n個端口數據傳輸率為R

Mbit/s的以太網交換機最大可提供0.5nR

Mbit/s的總帶寬。如16端口的100Mbps快速以太網交換機最大可提供___________的總帶寬。800Mbps5.5.3交換機交換機有四個基本部分組成：端口端口緩沖器幀轉發(fā)機構底板體系結構：交換機內部的電子線路，在端口之間進行數據交換。中繼器、集線器、交換機、網橋比較物理層：中繼器和集線器。用于連接物理特性相同的網段。集線器的端口沒有物理和邏輯地址。邏輯鏈路層：網橋和交換機。用于連接同一邏輯網絡中、物理層規(guī)范不同的網段，這些網段的拓撲結構和其上的數據幀格式，都可以不同。Bridge和Switch的端口具有物理(MAC)地址，但沒有邏輯地址。前兩者屬于OSI和TCP/IP模型的最低層，即物理層，起到數字信號放大和中轉的作用。網橋和交換機屬于OSI和TCP/IP的第二層，即數據鏈路層?？梢愿綦x沖突域。5.5.4交換式以太網及其特點小規(guī)模的工作組級交換式以太網：由1臺交換機連接若干臺計算機組成。大規(guī)模的交換式以太網：接入層、匯聚層和核心層?？缇嗤黄屏藛蝹€沖突域的限制，可以構造更大規(guī)模的網絡。交換機工作在第二層，所以連接的所有網段處在一個廣播域，當廣播通信較多時，可能會有廣播風暴。使用虛擬局域網可以解決。5.5.4交換式以太網及其特點交換機隔離了5個獨立的沖突域5.6虛擬局域網5.6.1VLAN及其特點不是一種新型的網絡，只是給用戶提供一種網絡服務。建立在交換式網絡的基礎之上，由一些交換機連接的以太網網段構成的與物理連接和地理位置無關的邏輯工作組，這個工作組就是一個廣播域。比一般的LAN有更好的安全性。VLAN的劃分可以控制通信流量，提高網絡帶寬利用率。5.6.1VLAN(VirtualLAN)及其特點VLAN示例5.6.2VLAN的劃分基于端口：劃分VLAN網絡成員的配置過程簡單明了，因此，它是最常用的一種方式。其主要缺點在于不允許用戶移動，一旦用戶移動到一個新的位置，網絡管理員必須配置新的VLAN?；贛AC地址：允許網絡用戶從一個物理位置移動到另一個物理位置時，自動保留其所屬VLAN的成員身份，但這種方式要求網絡管理員將每個用戶都一一劃分在某個VLAN中，在一個大規(guī)模的VLAN中，有一定困難?；趨f議：在網絡層上實現VLAN。

5.6.3VLAN的幀格式IEEE802.3Q標準IEEE802.3ac標準

VLAN幀格式最大幀長由1518B擴大到1522B，只適用于VLAN。5.7無線局域網5.7.1IEEE802.11WLAN1、網絡結構IEEE802.11WLAN是目前最有影響的WLAN。后來的IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g等支持更高的速率。基本服務集(BSS)：包括一個基站和若干個移動站?；疽卜Q為接入點(AP)?；痉諈^(qū)(BSA)，有100m左右。在BSA中移動站可以直接通信。分布系統(tǒng)(DS)：是一個有線或無線的主干LAN。擴展服務集(ESS)：由多個BSS通過DS構成。5.7.1IEEE802.11WLAN自組網絡：IEEE802.11也支持在對等的移動電腦間通信，沒有AP。IEEE802.11WLAN的網絡結構5.7.1IEEE802.11WLAN2、IEEE802.11WLAN體系結構

PMD：物理媒體相關DCF：分布協調功能PLCP：物理層匯聚過程PCF：點協調功能

5.7.1IEEE802.11WLAN物理媒體相關PMD直接面向無連接媒體，主要功能：檢查媒體狀態(tài)實現載波偵聽。進行數據編碼和調制。通過無線信道進行信號的發(fā)送和接收。物理層匯聚過程PLCP的主要功能如下：為各種物理層生成相應格式的幀。進行載波監(jiān)聽信號分析，發(fā)出信道評價信號。

5.7.1IEEE802.11WLAN分布協調功能DCF向上提供爭用服務，即各節(jié)點通過競爭得到發(fā)送權，使用協議CSMA/CA。點協調功能PCF向上提供無爭用服務，集中控制在AP上，使用輪詢法。5.7.1IEEE802.11WLAN移動站通過AP接入以太網的通信協議結構無線網絡接口有線網絡接口5.7.2IEEE802.11物理層1、FHSS、DSSS和IR1997年IEEE802.11定義了三種不同的物理層標準。跳頻擴頻(FHSS)直接序列擴頻(DSSS)紅外線IR5.7.2IEEE802.11物理層2、IEEE802.11a/b/g/n1999年IEEE802.11定義的新物理層標準。IEEE802.11a：定義在5GHz頻段，支持54Mbit/s的傳輸速率。采用正交頻分復用(OFDM)的技術，在48個子信道上傳輸信息，子信道采用正交幅度調制(QAM)方式進行信號調制。與802.11b不兼容。IEEE802.11b：也稱為WiFi（WirelessFidelity，無線保真），定義在2.4G