網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(第5章)part2

第5章局域網(wǎng)曹晶第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)5.7無線局域網(wǎng)5.8非主流局域網(wǎng)重點5.1IEEE802局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)5.1.1IEEE802局域網(wǎng)參考模型在20世紀80年代初期，美國電氣和電子工程師學(xué)會IEEE802委員會首先制定出了局域網(wǎng)標準，即IEEE802標準，該標準已成為ISO國際標準。IEEE802LAN/RM的數(shù)據(jù)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(wǎng)。換言之，局域網(wǎng)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(wǎng)采用的是什么標準，例如，總線網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)。LLC子層提供與媒體接入方式無關(guān)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(wù)。5.1.1IEEE802局域網(wǎng)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(wǎng)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(jié)點同時爭用信道，就會產(chǎn)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(wǎng)。隨機接入：如以太網(wǎng)。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(wǎng)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(shù)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(wǎng)卡的編號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IEEE802.2標準定義了LLC子層規(guī)范：它包括三方面的內(nèi)容：LLC地址、LLC子層提供的服務(wù)和LLC幀結(jié)構(gòu)。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(wù)訪問點，提供對網(wǎng)絡(luò)層的接口，標識網(wǎng)絡(luò)層的通信進程。

局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)尋址分為二步：1、用MAC地址找到網(wǎng)絡(luò)中的某個主機，該主機的MAC子層將MAC幀的首部剝?nèi)ゲ⒔籐LC子層；2、用LLC幀的SAP地址找到該主機網(wǎng)絡(luò)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(wù)：類型1——LLC1，不確認的無連接服務(wù);類型2——LLC2，可靠的面向連接的服務(wù);類型3——LLC3，帶確認的無連接服務(wù).3、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年哈佛大學(xué)的RobertMetcalfe和DavidBoggs研制成功了以太網(wǎng)Ethernet。1980年多家著名公司提出了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IEEE802.310Base5標準面世，是IEEE802.3的第一個以太網(wǎng)標準。以太網(wǎng)這個術(shù)語通常是指由DEC，Intel和Xerox公司在1982年聯(lián)合公布的一個標準，它是當今TCP/IP采用的主要的局域網(wǎng)技術(shù)，它采用一種稱作CSMA/CD的媒體接入方法。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）以太網(wǎng)標準IEEE規(guī)范批準時間速度（b/s）站/網(wǎng)段拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(wǎng)標準5.2.2以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CD1.隨機接入技術(shù)的先驅(qū)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(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。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(wǎng)IFG為9.6微秒100Mbps的以太網(wǎng)IFG為0.96微秒

5.2.2以太網(wǎng)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(shù)退避算法計算退避時間。沖突次數(shù)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(shù)，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(shù)，再開始重傳；5.10次沖突后，選擇等待的時隙數(shù)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(wǎng)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(jīng)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(yīng)停止發(fā)送信息。5.2.2以太網(wǎng)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(wǎng)，時槽為51.2微秒。7.沖突域：指一個CSMA/CD以太網(wǎng)區(qū)域，同一個沖突域中的兩個或多個站點同時發(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(wǎng)的最大網(wǎng)絡(luò)跨距。5.2.3以太網(wǎng)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(wǎng)，不使用CSMA/CD。共享總線帶寬：每個結(jié)點的平均帶寬與總線上的結(jié)點數(shù)成反比。傳輸?shù)牟淮_定性：傳輸時間難以計算。無連接、不可靠的傳輸服務(wù)：不是電路交換服務(wù)。5.2.4以太網(wǎng)信道利用率（略）5.2.5以太網(wǎng)幀格式和數(shù)據(jù)封裝以太網(wǎng)幀格式：46B所以，幀長為64B~1518BPAD：填充字段5.3傳統(tǒng)以太網(wǎng)5.3.1物理層下圖是10Mb/s以太網(wǎng)物理層、網(wǎng)絡(luò)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(guān)接口物理媒體連接網(wǎng)絡(luò)接口卡以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)接口卡網(wǎng)絡(luò)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(fù)并轉(zhuǎn)發(fā)物理信號，以擴展以太網(wǎng)。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(wǎng)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(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。5.3.4傳統(tǒng)以太網(wǎng)及其聯(lián)網(wǎng)方式粗纜以太網(wǎng)10Base5細纜以太網(wǎng)10Base2光纖以太網(wǎng)10BaseF雙絞線以太網(wǎng)10BaseT說明：10表示信號的數(shù)據(jù)傳輸速率是10MbpsBase表示傳輸基帶信號5、2表示每個網(wǎng)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(wǎng)（略）5.4.1100BaseT

5.4.2千兆以太網(wǎng)

5.4.3萬兆以太網(wǎng)

5.5交換式以太網(wǎng)5.5.1簡介CSMA/CD以太網(wǎng)存在問題：任何時間內(nèi)只能有一個工作站發(fā)送信息。各站點共享網(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)。5.5.1簡介20世紀90年代以太網(wǎng)交換機能增加以太網(wǎng)的帶寬和規(guī)模，同時又能與傳統(tǒng)的電纜線和網(wǎng)絡(luò)適配卡協(xié)調(diào)工作。交換機本質(zhì)上是一個高速的多口網(wǎng)橋，工作在數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層，每個端口都包含一個MAC實體。5.5.2網(wǎng)橋1、工作原理5.5.2網(wǎng)橋 網(wǎng)橋一般有兩個端口，橋接兩個網(wǎng)段。每個端口都有一塊網(wǎng)卡，有自己的MAC子層和物理層。網(wǎng)橋的基本功能是在不同LAN網(wǎng)段之間轉(zhuǎn)發(fā)幀。

網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)跨距?？蛇B接不同類型的LAN。5.5.2網(wǎng)橋

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

Mbit/s的以太網(wǎng)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(wǎng)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(zhuǎn)發(fā)機構(gòu)底板體系結(jié)構(gòu)：交換機內(nèi)部的電子線路，在端口之間進行數(shù)據(jù)交換。中繼器、集線器、交換機、網(wǎng)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(wǎng)段。集線器的端口沒有物理和邏輯地址。邏輯鏈路層：網(wǎng)橋和交換機。用于連接同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中、物理層規(guī)范不同的網(wǎng)段，這些網(wǎng)段的拓撲結(jié)構(gòu)和其上的數(shù)據(jù)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(shù)字信號放大和中轉(zhuǎn)的作用。網(wǎng)橋和交換機屬于OSI和TCP/IP的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層?？梢愿綦x沖突域。5.5.4交換式以太網(wǎng)及其特點小規(guī)模的工作組級交換式以太網(wǎng)：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(wǎng)：接入層、匯聚層和核心層。跨距突破了單個沖突域的限制，可以構(gòu)造更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。交換機工作在第二層，所以連接的所有網(wǎng)段處在一個廣播域，當廣播通信較多時，可能會有廣播風(fēng)暴。使用虛擬局域網(wǎng)可以解決。5.5.4交換式以太網(wǎng)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(wǎng)5.6.1VLAN及其特點不是一種新型的網(wǎng)絡(luò)，只是給用戶提供一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。建立在交換式網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上，由一些交換機連接的以太網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理連接和地理位置無關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)管理員必須配置新的VLAN?；贛AC地址：允許網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(xié)議：在網(wǎng)絡(luò)層上實現(xiàn)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(wǎng)5.7.1IEEE802.11WLAN1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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?；痉?wù)集(BSS)：包括一個基站和若干個移動站?；疽卜Q為接入點(AP)。基本服務(wù)區(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(wù)集(ESS)：由多個BSS通過DS構(gòu)成。5.7.1IEEE802.11WLAN自組網(wǎng)絡(luò)：IEEE802.11也支持在對等的移動電腦間通信，沒有AP。IEEE802.11WLAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5.7.1IEEE802.11WLAN2、IEEE802.11WLAN體系結(jié)構(gòu)

PMD：物理媒體相關(guān)DCF：分布協(xié)調(diào)功能PLCP：物理層匯聚過程PCF：點協(xié)調(diào)功能

5.7.1IEEE802.11WLAN物理媒體相關(guān)PMD直接面向無連接媒體，主要功能：檢查媒體狀態(tài)實現(xiàn)載波偵聽。進行數(shù)據(jù)編碼和調(diào)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(yīng)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(xié)調(diào)功能DCF向上提供爭用服務(wù)，即各節(jié)點通過競爭得到發(fā)送權(quán)，使用協(xié)議CSMA/CA。點協(xié)調(diào)功能PCF向上提供無爭用服務(wù)，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(wǎng)的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接口有線網(wǎng)絡(luò)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(fù)用(OFDM)的技術(shù)，在48個子信道上傳輸信息，子信道采用正交幅度調(diào)制(QAM)方式進行信號調(diào)制。與802.11b不兼容。IEEE802.11b：也稱為WiFi（WirelessFidelity，無線保真），定義在2.4G