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(diǎn)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(jì)80年代初期，美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì)IEEE802委員會(huì)首先制定出了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE802標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已成為ISO國際標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802LAN/RM的數(shù)據(jù)鏈路層分成兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制(LogicalLinkControl,LLC)子層；媒體接入控制(MediumAccessControl,MAC)子層。為什么要引入二個(gè)子層?引入二個(gè)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)，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(cuò)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(biāo)準(zhǔn)5.1.2媒體接入控制子層1、LAN拓?fù)浜托诺捞攸c(diǎn)：總線、環(huán)形及星形拓?fù)洹?/p>

什么是媒體接入控制？LAN的特點(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(zhēng)用信道，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)送沖突，必須解決如何進(jìn)行信道爭(zhēng)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(jī)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(biāo)是一個(gè)站點(diǎn)多播地址：目標(biāo)是一組站點(diǎn)廣播地址：目標(biāo)是所有站點(diǎn)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(jìn)制的數(shù)字組成。如何獲取本機(jī)的MAC？單擊開始，運(yùn)行CMD，找到命令提示符，進(jìn)入后輸入ipconfig/all即可前3個(gè)字節(jié)為廠商編號(hào)后3個(gè)字節(jié)為網(wǎng)卡的編號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的接口，標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)層的通信進(jìn)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(gè)主機(jī)，該主機(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)層的某個(gè)進(jìn)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(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).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(biāo)準(zhǔn)面世，是IEEE802.3的第一個(gè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)這個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它是當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)IEEE規(guī)范批準(zhǔn)時(shí)間速度（b/s）站/網(wǎng)段拓?fù)浣Y(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(xì)）1Base5802.3c19881M星型250100Ω2對(duì)線3類10BaseT802.3i199010M1024星型100100Ω2對(duì)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(duì)線100Ω5類/4對(duì)線100Ω3/4/5類/多模/單模光纜1000BaseT802.3ab1000M星型100UTP，4對(duì)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(biāo)準(zhǔn)5.2.2以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CD1.隨機(jī)接入技術(shù)的先驅(qū)ALOHA（阿羅哈)2.ALOHA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有三種策略：非堅(jiān)持CSMA。1堅(jiān)持CSMA。P堅(jiān)持CSMA。3.CSMA的改進(jìn)CSMA/CD：帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多點(diǎn)接入傳播時(shí)延仍會(huì)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(cè)的功能。在連續(xù)發(fā)送的兩幀之間，站點(diǎn)需等待一個(gè)幀間隙時(shí)間(IFG)。一般為96位時(shí)。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(dòng)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(jī)重發(fā)。如何控制隨機(jī)的回退時(shí)間呢?IEEE802.3采用截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法計(jì)算退避時(shí)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(jī)取1個(gè)數(shù)，后退時(shí)間取為r×2τelseifn＞16 than放棄本次發(fā)送注：回退時(shí)間的基本單位是：2τ，2τ是信道的往返傳播時(shí)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(shí)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(shí)間劃分為長度為2τ的時(shí)隙；2.發(fā)生第一次沖突后，各個(gè)站點(diǎn)等待0或1個(gè)時(shí)隙再開始重傳；3.發(fā)生第二次沖突后，各個(gè)站點(diǎn)隨機(jī)地選擇等待0、1、2或3個(gè)時(shí)隙再開始重傳；4.第i次沖突后，在0至2i-1隨機(jī)地選擇一個(gè)等待的時(shí)隙數(shù)，再開始重傳；5.10次沖突后，選擇等待的時(shí)隙數(shù)固定在0至1023（210-1）間；6.16次沖突后，發(fā)送失敗，報(bào)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(cè)方法：發(fā)送信息包的節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(shí)槽：時(shí)隙，往返傳播時(shí)延。IEEE802.3將時(shí)槽取為發(fā)送512位的時(shí)間，稱為512位時(shí)。對(duì)于10Mbps的以太網(wǎng)，時(shí)槽為51.2微秒。7.沖突域：指一個(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(huì)產(chǎn)生沖突，CSMA/CD在沖突域內(nèi)能正常進(jìn)行沖突檢測(cè)，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(diǎn)半雙工傳輸方式：對(duì)于CSMA/CD方式，每個(gè)時(shí)刻只有一路傳輸，但在IEEE802.3x標(biāo)準(zhǔn)中定義了全雙工以太網(wǎng)，不使用CSMA/CD。共享總線帶寬：每個(gè)結(jié)點(diǎn)的平均帶寬與總線上的結(jié)點(diǎn)數(shù)成反比。傳輸?shù)牟淮_定性：傳輸時(shí)間難以計(jì)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(hào)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(gè)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(hào)發(fā)送與接收。沖突檢測(cè)。超長控制。2、物理層信號(hào)(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(gè)部分：媒體接入單元(MAU)。物理層信號(hào)(PLS)。連接單元接口(AUI)。MAC子層。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(hào)，以擴(kuò)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(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。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(xì)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(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率是10MbpsBase表示傳輸基帶信號(hào)5、2表示每個(gè)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(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)。5.5.1簡介20世紀(jì)90年代以太網(wǎng)交換機(jī)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，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。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(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。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(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。5.5.2網(wǎng)橋

2、地址學(xué)習(xí)透明網(wǎng)橋，其標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1d或ISO8802.1d。透明的意思網(wǎng)橋上的每個(gè)站不需知道所發(fā)送的幀經(jīng)過哪幾個(gè)網(wǎng)橋。網(wǎng)橋剛剛連接到LAN上時(shí)，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(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R

Mbit/s的以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)最大可提供___________的總帶寬。800Mbps5.5.3交換機(jī)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)底板體系結(jié)構(gòu)：交換機(jī)內(nèi)部的電子線路，在端口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中繼器、集線器、交換機(jī)、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(jī)。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?fù)浣Y(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(hào)放大和中轉(zhuǎn)的作用。網(wǎng)橋和交換機(jī)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(diǎn)小規(guī)模的工作組級(jí)交換式以太網(wǎng)：由1臺(tái)交換機(jī)連接若干臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。大規(guī)模的交換式以太網(wǎng)：接入層、匯聚層和核心層?？缇嗤黄屏藛蝹€(gè)沖突域的限制，可以構(gòu)造更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。交換機(jī)工作在第二層，所以連接的所有網(wǎng)段處在一個(gè)廣播域，當(dāng)廣播通信較多時(shí)，可能會(huì)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(diǎn)交換機(jī)隔離了5個(gè)獨(dú)立的沖突域5.6虛擬局域網(wǎng)5.6.1VLAN及其特點(diǎn)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(jī)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(gè)工作組就是一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)在于不允許用戶移動(dòng)，一旦用戶移動(dòng)到一個(gè)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(gè)物理位置移動(dòng)到另一個(gè)物理位置時(shí)，自動(dòng)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(gè)用戶都一一劃分在某個(gè)VLAN中，在一個(gè)大規(guī)模的VLAN中，有一定困難?；趨f(xié)議：在網(wǎng)絡(luò)層上實(shí)現(xiàn)VLAN。

5.6.3VLAN的幀格式IEEE802.3Q標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ac標(biāo)準(zhǔn)

VLAN幀格式最大幀長由1518B擴(kuò)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(gè)基站和若干個(gè)移動(dòng)站?；疽卜Q為接入點(diǎn)(AP)?；痉?wù)區(qū)(BSA)，有100m左右。在BSA中移動(dòng)站可以直接通信。分布系統(tǒng)(DS)：是一個(gè)有線或無線的主干LAN。擴(kuò)展服務(wù)集(ESS)：由多個(gè)BSS通過DS構(gòu)成。5.7.1IEEE802.11WLAN自組網(wǎng)絡(luò)：IEEE802.11也支持在對(duì)等的移動(dòng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)載波偵聽。進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制。通過無線信道進(jìn)行信號(hào)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(jìn)行載波監(jiān)聽信號(hào)分析，發(fā)出信道評(píng)價(jià)信號(hào)。

5.7.1IEEE802.11WLAN分布協(xié)調(diào)功能DCF向上提供爭(zhēng)用服務(wù)，即各節(jié)點(diǎn)通過競(jìng)爭(zhēng)得到發(fā)送權(quán)，使用協(xié)議CSMA/CA。點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF向上提供無爭(zhēng)用服務(wù)，集中控制在AP上，使用輪詢法。5.7.1IEEE802.11WLAN移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。跳頻擴(kuò)頻(FHSS)直接序列擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)。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(gè)子信道上傳輸信息，子信道采用正交幅度調(diào)制(QAM)方式進(jìn)行信號(hào)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