局域网介质访问控制子层

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1、 介质访问控制子层 三要素：网络拓扑、传输介质、介质访问控制 方法。 局域网拓扑结构类型与特点 主要分为总线型、环型和星型拓扑结构三种。一 总线型拓扑结构决定局域网与城域网性能的三要素特点：1.总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“ 共享介质”方式；2.所有结点都连接到一条作为公共传输介质的 总线上；3.总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；4.所有结点都可以通过总线传输介质以“广播” 方式发送或接收数据，出现“冲突（collision）”是 不可避免的； “冲突”会造成传输失败；5.必须解决多个结点访问总线的介质访问控制 （MAC， medium access control）问题。 介质

2、访问控制方法要解决的问题：-该哪个结点发送数据?-发送时会不会出现冲突?-出现冲突怎么办?总线型拓扑的优点：-结构简单，实现容易；-易于扩展，可靠性较好。 二 环型拓扑构型特点：1.结点使用点点线路连接，构成闭合的物理环型结构；2.环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；3.在环形拓扑中，多个结点共享一条环通路；4.实现环的建立、维护、结点的插入与撤出。 三 星型拓扑构型 局域网的传输介质类型 常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道;双绞线已能用于数据传输速率为100Mb/s、1Gb/s 的高速局域网中；在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用 光纤，在有移动结点的

3、局域网中采用无线技术的趋势已经明朗。 介质访问控制方法 1.带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD、2.令牌总线 token bus 3.令牌环 token ring IEEE 802参考模型 IEEE 802标准描述的局域网参考模型与OSI参 考模型的关系:IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，统称为IEEE 802标准Ethernet的发展Ethernet的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即CSMA/CD，这种技术起源于夏威 夷大学校园网ALOHA；Xerox公司于1972年开始Ethernet实验网的研究,在1979年宣布了Ethernet产品；1980年，Xerox、

4、DEC与Intel联合宣布Ethernet V2.0规范； 90年代，10Base-T标准使得Ethernet性能价格比大大提高；目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网 中的主流地位。Ethernet数据发送流程Ethernet中,CSMA/CD的发送流程可以简单的概括为 先听后发、边听边发、冲突停止、延迟重发。一 载波侦听过程总线发送数据时，首先侦听信道是否空闲，即检查是否已经有其 它结点利用总线在发送数据。下图显示了总线电平跳变与总线忙闲 状态的关系：令牌总线的工作原理令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作

5、为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。 在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得 令牌后才能使用共享总线去发送数据。与CSMA/CD方法相比，令牌总线方法比较复杂，需要完 成大量的环维护工作，包括环初始化、新结点加入环、结点 从环中撤出、环恢复和优先级服务。令牌总线的工作原理如下图所示。 令牌环网的工作原理 最有影响的令牌环网是IBM公司的Token Ring， IEEE802.5标准就是在IBM公司的Token Ring协议的基础上 发展和形成的。在Token Ring中，结点通过环接口连接成物理环形。令牌 是一种特殊的MAC控制帧，帧中有一位标志令牌忙/闲。令 牌

6、总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排 列顺序相同。如果某结点有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来 。当此结点获得空闲令牌之后，将令牌标志位由“闲”变为“忙” ，然后传送数据。令牌环的基本工作过程如下图所示。 IEEE802.5标准对以上技术进行了一些改进，主要表现在以 下几点：-单令牌协议，即环中只能存在一个有效令牌-支持多优先级方案-设置一个监控站，执行环维护功能-通过预约指示器进行令牌预约光纤分布式数据接口（FDDI） 光纤分布式数据接口(FDDI)是可以用来形成以光纤作为传输介质的 高速主干网，它可以用于局域网与计算机互联。典型的FDDI作为主干网 互联多个局域网的主干

7、环网结构如下图所示。FDDI的主要技术特点 1.使用基于IEEE 802.5的单令牌环网介质访问控制MAC协议； 2.使用IEEE 802.2协议，与符合IEEE 802标准的局域网兼容； 3.数据传输速率为100Mb/s，连网结点数最大为1000，环路长度为100km；4.可以使用双环结构，具有容错能力； 5.可以使用多模或单模光纤； 6.具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。 FDDI的主要应用环境1.计算机机房网（称为后端网络）2.办公室或建筑物群的主干网（称为前端网络）3.校园网的主干网4.多校园的主干网 高速局域网的工作原理 推动局域网技术发展的因素1.个人计算机的广泛应

8、用:在过去二十年中，计算机的处理速度提高了 百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；从理论上讲，一台微通 道或者EISA总线的微型机能产生大约250Mb/s的流量； 2.基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽；3.在数据仓库、桌面电视会议、3D图形以及高清晰度图像这类应用中 ，人们需要有更高带宽的局域网。传统共享式局域网的缺点 传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典型的介质访问控 制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus； 介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质； 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不

9、断增加而急剧减少 网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下 降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。高速局域网的解决方法第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率，从10Mb/s提 高到100Mb/s甚至到1Gb/s、10Gb/s ；第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由 器互连的子网，这就导致了局域网互连技术的发展；第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，这就导 致了“交换式局域网”技术的发展。交换式局域网的核心设备 是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建 立多个并发连接。 下图显示了共享介质与交换式局域网工作原理上 的区别。

10、 快速以太网（Fast Ethernet） Fast Ethernet的传输速率比普通Ethernet快10倍，数据 传输速率达到了100Mb/s；Fast Ethernet保留着传统的帧格式、介质访问控制方法与 组网方法；每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns；1995年9月，IEEE 802委员会正式批准了Fast Ethernet标 准IEEE 802.3u。下图是Fast Ethernet的协议结构 千兆以太网(Gigabit Ethernet) 用Ethernet组建企业网的全面解决方案:1.桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet；2.部门级网络系统采用传输速率

11、为100Mb/s的Fast Ethernet；3.企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的Gigabit Ethernet。10Gb/s Ethernet 主要特点10Gb/s Ethernet的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s Ethernet相同；10Gb/s Ethernet保留了802.3标准对Ethernet最小帧长度和最大帧长度的规定 ；10Gb/s Ethernet的传输介质只使用光纤；10Gb/s Ethernet只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。 两种物理层协议标准局域网物理层标准：一个10Gb/s Ethernet交换机可以支持10个Gigabi

12、t Ethernet网端口。可选的广域网物理层标准：广域网物理层符合光纤通道技术速率体的 SONET/SDH的OC-192/STM-64的标准交换式局域网与虚拟局域网 交换式局域网的核心设备使局域网交换机，局域网交换 机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。典型的交换式局域网是交换式以太网（switched Ethernet ），它的核心部件是以太网交换机（Ethernet switch）。以 太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点 连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器连接。交换式Ethernet的结构如下图所式局域网交换机的技术特点 1.低交换延迟这是局域网交换机的主要

13、特点，从传输延迟时间的量级来 看，如果局域网交换机为几十s，那么网桥为几百s，而路 由器为几千s。2.支持不同的传输速率和工作模式 局域网交换机的端口可以设计成支持不同的传输速率，例 如支持10Mb/s的端口、支持100Mb/s的端口、支持100Mb/s 的端口。同时，端口还可以设计成支持半双共和全双工两种 工作模式。3.支持虚拟局域网服务交换式局域网是虚拟局域网的基础，目前的Ethernet交换 机基本上都可以支持虚拟局域网服务。虚拟网络的概念 虚拟网络建立在局域网交换机之上；以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理；逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制；一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的

14、物理网段上，但它们之间的 通信就像在同一个物理网段上一样。 虚拟局域网的物理结构与逻辑结构 虚拟局域网的一组结点可以位于不同的物理网段上，但它们不受结 点所在物理位置的束缚，相互之间的通信就像在同一个局域网中一样。 下图给出了典型的虚拟局域网的物理结构和逻辑结构。 虚拟局域网的组网方法 1.用交换机端口号定义虚拟局域 2.用MAC地址定义虚拟局域网 3.用网络层地址定义虚拟局域4.IP广播组虚拟局域网 用交换机端口号定义虚拟局域网成员 虚拟局域网从逻辑上把局域网交换机的端口化肥为不同 的虚拟子网，各虚拟子网相对独立。在图(a)中，局域网交换 机端口1、2、3、7和8组成VLAN1，端口4、5和

15、6组成 VLAN2。同时，虚拟局域网也可以跨越多个交换机。图(b)中，局域 网交换机1的1、2、3端口和局域网交换机2的4、5、6、7端 口组成VLAN1，局域网交换机1的4、5、6、7、8端口和局 域网交换机2的1、2、3、8端口组成VLAN2。虚拟局域网的主要优点表现 在：1.方便网络用户管理，减 少网络管理开销2.提供更好的安全性3.改善网络服务质量局域网互连的应用环境 一个单位的多个部门局域网的互连； 办公楼之间局域网的互连； 将数千台计算机按地理位置或组织关系划分为多个子网 的互连； 超过单个局域网的最大覆盖范围的多个局域网互连； 企业中部门的信息对安全、保密方面要求不同的局域网 互

16、连。网桥的基本工作原理数据链路层互联的设备是网桥(bridge),在网络互联中它起到数据接收、地址 过滤与数据转发的作用，用来实现多个网络系统之间的数据交换。网桥的基本特征1.网桥在数据链路层上实现局域网互连；2.网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率 的网络；3.网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信；4.网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议； 5.网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能与安 全性。 网桥的工作过程网桥最常见的用法是用于连接两个局域网，以下给出了两个局域网通过网桥互 联的工作原理。网桥的层次结构 网桥帧转发过程 网桥的路由选择策略 网桥的基本分