第五章局域网技术课件

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1、第五章局域网技术IEEE802标准IEEE802系列标准IEEE802.1：概述、体系结构、网际互连及网络管理和性能测试；：概述、体系结构、网际互连及网络管理和性能测试；IEEE802.2：逻辑链路控制：逻辑链路控制LLC，即高层与任何一种局域网，即高层与任何一种局域网MAC层的接口；层的接口；IEEE802.3：以太网，：以太网，CSMA/CD总线网的总线网的MAC子层和物理层技术规范；子层和物理层技术规范；IEEE802.4：令牌总线网，令牌总线网的：令牌总线网，令牌总线网的MAC子层和物理层技术规范；子层和物理层技术规范；IEEE802.5：令牌环网，令牌环网的：令牌环网，令牌环网的MA

2、C子层和物理层技术规范；子层和物理层技术规范；IEEE802.6：分布队列双绞线，城域网的：分布队列双绞线，城域网的MAC子层和物理层技术规范；子层和物理层技术规范；IEEE802.7：宽带技术；：宽带技术；IEEE802.8：光纤技术；：光纤技术；IEEE802.9：综合语音与数据局域网规范；：综合语音与数据局域网规范；IEEE802.10：可互操作的局域网安全性规范；：可互操作的局域网安全性规范；IEEE802系列标准IEEE802.11：无线局域网；：无线局域网；IEEE802.12：100VG AnyLAN，新型高速局域网；，新型高速局域网；IEEE802.13：100M快速以太网快速

3、以太网(5B6B编码系统编码系统)IEEE802.14：cable modem(CATV网络上数据传输标准网络上数据传输标准)IEEE802.15：无线个人区域网络（蓝牙）：无线个人区域网络（蓝牙）IEEE802.16：无线城域网：无线城域网WiMAXIEEE802.17：弹性分组环网络：弹性分组环网络RPRIEEE802.20：宽带无线接入标准：宽带无线接入标准 IEEE802系列标准关系IEEE802参考模型的层次关系LLC和MAC子层的功能分解主要是将数据链路层功能中与硬件有关的部分和与硬件无关的部分区分开来 ：LLC帧和MAC帧的关系逻辑链路控制(LLC)子层逻辑链路控制子层的规范包含

4、在IEEE802.2标准中。这个标准与HDLC是兼容的，但使用的帧格式有所不同。这是由于HDLC的标志和位填充技术并不适合局域网，因而被排除，而且帧校验序列由MAC子层实现，因而也不包含在LLC的帧结构中。另外为了适合局域网中的寻址，地址字段也有所改变，同时提供目标地址和源地址。 LLC帧格式(a)帧结构；(b)地址字段；(c)控制字段 LLC服务LLC与所在的局域网所采用的拓扑结构、传输介质以及介质访问控制方式无关，它完成数据链路管理、差错控制、流量控制和数据帧顺序控制的功能，并为高层提供服务访问点。按照服务的类型，LLC提供3种服务：无确认连接的服务：连接方式的服务：有确认无连接的服务：L

5、LC的操作类型LLC协议与HDLC协议类似，它们之间的差别如下：LLC使用无编号信息帧支持无确认无连接的服务，这被称为LLC1型操作；LLC用HDLC的异步平衡方式的操作来支持连接方式的LLC服务，这种操作类型被称为LLC2型操作。LLC不支持HDLC的其他操作；LLC用一种新的无编号帧（AC）支持有确认无连接的服务，这被称为LLC3型操作。介质访问控制(MAC)子层在局域网和城域网中，所有的设备共享传输介质，因此当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权便成为关键的问题。数据链路层的介质访问控制子层被用来解决广播信道的分配问题，与之相应的用来分配传输介质使用权的协议被称为MAC协议。集中式

6、和分布式同步式和异步式 循环式、预约式和竞争式 IEEE802.3标准与以太网在局域网和城域网中，所有的设备共享传输介质，因此当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权便成为关键的问题。数据链路层的介质访问控制子层被用来解决广播信道的分配问题，与之相应的用来分配传输介质使用权的协议被称为MAC协议。 ETHERNET(以太网以太网)的核心技术是它的随机争用型的核心技术是它的随机争用型介质访问方法，即介质访问方法，即CSMA/CD介质访问控制方法。介质访问控制方法。 以太网综述1973年5月22日，Xerox PARC（Palo Alto研究中心）的Robert Metcalfe和David

7、Boggs描述了他们基于Alto主机连接的网络形式，并称之为以太网。最初的以太网以2.94Mbps传输率工作在基带粗同轴电缆上。以太是十九世纪科学界所想象的气态物质，它使电磁波能够通过空气传播。以太网包括DIX以太网和IEEE802.3以太网两个标准。DIX以太网的发展Xerox得到DEC和Intel公司的支持，共同实现标准和器件的开发工作，1980年，以太网1.0版由三家公司联合发表，称为DIX80，即著名的以太网蓝皮书，全称为：“以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范，1.0版”，采用10Mbps。两年后，DIX重新定义该标准，并于1982年公布DIX82，即以太网2.0版（Ether

8、net II）作为终结。IEEE802.3以太网的发展1980年2月，IEEE802 LAN标准委员会成立，其中802.3分委会在DIX工作基础上负责创建国际性标准。1982年，802.3标准出台，它与DIX82差别甚微，以太网成为IEEE802标准系列中第一个标准化的局域网标准。1985年，IEEE802委员会正式推出IEEE802.3 CSMA/CD局域网标准，描述了基于DIX以太网标准的局域网标准。并被ISO接受为国际标准，为ISO/IEC 8802-3。IEEE802.3和Ethernet II(DIX)今天的以太网和802.3可以认为是同义词以太网的核心思想是利用共享的公共传输介质。

9、常规的共享式以太网只能以半双工的方式工作，用户依赖于单条共享信道，在技术上不能同时收发数据。随着以太网的技术发展，1997年出现全双工以太网（802.3x），从而实现了同时收发。以太网的技术标准时间时间时间时间技术描述技术描述技术描述技术描述 标准标准标准标准网络介质网络介质网络介质网络介质1982年 10BASE5（DIX） 802.3粗同轴电缆1985年 10BASE2802.3a细同轴电缆1990年 10BASE-T802.3i双绞线1993年 10BASE-F802.3j光纤1995年 100BASE-T802.3u双绞线、光纤1997年 全双工以太网802.3x1998年 1000B

10、ASE-X802.3z光纤、短屏蔽铜缆1999年 1000BASE-T802.3ab双绞线以太网的介质访问方式 MAC子层的中心议题是相互竞争的用户之间如何分配一个单独的广播信道。分配方法有静态分配和动态分配两种。而所有传统的信道静态分配方法均不能有效地处理通信的突发性，所以我们必须采用信道动态分配。结合MAC子层和物理层，不同的协议规则决定了不同的网络形式的应用和技术实现。以太网的核心技术是它的随机争用型介质访问方法，即CSMA/CD介质访问控制方法。以太网的帧结构前导码：7个字节的1、0间隔代码：101010（56位）帧首定界符（SFD）：1个字节10101011二进制序列目的地址（DA）

11、：目的站MAC地址，6个字节最高位：0表示单播、1表示多播（组播）、全1为广播，即FF.FF.FF.FF.FF.FF源地址（SA）：源站MAC地址，6个字节类型（TYPE）：2字节，表示高层协议类型数据（DATA）：461500字节帧检验序列（FCS）：4字节，32位冗余校验CRC32前导码前导码前导码前导码SFDSFDDADASASATYPETYPEDATADATAFCSFCS7166246-15004DIX 以太网和IEEE802.3帧以太帧（Ethernet II）IEEE802.3 帧DIX以太帧的DATA直接封装网络层分组，而IEEE 802.3帧封装LLC-PDU，L表示LLC-P

12、DU字节数。帧兼容策略：大于最大帧长度1518D表示TYPE，否则表示L。实际做法：取值1536D（0600H）为界。例如IP为0800H、IPX为8137H。前导码前导码前导码前导码帧首定界帧首定界帧首定界帧首定界SFDSFD目的地址目的地址目的地址目的地址DADA源地址源地址源地址源地址SASA类型类型类型类型TYPETYPE数据数据数据数据DATADATA帧校验帧校验帧校验帧校验FCSFCS前导码前导码前导码前导码帧首定界帧首定界帧首定界帧首定界SFDSFD目的地址目的地址目的地址目的地址DADA源地址源地址源地址源地址SASA长度长度长度长度 L L数据数据数据数据DATADATA帧校

13、验帧校验帧校验帧校验FCSFCSCSMA/CD机理CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议是对ALOHA协议（一种基于地面无线广播通信而创建、适用于无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统）的改进，它确保在了网络结点在侦听到信道忙时不会有新站同时发送数据。 CSMA/CD的基本过程如下：一个站要发送信息，首先要监听总线，以决定介质上是否有其他站的发送信号存在。如果介质是空闲的，则可以发送信息；反之，则等待一个时间间隔后重试（退避）。 CSMA形式按照退避算法的语义规则，CSMA/CD有以下三种具体形式：非

14、坚持退避1-坚持退避P-坚持退避 以太网所采用的是1-坚持退避CSMA/CD。当站点希望传送数据时，它就等到线路空闲为止，否则就立即传输。 非坚持退避假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，则等待一个随机时间，重复第一步。 1-坚持退避假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，继续监听，直到空闲为止，立即发送。假如发生冲突，则等待一个随机时间，重复第一步。 P-坚持退避假如介质是空闲的，则以概率P直接发送，或以1-P的概率延迟一个时间单位。假如介质是忙的，继续监听，直到空闲为止，重复第一步。如果被延迟一个时间单位，重复第一步。假如发生冲突，采用某种方法解决（退避）。 CD冲突的检测以太网所采

15、用的是1-坚持退避CSMA/CD。如果两个或多个站点同时在空闲的电缆上开始传输，就会产生冲突，站点对冲突的检测可以依据如下方法：比较接收到的信号电压的大小检测曼彻斯特编码的过零点比较接收到的信号与刚发出的信号每站在发送帧期间同时具有检测冲突的能力，一旦冲突发生，就立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号，通知总线各站，冲突已经发生，同时以退避算法,控制各站发送。 退避算法当一个发送尝试由于冲突而停止时，该站就要准备重新发送。重传的调度由称作“截短二进制指数退避”（Truncated Binary Exponential Back off）的受控的随机化进程来决定。即在人为干扰结束后，要延迟一段

16、时间之后才能进行重发，这个退避时间是时间T的整数倍。在第n次重发尝试以前，延迟的时间应该是rT，r是均匀分布的随机整数，在0，2k范围内。其中k=min(n,10)。当n=16（极限值），即连续发生15次重发碰撞仍未成功发送时，则作为差错向LLC子层报告，发送失败。 碰撞槽时间（Slot Time）关于时间T，为常量，是网络链路上固有的参数，称为“碰撞槽时间（Slot Time）”。其物理含义指在帧发送过程中，发生碰撞时间的上限。即在这段时间内，可能检测到碰撞，而经过这段时间后，则不会发生碰撞，当然也不会检测到碰撞。近似的可以使用以下公式表示： 其中S为网络跨距（公共总线长度），C为光速，tp

17、hy指物理层延时。发送流程帧准备好帧准备好帧准备好帧准备好媒体忙？媒体忙？媒体忙？媒体忙？开始发送帧开始发送帧开始发送帧开始发送帧延迟随延迟随延迟随延迟随机时间机时间机时间机时间t t碰撞？碰撞？碰撞？碰撞？发送发送发送发送JamJam码码码码N=16N=16？碰撞次数碰撞次数碰撞次数碰撞次数N+N+发送完毕？发送完毕？发送完毕？发送完毕？发送成功发送成功发送成功发送成功差错处理差错处理差错处理差错处理停止发送停止发送停止发送停止发送Y YY YY YY YN NN NN NN NCSMA/CD的发送流程CSMA/CD的发送流程可以简单的概括为：先听后发先听后发边听边发边听边发冲突停止冲突停止

18、延迟重发延迟重发冲突检测是发送结点在发送的同时，将其发送信号波形与接受到的波形相比较。补充：典型以太网技术时间时间时间时间技术描述技术描述技术描述技术描述 标准标准标准标准网络介质网络介质网络介质网络介质1982年 10BASE5（DIX） 802.3粗同轴电缆1985年 10BASE2802.3a细同轴电缆1990年 10BASE-T802.3i双绞线1993年 10BASE-F802.3j光纤1995年 100BASE-T802.3u双绞线、光纤1997年 全双工以太网802.3x1998年 1000BASE-X802.3z光纤、短屏蔽铜缆1999年 1000BASE-T802.3ab双绞

19、线2002年 10GBASE802.3ae光纤10Mbps以太网四种10Mbps以太网物理性能比较10BASE510BASE210BASE-T 10BASE-F收发器外置设备网卡集成网卡集成网卡集成网络介质RG-8/11同轴电缆RG-58同轴电缆3、4、5类UTP62.5/125多模光纤最大段长500m185m100m2km拓扑结构总线总线星型星型跨距/跨数2.5km/5925m/5500m/54km/2网卡连接 15芯D型AUIBNC T型RJ-45ST10BASE5以太网参数10BASE5以太网参数取值如下：参数数值Slot Time（时槽）512位时间Inter Frame Gap（帧间

20、间隔） 9.6usAttempt Limit（尝试权限）16Back off Limit（退后权限）10Jam Size（人为干扰长）32位Max Frame Size（最大帧长） 1518字节Min Frame Size（最小帧长）512位Address Size（地址子段长）48位最大段长度 500米每段最多站点数 100两站点间最小距离 2.5米网络最大跨度 2.5公里 10BASE5分插头:插入电缆收发器:发送/接收, 冲突检测, 电气隔离，超长控制AUI:连接件单元接口用于骨干网 粗缆粗缆粗缆粗缆BNCBNC端子端子端子端子收发器收发器收发器收发器AUI AUI 电缆电缆电缆电缆NI

21、CNIC10BASE2BNC T型接头 无需插入电缆用于办公室LAN段最大长度段最大长度 185m每段最多站点数每段最多站点数 30两站点间最短距离两站点间最短距离 0.5 m网络最大跨度网络最大跨度 925 m 细缆细缆BNC 接头接头NIC10BASE-THub（集线器）相当于多端口转发器用于办公室LAN拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线转发器/中继器的作用：扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。物理层设备。 NIChub段最大长度段最大长度 100m100Mbps以太网1992年IEEE重新召集了802.3委员会，指示制订一个快速的LAN。802.3委员会决

22、定保持802.3原状，只是提高其速率。IEEE在1995年6月正式采纳了其成果802.3u。从技术角度上讲，802.3u并不是一种新的标准，只是对现存802.3标准的追加，习惯上称为快速以太网。其基本思想很简单：保留所有的旧的分组格式，接口以及程序规则，只是将位时从100ns减少到10ns，并且所有的快速以太网系统均使用集线器，不再使用同轴电缆。100BASE以太网物理性能100BASE以太网物理性能：100BASE-T4100BASE-TX100BASE-FX传输介质 4对3/4/5类UTP2对5类UTP2条光纤信号编码8B6T4B5B4B5B介质段长100m100m400m（无中继）小于4

23、00m（有中继）物理跨距200m200m2000m（干线）400m（CSMA/CD）拓扑结构星型（集线器）星型（集线器）星型（集线器）网卡连接RJ-45RJ-45ST5-4-3法则（以太网）Thicknet 5-4-3 rule; 5 backbone segments, 4 repeaters, and 3 segments快速以太网系统的跨距Slot Time=2S/0.7C+2tphySlot Time为512位时间Ethernet TechnologyBit TimeSlot Time10BASE100 ns512 Bit time100BASE10 ns512 Bit time100

24、0BASE1 ns4096 Bit time10GBASE0.1 ns NULL快速以太网系统跨距双绞线DTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEDTEI IIIIIIIIIIIII100m100m100m100m100m100m100m5m205m快速以太网系统跨距光缆DTEDTEDTEDTE412mDTEDTEDTEDTEI IDTEDTEDTEDTEIIIIDTEDTEDTEDTEIIIIIIII228m272m320m快速以太网系统跨距混合介质（双绞线-光缆）DTEDTEDTEDTEI I100m160.8mDTEDTEDTEDTEIII

25、IIIII100m111.2m5mDTEDTEDTEDTEIIII100m208.8m100Base-T4即3类UTP，它采用的信号速度为25MHz，需要四对双绞线；不使用曼彻斯特编码，而是三元信号，每个周期发送4比特，这样就获得了所要求的100Mb/s，还有一个33.3Mb/s的保留信道。该方案即所谓的8B6T（8比特被映射为6个三进制位）。 100Base-TX即5类UTP，其设计比较简单，因为它可以处理速率高达125MHz以上的时钟信号，每个站点只需使用两对双绞线，一对连向集线器，另一对从集线器引出。它没有采用直接的二进制编码，而是采用了一种运行在125MHz下的被称为4B5B的编码方案

26、。100Base-TX是全双工的系统。 100Base-FX使用两束多模光纤，每束都可用于两个方向，因此它也是全双工的，并且站点与集线器之间的最大距离高达2km。 100Base-T4和100Base-FX可使用两种类型（共享式、交换式）的集线器，它们统称为100Base-T。在共享式集线器中，所有的输入线在逻辑上连在一起，形成了同一个冲突域。100Base-FX电缆与正常的以太网冲突算法来说显得过长，所以它们必须与交换式集线器相连，每根电缆各为一个冲突域。 1Gbps以太网吉以太网由802.3z和802.3ab定义：1000BASE-CX1000BASE-CX1000BASE-LX1000B

27、ASE-LX 1000BASE-SX1000BASE-SX 1000BASE-T1000BASE-TMACMACCSMA/CDCSMA/CD、半双工和全双工处理、半双工和全双工处理、半双工和全双工处理、半双工和全双工处理物物物物理理理理层层层层编码编码编码编码8B10B8B10B线路编码线路编码线路编码线路编码PAM-5PAM-5码码码码收发收发收发收发器器器器短屏蔽铜缆短屏蔽铜缆短屏蔽铜缆短屏蔽铜缆收发器收发器收发器收发器1300nm1300nm长波长波长波长波长光纤收发器长光纤收发器长光纤收发器长光纤收发器780nm780nm短波长短波长短波长短波长光纤收发器光纤收发器光纤收发器光纤收发器

28、UTPUTP收发器收发器收发器收发器介质介质介质介质 短屏蔽铜缆短屏蔽铜缆短屏蔽铜缆短屏蔽铜缆单模单模单模单模/ /多模光多模光多模光多模光纤纤纤纤多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤5 5类类类类UTPUTP标准标准标准标准802.3z 1000BASE-X802.3z 1000BASE-X802.3ab802.3ab1000BASE-T1000BASE-T1Gbps以太网的技术实现1Gbps以太网与100Mbps以太网类似，只是速度更快，它们具有同样的帧格式，同样的最小和最大帧长，同样的退避算法。半双工模式下的技术实现：载波延伸（Carrier Extension）： 512位-512字节（填

29、充0F）。帧突发（Frame Bursting）：效率弥补载波延伸和帧突发载波延伸的方法是将争用期由512位扩展到512字节，即凡是发送帧长不足512字节时，就填充特殊字符（0F）补足。而帧突发则是解决由载波延伸所导致的问题。当许多短帧需要发送时，如果每一个帧都扩展为512字节，无疑会造成资源的巨大浪费。因此规定，第一个短帧使用载波延伸，一旦发送成功，则随后的短帧连续发送直到1500字节为止。在此期间，由于线路始终处于“忙”的状态，不会有其它站点抢占信道。 10Gbps以太网人们认为，网络能发展成为既擅长控制实时数据流视频，又擅长控制对时间不敏感的协议。一个解决方案是建立以太网、IP和MPLS

30、（多协议标签交换）的组合。对此，以太网的QoS值得怀疑，而其最高的1Gbps则刚够公用网的最低要求。IEEE成立了802.3高速研究小组HSSG，于2002年推出10吉比特以太网的标准802.3ae。其中定义了三种物理标准：用于单波长LAN连接的10GBASE-R和WAN连接的10GBASE-W以及用于多波长系统的10GBASE-X。10吉比特以太网选择的光纤PMD（光传送收发器）支持的光纤类型传输距离（m）850nm序列多模651310nm WWDM多模3001310nm WWDM单模100001310nm序列单模100001550nm序列单模4000010吉比特以太网标准同其它以太网标准一

31、样，10吉比特以太网使用原始的10Mbps以太网中所规范的基本帧格式。使用全双工方式，不受CSMA/CD的约束。802.3ae定义了两个物理层标准：LAN PHY（10GBASE-R）和WAN PHY（10GBASE-W和10GBASE-X），在WAN PHY附加的WIS子层使得以太网很容易通过SONET传输。串行的10GBASE-R和10GBASE-W采用64B/66B编码，而使用WWDM的10GBASE-X采用吉比特以太网中指定的8B/10B编码。 IEEE802.5和令牌环网访问控制1969年贝尔实验室NewhallIBM的Token RingIEEE802.5单令牌优先级监控与预约令牌

32、环网的特点信息单方向流动，只有一条环形信道，没有路径选择问题，适合于局域网络简单、经济的要求。 能非常快和容易的建立线路连接，这对短的信息持续时间的通信是重要的。 接口功能简单，其接口包含中继转发器的功能。 在数据吞吐量、实时性、地理范围等方面均优于CSMA/CD总线型局域网。 令牌传输的特点实时性好不存在竞争与碰撞 令牌环网靠星型拓扑实现 ABCDEIEEE802.4和令牌总线访问控制502030104545102050501030305020203010NSTSPS Sol-s Set-s T特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网物理层：传输媒体为75宽带同轴电缆，数据率1M、5M或10M；

33、 基带信号需要调制知识点TOKEN BUS（令牌总线方法）是一种在总线拓扑中利用“令牌”作为控制结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。所谓正常稳态操作是网络已经完成初始化，各结点进入正常传递令牌与数据，并且没有结点要加入与撤除，没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。令牌传递规定由高地址向低地址，最后由低地址向高地址传递。令牌总线网在物理上是总线网，而在逻辑上是环网。 知识点交出令牌的条件：该结点没有数据帧等待发送。该结点已经发完。令牌持有最大时间到。环维护工作：环初始化新结点加入环结点从环中撤出环恢复优先级光纤分布式数据接口FDDI 使用基于IEEE802.5的单令牌令牌的环网介质

34、访问控制MAC协议；使用IEEE802.2协议，与符合IEEE802标准的局域网兼容；数据传输速率为100Mbps，连网的结点数小于等于1000，环路长度为100km；可以使用双环双环结构，具有容错能力；可以使用多模或单模光纤光纤；具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输光纤分布式数据接口FDDI是一种以光纤作为传输介质的高速主干网。FDDI光纤光纤双环冗余双环冗余令牌传输令牌传输局域网技术发展决定局域网的主要技术要素：网络拓扑，传输介质和介质访问控制方法提高传输速率：以太网：10Mbps100Mbps1000Mbps10Gbps令牌总线、令牌环网FDDI网络分段数据链路层：冲突域分隔网桥、交换机网络层：广播域分隔路由器、VLAN共享式交换式