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1、计算机网络Computer Networks南京邮电大学计算机学院计算机通信教研室第五章第五章 局域网局域网n n局域网概述局域网概述n n局域网的参考模型和标准局域网的参考模型和标准n n介质访问控制方法介质访问控制方法n n以太网以太网n n高速以太网高速以太网n n虚拟局域网虚拟局域网n n无线局域网无线局域网内容纲要内容纲要内容纲要内容纲要n n局域网概述局域网概述n n局域网的参考模型和标准局域网的参考模型和标准n n介质访问控制方法介质访问控制方法n n以太网以太网n n高速以太网高速以太网n n虚拟局域网虚拟局域网n n无线局域网无线局域网局域网概述局域网概述局域网的基本特点：局
2、域网的基本特点：网络覆盖的区域相对较小，通常传输距离在网络覆盖的区域相对较小，通常传输距离在0.1km 25km。传输速率高，局域网的传输速率一般为传输速率高，局域网的传输速率一般为1 Mbit/s 100Mbit/s。目前，。目前，10 Mbit/s，100 Mbit/s，1000 Mbit/s的以太网得到了广泛的的以太网得到了广泛的应用，正在推出应用，正在推出10 Gbit/s的以太网。的以太网。误码率低，局域网的误码率一般在误码率低，局域网的误码率一般在10-8 10-11范围内，传输质量高。范围内，传输质量高。局域网具有专用性质。局域网具有专用性质。局域网侧重共享信息的处理、存储局域网
3、侧重共享信息的处理、存储 。局域网概述局域网概述局域网的基本技术，主要包括三个方面：局域网的基本技术，主要包括三个方面：网络拓扑结构网络拓扑结构数据传输基本形式和传输介质数据传输基本形式和传输介质介质访问控制方法介质访问控制方法 局域网的基本技术决定了网络的性能局域网的基本技术决定了网络的性能网络响应时间、吞吐量和利用率）、网络响应时间、吞吐量和利用率）、数据传输类型和网络应用等。数据传输类型和网络应用等。局域网概述局域网概述局域网典型的拓扑结构局域网典型的拓扑结构星星Star型型局域网所有站点的通信都通过中心站点进局域网所有站点的通信都通过中心站点进行行环环Ring型型控制简便，结构对称性好
4、，传输速率高。控制简便，结构对称性好，传输速率高。如：如：IBM令牌环网令牌环网总线总线Bus型型采用广播式多路访问方法，结构简单，可采用广播式多路访问方法，结构简单，可靠性高，扩展性好。如：采用集线器靠性高，扩展性好。如：采用集线器(HUB) 组网组网树树Tree型型分层结构，扩展性好，寻址方便分层结构，扩展性好，寻址方便局域网概述局域网概述各种拓扑结构各种拓扑结构匹配电阻匹配电阻集线器集线器干线耦合器干线耦合器总线网总线网星形网星形网树形网树形网 环形网环形网交换机交换机交换机交换机交换机交换机数据传输基本形式数据传输基本形式局域网数据传输的基本形式有两种：局域网数据传输的基本形式有两种：
5、 典型的传输介质：典型的传输介质： 双绞线双绞线 同轴电缆同轴电缆 光纤光缆）光纤光缆） 无线、微波、红外传输无线、微波、红外传输 基带传输基带传输 频带传输（频带传输（ 宽带传输）宽带传输）局域网的参考模型和标准局域网的参考模型和标准 局域网拓扑结构简单，一般没有路由问题，局域网拓扑结构简单，一般没有路由问题，因此不单独设置网络层。局域网标准对应于因此不单独设置网络层。局域网标准对应于OSI标准的第标准的第1层和第层和第2层的功能。层的功能。IEEE 802标准给出了局域网标准给出了局域网/城域网的参考城域网的参考模型和标准。模型和标准。OSI-RM的数据链路层对应于的数据链路层对应于LAN
6、参考模型参考模型中的两个子层，即：逻辑链路控制中的两个子层，即：逻辑链路控制 (LLC) 子子层、介质访问控制层、介质访问控制(MAC) 子层。子层。局域网参考模型局域网参考模型表示层表示层应用层应用层会话层会话层网络层网络层传输层传输层数据链路层数据链路层物理层物理层OSI-RMOSI-RM7 76 65 54 43 32 21 1LLCLLCMACMAC物理层物理层物理层物理层PSAPPSAPPSAPPSAPMSAPMSAPMSAPMSAPLSAPLSAPNSAPNSAPIEEE LAN&MANIEEE LAN&MAN参考模型参考模型 高层协议高层协议网间互连网间互连网间互连网间互连LLC
7、 和和 MAC 子层子层n n为了使数据链路层能更好地适应多种局域为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，网标准，802 委员会就将局域网的数据链路委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：层拆成两个子层：n n逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层子层n n媒体接入控制媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层。子层。n n与接入到传输媒体有关的内容都放在与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对管采用何种协议的局域
8、网对 LLC 子层来说子层来说都是透明的都是透明的 。LLC 和和 MAC子层子层n nMAC子层的功能：子层的功能：n n介质的访问控制介质的访问控制n n链路层帧的寻址和识别链路层帧的寻址和识别n n帧校验序列的产生和检验帧校验序列的产生和检验n nLLC子层的功能子层的功能n n规定了三种类型的链路服务：规定了三种类型的链路服务：n n无连接无连接LLC类型类型I）n n面向连接面向连接LLC类型类型II）n n确认无连接确认无连接LLC(类型类型III)LLC 和和 MAC子层子层n n在在参参考考模模型型中中，每每个个实实体体和和另另一一系系统统的的对对等等层层实实体体间间按按协协议
9、议进进行行通通信信。而而在在一一个个系系统统内内的的相相邻邻层层实实体体间间通通过过接接口口进进行行通通信信，用用服服务务访问点访问点SAP来定义逻辑接口。来定义逻辑接口。n n在在网网间间互互连连子子层层与与LLC子子层层实实体体间间可可有有多多个个 LSAP，网网间间互互连连子子层层与与高高一一层层实实体体间间可可有有多多个个 NSAP，但但LLCMAC，MAC物物理理层层间间只只有有一一个个服服务务访访问问点点，分分别别称称 MSAP，PSAP。 IEEE 802 IEEE 802 局域网标准局域网标准近年来出现的系列标准近年来出现的系列标准 802.3ac 802.3ac 802.3a
10、c 802.3ac：虚拟局域网：虚拟局域网：虚拟局域网：虚拟局域网VLANVLANVLANVLAN2019201920192019）。）。）。）。 802.3ab 802.3ab 802.3ab 802.3ab：1000Base-T1000Base-T1000Base-T1000Base-T物理层参数和规范物理层参数和规范物理层参数和规范物理层参数和规范2019201920192019）。）。）。）。 802.3ad 802.3ad 802.3ad 802.3ad：多重链接分段的聚合协议：多重链接分段的聚合协议：多重链接分段的聚合协议：多重链接分段的聚合协议2000200020002000）。
11、）。）。）。 802.3u 802.3u 802.3u 802.3u：100Mbit/s100Mbit/s100Mbit/s100Mbit/s快速以太网。快速以太网。快速以太网。快速以太网。 802.1Q: 802.1Q: 802.1Q: 802.1Q: 虚拟桥接以太网虚拟桥接以太网虚拟桥接以太网虚拟桥接以太网(2019)(2019)(2019)(2019)。 802.14 802.14 802.14 802.14：利用：利用：利用：利用CATVCATVCATVCATV宽带通信标准宽带通信标准宽带通信标准宽带通信标准2019201920192019）。）。）。）。 802.15 802.15
12、802.15 802.15：无线个人网：无线个人网：无线个人网：无线个人网 （WPAN: Wireless Personal Area NetworkWPAN: Wireless Personal Area NetworkWPAN: Wireless Personal Area NetworkWPAN: Wireless Personal Area Network）。）。）。）。 802.16 802.16 802.16 802.16：宽带无线访问标准。：宽带无线访问标准。：宽带无线访问标准。：宽带无线访问标准。IEEE 802局域网帧结构局域网帧结构介质访问控制方法介质访问控制方法所所谓谓“
13、访访问问指指的的是是在在两两个个实实体体之之间间建建立立联联系系并并交交换换数数据据信信息息。在在网网络络中中，访访问问方方式式泛泛指指分分配配介介质质使使用用权权限限的的机机理、策略和算法。理、策略和算法。评价介质访问控制的三个基本要素：评价介质访问控制的三个基本要素： 协议简单协议简单 有效的通道利用率有效的通道利用率 公公平平性性：网网上上站站点点的的用用户户公公平平合理合理介质访问控制方法介质访问控制方法受控访问受控访问预约式多路复用）预约式多路复用）静态预约固定分配）静态预约固定分配）频分复用，时分复用，波分复用，码分频分复用，时分复用，波分复用，码分复用复用 动态预约按需分配）动态
14、预约按需分配）集中控制，动态时分复用，无冲突访问集中控制，动态时分复用，无冲突访问选择式选择式 菊花链菊花链探询轮叫探询、中心探询）探询轮叫探询、中心探询）单独选择单独选择介质访问控制方法介质访问控制方法 随机访问随机访问争用式争用式ALOHA 纯纯ALOHA 、时隙、时隙ALOHACSMA 非坚持，非坚持，1坚持，坚持，P坚持坚持CSMA/CD， CSMA/CA其它其它环式：环式： 标记环等标记环等混合式混合式ALOHA介质访问控制方法介质访问控制方法 n n20世纪世纪70年代用于无线分组网，功能简单。年代用于无线分组网，功能简单。是一种完全随机的公共介质访问方法。是一种完全随机的公共介质
15、访问方法。n n纯纯ALOHA：用于局域网无线公用信道上，：用于局域网无线公用信道上，集中控制，仅使用两个频率，上行传输集中控制，仅使用两个频率，上行传输争用为争用为407.35 MHz, 下行传输广播为下行传输广播为413.475 MHz， 信道利用率最高为信道利用率最高为18.4n n时隙时隙ALOHA：将时间分为等长的时隙，只：将时间分为等长的时隙，只能在每个时隙的开始才发送分组，目的是能在每个时隙的开始才发送分组，目的是减少冲突。信道利用率最高为减少冲突。信道利用率最高为36.8%。CSMA介质访问控制方法介质访问控制方法 n nCSMA, Carrier Sense Multiple
16、 Accessn n每个站点在发送分组前，监听公共信道上每个站点在发送分组前，监听公共信道上其它站点是否在发送分组。如果信道忙，其它站点是否在发送分组。如果信道忙，就暂不发送。如果信道空闲，则进入发送就暂不发送。如果信道空闲，则进入发送处理。处理。n nCSMA方法分为：方法分为：n n非坚持非坚持 CSMAn n时隙非坚持时隙非坚持 CSMAn n1坚持坚持 CSMAn nP坚持坚持 CSMA坚持和非坚持坚持和非坚持CSMAn n非坚持非坚持CSMAn n站点发现信道忙则不再侦听，等待一个站点发现信道忙则不再侦听，等待一个随机长的时间后，再开始侦听随机长的时间后，再开始侦听/发送过程发送过程
17、n n1坚持坚持CSMAn n发现信道空闲后发送数据概率为发现信道空闲后发送数据概率为1）n n发现信道忙则持续等待，直至信道空闲发现信道忙则持续等待，直至信道空闲n nP坚持坚持CSMAn n发现信道空闲后发送数据概率为发现信道空闲后发送数据概率为P），），以以1P概率推迟发送。概率推迟发送。n n发现信道忙则持续等待，直至信道空闲，发现信道忙则持续等待，直至信道空闲，再以概率再以概率P发送数据。发送数据。CSMA/CD协议的基本原理协议的基本原理 尽管已发送前载波监听，但由于通信的随机性，仍然可能发生冲突。CSMA 的冲突处理方法继续完成已经开始发送的帧的传送过程，直至应答超时后再进行处理
18、。CSMA/CD 的冲突处理方法发现冲突的发送站点向全网发送一个加强冲突的噪声帧后停止发送；等待一个随机长的时间后重新进入侦听过程。例：二进制指数后退算法CSMA/CD 介质访问控制方法介质访问控制方法 n nCSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)n n冲突检测：边发送边监听，只要监听冲突检测：边发送边监听，只要监听到冲突，则冲突双方立即停止发送。到冲突，则冲突双方立即停止发送。n nCSMA/CD的工作原理的工作原理n n载波监听载波监听n n冲突检测冲突检测n n多次访问多次访问n nIEEE 802.3
19、和以太网标准和以太网标准 Ethernet IICSMA/CD概念模型概念模型信道的三种状态：信道的三种状态：信道的三种状态：信道的三种状态：传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间片片片片空闲周期：所有站点都不使用信道空闲周期：所有站点都不使用信道空闲周期：所有站点都不使用信道
20、空闲周期：所有站点都不使用信道时间时间争用时间片争用时间片to冲突的检测冲突的检测n n冲突检测方法冲突检测方法n n比较发送信号与检测信号的能量或脉比较发送信号与检测信号的能量或脉冲宽度变化冲宽度变化n n冲突检测的要求冲突检测的要求n n时间片宽度时间片宽度 最大冲突检测时间最大冲突检测时间n n在一个时间片内可以检测到最远距离在一个时间片内可以检测到最远距离的冲突的冲突n n发送有效帧的时间发送有效帧的时间 最大冲突检测时最大冲突检测时间间n n防止在发生冲突时完成短帧发送防止在发生冲突时完成短帧发送若两个最远距离站点间的传输时间为若两个最远距离站点间的传输时间为若两个最远距离站点间的传
21、输时间为若两个最远距离站点间的传输时间为T T，则网络的最大冲突检测时间为，则网络的最大冲突检测时间为，则网络的最大冲突检测时间为，则网络的最大冲突检测时间为 2T 2T。冲突检测时间冲突检测时间T A在在t=0时刻向时刻向F发送帧。发送帧。F在在t=T- 时刻向时刻向A发送帧，在发送帧，在t=T时检测到冲突，立即发送噪声帧。时检测到冲突，立即发送噪声帧。A在在t= 2T时刻收到时刻收到F向向全网发送的噪声帧。全网发送的噪声帧。冲突检测时间与时间片的关系冲突检测时间与时间片的关系时间片时间片ABt1t2t3开始开始发送发送开始开始发送发送发现冲突，终止发送数据帧，发现冲突，终止发送数据帧，广播
22、信道阻塞信号，避让。广播信道阻塞信号，避让。最远距离最远距离时间时间时间时间收到收到B发送的阻塞信号，发送的阻塞信号，终止发送过程。终止发送过程。CSMA/CD概念模型争概念模型争用时间片的宽度为用时间片的宽度为2T。时间片时间片帧长度与时间片的关系帧长度与时间片的关系ABt1t2t3t4t5结束发送阻塞信号结束发送阻塞信号开始开始发送发送结束结束发送发送A无法判定冲突由自己造成，无法判定冲突由自己造成，自认为已成功发送出帧。自认为已成功发送出帧。开始开始发送发送发现发现冲突冲突最远距离最远距离时间时间时间时间CSMA/CD要求最短帧要求最短帧的发送时间至少为的发送时间至少为2T。 各站点尝试
23、争用信道而连续遇到冲突时，各站点尝试争用信道而连续遇到冲突时，随机选择一定范围内的某个退避等待时间片随机选择一定范围内的某个退避等待时间片2T数：数：第第 1 次冲突：次冲突：01 （即（即21-1） ；第第 2 次冲突：次冲突：0 3 （即（即22-1）；）；第第10 次冲突：次冲突：01023即即210-1），此后固定），此后固定选择范围；选择范围；第第16次冲突：仍不成功则放弃，并报告上层。次冲突：仍不成功则放弃，并报告上层。二进制指数后退算法二进制指数后退算法二进制指数退避算法的过程二进制指数退避算法的过程n n 对对对对每每每每个个个个帧帧帧帧，当当当当第第第第一一一一次次次次发发发
24、发生生生生冲冲冲冲突突突突时时时时，设设设设置置置置参参参参数数数数为为为为 L L2 2；n n 退退退退避避避避间间间间隔隔隔隔取取取取1 1到到到到L L个个个个时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔，1 1个个个个时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔等等等等于于于于任任任任意意意意两两两两个个个个站站站站之之之之间间间间最最最最大大大大传传传传播播播播时时时时延延延延的的的的两两两两倍倍倍倍，即即即即2T2T设最大传播时延为设最大传播时延为设最大传播时延为设最大传播时延为T T ）；）；）；）；n n 当帧重复发生一次冲突，则参数当帧重复发生一次冲突，则参数当帧重复发生一次冲突，则参数当帧重复发
25、生一次冲突，则参数L L加倍；加倍；加倍；加倍；n n 设设设设置置置置一一一一个个个个最最最最大大大大重重重重传传传传次次次次数数数数，超超超超过过过过这这这这个个个个限限限限值值值值，则则则则停停停停止，不再重传，并报告出错。止，不再重传，并报告出错。止，不再重传，并报告出错。止，不再重传，并报告出错。n n 这这这这种种种种算算算算法法法法是是是是按按按按后后后后进进进进先先先先出出出出的的的的次次次次序序序序控控控控制制制制的的的的，即即即即未未未未冲冲冲冲突，或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率。突，或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率。突，或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率
26、。突，或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率。参参 数数 数数 值值争用期时隙争用期时隙(Slot time) 51.2 us 帧间隔帧间隔(Inter Frame Gap) 9.6 us 尝试次数尝试次数(Attempt Limit) 16 退避限制数退避限制数(Back off Limit) 10 阻塞信号阻塞信号(Jam Size ) 32 bits 最大帧长最大帧长( Max Frame Size ) 1518 bytes 最小帧长最小帧长( Min Frame Size ) 64 bytes 地址长度地址长度(Address Size ) 6 bytesCSMA/CD方式的主要参数方
27、式的主要参数令牌环介质访问控制方法令牌环介质访问控制方法 n nIEEE 802.5n nToken Ring， IBM公司公司n nIEEE 802.5令牌环令牌环 特点特点n n将各个站点、链路依次串成闭合环路将各个站点、链路依次串成闭合环路n n环内令牌、数据单向传输，环内令牌、数据单向传输，n n分散控制分散控制n n标记验环循环，同一时刻环中只有一个标标记验环循环，同一时刻环中只有一个标记记n n传输介质：屏蔽双绞线，传输介质：屏蔽双绞线，4Mbit/s，16Mbit/s标记环标记环 介质访问控制方法介质访问控制方法 IEEE802.5令牌环介质访问使用一个令牌环介质访问使用一个令牌
28、沿着环循环，且应确保令牌在令牌沿着环循环，且应确保令牌在环中为唯一环中为唯一Token令牌令牌令牌环工作原理令牌环工作原理n n 网上站点要求发送帧，必须等待空令牌；网上站点要求发送帧，必须等待空令牌；n n当当获获取取空空令令牌牌，则则将将它它改改为为忙忙令令牌牌，后后随随数据帧；数据帧；n n在一个循环内其它站点不能发送数据；在一个循环内其它站点不能发送数据；n n直直至至所所发发的的帧帧在在环环上上循循环环一一周周后后，回回到到发发送站，将此帧移去。送站，将此帧移去。n n 将将忙忙令令牌牌改改成成空空令令牌牌，继继续续传传送送，供供后后续续站发送帧。站发送帧。 ABCDTokenA站收
29、到站收到Token?Free?YA CWAITINGDA=C?令牌环工作原理令牌环工作原理环的长度用位计算环的长度用位计算n n环上每个中继器引入环上每个中继器引入 1 bitn n环上保留的位数：环上保留的位数：传播延迟传播延迟( ( s /km)s /km) 介质长度介质长度 数据速率数据速率+ + 中继器延迟中继器延迟例：例：n n介质长度介质长度 L = 1 kmn n数据速率数据速率 C = 4 Mbit/sn n站点数站点数 N = 50 解：解： 传播延迟传播延迟 tp = L / v v = 2 10 5 km / s tp = 5 s环上保留的位数环上保留的位数 = 5 1
30、4 + 50 = 70 bit 令牌环令牌环MACMAC帧结构帧结构n nIEEE 802.5 MACIEEE 802.5 MAC帧格式帧格式SDSDEDEDACACSDSDFCFCACACDADAINFOINFOSASAFCSFCSFSFSEDED标记格式标记格式帧格式帧格式帧序列始帧序列始帧序列尾帧序列尾FCSFCS校验对象校验对象1 1 1 1 1 1标记和数据帧的管理标记和数据帧的管理n n如何防止数据帧在环上无休止循环？如何防止数据帧在环上无休止循环？n n设置监控器，设置监控器，n n在帧结构上留一标识。在帧结构上留一标识。n n如何监测标记出错？如何监测标记出错？n n无标记无标
31、记n n忙标记死循环忙标记死循环n n集中式检测集中式检测n n设置集中监控站超时计数器）设置集中监控站超时计数器）/标记丢失标记丢失n n在帧结构上检测忙标记标识在帧结构上检测忙标记标识/ 死循环死循环n n分布式检测分布式检测n n每站设置定时器：当站有数据要发且等待每站设置定时器：当站有数据要发且等待标记的时间超限标记的时间超限 /标记丢失标记丢失令牌总线介质访问控制协议令牌总线介质访问控制协议n n拓扑结构拓扑结构Token标志、标志、令牌令牌ABCDE令牌总线介质访问控制协议令牌总线介质访问控制协议n n工作原理工作原理n nToken Bus 在物理总系线上建立逻辑环。在物理总系线
32、上建立逻辑环。n n逻辑环上，标记是站点可以发送数据逻辑环上，标记是站点可以发送数据的必要条件。的必要条件。n n标记在逻辑环中按地址的递减顺序传标记在逻辑环中按地址的递减顺序传送到下一站点。送到下一站点。n n从物理上看，含从物理上看，含DA的标记帧广播到的标记帧广播到BUS上，所有站点按上，所有站点按DA = 本站地址判本站地址判断收否。断收否。令牌总线介质访问控制协议令牌总线介质访问控制协议n n特点特点n n无冲突，标记环的信息帧长度可按需无冲突，标记环的信息帧长度可按需而定。而定。n n顺序接收顺序接收Fairness (公平性），站点等公平性），站点等待待Token的时间是确知的。
33、的时间是确知的。n n（需限定每个站发送帧的最大值）（需限定每个站发送帧的最大值）n nCSMA/CD因检测冲突需要填充信息位因检测冲突需要填充信息位不允许小于不允许小于46字节）字节）令牌总线介质访问控制协议令牌总线介质访问控制协议n n单个站发送报文：（最坏情况）单个站发送报文：（最坏情况）单个站发送报文：（最坏情况）单个站发送报文：（最坏情况） t t t t 等待取得标记和发报文时间等待取得标记和发报文时间等待取得标记和发报文时间等待取得标记和发报文时间= = = =全部标记传全部标记传全部标记传全部标记传送时间送时间送时间送时间+ + + +一个报文发送一个报文发送一个报文发送一个报
34、文发送时间时间时间时间n n所有站有报文送报：（最坏情况）所有站有报文送报：（最坏情况）所有站有报文送报：（最坏情况）所有站有报文送报：（最坏情况） t t t t 等待取得标记和发报文时间等待取得标记和发报文时间等待取得标记和发报文时间等待取得标记和发报文时间= = = = 全部标记全部标记全部标记全部标记传送时间传送时间传送时间传送时间+ + + +全部报文发送全部报文发送全部报文发送全部报文发送时间时间时间时间平均时间平均时间 = t = t 等待取得标记和发报文等待取得标记和发报文时间时间 / 2 / 2令牌总线令牌总线 MAC MAC帧格式帧格式前导码前导码FCFCSDSDDADAI
35、NFOINFOSASAFCSFCSEDED帧格式帧格式帧序列始帧序列始帧序列尾帧序列尾FCSFCS校验对象校验对象n n1 11 16 66 64 41 1字节字节帧类型帧类型n nMACMAC控制帧控制帧控制帧控制帧n n要求标记要求标记要求标记要求标记 Claim-Token Claim-Tokenn n请求后继者请求后继者请求后继者请求后继者 （Solicit-Successor-1) 1Solicit-Successor-1) 1响应窗口响应窗口响应窗口响应窗口n n请求后继者请求后继者请求后继者请求后继者 （Solicit-Successor-2) 2Solicit-Successo
36、r-2) 2响应窗口响应窗口响应窗口响应窗口n nWho-followsWho-follows 3 3响应窗口响应窗口响应窗口响应窗口n n分解争用分解争用分解争用分解争用 （ Resolve-Contention ) 4 Resolve-Contention ) 4响应窗口响应窗口响应窗口响应窗口n n标志标志标志标志n n设置后继者设置后继者设置后继者设置后继者 （Set-Successor )Set-Successor )00类型类型n n数据帧数据帧F FF FM MM MM MP PP PP PLLC LLC 数据帧数据帧站管理数据帧站管理数据帧特殊用途数据帧特殊用途数据帧无响应请求
37、无响应请求含响应请求含响应请求呼应呼应优先级优先级以太网以太网n nEthernet，1973年由年由Xerox公司的公司的Metcalfe提出，提出，n n1980年，年，DEC、Intel和和Xerox联手推出联手推出DIX Ethernet 1.0标准，标准， DIX Ethernet 2.0标准与标准与IEEE 802.3 标准只有很小的区别标准只有很小的区别, (帧格式帧格式中两个字节的定义有区别中两个字节的定义有区别)n n严格说来，严格说来，“以太网应当是指符合以太网应当是指符合 DIX Ethernet 2.0 标准的局域网标准的局域网以太网的系列标准规范）以太网的系列标准规范
38、）n n传输速率传输速率n n拓扑结构拓扑结构n n传输介质传输介质n n网段长度网段长度n n允许的最大网段数允许的最大网段数以太网的系列标准规范）以太网的系列标准规范）以太网以太网以太网以太网10 Base-5 1983 10Mbps 500m AUI 10 Base-5 1983 10Mbps 500m AUI 10 Base-5 1983 10Mbps 500m AUI 10 Base-5 1983 10Mbps 500m AUI 粗缆以太网粗缆以太网粗缆以太网粗缆以太网10 Base-2 1988 10Mbps 185m BNC 10 Base-2 1988 10Mbps 185m
39、BNC 10 Base-2 1988 10Mbps 185m BNC 10 Base-2 1988 10Mbps 185m BNC 细缆以太网细缆以太网细缆以太网细缆以太网10 Base-T 1990 10Mbps 100m RJ45 10 Base-T 1990 10Mbps 100m RJ45 10 Base-T 1990 10Mbps 100m RJ45 10 Base-T 1990 10Mbps 100m RJ45 双绞线以太网双绞线以太网双绞线以太网双绞线以太网1 12 23 34 4终端电阻终端电阻5050欧姆欧姆中继器中继器 ( Repeater ) ( Repeater )收发
40、器收发器以太网的发展进程以太网的发展进程n n10BASE510BASE5n n10BASE210BASE2n n10BROAD36 10Mbps,broadband,3600mCATV cable10BROAD36 10Mbps,broadband,3600mCATV cablen n10BASE-T 10BASE-T 10Mbps,baseband,over two twisted- 10Mbps,baseband,over two twisted-pair cablepair cablen n100BASE-TX100BASE-TXn n100BASE-T4100BASE-T4n n10
41、0BASE-FX 100BASE-FX n n1000BASE-CX1000BASE-CXn n1000BASE-LX 1000Mbps,long wavelength over optical 1000BASE-LX 1000Mbps,long wavelength over optical fiberfibern n1000BASE-SX 1000Mbps,short wavelength over optical 1000BASE-SX 1000Mbps,short wavelength over optical fiberfiberDIX Ethernet2.0特点n n介质访问控制方
42、式：介质访问控制方式：CSMA/CDn n地址字段：地址字段：DA,SA均为均为6字节字节n n差错校验：帧校验序列差错校验：帧校验序列(FCS)n n帧长：帧长：461500字节字节(不包括帧头、帧不包括帧头、帧尾尾26字节字节)，若数据字段小于，若数据字段小于46字节，字节，附加填充字节附加填充字节粗缆以太网n n网络接口卡网卡）网络接口卡网卡）n nAUIAttachment Unit Interface附加单附加单元接口元接口n n收发器收发器(Transceiver)n n1AUI 2 BNC接口接口n n中继器中继器n n粗同轴电缆，直径粗同轴电缆，直径1.016cmn n终接器终
43、接器 n n50欧电阻，其中一端接地欧电阻，其中一端接地细缆以太网n n网络接口卡网卡）网络接口卡网卡）n nBNC接口接口n n中继器中继器n n 细同轴电缆，直径细同轴电缆，直径0.508cmn n终接器终接器双绞线以太网n n10Base-Tn n双绞线，双绞线，UTP(Unshielded Twisted Paired )n n3类类2对），对），5类类4对）对）n n集线器集线器n nHUB， 8口，口，12口，口，24口等口等n n接口：接口：RJ-45， 也有也有BNC或光纤接口，或光纤接口，n n站点和集线器距离应小于站点和集线器距离应小于100m CSMA/CD方式的方式的“
44、543准绳准绳介质的最大利用率取决于帧的长度和传播介质的最大利用率取决于帧的长度和传播时间，因此网络最大传播时延不能过大。时间，因此网络最大传播时延不能过大。由于争用期的限制，使用由于争用期的限制，使用CSMA/CD介质介质访问控制方式的访问控制方式的Ethernet限制每电缆的最限制每电缆的最大长度为大长度为 500 m ，最多，最多5段电缆，段电缆，4个中继个中继器，其中器，其中3段电缆可以接入用户。段电缆可以接入用户。在使用共享集线器的以太网中，仍然受到在使用共享集线器的以太网中，仍然受到“543” 原则的限制，一般集线器的级原则的限制，一般集线器的级联不超过联不超过 3 级。级。以太网
45、的最大作用距离 250 m750 m500 m500 m500 m50 m50 m50 m网段 1转发器转发器网段 2网段 3转发器转发器转发器转发器IEEE 802.3/以太网帧结构以太网帧结构 7 1 2-6 2-6 2 46 -1500 4 bytes Pr SD DA SA L/T DATA FCS 以太网以太网以太网以太网Ethernet IIEthernet IIEthernet IIEthernet II和和和和IEEE 802.3IEEE 802.3IEEE 802.3IEEE 802.3一样，采用一样，采用一样，采用一样，采用CSMA/CDCSMA/CDCSMA/CDCSMA
46、/CD协议，并使用二进制指数退避和协议，并使用二进制指数退避和协议，并使用二进制指数退避和协议，并使用二进制指数退避和1 1 1 1坚持算法。但坚持算法。但坚持算法。但坚持算法。但其帧结构与其帧结构与其帧结构与其帧结构与 IEEE 802.3 IEEE 802.3 IEEE 802.3 IEEE 802.3帧有些区别。帧有些区别。帧有些区别。帧有些区别。 下图的下图的下图的下图的 L/T L/T L/T L/T 字段中，字段中，字段中，字段中， IEEE 802.3 IEEE 802.3 IEEE 802.3 IEEE 802.3帧表示长度，而帧表示长度，而帧表示长度，而帧表示长度，而以太网帧
47、表示类型。以太网帧表示类型。以太网帧表示类型。以太网帧表示类型。Pr 帧头帧头 10101010 . . . 7字节前导码字节前导码SD 帧开始符帧开始符 . . 10101011DA ,SA 源源/目的地址目的地址 1G L G = 0 单独地址单独地址 L = 0 全局全局 G = 1 组地址组地址 L = 1 部分部分 L 长度字段长度字段 IEEE 802.3type 类型字段类型字段 EthernetDATA 数据字段数据字段 LLC PDU FCS 帧校验序列帧校验序列交换式以太网以太交换原理以太交换原理采用以太网交换机，拥有一个共享内存交换采用以太网交换机，拥有一个共享内存交换矩
48、阵和多个端口，可将矩阵和多个端口，可将LANLAN分为多个独立的分为多个独立的网段，并以线速支持网段交换。允许不同网段，并以线速支持网段交换。允许不同用户对进行并行通信。用户对进行并行通信。网络规模越小，网络段内站点数越少，每个网络规模越小，网络段内站点数越少，每个站点的平均带宽越高站点的平均带宽越高交换式以太网n n优点优点n n原有的以太网基础设施可继续使用原有的以太网基础设施可继续使用n n通过以太交换机实现网络分段，均衡通过以太交换机实现网络分段，均衡负荷负荷n n提供全双工模式操作，提高了处理效提供全双工模式操作，提高了处理效率率以太网交换技术的工作原理以太网交换技术的工作原理n n
49、采用以太交换技术：其本质是将共享采用以太交换技术：其本质是将共享介质的网段划分为多个网段，交换机介质的网段划分为多个网段，交换机是基于是基于OSI-RM的第的第2层的存储转发设层的存储转发设备。备。n n根据端口获取的根据端口获取的MAC地址，判断是否地址，判断是否本网段用户信息。若是，交换机不必本网段用户信息。若是，交换机不必处理，若不是则存储转发。处理，若不是则存储转发。以太交换转发方式以太交换转发方式n n1 1 存储转发方式存储转发方式(store-forward)(store-forward)n n是基本的是基本的LANLAN交换类型交换类型n n交换机先将交换机先将MACMAC帧全
50、部读入到内部缓冲区，帧全部读入到内部缓冲区，进行帧校验进行帧校验(CRC)(CRC)，如果有错，如果有错(CRC(CRC差错、太差错、太短、太长短、太长) )，丢弃该帧。如果无错，则在转，丢弃该帧。如果无错，则在转发或交换表中查找其目的地址，确定输出发或交换表中查找其目的地址，确定输出端口，将帧发到目的端。端口，将帧发到目的端。 例：例：Cisco Cisco Catalyst 5000Catalyst 5000系列交换机系列交换机n n利用存储转发机制，网管员可以定义过滤利用存储转发机制，网管员可以定义过滤算法来控制交换机的通信量，可实现速率算法来控制交换机的通信量，可实现速率不同的两个端口
51、间信息处理。不同的两个端口间信息处理。以太交换转发方式以太交换转发方式n n2 2 直通方式直通方式 （Cut-ThroughCut-Through）n n交换机收到交换机收到MACMAC帧时，不待收完整，就帧时，不待收完整，就按帧头的按帧头的DADA来判别其转发端口。转发来判别其转发端口。转发速度快，延迟一致性好与帧长短无速度快，延迟一致性好与帧长短无关）。关）。n n由于采用直通由于采用直通Cut-ThroughCut-Through方式，方式，在转发时不进行差错校验，当某些帧在转发时不进行差错校验，当某些帧已有错仍然加以转发，做无用功；且已有错仍然加以转发，做无用功；且不适宜速率不同的两
52、个端口间转发，不适宜速率不同的两个端口间转发，100Mbit/s100Mbit/s网段的信息直通转发到网段的信息直通转发到10Mbit/s10Mbit/s网段，必产生阻塞。网段，必产生阻塞。以太交换转发方式以太交换转发方式n n3 3 无碎片直通方式无碎片直通方式Fragment-free Cut-Fragment-free Cut-ThroughThrough）n n在转发前等待在转发前等待6464字节的冲突窗口字节的冲突窗口n n以太网最小帧的长度为以太网最小帧的长度为6464字节含帧头、字节含帧头、尾），无碎片直通尾），无碎片直通Fragment-free Cut-Fragment-fr
53、ee Cut-ThroughThrough方式针对这一特征，相对可减少方式针对这一特征，相对可减少出错帧的转发率凡小于出错帧的转发率凡小于6464字节的帧均不字节的帧均不转发）。但仍不适合高速率端口向低速率转发）。但仍不适合高速率端口向低速率端口转发信息。端口转发信息。以太交换的小结以太交换的小结n n以太交换主要功能：解决共享总线网以太交换主要功能：解决共享总线网络的网段微化，即冲突域的分割。络的网段微化，即冲突域的分割。n n设计目的：解决网络带宽的不足，即设计目的：解决网络带宽的不足，即网络瓶颈。网络瓶颈。n n特点：提高了每个站点的平均占用带特点：提高了每个站点的平均占用带宽能力，并提
54、供了网络整体的集合带宽能力，并提供了网络整体的集合带宽，具有通信量高，延迟低和价格低宽，具有通信量高，延迟低和价格低的优点。的优点。 以太交换的应用以太交换的应用n n主干网连接主干网连接n n服务器连接服务器连接n n自动协商自动协商n n虚拟网络虚拟网络VLANVLAN：Virtual LANVirtual LAN）n n以太交换与路由器以太交换与路由器高速以太网高速以太网 n n快速以太网快速以太网n n100VG-Any LANn n千兆以太网千兆以太网n n10Gbit/s以太网以太网快速以太网快速以太网n n2019年年, IEEE通过通过100Base-T标准，标准，Fast E
55、thernetn n在交换式快速以太网中，提供给每个在交换式快速以太网中，提供给每个端口的带宽为端口的带宽为100Mbit/s快速以太网快速以太网n n100Base-T特征特征n n采用了采用了IEEE 802.3 CSMA/CDn n传输速率传输速率 100Mbit/sn n关键部件：关键部件：100Mbit/s的收发器，及介的收发器，及介质独立接口质独立接口MII，现支持，现支持3种类型的收种类型的收发器，发器，100Base-T4、 100Base-TX、 100Base-FXn n采用采用FDDI的的4B/5B编码技术，与编码技术，与CDDI兼容兼容n n采用自适应网卡，采用自适应网
56、卡，(10Mbit/s , 100Mbit/s)快速以太网快速以太网n n特点特点n n性价比高，传输速率性价比高，传输速率 100Mbit/sn n完全兼容完全兼容10Base-T 规范规范(CSMA/CD)，n n星型拓扑结构星型拓扑结构n n支持支持MII （介质独立接口），（介质独立接口），n n支持全双工通信支持全双工通信n n集线器或交换机之间的网线最大长集线器或交换机之间的网线最大长5m100VG-Any LANn n1994年，年，IEEE 802.12推出推出100VG-Any （也称（也称100Base-V G）, 由由HP和和AT&T开发开发n n采用星型拓扑结构，支持采
57、用星型拓扑结构，支持IEEE 802.3和和IEEE 802.5标记环网帧格式标记环网帧格式n n采用需求优先权轮询采用需求优先权轮询(Demand Priority Polling)的介质访问控制方式，是一种的介质访问控制方式，是一种无冲突的局域网无冲突的局域网千兆以太网n n2019年，年，Gigabit Ethernet问世，问世，2019年年IEEE推出推出1000Base-X标准标准, 即即IEEE 802.3zn n规范：规范： IEEE 802.3z 、 IEEE 802.3abn nIEEE 802.3z定义：定义：n n100Base-LX, 1000Base-SX, 100
58、0Base-CXn nIEEE 802.3ab定义：定义：n n1000Base-T10Gbit/s以太网n n 年，年，IEEE 802.3ae, ren n主要特点主要特点n n保持了以太网的帧格式保持了以太网的帧格式n n10G以太网只采用光纤作传输介质，若以太网只采用光纤作传输介质，若采用单模光纤和增强型收发器，传输采用单模光纤和增强型收发器，传输距离距离40km, 若使用多模，距离为若使用多模，距离为300mn n只支持全双工方式，不存在争用只支持全双工方式，不存在争用 问题问题(冲突冲突)虚拟网络虚拟网络VLANn n一个一个VLANVLAN是一个有限的广播域接收是一个有限的广播域
59、接收本本VLANVLAN成员的广播报文，拒收其它成员的广播报文，拒收其它VLANVLAN成员的广播报文）；成员的广播报文）；n nVLANVLAN成员间访问不需要路由；成员间访问不需要路由；n n一个一个VLANVLAN内可用软件来变动成员；内可用软件来变动成员；n n所有所有VLANVLAN成员被分割在独立于其物理成员被分割在独立于其物理位置的相同逻辑广播域。位置的相同逻辑广播域。 VLAN划分方式划分方式n n以太交换机可基于端口构成以太交换机可基于端口构成VLANVLAN，或，或基于基于MACMAC地址构成地址构成VLANVLAN，灵活配置，便，灵活配置，便于用户管理。于用户管理。n n路由交换机除了上述的路由交换机除了上述的VLANVLAN构成方法构成方法外，还可基于外，还可基于IPIP地址构成地址构成VLANVLAN。无线局域网无线局域网(WLAN) n nIEEE 802.11n n2Mbit/s, n nIEEE 802.11bn n11Mbit/sn nIEEE 802.11an n54Mbit/s n nIEEE 802.11g n n等等等等See You Next Time!南京邮电大学南京邮电大学20192019年年1212月月
