计算机网络课件：第四章局域网基本工作原理2

1、4.6.1交换式局域网的关键:交换机（1990）,利用专用的 交换结构芯片提供在多个站点间多条并行的连接，任何两站点间可独享介质,4.6 交换式局域网,端口 n,端口 3,端口2,端口1,存储模块,交换控制模块,交换模块,交换机,1. 交换机的结构,发送和接收数据帧,为每个端口设置独立的缓存,控制端口间数据帧的交换,根据控制模块的传输决策在相关 端口间建立临时的数据帧传输路径,2. 交换机工作原理,地址映射表,1,2,3,4,5,6,DA,DA,MAC 帧 DA=结点C,MAC 帧 DA=结点B,A,B,E,C,D,局域网交换机,转发机构,缓冲器,端口,地址映射表,地址映射表存储在每个端口，每

2、个端口要有足够的缓存容量以记住MAC 地址和MAC地址数量,MAC地址数量：可存储在交换机的地址映射表中的MAC地址的最大数量 ，该值越大，速度越快，转发的效率越高,不同类型的交换机每个端口的 MAC地址数量不同 交换机能记住1024个 MAC 地址就可以满足一般需要,交换机采用地址学习的方法建立和维护地址映射表,地址映射表的建立和维护,地址学习: 在数据帧进入交换机的端口时，读取源地址及数据以获得MAC地址和端口间的对应关系, 检查地址映射表，如果该地址不存在，加入地址表，如果已经存在，就更新,地址映射表,1,2,3,4,5,6,DA,DA,MAC帧DA=C,MAC 帧 DA=B,A,B,E

3、,C,D,交换机,转发机构,缓冲器,端口,F,F,D,C,数据帧转发方式,直接交换方式: 获取目的地址并立即传送出去 延迟少 不进行差错控制 没有缓冲, 不支持两个不同速率端口间的直接连接 当交换机中的端口数量增加, 交换矩阵会越来越复杂，越难以实现,存储转发方式: 存储，差错控制，提取目的地址，检查地址映射表，将数据帧转发到相应的端口,延迟长 差错控制 支持不同速率间两个端口间的直接连接,改进直接交换方式或碎片隔离式 直接交换方式和存储转发方式相结合 在转发前检查数据帧长度 帧长度 64字节, 丢弃 帧长度64字节,检查地址字段和控制字段并转发,缓冲,这类交换机使用特定的缓冲器-FIFO（F

4、irst In First Out, 先进先出) 比特位从一端进入缓冲器，从另一端以相同顺序出来 如果数据帧结束时，小于512位,缓冲器中的信息会被丢弃,b6,b7,b8,b9,b10,b1,b2,b3,b4,b5,混合交换方式： 利用自适应交换机根据实际网络环境选择不同的转发方式 当网络通畅时，采用直接交换方式，以使转发时间最短 当网络阻塞时，采用存储转发方式，以降低转发速率 自适应交换机的每个端口有适应不同速率的能力，支持10, 100 和 1000Mbps间的交换.,4.6.3 交换机的技术特征,交换机,协议,协议,物理标准 10M-10G以太网,端口,端口数 每个端口支持的物理标准,方

5、式和速率,速率 半双工或全双工,介质,STP、UTP、单模、多模,性能,MFR,最大转发速率：一秒内两个端口间可以转发的最大 的数据帧数量,AFR,汇集转发速率：一秒内所有端口可以转发的最大 的数据帧数量,FLT,转发等待时间：交换机过滤和转发决策所需要的时间,交换机的优点,低延迟 支持不同速率工不同工作模式 （半双工或全双工） 支持虚拟局域网,4.6.4 交换式局域网的基本结构,4. 7 虚拟局域网,虚拟局域网是建立在交换式局域网的基础上 用软件划分和管理逻辑工作组 逻辑工作组中的节点不受其物理位置的限制，或可分散在不同的物理网段 节点间可相互通信，好似在一个相同的物理网段中,如果将网络中的

6、结点按工作性质与需要划分成若干逻辑工作组，则每个逻辑工作小组就是一个虚拟网络,4.7.1 虚拟局域网的实现技术,(a) 物理结构,(b)逻辑结构,例：,VLAN能够隔离（限制）广播域,在划分前，整个网络是一个广播域,VLAN能够隔离（限制）广播域,划分后, 网络分成几个小的广播域,主干(Trunk)的概念,主干线用于通过交换机建立VLAN, 即在交换机间连接多个VLAN 在骨干线上传递的数据分组需要加特殊标签（通常采用802.1q）-贴标签,VLAN的Tagging操作,虚拟网中以太数据帧的格式,802.3 MAC F,B,6,6,2,46 1500,4,目的地址,源地址,长度/类型,数据,校

7、验,长度/类型= 802.1Q 控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 虚拟网标识,2 B,2 B,VLAN 标签 : 4字节,4,优先级,典型格式标识,4.7.2 虚拟网的组网方式,交换机端口. MAC 地址 IP 地址 IP 广播组,利用交换机端口号组建 VLAN,通过端口号划分虚拟网，端口可在一个或不同的交换机中 每个端口或网段只能属于一个虚拟网 当用户从一个端口移至另一个端口时，需要重新设置,利用MAC 地址定义虚拟网成员后，当用户从一个网段移到另一个网段时，其虚拟局域网成员身分不变 在初始时间，所有用户需要划分进至少一个虚拟网 当虚拟网规模太大时，很

8、难一个一个配置,利用MAC地址建立虚拟网,用户可随意移动节点 可按照协议类型组成基于应用的虚拟局域网 不需要重新设置，只要IP地址不变 性能最差，低速-相比MAC地址，需要更多的时间检查IP地址,利用IP地址建立虚拟局域网,代理负责管理虚拟网成员 广播广播组信息，IP节点反应并加入组 代理和多个IP组成偶然和动态的广播组虚拟网,利用IP广播组建立虚拟局域网,4.7.3 虚拟局域网的优点,便于进行网络用户管理 当节点的物理位置发生变化时，不必要进行联网和重新设置 通过软件可方便地将用户从一个虚拟网划分到另一个虚拟网 更安全：在一个逻辑子网中，同一组的用户数据只能在虚拟局域网网的内部进行 改善网络

9、服务质量：隔离不同的用户组，控制同一类型用户的通信 以预防潜在的 广播风暴,4.8 无线局域网工作原理,4.8.1 无线局域网的应用 传统局域网的补充 建筑物间的互联 漫游访问 特殊网络：自组WLAN， Ad Hoc,4.8.2 无线局域网的典型结构,4.8.3 特殊无线网络结构(ad hoc),临时性对等无线网络, 没有中央服务器 军事用途 会议 连接个人电子设备 （无线个人区域网 ：WPAN，10m） 应急处置,4.8.4 无线局域网的分类,红外局域网,扩频无线局域网,窄带微波无线局域网,无线局域网,红外无线局域网,定向光束,全方位,漫射,点对点,基站,漫反射区,S,R,S,R,S,R,红

10、外无线局域网的优点,比微波更安全 频谱宽，速率高 每个房间独立 简单、便宜（强度调制）,将信号扩展至更高的频率以预防拥塞和干扰 跳频通信 直接序列扩频,扩频无线局域网Frequency hopping spread spectrum ,FHSS,跳频通信,F,T,频谱变化以固定间隔随机变化， 从一个频谱跳到 另一个频谱,IEEE 802.11 跳频通信标准,2.4GHz 通用 ISM 频谱 速率:1Mb/s 或 2Mb/s 固定间隔: 300ms 伪随机码用于决定频率变化的顺序 两个节点以同样的顺序（同步）发送或接收信号 FSK 或 PSK(2P),ISM: 工业,科学，医学,伪随机码：结构可

11、以预先确定，可重复产生和复制，具有某种随机序列随机特性的序列码,X0=345 Xn=(Xn-1*A+B)/C,直接序列扩频 Direct sequence spread spectrum , DSSS,2.4GHz 通用 ISM 频谱 速率:1Mb/s 或2Mb/s 系统实际发送的信号d(t)是发送数据a(t)与伪随机码c(t)模二加的结果;,窄带微波无线局域网 需要执照 (FCC: 每个执照覆盖两个频率，28KM内5 个执照 ) 不需要执照 (Radio LAN,1995, 点对点网络),(Federal Communications Commission) (美国联邦通信委员会(认证),F

12、CC),IEEE 802.4 工作组 : 旨在开发无线令牌总线MAC协议 1990 IEEE 802.11 工作组: 开发 MAC 子层协议和物理介质标准,4.8.6 无线局域网标准,1. IEEE 802.11 基本结构模型,MAC 协议,IEEE 802.11 无线 LAN,BSS: 无线主机 基站 当安装基站时，网络管理员需要为其分配服务集标识 (32B) 和一条信道 扩展服务集由多个BSS组成，并使用门桥与主干局域网相联,移动结点,无跳变结点,固定或只在一个BSS的直接通信范围内移动,BSS跳变,在同一扩展服务集的不同BSS中移动 结点间传输数据时，需要寻址来辨识结点,ESS跳变,从一

13、个ESS的某个BSS移动到另一个ESS的某个BSS,2. IEEE 802.11 服务,联系: 在结点和访问点间建立初始联系 重新联系: 将已建立的结点从一个访问点转移到 另一个访问点，从而使结点能够从一个BSS转移到另一个BSS 终止联系: 结点离开一个ESS或关机以前，首先需要通知访问点终止联系 认证: 用于在互相通信的结点之间建立彼此识别身份的标志 隐私权: 加密选项用于防止信息被窃听，以保证隐私,移动站与 AP 建立关联的方法,被动扫描，即移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧。其中包含有若干系统参数（如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等）。 主动扫描，即移动站主动发出探测请求帧

14、，然后等待从 AP 发回的探测响应帧。,热点：向公众提供有偿或无偿接入 无线网的服务的地点 热区：由许多热点和 AP 连接起来的区域 无线因特网服务提供者：Wireless Internet Service Provider，WISP 这一名词。用户可以通过无线信道接入到 WISP，然后再经过无线信道接入到因特网。,WISP,互联网,几种不同的接入,固定接入,在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变,移动接入,用户设置能够以车辆速度移动时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是连续的,便携接入,在受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力,游牧接入

15、,用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变。如用户设备移动了位置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站,3. 物理介质规范,数据传输率为1 Mbps和 2 Mbps，波长在850nm 和950nm之间的红外线 运行在2.4GHz的 ISM频带上的直接序列扩展频谱，可使用7条信道，每条信道的数据传输率为 1 Mbps 或 2 Mbps 运行在2.4GHz的 ISM频带上的跳频通信，数据传输率为 1 Mbps 或 2 Mbps,逻辑链路控制,分布式协调功能(DCF),点协调功能(PCF),2.4GHz 直接序列扩频 1 Mbps 2 Mbps,红外线 1 Mbps 2 Mbps,2.4GH

16、z 跳频通信 1 Mbps 2 Mbps,无冲突服务,有冲突服务,MAC 层,CSMA,轮询主,4. IEEE 802.11 协议体系结构,几种常用的 802.11 无线局域网,无线局域网中的隐蔽站问题,隐蔽站: A站点和C站点不能互相听见 障碍物, 信号衰减 在B站点发生冲突,无 线 局 域 网 的 特 殊 问 题,B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。 C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。,其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据 暴露站问题,A,D,C,B,？,B 的作用范围,C 的作用范围,有信号，可能冲突,CSMA CSMA/CA: 信道预留

17、 访问点轮询,802.11 MAC设计目标：避免冲突,802.11 CSMA: 发送方 监听介质, 如果空闲时间达到最长帧间间隔（DIFS） ,迅速传输数据帧，不做冲突检测 如果介质忙， 二进制避退 接收方: 接收成功，等待最小帧间间隔时间（SIFS）后返回确认帧,二进制指数退避算法,第 i 次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个，即： 第 1 次退避是在 8 个时隙中随机选择一个。 第 2 次退避是在 16 个时隙中随机选择一个。,退避计时器,站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。 若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时。 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS 后，从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计时器的时间减小