第4章计算机网络局域网

1、第4章 局域网 第4章 局域网 n4.1 概述 n4.2 IEEE802局域网体系结构 n4.3 以太网工作原理 n4.4 传统以太网 n4.5 高速以太网 n4.6 交换式以太网 n4.7 虚拟局域网 n4.8 无限局域网 第4章 局域网 n4.1 概述 n4.2 IEEE802局域网体系结构 n4.3 以太网工作原理 n4.4 传统以太网 n4.5 高速以太网 n4.6 交换式以太网 n4.7 虚拟局域网 n4.8 无限局域网 4.1 概述 4.2 IEEE802局域网体系结构 4.2.1 IEEE802局域网参考模型 nIEEE802 LAN/RM分为两层： n数据链路层； n物理层。

2、它们分别与OSI的数据链路层和物理层相对应。 nIEEE802 LAN/RM的数据链路层又分成两个子层： n逻辑链路控制(Logical Link Control, LLC)子层； n媒体接入控制(Medium Access Control, MAC)子层。 4.2.1 IEEE802局域网参考模型 4.2.2 媒体接入控制子层 nLAN拓扑和信道特点 nLAN主要采用总线(Bus)、环形(Ring)及星形(Star)拓扑 (Topology)。 nLAN的一个显著特点是网上的所有计算机使用一条共享信 道进行广播式通信。如果多个结点同时争用信道，就会产 生发送冲突(Collision)，必须解

3、决如何进行信道争用问题。 即媒体接入控制问题。 nLAN媒体接入控制方式 n受控接入：分为分集中式控制和分散式控制两种； n随机接入。 4.2.2 媒体接入控制子层 nMAC地址 n目的地址有三种类型： n单播地址(Unicast Address)。 n多播地址(Multicast Address)。 n广播地址(Broadcast Address)。 nIEEE的注册管理机构统一管理分配6个字节全球地址。 前3个字节是组织唯一标识符(Organizationally Unique Identifier, OUI);后3个字节称为扩展标识符(Extended Identifier)，由生产厂家

4、指派。 n通用名称EUI-48，EUI (Extended Unique Identifier)。 nI/G (Individual/Group)比特，即单地址/组地址比特。 nG/L (Globe/Local)比特，即全球/本地比特。 4.2.2 媒体接入控制子层 以太网地址在网上的传送顺序 4.2.3 逻辑链路控制子层 nLLC寻址 nLLC子层地址: SAP地址， LLC服务访问点，标识网络层 的通信进程。 nLLC层提供的服务 n类型1LLC1，不确认的无连接服务; n类型2LLC2，可靠的面向连接的服务; n类型3LLC3，带确认的无连接服务. nLLC帧格式 4.3 以太网工作原理

5、 4.3.1 以太网技术的发展 n1975年Robert Metcalfe和David Boggs研制成功了以 太网。 n1980年DIX1.0版以太网规范。1982年DIX以2.0版作 为终结，称为DIX以太网。 n1983年底10Base5标准面世，IEEE802.3的第一个以 太网标准。 Robert Metcalfe 最初的以太网设计 4.3.1 以太网技术的发展 以太网传输速率增长（b/s） 4.3.1 以太网技术的发展 以太网标准 IEEE规 范 批准 时间 速度 （b/s） 站/ 网段 拓扑 结构 网段长 （m） 支持的媒体 10Base5802.3198310M100总线型50

6、050同轴电缆（粗） 10Base2802.3a198810M30总线型18550同轴电缆（细） 1Base5802.3c19881M星型2501002对线3类 10Base T802.3i199010M1024星型1001002对线3类 10Broad36802.3b198810M100总线型180075同轴电缆 10Base F802.3i199210M星型2000多模光缆 100Base T （TX/T4/FX） 802.3u1995100M星型 100/ 100/ 2000 2对线1005类/ 4对线1003/4/5类/多 模/单模光缆 1000Base T802.3ab1000M星型

7、100UTP，4对5类 1000Base X (CX/SX/LX) 802.3z19981000M星型 25/ 550/ 550/5000 屏蔽电缆/ 多模光缆/ 多/单模光缆 10GBaseR/W/X802.3ae200210G星型65-40k多模/单模光缆 IEEE802.3以太网标准 4.3.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD n带冲突检测的载波侦听多点接入(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)。 n随机接入技术的先驱ALOHA nALOHA的改进CSMA n增加了发前监听的机制，减少了发送

8、冲突。 nCSMA有三种方式： n非坚持CSMA。 n1坚持CSMA。 nP坚持CSMA。 nCSMA的改进CSMA/CD n传播时延仍会引起发送冲突。 4.3.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD nCSMA/CD工作流程 nCSMA/CD在CSMA的基础上增加了冲突检测的功能。 n帧间隙时间(Inter Frame Gap, IFG)。 CSMA/CD 工作流程图 4.3.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD n截断二进制指数退避算法 (Truncated Binary Exponential Back-off) 冲突次数n=n+1 if 1n16 then m = min ( n

9、, 10) k在0，1，2，2 m1 中随机取1个数 后退时间取为k 2 else if n16 then 放弃本次发送 4.3.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD nCSMA/CD冲突过程分析 n冲突过程 n冲突窗口(Collision Window)。 :信道的往返传播时延 (Round-Trip Propagation Delay) n冲突占用信道的时间。冲突占用信道的最大时间为: n冲突检测方法 nCSMA/CD时槽(Time Slot) nIEEE802.3将时槽取为发送512位的时间，称为512位时。 n冲突域(Collision Domain) 2 3 j T CSMA/C

10、D冲突过程 4.3.2 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD n一个CSMA/CD以太网区域，同一个冲突域中的两个或多 个站点同时发送数据就会产生冲突，CSMA/CD在冲突域 内能正常进行冲突检测，超出冲突域就不能正常工作。 n以太网接收处理 n站点若不处于发送状态则处于接收状态。 n判断是否冲突碎片，若是丢弃之。 n识别目的地址。若与本站地址不符就丢弃此帧。 n传输差错校验和处理。 n判断是DIX以太网帧，还是IEEE802.3以太网帧，并进行 相应处理。 n以太网运行参数 4.3.5 以太网帧格式和数据封装 n以太网帧格式 n长度/类型：2个字节，指明数据字段的长度或数据的 协议类型。DI

11、X以太网标准中指定一位类型字段。老的 IEEE 802.3标准定义为长度字段。1997年后新的IEEE 802.3标准修改为长度/类型字段。 4.4 传统以太网 问题： 以太网媒体接入控制方式CSMA/CD n带冲突检测的载波侦听多点接入(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD) n多点接入？ n载波侦听？ n冲突检测？ n冲突？ nA向B发送数据， A、B相距1km，同轴电缆相连，至少多长 时间才知道自己没有和其他数据发生冲突？ n争用期？ n以太网的争用期？为什么？ n以太网的最小有效帧？ nCSMA/

12、CD工作流程 nCSMA/CD在CSMA的基础上增加了冲突检测的功能。 n帧间隙时间(Inter Frame Gap, IFG)。 CSMA/CD 工作流程图 n截断二进制指数退避算法 (Truncated Binary Exponential Back-off) 冲突次数n=n+1 if 1n16 then m = min ( n, 10) k在0，1，2，2 m1 中随机取1个数 后退时间取为k 2 else if n16 then 放弃本次发送 n截断二进制指数退避算法 (Truncated Binary Exponential Back-off) 冲突次数n=n+1 if 1n16 t

13、hen m = min ( n, 10) k在0，1，2，2 m1 中随机取1个数 后退时间取为k 2 else if n16 then 放弃本次发送 4.3.4 以太网信道利用率 n假定： n帧长均为L(bit)，数据发送速率为C(bit/s)， 因而帧的发送时间T0=L/C(s)。 nS=T0/T n =T0/2 K+T0+ n =1/ (1+(2K+1)a) na= /T0 其中a是归一化的传播时延 帧的平均 发送时间 4.3.4 以太网信道利用率 nS=T0/T n =T0/2 K+T0+ n =1/ (1+(2K+1)a) na= /T0 其中a是归一化的传播时延 n无冲突时信道利用

14、率的极限 S=1/(1+a) 4.4 传统以太网 4.4.1 物理层 10Mb/s以太网物理层、网络接口卡和中继器 4.4.1 物理层 n媒体连接单元(Medium Attachment Unit, MAU)， 也称为收发器(transceiver)。主要功能如下： n连接传输媒体。 n信号发送与接收。 n冲突检测。 n超长控制。 n物理层信号(Physic Layer Signaling, PLS) 主要功能如下： n编码解码。 n载波监听。 n连接单元接口(Attachment Unit Interface, AUI) 连接PLS和MAU。 4.4.2 网络接口卡 n网络接口卡(Netwo

15、rk Interface Card, NIC) 主要涉及物理层和MAC层，包括五个部分： n媒体接入单元(MAU)。 n物理层信号(PLS)。 n连接单元接口(AUI)。 nMAC子层。 n计算机总线接口。 4.4.3 中继器和集线器 n中继器工作在IEEE 802.3的物理层，接收、恢复 并转发物理信号，以扩展以太网。 中继器包括了MAU、AUI以及中继单元。 中继器扩展以太网受到CSMA/CD冲突域最大跨距 的限制。 n集线器(Hub)：多个端口的中继器即多口中继器， 使以太网形成星形结构，但逻辑上是总线结构， 因此被称为星形总线(Star-Shaped-Bus)。 4.4.4 传统以太网

16、及其联网方式 n粗缆以太网10Base5 4.4.4 传统以太网及其联网方式 n细缆以太网10Base2 n光纤以太网10BaseF n双绞线以太网10BaseT n引发的星形布线结构是以太网发展中的重大进展， 线路的设计安装类似普通的电话系统并可同时进行。 n双绞线以太网扩展：hub间的级连和堆叠。 4.4.4 传统以太网及其联网方式 10BaseT以太网连网示意图 RJ45连接器 hub级连 Hub堆叠 4.5 高速以太网 4.5.1 100BaseT n100BaseT的特点 nMAC子层： n保持了与10Mbit/s以太网同样的MAC子层; n时槽变为5.12s，冲突域减小到200m。

17、 n物理层： 与10Mbit/s以太网物理层的结构有所不同: n媒体无关接口(Medium Independent Interface, MII) n协调子层(Reconciliation Sublayer, RS) n物理编码子层(Physical Coding Sublayer, PCS) n物理媒体连接(Physical Medium Attachment, PMA) n物理媒体相关(Physical Medium Dependent, PMD) n媒体相关接口(Medium Dependent Interface, MDI) 4.5.1 100BaseT 4.5.1 100BaseT

18、100BaseT包括4个不同的物理层规范，支持多种媒体。 不再采用统一的曼彻斯特编码。 增加了10/100Mbit/s自动协商功能。 定义了I类和II类两种类型的中继器。 n100BaseT的物理层规范 n100BaseTX 与10BaseT有许多相似之处。使用5类UTP。采用4B/5B- MLT3编码。 n100BaseT4 n100BaseT2 n100BaseFX 4.5.1 100BaseT n100Mbit/s以太网扩展 当传输媒体长度达到冲突域的最大跨距时，系统只能使用一 个I类中继器或两个II类中继器。 中继器类型铜缆光纤混合媒体 无中继器,计算机点对点连接100412不使用 1

19、个I类中继器200272260（100m TX加FX） 1个II类中继器200320308（100m TX加FX） 2个II类中继器205228216（105m TX加FX） 100BaseT最大网络跨距（m） 4.5.1 100BaseT n10/100Mbit/s自动协商(Auto-Negotiation)模式 n自动协商功能位于物理层中PMD之下。 n准静态机制。 n工作在点到点链路上而不是整个网络。 n快速链路突发脉冲(FLP)序列。 n链路代码字(LCW)包含了自己的链路类型及流量控制配 置等信息。 n协商的内容包括：10M/100Mbit/s线路速率、全双工/半 双工模式、不使用/

20、使用全双工以太网的流量控制。 4.5.2 千兆以太网 n千兆以太网的特点 nMAC子层 n与10Mbit/s和100Mbit/s以太网相同的帧格式和基本相同的 CSMA/CD协议。 n时槽增大到4096位，最大网络跨距可达到200m。 n增加了载波扩展措施。 n增加了帧突发的功能。 n物理层 和100Mbit/s以太网结构和功能相似，有如下变化： nMII扩展为千兆位媒体无关接口(GMII)。 n包括多个不同的物理层规范。 n主要使用8B/10B-NRZ编码方式。 n只能使用一个中继器。 4.5.2 千兆以太网 4.5.2 千兆以太网 n千兆以太网物理层标准 n1000BaseX(802.32

21、) n100BaseLX n100BaseSX n100BaseCX n1000BaseT(802.3ab) 物理层标准 50m MMF 半双工/全双工 62.5m MMF 半双工/全双工 10m SMF 半双工/全双工 150STP 半双工/全双工 5类UTP 半双工/全双工 1000BaseSX110 / 550110 / 275 1000BaseLX110 / 550110 / 550110 / 5000 1000BaseCX25 / 25 1000BaseT100 / 100 千兆以太网各种物理层的链路长度限制（m） 4.5.2 千兆以太网 n载波扩展(Carrier Extensio

22、n) 最小帧长的传输时间远小于时槽，不能正常进行冲突检测， 在MAC子层定义了载波扩展机制。 n帧突发(Frame Bursting) 为改善短帧的传输效率，在MAC子层又定义了帧突发机制。 4.5.2 千兆以太网 n1000BaseX自动协商 n1000BaseT UTP千兆以太网 支持UTP自动协商功能。 n1000BaseX光纤千兆以太网 自动协商的特点是： n只用于配置1000BaseX类型； n是物理编码子层(PCS)的一个功能； n重新定义了16比特的交换信息的格式。 4.5.3 万兆以太网 n万兆以太网的特点 nMAC子层仍使用IEEE 802.3帧格式。 n不再使用CSMA/C

23、D，只定义了全双工方式。 n定义了两种物理层：LAN物理层和WAN物理层。 n采用点对点连接，支持星形拓扑和结构化布线技术。 n物理层与千兆以太网物理层结构相似，GMII 变为万兆 位媒体无关接口(XGMII)。WAN物理层10GbaseW增加 了广域网接口子层(WAN Interface Sublayer, WIS)。 4.5.3 万兆以太网 4.5.3 万兆以太网 n万兆以太网物理层标准 n10GbaseX nLAN类型的物理层，使用8B/10B编码。 n只包含一个规范：并行的LAN物理层10GbaseLX4。使用稀疏波 分复用(CWDM)技术，并列第配置了4对激光发送器/接收器， 组成了

24、4条通道。 n并行物理层技术将原来速率很高的比特流拆分成多列，处理速 度降低，降低了对器件的要求。 n10GbaseR n串行的LAN类型的物理层，使用64B/66B编码。 n串行方式是指数据流发送接收直接进行，不拆分。在逻辑上比 并行技术简单，但对物理层器件的要求更高。 n包含3个规范：10GbaseSR、10GbaseLR和10GbaseER。 4.5.3 万兆以太网 n10GbaseW n串行的WAN类型的物理层，采用64B/66B编码，使用与 SDH/SONET基本一致的帧格式以及与OC-192c相同的 9.58464Gbit/s的数据传输速率。可以对SDH/SONET基础设 施提供访

25、问能力。 n包含三个规范： 10GbaseSW; 10GbaseLW; 10GbaseEW。 n为实现万兆以太网和OC-192c帧格式和数据传输速率的转换 和适配，加入了一个WIS。 4.5.3 万兆以太网 n万兆以太网应用 PMD光纤类型传输距离应用 850nm 串行50/125微米MMF65m数据中心 1310nm CWDM 62.5/125微米MMF300m企业网、园区网 1310nm CWDM9.0微米SMF10km园区网、城域网 1310nm串行9.0微米SMF10km园区网、城域网 1550nm串行9.0微米SMF40km城域网、广域网 4.6 交换式以太网 4.6.1 简介 nC

26、SMA/CD以太网有下述问题： n任何时间内只能有一个工作站发送信息。 n各站点共享网络固定的带宽。 n由于冲突域的限制，难以构造较大规模的网络。 n20世纪90年代以太网交换机(Switch)能增加以太 网的带宽和规模，同时又能与传统的电缆线和网 络适配卡协调工作。 交换机本质上是一个高速的多口网桥(Multiport Bridge)，工作在数据链路层的MAC子层，每个端 口都包含一个MAC实体，但不使用MAC地址。 4.6.2 网桥 n工作原理 4.6.2 网桥 网桥一般有两个端口，桥接两个网段。每个端口都有一块 网卡，有自己的MAC子层和物理层。基本功能是在不同LAN 网段之间转发帧。网

27、桥主要特点： n工作在MAC子层。 n进行帧过滤减少了通信量。 n隔离了冲突域，扩大了网络跨距。 n可连接不同类型的LAN。 n地址学习 n透明网桥(Transparent Bridge)，IEEE 802.1d或 ISO8802.1d。 n网桥刚刚连接到LAN上时，其桥接表是空的,采用洪泛法 (Flooding)转发它。 n逆向学习法(Backward Learning)，在转发过程中通过学 习把桥接表逐步建立起来。 n目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。 n“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送 的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说 是看不见的。

28、n透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。 透明网桥 (1) 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的 站 MAC 地址。 (2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行(3)，否则 转到(5)。 (3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x，则丢弃此帧（因为这表示不需 要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。 (4) 转到(6)。 (5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。 (6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧 进入网桥的端口号，设置计时器。然后转

29、到(8)。如源站在转发表中， 则执行(7)。 (7) 更新计时器。 (8) 等待新的数据帧。转到(1)。 网桥应当按照以下算法 处理收到的帧和建立转发表 n站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。 n端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。 n时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。 n转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址 写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址 当作目的地址。 n如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发 来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目 的地址 A。 网桥在转发表中登记以下三个信息 4.6.3 交换机 n2层交换机本质上是一个多口网桥，工作在MAC子层。通过 学习生成并维护一个包含端口-MAC地址映射的交换表，根 据交换表进行帧的转发。 n多个端口可以并行地工作，n个端口数据传输率为R Mbit/s 的以太网交