计算机网络原理-第4章

1、2001-03-25计算机网络原理计算机网络原理The Principles of Computer Networking第第4章章 局域网局域网第第4章章 局域网局域网本章重点本章重点:q掌握局域网的体系结构及掌握局域网的体系结构及802.3q掌握以太网掌握以太网MAC原理原理q掌握构建以太网的方法掌握构建以太网的方法q高速局域网高速局域网,VLANq无线局域网无线局域网4.1 局域网概述局域网概述q局域网产生的原因局域网产生的原因80年代，微型计算机发展迅速，彼此需要相互通信年代，微型计算机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；（近距离），共享资源；功能分布：分布式计算，分布式数

2、据库功能分布：分布式计算，分布式数据库q定义定义局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。的通信网络。q局域网的三个属性局域网的三个属性局域网是一种通信网络；局域网是一种通信网络；通信设备是广义的；通信设备是广义的；在一个小区域内。在一个小区域内。4.1 局域网概述局域网概述q局域网的基本特点局域网的基本特点高数据传输率（高数据传输率（10 10,000 Mbps）短距离（短距离（0.1 10 km）低出错率（低出错率（10-8 10-11）q主要优点主要优点1能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、能方便地共享昂贵的外部设备、主

3、机以及软件、数据。从一个站点可访问全网；数据。从一个站点可访问全网；2便于系统的扩展和逐渐地演变；便于系统的扩展和逐渐地演变；3提高了系统的可靠性、可用性和残存性；提高了系统的可靠性、可用性和残存性； 4.1 局域网概述局域网概述q局域网拓扑结构局域网拓扑结构星型结构星型结构 环型结构环型结构总线型结构总线型结构 树型结构树型结构q传输介质传输介质双绞线双绞线基带同轴电缆基带同轴电缆光纤光纤无线无线q局域网要着重考虑的一个问题就是如何使众局域网要着重考虑的一个问题就是如何使众多用户能够合理和方便地共享通信媒体资源。多用户能够合理和方便地共享通信媒体资源。q媒体共享技术可分为如下两大类：媒体共享

4、技术可分为如下两大类：（1）静态划分信道）静态划分信道（2）动态媒体接入控制）动态媒体接入控制（1）静态划分信道）静态划分信道q将信道资源将信道资源N等分等分例如电话干线的频分复用例如电话干线的频分复用FDM适于用户数量少且数目固定、通信量大情况适于用户数量少且数目固定、通信量大情况q问题问题资源分配不合理，不能满足用户对资源占用的不资源分配不合理，不能满足用户对资源占用的不同需求同需求有资源浪费，效率低有资源浪费，效率低不够灵活，不适合于局域网和某些广播信道的网不够灵活，不适合于局域网和某些广播信道的网络使用。络使用。（2）动态媒体接入控制）动态媒体接入控制q它又称为它又称为多点接入多点接入

5、(multiple access)，其特，其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。分两类：分两类： 随机接入，随机接入的特点是所有的用户可随机随机接入，随机接入的特点是所有的用户可随机地发送信息。地发送信息。 受控接入，受控接入的特点是用户不能随机地发受控接入，受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。送信息而必须服从一定的控制。随机接入随机接入q总线型。总线型。所有站点可随时发送数据，争用信道，易冲突。所有站点可随时发送数据，争用信道，易冲突。受控接入受控接入q 集中式控制集中式控制: 轮叫轮询。主机按顺序逐个询轮叫轮询。主机按顺

6、序逐个询问各站是否有数据要发送问各站是否有数据要发送.q 分散式控制分散式控制: 令牌环网。在环路中有一个特令牌环网。在环路中有一个特殊的帧，叫殊的帧，叫“令牌令牌”。令牌沿环路逐站传递。令牌沿环路逐站传递。只有获得令牌的站才有权发送信息。只有获得令牌的站才有权发送信息。NN-121主机主机收收发发 轮叫轮询接入方式轮叫轮询接入方式4.2 传统以太网传统以太网q“传统以太网传统以太网”表示最早进入市场的表示最早进入市场的10 Mbit/s速率的以太网速率的以太网Ethernet。4.2.1 以太网工作原理以太网工作原理q1.以太网标准以太网标准q 在在20世纪世纪80年代初期，美国电气和电子工

7、年代初期，美国电气和电子工程师学会程师学会IEEE802委员会首先制定出局域网委员会首先制定出局域网的体系结构，即著名的的体系结构，即著名的IEEE802参考模型。参考模型。许多许多802标准现已成为标准现已成为ISO国际标准。国际标准。1983年制订了以太网标准年制订了以太网标准802.3。DIX Ethernet V2标准标准 70年代中期由年代中期由Xerox Palo Alto Research Center (Bob Metcalfe) 提出，数据率为提出，数据率为2.94M，称为，称为Ethernet 后来由后来由DEC, Intel and Xerox (DIX 标准标准)改改进

8、为进为10M标准。标准。 1985年定名为年定名为IEEE 802.3，即使用，即使用CSMA/CD协议的协议的 LAN标准，数据率从标准，数据率从1M到到10M，支持多种传输媒体，支持多种传输媒体 Ethernet是指基带总线是指基带总线LAN Ethernet和和IEEE 802.3的帧格式不同的帧格式不同LAN参考模型参考模型q局域网目标局域网目标 IEEE802标准希望使局域网的标准希望使局域网的“数据链路层数据链路层服务服务”能达到如下具体目标：能达到如下具体目标： (1)与与HDLC规程相一致；规程相一致；(2)与网络拓扑无关；与网络拓扑无关；(3)与传输速率无关；与传输速率无关；

9、(4)与传输介质无关；与传输介质无关；(5)与信号编码技术无关。与信号编码技术无关。 q由于局域网通常采用公共信道和共享带宽资由于局域网通常采用公共信道和共享带宽资源的网络结构，因此存在各用户竞争传输介源的网络结构，因此存在各用户竞争传输介质和分配带宽的问题。质和分配带宽的问题。qIEEE802标准将数据链路层分解为公共的标准将数据链路层分解为公共的“逻辑链路控制逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)”和特定的和特定的“媒体接入控制媒体接入控制MAC (Medium Access Control)”两个子层，由此来实现数两个子层，由此来实现数据链路向上提供统一的标准服务

10、，而与介质、据链路向上提供统一的标准服务，而与介质、拓扑、速率、信号等特定的物理环境因素不拓扑、速率、信号等特定的物理环境因素不发生关系。发生关系。q网络的服务访问点网络的服务访问点SAP则在则在LLC层与高层的层与高层的交界面。交界面。q局域网的参考模型只相当于局域网的参考模型只相当于OSI的最低的两的最低的两层。层。IEEE 802IEEE 802参考模型参考模型的范围的范围物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层传输层传输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层( )( )( )媒体接入控制媒体接入控制MAC逻辑链路控制逻辑链路控制LLC物物 理理 层层传输媒体传输媒体逻辑链路控制逻辑

11、链路控制LLC服务访问点服务访问点SAPIEEE 802IEEE 802参考模型参考模型OSIOSI参考模型参考模型 局域网的局域网的802802参考模型与参考模型与OSI/RMOSI/RM的对比的对比共性共性个性个性802各层的功能和作用各层的功能和作用q物理层物理层信号的编码与译码信号的编码与译码为进行同步的前同步码的产生与去除为进行同步的前同步码的产生与去除比特的传输与接收比特的传输与接收qMAC层层将上层交下来的数据封装成帧进行发送、接收将上层交下来的数据封装成帧进行发送、接收实现和维护协议实现和维护协议比特差错检测比特差错检测寻址寻址MAC层的作用层的作用：解决与接入各种传输媒体有关

12、的问题以及进行解决与接入各种传输媒体有关的问题以及进行无差错的通信无差错的通信 LLC层层q建立和释放数据链路层的逻辑连接建立和释放数据链路层的逻辑连接提供高层的接口提供高层的接口差错控制差错控制给帧加上序号给帧加上序号注意：与媒体接入无关的部分放在注意：与媒体接入无关的部分放在LLC层层LLC PDU 与与MAC帧的关系帧的关系qLLC PDU=LLC首部首部+LLC数据数据qMAC=MAC首部首部+MAC数据数据+MAC尾部尾部高层数据高层数据 LLC数据数据LLC首部首部 MAC首部首部 MAC数据数据MAC尾部尾部 网络层以上网络层以上LLC子层子层LLC PDU MAC帧帧MAC子层

13、子层802系列标准系列标准802.2 - 逻辑链路控制逻辑链路控制LLC 802.3 - 802.4 - 802.5 - 802.6 - 802.8 802.11 无线无线LAN802系列标准系列标准数据链路层数据链路层 物理层物理层LLCMACPHY22网卡的作用网卡的作用q网络接口板又称为网络接口板又称为通信适配器通信适配器(adapter)或或网络网络接口卡接口卡NIC (Network Interface Card)q网卡不是完全自治的单元，通常称为网卡不是完全自治的单元，通常称为半自治半自治单元单元。当网卡收到一个有差错的帧时，它就。当网卡收到一个有差错的帧时，它就丢弃此帧而不必通知

14、它所插入的计算机。当丢弃此帧而不必通知它所插入的计算机。当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给网络层。当计算机要通知该计算机并交付给网络层。当计算机要发送一个发送一个IP数据报时，就由协议栈向下交给数据报时，就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网。网卡组装成帧后发送到局域网。q以太网将许多计算机都连接到一根总线上。当初以太网将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠。认为这样的连接方法既简单又可靠。q总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测

15、到这个数据。这种通信上的所有计算机都能检测到这个数据。这种通信方式是广播通信方式是广播通信q为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台计算机拥有一个与其他计算机都不同的地址。在计算机拥有一个与其他计算机都不同的地址。在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。q仅当数据帧中的目的地址与计算机的地址一致时，仅当数据帧中的目的地址与计算机的地址一致时，该计算机才能接收这个数据帧。该计算机才能接收这个数据帧。33CCSM MA/CDCD协议协议q为了通信的简便，以太网采取了两种方法。为了通信的简便，以太网采取了两种方

16、法。q第一，采用第一，采用无连接无连接的工作方式，即不必先建的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。立连接就可以直接发送数据。q第二，不要求收到数据的目的站发回确认。第二，不要求收到数据的目的站发回确认。不要确认的理由是局域网信道的质量很好，不要确认的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。因信道质量产生差错的概率是很小的。q因此，因此，以太网提供的服务是不可靠的交付以太网提供的服务是不可靠的交付，即即尽最大努力的交付尽最大努力的交付。4 4争用期争用期q因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。因此当某个站监听到总线是空闲时

17、，也的。因此当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非是空闲的。如下图所示的例子可能总线并非是空闲的。如下图所示的例子可以说明这种情况。可以说明这种情况。4 4争用期争用期( (续续) )q 以太网的端到端往返时延以太网的端到端往返时延2 称为称为争用期争用期(contention period)。争用期又称为争用期又称为碰撞窗口碰撞窗口(collision window)。q 假设站假设站S先开始发送数据帧，当数据帧信号达到时间先开始发送数据帧，当数据帧信号达到时间T时，站时，站E又开始发送数据帧（注意：因为这时又开始发送数据帧（注意：因为这时E站监听到的信道也站监听到的信道也是空闲的），经

18、过时间是空闲的），经过时间(epsilon )后，冲突实际上已发生。后，冲突实际上已发生。SET检测冲突的时间大小分析图检测冲突的时间大小分析图4 4争用期分析争用期分析( (续续) )q站站E和站和站S总共要分别经过总共要分别经过和和2-2的时间的时间才能检测到冲突。才能检测到冲突。q取两个的最大值取两个的最大值2-2为冲突检测时间，当为冲突检测时间，当趋向于趋向于0时，时，冲突检测时间冲突检测时间就是就是2。2.q这个时间就是发送站这个时间就是发送站“抓住抓住”电缆电缆的时间。的时间。q在在10Mb/s以太网以太网,“抓住抓住”电缆的时间为电缆的时间为51.2 s。两帧间的时间间隔为。两帧

19、间的时间间隔为9.6 s.q显然，在使用显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站协议时，一个站不不可 能 同 时 进 行 发 送 和 接 收可 能 同 时 进 行 发 送 和 接 收 。 因 此 使 用。 因 此 使 用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信通信而只能进行双向交替通信(半双工通信半双工通信)。q每一个站在自己发送数据之后的一小段时间每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性内，存在着遭遇碰撞的可能性。以太网的这。以太网的这一特点称为一特点称为发送的不确定性发送的不确定性。q为了使每个站都能尽可能早地

20、知道是否发生为了使每个站都能尽可能早地知道是否发生了碰撞，以太网还采取一种叫做了碰撞，以太网还采取一种叫做强化碰撞强化碰撞的的措施。这就是当发送数据的站一旦发现发生措施。这就是当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再 继 续 发 送 若 干 比 特 的再 继 续 发 送 若 干 比 特 的 人 为 干 扰 信 号人 为 干 扰 信 号(jamming signal)，以便让所有用户都知道，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞如图所示。现在已经发生了碰撞如图所示。5 .延迟时间算法延迟时间算法q二进制退避算法二进制退避算法：TBE

21、B=2I-12,其中，其中，I为冲突次数，为冲突次数，2为信号在电缆中往返时间。为信号在电缆中往返时间。q 截 断 二 进 制 退 避 算 法截 断 二 进 制 退 避 算 法 ： TE B E= 0 ，1，2K-1 2, 2,其中，其中，K=minK=min冲突冲突次数，次数，1010，22为信号在电缆中往返时间。为信号在电缆中往返时间。 截断二进制退避算法截断二进制退避算法q(1) (1) 确定基本退避时间，一般是取为争用期确定基本退避时间，一般是取为争用期22。q(2)(2)定义参数定义参数k,k=mink,k=min重传次数，重传次数，1010。因此。因此k k不超过不超过1010。q

22、(3)(3)从离散的集合从离散的集合0,1,(20,1,(2k k-1)-1)中随机取中随机取出一个数出一个数, ,记为记为r r。重传所需的时延就是。重传所需的时延就是r r倍的倍的基本退避时间。基本退避时间。q(4)(4)当重传达当重传达1616次仍不能成功时，则丢弃该次仍不能成功时，则丢弃该帧，帧，并向高层报告。并向高层报告。CSMA/CD的流程图的流程图媒体忙？媒体忙？发送帧发送帧碰撞？碰撞？发送完？发送完？发送发送JamJamN16?N16?YesYesNoNoNoNoYesYes发送成功发送成功YesYes发送失败发送失败NoNo延迟随机时间延迟随机时间NoNoYesYes发送帧发

23、送帧碰撞次数碰撞次数N+N+6. 802.3标准标准 传统以太网传统以太网 802.3 同轴电缆同轴电缆Ethernet 802.3a 细缆细缆Ethernet 802.3i 双绞线双绞线 802.3j 光纤光纤 快速以太网快速以太网FE 802.3u 双绞线，光纤双绞线，光纤 千兆以太网千兆以太网GE IEEE802.3z 屏蔽短双绞线、光纤屏蔽短双绞线、光纤 IEEE802.3ab 双绞线双绞线4.2.2 4.2.2 传统以太网的连接方法传统以太网的连接方法802.3 布线介质标准布线介质标准10Base5 粗同轴粗同轴10Base2 细同轴细同轴10BaseT 双绞线双绞线 10Base

24、F MMF100BaseT 双绞线双绞线100BaseF MMF/SMF1000BaseX 屏蔽短双绞线屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT 双绞线双绞线q10Base5含义含义 10：10Mbps; Base：基带传输（：基带传输（baseband medium）；）；5：500米米q10Base5：粗缆，：粗缆，AUI接口；接口；q10Base2：细缆，：细缆，BNC接口，接口，T型头；型头；q10Base-T：RJ-45接口接口q下图中在下图中在MAC层下面给出了对应于这四种传输媒体层下面给出了对应于这四种传输媒体的物理层，即的物理层，即10BASE5(粗缆粗缆)、10BASE

25、2(细缆细缆)、10BASE-T(双绞线双绞线)和和10BASE-F (光缆光缆)。用铜缆或铜线连接到以太网的示意图用铜缆或铜线连接到以太网的示意图连接器连接器q（1）数据的封装与解封，发送时将上一层）数据的封装与解封，发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。然后送交上一层。q（2）链路管理，主要是）链路管理，主要是CSMA/CD协议的实协议的实现。现。q（3）编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。）编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。网卡的主要功能网卡的

26、主要功能q（1）使用集线器的局域网在物理上是一个）使用集线器的局域网在物理上是一个星形网，但星形网，但在逻辑上仍是一个总线网，各工在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是作站使用的还是CCSM MA/CDCD协议，并共享逻辑协议，并共享逻辑上的总线上的总线。q网络中的各个计算机必须竞争对传输媒体的网络中的各个计算机必须竞争对传输媒体的控制，并且控制，并且在一个特定时间至多只有一台计在一个特定时间至多只有一台计算机能够发送数据算机能够发送数据。因此，这种。因此，这种10BASE-T以太网又称为以太网又称为星型总线星型总线(star-shaped bus)集线器的特点集线器的特点q（2）一个集线

27、器有许多端口，因此，一个）一个集线器有许多端口，因此，一个集线器很像一个集线器很像一个多端口的转发器多端口的转发器。q（3）集线器和转发器都是工作在物理层集线器和转发器都是工作在物理层q为了说明上述原理，下图给出三个端口的集为了说明上述原理，下图给出三个端口的集线器的示意图线器的示意图(实际的集线器不会只有三个端实际的集线器不会只有三个端口口)。q（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。应串音回波抵消。q为了比较这三种以太网布线方案的区别，下图画出了一组办公室用三种不同方案布线的情况。表表4-1 10 Mbit/s粗粗缆缆以以太太网网、细细缆缆以

28、以太太网网和和无无屏屏蔽蔽双双绞绞线线以以太太网网的的比比较较 粗粗缆缆以以太太网网 细细缆缆以以太太网网 无无屏屏蔽蔽双双绞绞线线以以太太网网 最最大大网网段段长长度度 500 m 185 m 100 m 每每网网段段上上的的最最大大MAU数数 100 30 最最大大网网络络长长度度(用用转转发发器器) 2500 m 1000 m 2500 m(用用粗粗缆缆主主干干) 连连接接器器类类型型 DB-15 BNC接接头头 RJ-45 拓拓扑扑 总总线线 总总线线 星星形形 每每个个网网络络的的最最大大站站数数 1024 1024 1024 上述的三种以太网的主要指标的比较如表上述的三种以太网的主

29、要指标的比较如表4-1所示。所示。4.2.3 4.2.3 以太网的信道利用率以太网的信道利用率q某站发送成功的概率某站发送成功的概率A=P某站发送成功某站发送成功=Np(1-p)N-1q帧重发次数帧重发次数NRNR= j(1-A)jA=(1-A)/A j=0j=0q以太网信道利用率以太网信道利用率(归一化吞吐量归一化吞吐量)S S=T0/Tav=T0/(2NR+T0+) =1/(1+a(2A-1-1)qa单程传播时延与帧的发送时延之比单程传播时延与帧的发送时延之比 a=/T0q当当p=1/N时时,A最大最大 Amax=1-1/NN-1q理想情况下理想情况下,各发送帧不发生冲突各发送帧不发生冲突

30、.发送一帧占发送一帧占用线路的时间为用线路的时间为T0+.帧本身的发送时延为帧本身的发送时延为T0,则极限信道得用率则极限信道得用率:q SM=T0/(T0+)=1/(1+a)最短帧长最短帧长避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于帧发送时间应该大于 2 ；10Mbps LAN，最大冲突检测时间为，最大冲突检测时间为51.2微秒，最微秒，最短帧长为短帧长为64字节；字节；网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。距离要减小。4.3 以太网的以太网的MAC层层q4.3.

31、1 MAC子层功能和服务子层功能和服务 MAC子层功能是指子层功能是指MAC子层本身应该完成的功能：子层本身应该完成的功能： （1）MAC帧的发送帧的发送/接收功能接收功能 q成帧与卸帧成帧与卸帧 q编址与寻址编址与寻址 q差错检测差错检测（2）介质接入控制）介质接入控制/管理功能管理功能 q 信道使用分配（避免碰撞，介质接入控制）信道使用分配（避免碰撞，介质接入控制） q 竞争分解（退避延时，重发安排等）竞争分解（退避延时，重发安排等） MAC子层服务子层服务qMAC子层向子层向LLC子层只提供对子层只提供对LLC-PDU的发送的发送与接收操作的服务，这样就可以使与接收操作的服务，这样就可以

32、使LLC子层不必子层不必关心对信道的接入和使用情况。关心对信道的接入和使用情况。 q这种服务的提供通过执行三条原语交互来完成：这种服务的提供通过执行三条原语交互来完成： MA-UNIDATA.request请求发送一个数据帧；请求发送一个数据帧； MA-UNIDATA.indication指示一接收到一个帧；指示一接收到一个帧； MA-UNIDATA.confirm对发送的请求给予确认。对发送的请求给予确认。 4.3.2 MAC层的硬件地址层的硬件地址q在局域网中，硬件地址又称为物理地址或在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。地址。q“名字指出我们所要寻找的那个资源，地名字指出我们所

33、要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。到达该处。”q严格地讲，名字应当与系统的所在地无关。严格地讲，名字应当与系统的所在地无关。q802标准所说的标准所说的“地址地址”严格地讲应当是每严格地讲应当是每一个站的一个站的“名字名字”或标识符。或标识符。qIEEE的注册管理委员会的注册管理委员会RAC (Registration Authority Committee)是局域网全球地址的是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的六个法定管理机构，它负责分配地址字段的六个字节中的前三个字节字节中的前三个字节(即高位即高位24

34、 bit)。q这三个字节构成的一个号这三个字节构成的一个号(即地址块即地址块)，这个，这个号 的 正 式 名 称 是号 的 正 式 名 称 是 机 构 惟 一 标 识 符机 构 惟 一 标 识 符 O U I O U I (Organizationally Unique Identifier)，通常，通常也叫做也叫做公司标识符公司标识符(company_id)。q例如，例如，3Com公司生产的网卡的公司生产的网卡的MAC地址的地址的前六个字节是前六个字节是02-60-8C。地址字段中的后三。地址字段中的后三个字节个字节(即低位即低位24 bit)则是由厂家自行指派，则是由厂家自行指派，称为称为

35、扩展标识符扩展标识符(extended identifier)，只要，只要保证生产出的网卡没有重复地址即可。保证生产出的网卡没有重复地址即可。q下图表示用网卡上的硬件地址来标识局域网上的计算机和路由器。q“发往本站的帧发往本站的帧”包括以下三种帧：包括以下三种帧：q单播单播(unicast)帧帧(一对一一对一)，即收到的帧的，即收到的帧的MAC地地址与本站的硬件地址相同。址与本站的硬件地址相同。q广播广播(broadcast)帧帧(一对全体一对全体)，即发送给所有站，即发送给所有站点的帧点的帧(全全1地址地址)。q多播多播(multicast)帧帧(一对多一对多)，即发送给一部分站，即发送给一

36、部分站点的帧。点的帧。4.3.3 4.3.3 两种不同的两种不同的MACMAC帧格式帧格式q以太网的以太网的MAC帧格式有两种标准，一种是帧格式有两种标准，一种是DIX Ethernet V2标准，另一种是标准，另一种是IEEE的的802.3标准。下图画出了这两种不同的标准。下图画出了这两种不同的MAC帧格式。帧格式。IEEE 802.3标准规定的标准规定的MAC帧和以太网帧和以太网V2的的MAC帧的区别帧的区别q（1）第三个字段是长度）第三个字段是长度/类型字段。根据长度类型字段。根据长度/类类型字段的数值大小，这个字段可以表示型字段的数值大小，这个字段可以表示MAC客户客户数据字段的长度数

37、据字段的长度(请注意：不是整个数据帧的长度请注意：不是整个数据帧的长度)，也可以等同于以太网也可以等同于以太网V2的类型字段。的类型字段。q（2）当长度）当长度/类型字段表示类型时，类型字段表示类型时，802.3的的MAC帧和以太网帧和以太网V2的的MAC帧一样，它的帧一样，它的MAC客户数据客户数据字段装的是来自字段装的是来自IP层的层的IP数据报。数据报。q从从MAC子层向下传到物理层时还要在帧子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入八个字节的前面插入八个字节(由硬件生成由硬件生成)，它由，它由两个字段构成。两个字段构成。q第一个字段共七个字节，称为第一个字段共七个字节，称为前同步码前同步码

38、(1和和0交替的码交替的码)。q第二个字段是第二个字段是帧开始定界符帧开始定界符，定义为，定义为10101011，表示在这后面的信息就是，表示在这后面的信息就是MAC帧了。帧了。q 802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧：帧：q （1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致；客户数据字段的长度与长度字段的值不一致；q （2）帧的长度不是整数个字节；）帧的长度不是整数个字节；q （3）用收到的帧检验序列）用收到的帧检验序列FCS查出有差错；查出有差错；q （4）收到的帧的）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在客户数据字段的长度不在4

39、6 1500字节之间。字节之间。4.4 扩展的局域网扩展的局域网LAN互连的必要性及要解决的问题互连的必要性及要解决的问题 LAN互连的必要性：互连的必要性： 地域限制、负载问题、互通问题、安全问题地域限制、负载问题、互通问题、安全问题 LAN互连的困难：互连的困难： 帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同 LAN互连的实现：互连的实现： 中继器中继器/HUB 在物理层上实现互联在物理层上实现互联 网桥网桥 在数据链路层上实现互联在数据链路层上实现互联 路由器路由器 在网络层上实现互联在网络层上实现互联4.4.1 4.4.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展

40、局域网q一个学院的三个系各有一个一个学院的三个系各有一个10BASE-T局局域网域网(如下图如下图 (a)所示所示)，可通过一个主干集，可通过一个主干集线器互相连接起来，成为一个更大的扩展线器互相连接起来，成为一个更大的扩展的局域网的局域网(如下图如下图(b)所示所示)。4.4.2 4.4.2 在数据链路层扩展局域网在数据链路层扩展局域网1 1网桥的内部结构网桥的内部结构q下图给出了一个网桥的内部结构要点。最下图给出了一个网桥的内部结构要点。最简单的网桥有两个端口简单的网桥有两个端口( (即接口即接口) )。复杂些。复杂些的网桥可以有更多的端口。的网桥可以有更多的端口。用网桥实现多个网段互连使

41、用网桥可以带来以下好处使用网桥可以带来以下好处:q（1）过滤通信量过滤通信量。q（2）扩大了物理范围扩大了物理范围。q（3）提高了可靠性提高了可靠性。q（4）可互连不同物理层、不同可互连不同物理层、不同M MACC子层和不同速子层和不同速率率(如如10 Mbit/s和和100 Mbit/s以太网以太网)的局域网的局域网。网桥缺点网桥缺点q（1）由于网桥对接收的帧要先存储和查找站表，）由于网桥对接收的帧要先存储和查找站表，然后才转发，这就然后才转发，这就增加了时延增加了时延。q（2）在）在MAC子层并子层并没有流量控制功能没有流量控制功能。当网络上。当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可

42、能不的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。q（3）具有不同）具有不同MAC子层的网段桥接在一起时，子层的网段桥接在一起时，网桥在转发一个帧之前，必须修改帧的某些字段网桥在转发一个帧之前，必须修改帧的某些字段的内容，以适合另一个的内容，以适合另一个MAC子层的要求。这也耗子层的要求。这也耗费时间，因而费时间，因而增加时延增加时延。q（4）网桥只适合于用户数不太多）网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生较大

43、的过多的广播信息而产生较大的广播风暴广播风暴。q有时在两个网桥之间还可使用一段点到点链路。有时在两个网桥之间还可使用一段点到点链路。下图说明了这种情况。下图说明了这种情况。2 2透明网桥透明网桥q目前使用得最多的网桥是目前使用得最多的网桥是透明网桥透明网桥(transparent bridge)。q透明网桥使用了一个透明网桥使用了一个支撑树支撑树(spanning tree)算法，算法，即互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找即互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集，在这个子集里整出原来的网络拓扑的一个子集，在这个子集里整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之

44、个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。间只有一条路径。q为什么要找出一个支撑树呢？为什么要找出一个支撑树呢？q当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法可当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法可能要花费很多的时间。能要花费很多的时间。构造支撑树构造支撑树( (生成树生成树) )方法方法q每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的根；生成树的根；q每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个生成树，使得每个LAN和桥到根的路径最短；和桥到根的路径最短；q当某个当某个LAN或网桥发生故障时

45、，要重新计算或网桥发生故障时，要重新计算生成树；生成树；q生成树构造完后，算法继续执行以便自动发生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树。现拓扑结构变化，更新生成树。 选路方法：选路方法： （参考上图）（参考上图） 假定网桥开机后从端口假定网桥开机后从端口1收到来自收到来自LANx的帧，它就查端的帧，它就查端口口-地址表：地址表： . 若目的若目的MAC地址在本端口的表项中，则丢弃此帧地址在本端口的表项中，则丢弃此帧 . 若目的若目的MAC地址在其他端口的地址在其他端口的表项中，则把帧转发表项中，则把帧转发到相应端口所在的到相应端口所在的LAN . 若目的若目的MAC地

46、址地址不在表中，则用洪泛法转发，即向不在表中，则用洪泛法转发，即向除除接收到该帧的端口接收到该帧的端口(本例为端口本例为端口1)之外的其他所有之外的其他所有端口端口广播广播。 端口端口- -地址表的地址表的建立方法：建立方法： 在转发过程中逆向学习在转发过程中逆向学习若帧的若帧的源地址源地址不在表中不在表中，则插入到表中。，则插入到表中。网桥工作原理归纳为：网桥工作原理归纳为：学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。透明网桥的优缺点：透明网桥的优缺点： 优点：容易配置、安装，无需管理优点：容易配置、安装，无需管理 缺点：不能保证最

47、佳路由缺点：不能保证最佳路由q注：网络交换机工作原理与网桥类似注：网络交换机工作原理与网桥类似可看成是一个多端可看成是一个多端口的高速网桥（工作在链路层上）口的高速网桥（工作在链路层上）3源路由选择网桥q源路由选择网桥假定了每一个站在发送帧时源路由选择网桥假定了每一个站在发送帧时都已经清楚地知道发往各个目的站的路由，都已经清楚地知道发往各个目的站的路由，因而在发送帧时将详细的路由信息放在帧的因而在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。首部中。q特点：特点：由源站负责路由选择，路由信息放在由源站负责路由选择，路由信息放在发送的帧的首部（即把要经过的路径放在帧发送的帧的首部（即把要经过的路径放在

48、帧中，帧按该路径传送）中，帧按该路径传送）q选路方法：选路方法：源站向目的站发送源站向目的站发送探测帧探测帧，该帧在扩展，该帧在扩展的的LAN中沿所有可能路由传送；每个探测帧都记录中沿所有可能路由传送；每个探测帧都记录下它所经过的路由；这些探测帧在到达目的站后，下它所经过的路由；这些探测帧在到达目的站后，再沿各自的路由返回源站；由源站选择其中的最佳再沿各自的路由返回源站；由源站选择其中的最佳路由，作为发送帧中的路由信息。路由，作为发送帧中的路由信息。q源选径网桥的优缺点源选径网桥的优缺点：q优点优点：网桥功能可以很简单；可以用最佳路由传送。：网桥功能可以很简单；可以用最佳路由传送。q缺点缺点：

49、源站计算路由费时；主机负担重。：源站计算路由费时；主机负担重。两种网桥的比较透明网桥透明网桥源选径网桥源选径网桥服务类型服务类型无连接无连接面向连接面向连接对源站的透明性对源站的透明性完全透明完全透明不透明不透明配置、管理配置、管理自动配置，容易管理自动配置，容易管理人工方法人工方法选择的路由选择的路由次佳次佳 最佳最佳目的地确定方法目的地确定方法逆向学习逆向学习 探测帧探测帧故障处理及拓扑变化故障处理及拓扑变化网桥负责网桥负责主机负责主机负责复杂性和开销复杂性和开销网桥负担网桥负担主机负担主机负担4 4多端口网桥多端口网桥以太网交换机以太网交换机q1990年问世的年问世的交换式集线器交换式集

50、线器(switching hub)，可，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网太网交换机交换机(switch)或或第二层交换机第二层交换机(表明这种交换表明这种交换机工作在数据链路层机工作在数据链路层)。q“交换机交换机”并无准确的定义和明确的概念，而现在并无准确的定义和明确的概念，而现在的很多交换机已混杂了网桥和路由器的功能。的很多交换机已混杂了网桥和路由器的功能。q以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥。以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥。以网络交换机为主干的以太网以网络交换机为主干的以太网q拓扑仍为星形结构（总线拓扑仍为星形结构

51、（总线/HUBLAN_SWITCH）q为何要使用网络交换机？为何要使用网络交换机？ 以太网以太网共享介质网络共享介质网络 共享介质网络中站点数的增加将导致共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。低，相当于多个子信道分享通信线路。q解决：网络分段解决：网络分段(减少站点数减少站点数)网络交换网络交换总线网络或基于集线器的网络：总线网络或基于集线器的网络：网络总带宽网络总带宽=10Mbps，n个站点共享，每站点平均带宽个站点共享，每站点平均带宽10/n Mbps；基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息

52、，不受信息，不受CSMA/CD的限制，的限制， 网络总带宽网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为，每个连接的带宽为10Mbps ；使用交换机后，可建立多个并发使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如：的通信。例如：8个端口可建立个端口可建立4个并发通信，个并发通信，总带宽总带宽 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps在访问服务器的流量非常大的网在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置络中，可在交换机上设置1-2个高个高速端口速端口(100Mbps/1Gbps)，把服，把服务器与该高速端口相连，便可大务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种大

53、提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为连接服务器的方法又称为Big-Pipe。10Mbps 网络交换机网络交换机交换式交换式HUB的交换方式的交换方式q 1）存储转发交换）存储转发交换 作用：像一个分组结点交换机作用：像一个分组结点交换机 输入口：接收一帧输入口：接收一帧暂存暂存转发转发q2)直通（直通（Cut-through）交换）交换 接收一帧接收一帧直接转发给输出口直接转发给输出口 注：无暂存过程注：无暂存过程q当网络误码率较低时采用直通技术，当网络误码率当网络误码率较低时采用直通技术，当网络误码率较高时则采用存储转发技术。较高时则采用存储转发技术。 优点：优点： 1)交换速度

54、快交换速度快; 2)可以很方便地实现虚拟局域网可以很方便地实现虚拟局域网(VLAN) 有关交换机知识的总结有关交换机知识的总结交换机的交换机的特点特点支持少量的存储能力支持少量的存储能力(缓冲）缓冲） 少量的地址表（提高查表速度）少量的地址表（提高查表速度） 处理相同的帧格式（相同类型的网络互连）处理相同的帧格式（相同类型的网络互连）具有分割子网的功能具有分割子网的功能 每个端口独享指定的带宽每个端口独享指定的带宽 支持多个独立的数据流，具有较多的吞吐量硬支持多个独立的数据流，具有较多的吞吐量硬件交换，交换速度快。件交换，交换速度快。 q 如何设置缓冲，使得数据帧在交换器中延迟最小？如何设置缓

55、冲，使得数据帧在交换器中延迟最小？ q 在每对端口之间都建立一对独立的缓冲器，每个在每对端口之间都建立一对独立的缓冲器，每个缓冲器仅存储从一个固定的端口发来的并再传送缓冲器仅存储从一个固定的端口发来的并再传送到另一固定端口去的帧。到另一固定端口去的帧。 q如何以最快的速度对以太网的如何以最快的速度对以太网的MAC地址进行解码，地址进行解码，并确定目的端口，完成地址匹配？并确定目的端口，完成地址匹配？q有效地管理站点的有效地管理站点的“老化老化”(长时间未有数据帧传长时间未有数据帧传送的站点送的站点)和和“认识认识”(发现新的结点发现新的结点),周期地唤醒周期地唤醒“不活动不活动”(时间超过预定

56、时间限制时间超过预定时间限制)的结点，将的结点，将帧正确地广播到所有未知地址的端口。帧正确地广播到所有未知地址的端口。交换机的两种用法交换机的两种用法(以以10Mbps网络交换机为例网络交换机为例)： (1) 端口下接站点：站点独占端口下接站点：站点独占10Mbps带宽带宽 (2) 端口下接网段：网段中所有站点共享端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽带宽共享共享10M独享独享10M共享共享10M独享独享10M网络交换机网络交换机SwitchHUBHUBw 交换机交换机堆叠堆叠技术技术 堆叠模块插入背面堆叠模块插入背面 连接：上下或环回连连接：上下或环回连接接 堆栈作为一个实体进堆栈

57、作为一个实体进行管理行管理 Power Suppl yConnectorBUPSConnectorPower Suppl yConnectorBUPSConnectorCable toUpper UnitCable toLower UnitCable toUpper UnitCable toLower UnitCable toUpper UnitCable toLower UnitCable toUpper UnitCable toLower UnitCable toUpper UnitCable toLower UnitCable toUpper UnitCable toLower Unit

58、Cable toUpper UnitCable toLower UnitPower Suppl yConnectorBUPSConnectorPower Suppl yConnectorBUPSConnectorPower Suppl yConnectorBUPSConnectorPower Suppl yConnectorBUPSConnectorPower Suppl yConnectorBUPSConnectorPower Suppl yConnectorBUPSConnectorPower Suppl yConnectorBUPSConnectorPower Suppl yConnec

59、torBUPSConnectorCable toUpper UnitCable toLower UnitCable toUpper UnitCable toLower UnitCable toUpper UnitCable toLower Unit网络设备及互联交换机网络设备及互联交换机w 交换机冗余交换机冗余(Redundancy)(Redundancy)X网络设备及互联交换机网络设备及互联交换机q交换机端口干路交换机端口干路(Port Trunking) 将交换机上的多个端口在物理上连接起来，在逻辑上捆将交换机上的多个端口在物理上连接起来，在逻辑上捆绑在一起，形成一个拥有较大带宽的端口，组

60、成一个干绑在一起，形成一个拥有较大带宽的端口，组成一个干路。路。 增加带宽，提供备份线路增加带宽，提供备份线路q交换机端口镜像交换机端口镜像(Port Mirror) 备份通道备份通道 数据流量检测数据流量检测 例：端口例：端口A和和B为镜像，通过为镜像，通过A的数据同时通过的数据同时通过B，即使，即使A因线路问题造成数据错误，因线路问题造成数据错误，B的数据仍然可用。的数据仍然可用。w 交换机交换机广播风暴广播风暴 交换以太网是树型结构，如果出现环交换以太网是树型结构，如果出现环(loop)(loop) 广播风暴、学习问题、克隆单播帧广播风暴、学习问题、克隆单播帧 网络协议规定：每一帧只能收