《计算机通信与网络》课件第七讲lan(2)2012

1、高速以太网 FDDI曾被认为是下一代的LAN, 但是除了主干网市场(FDDI可胜任)外，它很少被使用。因为其站点管理过于复杂，从而导致芯片复杂和价格昂贵。FDDI的巨大费用使得工作站制造商不愿让它成为标准网络，因此从未大量生产，FDDI也就无法占据大块市场。 正是在这个环境下，1992年IEEE重新召集了802.3委员会，指示他们制订一个快速的LAN。建议之一是保持802.3的原有状况，只是将其速度提高。另一个建议是完全重新制订，赋予它许多新的特征，比如实时通信和数字语音之类，只保留其原有的名称。经过一阵争论之后，委员会决定保留802.3的现状，只是将其速度提高，这样做主要有以下三个原因: 1

2、 需要与现存的成千上万个LAN相兼容; 2 担心新协议可能会出现不可预见的问题; 3 需要在技术改变之前完成这项工作。 高速以太网100BASE-T 以太网速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。 IEEE在1995年6月正式采纳了其成果802.3u。从技术的角度来看，802.3u并不是一种新的标准，只是对现存802.3标准的追加。但我们通常称其为快速以太网(fast ethernet),而

3、不是802.3u。 用户只要更换一张网卡，再配上一个100Mb/s的集线器，就可很方便地由10BASE-T以太网直接升级到100Mb/s, 而不必改变网络的拓扑结构。所有在10BASE-T上的应用软件和网络软件都可保持不变。100BASE-T的网卡有很强的自适应性，它能够自动识别10Mb/s和100Mb/s。 保留所有的旧的分组格式，接口以及程序规则，同时改变了原以太网的某些规定。 例如，在以太网电缆长度最长为2.5km时，其最短帧长为64字节。当发送速率提高时，帧的发送时间按比例缩短，但电磁波在电缆上传播的时间并没有变化。这样，在电缆另一端的站点还未来得及检测到冲突时，在发送端已经把数据帧发

4、送完毕了。所以当发送数据的速率提高时: (1) 若保持电缆长度不变就应增大最短帧长 (2) 保持最短帧长不变但减小最大电缆长度。 在100Mb/s的以太网中采用的方法是保持最短帧长不变，但将最大电缆长度减小到100m。帧间时间间隔从原来的9.6us改为现在的0.96us。 100BASE-T:高速以太网三种不同的物理层标准 100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX 使用 2 对光纤。 100BASE-T4使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。 新标准还规定了以下三种不同的物理层标准: 1 100BASE-TX 使用2对UTP5类线或S

5、TP,其中一对用于发送，另一对用于接收。信号的编码采用“多电平传输3(MLT-3)”的编码方法，使信号的主要能量集中在30MHz以下，以便减少辐射的影响。MLT-3用三元制进行编码，即用正、负和零三种电平传送信号。 2 100BASE-FX 使用2对光纤，其中一对用于发送，另一对用于接收。信号的编码采用4B/5B-NRZI编码。4B/5B编码就是将数据流中的每4bit作为一组，然后按编码规则将每一个组转换成为5bit,其中至少有2个“1”,保证信号码元至少发生两次跳变。 NRZI为差分不归零编码。这种编码与常规的不归零(NRZ)编码的区别在于每个“1”码开始处有跳变、每个“0”码开始处没有跳变

6、。在NRZI编码中，信号通过相邻码元极性的跳变来解码，而不是简单地以绝对电平为准，由此可获得更高的抗干扰能力。3 100BASE-T4 使用4对UTP3类线或5类线，这是为已使用UTP3类线的大量用户而设计的。信号的编码采用8B6T-NRZ(不归零)的编码方法。8B6T编码是将数据流中的每8bit作为一组，然后按编码规则转换为每组6bit的三元制码元。它同时使用3对线同时传送数据，用1对线用作冲突检测的接收信道。千兆位以太网:吉比特以太网 随着多媒体技术、网络分布计算、桌面视频会议等应用的不断发展，用户对局域网的带宽提出了更高的要求; 同时，100M快速以太网也要求主干网、服务器一级有更高的带

7、宽。 由于以太网的简单、实用、廉价及应用的广泛性，人们又迫切要求高速网技术与现有的以太网保持最大的兼容性。 千兆位以太网技术就是在这种需求背景下开始酿造的。1996年3月成立的IEEE802.3z工作组，专门负责千兆位以太网的研究，并制定相应标准。 千兆位以太网使用原有以太网的帧结构、帧长及CSMA/CD协议， 数据速率提高到了1Gbps。 它和标准以太网(10Mbps)和快速以太网(100Mbps)技术向后兼容。用户能在保留原有操作系统、协议结构、应用程序及网络管理平台与工具的同时，通过简单的修改，使现有的网络工作站廉价地升级到千兆位速率。千兆位以太网的物理层 1000BASE-X 基于光纤

8、通道的物理层1000BASE-SX SX表示短波长1000BASE-LX LX表示长波长1000BASE-CX CX表示铜线1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP 千兆位以太网的物理层协议 千兆以太网的物理层协议包括1000BASE-SX，1000BASE-LX，1000BASE-CX和1000BASE-T等标准。（1）1000BASE-SX。使用芯径为 50 及 62.5m，工作波长为850 nm 的多模光纤，采用8B/10B编码方式，传输距离分别为260m和525m，适用于建筑物中同一层的短距离主干网。（2）1000BASE-LX.使用芯径为50及62.5 m的多模、单模光纤，

9、工作波长为1300nm,采用8B/10B编码方式，传输距离分别为 525m,550m,和3000m,主要用于校园主干网。（3）1000BASE-CX.使用150欧姆平衡屏蔽双绞线（STP），采用8B/10B编码方式，传输速率为1.25Gbps,传输距离为25m,主要用于集群设备的连接，如一个交换机房内的设备互连。（4）1000BASE-T。使用 4 对 5 类非平衡屏蔽双绞线（UTP）传输距离为100m,主要用于结构化布线 中同一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网已铺设的 UTP 电缆。 MAC 子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别 ，帧的接收与发送，链路的管理，帧的

10、差错控制及 MAC 协议的维护。 千兆以太网的帧结构与标准以太网的帧结构相同，其最大帧长为 1518 字节，最小帧长为 64 字节。 千兆位以太网对媒体的访问采用全双工和半双工两种方式。全双工方式使用于交换机到交换机或交换机到站点之间的点-点连接，两点间可同时进行发送与接收，不存在共享信道的争用问题。所以不需采用CSMA/CD协议。半双工方式则适于用共享媒体的连接方式，仍采用 CSMA/CD 协议解决信道的争用问题。千兆位以太网的 MAC 子层 千兆位以太网的数据速率为快速以太网的10倍，若要保持两者最小帧长的一致性，势必大大缩小千兆以太网的最大电缆长度；而若将最短帧长提高到640字节，则在发

11、送短数据时开销又太大。 要维持以太网的最大电缆长度不变，且保证最小帧长64 字节，千兆以太网采用: 载波延伸 包突发(packet bursting) 在短 MAC 帧后面加上载波延伸 凡发送的 MAC 帧长不足 512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512字节。接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。 目地地址源地址数据长度数 据FCSMAC 帧的最小值 = 64 字节载波延伸前同步码加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度512 字节在以太网上实际传输的帧长10 吉比特以太网10 吉比特以太网与 10 Mb/s

12、，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。 载波扩展技术 载波扩展技术用于半双工 CSMA/CD 方式，实现方法是对小于512字节的帧进行载波扩展，使这种帧所占用的时间等同于长度为512bit的帧所占用的时间。虽然载波扩展信号不携带数据，但由于它的存在保证了200m的网络直径。对于512字节的帧，不必添加载波扩展信号。若大多数帧短于512字节，则载波扩

13、展技术会使带宽利用率下降。数据包分组技术 数据包分组技术允许站点每次发送多帧，而不是一次发送一帧，若多个连续的数据帧短于512字节，仅其中的第一帧需要添加载波扩展信号。一旦第一帧发送成功，则说明发送信道已打通，其后续帧就可不加载波扩展连续发送，只需帧间保持12字节的间隙即可。其他种类的高速局域网100VG-AnyLAN 局域网使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 光纤分布式数据接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 使用光纤作为传输媒体的令牌环形网 高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interf

14、ace) 主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存储器、图形工作站等）的高速接口光纤通道(Fibre Channel) 无线局域网无线网络技术蓝牙技术IEEE802.11标准蓝牙技术 蓝牙是一种短距离的无线通信技术，电子装置彼此可以通过蓝牙而连接起来， 蓝牙技术的核心便是通过嵌入蓝牙芯片，通过芯片上的无线接收器， 实现语音和数据在短距离上的稳定无缝无线连接，配有蓝牙技术的电子产品能够在十米的距离内彼此相通，传输速度可以达到1M/s。这种连接是开放式的，再加上芯片体积十分小，因此能够方便的嵌入设备中，应用于各种需要在网络上传输数据和语音的设备，如数码相机、 PDA、无线耳机、手机。 蓝牙技术的

15、概念 关键技术跳频技术 蓝牙的载频选用全球通用的ISM频段，由于该频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的任何一个频段都有可能遇到不可预测的干扰源。采用跳频扩谱技术是避免干扰的一项有效措施。 蓝牙在24-24835 GHz之间的ISM频带上以1600跳s的速率进行跳频，可以得到79个1 MHz带宽的信道。 跳频技术是把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。ISM: Industrial Scientific and Medical。无线局域使用的频段主

16、要是S频段（2.4GHz2.4835GHz频率范围），这个频段也叫ISM（Industry Science Medical）即工业科学医疗频段，该频段在美国不受美国联邦通信委员会的限制，属于工业自由辐射频段，不会对人体健康造成伤害。所以无线电波成为无线局域网最常用的无线传输媒体。ISM频段即工业，科学和医用频段 世界各国均保留了一些无线频段，以用于工业，科学研究，和微波医疗方面的应用。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。 ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz un

17、d 5725-5850 MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。 2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网，蓝牙等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。 安全性 蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。 虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理。 在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等功能进行安全控制。 在应用层中，用户可以使用个人标识码（PIN）来进行认证。 无线局域网(IEEE802.11)课件制作人：谢希仁无线局域网 无线局域网的组成有固定基础设施的无

18、线局域网AP1AP2一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时 ，都要通过本 BSS 的基站。 AP1AP2基本服务集内的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似。AP1AP2当网络管理员安装 AP 时，必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID 和一个信道。 AP1AP2一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS (Extende

19、d Service Set)。AP1AP2ESS 还可通过叫做门户(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥。 AP1AP2移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集（到 A 的位置），仍可保持与另一个移动站 B 进行通信。 与接入点 AP 建立关联(association)一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS，就必须先选择一个接入点 AP，并与此接入点建立关联。建立关联就表示这个移动站加入了选定的 AP 所属的子网，并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路。只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧

20、，而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧。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(beacon frame)。信标帧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(probe request frame)，然后等待从 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)。热点(hot spot)现在许多地方，如办公室、机场、快餐店、旅馆、购物中心等都能够向公众提供有偿或无偿接入 Wi-Fi 的服务。这样的地点就叫做热点。由许多热点和 AP 连接起来的区域叫做热

21、区(hot zone)。热点也就是公众无线入网点。现在也出现了无线因特网服务提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)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。2. 移动自组网络又称自组网络(ad hoc network) 自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点自组网络是没有固定基础设施（即没有 AP）的无线局域网。这种网络由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络的应用前景 在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应

22、用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。 当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的， 无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network) 由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。无线传感器网络的应用是进行各种数据的采集、处理和传输，一般并不需要很高的带宽，但是在大部分时间必须保持低功耗，以节省电池的消耗。由于无线传感结点的存储容量受限，因此对协议栈的大小有严格的限制。无线传感器网络还对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求。 传感器结点的形状(a)和组成(b) 存储器CPU传感器硬件电池无线收

23、发器(a)(b)无线传感器网络主要的应用领域 环境监测与保护（如洪水预报、动物栖息的监控）；战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、物资等的监控；医疗中对病房的监测和对患者的护理；在危险的工业环境（如矿井、核电站等）中的安全监测；城市交通管理、建筑内的温度/照明/安全控制等。 802.11 局域网的物理层802.11 无线局域网可再细分为不同的类型。现在最流行的无线局域网是 802.11b，而另外两种（802.11a 和 802.11g）的产品也广泛存在。 802.11 的物理层有以下几种实现方法：直接序列扩频 DSSS正交频分复用 OFDM 跳频扩频 FHSS （已很少用）红外线 IR （已很少用

24、） 几种常用的 802.11 无线局域网 标准频段数据速率物理层优缺点802.11b2.4 GHz最高为11 Mb/sHR-DSSS最高数据率较低，价格最低，信号传播距离最远，且不易受阻碍 802.11a5 GHz最高为54 Mb/sOFDM最高数据率较高，支持更多用户同时上网，价格最高，信号传播距离较短，且易受阻碍802.11g2.4 GHz最高为54 Mb/sOFDM最高数据率较高，支持更多用户同时上网，信号传播距离最远，且不易受阻碍，价格比 802.11b贵802.11 局域网的 MAC 层协议1. CSMA/CA 协议 无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原

25、因。CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。 课件制作人：谢希仁无线局域网的特殊问题 当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem) A 的作用范围C 的作用范围ABCD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

26、，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 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem) ADCB？B 的作用范围C 的作用范围CSMA/CA 协议 无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使用停止等待协议。下面先介绍 802.11 的 MAC 层。 802.11 的 MAC 层 MAC 层无争用服务（选用）争用服务（必须实现）

27、分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因

28、此 DCF 向上提供争用服务。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层PCF 子层使用集中控制的接入算法把发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 帧间间隔 IFS 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。若低优先级帧

29、还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。 三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送SIFS，即短(Short)帧间间隔，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF

30、方式中接入点 AP 发送出的任何帧。三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔，它比 SIFS 长，是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。 时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。 三种

31、帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度。 CSMA/CA 协议的原理 欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。 为什么信道空闲还要再等待 这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有，就要让高优先级帧先发送。 假定没有高优先级帧要发送 源站发送了自己的数据帧。目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。若源站在规定时间内