计算机网络与通信5局域网

1、1第5章 局域网本章要点：局域网访问控制方式局域网协议高速局域网无局域网虚拟局域网25.1 概述1.定义 LAN：为单一机构所拥有的专用计算机网络，其通信被限制在中等规模的地理范围，具有较高的数据率和较低的误码率，能有效实现多种设备之间互连、信息交换和资源共享。特征：范围小：通常在几百米以内。数据率高：10Mbps以上，现在已达到10Gbps。误码率低：一般可达到10-9以下。单一部门所有。支持实时应用。3LAN优点具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、

2、可用性和残存性。4LAN与WAN的本质区别 WAN：交换式传输 LAN：广播式传输52. 局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网63. 以太网Bob Metcalfe：以太网之父 1973年，Ethernet构想，2.94Mbps；CSMA/CD1976年， Metcalfe和David Boggs发表以太网：局域计算机网络的分布式包交换技术 1980年，DIX规范。该规范规定：总线拓扑结构同轴电缆使用CSMA/CD访问控制方式使用曼彻斯特编码，数据率为10Mbps具有物理层和数据链路层的功能1981年，DIX 2.01982年，IEEE802委员会发布了IEEE80

3、2.3协议1995年，100Mbps1998年，1Gbps2002年，10Gbps7将所有计算机都连接到一根介质上。以太网：广播方式 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据8两种重要的措施 无连接：不必先建立连接就可以直接发送数据。 无编号：以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做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。 9以太网提供的服务 不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层

4、发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。 105.2访问控制方式不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。 115.2 LAN的访问控制方式目的：确定每个节点能把信息送到通信介质上去的特定时刻如何有效利用共享通信介质一、分类不加控制集中控制分布控制12一、令牌传递访问控制方式1.要求网络形成环。当不能形成物理环时，形成逻辑环。信号在环上单向传输。2. 原理监控节点产生唯

5、一一个令牌沿环路传输。要发送数据的节点必须得到令牌。往令牌上附加帧，填写标志后让其继续传送。目的节点拷贝帧，设置应答标志后让其继续传送。回到源节点后，根据应答标志确定撤销或重传。非源、非目的节点，转发帧。133. 节点操作发送拷贝转发撤销 两个标志A、C(识别、拷贝）4. 问题令牌丢失令牌增生 地址错误14二、CSMA/CD访问控制方式【带冲突检测的载波监听多路访问】 1. 要求 总线结构，信号双向传输2. 原理 监听网络，若不空闲，继续监听；否则转发送，边发送，边监听。若检测到冲突，转发送冲突码加强冲突，转随机地延迟一段时间后，转无需应答153. 延迟时间的确定 方法：截断的二进制指数后退算

6、法时间片总线上两端点间往返传输的时间延迟时间Tm* m02n1之间的随机数 nmin(10, k) k=本次发送经历的冲突次数=51.2s164. 信道利用率=总线上单程传播时间，T0=发送一个帧需要的时间a=/T0Smax=T0/(T0+ )=1/(1+a) 17三、CSMA/CD与令牌传递的比较CSMA/CD令牌传递发送时间不确定确定负载适应性重负载低效重负载高效网络大小对介质长度限制严自由18四、其它访问控制方式竞争环：令牌按需产生，用完丢弃剑桥环：同步的slot传输数据 195.3 IEEE802 LAN协议5.3.1 IEEE802 LAN体系结构一般结构：只需物理层和数据链路层具体

7、结构： 物理信号子层PS物理介质接入子层PMA介质相关接口MDI介质访问控制子层MAC逻辑链路控制子层LLC连接接口子层AUI物理层数据链路层网络层传输层203. IEEE802 LAN协议 802.1体系结构和网络互连 802.2逻辑链路控制 802.3CSMACD 802.310Base5粗缆（1983) 802.310Base2细缆（1988) 802.3i10BaseT3对UTP（1990) 802.3u100BaseT星型UTP（1995) 802.3z1000BaseT UTP（1998)(100m) 802.3z1000BaseCX STP（1998)(25m) 802.3z10

8、00BaseLX 光纤(1998)(单3000m，多525m) 802.3ae10GBase（2002）213. IEEE802 LAN协议（续） 802.4令牌总线网 802.5令牌环网 802.6城域网MAN 802.7宽带技术。 802.8FDDI 802.9综合话音数据局域网。 802.10可互操作的局域网的安全。 802.11无线局域网。 802.12优先级高速局域网(100VG-AnyLAN) 802.14电缆电视(Cable-TV) 802.15 无线个人区域网(WPAN)规范 802.16 宽带无线网标准22IEEE802 LAN协议关系235.3.2 以太网协议1. 访问控制

9、方式 CSMA/CD，按时间片重试2. 数据编码 曼彻斯特编码3. MAC帧格式 两种格式24字节6624IP 层目的地址源地址长度/类型FCS数 据MAC 子层LLC 子层802.2LLC 帧当长度/类型字段表示长度时 802.3MAC 帧这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用43 1497111DSAPSSAP111 控制 数 据字节DSAPSSAP控制IP 数据报传统的802.3帧格式（现在已不用）25MAC 帧物理层MAC 层10101010101010 11前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624

10、字节46 1500IP 数据报现在普遍使用的DIX V2帧格式类型：0800H，表示数据部分是IP包 8137H，表示数据部分是IPX包 8000H，类型，高层定义和解释 108M， 300M-600M)自适应数据率585.5 无线局域网WLAN2. 网络结构 AP1AP259接入点 AP （基站）一个移动站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。只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧，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。60移动站与 AP 建立关联的方法被动扫描：移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧(beacon f

11、rame)。主动扫描：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)。613. WLAN 的 访问控制方式 MAC 层无争用服务（选用）争用服务（必须实现）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。 62MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Dis

12、tributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层PCF ：轮询，集中控制，把发送数据权轮流交给各个站63MAC 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 ： CSMA/CA机制，分布式接入算法，各站通过争用信道获取发送权。64分布式协调功能DCF（CSMA/CA）DCF使用CSMA/CA控制方式，使用帧间间隔

13、延时(InterFrame Space ,IFS)实现优先级控制方法：a. 发送站点先监听。若空闲，再等待一个IFS时间，若仍空闲，立即发送；b. 若忙，则继续监听，直到介质上的传输结束；c. 一旦当前介质上的传输结束，再延时一个IFS时间。若空闲，立即发送，否则调用截断的二进制指数后退算法。 65为什么信道空闲还要再等待 可能有其他的站有高优先级的帧要发送。66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没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就重传此帧，直到收到确认为止，或者经

14、过若干次的重传失败后放弃发送。 67争用窗口 信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机后退时间以便再次重新试图接入到信道。信道从忙态转为空闲时，各站执行后退算法-减少发生碰撞的概率。684. WLAN协议标准频段数据速率物理层优缺点802.11b2.4 GHz11 Mb/sHR-DSSS价格最低，信号传播距离最远，且不易受阻碍 802.11a5 GHz54 Mb/sOFDM支持更多用户同时上网，信号传播距离较短，且易受阻碍802.11g2.4 GHz54 Mb/sOFDM支持更多用户同时上网，信号传播距离更远802.11

15、n2.4 GHz300 Mb/sOFDMMIMO，支持更多用户同时上网69 802.11 局域网的帧结构802.11 帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部70 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP

16、顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部现在是 071 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部类型：表示帧的类型：控制帧、数据帧、管理帧子类型：与类型一起表示特定帧类型72 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功

17、率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部1 ：发往有线分布式系统73 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部1 ：数据来自有线分布式系统74 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数

18、据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部1 表明这个帧属于一个帧的多个分片之一75 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部是否为重传的帧76 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序

19、位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部处于功率管理状态77 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部通知处于节能状态的移动站点，AP有待传输的数据78 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位

20、 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部1 表明采用 WEP 加密算法79 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部表示数据帧是严格顺序的帧80 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2

21、4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部占用信道的持续时间81 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部帧的顺序号82 802.11 局域网的帧结构字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号地址 4数据FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1M

22、AC 首部表示BSS的地址、源地址、目的地址、发送站地址、接收站地址，由到DS和从DS共同决定其具体含义地址 4 用于自组网络83802.11 数据帧的地址到 DS从 DS地址 1地址 2地址 3地址 401目的地址AP 地址源地址10AP 地址源地址目的地址84802.11工作原理使用CSMA/CA站点只与AP直接传送数据三种IFS85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。这段时间统称为帧间间隔 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

23、先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到介质，则介质变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送。这样就减少了发生冲突的机会。 86三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS介质空闲 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，用来分隔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 方式中接入点

24、 AP 发送出的任何帧。IR:7s；DSSS：10s；FHSS：28s87三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS介质空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（介质忙）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）优先接入到介质。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。 时隙的长度：当某个站在一个时隙开始时接入到介质，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的时间。PCF的PIF

25、S=SIFS+50s，FHSS的PIFS=78s。 88三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS介质空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（介质忙）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，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。 DIFS=PIFS+50s，即FHSS的DIFS=128s89分片的发送举例 ttt源站目的站 其他站RTSCTS分片 1ACK分片 2ACK分片 3ACKSIFSNAV (RTS)NAV (C

26、TS)长的帧划分为许多分片90 802.11 MAC 层隐藏终端与暴露终端问题91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，结果发生冲突。这种未能检测出介质上已存在的信号的问题叫做隐蔽终端问题(hidden station problem) A 的作用范围C 的作用范围ABCD92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 检测到介质上有信号，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 发送数据这就是暴露终端问题(exposed station problem) ADC

27、B？B 的作用范围C 的作用范围93图例 冻结剩余的退避时间帧帧帧帧帧DIFSDIFSDIFSDIFS争用窗口争用窗口争用窗口争用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt冻结冻结冻结冻结冻结802.11 的退避机制94A 的作用范围B 的作用范围2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 ACBDERTSRTS源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。 95A 的作用范围B 的作用范围对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信

28、道进行预约。 CTSACBDECTS若介质空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。 96RTS 、CTS、数据帧、ACK 帧时间关系时间DIFSRTSSIFS时间NAV（RTS）DIFS争用窗口推迟接入源站时间目的站ACK 其他站CTSSIFSSIFS数据NAV（CTS）NAV（数据）97站点切换用户终端（STA）定期收集无线信号，搜索可用的AP。当发现有性能更好的AP时（从一个BSS移动到另一个BSS或有新的AP加

29、入），用户终端将启动切换过程，进入切换流程，连接到该AP。 98站点切换UserAP-newAP-oldAS1.Re-Association2.IAPP-Move-Notify3.IAPP-Move-Reply4.New IAPPRegister to IAPPServer(AS)5.New IAPPRegister Reply(AS)Data Packet6.IAPP-usr-offline7.IAPP-usr-offline(user)接入服务器995.5.2 蓝牙系统(Bluetooth)1994 年爱立信公司推出，其标准是 IEEE 802.15.1 。蓝牙的数据率为 720 kb/s

30、，通信范围在 10 米左右。蓝牙使用 TDM 方式和扩频跳频 FHSS 技术组成不用基站的皮可网(piconet)（微微网）100BLUETOOTH体系结构101BLUETOOTHPiconet：1个Master最多7个active Slave=10米最多255个parked slave工作方式：TDM，masterslave，不允许 slaveslave.数据率：720kbpsBLUETOOTH 2.0: 10Mbps,100米102ZigBee功耗非常低。电池的寿命甚至可以超过10 年。网络容量大。网络最多包括有255 个节点，其中一个是主设备，其余则是从设备。通过网络协调器，整个网络最多

31、可以支持超过 64000 个节点。 速率是 2 250 kb/s通信距离10 80 mIEEE 802.15.4103ZigBee 的组网方式可采用星形和网状拓扑，或两者的组合 传感器网络FFDFFDFFDFFDFFDRFD端设备路由器FFDFFD协调器有一个全功能设备 FFD 充当网络的协调器。ZigBee 网络中数量最多的端设备是精简功能设备 RFD 节点。 1045.6 虚拟局域网 1.VLAN的含义VLAN（Virtual LAN），它也是一种局域网（LAN）VLAN是由一些LAN网段构成的与物理位置无关的逻辑组。VLAN的形成并没有改变原有网络的拓扑，在用户看来，网络的视图是一致的。

32、（1）VLAN中的工作站一般属于不同的LAN或LAN网段。（2）先有LAN，后有VLAN。VLAN是建立在LAN之上的。105为什么需要VLAN（1） 需求驱动在尽量不改动网络固有配置的前提下，通过灵活的、标准的、基于软件的方法将具有相同需求的用户放到一起，使之就象在一个LAN中那样工作。（2） 技术驱动1062.VLAN的实现从简到繁依次是：（1）基于端口的VLAN (Port-Based)（2）基于MAC层分组的VLAN (MAC-Layer Grouping）（3）基于网络层地址的VLAN (Network-Layer Grouping)（4）基于协议的VLAN (Protocol-Based)（5）基于策略的VLAN (Policy-Based) 107（1）基于端口分组的VLAN最早的方法。交换机上的端口（例如端口1、3、5）构成VLANA，而该交换机上的其他端口构成VLANB。早期基于端口的VLAN成员只能位于一个交换机中。第二代基于端口的VLAN支持多个交换机，例如交换机X上的端口1和