网络技术(第5章)

第5章局域网曹晶第5章局域网5.1IEEE802局域网体系结构5.2以太网工作原理5.3传统以太网5.4高速以太网5.5交换式以太网5.6虚拟局域网5.7无线局域网5.8非主流局域网重点5.1IEEE802局域网体系结构5.1.1IEEE802局域网参考模型在20世纪80年代初期，美国电气和电子工程师学会IEEE802委员会首先制定出了局域网标准，即IEEE802标准，该标准已成为ISO国际标准。IEEE802LAN/RM的数据链路层分成两个子层：逻辑链路控制(LogicalLinkControl,LLC)子层；媒体接入控制(MediumAccessControl,MAC)子层。为什么要引入二个子层?引入二个子层的好处是：这种从功能上将LLC子层和MAC子层分开的方法，使得LLC子层的上面看不到具体的局域网。换言之，局域网对LLC子层是完全透明的，只有下到MAC子层才能看到所连接的局域网采用的是什么标准，例如，总线网、令牌环网。LLC子层提供与媒体接入方式无关的链路控制，包括差错控制和流量控制，提供面向连接和无连接服务。5.1.1IEEE802局域网参考模型IEEE802标准5.1.2媒体接入控制子层1、LAN拓扑和信道特点：总线、环形及星形拓扑。

什么是媒体接入控制？LAN的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，必须解决如何进行信道争用问题。2、LAN媒体接入控制方式：受控接入：分为集中式控制和分散式控制如令牌环网。随机接入：如以太网。5.1.2媒体接入控制子层3、MAC地址：IEEE802规定MAC地址可采用6B/2B。目的地址有三种类型：单播地址：目标是一个站点多播地址：目标是一组站点广播地址：目标是所有站点I/G比特，即单地址（0）/组地址（1）比特。G/L比特，即全球（0）/本地（1）比特。MAC地址MAC地址是烧录在网卡里的。也叫硬件地址,是由48比特/bit长(6字节/bye)，16进制的数字组成。如何获取本机的MAC？单击开始，运行CMD，找到命令提示符，进入后输入ipconfig/all即可前3个字节为厂商编号后3个字节为网卡的编号5.1.2媒体接入控制子层以太网地址在网上的传送顺序5.1.3逻辑链路控制子层IEEE802.2标准定义了LLC子层规范：它包括三方面的内容：LLC地址、LLC子层提供的服务和LLC帧结构。5.1.3逻辑链路控制子层1、LLC寻址：LLC子层地址：SAP地址，即LLC服务访问点，提供对网络层的接口，标识网络层的通信进程。

局域网的网络寻址分为二步：1、用MAC地址找到网络中的某个主机，该主机的MAC子层将MAC帧的首部剥去并交LLC子层；2、用LLC帧的SAP地址找到该主机网络层的某个进程。5.1.3逻辑链路控制子层2、LLC层提供的服务：类型1——LLC1，不确认的无连接服务;类型2——LLC2，可靠的面向连接的服务;类型3——LLC3，带确认的无连接服务.3、LLC帧格式：5.2以太网工作原理5.2.1以太网技术的发展1975年哈佛大学的RobertMetcalfe和DavidBoggs研制成功了以太网Ethernet。1980年多家著名公司提出了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。1983年底IEEE802.310Base5标准面世，是IEEE802.3的第一个以太网标准。以太网这个术语通常是指由DEC，Intel和Xerox公司在1982年联合公布的一个标准，它是当今TCP/IP采用的主要的局域网技术，它采用一种称作CSMA/CD的媒体接入方法。5.2.1以太网技术的发展以太网传输速率增长（b/s）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50050Ω同轴电缆（粗）10Base2802.3a198810M30总线型18550Ω同轴电缆（细）1Base5802.3c19881M星型250100Ω2对线3类10BaseT802.3i199010M1024星型100100Ω2对线3类10Broad36802.3b198810M100总线型180075Ω同轴电缆10BaseF802.3i199210M星型2000多模光缆100BaseT（TX/T4/FX）802.3u1995100M星型100/100/20002对线100Ω5类/4对线100Ω3/4/5类/多模/单模光缆1000BaseT802.3ab1000M星型100UTP，4对5类1000BaseX(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5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD1.随机接入技术的先驱ALOHA（阿罗哈)2.ALOHA的改进CSMA增加了发前监听的机制，减少了发送冲突。CSMA有三种策略：非坚持CSMA。1坚持CSMA。P坚持CSMA。3.CSMA的改进CSMA/CD：带冲突检测的载波侦听多点接入传播时延仍会引起发送冲突。5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD工作流程：CSMA/CD在CSMA的基础上增加了冲突检测的功能。在连续发送的两帧之间，站点需等待一个帧间隙时间(IFG)。一般为96位时。10Mbps的以太网IFG为9.6微秒100Mbps的以太网IFG为0.96微秒

5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD工作流程图？动画演示——CSMA/CD的工作原理

CSMA/CD的原理可以概括为：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发。如何控制随机的回退时间呢?IEEE802.3采用截断二进制指数退避算法计算退避时间。冲突次数n=n+1（n初值为0） if1≤n≤16 thank=min(n,10) r在{0，1，2，…，2k－1}中随机取1个数，后退时间取为r×2τelseifn＞16 than放弃本次发送注：回退时间的基本单位是：2τ，2τ是信道的往返传播时延。举例：如果第二次发生碰撞：n=2k=MIN(2,10)=2R={0,1,2,3)延迟时间={0,51.2μs,102.4μs,153.6μs}其中任取一其算法过程如下：1.将冲突发生后的时间划分为长度为2τ的时隙；2.发生第一次冲突后，各个站点等待0或1个时隙再开始重传；3.发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0、1、2或3个时隙再开始重传；4.第i次冲突后，在0至2i-1随机地选择一个等待的时隙数，再开始重传；5.10次冲突后，选择等待的时隙数固定在0至1023（210-1）间；6.16次冲突后，发送失败，报告上层。5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD4.CSMA/CD冲突过程分析(略)5.冲突检测方法：发送信息包的节点一面将信息流送至总线上，一面经接收器从总线上将信息流接收下来。将接收到的信息与发送的信息进行比较，如果两者相同，则继续发送；如果不一致，就表明发生了冲突，应停止发送信息。5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD6.CSMA/CD时槽：时隙，往返传播时延。IEEE802.3将时槽取为发送512位的时间，称为512位时。对于10Mbps的以太网，时槽为51.2微秒。7.冲突域：指一个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。因此,冲突域限制了CSMA/CD以太网的最大网络跨距。5.2.3以太网传输特点半双工传输方式：对于CSMA/CD方式，每个时刻只有一路传输，但在IEEE802.3x标准中定义了全双工以太网，不使用CSMA/CD。共享总线带宽：每个结点的平均带宽与总线上的结点数成反比。传输的不确定性：传输时间难以计算。无连接、不可靠的传输服务：不是电路交换服务。5.2.4以太网信道利用率（略）5.2.5以太网帧格式和数据封装以太网帧格式：46B所以，帧长为64B~1518BPAD：填充字段5.3传统以太网5.3.1物理层下图是10Mb/s以太网物理层、网络接口卡NIC和中继器：物理层信号连接单元接口媒体连接单元媒体相关接口物理媒体连接网络接口卡以太网物理层的三个组成部分：1、媒体连接单元(MAU)，也称为收发器，功能如下：连接传输媒体。信号发送与接收。冲突检测。超长控制。2、物理层信号(PLS)：编码解码。载波监听。3、连接单元接口(AUI)： 连接PLS和MAU。5.3.2网络接口卡网络接口卡(NIC)主要涉及物理层和MAC层，包括五个部分：媒体接入单元(MAU)。物理层信号(PLS)。连接单元接口(AUI)。MAC子层。计算机总线接口。5.3.3中继器和集线器中继器工作在IEEE802.3的物理层，接收、恢复并转发物理信号，以扩展以太网。中继器包括了媒体接入单元MAU、连接单元接口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。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。5.3.4传统以太网及其联网方式粗缆以太网10Base5细缆以太网10Base2光纤以太网10BaseF双绞线以太网10BaseT说明：10表示信号的数据传输速率是10MbpsBase表示传输基带信号5、2表示每个网段的最大距离是500m，200mF表示光纤T表示双绞线，一般是无屏蔽双绞线UTP5.4高速以太网（略）5.4.1100BaseT

5.4.2千兆以太网

5.4.3万兆以太网

5.5交换式以太网5.5.1简介CSMA/CD以太网存在问题：任何时间内只能有一个工作站发送信息。各站点共享网络固定的带宽。由于冲突域的限制，难以构造较大规模的网络。5.5.1简介20世纪90年代以太网交换机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，工作在数据链路层的MAC子层，每个端口都包含一个MAC实体。5.5.2网桥1、工作原理5.5.2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。网桥的基本功能是在不同LAN网段之间转发帧。

网桥主要特点：工作在MAC子层。进行帧过滤减少了通信量。隔离了冲突域，扩大了网络跨距。可连接不同类型的LAN。5.5.2网桥

2、地址学习透明网桥，其标准是IEEE802.1d或ISO8802.1d。透明的意思网桥上的每个站不需知道所发送的帧经过哪几个网桥。网桥刚刚连接到LAN上时，其桥接表是空的,采用洪泛法转发它。通过逆向学习法，在转发过程中通过学习把桥接表逐步建立起来。5.5.3交换机2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。多个端口可以并行地工作，n个端口数据传输率为R

Mbit/s的以太网交换机最大可提供0.5nR

Mbit/s的总带宽。如16端口的100Mbps快速以太网交换机最大可提供___________的总带宽。800Mbps5.5.3交换机交换机有四个基本部分组成：端口端口缓冲器帧转发机构底板体系结构：交换机内部的电子线路，在端口之间进行数据交换。中继器、集线器、交换机、网桥比较物理层：中继器和集线器。用于连接物理特性相同的网段。集线器的端口没有物理和逻辑地址。逻辑链路层：网桥和交换机。用于连接同一逻辑网络中、物理层规范不同的网段，这些网段的拓扑结构和其上的数据帧格式，都可以不同。Bridge和Switch的端口具有物理(MAC)地址，但没有逻辑地址。前两者属于OSI和TCP/IP模型的最低层，即物理层，起到数字信号放大和中转的作用。网桥和交换机属于OSI和TCP/IP的第二层，即数据链路层。可以隔离冲突域。5.5.4交换式以太网及其特点小规模的工作组级交换式以太网：由1台交换机连接若干台计算机组成。大规模的交换式以太网：接入层、汇聚层和核心层。跨距突破了单个冲突域的限制，可以构造更大规模的网络。交换机工作在第二层，所以连接的所有网段处在一个广播域，当广播通信较多时，可能会有广播风暴。使用虚拟局域网可以解决。5.5.4交换式以太网及其特点交换机隔离了5个独立的冲突域5.6虚拟局域网5.6.1VLAN及其特点不是一种新型的网络，只是给用户提供一种网络服务。建立在交换式网络的基础之上，由一些交换机连接的以太网网段构成的与物理连接和地理位置无关的逻辑工作组，这个工作组就是一个广播域。比一般的LAN有更好的安全性。VLAN的划分可以控制通信流量，提高网络带宽利用率。5.6.1VLAN(VirtualLAN)及其特点VLAN示例5.6.2VLAN的划分基于端口：划分VLAN网络成员的配置过程简单明了，因此，它是最常用的一种方式。其主要缺点在于不允许用户移动，一旦用户移动到一个新的位置，网络管理员必须配置新的VLAN。基于MAC地址：允许网络用户从一个物理位置移动到另一个物理位置时，自动保留其所属VLAN的成员身份，但这种方式要求网络管理员将每个用户都一一划分在某个VLAN中，在一个大规模的VLAN中，有一定困难。基于协议：在网络层上实现VLAN。

5.6.3VLAN的帧格式IEEE802.3Q标准IEEE802.3ac标准

VLAN帧格式最大帧长由1518B扩大到1522B，只适用于VLAN。5.7无线局域网5.7.1IEEE802.11WLAN1、网络结构IEEE802.11WLAN是目前最有影响的WLAN。后来的IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g等支持更高的速率。基本服务集(BSS)：包括一个基站和若干个移动站。基站也称为接入点(AP)。基本服务区(BSA)，有100m左右。在BSA中移动站可以直接通信。分布系统(DS)：是一个有线或无线的主干LAN。扩展服务集(ESS)：由多个BSS通过DS构成。5.7.1IEEE802.11WLAN自组网络：IEEE802.11也支持在对等的移动电脑间通信，没有AP。IEEE802.11WLAN的网络结构5.7.1IEEE802.11WLAN2、IEEE802.11WLAN体系结构

PMD：物理媒体相关DCF：分布协调功能PLCP：物理层汇聚过程PCF：点协调功能

5.7.1IEEE802.11WLAN物理媒体相关PMD直接面向无连接媒体，主要功能：检查媒体状态实现载波侦听。进行数据编码和调制。通过无线信道进行信号的发送和接收。物理层汇聚过程PLCP的主要功能如下：为各种物理层生成相应格式的帧。进行载波监听信号分析，发出信道评价信号。

5.7.1IEEE802.11WLAN分布协调功能DCF向上提供争用服务，即各节点通过竞争得到发送权，使用协议CSMA/CA。点协调功能PCF向上提供无争用服务，集中控制在AP上，使用轮询法。5.7.1IEEE802.11WLAN移动站通过AP接入以太网的通信协议结构无线网络接口有线网络接口5.7.2IEEE802.11物理层1、FHSS、DSSS和IR1997年IEEE802.11定义了三种不同的物理层标准。跳频扩频(FHSS)直接序列扩频(DSSS)红外线IR5.7.2IEEE802.11物理层2、IEEE802.11a/b/g/n1999年IEEE802.11定义的新物理层标准。IEEE802.11a：定义在5GHz频段，支持54Mbit/s的传输速率。采用正交频分复用(OFDM)的技术，在48个子信道上传输信息，子信道采用正交幅度调制(QAM)方式进行信号调制。与802.11b不兼容。IEEE802.11b：也称为WiFi（WirelessFidelity，无线保真），定义在2.4GHz的ISM频段，使用高速率直接序列扩频(HRDSSS)。Wi-Fi是无线保真（wirelessfidelity）的缩写，曾被视为科技业余爱好者的玩具，但现在已成为互联网领域的一支重要力量。Wi-Fi技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。5.7.2IEEE802.11物理层IEEE802.11g 运行于2.4GHz，速率达到了54Mbit/s。与802.11b向后兼容。IEEE802.11n 108Mbit/s，速率最高可达320Mbit/s。与802.11a/b/g标准兼容。双频多模WLAN5.7.3IEEE802.11MAC层1、无线信道的特点WLAN的暴露站点问题隐蔽站点问题暴露站问题：如站B向站A发送数据，而C又想和D通信，但C检测到媒体上有信号，决定不向D发送数据，实际上B向A发送数据并不影响C向D发送数据。隐蔽站问题：如站A和C都想和B通信，但A和C由于相距较远，彼此都收不到对方发送的信号。当A和C检测不到无线信号时，都认为B是空闲的，向B发送数据，结果B同时收到A和C发来的数据，产生冲突。这样，在进行冲突检测时没有检测出媒体上已存在信号。5.7.3IEEE802.11MAC层2、MAC帧和帧格式三种类型的帧：管理帧：实现站点和AP间的通信管理，建立关联、越区切换和认证等。控制帧：为数据发送提供辅助的握手联络功能。数据帧：包含帧头、帧体和CRC校验码。5.7.3IEEE802.11MAC层3、分布协调功能(DCF)帧间间隔(IFS)短帧间间隔(SIFS)点协调功能帧间间隔(PIFS)分布协调功能帧间间隔(DIFS)IFS作用：将帧划分为不同的优先级，IFS越小优先级就越高，可以避免发生发送冲突。5.7.3IEEE802.11MAC层CSMA/CA信道接入控制机制CSMA/CA信道接入过程：（1）载波监听：信道空闲，继续监听一个IFS(为了实现基于IFS的优先级接入），若信道仍然空闲，转入(3)进行发送；若信道变忙，则转入(2)。（2）执行退避算法，争用信道：①计算退避时间，设置退避定时器(BT)。②继续监听信道直至信道变空闲，继续监听一个IFS，若信道仍然空闲，转入③进入CW；若信道变忙，返回②。5.7.3IEEE802.11MAC层③争用窗口CW中执行退避算法,有两种情况：（a）信道持续空闲，BT倒计时，直至减到0，转入(3)进行发送。（b）监听过程中信道变忙，变忙则暂停BT，直至信道再次变空闲且继续监听一个IFS仍空闲，重启BT，转回(2)的③进入下一个CW。（3）发送帧，用DATA-ACK两次握手确认机制。站点把帧发送出去，数据帧要等待确认ACK，若在规定的时间里收到，则发送成功，否则将重传，从（2）重新开始。

截断式二进制指数退避算法调整退避时间。算法是：第i次重传时，退避时间在0~2i+2-1个时隙中随机选取，i为6时不再增加。5.7.4WLAN管理1、接入网络关联和去关联：关联是无线站点向AP登记的过程。去关联用来解除现有的关联。建立关联前先与AP进行联络，有两种方式：被动扫描和主动扫描，扫描之后，选择一个信号最强的AP，启动关联过程。5.7.4WLAN管理站点接入网络的过程(主动扫描)：5步1、无线站点主动发出探测请求帧；2、AP1和AP2发回探测响应帧；3、无线站点选择信号最强的AP1；4、无线站点向AP1发出关联请求帧；5、AP1发出关联响应帧。5.7.4WLAN管理越区漫游：BSS->BSS电源管理：IEEE802.11协议中包含有电源管理。节电控制对WLAN非常有意义。移动站在无传输活动时处于休眠状态。发往休眠站点的数据帧先在AP中缓存，当休眠站点被唤醒时AP再把缓存的数据发给它们。5.8非主流局域网5.8.1令牌环(TokenRing)令牌环网，标准是IEEE802.5令牌环工作原理：基于令牌(Token)的分散控制方式的受控接入技术，只有获得令牌的站点才有权在环路上发送数据。1、当令牌环网上的第一台计算机启动时，网络就产生一个令牌（Token），并且它负责监视网络活动，以确保帧被正确地发送和接收。它要检查同一帧不能在环中循环多于一次，并且保证同一时刻环上只能有一个令牌。2、令牌沿环传递，依次通过每台计算机，直到有一台计算机想要发送数据并获取了对令牌的控制，由它发送一个数据帧。3、数据帧沿环单方向传递直至到达目的计算机。目的计算机将数据拷贝到接收缓冲区，并将帧中的状态域标志置为已接收状态。令牌环的工作原理令牌环的工作原理4、数据帧继续沿