第5章介质访问控制子层

计算机网络

授课班级：B0904授课教师：姜春霞TEL-mail：ldxywlxjcx@163.com第5章

介质访问控制子层了解：局域网与城域网的主要技术特点了解：局域网拓扑结构的类型与特点了解：IEEE802参考模型与协议的基本概念掌握：Ethernet局域网的基本工作原理掌握：高速局域网、交换局域网与虚拟局域网的基本工作原理掌握：无线局域网的基本工作原理掌握：网桥的基本工作原理本章学习要求：5.1局域网与城域网基本概念

网络拓扑传输介质介质访问控制方法

5.1.1决定局域网与城域网性能的三要素5.1.2局域网拓扑结构类型与特点

网络拓扑结构：总线型环型星型结构网络传输介质：双绞线同轴电缆光纤总线型拓扑构型特点：总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突（collision）”是不可避免的；“冲突”会造成传输失败；必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC，mediumaccesscontrol）问题。总线结构与冲突介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？发送时会不会出现冲突？出现冲突怎么办？总线型拓扑的优点：结构简单，实现容易；易于扩展，可靠性较好。环型拓扑构型结点使用点—点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；多个结点共享一条环通路；环建立、维护、结点的插入与撤出。

星型拓扑构型逻辑结构与物理结构的关系交换局域网(switchedLAN)的物理结构

5.1.3传输介质类型与介质访问控制方法局域网的传输介质类型

同轴电缆双绞线光纤无线通信信道讨论：双绞线已能用于数据传输速率为100Mbps、1Gbps的高速局域网中；在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势已经明朗。

局域网的介质访问控制方法

局域网中常用的访问控制方式：指局域网中访问传输介质时所采用的控制方法涉及如何合理地分配信道，如何避免冲突产生等问题。

带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD-CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection)；令牌环(TokenRing)；令牌总线(TokenBus)。13传输媒体局域网802参考模型与OSI/RM的对比数据链路层物理层网络层媒体访问控制MAC逻辑链路控制LLCLogicalLinkControlMediaAccessControl向上层提供连接环境对下层提供媒体访问方法物理层SAP5.1.4IEEE802参考模型数据链路层的两个子层为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的局域网对LLC子层是透明的

局域网网络层物理层站点1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网16IEEE802参考模型结构802.2逻辑链路控制LLC802.1--OSI模型与网络管理802.3CSMA/CD802.4令牌总线802.5令牌环17IEEE802参考模型结构说明：802.1网络管理，流量测定，故障检测等功能802.2LLC子层功能802.3开始，MAC子层的各个模块802.6城域网802.11无线局域网等5.2Ethernet局域网5.2.1Ethernet的发展

Ethernet的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法；随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；1972年，Xerox公司开始Ethernet实验网的研究；1979年，Xerox公司宣布了Ethernet产品；1980年，Xerox、DEC与Intel联合宣布EthernetV2.0规范；

90年代，10Base-T标准使得Ethernet性能价格比大大提高；目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。5.2.2Ethernet帧结构与帧发送、接收流程分析

1.Ethernet数据发送流程的分析

1．CSMA/CD

CD（CollisonDetect），CSMA（CarrierSenseMultiAccess）有冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）①监听信道是否空闲，如果空闲就立即发送数据，并继续监听②如果信道忙就一直监听，直到信道空闲，立即发送③在传输过程中，一旦发现冲突，立即停止发送，并发送干扰信号来强化冲突，以便让其他结点知道④发送完干扰信号，等待一个随机时间再试图发送，即转到①准备发送监听信道发送数据并继续监听发送拥挤信号按后退策略等待信道空闲信道忙检测出冲突再次尝试载波侦听过程

目的：检查是否已经有结点利用总线在发送数据冲突窗口的概念24CSMA/CD若两个最远距离站点间的传输时间为τ

，则网络的最大冲突检测时间为2τ

。将2τ定义为冲突窗口或称争用期τA在t=0时刻向F发送帧。F在t=τ

-时刻向A发送帧A在t=2τ时刻收到冲突载波冲突25CSMA/CD由于CSMA/CD的存在，则设Lmin为网络最小帧长，R为网络传输率必须满足Lmin/R>=2τT冲突争用期的长度以太网取51.2s为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。冲突检测：比较法和编码违例判决法二进制指数类型退避算法(truncatedbinaryexponentialtype)发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期2。定义重传次数k，k10，即

k=Min[重传次数,10]从整数集合[0,1,…,(2k

1)]中随机地取出一个数，记为r。重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

随机延迟重发截止二进制指数后退延迟算法

τ＝2k·R·a

其中：τ为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为冲突窗口值，R为随机数;限定k的范围,k=min（n，10）;

如果重发次数n<10，则取k=n；

如果重发次数n≥10时，则k取值为10;第n次重发延迟是分布在0与[2min（n，10）-1]个时间片之间，最大可能延迟时间为1023个时间片;在到后退延迟时间之后，结点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程;当冲突次数超过16时，表示发送失败，放弃该帧发送。2.Ethernet帧结构前导码与帧前定界符字段目的地址和源地址字段长度字段LLC数据字段帧校验字段Ethernet帧结构的讨论：前导码与帧前定界符字段前导码：7个字节，10101010…101010比特序列帧前定界符：1字节，10101011目的地址和源地址字段地址字段长度：2个字节或6个字节目的地址类型：单一结点地址（unicastaddress）0

多点地址（multicastaddress）1

广播地址（broadcastaddress）长度字段帧的最小长度为64字节，最大长度为1518字节LLC数据字段

LLC数据字段是帧的数据字段，长度最小为46个字节少于46个字节，需要填充帧校验字段采用32位的CRC校验校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段3.Ethernet接收流程

5.2.3Ethernet实现方法Ethernet网卡结构5.2.4Ethernet物理地址Ethernet地址→网络物理地址→物理网络地址;Ethernet地址=ManufactureID+NICID24bit+24bit

公司：Cisco00-00-0cIBM08-00-5A典型的Ethernet地址：00-00-0C-01-23-45Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。制造商ID由公司分配的地址部分00000C012345令牌环的工作原理令牌环网令牌采用IEEE802.5标准。拓扑结构是环型，所有结点共享介质使用令牌进行介质访问控制不产生冲突令牌是一种能够控制站点占有媒体的特殊帧，以区别数据帧及其他控制帧。令牌总线的工作原理采用IEEE802.4标准采用总线型的物理拓扑

结构，但用传递令牌的

机制来进行介质的访问

控制在物理上是总线型网，

在逻辑上是环型网ABCGFDE（a）令牌总线（b）逻辑环AFCBDE令牌FDDI光纤分布式数据接口FDDI

FDDI的基本结构拓扑结构：双环结构传输速率：100Mbps

传输介质：光纤介质访问控制方式：令牌传输距离（环路长度）：100km主环副环通过增加冗余环路来提高系统的可靠性

FDDI的工作原理各结点共享传输介质使用令牌进行介质访问控制，结点截获令牌后方可发送数据结点发送数据之后，立即释放令牌，其他结点可再截获令牌并发送数据环路上可能同时有多个结点发出的数据在流动，提高了介质的利用率DCCCCCDCCDDDCDABCD令牌A发给C的帧B发给D的帧5.4高速局域网的工作原理5.4.1高速局域网的研究方法

推动局域网技术发展的因素个人计算机的广泛应用；在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；

基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽；在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。传统共享式局域网的缺点传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典型的介质访问控制方法是CSMA/CD、TokenRing、TokenBus；介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质；每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少；带宽/结点数网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。高速局域网的研究方法第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率：

10Mb/s→100Mb/s→10Gb/s；第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，导致了局域网互连技术的发展；第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致了“交换式局域网”技术的发展。交换式局域网—基于硬件交换技术并发连接；共享式局域网与交换式局域网的比较FastEthernet的协议结构

100BASE-T的3种物理层标准100BASE-TX支持2对5类非屏蔽双绞线UTP或2对1类屏蔽双绞线STP全双工工作以100Mbps的速率发送与接收数据100BASE-T4100BASE-T4支持4对3类非屏蔽双绞线UTP其中3对用于数据传输，1对用于冲突检测。100BASE-FX支持2芯的多模或单模光纤从结点到集线器的距离可以达到2km全双工工作5.5.3千兆以太网用Ethernet组建企业网的全面解决方案：桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet；部门级网络系统采用传输速率为100Mb/s的FastEthernet；企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的GigabitEthernet。10/100兆交换机10兆线路百兆线路10/100兆交换机10/100兆交换机千兆线路千兆主干交换机千兆主干交换机千兆位以太网GigabitEthernet的协议结构1000BASE-T的4种物理层标准1000BASE-T支持5类非屏蔽双绞线UTP距离可达100m

1000BASE-CX支持屏蔽双绞线STP距离可达25m

1000BASE-LX支持单模光纤距离可以达到3000m1000BASE-SX支持多模光纤距离可以达550m5.5.410Gb/sEthernet10Gb/sEthernet主要具有以下特点万兆位以太网(10Gbps以太网)标准是IEEE802.3ae用光纤作为传输介质工作在全双工模式下，不使用CSMA/CD仍采用以太网的帧结构和帧长度，与10Mbps、100Mbps、1000Mbps以太网兼容其传输距离为300m~40km万兆位以太网的是扩展以太网技术，使之进入城域网和广域网领域

5.5交换式局域网的工作原理

5.5.1交换式局域网的基本结构

交换机概述——认识一下交换机交换机，英文名称为Switch，工作在OSI的数据链路层，也称二层交换机，它是一种基于MAC地址(网卡的硬件地址)识别，用于数据帧的转发的设备。交换机概述——以太网交换机工作机制MAC地址表Mac地址端口号学习逻辑学习逻辑过滤/转发逻辑接口接口地址学习转发/过滤交换机概述——交换机功能MACaddresstable0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCD交换机的功能——地址学习初始的MAC地址表为空交换机通过学习功能来完成写入MACaddresstableMAC地址表存放在交换机的RAM中E00260.8c01.1111交换机的功能——地址学习（续）交换机收到数据帧后，查找MAC地址表，没找到，交换机将该数据帧泛洪（flooding）到所有其它的端口上.交换机将收到的frame的源地址及与之相连的端口写入MAC地址表——学习0260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111MACaddresstable0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.3333E0E1E2E3DCBA交换机的功能——地址学习(续）如果交换机连接的所有主机都发送过数据帧，就可以建立起一个完整的MAC地址表MAC地址表是动态变化的，如果在一定时间内某一主机没有新的数据帧发送，则相应的表项将被清除0260.8c01.3333E0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E2:0260.8c01.4444MACaddresstable0260.8c01.11110260.8c01.2222E0E1E2E3DCBA0260.8c01.4444交换机的功能——转发与过滤如果数据帧的目的MAC地址在MAC地址表中有相应的表项，则交换机将该数据帧直接发往对应的端口（转发），从而保证其它端口上的主机不会收到无关的数据帧（过滤）广播帧和组播帧仍将被泛洪（flooding）到除接收端口以外的所有其它端口0260.8c01.33330260.8c01.22220260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.44440260.8c01.1111E0E1E2E3DCABMACaddresstable存储转发方式(Storeandforward)

数据帧在进入使用存储转发方式的交换机后会停留一段时间。在这段时间内进行全面的差错检测。如果接收到的帧正确，转发出去。直通方式(Cutthrough)

数据帧进入交换机后，只要被交换机检测出目的地址字段，就立即被转发出相应端口，不做任何检错也不管这一数据帧是否出错。无碎片转发方式(Fragmentfree)

数据帧进入使用该种方式的交换机后，稍作停留。在交换机对帧的前64字节检错后，如果前64字节正确则转发出去。交换机概述——数据帧转发方式回顾！！！1.决定局域网性能的三要素？？2.传统局域网采用________的工作方式,所有结点共享一条公用的传输介质。3.IEEE802标准定义了三类共享介质的局域网，分别是？？？4.以太网的核心技术是________________5.共享式局域网与交换式局域网的不同？6.交换式局域网的核心设备是___________？？交换网络中的问题广播域安全广播在交换机组成的校园网络里所有主机都在同一个广播域内ABBroadcastStorm通过路由器将网络分段路由器……广播交换网络中问题的解决--VLAN

通过VLAN技术可以对网络进行一个安全的隔离、分割广播域VLAN20VLAN10VLAN30VLAN40VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）

建立在交换技术基础上，如果将局域网中的结点按工作性质与需要，划分成若干个“逻辑工作组”，则一个逻辑工作组就是一个虚拟网络。虚拟局域网(VLAN)虚拟局域网的特点

虚拟网络建立在局域网交换机之上;以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理;逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制;一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。虚拟局域网VLAN的划分方法_基于端口的VLAN主机A主机B主机C主机D以太网交换机Port1Port2Port7Port10VLAN表端口所属VLANPort1VLAN5Port2VLAN10…………Port7VLAN5…………Port10VLAN10针对交换机的端口进行VLAN的划分，不受主机的变化影响虚拟局域网VLAN的划分方法_基于MAC地址的VLANVLAN表MAC地址所属VLANMACAMACBMACCMACDVLAN10VLAN5VLAN10VLAN5主机A主机B主机C主机D以太网交换机MACAMACBMACCMACD基于主机的MAC地址进行VLAN划分，主机可以任意在网络移动而不需要重新划分虚拟局域网VLAN的划分方法_基于协议的VLANVLAN表协议类型所属VLANIPX协议IP协议……VLAN5VLAN10……主机A主机B主机C主机D以太网交换机使用IPX协议运行IP协议使用IPX协议运行IP协议在一个物理网络中针对不同的网络层协议进行安全划分虚拟局域网VLAN的划分方法_基于子网的VLANVLAN表IP网络所属VLANIP/24IP/24……VLAN5VLAN10……以太网交换机主机A主机B主机C主机D89针对不同的用户分配不同子网的IP地址，从而隔离用户主机VLAN的类型:PortVLAN——接口模式为access基于交换机端口进行VLAN的划分一个端口只能属于一个VLAN

一个VLAN可以包含多个端口接口模式为accessF0/1F0/2F0/3Port-VLAN原理

通过查找MAC地址表，交换机对发往不同VLAN的数据不转发F0/1F0/2F0/3ABCVlan10Vlan20Vlan10ABACX交换机端口MAC地址VLANIDF0/1A10F0/2B20F0/3C10SwitchAVLAN30VLAN20VLAN10SwitchBVLAN30VLAN20VLAN10跨交换机VLAN间通信

A交换机上VLAN10的端口范围中取一个端口，和交换机B上VLAN10范围中的某个端口，作级联连接。如果交换机上划了10个VLAN，就需要分别连10条线作级联，端口效率就太低了。SwitchAVLAN30VLAN20VLAN10SwitchBVLAN30VLAN20VLAN10TagVLAN在交换机之间用一条级联线，并将对应的端口设置为Trunk，这条线路就可以承载交换机上所有VLAN的信息。Trunk端口传输多个VLAN的信息，实现同一VLAN跨越不同的交换机技术标准：IEEE802.1q跨交换机VLAN之间的通信:TagVLAN——接口模式为trunk802.1Q工作特点：802.1Q帧只在交换机的trunk链路上传输，对用户透明的。默认Trunk端口，转发交换机上所有VLAN的数据。交换机在从Trunk口转发数据前会在数据打上个Tag标签，在到达另一交换机后，再剥去此标签。A交换机1交换机2B数据帧Tag标签802.1Q工作原理5.7无线局域网5.7.1无线局域网基础

Infrastructured

网（有固定基础设施的网络）

AdHoc网自组织网络，特定网络，对等网络无线局域网使用的传输介质：微波、激光、红外线等无线电波两种类型的WLAN：AP:访问接入点在Adhoc网络中，结点具有报文转发能力，结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发，即经过多跳（MultiHop），这是Adhoc网络与其他移动网络的最根本区别。结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和运行.BSS（基本服务集）Infrastructured网(基础设施网)有AP(AccessPoint,无线接入点)，无线站点通信首先要经过APAdHoc网（无线自组网）IBSS(IndependentBSS，独立基本服务集)，无AP，站点间直接通信）IBSSBSS5.7无线局域网无线局域网标准：IEEE802.11：定义使用红外、跳频扩频、直接序列扩频技术，速率为1Mbps或2Mbps。IEEE802.11b：定义使用跳频扩频技术，速率为1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps。Wi-FiIEEE802.11a：传输速率可达54Mbps。5.2GHz的频段802.11g它是一种混合标准，工作在2.4G频段上，兼容802.11b和802.11a标准，它最高也可以支持54Mbps。5.7.2红外无线局域网红外无线信号按视距方式传播，即发送点必须能看到接收点，中间没有阻挡；特点：通信安全性好，抗干扰性强，安装简单，易于管理等优点，但传输距离受到一定限制。（红外线对非透明物体的透过性极差，对无线局域网传输距离有致命限制。）

红外无线局域网的数据传输技术：定向光束红外传输技术全方位红外传输技术

漫反射红外传输技术5.7.3扩频无线局域网扩频数字通信系统的基本结构跳频扩频通信(FHSS)

直接序列扩频（DSSS)无线局域网采用的技术用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽1.跳频扩频通信

(FHSS)5.7.3扩频无线局域网

IEEE802.11标准规定频段范围：2.4~2.4835GHZ；

跳频扩频通信的数据传输速率为1Mb/s或2Mb/s。发送信号频率按固定的时间间隔从一个频率跳到另一个频率，接收器和发送器同步跳动，从而正确接收信息。发送频率变换的顺序由随机码决定，接收端和发送端使用相同变换的顺序序列。2.直接序列扩频（DSSS)直接序列扩频也使用2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段;Industrial、Scientific及Medical

数据传输速率可高达11Mb/s，（1，2，5.5，11）Mb/s;

系统实际发送的信号d(t)是发送数据a(t)与伪随机码c(t)模二加的结果;5.7.4无线局域网标准IEEE802.11802.11层次模型结构

MAC层支持无争用服务和争用服务无争用服务：点协调功能PCF采用集中控制方法，通过探询的方法解决对结点发送的控制。争用服务：采用CSMA/CA的冲突避免方法。在物理层扩展局域网----使用中继器、集线器网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层中继器、集线器5.8局域网互联与网桥工作原理在物理层扩展局域网物理层扩展设备：中继器（Repeater）和集线器（Hub）中继器在物理层上实现局域网网段的扩展，主要起到对传输介质上信号波形的接收、整形、放大及转发作用，延长网络距离的作用。集线器集线器(Hub)是一种多端口转发器。所有连接到集线器的结点共享一个冲突域。中继器的连接集线器DCBA集线器ABCD集线器ab局域网扩展在数据链路层扩展局域网----使用网桥、交换机在网段之间转发数据帧（根据MAC层物理地址）

网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层网桥、交换机数据链路层扩展后的局域网在网络层看来还是一个网络网桥概述网桥基本特征：网桥在数据链路层上实现局域网互连；网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络；网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信；网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。网桥的作用网桥是对数据帧进行操作，因此是第二层设备。实际上，它们根据数据帧的目的MAC地址转发和过滤数据帧。HUBHUBHUB冲突域1冲突域2冲突域310BASE-T100BASE-TBridge