第5章：介质访问控制子层

第5章

介质访问控制子层

盛武副教授

安徽理工大学1本章学习要求：了解：局域网的分类与特点了解：IEEE802参考模型与介质访问控制子层的基本概念掌握：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WLAN与802.11标准的概念掌握：网络互联概念与网桥的基本工作原理2源动力应用是推动一切技术发展的真正动力！无线接入网技术是当前研究与产业发展的热点问题之一。局域网应用举例？4G移动接入技术3注意有些版本教材把本章定义为局域网应用能力训练：地址表示方法网卡（适配器）45.1局域网技术的发展与演变5.1.1局域网技术的研究与发展

背景知识回顾：决定局域网与城域网性能的三要素？

20世纪90年代Ethernet与TokenBus\TokenRing→21世纪Ethernet→高速、交换局域网与无线局域网网络拓扑、传输介质、介质访问控制方法55.1.1局域网技术的研究与发展介质访问控制方法概念介质访问控制-MAC、共享介质类型共享介质-同轴电缆+10Base-2物理层协议多路访问/存取冲突----如何解决？中心交换机式与分布式控制？6介质访问控制方法要解决问题：过独木桥什么时候发送数据？如何发现冲突？发生冲突怎么办？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。7总线结构与冲突85.1.2介质访问控制方法的比较CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法）→总线型Ethernet（以太网）TokenBus→令牌总线网TokenRing→令牌环网CSMA/CD9令牌总线（TokenBus)

物理结构逻辑结构10令牌环网（TokenRing)

网卡和点—点线路，构成闭合的物理的环型结构；

11CSMA/CD、TokenBus、TokenRing比较

节点概念-连入局域网的计算机异同点比较阅读图5-5辨析本节自己阅读125.1.3Etherne技术的研究与发展Ethernet技术背景技术核心：是共享总线的介质访问控制CSMA/CD方法，夏威夷大学不同岛屿校区无线分组交换网ALOHANET。物理学中光传播介质“以太”，1977年Metcalfe申请Ethernet专利，1982年Ethernet控制器（电路芯片）2.高速Ethernet发展背景节点带宽=总带宽/节点数，传播延时、带宽提高传输速率交换式网络互联135.1.4局域网参考模型与协议标准IEEE802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系：IEEE802的涵义14数据链路层的两个子层为使数据链路层能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。与接入到传输介质有关的内容都放在MAC子层，将数据直接封装在MAC帧结构（IP分组），而LLC子层则与传输介质无关。15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委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE802标准；IEEE802标准协议之间的关系：发展趋势：办公环境、存储区域网、云计算平台（计算机后端网络）

175.2Ethernet局域网基本工作原理5.2.1Ethernet数据发送流程分析1.Ethernet数据发送流程的分析

18CSMA/CD的发送流程可以概括为：先听后发边听边发冲突停止延迟重发19Ethernet结点

数据发送流程20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21网络环境下冲突检测：比较法和编码违例判决法电子学角度22冲突窗口的概念（争用期）总线长度、发送速率、电磁波传播速度与最小帧长度关系D≦VL/2S协议标准规定冲突窗口长度：51.2s235.22.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DIX帧与IEEE802.3帧的区别24Ethernet帧结构的讨论：前导码与帧前定界符字段

前导码：7个字节，56位的10101010…101010比特序列

帧前定界符：1字节，10101011

–识别地址字段目的地址和源地址字段

–硬件地址（物理地址/MAC）

源地址字段长度：6个字节

目的地址类型：（第一位数字0、1或全为1）单播地址（unicastaddress）--0多播地址（multicastaddress）---1广播地址（broadcastaddress）--全为1255.2.4Ethernet网卡设计与物理地址1.Ethernet网卡实现方法26Ethernet网卡结构

27传输介质接到以太网的示意图

集线器BNCT型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAUMDI保护外层外导体屏蔽层内导体收发器BNC连接器插口RJ-45插头28讨论熟悉计算机网卡的作用？29网卡功能数据的封装与解封发送时将数据加上首部和尾部-以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，送交上一层。链路管理访问控制方法CSMA/CD协议的实现编码与译码即曼彻斯特编码与译码收发器芯片链路控制处理器串行接口30计算机通过网卡和局域网进行通信

计算机CPU存储器I/O总线至局域网网络接口卡（网卡）串行通信并行通信高速缓存312.Ethernet物理地址⑴网络中物理地址类型地址与寻址：任何通信实体都需要惟一地标识出来，网络地址特点：①不同层次都存在地址与寻址问题②地址分为物理地址与逻辑地址③地址分为静态地址、可配置编址与动态编址3种方式48位EUI-48表示物理地址物理地址：为网卡分配硬件地址标识联网的计算机，固化在网卡EPROM中的地址。网络层-IP地址；传输层：端口号；应用层：用户名；物理层：硬件地址/物理地址32⑵Ethernet物理地址（MAC地址）方法Ethernet地址→网络物理地址→物理网络地址;Ethernet地址=ManufactureID+NICID24bit+24bit

几种公司Ethernet地址：典型的Ethernet地址：

00-60-8C-01-28-12

000000001010000010001100

000000010010100000010010Ethernet地址惟一性-网卡。

Cisco00-00-0cNovell00-00-1B00-00-D83Com00-20-AF00-60-8CIBM08-00-5A33Ethernet物理地址十六进制与二进制的表示方法

34网卡检查MAC地址网卡从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.如果是发往本站的帧则收下，否则就将此帧丢弃“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）35探究几种地址概念物理地址：逻辑地址：MAC\IP\端口号\用户名365.2.5Ethernet物理层标准命名方法IEEE802.3标准定义Ethernet介质访问控制子层与物理层的协议标准物理层命名标准：IEEE802.3XType-YName例子：IEEE802.3

10BASE-5，10表示传输速率是10Mb/s，基带传输、使用同轴电缆、最大长度500米的物理层标准，采用曼彻斯特编码。实用知识37补充：网络协议分析器及其应用

网络分析器或网络监视器是一种用来测试网络系统运行状态的设备；当网络分析器连接到被测试的网络时，它能监控特定的事件，并且报告诸如每秒平均接收帧数或平均帧长度等统计数据；网络分析器的另外一个重要的作用是对特定协议（TCP/IP、FTP、HTTP）的解码，它按照指定的协议规则加以解释，然后将协议分析的结果显示出来。38网络分析器的连入方式

39网络分析器捕获的帧数据

40网络分析器显示的Ethernet帧结构

415.3交换式局域网与虚拟局域网技术5.3.1交换式局域网技术共享介质方式→交换方式，交换机工作在链路层，依据接入的MAC地址，过滤→转发数据帧，以星状拓扑结构形成交换式局域网。42问题回顾探究？带宽概念？43带宽概念将数据传输速率称为信道宽度，简称为带宽。例如Ethernet的数据传输速率：

10Mbps→100Mbps→10Gbps交换机带宽（背板带宽）：单位时间能够交换的最大数据量数量上=端口数×端口速率如果局域网中有N个结点，每个结点所能分到的带宽为10Mb/s/N。

44交换式局域网—基于硬件交换技术并发连接；

S=N×10Mb/s共享式局域网与交换式局域网的比较45交换式局域网的工作原理

交换式局域网的基本结构

46局域网交换机的工作原理

47问题探究端口转发表的建立与维护？依据帧的地址与帧进入交换机的端口号？48局域网产品类型与相互之间的关系

49局域网交换机的技术特点

交换机取代集线器；并发取代共享总线；独占方式取代共享方式；不存在冲突，取消CSMA/CD控制方法；保留传统帧结构、长度特征。比较学习法505.3.2虚拟局域网的技术

创新思维：解决网络组网问题催生的新技术结构化布线与虚拟局域网技术出现虚拟网络的概念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。

51虚拟局域网的物理结构与逻辑结构虚拟局域网与传统局域网的区别如何划分成组52虚拟局域网的组网方法

用交换机端口号定义虚拟局域网-静态地址用MAC地址定义虚拟局域网---物理地址法用网络层地址定义虚拟局域网---IP地址法IP广播组虚拟局域网--一组动态IP地址53用交换机端口号定义虚拟局域网成员

IEEE802.1Q545.4高速Ethernet的研究与发展

EISA总线实物图55探究：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。

56新技术与新概念40GigabitEthernet、100GigabitEthernet光以太网与城域以太网侧重点：技术与应用自己阅读提高兴趣575.5Ethernet组网设备与组网方法5.5.1普通Ethernet组网设备与方法⑴早期组网电缆10Base-5：揽段长500m、接入节点100个、传输速度10Mbps中继器：信号放大与整波⑵集线器组网：与10Base-T、非屏蔽双绞线、RJ-45接口585.5Ethernet组网设备与组网方法5.5.2交换Ethernet与高速Ethernet组网方法设备：高速交换机、高速网卡、千兆以太交换机、光纤或双绞线设计GE网络结构5.5.3结构化布线概念75%网络故障出在传输介质自己阅读图5-23内容局域网设计布线-动手能力训练59讨论根据你所了解的知识，为什么要实现局域网互联？605.6局域网互连与网桥5.6.1局域网互连的基本概念

背景：局域网互连的应用环境

/为什么要局域网互联？一个单位的多个部门局域网的互连；办公楼之间局域网的互连；将数千台计算机按地理位置或组织关系划分为多个子网的互连；超过单个局域网的最大覆盖范围的多个局域网互连；企业中部门的信息对安全、保密方面要求不同的局域网互连。？615.6.2网桥的基本工作原理

网桥基本特征：实现局域网互联的网络设备网桥在数据链路层上（MAC层）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；网桥功能①端口号与对应MAC地址表的转发表生成与维护②帧接受、过滤与转发网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信62网桥的工作过程（学习过程、转发过程）

63网桥的层次结构

64网桥工作原理（帧转发过程）

探究：描述节点A向节点F帧发送过程655.6.3生成树（spanningtree）协议

网桥互联的环状结构

66网络拓扑与对应的生成树

生成树协议目的：为任意两个节点之间提供一条最佳的帧传输路径67生成树算法分析基本概念：根网桥、桥优先级、端口优先级、路径成本注意：通过的局域网成本求和，传输延迟最小的帧传输路径。此部分为新增加教材内容得到：无环路的网状结构、最佳传输路径数学图论生成树问题知识，有些复杂！本部分自己阅读学习为主68网桥与广播风暴

网桥“盲目地”广播会使网络无用的通信量剧增，造成“广播风暴”；

69网桥与广播风暴的形成

705.6.6网桥与中继器、集线器、交换机区别

网桥与交换机都是工作在数据链路层，交换机是一个多端口的网桥；交换机工作在数据链路层，完成帧的转发，用基于硬件的转发机制，其交换时延可以减少到μs量级；由于交换机完成帧一级的交换，它是工作在数据链路层，因此也叫做第二层交换机。自己阅读表5-2，提高工程应用能力71概念区别集线器：工作在物理层，只对端口上进来的比特流进行复制转发，不支持多端口的并发连接。交换机：工作在数据链路层，每个端口都直接与一个单个主机或另一个集线器相连，工作在全双工方式。能同时连通许多对的端口，直通方式转发，通信完成后就断开连接。网桥：在数据链路层，端口一般连接到局域网，存储转发方式。转发器：工作在物理层，转发所有的帧，不用检测传输媒体。72结点：用于计算机网络中，表示计算机或路由器。节点：用于天线中，表示驻波电场强度为零的点。计算机网络抽象为结点与链路（连接的线路）的结合。下次课作为探究题目，比较各自的适用范围及特征区别735.7无线局域网（WLAN）5.7.1无线局域网的应用

①作为传统局域网的扩充，无线电波传输介质②建筑物之间的互连③移动Internet漫游访问，RFID读写器-后台服务器，物流系统。