计算机网络原理第2章课件

本章将逐步介绍计算机局域网体系结构，各主要局域网标准、技术和网络操作系统等。这些技术中最重要、最基础的就是各类局域网标准。

本章重点如下：IEEE802.1d/q/w三协议的主要作用与区别令牌总线和令牌环网工作原理CSMA、CSMA/CD工作原理及比较快速以太网和千兆位以太网工作原理万兆位以太网的主要特点和工作原理万兆位以太网的联网规范和物理层结构主要WLAN标准第1课时主讲内容计算机局域网体系结构及划分依据和各层主要功能常见IEEE802局域网标准IEEE802.1系列标准及各自工作原理IEEE802.2标准的主要作用及所定义的3种通信操作类型主要的IEEE802.3系列标准以太网体系结构及各层主要功能和CSMA/CD模型CSMA和CSMA/CD的工作原理及各自采用的退避算法2.1局域网概述局域网是指应用于小范围内（通常指1km)的家庭或组织内部计算机网络。主要采用星型、环型、总线型，以及星型和总线型组成的混合型4种拓扑结构。

最基本的计算机局域网可以仅是两台PC，用一条串/并电缆连接起来。企业局域网中多数是采用以交换机为集中连接结点的星型或者扩展星型拓扑结构，星型结构单元如下图所示。2.2.2

局域网体系结构划分依据

对于局域网来说，物理层是必需的，它负责体现机械、电气和过程方面的特性，以建立、维持和拆除物理链路；数据链路层也是必需的，它负责把不可靠的传输信道转换成可靠的传输信道，传送带有校验的数据帧，采用差错控制和帧确认技术。但是，局域网中的多个设备一般共享公共传输媒体，所以局域网的数据链路层必须设置媒体访问控制功能，最终IEEE802把LLC独立出来，形成一个单独子层，使LLC子层与媒体无关，仅让MAC子层依赖于物理媒体和媒体访问控制方法。

又因为局域网是一种通信网，只涉及到有关的通信功能，没有端到端的数据传输需求，所以至多与OSI参考模型中的下3层有关。其次，由于局域网基本上采用共享信道的技术，所以也可以不设立单独的网络层。2.2.3局域网体系结构层次简介

1．物理层（PHY）

局域网中的物理层和计算机网络OSI参考模型中物理层的功能一样，主要处理物理链路上传输的比特流，实现比特流的传输与接收、同步前序的产生和删除；建立、维护、撤销物理连接，处理机械、电气和过程的特性。

2．媒体访问控制（MAC）子层

MAC子层负责介质访问控制机制的实现，即处理局域网中各站点对共享通信介质的争用问题，不同类型的局域网通常使用不同的介质访问控制协议，另外MAC子层还涉及局域网中的物理寻址。

3．逻辑链路控制（LLC）子层

LLC子层负责屏蔽MAC子层的不同实现，将其变成统一的LLC界面，从而向网络层提供一致的服务。2.2.4局域网标准与OSI结构的关系IEEE802为局域网制定了一系列标准，主要参见书中表2-1所示。它们与OSI结构的对应关系如下图所示。所有高层协议要和各种局域网标准的MAC子层交换信息，IEEE802.2规定的LLC层是公用的。详细比对参见书中介绍。

STP的基本思想就是来源于实际生活中的树形结构。STP协议中定义了根桥（RootBridge）、根端口（RootPort）、指定端口（DesignatedPort）、路径开销（PathCost）等概念，目的就在于通过构造一棵自然树的方法达到裁剪冗余环路的目的，同时实现链路备份和路径最优化。其基本原理如下：

（1）首先进行根桥的选举。选举的依据是网桥优先级和网桥MAC地址组合成的桥ID（BridgeID），桥ID最小的网桥将成为网络中的根桥。

（2）其他网桥将各自选择一条“最强壮”的树枝作为到根桥的路径，相应端口的角色就成为根端口。

（3）由根桥和根端口生成“树”。裁剪冗余环路的目的是通过阻塞非根桥上相应端口来实现的。

2.3.2IEEE802.1p协议IEEE802.1p是流量优先权控制标准，工作在媒体访问控制（MAC）子层。IEEE802.1p标准提供的组播流量过滤功能，可以确保该流量不超出第二层交换网络范围。

IEEE802.1p中定义的优先级有8种。最高优先级为7，应用于关键性网络流量，如路由选择信息协议（RIP）和开放最短路径优先（OSPF）协议的路由表更新。优先级6和5主要用于延迟敏感（Delay-Sensitive）应用程序，如交互式视频和语音；优先级4到1主要用于受控负载（Controlled-Load）应用程序，如流式多媒体（StreamingMultimedia）和关键性业务流量（Business-CriticalTraffic）；优先级0是默认值，并在没有设置其他优先级值的情况下自动启用。

IEEE802.1p协议还定义了GARP（GenericAttributeRegistrationProtocol，通用属性注册协议）。这里的属性是指组播MAC地址、端口过滤模式和VLAN等属性。

2.3.3IEEE802.1q协议IEEE802.1q协议也就是“VirtualBridgedLocalAreaNetworks”（虚拟桥接局域网，简称“虚拟局域网”，即VLAN）协议，主要规定了VLAN的实现方法。

IEEE802.1q协议为标识带有VLAN成员信息的以太帧建立了一种标准方法。IEEE802.1q完成它的功能的关键在于标签。支持IEEE802.1q的交换端口可被配置来传输标签帧或无标签帧。一个包含VLAN信息的标签字段可以插入到以太帧中。如果端口有支持IEEE802.1q的设备（如另一个交换机）相连，那么这些标签帧可以在交换机之间传送VLAN成员信息，这样VLAN就可以跨越多台交换机。但是，对于没有支持IEEE802.1q设备相连的端口必须确保它们用于传输无标签帧。2.3.5IEEE802.1s协议

IEEE802.1s标准中的多生成树（MST）技术把IEEE802.1w快速单生成树（RST）算法扩展到多生成树，这为虚拟局域网（VLAN）环境提供了快速收敛和负载均衡的功能，是IEEE802.1VLAN标记协议的扩展协议。采用MST技术，可以通过干道（Trunks）建立多个生成树，关联VLAN到相关的生成树进程，而且每个生成树进程具有独立于其他进程的拓扑结构。MST还提供了多个数据转发路径和负载均衡，提高了网络容错能力。

2.3.6IEEE802.1x协议

IEEE802.1x也称为“基于端口的访问控制协议”（PortBasedNetworkAccessControlProtocol）。它的体系结构包括3个重要的部分：SupplicantSystem（客户端系统）、AuthenticatorSystem（认证系统）和AuthenticationServerSystem（认证服务器系统）。2.4IEEE802.2逻辑链路控制协议

逻辑链路控制（LogicLinkControl，LLC）规定了局域网参考模型的数据链路层中LLC子层的实现。IEEE802.2LLC应用于IEEE802.3（以太网）和IEEE802.5（令牌环）局域网中。

LLC定义了3种数据通信操作类型类型1：无连接。该方式不保证发送的信息一定可以收到。类型2：面向连接。该方式提供了4种服务：连接的建立、确认和数据到达响应、差错恢复（通过请求重发接收到的错误数据实现）及滑动窗口（系数：128）。类型3：无连接应答响应服务。2.5IEEE802.3协议当前定义在光纤和双绞线上的传输速率有4种。10Mb/s：10BASE-T以太网。100Mb/s：快速以太网。1000Mb/s：千兆位以太网（802.3z）。10千兆位以太网：IEEE802.3ae。

2.5.1IEEE802.3协议简介

以太网系统由3个基本单元组成：（1）物理介质，用于传输计算机之间的以太网信号；（2）媒体访问控制规则，嵌入在每个以太网接口处，从而使得计算机可以公平地使用共享以太网信道；（3）以太帧，由一组标准比特位构成，用于传输数据。2.5.2IEEE802.3媒体访问控制协议

IEEE802.3是一个使用CSMA/CD媒体访问控制方法的局域网标准。CSMA/CD总线的实现模型如下图所示。整个CSMA/CD模型结构对应于OSI参考模型的最低两层。从逻辑上可以将CSMA/CD模型划分为两大部分：一部分由LLC子层和MAC子层组成，实现OSI参考模型的数据链路层功能；另一部分实现物理层功能。

物理层内定义了两个兼容接口：依赖于媒体的“媒体相关接口”MDI和“访问单元接口”AUI。

MAC子层和LLC子层之间的接口提供每个操作的状态信息，以供高一层差错恢复规程所用。MAC子层和物理层之间的接口，提供包括成帧、载波监听、启动传输和解决争用、在两层间传送串行比特流的设施及用于定时等待等功能。

有关CSMA/CD工作原理参见书中介绍。2.5.3CSMA工作原理CSMA争用技术适用于总线型和树型拓扑结构，主要解决如何共享一条公用广播传输介质。其简单原理是：在网络中任何一个工作站在发送信息前，要侦听一下网络中有无其他工作站在发送信号，如无则立即发送，如有即信道被占用，此工作站要先避让一下，等一段时间再争取发送权。在CSMA技术中，需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有：非坚持、1-坚持和P-坚持三种。具体内容参见书中介绍。

2.5.4CSMA/CD工作原理

在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使总线上两个站点没有监听到载波信号而发送帧时，仍可能会发生冲突。由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突已发生，仍然将已破坏的帧发送完，使数据的有效传输率降低。第2课时主讲内容快速以太网体系结构3种快速以太网标准千兆以太网体系结构万兆以太网主要特点和优势万兆以太网联网规范和物理层结构令牌总线工作原理令牌环网工作原理、令牌环局域协议标准和令牌环功能主要WLAN标准及各自主要用途2.6快速以太网2.6.1快速以太网体系结构

下图为IEEE802.3u协议的体系结构，也对应于OSI参考模型的数据链路层协议和物理层协议。物理层协议有3种（体系结构的详细描述参见书中介绍）：100BASE-TX：2对高质量双绞线100BASE-T4：4对普通双绞线100BASE-FX：光缆2.6.23种快速以太网标准简介

1．100BASE-TX

100BASE-TX介质规范基于ANSITP-PMD物理介质标准。100BASE-TX介质接口在两对双绞线电缆上运行，其中一对用于发送数据，另一对用于接收数据。

2．100BASE-FX

当工作站的NIC以全双工模式运行时能超过2km。100BASE-FX标准指定了两条多状态光纤，一条用于发送数据，一条用于接收数据。

3．100BASE-T4

100BASE-T4标准用来帮助那些已经安装第3类或第4类电缆的用户。100BASE-T4链路与介质相关的接口是基于3、4、5类非屏蔽双绞线。100BASE-T4标准使用4对线。

以上三种快速以太网标准的详细描述和主要应用参见书中介绍。2.8万兆位以太网

1999年底成立了IEEE802.3ae工作组进行万兆位以太网技术（10Gb/s）的研究，并于2002年正式发布IEEE802.3ae10GE标准。

2.8.1万兆位以太网的主要特性和优势

万兆位以太网具有的特点包括：物理层结构不同；提供5种物理接口。万兆位以太网的优点如下：带宽更宽，传输距离更长结构简单、管理方便、价格低廉便于管理应用更广具有更高多功能，服务质量更好2.8.2万兆位以太网联网规范和物理层结构万兆位以太网联网规范有以下7种：10GBASE-SR、10GBASE-SW、10GBASE-LR、10GBASE-LW、10GBASE-LX4、10GBASE-ER和10GBASE-EW。

万兆位以太网的物理层结构如下（详细描述参见书中介绍）：10G串行物理媒体层PMA（物理介质接入）子层WIS（广域网接口）子层PCS（物理编码）子层PMD（物理介质相关）子层RS（协调子层）和XGMII（10Gb/s介质无关接口）2.11无线局域网

无线局域网（WLAN）技术定义在IEEE802.11协议系列中。目前该系列包含以下四种无线局域网接入标准，分别是：IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802