局域网第2章局域网体系结构

局域网第2章局域网体系结构第一页，共54页。3.1引言本章讲解内容回顾OSI体系结构及相关概念讨论802体系结构重点讨论LLC和MAC子层概要内容介绍物理层概要情况介绍802体系的演变第二页，共54页。3.2OSI协议体系结构3.2.1OSI基本模型要点3.2.2七层模型3.2.3数据单元3.2.4逐层封装第三页，共54页。3.2.1OSI基本模型要点OSI/BRM：概念要点七层模型根据开放系统功能从逻辑上划分为七个有序层组成一个严格的层次性模型服务访问点（SAP）相邻层之间的服务通过SAP提供与使用数据单元（DataUnit）实体间数据转移的基本形式PDU：协议数据单元SDU：服务数据单元LAN/MAN中的DU：分组，这是基于分组的通信之基本特点OSI/BRM：过程要点每一层中的实体使用下一层实体提供的服务通过与对等实体的协议交互，完成本层功能向上一层实体提供增强了的服务第四页，共54页。层次模型的基本要素协议是实现功能、提供服务的基础，是计算机网络的灵魂功能（要做什么）层内层次定义依据服务（为用户做什么）相邻层之间下层为上层提供的功能通过服务原语进行交互接口（SAP）相邻层之间相邻层间的通信操作协议（有什么规则）对等层之间对等层间的通信规则n/n+1接口

(SAP)

第n层第n层功能第n层协议第n+1层向第n+1层提供的服务第五页，共54页。3.2.2OSI七层模型通信介质应用层表示层会话层传输层网络层数据连路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据连路层物理层网络层数据连路层物理层通信介质传输层协议会话层协议表示层协议应用层协议端系统A端系统B中继系统实通信虚通信第六页，共54页。3.2.3数据单元服务数据单元：(N)SDU：用于相邻实体之间的原语交互最简单时就是：(N+1)PDU协议数据单元：(N)PDU：用于对等实体之间的协议交互最简单时就是：(N)PCI+(N)SDU(N+1)-PDU(N)-SDU(N)-UD(N)-PCI(N)-PDUN层协议头部第七页，共54页。3.2.4逐层封装数据单元的封装与拆封源于：层次模型与数据单元的结合逐层加封数据沿物理通信的方向逐层向下传递并逐层加封头部，直到通过物理介质传输到对端系统逐层拆封则反之实通信逐层加封到由物理介质传输到对端系统再逐层拆封的机制虚拟通信各层交换的PDU第八页，共54页。3.2.5逐层封装：图APSTNDLPhDL-PDUNHT-PDUTHS-PDU用户数据APSTNDLPhESESDLHN-PDUSHP-PDUPHA-PDUAHUDPhH第九页，共54页。3.3协议参考模型3.3.1概述3.3.2IEEE802参考模型3.3.3IEEE802实现模型3.3.4IEEE802的端系统与中继系统3.3.5IEEE802协议族第十页，共54页。3.3.1概述协议参考模型OSI参考模型：一个抽象的概念和基础框架TCP/IP参考模型：以N层为中心的实现模型802网络参考模型：LAN/MAN的参考模型802网络参考模型DL层：分成LLC/MAC子层目的是适应介质访问技术的复杂性Ph层：可以分成PMI/PMD子层以便在各种传输介质上构造高性能网络第十一页，共54页。3.3.2802参考模型802参考模型:802/RM（802ReferenceModel）IEEE802委员会提出、802标准的参考模型802/RM表达了局域网协议体系结构数据链路层LLCMAC物理层Ph物理介质PhSAPMSAPLSAP

对应OSI模型低二层：DL、PhDL层分为：LLC/MAC两个子层PH层分为：PMI和PMD模型中含有对介质的描述三个服务访问点LLC服务访问点：LSAPMAC服务访问点：MSAPPh服务访问点：PhSAP第十二页，共54页。3.3.2IEEE802参考模型-说明802模型中的LLC子层、MAC子层逻辑链路控制子层：LLC与具体的局域网技术无关介质访问控制子层：MAC与具体的局域网技术相关单一的LLC协议为所有的802网络共用为所有的高层协议提供一致的服务访问点多种MAC协议可更好的适应不同的局域网技术可以适应各种不同的介质访问技术设置的初衷似乎不错，但后来的发展未能如愿第十三页，共54页。3.3.2IEEE802参考模型-说明802模型中的Ph层和介质物理层：Ph层Ph层过于复杂，无法恰当地归入一个模型将Ph层的子层划分放入了802实现模型参考模型包括了对传输介质的讨论OSI模型：通常不予以讨论传输介质不属于七层模型的一部分模型起源于广域网，并不直接面对物理介质局域网标准直接规范物理介质上的比特传输在802参考模型中包括了传输介质第十四页，共54页。3.3.3IEEE802实现模型802实现模型特别加强了物理层的结构DLPHY高层MIIMDImediumLLCMACPMIPMDLLC：逻辑链路控制子层MAC：介质访问控制子层PMI：物理介质无关子层

PhysicalMediumIndependentsublayerPMD：物理介质相关子层PhysicalMediumDependentsublayerMII：介质无关接口MediumIndependentInterfaceMDI：介质相关接口MediumDependentInterface第十五页，共54页。3.3.4802中的端系统与中继系统端系统与中继系统OSI模型中称为：ES、RS/ISLAN/MAN模型：应当注意区分802模型中称为端站（Station）网桥（Bridge）或交换机（Switch）TCP/IP中的习惯称呼主机（Host），简写为H路由器（Router），以简写为R第十六页，共54页。3.3.4IEEE802的端系统IEEE802RMforES摘自：Fig.1IEEEstd802-2001LLC：

LogicalLinkControl逻辑链路控制（子层）MAC：MediumAccessControl介质访问控制（子层）LSAP：LinkServiceAccessPoint链路服务访问点MSAP：MACServiceAccessPointMAC服务访问点PhSAP：PhysicalServiceAccessPoint物理服务访问点ApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysicalMediumMediumPhysicalPhysicalMACLLCMACLLCScopeofIEEE802StandardsUpperLayerProtocolsUpperLayerProtocolsMSAPLSAPPhSAP第十七页，共54页。3.3.4802中继系统参考模型802网络中继系统（桥）参考模型摘自：Fig4-IEEEstd802-2001LANLANMACLLCEndStationMACLLCEndStationMACMACRelayBridgeMACServiceuserMACSublayerPhysicalLayerMediaInternalorganizationoftheMACsublayerwithbridging第十八页，共54页。3.3.5IEEE802标准族IEEE802标准族成员及其相互关系摘自：IEEEstd802.1Q-2003第十九页，共54页。IEEE802.1:综述、编址、桥接、管理、……IEEE802.2:屏蔽不同类型的LAN，向上提供一致的服务

IEEE802.3/11/15/16/17，……定义不同类型的LAN/MAN内容包括：MAC协议、物理接口、介质需求所有的LAN具有相同的LLC子层及不同的MAC子层和物理层不同的MAC和物理层构成了不同的LAN3.3.5IEEE802标准族-简图802.3……802.2802.11物理层数据链路层PHYMACLLCOSI层次LAN层次802.17…802.1第二十页，共54页。3.4LLC层3.4.1LLC概述3.4.2LLC服务3.4.3LLCPDU3.4.4LLC地址3.4.5LLC协议应用模式第二十一页，共54页。3.4.1LLC概述LLC协议：源于HDLC标准LLC提供DL层的功能两个站点间DL_PDU的传送支持共享介质上的多路访问组播/广播功能LLC：当年位于中心位置向下支持多种MAC协议向上层提供统一接口：LSAP当前的演变、几乎退出实用802.3……802.2802.11物理层数据链路层PHYMACLLCOSI层次LAN层次802.17…802.1第二十二页，共54页。3.4.2LLC服务LLC提供的基本服务无确认无连接服务Unacknowledgedconnectionless-modeservices连接式服务Connection-modeservices有确认无连接式服务Acknowledgedconnectionless-modeservices第二十三页，共54页。3.4.3PDU与数据封装LSAPXLLCMACPHYLLCLLCMACPHYLLCX站点A站点BDATADATADATALLC头DATAMAC尾MAC头LLCPDUMAC帧LLC头DATALLC头部：LLC协议信息含源/宿LLC地址（DA/SA）及其他控制信息MAC头部：MAC协议信息含源/宿MAC地址及其他控制信息MAC尾部：FCS，用于对MAC帧检错一般而言，协议头部在各层协议中是必要的源、宿地址指明谁与谁通信其他控制信息指明如何实现通信第二十四页，共54页。IPIPX...3.4.4LLC地址LLC地址是LLC的LSAP地址的简称LLC地址标识一个LLC用户LLC用户通常是网络层的一个实体网络层有多个用户：通常是多种网络层协议LLC/SAPLLC支持多重SAP每一个SAP都有自己的LLC地址LLCMACPHYLLCLSAP第二十五页，共54页。3.4.4LLC地址——举例LSAP分配：RFC1700-1994LSAP 说明 备注00000000 NullLSAP IEEE01000000 IndivLLCSublayerMgt IEEE11000000 GroupLLCSublayerMgt IEEE00100000 SNAPathControl IEEE01100000 Reserved(DODIP) RFC768/JBP01110000 PROWAY-LAN IEEE01110010 EIA-RS511 IEEE01111010 SIIP JBP01110001 PROWAY-LAN IEEE01010101 SNAP IEEE01111111 SOCLNSIS8473 RFC926/JXJ11111111 GlobalDSAP IEEE第二十六页，共54页。3.5MAC层3.5.1背景3.5.2MAC层的功能3.5.3介质访问控制技术3.5.4MAC帧结构3.5.5MAC地址3.5.6MAC服务3.5.7MAC帧发送与接收第二十七页，共54页。3.5.1背景早期：局域网大都使用共享信道必须提供对传输介质进行访问控制的机制，这就是MAC协议目前：高性能局域网正在使用独享信道不需要介质访问控制协议在高性能局域网标准中，介质访问控制协议名存实亡以太网的CSMA/CD在点对点链路中并不使用万兆位以太网已经不支持共享信道MAC协议仍然是重要的研究课题在新的接入网技术中使用是学术论文的重要题材第二十八页，共54页。3.5.2MAC层功能编址成帧帧发送与接收帧过滤介质访问控制向上层提供无连接的服务在端站系统中，MAC的功能由网卡（NIC）来完成

网卡硬件与主机独立，有CPU、ROM、RAM等独立对MAC帧进行处理，不占主机的时间和空间介质访问管理

完成物理层的功能：编/解码，同步等第二十九页，共54页。3.5.3介质访问控制技术共享信道环境一定需要信道访问控制信道访问控制面临的问题Whereandwho：在哪里控制？由谁控制？集中式控制分布式控制How：如何控制？静态分配与动态分配典型的控制机制轮转、预约、争用第三十页，共54页。3.5.3.1典型MAC技术－轮转时间片轮转，各站点轮流得到传输时间片使用时间片长度可能受限仲裁：集中、分布皆可优点适用于各站点普遍需要发送数据重载性能好典型实例集中式：轮询分布式：令牌环第三十一页，共54页。3.5.3.2典型MAC技术－预约预约技术的基本特点各站点预约成功后方可传输数据仲裁：集中、分布皆可第三十二页，共54页。3.5.3.3典型MAC技术－争用争用技术基本特点各站点竞争成功立即使用仲裁：通常是分布式仲裁优点轻载网络时延短典型实例是局域网最常用的MAC机制CSMA系列第三十三页，共54页。3.5.4MAC帧结构MAC帧通用格式不同的LAN具有相似帧格式，控制信息有差异如：以太帧有长度控制，802.5帧有优先级等同步位DATA帧头用于帧同步、帧定位，硬件完成（物理层）源、目地址及其他控制信息上层数据帧尾校验字段第三十四页，共54页。3.5.5MAC地址3.3.5.1MAC地址概述3.3.5.2全局地址、局部地址3.3.5.3单播、组播、广播地址3.3.5.4MAC地址表示法第三十五页，共54页。3.5.5.1MAC地址概述LAN的MAC地址在LAN站点间识别的唯一标识LAN站点的相互通信的地址在一个LAN中地址唯一MAC地址通常使用网卡的MAC地址MAC地址并不标识一个MAC用户而是标识MAC实体本身！第三十六页，共54页。3.5.5.1MAC地址概述MAC地址是逻辑地址还是硬件地址？MAC地址是一个逻辑地址在形成MAC帧时使用的源或目的地址通常，首次初始化时直接使用网卡硬件地址MAC地址可以人工更改，如果更改了，则成帧时使用更改后的MAC地址注意：MAC地址的更改，并不等于网卡地址更改了！网卡地址是不能更改的！第三十七页，共54页。3.5.5.1MAC地址概述地址长度：通常采用48位地址标准定义了16位、48位两种地址地址分类按管理策略分类：全局地址和局部地址全局地址：网卡的硬件地址，全世界唯一局部地址：人为设置的地址，一个局域网内唯一按通信对象分类：广播、组播和单播地址MAC地址可以使用全局地址，也可使用局部地址第三十八页，共54页。3.5.5.2（1）全局MAC地址

全局地址固化在网卡硬件上全局地址全世界唯一IEEE向全世界网卡生产厂分配厂商代号OUI（organizationalUniqueIdentifier),占前3字节,保证网卡地址全球唯一例：3Com公司OUI：00-60-80Intel公司OUI：00-90-27等等如使用全局地址，更换网卡则站点MAC地址随之改变好处：网上的新老设备不会发生地址冲突不利之处：地址不连续，管理不便第三十九页，共54页。3.5.5.2（2）局部MAC地址（本地地址）本地地址由人工配置，可以根据需要更改一般只在本地网络中使用本地地址在本地网中唯一可按一定规律配置本地地址如：楼号—楼层号—办公室—……等编址好处：主机更换网卡可不改变MAC地址（通过人工配置来保证）不利之处：加重管理员的负担，必须人工配置网卡坏了换新卡时必须重新配置特别提醒若不手动设置MAC地址，则站点的MAC地址采用网卡的固化地址如手动设置了MAC地址，则站点的MAC地址采用手动设置的地址第四十页，共54页。3.5.5.2单播、组播、广播地址单播地址（Uncast)表示一个站的唯一地址组播地址（mulitcast)表示一组站的地址广播地址(boardcast)LAN所有站都接收的地址48位全1FF-FF-FF-FF-FF-FF注：网卡能识别的地址：一般能识别单播地址和广播地址要接收组播帧，必须对网卡进行配置单播为0组播为1高6位第四十一页，共54页。3.5.5.2单播、组播、广播地址假设A、B、C、D四站属于同一个冲突域（共享域），请问下列各种情况下，MAC帧的目的地址可能是何种地址？（假设MAC帧到达各站都是无错的）A、B将数据上交高层，其他站丢弃。A将数据上交高层，其他站丢弃。A、B、C、D各站都将数据上交高层。A、B、C、D各站都丢弃。第四十二页，共54页。3.5.5.3MAC地址表示法802标准中的传送顺序高八位组先传、低八位组后传每八位组中，低位先传、高bit位后传MAC地址示例(以下是线路上发送的顺序）001101010111101100010010000000000000000000000001Hexdecimalrepresentation（IETF）

十六进制表示法：AC-DE-48-00-00-80（机内存储顺序）

Bit-reversedrepresentation（IEEE）

比特反转表示法：35:7B:12:00:00:01（线路发送顺序）八位组八位组

八位组高到低顺序b7b0低到高位第四十三页，共54页。3.5.6MAC服务数据发送请求MA-UNITDATArequest数据到达指示MA-UNITDATAindication发送状态指示MA-UNITDATA-STATUSindication向上层提供前一数据发送请求的状态信息仅具有本端含义例如，CSMA/CD网络中的“冲突过多”状态第四十四页，共54页。3.5.6MAC子层提供的服务质量无连接，尽力而为

只负责将MAC帧尽可能快的传到信道只简单的丢弃无效帧，无差错控制功能帧中不含序号，丢失帧MAC子层不知道不保证可靠的服务，可靠性由上层保证第四十五页，共54页。3.5.7MAC帧发送与接收（网卡完成）工作站对帧的发送MAC帧头中含源、目MAC地址目的MAC地址由上层提供目的MAC地址可为单播、组播或广播上层数据高层MAC帧MAC层MAC帧同步位物理层编码位流通过介质发送第四十六页，共54页。3.5.7MAC帧发送与接收（网卡完成）工作站对帧接收

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丢弃无效帧什么是无效帧？

四种可能接收情况

单播、广播，地址相符的组播

单播、广播

单播、广播、所有组播

所有帧（监控用）

长度不是整字节数

长度不在规定范围之内

校验出错第四十七页，共54页。3.6 物理层概要LAN标准中的物理层OSI物理层通常不包括传输介质然而802模型的物理层包括传输介质的使用规范介质的使用在LAN标准中十分重要LAN技术强烈地依赖于传输介质LAN直接在传输介质上传输位，这是LAN与