第5章局域网技术课件.ppt

1、第五章局域网技术第五章局域网技术 主要内容局域网体系结构信道共享技术以太网系列标准无线网络5.1 局域网概述局域网概述 局域网产生的原因 80年代，微型机发展迅速，彼此需要相互通信（近距离），共享资源；功能分布：分布式计算，分布式数据库 局域网是一种将小区域内的各种通信设备局域网是一种将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。互连在一起的通信网络。hubhubhubhubhubhubSwitchSwitchServerServerfarmfarmstationstationstationsstationsstationsstations 覆盖范围小房间、建筑物、园区范围距离25km 高传输

2、速率10Mbps 1000Mbps 低误码率10-8 10-10 采用基带传输 为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务 局域网的基本特征 局域网拓扑结构 星型结构 环型结构 总线型结构 树型结构 传输介质 双绞线 基带同轴电缆 光纤 无线BusABCCStarABCADARingCBT 局域网的局域网的IEEE 802体系结构体系结构 802标准在网络体系结构中的位置IEEE 802体系结构中的主要标准体系结构中的主要标准 802.1A 概述和体系结构 802.1B 寻址、网络管理、网络互连及高层接口 802.2 逻辑链路控制子层LLC 802.3 以太网访问方法和物理层规范 802.4

3、令牌总线网访问方法和物理层规范 802.5 令牌环网访问方法和物理层规范 802.6 城域网访问方法和物理层规范（DQDB）802.8 光纤技术相关标准 802.9 综合话音数据局域网 802.10 互操作LAN安全标准(SILS)802.11 无线局域网(Wireless LAN)802.12 100VG ANYLAN网 802.14 交互式电视网（包括 cable modem)802.15 短距离无线网络WPAN,包括蓝牙 802.16 宽带无线接入 802.17 弹性分组环RPRLANLANLANLAN参考模型参考模型参考模型参考模型IEEE802标准标准网络层网络层数据链路层数据链路层

4、物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC媒体访问控制媒体访问控制 MAC高层高层OSIIEEE 802物理层物理层PHYIEEE802IEEE802数据链路层分层的目的数据链路层分层的目的 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分部分分开开，降低实现的复杂度。，降低实现的复杂度。局域网特点：局域网特点：共享信道共享信道(如总线如总线)。需要解决介。需要解决介质访问控制质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立问题。分层可以使帧的传输独立于介质和于介质和MAC方法。方法。LLC：与介质、拓扑无关与介质、拓扑无关 MAC：与介质、拓扑相关：与介质

5、、拓扑相关IEEE802IEEE802网络体系各层功能网络体系各层功能1.物理层的功能信号的编码/译码前导码的生成/去除比特的发送/接收2.数据链路层的功能MAC子层功能：成帧/拆帧，实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供SAP，建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。1.LLC帧格式 （控制信息与HDLC大同小异）逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）高层高层PDU LLC数据数据 LLC首部首部MAC首部首部MAC尾部尾部MAC数据数据LLC帧和帧和MAC帧的关系帧的关系SSAP控制控制数据数据 111/2长度

6、无限制长度无限制 单位：字节单位：字节DSAPLLC PDU2.服务访问点（SAP）LLC SAP：向上层提供进程访问能力。MAC SAP：MAC地址（即：网卡地址、物理地址）3.LLC提供的服务类型LLC1 不确认无连接的服务LLC2 面向连接的服务LLC3 带确认无连接的服务LLC4 高速传输服务（1991年专为城域网提出）5.2 信道共享技术信道共享技术 计算机网络可以分成两类：使用点到点连接的网络 广域网 使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络局域网关键问题：如何解决对信道争用 解决信道争用的协议称为介质访问控制协议 MAC（Medium Access Control），是数

7、据链路层协议的一部分。信道分配方法 静态分配 频分多路复用 FDM（波分复用WDM）原理：将频带平均分配给每个要参与通信的用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；缺点：无法灵活适应站点数及其通信量的变化。时分多路复用 TDM 原理：每个用户拥有固定的信道传送时槽；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户的通信量都较大的情况；缺点：无法灵活适应站点数及其通信量的变化。动态分配 局域网都采用动态分配策略，即根据当前对信道请求的情况动态协调各用户对信道的使用权。主要有以下两类：冲突协议无冲突协议 冲突协议冲突协议一、ALOHA协议 上世纪上世纪70年代，年代，Norm

8、an Abramson设计了设计了ALOHA协议协议目的：解决信道的动态分配，基本思想可用于任何无协调关系的用户争用单一共享信道使用权的系统；分类：纯ALOHA协议和时间片ALOHA协议 纯ALOHA协议基本思想：用户有数据要发送时，可以直接发至信道；然后监听信道看是否产生冲突，若产生冲突，则等待一段随机随机的时间重发。时间片ALOHA协议 基本思想：把信道时间分成离散的时间片，片长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时间片开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。纯ALOHA的发送过程载波监听多路访问协议载波监听多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple A

9、ccess Protocols）载波监听（Carrier Sense）站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。多路访问（Multiple Access）多个用户共用一条线路 1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA）原理 若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。二、载波监听多路访问协议二、载波监听多路访问协议CSMA（2）优点：减少了信道空闲时间；缺点：增加了发生冲突的概率；广播延迟对协议性

10、能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）原理 若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。优点：减少了冲突的概率；缺点：增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；信道效率比 1-坚持CSMA高，传输延迟比 1-坚持CSMA大。二、载波监听多路访问协议二、载波监听多路访问协议CSMA（3）p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）适用于分槽信道 原理 若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，

11、则以概率p发送数据，以概率q=1-p 延迟至下一个时槽发送。若下一个时槽仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时槽被其他站点所占用；若信道忙，则等待下一个时槽，重新开始发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。五种多路访问协议性能比较 引入原因 当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD。原理 站点使用CSMA协议进行数据发送；在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突

12、；在发出干扰信号后，等待一段随机时间（称为退避）（称为退避），再重复上述过程。带冲突检测的载波监听多路访问协议带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD 无冲突协议（无冲突协议（Collision-Free Protocols）基本位图协议（A Bit-Map Protocol）工作原理：共享信道上有N个站，竞争周期分为N个时槽，如果一个站有帧发送，则在对应的时槽内发送比特1；N个时槽之后，每个站都知道哪个站要发送帧，这时按站序号发送。BRAP具有轮换优先权的广播识别协议 按序轮转分配各站的发送权；预约时间片的个数和工作站数相等。令牌协议令牌协议 在网络中流转着一个被称为“令牌Token”

13、的帧，一个节点要发送数据必须首先截获令牌，由于网络中只有一个令牌，从而不会产生冲突。5.3 传统以太网传统以太网一、IEEE 802.3 和 Ethernet 历史 ALOHA系统 ALOHA+载波监听 Xerox 设计了2.94Mbps的采用CSMA/CD协议的Ethernet Xerox,DEC,Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准 IEEE定义了采用1-坚持型CSMA/CD技术的802.3局域网标准，速率从1M到10Mbps，802.3标准与以太网协议略有差别。EthernetEthernet和和IEEE 802.3IEEE 802.3的的帧格式不同帧格式不同。物理

14、层类型用以下域表示：802.3802.3布线介质标准布线介质标准布线介质标准布线介质标准10Base5 粗同轴粗同轴10Base2 细同轴细同轴10BaseT 双绞线双绞线10BaseF MMF100BaseT 双绞线双绞线100BaseF MMF/SMF1000BaseX 屏蔽短双绞线屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT 双绞线双绞线数据率（数据率（数据率（数据率（MbpsMbps）基带或宽带基带或宽带基带或宽带基带或宽带BaseBase，BroadBroad段最大长度（百米）或段最大长度（百米）或段最大长度（百米）或段最大长度（百米）或介质类型（介质类型（介质类型（介质类型（T

15、T，F F，X X）10 Base 5(a)10BASE5 (b)10BASE2 (c)10BASET以太网基本组成和工作原理以太网基本组成和工作原理1.总线2.广播式通信和争用总线广播式通信随机发送产生“冲突”现象载波检测讲前先听冲突检测边讲边听3.接口和帧检测最短帧长最短帧长 避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该大于 2；10Mbps LAN，最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长为64字节；网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。以太网介质访问控制子层以太网介质访问控制子层MAC 以太网的介质访问控制方法以太网的介质访问控制方法 二进制指数后退算

16、法二进制指数后退算法（binary exponential backoff）将冲突发生后的时间划分为长度为将冲突发生后的时间划分为长度为51.2微秒的时槽微秒的时槽 发生第一次冲突后，各个站点等待发生第一次冲突后，各个站点等待 0 或或 1 个时槽个时槽再开始重传；再开始重传；发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0,1,2或或3个时槽再开始重传；个时槽再开始重传；第第 i 次冲突后，在次冲突后，在 0 至至 2i-1 间随机地选择一个等待间随机地选择一个等待的时槽数，再开始重传；的时槽数，再开始重传；10次冲突后，选择等待的时槽数固定在次冲突后，选择

17、等待的时槽数固定在0至至2101之间；之间；16次冲突后，发送失败，报告上层。次冲突后，发送失败，报告上层。帧格式说明帧格式说明（1）1.前导码 7个字节的10101010，产生固定频率的方波信号（如1000MHZ)，持续56微秒，收收发双方的时钟同步。2.帧首定界符 1个字节的10101011，标志着帧的开始。3.目的地址和源地址 共6个字节，前三个字节由IEEE802分配给厂商，后三个字节由厂商唯一地分配给所生产的网卡。对目的地址，以太网只有最高位有定义，为“0”表示单播，为“1”表示多播或广播。若广播要求目的地址全“1”。而IEEE802.3对最高位和次高位都有定义，最高位与以太网相同。

18、次高位为“0”表示全局管理地址，为“1”局部管理地址，一般情况下总为全局管理地址（由IEEE802分配）。帧格式说明帧格式说明（2）4.长度或类型长度字段（IEEE802.3）表示LLC-PDU的字节数，范围461500。当长度小于46字节时，需要在帧填充字段中填“0”。类型字段（以太网）说明高层使用的协议，如IP,IPX等。为保证以上两种帧可以兼容，类型字段的类型码需大于1536D(0600H)，如0800H表示IP,8137H为IPX等。若此字段的值小于(0600H)表示为IEEE802.3类型的帧。5.数据 此字段的值即LLC-PDU的帧，长度为461500字节。6.帧校验序列 采用32

19、位的循环冗余校验法。校验内容包括除PA,SFD和FCS以外的其它字段。7.编码 数据传输使用曼彻斯特编码。帧格式说明帧格式说明（3）网桥及交换式以太网网桥及交换式以太网定义：网桥（bridge）是工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的LAN之间实现帧的存储和转发。网桥的特征 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；网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；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。网桥完成异种网互联网桥

20、完成异种网互联透明网桥透明网桥/生成树网桥（）生成树网桥（）工作原理：网桥工作在混杂（promiscuous）方式，接收所有的帧；网桥接收到一帧后，通过查询地址/端口对应表来确定是丢弃还是转发；网桥刚启动时，地址/端口对应表为空，采用洪泛（flooding）方法转发帧；在转发过程中采用逆向学习（backward learning）算法收集MAC地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与端口的对应关系，并写入地址/端口对应表；网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项；透明网桥透明网桥/生成树网桥（）生成树网桥（）帧的路由过程 目的LAN

21、与源LAN相同，则丢弃帧；目的LAN与源LAN不同，则转发帧；目的LAN未知，则洪泛帧，并逆向学习。多个网桥（并行网桥）可能产生回路 解决多个网桥产生回路的问题 思想 让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生成树（Spanning Tree）覆盖实际的拓扑结构。在端口X上收到无错数据帧在站表中找到目的站？方向为端口X？沿正确方向转发帧丢弃帧向除X以外所有端口转发该数据帧源站在站表中？将源站加入到站表更新方向完成YNNNYY透明桥接器透明网桥透明网桥/生成树网桥（）生成树网桥（）构造生成树 每个桥广播自己的桥编号，号最小的桥称为生成树的根；每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每

22、个LAN和桥到根的路径最短；当某个LAN或网桥发生故障时，要重新计算生成树；生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树。源路由网桥（）源路由网桥（）CSMA/CD和Token Bus选择了透明网桥，Token Ring选择了源路由网桥 源路由网桥的原理 帧的发送者知道目的主机是否在自己的LAN内；如果不在，在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，包含要经过的网桥、LAN的编号。并将发出的帧的目标地址的最高位置1；例如路由为：（L1，B1，L2，B2，L3）每个LAN有一个12位的编号，每个网桥有一个4位的编号；网桥只接收目标地址的最高位为1的帧，判定是转发还是丢弃；源路由网

23、桥（源路由网桥（）源路由的产生：每个站点通过广播“发现帧”（discovery frame）来获得到各个站点的最佳路由。若目的地址未知，源站发送“发现帧”，每个网桥收到后广播，目的站收到后发应答帧，该帧经过网桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知道了到目的站的最佳路由。优点 对带宽进行最优的使用。缺点 网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预。站点要知道网络的拓扑结构。交换式以太网交换式以太网1.站表2.交换式集线器的交换方式主要有以下三种：存储转发式交换直通式交换碎片交换方式 端口号站点MAC地址1A2B4C6D全双工以太网全双工以太网 全双工以太网与传统以太网的最大区别是：在全双工以太网中

24、，以太网中的介质访问控制方法CSMA/CD不再有效。为了能够以全双工方式工作，以太网必须满足以下条件：（1）发送和接收信道必须使用分离的网络介质；（2）任两个节点间须配备专门的链路；（3）网卡和网络交换机必须支持全双工方式。由于以上限制，全双工以太网主要用于以下场合：交换机到交换机的连接，它们之间通常有较远的距离；交换机到服务器的连接，以提高通往服务器链路的带宽；长距离节点间的连接。5.4 5.4 高速以太网高速以太网 一、快速以太网（Fast Ethernet）标准 1995年，IEEE通过802.3u标准，实际上是802.3的一个补充。原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特时间从100n

25、s缩短为10ns。对10 Mbps 802.3 LAN的改进 一种方法是改进10Base-5 或 10Base-2，采用CSMA/CD，最大电缆长度减为1/10，未被采纳；另一种方法是改进10Base-T，使用HUB，被采纳。100100BaseTBaseT标准概览标准概览 10BASE-T100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T4编码方法曼彻斯特4B/5B4B/5B8B/6T传输介质UTP3/4/5UTP5,STP1多模/单模光纤UTP3/4/5信号频率20MHz125MHz125MHz25MHz使用线对2对2对2对4对发送线对1对1对1对3对网段距离100m100m150

26、/412/2000m100m全双工能力有有有无 100Base-T4 使用4对 ISO/IEC 11801定义的 3、4、5类平衡双绞线;3类非屏蔽双绞线（UTP），使用25MHz的信号（802.3使用20MHz的信号，由于使用Manchester编码，波特率=2*比特率）；4对双绞线，1对 to the hub，1对 from the hub，另外2对根据数据传输方向变换；8B6T（8 bits map to 6 trits）编码，使用三进制信号（ternary signals），1对双绞线的比特率为25*8/6=33.3 Mbps；100Base-TX 使用2对5类平衡双绞线或150屏蔽平

27、衡电缆，1对 to the hub，1对 from the hub，全双工；5类双绞线使用125 MHz的信号；4B5B编码，5个时钟周期发送4个比特，物理层与FDDI兼容，比特率为 125*4/5=100 Mbps；100Base-FX 使用2根多模光纤，全双工 100Base-T4 和 100Base-TX 统称 100Base-T。二、千兆以太网（二、千兆以太网（Gigabit Ethernet）IEEE制定了2类千兆位以太网的物理层标准 802.3z（1000BaseX光纤标准），包括以下3种介质：1000Base-SX 针对短波长（850nm）的多模光纤上 1000Base-LX 针

28、对长波长(1300nm)的单模或多模光纤 1000Base-CX就是针对低成本、优质的屏蔽双绞线或同轴电缆。802.3ab（1000BaseT双绞线标准）制定1000Base-T千兆位以太网物理层标准。它规定使用4对5类、超5类、6类UTP双绞线，将传输距离扩展到100米，非屏蔽双绞线缆的工作方式，最长传输距离为100米。千兆以太网的体系结构千兆以太网的体系结构千兆以太网改进技术（千兆以太网改进技术（1）载波扩展 根本目的在于扩展网络的物理覆盖范围，由物理层控制，而帧填充是由链路层控制 共享式千兆时间槽增加到512B，10M和100M Ethernet都是64B 最小帧长度保持在64B 发送的

29、数据帧超过512B，则无需载波扩展，若处于64B512B之间，需要载波扩展千兆以太网改进技术（千兆以太网改进技术（2）帧突发 数据包捆绑：在一个时间槽内捆绑多个网络帧，提高带宽使用效率，但需要彻底改变MAC接口 帧突发 在发送数据帧的同时启动一个突发定时器 选择发送另一数据帧条件：1、存在待发送数据帧；2、突发定时器尚未失效 突发前的第一个数据帧需要载波扩展，突发期间的数据帧不需要 所有的发送数据帧长度之和不得超过1500B10吉比特以太网吉比特以太网 10吉比特以太网与早期以太网的主要区别（1）不再支持单工模式，只定义了全双工模式；（2）由于传输速率高，只能使用光纤作为传输介质；（3）不采用

30、带冲突检测的载波监听多址访问协议（CSMA/CD）协议；（4）使用64B/66B和8B/10B两种编码方式；（5）定义了两种物理层，分别用于支持局域网和广域网。10吉比特以太网物理层结构吉比特以太网物理层结构 5.5 虚拟局域网虚拟局域网 虚拟局域网的主要应用 局域网内部的局域网 共享访问 交叠虚拟局域网虚拟局域网的优点 网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少 可以控制广播风暴；可提高网络的安全性 虚拟局域网虚拟局域网的划分1.基于端口的划分单交换机端口定义多交换机端口定义2.基于MAC地址的划分3.基于网络层的划分4.基于IP组播的划分 5.6 无线局域网无线局域网无线局域网的优点灵活性和

31、移动性安装便捷易于进行网络规划和调整故障定位容易易于扩展 无线局域网使用的主要技术 红外线局域网 扩频局域网 窄带微波局域网无线局域网的拓扑无中心拓扑有中心拓扑 无线局域网协议标准 IEEE802.11系列协议 蓝牙规范 HomeRF标准HyperLAN/2 标准Zigbee 标准802.11 无线局域网无线局域网 IEEE 802.11IEEE 802.11定义了两种运作模式：特殊（Ad hoc）模式和基础设施（Infrastructure）模式。802.11 无线局域网基础设施模式无线局域网基础设施模式 （1）站STA（station）：任何支持IEEE 802.11的网络设备；（2）基本

32、服务集BBS（Basic Service Set）（3）接入点AP（Access Point）（4）分布式系统DS（Distribution System）（5）扩展服务集ESS（Extended Service Set）802.11 体系结构体系结构隐蔽站和隐蔽站和暴露站暴露站 CSMA/CA工作原理工作原理 一个工作站希望在无线网络中传送数据，如果没有检测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间间隔DIFS，再随机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，则发送一个请求发送帧RTS。接收工作站收到RTS帧后，等待短暂时间间隔SIFS后发一个清除发送控制帧CTS，用于指明准备接

33、收数据。在再次等待一个SIFS间隔后，发送端开始发送数据；接收端收到数据后也等待SIFS时间后发送ACK帧指示数据已经到达。IEEE 802.11帧格式帧格式 IEEE 802.16 宽带无线网络宽带无线网络 与IEEE 802.11相比IEEE 802.16有如下特点：1）IEEE 802.16往往会覆盖一个城市的一个部分，网络跨度较大。因此，也被称为无线MAN。在这种情况下，对于基站的功率，网络的安全性都有较高的要求。2）每个单元中，用户的数量比IEEE 802.11多得多，从而需要更高的带宽。因此，IEEE 802.16也被称为宽带无线网络标准。3）IEEE 802.11的无线网络环境一

34、般都在室内，而IEEE 802.16通常在室外，因此更容易受到天气等因素的干扰。4）虽然IEEE 802.11针对实时数据流提供了一定程度的支持，但它并不是真正为多媒体所设计。而IEEE 802.16的设计目标就是要完全支持这些应用的服务质量要求。IEEE 802.16 体系结构体系结构蓝牙蓝牙 蓝牙（Bluetooth）无线接入技术于1998年发布，最初是以消除各种电器设备之间的有线连接为目标的；随着研究的深入及应用需求，蓝牙技术已经能把各种话音及数据设备，如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、移动电话、数码相机、高品质耳机等，通过无线方式将它们连成一个微微网（Piconet），使各种设备之间实现无缝隙资源共享。蓝牙工作于全球可用的2.4GHz ISM频段，采用了跳频技术来克服干扰和衰落，跳频带宽79MHz，共79个射频信道，其符号传输率为1Mb/s。采用时分双工（TDD）方案进行全双工通信。在信道上以分组的形式交换信息，每个分组在不同的跳频频率上传输，占用1 至 5个时隙，每个时隙长625 s。蓝牙的协议栈蓝牙的协议栈