1、第二章 局域网基础 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：u计算机局域网体系结构uIEEE 802.1d/q/w三协议的主要作用与区别u令牌总线和令牌环网工作原理uCSMA、CSMA/CD工作原理及比较u快速以太网和千兆位以太网工作原理u万兆位以太网的主要特点和工作原理u万兆位以太网的联网规范和物理层结构u主要WLAN标准第第1课时主讲内容课时主讲内容u计算机局域网体系结构及划分依据和各层主要功能u常见IEEE 802局域网标准uIEEE 802.1系列标准及各自工作原理uIEEE 802.2标准
2、的主要作用及所定义的3种通信操作类型u主要的IEEE 802.3系列标准u以太网体系结构及各层主要功能和CSMA/CD模型uCSMA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 计算机局域网体系结构 2.2.1 计算机局域网体系结构概述 按照IEEE 802标准，局域网的体
3、系结构由下图所示的三层协议构成，即物理层（PHY，Physical Layer）、媒体访问控制层（MAC，Media Access Control）和逻辑链路控制层（LLC，Logic Link Control）。其中，“媒体访问控制层”和“逻辑链路控制层”这两层相当于OSI七层参考模型中的第二层，即数据链路层。详细的局域网体系结构描述参见书中介绍。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
4、。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IEEE 802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
5、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 IEEE 802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，IEEE
6、802.2规定的LLC层是公用的。详细比对参见书中介绍。2.3 IEEE 802.1系列协议 IEEE 802.1是一组协议的集合，如生成树协议、VLAN协议等。为了将各个协议区别开来，IEEE在制定某一个协议时，就在IEEE 802.1后面加上不同的小写字母，如IEEE 802.1a定义局域网体系结构；IEEE 802.1b定义网际互联、网络管理及寻址；IEEE 802.1d定义生成树协议；IEEE 802.1p定义优先级队列；IEEE 802.1q定义VLAN标记协议；IEEE 802.1s定义多生成树协议；IEEE 802.1w定义快速生成树协议；IEEE 802.1x定义局域网安全认证
7、等。2.3.1 IEEE 802.1d协议 为了解决“广播风暴”在二层数据网络中存在的弊端，IEEE制定了IEEE 802.1d的生成树（Spanning Tree，ST）协议。STP协议在IEEE 802.1d协议中定义，是一种链路管理协议，为网络提供路径冗余的同时防止产生环路。为使以太网更好工作，两个工作站之间只能有一条活动路径。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（Root Bridge）、根端口（Root Port）、指定端口（Designated Port）、路径开销（Path Cost）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
8、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（Bridge ID），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。2.3.2 IEEE 802.1p协议 IEEE 802.1p是流量优先权控制标准，工作在媒体访问控制（MAC）子层。IEEE 802.1p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。IEEE 802.1p中定义
9、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（Streaming Multimedia）和关键性业务流量（Business-Critical Traffic）；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。IEEE 802.1p协议还定义了GARP（Generic Attribute Registration Protoc
10、ol，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。2.3.3 IEEE 802.1q协议 IEEE 802.1q协议也就是“Virtual Bridged Local Area Networks”（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。IEEE 802.1q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。IEEE 802.1q完成它的功能的关键在于标签。支持IEEE 802.1q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IEEE 802.1
11、q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IEEE 802.1q设备相连的端口必须确保它们用于传输无标签帧。2.3.4 IEEE 802.1w协议 为了解决前面介绍的STP协议缺陷，在21世纪初IEEE推出了802.1w标准，它同样属于生成树协议类型，称为“快速生成树协议”（RSTP），作为对802.1d标准的补充。RSTP引入了新的BPDU处理和新的拓扑结构变更机制。每个网桥每次“hello time”都会生成BPDU，即使它不从根网桥接收时也是如此。BPDU起着网桥间保留信息的作用。如果一个网桥未
12、能从相邻网桥收到BPDU，它就会认为已与该网桥失去连接，从而实现更快速的故障检测和融合。在RSTP中，拓扑结构变更只在非边缘端口转入转发状态时发生。丢失连接，例如端口转入阻塞状态，不会像IEEE 802.1d一样引起拓扑结构变更。IEEE 802.1w协议的拓扑结构变更通知（TCN）功能不同于IEEE 802.1d协议，它减少了数据的溢流。2.3.5 IEEE 802.1s协议 IEEE 802.1s标准中的多生成树（MST）技术把IEEE 802.1w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IEEE 802.1 VLAN标记协
13、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。2.3.6 IEEE 802.1x协议 IEEE 802.1x也称为“基于端口的访问控制协议”（Port Based Network Access Control Protocol）。它的体系结构包括3个重要的部分：Supplicant System（客户端系统）、Authenticator System（认证系统）和Authentication Server System（认证服
14、务器系统）。2.4 IEEE 802.2逻辑链路控制协议 逻辑链路控制（Logic Link Control，LLC）规定了局域网参考模型的数据链路层中LLC子层的实现。IEEE 802.2 LLC应用于IEEE 802.3（以太网）和 IEEE 802.5（令牌环）局域网中。LLC定义了3种数据通信操作类型u类型1：无连接。该方式不保证发送的信息一定可以收到。u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）。u类型3：无连接应答响应服务。2.5 IEEE 802.3协议 当前定义在光纤和双绞线上的
15、传输速率有4种。u10Mb/s：10BASE-T以太网。u100Mb/s：快速以太网。u1000Mb/s：千兆位以太网（802.3z）。u10千兆位以太网：IEEE 802.3ae。2.5.1 IEEE 802.3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。在所有IEEE 802协议中，OSI数据链路层被划分为两个IEEE 802子层：媒体访问控制（MAC）子层和MAC客户端子层。IEEE 802.3物理层对应
16、于OSI参考模型的物理层。MAC子层的主要功能包括：u数据封装u发送媒体访问管理u接收媒体访问管理u接收数据解封 MAC客户端子层可能是以下两种之一：u逻辑链路控制（LLC）：提供终端协议栈的以太网MAC和上层之间的接口，其中LLC由IEEE 802.2标准定义。u网桥实体：提供局域网之间的LAN-to-LAN接口，可以使用相同协议（如以太网到以太网）和不同的协议（如以太网到令牌环）。网桥实体由IEEE 802.1标准定义。2.5.2 IEEE 802.3媒体访问控制协议 IEEE 802.3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CS
17、MA/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。2.5.3 CSMA工作原理 CSMA争用技术适用于总线型和树型拓扑结
18、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。2.5.4 CSMA/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。针对CSMA的改进方案
19、是使发送站点传输过程中仍继续监听媒体，以检测是否存在冲突。如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其他各有关站点。这种方案称为“载波监听多路访问/冲突检测协议”（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD），这种协议已广泛应用于局域网中。它采用的是“二进制指数退避”算法。这种算法的具体原理参见书中介绍。CSMA/CD控制方式的特点是：原理比较简单，技术上也容易实现，网络中各工作站处于平等地位，
20、不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。它的代价是用于检测冲突所花费的时间增加。第第2课时主讲内容课时主讲内容u快速以太网体系结构u3种快速以太网标准u千兆以太网体系结构u万兆以太网主要特点和优势u万兆以太网联网规范和物理层结构u令牌总线工作原理u 令牌环网工作原理、令牌环局域协议标准和令牌环功能u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IEEE 802.3u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）：u100BASE-TX：2对
21、高质量双绞线u100BASE-T4：4对普通双绞线u100BASE-FX：光缆 2.6.2 3种快速以太网标准简介 1100BASE-TX 100BASE-TX介质规范基于ANSI TP-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。2100BASE-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。3100BASE-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、
22、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。2.7 千兆位以太网 千兆位以太网标准是对以太网技术的再次扩展，其数据传输率为1 000 Mb/s，即1 Gb/s，因此也称吉比特以太网。其以太网标准实际上包括：支持光纤传输的IEEE 802.3z和支持铜缆传输的IEEE 802.3ab两大部分。千兆位以太网协议体系结构如书中图2-10所示。千兆位以太网的物理层包括：1 000BASE-SX、1 000BASE-LX、1 000BASE-CX、1 000BASE-CX和1 000 BASE-T 4个协议标准。其中前三个是由IEEE
23、 802.3z标准规定的，而1 000 BASE-T标准则是由IEEE 802.3ab规定的。以上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IEEE 802.3ae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IEEE 802.3ae 10GE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：u带宽更宽，传输距离更长u结构简单、管理方便、价格低廉u便于管理u应用更广u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
24、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）：u10G串行物理媒体层uPMA（物理介质接入）子层uWIS（广域网接口）子层uPCS（物理编码）子层uPMD（物理介质相关）子层uRS（协调子层）和XGMII（10Gb/s介质无关接口）2.9 令牌总线 令牌总线网络通过总线拓扑结构使用75欧姆CATV同轴电缆构造，对应标准为IEEE 802.4。在这种令牌网中，其中的令牌按照站点地址的序列号，从一个站点传送到另外一个
25、站点。这样，这个令牌实际上按照逻辑环，而不是物理环进行传递。在数字序列的最后一个站点将令牌返回到第一个站点。令牌总线控制的优越之处还体现在每个站点传输之前必须等待的时间总量总是确定的，这是因为每个站点发送帧的最大长度可以加以限制。当所有站点都有报文要发送时，在最坏的情况下，等待取得令牌和发送报文的时间，等于全部令牌和报文传送时间的总和；如果只有一个站点有报文要发送，则最坏情况下等待时间只是全部令牌传递时间的总和。有关令牌总线工作原理参见书中介绍。2.10 令牌环网标准 令牌环网（Token Ring）是一种LAN协议，定义在 IEEE 802.5中。在这种令牌环网中，所有的工作站都连接到一个环
26、上，每个工作站只能同直接相邻的工作站传输数据。通过围绕环的令牌信息授予工作站传输权限。令牌环在物理上是一个由一系列环接口和这些接口间的点对点链路构成的闭合环路，各站点通过环接口连到网上。令牌网络中，RPU（转发器）从其中的一个环段（称为“上行链路”）上获取帧中的每个位信号，再生（整形和放大）并转发到另一环段（称为“下行链路”）。如果帧中宿地址与本节点地址一致，复制MAC帧，并送给附接本RPU的节点。详细的工作原理参见书中介绍。令牌环局域协议标准包括四个部分：逻辑链路控制（LLC）、媒体访问控制（MAC）、物理层（PHY）和传输媒体，IEEE 802.5协议规定了后面3个部分的标准。令牌环功能主
27、要体现在以下4个方面：帧发送、令牌发送、帧接收和优先权操作。2.11 无线局域网 无线局域网（WLAN）技术定义在 IEEE 802.11 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：IEEE 802.11、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g（详细描述参见书中介绍）。2.11.1 主要无线局域网标准 uIEEE 802.11b：1999年9月发布，工作在免费的4.4GHz4.4835GHz频段，数据传输速率为11Mb/s。uIEEE 802.11a：2001年底发布，工作频段为商用的5GHz频段，数据传输速率为54Mb/s。uIEEE
28、 802.11g：2003年6月发布，也工作在免费的4.4GHz4.4835GHz频段，数据传输速率也为54Mb/s。但它兼容IEEE 802.11b设备。uIEEE 802.11n：还未正式发布，但该标准采用OFDM（正交频分复用）和MIMO（多进多出）技术，第二个草案显示该标准目前已支持300Mb/s传输性能。2.11.2 其他WLAN标准uIEEE 802.11e：WLAN的质量服务（QoS）标准，它对无线局域网MAC子层协议提出改进，以支持多媒体传输，以支持所有无线局域网的无线广播接口服务质量保证QoS机制。uIEEE 802.11i：这是IEEE提出的新一代WLAN安全标准，把1999年制定的IEEE 802.1x安全标准引入了WLANuIEEE 802.11h：用于802.11a的频谱管理技术uIEEE 802.11f：定义了访问节点之间的通信，支持IEEE 802.11的接入点互操作协议（IAPP）。以上标准的详细描述参见书中介绍。
