介质访问控制技术与局域网.ppt

计算机网络,授课老师：安 莹,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术介质访问控制技术局域网的参考模型及协议以太网局域网连网及网络互联设备虚拟局域网高速局域网,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 多路复用是一种将若干彼此无关的信号合并成一路复合信号并在一条公用信道上传输，到达接收端后再进行分离的方法。它包含信号复合、传输和分离三个方面的内容。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 频分多路复用FDMA 频分多路复用技术将具有一定带宽的信道在逻辑上划分为n个较小带宽的子信道，选择n路信号，根据各自不同的调制器，对各路频率不同的载波进行调制，这种技术叫做频谱搬移技术。从而在每路子信道传输一路调制信号，达到信道复用的目的。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 频分多路复用FDMA 为了使n路信号各不相干扰覆盖，在每路信号的频段之间增加防护频带，即是使各路子信道的带宽大于各路信号的带宽。在接收端，增加不同频段的接收滤波器，从而将各路信号恢复出来。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 频分多路复用FDMA,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 频分多路复用FDMA主要优点在于实现相对简单，技术成熟，能较充分地利用信道频带，因而系统效率较高。主要缺点：保护频带的存在大大地降低了FDM技术的效率；信道的非线性失真改变了它的实际频带特性，易造成串音和互调噪声干扰；所需设备量随输入路数增加而增多，且不易小型化；频分多路复用本身不提供差错控制技术，不便于性能监测。因此，在实际应用中，FDMA正在被时分多路复用所替代。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 时分多路复用TDMA 时分多路复用通信是指各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。具体地说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开、互不干扰的目的。目前常用的TDMA有两种：同步时分多路复用（Synchronous Time Division Multiplexing，STDM）统计时分多路复用（Asynchronous Time Division Multiplexing，ATDM）,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 时分多路复用TDMA 同步时分多路复用（STDM）同步时分复用采用固定时间片分配方式，即将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段（一个周期），再将每个时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各路信号，各路信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 时分多路复用TDMA 同步时分多路复用（STDM）由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都拥有一定时隙，这就造成时隙浪费，其时隙的利用率很低，为了克服STDM的缺点，引入了异步时分复用技术。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 时分多路复用TDMA 异步时分多路复用（ATDM）异步时分多路复用又称统计时分复用技术，它能动态地按需分配时隙(不需要发送数据的用户不分给时间片)，以避免每个时间段中出现空闲时隙。ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它；当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲可用于其他用户的数据传输。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 时分多路复用TDMA 异步时分多路复用（ATDM）,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 时分多路复用TDMA 异步时分多路复用（ATDM）ATDM存在的一些潜在的技术缺陷：时延问题。ATDM常用的三种缓冲控制技术：同信道信号传输 异信道信号传输 降低时钟，减缓数据吞吐量。前两种技术可用于控制异步终端的数据流，而后一种技术适用于同步终端。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 波分多路复用WDMA 波分多路复用在概念上与频分多路复用相似，因此也称其为光的频分复用。所不同的是波分多路复用技术应用于全光纤组成的网络中，传输的是光信号，并按照光的波长区分信号。WDM技术的工作原理如图所示。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 码分多路复用CDMA 码分多路复用也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会互相干扰，且抗干扰能力强(手机通信就是码分多路复用)。,第四章 多路复用、信道共享与局域网,多路复用技术 空分多路复用SDMA 空分复用(SDM)是利用空间分割构成不同信道的一种多路复用方法。比如较常用的适用于100Mb/s的高速数据传输的5类线。,第四章多路复用、信道共享与局域网,局域网概述产生原因：80年代以来，微型机发展迅速，彼此间需要相互通信（近距离），共享资源定义：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三个属性局域网是一种通信网络通信设备是广义的在一个小区域内基本特点高数据传输率（10 1000 Mbps）短距离（0.01 10 km）低出错率（10-8 10-11）,4.1 介质访问控制技术,计算机网络可以分成两类广域网使用点到点连接的网络 局域网使用广播信道（多路访问信道，随机访问信道）的网络关键问题：如何解决对信道争用介质访问控制协议 MAC（Medium Access Control）用来解决信道的争用问题，是数据链路层协议的一部分,4.1 介质访问控制技术,两种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：无法灵活地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动态分配：争用协议,4.1 介质访问控制技术,信道分配模型的五个基本假设：站点模型：每个站点是独立的，并以一定的速率产生帧，一帧产生后到被发送走之前，站点被封锁单信道假设：所有的通信都是通过公用信道来完成的，各个站点都可以从信道上收发信息冲突假设：若两帧同时发出，会相互重叠，结果使信号无法辨认，称为冲突；所有的站点都能检测到冲突，冲突帧必须重发确定何时发送（连续时间和时间分槽）确定能否发送（载波监听和非载波监听）,4.1.1 争用协议,ALOHA协议 70年代，美国夏威夷大学Norman Abramson设计了ALOHA协议目的：解决竞争系统的信道动态分配问题竞争系统：多个用户以某种可能导致冲突的方式共享公用信道的系统分类：纯ALOHA协议和分槽ALOHA协议,4.1.1 争用协议,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，则等待一段随机时间重发,使用纯ALOHA，用户可以在任意时间任意发送数据帧,4.1.1 争用协议,ALOHA协议,4.1.1 争用协议,分槽ALOHA协议基本思想：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间；每个站点只能在时槽开始时才允许发送信道效率 冲突危险区是纯ALOHA的一半，所以信道利用率提升为纯ALOHA的一倍,4.1.1 争用协议,纯ALOHA与分槽ALOHA最大吞吐率的比较,4.1.1 争用协议,载波监听多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple Access Protocols）多路访问（Multiple Access）多个用户共用一条线路载波监听（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,4.1.1 争用协议,1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA）工作过程若站点有数据发送，先监听信道若站点发现信道空闲，则发送若信道忙，则持续监听直至发现信道空闲，并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优点：减少了信道空闲时间缺点：增加了发生冲突的概率,非坚持型CSMA（non-persistent CSMA）工作过程若站点有数据发送，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，重新开始发送过程若产生冲突，等待一随机时间，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,4.1.1 争用协议,4.1.1 争用协议,p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）工作过程若站点有数据发送，先监听信道若站点发现信道空闲，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，重新开始发送是一种折中方案，既能像非坚持型CSMA那样减少冲突，又能像1-坚持型CSMA那样减少信道的空闲时间，适用于分槽信道,4.1.1 争用协议,三种CSMA协议的发送过程,4.1.1 争用协议,4.1.1 争用协议,带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD引入原因当两个帧发生冲突时，两个被损坏的帧继续传送毫无意义，且信道无法被其他站点使用；若站点一边发送一边监听，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工作过程站点使用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在发出干扰信号后，等待一段随机时间，重复上述过程,4.1.1 争用协议,工作状态传输周期、竞争周期、空闲周期问题：一个站点确定发生冲突要花多少时间？最坏情况下，2倍电缆传输时间,CSMA/CD功能流程图,4.1.1 争用协议,先听再说，边说边听一旦冲突，立即停说等待时机，然后再说,4.1.1 争用协议,CSMA/CD二进制指数退避算法当站点发生第1次冲突，等待0211个时间片当站点发生第2次冲突，等待0221个时间片依此类推，当站点发生第n次冲突，若n10时，等待02n1个时间片；若n10，等待0210个时间片当站点发生冲突的次数达到第16次时，将放弃该数据帧的发送,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,IBM选择Token Ring作为它的LAN技术IEEE802.5标准定义了令牌环介质访问控制协议环中各个站点是平等的站点获得信道的时间有上限令牌环可以避免冲突发生,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,令牌环的组成 由一系列环接口和这些接口间的点到点链路构成的闭合环路，各站点通过环接口连到网上,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,环接口的两种操作模式侦听模式传输模式,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,令牌环介质访问控制的工作过程使用特殊的令牌帧，当某个站点有数据帧要发送时，必须等待标记为空的令牌帧到来，将令牌帧的空标记改为忙，并在令牌允许的持有时间内发送数据帧发送的数据帧在环上循环的过程中，所经过的环上的各个站点都将帧上的目的地址与本站点的地址进行比较，若不等则直接传给后面的站点，若相等则将帧复制接收，然后继续传给后面的站点,令牌环介质访问控制的工作过程发送的数据帧在环上循环一周后再回到发送站，由发送站将该帧从环上移去，同时将令牌的忙标记改为空标记，传给后面的站空令牌帧在环上循环，经过某站点时，若该站点有数据帧要发送则重复上述过程，若该站点没有数据帧发送则将令牌帧传给下一个站点,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,令牌环工作举例：A站点向C站点发送数据帧,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,环的比特长度,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,每比特物理长度指1比特在环上占有的长度。每个环接口处也会产生至少1比特的延时环比特长度=传播时延数据传输速率接口延迟位数 环路介质长度/200（m/s）,环的比特长度,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,例：某令牌环介质长度为10Km，数据传输速率为4Mbps，环路上共有50个站点，每个站点的接口引入1位延迟，则可计算得：环的比特长度=10（Km）/200（m/s）4（Mbps）1（bit）50=500（bit）,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,线路中心 站点通过两对双绞线与线路中心相连，线路中心设有旁路中继器(由各站供电)，若站点故障，旁路中继器释放，将该站旁路，出错站点被旁路后环可继续正常使用,令牌帧格式 3字段，一个开始定界符SD和一个结束定界符ED,开始定界符JK0JK000，结束定界符JK1JK1IE,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,数据帧格式：8字段,SD、ED：开始/结束定界符，与令牌帧相同AC访问控制：1字节，包含PPPTMRRR PPP：优先级位 T：令牌位（0为令牌帧，1为数据帧）M：监控位 RRR：预约位FC帧控制：1个字节，为FFZZZZZZ F：帧类型位 Z：控制位目的地址/源地址：2或6个字节数据：05000字节 帧校验序号：4个字节 FS帧状态：1个字节，为ACXXACXX A：地址确认位 C：帧复制位 X：未定义,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,访问控制字段AC,帧控制字段FC,帧状态字段FS,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,数据帧格式：,4.1.2 令牌环介质访问控制技术,令牌环的维护 需要对令牌环进行维护的情况站点发送帧，帧未返回到该站点前该站点崩溃：产生了一个不能移去的帧（无主帧）站点接收帧或令牌后就崩溃：环上没有令牌通过监控站和帧控制字段来完成对令牌环的维护设置监控站，对新帧监控位设置为0，帧通过监控站时，将监控位改为1，如该帧再通过监控站（表明是不能移去的帧），移去并产生一个新令牌监控站设置计时器，只要监控站发送一个帧或令牌，就启动计时器，超时（帧或令牌丢失），则产生一个新令牌,4.1.3 令牌总线访问控制技术,CSMA/CD介质访问控制采用总线争用方式，具有结构简单、在轻负载下延迟小等优点，但随着负载的增加，冲突概率增加，性能将明显下降Token ring具有重负载下利用率高、对距离不敏感以及具有公平访问等优越性能，但环形网结构复杂，存在可靠性等问题令牌总线是综合了以上两种机制的优点而形成的一种介质访问控制方法，IEEE802.4提出了相关标准：令牌总线(Token Bus)介质访问控制方法,4.1.3 令牌总线访问控制技术,令牌总线局域网的结构 物理结构是总线的，逻辑结构是环型的应用于工厂自动化和过程控制及需要实时处理的场合,4.1.3 令牌总线访问控制技术,逻辑环：每个站点都有一个逻辑标识/地址，逻辑环中各站点根据其地址由大到小有序排列，序列中最后一个站点与第一个站点逻辑相邻，每个站点都知道它的前趋站和后继站的逻辑标识,4.1.3 令牌总线访问控制技术,令牌总线局域网的帧格式,4.2 局域网的参考模型及协议,局域网LAN具有共享传输信道、传输速率较高、误码率低以及可靠性高等特点局域网的体系结构及传输控制具有不独立设置网络层、低层协议简单而介质访问控制技术复杂的特点局域网大多采用总线型、环型或星型的拓扑结构,4.2.1 局域网的参考模型,4.2.1 局域网的参考模型,局域网各层的主要功能 物理层：提供发送和接收信号的能力，包括对宽带频道的分配和对基带信号的调制等介质访问控制子层MAC：实现帧的寻址和识别、数据帧的校验以及支持LLC层完成介质访问控制逻辑链路控制子层LLC：规定了无连接和面向连接的两种连接服务,4.2.1 局域网的参考模型,LAN的参考模型逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）引入LLC子层的原因：MAC子层只提供尽力而为的数据报服务，不提供确认机制和流量控制（滑动窗口），有些情况下，这种服务足够，如支持IP协议；当需要确认和流控的时候，这种服务就不能满足上层的需要LLC子层功能提供确认机制和流量控制LLC隐藏了不同802协议MAC子层的差异，为网络层提供单一的格式和接口LLC提供三种服务选项：不可靠的数据报服务 有确认的数据报服务可靠的面向连接的服务,4.2.1 局域网的参考模型,LAN的参考模型介质访问控制子层 MAC(Medium Access Control)MAC子层功能数据封装、发送和接收成帧(传输帧、帧同步)寻址(处理源地址和目的地址)差错控制(检测物理介质导致的传输错误)介质访问控制(避免冲突、处理冲突)分成两个子层的原因管理多点访问的信道对于同一个LLC，可以提供多个MAC选择,4.2.1 局域网的参考模型,LAN的参考模型,LLC与MAC的层次,协议格式,4.2.2 IEEE802协议,IEEE802.1A体系结构IEEE802.1B网络互操作IEEE802.2逻辑链路控制 LLCIEEE802.3CSMA/CD访问控制及物理层技术规范IEEE802.4令牌总线访问控制及物理层技术规范IEEE802.5令牌环访问控制及物理层技术规范IEEE802.6城域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.7宽带网访问控制及物理层技术规范IEEE802.8光纤网访问控制及物理层技术规范IEEE802.9综合话音数据访问控制及物理层技术规范IEEE802.10局域网安全技术IEEE802.11无线局域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.12优先级高速局域网访问控制及物理层技术规范IEEE802.13100M 高速以太网IEEE802.14电缆电视网,IEEE802标准系列间的关系,4.2.2 IEEE802协议,4.3 以太网,IEEE802.3标准是一个介质访问控制协议，它适用于采取1-持续CSMA/CD的局域网以太网：802.3标准的一个具体产品，总线拓扑，采取CSMA/CD协议优点：传输速率高、网络软件丰富、安装连接简单、使用维护方便，目前已成为国际流行的局域网标准之一,4.3 以太网,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Ethernet1978年，Xerox,DEC,Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准，称为DIX标准经过两次小小的修改，1983年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以太网是802.3的一个具体产品，与802.3标准略有差别,4.3 以太网,最常见的以太网电缆,以太网采用的电缆标准,4.3 以太网,10BASE-510：10Mb/sBASE：基带传输5：每段电缆的最大长度为500米，粗缆AUI接口中继器可以延长距离（以太网最多使用4个中继器，网络的最大距离是2.5Km）中继器延长的不同网段属于一个竞争域,4.3 以太网,10BASE-210：10Mb/sBASE：基带传输2：每段电缆的最大长度为185米，细缆BNC接口，T型头同样受5-4-3规则的限制,4.3 以太网,10BASE-T10：10Mb/sBASE：基带传输T：双绞线，RJ-45接口,4.3 以太网,DIX标准的帧格式 前导：8个字节的“1010101010”，用于接收方同步类型：告知接收方应将该帧递交给网络层的哪个协议数据：01500字节填充：046字节，使数据帧能满足最小帧长校验和：4字节，采用循环冗余校验,4.3 以太网,以太网中最短帧长的限制为使发送方在发送某个数据帧完毕之前，能够确切知道该帧是否发生冲突，必须保证数据帧的发送时间大于2倍传输延迟10Mbps LAN最大冲突检测时间为50us，最短帧长为64B随着网络速度的提高，最短帧长也需要增大或站点之间的距离要减小,4.3 以太网,IEEE802.3的帧格式,前导：7字节的“10101010”比特串，用于接收方同步开始标志：1字节的“10101011”比特串，标志数据帧开始数据：01500字节长度：2字节，标明数据字段的字节数填充字段：046字节，使数据帧能满足最小帧长校验和：4字节，采用循环冗余校验,IEEE802.3的帧格式 无效的帧帧的长度与长度字节给出的值不一致帧的长度小于规定的最短长度帧的长度不是整数字节接收到的帧的校验和出错,4.3 以太网,4.3.3 IEEE802三种协议的比较,802.3优点使用最为广泛算法简单站点可以在网络运行中安装使用无源电缆轻负载时，效率高、延迟小缺点使用模拟器件，每个站点在发送的同时要检测冲突最短帧长64字节，对于短数据来讲开销太大无优先级，发送是非确定性的，不适合于实时工作电缆最长2500米（使用中继器）速率提高时，帧传输时间减少，竞争时间不变(2)，效率降低重负载时，冲突严重,4.3.3 IEEE802三种协议的比较,802.4优点发送时延确定，支持优先级，可处理短帧使用宽带电缆，支持多信道重负载时，吞吐量和效率较高可传输数据、语音和图像等多种信号缺点:使用大量的模拟装置（每个站点需要保持10个以上的时钟以及24个以上的内部变量）协议复杂轻负载时，延迟大,4.3.3 IEEE802三种协议的比较,802.5优点使用点到点连接，完全数字化使用线路中心，自动检测和消除电缆故障支持优先级，允许短帧重负载时，吞吐量和效率较高缺点中央监控受令牌持有时间限制，不允许任意长的帧轻负载时，延迟大,4.3.3 IEEE802三种协议的比较,3种协议帧格式比较,三种局域网的标准差别很大。在很重的负载下，802.3局域网彻底不能用，而采用令牌的局域网则可达到接近于100的效率；若负载范围是从轻到中等，则三种局域网都能胜任,实现局域网互联的设备：中继器集线器交换机网桥,4.4 局域网连网及网络互联设备,按总线接口分类ISA网卡：8/16位，适用于PC和PCXT总线PCI网卡：32/64位，适用于Intel总线规格USB网卡：一端为USB接口，一端为RJ-45接口，适用于USB总线PCMCIA网卡：一端连电话接口，一端为RJ-45接口，为笔记本电脑专门设计按接头种类分类RJ-45接头AUI接头,4.4.1 网卡,4.4.2 中继器,中继器的作用物理层连接，对数据信号放大、整形延长网络距离中继器的分类电缆中继器光缆中继器中继器的优缺点优点：扩展网络的长度，安装简便，价格低廉，可连接不同传输介质的网段缺点：只能连接相同结构的局域网，不能分段，可使用的个数受限，只能单纯的再生信号,4.4.3 集线器,工作在物理层分类模块化集线器独立型集线器堆叠式集线器USB接口集线器,4.4.3 集线器,集线器的优缺点优点安装简单集线器级联可扩展网络距离可连接使用不同传输介质的同构网络缺点限制了介质的传输距离没有数据过滤的功能，只能进行广播,4.4.4 网桥,功能是工作在介质访问控制子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能实现两个在物理层或数据链路层使用不同协议的局域网间的连接过滤和转发功能,4.4.4 网桥,过滤和转发功能过滤：根据参数设置拒绝转发来自特定网络的帧转发：对数据帧具有寻址功能,4.4.4 网桥,网桥在实际应用中的主要作用网络分段：减小网络的竞争域以平衡负载扩展网络传输距离实现局域网（远程局域网）之间的互联可进行物理层和数据链路层协议的变换，并可连接不同传输介质构成的网络 互连时需要解决的问题不同LAN帧格式的转换不同的LAN速率不同，网桥要有缓存能力高层协议的计时器设置不同的LAN支持的最大帧长度不同，解决办法：丢弃无法转发的帧,网桥的分类 按硬件配置的位置内部网桥外部网桥按地理位置近程网桥（本地网桥）远程网桥按其互联的网络类型透明网桥：以太网源路由网桥：令牌环网转换网桥：连接不同的网络介质类型（通常为以太网和令牌环）,4.4.4 网桥,远程网桥连接示意图,4.4.4 网桥,透明网桥的特点：CSMA/CD和Token Bus选择了透明网桥不需用户干预，对用户透明，即插即用按交换表决定是否转发，发往哪里有自学习功能，通过自学习生成和修改交换表,交换表（地址/端口对应表）示例,4.4.4 网桥,4.4.4 网桥,交换表（地址/端口对应表）的初始化网桥刚启动时，地址/端口对应表为空采用扩散算法（flooding algorithm）转发帧：把每个到来的目的地不明的帧输出到连在此网桥的所有LAN（除了发送该帧的LAN）网桥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B1,B2刚刚接入，A主机发送帧到B主机,4.4.4 网桥,透明网桥工作原理网桥接收到一帧后，通过查询交换表（地址/端口对应表）来确定是丢弃还是转发工作规则：如果源和目的地LAN相同，则丢弃该帧如果源和目的地LAN不同，则根据目的地转发该帧如果目的地LAN未知，则进行扩散,A主机发送帧到B主机的过程,丢弃,A主机发送帧到C主机的过程,丢弃,A主机发送帧到H主机的过程,4.4.4 网桥,透明网桥动态拓扑结构问题当网络拓扑结构发生变化时，网桥能够自动更新交换表网桥软件对地址/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/端口项这个算法意味着如果某站点停机数分钟，发给它的帧将不得不被扩散，一直到它自己发出一帧为止,H主机搬移到LAN3,A发送帧到H：扩散,几分钟后,H主机发出帧到B,4.4.4 网桥,源路由网桥Token Ring选择了源路由网桥源路由网桥的原理：发送主机必须知道到所有其他机器的最佳路径，当目的主机不在自己的LAN内时,帧的发送者在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，包含要经过的LAN和网桥的编号，并将发出帧的源地址的最高位置1,4.4.4 网桥,主机构造帧头路径,A发送帧到D:构造帧头路径,L1,B1,L2,B2,L3,源地址,1,源路由网桥的功能：只接收源地址的最高位为1的帧，扫描帧头中的路由，如果发来此帧的LAN编号后跟的是本网桥的编号，则转发给后面的LAN，否则丢弃,A发送帧到D,L2,B2,L3,L1,B1,L2,1,1,4.4.4 网桥,源路由的产生：每个站点通过广播“发现帧”（discovery frame）来获得到其他各个站点的最佳路由，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，源站收到后就能知道到目的站的最佳路由，并存入高速缓冲器中,A希望得到D的位置:发送“发现帧”,D发送“应答帧”,记录路径(L1,B1,L2,B2,L3),透明网桥和源路由网桥的比较,4.4.4 网桥,工作在参考模型第2层相较于网桥，数据吞吐性能更好，端口集成度更高，每端口成本更低，使用更加灵活和方便，是最主要的网络互联设备之一交换机工作机制 所有端口都建立并行、独立和专用速率的连接，工作时，只有请求端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口；交换机可工作在半双工模式或全双工模式下,4.4.5 交换机,交换机的交换方式直通交换方式：一旦接收到信息帧中的目的地址，就直接转发，不对帧进行校验存储转发方式：将信息帧接收完毕并进行校验确认，然后转发正确的帧，过滤处理坏帧碎片丢弃交换方式：对于小于512bit的帧，交换机都视为碎片并将其丢弃。,4.4.5 交换机,网桥或交换机可将物理网络划分为不同的逻辑子网从而减少竞争域的范围，但这种方法划分的子网结构缺少灵活性,效率不高虚拟局域网(Virtual LAN)IEEE802.1Q 标准提升安全性平衡载荷抑制广播,4.5 虚拟局域网,4.5.1 虚拟局域网的概念,虚拟局域网的定义：局域网中的站点不受地理位置的限制，根据需要，灵活地将站点构成不同的逻辑子网，这种逻辑子网被称为虚拟局域网 VLAN 在逻辑上等价于广播域，同一个VLAN的站点所发送的数据可以广播传输到该VLAN的所有站点，不同VLAN站点的数据不能直接进行广播传输,4.5.1 虚拟局域网的概念,VLAN 的特点 不受网络物理位置的限制，可跨越多个物理网络、多台交换机，网络结构灵活有效隔离广播有效隔离VLAN间的互访，增加安全性VLAN均由软件实现定义与划分，使得它的建立与重组都十分灵活方便网络管理员对网络的维护和管理,将逻辑拓扑结构从物理拓扑结构脱离,用灰(G)白(W)两色标记VLAN,需在网桥或交换机建立配置表，指明通过哪些端口可以访问哪些VLAN，当一帧来自于灰色VLAN,则该帧被转发到所有标记为G的端口,4.5.1 虚拟局域网的概念,VLAN工作原理 根据标记决定数据属于哪个VLAN：显示标记：当一个LAN 上的桥或交换机从工作站上接收到数据后，就用一个VLAN 标识符表示是从该VLAN 来的数据隐式标记：不对数据进行标记，而是根据其他的信息，如数据到达的端口、源MAC地址、源网络地址或其他一些字段为了能够标记数据，在交换机上要保持一个最新的数据库，数据库中包括VLAN 和所使用的标记字段的映射,4.5.1 虚拟局域网的概念,4.5.1 虚拟局域网的概念,VLAN采用的以太网帧格式 采用IEEE802.3au标准，增加了4字节的VLAN标记字段,802.3帧格式,扩展以太网帧格式,VLAN标记格式,802.1Q标记类型固定设置为0 x8100后2个字节的前3位是用户优先级字段其后1位是规范格式指示符（CFI）最后的12位是该VLAN标识符，用来惟一地标识该以太网数据帧所属的VLAN,4.5.1 虚拟局域网的概念,VLAN采用的以太网帧格式,4.5.2 虚拟局域网的组建,三种划分VLAN的方法基于端口的VLAN基于MAC地址的VLANIP多播组VLAN,基于端口划分VLAN 可将同一交换机的不同端口设置为不同的VLAN，也可将不同交换机的端口设置为同一个VLAN缺点：无法使一个端口的设备同时参与到多个VLAN中，当客户从A地转移到B地，连接端口发生变化，则网管人员必须对VALN重新配置,4.5.2 虚拟局域网的组建,单交换机端口定义VLAN,4.5.2 虚拟局域网的组建,多交换机端口定义VLAN,4.5.2 虚拟局域网的组建,基于MAC地址划分VLAN缺点：所有工作站在初始时须至少配置到一个VLAN中，初始配置只能人工完成，工作量大优点：由于MAC 地址固化在网卡上，当工作站发生物理位置变化时仍然能保持其原先的VLAN 成员身份而无需网管人员重新配置，同时一个MAC 对应多个VLAN也是允许的,4.5.2 虚拟局域网的组建,4.5.2 虚拟局域网的组建,IP多播组VLAN 属于同一IP组播域的计算机都属于同一VLAN，利用IP组播域来划分VLAN的方法给用户带来了巨大的灵活性和可扩展性,4.5.2 虚拟局域网的组建,三层VLAN 根据所使用的网络层协议或地址来划分VLAN优点：可根据传输协议划分网段；用户可在网络内部自由移动而无需重新配置；可减少由于协议转换而造成的网络延迟,4.5.2 虚拟局域网的组建,更高层次的VLAN 根据应用或服务来定义VLAN 的成员 例如：文件传输协议（FTP）可以在一个VLAN 上执行，远程登录应用在另一个VLAN 上,4.5.2 虚拟局域网的组建,实例：对1台Cisco2950交换机上端口的设置组建2个VLAN,4.6 高速局域网,1973-1982：以太网的产生与DIX联盟1982-1990：10Mbps以太网发展成熟1983-1997：LAN网桥接与交换1992-1997：快速以太网1996至今：千兆以太网两大类：高速共享介质局域网和交换局域网高速共享介质局域网：高速以太网、高速令牌环网及FDDI-II交换局域网：交换以太网和ATM局域网,4.6.1 高速以太网,100BASE-T以太网快速以太网基本上保留了传统10Mbps以太网所有特性协议标准IEEE802.3uLLC子层IEEE802.2标准MAC子层CSMA/CD介质访问控制方法定义了新物理层标准IEEE802.3-T,4.6.1 高速以太网,100BASE-TX 2对5类非屏蔽或屏蔽双绞线，一对发送，一对接收，最大网段长度100m；全双工系统，每个节点可以同时以100Mbps的速率发送和接收数据100BASE-T44对非屏蔽3类或5类双绞线，3对传输数据（每对以100/3Mbps的速率传输），一对冲突检测的接收信号，所以不支持全双工传输100BASE-FX2根光纤，一根用于发送，一根用于接收，最大网段长度可变，与连接方式和采用多模或单模光纤有关，可以从150m1000m不等；支持全双工传输,4.6.1 高速以太网,千兆位以太网吉比特以太网使用IEEE802.3的帧格式允许在1Gbps下采用全双工或半双工方式传输半双工时，使用CSMA/CD介质访问控制，全双工时，不需要使用CSMA/CD介质访问控制物理层支持2个标准：1000BASE-X（802.3z标准）1000BASE-T（802.3ab标准）优点：网络性能很高、与现有大多数网络设施兼容、简单的网络升级操作、技术成熟稳定、网络互连灵活、总体开销较低,4.6.1 高速以太网,1000BASE-X基于光纤通道，3类传输介质 1000BASE-SX：短波长850nm的激光器光源，纤芯直径为62.5m和50m的多模光纤，传输距离分别为275m和550m1000BASE-LX：长波长1300nm的激光器光源，纤芯直径为62.5m和50m的多模光纤，传输距离550m；纤芯直径为10m的单模光纤，传输距离5km1000BASE-CX：2对短距离的屏蔽双绞线电缆，传输距离为25m1000BASE-TIEEE802.3ab标准，采用4对5类非屏蔽双绞线，传输距离100m,4.6.1 高速以太网,千兆位以太网的半双工方式必须进行冲突检测，要保证在发送一个数据帧的时间内能够检测到冲突，必须减少传输距离至10m或增大最短数据帧长度到640字节采用“载波延伸”的方法：保持最短数据帧长度64字节，将争用时间延长到512字节（在64字节后填充特殊字符至512字节）增加“分组突发”功能：当有较多短帧发送时，第1个短帧采用载波延伸的方法，其后的短帧就可以一个接一个的发送。在帧之间保留一个最小间隔，最大达到1500字节,4.6.1 高速以太网,万兆位以太网10吉比特以太网采用IEEE802.3ae经历了标准以太网、快速以太网和千兆位以太网，网络界正在把目光投向万兆以太网。IEEE研究小组在万兆以太网的许多技术细节上已经达成共识，最重要的一点就是所有厂商一致同意为万兆以太网选择全双工的工作模式；万兆位以太网并不是简单地将速率提高，其需要解决许多技术问题,4.6.2 其他类型高速局域网,100VG-AnyLAN简称100VG由HP公司和IBM公司共同研制，并经IEEE802委员会规范化为IEEE802.12标准不采用CSMA/CD介质访问控制方法，而采用需求优先级的访问控制方法；支持多种传输介质，并可支持IEEE802.3和IEEE802.5两种数据帧格式,4.6.2 其他类型高速局域网,100VG网络的拓扑结构星型可采用3、4、5类非屏蔽双绞线和光纤，采用双绞线时，使用4对线同时传输数据,4.6.2 其他类型高速局域网,100VG-AnyLAN的需求优先级访问控制基于共享通信信道的无冲突访问控制方法集线器循环检测网络上所有节点发来的发送请求，根据优先级确定允许发送的节点节点有数据发送集线器发送请求，空闲将数据传送到集线器将数据直接传送到目的节点多个节点发送请求信息只允许最高优先级的节点发送，若有2个请求节点的优先级相同，轮流允许节点发送数据,4.6.2 其他类型高速局域网,100VG网络的优点采用需求优先级访问控制方法，确保对时间敏感的数据和重要数据的优先发送；使除源节点和目的节点外，其他节点不能接收到传输的数据，增加了安全性支持多种传输介质并支持多媒体信息的传输100VG网络的局限性：基本上是HP公司专有的技术,4.6.2 其他类型高速局域网,光纤分布式数据接口 FDDI标准采用光纤作为传输介质的令牌环网；采用数据沿2个方向传输的双环结构，提高可靠性FDDI标准4个子层：MAC、PHY、PMD和SMTMAC子层：介质访问控制协议（帧格式、介质访问、令牌控制等）PHY