《CH4局域网》PPT课件.ppt

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1、课件制作人：谢希仁 计算机网络 第 4 章 局域网 课件制作人：谢希仁 第 4 章 局域网 4.1 局域网概述 *4.2 传统以太网 4.2.1 以太网的工作原理 4.2.2 传统以太网的连接方法 4.2.3 以太网的信道利用率 *4.3 以太网的 MAC 层 4.3.1 MAC 层的硬件地址 4.3.2 两种不同的 MAC 帧格式 课件制作人：谢希仁 第 4 章 局域网（续） *4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 4.4.2 在数据链路层扩展局域网 4.5 虚拟局域网 4.5.1 虚拟局域网的概念 4.5.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式 课件制作人：谢希仁 第 4 章 局

2、域网（续） *4.6 高速以太网 4.6.1 100BASE-T 以太网 4.6.2 吉比特以太网 4.6.3 10 吉比特以太网 4.7 其他种类的高速局域网 4.7.1 100VG-AnyLAN 局域网 4.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI 4.7.3 高性能并行接口 HIPPI 4.7.4 光纤通道 4.8 无线局域网 *4.8.1 无线局域网的组成 4.8.2 802.11 标准中的物理层 4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层 课件制作人：谢希仁 4.1 局域网概述 局域网最主要的特点是：网络为一个单 位所拥有，且地理范围和站点数目均有 限。 局域网具有如下的一些主要优点

3、： 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数 据。从一个站点可访问全网。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵 活调整和改变。 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。 局域网的拓扑 匹配电阻 集线器 干线耦合器 总线网 星形网 树形网 环形网 课件制作人：谢希仁 媒体共享技术 静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入 受控接入 ，如多点线路探询 (polling)， 或轮询。 课件制作人：谢希仁 4.2 传统以太网 4.2.1 以太网的工作原理 1. 两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产 品（以太网）的规

4、约。 IEEE 的 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标 准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域 网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 课件制作人：谢希仁 数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域 网标准， 802 委员会就将局域网的数据链 路层拆成两个子层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层。 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC 子层

5、，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不 管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说 都是透明的 课件制作人：谢希仁 局域网对 LLC 子层 是透明的 局 域 网 网络层 物理层 站点 1 网络层 物理层 逻辑链路控制 LLC LLC 媒体接入控制 MAC MAC 数据 链路层 站点 2 LLC 子层看不见 下面的局域网 课件制作人：谢希仁 以后一般不考虑 LLC 子层 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域 网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此 现在 802 委员会制定的逻辑链路控 制子层 LLC（即 802.2 标准）的作 用已经不大了。 很多厂

6、商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。 课件制作人：谢希仁 2. 网卡的作用 网络接口板又称为 通信适配器 (adapter) 或 网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“ 网卡 ”。 网卡的重要功能： 进行串行 /并行转换。 对数据进行缓存。 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 实现以太网协议。 课件制作人：谢希仁 计算机通过网卡 和局域网进行通信 CPU 高 速 缓 存 存储器 I/O 总线 计算机 至局域网 网络接口卡 （网卡） 串行通信 并行通信 课件制作人：谢希仁 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总 线上。当初认为这样的连

7、接方法既简单又可靠， 因为总线上没有有源器件。 3. CSMA/CD 协议 B向 D 发送数据 C D A E 匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻 不接受 不接受 不接受 接受 B 只有 D 接受 B 发送的数据 课件制作人：谢希仁 以太网的广播方式发送 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发 送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的 地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（ A, C 和 E）都检测到不是 发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧 而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。 课件制作人：谢希仁 为了通

8、信的简便 以太网采取了两种重要的措施 采用较为灵活的无连接的工作方式，即 不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也 不要求对方发回确认。 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因 信道质量产生差错的概率是很小的。 课件制作人：谢希仁 以太网提供的服务 以太网提供的服务是不可靠的交付，即 尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃 此帧，其他什么也不做。差错的纠正由 高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重 传，但以太网并不知道这是一个重传的 帧，而是当作一个新的数据帧来发送。 课件制作人：谢希仁 载波监听多点接入 /碰撞检测 CSMA/CD CS

9、MA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方 式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先 要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数 据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生 碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监 听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计 算机发送的数据信号。 课件制作人：谢希仁 碰撞检测 “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道 上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的 信号电压摆动值将会增大（互相

10、叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的 门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在 发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检 测”也称为“冲突检测”。 课件制作人：谢希仁 检测到碰撞后 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生 了严重的失真，无法从中恢复出有用的 信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总 线上出现了碰撞，就要立即停止发送， 免得继续浪费网络资源，然后等待一段 随机时间后再次发送。 课件制作人：谢希仁 电磁波在总线上的 有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时，也可能 总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间 后才

11、能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自 己的帧 (因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息 )，则必然要在某个时间 和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。 1 km A B t 碰撞 t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = t = 0 单程端到端 传播时延记为 1 km A B t 碰撞 t = B 检测到 信道空闲 发送数据 t = / 2 发生碰撞 t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = A B A B A B t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据

12、A B t = 0 t = B 检测到发生碰撞 停止发送 STOP t = 2 A 检测到 发生碰撞 STOP A B 单程端到端 传播时延记为 课件制作人：谢希仁 重要特性 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全 双工通信而只能进行双向交替通信（半双 工通信）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内， 存在着遭遇碰撞的可能性。 这种 发送的不确定性 使整个以太网的平均 通信量远小于以太网的最高数据率。 课件制作人：谢希仁 4. 争用期 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至 多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延） 就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为 争

13、用期 ， 或 碰撞窗口 。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞， 才能肯定这次发送不会发生碰撞。 课件制作人：谢希仁 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟 （退避）一个随机时间才能再发送数据。 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。 定义重传次数 k ， k 10，即 k = Min重传次数 , 10 从整数集合 0,1, (2 k 1)中随机地取出一个 数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本 退避时间。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并 向高层报告。 课件制作人：谢希仁 争用

14、期的长度 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发 生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 课件制作人：谢希仁 最短有效帧长 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字 节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时 已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡 长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常 中止的 无效帧 。 课件制作人：谢希仁 强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时， 除了立即停止发送数据外，还要再继续发 送

15、若干比特的 人为干扰信号 (jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经 发生了碰撞。 TJ 人为干扰信号 A B TB t B 发送数据 A 检测 到冲突 开始冲突 信 道 占 用 时 间 A 发送数据 B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接 着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。 课件制作人：谢希仁 4.2.2 传统以太网的连接方法 传统以太网可使用的传输媒体有四种： 铜缆（粗缆或细缆） 铜线（双绞线） 光缆 这样，以太网就有四种不同的物理层。 10BASE5 粗缆 10BASE2 细缆 10BASE-T 双绞线 10BASE-F 光缆

16、 以太网媒体接入控制 MAC 课件制作人：谢希仁 铜缆或铜线连接到以太网 的示意图 主机箱 主机箱 主机箱 双绞线 集线器 BNC T 型接头 收发器电缆 网卡 插入式 分接头 MAU MDI 保护外层 外导体屏蔽层 内导体 收发器 DB-15 连接器 BNC 连接器 插口 RJ-45 插头 课件制作人：谢希仁 以太网的最大作用距离 250 m 750 m 500 m 500 m 500 m 50 m 50 m 50 m 网段 1 转发器 网段 2 网段 3 转发器 转发器 转发器 课件制作人：谢希仁 细缆以太网 10BASE2 用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆 (特 性阻抗仍为 50

17、 )，可代替粗同轴电缆。 将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 MDI都安装在网卡上，取消了外部的 AUI 电缆。 细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡 上的 BNC 连接器的插口。 课件制作人：谢希仁 网卡的功能 数据的封装与解封 发送时将上一层交下来 的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。 接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后 送交上一层。 链路管理 主要是 CSMA/CD 协议的实现。 编码与译码 即曼彻斯特编码与译码。 课件制作人：谢希仁 星形网 10BASE-T 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要 用两对双绞线，分别用于发送和接收。 在星形网的中心则增加了一种可靠性非

18、常高 的设备，叫做 集线器 (hub)。 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这 样的硬件设备的可靠性已大大提高了。 课件制作人：谢希仁 以太网在局域网中的统治地位 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线 器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的 出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网 发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以 太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基 础。 课件制作人：谢希仁 集线器的一些特点 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线 的工作，因此整个系统仍然像一个传统的 以太网那样运行。 使

19、用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总 线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协 议，并共享逻辑上的总线。 集线器很像一个多端口的转发器，工作在 物理层。 课件制作人：谢希仁 具有三个端口的集线器 集 线 器 网卡 工作站 网卡 工作站 网卡 工作站 双绞线 课件制作人：谢希仁 4.2.3 以太网的信道利用率 我们假定： 总线上共有 N 个站，每个站发送帧的概率都 是 p。 争用期长度为 2，即端到端传播时延的两倍。 检测到碰撞后不发送干扰信号。 帧长为 L (bit)， 数据发送速率为 C (b/s)， 因 而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。 课件制作人：谢希仁 以太网的信道利用率

20、 一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发 送成功且信道转为空闲 (即再经过时间 使得信道 上无信号在传播 )时为止，共需平均时间为 Tav。 发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2 T0 t 占用期 争用期的平均个数 NR 发送一帧所需的平均时间 Tav 课件制作人：谢希仁 以太网的信道利用率（续） 令 A 为某个站发送成功的概率，则 A = P某个站发送成功 = Np(1 p)N 1 (4-1) 显然，某个站发送失败的概率为 1 A。因此， P争用期为 j 个 = P发送 j 次失败但下一次成功 = (1 A)jA (4-2) 争用期的平均个数等于帧重发的次数 NR： N j

21、 A A A AR j j ( ) ( ) /1 1 0 (4-3) 课件制作人：谢希仁 以太网的信道利用率（续） 求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为： 这里 参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。 (4-4) )12(1 1 2 10 00 AaTN T T TS Rav 0T a (4-5) 课件制作人：谢希仁 最大信道利用率 若设法使 A 为最大，则可获得最大的信道利用率。 将 (4-4)式对 p 求极大值，得出当 p = 1/N 时可使 A等 于其极大值 Amax： 当 N 时， Amax = 1/e 0.368。 (4-6) 1 m a x 11 N N A

22、 课件制作人：谢希仁 将 (4-6)式中的 Amax 值代入 (4-4)式 ， 即得出信 道利用率的最大值 Smax。 取 A = Amax = e1 0.368 时， (4-4)式可 简化为： 若 a0 ，则信道利用率的最大值可达到 100%。 信道利用率的最大值 Smax N (4-7) aS 44.41 1 m a x 课件制作人：谢希仁 a 1 时的信道利用情况 （ a = 4） A B A B t = T0 A B A B t = 3T0 t = 4T0 t = 2T0 A B t = 5T0 参数 a = 4 使得信道利用率很低。 课件制作人：谢希仁 考虑到 T0 是帧长 L 与数

23、据的发送速率 C 之比，于是参数 a 可写为： (4-9)式的分子正是时延带宽积，或以比 特为单位的信道长度，而分母是以比特 为单位的帧长。 参数 a 可以很容易地和 时延带宽积联系起来 L C CLT a /0 (4-9) 课件制作人：谢希仁 a = 0.01 时的信道利用情况 参数 a = 0.01 使得信道利用率很高。 A B A B t = t = 0.5 A B t = 100 A B t = 100.5 课件制作人：谢希仁 4.3 以太网的 MAC 层 4.3.1 MAC 层的硬件地址 在局域网中， 硬件地址 又称为 物理地址 ， 或 MAC 地址 。 802 标准所说的“地址”严

24、格地讲应当是 每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的 “名字”称为“地址”，所以本书也采用 这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。 第 1 最高位 最先发送 最低位 最高位 最低位 最后发送 00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001 最低位 最先发送 最高位 最低位 最高位 最后发送 机构唯一标志符 OUI 扩展标志符 高位在前 低位在前 十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80 二进制表示的 EUI-48 地址： 第 1 字节 第 6 字节 I/G 比特 I

25、/G 比特 字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 第 1 字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000 802.5 802.6 802.3 802.4 课件制作人：谢希仁 网卡上的硬件地址 路由器 1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02 20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4 20-60-8C-11-D2-F6 路由器由于同时连接到两个网络上， 因此它有两块网卡和两个硬件地址。 课件制作人：谢希仁 网卡检查

26、MAC 地址 网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先 用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址 . 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他 的处理。 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播 (unicast)帧（一对一） 广播 (broadcast)帧（一对全体） 多播 (multicast)帧（一对多） 课件制作人：谢希仁 4.3.2 两种不同的 MAC 帧格式 常用的以太网 MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是 以太网 V2 的格式 。 MAC 帧 字节 6 6

27、2 4 IP 层 物理层 目的地址 源地址 长度 /类型 FCS MAC 层 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节 1 字节 8 字节 插 入 数 据 MAC 子层 IP 层 LLC 子层 802.2 LLC 帧 当长度 /类型字段 表示长度时 802.3 MAC 帧 以太网 V2 MAC 帧 这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 43 1497 1 1 1 DSAP SSAP 1 1 1 控制 数 据 字节 DSAP SSAP 控制

28、IP 数据报 IP 数据报 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 目的地址字段 6 字节 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 源地址字段 6 字节 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1

29、500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 类型字段 2 字节 类型字段用来标志 上一层 使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 数据字段 46 1500 字节 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址 源地

30、址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 FCS 字段 4 字节 当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 当数据字段的长度小于 46 字节时， 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 10101010101010 1010101010

31、1010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节 1 字节 8 字节 插 入 在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。 为了达到比特同步， 在传输媒体上实际传送的 要比 MAC 帧还多 8 个字节 课件制作人：谢希仁 数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃

32、。以 太网不负责重传丢弃的帧。 无效的 MAC 帧 课件制作人：谢希仁 帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送 时间。 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓 存来得及清理，做好接收下一帧的准备。 帧间最小间隔 课件制作人：谢希仁 用多个集线器可连成更大的局域网 4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 集线器 集线器 一系 二系 集线器 三系 三个独立的碰撞域 课件制作人：谢希仁 用多个集线器可连成更大的局域网 4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 一系 二系 三系 集线器

33、 集线器 集线器 集线器 主干集线器 课件制作人：谢希仁 优点 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进 行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能 用集线器将它们互连起来。 用集线器扩展局域网 课件制作人：谢希仁 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目 的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时， 并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此 帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发 到哪一个端口 4.4.2 在数据链路层扩展

34、局域网 1. 网桥的内部结构 站表 端口管理 软件 网桥协议 实体 端口 1 端口 2 缓存 网段 B 网段 A 1 1 1 2 2 2 站地址 端口 网桥 网桥 课件制作人：谢希仁 过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速 率（如 10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 使用网桥带来的好处 课件制作人：谢希仁 存储转发增加了时延。 在 MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延 更大。 网桥只适合于用户数不太多 (不超过几百个 )和 通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播 过多的广播信

35、息而产生网络拥塞。这就是所谓 的 广播风暴 。 使用网桥带来的缺点 用户层 IP MAC 站 1 用户层 IP MAC 站 2 物理层 网桥 1 网桥 2 A B 用户数据 IP-H MAC-H MAC-T DL-H DL-T 物理层 DL R MAC 物理层 物理层 DL R MAC 物理层 物理层 LAN LAN 两个网桥之间还可使用一段点到点链路 课件制作人：谢希仁 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行 退避。 在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没 有网卡。 由于网桥没有网卡，因此

36、网桥并不改变它转发 的帧的源地址。 网桥和集线器（或转发器）不同 课件制作人：谢希仁 目前使用得最多的网桥是 透明网桥 (transparent bridge)。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送 的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说 是看不见的。 透明网桥是一种 即插即用设备 ，其标准是 IEEE 802.1D。 2. 透明网桥 课件制作人：谢希仁 (1) 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的 站 MAC 地址。 (2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行 (3)，否则 转到 (5)。 (3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d

37、 = x，则丢弃此帧（因为这表示不需要 经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。 (4) 转到 (6)。 (5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。 (6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧 进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到 (8)。如源站在转发表中， 则执行 (7)。 (7) 更新计时器。 (8) 等待新的数据帧。转到 (1)。 网桥应当按照以下算法 处理收到的帧和建立转发表 课件制作人：谢希仁 站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。 端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。 时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。 转发

38、表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址 写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址 当作目的地址。 如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发 来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目 的地址 A。 网桥在转发表中 登记以下三个信息 课件制作人：谢希仁 这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地 兜圈子。 透明网桥使用了支撑树算法 局域网 2 局域网 1 网桥 2 网桥 1 A F F2 F1 不停地 兜圈子 A 发出的帧 网桥 1 转发的帧 网桥 2 转发的帧 网络资源白白消耗了 课件制作人：谢希仁 每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号 (由 生产网桥的厂家设定的一个唯一的序号 )

39、和 它所知道的其他所有在网上的网桥。 支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根 (例如，选择一个最小序号的网桥 )，然后以 最短路径为依据，找到树上的每一个结点。 当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算 法很花费时间。这时可将大的互连网划分为 多个较小的互连网，然后得出多个支撑树。 支撑树的得出 课件制作人：谢希仁 透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。 源路由 (source route)网桥在发送帧时将详细的路由 信息放在帧的首部中。 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧， 每个发现帧都记录所经过的路由。 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源 站在得知这些路由后，从所有可能

40、的路由中选择出 一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的 首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。 3. 源路由网桥 课件制作人：谢希仁 1990 年问世的 交换式集线器 (switching hub)，可 明显地提高局域网的性能。 交换式集线器常称为 以太网交换机 (switch)或第二 层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。 以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太 网交换机实质上就是一个 多端口的网桥 ，可见交 换机工作在数据链路层。 4. 多端口网桥 以太网交换机 课件制作人：谢希仁 以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并 且一般都工作在 全双工方式 。 交换机能同时连

41、通许多对的端口，使每一对相互 通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰 撞地传输数据。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片， 其交换速率就较高。 以太网交换机的特点 课件制作人：谢希仁 对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个 用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽 (10 Mb/s)的 N 分之一。 使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的 带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独 占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽， 因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。 独占传输媒体的带宽 课件制作人：谢希仁

42、用以太网交换机扩展局域网 集线器 集线器 集线器 一系 三系 二系 10BASE-T 至因特网 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 万维网 服务器 电子邮件 服务器 以太网 交换机 路由器 课件制作人：谢希仁 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与 物理位置无关的逻辑组 。 这些网段具有某些共同的需求 。 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符 ， 指明发送这 个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服 务 ， 而并不是一种新型局域网 。 4.5 虚拟局域网 4.5.1 虚拟局域网的概念 以太网 交换机 A4 B1 以太网

43、交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B 2 以太网 交换机 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成 以太网 交换机 A4 B1 以太网 交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B 2 以太网 交换机 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时， 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。 以太网 交换机 A4 B1 以太网 交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 V

44、LAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B 2 以太网 交换机 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成 B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1 都不会收到 B1 发出的广播信息。 以太网 交换机 A4 B1 以太网 交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B 2 以太网 交换机 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络 不会因传播过多的广播信息 (即 “ 广播风暴 ” )而引起性能恶 化。 课件制作人：谢希仁

45、 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一 个 4 字节的标识符 ， 称为 VLAN 标记 (tag)， 用来 指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网 。 4.5.2 虚拟局域网使用的 以太网帧格式 802.3 MAC 帧 字节 6 6 2 46 1500 4 MAC 帧 目地地址 源地址 长度 /类型 数 据 FCS 长度 /类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节 2 字节 插入 4 字节的 VLAN 标记 4 用户优先级 CFI 课件制作人：谢希仁 4.6 高速以太网 4.6.1 100BASE-

46、T 以太网 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为 高速以太网 。 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星 型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。 100BASE-T 以太网又 称为 快速以太网 (Fast Ethernet)。 课件制作人：谢希仁 100BASE-T 以太网的特点 可在全双工方式下工作而无冲突发生。 因此，不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 保持最短帧长不变，但将一个网段的最 大电缆长度减小到 100 m。 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在 的 0.96 s。 课件制作人：谢

47、希仁 三种不同的物理层标准 100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX 使用 2 对光纤。 100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。 课件制作人：谢希仁 4.6.2 吉比特以太网 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种 方式工作。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议 （全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协 议）。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后 兼容。 课件制作人：谢希仁 吉比特以太网的物理层 1000BASE-X 基于光纤通道的物理 层：

48、 1000BASE-SX SX表示短波长 1000BASE-LX LX表示长波长 1000BASE-CX CX表示铜线 1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP 课件制作人：谢希仁 载波延伸 (carrier extension) 吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须 进行碰撞检测。 由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆 长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保 持为较小的数值。 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度 为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法， 使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼 容性），同时将争用时间增大为 512 字节。 课件制作人：谢希仁 在短

49、 MAC 帧后面加上载波延伸 凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特 殊字符填充在帧的后面，使 MAC 帧的发送长度增大 到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。 接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特 殊字符删除后才向高层交付。 目地地址 源地址 数据长度 数 据 FCS MAC 帧的最小值 = 64 字节 载波延伸 前同步码 加上 载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度 512 字节 在以太网上实际传输的帧长 课件制作人：谢希仁 分组突发 当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说 的载波延伸的方法进行填充。 随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有

50、 必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组 的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。 发送的 数据 分组 #1 RRRRRRRR 分组 #2 RRRR 分组 #3 RRR 分组 #4 争用期 512 字节 将突发计时器设定为 1500 字节 载波延伸 载波 监听 课件制作人：谢希仁 全双工方式 当吉比特以太网工作在全双工方式时 （ 即通信双方可同时进行发送和接收数 据 ） ， 不使用载波延伸和分组突发 。 课件制作人：谢希仁 吉比特以太网的配置举例 1 Gb/s 链路 吉比特 交换 集线器 百兆比特或吉比特集线器 100 Mb/s 链路 中央服务器 课件制作人：谢希仁 4.6.3

51、10 吉比特以太网 10 吉比特以太网与 10 Mb/s， 100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定 的以太网最小和最大帧长，便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光 纤作为传输媒体。 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因 此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。 课件制作人：谢希仁 吉比特以太网的物理层 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的 数据率是 10.000 Gb/s。 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物 理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的 “ Gb/s”的 SONET/

52、SDH（即 OC-192/STM- 64）相连接。 为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC- 192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的 广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。 课件制作人：谢希仁 端到端的以太网传输 10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范 围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到 城域网和广域网，从而实现了端到端的以太 网传输。 这种工作方式的好处是： 成熟的技术 互操作性很好 在广域网中使用以太网时价格便宜。 统一的帧格式简化了操作和管理。 课件制作人：谢希仁 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进 以太网从 10 Mb/s 到

53、 10 Gb/s 的演进证明了 以太网是： 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。 灵活的（多种传输媒体、全 /半双工、共享 / 交换）。 易于安装。 稳健性好。 课件制作人：谢希仁 4.7 其他种类的高速局域网 4.7.1 100VG-AnyLAN 局域网 使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 4.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 使用光纤作为传输媒体的令牌环形网 4.7.3 高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interface) 主要用于超级计算机与

54、一些外围设备（如海量存 储器、图形工作站等）的高速接口 4.7.4 光纤通道 (Fibre Channel) 课件制作人：谢希仁 4.8 无线局域网 4.8.1 无线局域网的组成 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集 BSS A B 漫游 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS Portal 802.x 局域网 因特网 Portal 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集 BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 802.x 局域网 因特网 一个基本服务集 BSS 包括 一个基站 和 若

55、干个移动站 ， 所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信， 但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。 Portal Portal 有固定基础设施的无线局域网 基本服务集 BSS 扩展的服务集 ESS 基本服务集 BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 802.x 局域网 因特网 基本服务集中的基站叫做 接入点 AP (Access Point) 其作用和网桥相似。 Portal Portal 扩展的服务集 ESS 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 802.x 局域网 因特网 一个基本服务集可以是孤

56、立的，也可通过接入点 AP 连接到一个主干 分配系统 DS (Distribution System)， 然后再接入到另一个基本服务集，构成 扩展的服务集 ESS (Extended Service Set)。 Portal Portal 扩展的服务集 ESS 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 802.x 局域网 因特网 ESS 还可通过 Portal为无线用户提供 到非 802.11 无线局域网 （ 例如 ， 到有线连接 的因特网 ） 的接入 。 Portal的作用就相当于网桥 。 Portal Portal 扩展的服务集 ESS 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B 接入点 AP 接入点 AP 分配系统 DS 802.x 局域网 因特网 移动站 A 从某一个基本服务集 漫游 到 另一个基本服务集，而仍然可保持与 另一个移动站 B 进行通信。 Portal Portal 课件制作人：谢希仁 无固定基础设施的无线局域网 自组网络 (ad hoc network) 自组网络 A E D C B F 源结点 目的结点 转发结点 转发结点 转发结点 自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通 信组成的临时网络。 课件制作人：谢希仁 移动自组网络的应用前景 在军事领域中，携带