计算机网络与通信(第5章)

第5章局域网第5章局域网5.1IEEE802局域网体系结构5.2以太网工作原理5.3传统以太网5.4高速以太网5.5交换式以太网5.6虚拟局域网5.1IEEE802局域网体系结构5.1.1IEEE802局域网参考模型IEEE802LAN/RM分为两层：数据链路层；物理层。它们分别与OSI的数据链路层和物理层相对应。IEEE802LAN/RM的数据链路层又分成两个子层：逻辑链路控制(LogicalLinkControl,LLC)子层；媒体接入控制(MediumAccessControl,MAC)子层。5.1.1IEEE802局域网参考模型5.1.2媒体接入控制子层LAN拓扑和信道特点LAN主要采用总线(Bus)、环形(Ring)及星形(Star)拓扑(Topology)。LAN的一个显著特点是网上的所有计算机使用一条共享信道进行广播式通信。如果多个结点同时争用信道，就会产生发送冲突(Collision)，必须解决如何进行信道争用问题。即媒体接入控制问题。LAN媒体接入控制方式受控接入：分为分集中式控制和分散式控制两种；随机接入。5.1.2媒体接入控制子层MAC地址目的地址有三种类型：单播地址(UnicastAddress)。多播地址(MulticastAddress)。广播地址(BroadcastAddress)。IEEE的注册管理机构统一管理分配6个字节全球地址。前3个字节是组织唯一标识符(OrganizationallyUniqueIdentifier,OUI);后3个字节称为扩展标识符(ExtendedIdentifier)，由生产厂家指派。通用名称EUI-48，EUI(ExtendedUniqueIdentifier)。I/G(Individual/Group)比特，即单地址/组地址比特。G/L(Globe/Local)比特，即全球/本地比特。5.1.2媒体接入控制子层以太网地址在网上的传送顺序5.1.3逻辑链路控制子层LLC寻址LLC子层地址:SAP地址，LLC服务访问点，标识网络层的通信进程。LLC层提供的服务类型1——LLC1，不确认的无连接服务;类型2——LLC2，可靠的面向连接的服务;类型3——LLC3，带确认的无连接服务.LLC帧格式5.2以太网工作原理5.2.1以太网技术的发展1975年RobertMetcalfe和DavidBoggs研制成功了以太网。1980年DIX1.0版以太网规范。1982年DIX以2.0版作为终结，称为DIX以太网。1983年底10Base5标准面世，IEEE802.3的第一个以太网标准。RobertMetcalfe最初的以太网设计5.2.1以太网技术的发展以太网传输速率增长（b/s）5.2.1以太网技术的发展以太网标准IEEE规范批准时间速度（b/s）站/网段拓扑结构网段长（m）支持的媒体10Base5802.3198310M100总线型50050Ω同轴电缆（粗）10Base2802.3a198810M30总线型18550Ω同轴电缆（细）1Base5802.3c19881M星型250100Ω2对线3类10BaseT802.3i199010M1024星型100100Ω2对线3类10Broad36802.3b198810M100总线型180075Ω同轴电缆10BaseF802.3i199210M星型2000多模光缆100BaseT（TX/T4/FX）802.3u1995100M星型100/100/20002对线100Ω5类/4对线100Ω3/4/5类/多模/单模光缆1000BaseT802.3ab1000M星型100UTP，4对5类1000BaseX(CX/SX/LX)802.3z19981000M星型25/550/550/5000屏蔽电缆/多模光缆/多/单模光缆10GBaseR/W/X802.3ae200210G星型65-40k多模/单模光缆IEEE802.3以太网标准5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD带冲突检测的载波侦听多点接入(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection,CSMA/CD)。随机接入技术的先驱——ALOHAALOHA的改进——CSMA增加了发前监听的机制，减少了发送冲突。CSMA有三种方式：非坚持CSMA。1坚持CSMA。P坚持CSMA。CSMA的改进——CSMA/CD传播时延仍会引起发送冲突。5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD工作流程CSMA/CD在CSMA的基础上增加了冲突检测的功能。帧间隙时间(InterFrameGap,IFG)。CSMA/CD工作流程图5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD截断二进制指数退避算法(TruncatedBinaryExponentialBack-off)冲突次数n=n+1if1≤n≤16thanm=min(n,10)k在{0，1，2，…，2m－1}中随机取1个数后退时间取为k×2τelseifn＞16than放弃本次发送5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD冲突过程分析冲突过程冲突窗口(CollisionWindow)。:信道的往返传播时延(Round-TripPropagationDelay)冲突占用信道的时间。冲突占用信道的最大时间为:冲突检测方法CSMA/CD时槽(TimeSlot)IEEE802.3将时槽取为发送512位的时间，称为512位时。冲突域(CollisionDomain)23jTCSMA/CD冲突过程5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD一个CSMA/CD以太网区域，同一个冲突域中的两个或多个站点同时发送数据就会产生冲突，CSMA/CD在冲突域内能正常进行冲突检测，超出冲突域就不能正常工作。以太网接收处理站点若不处于发送状态则处于接收状态。判断是否冲突碎片，若是丢弃之。识别目的地址。若与本站地址不符就丢弃此帧。传输差错校验和处理。判断是DIX以太网帧，还是IEEE802.3以太网帧，并进行相应处理。以太网运行参数5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD参数（单位）10Mb/s100Mb/s1Gb/s10Gb/s位时（ns）1001010.1时槽(位时/µs)512/51.2512/5.124096/4.096—帧间距(比特/µs)96/9.696/0.9696/0.09696/0.096冲突重试限制（次）161616—冲突回退限制（次）101010—冲突阻塞信号（比特）323232—最大帧长（字节）1518151815181518最小帧长（字节）64646464帧突发限制（字节）——8192—以太网运行参数5.2.3以太网传输特点半双工传输方式IEEE802.3x标准中有定义了全双工以太网共享总线带宽传输的不确定性无连接、不可靠的传输服务5.2.5以太网帧格式和数据封装以太网帧格式长度/类型：2个字节，指明数据字段的长度或数据的协议类型。DIX以太网标准中指定一位类型字段。老的IEEE802.3标准定义为长度字段。1997年后新的IEEE802.3标准修改为长度/类型字段。5.2.5以太网帧格式和数据封装以太网数据封装子网接入协议SNAPIEEE802.3以太网使用长度字段时无法标识其数据字段封装的网络层PDU的协议类型，有两种解决方案：由LLC帧头部中SAP实现，用于IEEE802体系。用于为DIX以太网开发的一些网络层软件定义了一个5个字节的子网接入协议，用来标识所携带数据的协议类型，称为隐式帧类型(ImplicitFrameType)。5.2.5以太网帧格式和数据封装以太网数据封装5.3传统以太网5.3.1物理层10Mb/s以太网物理层、网络接口卡和中继器5.3.1物理层媒体连接单元(MediumAttachmentUnit,MAU)，也称为收发器(transceiver)。主要功能如下：连接传输媒体。信号发送与接收。冲突检测。超长控制。物理层信号(PhysicLayerSignaling,PLS)主要功能如下：编码解码。载波监听。连接单元接口(AttachmentUnitInterface,AUI)连接PLS和MAU。5.3.2网络接口卡网络接口卡(NetworkInterfaceCard,NIC)主要涉及物理层和MAC层，包括五个部分：媒体接入单元(MAU)。物理层信号(PLS)。连接单元接口(AUI)。MAC子层。计算机总线接口。5.3.3中继器和集线器中继器工作在IEEE802.3的物理层，接收、恢复并转发物理信号，以扩展以太网。中继器包括了MAU、AUI以及中继单元。中继器扩展以太网受到CSMA/CD冲突域最大跨距的限制。集线器(Hub)：多个端口的中继器即多口中继器，使以太网形成星形结构，但逻辑上是总线结构，因此被称为星形总线(Star-Shaped-Bus)。5.4高速以太网5.4.1100BaseT100BaseT的特点MAC子层：保持了与10Mbit/s以太网同样的MAC子层;时槽变为5.12μs，冲突域减小到200m。物理层：与10Mbit/s以太网物理层的结构有所不同:媒体无关接口(MediumIndependentInterface,MII)协调子层(ReconciliationSublayer,RS)物理编码子层(PhysicalCodingSublayer,PCS)物理媒体连接(PhysicalMediumAttachment,PMA)物理媒体相关(PhysicalMediumDependent,PMD)媒体相关接口(MediumDependentInterface,MDI)5.4.1100BaseT5.4.1100BaseT100BaseT包括4个不同的物理层规范，支持多种媒体。不再采用统一的曼彻斯特编码。增加了10/100Mbit/s自动协商功能。定义了I类和II类两种类型的中继器。100BaseT的物理层规范100BaseTX与10BaseT有许多相似之处。使用5类UTP。采用4B/5B-MLT3编码。100BaseT4100BaseT2100BaseFX5.4.1100BaseT100Mbit/s以太网扩展当传输媒体长度达到冲突域的最大跨距时，系统只能使用一个I类中继器或两个II类中继器。中继器类型铜缆光纤混合媒体无中继器,计算机点对点连接100412不使用1个I类中继器200272260（100mTX加FX）1个II类中继器200320308（100mTX加FX）2个II类中继器205228216（105mTX加FX）100BaseT最大网络跨距（m）5.4.1100BaseT10/100Mbit/s自动协商(Auto-Negotiation)模式自动协商功能位于物理层中PMD之下。准静态机制。工作在点到点链路上而不是整个网络。快速链路突发脉冲(FLP)序列。链路代码字(LCW)包含了自己的链路类型及流量控制配置等信息。协商的内容包括：10M/100Mbit/s线路速率、全双工/半双工模式、不使用/使用全双工以太网的流量控制。5.4.2千兆以太网千兆以太网的特点MAC子层与10Mbit/s和100Mbit/s以太网相同的帧格式和基本相同的CSMA/CD协议。时槽增大到4096位，最大网络跨距可达到200m。增加了载波扩展措施。增加了帧突发的功能。物理层和100Mbit/s以太网结构和功能相似，有如下变化：MII扩展为千兆位媒体无关接口(GMII)。包括多个不同的物理层规范。主要使用8B/10B-NRZ编码方式。只能使用一个中继器。5.4.2千兆以太网5.4.2千兆以太网千兆以太网物理层标准1000BaseX(802.32)100BaseLX1