第 4 章 局域網,4.1 局域網概述 *4.2 傳統以太網 4.2.1 以太網的工作原理 4.2.2 傳統以太網的連接方法 4.2.3 以太網的信道利用率 *4.3 以太網的 MAC 層 4.3.1 MAC 層的硬件地址 4.3.2 兩種不同的 MAC 幀格式,第 4 章 局域網（續）,*4.4 擴展的局域網 4.4.1 在物理層擴展局域網 4.4.2 在數據鏈路層擴展局域網 4.5 虛擬局域網 4.5.1 虛擬局域網的概念 4.5.2 虛擬局域網使用的以太網幀格式,第 4 章 局域網（續）,*4.6 高速以太網 4.6.1 100BASE-T 以太網 4.6.2 吉比特以太網 4.6.3 10 吉比特以太網 4.7 其他種類的高速局域網 4.7.1 100VG-AnyLAN 局域網 4.7.2 光纖分布式數據接口 FDDI 4.7.3 高性能并行接口 HIPPI 4.7.4 光纖通道 4.8 無線局域網 *4.8.1 無線局域網的組成 4.8.2 802.11 標準中的物理層 4.8.3 802.11 標準中的 MAC 層,4.1 局域網概述,LAN的特點,覆蓋范圍小 房間、建筑物、園區范圍 距離數km 高傳輸速率 1Mbps1000Mbps 低誤碼率 10-8 10-10 采用總線、星形、環形拓撲 一般僅包含OSI參考模型的低二層功能 協議簡單、結構靈活、建網成本低、周期短、便于管理和擴充,Switch,Server farm,station,stations,stations,局域網最主要的特點：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。,局域網技術的三個要素,拓撲結構 總線型、星型、環型、樹型 傳輸介質（物理信道）-傳輸技術 雙絞線、同軸電纜，基帶、寬帶 介質訪問控制方法 - 信道分配策略/多路訪問協議 擬解決問題 該哪個節點發送？ 發送時會不會出現沖突？ 出現沖突怎么辦？ 目標 按協議實現信道共享,局域網的拓撲,匹配電阻,集線器,干線耦合器,總線網,星形網,樹形網,環形網,媒體共享技術,靜態劃分信道 頻分復用 時分復用 波分復用 碼分復用 動態媒體接入控制（多點接入） 隨機接入：以競爭方式獲得信道使用權以太網 受控接入 ，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。順序訪問信道令牌環網,4.2 傳統以太網 4.2.1 以太網的工作原理,1. 兩個標準 DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網產品（以太網）的規約。 IEEE 的 802.3 標準。 DIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網簡稱為“以太網”。 嚴格說來，“以太網”應當是指符合 DIX Ethernet V2 標準的局域網,數據鏈路層的兩個子層,為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標準，802 委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層： 邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層 媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。 與接入到傳輸媒體有關的內容都放在 MAC子層 LLC 子層則與傳輸媒體無關，不管采用何種協議的局域網對 LLC 子層來說都是透明的,局域網對 LLC 子層 是透明的,局 域 網,網絡層,物理層,站點 1,網絡層,物理層,數據 鏈路層,站點 2,LLC 子層看不見 下面的局域網,以后一般不考慮 LLC 子層,由于TCP/IP 體系經常使用的局域網是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標準中的幾種局域網，因此現在 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標準）的作用已經不大了。 很多廠商生產的網卡上就僅裝有 MAC 協議而沒有 LLC 協議。,2. 網卡的作用,網絡接口板又稱為通信適配器(adapter)或網絡接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網卡”。 網卡的重要功能： 進行串行/并行轉換。 對數據進行緩存。 在計算機的操作系統安裝設備驅動程序。 實現以太網協議。,計算機通過網卡 和局域網進行通信,CPU,高 速 緩 存,存儲器,I/O 總線,計算機,至局域網,網絡接口卡 （網卡）,串行通信,并行通信,最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。,3. CSMA/CD 協議,B向 D 發送數據,C,D,A,E,匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）,匹配電阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受 B 發送的數據,以太網的廣播方式發送,總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發送的數據信號。 由于只有計算機 D 的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數據幀。 其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。 具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。,為了通信的簡便 以太網采取了兩種重要的措施,采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發送數據。 以太網對發送的數據幀不進行編號，也不要求對方發回確認。 這樣做的理由是局域網信道的質量很好，因信道質量產生差錯的概率是很小的。,以太網提供的服務,以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。 當目的站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。 如果高層發現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發送。,載波監聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。 “載波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生碰撞。 總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號。,碰撞檢測,“碰撞檢測”就是計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。 當幾個站同時在總線上發送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。 當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發送數據，表明產生了碰撞。 所謂“碰撞”就是發生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。,檢測到碰撞后,在發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。 每一個正在發送數據的站，一旦發現總線上出現了碰撞，就要立即停止發送，免得繼續浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發送。,CSMA/CD工作原理小結,工作原理：發送前先監聽信道是否空閑，若空閑則立即發送數據。在發送時，邊發邊繼續監聽。若監聽到沖突，則立即停止發送。等待一段隨機時間（稱為退避）以后，再重新嘗試。,CSMA/CD的流程圖,電磁波在總線上的 有限傳播速率的影響,當某個站監聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的。 A 向 B 發出的信息，要經過一定的時間后才能傳送到 B。 B 若在 A 發送的信息到達 B 之前發送自己的幀(因為這時 B 的載波監聽檢測不到 A 所發送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發送的幀發生碰撞。 碰撞的結果是兩個幀都變得無用。,1 km,A,B,t,t = 0,單程端到端 傳播時延記為,1 km,A,B,t,t = B 檢測到信道空閑 發送數據,t = / 2 發生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 檢測到 信道空閑 發送數據,A,B,t = 0,A,B,單程端到端 傳播時延記為,重要特性,使用 CSMA/CD 協議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。 每個站在發送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。 這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據率。,4. 爭用期,最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。 以太網的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。 經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發生碰撞。,二進制指數類型退避算法 (truncated binary exponential type),發生碰撞的站在停止發送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發送數據。 確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。 定義重傳次數 k ，k 10，即 k = Min重傳次數, 10 從整數集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。 當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。,爭用期的長度,以太網取 51.2 s 為爭用期的長度。 對于 10 Mb/s 以太網，在爭用期內可發送512 bit，即 64 字節。 以太網在發送數據時，若前 64 字節沒有發生沖突，則后續的數據就不會發生沖突。,最短有效幀長,如果發生沖突，就一定是在發送的前 64 字節之內。 由于一檢測到沖突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小于 64 字節。 以太網規定了最短有效幀長為 64 字節，凡長度小于 64 字節的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。,強化碰撞,當發送數據的站一旦發現發生了碰撞時，除了立即停止發送數據外，還要再繼續發送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現在已經發生了碰撞。,人為干擾信號,A,B,t,B 也能夠檢測到沖突，并立即停止發送數據幀，接著就發送干擾信號。這里為了簡單起見，只畫出 A 發送干擾信號的情況。,4.2.2 傳統以太網的連接方法,傳統以太網可使用的傳輸媒體有四種： 銅纜（粗纜或細纜） 銅線（雙絞線） 光纜 這樣，以太網就有四種不同的物理層。,銅纜或銅線連接到以太網 的示意圖,主機箱,主機箱,主機箱,雙絞線,集線器,BNC T 型接頭,收發器電纜,網卡,插入式 分接頭,MAU,MDI,保護外層,外導體屏蔽層,內導體,收發器,DB-15 連接器,BNC 連接器 插口,RJ-45 插頭,1. 10Base5,粗同軸電纜，可靠性好，抗干擾能力強 收發器 : 發送/接收, 沖突檢測, 電氣隔離 AUI : 連接件單元接口 總線型拓撲 用于網絡骨干連接,最大段長度 500米 每段最多站點數 100,兩站點間最小距離 2.5米,粗纜,Vampire tap,BNC端子,收發器,AUI 電纜,NIC,網絡最大跨度 2.5公里,2. 10Base2,細同軸電纜，可靠性稍差 BNC T型接頭連接 總線型拓撲 用于辦公室LAN,細纜,BNC 接頭,NIC,每段最大長度 185m 每段最多站點數 30,兩站點間最短距離 0.5 m,網絡最大跨度 925 m,網絡最多5個段,3. 10BaseT,雙絞線介質（UTP） 以Hub （集線器）為中心節點。Hub多端口轉發器。 拓撲結構為星形，邏輯上仍然是總線形。 轉發器/中繼器的作用：將信號放大并整形后再轉發，消除信號傳輸的失真和衰減。 轉發器/中繼器/HUB物理層設備(工作在物理層)。 用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大長度 100m,網卡的功能,物理層,電纜,連接器,收發器,AUI電纜,網卡,站接口,數據封裝/解封（MAC 幀）,鏈路管理（CSMA/CD協議）,曼徹斯特編碼/譯碼,發送/接收,MAC,LLC,網卡的功能,數據的封裝與解封 發送時將上一層交下來的數據加上首部和尾部，成為以太網的幀。接收時將以太網的幀剝去首部和尾部，然后送交上一層。 鏈路管理 主要是 CSMA/CD 協議的實現。 編碼與譯碼 即曼徹斯特編碼與譯碼。,以太網在局域網中的統治地位,10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。 這種 10 Mb/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網的出現，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 雙絞線以太網的出現，是局域網發展史上的一個非常重要的里程碑，它為以太網在局域網中的統治地位奠定了牢固的基礎。,集線器的一些特點,集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統仍然像一個傳統的以太網那樣運行。 使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協議，并共享邏輯上的總線。 集線器很像一個多端口的轉發器，工作在物理層。,具有三個端口的集線器,集 線 器,網卡,工作站,網卡,工作站,網卡,工作站,雙絞線,4.3 以太網的 MAC 層 4.3.1 MAC 層的硬件地址,在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。 802 標準所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符。 但鑒于大家都早已習慣了將這種 48 bit 的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。,第 1,最高位 最先發送,最低位,最高位,最低位 最后發送,00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001,最低位 最先發送,最高位,最低位,最高位 最后發送,機構惟一標志符 OUI,擴展標志符,高位在前,低位在前,十六進制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80,二進制表示的 EUI-48 地址：,第 1 字節,第 6 字節,I/G 比特,I/G 比特,字節順序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,第 1,字節順序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000,802.5 802.6,802.3 802.4,網卡上的硬件地址,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,路由器由于同時連接到兩個網絡上， 因此它有兩塊網卡和兩個硬件地址。,網卡檢查 MAC 地址,網卡從網絡上每收到一個 MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址. 如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。 否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。 “發往本站的幀”包括以下三種幀： 單播(unicast)幀（一對一） 廣播(broadcast)幀（一對全體） 多播(multicast)幀（一對多）,4.3.2 兩種不同的 MAC 幀格式,常用的以太網MAC幀格式有兩種標準 ： DIX Ethernet V2 標準 IEEE 的 802.3 標準 最常用的 MAC 幀是以太網 V2 的格式。,MAC 幀,字節,6,6,2,4,IP 層,物理層,目的地址,源地址,長度/類型,FCS,MAC 層,10101010101010 10101010101010101011,前同步碼,幀開始 定界符,7 字節,1 字節,數 據,MAC 子層,IP 層,LLC 子層,這種 802.3 + 802.2 幀已經較少使用,43 1497,1,1,1,DSAP,SSAP,控制,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網 V2 的 MAC 幀格式,目的地址字段 6 字節,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網 V2 的 MAC 幀格式,源地址字段 6 字節,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網 V2 的 MAC 幀格式,類型字段 2 字節,類型字段用來標志上一層使用的是什么協議， 以便把收到的 MAC 幀的數據上交給上一層的這個協議。,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網 V2 的 MAC 幀格式,數據字段 46 1500 字節,數據字段的正式名稱是 MAC 客戶數據字段 最小長度 64 字節 18 字節的首部和尾部 = 數據字段的最小長度,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網 V2 的 MAC 幀格式,FCS 字段 4 字節,當傳輸媒體的誤碼率為 1108 時， MAC 子層可使未檢測到的差錯小于 11014。,當數據字段的長度小于 46 字節時， 應在數據字段的后面加入整數字節的填充字段， 以保證以太網的 MAC 幀長不小于 64 字節。,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網 V2 的 MAC 幀格式,在幀的前面插入的 8 字節中的第一個字段共 7 個字節， 是前同步碼，用來迅速實現 MAC 幀的比特同步。 第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC 幀。,為了達到比特同步， 在傳輸媒體上實際傳送的 要比 MAC 幀還多 8 個字節,數據字段的長度與長度字段的值不一致； 幀的長度不是整數個字節； 用收到的幀檢驗序列 FCS 查出有差錯； 數據字段的長度不在 46 1500 字節之間。 有效的 MAC 幀長度為 64 1518 字節之間。 對于檢查出的無效 MAC 幀就簡單地丟棄。以太網不負責重傳丟棄的幀。,無效的 MAC 幀,幀間最小間隔為 9.6 s，相當于 96 bit 的發送時間。 一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待 9.6 s 才能再次發送數據。 這樣做是為了使剛剛收到數據幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。,幀間最小間隔,用多個集線器可連成更大的局域網,4.4 擴展的局域網 4.4.1 在物理層擴展局域網,集線器,集線器,一系,二系,集線器,三系,三個獨立的碰撞域,用多個集線器可連成更大的局域網,4.4 擴展的局域網 4.4.1 在物理層擴展局域網,優點 使原來屬于不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。 擴大了局域網覆蓋的地理范圍。 缺點 碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那么就不能用集線器將它們互連起來。,用集線器擴展局域網,在數據鏈路層擴展局域網是使用網橋。 網橋工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發。 網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的端口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個端口,4.4.2 在數據鏈路層擴展局域網,1. 網橋的內部結構,站表,端口管理 軟件,網橋協議 實體,端口 1,端口 2,緩存,網段 B,網段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,端口,網橋,網橋,過濾通信量。 擴大了物理范圍。 提高了可靠性。 可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網）的局域網。,使用網橋帶來的好處,存儲轉發增加了時延。 在MAC 子層并沒有流量控制功能。 具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時時延更大。 網橋只適合于用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。,使用網橋帶來的缺點,用戶層,IP,MAC,站 1,用戶層,IP,MAC,站 2,物理層,網橋 1,網橋 2,A,B,用戶數據,IP-H,MAC-H,MAC-T,DL-H,DL-T, , , ,物理層,DL,R,MAC,物理層,物理層,DL,R,物理層,物理層,LAN,LAN,兩個網橋之間還可使用一段點到點鏈路,集線器在轉發幀時，不對傳輸媒體進行檢測。 網橋在轉發幀之前必須執行 CSMA/CD 算法。 若在發送過程中出現碰撞，就必須停止發送和進行退避。 在這一點上網橋的接口很像一個網卡。但網橋卻沒有網卡。 由于網橋沒有網卡，因此網橋并不改變它轉發的幀的源地址。,網橋和集線器（或轉發器）不同,目前使用得最多的網橋是透明網橋(transparent bridge)。 “透明”是指局域網上的站點并不知道所發送的幀將經過哪幾個網橋，因為網橋對各站來說是看不見的。 透明網橋是一種即插即用設備，其標準是 IEEE 802.1D。,2. 透明網橋,(1) 從端口 x 收到無差錯的幀（如有差錯即丟棄），在轉發表中查找目的站 MAC 地址。 (2) 如有，則查找出到此 MAC 地址應當走的端口 d，然后進行(3)，否則轉到(5)。 (3) 如到這個 MAC 地址去的端口 d = x，則丟棄此幀（因為這表示不需要經過網橋進行轉發）。否則從端口 d 轉發此幀。 (4) 轉到(6)。 (5) 向網橋除 x 以外的所有端口轉發此幀（這樣做可保證找到目的站）。 (6) 如源站不在轉發表中，則將源站 MAC 地址加入到轉發表，登記該幀進入網橋的端口號，設置計時器。然后轉到(8)。如源站在轉發表中，則執行(7)。 (7) 更新計時器。 (8) 等待新的數據幀。轉到(1)。,網橋應當按照以下算法 處理收到的幀和建立轉發表,站地址：登記收到的幀的源 MAC 地址。 端口：登記收到的幀進入該網橋的端口號。 時間：登記收到的幀進入該網橋的時間。 轉發表中的 MAC 地址是根據源 MAC 地址寫入的，但在進行轉發時是將此 MAC 地址當作目的地址。 如果網橋現在能夠從端口 x 收到從源地址 A 發來的幀，那么以后就可以從端口 x 將幀轉發到目的地址 A。,網橋在轉發表中 登記以下三個信息,這是為了避免產生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子。,透明網橋使用了支撐樹算法,局域網 2,局域網 1,網橋 2,網橋 1,A,F,不停地 兜圈子,A 發出的幀,網絡資源白白消耗了,每隔幾秒鐘每一個網橋要廣播其標識號(由生產網橋的廠家設定的一個惟一的序號)和它所知道的其他所有在網上的網橋。 支撐樹算法選擇一個網橋作為支撐樹的根(例如，選擇一個最小序號的網橋)，然后以最短路徑為依據，找到樹上的每一個結點。 當互連局域網的數目非常大時，支撐樹的算法很花費時間。這時可將大的互連網劃分為多個較小的互連網，然后得出多個支撐樹。,支撐樹的得出,透明網橋容易安裝，但網絡資源的利用不充分。 源路由(source route)網橋在發送幀時將詳細的路由信息放在幀的首部中。 源站以廣播方式向欲通信的目的站發送一個發現幀，每個發現幀都記錄所經過的路由。 發現幀到達目的站時就沿各自的路由返回源站。源站在得知這些路由后，從所有可能的路由中選擇出一個最佳路由。凡從該源站向該目的站發送的幀的首部，都必須攜帶源站所確定的這一路由信息。,3. 源路由網橋,1990 年問世的交換式集線器(switching hub)，可明顯地提高局域網的性能。 交換式集線器常稱為以太網交換機(switch)或第二層交換機（表明此交換機工作在數據鏈路層）。 以太網交換機通常都有十幾個端口。因此，以太網交換機實質上就是一個多端口的網橋，可見交換機工作在數據鏈路層。,4. 多端口網橋以太網交換機,以太網交換機的每個端口都直接與主機相連，并且一般都工作在全雙工方式。 交換機能同時連通許多對的端口，使每一對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸數據。 以太網交換機由于使用了專用的交換結構芯片，其交換速率就較高。,以太網交換機的特點,對于普通 10 Mb/s 的共享式以太網，若共有 N 個用戶，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(10 Mb/s)的 N 分之一。 使用以太網交換機時，雖然在每個端口到主機的帶寬還是 10 Mb/s，但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他網絡用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對于擁有 N 對端口的交換機的總容量為 N10 Mb/s。這正是交換機的最大優點。,獨占傳輸媒體的帶寬,以太網交換機數據轉發的依據,交換機內維護著一張地址表，將各端口同與之相連的節點（MAC）地址關聯起來。它是數據幀轉發的依據。,(1) 端口下接站點：站點獨占10Mbps帶寬 (2) 端口下接網段：網段中所有站點共享10Mbps帶寬,共享10M,獨享10M,共享10M,獨享10M,網絡交換機Switch,HUB,HUB,交換機的兩種用法(以10Mbps為例)：,用以太網交換機擴展局域網,集線器,集線器,集線器,一系,三系,二系,10BASE-T,至因特網,100 Mb/s,100 Mb/s,100 Mb/s,萬維網 服務器,電子郵件 服務器,以太網 交換機,路由器,虛擬局域網 VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。 這些網段具有某些共同的需求。 每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的工作站是屬于哪一個 VLAN。 虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而并不是一種新型局域網。,4.5 虛擬局域網 4.5.1 虛擬局域網的概念,以太網 交換機,A4,B1,以太網 交換機,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網 交換機,以太網 交換機,三個虛擬局域網 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構成,以太網 交換機,A4,B1,以太網 交換機,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網 交換機,以太網 交換機,三個虛擬局域網 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構成,當 B1 向 VLAN2 工作組內成員發送數據時， 工作站 B2 和 B3 將會收到廣播的信息。,以太網 交換機,A4,B1,以太網 交換機,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網 交換機,以太網 交換機,三個虛擬局域網 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構成,B1 發送數據時，工作站 A1, A2 和 C1 都不會收到 B1 發出的廣播信息。,以太網 交換機,A4,B1,以太網 交換機,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網 交換機,以太網 交換機,三個虛擬局域網 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構成,虛擬局域網限制了接收廣播信息的工作站數，使得網絡 不會因傳播過多的廣播信息(即“廣播風暴”)而引起性能惡化。,虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個 4 字節的標識符，稱為 VLAN 標記(tag)，用來指明發送該幀的工作站屬于哪一個虛擬局域網。,4.5.2 虛擬局域網使用的 以太網幀格式,4.6 高速以太網 4.6.1 100BASE-T 以太網,速率達到或超過 100 Mb/s 的以太網稱為高速以太網。 在雙絞線上傳送 100 Mb/s 基帶信號的星型拓撲以太網，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 協議。100BASE-T 以太網又稱為快速以太網(Fast Ethernet)。,100BASE-T 以太網的特點,可在全雙工方式下工作而無沖突發生。因此，不使用 CSMA/CD 協議。 MAC 幀格式仍然是 802.3 標準規定的。 保持最短幀長不變，但將一個網段的最大電纜長度減小到 100 m。 幀間時間間隔從原來的 9.6 s 改為現在的 0.96 s。,三種不同的物理層標準,100BASE-TX 使用 2 對 UTP 5 類線或屏蔽雙絞線 STP。 100BASE-FX 使用 2 對光纖。 100BASE-T4 使用 4 對 UTP 3 類線或 5 類線。,4.6.2 吉比特以太網,允許在 1 Gb/s 下全雙工和半雙工兩種方式工作。 使用 802.3 協議規定的幀格式。 在半雙工方式下使用 CSMA/CD 協議（全雙工方式不需要使用 CSMA/CD 協議）。 與 10BASE-T 和 100BASE-T 技術向后兼容。,吉比特以太網的物理層,1000BASE-X 基于光纖通道的物理層： 1000BASE-SX SX表示短波長 1000BASE-LX LX表示長波長 1000BASE-CX CX表示銅線 1000BASE-T 使用 4對 5 類線 UTP,載波延伸(carrier extension),吉比特以太網在工作在半雙工方式時，就必須進行碰撞檢測。 由于數據率提高了，因此只有減小最大電纜長度或增大幀的最小長度，才能使參數 a 保持為較小的數值。 吉比特以太網仍然保持一個網段的最大長度為 100 m，但采用了“載波延伸”的辦法，使最短幀長仍為 64 字節（這樣可以保持兼容性），同時將爭用時間增大為 512 字節。,在短 MAC 幀后面加上載波延伸,凡發送的 MAC 幀長不足 512 字節時，就用一些特殊字符填充在幀的后面，使MAC 幀的發送長度增大到 512 字節，但這對有效載荷并無影響。 接收端在收到以太網的 MAC 幀后，要將所填充的特殊字符刪除后才向高層交付。,目地地址,源地址,數據長度,數 據,FCS,MAC 幀的最小值 = 64 字節,載波延伸,前同步碼,加上載波延伸使 MAC 幀長度 = 爭用期長度512 字節,在以太網上實際傳輸的幀長,分組突發,當很多短幀要發送時，第一個短幀要采用上面所說的載波延伸的方法進行填充。 隨后的一些短幀則可一個接一個地發送，只需留有必要的幀間最小間隔即可。這樣就形成可一串分組的突發，直到達到 1500 字節或稍多一些為止。,發送的 數據,分組#1 RRRRRRRR 分組#2 RRRR 分組#3 RRR 分組#4,爭用期 512 字節,將突發計時器設定為 1500 字節,載波延伸,載波 監聽,全雙工方式,當吉比特以太網工作在全雙工方式時（即通信雙方可同時進行發送和接收數據），不使用載波延伸和分組突發。,吉比特以太網的配置舉例,1 Gb/s 鏈路,吉比特 交換 集線器,百兆比特或吉比特集線器,100 Mb/s 鏈路,中央服務器,4.6.3 10 吉比特以太網,10 吉比特以太網與 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太網的幀格式完全相同。 10 吉比特以太網還保留了 802.3 標準規定的以太網最小和最大幀長，便于升級。 10 吉比特以太網不再使用銅線而只使用光纖作為傳輸媒體。 10 吉比特以太網只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用 CSMA/CD 協議。,吉比特以太網的物理層,局域網物理層 LAN PHY。局域網物理層的數據率是 10.000 Gb/s。 可選的廣域網物理層 WAN PHY。廣域網物理層具有另一種數據率，這是為了和所謂的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相連接。 為了使 10 吉比特以太網的幀能夠插入到 OC-192/STM-64 幀的有效載荷中，就要使用可選的廣域網物理層，其數據率為 9.95328 Gb/s。,端到端的以太網傳輸,10 吉比特以太網的出現，以太網的工作范圍已經從局域網（校園網、企業網）擴大到城域網和廣域網，從而實現了端到端的以太網傳輸。 這種工作方式的好處是： 成熟的技術 互操作性很好 在廣域網中使用以太網時價格便宜。 統一的幀格式簡化了操作和管理。,以太網從 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演進,以太網從 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演進證明了以太網是： 可擴展的（從 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。 靈活的（多種傳輸媒體、全/半雙工、共享/交換）。 易于安裝。 穩健性好。,以太網交換機在大中小企業機構中組網示意圖,4.7 其他種類的高速局域網,4.7.1 100VG-AnyLAN 局域網 使用集線器的 100 Mb/s 高速局域網 4.7.2 光纖分布式數據接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 使用光纖作為傳輸媒體的令牌環形網 4.7.3 高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interface) 主要用于超級計算機與一些外圍設備（如海量存儲器、圖形工作站等）的高速接口 4.7.4 光纖通道(Fibre Channel),4.8 無線局域網 4.8.1 無線局域網的組成,有固定基礎設施的無線局域網,基本服務集 BSS,擴展的服務集 ESS,基本服務集 BSS,A,B,漫游,接入點 AP,接入點 AP,分配系統 DS,門橋,門橋,802.x 局域網,因特網,有固定基礎設施的無線局域網,擴展的服務集 ESS,A,B,接入點 AP,接入點 AP,分配系統 DS,門橋,門橋,802.x 局域網,因特網,一個基本服務集 BSS 包括一個基站和若干個移動站， 所有的站在本 BSS 以內都可以直接通信， 但在和本 BSS 以外的站通信時都要通過本 BSS 的基站。,有固定基礎設施的無線局域網,擴展的服務集 ESS,A,B,分配系統 DS,門橋,門橋,802.x 局域網,因特網,基本服務集中的基站叫做 接入點 AP (Access Point) 其作用和網橋相似。,A,B,門橋,門橋,802.x 局域網,因特網,一個基本服務集可以是孤立的，也可通過接入點 AP 連接到一個主干分配系統 DS (Distribution System)， 然后再接入到另一個基本服務集，構成 擴展的服務集ESS (Extended Service Set)。,擴展的服務集 ESS,A,B,802.x 局域網,因特網,ESS 還可通過叫做門橋(portal)為無線用戶提供 到非 802.11 無線局域網（例如，到有線連接 的因特網）的接入。門橋的作用就相當于一個網橋。,擴展的服務集 ESS,B,802.x 局域網,因特網,移動站 A 從某一個基本服務集漫游到 另一個基本服務集，而仍然可保持與 另一個移動站 B 進行通信。,無固定基礎設施的無線局域網 自組網絡(ad hoc network),自組網絡,A,E,D,C,B,F,源結點,目的結點,轉發結點,轉發結點,轉發結點,自組網絡沒有上述基本服務集中的接入點 AP 而是由一些處于平等狀態的移動站之間相互通信組成的臨時網絡。,移動自組網絡的應用前景,在軍事領域中，攜帶了移動站的戰士可利用臨時建立的移動自組網絡進行通信。 這種組網方式也能夠應用到作戰的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機群。 當出現自然災害時，在搶險救災時利用移動自組網絡進行及時的通信往往很有效的，,移動自組網絡 和移動 IP 并不相同,移動 IP 技術使漫游的主機可以用多種方式連接到因特網。 移動 IP 的核心網絡功能仍然是基于在固定互聯網中一直在使用的各種路由選擇協議。 移動自組網絡是將移動性擴展到無線領域中的自治系統，它具有自己特定的路由選擇協議，并且可以不和因特網相連。,4.8.2 802.11 標準中的物理層,1997 年 IEEE 制訂出無線局域網的協議標準的第一部分，802.11。在1999年又制訂了剩下的兩部分，802.11a 和 802.11b。 802.11 的物理層有以下三種實現方法： 跳頻擴頻 FHSS 直接序列擴頻 DSSS 紅外線 IR,802.11 標準中的物理層（續）,802.11a 的物理層工作在 5 GHz頻帶，采用正交頻分復用 OFDM，它也叫做多載波調制技術（載波數可多達 52 個）。可以使用的數據率為 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 和 56 Mb/s。 802.11b 的物理層使用工作在 2.4 GHz 的直接序列擴頻技術，數據率為 5.5 或 11 Mb/s。,4.8.3 802.11 標準中的 MAC 層 1. CSMA/CA 協議,無線局域網卻不能簡單地搬用 CSMA/CD 協議。這里主要有兩