IEEE 802参考模型

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计算机网络第5章 介质访问控制子层,*,本章学习要求,：,了解：局域网的分类与特点。,理解：,IEEE 802,参考模型与介质访问控制子层,的基本概念。,掌握：,Ethernet,局域网的基本工作原理。,掌握：高速局域网、交换局域网与虚拟局域网,的基本工作原理。,掌握：无线局域网,WLAN,与,802.11,标准的基本,概念。,掌握：网络互联基本概念与网桥基本工作原,理。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,1,本章知识点结构,计算机网络第5章 介质访问控制子层,2,5.1,局域网技术的发展与演变,5.1.1,局域网技术的研究与发展,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,3,介质访问控制的基本概念,分布式控制的方法,局域网中不存在中心主机，而是由每个主机各自决定是否发送数据，以及出现冲突时如何处理。,“,介质访问控制方法,”,要解决的三个基本问题：,什么时候发送数据？,如何发现冲突？,出现冲突怎么办？,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,4,5.1.2,介质访问控制方法,CSMA/CD,、,Token Bus,与,Token Ring,的比较,三种不同的介质访问控制方法对应三种不同类型,的局域网,：,采用带有冲突检测的载波侦听多路访问,(CSMA/CD),访问控制方法的总线形,Ethernet,，称为“以太网”。,采用令牌控制的令牌总线形（,Token Bus,）局域网，称为“,Token Bus,”或“令牌总线网”。,采用令牌控制的令牌环形（,Token Ring,）局域网，称为“,Token Ring,”或“令牌环网”。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,5,CSMA/CD,总线形局域网特点,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,6,令牌总线形局域网的特点,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,7,令牌环局域网的特点,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,8,CSMA/CD,方法的主要特点,介质访问控制方法算法简单，易于实现。目前，有很多种,VLSI,（超大规模集成电路）,可以实现,CSMA/CD,方法，有利于降低,Ethernet,组网成本，扩大应用范围。,一种随机访问控制方法，适用于对传输实时性要求不高的办公环境。,在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与延迟特性。当网络通信负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,9,确定型介质访问控制方法,Token Bus,、,Token Ring,的主要特点,：,适用于对数据传输实性要求较高的应用环境，如生产过程控制领域。,在网络通信负荷较重时，表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟，因此适用于通信负荷较重的应用环境。,环的维护过程复杂，实现起来比较困难。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,10,不同通信负荷下实际数据传输速率的比较,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,11,5.1.3 Ethernet,技术的研究与发展,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,12,延时带宽积物理意义,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,13,Ethernet,技术的发展过程,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,14,5.1.4,局域网参考模型与协议标准,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,15,IEEE 802,协议结构,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,16,5.2 Ethernet,基本工作原理,5.2.1 Ethernet,数据发送流程分析,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,17,载波侦听,总线电平跳变与总线忙闲状态的判断,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,18,冲突窗口的概念,冲突窗口,=2D/V,D,为总线传输介质的最大长度,V,是电磁波在介质中的传播速度,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,19,冲突检测,曼彻斯特编码信号的波形叠加,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,20,发现冲突、停止发送,如果在发送数据过程中检测出冲突，为了解决信道争用冲突，发送主机要进入停止发送数据、随机延迟后重发的流程。,随机延迟重发的第一步是发送,“,冲突加强干扰序列（,jamming sequence,）信号,”,。冲突加强干扰序列信号长度规定为,32bit,。,发送冲突加强干扰序列信号的目的是：确保有足够的冲突持续时间，使网中所有主机都能检测出冲突存在，并立即丢弃冲突帧，减少由于冲突浪费的时间，提高信道利用率。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,21,随机延迟重发,帧的最大重发次数为,16,CSMA/CD,后退延迟算法是截止二进制指数后退延迟算法为：,2,k,Ra,为重新发送所需的后退延迟的时间,a,是冲突窗口值,R,是随机数,二进制指数,k,的范围，定义了,k=min,（,n,，,10,）,重发次数,n10,，则,k,取值为,n,重发次数,n10,时，则,k,取值为,10,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,22,5.2.2 Ethernet,帧结构,Ethernet,帧结构,比较,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,23,5.2.3 Ethernet,接收流程的分析,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,24,5.2.4 Ethernet,网卡设计与物理地址,典型的,10BASE-5,的,Ethernet,实现方法,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,25,Ethernet,网卡与计算机之间关系,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,26,Ethernet,物理地址,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,27,5.2.5 Ethernet,物理层标准命名方法,IEEE 802.3 X Type-Y Name,X,表示数据传输速率，单位为,Mbps,Y,表示网段的最大长度，单位为,100m,Type,表示传输方式是基带还是频带,Name,表示局域网的名称,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,28,5.3,交换式局域网与虚拟局域网技术,5.3.1,交换式局域网技术,交换基本的功能,：,建立和维护一个表示,MAC,地址与交换机端口号对应关系的映射表。,在发送主机与接收主机端口之间建立虚连接。,完成帧的过滤与转发。,执行生成树协议，防止出现环路。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,29,局域网交换机的工作原理,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,30,交换机的交换方式,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,31,5.3.2,虚拟局域网技术,传统局域网与,虚拟局域网,组网结构的比较,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,32,VLAN,的划分方法,基于交换机端口的,VLAN,划分,方法,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,33,基于主机,MAC,地址的,VLAN,划分,方法,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,34,基于网络层地址或协议的,VLAN,划分方法,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,35,IEEE802.1Q,的基本内容,扩展后的,Ethernet,帧结构,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,36,VLAN,数据帧交换过程,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,37,VLAN,技术的优点,：,可以通过软件设置的方法灵活地组织逻辑工作组，极大地方便了局域网的管理。,限制了局域网中的广播通信量，有效地提高了局域网系统的性能。,网络管理员可以通过制定交换机转发规则，能够提高局域网系统的安全性。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,38,5.4,高速,Ethernet,研究与发展,5.4.1 Fast Ethernet,在传统,10Mbps,的,Ethernet,基础上发展起来的一种速率,为,100Mbps,的,高速局域网。,IEEE 802,委员会正式批准标准,IEEE 802.3u,。,保留着传统,Ethernet,的帧格式与最小、最大帧长度等特征。,定义了介质专用接口（,MII,），将,MAC,层与物理层分隔开。,目前,100ASE-T,主要有三种物理层标准：,100BASE-TX,、,100BASE-T4,、,100BASE-FX,。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,39,支持半双工与全双工工作模式,可以提供半双工模式之外，也可以工作在全双工模式。,全双工模式不存在争用问题，,MAC,层不需要采用,CSMA/CD,方法。,增加了,10Mbps,与,100Mbps,速率自动协商功能,具有,10Mbps,与,100Mbps,速率网卡共存的速率自动协商机制。,自动协商只涉及到物理层，不需要人为干预,，,能够,自动,配置。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,40,5.4.2 Gigabit Ethernet,GE,可以应用于,数据仓库、高性能计算机、存储区域网与云计算硬件平台,中。,GE,标准,是,IEEE 802.3z,。,GE,的传输速率达到了,1000Mbps,，它仍然保留着传统的,Ethernet,的帧格式与最小、最大帧长度等特征。,定义了千兆介质专用接口（,GMII,）,。,GE,已经成为大、中型局域网系统主干网的首选方案，有着广泛的应用前景。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,41,5.4.3 10 Gigabit Ethernet,10GbE,主要特点,：,保留着传统的,Ethernet,的的帧格式与最小、最大帧长度的特征。,10GbE,定义了专用的介质专用接口,10GMII,。,10GbE,只工作在全双工方式，不再采用,CSMA/CD,协议，覆盖范围不受传统,Ethernet,网的冲突窗口限制，传输距离只取决于光纤通信系统的性能。,10GbE,的应用领域已经从局域网，逐渐扩展到城域网与广域网的核心交换网之中。,10GbE,的物理层协议分为：局域网物理层标准与广域网物理层标准两类。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,42,5.4.4 40 Gigabit Ethernet,与,100 Gigabit Ethernet,40 GbE,与,100 GbE,研究的背景,移动,Internet,应用,三网融合的高清视频业务增长的,需要,云计算、物联网应用的兴起,城域网与广域网核心交换网传输带宽增长的需求,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,43,40GbE,的研究与应用,40Gbps,的波分复用,WDM,技术早在,1996,年就出现了,。,2004,2006,年前后在局部范围内开始商用，同时路由器开始提供,40Gbps,的接口,。,在,2007,2008,年有多个厂商能够提供速率为,40Gbps,的波分复用设备。,40GbE,技术将会大量应用于,IDC,、高性能计算机、高性能服务器集群与云计算平台。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,44,100GbE,技术的研究与应用,100GbE,的标准,是,802.3ba,100GbE,保留着传统的,Ethernet,的的帧格式与最小、最大帧长度的规定,100GbE,物理接口主要有三种类型：,1010GbE,短距离互联的,LAN,接口技术,425GE,中短距离互联的,LAN,接口技术,10m,的铜缆接口和,1m,的系统背板互联技术,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,45,5.4.5,光以太网与城域以太网,光以太网的基本概念,光以太网术语是北电网络,2000,年提出，得到网络界与电信界的认同和支持。,10Gbps,、,40Gbps,、,100Gbps,高速以太网中只采用全双工模式，物理传输介质以光纤为主。,可以充分地将,Ethernet,技术与,SDH,、,MPLS,与,DWDM,等成熟的光通信技术交叉融合、优势互补，以提升,Ethernet,技术的服务质量,QoS,、网络安全性与系统可靠性，使得光以太网成为能够满足电信级服务要求的网络技术。,利用光纤的巨大带宽资源与成熟、广泛应用的,Ethernet,技术，为网络运营商建造新一代的宽带城域网提供技术支持。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,46,城域以太网的基本概念,宽带城域网选择网络方案的三大驱动因素是成本、可扩展性和易用性的话，那么选择,Ethernet,技术作为下一代构建宽带城域网的主要技术是非常恰当的。,Ethernet,具有良好的扩展性，能够容易地实现从,10Mbps,到,100Gbps,的平滑升级，并且能够覆盖从几十米到,100,公里的范围。,研究可运营的光以太网已经不是单一的技术研究，而是提出了城域以太网的解决方案。光以太网、城域以太网的发展将从根本上改变网络运营商规划、建设、管理思想。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,47,5.5 Ethernet,组网设备与组网方法,5.5.1 Ethernet,基本的组网方法与设备,用中继器连接两个,Ethernet,缆段结构,中继器的工作原理,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,48,集线器（,HUB,）,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,49,集线器组网结构,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,50,5.5.2,交换,Ethernet,与高速,Ethernet,组网方法,典型的交换以太网组网结构,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,51,5.5.3,局域网结构化布线的基本概念,建筑物综合布线系统结构示意图,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,52,5.6,局域网互联与网桥,5.6.1,局域网互联与网桥的基本概念,网桥,是,实现两个或两个以上相同类型的同构局域网的互联，也可以实现两个或两个以上不同类型的异构局域网的互联,设备,。,网桥主要有两大主要的功能,：,端口号与对应的,MAC,地址表的转发表生成与,维护,帧接收、过滤与转发,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,53,网桥结构与工作原理,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,54,源路由网桥,源路由网桥由发送帧的源主机负责路由选择。,每个主机在发送帧时，将详细的路由信息写在帧头部，网桥根据源主机确定的路由转发帧。,为了发现合适的路由，源主机以广播方式向目的主机发送用于探测的发现帧。,源主机得到这些路由信息后，从可能的路由中选择出一个最佳路由。,常用的方法是：如果有超过一条的路径，源主机将选择中间经过的网桥跳数最少的路径。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,55,透明网桥,用透明网桥互联局域网时，网桥的转发表开始是空的。网桥采取与交换机,采取,自学习方法,，,在转发帧的过程中，逐渐将建立和更新转发表。,透明网桥通过自学习算法生成和维护网桥转发表，是一种即插即用的局域网互联设备。,局域网的主机不负责帧传输路径的选择。互联的局域网主机不需要知道网桥的存在，也不需要了解网桥之间的连接关系，网桥对主机是透明的。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,56,5.6.2,网桥的工作流程,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,57,5.6.3,生成树协议,网桥互联形成环状结构,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,58,分析生成树协议执行过程的网络结构示意图,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,59,有效拓扑结构,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,60,主机之间的帧传输路径,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,61,5.6.4,网桥与中继器、集线器、交换机的比较,网桥与中继器作用的比较,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,62,中继器、集线器、网桥与交换机的比较,比较,的内容,中继器,集线器,交换机,网桥,协议,层次,物理层,物理层,MAC,层,MAC,层,主要,功能,连接,多个,缆,段,，,增加,总线长度,，,增加,接入的,主机,数量,接入,多台,计算机,形成,星形结构,的,Ethernet,连接,多台计算机,，,实现,快速帧转发,互联,多个同构,或,异构,的局域网,工作,原理,信号,放大与整形,信号,放大与整形,在,多端口之间,同,时,转发多帧,MAC,地址过滤,与,帧,转发,结构,特点,两,个端口,可以,有多端口,可以,有多端口,可以,有多端口,使用,地址,MAC,地址,MAC,地址,冲突,域,连接,在多个缆,段,上,的所有主机,属,于,一个冲突域,连接,在集线器,上,的,所有主机,属于,一,个冲突域,如果,主机独占,端,口,，则不存在,冲,突,每个,互联的局,域,网,分别是一个,冲,突,域,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,63,5.7,无线局域网,5.7.1,无线局域网发展背景,无线局域网（,WLAN,）不仅能够作为独立的一种移动通信网络来使用，而且可以作为传统局域网的补充。,无线局域网以微波、激光与红外线等无线电波作为传输介质，来全部或部分取代传统局域网中的双绞线与光纤。,无线局域网不仅能够满足移动和特殊应用领域网络的要求，还能覆盖有线局域网难以布线的位置。,无线局域网的发展速度,很,快。目前，支持,2Mbps,传输速率的系统已经成熟，而速率为,40Mbps,80Mbps,的系统正在研究中。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,64,无线局域网,802.11,协议发展过程,1997,年形成了第一个无线局域网的标准,802.11,。,802.11,定义了使用红外、跳频扩频与直接序列扩频技术，传输速率为,1Mbps,或,2Mbps,的无线局域网标准。,802.11b,定义了使用跳频扩频技术，传输速率为,1,、,2,、,5.5,与,11Mbps,的无线局域网标准。,802.11a,将传输速率提高到,54Mbps,。,目前,802.11,标准已经从,802.11,、,802.11a,发展,802.11j,，对多种频段无线传输技术的物理层、,MAC,层、无线网桥，以及,QoS,管理、安全与身份认证作出了一系列的规定。,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,65,5.7.2,扩频无线局域网,扩频数字通信系统的基本结构与原理示意图,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,66,跳频扩频通信（,FHSS,）,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,67,直接序列扩频（,DSSS,）,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,68,5.7.3,无线局域网,IEEE 802.11,标准,一跳与多跳,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,69,多对主机同时通信,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,70,隐藏主机和暴露主机,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,71,802.11,协议层次结构模型,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,72,BSS,、,ESS,与,Ad hoc,结构,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,73,5.7.4 802.11,标准的,MAC,层协议,802.11,规定了四种帧间间隔,：,短帧间间隔（,SIFS,）,点协调功能帧间间隔（,PIFS,）,分布协调功能帧间间隔（,DIFS,）,扩展帧间间隔（,EIFS,）,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,74,CSMA/CA,工作原理示意图,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,75,RTS/CTS,预约机制,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,76,分片发送示意图,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,77,四种帧间间隔作用的比较,计算机网络第,5,章 介质访问控制子层,78,