介质访问控制子层.ppt

第4章介质访问控制子层 介质访问控制子层 广播信道也称为多路访问信道或随机访问信道 数据链路层的一个子层 介质访问控制子层 MAC MediumAccessControl 解决广播网络的信道竞争问题 4 1信道分配问题 静态信道分配方案 流量是突发性的 浪费大量带宽 动态信道分配方案 5个假设 站模型假设每个站只有一个程序或者用户 当一个站阻塞的时候 不会有新的帧被生成出来单信道冲突假设冲突 两帧同时传输 则它们在时间上就会有重叠 这样得到的信号就是混乱的 连续时间 分槽时间载波检测 无载波检测载波检测 可以判断改信道当前是否正在被使用LAN通常有载波检测功能 无线网络无法有效使用载波检测功能 4 3以太网 最为流行的LAN 以太网 Ethernet 技术协议发展情况 4 3 1以太网电缆 最常见的以太网电缆 电缆拓扑结构 线性 主干 树型 分段 两个收发器中间不能超过2 5公里 中继器 中继器 repeater 物理层设备 在两个方向上接收 放大 重新生成 和重传信号 中继器可以连接多根电缆 一般情况下 中继器的两端连接的是相同的媒体 但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作 从理论上讲中继器的使用是无限的 网络也因此可以无限延长 事实上这是不可能的 因为网络协议中都对信号的延迟范围作了具体的规定 中继器只能在此规定范围内进行有效的工作 否则会引起网络故障 集线器 hub 多端口中继器 10Base T 星型网络 的5 4 3规则 任意两台电脑间最多不能超过5段线 既包括集线器到集线器的连接线缆 也包括集线器到电脑间的连接线缆 4台集线器 并且只能有3台集线器直接与电脑等网络设备连接 4 3 2曼切斯特编码 曼切斯特编码 每一位的周期分成两个相等的间隔 二进制 1 位在发送时 在第一个间隔中为高电压 在第二个间隔中为低电压 二进制 0 正好相反 每一个位周期中都有一个中间电压变化 方便发送方与接收方同步 所有的以太网都使用了这种编码 4 3 3以太网MAC子层协议 前导码 Preamble 8字节的10101010目标地址 源地址 6字节 最高位为0 表示普通地址最高位为1 表示组地址全部为1 表示广播长度域 帧的长度数据域 46 1500字节校验码 CRC 最小帧长与最大帧长 最大帧长 少占内存最小帧长 产生冲突时 能告诉发送方 2500米 10MbpsLAN 帧在媒体上的传播速度为2 105km s CSMA CD CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetect 即载波监听多路访问 冲突检测工作原理是 发送数据前先侦听信道是否空闲 若空闲则立即发送数据 在发送数据时 边发送边继续侦听 若侦听到冲突 则立即停止发送数据 等待一段随机时间 再重新尝试 4 3 4二元指数后退算法 当冲突发生后 时间被分成离散的时槽 时槽的长度为最差情况下载以太网上往返传播所需要的时间 即51 2在第i次冲突之后 在0 2i 1 不大于1023 中间随机选择一个数 然后等待这么多个时槽 16次冲突后 发送失败报告 4 3 6交换式以太网 利用交换机互联以太网 交换机的两种交换方式 直通式存储 转发它把输入端口的数据包先存储起来 然后进行校验 检查无误后才取出数据包的目的地址 通过查找表转换成输出端口送出包 缺点 延迟优点 可以高速端口和低速端口一起工作 交换机的帧转发方式中 交换延时最短的是 1 在OSI RM网络体系结构中的工作层次不同集线器工作在物理层 而交换机工作在数据链路层 更高级的交换机可以工作在第三层 网络层 第四层 传输层 或更高层 2 数据传输方式不同集线器的数据传输方式是广播 broadcast 方式 即所有端口处在一个冲突域中 而交换机的数据传输一般只发生在源端口和目的端口之间 即交换机的每个端口处在不同的冲突域 交换机与集线器的主要区别 交换机与集线器的主要区别 3 带宽占用方式不同集线器所有端口共享集线器的总带宽 而交换机的每个端口都具有自己独立的带宽 4 传输模式不同集线器采用半双工方式进行数据传输 交换机采用全双工方式来传输数据 Hub 冲突域 Switch 冲突域1 冲突域2 4 3 7快速以太网 快速以太网能够向后兼容快速以太网电缆100Base T4100Base TX100Base FX 100Base T4 使用3类双绞线使用4对双绞线 一对给集线器发送信号 一对接收集线器的信号 两对传输数据在传输中使用8B 6T编码方式 信号频率为25MHz 它使用与10BASE T相同的RJ 45连接器 最大网段长度为100米 100Base TX 使用5类双绞线 每个站使用两队双绞线 一对用于发送数据到集线器 一对用于接收数据 全双工通信 10Base T4和100Base TX合称100Base T 几乎所有的交换机都可以处理10Mbps和100Mbps站得混合结构 100Base FX 两根多模光纤 每个方向用一根 每个方向上都是1000Mbps 站和集线器之间的距离可以达到2Km 4 3 8千兆以太网 千兆以太网也必须和现有以太网兼容 提供相同的服务 千兆以太网的所有配置都是点到点 帧长度扩充到512字节 载荷扩充帧串 千兆以太网的电缆类型 4 3 9IEEE802 2 逻辑链路控制 以太网是一种尽力而为的数据报服务 有些系统需要一个具有错误控制和流控制特性的数据链路协议 LLC LogicLinkControl 逻辑链路控制 提供一种统一的格式 以及向网络层提供一个接口 从而隐藏了各种802网络之间的差异 LLC提供三种服务选择 不可靠的数据报服务有确认的数据报服务面向连接的可靠服务 4 3 10关于以太网的回顾 简单性和灵活性以太网和TCP IP结合很好以太网的速率不断在提升 4 7数据链路层交换 网桥将多个LAN连接起来运行在数据链路层通过查看数据链路层的地址来完成帧转发的任务 网桥的使用原因 独立的局域网互联远距离的LAN连接减少网络冲突提高可靠性提高安全性 4 7 1LAN互联的问题 每一种LAN使用了不同的帧格式 在不同LAN之间转发数据需要重新填充格式 LAN之间的工作速率不相同 最大帧长问题安全性服务质量 利用网桥或交换机实现互联 4 7 2交换机的工作过程 交换机从端口接收各LAN帧 并存放于Buffer中 记下源MAC地址 然后做以下处理 自学习状态a 先从站表中查找目的MAC 若存在且端口号不等于源端口号则发送到指定端口 否则丢弃该帧b 若表中无目的MAC地址 则向除源端口以外的其他端口扩散 广播查找目的MAC 例题 现结合下图所示的LAN说明交换机的工作原理 图中 S1和S2是交换机 其旁边的数字是端口的编号 SYS1 SYS6是计算机 在表示每个计算机方框的旁边是其网卡的MAC地址 假设交换机B1和B2的自学习表均为空 同时假设在这个LAN中有下述计算机对 按下列次序进行通信 1 SYS1 SYS6 2 SYS4 SYS1 3 SYS2 SYS1 求交换机S1和S2的站表状态 第一步 首先 SYS1向SYS6发送数据帧 帧的目的MAC地址 MAC6 源MAC地址 MAC1 这时 交换机S1不管帧的目的MAC地址是什么 它将从 1端口收下该帧 由于S1的自学习表为空 这样它不知道这个帧应从哪个端口转发出去 所以 采用广播方式扩散到除入端口外的所有其它端口 这里是 2端口 同时将源MAC地址MAC1写到交换机S1的中 如表1所示 接着 交换机S2从它的 1端口收下交换机B1转发而来的帧 由于S2的自学习表也为空 于是它采用广播方式扩散到除入端口外的所有其它端口 这里是 2端口和 3端口 同时将源MAC地址MAC1写到网桥B2的中 如表2所示 第二步 SYS4向SYS1发送数据帧 帧的目的MAC地址 MAC1 源MAC地址 MAC4 这时 网桥S2从 2端口收下该帧 交换机S2查其自学习表可知 刚收下的帧应从 1端口转发出去 同时将源MAC地址MAC4写到交换机S2的中 如表2所示 接着 交换机S1从它的 2端口收下交换机S2转发而来的帧 交换机S2查其自学习表可知 刚收下的帧应从 1端口转发出去 同时将源MAC地址MAC4写到交换机B2的中 如表1所示 第三步 SYS2向SYS1发送数据帧 帧的目的MAC地址 MAC1 源MAC地址 MAC2 这时 交换机S1从 1端口收下该帧 交换机S1查其自学习表可知 刚收下的帧的目的计算机与发出帧的计算机都在 1端口 于是交换机S1丢弃转刚收下的帧 但将源MAC地址MAC2写到交换机S1的中 表1交换机S1的自学习表 表2交换机S2的自学习表 思考 按下列次序进行通信 1 SYS4 SYS2 2 SYS6 SYS4 3 SYS3 SYS4 求交换机S1和S2的站表状态 4 7 5中继器 集线器 网桥 交换机 路由器和网关 中继器 用于连接两根电缆 将信号放大集线器 将多条输入线路连接起来网桥 连接两个或多个LAN 根据帧地址转发数据包交换机 与网桥相似 用来连接独立的计算机路由器 根据IP地址转发分组传输网关 将不同的面向连接传输协议的计算机连接起来应用网关 将消息从一种格式转移为另一种格式 应用网关 传输网关 路由器 网桥 交换机 中继器 集线器 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 4 7 6虚拟LAN 根据物理位置决定LAN将逻辑拓扑结构从物理拓扑结构上脱离VLAN是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段 从而实现虚拟LAN的数据交换技术 网桥将4个物理LAN分成2个VLAN 交换机将4个物理LAN分成2个VLAN 接口为G为一组VLAN接口为W为一组VLAN 虚拟局域网的划分方法 虚拟LAN 基于端口的虚拟局域网基于MAC地址 网卡的硬件地址 的虚拟局域网基于IP地址的虚拟局域网 基于端口的虚拟局域网最实用的虚拟局域网按照交换机的端口来确定虚拟局域网的定义 处于同一个虚拟局域网的成员端口可以位于一台交换机上 也可以位于不同交换机上的端口 定义简单 灵活 虚拟LAN 基于MAC地址的虚拟局域网在基于MAC地址的虚拟局域网中 交换机对站点的MAC地址和交换机端口进行跟踪 在新站点入网时根据需要将其划归至某一个虚拟局域网 而无论该站点在网络中怎样移动 由于其MAC地址保持不变 因而其依然属于原来的局域网 虚拟LAN 基于IP地址的虚拟局域网在基于IP地址的虚拟局域网中 新站点在入网时无需进行太多配置 交换机则根据各站点网络地址自动将其划分成不同的虚拟局域网 在三种虚拟局域网的实现技术中 基于IP地址的虚拟局域网智能化程度最高 实现起来也最复杂 虚拟LAN 作业 21 37