IEEE802参考模型

本章学习要求：•了解：局域网的分类与特点。•理解：IEEE802参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局域网技术的发展与演变IEEE802参考模型Ethernet虚拟局域网交换式局域网无线局域网技术典型局域网工作原理与实现方法FE高速局域网技术与标准GE10GbE局域网网桥技术40GbE100GbE5.1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32005年2000年1995年1990年1980年1970年1960年EthernetFEGE10GbENewhallCambridgeRingFDDISwitchLAN802.11WLAN10BASE-TEthernet2010年40GbE/100GbE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45.1.2介质访问控制方法CSMA/CD、TokenBus与TokenRing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（TokenBus）局域网，称为“TokenBus”或“令牌总线网”。•采用令牌控制的令牌环形（TokenRing）局域网，称为“TokenRing”或“令牌环网”。《计算机网络》第5章介质访问控制子层5CSMA/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总线总线结点3结点1(a)总线型局域网的物理结构(b)总线型局域网的拓扑结构结点2结点1结点4结点5结点2结点3结点4结点5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(a)TokenBus局域网的物理结构令牌结点2结点3结点4结点1(b)TokenBus局域网的逻辑结构结点5总线结点3结点2结点1结点4结点5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(a)TokenRing局域网的物理结构令牌结点3结点2结点5结点1结点2结点5结点3结点1(b)TokenRing局域网的拓扑构型结点4结点4CSMA/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TokenBus、TokenRing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11048121620244812162024发送数据速率可能达到的最大数据速率TokenRingTokenBusCSMA/CD5.1.3Ethernet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局域网发展的基本思路研究交换式局域网研究高速局域网研究局域网互联技术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传播延时=D/V传播延时带宽积=S×D/V结点A结点BEthernet技术的发展过程《计算机网络》第5章介质访问控制子层14Ethernet1976年10BASE-TEthernet1990年FE1995年GE1999年10GbE2002年40/100GbE2010年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15OSI参考模型IEEE802参考模型逻辑链路控制(LLC)子层介质访问控制(MAC)子层物理层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层IEEE802协议结构《计算机网络》第5章介质访问控制子层16IEEE802.3CSMA/CDIEEE802.11无线局域网IEEE802.15近距离无线个人网络IEEE802.16宽带无线网络IEEE802.1体系结构与网络互联5.2Ethernet基本工作原理5.2.1Ethernet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装配帧冲突次数过多?冲突吗？启动发送冲突加强发送完成?计算后退延迟时间冲突次数N+1→N结束：冲突过多YNY发送帧总线忙？NY等待后退延迟时间N结束：发送成功YN•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总线忙v(t)t01总线空闲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帧A帧BA+B2τ总线结点结点结点A结点Bτ=D/V冲突发生•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20V1(t)tV2(t)tV1(t)+V2(t)t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（jammingsequence）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：τ＝2k·R·a—τ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n≥10时，则k取值为10《计算机网络》第5章介质访问控制子层225.2.2Ethernet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前导码目的地址数据帧校验字段源地址8B46～1500B6B6B4B类型2B前导码目的地址数据帧校验字段源地址7B46～1500B6B6B4B长度2B帧前定界符1B（a）DIX帧结构（b）802.3帧结构5.2.3Ethernet接收流程的分析《计算机网络》第5章介质访问控制子层24等待接收8位整数倍？地址正确？帧校验正确?NYY接收帧接收完成？N结束：帧长度错YN帧太短？帧长度正确?YN帧拆卸NYYN结束：成功接收结束：帧校验错结束：帧比特错5.2.4Ethernet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插入主机总线收发器电缆AUI接口MDI传输介质IEEE802.3参考模型介质访问控制(MAC)子层物理信号(PLS)层物理介质接入(PMA)层介质相关接口(MDI)网卡(10BASE-5)传输介质（同轴电缆）外部收发器•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非屏蔽双绞线RJ-45接口82586Ethernet协处理器82501Ethernet串行接口82502Ethernet收发器网卡主机CPU通道注意(CA)中断(INT)系统存储器主机非屏蔽双绞线RJ-45接口网卡总线•Ethernet物理地址《计算机网络》第5章介质访问控制子层27100000000000000001010100000010001100001101000000G/L：0—本地管理，1—全球管理I/G：0—单一地址，1—多播地址b0b1b7…0201002A10C35.2.5Ethernet物理层标准命名方法IEEE802.3XType-YName•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285.3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端口号/MAC地址映射表165432DADA=结点D(0E1002000013)DADA=结点B(0C21002B0003)转发机构缓冲区端口交换机结点A结点E端口号端口6端口5端口4端口4端口1站地址0BA1000100020E10020000131D01000300010C21002B00030201002A10C30201002A10C3结点B结点C结点DHUB端口3端口2端口号/MAC地址映射表0C21002B00031D01000300010E10020000130BA100010002MAC帧MAC帧Switch•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目的地址数据帧校验字段源地址直接交换方式类型帧前定界符改进直接交换方式存储转发方式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交换机1交换机2交换机3VLAN1VLAN2VLAN3VLAN4N1-1N1-2N1-3N1-4N2-1N2-2N2-3N2-4N3-1N3-2N3-3N3-4集线器1集线器2集线器3LAN1N1-1N1-2N1-3N1-4N2-1N2-2N2-3N2-4N3-1N3-2N3-3N3-4LAN2LAN3交换机（a）用交换机互联的3个局域网（b）用交换机组建的4个VLAN第三层楼第二层楼第一层楼第一层楼第二层楼第三层楼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交换机VLAN1142579111315VLAN2VLAN端口号14711155913VLAN1VLAN2VLAN与端口对照表2•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交换机VLAN1142579111315VLAN2VLANMAC地址01-21-3a-00-10-1151-2A-30-0C-60-2231-20-3B-80-36-1003-25-25-00-3E-1F53-0E-2B-0F-32-1633-60-6F-F0-BA-0207-33-6A-FE-0A-0304-3A-BA-00-0A-06VLAN1VLAN2VLAN与MAC地址对照表03-00-6B-99-BC-1201-21-3A-00-10-1151-2A-30-0C-60-2231-20-3B-80-36-1003-25-25-00-3E-1F53-0E-2B-0F-32-1603-00-6B-99-BC-1233-60-6F-F0-BA-0207-33-6A-FE-0A-0304-3A-BA-00-0A-06•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交换机VLAN1142579111315VLAN2VLA