计算机通信与网络CH04局域网与广域网

计算机通信与网络ComputerTelecommunications&Networks南京邮电大学计算机学院“计算机通信与网络”国家精品课程组第4章局域网与广域网局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网内容纲要内容纲要局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网4.1局域网概述1、局域网的定义•局域网是指将分散在一个局部地理范围(如一栋大楼等)的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络。4.1局域网概述2、局域网的特点•网络覆盖的区域相对较小，通常传输距离在0.1km25km。•传输速率高，局域网的传输速率一般为1Mbit/s100Mbit/s。目前，10Mbit/s，100Mbit/s，1000Mbit/s的以太网得到了广泛的应用，正在推出10Gbit/s的以太网。•误码率低，局域网的误码率一般在10-810-11范围内，传输质量高。•局域网具有专用性质。•局域网大多采用广播方式传输数据，一个站发出数据，其它所有站都能接收到。因此，局域网不需要考虑路由选择问题。4.1局域网概述3、局域网的四个技术特性传输媒体，指用于连接网络设备的介质类型，常用的有双绞线、同轴电缆、光纤，以及微波、红外线和激光等无线传输媒体。传输技术，指借助传输媒体进行数据通信的技术，常用的有基带传输和宽带传输两种。网络拓扑，物理结构和形状媒体访问控制方法，指多台计算机对传输媒体的访问控制方法4.1局域网概述4、局域网的传输媒体局域网的传输媒体包括有线媒体和无线媒体两类。有线传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤。无线传输媒体有微波、红外线和激光等。4.1局域网概述5、局域网的传输技术利用传输媒体进行数据传输的技术，可以分为基带传输和宽带传输两种。基带传输，即不经过调制，直接将数字信号波形加载到传输媒体上进行传输。数字信号通常采用经过曼彻斯特或差分曼彻斯特编码的信号。宽带传输，即将待传输的数字信号波形调制到合适的中心频率上，宽带传输可以支持信道的频分复用和信号的多路传输。局域网中通常采用基带传输技术。4.1局域网概述6、局域网典型的拓扑结构•星（Star）型局域网所有站点的通信都通过中心站点进行•环（Ring）型控制简便，结构对称性好，传输速率高。如：IBM令牌环网•总线（Bus）型采用广播式多路访问方法，结构简单，可靠性高，扩展性好。如：采用集线器(HUB)组网•树（Tree）型分层结构，扩展性好，寻址方便4.1局域网概述各种拓扑结构匹配电阻交换机干线耦合器总线网星形网树形网环形网交换机交换机交换机4.1局域网概述7、局域网的媒体访问控制技术为了协调多个站点对共享的传输媒体资源的使用，即规定局域网中的站点什么时间能向网络中发送数据的问题。有三类媒体访问控制方法。基于信道划分的媒体访问控制基于随机访问的媒体访问控制基于轮询的媒体访问控制8、IEEE802局域网标准表示会话运输网络链路物理应用802.1802.2802.3802.4802.5802.6ISO/OSI-RM7654321802.9802.11CSMA/CD标记总线标记环MANV/D综合LAN无线LAN逻辑链路控制（LLC）（体系结构），网络互连802.7802.8光纤技术宽带技术UTP同轴电缆光缆802.10网络安全802.12交换LAN4.1局域网概述近年来出现的系列标准802.3ac：虚拟局域网VLAN（2019）。802.3ab：1000Base-T物理层参数和规范（2019）。802.3ad：多重链接分段的聚合协议（2000）。802.3u：100Mbit/s快速以太网。802.1Q:虚拟桥接以太网(2019)。802.14：利用CATV宽带通信标准（2019）。802.15：无线个人网（WPAN:WirelessPersonalAreaNetwork）。802.16：宽带无线访问标准。4.1局域网概述局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网内容纲要4.2以太网技术1、以太网概述•以太网是以CSMA/CD方式工作的一种总线式局域网•IEEE802委员会在局域网的数据链路层定义了两个子层，即逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层和媒体接入控制MAC(MediumAccesscontrol)子层局域网网络层物理层站点1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网4.2以太网技术1、以太网概述4.2以太网技术Ethernet，1973年由Xerox公司的Metcalfe提出。1980年，DEC、Intel和Xerox联手推出DIXEthernet1.0标准，DIXEthernet2.0标准与IEEE802.3标准只有很小的区别(帧格式中两个字节的定义有区别)。严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernet2.0标准的局域网。4.2以太网技术•以太网工作原理采用了第三章所介绍的载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的方法进行信道访问控制。参数数值争用期时隙(Slottime)51.2us帧间隔(InterFrameGap)9.6us尝试次数(AttemptLimit)16退避限制数(BackoffLimit)10阻塞信号(JamSize)32bits最大帧长(MaxFrameSize)1518bytes最小帧长(MinFrameSize)64bytes地址长度(AddressSize)6bytesCSMA/CD方式的主要参数以太网的系列标准（规范）传统以太网标准10Base-5198310Mbps500mAUI粗缆以太网10Base-2198810Mbps185mBNC细缆以太网10Base-T199010Mbps100mRJ45双绞线以太网BASE表示基带传输4.2以太网技术4.3以太网的MAC层1、MAC地址2、MAC帧格式3、CSMA/CD的工作过程4、以太网的信道利用率内容纲要局域网概述以太网技术以太网的MAC层以太网的连接方法局域网的扩展高速以太网虚拟局域网无线局域网广域网1、MAC地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种48bit的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。4.3以太网的MAC层第1最高位最先发送最低位最高位最低位最后发送001101010111101100010010000000000000000000000001最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送机构惟一标志符OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的EUI-48地址：AC-DE-48-00-00-80二进制表示的EUI-48地址：第1字节第6字节I/G比特I/G比特字节顺序第2第3第4第5第6第1字节顺序第2第3第4第5第6101011001101111001001000000000000000000010000000802.5802.6802.3802.4802.5802.6路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。网卡上的硬件地址路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F64.3以太网的MAC层1、MAC地址网卡从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.•如果是发往本站的帧则收下，然后进行其他处理。•否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧：•单播(unicast)帧（一对一）•广播(broadcast)帧（一对全体）•多播(multicast)帧（一对多）网卡检查MAC地址4.3以太网的MAC层1、MAC地址2、MAC帧格式常用的以太网MAC帧格式有两种标准：•DIXEthernetV2标准•IEEE的802.3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式。两种不同的MAC帧格式4.3以太网的MAC层MAC帧字节6624IP层物理层目的地址源地址长度/类型FCSMAC层1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入数据MAC子层IP层LLC子层802.2LLC帧当长度/类型字段表示长度时802.3MAC帧以太网V2MAC帧这种802.3+802.2帧已经较少使用目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~150043~1497111DSAPSSAP111控制数据字节DSAPSSAP控制IP数据报IP数据报MAC帧物理层MAC层1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的格式4.3以太网的MAC层2、MAC帧格式以太网V2的格式目的地址字段6字节，源地址字段6字节类型字段2字节：类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议数据字段的正式名称是MAC客户数据字段最小长度64字节18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度（46字节）4.3以太网的MAC层2、MAC帧格式数据字段的长度46－1500字节。当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节帧校验序列FCS4字节：当传输媒体的误码率为1108时，MAC子层可使未检测到的差错小于11014以太网V2的格式4.3以太网的MAC层2、MAC帧格式为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面信息就是MAC帧。以太网V2的格式4.3以太网的MAC层2、MAC帧格式3、CSMA/CD的工作过程CSMA/CD方式的发送方工作过程：(1)当某个结点的LLC协议实体希望发送数据时，将LLC帧传给下层的MAC协议实体，MAC协议实体将LLC帧封装在用户数据字段，形成MAC帧。(2)MAC协议实体监听传输媒体，检查是否有信号正在传输。(3)如果媒体上有信号在传输，则转(2)继续监听，否则，发送数据，同时对媒体继续监听。(4)如果在发送数据过程中没有检测到冲突，则本次发送任务成功完成。否则，立即终止本次发送过程，并向媒体发送一个冲突加强的信号。以使其它结点都能感知到发生冲突，MAC协议实体计算发送失败的次数。(5)如果在发送失败次数小于等于某个阈值，根据失败次数执行二进制指数退避算法，计算得到某个退避时间值，等待该退避时间，转(2)准备重新发送。否则，停止发送尝试，通知上层LLC实体，报告可能出现网络故障。4.3以太网的MAC层CSMA/CD方式的接收方工作过程：(1)局域网上的每个站点的MAC协议实体都监听传输媒体，如果有信号传输，则接收信息，得到MAC帧；其中，对于因冲突造成的长度不足最小有效帧长的残帧，MAC实体不予理会。(2)MAC实体分析帧中的目的地址，如果目的地址为本站点地址，就复制接收该帧。否则，简单丢弃该帧。特别地，对于具有组播地址和广播地址的数据帧，将会有多个站点复制和接收该帧。其中，CSMA/CD方式在发生冲突时采用二进制指数退避算法。4.3以太网的MAC层3、CSMA/CD的工作过程4、以太网的信道利用率采用CSMA/CD作为媒体访问控制方法，