计算机网络原理第2章

第二章局域网基础本章将逐步介绍计算机局域网体系结构，各主要局域网标准、技术和网络操作系统等。这些技术中最重要、最基础的就是各类局域网标准。本章重点如下：计算机局域网体系结构IEEE802.1d/q/w三协议的主要作用与区别令牌总线和令牌环网工作原理CSMA、CSMA/CD工作原理及比较快速以太网和千兆位以太网工作原理万兆位以太网的主要特点和工作原理万兆位以太网的联网规范和物理层结构主要WLAN标准第1课时主讲内容计算机局域网体系结构及划分依据和各层主要功能常见IEEE802局域网标准IEEE802.1系列标准及各自工作原理IEEE802.2标准的主要作用及所定义的3种通信操作类型主要的IEEE802.3系列标准以太网体系结构及各层主要功能和CSMA/CD模型CSMA和CSMA/CD的工作原理及各自采用的退避算法2.1局域网概述局域网是指应用于小范围内（通常指1km)的家庭或组织内部计算机网络。主要采用星型、环型、总线型，以及星型和总线型组成的混合型4种拓扑结构。最基本的计算机局域网可以仅是两台PC，用一条串/并电缆连接起来。企业局域网中多数是采用以交换机为集中连接结点的星型或者扩展星型拓扑结构，星型结构单元如下图所示。2.2计算机局域网体系结构2.2.1计算机局域网体系结构概述按照IEEE802标准，局域网的体系结构由下图所示的三层协议构成，即物理层（PHY，PhysicalLayer）、媒体访问控制层（MAC，MediaAccessControl）和逻辑链路控制层（LLC，LogicLinkControl）。其中，“媒体访问控制层”和“逻辑链路控制层”这两层相当于OSI七层参考模型中的第二层，即数据链路层。详细的局域网体系结构描述参见书中介绍。2.2.2局域网体系结构划分依据对于局域网来说，物理层是必需的，它负责体现机械、电气和过程方面的特性，以建立、维持和拆除物理链路；数据链路层也是必需的，它负责把不可靠的传输信道转换成可靠的传输信道，传送带有校验的数据帧，采用差错控制和帧确认技术。但是，局域网中的多个设备一般共享公共传输媒体，所以局域网的数据链路层必须设置媒体访问控制功能，最终IEEE802把LLC独立出来，形成一个单独子层，使LLC子层与媒体无关，仅让MAC子层依赖于物理媒体和媒体访问控制方法。又因为局域网是一种通信网，只涉及到有关的通信功能，没有端到端的数据传输需求，所以至多与OSI参考模型中的下3层有关。其次，由于局域网基本上采用共享信道的技术，所以也可以不设立单独的网络层。2.2.3局域网体系结构层次简介1．物理层（PHY）局域网中的物理层和计算机网络OSI参考模型中物理层的功能一样，主要处理物理链路上传输的比特流，实现比特流的传输与接收、同步前序的产生和删除；建立、维护、撤销物理连接，处理机械、电气和过程的特性。2．媒体访问控制（MAC）子层MAC子层负责介质访问控制机制的实现，即处理局域网中各站点对共享通信介质的争用问题，不同类型的局域网通常使用不同的介质访问控制协议，另外MAC子层还涉及局域网中的物理寻址。3．逻辑链路控制（LLC）子层LLC子层负责屏蔽MAC子层的不同实现，将其变成统一的LLC界面，从而向网络层提供一致的服务。2.2.4局域网标准与OSI结构的关系IEEE802为局域网制定了一系列标准，主要参见书中表2-1所示。它们与OSI结构的对应关系如下图所示。所有高层协议要和各种局域网标准的MAC子层交换信息，IEEE802.2规定的LLC层是公用的。详细比对参见书中介绍。2.3IEEE802.1系列协议IEEE802.1是一组协议的集合，如生成树协议、VLAN协议等。为了将各个协议区别开来，IEEE在制定某一个协议时，就在IEEE802.1后面加上不同的小写字母，如IEEE802.1a定义局域网体系结构；IEEE802.1b定义网际互联、网络管理及寻址；IEEE802.1d定义生成树协议；IEEE802.1p定义优先级队列；IEEE802.1q定义VLAN标记协议；IEEE802.1s定义多生成树协议；IEEE802.1w定义快速生成树协议；IEEE802.1x定义局域网安全认证等。2.3.1IEEE802.1d协议为了解决“广播风暴”在二层数据网络中存在的弊端，IEEE制定了IEEE802.1d的生成树（SpanningTree，ST）协议。STP协议在IEEE802.1d协议中定义，是一种链路管理协议，为网络提供路径冗余的同时防止产生环路。为使以太网更好工作，两个工作站之间只能有一条活动路径。STP的基本思想就是来源于实际生活中的树形结构。STP协议中定义了根桥（RootBridge）、根端口（RootPort）、指定端口（DesignatedPort）、路径开销（PathCost）等概念，目的就在于通过构造一棵自然树的方法达到裁剪冗余环路的目的，同时实现链路备份和路径最优化。其基本原理如下：（1）首先进行根桥的选举。选举的依据是网桥优先级和网桥MAC地址组合成的桥ID（BridgeID），桥ID最小的网桥将成为网络中的根桥。（2）其他网桥将各自选择一条“最强壮”的树枝作为到根桥的路径，相应端口的角色就成为根端口。（3）由根桥和根端口生成“树”。裁剪冗余环路的目的是通过阻塞非根桥上相应端口来实现的。2.3.2IEEE802.1p协议IEEE802.1p是流量优先权控制标准，工作在媒体访问控制（MAC）子层。IEEE802.1p标准提供的组播流量过滤功能，可以确保该流量不超出第二层交换网络范围。IEEE802.1p中定义的优先级有8种。最高优先级为7，应用于关键性网络流量，如路由选择信息协议（RIP）和开放最短路径优先（OSPF）协议的路由表更新。优先级6和5主要用于延迟敏感（Delay-Sensitive）应用程序，如交互式视频和语音；优先级4到1主要用于受控负载（Controlled-Load）应用程序，如流式多媒体（StreamingMultimedia）和关键性业务流量（Business-CriticalTraffic）；优先级0是默认值，并在没有设置其他优先级值的情况下自动启用。IEEE802.1p协议还定义了GARP（GenericAttributeRegistrationProtocol，通用属性注册协议）。这里的属性是指组播MAC地址、端口过滤模式和VLAN等属性。2.3.3IEEE802.1q协议IEEE802.1q协议也就是“VirtualBridgedLocalAreaNetworks”（虚拟桥接局域网，简称“虚拟局域网”，即VLAN）协议，主要规定了VLAN的实现方法。IEEE802.1q协议为标识带有VLAN成员信息的以太帧建立了一种标准方法。IEEE802.1q完成它的功能的关键在于标签。支持IEEE802.1q的交换端口可被配置来传输标签帧或无标签帧。一个包含VLAN信息的标签字段可以插入到以太帧中。如果端口有支持IEEE802.1q的设备（如另一个交换机）相连，那么这些标签帧可以在交换机之间传送VLAN成员信息，这样VLAN就可以跨越多台交换机。但是，对于没有支持IEEE802.1q设备相连的端口必须确保它们用于传输无标签帧。2.3.4IEEE802.1w协议为了解决前面介绍的STP协议缺陷，在21世纪初IEEE推出了802.1w标准，它同样属于生成树协议类型，称为“快速生成树协议”（RSTP），作为对802.1d标准的补充。RSTP引入了新的BPDU处理和新的拓扑结构变更机制。每个网桥每次“hellotime”都会生成BPDU，即使它不从根网桥接收时也是如此。BPDU起着网桥间保留信息的作用。如果一个网桥未能从相邻网桥收到BPDU，它就会认为已与该网桥失去连接，从而实现更快速的故障检测和融合。在RSTP中，拓扑结构变更只在非边缘端口转入转发状态时发生。丢失连接，例如端口转入阻塞状态，不会像IEEE802.1d一样引起拓扑结构变更。IEEE802.1w协议的拓扑结构变更通知（TCN）功能不同于IEEE802.1d协议，它减少了数据的溢流。2.3.5IEEE802.1s协议IEEE802.1s标准中的多生成树（MST）技术把IEEE802.1w快速单生成树（RST）算法扩展到多生成树，这为虚拟局域网（VLAN）环境提供了快速收敛和负载均衡的功能，是IEEE802.1VLAN标记协议的扩展协议。采用MST技术，可以通过干道（Trunks）建立多个生成树，关联VLAN到相关的生成树进程，而且每个生成树进程具有独立于其他进程的拓扑结构。MST还提供了多个数据转发路径和负载均衡，提高了网络容错能力。2.3.6IEEE802.1x协议IEEE802.1x也称为“基于端口的访问控制协议”（PortBasedNetworkAccessControlProtocol）。它的体系结构包括3个重要的部分：SupplicantSystem（客户端系统）、AuthenticatorSystem（认证系统）和AuthenticationServerSystem（认证服务器系统）。2.4IEEE802.2逻辑链路控制协议逻辑链路控制（LogicLinkControl，LLC）规定了局域网参考模型的数据链路层中LLC子层的实现。IEEE802.2LLC应用于IEEE802.3（以太网）和IEEE802.5（令牌环）局域网中。LLC定义了3种数据通信操作类型类型1：无连接。该方式不保证发送的信息一定可以收到。类型2：面向连接。该方式提供了4种服务：连接的建立、确认和数据到达响应、差错恢复（通过请求重发接收到的错误数据实现）及滑动窗口（系数：128）。类型3：无连接应答响应服务。2.5IEEE802.3协议当前定义在光纤和双绞线上的传输速率有4种。10Mb/s：10BASE-T以太网。100Mb/s：快速以太网。1000Mb/s：千兆位以太网（802.3z）。10千兆位以太网：IEEE802.3ae。2.5.1IEEE802.3协议简介以太网系统由3个基本单元组成：（1）物理介质，用于传输计算机之间的以太网信号；（2）媒体访问控制规则，嵌入在每个以太网接口处，从而使得计算机可以公平地使用共享以太网信道；（3）以太帧，由一组标准比特位构成，用于传输数据。在所有IEEE802协议中，OSI数据链路层被划分为两个IEEE802子层：媒体访问控制（MAC）子层和MAC客户端子层。IEEE802.3物理层对应于OSI参考模型的物理层。MAC子层的主要功能包括：数据封装发送媒体访问管理接收媒体访问管理接收数据解封MAC客户端子层可能是以下两种之一：逻辑链路控制（LLC）：提供终端协议栈的以太网MAC和上层之间的接口，其中LLC由IEEE802.2标准定义。网桥实体：提供局域网之间的LAN-to-LAN接口，可以使用相同协议（如以太网到以太网）和不同的协议（如以太网到令牌环）。网桥实体由IEEE802.1标准定义。2.5.2IEEE802.3媒体访问控制协议IEEE802.3是一个使用CSMA/CD媒体访问控制方法的局域网标准。CSMA/CD总线的实现模型如下图所示。整个CSMA/CD模型结构对应于OSI参考模型的最低两层。从逻辑上可以将CSMA/CD模型划分为两大部分：一部分由LLC子层和MAC子层组成，实现OSI参考模型的数据链路层功能；另一部分实现物理层功能。物理层内定义了两个兼容接口：依赖于媒体的“媒体相关接口”MDI和“访问单元接口”AUI。MAC子层和LLC子层之间的接口提供每个操作的状态信息，以供高一层差错恢复规程所用。MAC子层和物理层之间的接口，提供包括成帧、载波监听、启动传输和解决争用、在两层间传送串行比特流的设施及用于定时等待等功能。有关CSMA/CD工作原理参见书中介绍。2.5.3CSMA工作原理CSMA争用技术适用于总线型和树型拓扑结构，主要解决如何共享一条公用广播传输介质。其简单原理是：在网络中任何一个工作站在发