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/sCSMA/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24.3.7快速以太网•快速以太网能够向后兼容•快速以太网电缆100Base-T4100Base-TX100Base-FX100Base-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名称线缆最大的段距离优点1000Base-SX光纤550m多模光纤1000Base-LX光纤5000m单模或者多模1000Base-CX2对STP25m屏蔽的双绞线1000Base-T4对UTP100m标准的5类UTP4.3.9IEEE802.2：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）存在从站表中查找目的MAC目的端口号＝源端口号扩散查找转发到指定端口删除该帧不等服务请求相等记下源MAC地址于相应端口不存在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SYS1SYS2SYS5SYS3SYS6MAC1MAC2MAC3MAC4MAC5MAC612S112SYS43S2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。交换机S1的学习表顺序PORT1PORT2PORT3帧扩散、帧丢弃、帧发到指定PORT、其他1MAC1帧扩散2MAC4发到指定PORT3MAC2帧丢弃表1交换机S1的自学习表表2交换机S2的自学习表交换机S2的学习表顺序PORT1PORT2PORT3帧扩散、帧丢弃、帧发到指定PORT、其他1MAC1帧扩散2MAC4发到指定PORT3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