计算机网络第五章：局域网.ppt

第5章 局域网局域网1计算机科学与技术学院本章学习要求：了解：局域网的主要技术特点了解：局域网拓扑结构的类型与特点理解：IEEE 802参考模型与协议的基本概念掌握：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理解：无线局域网的基本工作原理掌握：网络互连技术2计算机科学与技术学院本章知识点：局域网的基本概念IEEE802参考模型典型局域网基本工作原理Ethernet高速局域网技术Fast EthernetGigabit Ethernet10Gbps Ethernet交换式城域网虚拟局域网局域网组网技术无线局域网技术局域网互联技术3计算机科学与技术学院5.1 局域网基本概念p局域网基本上是从20世纪70年代中期开始，应短距离高速度的通信要求而发展起来的。p最有代表性的是英国的剑桥环和美国Xerox公司(施乐)的以太网，此后各种局域网技术不断涌现。如N-net,PC-net,Omninet和3plus net等，随之各种网络组件、网络操作系统等网络产品也得到迅速发展，构成了计算机局域网的基础。p对局域网的研究主要涉及到如下几个问题：局域网的标准化问题解决网络间的互连问题提高网络的性能及扩展问题4计算机科学与技术学院5.1.1 IEEE 802参考模型 IEEE 802规范定义了网卡如何访问传输介质，以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的控制过程。IEEE 802 标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系：5计算机科学与技术学院5.1.1 IEEE 802参考模型pIEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE 802标准；p这些标准有3类：IEEE 802.1 标准定义局域网体系结构、网络互连、以及管理与性能测试；IEEE 802.2 标准定义逻辑链路控制(LLC)子层功能与服务；定义了不同介质访问控制技术的相关标准。6计算机科学与技术学院5.1.1 IEEE 802参考模型pIEEE 802标准之间的关系：IEEE802协议标准基本结构图8计算机科学与技术学院IEEE802.1 综述和体系结构（说明与OSI对应关系）IEEE802.2 逻辑链路控制及为网络层提供的服务LLC802.3CSMA/CD802.4令牌总线802.5令牌环802.9语音数据局域网 802.8光纤技术802.7宽带局域网802.6城域网络规范802.10安全数据交换802.11无线局域网802.12优先级高速局域网802.15无线个人网络802.14电缆电视交互技术IEEE802标准扩展2006年12月6日IEEEIEEEIEEEIEEEIEEEIEEEIEEEIEEEIEEEIEEE802.1局域网协议高层802.2逻辑链路控制802.3以太网802.4令牌总线802.5令牌环802.6城域网802.7宽带TAG802.8 FDDI802.9同步局域网802.10局域网网络安全IEEE 802.11无线局域网IEEE 802.12需求优先级IEEE 802.13(未使用)IEEE 802.14电缆调制解调器IEEE 802.15无线个人网IEEE 802.16宽带无线城域网IEEE 802.17可靠个人接入技术IEEE 802.20移动宽带无线访问（广域无线网）9计算机科学与技术学院1.逻辑链路控制子层(LLC)pLLC协议用来处理两个站点之间的数据帧的传输，一般不存在中间交换节点，在局域网中LLC属于逻辑链路控制子层，与OSI中所定义的一般链路层有所不同，其主要差别如下：LLC子层屏蔽了不同介质访问控制(MAC)子层的各种实现，所以这一层中不必考虑介质访问的具体细节；LLC子层所处理的链路可被网上所有站点共享；LLC子层还应能提供一些OSI参考模型中网络层的功能。p由于网络层IP协议可直接将分组封装到Ethernet的MAC帧中，整个协议处理也变得简单，人们也很少讨论LLC协议了。10计算机科学与技术学院2.介质访问控制子层(MAC)的标识系统p在计算机网络中，标识系统(identification system)是一个相当重要的问题，而其中最重要的就是局域网的地址标识。p为了惟一地识别出网络中的每一个站，就得使网络中的所有计算机都必须有不同的地址标识，这样在访问中才不致出错，就像我们每家每户都有一个与别人不同的门牌号码，投递员就不会投错信件一样。p局域网的地址标准是使用6个字节(也可采用两字节)，这样做主要是可以在网间互连时各网站都能具有不同的物理地址。用户可以把买到的网卡装到机器上并连到网上立即就可以工作，而不需网络管理员来分配地址。11计算机科学与技术学院由IEEE分配地址块号或厂商代码由厂商分配块内地址12计算机科学与技术学院局域网地址的管理和分配p6个字节中的前3个字节(高24 bit)由IEEE分配，所有生产局域网网卡的厂商必须向这个组织购买由这3个字节构成的一个号，所以它又称地址块号或厂商代码。一个块号可以产生224个不同的地址。这6个字节的MAC地址可被固化在网卡中。p这个地址就是物理地址或MAC地址，作用就是用来惟一标识我们要通信的计算机。网卡从网上每收到一个MAC帧就首先检查其硬件地址。如果是发往本站的帧则收下，否则就将其丢弃。一般要接收的帧有三种：(1)单播帧(unicast),即收到帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。(2)广播帧(broadcast),即全1地址，此帧发送给所有的站点。(3)多播帧(multicast),即发送给一部分站点的帧，如010000000000。13计算机科学与技术学院14计算机科学与技术学院5.1.2 局域网拓扑结构类型与特点网络拓扑结构：总线型结构环型结构星型结构15计算机科学与技术学院总线型拓扑构型特点：p总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；p所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；p总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；p所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突（collisioncollision）”是不可避免的；p“冲突”会造成传输失败；p必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MACMAC，mediummedium accessaccess controlcontrol）问题。16计算机科学与技术学院总线结构与冲突总线型拓扑的优点：结构简单，实现容易；易于扩展，可靠性较好。17计算机科学与技术学院p介质访问控制方法是指控制多个结点利用公共传输介质发送和接收数据的方法。p介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？(集中管理、分布竞争)发送时会不会出现冲突？（分布竞争的必然）出现冲突怎么办？（检测、延时重发）18计算机科学与技术学院环型拓扑构型p结点使用点点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；p环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；p多个结点共享一条环通路；为了确定环中的结点在什么时候可以传送数据帧，同样要进行介质访问控制。p环建立、维护、结点的插入与撤出。（复杂）19计算机科学与技术学院星型拓扑构型p每个结点都由一个单独的通信线路与中心结点连接。中心结点控制全网的通信。p星型拓扑简单，易于实现，便于管理。p中心结点是全网可靠性的瓶颈。20计算机科学与技术学院逻辑结构与物理结构的关系p逻辑结构是指局域网的结点间相互关系与介质访问控制方法，而物理结构是指局域网外部连接的形式。p逻辑结构属于总线型与环状的局域网，在物理结构上也可被看成星状的。p在出现交换局域网(switched(switched LAN)LAN)后，才真正出现了物理结构与逻辑结构统一的星状拓扑。交换局域网的中心结点是一种局域网交换机。21计算机科学与技术学院5.1.3 传输介质类型与介质访问控制方法局域网的传输介质类型有线传输介质：同轴电缆、双绞线、光纤等无线传输介质：卫星、无线、微波等 以太网的组网方式：粗缆以太网、细缆以太网、双绞线以太网、光纤以太网，也可混合组网。讨论：u双绞线已能用于数据传输速率为100Mbps、1Gbps 的高速局域网中；u在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势已经明朗。22计算机科学与技术学院(1)粗缆以太网p粗缆以太网通常也称作10BASE-5以太网，这是早期使用的组网形式之一。p使用的电缆直径为10 mm，特性阻抗为50欧姆，拓扑结构为总线型，网中传输的信息采用曼彻斯特编码。p组网时，首先把网卡插入到微机的扩展槽中，然后把一个收发器通过一条不超过15 m长的收发器电缆(AUI电缆)连接到网卡上的15芯插座上，而收发器则直接与粗缆连接。p为了防止信号传播到终端时产生波形反射引起信号传输错误，在粗缆的两端要安装50的终端匹配电阻。粗缆以太网规定，电缆网段的最大长度为500 m,如使用中继器(Repeater)网络最长可达2.5 km。粗缆一般使用GR-11标准电缆。23计算机科学与技术学院粗缆以太网的基本结构24粗缆以太网粗缆以太网标准粗缆以太网规定单段信号传输电缆的最大长度为500米，但利用中继器连接4段电缆后，以太网中信号传输电缆最长可达2500米。(2)细缆以太网p细缆以太网通常也称作10BASE-2以太网，是一种安装更容易、价格更便宜的以太网。p使用的电缆直径为5 mm，特性阻抗也为50，拓扑结构、网中传输的信息编码、使用匹配电阻、网卡等都与粗缆的一样。p但细缆以太网不使用收发器，而是使用T型接头连到网卡的BNC接口上。由于电缆较细，信号的衰减较大，所以其传输距离比粗缆要短，一般一个网段为185 m，使用中继器(Repeater)网络最长可达925m。可靠性也比较差，只要一台工作站断线，整个网络就不能工作。细缆一般使用RG-58/U标准电缆，分单芯和多芯两种。26计算机科学与技术学院(3)双绞线以太网p双绞线以太网通常也称作10BASE-T以太网，与同轴电缆组网不一样，它的物理拓扑结构是一种星型网络。p网络的通信中枢是集线器，通常也称作HUB，上面装有RJ-45接口，数量一般为4、8、12、16、24个，一般还设有同轴电缆接口作为扩展用。p信号传输介质一般使用非屏蔽双绞线，通过RJ-45接口把工作站和集线器连接起来。p双绞线的最大连接长度为100 m。双绞线网络不仅价格便宜，而且组网更灵活，扩展更方便，其中5类双绞线的传输速率可达100 Mbps，所以现在局域网络大多使用双绞线。27计算机科学与技术学院计算机通过网卡和局域网进行通信网卡上的硬件地址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。WINXP/2003用户都可以使用ipconfig-all30计算机科学与技术学院连接到以太网的示意图交换机(4)光纤以太网p光纤以太网通常也称作10BASE-F以太网，它以光纤作为传输介质。p集线器和网卡都使用ST连接器来连接多模光纤(典型的为62.5/125 m),传输距离可达2 km。p发送和接收要各使用一根光纤，光纤连接设备昂贵，所以组网费用会很高，再加上技术复杂，一般局域网很少使用纯光纤来组网，而是使用光纤做主干网，再用其他技术连到用户工作站。33计算机科学与技术学院介质访问控制方法:p介质访问控制的目的是解决如何将信道的带宽恰当合理地分配给网络中的各个节点的问题。p介质访问控制方法包含以下两方面的技术：确定网络中哪个节点更合适，能将数据单元在信道上发送；根据信道中的业务流量情况，自动和恰当地控制对信道资源的利用。34计算机科学与技术学院pIEEE802.2标准定义的共享介质局域网的介质访问控制方法：带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方法的总线型局域网；令牌总线（Token Bus）方法的总线型局域网；令牌环（Token Ring）方法的环状局域网。35计算机科学与技术学院介质访问控制方法:5.1.4 决定局域网与城域网性能的三要素p网络拓扑p传输介质p介质访问控制方法p局域网发展趋势以太网已占据绝对优势，成为目前组网首选技术大型局域网中，桌面10Mbps或100Mbps，主干网1Gbps的GE技术，核心交换网10Gbps的10GE技术10Mbps以太网目前只使用非屏蔽双绞线10BASE-T标准LLC现已很少使用，IP协议直接与以太帧接口GE和10GE保留了传统以太帧结构，主干网和核心网使用光纤传输，点对点全双工通信方式，而非CSMA/CD的随机争用方式GE和10GE从局域网扩展应用到城域网与广域网无线局域网技术成为研究与应用重点36计算机科学与技术学院5.2 Ethernet局域网5.2.1 Ethernet的发展nEthernet的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法；n随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；n1972年，Xerox(美国施乐)公司开始Ethernet实验网的研究；n1979年，Xerox公司宣布了Ethernet产品；n1980年，Xerox、DEC与Intel联合宣布Ethernet V2.0规范；n90年代，10Base-T标准使得Ethernet性能价格比大大提高；n目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。37计算机科学与技术学院1972，美国加州大学研究了Newhall环网1974，英国剑桥大学研制Cambridge Ring环网1977，梅特卡夫与同事们共同申请了Ethernet专利1978，梅特卡夫研制的Ethernet中继器Repeater获得专利1980，Xerox，Intel和DEC合作，宣布Ethernet V2.0规范38计算机科学与技术学院pIEEE802.3的部分以太网络标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带”的意思，Broad代表“带宽”。10Base5使用粗同轴电缆，最大网段长度为500m；10Base2使用细同轴电缆，最大网段长度为185m；10BaseT使用双绞线电缆，最大网段长度为100m；1Base5使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps；10Broad36使用同轴电缆（RG59UCATV），最大网段长度为3600m，是一种宽带传输方式；10BaseF使用光纤传输介质，传输速率为10Mbps，最大网段长度为2000m；39计算机科学与技术学院5.2.2 Ethernet帧结构与帧发送、接收流程分析1.Ethernet数据发送流程的分析40计算机科学与技术学院 IEEE802.3使用的是CSMA/CD介质访问技术，CSMA/CD是英文Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection的缩写，称作“带有冲突检测的载波监听多路访问协议”。CSMA/CD的发送流程可以概括为：p先听后发(CS )p多路访问(MA)p边听边发(CD)冲突停止延迟重发比喻：黑屋子发言41计算机科学与技术学院Ethernet结点数据发送流程42计算机科学与技术学院载波侦听过程目的：检查是否已经有结点利用总线在发送数据43计算机科学与技术学院冲突窗口的概念当一个站将帧发出后，最多需要等待多长时间可以检测到是否发生冲突？在共享信道中两个相距最远的站中，A站发出帧后，经过一个最大的延迟时间可使该信道中的所有站知道该站在发送帧，而且最长还得经过一个延迟时间，发送站才能知道是否有其他站也在发送，即是否发生了冲突。44计算机科学与技术学院将2D/V定义为冲突窗口冲突检测：比较法和编码违例判决法46计算机科学与技术学院如果发生了冲突(这是不可避免的)，需要等待多长时间才可以再次重新发送。随机延迟重发CSMA/CD的后退延迟算法：截止二进制指数后退延迟算法2kRa 其中：为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为冲突窗口值，R为随机数;限定k的范围,k=min（n，10）;如果重发次数n10，则取k=n；如果重发次数n10时，则k取值为10;第n次重发延迟是分布在0与2min（n，10）-1个时间片之间，最大可能延迟时间为1023 个时间片;在到后退延迟时间之后，结点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程;当冲突次数超过16时，表示发送失败，放弃该帧发送。(Ethernet协议标准规定，帧的最大重发次数为16)47计算机科学与技术学院2.Ethernet帧结构前导码与帧前定界符字段目的地址和源地址字段类型字段LLC数据字段帧校验字段48计算机科学与技术学院Ethernet帧结构的讨论：前导码与帧前定界符字段（接收同步）前导码：7个字节，10101010101010比特序列(56位)帧前定界符：1字节，10101011目的地址和源地址字段（接收结点地址和发送结点地址MAC地址）地址字段长度：2个字节或6个字节 目的地址类型：单一结点地址（unicast address）（目的地址首位为0）多点地址（multicast address）（目的地址首位为1）广播地址（broadcast address）（目的地址全1）49计算机科学与技术学院Ethernet帧结构的讨论：长度/类型字段 表示网络层使用的协议类型，0 x0800IP协议；0 x8137NetWare的IXP协议。大于0 x0600时表示上层协议类型；否则表示帧长度。LLC数据字段 LLC数据字段是帧的数据字段，长度最小为46个字节，少于46个字节，需要填充。长度最大为1500字节。帧头18B（前导码与帧前界定符不计入帧头长度），帧的最小长度为64字节，最大长度为1518字节。帧校验字段 采用32位的CRC校验。校验的范围是：目的地址、源地址、类型、LLC数据等字段50计算机科学与技术学院3.Ethernet接收流程51计算机科学与技术学院5.2.3 Ethernet实现方法实现角度功能角度层次角度：MAC子层和物理层52计算机科学与技术学院Ethernet网卡结构53计算机科学与技术学院5.2.4 Ethernet物理地址Ethernet地址 网络物理地址 物理网络地址;Ethernet地址=Manufacture ID+NIC ID24bit+24bit公司：Cisco 00-00-0cNovell 00-00-1B00-00-D83Com 00-20-AF00-60-8CIBM 08-00-5A典型的Ethernet地址：00-60-8C-01-28-120000 0000 1010 0000 1000 11000000 0001 0010 1000 0001 0010Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。54计算机科学与技术学院Ethernet物理地址的十六进制与二进制的表示方法55计算机科学与技术学院5.2.5 网络协议分析器及其应用 网络分析器或网络监视器是一种用来测试网络系统运行状态的设备；当网络分析器连接到被测试的网络时，它能监控特定的事件，并且报告诸如每秒平均接收帧数或平均帧长度等统计数据；网络分析器的另外一个重要的作用是对特定协议（TCP/IPTCP/IP、FTPFTP、HTTPHTTP）的解码，它按照指定的协议规则加以解释，然后将协议分析的结果显示出来。56计算机科学与技术学院网络分析器的连入方式57计算机科学与技术学院网络分析器捕获的帧数据58计算机科学与技术学院网络分析器显示的Ethernet帧结构59计算机科学与技术学院5.3 令牌总线与令牌环网5.3.1 令牌总线的工作原理60计算机科学与技术学院5.3.2 令牌总线的环维护工作p环初始化：网络启动或故障发生后p新结点加入环：周期性服务为新结点加入提供机会。p结点从环中撤出：前后结点连接，保持环完整性。p环恢复：环中出现多个令牌或令牌丢失p优先级：支持优先级服务61计算机科学与技术学院5.3.3 令牌环网的工作原理62计算机科学与技术学院63计算机科学与技术学院5.4 高速局域网的工作原理5.4.1 高速局域网的解决方案p推动局域网技术发展的因素个人计算机的广泛应用；直接因素在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；从理论上讲，一台微通道或EISA总线的微型机能产生大约 250Mb/s的流量；基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽；在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。64计算机科学与技术学院传统共享式局域网的缺点传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典型的介质访问控制方法是CSMA/CD、Token Ring、Token Bus；介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质；每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少；网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。65计算机科学与技术学院高速局域网的解决方案第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率：10Mb/s100Mb/s10Gb/s；第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，导致了局域网互连技术的发展；第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致了“交换式局域网”技术的发展。66计算机科学与技术学院交换式局域网基于硬件交换技术并发连接；S=N10Mb/s共享式局域网与交换式局域网的比较67计算机科学与技术学院5.4.2 快速以太网p快速以太网的发展Fast Ethernet的传输速率比普通Ethernet快10倍，数据传输速率达到了100Mb/s；Fast Ethernet保留着传统的帧格式、介质访问控制方法与组网方法；每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns；1995年9月，IEEE 802委员会正式批准了Fast Ethernet标准IEEE 802.3u。68计算机科学与技术学院Fast Ethernet的协议结构69计算机科学与技术学院100 BASE-T的3种物理层标准p100 BASE-TX支持2对5类非屏蔽双绞线UTP或2对1类屏蔽双绞线STP全双工工作，以100Mbps的速率发送与接收数据p100 BASE-T4100 BASE-T4支持4对3类非屏蔽双绞线UTP其中3对用于数据传输，1对用于冲突检测。p100 BASE-FX支持2芯的多模或单模光纤从结点到集线器的距离可以达到2km全双工工作70计算机科学与技术学院5.4.3 千兆以太网p千兆以太网是在以太网标准基础之上的技术，且与快速以太网完全兼容，并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802.3标准中所定义的管理对象。p用Ethernet组建企业网的全面解决方案：桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet；部门级网络系统采用传输速率为100Mb/s的Fast Ethernet；企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的Gigabit Ethernet。71计算机科学与技术学院Gigabit Ethernet的协议结构 （IEEE 802.3z）72计算机科学与技术学院1000 BASE-T的4种物理层标准p100 0BASE-T支持5类非屏蔽双绞线UTP，距离可达100mp1000 BASE-CX支持屏蔽双绞线STP，距离可达25mp1000BASE-LX支持单模光纤（波长1300nm），距离可以达到3000mp1000BASE-SX支持多模光纤（波长850nm），距离可以达300-550m73计算机科学与技术学院5.4.4 10Gbps Ethernet 由于原有以太网技术的突出优点，但用于城域网骨干/汇聚层所遇到的带宽以及传输距离的限制，改进并扩展这一技术以适应新的要求就成了一种迫切的要求，万兆以太网技术就应运而生了。p万兆以太网技术同原有以太网技术的差别 为了适应高带宽的要求和更长传输距离的要求，万兆以太网对原来的以太网技术也做了很大的改进，主要表现在：物理层实现方式、帧格式和MAC的工作速率及适配策略方面。74计算机科学与技术学院5.4.4 10Gbps5.4.4 10Gbps EthernetEthernetp10Gbps10Gbps EthernetEthernet主要具有以下特点主要具有以下特点10Gbps Ethernet的帧格式与10Mbps、100Mbps和1Gbps Ethernet相同；10Gbps Ethernet保留了802.3标准对Ethernet最小帧长度和最大帧长度的规定；10Gbps Ethernet的传输介质只使用光纤；10Gbps Ethernet只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。(不使用CSMA/CD，传输距离不受冲突检测限制)10Gbps Ethernet的物理层协议p10Gbps Ethernet有两种物理层协议标准局域网物理层标准一个10Gbps Ethernet交换机可以支持10个Gigabit Ethernet网端口；可选的广域网物理层标准广域网物理层符合光纤通道技术速率体的SONET/SDH的OC-192/STM-64的标准。76计算机科学与技术学院10Gb/s Ethernet的帧发送与接收过程77计算机科学与技术学院5.5 交换式局域网的工作原理5.5.1 交换式局域网的基本结构78计算机科学与技术学院5.5.2 局域网交换机的工作原理结点E79计算机科学与技术学院5.5.3 局域网交换机的技术特点低交换延迟支持不同的传输速率和工作模式支持虚拟局域网服务 二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。三层交换技术就是：二层交换技术三层转发技术。它解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。80计算机科学与技术学院5.6 虚拟局域网的工作原理5.6.15.6.1 虚拟网络的概念 虚拟网络建立在局域网交换机之上;以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理;逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制;一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。81计算机科学与技术学院5.6.15.6.1 虚拟网络的概念虚拟局域网（虚拟局域网（VLANVLAN）虚拟网(VLAN)的概念并非是一种新型局域网，它其实只是一种新型服务。对于一个比较大的局域网络，通常需要将其分段，可以使网络的应用更加灵活。通过分段可以提高用户带宽，还可以增加网络的连接范围。把用划分交换机端口所构成的子网称作虚拟网(Virtual LAN)。这种通过划分所构成的逻辑子网的功能与传统物理上划分的子网功能相同，但在逻辑子网中其成员与其实际物理位置和连接无关。82计算机科学与技术学院5.6.2 虚拟局域网的实现技术用交换机端口号定义虚拟局域网用 MAC地址定义虚拟局域网用网络层地址定义虚拟局域网IP广播组虚拟局域网83计算机科学与技术学院用交换机端口号定义虚拟局域网成员84计算机科学与技术学院5.6.25.6.2 虚拟局域网的实现技术p虚拟局域网的优点方便网络用户管理，减少网络管理开销提供更好的安全性改善网络服务质量85计算机科学与技术学院5.7 无线局域网 （WLAN）5.7.1 无线局域网的应用作为传统局域网的扩充建筑物之间的互连 （无线网桥或路由）漫游访问特殊网络(Ad hoc)Ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。86计算机科学与技术学院典型的无线局域网结构87计算机科学与技术学院特殊无线网络的结构 ad hoc 是一个临时需要的对等网络，无集中服务器的无线网络；移动分布式多跳无线网络。88计算机科学与技术学院5.7.2 红外无线局域网p红外无线（infrared radio,IR）是按视距方式传播；p红外线频谱是非常宽，可以提供极高的数据传输速率；p红外局域网的数据传输有三种基本技术：定向光束红外传输技术全方位红外传输技术漫反射红外传输技术 89计算机科学与技术学院5.7.3 扩频无线局域网1.跳频通信(frequence hopping spread spectum,FHSS)IEEE 802.11标准规定跳频通信使用2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段;跳频扩频通信的数据传输速率为1Mb/s或2Mb/s。90计算机科学与技术学院2.直接序列扩频(direct sequence spread spectrum,DSSS)直接序列扩频也使用2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段;数据传输速率为 1Mb/s或2Mb/s;系统实际发送的信号d(t)是发送数据a(t)与伪随机码c(t)模二加的结果;91计算机科学与技术学院5.7.3 扩频无线局域网5.7.4 无线局域网标准IEEE 802.11802.11层次模型结构MAC层支持无争用服务和争用服务两种访问方式。92计算机科学与技术学院协议功能说明IEEE802.11的MAC子层又分成了两个子层。靠近物理层的那个子层是分布协调功能子层DCF（distributed coordination function）。DCF使用CSMA技术的争用算法为所有的通信提供访问控制，让每个站通过争用信道来获得发送权。在它之上的是点协调功能子层PCF（point coordination function）。PCF使用集中控制的访问算法，用类似于轮询的方式提供给各站发送权，提供了无争用服务，避免产生冲突。93计算机科学与技术学院802.11标准的信道访问控制pDCF子层采用CSMA算法。也就是说，当某站要发送MAC帧时，先要监听信道。如果信道上无信号，说明信道空闲，则可发送这一帧。否则必须等待，直到正在进行的传输完成后才能发送。p为了保证CSMA算法的顺利和公平，DCF采用了一种称为帧间间隔(IFS-Inter Frame Space)的延迟技术。发送站发送一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔，这各时间间隔叫帧间间隔。94计算机科学与技术学院CSMA/CA基本工作原理p802.11的MAC层采用的是CSMA/CA(collision avoidance,CA)的冲突避免方法;p冲突避免要求每一个发送结点在发送帧之前需要先侦听信道。如果信道空闲，结点可以发送帧;p发送站在发送完一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔，检查接收站是否发回帧的确认ACK。如果接收到确认，则说明此次发送没有出现冲突，发送成功;p如果在规定的时间内没有接收到确认，表明出现冲突，发送失败，重发该帧。直到在规定的最大重发次数之内，发送成功。95计算机科学与技术学院帧间间隔 IFSp所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS(InterFrame Space)。p帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。p若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。96计算机科学与技术学院3种不同的帧间空隙IFSpIEEE802.11标准定义了3种不同的帧间空隙IFS值来提供基于优先权的介质访问控制方法：SIFS，即短(short)IFS,用于所有的快速响应活动。PIFS，即点协调功能IFS，其比SIFS长，在PCF方式中轮询时使用。DIFS，即分布协调功能IFS，它是最长的IFS，在DCF方式中作为争用访问控制的最小延迟时间。97计算机科学与技术学院IFS的CSMA访问控制操作 发送站先监听信道。如信道空闲，则还要继续监听一段IFS时间，如果在这段时间内信道仍是空闲的，则可立即发送帧。如果发现信道忙(无论是一开始，还是在后来的IFS时间内监听到信道忙)，则继续要监听信道，直到信道被释放成为空闲。一旦当前的传输已完成，发送站还要再监听一个IFS时间。如果在IFS时间内信道仍然空闲，则发送站就按照二进制指数退避算法退避一段时间。当信道一直保持空闲时，发送站就可发送帧。这样做可以使产生冲突的概率大为减小，特别是在网络负载较重的情况下。98计算机科学与技术学院时间SIFSDIFSPIFSSIFS时间推迟接入等待重试时间有帧要发送源站目的站其他站有帧要发送时间99计算机科学与技术学院SIFS，即短(Short)帧间间隔，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点AP 发送出的任何帧。媒体空闲发送第1帧ACKSIFSDIFSPIFS发送下1帧NAV（媒体忙）争用窗口100计算机科学与技术学院时间SIFSDIFSPIFSSIFS时间推迟接入等待重试时间有帧要发送源站目的站其他站有帧要发送时间100计算机科学与技术学院时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集(BSS)内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。媒体空闲发送第1帧ACKSIFSDIFSPIFS发送下1帧NAV（媒体忙）争用窗口PIFS，即点协调功能帧间间隔，它比 SIFS 长，是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。101计算机科学与技术学院时间SIFSDIFSPIFSSIFS时间推迟接入等待重试时间有帧要发送源站目的站其他站有帧要发送时间媒体空闲发送第1帧ACKSIFSDIFSPIFS发送下1帧NAV（媒体忙）争用窗口DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个实习长度CSMA/CA基本工作原理示意图102计算机科学与技术学院SIFS在以下情况下使用：发送“确认帧ACK”一个站点只要收到的帧不是多播帧或广播帧，那么这个站点就要在等待一个SIFS后发生一个确认帧ACK。当一个较长的LLC帧要分成多个MAC帧来发送时，使用SIFS可以提高传输效率。因为发送站每次只能发送一个帧，接收站等待一个SIFS后就发一个ACK，发送站只要收到ACK就可以接着发送下一帧。也就是说使用SIFS可以继续控制信道使用权，直到整个LLC帧发送完毕。103计算机科学与技术学院SIFS在以下情况下使用：发送“允许发送帧CTS”一个站如果发送一个短的请求发送帧RTS就可以保证它可以优先发送数据帧。目的站如果准备好接收就应立即用CTS响应。所有监听到CTS的站都必须推迟向信道发送自己的数据。发送轮询时的响应帧中央控制器用来发送查询帧，在PCF子层上工作。它使用PIFS，由于PIFS比DIFS短，所以其总能先获得对信道的访问权。而受到查询的站则可用SIFS进行快速响应，这样就使被查询站比一般的信道争用优先获得信道的使用权。104计算机科学与技术学院无线城域网 WMANp(Wireless Metropolitan Area Network)2002 年 4 月通过了 802.16 无线城域网的标准。欧洲的 ETSI 也制订类似的无线城域网标准HiperMAN。WMAN 可提供“最后一英里”的宽带无线接入（固定的、移动的和便携的）。在许多情况下，无线城域网可用来代替现有的有线宽带接入，因此它有时又称为无线本地环路。105计算机科学与技术学院WiMAXWorldwide Interoperability for Microwave AccesspWiMAX 常用来表示无线城域网 WMAN，这与Wi-Fi常用来表示无线局域网