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计算机网络介质访问控制子层本讲稿第一页，共四十六页2本章学习要求本章学习要求：l了解：局域网与城域网的主要技术特点。了解：局域网与城域网的主要技术特点。l了解：局域网拓扑结构的类型与特点。了解：局域网拓扑结构的类型与特点。l了解：了解：IEEE 802参考模型与协议的基本概念。参考模型与协议的基本概念。l掌握：掌握：Ethernet局域网的基本工作原理。局域网的基本工作原理。l了解：令牌环网与了解：令牌环网与FDDI的基本工作原理。的基本工作原理。l掌握：高速局域网、交换局域网与虚拟局域网的基掌握：高速局域网、交换局域网与虚拟局域网的基本工作原理。本工作原理。l了解：无线局域网的基本工作原理。了解：无线局域网的基本工作原理。l掌握：网桥的基本工作原理。掌握：网桥的基本工作原理。本讲稿第二页，共四十六页35.1.4 IEEE 802参考模型lIEEE 802 标准所描述的局域网参考模型与标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模参考模型的关系型的关系：本讲稿第三页，共四十六页4lIEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为们统称为IEEE 802标准；标准；lIEEE 802标准之间的关系：标准之间的关系：本讲稿第四页，共四十六页55.2 Ethernet局域网 5.2.1 Ethernet的发展 lEthernet的核心技术是的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法；介质访问控制方法；l随机争用技术起源于夏威夷大学校园网随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；l1972年，年，Xerox公司开始公司开始Ethernet实验网的研究；实验网的研究；l1979年，年，Xerox公司宣布了公司宣布了Ethernet产品；产品；l1980年，年，Xerox、DEC与与Intel联合宣布联合宣布Ethernet V2.0规范规范；l20世纪世纪90年代，年代，10Base-T标准使得标准使得Ethernet性能价格比大性能价格比大大提高；大提高；l目前，交换式目前，交换式Ethernet与最高速率为与最高速率为10Gb/s的高速的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。本讲稿第五页，共四十六页65.2.2 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 本讲稿第六页，共四十六页7CSMA/CD的发送流程可以概括为的发送流程可以概括为：l 先听后发先听后发 l 边听边发边听边发l 冲突停止冲突停止l 延迟重发延迟重发 l三项关键技术：三项关键技术：载波侦听载波侦听冲突检测冲突检测二进制指数后退延时二进制指数后退延时本讲稿第七页，共四十六页8Ethernet结点数据发送流程本讲稿第八页，共四十六页9载波侦听过程 l目的：检查是否已经有结点利用总目的：检查是否已经有结点利用总 线在发送数据。线在发送数据。本讲稿第九页，共四十六页10冲突检测：比较法和编码违例判决法本讲稿第十页，共四十六页11冲突窗口的概念本讲稿第十一页，共四十六页12随机延迟重发l截止二进制指数后退延迟算法截止二进制指数后退延迟算法 2kRa 其中：其中：为结点重新发送需要的后退延迟时间，为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为冲突窗口值，为冲突窗口值，R为随机数为随机数;l限定限定k的范围的范围,k=min（n，10）;如果重发次数如果重发次数n10，则取，则取k=n；如果重发次数；如果重发次数n10时，则时，则k取值为取值为10;l第第n次重发延迟是分布在次重发延迟是分布在0与与2min（n，10）-1个时间片之间，个时间片之间，最大可能延迟时间为最大可能延迟时间为1023 个时间片个时间片;l在到后退延迟时间之后，结点将重新判断总线忙、闲状态，在到后退延迟时间之后，结点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程重复发送流程;l当冲突次数超过当冲突次数超过16时，表示发送失败，放弃该帧发送。时，表示发送失败，放弃该帧发送。本讲稿第十二页，共四十六页132.Ethernet帧结构l前导码与帧前定界符字段前导码与帧前定界符字段l目的地址和源地址字段目的地址和源地址字段 l长度字段长度字段lLLC数据字段数据字段l帧校验字段帧校验字段字节本讲稿第十三页，共四十六页14Ethernet帧结构的讨论：l前导码与帧前定界符字段前导码与帧前定界符字段 前导码：前导码：7个字节，个字节，10101010101010比特序列。比特序列。帧前定界符：帧前定界符：1字节，字节，10101011。l目的地址和源地址字段目的地址和源地址字段 地址字段长度地址字段长度：2 2个字节或个字节或6 6个字节个字节 。目的地址类型目的地址类型：单一结点地址（单一结点地址（unicast address）；）；多点地址（多点地址（multicast address）；）；广播地址（广播地址（broadcast address）。）。本讲稿第十四页，共四十六页15l长度字段长度字段 帧的最小长度为帧的最小长度为64字节，最大长度为字节，最大长度为1518字节。字节。lLLC数据字段数据字段 LLC数据字段是帧的数据字段，长度最小为数据字段是帧的数据字段，长度最小为46个字个字节少于节少于46个字节，需要填充。个字节，需要填充。l帧校验字段帧校验字段 采用采用32位的位的CRC校验校验 校验的范围是：目的地址、源地址、长度、校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC数据数据等字段。等字段。本讲稿第十五页，共四十六页15.5 IEEEs Version of Ethernet(802.3)2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.16本讲稿第十六页，共四十六页173.Ethernet接收流程本讲稿第十七页，共四十六页185.2.3 Ethernet实现方法本讲稿第十八页，共四十六页19Ethernet网卡结构 本讲稿第十九页，共四十六页205.2.4 Ethernet物理地址 lEthernet地址地址 网络物理地址网络物理地址 物理网络地址物理网络地址;lEthernet地址地址=Manufacture ID+NIC ID 24bit+24bit 公司：公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5Al典型的典型的Ethernet地址地址：00-60-8C-01-28-12 000000001010000010001100 000000010010100000010010lEthernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。本讲稿第二十页，共四十六页21Ethernet物理地址的十六进制与二进制的表示方法物理地址的十六进制与二进制的表示方法 本讲稿第二十一页，共四十六页225.2.5 网络协议分析器及其应用 l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设备；l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，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；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；l网络分析器的另外一个重要的作用是对特定协议（网络分析器的另外一个重要的作用是对特定协议（TCP/IP、FTP、HTTP）的解码，它按照指定的协议规则加以解释，然）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。后将协议分析的结果显示出来。本讲稿第二十二页，共四十六页23网络分析器的连入方式网络分析器的连入方式 本讲稿第二十三页，共四十六页24网络分析器捕获的帧数据网络分析器捕获的帧数据 本讲稿第二十四页，共四十六页25网络分析器显示的网络分析器显示的Ethernet帧结构帧结构 本讲稿第二十五页，共四十六页265.3 令牌总线网 5.3.1 令牌总线的工作原理 本讲稿第二十六页，共四十六页275.3.2 令牌总线的环维护工作 l环初始化环初始化 l新结点加入环新结点加入环 l结点从环中撤出结点从环中撤出 l环恢复环恢复 l优先级优先级 本讲稿第二十七页，共四十六页285.4 令牌环网与光纤分布式数据接口 5.4.1 令牌环网的工作原理 本讲稿第二十八页，共四十六页29 5.4.2 IEEE 802.5标准 l 单令牌协议单令牌协议 l 优先级位优先级位 l 监控站监控站 l 预约指示器预约指示器 本讲稿第二十九页，共四十六页305.4.3 光纤分布式数据接口 FDDI作为主干网互连多个局域网的结构作为主干网互连多个局域网的结构 本讲稿第三十页，共四十六页31FDDI主要技术特点 l使用使用 802.5的单令牌环网介质访问控制协议；的单令牌环网介质访问控制协议；l使用使用 802.2协议，与符合协议，与符合 802标准局域网兼容；标准局域网兼容；l数据传输速率为数据传输速率为100Mb/s，连网的结点数最大为，连网的结点数最大为1000，环路长度为，环路长度为100km；l可以使用双环结构，具有容错能力；可以使用双环结构，具有容错能力；l可以使用多模或单模光纤；可以使用多模或单模光纤；l具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。据传输。本讲稿第三十一页，共四十六页32FDDI主要应用环境 l计算机机房网计算机机房网 l办公室或建筑物群的主干网办公室或建筑物群的主干网 l校园网的主干网校园网的主干网l多校园的主干网多校园的主干网 本讲稿第三十二页，共四十六页335.5 高速局域网的工作原理5.5.1 高速局域网的研究方法 推动局域网技术发展的因素l个人计算机的广泛应用；个人计算机的广泛应用；在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万在过去二十年中，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；倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；从理论上讲，一台微通道或从理论上讲，一台微通道或EISA总线的微型机能总线的微型机能产生大约产生大约250Mb/s的流量；的流量；l基于基于Web的的Internet/Intranet应用也要求更高的带应用也要求更高的带宽；宽；l在数据仓库、桌面电视会议、在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像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。这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。本讲稿第三十三页，共四十六页34传统共享式局域网的缺点l传统的局域网技术是建立在传统的局域网技术是建立在“共享介质共享介质”的基础的基础上，典型的介质访问控制方法是上，典型的介质访问控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus；l介质访问控制方法用来保证每个结点都能够介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平公平”地使用公共传输介质；地使用公共传输介质；l每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不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；断增加而急剧减少；l网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发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，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。网络服务质量将会下降。本讲稿第三十四页，共四十六页35高速局域网的研究方法l第一种方案：提高第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率：的数据传输速率：10Mb/s100Mb/s10Gb/s；l第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥第二种方案：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，导致了局域网或路由器互连的子网，导致了局域网 互连技术的发展；互连技术的发展；l第三种方案：将第三种方案：将“共享介质方式共享介质方式”改为改为“交换方式交换方式”，导致了导致了“交换式局域网交换式局域网”技术的发展。技术的发展。本讲稿第三十五页，共四十六页365.5.2 快速以太网 lFast Ethernet的传输速率比普通的传输速率比普通Ethernet快快10倍，倍，数据传输速率达到了数据传输速率达到了100Mb/s；lFast Ethernet保留着传统的帧格式、介质访问控保留着传统的帧格式、介质访问控制方法与组网方法；制方法与组网方法；l每个比特的发送时间由每个比特的发送时间由100ns降低到了降低到了10ns；l1995年年9月，月，IEEE 802委员会正式批准了委员会正式批准了Fast Ethernet标准标准IEEE 802.3u。本讲稿第三十六页，共四十六页37Fast Ethernet的协议结构的协议结构 本讲稿第三十七页，共四十六页385.5.3 千兆以太网 用用Ethernet组建企业网的全面解决方案组建企业网的全面解决方案：l桌面系统采用传输速率为桌面系统采用传输速率为10Mb/s的的Ethernet；l部门级网络系统采用传输速率为部门级网络系统采用传输速率为100Mb/s的的Fast Ethernet；l企业级网络系统采用传输速率为企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的的Gigabit Ethernet。本讲稿第三十八页，共四十六页39全双工以太网l关掉载波侦听功能l关掉冲突检测功能l关掉将已发送数据回送接收器的功能l在中只有两个设备l物理介质支持无干扰发送和接收l网络接口支持全双工l应用环境l交换机到交换机l服务器到路由l远距离连接：超过半双工的限制距离。比如光纤l兼容半双工本讲稿第三十九页，共四十六页40MAC控制侦格式l所有的MAC控制帧的长度为最小以太网帧长度，64字节lPAUSE：实现流量控制，只用于全双工稳定状态的网络流量端到端的流量控制“停启”流量控制机制l类型域0 x8808l暂停时间：0表示取消暂停。以发送512比特所需的时间为单位本讲稿第四十页，共四十六页41自动配置功能l自动协商工作于单一线路、点到点链路在链路初始化时进行可扩展不能确定物理线路的类型不支持非以太网l协商报文以协商信号形式发送：16比特报文以100ns宽度的脉冲发送。本讲稿第四十一页，共四十六页42载波扩展l最小时隙为4096比特（512字节）l最小帧长64字节：不够512字节时+扩展1488字节本讲稿第四十二页，共四十六页43帧突发l载波扩展使得信道效率降低l第一帧如果没有冲突，则连续发送短帧而不加扩展本讲稿第四十三页，共四十六页44Gigabit Ethernet的协议结构 802.3z 本讲稿第四十四页，共四十六页455.5.4 10Gb/s Ethernet 10Gb/s Ethernet主要具有以下特点l10Gb/s Ethernet的帧格式与的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和和1Gb/s Ethernet相同；相同；l10Gb/s Ethernet保留了保留了802.3标准对标准对Ethernet最小最小帧长度和最大帧长度的规定帧长度和最大帧长度的规定；l10Gb/s Ethernet的传输介质只使用光纤；的传输介质只使用光纤；l10Gb/s Ethernet只工作在全双工方式，因此不存只工作在全双工方式，因此不存在争用问题在争用问题。本讲稿第四十五页，共四十六页4610Gb/s Ethernet的物理层协议 10Gb/s Ethernet有以下两种物理层协议标准：有以下两种物理层协议标准：l局域网物理层标准局域网物理层标准 一个一个10Gb/s Ethernet交换机可以支持交换机可以支持10个个Gigabit Ethernet网端口；网端口；l可选的广域网物理层标准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广域网物理层符合光纤通道技术速率体的SONET/SDH的的OC-192/STM-64的标准。的标准。本讲稿第四十六页，共四十六页