计算机网络课件第4章局域网.ppt

计算机网络计算机网络Computer Network 2023年2月23日课程目录课程目录n第第1章章概述概述n第第2章章物理层与数据通信基础物理层与数据通信基础n第第3章章数据链路层数据链路层n第第4章章局域网局域网n第第5章章网络层网络层n第第6章章网络互联技术网络互联技术n第第7章章传输层传输层n第第8章章应用层应用层n第第9章章网络管理与信息安全网络管理与信息安全n第第10章章网络新技术专题网络新技术专题2计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江本章提纲本章提纲4.1局域网概述局域网概述4.2以太网以太网4.3无线局域网（无线局域网（WLAN）4.4高速局域网高速局域网4.5局域网组网技术局域网组网技术第第4章章 局域网局域网3计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1 局域网概述局域网概述4.1.1 4.1.1 局域网的特点局域网的特点4.1.2 4.1.2 局域网拓扑结构局域网拓扑结构4.1.3 4.1.3 局域网体系结构局域网体系结构4计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.1 局域网的特点局域网的特点(1)覆盖的地理范围比较小，通常为覆盖的地理范围比较小，通常为10公里以内公里以内(2)数据传输速率高数据传输速率高(3)误码率低误码率低(4)局域网一般为一个单位或部门所独有，而不是公共的局域网一般为一个单位或部门所独有，而不是公共的或者商用的公共服务设施或者商用的公共服务设施5计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.2 局域网局域网拓扑结构拓扑结构n总线结构所有结点都直接连接到共享信道总线结构所有结点都直接连接到共享信道n环型结构结点通过点到点链路与相邻结点连接环型结构结点通过点到点链路与相邻结点连接n星型结构所有结点都连接到中央结点星型结构所有结点都连接到中央结点BusABCCStarABCARingADCBT6计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.3 局域网局域网体系结构体系结构(1/8)1.局域网参考模型局域网参考模型7计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.3 局域网局域网体系结构体系结构(2/8)2.IEEE 802标准标准8计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.3 局域网局域网体系结构体系结构(3/8)3.物理层物理层n802模型的物理层与模型的物理层与OSI/RM的物理层的作用基本的物理层的作用基本一致，主要是确保在通信信道上二进制位信号的一致，主要是确保在通信信道上二进制位信号的正确传输。其主要功能包括信号的编码与解码、正确传输。其主要功能包括信号的编码与解码、前导的生成与去除（该前导用于同步）、二进制前导的生成与去除（该前导用于同步）、二进制位信号的发送与接收等。位信号的发送与接收等。n802模型的物理层还包括对传输媒体和拓扑结构的模型的物理层还包括对传输媒体和拓扑结构的说明。说明。9计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.3 局域网局域网体系结构体系结构(4/8)4.MAC子层子层n必须提供相应的机制来控制对传输媒体的访问，必须提供相应的机制来控制对传输媒体的访问，以便使之更加有序和有效。这就是以便使之更加有序和有效。这就是MAC协议提供协议提供的功能。的功能。n访问控制技术访问控制技术n为了更好地响应站点的及时请求，局域网一般采为了更好地响应站点的及时请求，局域网一般采用用动态分配信道的异步机制动态分配信道的异步机制。同步：信道分割同步：信道分割异步：信道共享异步：信道共享10计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.3 局域网局域网体系结构体系结构(5/8)n异步机制分为三种：异步机制分为三种：时间片轮转、预约和竞争时间片轮转、预约和竞争。n在在时间片轮转时间片轮转中，每个结点按照一定的时间顺序得中，每个结点按照一定的时间顺序得到传输时间片。在该时间片轮到某一个站点时，站到传输时间片。在该时间片轮到某一个站点时，站点可以选择是否进行传输。如果要进行传输，传输点可以选择是否进行传输。如果要进行传输，传输的时间不能超过该时间片的长度。当该站点放弃传的时间不能超过该时间片的长度。当该站点放弃传输机会或者完成传输后，时间片被传递给下一个逻输机会或者完成传输后，时间片被传递给下一个逻辑站点。辑站点。令牌环令牌环和和令牌总线令牌总线中的令牌传递（中的令牌传递（Token Passing）方法采用的就是时间片轮转机制。方法采用的就是时间片轮转机制。11计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.3 局域网局域网体系结构体系结构(6/8)n采用采用预约预约技术时，媒体访问的时间被分成一些时技术时，媒体访问的时间被分成一些时槽。一个站点需要传输数据时，需要预约一些时槽。一个站点需要传输数据时，需要预约一些时槽。槽。城域网的城域网的DQDB协议采用的就是预约机制。协议采用的就是预约机制。n在在竞争竞争机制中，没有相应的控制站点来决定谁来机制中，没有相应的控制站点来决定谁来进行数据传输，所有的站点都展开竞争以获取对进行数据传输，所有的站点都展开竞争以获取对共享媒体的访问权。这种机制的优点是易于实现，共享媒体的访问权。这种机制的优点是易于实现，并且在低负荷和中等负荷时性能最好，只是在重并且在低负荷和中等负荷时性能最好，只是在重负荷下性能会急剧下降。负荷下性能会急剧下降。以太网中以太网中CSMA/CDCSMA/CD 协议协议采用的就是竞争机制。采用的就是竞争机制。12计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.3 局域网局域网体系结构体系结构(7/8)5.5.LLCLLC子层子层nLLCLLC子层的主要功能有：子层的主要功能有：(1)(1)建立和释放数据链路层的逻辑连接。建立和释放数据链路层的逻辑连接。(2)(2)提供与高层的接口。提供与高层的接口。(3)(3)差错控制。差错控制。(4)(4)LLCLLC帧的封装和拆卸。帧的封装和拆卸。13计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.1.3 局域网局域网体系结构体系结构(8/8)nLLCLLC帧、帧、MACMAC帧和高层帧和高层PDUPDU之间的关系之间的关系 n服务访问点服务访问点(SAP)SAP)：SAPSAP提供了多个高层协议进程共同使用一提供了多个高层协议进程共同使用一个个LLCLLC层实体进行通信的机制。层实体进行通信的机制。n控制控制：用于定义：用于定义LLCLLC帧类型。帧类型。LLCLLC定义了三种类型的帧：信息定义了三种类型的帧：信息帧帧(I I帧帧)、监控帧、监控帧(S S帧帧)和无编号帧和无编号帧(U U帧帧)。n信息信息：用于传送用户数据。：用于传送用户数据。LLC PDUMAC PDU14计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2 以太网以太网4.2.1 以太网概述以太网概述4.2.2 以太网物理层以太网物理层4.2.3 以太网以太网MAC子层协议子层协议4.2.4 二进制指数退避算法二进制指数退避算法4.2.5 以太网的以太网的MAC帧格式帧格式4.2.6 交换式以太网交换式以太网15计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.1 以太网概述以太网概述(1/3)n以太网的核心思想起源于一种分组无线交换网以太网的核心思想起源于一种分组无线交换网-ALOHA。Norman Abramson Norman Abramson University of University of Hawaii Hawaii 16计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.1 以太网概述以太网概述(2/3)nALOHA协议相当简单，只要一个站点想要传输信息帧，协议相当简单，只要一个站点想要传输信息帧，它就把信息帧传输出去。然后它听一段时间，如果在它就把信息帧传输出去。然后它听一段时间，如果在一段特定的时间内收到了确认，它就认为数据传输成一段特定的时间内收到了确认，它就认为数据传输成功；否则，传输站点等待一段随机的时间后重发信息功；否则，传输站点等待一段随机的时间后重发信息帧。由于两个站点等待的时间是随机的，所以它们再帧。由于两个站点等待的时间是随机的，所以它们再次冲突的可能性较小。若又发生了第二次冲突，站点次冲突的可能性较小。若又发生了第二次冲突，站点还是采用相同的规则重传信息。如果在发生了好几次还是采用相同的规则重传信息。如果在发生了好几次重传后仍得不到确认，就只好放弃此次信息的传输。重传后仍得不到确认，就只好放弃此次信息的传输。17计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.1 以太网概述以太网概述(3/3)n早期的以太网使用的传输介质是同早期的以太网使用的传输介质是同轴电缆，造价较高。轴电缆，造价较高。n1990年，年，10Base-T（双绞线）（双绞线）n1995年，年，Fast Ethernet（双绞（双绞线和光纤）线和光纤）n1999年，年，Gigabit Ethernet（屏（屏蔽双绞线和光纤）蔽双绞线和光纤）Bob Metcalfe Xerox Palo Alto Research Center 18计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.2 以太网物理层以太网物理层n以太网的物理层主要是对传输介质进行规范。以太网的物理层主要是对传输介质进行规范。IEEE为为同轴电缆、屏蔽双绞线（同轴电缆、屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线）、非屏蔽双绞线（UTP）和光纤定义了一套标准。）和光纤定义了一套标准。nIEEE使用的命名标准含有三个部分：使用的命名标准含有三个部分：1)速率速率：表示每秒兆位的数据速率。：表示每秒兆位的数据速率。2)信号信号：表示信道上传输的是：表示信道上传输的是基带基带信号或信号或频带频带信号。信号。3)PHY：表示物理介质的质地，以及早期版本中电缆：表示物理介质的质地，以及早期版本中电缆段的最大长度，四舍五入到最近的段的最大长度，四舍五入到最近的100米的倍数。米的倍数。n如，如，10BASE2表示工作在表示工作在10Mbps，BASE代表采代表采用基带信号，用基带信号，2表示每个网段最长为表示每个网段最长为185米。米。19计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江n以太网采用的媒体访问控制协议是载波侦听多路访问以太网采用的媒体访问控制协议是载波侦听多路访问/冲突检测（冲突检测（CSMA/CD）。）。1.CSMA协议协议n“载波侦听载波侦听”的含义是指在使用传输介质发送信息之的含义是指在使用传输介质发送信息之前，先要侦听前，先要侦听(检测检测)介质上有无信号传送，即侦听传介质上有无信号传送，即侦听传输介质是否空闲。输介质是否空闲。“多路访问多路访问”的含义是指多个有的含义是指多个有独立标识符的结点共享一条传输介质，因此独立标识符的结点共享一条传输介质，因此CSMA方方法又称为法又称为“先听后说先听后说”方法（方法（LBT，Listen Before Talk）。）。4.2.3 以太网以太网MAC子层协议子层协议(1/7)20计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江(1)非坚持非坚持CSMA1)若媒体空闲就传输；否则，转到第若媒体空闲就传输；否则，转到第2)步。步。2)若媒体忙，等待一段随机的重传延迟时间，重复第若媒体忙，等待一段随机的重传延迟时间，重复第1)步。步。n优点：减少冲突发生的可能性。优点：减少冲突发生的可能性。n缺点：媒体利用率低。缺点：媒体利用率低。(2)1坚持坚持CSMA1)若媒体空闲就传输；否则，转到第若媒体空闲就传输；否则，转到第2)步。步。2)若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲，然后立即传输。若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲，然后立即传输。3)如果有冲突，则等待一段随机的时间后重复第如果有冲突，则等待一段随机的时间后重复第1)步。步。n优点：媒体利用率提高优点：媒体利用率提高n缺点：冲突增加缺点：冲突增加4.2.3 以太网以太网MAC子层协议子层协议(2/7)21计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江(3)P坚持坚持CSMA1)若媒体空闲，以概率若媒体空闲，以概率P传输，以概率传输，以概率(1-P)延迟一时延迟一时间单位。该时间单位通常等于最大传播延迟的两倍。间单位。该时间单位通常等于最大传播延迟的两倍。2)若媒体忙，继续监听直到信道空闲，并重复第若媒体忙，继续监听直到信道空闲，并重复第1)步。步。3)若传输延迟了一个时间单位，则重复第若传输延迟了一个时间单位，则重复第1)步。步。n优点：是非坚持和优点：是非坚持和1坚持算法的折中坚持算法的折中n缺缺点点：传传输输性性能能基基于于P的的取取值值。P太太小小，让让试试图图传传输输的的站点等待时间太长站点等待时间太长;P太大，冲突的可能性增大太大，冲突的可能性增大4.2.3 以太网以太网MAC子层协议子层协议(3/7)22计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.CSMA/CD协议协议nCSMA/CD又被称为边说边听（又被称为边说边听（LWT）。）。n传输时间传输时间是指一个数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送是指一个数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间；当然，它也表示一个接收站点开始接收数据帧，完毕所需的时间；当然，它也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。数据传输时间可用下面的公式到该数据帧接收完毕所需的时间。数据传输时间可用下面的公式来表示：来表示：n传输时间（传输时间（s）=数据帧长度（数据帧长度（bit）/数据传输速率（数据传输速率（bps）n传播时间传播时间是指从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数是指从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据所需要的时间，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，据所需要的时间，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时间。信号传播时间可用下面的公式表示：称为信号传播时间。信号传播时间可用下面的公式表示：n信号传播时间（信号传播时间（s）=两站点间的距离（两站点间的距离（m）/信号传播速度信号传播速度（一般为（一般为200m/s）。）。4.2.3 以太网以太网MAC子层协议子层协议(4/7)23计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江n在在CSMA/CD协议中，欲传输的站点监听媒体并遵循以协议中，欲传输的站点监听媒体并遵循以下规则：下规则：1)若媒体空闲就传输；否则，转到第若媒体空闲就传输；否则，转到第2)步。步。2)若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲，然后若媒体忙则继续监听，直到检测到信道空闲，然后立即传输。立即传输。3)如果在传输的过程中监听到冲突，它就发送一个短如果在传输的过程中监听到冲突，它就发送一个短小的人为干扰信号，这个信号使得冲突的时间足够小的人为干扰信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的结点都能发现。长，让其他的结点都能发现。4）所有结点收到干扰信号后，都停止传输，并等待一）所有结点收到干扰信号后，都停止传输，并等待一个随机产生的时间间隙后重发（重复第个随机产生的时间间隙后重发（重复第1）步）。步）。4.2.3 以太网以太网MAC子层协议子层协议(5/7)24计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江nCSMA和和CSMA/CD两种协议在发生冲突时所浪费的时两种协议在发生冲突时所浪费的时间情况间情况 4.2.3 以太网以太网MAC子层协议子层协议(6/7)25计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.3 以太网以太网MAC子层协议子层协议(7/7)nCSMA/CD中一个站点用于检测冲突所需要的最大时间中一个站点用于检测冲突所需要的最大时间 从信道的一端到另从信道的一端到另一端的传播延迟一端的传播延迟检测冲突最多需要检测冲突最多需要2的时间的时间26计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.4 二进制指数退避算法二进制指数退避算法(1/2)n算法思想算法思想：当一个站点经历重复碰撞时，它应退避一个更长的时：当一个站点经历重复碰撞时，它应退避一个更长的时间以补偿网络的额外负载。间以补偿网络的额外负载。n算法过程算法过程：n在一次冲突发生后，时间被分割成离散的时槽。在一次冲突发生后，时间被分割成离散的时槽。时槽长度时槽长度=2 对于对于10M以太网以太网，时槽的长度被设置为，时槽的长度被设置为512位时间，即为位时间，即为51.2s。n第一次冲突产生后，每个站点随机等待第一次冲突产生后，每个站点随机等待0或或1个时槽后重新发送。个时槽后重新发送。若有多个站点在冲突后又选择了同一个等待时槽数，则它们将若有多个站点在冲突后又选择了同一个等待时槽数，则它们将再次冲突。在第二次冲突后，它们会从再次冲突。在第二次冲突后，它们会从0、1、2、3中随机挑中随机挑选一个数作为等待的时槽数。若又产生第三次冲突（发生的概选一个数作为等待的时槽数。若又产生第三次冲突（发生的概率为率为0.25），则它们将从），则它们将从07（23-1）中随机挑选一个等待）中随机挑选一个等待的时槽数。的时槽数。27计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.4 二进制指数退避算法二进制指数退避算法(2/2)n一般而言，一般而言，n次冲突后，等待的时槽数从次冲突后，等待的时槽数从02n-1中随机选出。但在达到中随机选出。但在达到10次冲突后，等次冲突后，等待的最大时槽数固定为待的最大时槽数固定为1023，以后不再增加，以后不再增加了。在了。在16次冲突后，站点放弃传输，并报告次冲突后，站点放弃传输，并报告一个错误。一个错误。n这种退避算法带来一个这种退避算法带来一个不良后果不良后果：没有遇到过：没有遇到过或遇到冲突次数少的站点比等待时间更长的站或遇到冲突次数少的站点比等待时间更长的站点更有机会得到媒体的访问权。点更有机会得到媒体的访问权。28计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江(1)前导前导：包含：包含8个字节。个字节。n用于通知接收端即将有数据帧到来，使接收端能够用于通知接收端即将有数据帧到来，使接收端能够利用曼彻斯特编码的信号跳变来同步时钟。利用曼彻斯特编码的信号跳变来同步时钟。(2)目的地址和源地址目的地址和源地址：各包含：各包含6个字节。个字节。n目的地址标识了帧的目的地站点，源地址标识了发目的地址标识了帧的目的地站点，源地址标识了发送帧的站点。送帧的站点。4.2.5 以太网的以太网的MAC帧格式帧格式(1/4)29计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江(3)类型类型：包含：包含2个字节。个字节。n类型域标识了在以太网上运行的客户端协议。使用类型域标识了在以太网上运行的客户端协议。使用类型域，单个以太网可以向上复用不同的高层协议类型域，单个以太网可以向上复用不同的高层协议(如如IP、IPX、ARP等等)。(4)数据数据：包含：包含01500字节。字节。n数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。每数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。每个帧所能携带的用户数据最长为个帧所能携带的用户数据最长为1500字节，字节，1500字节的限制是为了防止结点长时间地独占传输媒体。字节的限制是为了防止结点长时间地独占传输媒体。4.2.5 以太网的以太网的MAC帧格式帧格式(2/4)30计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江(5)填充填充：包含：包含046字节字节n该域是用于保证以太网中数据帧的长度不能小于某该域是用于保证以太网中数据帧的长度不能小于某个最小长度个最小长度64字节（从目的地址域一直到校验和域）字节（从目的地址域一直到校验和域）。由于以太网帧中的目的地址、源地址、类型和校。由于以太网帧中的目的地址、源地址、类型和校验和字段总共占验和字段总共占18字节，所以帧携带的数据最少为字节，所以帧携带的数据最少为46字节。若从高层传来的数据少于字节。若从高层传来的数据少于46字节，则通过字节，则通过填充来满足限制。填充来满足限制。(6)校验和校验和：包含：包含4字节字节n这个这个32位字段包括的值用来校验帧字段中数据位的位字段包括的值用来校验帧字段中数据位的完整性完整性(不包括前导字段不包括前导字段)。这个值通常为循环冗余校。这个值通常为循环冗余校验验(CRC)码。码。4.2.5 以太网的以太网的MAC帧格式帧格式(3/4)31计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.5 以太网的以太网的MAC帧格式帧格式(4/4)n以太网数据帧的长度为什么不能小于以太网数据帧的长度为什么不能小于64字节呢？字节呢？n以太网中的以太网中的CSMA/CD是基于冲突检测的协议。一个站点如果是基于冲突检测的协议。一个站点如果在传送数据帧时检测到了冲突信号，它就知道这个数据帧发生在传送数据帧时检测到了冲突信号，它就知道这个数据帧发生了错误，然后立即停止传送并等待一段随机的时间重传这个数了错误，然后立即停止传送并等待一段随机的时间重传这个数据帧。但如果冲突信号返回到该站点时，数据帧已经发完，则据帧。但如果冲突信号返回到该站点时，数据帧已经发完，则它就不会重传这个数据帧。它就不会重传这个数据帧。n要保证以太网的重传的实现，就必须要保证以太网的重传的实现，就必须保证发送站点收到冲突信保证发送站点收到冲突信号的时候，数据帧还没有传完号的时候，数据帧还没有传完。也就是。也就是要求站点发送数据帧的要求站点发送数据帧的时间不能小于最坏情况下的冲突检测时间时间不能小于最坏情况下的冲突检测时间。根据前面的描述，。根据前面的描述，此时间为此时间为2（51.2s）。对于）。对于10M以太网来说，就是要保证以太网来说，就是要保证最小数据帧的长度必须要达到最小数据帧的长度必须要达到51.2sx10M bps=512位，也位，也即即64字节的长度。字节的长度。32计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.2.6 交换式以太网交换式以太网n交换式以太网的核心是交换机（交换式以太网的核心是交换机（switch）n当一个站点发送数据帧时，该帧首先被传送到交换机的插卡当一个站点发送数据帧时，该帧首先被传送到交换机的插卡上，获得该帧的插卡判断目的站点是否连在同一块插卡上。上，获得该帧的插卡判断目的站点是否连在同一块插卡上。如果是的话，则将该帧复制到同一块插卡的相应连接器上。如果是的话，则将该帧复制到同一块插卡的相应连接器上。如果不是，则通过交换机的高速底板将数据帧复制到目标插如果不是，则通过交换机的高速底板将数据帧复制到目标插卡的相应连接器上。通常，交换机的底板使用私有的协议，卡的相应连接器上。通常，交换机的底板使用私有的协议，其运行速度可达到好几个其运行速度可达到好几个Gbps。n不同插卡上可并行传输数据，同一插卡仍是共享式访问不同插卡上可并行传输数据，同一插卡仍是共享式访问。33计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3 无线局域网（无线局域网（WLAN）4.3.1 WLAN概述概述4.3.2 WLAN的应用和优势的应用和优势4.3.3 WLAN的基本技术的基本技术4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.114.3.5 WLAN展望展望34计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.1 WLAN概述概述(1/4)1.WLAN的发展的发展1971年，年，ALOHA20世纪世纪80年代，建立终端结点控制器年代，建立终端结点控制器(TNC)1985年，年，FCC授权普通用户可以使用授权普通用户可以使用ISM频段频段1990年年11月月IEEE召开了召开了802.11委员会，开始制委员会，开始制订无线局域网标准。订无线局域网标准。nIEEE 802.11无线局域网标准的制定是无线网络无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。技术发展的一个里程碑。IEEE 802.11规范了无规范了无线局域网络的线局域网络的MAC层及物理层。层及物理层。35计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.1 WLAN概述概述(2/4)2.中国中国WLAN发展现状发展现状3.WLAN的组成的组成(1)WLAN设备设备1)无线网卡无线网卡36计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.1 WLAN概述概述(3/4)2)无线接入点无线接入点AP 有线网络与无线有线网络与无线网络之间的桥接网络之间的桥接(2)WLAN的结构模式的结构模式1)扩展服务集模式扩展服务集模式ESSn该模式又称为该模式又称为基础设施模式基础设施模式 nESS扩大了无线扩大了无线站点间的通信距离站点间的通信距离37计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.1 WLAN概述概述(4/4)2)独立基本服务集模式独立基本服务集模式IBSSn该模式又称为该模式又称为Ad hoc模式，也称为点对点（模式，也称为点对点（peer to peer，P2P）模式）模式 38计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.2 WLAN的应用和优势的应用和优势 1.WLAN的应用领域的应用领域 (1)作为有线局域网的扩充作为有线局域网的扩充 (2)建筑物之间的互连建筑物之间的互连 (3)临时性网络临时性网络 2.WLAN的优点的优点(1)搭建速度较快搭建速度较快(2)安装灵活方便安装灵活方便(3)节约建设投资节约建设投资(4)维护费用较低维护费用较低(5)易于使用扩充易于使用扩充39计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.3 WLAN的基本技术的基本技术(1/4)1.红外线技术红外线技术n红外线局域网采用小于红外线局域网采用小于1m波长的红外线作为传输媒波长的红外线作为传输媒体，具有非常高的频率，有较强的方向性。由于它采用体，具有非常高的频率，有较强的方向性。由于它采用低于可见光的部分频谱作为传输介质，使用不受无线电低于可见光的部分频谱作为传输介质，使用不受无线电管理部门的限制。与微波通信一样，红外线也是按视距管理部门的限制。与微波通信一样，红外线也是按视距方式传播的。方式传播的。n红外无线局域网具有以下几个优点：红外无线局域网具有以下几个优点：n安全性较高安全性较高n每个房间里的红外线网络可以互不干扰每个房间里的红外线网络可以互不干扰n红外线局域网设备相对简单且又便宜红外线局域网设备相对简单且又便宜40计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.3 WLAN的基本技术的基本技术(2/4)2.扩频技术扩频技术n主要目的是将信号散布到更宽的带宽上，以减小发生拥主要目的是将信号散布到更宽的带宽上，以减小发生拥塞和干扰的概率。塞和干扰的概率。（1）跳频通信）跳频通信n在跳频方案中，按固定的时间间隔使发送信号频率在跳频方案中，按固定的时间间隔使发送信号频率从一个频谱跳到另一个频谱。接收器与发送器同步从一个频谱跳到另一个频谱。接收器与发送器同步跳动，从而正确地接收信息。而那些可能的入侵者跳动，从而正确地接收信息。而那些可能的入侵者只能得到一些无法理解的信号。只能得到一些无法理解的信号。nIEEE 802.11标准规定每标准规定每300 ms的间隔变换一次发的间隔变换一次发送频率。发送频率变换的顺序由一个伪随机数决定，送频率。发送频率变换的顺序由一个伪随机数决定，发送器和接收器使用相同变换的顺序序列。发送器和接收器使用相同变换的顺序序列。41计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.3 WLAN的基本技术的基本技术(3/4)（2）直接序列扩频）直接序列扩频n在直接序列扩频方案中，输入数据信号进入在直接序列扩频方案中，输入数据信号进入一个通道编码器并产生一个接近某中央频谱一个通道编码器并产生一个接近某中央频谱的较窄带宽的模拟信号。这个信号将用一伪的较窄带宽的模拟信号。这个信号将用一伪随机数序列来进行调制。随机数序列来进行调制。n在接收端，使用同样的数字序列来恢复原信在接收端，使用同样的数字序列来恢复原信号，然后信号再进入通道解码器来还原传送号，然后信号再进入通道解码器来还原传送的数据。的数据。42计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江4.3.3 WLAN的基本技术的基本技术(4/4)3.窄带技术窄带技术n在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去。窄带任何扩展即被直接搬移到射频发射出去。窄带无线设备以尽可能窄的无线信号频率传递信息。无线设备以尽可能窄的无线信号频率传递信息。通过小心调整使用不同信道频率的用户，在信通过小心调整使用不同信道频率的用户，在信道之间避免干扰。道之间避免干扰。n与扩频技术相比，窄带调制方式占用频带少，与扩频技术相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。频带利用率高。43计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江1.802.11标准系列简介标准系列简介(1)IEEE 802.11n标准定义了物理层和标准定义了物理层和MAC层协议的规范，带宽层协议的规范，带宽2Mbps。(2)IEEE 802.11b n带宽最高可达带宽最高可达11Mbps，比，比IEEE 802.11标准快标准快5倍，倍，扩大了无线局域网的应用领域。扩大了无线局域网的应用领域。(3)IEEE 802.11an工作在工作在5GHz频带，带宽最高可达频带，带宽最高可达54Mbps。4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(1/15)44计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江(4)IEEE 802.11gn802.11g其实是一种混合标准，它既能适应传统的其实是一种混合标准，它既能适应传统的802.11b标准，也符合标准，也符合802.11a标准。标准。(5)IEEE 802.11i安全安全(6)IEEE 802.11e-QoS(7)IEEE 802.11f构建构建(8)IEEE 802.11sWireless Mesh Network 4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(2/15)45计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2.WLAN的物理层的物理层nWLAN的物理层主要由三部分组成：的物理层主要由三部分组成：PMD协议（物理介质协议（物理介质相关协议）、相关协议）、PLCP（物理层汇聚协议）、物理层管理子层，（物理层汇聚协议）、物理层管理子层，如图所示。如图所示。nPMD子层用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和子层用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技术；编码技术；nPLCP子层主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理子层主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组；层形成相应格式的分组；n物理层管理子层为不同的物理层进行信道选择和调谐。物理层管理子层为不同的物理层进行信道选择和调谐。4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(3/15)物理层管理子层物理层管理子层46计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江3.WLAN的的MAC层层n无线传输的隐藏站点问题无线传输的隐藏站点问题n(a)表示站点表示站点A和和C都想和都想和B通信，但通信，但A和和C都不在对方都不在对方的无线电波范围内。假定的无线电波范围内。假定A正在给正在给B传送数据，若传送数据，若C此时监听信道，则它什么也不会听到，从而错误地此时监听信道，则它什么也不会听到，从而错误地得出结论：现在可以向得出结论：现在可以向B发送数据了。结果发送数据了。结果B同时收同时收到到A和和C发来的数据，发生了冲突。这种未能检测出发来的数据，发生了冲突。这种未能检测出媒体上已存在信号的问题叫做隐藏站点问题。媒体上已存在信号的问题叫做隐藏站点问题。4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(4/15)47计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江n无线传输的暴露站点问题无线传输的暴露站点问题n(b)给出了另一种情况。这里给出了另一种情况。这里C希望传送数据给希望传送数据给D，但此时，但此时B正在给正在给A传送数据，所以传送数据，所以C监听到信道监听到信道上有信号，从而得出错误的结论：现在不能向上有信号，从而得出错误的结论：现在不能向D传送数据。其实传送数据。其实B向向A传送数据并不影响传送数据并不影响C向向D传传送数据。这就是暴露站点问题。送数据。这就是暴露站点问题。4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(5/15)48计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江(1)MAC子层结构子层结构nDCF通过使用通过使用CSMA/CA和随机退避算法实现介质的自动共和随机退避算法实现介质的自动共享。享。DCF向上提供竞争服务。向上提供竞争服务。nPCF通过使用集中控制的接入算法（一般在接入点通过使用集中控制的接入算法（一般在接入点AP实现实现集中控制），用类似于探询的方法将发送数据权轮流交给集中控制），用类似于探询的方法将发送数据权轮流交给各个站点，从而避免了冲突的产生。各个站点，从而避免了冲突的产生。n所有的所有的802.11实现必须都支持实现必须都支持DCF，而，而PCF则是可选的。则是可选的。4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(6/15)49计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江(2)CSMA/CA1)CSMA/CA的两种载波侦听的两种载波侦听n物理侦听机制物理侦听机制和以太网中的和以太网中的CSMA/CD的侦听机制的侦听机制完全相同，即站点在帧传送之前要侦听信道，如果完全相同，即站点在帧传送之前要侦听信道，如果信道忙则推迟帧传送，直到信道空闲为止。信道忙则推迟帧传送，直到信道空闲为止。n虚拟侦听机制虚拟侦听机制是一种与无线信道状态无关的侦听机是一种与无线信道状态无关的侦听机制。它要求每个站点都维护一个变量制。它要求每个站点都维护一个变量NAV（Network Allocation Vector，其值是一个，其值是一个时间长度），在一个站点的时间长度），在一个站点的NAV指定的时间段内，指定的时间段内，该站点会认为信道忙。该站点会认为信道忙。4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(7/15)50计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江n一个站点一个站点设定它的设定它的NAVNAV的方法的方法是：每个站点在发送或接是：每个站点在发送或接收数据帧之前，都会通过发送控制帧来宣布自己将占收数据帧之前，都会通过发送控制帧来宣布自己将占用信道的时间；其它站点会根据这个时间来设置自己用信道的时间；其它站点会根据这个时间来设置自己的的NAVNAV，从而做出谦让。，从而做出谦让。n设定设定NAVNAV是一种积极的避免冲突的做法。是一种积极的避免冲突的做法。“虚拟帧听虚拟帧听”是表示其它站点并没有监听信道，而是由于它收到了是表示其它站点并没有监听信道，而是由于它收到了源站点的源站点的“占用信道时间占用信道时间”的通知才不发送数据。这的通知才不发送数据。这种效果好像是其它站点都监听了信道。种效果好像是其它站点都监听了信道。4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(8/15)51计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江2）CSMA/CA的四种帧间间隔的四种帧间间隔n为了尽量避免冲突，为了尽量避免冲突，IEEE 802.11标准规定，所有的站点标准规定，所有的站点在监听到信道空闲或完成数据帧的发送后，必须再等待在监听到信道空闲或完成数据帧的发送后，必须再等待一段很短的时间才能发送下一帧。这段时间通称为一段很短的时间才能发送下一帧。这段时间通称为帧间帧间间隔间隔。短帧间间隔短帧间间隔SIFS 点协调功能帧间间隔点协调功能帧间间隔PIFS 分布协调功能帧间间隔分布协调功能帧间间隔DIFS 扩展帧间间隔扩展帧间间隔EIFS4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(9/15)52计算机网络计算机网络-刘桂江刘桂江3)CSMA/CA的工作原理的工作原理n欲发送数据帧的源站点首先监听信道，当确定信道空闲时，源欲发送数据帧的源站点首先监听信道，当确定信道空闲时，源站点在等待站点在等待DIFS时间之后，信道仍然空闲则发送一帧。发送结时间之后，信道仍然空闲则发送一帧。发送结束后，源站点等待接收束后，源站点等待接收ACK确认帧。确认帧。n目的站点在收到正确的数据帧，间隔目的站点在收到正确的数据帧，间隔SIFS时间之后，向源站点时间之后，向源站点发送发送ACK帧。若源站点在规定的时间内没有收到帧。若源站点在规定的时间内没有收到ACK帧（由重帧（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到正确传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到正确ACK帧为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。帧为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。4.3.4 WLAN标准：标准：IEEE 802.11(10/15)53计