第9讲局域网.ppt

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1、1/42,第 9讲 局域网（3）,2/42,知识回顾,以太网的信道利用率 MAC地址组成 以太网的帧格式 在物理层扩展以太网 冲突域 广播风暴,3/42,主要内容和教学目标,理解使用网桥在数据链路层扩展局域网的原理 掌握网桥中CAM表中MAC地址的自学习过程 理解虚拟局域网的形成及应用 虚拟局域网的概念 虚拟局域网使用的以太网帧格式 了解高速以太网的几种类型 100BASE-T 以太网 吉比特以太网 10 吉比特以太网 了解无线局域网,4/42,在数据链路层扩展局域网,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功

2、能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口,网桥的内部结构,站表,端口管理 软件,网桥协议 实体,端口 1,端口 2,缓存,网段 B,网段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,端口,网桥,网桥,6/42,网桥使各网段成为 隔离开的碰撞域,B2,B1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,用户层,IP,MAC,站 1,用户层,IP,MAC,站 2,物理层,网桥 1,网桥 2,A,B,用户数据,IP-H,MAC-H,MAC-T,DL-H,DL-T, , , ,物理层,DL,R,MAC,物理层,物理层,DL,R,

3、物理层,物理层,LAN,LAN,两个网桥之间还可使用一段点到点链路,8/42,使用网桥带来的好处,过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。,9/42,使用网桥带来的缺点,存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,10/42,网桥与集线器的不同,集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测

4、。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。 在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。 由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。,11/42,网桥建立转发表的算法,(1) 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站 MAC 地址。 (2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行(3)，否则转到(5)。 (3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。 (4) 转到(6)。 通过自学习过程填

5、写转发表信息。,12/42,地址 接口,转发表的建立过程举例,B2,B1,A,B,C,D,E,F,1,2,1,2,地址 接口,13/42,网桥建立转发表的算法,(5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。 (6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。 (7) 更新计时器。 (8) 等待新的数据帧。转到(1)。,14/42,转发表,网桥在转发表中登记以下三个信息： 站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。 端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。 时间：登记收到的帧

6、进入该网桥的时间。 转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。 如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A。,15/42,透明网桥,目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。透明网桥使用了生成树算法,这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,局域网 2,局域网 1,网桥 2,网桥 1,

7、A,F,不停地 兜圈子,A 发出的帧,网络资源白白消耗了,16/42,生成树的生成过程,每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和它所知道的其他所有在网上的网桥。 生成树算法选择一个网桥作为生成树的根(例如，选择一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点。 当互连局域网的数目非常大时，生成树的算法很花费时间。这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网，然后得出多个生成树。 透明网桥使用生成树，可以确保任两个LAN之间只有唯一一条路径。 一旦网桥商定好生成树，LAN间的所有传送都遵从此生成树。由于从每个源到每个目的地只有唯一的路径，故不可能再

8、有循环。,17/42,Local Internetworking,A configuration with four LANs and two bridges.,18/42,Spanning Tree Bridges,Two parallel transparent bridges.,19/42,Spanning Tree Bridges (2),(a) Interconnected LANs. (b) A spanning tree covering the LANs. The dotted lines are not part of the spanning tree.,20/42,源路由

9、网桥,透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。 在一个时期，透明网桥和源路由网桥是各自独立发展的。但随之而来的需求是要设计一种方式来满足通过透明网桥互联的局域网和通过源路由网桥互联的局域网之间的连接。这种网桥被称作S R - T B（源路由网桥透明网桥）。 最终，

10、所有的标准网桥都必须支持透明网桥，而源路由则被作为一个可选配的附加特性。 一个附带有源路由报头信息转发的透明网桥被称作S RT(源路由透明)网桥。,21/42,多端口网桥以太网交换机,1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。 交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。 以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。,22/42,以太网交换机的特点,以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。 交换机能同时连通许多

11、对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。 现在某些局域网交换机也实现了OSI参考模型的三层协议，实现简单的路由选择功能，目前很热的三层交换就是指此。 以太网交换机的原理很简单，它检测从以太网端口送来的数据包的源和目的地的MAC（介质访问层）地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据包的MAC层地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送给相应的目的端口。,23/42,独占传输媒体的带宽,对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总

12、带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。 使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。,24/42,用以太网交换机扩展局域网,集线器,集线器,集线器,一系,三系,二系,10BASE-T,至因特网,100 Mb/s,100 Mb/s,100 Mb/s,万维网 服务器,电子邮件 服务器,以太网 交换机,路由器,25/42,存储转发方式，直通方式以及自适应（直通/存储转发）三种交换方式。,直通式（Cut Through） ：直

13、通方式的以太网络交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。 其优点是：由于不需要存储，延迟（Latency）非常小、交换非常快。 其缺点是：不能提供错误检测能力，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通，而且，当以太网络交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来相当困难。 存储转发式（Store and Forward） ：存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式，它把输入端口

14、的数据包先存储起来，然后进行CRC检查，在对错误包处理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。 其优点是：可以对进入交换机的数据包进行错误检测，尤其重要的是它可以支持不同速度的输入/输出端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。 其缺点是：存储转发方式在数据处理时延时大。 自适应（直通/存储转发）：交换机根据网络的状况自动更换数据交换方式。当网络性能好时，单位时间内出错的帧的概率某个阈值，采用“存储转发”的交换方式。 其特点是：可以提高交换机的数据交换速率。,26/42,虚拟局域网的概念,交换技术的发展允许区域分散的组织在逻辑上成为一个新的工作组，而且同一个工作组的成

15、员能够改变其物理地址而不必重新配置结点，这就是用到所谓的虚拟局域网技术（VLAN）。 用交换机建立虚拟网就是使原来的一个大广播区（交换机的所有端口）逻辑地分为若干个“子广播区”，在子广播区里的广播只会在该广播区内传送，其他的广播区是收不到的。 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。 这些网段具有某些共同的需求。 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。 VLAN通过交换技术将通信量进行有效分离，从而更好地利用带宽，并可以从逻辑的角度出发将实际的LAN基础设施分割成多个子网，它允许各个局域网运行不同的应用协议和拓扑

16、结构。 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。,虚拟局域网的概念cont.,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时， 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟

17、局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1 都不会收到 B1 发出的广播信息。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络 不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。,31/42,虚拟局域网的以太网帧格式,虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标

18、记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,32/42,以太网类型,33/42,100BASE-T 以太网,速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。 特点 可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。 帧间时间间隔从原来的 9.6 s

19、 改为现在的 0.96 s。,34/42,三种不同的物理层标准,100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX 使用 2 对光纤。 100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。 以太网 http:/zh.wikipedia.org/zh-cn/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91#.E4.B8.87.E5.85.86.E4.BB.A5.E5.A4.AA.E7.BD.91,35/42,吉比特以太网,允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用

20、 CSMA/CD 协议(全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议)。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层： 1000BASE-SX SX表示短波长，传送距离为275M和550M。 1000BASE-LX LX表示长波长，传送距离为550M或5KM。 1000BASE-CX CX表示铜线，传送距离为25M 1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP ，传送距离为100M。 包含千兆位载波扩展的MAC帧格式，最后一个“Ext”字段为扩展字段。1000Base-X最小帧大小为416字节；1000Base-T最小帧大小为5

21、20字节。,36/42,载波延伸(carrier extension),吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。 由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小的数值。 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。,37/42,在短 MAC 帧后面加上载波延伸,凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。 接收端在收到

22、以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。,目地地址,源地址,数据长度,数 据,FCS,MAC 帧的最小值 = 64 字节,载波延伸,前同步码,加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度512 字节,在以太网上实际传输的帧长,38/42,分组突发,当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。 随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。,发送的 数据,分组#1 RRRRRRRR 分组#2 RRRR 分组#3 RRR 分组#4,争用期 512 字节,将突

23、发计时器设定为 1500 字节,载波延伸,载波 监听,39/42,全双工方式,当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。,40/42,吉比特以太网的配置举例,1 Gb/s 链路,吉比特 交换 集线器,百兆比特或吉比特集线器,100 Mb/s 链路,中央服务器,41/42,吉比特以太网的物理层,局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。 为了使 10

24、 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。,42/42,10 吉比特以太网,10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,43/42,端到端的以太网传输,10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网

25、、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。 这种工作方式的好处是： 成熟的技术 互操作性很好 在广域网中使用以太网时价格便宜。 统一的帧格式简化了操作和管理。,44/42,以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的 演进,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是： 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。 易于安装。 稳健性好。,45/42,40 Gbps和100 Gbps出现,IEEE 802.3ba任务组主席兼Force10 Networks高级研究科学家约翰安布罗希亚（John

26、 D.Ambrosia）表示：“由于不断增长的视频流量和更强大服务器架构的推动，计算机和网络应用程序对带宽的要求也随之增大，下一代以太网将会对40 Gbps和100 Gbps进行定义，以满足这些需求，这就是10万兆以太网。” 2010年6月22日，终于宣布IEEE802.3ba和100Gb/s以太网技术标准已经正式获审通过。Juniper Network公司的T系列核心路由器，思科， Brocade以及Extreme Networks等公司也已经开发出了自有标准的100Gb/s以太网路由器，网卡以及交换机等产品。 802.3ba标准化的最大受益者是10Gb/s以太网产品。当符合802.3ba标

27、准的产品开始在数据中心主干网上部署的时候，以往无用武之地的10Gb/s以太网现在可以作为非主干网络设备充分发挥自己的性能。,46/42,无线局域网的组成,有固定基础设施的无线局域网 一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站， 所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信， 但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。,47/42,有固定基础设施的无线局域网,扩展的服务集 ESS,A,B,接入点 AP,接入点 AP,分配系统 DS,门桥,门桥,802.x 局域网,因特网,无线局域网的组成（续）,48/42,无线网络成员,站点(Station) ，网络最基本的组成部分。 基本

28、服务单元(Basic Service Set, BSS) 。网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成。站点可以动态的联结(associate)到基本服务单元中。 分配系统(Distribution System, DS) 。分配系统用于连接不同的基本服务单元。分配系统使用的媒介(Medium) 逻辑上和基本服务单元使用的媒介是截然分开的，尽管它们物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。 接入点(Access Point, AP) 。接入点即有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。 扩展服务单元(Extended Service Set, ESS) 。由分配系统和基本

29、服务单元组合而成。这种组合是逻辑上，并非物理上的-不同的基本服务单元物有可能在地理位置相去甚远。分配系统也可以使用各种各样的技术。 关口(Portal) ，也是一个逻辑成分。用于将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来。,49/42,自组网络(ad hoc network),自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。,自组网络,A,E,D,C,B,F,源结点,目的结点,转发结点,转发结点,转发结点,50/42,使用的协议,CSMA/CA协议原理 欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的接口进行物理层的载波监

30、听。 通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。 当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则再等待一段时间 DIFS 后就可发送。 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 再增加一个时隙长度。,51/42,本讲小结,在数据链路层扩展局域网 透明网桥 MAC地址表 虚拟局域网的概念 虚拟局域网使用的以太网帧格式 高速以太网 100BASE-T 以太网 吉比特以太网 10 吉比特以太网 无线局域网概述,52/42,作业,上交作业 P107, 3-27,3-28,3-29,3-30,3-32. 上网查找资料，完成下列问题 比较100M/1000M/10G/100G以太网的帧格式，最大、最小帧长，使用协议，在使用双较线情况下的传输距离。 VLAN的划分有哪些方式？划分VLAN有何好处？,