局域网与宽带城域网与物理层与数据链路层
2017-04-22 13:02:50 0 举报AI智能生成
局域网（LAN）是一个小范围的网络，通常覆盖一个建筑物或相邻的几个建筑物。宽带城域网（MAN）则覆盖一个城市，提供高速数据传输服务。物理层和数据链路层是网络通信的基础设施。物理层负责在设备之间传输比特流，而数据链路层则负责将比特流组织成有意义的数据帧。在局域网中，设备之间的距离较近，因此可以使用有线连接，如以太网。而在宽带城域网中，设备之间的距离较远，因此需要使用无线连接或其他高速传输技术。总之，局域网和宽带城域网都是为了满足不同规模的通信需求而设计的，它们都需要物理层和数据链路层的支持来实现高效、可靠的数据传输。
作者其他创作
大纲/内容
第五章：介质访问控制子层
问题：局域网与城域网是如何工作的？
5.1、局域网技术的发展与演变
5.1.1、局域网技术的研究与发展
局域网技术的发展过程
Ethernet技术不是最早、但是最成功的技术
目前，高速、交换局域网与无线局域网成为局域网研究与发展的重点方向
局域网拓扑
总线型拓扑
环形拓扑
介质访问控制的基本概念
介质访问控制：指当局域网中共享介质的多路访问产生冲突时，如何分配新到的使用权
介质共享：连接多台计算机的总线传输介质
多路访问：多个主机需要通过一条共享介质发送和接收数据
冲突：两个或两个以上的主机同时在一条共享介质上发送数据，多路信号会出现相互干扰
介质访问控制的基本思路
中心控制：局域网中设立中心控制主机，由它来决定主机发送数据的顺序
分布式控制：局域网中不存在中心主机，而是有每个主机各自决定是否发送数据，以及出现冲突时如何处理
令牌控制：Token Bus, Token Ring
随机接入:CSMA/CD
5.1.2、介质访问控制方法CSMA/CD、ToKen Bus与ToKen Ring的比较
以太网：采用倒有冲突检测的载波侦听多路访问访问控制方法的总线型局域网
所有节点连接到一条总线上（在总线上以广播方式发送数据）
一个时刻只允许一个节点发送数据；否则会出现冲突（节点通过竞争获取发送权，发送时间不确定）
CSMA/CD方法的主要特点
介质访问控制方法算法简单，易于实现（目前有很多种VLSI（超大规模集成电路）可以实现CSMA/CD方法）
一种随机访问控制方法，适用于对传输实时性要求不高的办公环境
在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与延迟特性（当网络通信负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加）
令牌总线网：采用令牌控制的令牌总线型局域网
利用令牌控制节点访问公用总线（令牌是一种控制帧，取得令牌的节点才能发送数据）
预先确定节点获得令牌的顺序，逻辑上是环形
通过令牌持有时间限定一次发送的数据量（只要控制节点数，各节点传输数据的实时性可以保证）
优点：在重负载下信道利用率高，支持优先级服务
缺点：实现复杂，学要大量逻辑环维护工作
令牌环网：采用令牌控制的令牌环型局域网
节点间构成闭合环状结构，数据演一个方向逐站传输
控制帧令牌沿环单向传输，有忙/闲标志位
优点：能提供优先级服务，适用于重负载领域；
缺点：环与令牌维护复杂，实现困难，组网成本高
5.1.3、Ethernet技术的研究与发展
1990年，10Base—T标准退出，采用UTP传输
1990年，Ethernet交换机面世
高性价比、适用于办公环境的应用，使Ethernet技术得到软件开发商与硬件制造商的广泛支持
5.1.4、局域网参考模型与协议标准
1980年2月IEEE成立了802委员会（专门从事局域网标准化工作）
面对多重局域网技术和产品，IEEE802标准将数据链路层划分为两个子层
逻辑链路控制
介质访问控制
IEEE892活跃的工作组与协议
IEEE802.3：CSMA/CD
IEEE802.11:无线局域网
IEEE802.15：近距离无线个人网络
IEEE 802.16:宽带无线网络
IEEE802.1：体系结构与网络互联
5.2、Ethernet基本工作原理
5.2.1、Ethernet数据发送流程分析
节点数据发送流程
载波监听
一节点准备好发送的数据帧后，先得载波侦听（若总线空闲，则可以启动发送）
总线电平跳变与总线忙闲状态的判断（若总线有数据在传输，电平将按曼彻斯特编码规律跳变）
侦听总线空闲启动发送，是否可避免冲突？
子主题
冲突检测
发生冲突的原因（传播延时）
从物理层来看，冲突致总线上同时出现两个或两个以上的发送信号（它们叠加获得信号波形不等于任一节点输出的信号波形）
从电子学实现方法角度，冲突检测有两种方法
比较法：发送节点比较自己发出的与接收到的信号波形
编码违例判决法：接收的信号是否符合曼彻斯特编码规律
冲突窗口：指所有节点都能够检测到冲突发生的最短时间
冲突窗口=2D/V
D为总线传输介质的最大长度
V是电磁波在介质中的传播速度
子主题
冲突检测与最小帧长的关系
场景1：数据帧较短，发送延时小于传播延时
场景2：数据帧较长，发送延时大于等于传播延时
为保证任一节点在发送一帧的过程中都能够检测到冲突，就要求发送一个最短帧的时间都要超过冲突窗口的时间
L/S>=2D/V
Ethernet协议标准规定冲突窗口51.2us、传输速率10Mbps,则最小帧为64B
冲突重发
发现冲突、停止发送
如果在发送数据过程中检测出冲突，发送主机要进入停止发送数据、随机延迟后重发的流程
随机延迟重发的第一步是发送冲突加强干扰序列信号
冲突加强干扰序列信号长度规定为32bit
目的是：确保有足够的冲突持续时间，是网中所有主机都能检测出冲突存在，并立即丢弃冲突帧
冲突加强干扰序列
子主题
延迟重发
帧的最大重发次数为16（超出16，则认为线路故障，进入冲突过多结束状态）
截止二进制指数后退延迟算法
T=2*R*a
T为重新发送所需的后退延迟的时间
二进制指数K的范围，定义了K=min(n,10)
重发次数n<10,则k取值为n
重发次数n>=10时，则K取值为10
R是随机数（0=<R<=1）
a是冲突窗口，作为基本的退避时间
延迟算法：从整数集合【0,1,2,3、、、、、】中随机的取出一个数，记为r,重传所需的时延就是r倍的基本退避时间
5.2.2、Ethernet帧结构
前导码：足够长以使接收端进入稳定接收状态，实现首发双发比特同步
目的地址、源地址：48比特，又称硬件地址、物理地址、MAC地址
类型/长度：小于0X0600（1536）长度，大于等于0X800（IP）类型
数据：46~1500B，小于46B是需填充
帧校验字段：CRC
子主题
5.2.3、Ethernet接受流程的分析
Ethernet节点只要不发送数据帧就应该处于接收状态
帧间最小间隔：9.6us（为了保证网卡能正确和连续地处理接收帧，IEEE802.3规定了帧间最小间隔
5.2.4、Ethernet网卡设计与物理地址
网卡
又称网络接口适配卡或网络接口卡
包含了信号收发、曼彻斯特编码、数据链路控制、组帧拆帧、CRC产生于校验、CSMA/CD介质访问控制、与主机接口等功能
物理地址
EUI-48、48bit
在网卡生产过程中写入网卡的只读存储器
G/L位
第一字节最低第二位
为不愿意向IEEERAC购买OUI的企业预留
事实上所有Ethernet网卡的G/L位 均为1
I/G
区别单播地址、多播地址
广播地址：48位全1
5.2.5、Ethernet物理层标准命名方法
IEEE802.3标准定义了Ethernet介质访问控制子层（MAC层）于物理层的协议标准
MAC层统一使用CSMA/CD方法和相同的帧结构
物理层技术可以不同
传输介质、速率、覆盖范围与组网方式
标准命名方法：IEEE802.3X Type-y Name
X表示数据传输速率，单位为Mbps
y表示网段的最大长度，单位为100m
Type表示传输方式是基带还是频带
Name表示局域网的名称
如10Base-5（粗缆，500m)、10Base-2（细缆，200m)、10Base-T（双绞线，100m)等
5.3、交换式局域网与虚拟局域网技术
5.3.1、交换式局域网技术
交换机
交换机是工作在数据链路层，根据目的MAC地址过滤、转发数据帧的一种网络设备
交换机基本的功能
建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口号对应关系的映射表
在发送主机与接受主机端口之间建立虚连接
完成帧的过滤与转发
执行生成树协议、防止出现环路
通过交换机可以将多台计算机一星结构形成交换机局域网
端口发表的建立与维护
学习转发算法
学习：源地址
转发：muddz
5.3.2、虚拟局域网技术
VLAN建立在局域网交换机之上，以软件方式来实现逻辑工作组的划分与管理
可灵活组织逻辑工作组
限制广播通信量，提高局域网系统性能
网管可制定家换机转发规则，提高局域网系统安全性
5.4、高速Ethernet的研究与发展
5.4.1、Fast Ethernet
快速以太网是在传统10Mbps的Ethernet基础上发展起来的一种速率为10Mbps的高速局域网
100ASE-T主要有三种物理层标准
100BASE-TX
两对5类UTP或1类STP，全双工系统
100BASE-T4
四对3类UTP，只能用于半双工
100BASE-FX
2芯的多模或单模光纤，全双工系统
主要用作高速主干网，长度可达2KM
Fast Ethernet
支持半双工与全双工工作模式
全双工模式不存在争用问题，MAC层不需要采用CSMA/CD方法
增加了10Mbps与100Mbps速率自动协商功能
自动协商只涉及物理层，不需要人为干预，能够自动配置
5.4.2、Gigabit Ethernet
千兆以太网可以应用于数据仓库、高性能计算机、存储区域网与云计算硬件平台中
标准是IEEE802.3z,1998年2月批准
传输速率达到了1000Mbps，它仍然保留着传统的Ethernet的帧可是与最小、最大帧长度等特征。
已经成为大、中型局域网系统主干网的首选方案，有着广泛的应用前景
5.4.3、10 Gigabit Ethernet
5.4.4、40 Gigabit Ethernet 与 100 Gigabit Ethernet
5.4.5、光以太网与城域以太网
5.5、Ethernet组网设备与组网方法
5.5.1、Ethernet基本的组网方法与设备
中继器
中继器在早期局域网中应用广泛
工作在物理层
不涉及帧结构
几个缆段扔属一个局域网
集线器
集线器用于10Base-T组网，传输介质为UDP，接口为RJ-45
集线器组网物理结构式星型，逻辑上是总线型
MAC层仍采用CSMA/CD介质访问控制方法
所有节点同属一个冲突域
多集线器级联，所用节点仍属一个冲突域
5.5.2、交换Ethernet与高速Ethernet组网方法
交换以太网组网
快速以太网：百兆集线器或百兆交换机、10/100Mbps网卡、双绞线或光纤
千兆以太网：千兆网卡、千兆以太网交换机、光纤或双绞线
5.5.3、局域网结构化布线的基本概念
结构化布线是使用一套表会找你的组网器件，按照标准的连接方法来实现的网络布线系统
5.6、局域网互联与网桥
5.6.1、局域网互联与网桥的基本概念
网桥
网桥是一个MAC层的互联设备
既可以互联同构局域网，也可以互联异构局域网
有两大主要的功能
转发表生成与维护
转发表：记录MAC地址与对应的端口号
帧接收、过滤与转发
网桥结构与工作原理
子主题
源路由网桥
源路由网桥由源主机负责路由选择
主机在发送帧时，将详细的路由信息写在帧头部
网桥根据这些路由信息转发帧
为发现路由，源主机一广播方式向目的主机发送用于探测的发现帧
源主机得到这些路由信息后，从可能的路由中选择出一个最佳路由
最佳的常见定义：经过的网桥跳数最少的路径
透明网桥
透明网桥通过自学习算法生成和维护网桥转发表
王晓东转发表开始是空的；再转发帧的过程中，逐渐建立和更新转发表
反向学习：从端口1收到节点A发送的帧，则近期一定可以同端口1发送给节点A
转发表记录MAC地址、端口与时间
是一种即插即用的局域网互联设备
主机不需要知道网桥的存在
主机不需要了解王巧之间的连接关系
王巧对主机是透明的
5.6.2、网桥的工作流程
子主题
5.6.3、生成树协议
环状局域网结构
提供传输路径备份
生成树协议
一种自动控制局域网的拓扑，形式无环路逻辑结构的链路管理协议
使得任意两个设备、两个局域网间只有一条有效的真传输路径
当拓扑变化时，能重新计算新的无环路结构
5.6.4、网桥与中继器、集线器、交换机的比较
子主题
5.7、无线局域网
5.7.1、无线局域网发展背景
5.7.2、扩频无线局域网
5.7.3、无线局域网IEEE 802.11标准
5.7.4、IEEE 802.11标准的MAC层协议
小结
习题
0 条评论
下一页
