第5章

局域網第5章

局域網5.1IEEE802局域網體系結構5.2以太網工作原理5.3傳統以太網5.4高速以太網5.5交換式以太網5.6虛擬局域網5.1IEEE802局域網體系結構5.1.1IEEE802局域網參考模型IEEE802LAN/RM分為兩層：數據鏈路層；物理層。

它們分別與OSI的數據鏈路層和物理層相對應。IEEE802LAN/RM的數據鏈路層又分成兩個子層：邏輯鏈路控制(LogicalLinkControl,LLC)子層；媒體接入控制(MediumAccessControl,MAC)子層。5.1.1IEEE802局域網參考模型5.1.2媒體接入控制子層LAN拓撲和信道特點LAN主要采用總線(Bus)、環形(Ring)及星形(Star)拓撲(Topology)。LAN的一個顯著特點是網上的所有計算機使用一條共享信道進行廣播式通信。如果多個結點同時爭用信道，就會產生發送沖突(Collision)，必須解決如何進行信道爭用問題。即媒體接入控制問題。LAN媒體接入控制方式受控接入：分為分集中式控制和分散式控制兩種；隨機接入。5.1.2媒體接入控制子層MAC地址目的地址有三種類型：單播地址(UnicastAddress)。多播地址(MulticastAddress)。廣播地址(BroadcastAddress)。IEEE的注冊管理機構統一管理分配6個字節全球地址。前3個字節是組織唯一標識符(OrganizationallyUniqueIdentifier,OUI);后3個字節稱為擴展標識符(ExtendedIdentifier)，由生產廠家指派。通用名稱EUI-48，EUI(ExtendedUniqueIdentifier)。I/G(Individual/Group)比特，即單地址/組地址比特。G/L(Globe/Local)比特，即全球/本地比特。5.1.2媒體接入控制子層以太網地址在網上的傳送順序

5.1.3邏輯鏈路控制子層LLC尋址LLC子層地址:SAP地址，LLC服務訪問點，標識網絡層的通信進程。LLC層提供的服務類型1——LLC1，不確認的無連接服務;類型2——LLC2，可靠的面向連接的服務;類型3——LLC3，帶確認的無連接服務.LLC幀格式5.2以太網工作原理5.2.1以太網技術的發展1975年RobertMetcalfe和DavidBoggs研制成功了以太網。1980年DIX1.0版以太網規范。1982年DIX以2.0版作為終結，稱為DIX以太網。1983年底10Base5標準面世，IEEE802.3的第一個以太網標準。RobertMetcalfe最初的以太網設計

5.2.1以太網技術的發展以太網傳輸速率增長（b/s）

5.2.1以太網技術的發展IEEE802.3以太網標準

5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CD帶沖突檢測的載波偵聽多點接入(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection,CSMA/CD)。隨機接入技術的先驅——ALOHAALOHA的改進——CSMA增加了發前監聽的機制，減少了發送沖突。CSMA有三種方式：非堅持CSMA。1堅持CSMA。P堅持CSMA。CSMA的改進——CSMA/CD傳播時延仍會引起發送沖突。5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD工作流程CSMA/CD在CSMA的基礎上增加了沖突檢測的功能。幀間隙時間(InterFrameGap,IFG)。CSMA/CD工作流程圖

5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CD截斷二進制指數退避算法(TruncatedBinaryExponentialBack-off)

沖突次數n=n+1 if1≤n≤16 thanm=min(n,10) k在{0，1，2，…，2^m－1}中隨機取1個數

后退時間取為k×2τ elseifn＞16 than放棄本次發送5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CDCSMA/CD沖突過程分析沖突過程沖突窗口(CollisionWindow)。:信道的往返傳播時延(Round-TripPropagationDelay)沖突占用信道的時間。沖突占用信道的最大時間為:沖突檢測方法CSMA/CD時槽(TimeSlot)IEEE802.3將時槽取為發送512位的時間，稱為512位時。沖突域(CollisionDomain)CSMA/CD沖突過程5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CD一個CSMA/CD以太網區域，同一個沖突域中的兩個或多個站點同時發送數據就會產生沖突，CSMA/CD在沖突域內能正常進行沖突檢測，超出沖突域就不能正常工作。以太網接收處理站點若不處于發送狀態則處于接收狀態。判斷是否沖突碎片，若是丟棄之。識別目的地址。若與本站地址不符就丟棄此幀。傳輸差錯校驗和處理。判斷是DIX以太網幀，還是IEEE802.3以太網幀，并進行相應處理。以太網運行參數5.2.2以太網媒體接入控制方式CSMA/CD以太網運行參數

5.2.3以太網傳輸特點半雙工傳輸方式IEEE802.3x標準中又定義了全雙工以太網共享總線帶寬傳輸的不確定性無連接、不可靠的傳輸服務5.2.5以太網幀格式和數據封裝以太網幀格式前導：10101010B，建立位同步；幀起始定界符：10101011B，幀同步；長度/類型：2個字節，指明數據字段的長度或數據的協議類型。DIX以太網標準中指定一位類型字段。舊的IEEE802.3標準定義為長度字段。1997年后新的IEEE802.3標準修改為長度/類型字段。5.2.5以太網幀格式和數據封裝以太網幀格式數據字段：0~1500B，以太網幀長度最大為6+6+2+1500+4=1518填充字段PAD：保證沖突檢測，數據最小值46B（64-18）以太網數據封裝子網接入協議SNAP IEEE802.3以太網使用長度字段時無法標識其數據字段封裝的網絡層PDU的協議類型，有兩種解決方案：

由LLC幀頭部中SAP實現，用于IEEE802體系。

用于為DIX以太網開發的一些網絡層軟件定義了一個

5個字節的子網接入協議，用來標識所攜帶數據的協

議類型，稱為隱式幀類型(ImplicitFrameType)。5.2.5以太網幀格式和數據封裝以太網數據封裝5.3傳統以太網5.3.1物理層10Mb/s以太網物理層、網絡接口卡和中繼器

5.3.1物理層媒體連接單元(MediumAttachmentUnit,MAU)，

也稱為收發器(transceiver)。主要功能如下：連接傳輸媒體。信號發送與接收。沖突檢測。超長控制。物理層信號(PhysicLayerSignaling,PLS)

主要功能如下：編碼解碼。載波監聽。連接單元接口(AttachmentUnitInterface,AUI)

連接PLS和MAU。5.3.2網絡接口卡網絡接口卡(NetworkInterfaceCard,NIC)

主要涉及物理層和MAC層，包括五個部分：媒體接入單元(MAU)。物理層信號(PLS)。連接單元接口(AUI)。MAC子層：數據封裝和解封，數據的串并-并串變換，幀的定界和尋址，媒體接入控制，差錯校驗計算機總線接口。5.3.3中繼器和集線器中繼器工作在IEEE802.3的物理層，接收、恢復并轉發物理信號，以擴展以太網。

中繼器包括了MAU、AUI以及中繼單元。中繼器只是接收、再生并轉發物理信號。

中繼器擴展以太網受到CSMA/CD沖突域最大跨距的限制。集線器(Hub)：多個端口的中繼器即多口中繼器，使以太網形成星形結構，但邏輯上是總線結構，因此被稱為星形總線(Star-Shaped-Bus)。5.4高速以太網5.4.1100BaseT100BaseT的特點MAC子層：保持了與10Mbit/s以太網同樣的MAC子層;時槽變為5.12μs，沖突域減小到200m。物理層：

與10Mbit/s以太網物理層的結構有所不同:媒體無關接口(MediumIndependentInterface,MII)協調子層(ReconciliationSublayer,RS)物理編碼子層(PhysicalCodingSublayer,PCS)物理媒體連接(PhysicalMediumAttachment,PMA)物理媒體相關(PhysicalMediumDependent,PMD)媒體相關接口(MediumDependentInterface,MDI)

5.4.1100BaseT5.4.1100BaseT 100BaseT包括4個不同的物理層規范，支持多種媒體。

不再采用統一的曼徹斯特編碼。

增加了10/100Mbit/s自動協商功能。

定義了I類和II類兩種類型的中繼器。100BaseT的物理層規范100BaseTX

與10BaseT有許多相似之處。使用5類UTP。采用4B/5B-MLT3編碼。100BaseT4100BaseT2100BaseFX5.4.1100BaseT100Mbit/s以太網擴展

當傳輸媒體長度達到沖突域的最大跨距時，系統只能使用一個I類中繼器或兩個II類中繼器。100BaseT最大網絡跨距（m）

5.4.1100BaseT10/100Mbit/s自動協商(Auto-Negotiation)模式自動協商功能位于物理層中PMD之下。準靜態機制。工作在點到點鏈路上而不是整個網絡。快速鏈路突發脈沖(FLP)序列。鏈路代碼字(LCW)包含了自己的鏈路類型及流量控制配置等信息。協商的內容包括：10M/100Mbit/s線路速率、全雙工/半雙工模式、不使用/使用全雙工以太網的流量控制。5.4.2千兆以太網千兆以太網的特點MAC子層與10Mbit/s和100Mbit/s以太網相同的幀格式和基本相同的CSMA/CD協議。時槽增大到4096位，最大網絡跨距可達到200m。增加了載波擴展措施。增加了幀突發的功能。物理層

和100Mbit/s以太網結構和功能相似，有如下變化：MII擴展為千兆位媒體無關接口(GMII)。包括多個不同的物理層規范。主要使用8B/10B-NRZ編碼方式。只能使用一個中繼器。

5.4.2千兆以太網5.4.2千兆以太網千兆以太網物理層標準1000BaseX(802.32)100BaseLX：長波長光纖網段100BaseSX：短波長光纖網段100BaseCX：銅媒體，高質量STP1000BaseT(802.3ab)：4對5類UTP千兆以太網各種物理層的鏈路長度限制（m）

5.4.2千兆以太網載波擴展(CarrierExtension)

最小幀長的傳輸時間遠小于時槽，不能正常進行沖突檢測，在MAC子層定義了載波擴展機制。擴展位也進行沖突檢測。幀突發(FrameBursting)

為改善短幀的傳輸效率，在MAC子層又定義了幀突發機制。若第一個是短幀，擴展到一個時槽發送成功后，可連續發幀。5.4.2千兆以太網1000BaseX自動協商1000BaseTUTP千兆以太網

支持UTP自動協商功能。1000BaseX光纖千兆以太網

自動協商的特點是：只用于配置1000BaseX類型：雙工和流量控制方式；是物理編碼子層(PCS)的一個功能，不使用快速鏈路突發脈沖（FLP）；重新定義了16比特的交換信息的格式。5.4.3萬兆以太網萬兆以太網的特點MAC子層仍使用IEEE802.3幀格式。不再使用CSMA/CD，只定義了全雙工方式。定義了兩種物理層：LAN物理層和WAN物理層。采用點對點連接，支持星形拓撲和結構化布線技術。物理層與千兆以太網物理層結構相似，GMII變為萬兆位媒體無關接口(XGMII)。WAN物理層10GbaseW增加了廣域網接口子層(WANInterfaceSublayer,WIS)。

5.4.3萬兆以太網5.4.3萬兆以太網萬兆以太網物理層標準10GbaseXLAN類型的物理層，使用8B/10B編碼。只包含一個規范：并行的LAN物理層10GbaseLX4。使用稀疏波分復用(CWDM)技術，并列第配置了4對激光發送器/接收器，組成了4條通道。并行物理層技術將原來速率很高的比特流拆分成多列，處理速度降低，降低了對器件的要求。10GbaseR串行的LAN類型的物理層，使用64B/66B編碼。串行方式是指數據流發送接收直接進行，不拆分。在邏輯上比并行技術簡單，但對物理層器件的要求更高。包含3個規范：10GbaseSR、10GbaseLR和10GbaseER。5.4.3萬兆以太網10GbaseW串行的WAN類型的物理層，采用64B/66B編碼，使用與SDH/SONET基本一致的幀格式以及與OC-192c相同的9.58464Gbit/s的數據傳輸速率。可以對SDH/SONET基礎設施提供訪問能力。包含三個規范：10GbaseSW;10GbaseLW;10GbaseEW。為實現萬兆以太網和OC-192c幀格式和數據傳輸速率的轉換和適配，加入了一個WIS。5.4.3萬兆以太網萬兆以太網應用5.5交換式以太網5.5.1簡介CSMA/CD以太網有下述問題：任何時間內只能有一個工作站發送信息。各站點共享網絡固定的帶寬。由于沖突域的限制，難以構造較大規模的網絡。20世紀90年代以太網交換機(Switch)能增加以太網的帶寬和規模，同時又能與傳統的電纜線和網絡適配卡協調工作。

交換機本質上是一個高速的多口網橋(MultiportBridge)，工作在數據鏈路層的MAC子層，每個端口都包含一個MAC實體，但不使用MAC地址。5.5.2網橋工作原理5.5.2網橋

網橋一般有兩個端口，橋接兩個網段。每個端口都有一塊網卡，有自己的MAC子層和物理層。基本功能是在不同LAN網段之間轉發幀。網橋主要特點：工作在MAC子層。進行幀過濾減少了通信量。隔離了沖突域，擴大了網絡跨距。可連接不同類型的LAN。地址學習透明網橋(TransparentBridge)，IEEE802.1d或ISO8802.1d。網橋剛剛連接到LAN上時，其橋接表是空的,采用洪泛法(Flooding)轉發它。逆向學習法(BackwardLearning)，在轉發過程中通過學習把橋接表逐步建立起來。LearningBridgesExample5.5.3交換機2層交換機本質上是一個多口網橋，工作在MAC子層。通過學習生成并維護一個包含端口-MAC地址映射的交換表，根據交換表進行幀的轉發。多個端口可以并行地工作，n個端口數據傳輸率為RMbit/s的以太網交換機最大可提供0.5n

RMbit/s的總帶寬。網絡交換機有四個基本部分組成：端口端口緩沖器幀轉發機構存儲轉發交換(Store-Forward)：差錯校驗直通交換(Cut-Through)無碎片交換(Fragment-Free)：查看沖突碎片底板體系結構：電子線路，端口間快速數據交換5.5.3交換機5.5.4交換式以太網及其特點小規模的工作組級交換式以太網大規模的交換式以太網：接入層、匯聚層和核心層跨距突破了單個沖突域的限制，可以構造更大規模的網絡廣播域(BroadcastDomain)和可能導致廣播風暴(BroadcastStorm)問題，由VLAN姐解決