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计计算机网算机网络络曾曾华燊华燊 研究研究员员 PhD第二第二单单元：物理元：物理层层与数据与数据链链路路层层第五第五讲讲（2-62-6）:源于局域网的技源于局域网的技术术（续续）5/21/20245/21/20241 1.局域网涉及局域网涉及OSI/RM下两下两层层5/21/20242.第第8讲讲内容回内容回顾顾n局域网基本概念局域网基本概念nIEEE 802工作委工作委员员会关于局域会关于局域/城域网概貌（涉及城域网概貌（涉及OSI/RM的数据的数据链链路路层层和物理和物理层层；数据；数据链链路路层层分分LLC和和MAC两子两子层层nIEEE802.3（以太网技（以太网技术术概貌：始于共享介概貌：始于共享介质质半双工，采半双工，采用用CSMA/CD控制介控制介质访问质访问；进进展：展：单单种介种介质质多种介多种介质质、半双工半双工全双工、数据全双工、数据传输传输率率10Mbps10Gbps,应应用：局用：局域网域网 园区网园区网城域网城域网广域网广域网)n技技术术的的进进展两特点：展两特点：半双工半双工 全双工：全双工：MAC子子层层的的CSMA/CD淡出淡出速率的提高：物理速率的提高：物理层层子子层结层结构构变变得更复得更复杂杂：编码编码、接口、接口（串（串并）、同介并）、同介质质速率速率协协商、城域商、城域/广网的适配子广网的适配子层层5/21/20243.第第9讲讲内容概述内容概述n局域网中的中局域网中的中继继（Relay)技技术术物理物理层层的中的中继继数据数据链链路路层层的中的中继继（桥桥接接/交交换换：Bridging/Switching)网网络层络层高高层层交交换换？(带带外信令）外信令）交交换换机机间间的流量控制技的流量控制技术术：暂暂停停帧帧（Pause Frame)n其他局域网技其他局域网技术术无无线线局域网技局域网技术术令牌令牌总线总线与令牌与令牌环环9.1 局域网中的中局域网中的中继继技技术术 为为什么需要中什么需要中继继？5/21/20244.n在同一广播域内在同一广播域内扩扩展网展网络络的需要（重的需要（重发发器器:Repeater、集、集线线器器:Hub)延延长长物理信号的物理信号的传输传输距离距离增加网段内工作站数量增加网段内工作站数量(受受电缆电缆段可接入站数和段可接入站数和设备设备端口端口数限制，代价：数限制，代价：单单站平均站平均传输传输能力下降）能力下降）幻灯片幻灯片 6以以10Mbps以太网以太网标标准准为为例：例：10 Base-T:UTP,设备间设备间最大最大传输传输距离距离100米米10 Base2:细细同同轴电缆轴电缆（直径（直径5mm),最大最大传输传输距离距离185米，米，单单段段电缆电缆上允上允许连许连接工作站数接工作站数3010 Base5:粗同粗同轴电缆轴电缆（直径（直径10mm),最大最大传输传输距离距离500米米10 Base-FL:多模光多模光纤纤，最大，最大传输传输距离距离2Km 在共享介在共享介质质半双工工作方式下，受半双工工作方式下，受检测检测冲突的需要，延冲突的需要，延长长后的距离收到限制（后的距离收到限制（2.5Km)5/21/20245.集集线线器器集集线线器器RR重重发发器器RepeaterTerminatorTerminatorTerminator两种方式两种方式扩扩网后，网后，联联入的入的设备设备仍在同一仍在同一广播域内！广播域内！5/21/20246.n在不同广播域在不同广播域间扩间扩展网展网络络的需要：的需要：桥桥接：接：Bridging、交、交换换：Switching（延（延长传输长传输距离、减少距离、减少单单广播域内广播域内连连接的工作站数接的工作站数/增加网内增加网内总总站数，从而提高网站数，从而提高网络总络总吞吐率或吞吐率或单单站可站可获获得的平均吞吐率）得的平均吞吐率）使用使用电缆电缆介介质时质时（总线总线拓扑拓扑结结构），在不同广播网段构），在不同广播网段间间的的桥桥接接使用双使用双绞线绞线或光或光纤纤介介质时质时（星（星/树树形拓扑形拓扑结结构），在不同广构），在不同广播域的通信子网播域的通信子网间间交交换换。在不同数据在不同数据传输传输率率间间的网段、子网的网段、子网间实现间实现速率适配。速率适配。任何一种介任何一种介质质的的传输传输距离都有一定限制距离都有一定限制（粗、（粗、细缆细缆最大最大长长度限制：分度限制：分别别500米米185米；双米；双绞线绞线：100米；光米；光纤纤：更：更长长受受使用的光使用的光纤纤（多、（多、单单模，芯径、光源的影响）模，芯径、光源的影响）5/21/20247.A)联联入各交入各交换换机端口的机端口的计计算机都不在同一算机都不在同一竞竞争域内；争域内；B)如果不使用如果不使用MAC广播地址，所有的广播地址，所有的计计算机都不在同一广播算机都不在同一广播C)域内。域内。5/21/20248.重重发发器（器（Repeater)或集或集线线器（器（Hub)n物理物理层层重重发设备发设备，所有端口，所有端口处处于同一于同一竞竞争域，各端口速率争域，各端口速率必必须须相同。相同。nIEEE 802.3c的第的第9节节定定义义的的10Mbps以太网中以太网中继继器功能包括：器功能包括：信号恢复信号恢复 中中继继器必器必须对须对收到的信号收到的信号进进行恢复，消除在一段网段上行恢复，消除在一段网段上产产生的波形失真（幅度、形状）和生的波形失真（幅度、形状）和时时序失真（由抖序失真（由抖动动造成造成发发送位偏离理想位置）的影响。送位偏离理想位置）的影响。前前导导恢复恢复 中中继继器必器必须对须对之之进进行恢复行恢复，否，否则则会影响会影响远远端站点的正常工端站点的正常工作。其作。其实现实现方式是在中方式是在中继继器中有一个器中有一个FIFO存存储储空空间间保留保留因前因前导丢导丢失而失而变变短的短的帧帧，以便恢复其最初，以便恢复其最初长长度。如果活度。如果活动动接收端口在接收到接收端口在接收到96比特之前比特之前变为变为不活不活动动，这这种情况也称种情况也称为为中中继继器接收冲突，因器接收冲突，因为为小于小于96比特的短比特的短帧帧只能是由冲突只能是由冲突情况情况产产生。生。为为了通知所有站点，了通知所有站点，应应将将该该短短帧帧加加长长至至96比特比特以上，以便使所有相关站点感知冲突的以上，以便使所有相关站点感知冲突的发发生。生。5/21/20249.冲突冲突检测检测 当中当中继继器在向所有未被禁止或未被隔离的端口器在向所有未被禁止或未被隔离的端口转发转发从某端从某端口上接收到的数据口上接收到的数据帧时帧时，若正被，若正被转发转发的端口之一（非当前的端口之一（非当前活活动动的接收端口）的接收端口）检测检测到冲突到冲突时时，则该则该冲突被定冲突被定义为发义为发送送冲突。此冲突。此时时，中，中继继器必器必须须向所有端口向所有端口发发送至少送至少96比特的比特的拥拥塞序列（塞序列（Jamming Sequence），以保），以保证证此冲突信号能此冲突信号能传传送到中送到中继继器器连连接的所有接的所有设备设备上。如果在接收端口上上。如果在接收端口上检测检测到到冲突（接收冲突），冲突（接收冲突），则则只需在接收端口上只需在接收端口上发发送至少送至少96比特比特的的拥拥塞序列。塞序列。5/21/202410.防防锁锁 CSMA/CD的中的中继继器器间规间规定不得有两条定不得有两条链链路也不得形成路也不得形成环环路，以防止一旦路，以防止一旦发发生冲突生冲突拥拥塞序列的广播造成死塞序列的广播造成死锁锁。设设想在由两中想在由两中继继器互器互联联而成的以太网中，若两中而成的以太网中，若两中继继器直器直辖辖的工作站中各有一站点几乎在同一的工作站中各有一站点几乎在同一时时刻刻发发送数据，两中送数据，两中继继器器先后会先后会检测检测到有冲突到有冲突发发生，于是，两中生，于是，两中继继器都会向各自的端器都会向各自的端口（包括二者互口（包括二者互联联端口）端口）发发送至少送至少96比特的比特的“拥拥塞序列塞序列”。因此，要求因此，要求首先首先发发完完96比特的比特的“拥拥塞序列塞序列”的中的中继继器立即器立即停止向中停止向中继继器器间间互互联联端口端口发发送送“拥拥塞序列塞序列”，并且在并且在继续继续向其向其他本地端口他本地端口发发送送“拥拥塞序列塞序列”的同的同时时，继续监继续监听互听互联联端口。端口。如如果果该该端口上端口上还还有数据接收，有数据接收，说说明另一中明另一中继继器尚未完成器尚未完成96比特比特的的“拥拥塞序列塞序列”的的发发送；一旦另一中送；一旦另一中继继器在器在该该端口上也完成了端口上也完成了96比特的比特的“拥拥塞序列塞序列”的的发发送，也停止向互送，也停止向互联联端口端口发发送，但可送，但可继续继续向其本地端口向其本地端口发发送送“拥拥塞序列塞序列”，直到各自的本地站点都，直到各自的本地站点都沉默沉默为为止。此止。此时时，全网又恢复了正常，全网又恢复了正常竞竞争状争状态态。5/21/202411.MAU超超长发长发送送锁锁定保定保护护 10Mbps的的MAU中的超中的超长发长发送（送（MJLP，即，即MAU Jabber Lockup Protection）定）定时时器是器是为为共享介共享介质质方方式以太网式以太网设设置的，原意置的，原意为为防止站点防止站点发发送送时间过长时间过长（限定在（限定在20150 ms 内）。一旦超内）。一旦超长长，MAU将将中断中断发发送并禁止通向送并禁止通向DI的的环绕环绕通路，同通路，同时时通通过过CI向向PLS报报告冲突。告冲突。为为了防止中了防止中继继器器进进入超入超长发长发送状送状态态，其，其MJLP定定时时器有意器有意设设置得置得较较短（短（47.5ms），相当于），相当于47.5万比特数据的万比特数据的传输时间传输时间（但仍（但仍远远大于正常大于正常帧帧的最的最长长传输时间传输时间）。如果一旦）。如果一旦发发生定生定时时器超器超时时，中，中继继器将器将中止向所有端口的数据中止向所有端口的数据发发送送过过程，程，经过经过最小最小帧间间帧间间隔限定的隔限定的时间时间（0.611.6s），中），中继继器再恢复器再恢复发发送送数据。数据。5/21/202412.端口隔离功能 设置端口隔离功能的目的是能将那些发生长时间冲突和频繁冲突的网段与其他网段自动分离开来。端口一旦被隔离，中继器将对其继续执行收发功能，但不转发至其他端口。被隔离的端口在一定的时间内未检测到冲突，或完成一次无冲突接收，可以解除其隔离状态。这一特征对10 BASE-T和10 BASE-F中继器是必须具备的功能。5/21/202413.延延迟迟和包和包间间间间隔（隔（IPG，即，即Inter Packet Gap）收）收缩缩 严严格地格地说说IPG应应称称为帧间间为帧间间隔，隔，这这是是为为了使相了使相邻邻中中继继器器或网站的或网站的时钟时钟能得到恢复、能得到恢复、频频率率锁锁定而定而设设置的同步置的同步时时隙。相隙。相关关标标准要求最小准要求最小IPG为为96比特比特传输时间传输时间，对对10Mbps以太网以太网为为该值该值9.6s。中。中继继器器转发帧转发帧的的过过程需要一定的程需要一定的处处理理时间时间，它包，它包括接收端口括接收端口识别识别后将后将帧帧交交给给中中继单继单元的延元的延迟迟、中、中继单继单元向元向输输出出MAU转发转发所需的启所需的启动动延延迟迟，以及，以及MAU向相向相连连网段网段发发送前送前的启的启动动延延迟迟。对对不同的不同的帧帧同一中同一中继继器引起的器引起的转发转发延延迟迟不尽相不尽相同，如果同，如果对对前一前一帧帧的的转发转发延延迟长迟长于后一于后一帧帧的的转发转发延延迟迟，就会，就会造成两造成两帧间帧间的的IPG缩缩短。短。在在经过经过多个中多个中继继器器转发转发的的过过程中，程中，IPG缩缩短的效果短的效果还还可能累加，当可能累加，当IPG缩缩短到一定程度就可能短到一定程度就可能影响中影响中继继器或工作站的正常工作。器或工作站的正常工作。IPG的的缩缩短是限制网内中短是限制网内中继继器个数的重要原因之一。因此，中器个数的重要原因之一。因此，中继继器的器的设计应设计应尽量减少尽量减少这这种种帧转发帧转发延延迟迟的差异。的差异。5/21/202414.管理功能管理功能 由于中由于中继继器器处处于以太网多个网段的中心，因此于以太网多个网段的中心，因此是是进进行网行网络络流量流量监监控管理的极佳位置。在中控管理的极佳位置。在中继继器中器中有有选择选择地采集网地采集网络统计络统计信息并提供相信息并提供相应应的的读读/写（写（设设置）手段和置）手段和报报警手段，便可以警手段，便可以实现实现网网络远络远程管理。程管理。通常的做法是在中通常的做法是在中继继器中器中设设置支持置支持简单简单网网络络管理管理协协议议（SNMP，即，即Simple Network Management Protocol）RFC 1157的管理代理（的管理代理（Agent）的方式）的方式来来实现实现，网，网络络中的网管系中的网管系统统将采用将采用带带内（即利用以内（即利用以太网太网帧帧）或）或带带外（利用非以太网的外（利用非以太网的专专用通信手段）用通信手段）方式，通方式，通过过管理代理管理代理实现实现全网的管理。全网的管理。5/21/202415.桥桥接器（接器（Bridge）和二）和二层层交交换换机：数据机：数据链链路路层设备层设备n功能功能帧过滤帧过滤功能功能 中中继继器在收到某网段上的器在收到某网段上的帧帧后，将向除后，将向除该该网段以外的所网段以外的所有中有中继继端口广播端口广播该帧该帧。而。而桥桥接器接器则则可以通可以通过识别过识别MACMAC地址，地址，选择选择性地将接收到的性地将接收到的帧转发帧转发至相至相应应的网段上。如果的网段上。如果该帧该帧的目的目的地址就在接收网段上，的地址就在接收网段上，桥桥接器不作任何接器不作任何转发转发工作，因而起工作，因而起到了到了帧过滤帧过滤的作用。的作用。学学习习功能功能 桥桥接器的自学接器的自学习习机制是通机制是通过过从从桥桥接器各端口上收到接器各端口上收到帧帧的的源地址源地址积积累网站所累网站所处处网段的信息。如果事先未网段的信息。如果事先未进进行人工行人工设设置，置，桥桥接器也可以首先采用中接器也可以首先采用中继继器的全广播方式，直到在其器的全广播方式，直到在其过滤过滤地址表中地址表中积积累了接收累了接收帧帧中的目的地址信息中的目的地址信息为为止。由于存止。由于存储储所所限，限，过滤过滤地址表也存在一个老化地址表也存在一个老化问题问题。对对持持续续一段一段时间时间不活不活动动的网站地址，将被从地址表中的网站地址，将被从地址表中删删除，除，为为刷新地址保留空刷新地址保留空间间。5/21/202416.n转发方式桥接器可采用两种转发方式：“截址直通转发“（Cut-through）和802.1D规定的“存储转发”（Store-and-forward）。前者在收到帧时，立即根据目的地址查找应转发的端口，在该帧尚未全部接收完之前尽快发送出去（如果相应端口空闲的话）。这种方式的优点是帧通过桥接器的时延较短，但缺点是由于转发时尚未收到全帧，因而对该帧传输正确性不作检查，可能将有错帧也转发到下一网段，浪费了该网段的传输资源。存储转发方式则与之相反，桥接器的传输时延较大，但可实施帧校验，因而可确保被转发的帧的正确性。5/21/202417.n生成生成树树算法（算法（书书中中译为译为“支撑支撑树树”）802.1D规规定了生成定了生成树树算法（算法（Spanning Tree）：）：动动态态地地发现发现网网络络的拓扑的拓扑结结构并构并对对网网络进络进行配置，使行配置，使桥桥接器接器间间不形成不形成环环路，而保持路，而保持为树为树型型结结构。构。在网站位置未明在网站位置未明时时，或本身就是广播地址，或本身就是广播地址时时，桥桥接器需采用广播方式接器需采用广播方式转发该帧转发该帧。生成。生成树树算法能算法能较较好好地解决地解决这这一一问题问题，该该算法要求所有算法要求所有桥桥接器能接器能传递传递特特定的配置信息，用于确定一个定的配置信息，用于确定一个“根根桥桥接器接器”和各和各桥桥接接器通向根器通向根桥桥接器的最短路径。如果某接器的最短路径。如果某桥桥接器与根接器与根桥桥接器接器间间存在多条路径，存在多条路径，则则生成生成树协议树协议将要求断开所将要求断开所有非最短路径，只保留一条最短路径。有非最短路径，只保留一条最短路径。5/21/202418.桥桥接器利用接器利用带带有特殊信息的普通有特殊信息的普通帧帧来交来交换换生成生成树树配置信息。配置信息。这这些些帧帧称称为桥为桥接器接器协议协议数数据据单单元（元（BPDU，即，即Bridge Protocol Data Unit）。根）。根桥桥接器被定接器被定义为义为48位位MAC地址最地址最小的小的桥桥接器，通接器，通过过BPDU传输传输、比、比较较、优优化，化，计计算出各算出各桥桥接器至根接器至根桥桥接器的最短路径，作接器的最短路径，作为桥为桥接器配置的基接器配置的基础础。BPDU定定时时交交换换，动态动态更新配置，并通更新配置，并通过过超超时时机制在机制在桥桥接器接器发发生故生故障障时时，重新配置。，重新配置。5/21/202419.桥桥接器内部接器内部协议层协议层次次结结构构5/21/202420.数据数据链链路路层层交交换换机（多端口机（多端口桥桥接器）接器）n与与桥桥接器的异同接器的异同端口数端口数桥桥接器多接器多更多地利用硬件技更多地利用硬件技术实现术实现n两种交两种交换换方式方式“截址直通截址直通转发转发”（Cut-through）方式：未接收完）方式：未接收完整个整个帧帧即根据目的开始地址即根据目的开始地址转发转发“存存储转发储转发”方式（方式（Store-and-forward）：接收完）：接收完整并校整并校错错后才后才转发转发5/21/202421.n交换机内部功能组成：输入单元、交换单元（Switch Fabric)和输出单元。5/21/202422.输输入入单单元：接收元：接收帧帧（含校（含校验验）并存）并存储储和排和排队队（具（具有服有服务质务质量保障的量保障的场场合，可能需要用合，可能需要用户户数据入网数据入网控制），根据控制），根据MAC地址地址查查交交换换表表获获得得输输出端口号，出端口号，请请求交求交换单换单元将元将该帧转发该帧转发到相到相应输应输出出单单元。元。交交换单换单元：排元：排队队、根据仲裁、根据仲裁调调度算法确定交度算法确定交换帧换帧的的顺顺序并序并实实施施转发转发。典型的交。典型的交换结换结构有：构有：共享存共享存储储 总线总线方式方式 交叉开关（交叉开关（Crossbar)、Clos输输出出单单元：将元：将转发转发到本到本输输出端口的出端口的帧发帧发送到相送到相应应线线路上（可能需要存路上（可能需要存储储或或缓缓存、排存、排队队、输输出出顺顺序序决策等）决策等）5/21/202423.交交换换机机间间的流量控制的流量控制n以太网以太网MAC帧帧中无中无帧帧序号字段（高速信道中使用序号字段（高速信道中使用滑滑动动窗口方式效率窗口方式效率较较低，需新的流控方式）低，需新的流控方式）n802.3x定定义义了一种控制了一种控制帧帧暂暂停（停（Pause）帧帧用用于全双工工作方式的一于全双工工作方式的一对对站点、中站点、中间设备间设备之之间间或或工作站与中工作站与中间设备间设备之之间间交交换换流控数据，流控数据，Pause帧帧的的格式如格式如图图所示：所示：5/21/202424.nPause帧帧使用使用规则规则Pause帧帧只能在双工只能在双工实实体之体之间间，在，在链链路起始路起始阶阶段通段通过协过协商商(详见详见6.8节节)达成一致达成一致协议协议后才能使用后才能使用暂暂停功能。停功能。10/100 Mbps以太网只支持以太网只支持对对称的称的暂暂停功能（即两个方向上都必停功能（即两个方向上都必须须支持支持暂暂停，但不是在双向同停，但不是在双向同时实时实施施暂暂停）；但千兆以太停）；但千兆以太网网则则允允许暂许暂停功能的使用是非停功能的使用是非对对称的（只在称的（只在单单方向上支持方向上支持暂暂停）。停）。收到收到Pause帧帧的的实实体用体用帧帧内与操作内与操作码码相关数据中两字相关数据中两字节节的的暂暂停停计计数数值值（最大（最大4096）刷新）刷新暂暂停停计计数器，每一数器，每一计计数数值值代代表表512s的倍数，用于控制的倍数，用于控制暂暂停普通数据停普通数据帧发帧发送送时间时间（正（正在在发发送的送的帧应继续发帧应继续发送完，但不禁止送完，但不禁止该该站站发发送送Pause帧帧）。）。5/21/202425.当当桥桥接器收到接器收到Pause帧时帧时不允不允许许向其它端口向其它端口扩扩散散该该帧帧。(Local Meaning)n流量控制策略流量控制策略基于基于缓缓存空存空间间的流量控制的流量控制 对缓对缓冲区剩余空冲区剩余空间设间设置高低二限置高低二限，低于上限，低于上限时发时发送一送一暂暂停停时间较时间较短的短的Pause帧帧，如果由此剩余，如果由此剩余缓缓存空存空间间增加并恢复到上限以上，可增加并恢复到上限以上，可发发送一送一暂暂停停时间为时间为“0”Pause帧帧，结结束束暂暂停；如果剩余空停；如果剩余空间继续间继续减少并减少并达到下限达到下限时时，则则再再发发一一暂暂停停时间较长时间较长的的Pause帧帧，直，直到到拥拥塞停止；当塞停止；当拥拥塞塞结结束（空束（空闲缓闲缓存空存空间间恢复到上恢复到上限之上）限之上）时时，即，即发发一一暂暂停停时间为时间为“0”Pause帧帧，结结束束暂暂停。停。5/21/202426.基于基于发发送送权权的流量控制的流量控制 这这是由厂家自定是由厂家自定义义的非的非标标准化流控方式，而不是准化流控方式，而不是802.3规规定的方式。他要求厂家利用定的方式。他要求厂家利用802.3控制控制帧帧自定自定义发义发送送权权控制控制帧帧格式及使用格式及使用规则规则。因此，收方可根。因此，收方可根据据拥拥塞情况利用塞情况利用发发送送权权控制控制帧帧防止或减防止或减缓链缓链路路拥拥塞。塞。基于速率的流量控制基于速率的流量控制 发发方的有效方的有效发发送速率作送速率作为为直接控制直接控制对对象，而不是象，而不是由收方控制由收方控制发发方停止方停止发发送的方式来送的方式来实现实现流控。流控。类类似似地，地，产产品厂家可利用品厂家可利用MACMAC控制控制帧帧自定自定义发义发送速率控送速率控制制帧帧格式与使用格式与使用规则规则，发发方方则则利用在利用在帧间帧间插入插入IPGIPG的的长长短来控制有效数据短来控制有效数据发发送速率。送速率。这这一流控方式的一流控方式的优优点是有利于点是有利于发发送的数据平送的数据平稳稳，缓缓解突解突发发数据流。数据流。Comment:MACComment:MAC只定只定义义了数据了数据帧帧，引入，引入PausePause帧帧实际实际上引入了上引入了“控制控制帧帧”：带带外信令？外信令？5/21/202427.虚虚拟拟局域网技局域网技术术（VLAN Virtual LAN)n虚虚拟拟局网的基本思路是在一个或多个交局网的基本思路是在一个或多个交换换机机组组成的大中型成的大中型局域网中，根据需要划分出若干个局域网中，根据需要划分出若干个“相互独立的相互独立的”虚虚拟拟的局的局域网（域网（VLAN）。）。n同一同一VLAN内的网站如同在同一网段上一内的网站如同在同一网段上一样样，可以相互通，可以相互通信；而不同信；而不同VLAN之之间则间则不能相互通信。不能相互通信。n从另一个角度上看，从另一个角度上看，VLAN是一个独立的是一个独立的逻辑逻辑广播域，全广播域，全域广播域广播帧帧或或组组广播广播帧帧都只在具有同一都只在具有同一VID的的VLAN中广播。中广播。从从这这种意种意义义上上讲讲，VLAN的目的在于隔离。的目的在于隔离。nMAC层层VLAN只适和以端口只适和以端口为为基基础组织础组织VLAN,难难以以实现实现同同一广播域中一广播域中组织组织多个多个VLAN三三层层交交换换机机5/21/202428.三三层层与高与高层层交交换换机机n典型的三典型的三层层交交换换机是以机是以IP为为基基础础的交的交换换机，机，实际实际上三上三层层交交换换机成机成为为以以太网以以太网为为数据数据链链路路层帧层帧的的“交交换换路由器路由器”Note:三三层层交交换换机与路由器在功能和性能上正在相互靠近，机与路由器在功能和性能上正在相互靠近，因而有因而有“交交换换路由器路由器”术语术语的出的出现现。但由于。但由于传统传统上分上分别为别为高高速局域网和速率速局域网和速率较较低但低但节节点更多的广域网点更多的广域网设计设计的，因此的，因此传统传统上交上交换换机以更多地使用硬件机以更多地使用硬件实现实现；而路由器；而路由器为为广域网广域网应应用用环环境境设计设计的，的，传统传统上更多地使用上更多地使用软软件件实现实现。路由器路由器对对路由路由协议协议的支持通常更全面，而交的支持通常更全面，而交换换机机则则未必。未必。n高高层层交交换换机：通机：通过偷窥过偷窥上上层协议层协议某些字段某些字段获获取有取有用信息以改善网用信息以改善网络络性能的交性能的交换换机被商界称机被商界称为为高高层层交交换换机。机。5/21/202429.9.2 无线局域网技术本部分内容将保留教材4.8的内容，因而直接使用谢希仁的课件中的相关部分。5/21/202430.4.8 无线局域网4.8.1 无线局域网的组成有固定基础设施的无线局域网基本服务集 BSS扩展的服务集 ESS基本服务集 BSSAB漫游接入点 AP接入点 AP分配系统 DSPortal802.x局域网因特网Portal5/21/202431.有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集 ESS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网一个基本服务集 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。PortalPortal5/21/202432.有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集 ESS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网基本服务集中的基站叫做接入点 AP(Access Point)其作用和网桥相似。PortalPortal5/21/202433.扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS(Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。PortalPortal5/21/202434.扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网ESS 还可通过Portal为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。Portal的作用就相当于网桥。PortalPortal5/21/202435.扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。PortalPortal5/21/202436.无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network)自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点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。5/21/202437.移动自组网络的应用前景 在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的，5/21/202438.移动自组网络和移动 IP 并不相同 移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。5/21/202439.4.8.2 802.11 标准中的物理层1997 年 IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分，802.11。在1999年又制订了剩下的两部分，802.11a 和 802.11b。802.11 的物理层有以下三种实现方法：跳频扩频 FHSS直接序列扩频 DSSS红外线 IR 5/21/202440.802.11 标准中的物理层（续）802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带，采用正交频分复用 OFDM，它也叫做多载波调制技术（载波数可多达 52 个）。可以使用的数据率为 6,9,12,18,24,36,48 和 56 Mb/s。802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术，数据率为 5.5 或 11 Mb/s。5/21/202441.4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层1.CSMA/CA 协议 无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。5/21/202442.A 的作用范围无线局域网的特殊问题 C 的作用范围ABCD当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)5/21/202443.B 的作用范围无线局域网的特殊问题 C 的作用范围ADCB？B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem)5/21/202444.CSMA/CA 协议 无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制。下面先介绍 802.11 的 MAC 层。5/21/202445.802.11 的 MAC 层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。5/21/202446.802.11 的 MAC 层在物理层之上包括两个子层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.115/21/202447.DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.115/21/202448.PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.115/21/202449.帧间间隔 IFS 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS(InterFrame Space)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。5/21/202450.三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为 28 s，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。5/21/202451.三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIFS 长），是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度（其长度为 50 s），即