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滚鲤赵
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1 第四章数据链路层协议大连理工大学电信学部信息与通信工程学院王波 1

2 4.5.2 在数据链路层扩展局域网多接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接口因此, 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥, 可见交换机工作在数据链路层 2

3 4.5.2 在数据链路层扩展局域网以太网交换机的特点以太网交换机的每个接口都直接与主机相连, 并且一般都工作在全双工方式全双工方式交换机能同时连通许多对的接口, 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 3

4 4.5.2 在数据链路层扩展局域网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带宽 (10 Mb/s) 的 N 分之一使用以太网交换机时, 虽然在每个接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 对接口的交换机的总容量为 N 10 Mb/s 这正是交换机的最大优点 4

5 4.5.2 在数据链路层扩展局域网用以太网交换机扩展局域网万维网服务器电子邮件服务器 100 Mb/s 100 Mb/s 以太网交换机 100 Mb/s 路由器至因特网一系二系三系 10BASE-T 5

6 4.5.2 在数据链路层扩展局域网利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网虚拟局域网 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 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 6

7 以太网交换机 A 4 B 3 C 3 VLAN 1 VLAN 2 VLAN 3 以太网交换机 A 3 B2 C 2 以太网交换机 A 2 B 1 C 1 A 1 7 以太网交换机三个虚拟局域网 : VLAN 1, VLAN 2 和 VLAN 3

8 以太网交换机 A 4 B 3 C 3 VLAN 1 VLAN 2 VLAN 3 以太网交换机 A 3 B2 C 2 以太网交换机 A 2 B 1 C 1 A 1 8 当 B 1 向 VLAN 2 工作组内成员发送数据时三个虚拟局域网 VLAN, 1, VLAN 2 工作站 B 2 和 B 3 将会收到广播的信息和 VLAN 3 的构成以太网交换机

9 以太网交换机 A 4 B 3 C 3 VLAN 1 VLAN 2 VLAN 3 以太网交换机 A 3 B2 C 2 以太网交换机 A 2 B 1 C 1 A 1 9 以太网交换机 B 1 发送数据时, 三个虚拟局域网工作站 A 1, A 2 和 VLAN C 1 1, VLAN 2 都不会收到 B 1 发出的广播信息和 VLAN 3 的构成

10 以太网交换机 A 4 B 3 C 3 VLAN 1 VLAN 2 VLAN 3 以太网交换机 A 3 B2 C 2 以太网交换机 A 2 B 1 C 1 A 1 10 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数以太网三个虚拟局域网 VLAN, 使得网络 1, VLAN 2 不会因传播过多的广播信息交换机 ( 即广播风暴和 VLAN ) 而引起性能恶化 3 的构成

11 4.5.2 在数据链路层扩展局域网虚拟局域网使用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 标记 (tag),, 用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网插入 4 字节的 VLAN 标记 802.3ac MAC 帧字节 ~ 目地地址源地址长度 MAC / 类型帧数据 FCS 长度 / 类型 = 802.1Q 标记类型标记控制信息 VID 2 字节 2 字节用户优先级 CFI( 规范格式指示符 ) 11

12 4.6 高速以太网 BASE-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 的 CSMA/CD 协议 100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet) 12

13 BASE-T 以太网 100BASE-T 以太网的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 µs 改为现在的 0.96 µs 13

14 BASE-T 以太网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 14

15 4.6.2 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协议规定的帧格式在半双工方式下使用 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 15

16 4.6.2 吉比特以太网吉比特以太网的物理层 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层 : 1000BASE-SX SX SX 表示短波长 (850nm( 850nm)- 275m,550m 550m 1000BASE-L=X LX 表示长波长 (1300nm)-550m,5000m5000m 1000BASE-CX CX 表示铜线 -25m 1000BASE-T 使用 4 对 5 类线 UTP 16

17 4.6.2 吉比特以太网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半双工方式 100m 10m 10m? 64Byte 640Byte 640Byte? 载波延伸 : 争用期 512Byte 分组突发 : 很多连续短帧发送时 17

18 4.6.2 吉比特以太网吉比特以太网的配置举例 100 Mb/s 链路 1 Gb/s 链路吉比特交换集线器中央服务器百兆比特或吉比特集线器 18

19 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 19

20 吉比特以太网 10 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 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 192/STM-64) ) 相连接为了使 10 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 Gb/s SONET:(Synchronous Optical Network 同步光纤网 ) SDH: (Synchronous Digital Hierarchy, 同步数字系列 ) 20

21 吉比特以太网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 21

22 吉比特以太网以太网从 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 22

23 吉比特以太网以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进 10M 以太网 VS 16M 令牌环 100M 以太网 VS FDDI(Fiber Fiber Distributed Data Interface) 完胜! 23

24 4.6.4 使用高速以太网进行宽带接入以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s, 所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网, 因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信, 并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级采用以太网接入可实现端到端的以太网传输, 中间不需要再进行帧格式的转换这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本 24

25 4.6.4 使用高速以太网进行宽带接入高速汇接点 GigaPoP 以太网接入举例 : 光纤到大楼 FTTB 1 Gb/s 10 M 吉比特以太网光结点汇接点 1 Gb/s 10 M 100 M 100 M 25

26 本章内容 4.1 使用点对点信道的数据链路层数据链路和帧三个基本问题 4.2 点对点协议 PPP PPP 协议的特点 PPP 协议的帧格式 PPP 协议的工作状态 26

27 本章内容 4.3 使用广播信道的数据链路层局域网的数据链路层 CSMA/CD 协议 4.4 使用广播信道的以太网使用集线器的星形拓扑以太网的信道利用率以太网的 MAC 层 27

28 本章内容 4.5 扩展的以太网在物理层扩展以太网在数据链路层扩展以太网 4.6 高速以太网 BASE-T 以太网吉比特以太网吉比特以太网使用高速以太网进行宽带接入 4.7 其他类型的高速局域网接口 28

29 29

30 第五章无线网络大连理工大学电信学部信息与通信工程学院王波 1

31 第五章无线网络 5.1 无线局域网 WLAN 无线局域网的组成标准中的物理层标准中的 MAC 层标准中的 MAC 帧 5.2 无线个人区域网 WPAN 5.3 无线城域网 WMAN 2

32 5.1 无线局域网无线局域网的组成有固定基础设施的无线局域网 AP 1 AP 2 3

33 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 AP 1 AP 2

34 基本服务集内的基站叫做接入点 AP (Access Point) 其作用和网桥相似当网络管理员安装 AP 时, 必须为该 AP 分配一个不超过 32 字节的服务集标识符 SSID 和一个信道 AP 1 AP 2

35 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) AP 1 AP 2

36 ESS 还可通过叫做门户 (portal) 为无线用户提供到非无线局域网 ( 例如, 到有线连接的因特网 ) 的接入门户的作用就相当于一个网桥 AP 1 AP 2

37 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集 ( 到 A 的位置 ), 仍可保持与另一个移动站 B 进行通信 AP 1 AP 2

38 与接入点 AP 建立关联 (association) 一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS, 就必须先选择一个接入点 AP, 并与此接入点建立关联建立关联就表示这个移动站加入了选定的 AP 所属的子网, 并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧, 而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧 9

39 移动站与 AP 建立关联的方法被动扫描, 即移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧 (beacon frame) 信标帧中包含有若干系统参数 ( 如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等 ) 主动扫描, 即移动站主动发出探测请求帧 (probe request frame), 然后等待从 AP 发回的探测响应帧 (probe response frame) 10

40 热点 (hot spot) 现在许多地方, 如办公室机场快餐店旅馆购物中心等都能够向公众提供有偿或无偿接入 Wi-Fi 的服务这样的地点就叫做热点由许多热点和 AP 连接起来的区域叫做热区 (hot zone) 热点也就是公众无线入网点现在也出现了无线因特网服务提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider) 这一名词用户可以通过无线信道接入到 WISP, 然后再经过无线信道接入到因特网 11

41 热点 (hot spot) 3G Router Wireless Router Repeater (Same SSID and PSW) Bridge with AP (Different SSID and PSW) 12

42 移动自组网络又称自组网络 (ad hoc network) 自组网络是没有固定基础设施 ( 即没有 AP) 的无线局域网这种网络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转发结点转发结点转发结点 B C 自组网络 D E 目的结点 A F 源结点 13

43 Ad Hoc Network ad-hoc 多跳无线网 (MultiHop Wireless Network) 自组织网络 (SelfOrganized Network) 无固定设施的网络 (Infrastructureless Network) 核心结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发, 即经过多跳 (MultiHop) 14

44 Ad Hoc Network ad-hoc 相当于直连双绞线 P2P 的连接背景前身是分组无线网 (Packet Radio Network) 源于军事通信的需要 1972 年, 美国 DARPA 启动分组无线网 (PRNET, Packet Radio NETwork) 项目, 研究分组无线网在战场环境下数据通信中的应用 1993 年,DARPA 启动了高残存性自适应网络 (SURAN, SURvivable Adaptive Network) 项目重点 :(1) 支持更大规模的网络 ;(2) 开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议 1994 年,DARPA 又启动了全球移动信息系统 (GloMo, Global Mobile Information Systems) 项目 1991 年成立的 IEEE 标准委员会采用了 Ad hoc 网络一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络 15

45 特点 1. 无中心 : Ad Hoc Network 没有严格的控制中心, 所有结点的地位平等, 对等式网络 ; 结点可以随时加入和离开网络 ; 任何结点的故障不会影响整个网络的运行, 强抗毁性 2. 自组织 : 网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施 ; 结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为, 结点开机后就可以快速自动地组成一个独立的网络 16

46 特点 3. 多跳路由 : Ad Hoc Network 当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时, 需要中间结点的多跳转发 ; 与固定网络的多跳不同,Ad hoc 网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的, 而不是由专用的路由设备 ( 如路由器 ) 完成的 4. 动态拓扑 : 动态的网络 ; 网络结点可以随处移动, 加入或者离开, 使网络的拓扑结构随时发生变化 17

47 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 18

48 移动自组网络的应用前景军事应用无需架设网络设施可快速展开抗毁性强战场通信的首选 : 美军战术互联网的核心技术数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了 Ad hoc 传感器网络紧急应用个人通信其他分散在各处的传感器组成 Ad hoc 网络, 可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信抢险救灾 ; 处于边远或偏僻野外地区不依赖任何固定网络设施又能快速布设的网络独立组网能力和自组织特点 PDA 手机手提电脑等个人电子通信设备之间的通信与蜂窝移动通信系统的结合扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围均衡相邻小区的业务提高小区边缘的数据速率等 19

49 无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network) 由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络无线传感器网络的应用是进行各种数据的采集处理和传输, 一般并不需要很高的带宽, 但是在大部分时间必须保持低功耗, 以节省电池的消耗由于无线传感结点的存储容量受限, 因此对协议栈的大小有严格的限制无线传感器网络还对网络安全性结点自动配置网络动态重组等方面有一定的要求 20

50 传感器结点的形状 (a) 和组成 (b) 电池 CPU 无线收发器存储器传感器硬件 (a) (b) 21

51 无线传感器网络主要的应用领域环境监测与保护 ( 如洪水预报动物栖息的监控 ); 战争中对敌情的侦查和对兵力装备物资等的监控 ; 医疗中对病房的监测和对患者的护理 ; 在危险的工业环境 ( 如矿井核电站等 ) 中的安全监测 ; 城市交通管理建筑内的温度 / 照明 / 安全控制等 22

52 几种不同的接入固定接入 (fixed access) 在作为网络用户期间, 用户设置的地理位置保持不变移动接入 (mobility access) 用户设置能够以车辆速度移动时进行网络通信当发生切换时, 通信仍然是连续的便携接入 (portable access) 在受限的网络覆盖面积中, 用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信, 提供有限的切换能力游牧接入 (nomadic access) 用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变如用户设备移动了位置, 则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站 23

53 局域网的物理层无线局域网可再细分为不同的类型 = WiFi = Wireless Fidelity 现在最流行的无线局域网是 b, 而另外两种 (802.11a 和 g) 的产品也广泛存在的物理层有以下几种实现方法 : 直接序列扩频 DSSS 正交频分复用 OFDM 跳频扩频 FHSS ( 已很少用 ) 红外线 IR ( 已很少用 ) 24

54 几种常用的无线局域网标准频段数据速率物理层优缺点 b 2.4 GHz 最高为 11 Mb/s HR-DSSS 最高数据率较低, 价格最低, 信号传播距离最远, 且不易受阻碍 a 5 GHz 最高为 54 Mb/s OFDM 最高数据率较高, 支持更多用户同时上网, 价格最高, 信号传播距离较短, 且易受阻碍 g 2.4 GHz 最高为 54 Mb/s OFDM 最高数据率较高, 支持更多用户同时上网, 信号传播距离最远, 且不易受阻碍, 价格比 b 贵 n 2.4 GHz 5 GHz 最高为 600 Mb/s MIMO MIMO- OFDM 技术先进标准滞后, 产品早产 2009 年 IEEE 通过 25

55 关于的信道和信道频率 b 信道频率范围 :2.4GHz~2.4835GHz 每个信道频率带宽 :22MHz 26

56 关于的信道和信道频率信道划分 27

57 关于的信道和信道频率信道交叠同频干扰通常使用 1,6,11 信道或其他组 28

58 的未来发展 ac: 草案,5G WiFi,2.4GHz 或 5GHz 867Mbit/s, 1.73 Gbit/s, 3.47 Gbit/s, 6.93 Gbit/s (8 MIMO, 160MHz) ad: 草案, 家庭内部无线高清音视频传输 60GHz, 最高 7000Mb/s, 首款,4.6Gbps ax: 5G 频段,ac 的后续升级版,10.53Gbps, 华为 MU-MIMO OFDMA 提升频谱效率高效串扰管理增强底层协议 29

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Microsoft PowerPoint - Review12 WLAN (Wireless Local Area Network) Everywhere Inssider: : Copyright 2007-2008 2008 MetaGeek Infrastructure WLAN AP 1 AP 2 BSS (Basic Service Set) DS (Distribution System) ESS (Extended Service Set) AP