. 第 4 章 局 域 网 局 域 网 体 系 结 构 IEEE802 参 考 模 型 IEEE802 是 一 个 标 准 系 列 : IEEE802.1~IEEE802.14 又 分 为 逻 辑 链 路 控 制 和 介 质 访 问 控 制 两 个 子 层 OSI IEEE 802 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 面 向 专 业 : 信 通 系 授 课 教 师 : 刘 剑 毅 高 层 网 络 层 由 CP/IP 和 NOS 实 现 逻 辑 链 路 控 制 LLC 介 质 访 问 控 制 MC PHY IEEE802 描 述 了 最 低 两 层 的 功 能 以 及 它 们 为 网 络 层 提 供 的 服 务 和 接 口 局 域 网 的 按 功 能 划 分 为 两 个 子 层 :LLC 和 MC MC: 与 介 质 拓 扑 相 关, 处 理 差 控 碰 撞 等 问 题 表 述 为 几 个 相 互 独 立 的 局 域 网 标 准 LLC: 与 介 质 拓 扑 无 关 ; 多 种 不 同 的 局 域 网 标 准 通 过 LLC 子 层 向 高 层 提 供 无 差 别 的 服 务, 即 它 们 对 LLC 是 透 明 的 8 0 2 1 体 系 802.3 结 CSM/CD 构 IEEE802 体 系 结 构 示 意 图 802.4 oken Bus 802.1D Bridge 802.2 LLC 802.5 oken Ring 802.8 FDDI 802.11 WLN LLC MC PHY 网 际 互 联 对 不 同 的 LN 标 准, 它 们 的 LLC 子 层 都 是 一 样 的, 区 别 仅 在 MC 子 层 和 LLC 的 帧 结 构 1 1 1/2 长 度 可 变 单 位 : 字 节 DSP SSP 控 制 域 数 据 IEEE802 LN 的 封 装 过 程 :IP over LLC 分 组 LLC 帧 MC 帧 介 质 上 传 输 的 帧 MC 首 部 P MC 首 部 LLC 首 部 MC 数 据 MC 数 据 高 层 PDU LLC 数 据 MC 尾 部 MC 尾 部 Preamble( 前 序 ): 用 来 同 步 收 发 双 方 的 时 钟 速 率 7 个 10101010 字 节 尾 随 一 个 10101011 LLC 子 层 的 复 用 功 能 进 程 ( 通 过 SP 区 分 ) 可 以 在 数 据 链 路 上 进 行 复 用 ;( 图 解 ) SP 地 址 : 进 程 在 主 机 中 的 地 址 (MC 地 址 : 主 机 在 网 络 中 的 地 址 ) 多 进 程 允 许 同 时 通 信 ; LLC 子 层 的 命 运 1
802.3 标 准 : 以 太 网 以 太 网 的 产 生 与 发 展 一 种 在 以 前 被 假 定 为 电 磁 波 的 传 播 介 质, 具 有 绝 对 连 续 性 高 度 弹 性 极 其 稀 薄 等 特 性 70 年 代 中 期 由 施 乐 公 司 (Palo lto) 提 出, 数 据 率 为 2.94Mb/s, 称 为 Ethernet( 以 太 网 ) 最 初 人 们 认 为 电 磁 波 是 通 过 以 太 来 传 播 的 经 DEC, Intel 和 Xerox 公 司 改 进 为 10Mb/s 标 准 (DIX 标 准 ) 特 征 : 基 带 传 输 总 线 拓 扑 CSM/CD 同 轴 电 缆 1985 年 被 采 纳 为 IEEE 802.3, 支 持 多 种 传 输 媒 体 带 有 冲 突 检 测 的 载 波 监 听 多 路 访 问 方 法 和 技 术 规 范 目 前 已 发 展 到 万 兆 以 太 网, 仍 在 继 续 发 展 Ethernet/802.3 的 基 本 运 行 方 式 任 何 站 点 发 送 数 据 时 都 要 遵 循 CSM/CD 协 议 ; 每 个 站 点 都 可 以 接 收 到 所 有 来 自 其 他 站 点 的 数 据 ( 广 播 信 道 ); 只 有 地 址 与 帧 的 目 的 地 址 相 同 的 站 点 才 接 收 数 据 ; 目 的 站 点 将 复 制 该 帧, 其 他 站 点 则 忽 略 该 帧 B C C 发 现 网 络 空 闲 B C 终 端 电 阻 B C C 发 送 帧, 目 的 地 址 为 B C B 忽 略 该 帧 复 制 该 帧 信 号 由 终 端 电 阻 吸 收 以 太 网 的 标 识 方 法 速 率 信 号 方 式 介 质 类 型 速 率 (Mb/s) 传 统 以 太 网 10Base5 粗 同 轴 10Base2 细 同 轴 10Base- UP 10Base-F MMF 10 Base 5 基 带 或 宽 带 Base,Broad 每 段 最 大 长 度 ( 单 位 : 百 米 ) 或 介 质 类 型 (,F,X) 快 速 以 太 网 和 千 兆 以 太 网 100Base- UP 100Base-F MMF/SMF 1000Base-X SP/MMF/SMF 1000Base- UP 以 太 网 的 MC 子 层 MC 地 址 又 称 为 物 理 地 址, 共 6bytes 它 是 网 络 站 点 的 全 球 唯 一 的 标 识 符, 与 其 物 理 位 置 无 关 注 意 :MC 地 址 是 在 进 行 处 理, 而 不 是 在 物 理 层 网 络 站 点 的 每 一 个 网 络 接 口 都 有 一 个 MC 地 址 MC 地 址 大 多 固 化 在 网 络 站 点 的 硬 件 中 一 个 站 点 允 许 有 多 个 MC 地 址, 个 数 取 决 于 该 站 点 网 络 接 口 的 个 数 例 如 : 安 装 有 多 块 网 卡 的 计 算 机 ; 有 多 个 以 太 网 接 口 的 路 由 器 MC 地 址 的 格 式 : MC 地 址 的 长 度 为 6 个 字 节, 共 48 位 ; 也 可 以 是 2 个 字 节, 但 这 种 格 式 的 地 址 很 少 使 用 可 表 示 2 46 70 万 亿 个 地 址 ( 有 2 位 用 于 特 殊 用 途 ) 高 24 位 称 为 机 构 惟 一 标 识 符 OUI, 由 IEEE 统 一 分 配 给 设 备 生 产 厂 商 ; 如 3COM 公 司 的 OUI=02608C 低 24 位 称 为 扩 展 标 识 符 EI, 由 厂 商 自 行 分 配 给 每 一 块 网 卡 或 设 备 的 网 络 硬 件 接 口 I/G G/L OUI(22 位 ) EI(24 位 ) 0= 全 局 管 理 地 址 1= 本 地 管 理 地 址 ( 一 般 不 用 ) 0= 单 播 地 址 1= 组 播 地 址 MC 地 址 的 三 种 类 型 : 单 播 地 址 :(I/G=0) 拥 有 单 播 地 址 的 帧 将 发 送 给 网 络 中 惟 一 一 个 由 单 播 地 址 指 定 的 站 点 点 对 点 传 输 多 播 地 址 :(I/G=1) 拥 有 多 播 地 址 的 帧 将 发 送 给 网 络 中 由 组 播 地 址 指 定 的 一 组 站 点 点 对 多 点 传 输 广 播 地 址 :( 全 1 地 址,FF-FF-FF-FF-FF-FF) 拥 有 广 播 地 址 的 帧 将 发 送 给 网 络 中 所 有 的 站 点 广 播 传 输 注 意, 以 上 分 类 只 适 用 于 目 的 地 址 2
Big-endian 和 Little-endian MC 帧 的 结 构 讨 论 : 字 段 重 用 : 长 度 / 类 型 字 段 < 1500 指 示 长 度 ; > 1500 指 示 上 一 层 使 用 的 协 议 ; 通 信 协 议 中 帧 格 式 设 计 的 常 用 手 段 ( 类 比 : 重 载 ) 前 同 步 码 : 实 现 比 特 同 步 ; 最 小 帧 长 限 制 :data length >= 46 bytes - 冲 突 检 测 (CD) 机 制 实 现 的 前 提 ; - 最 短 帧 长 应 能 保 证 能 够 检 测 到 可 能 最 晚 来 到 的 冲 突 信 号 ( 图 解 ) 信 道 共 享 模 式 : 无 冲 突 协 议 ; 拓 扑 结 构 : 闭 合 环 型 网 干 线 耦 合 器 的 工 作 模 式 :( 图 解 ) 收 听 模 式 ; 接 收 模 式 ; 发 送 模 式 IEEE802.5 令 牌 环 网 点 到 点 链 路 站 点 D 单 向 环 B 干 线 耦 合 器 C oken Ring/802.5 的 工 作 原 理 哪 个 站 点 可 以 发 送 帧, 是 由 一 个 沿 着 环 旋 转 的 称 为 令 牌 (OKEN) 的 特 殊 帧 来 控 制 的 只 有 持 有 令 牌 的 站 可 以 发 送 帧, 而 没 有 拿 到 令 牌 的 站 只 能 等 待 ; 拿 到 令 牌 的 站 将 令 牌 转 换 成 数 据 帧 头, 后 面 加 挂 上 自 己 的 数 据 进 行 发 送 ; 目 的 站 点 从 环 上 复 制 该 帧, 帧 则 沿 环 继 续 往 下 循 环 ; 数 据 帧 循 环 一 周 后 由 源 站 点 回 收, 并 释 放 出 令 牌, 使 其 余 的 站 点 能 获 得 帧 的 发 送 权 (a) Data 有 数 据 要 发 送, 它 抓 住 空 令 牌 oken Ring/802.5 工 作 图 解 = 0 将 令 牌 修 改 为 数 据 帧 头, 并 加 挂 数 据 发 送 C Data C Data 帧 循 环 一 圈 后, 将 数 据 帧 回 收 并 放 出 空 令 牌 = 1 (b) C Data C Data Data = 0 目 的 站 点 从 环 上 拷 贝 数 据 (c) 3
IEEE 802.4 令 牌 总 线 网 物 理 上 采 用 总 线 网 结 构 : 接 入 方 便, 组 网 灵 活 ; 逻 辑 上 采 用 环 网 方 式 工 作 : 无 冲 突, 发 送 时 延 有 上 限, 可 灵 活 定 义 节 点 在 环 上 的 次 序 ; 令 牌 传 递 的 顺 序 : 与 各 站 物 理 位 置 无 关, 却 沿 预 定 义 的 逻 辑 环 进 行 802.3 以 太 网 802.4 802.5 令 牌 网 三 种 典 型 的 局 域 网 冲 突 有 无 时 延 上 限 无 有 支 持 实 时 业 务 No Yes 适 用 场 合 轻 载 重 载 市 场 成 功 失 败 局 域 网 扩 展 什 么 情 况 下 需 要 扩 展? 网 络 范 围 扩 大 更 多 的 站 点 加 入 网 络 多 个 独 立 的 局 域 网 进 行 互 联 如 何 扩 展? 不 同 层 次 上 使 用 不 同 的 设 备 各 层 网 络 扩 展 所 用 到 的 设 备 OSI 层 次 传 输 层 及 以 上 网 络 层 地 址 类 型 应 用 程 序 进 程 地 址 ( 端 口 ) 网 络 地 址 (IP 地 址 ) 物 理 地 址 (MC 地 址 ) 无 设 备 网 关 ( 协 议 转 换 器 ) 路 由 器 ( 三 层 交 换 机 ) 网 桥 交 换 机 中 继 器 集 线 器 ( 网 卡 ) 在 上 进 行 局 域 网 扩 展 设 备 : 总 线 网 : 中 继 器 星 形 网 : 集 线 器 特 点 : 一 个 网 段 上 的 信 号 不 加 选 择 地 被 复 制 到 另 一 个 网 段 ; 扩 展 后 的 网 络 仍 是 一 个 冲 突 域 优 缺 点 : 简 单 成 本 低 网 络 规 模 不 能 太 大 站 点 数 量 : 冲 突 随 站 点 数 量 的 增 多 而 变 得 越 来 越 严 重 只 能 互 联 相 同 类 型 的 网 络 中 继 器 ( 集 线 器 ) 的 位 置 主 机 1 主 机 2 应 用 层 传 输 层 互 连 网 层 中 继 器 PHY 应 用 层 传 输 层 互 连 网 层 网 段 1 网 段 2 4
1. 中 继 器 (Repeater) 工 作 在 功 能 : 由 于 信 号 在 信 道 中 的 传 播 存 在 衰 减, 为 了 扩 展 网 络 的 作 用 距 离, 中 继 器 将 信 号 整 形 和 放 大 ( 即 再 生 ), 在 网 段 之 间 复 制 比 特 流 特 点 : 不 进 行 存 储 信 号 延 迟 小 不 检 查 错 误 会 扩 散 错 误 不 对 信 息 进 行 任 何 过 滤 Repeater 用 中 继 器 连 接 的 多 个 网 段 是 一 个 冲 突 域 2. 集 线 器 (Hub) 多 端 口 的 中 继 器, 工 作 在 功 能 : 在 网 段 之 间 复 制 比 特 流, 信 号 整 形 和 放 大 可 认 为 它 是 将 总 线 折 叠 到 铁 盒 子 中 的 集 中 连 接 设 备 特 点 : 具 有 与 中 继 器 同 样 的 特 点 所 连 接 的 网 络 在 物 理 上 是 星 形 网 逻 辑 上 仍 是 一 个 总 线 型 共 享 介 质 网 络 集 线 器 网 络 的 特 点 所 有 主 机 共 享 带 宽 : 每 用 户 等 效 带 宽 =1/N 总 线 带 宽 不 隔 离 冲 突 域 : 任 意 LN 网 段 中 的 结 点 都 可 能 与 其 他 网 段 中 的 结 点 发 生 冲 突 集 线 器 可 以 按 照 层 次 结 构 级 联, 把 骨 干 (backbone ) 集 线 器 置 顶 端 多 层 结 构 的 吞 吐 量 实 际 与 单 个 网 段 相 同 不 能 连 接 不 同 类 型 的 以 太 网 (e.g., 10Base 和 100base) 10/100M 自 适 应 集 线 器 传 输 速 度 自 适 应 内 部 有 两 个 网 段 :10M 和 100M, 集 线 器 根 据 连 接 速 度 将 主 机 连 接 到 不 同 网 段 上 网 段 之 间 用 交 换 方 式 连 接 保 护 投 资, 便 于 升 级 普 通 的 集 线 器 又 通 常 称 为 Share Hub; 交 换 机 则 通 常 称 为 Switch Hub 在 上 进 行 局 域 网 扩 展 设 备 : 网 桥 交 换 机 特 点 : 一 个 网 段 上 的 帧 有 条 件 地 被 转 发 到 另 一 个 网 段 ; 扩 展 后 的 网 络 被 网 桥 / 交 换 机 隔 离 成 多 个 冲 突 域 ; 扩 展 后 的 网 络 仍 是 一 个 广 播 域 优 缺 点 : 冲 突 被 限 制 在 小 范 围 内 ; 时 延 增 大, 转 发 速 度 有 所 降 低 ; 不 能 隔 离 广 播 帧 网 桥 ( 交 换 机 ) 的 位 置 主 机 1 主 机 2 应 用 层 传 输 层 互 连 网 层 网 桥 DL 应 用 层 传 输 层 互 连 网 层 PHY PHY 网 段 1 网 段 2 5
网 桥 的 工 作 原 理 :( 以 透 明 网 桥 为 例 ) 基 于 站 表 的 存 储 查 表 转 发 站 表 主 要 由 端 口 号 和 站 点 MC 地 址 组 成 异 网 段 : 交 换 ( 转 发 ); 同 网 段 : 过 滤 ( 丢 弃 ) 未 知 帧 : 洪 泛 ( 广 播 ) 网 桥 的 功 能 功 能 : 连 接 功 能 : 同 构 网 互 连 ( 类 似 转 发 器 ) 异 构 网 互 连 : 可 实 现 不 同 类 型 的 LN 互 连 ; 隔 离 功 能 : 隔 离 故 障 : 能 够 隔 离 错 误 帧, 不 会 使 错 误 扩 散 ; 隔 离 了 通 信 量 : 限 制 了 冲 突 域 的 范 围 ; 使 得 网 络 的 最 大 总 吞 吐 量 提 高, 每 用 户 等 效 带 宽 增 大 缺 点 : 无 法 控 制 广 播 ; 使 用 存 储 转 发 方 式, 带 来 时 延 ; 负 载 重 时 存 储 区 可 能 溢 出, 从 而 出 现 丢 帧 现 象 网 桥 分 隔 了 冲 突 域 网 桥 路 由 算 法 独 立 的 冲 突 域 网 段 1 冲 突 域 / 广 播 域 网 桥 或 网 络 交 换 机 广 播 域 网 段 2 总 带 宽 : BW 结 点 带 宽 : BW/8 总 带 宽 : BW*2 结 点 带 宽 : BW/4 独 立 的 冲 突 域 根 据 路 径 选 择 方 法, 有 两 种 网 桥 : 透 明 网 桥 (ransparency Bridge): 由 网 桥 负 责 路 由 选 择, 依 据 站 表 完 成 帧 的 转 发 网 桥 和 路 由 对 站 点 透 明, 以 太 网 中 最 常 用 ( 类 比 :mail) Problems: 站 表 的 生 成 ( 刚 加 电 时 站 表 为 空 ); 未 知 帧 ( 宿 站 地 址 在 站 表 中 未 记 录 ) 的 转 发 ; 源 选 径 网 桥 (Source Routing Bridge): 由 源 站 点 自 行 负 责 路 由 选 择, 从 而 网 桥 的 设 计 可 以 变 得 简 单 ( 类 比 :messenger) 交 换 机 只 能 分 隔 冲 突 域, 但 不 能 分 隔 广 播 域 反 向 学 习 法 网 桥 的 自 学 假 设 C 给 D 发 送 帧, D 随 后 对 C 做 出 应 答 C 发 送 帧, 网 桥 没 有 D 的 资 料, 因 此 在 端 口 2,3 进 行 广 播 网 桥 注 意 到 C 来 自 1# 端 口, 故 将 该 信 息 追 加 入 站 表 D 可 以 接 收 到 该 帧 D 发 送 出 给 C 的 应 答 网 桥 已 知 C 在 1# 接 口 上, 所 以 有 选 择 的 通 过 1# 接 口 转 发, 无 需 再 进 行 广 播 每 个 表 项 的 生 存 期 都 是 有 限 的 : 在 一 段 时 间 内 未 收 到 以 同 一 MC 地 址 为 源 地 址 的 报 文 时, 该 表 项 被 删 除, 以 适 应 网 络 拓 扑 的 变 化 透 明 网 桥 的 路 由 算 法 If 信 宿 LN 地 址 与 接 收 到 的 帧 处 于 同 一 网 段 then 丢 弃 该 帧 ; else { 查 询 站 表 if 发 现 了 信 宿 的 条 目 then 按 条 目 所 指 的 接 口 进 行 转 发 ; else 泛 洪 (flood); /* 在 除 了 接 收 该 帧 的 接 口 以 外 的 所 有 接 口 上 进 行 广 播 */ } if 站 表 中 不 存 在 记 录 源 站 地 址 的 条 目 then 将 源 站 加 入 站 表 中 ; 6
源 选 径 网 桥 (Source Routing Bridge): 由 源 站 点 负 责 路 由 选 择, 并 把 路 由 信 息 记 录 在 帧 的 首 部 每 站 应 保 有 全 网 的 拓 扑 信 息 选 择 最 佳 路 径 的 算 法 MC 地 址 中 的 I/G 比 特 的 重 用 : 源 MC 地 址 的 I/G=1 指 示 路 由 信 息 字 段 的 引 入 将 路 由 表 插 入 到 源 地 址 与 类 型 字 段 之 间 透 明 网 桥 和 源 选 径 网 桥 的 比 较 服 务 类 型 透 明 性 配 置 管 理 最 佳 路 由 路 由 的 确 定 故 障 处 理 及 拓 扑 变 化 复 杂 性 及 开 销 透 明 网 桥 无 连 接 完 全 透 明 自 动 配 置, 容 易 管 理 不 一 定 最 优 逆 向 学 习 网 桥 负 责 网 桥 负 担 源 选 径 网 桥 面 向 连 接 不 透 明 人 工 配 置 优 化 探 测 帧 主 机 负 责 主 机 负 担 多 端 口 网 桥 : 以 太 网 交 换 机 交 换 : 可 同 时 实 现 -to- B 和 -to-b 的 数 据 传 输, 不 会 产 生 冲 突 接 口 数 量 较 多 一 般 情 况 : 各 个 主 机, 呈 星 状 同 交 换 机 连 接 交 换 机 的 特 点 交 换 机 通 过 内 部 的 交 换 矩 阵 把 网 络 划 分 为 多 个 网 段 每 个 端 口 为 一 个 冲 突 域 ; 交 换 机 能 够 同 时 在 多 对 端 口 间 无 冲 突 地 交 换 帧 依 托 于 CPU 的 时 间 片 轮 转 高 速 连 接 设 备 带 来 高 带 宽 交 换 网 络 的 带 宽 若 交 换 机 每 个 端 口 带 宽 为 BW, 则 交 换 机 构 成 的 网 络 网 络 总 带 宽 = BW*n n=8,bw=10mb/s 时, 网 络 总 带 宽 最 高 可 达 80Mb/s; 连 接 到 交 换 机 端 口 上 的 每 台 计 算 机 的 带 宽 为 10Mb/s 比 较 : 10Mb/s 的 8 口 集 线 器 构 成 的 网 络 ( 连 接 了 8 台 计 算 机 ) 网 络 总 带 宽 仍 为 10Mb/s ; 网 络 中 每 台 计 算 机 的 带 宽 为 1.25Mb/s 网 络 交 换 机 和 网 桥 属 同 一 类 设 备, 工 作 在 上 但 网 络 交 换 机 的 端 口 数 多 在 这 个 意 义 上, 网 络 交 换 机 可 看 作 是 多 端 口 的 网 桥 交 换 机 比 网 桥 优 越 的 地 方 : 能 解 决 网 络 主 干 上 的 通 信 拥 挤 问 题 ; 端 口 密 度 高, 一 台 交 换 机 可 连 接 多 个 网 段, 降 低 了 组 网 成 本 工 作 原 理 与 网 桥 类 似 : 学 习 源 地 址 ( 构 造 转 发 表 ) 过 滤 本 网 段 帧 ( 隔 离 冲 突 域 ) 转 发 异 网 段 帧 ( 交 换 ) 广 播 未 知 帧 ( 寻 找 目 的 站 点 ) 7
网 络 交 换 机 的 应 用 场 合 作 为 LN 核 心 主 干 连 接 设 备, 如 网 络 中 心 数 据 中 心 等 ; 网 络 通 信 流 量 很 大 的 应 用 场 合, 如 图 像 处 理 视 频 流 等 ; 对 网 络 响 应 速 度 要 求 比 较 高 的 场 合 以 网 桥 / 交 换 机 为 核 心 的 网 络 的 特 点 每 个 网 段 独 享 带 宽 最 佳 可 达 到 每 台 主 机 独 享 带 宽 可 以 限 制 冲 突, 但 不 能 限 制 广 播 适 用 于 小 型 网 络 到 大 型 园 区 网 络 组 网 实 例 用 集 线 器 搭 建 简 单 的 网 络 以 1 台 服 务 器,3 台 PC 机 为 例 : 一 台 4 块 UP 接 口 的 网 卡 4 台 PC 机 8 个 RJ45 接 头 ( 水 晶 头 ) 若 干 米 UP 双 绞 线 服 务 器 PC 机 UP NIC 交 换 机 组 网 实 例 ( 以 100/10Mbps 交 换 机 为 例 ): (1) 端 口 下 接 站 点 : 站 点 独 占 10Mb/s 带 宽 (2) 端 口 下 接 网 段 : 网 段 中 所 有 站 点 共 享 10Mb/s 带 宽 (3) 上 行 端 口 : 连 接 主 要 共 享 资 源 - 服 务 器 100Mb/s 网 络 交 换 机 Switch 独 享 100M Shared 实 际 中 的 组 网 Dedicated 独 享 10M 共 享 10M 共 享 10M Intranet 组 网 实 例 交 大 计 教 中 心 ( 东 区 ) 网 络 结 构 示 意 图 校 园 网 千 兆 主 干 交 换 机 服 务 器 二 级 交 换 机 机 房 计 算 机 1000Mb/s Fiber 100Mb/s UP 10Mb/s UP 100Mb/s UP ( 连 接 校 园 网 ) 8