計算機網(wǎng)絡技術教程 第7章

1、,計算機網(wǎng)絡技術教程—自頂向下的分析與設計方法吳功宜 吳英編著,1,,第7章 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議及編程方法,2,3,主要內(nèi)容,,,,7.1 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念,7.1.1 物理線路與數(shù)據(jù)鏈路物理線路與數(shù)據(jù)鏈路的關系,4,,7.1.2 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能,鏈路管理幀同步流量控制,差錯控制透明傳輸尋址,5,7.1.3 數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡層提供的服務,設立數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的是將存在數(shù)據(jù)傳輸差錯的物理線路變

2、為對于網(wǎng)絡層來說是無差錯的數(shù)據(jù)鏈路；數(shù)據(jù)鏈路層提供：鏈路管理、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能； 數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡層提供的服務表現(xiàn)在：正確傳輸網(wǎng)絡層的用戶數(shù)據(jù)；向網(wǎng)絡層屏蔽物理層采用傳輸技術的差異性。,6,7.2 差錯產(chǎn)生與差錯控制方法,7.2.1 設計數(shù)據(jù)鏈路層的原因7.2.2 差錯產(chǎn)生的原因與類型,7,7.2.3 誤碼率的定義,誤碼率是指二進制比特序列在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率；在數(shù)值上近似等于：

3、Pe = Ne/N；其中：N為傳輸?shù)亩M制比特總數(shù)，Ne為被傳錯的比特數(shù)。,8,理解誤碼率的定義應該注意的幾個問題：,誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)；對于一個實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低就越好，要根據(jù)實際傳輸要求提出誤碼率要求；對于實際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌M制位，需要折合成二進制位來計算；差錯的出現(xiàn)具有隨機性，在實際測量一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進制位數(shù)越大，才會越接

4、近真正的誤碼率值。,9,7.2.4 檢錯碼與糾錯碼,差錯控制—在通信通信過程中能夠自動檢測出錯 誤并進行糾正的方法；差錯控制有兩種基本的方案：糾錯碼：為每個分組加上足夠多的冗余信息， 接收方能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯；檢錯碼：為每個分組加上一定的冗余信息，接 收方能發(fā)現(xiàn)傳輸差錯，但是自己不能

5、 糾正，必須通過重發(fā)機制來解決。,10,7.2.5 循環(huán)冗余編碼工作原理,,11,標準的CRC生成多項式：,CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CCITT G(x)=x16+x12+x5+1CRC-32 G(x)=x32+x26+x23+x22+

6、x16+x12+x11+x10+x8 +x7+x5+x4+x2+x+1,12,CRC校驗的工作過程,發(fā)送方生成數(shù)據(jù)多項式f(x)·xK，其中K 為生成多項式的最高冪N值減1；將f(x)·xK除以生成多項式G（x），得f(x)·xK/G(x)=Q(x)+R(x)/G(x)。其中，式中R(x)為余數(shù)多項式；將f(x)·xK+R(x)作為整體，從發(fā)送方通過通信信道

7、傳送到接收方；接收方對多項式f′(x)采用同樣的運算， f ′(x)·xK/G(x)=Q(x)+ R′(x)/G(x)，求得余數(shù)多項式 R′(x)；根據(jù)計算余數(shù)多項式R′(x)是否等于接收余數(shù)多項式R(x)判斷是否出現(xiàn)錯誤。,13,CRC檢錯方法的特點,CRC校驗碼的檢錯能力很強，它除了能檢查出離散錯，還能檢查出突發(fā)錯；CRC校驗碼具有以下檢錯能力：CRC校驗碼能檢查出全部單個錯；CRC校驗

8、碼能檢查出全部離散的二位錯；CRC校驗碼能檢查出全部奇數(shù)個錯；CRC校驗碼能檢查出全部長度小于或等于K位突發(fā)錯；CRC校驗碼能以［1-(1/2)K-1］的概率檢查出長度為K+1位的突發(fā)錯。,14,7.2.6 差錯控制機制,反饋重發(fā)（ARQ）糾錯：收發(fā)雙方在發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤時，采用反饋和重發(fā)的方法來糾正錯誤；反饋重發(fā)糾錯的實現(xiàn)機制：,15,,7.3 面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,7.3.1 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的分類面向字符型面向比特

9、型7.3.2 面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議利用已定義好的一種標準字編碼（如ACSII碼）的一個子集來執(zhí)行通信控制功能；典型的面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是二進制同步通信（BSC）協(xié)議。,16,面向字符型協(xié)議實例—BSC協(xié)議,BSC協(xié)議中使用的控制字符,17,數(shù)據(jù)報文格式,,18,,,面向字符型協(xié)議執(zhí)行過程,19,,7.4 面向比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例—HDLC協(xié)議,7.4.1 HDLC協(xié)議產(chǎn)生的背景面向字符

10、型鏈路控制協(xié)議的缺點：控制報文與數(shù)據(jù)報文的格式不一致；通信雙方只能交替工作，協(xié)議效率低，通信線路的利用率低；協(xié)議只對數(shù)據(jù)部分進行差錯控制，如果控制字符出錯無法控制，系統(tǒng)可靠性較差。系統(tǒng)每增加一種新的功能，需要設定一個新的控制字符，因此功能擴展困難。,20,7.4.2 數(shù)據(jù)鏈路的配置方式和數(shù)據(jù)傳送方式,非平衡配置方式：主站從站非平衡配置兩種類型：點對點方式多點方式非平衡配置兩種數(shù)據(jù)傳送方式：正常響應模式（NRM）

11、異步響應模式（ARM）,21,7.4.3 HDLC的幀結(jié)構(gòu),標志字段F幀同步是指如何從接收到的比特流中正確判斷一個幀開始和結(jié)束的位置；HDLC規(guī)定標志字段F（flag）就是幀的開始與結(jié)束的標記；標志字段F為“011111110”特定的比特序列。,22,,HDLC幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍员ＷC措施,0比特插入/刪除方法,23,,地址字段A當使用非平衡方式傳送數(shù)據(jù)時，地址字段總是填入從站地址；當使用平衡方式傳送數(shù)據(jù)時，地址字段填入應答

12、站地址；如果地址字段為全1時，表示為廣播地址，則要求網(wǎng)中所有站都要接收該幀。,24,HDLC控制字段結(jié)構(gòu),HDLC幀分為：信息幀：I（information）幀監(jiān)控幀：S（supervisory）幀無編號幀：U（unnumbered）幀,25,,,信息字段I由于采用了0比特插入/刪除方法，信息字段允許任意的二進制比特序列的組合；信息字段僅出現(xiàn)在信息幀（I幀）與無編號幀（U幀）中，它是網(wǎng)絡層的用戶數(shù)據(jù)。幀校驗字段FCSH

13、DLC采用CRC校驗方式，生成多項式采用CRC-CCITT（即X16+X12+X5+1）；CRC校驗的范圍是A、C、I字段。,26,信息幀,發(fā)送序號N（S）與接收序號N（R）的意義N（S）表示當前發(fā)送的信息幀的序號；N（R）表示該站已正確接收序號為 [N（R）-1]的幀及以前各幀，通知發(fā)送站應發(fā)送序號為N（R）的幀；N（R）帶有捎帶確認的意義；全雙工通信中，通信雙方各有自己的N（S）和N（R）序列值。,27,探

14、詢/終止位的意義,控制字段C的b4為探詢/終止（poll/final）位，簡稱為P/F位；對于正常響應模式NRM，只有主站向從站發(fā)出“探詢”后，從站才能向主站發(fā)送信息幀，這時主站置探詢位P=1，從站在接收的信息幀中檢查出P=1時，如果從站有幀要發(fā)送就可以向主站發(fā)送；發(fā)送的最后一幀要置終止位F=1，表示從站此次發(fā)送結(jié)束；P=1與F=1在幀交換過程中應成對出現(xiàn)。,28,監(jiān)控幀,監(jiān)控幀共有4種，取決于b2、b3的取值；,29,無編號幀,

15、無編號幀格式與鏈路控制功能,30,,7.4.4 數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程,信息幀的簡化結(jié)構(gòu),31,,,信息幀的例子無編號幀的表示方法SNRM幀與UA幀的表示方法,32,,,,,正常響應模式工作過程,33,,7.4.5 數(shù)據(jù)鏈路層與物理層的關系,,34,7.5 數(shù)據(jù)鏈路層滑動窗口協(xié)議及幀傳輸效率分析,7.5.1 數(shù)據(jù)鏈路層滑動窗口協(xié)議的分類,35,7.5.2 單幀停止等待ARQ協(xié)議,ARQ實現(xiàn)方法主

16、要有兩種：單幀的停止等待方式多幀連續(xù)發(fā)送方式單幀停止等待ARQ協(xié)議執(zhí)行過程：,36,,單幀停止等待ARQ協(xié)議效率的分析,停止等待ARQ協(xié)議的幀傳輸過程,37,幀傳輸總延時分析,傳播延時：發(fā)送方將表示數(shù)據(jù)的電信號經(jīng)過傳輸介質(zhì)傳播到接收方時需要的傳播時間；數(shù)值上等于傳輸介質(zhì)的長度除電磁波傳播速度；計算中將傳播延時記為tp；發(fā)送延時幀發(fā)送所需的時間，數(shù)值等于發(fā)送速率除幀長度；如果發(fā)送速率不變，幀越長所需的發(fā)送延時越長；t

17、f和ta表示數(shù)據(jù)幀1與確認幀ACK的發(fā)送延時；,38,,處理延時當接收方接收到一個數(shù)據(jù)幀時，需要檢查數(shù)據(jù)幀的幀頭地址、校驗字段，以確定幀傳輸是否正確；當接收方接收到一個確認幀，同樣需要進行檢查；結(jié)點對數(shù)據(jù)幀處理的時間與對確認幀處理的時間稱為處理延時；為了簡化計算，分析幀傳輸總延時忽略結(jié)點對數(shù)據(jù)幀處理時間與對確認幀處理時間的細微區(qū)別，統(tǒng)一將數(shù)據(jù)幀處理延時和確認幀處理延時記為tpr。,39,,理想狀態(tài)下，幀傳輸總延時為：tT=tp+

18、tf+tpr+ta+tp+tpr=2tp+2tpr+tf+ta 簡化：結(jié)點對幀的處理延時tpr小于幀發(fā)送延時tf與傳播延時tp，tpr可以忽略；確認幀通常很短，確認幀ACK的發(fā)送延時ta可以忽略；簡化后的幀傳輸總延時為：tT≈tf+ 2tp 假設：α=傳播延時/發(fā)送延時= tp／tfU=1／1+ 2α,40,討論,影響協(xié)議效率的因素如果電磁波在有線傳輸介質(zhì)中，例如電纜中傳播速度約為空間電磁波的2/3，空間電磁波傳播速度

19、為為3×108(m／s)，則在電纜中傳播速度約為2×108(m/s)。如果連接收發(fā)雙方的傳輸介質(zhì)長度為1000m，則傳輸延時tp約等于5.0×10-6(s)；如果一個數(shù)據(jù)幀的長度為100bit，結(jié)點的發(fā)送速率為10Mbps，則發(fā)送延時tf等于8×10-5 s；α1=tp／tf=5.0×10-6/1.0×10-5=0.50U1=1／（1+ 2×0. 50）＝ 0

20、.50,41,,推論：在保持tf+ 2tp時間內(nèi)不出現(xiàn)差錯的條件下，連續(xù)發(fā)送多個幀，可以提高ARQ協(xié)議的傳輸效率。,42,,7.5.3 多幀連續(xù)發(fā)送協(xié)議,43,,,滑動窗口控制流量的工作原理,44,滑動窗口控制機制對幀傳輸出錯的處理,選擇重發(fā)糾錯滑動窗口控制過程,45,7.6 PPP協(xié)議,7.6.1 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議PPP協(xié)議的特點不使用幀序號，不提供流量控制功能;只支持點-點連接，不支持點-多點連接;只支持全

21、雙工通信，不支持單工與半雙工通信;可以支持異步、串行通信，也可以支持同步、并行傳輸。,46,,PPP協(xié)議是大多數(shù)個人計算機和ISP之間使用的協(xié)議，它在高速廣域網(wǎng)上也有一定的應用;PPP協(xié)議不僅用于撥號電話線上，在路由器之間的專用線路上也得到廣泛應用。,47,7.6.2 PPP協(xié)議的基本內(nèi)容,PPP協(xié)議的基本功能用于串行鏈路的基于HDLC數(shù)據(jù)幀封裝機制;鏈路控制協(xié)議（LCP）用于建立、配置、管理和測試數(shù)據(jù)鏈路連接;網(wǎng)絡

22、控制協(xié)議（NCP）用于建立和配置不同的網(wǎng)絡層協(xié)議。,48,PPP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu),PPP協(xié)議的幀分為：PPP信息幀PPP鏈路控制幀PPP網(wǎng)絡控制幀,49,PPP信息幀,PPP信息幀的格式標志字段標志字節(jié)長度為1字節(jié)，用于比特流的同步;值為“7E” （01111110）;地址字段地址字段長度為1字節(jié);值為“FF”(11111111)。,50,,,控制字段控制字段長度為1字節(jié);值為“03”（00000011）;協(xié)

23、議字段協(xié)議字段長度為2字節(jié);標識網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)域的類型;0021H表示TCP/IP;信息字段信息字段長度可變;最長為1500字節(jié);,51,,幀校驗字段字段幀校驗字段長度為2字節(jié);用于保證數(shù)據(jù)的完整性。,52,PPP協(xié)議保證幀傳輸“透明性”問題的方法：,RFC1662定義了在用于異步通信中的轉(zhuǎn)義字符是“0x7D”，并且使用字節(jié)填充。字節(jié)填充規(guī)則：在信息字段中出現(xiàn)的每一個“0x7E”字節(jié)，要轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)“0x7D 0

24、x5E”；在信息字段中出現(xiàn)的每一個“0x7D”字節(jié)，要轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)“0x7D 0x5D”；在信息字段中出現(xiàn)ASCII中控制字符（即數(shù)值小于0x20）時，在該字符前加一個“0x7D”字節(jié)，同時改變該字節(jié)，例如傳輸結(jié)束“ETX”（0x03），轉(zhuǎn)換后的雙字節(jié)是“0x7D 0x31”；由于在發(fā)送端進行字節(jié)填充，接收端需要檢測并還原成填充前的數(shù)據(jù)。,53,PPP 鏈路控制幀,PPP鏈路控制幀的格式PPP協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路選項主要包括：

25、鏈路控制幀可以用來與對方進行協(xié)商，異步鏈路中將什么字符當做轉(zhuǎn)義字符；為了提高線路的利用率，鏈路控制幀可以用來與對方協(xié)商，是否可以不傳輸標志字節(jié)或地址字節(jié)，并將協(xié)議字段從2字節(jié)縮短為1字節(jié)；如果在線路建立期間，收發(fā)雙方不使用鏈路控制協(xié)商，固定的數(shù)據(jù)字段長度為1500B。,54,,PPP網(wǎng)絡控制幀,PPP網(wǎng)絡控制幀的格式網(wǎng)絡控制幀可以用來協(xié)商是否采用報頭壓縮CSLIP協(xié)議，也可用來動態(tài)協(xié)商確定鏈路每端的IP地址。,55,,7.

26、7 Ethernet工作原理與局域網(wǎng)組網(wǎng),7.7.1 IEEE 802參考模型IEEE 802與OSI參考模型的對應關系,56,,簡化的IEEE 802協(xié)議結(jié)構(gòu),,57,,IEEE 802去標準可以分為3類：,定義局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡互聯(lián)，以及網(wǎng)絡管理與性能測試的802.1標準；定義邏輯鏈路控制LLC子層功能與服務的802.2標準；定義不同介質(zhì)訪問控制技術的相關標準；,58,目前主要的IEEE 802標準,802.3標準：定

27、義CSMA/CD總線介質(zhì)訪問控制子層與物理層標準；802.11標準：定義無線局域網(wǎng)訪問控制子層與物理層的標準；802.15標準：定義近距離個人無線網(wǎng)絡訪問控制子層與物理層的標準；802.16標準：定義寬帶無線城域網(wǎng)訪問控制子層與物理層的標準；,59,7.7.2 Ethernet基本工作原理,CSMA/CD的工作過程,60,,CSMA/CD的發(fā)送流程要點：先聽后發(fā)邊聽邊發(fā)沖突停止延遲重發(fā),61,Ethernet數(shù)據(jù)發(fā)送

28、流程,,62,,載波偵聽過程,總線電平跳變與總線忙閑狀態(tài)的判斷,63,,沖突檢測方法,沖突窗口的概念,64,,曼徹斯特編碼信號的波形疊加,,65,,Ethernet協(xié)議標準規(guī)定的沖突窗口值,在Ethernet協(xié)議標準中，規(guī)定的沖突窗口（collision window）長度為51.2µs；Ethernet的數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbps，沖突窗口的51.2µs可以發(fā)送512bit（64B）數(shù)據(jù)，64B是Etherne

29、t的最短幀長度；當一個結(jié)點發(fā)送一個最短幀，或一個長幀的前64個字節(jié)數(shù)據(jù)時沒有發(fā)現(xiàn)沖突，則表示該結(jié)點已經(jīng)獨自獲得總線發(fā)送權，并可以繼續(xù)發(fā)送后續(xù)的字節(jié)。,66,發(fā)現(xiàn)沖突、停止發(fā)送,如果在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中檢測出沖突，為了解決信道爭用沖突，發(fā)送結(jié)點要進入停止發(fā)送數(shù)據(jù)、隨機延遲后重發(fā)的流程；隨機延遲重發(fā)的第一步是發(fā)送“沖突加強信號”。發(fā)送沖突加強信號的目的是確保有足夠的沖突持續(xù)時間，使網(wǎng)中所有結(jié)點都能檢測出沖突存在，立即丟棄沖突幀，減少由于沖突

30、浪費的時間，提高信道利用率。,67,隨機延遲重發(fā),Ethernet協(xié)議規(guī)定一個幀的最大重發(fā)次數(shù)為16；CSMA/CD后退延遲算法是截止二進制指數(shù)后退延遲算法；該算法可以表示為：τ＝2k×R×a。其中，τ為重新發(fā)送所需的后退延遲時間，a為沖突窗口值，R為隨機數(shù)。結(jié)點重發(fā)后退的延遲時間是沖突窗口值的整數(shù)倍，并與以沖突次數(shù)為二進制指數(shù)的冪值成正比。,68,,為了避免延遲過長，截止二進制指數(shù)后退延遲算法限定作為二進制指

31、數(shù)k的范圍，定義為k=min（n，10）；在n10時，重發(fā)延遲時間不再增長；由于限制了二進制的指數(shù)k的范圍，則第n次重發(fā)延遲分布在0與〔2 min（n，10）-1〕個時間片內(nèi)，最大可能延遲時間為1023個時間片。,69,Ethernet幀結(jié)構(gòu),前導碼與幀前定界符字段前導碼由56位（7B）的10101010…101010比特序列組成；幀前定界符可以視為前導碼的延續(xù)。1字節(jié)的幀前定界符結(jié)構(gòu)為10101011；前導碼與幀前定界符主要

32、用于接收同步階段。；8個字節(jié)的前導碼與幀前定界符在接收后不需要保留，也不計入幀頭長度中。,70,,,目的地址和源地址字段目的地址與源地址分別表示幀的接收結(jié)點與發(fā)送結(jié)點的硬件地址；硬件地址通常稱為MAC地址、物理地址或Ethernet地址。地址長度為6B（48bit）；目的地址可以是單一結(jié)點的單播地址、多播地址與廣播地址等3類；目的地址的第1位為0表示單一結(jié)點地址，該幀只被與目的地址相同的結(jié)點所接收；目的地址的第1位為1表示多點

33、地址，該幀只被一組結(jié)點所接收；目的地址為全1表示是廣播地址，該幀將被所有的結(jié)點接收。,71,,類型字段類型字段表示的是網(wǎng)絡層使用的協(xié)議類型；類型字段值等于0x0800時，表示網(wǎng)絡層使用IP協(xié)議；數(shù)據(jù)字段數(shù)據(jù)字段是高層待發(fā)送的數(shù)據(jù)部分；數(shù)據(jù)字段最小長度為46B，如果幀的數(shù)據(jù)字段值小于46B，則將它填充至46B；填充字符是任意的，不計入長度字段值中；數(shù)據(jù)字段最大長度為1500B；Ethernet幀最小長度為64B，最大長度為1

34、518B；幀校驗字段采用32位的CRC校驗；CRC校驗的范圍是：目的地址、源地址、長度、LLC數(shù)據(jù)等字段。,72,Ethernet接收流程,,73,,7.7.3 Ethernet網(wǎng)卡設計與物理地址,Ethernet網(wǎng)卡設計方法,74,Ethernet網(wǎng)卡結(jié)構(gòu),,75,,Ethernet物理地址,Ethernet物理地址長度為48位，每一塊網(wǎng)卡有一個固定不變的物理地址；IEEE注冊管理委員會為每個網(wǎng)卡生產(chǎn)商分配Ethernet

35、物理地址的前三字節(jié)，即公司標識也稱為機構(gòu)惟一標識符；后面三字節(jié)由網(wǎng)卡的廠商自行分配；在網(wǎng)卡生產(chǎn)過程中，將該地址寫入網(wǎng)卡的只讀存儲器 （EPROM）；如果網(wǎng)卡的物理地址是00-60-08-00-A6-38，那么不管它連接在哪個具體的局域網(wǎng)中，其物理地址都是不變的；世界上沒有任何兩塊網(wǎng)卡的Ethernet物理地址是相同的。,76,,Ethernet物理地址的十六進制與二進制表示方法,,77,,7.8 高速以太網(wǎng)工作原理,7.8

36、.1 快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbps；保留著傳統(tǒng)的10Mbps速率Ethernet的基本特征，即相同的幀格式、最小幀長度、介質(zhì)訪問控制方法與組網(wǎng)方法；1995年9月，IEEE 802委員會正式批準Fast Ethernet標準—IEEE 802.3u。,78,Fast Ethernet的協(xié)議結(jié)構(gòu),,79,,100ASE-T的物理層標準,100BASE-TX支持2對5類非屏蔽雙絞線UT

37、P或2對1類屏蔽雙絞線STP；一對雙絞線用于發(fā)送，另一對雙絞線用于接收；全雙工系統(tǒng)，可同時以100Mbps速率發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。100BASE-T4100BASE-T4支持4對3類非屏蔽雙絞線UTP，其中3對用于數(shù)據(jù)傳輸，1對用于沖突檢測。100BASE-FX100BASE-FX支持2芯的多?；騿文９饫w；從結(jié)點到集線器的距離可以達到2km；全雙工系統(tǒng)。,80,10Mbps與100Mbps速率自動協(xié)商功能,Fast Ethe

38、rnet以速率自動協(xié)商機制來支持在一個局域網(wǎng)中10Mbps與100Mbps速率網(wǎng)卡共存的組網(wǎng)方式；速率自動協(xié)商機制的主要功能：自動確定遠端連接設備使用的是CSMA/CD的10Mbps工作模式，還是全雙工的100Mbps工作模式；向其它結(jié)點發(fā)布遠端連接設備的工作模式；與遠端連接設備交換工作模式相關參數(shù)，協(xié)調(diào)和確定雙方的工作模式；自動協(xié)商功能自動選擇共有的最高性能的工作模式。,81,,自動協(xié)商機制的功能是為鏈路兩端的設備選擇

39、10/100Mbps與半雙工/全雙工模式中共有的高性能工作模式，并在鏈路本地設備與遠端設備之間激活鏈路；自動協(xié)商功能只能用于使用雙絞線的Ethernet，并且規(guī)定自動協(xié)商過程需要在500ms內(nèi)完成；按工作模式性能從高到低，這些協(xié)議的優(yōu)先級從高到低的排序是： 100BASE-TX或100BASE-FX全雙工模式 100BASE-T4 100BASE-TX半雙工模式 10BASE-T全雙工模式

40、 10BASE-T半雙工模式,82,7.8.2 千兆以太網(wǎng),制定千兆以太網(wǎng)GE標準的工作是從1995年開始的；1995年11月，IEEE 802.3委員會成立了高速網(wǎng)研究組；1998年2月，IEEE 802委員會正式批準了GE標準—IEEE 802.3z。GE的傳輸速率比FE快10倍，它的數(shù)據(jù)傳輸速率達到了1000Mbps；GE保留著傳統(tǒng)的10Mbps速率Ethernet的基本特征，它們具有相同的幀格式、最小幀長度與類

41、似的組網(wǎng)方法，,83,GE的協(xié)議結(jié)構(gòu),,84,,,1000BASE-T標準定義千兆介質(zhì)專用接口（GMII），將MAC 子層與物理層分隔開，物理層實現(xiàn)1Gbps速率時傳輸介質(zhì)和信號編碼方式的變化不影響MAC子層；1000BASE-T物理層標準： 1000BASE-T：5類非屏蔽雙絞線，長度達到100m； 1000BASE-CX：屏蔽雙絞線，長度達到25m。 1000BASE-LX：單模光纖，長度達到3000m

42、。 1000BASE-SX：多模光纖，長度達到300～550m。,85,7.8.3 十千兆以太網(wǎng),在GE標準802.3z通過后不久，1999年3月IEEE成立高速研究組（HSSG），其任務是致力于十千兆以太網(wǎng)（10GE）技術與標準的研究；10GE標準由IEEE 8023ae委員會制定，正式標準在2002年完成。,86,10GE主要特點：,10GE的幀格式與10Mbps的Ethernet的幀格式基本相同；10GE仍保留802

43、.3標準對Ethernet最小幀長度和最大幀長度的規(guī)定；由于數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Gbps，傳輸介質(zhì)只使用光纖，可以應用于廣域網(wǎng)與城域網(wǎng)的范圍；10GE只工作在全雙工方式，因此不存在爭用問題，這就使10GE的傳輸距離不受沖突檢測的限制。,87,10GE的物理層協(xié)議,局域網(wǎng)物理層（LAN PHY）標準局域網(wǎng)物理層標準的數(shù)據(jù)傳輸速率是10Gbps，一個10GE交換機支持10個GE端口。廣域網(wǎng)物理層（WAN PHY）標準對于廣域網(wǎng)應用

44、，10GE使用光纖通道技術；10GE廣域網(wǎng)物理層采用光纖通道技術速率體系SONET/SDH的OC-192/STM-64的標準，速率為9.95328Gbps；10GEt幀將插入OC-192/STM-64幀的凈載荷區(qū)域中，與光纖通道傳輸系統(tǒng)相連接。,88,10GE應用前景,由于10GE技術的出現(xiàn)，Ethernet工作范圍已從校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)主流選型的局域網(wǎng)，擴大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；同樣規(guī)模的10GE造價只有SONET的1/5，只有ATM的

45、1/10；從10Mbps Ethernet到10Gbps Ethernet都使用相同的Ethernet幀格式，，簡化操作和管理，提高系統(tǒng)的效率；GE和10GE產(chǎn)品的問世，進一步提高Ethernet的市場占有率。,89,7.9 交換式局域網(wǎng)與虛擬局域網(wǎng)技術,7.9.1 交換式局域網(wǎng)技術局域網(wǎng)交換機結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖,90,,交換機的交換方式,交換方式的類型直接交換（cut through）存儲轉(zhuǎn)發(fā)（store and fo

46、rward）方式改進直接交換方式直接交換方式交換機只要接收并檢測到目的地址字段，立即將該幀轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不管數(shù)據(jù)是否出錯；幀出錯檢測任務由結(jié)點主機完成；這種交換方式的交換延遲時間短，但是缺乏差錯檢測能力。,91,,存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式交換機首先完整的接收發(fā)送幀，并先進行差錯檢測。如果接收幀正確，則根據(jù)幀目的地址確定輸出端口號，然后轉(zhuǎn)發(fā)出去；這種交換方式的優(yōu)點是具有幀差錯檢測能力，并支持不同輸入速率與輸出速率端口之間的幀轉(zhuǎn)發(fā)，缺點是

47、交換延遲時間將會增長。改進直接交換方式改進的直接交換方式則將二者結(jié)合起來，在接收到以太幀的前64字節(jié)后，判斷以太網(wǎng)幀的幀頭字段是否正確，如果正確則轉(zhuǎn)發(fā)出去；由于只對幀的地址字段與控制字段進行差錯檢測，因此交換延遲時間將會減少。,92,局域網(wǎng)交換機的性能參數(shù),最大轉(zhuǎn)發(fā)速率兩個端口之間每秒最多能轉(zhuǎn)發(fā)的幀數(shù)量；匯集轉(zhuǎn)發(fā)速率所有端口每秒可以轉(zhuǎn)發(fā)的最多幀數(shù)量；轉(zhuǎn)發(fā)等待時間交換機作出過濾或轉(zhuǎn)發(fā)決策需要的時間，它與交換機采用的交

48、換技術相關。,93,7.9.2 虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術,虛擬局域網(wǎng)并不是一種新型的局域網(wǎng)，是局域網(wǎng)向用戶提供的一種新的服務；虛擬局域網(wǎng)建立在交換技術的基礎上；局域網(wǎng)中的結(jié)點按工作性質(zhì)與需要，劃分成若干個“邏輯工作組”，則一個邏輯工作組就是一個虛擬網(wǎng)絡；邏輯工作組的組成不受結(jié)點所在網(wǎng)段物理位置的限制。,94,虛擬局域網(wǎng)的工作原理示意圖,,95,,7.10 Ethernet組網(wǎng)設備與組網(wǎng)方法,傳統(tǒng)Ethernet的物理層標準的

49、命名方法： IEEE 802.3 X Type-Y NameX表示數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為Mbps；Y表示網(wǎng)段的最大長度，單位為100m；Type表示傳輸方式是基帶還是頻帶；Name表示局域網(wǎng)的名稱。,96,集線器與10BASE-T 的Ethernet組網(wǎng),集線器（hub）集線器作為Ethernet中的中心連接設備時，所有結(jié)點通過非屏蔽雙絞線與集線器連接形成星型結(jié)構(gòu)；所以連接在一個集線器上

50、的主機屬于一個“沖突域”。,97,使用集線器與非屏蔽雙絞線的組網(wǎng)方法,使用集線器與非屏蔽雙絞線組網(wǎng)：單一集線器結(jié)構(gòu)多集線器級聯(lián)結(jié)構(gòu)堆疊式集線器結(jié)構(gòu)單一集線器結(jié)構(gòu)示意圖,98,,兩個集線器通過RJ-45端口的級聯(lián)結(jié)構(gòu)使用堆疊式集線器的結(jié)構(gòu),99,,,在設計GE網(wǎng)絡時，需要注意以下幾個問題:,在網(wǎng)絡主干部分通常使用高性能的GE主干交換機，以解決應用中的主干網(wǎng)絡帶寬的瓶頸問題;在網(wǎng)絡支干部分考慮使用價格與性能相對較低的GE

51、支干交換機，以滿足實際應用對網(wǎng)絡帶寬的需要；在樓層或部門一級，根據(jù)實際需要選擇100Mbps的FE交換機;在用戶端使用10/100Mbps網(wǎng)卡，將工作站連接到100Mbps的FE交換機。,100,典型的GE組網(wǎng)結(jié)構(gòu),,101,7.11 局域網(wǎng)互聯(lián)與網(wǎng)橋的基本工作原理,7.11.1 局域網(wǎng)互聯(lián)的基本概念兩個局域網(wǎng)通過網(wǎng)橋互聯(lián)的結(jié)構(gòu),102,7.11.2 網(wǎng)橋的層次結(jié)構(gòu),,103,,網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)示意圖,,104,,7.11.3 網(wǎng)

52、橋的路由選擇策略,透明網(wǎng)橋（transparent bridge）透明網(wǎng)橋由網(wǎng)橋自己決定路由選擇，局域網(wǎng)上的各結(jié)點不負責路由選擇，網(wǎng)橋?qū)τ诨ヂ?lián)的局域網(wǎng)中各結(jié)點來說“透明”；透明網(wǎng)橋常用在兩個使用相同MAC層協(xié)議的網(wǎng)段之間的互聯(lián)；例如，連接兩個Ethernet網(wǎng)或兩個令牌環(huán)網(wǎng)；透明網(wǎng)橋的最大優(yōu)點是容易安裝，它是一種即插即用設備。,105,生成樹算法,網(wǎng)橋互聯(lián)的環(huán)狀結(jié)構(gòu),106,,為了防止出現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)這種現(xiàn)象，透明網(wǎng)橋使用生成樹（s

53、panning tree）算法；為了建造生成樹，需要選擇一個網(wǎng)橋作為生成樹的根；按根到每個網(wǎng)橋的最短路徑來構(gòu)造生成樹，如果某個網(wǎng)橋或局域網(wǎng)失敗，則重新計算；算法建立從每個局域網(wǎng)到根的惟一路徑；該過程由生成樹算法軟件自動產(chǎn)生，拓撲結(jié)構(gòu)變化時將更新計算生成樹。,107,網(wǎng)絡拓撲與對應的生成樹,,108,,源路選網(wǎng)橋（source routing bridge）,源路選網(wǎng)橋由發(fā)送幀的源結(jié)點負責路由選擇，在發(fā)送幀時將詳細的路由信息放在幀

54、頭部；為了發(fā)現(xiàn)合適的路由，源結(jié)點以廣播方式向目的結(jié)點發(fā)送用于探測的發(fā)現(xiàn)幀；在傳送過程中，發(fā)現(xiàn)幀都記錄經(jīng)過的路由；當這些發(fā)現(xiàn)幀到達目的結(jié)點時，就沿著各自的路由返回源結(jié)點；源結(jié)點得到這些路由信息后，從可能的路由中選擇出一個最佳（跳數(shù)最少）的路由；發(fā)現(xiàn)幀的另一個作用是幫助源結(jié)點確定整個網(wǎng)絡可以通過的幀最大長度。,109,本章總結(jié)（1）,設置數(shù)據(jù)鏈路層的目的是將存在傳輸差錯的物理線路變成對網(wǎng)絡層無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層要執(zhí)行鏈路管理

55、、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能；誤碼率是指二進制比特序列在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率；收發(fā)雙方在發(fā)現(xiàn)幀傳輸錯誤時，采用反饋和重發(fā)（ARQ）方法來糾正錯誤；差錯控制是指檢測并糾正數(shù)據(jù)傳輸差錯。最常用的檢錯方法是循環(huán)冗余編碼（CRC）方法；,110,本章總結(jié)（2）,面向比特型的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議HDLC數(shù)據(jù)傳輸單元是幀，幀具有固定的結(jié)構(gòu)；互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要是PPP協(xié)議。PPP協(xié)議不僅在撥號電話線，在路由器之間的專用線上也廣泛應

56、用。PPP協(xié)議支持異步傳輸鏈路（面向字符的鏈路）、同步傳輸鏈路（面向比特的鏈路），以及IP協(xié)議及其它網(wǎng)絡層協(xié)議。局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議用于解決多個結(jié)點利用共享傳輸介質(zhì)的隨機爭用控制；Ethernet采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD方法。,111,本章總結(jié)（3）,由于10GE技術的出現(xiàn)，Ethernet工作范圍已從校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)，擴大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；局域網(wǎng)交換機可以在多個端口之間建立多個并發(fā)連接；虛擬局域網(wǎng)VLAN建立在