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计算机网络第七讲

归档日期:06-06       文本归类:帧首定界符      文章编辑:爱尚语录

  计算机网络 第七讲 主讲: 主讲:郑芳 1 以太网 V2 的 MAC 帧格式 在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节, 是前同步码,用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 第二个字段是帧开始定界符,表示后面的信息就是MAC 帧。 IP 数据报 字节 6 目的地址 插 入 8 字节 7 字节 010 1 字节 帧开始 定界符 MAC 帧 6 源地址 2 类型 数 46 ~ 1500 据 4 FCS IP 层 MAC 层 物理层 … 01011 前同步码 为了达到比特同步, 在传输媒体上实际传送的 要比 MAC 帧还多 8 个字节 2 扩展的局域网 在物理层扩展局域网 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连 接到集线器 光纤 光纤 调制解调器 以太网 集线器 光纤 调制解调器 3 用多个集线器可连成更大的局域网 某大学有三个系, 某大学有三个系,各自有一个局域网 三个独立的碰撞域 碰撞域 碰撞域 碰撞域 一系 二系 三系 4 用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中 一个更大的碰撞域 主干集线器 碰撞域 一系 二系 三系 5 用集线器扩展局域网 优点 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机 能够进行跨碰撞域的通信。 能够进行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点 碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高。 碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高。 6 在数据链路层扩展局域网 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 使用网桥 网桥工作在数据链路层, 网桥工作在数据链路层,它根据 MAC 帧的目 的地址对收到的帧进行转发。 的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时, 过滤帧的功能 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时, 并不是向所有的接口转发此帧, 并不是向所有的接口转发此帧,而是先检查此 地址, 帧的目的 MAC 地址,然后再确定将该帧转发 到哪一个接口 7 网桥的内部结构 网桥 站表 站地址 接口 1 ① ② 1 ③ 1 ④ 2 2 ⑤ ⑥ 2 接口 2 接口 2 接口管理 软件 接口 1 接口 1 网段 A ① ② ③ 1 2 ④ 网段 B ⑤ ⑥ 网桥协议 实体 网桥 缓存 8 使用网桥带来的好处 过滤通信量。 过滤通信量。 扩大了物理范围。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速 以太网) 率(如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网)的局域 网。 9 网桥使各网段成为 隔离开的碰撞域 碰撞域 A B B1 碰撞域 C D B2 碰撞域 E F 10 使用网桥带来的缺点 存储转发增加了时延。 存储转发增加了时延。 子层并没有流量控制功能。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 子层的网段桥接在一起时时延更大。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个) 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量 不太大的局域网, 不太大的局域网,否则有时还会因传播过多的广播信 息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。 息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。 11 站1 用户层 IP MAC 物理层 两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥 1 A LAN MAC R DL 物理层 物理层 网桥 2 R MAC DL 物理层 物理层 站2 用户层 IP B LAN MAC 物理层 用户数据 IP-H MAC-H DL-H MAC-T DL-T 网桥不改变它转发的帧的源地址 12 网桥和集线器(或转发器) 网桥和集线器(或转发器)不同 集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测。 集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测。 算法。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。 若在发送过程中出现碰撞, 若在发送过程中出现碰撞,就必须停止发送 和进行退避。 和进行退避。 13 透明网桥 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。 bridge)。 透明” “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的 帧将经过哪几个网桥,因为网桥对各站来说是看 帧将经过哪几个网桥, 不见的。 不见的。 透明网桥是一种即插即用设备, 透明网桥是一种即插即用设备,其标准是 IEEE 802.1D。 802.1D。 14 网桥应当按照以下自学习算法 处理收到的帧和建立转发表 进入了某网桥, 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥,那么 从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送 到 A。 网桥每收到一个帧, 网桥每收到一个帧,就记下其源地址和进入网桥 的接口,作为转发表中的一个项目。 的接口,作为转发表中的一个项目。 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“ 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地 这一栏的下面。 址”这一栏的下面。 在转发帧时, 在转发帧时,则是根据收到的帧首部中的目的地 址来转发的。这时就把在“地址” 址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记 下的源地址当作目的地址, 下的源地址当作目的地址,而把记下的进入接口 当作转发接口。 当作转发接口。 15 转发表的建立过程举例 B1 B2 1 2 1 2 A B C D E F 地址 A→ B F→C B→A A F B 接口 1 2 1 A→ B F→C 地址 A 接口 1 … F … 2 … … 16 网桥的自学习和转发帧 的步骤归纳 网桥收到一帧后先进行自学习。 网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中 自学习 与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有, 与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有, 就在转发表中增加一个项目(源地址、 就在转发表中增加一个项目(源地址、进入的 接口和时间)。如有, )。如有 接口和时间)。如有,则把原有的项目进行更 新。 转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有 转发帧。 无相匹配的项目。 无相匹配的项目。 – 如没有,则通过所有其他接口(但进入网桥的接口 如没有,则通过所有其他接口( 除外)按进行转发。 除外)按进行转发。 – 如有,则按转发表中给出的接口进行转发。 如有,则按转发表中给出的接口进行转发。 – 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口, 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口, 则应丢弃这个帧(因为这时不需要经过网桥进行转 则应丢弃这个帧( 发)。 17 透明网桥使用了生成树算法 这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜 圈子。 圈子。 网桥 1 转发的帧 F1 F2 网桥 2 转发的帧 局域网 2 网桥 1 A 不停地 兜圈子 网络资源白白消耗了 网桥 2 局域网 1 F A 发出的帧 18 生成树的得出 互连在一起的网桥在进行彼此通信后, 互连在一起的网桥在进行彼此通信后,就能 找出原来的网络拓扑的一个子集。 找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子 集里,整个连通的网络中不存在回路, 集里,整个连通的网络中不存在回路,即在 任何两个站之间只有一条路径。 任何两个站之间只有一条路径。 为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈 子。 为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生 成树, 成树,在生成树上的根网桥每隔一段时间还 要对生成树的拓扑进行更新。 要对生成树的拓扑进行更新。 19 源路由网桥 透明网桥容易安装,但网络资源的利用不充分。 透明网桥容易安装,但网络资源的利用不充分。 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的 源路由 网桥在发送帧时将详细的 路由信息放在帧的首部中。 路由信息放在帧的首部中。 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现 每个发现帧都记录所经过的路由。 帧,每个发现帧都记录所经过的路由。 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。 源站在得知这些路由后, 源站在得知这些路由后,从所有可能的路由中选 择出一个最佳路由。 择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送 的帧的首部, 的帧的首部,都必须携带源站所确定的这一路由 信息。 信息。 20 多接口网桥——以太网交换机 以太网交换机 多接口网桥 1990 年问世的交换式集线器 年问世的交换式集线器 交换式集线器(switching hub), , 可明显地提高局域网的性能。 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 以太网交换机(switch)或第二 交换式集线器常称为以太网交换机 或第二 层交换机(表明此交换机工作在数据链路层)。 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, 以太网交换机通常都有十几个接口。因此,以太 多接口的网桥, 网交换机实质上就是一个多接口的网桥 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。 换机工作在数据链路层。 21 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, 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。 且一般都工作在全双工方式。 交换机能同时连通许多对的接口, 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 通信的主机都能像独占通信媒体那样, 撞地传输数据。 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, 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。 其交换速率就较高。 22 独占传输媒体的带宽 的共享式以太网, 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 用户,则每个用户占有的平均带宽只有总带宽 Mb/s)的 N 分之一。 的 分之一。 使用以太网交换机时,虽然在每个接口到主机的 使用以太网交换机时, 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, 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。 × 。这正是交换机的最大优点。 23 用以太网交换机扩展局域网 万维网 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 电子邮件 服务器 一系 二系 三系 10BASE-T 24 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。 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 而并不是一种新型局域网。 务,而并不是一种新型局域网。 25 以太网 交换机 A4 VLAN1 B3 C3 VLAN2 B2 VLAN3 C2 以太网 交换机 A3 以太网 交换机 A1 以太网 交换机 C1 A2 B1 三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 26 以太网 交换机 A4 VLAN1 B3 C3 VLAN2 B2 VLAN3 C2 以太网 交换机 A3 以太网 交换机 A1 C1 A2 B1 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时, , VLAN 三个虚拟局域网 VLAN1 以太网 2 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。 交换机 和 VLAN 的构成 3 27 以太网 交换机 A4 VLAN1 B3 C3 VLAN2 B2 VLAN3 C2 以太网 交换机 A3 以太网 交换机 A1 C1 A2 B1 B1 发送数据时,工作站 A1, A2 和 VLAN , VLAN 三个虚拟局域网 C1 1 以太网 2 都不会收到 B1 发出的广播信息。 交换机 和 VLAN 的构成 3 28 以太网 交换机 A4 VLAN1 B3 C3 VLAN2 B2 VLAN3 C2 以太网 交换机 A3 以太网 交换机 A1 C1 A2 B1 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 以太网 不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶 交换机 和 VLAN3 的构成 化。 29 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 标记(tag),用来 字节的标识符, , 个 4 字节的标识符,称为 VLAN 标记 指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。 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 6 字节 802.3 MAC 帧 目地地址 6 源地址 4 2 长度/类型帧 MAC 46 ~ 1500 数 据 4 FCS 长度/类型 = 802.1Q 标记类型 10000001 00000000 2 字节 用户优先级 CFI 标记控制信息 VID 2 字节 30 高速以太网 100BASE-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。 高速以太网。 在双绞线 Mb/s 基带信号的星 型拓扑以太网, 型拓扑以太网,仍使用 IEEE 802.3 的 协议。100BASECSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为 快速以太网(Fast Ethernet)。 快速以太网(Fast Ethernet)。 31 100BASE-T 以太网的特点 可在全双工方式下工作而无冲突发生。 可在全双工方式下工作而无冲突发生。因 协议。 此,不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 标准规定的。 保持最短帧长不变, 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 ?s 改为现在的 0.96 ?s。 。 32 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BASE-FX – 使用 2 对光纤。 100BASE-T4 – 使用 4 对 UTP 3 类线 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 802.3 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。 34 吉比特以太网的物理层 1000BASE1000BASE-X 层: – 1000BASE-SX 1000BASE– 1000BASE-LX 1000BASE– 1000BASE-CX 1000BASE- 基于光纤通道的物理 SX表示短波长 SX表示短波长 LX表示长波长 LX表示长波长 CX表示铜线BASE-T – 使用 4对 5 类线 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 不使用载波延伸和分组突发。 据),不使用载波延伸和分组突发。 36 吉比特以太网的配置举例 中央服务器 100 Mb/s 链路 1 Gb/s 链路 吉比特 交换 集线器 百兆比特或吉比特集线 吉比特以太网 Mb/s, 10 吉比特以太网与 10 Mb/s,100 Mb/s 和 以太网的帧格式完全相同。 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 802.3 标准规定 的以太网最小和最大帧长,便于升级。 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。 纤作为传输媒体。 吉比特以太网只工作在全双工方式 只工作在全双工方式, 10 吉比特以太网只工作在全双工方式,因 此没有争用问题, 协议。 此没有争用问题,也不使用 CSMA/CD 协议。 38 吉比特以太网的物理层 PHY。 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据 Gb/s。 率是 10.000 Gb/s。 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层 PHY。 具有另一种数据率,这是为了和所谓的“Gb/s” 具有另一种数据率,这是为了和所谓的“Gb/s” SONET/SDH( OC-192/STM-64)相连接。 的 SONET/SDH(即OC-192/STM-64)相连接。 –为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC为了使 OC192/STM帧的有效载荷中, 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 9.95328 Gb/s。 网物理层, Gb/s。 39 端到端的以太网传输 吉比特以太网的出现, 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) 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。 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: 这种工作方式的好处是: –成熟的技术 成熟的技术 –互操作性很好 互操作性很好 –在广域网中使用以太网时价格便宜。 在广域网中使用以太网时价格便宜。 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。 统一的帧格式简化了操作和管理。 统一的帧格式简化了操作和管理 40 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: 以太网是: 可扩展的(从 10 Mb/s 到 10 Gb/s)。 可扩展的( Gb/s)。 灵活的(多种传输媒体、 半双工、共享/ 灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交 换)。 易于安装。 易于安装。 稳健性好。 稳健性好。 41 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, 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。 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。 宽升级。 采用以太网接入可实现端到端的以太网传输, 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。 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。 的传输效率和降低了传输的成本。 42 以太网接入举例: 以太网接入举例:光纤到大楼 高速汇接点 GigaPoP FTTB 1 Gb/s 10 M 吉比特以太网 光结点汇接点 10 M 100 M 1 Gb/s 100 M 43

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