计算机网络讲解.ppt
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1、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
2、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
3、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、
4、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
5、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:Sw
6、itching(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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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,
12、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
13、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
14、,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
15、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 Ga
16、p)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
17、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
18、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 Networ
19、k 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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、。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
25、,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
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