局域网与城域网）

Posted 2023-02-27 fadeless_3

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• 第三章 局域网与城域网
• • 1.局域网技术基础
  • 2.IEEE 802标准
  • 3.逻辑链路控制子层LLC
  • • （1）LLC地址
    • （2）LLC服务
    • （3）LLC 协议(==服务1、2、3点对应协议1、2、3点==)
    • （4）介质访问控制（MAC）技术
  • 2.IEEE 802.3 标准
  • • （1）CSMA/CD （载波监听/冲突检测）协议
    • • 1）监听算法
      • 2）冲突检测（CD）原理
      • 3）二进制指数后退算法
      • 4）CSMA/CD 协议的实现
      • 5）性能分析
    • （2）传统以太网
    • • 1）MAC帧结构
      • 2）CSMA/CD协议的实现
      • 3） 物理层规范
    • （3）高速以太网
    • • 1）快速以太网100Mb/s
      • 2）千兆以太网1000Mb/s
      • 3）万兆以太网10GE
  • 3.虚拟局域网
  • • （1）VLAN概念
    • （2）VLAN的划分方法
    • （3）VLAN标准
    • （4）VLAN帧标记
    • （5）虚拟局域网中继
    • （6）VTP协议与VTP修剪
  • 4.局域网互连
  • • (1)网桥协议的体系结构
    • (2)生成树网桥
    • (3)源路由网桥
  • 5.城域网
  • • (1)城域以太网
    • • 1）城域以太网论坛
      • 2）E-LAN服务。
      • 3）802.1ah标准
    • (2)弹性分组网
    • • 1）体系结构
      • 2）RPR的关键技术

第三章 局域网与城域网

1.局域网技术基础

1.总线拓扑
2.环型拓扑
3.星形拓扑

2.IEEE 802标准

IEEE 802 委员会的任务是制定局域网和城域网标准，目前有 20 多个分委员会，它们研究
的内容如下
(1) 802.1 研究局域网体系结构、寻址、网络互联和网络管理。
(2) 802.2 研究逻辑链路控制子层 (LLC) 的定义。
(3) 802.3 研究以太网介质访问控制协议 CSMA/CD 及物理层技术规范。
(4) 802.4 研究令牌总线网 (Token-Bus) 的介质访问控制协议及物理层技术规范。
(5) 802.5 研究令牌环网 (Token-Ring) 的介质访问控制协议及物理层技术规范。
(6) 802.6 研究城域网介质访问控制协议 DQDB 及物理层技术规范。
(7) 802.7 宽带技术咨询组，提供有关宽带联网的技术咨询
(8) 802.8 光纤技术咨询组，提供有关光纤联网的技术咨询。
(9) 802.9 研究综合声音数据的局域网 (IND LAN) 介质访问控制协议及物理层技术规范
(10) 802.10 网络安全技术咨询组，定义了网络互操作的认证和加密方法。
(11) 802.11 研究无线局域网 (WLAN) 的介质访问控制协议及物理层技术规范。
(12) 802 12 研究需求优先的介质访问控制协议 (100VG-AnyLAN)
(13) 802.14 研究采用线缆调制解调器 (Cable Modem) 的交互式电视介质访问控制协议及物理层技术规范。局域网与城域网
(14) 802.15 研究采用蓝牙技术的无线个人网(Wireless Personal Area Network, WPAN)
技术规范。
(15) 802.16 宽带无线接入工作组，开发 2~66GHz 的无线接入系统空中接口。
(16) 802.17 弹性分组环 (RPR) 工作组，制定了弹性分组环网访问控制协议及有关标准。
(17) 802.18 宽带无线局域网技术咨询组 (Radio Regulatory)
(18) 802.19 多重虚拟局域网共存 (Coexistence) 技术咨询组
(19) 802.20 移动宽带无线接入 (MBWA) 工作组，正在制定宽带无线接入网的解决方案。

LLC帧和MAC帧的关系如下

MAC头	LLC头	用户数据	MAC尾

3.逻辑链路控制子层LLC

LLC子层的数据传输和处理流程包括接收来自高层实体（网络层实体）的信息
a)LLC帧结构如下：

DSAP	SSAP	AC	DATA
目的地址（8位）	源地址（8位）	控制（8或16位）	信息（M × 8位）

b)地址字段如下：

I/G（1位）	D D D D D D D（7位）	C/R（1位）	S S S S S S S （7位）
I/G=0	单地址	C/R=0	命令
I/G=1	组地址	C/R=1	响应

c)控制字段如下：

0（信息帧）	发送顺序号 N（S）（7位）	询问/终止位 P/F	接收顺序号 N（R） （7位）

1（管理帧）	0 管理帧功能位S（2位） 0000（共7位）	询问/终止位 P/F	接收顺序号 N（R） （7位）

1（无编号帧）	1 无编号帧功能位M（2位）（共3位）	询问/终止位 P/F	无编号帧功能位M（3位）

（1）LLC地址

LLC 地址是 LLC 层服务访问点。 IEEE 802 局域网中的地址分两级表示，主机的地址是 MAC
地址， LLC 地址实际上是主机中上层协议实体的地址。

（2）LLC服务

提供了以下3种服务：
(1) 无确认无连接的服务。

(2) 连接方式的服务。

(3) 有确认无连接的服务。

（3）LLC 协议(服务1、2、3点对应协议1、2、3点)

LLC 协议与 HDLC 协议兼容（ 如表 所示），它们之间的 别如下。

(1) LLC 用无编号信息帧支持无连接的服务，这叫 LLC1 型操作。

(2) LLC用 HDLC 的异步平衡方式支待 LLC 的连接方式服务，这种操作叫 LLC2 型操作,LLC 不支持 HDLC 的其他操作。

(3) LLC两种新的无编号帧支持有确认无连接的服务，这叫 LLC3 型操作

(4)通过 LLC服务访问点支持多 路复用，即 一对 LLC 实体间可建立多个连接

（4）介质访问控制（MAC）技术

在局域网和城域网中，所有设备共享传输介质，所以需要一种方法能有效地分配传输介质的使用权，这种功能就叫作介质访问控制协议。

根据控制器位置的不同，介质访问控制协议可分为集中式和分布式。

根据控制方式的不同，介质访问协议可分位同步式和异步式；
而异步分配方法又可分循环、预约和竞争3种方式。

2.IEEE 802.3 标准

（1）CSMA/CD （载波监听/冲突检测）协议

适用于总线结构的分布式介质访问控制方法。

CSMA 的基本原理是：站在发送数据之前，先监听信道上是否有别的站发送的载波信号。
若有，说明信道正忙，否则说明信道是空闲的，然后根据预定的策略决定：

1. 若信道空闲，是否立即发送

2. 若信道忙，是否继续监听

1）监听算法

(1)== 非坚持型监听算法==。 这种算法可描述如下： 当一个站准备好帧，发送之前先监听信道。
1.若信道空闲 立即发送 ，否则转2。
2.若信道忙，则后退一个随机时间，重复1。
（搭公交，隔一段时间瞄一眼，看看是否有空位坐）

(2) 1- 坚待型监听算法。 这种算法可描述如下：当一个站准备好帧，发送之前先监听信道。
1.若信道空闲 立即发送 否则转2。
2.若信道忙，继续监听，直到信道空闲后立即发送。
（一直盯着座位，看哪里有座位，一旦有座位了但可能会有人争，可能导致冲突）

(3) P-坚持型监听算法。这种算法汲取了以上两种算法的优点(利用率提高，冲突减少)，但较为复杂 。这种算法描
述如下。
1.若信道空闲，以概率P发送，以概率 (1-P) 延迟一个时间单位。一个时间单位等于网
络传输时延 r
2.若信道忙，继续监听直到信道空闲，转1。
3.如果发送延迟一个时间单位r, 则重复1。

2）冲突检测（CD）原理

载波监听只能减小冲突的概率，不能完全避免冲突。当两个帧发生冲突后，若继续发送，将会浪费网络带宽。如果帧比较长，对带宽的浪费就大了。为了进一步改进带宽的利用率，发送站应采取边发边听的冲突检测方法，即：

(I) 发送期间同时接收，并把接收的数据与站中存储的数据进行比较。
(2) 若比较结果一致，说明没有冲突，重复 (I)
(3) 若比较结果不一致，说明发生了冲突，立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号
(Jamming), 使所有站都停止发送。
(4) 发送 Jamming 信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。

3）二进制指数后退算法

按照二进制指数后退算法，后退时延的取值范围与重发次数n形成二进制指数关系。
或者说，随着重发次数n的增加，后退时$t_y$的取值范围按2的指数增大。即第一次试
发送时 的值为 O, 每冲突一次n的值加 1, 并按下式计算后退时延。

$y=random[0,2^n],$

为了避免无限制的重发，要对重发次数n进行限制。通常当n增加到某个最大值时停止发送，并向上层协议报告发送错误，等待处理。
（与后退N帧ARQ协议很像）

4）CSMA/CD 协议的实现

基带和宽带总线，CSMA/CD的实现基本上是相同的，但也有一些差别。

差别1.载波监听的实现。

基带系统，检测电压脉冲序列。
宽带系统，监听RF载波以判断信道是否空闲。

差别2.冲突检测

基带系统，是把直流电压加到信号上来检测冲突的。
宽带系统，有2种检测冲突的方法。
方法1.是把接收的数据与发送的数据逐位比较
方法2.用于分裂配置 ，由端头检查是否有破坏了的数据，这种数据的频率与正常数据的频率不同。

5）性能分析

$$T(最大吞吐率)=\frac{L(帧长)}{t_p(传播延迟)+t_f(一帧时)}=\frac{L}{d/v+L/R}$$

前面一章的网络利用率为
这里为全双工信道所以不用 × 2
$$E（线路利用率）=\frac{t_f（一帧时）}{t_p（传播延迟）+t_f(一帧时)}$$

这两条公式的关系
$$E（网络利用率）=\frac{T(最大吞吐率)}{R(网络提供的数据速率)}=\frac{L(帧长)/R(数据速率)}{L(帧长)/R(数据速率)+d(线路长度)/v(信号传播速率)}$$

令$a=\frac{t_p(传播延迟)}{t_f(一帧时)}$

得到$E=\frac{1}{a+1}$

a越大，信道利用率越低

（2）传统以太网

最早采用 CSMA/CD 协议的网络是 Xerox 公司的以太网。 1981 年， DEC Intel Xerox三家公司制定了 DIX 以太网标准，使这一技术得到越来越广泛的应用。 IEEE 802 委员会制定域网标准时参考了以太网标准，并增加了几种新的传输介质。读者下面会看到，以太网只是 802.3标准中的一种。

1）MAC帧结构

CSMA/CD的MAC帧格式如下：

P	SFD	DA	SA	l	DATA	PAD	FCS
前导字段7字节	帧起始符1字节	目的地址2或6字节	源地址2或6字节	长度2字节	数据0~1500字节	填充0~46字节	校验和4字节

P：10101010目的是接收端和发送端进入同步状态。
SFD：10101011表示信息帧开始
DA/SA：2字节表示本地地址，6字节表示全局地址
目的地址中最高位为0时表示普通地址，为1时表示组地址。
PAD：帧长<64字节时，填充，最多填充46位。
FCS：采用循环冗余校验码

2）CSMA/CD协议的实现

IEEE 802.3 采用 CSMA/CD 协议，这个协议的载波监听、冲突检测、冲突强化和 二进制数
后退等功能都由硬件实现。。这些硬件逻辑电路包含在网卡中。网卡上的主要器件是以太网数据
链路控制器 (Ethernet Data Link Controller, EDLC) 。

3） 物理层规范

802.3最初的标准规定了 种物理层传输介质，这些传输介质的主要参考数如表所示

属性	Ethernet	10Base 5	10Base 2	1Base 5	10Base-T	10Broad 36	10Base-F
结构	总线型	总线型	总线型	星型	星型	总线型	星型
数据速率Mbps	10	10	10	1	10	10	10
信号类型	基带曼码	基带曼	基带曼	基带曼码	基带曼码	宽带	DPSK
最大段长/m	500	500	185	250	100	3 600	500或2 000
传输介质	粗同轴电缆	粗同轴电缆	细同轴电缆	UTP	UTP	CATV	电缆

（3）高速以太网

1）快速以太网100Mb/s

与10Mbps 以太网一样，快速以太网也要考虑冲突时槽和最小帧长问题。快速以太网的数
据速率提高了 10 倍，而最小帧长没有变，所以冲突时槽缩小为 5.12µs,
$$slot=2S/0.7C+2t_{phy}$$
其中， 表示网络的跨距， 0.7C 是0. 7倍光速， $2t_{phy}$是工作站物理层时延。由千进出发送站都会产生时延 ，所以取其两倍值。

按照上述式子, 可得到计算快速以太网跨距的公式
$$S=0.35C(L_{min}/R-2t_{phy})$$

2）千兆以太网1000Mb/s

标准	名称	电缆	最大段长	特点
IEEE 802.3z	1000Base-SX	光纤（短波 770 ~860nrn)	550m	多模光纤 50, 62.Sµm)
IEEE 802.3z	1000Base-LX	光纤（长波 1270~ 1355nm)	5000m	单模 (10µm) 或多模光纤 50,62.5µm)
IEEE 802.3z	1000Base-CX	l两队STP	25m	屏蔽双绞线，同一房间内的设备 两对 STP 25m 之间
IEEE 802.3ab	1000Base-T	四对 UTP	100m	5类无屏蔽双绞线， 8B/10B 编码

物理层编码也采用了与 lOMbps 不同的编码方法，即 4B/5B或8B/10B编码法。

3）万兆以太网10GE

名称	电缆	最大段长	特点
10GBase-S (Short)	50µm 多模光纤	300m	850nm 串行
10GBase-S (Short)	62.5µm多模光纤	65m	850nm 串行
10GBase-L (Long)	单模光纤	10km	1 310nm 串行
lOGBase-E (Extended)	单模光纤	40km	I 550nm 串行
10GBase-LX4	单模光纤	10km	1 310nm
10GBase-LX4	50µm 的多模光纤	300m	4 X 2.5Gbps
10GBase-LX4	62.Sµm 的多模光纤	300m	波分多路复用 (WDM)

3.虚拟局域网

（1）VLAN概念

把一个LAN划分为多个逻辑的LAN即VLAN。
解决交换机在进行局域网互连时无法限制广播的问题。
即是限制一定范围的LAN进行广播

不同VLAN之间需要通过路由器或三层交换机进行通信。

（2）VLAN的划分方法

1）根据端口划分VLAN（最常用）
2）根据MAC地址划分VLAN（全部都得手动配置）
3）根据网络层划分VLAN（VLAN嵌在网络协议里，不需额外去配置，但效率低）
4）基于规则的VLAN（最灵活，根据规则自动配置，）

（3）VLAN标准

802.1q：统一了Frame Tagging方式中不同厂商得标记格式
Cisco ISL（搞特殊）标记：只要该厂商能使用，通过在交换机的端口配置ISL封装，即可跨越交换机进行整个网络的VLAN分配和配置。

（4）VLAN帧标记

DA（6字节）	DA（6字节）	Tag（4字节）	类型/长度（2字节）	数据（≤1500字节）	FCS（4字节）

在Tag中

TPID	Priority	CFI	VID
标记协议标识字段16位 0x8100，表示802.1q	优先级3位	规范格式指示1位，0表示以太网，1表示FDDI和令牌环网	VLAN标识符12位（0~4096）

（5）虚拟局域网中继

交换机端口分为
1.接入链路连接(access模式)传单个VLAN的数据包
2.中继连接（Trunk模式）可传多个VLAN的数据包

（6）VTP协议与VTP修剪

VTP中继协议（VTP）用于在交换网络中简化VLAN的管理。

通过VTP协议，可以在一台交换机上配置所有的VLAN。

VTP有3种工作模式：
1.服务器模式（设置VLAN信息）
2.客户模式（被动接收服务器的VLAN配置）
3.透明模式（可配置，但是不广播自己的VLAN信息，同时接收服务器发来的VLAN信息并不是使用，而是直接转发给别的交换机。）

VTP修剪
VTP静态修剪（手动修剪，容易出错）
VTP动态修剪“多余修剪，按需添加”（常用）

4.局域网互连

(1)网桥协议的体系结构

网桥在 MAC 子层起中继作用。

直连两个局域网时，这两个局域网运行相同的MAC和LLC协议

两个局域网较远时，可以用两网桥分别连接一个局域网，两个网桥之间再用通信线路相连。

一个网桥可连多个局域网，多于两个时，网桥必须具有路由选择功能

为了对网桥的路由选择提供支持， MAC 层地址最好是分为两部分
1.网络地址部分（标识因特网中唯一的 LAN)
2.站地址部分（标识某 LAN 中唯 的工作站）。

IEEE 802.5 标准建议：

16 位的 MAC 地址应分成7位的 LAN 编号和8位的工作站编号，而 48 位的 MAC 地址应分成
14 位的 LAN 编号和 32 位的工作站编号，其余位用千区分组地址／单地址以及局部地址／全局
地址。

(2)生成树网桥

生成树 (Spanning Tree) 网桥是一种完全透明的网桥，这种网桥插入电缆后就可以自动成路由选择的功能，无须由用户装入路由表或设置参数，网桥的功能是自己学习获得的。

这种网桥的工作原理：当网桥收到每一帧时都执行

1.地址表扩充（取信源点地址）

2.帧转发（根据帧中的信宿节点查找地址表）

这种生成数网桥的优点是：增加了冗余设备提高了网络可靠性的同时，解决环路问题。

(3)源路由网桥

源路由网桥的核心思想：由帧的发送者显示的指明的路由信息（RI）。

（即是发送者自定义路由信息）

RI由网桥地址和局域网标识符的序列组成。

如为完全定义的路由路径，会通过广播，选择路径，到达目的地址，然后通过该路径方向传递应答帧。（探路者，不懂路，询问别人，然后到达目的地，知道怎么去了，然后回家。）

5.城域网

(1)城域以太网

1）城域以太网论坛

城域以太网论坛 (Metro Ethernet Forum, MEF) 是由网络设备制造商和网络运营商组成的非盈利组织，专门从事城域以太网的标准化工作。 MEF 的承载以太网 (Carrier Ethernet) 技术规范提出了以下几种业务类型。

(1) 以太网专用线 (Ethernet Private Line, EPL) 。

(2) 以太网虚拟专线 (Ethernet Virtual Private Line, EVPL) 。

(3) 以太局域网服务(E-LAN Services) 。

2）E-LAN服务。

提供 -LAN 服务的基本技术是 802.1q VLAN 帧标记。

。这种技术定义在 IEEE802.1 ad 的运营商网桥协议 (Provider Bridge Protocol) 中，被称为 Q-in-Q 技术。

3）802.1ah标准

Q-in-Q 实际上是把用户 VLAN 嵌套在城域以太网的 VLAN 中传送,所有用户的 MAC 地址在城域以太网中都是可见的(不安全)，为了增加安全性，IEEE 802.lah 标准提出了运营商主干网桥 (Provider Backbone Bridge,PBB) 协议。

(2)弹性分组网

弹性分组环 (Resilient Packet Ring, RPR) 是一种采用环型拓扑的城域网技术 2004 年公布的 IEEE 802.17 标准定义了 RPR 的介质访问控制方法、物理层接口以及层管理参数，并提出了用千环路检测和配置、失效恢复以及带宽管理的一系列协议。 802.17 标准也定义了环网与各种物理层的接口和系统管理信息库。 RPR 支持的数据速率可达 10Gbps.

1）体系结构

RPR 的体系结构如图 38 所示 MA 服务接口提供上层协议的服务原语； MAC 控制子层控制 MAC 数据通路，维护 MAC 状态，并协调各种 MAC 功能的相互作用； MAC 数据通路子层提供数据传输功能 MAC 子层通过 PHY 服务接口发送／接收分组。

RPR 采用了双环结构，由内层的环 1(ringlet 1) 和外层的环0(ringlet 0)组成，每个环都是单方向传送，如图 4-39 所示。相邻工作站之间的跨距 (span) 包含传送方向相反的两条链(link) 。如果X站接收Y站发出的分组，则X是Y的下游站，而Y是X的上游站。 RPR支待多达 255 个工作站，最大环周长为 2000km

2）RPR的关键技术

(1) 业务类型。

(2) 空间复用。

(3) 拓扑发现。