局域網(wǎng)與城域網(wǎng)：第3章 局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

1、 lxm第3章 局域網(wǎng)協(xié)議體系3.1 引言3.2 OSI協(xié)議體系結(jié)構(gòu)3.3 802協(xié)議體系結(jié)構(gòu)3.4 LLC概要3.5 MAC概要3.6 物理層概要3.7 802標(biāo)準(zhǔn)體系的演變3.8 參考文獻(xiàn) lxm3.1 引言本章講解內(nèi)容回顧OSI 體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)概念討論802體系結(jié)構(gòu)重點討論LLC和MAC子層概要內(nèi)容介紹物理層概要情況介紹802體系的演變 lxm3.2 OSI協(xié)議體系結(jié)構(gòu)3.2.1 OSI基本模型要點3.2.2 七層模型3.2.3 數(shù)據(jù)單元3.2.4 逐層封裝 lxm3.2.1 OSI基本模型要點OSI/BRM：概念要點七層模型根據(jù)開放系統(tǒng)功能從邏輯上劃分為七個有序?qū)咏M成一個嚴(yán)格的層次性模

2、型服務(wù)訪問點（SAP）相鄰層之間的服務(wù)通過SAP提供與使用數(shù)據(jù)單元（Data Unit）實體間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的基本形式PDU：協(xié)議數(shù)據(jù)單元SDU：服務(wù)數(shù)據(jù)單元LAN/MAN中的DU：分組，這是基于分組的通信之基本特點OSI/BRM：過程要點每一層中的實體使用下一層實體提供的服務(wù)通過與對等實體的協(xié)議交互，完成本層功能向上一層實體提供增強了的服務(wù) lxm層次模型的基本要素協(xié)議是實現(xiàn)功能、提供服務(wù)的基礎(chǔ)，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的靈魂功能（要做什么）層內(nèi)層次定義依據(jù)服務(wù)（為用戶做什么）相鄰層之間下層為上層提供的功能通過服務(wù)原語進(jìn)行交互接口（SAP）相鄰層之間相鄰層間的通信操作協(xié)議（有什么規(guī)則）對等層之間對等層間的通信

3、規(guī)則n/n+1接口 (SAP) 第n層第n層功能第n層協(xié)議第n+1層向第n+1層提供的服務(wù) lxm3.2.2 OSI 七層模型通 信 介 質(zhì)應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)連路層物理層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)連路層物理層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)連路層物理層通 信 介 質(zhì)傳輸層協(xié)議會話層協(xié)議表示層協(xié)議應(yīng)用層協(xié)議端系統(tǒng)A端系統(tǒng)B中繼系統(tǒng)實通信虛通信 lxm3.2.3 數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)單元實體之間信息傳送的基本形式基于分組（packet based）的通信已是大勢所趨IEEE 802-2001、ITU-T Y.2001，等等數(shù)據(jù)單元的基本類型協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU：用于對等實體之間的協(xié)議交互服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU

4、：用于相鄰實體之間的原語交互接口數(shù)據(jù)單元新版標(biāo)準(zhǔn)（ISO 7498.1-1994）中已經(jīng)取消IDU：只有本地含義是系統(tǒng)內(nèi)部無需開放的部分OSI只關(guān)注系統(tǒng)之間相互開放的部分 lxm3.2.3 數(shù)據(jù)單元服務(wù)數(shù)據(jù)單元：(N)SDU最簡單時就是：(N+1)PDU協(xié)議數(shù)據(jù)單元：(N)PDU最簡單時就是： (N)PCI + (N)SDU(N+1)-PDU(N)-SDU(N)-UD(N)-PCI(N)-PDUN層協(xié)議頭部 lxm3.2.4 逐層封裝數(shù)據(jù)單元的封裝與拆封源于：層次模型與數(shù)據(jù)單元的結(jié)合逐層加封數(shù)據(jù)沿物理通信的方向逐層向下傳遞并逐層加封頭部，直到通過物理介質(zhì)傳輸?shù)綄Χ讼到y(tǒng)逐層拆封則反之實通信逐層加

5、封到由物理介質(zhì)傳輸?shù)綄Χ讼到y(tǒng)再逐層拆封的機(jī)制虛擬通信各層交換的PDU lxm3.2.5 逐層封裝：圖APSTNDLPhDL-PDUNHT-PDUTHS-PDU用戶數(shù)據(jù)APSTNDLPhESESDLHN-PDUSHP-PDUPHA-PDUAH UDPhH lxm3.3 協(xié)議參考模型3.3.1 概述3.3.2 IEEE 802參考模型3.3.3 IEEE 802實現(xiàn)模型3.3.4 IEEE 802的端系統(tǒng)與中繼系統(tǒng)3.3.5 IEEE 802協(xié)議族 lxm3.3.1 概述協(xié)議參考模型OSI參考模型：一個抽象的概念和基礎(chǔ)框架TCP/IP參考模型：以N層為中心的實現(xiàn)模型802網(wǎng)絡(luò)參考模型：LAN/MA

6、N的參考模型802網(wǎng)絡(luò)參考模型DL層：分成LLC/MAC子層目的是適應(yīng)介質(zhì)訪問技術(shù)的復(fù)雜性Ph層：可以分成PMI/PMD子層以便在各種傳輸介質(zhì)上構(gòu)造高性能網(wǎng)絡(luò) lxm3.3.2 802參考模型802參考模型: 802/RM （802 Reference Model ）IEEE 802委員會提出、802標(biāo)準(zhǔn)的參考模型802/RM表達(dá)了局域網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層LLCMAC物理層Ph物理介質(zhì)PhSAPMSAPLSAP 對應(yīng)OSI模型低二層：DL、PhDL層分為： LLC/MAC兩個子層PH層分為： PMI和PMD模型中含有對介質(zhì)的描述三個服務(wù)訪問點LLC服務(wù)訪問點：LSAPMAC服務(wù)訪問點：MS

7、APPh服務(wù)訪問點：PhSAP lxm3.3.2 IEEE 802參考模型-說明802模型中的LLC子層、MAC子層邏輯鏈路控制子層：LLC與具體的局域網(wǎng)技術(shù)無關(guān)介質(zhì)訪問控制子層：MAC與具體的局域網(wǎng)技術(shù)相關(guān)單一的LLC協(xié)議為所有的802網(wǎng)絡(luò)共用為所有的高層協(xié)議提供一致的服務(wù)訪問點多種MAC協(xié)議可更好的適應(yīng)不同的局域網(wǎng)技術(shù)可以適應(yīng)各種不同的介質(zhì)訪問技術(shù)設(shè)置的初衷似乎不錯，但后來的發(fā)展未能如愿 lxm3.3.2 IEEE 802參考模型-說明802模型中的Ph層和介質(zhì)物理層：Ph層Ph層過于復(fù)雜，無法恰當(dāng)?shù)貧w入一個模型將Ph層的子層劃分放入了802實現(xiàn)模型參考模型包括了對傳輸介質(zhì)的討論OSI模型

8、：通常不予以討論傳輸介質(zhì)不屬于七層模型的一部分模型起源于廣域網(wǎng)，并不直接面對物理介質(zhì)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)直接規(guī)范物理介質(zhì)上的比特傳輸在802參考模型中包括了傳輸介質(zhì) lxm3.3.3 IEEE 802實現(xiàn)模型802實現(xiàn)模型特別加強了物理層的結(jié)構(gòu)DLPHY高層MIIMDImediumLLCMACPMIPMDLLC：邏輯鏈路控制子層MAC：介質(zhì)訪問控制子層PMI：物理介質(zhì)無關(guān)子層 Physical Medium Independent sublayerPMD：物理介質(zhì)相關(guān)子層Physical Medium Dependent sublayerMII：介質(zhì)無關(guān)接口Medium Independent Inte

9、rfaceMDI：介質(zhì)相關(guān)接口Medium Dependent Interface lxm3.3.4 802中的端系統(tǒng)與中繼系統(tǒng)端系統(tǒng)與中繼系統(tǒng)OSI模型中稱為：ES、RS/ISLAN/MAN模型：應(yīng)當(dāng)注意區(qū)分802模型中稱為端站（Station）網(wǎng)橋（Bridge）或交換機(jī)（Switch）TCP/IP中的習(xí)慣稱呼主機(jī)（Host），簡寫為H路由器（Router），以簡寫為R lxm3.3.4 IEEE 802的端系統(tǒng)IEEE 802 RM for ES摘自：Fig.1 IEEE std 802-2001LLC： Logical Link Control 邏輯鏈路控制（子層）MAC： Mediu

10、m Access Control 介質(zhì)訪問控制（子層）LSAP： Link Service Access Point 鏈路服務(wù)訪問點MSAP： MAC Service Access Point MAC服務(wù)訪問點PhSAP： Physical Service Access Point 物理服務(wù)訪問點ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalMediumMediumPhysicalPhysicalMACLLCMACLLCScope of IEEE 802 StandardsUpper Layer Protocols

11、Upper Layer ProtocolsMSAPLSAPPhSAP lxm3.3.4 802中繼系統(tǒng)參考模型802網(wǎng)絡(luò)中繼系統(tǒng)（橋）參考模型摘自：Fig4 - IEEE std 802 - 2001LANLANMACLLCEnd StationMACLLCEnd StationMACMACRelayBridgeMACService userMACSublayerPhysical LayerMediaInternal organization of the MAC sublayer with bridging lxm3.3.5 IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)族IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)族成員及其相互關(guān)系摘自：

12、IEEE std 802.1Q-2003 lxmIEEE802.1: 綜述、編址、橋接、管理、 IEEE802.2: 屏蔽不同類型的LAN，向上提供一致的服務(wù) IEEE802.3/11/15/16/17，定義不同類型的LAN/MAN內(nèi)容包括：MAC協(xié)議、物理接口、介質(zhì)需求 所有的LAN具有相同的LLC子層及不同的MAC子層和物理層 不同的MAC和物理層構(gòu)成了不同的LAN 3.3.5 IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)族-簡圖802.3802.2802.11物理層數(shù)據(jù)鏈路層PHYMACLLCOSI 層次LAN層次802.17802.1 lxm3.4 LLC層3.4.1 LLC概述3.4.2 LLC服務(wù)3.4.

13、3 LLC PDU3.4.4 LLC地址3.4.5 LLC協(xié)議應(yīng)用模式 lxm3.4.1 LLC概述LLC協(xié)議：源于HDLC標(biāo)準(zhǔn)LLC提供DL層的功能兩個站點間DL_PDU的傳送支持共享介質(zhì)上的多路訪問組播/廣播功能LLC：當(dāng)年位于中心位置向下支持多種MAC協(xié)議向上層提供統(tǒng)一接口：LSAP當(dāng)前的演變、正在退出實用 lxm3.4.2 LLC服務(wù)LLC提供的基本服務(wù)無確認(rèn)無連接服務(wù)Unacknowledged connectionless-mode services連接式服務(wù)Connection-mode services有確認(rèn)無連接式服務(wù)Acknowledged connectionless-m

14、ode services lxm3.4.3 PDU與數(shù)據(jù)封裝LSAPXLLCMACPHYLLCLLCMACPHYLLCX站點A站點BDATADATA DATALLC頭 DATAMAC尾MAC頭LLC PDUMAC幀LLC頭 DATA lxmLLC頭部：LLC協(xié)議信息含源/宿LLC地址（DA/SA）及其他控制信息MAC頭部：MAC協(xié)議信息含源/宿MAC地址及其他控制信息MAC尾部： FCS，用于對MAC幀檢錯一般而言，協(xié)議頭部在各層協(xié)議中是必要的 源、宿地址指明誰與誰通信其他控制信息指明如何實現(xiàn)通信3.4.3 LAN協(xié)議頭部信息 lxmIP IPX.3.4.4 LLC地址LLC地址是LLC的LS

15、AP地址的簡稱LLC地址標(biāo)識一個LLC用戶LLC用戶通常是網(wǎng)絡(luò)層的一個實體網(wǎng)絡(luò)層有多個用戶：通常是多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議LLC/SAPLLC支持多重SAP每一個SAP都有自己的LLC地址LLCMACPHYLLCLSAP lxm3.4.4 LLC地址舉例LSAP分配：RFC1700-1994 LSAP 說明備注00000000Null LSAP IEEE01000000Indiv LLC Sublayer MgtIEEE11000000Group LLC Sublayer MgtIEEE00100000SNA Path ControlIEEE01100000Reserved ( DOD IP ) RFC

16、768/JBP01110000PROWAY-LANIEEE01110010EIA-RS 511IEEE01111010 SI IP JBP01110001PROWAY-LANIEEE01010101SNAPIEEE01111111 SO CLNS IS 8473 RFC926/JXJ11111111Global DSAPIEEE lxm3.5 MAC層3.5.1 背景3.5.2 MAC層的功能3.5.3介質(zhì)訪問控制技術(shù)3.5.4 MAC幀結(jié)構(gòu)3.5.5 MAC地址3.5.6 MAC服務(wù)3.5.7 MAC幀發(fā)送與接收 lxm3.5.1 背景早期：局域網(wǎng)大都使用共享信道必須提供對傳輸介質(zhì)進(jìn)行訪問控

17、制的機(jī)制，這就是MAC協(xié)議目前：高性能局域網(wǎng)正在使用獨享信道不需要介質(zhì)訪問控制協(xié)議在高性能局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，介質(zhì)訪問控制協(xié)議名存實亡以太網(wǎng)的CSMA/CD在點對點鏈路中并不使用萬兆位以太網(wǎng)已經(jīng)不支持共享信道MAC協(xié)議仍然是重要的研究課題在新的接入網(wǎng)技術(shù)中使用是學(xué)術(shù)論文的重要題材 lxm3.5.2 MAC層功能編址成幀幀發(fā)送與接收幀過濾介質(zhì)訪問控制向上層提供無連接的服務(wù)在端站系統(tǒng)中，MAC的功能由網(wǎng)卡（NIC）來完成 網(wǎng)卡硬件與主機(jī)獨立，有CPU、ROM、RAM等 獨立對MAC幀進(jìn)行處理，不占主機(jī)的時間和空間 介質(zhì)訪問管理 完成物理層的功能：編/解碼，同步等 lxm3.5.3 介質(zhì)訪問控制技術(shù)共享信

18、道環(huán)境一定需要信道訪問控制信道訪問控制面臨的問題Where and who：在哪里控制？由誰控制？集中式控制分布式控制How：如何控制？靜態(tài)分配與動態(tài)分配典型的控制機(jī)制輪轉(zhuǎn)、預(yù)約、爭用 lxm3.5.3.1 典型MAC技術(shù)輪轉(zhuǎn)時間片輪轉(zhuǎn)，各站點輪流得到傳輸時間片使用時間片長度可能受限仲裁：集中、分布皆可優(yōu)點適用于各站點普遍需要發(fā)送數(shù)據(jù)重載性能好典型實例集中式：輪詢分布式：令牌環(huán) lxm3.5.3.2 典型MAC技術(shù)預(yù)約預(yù)約技術(shù)的基本特點各站點預(yù)約成功后方可傳輸數(shù)據(jù)仲裁：集中、分布皆可 lxm3.5.3.3 典型MAC技術(shù)爭用爭用技術(shù)基本特點各站點競爭成功立即使用仲裁：通常是分布式仲裁優(yōu)點輕載網(wǎng)

19、絡(luò)時延短典型實例是局域網(wǎng)最常用的MAC機(jī)制CSMA系列 lxm3.5.4 MAC幀結(jié)構(gòu)MAC幀通用格式不同的LAN具有相似幀格式，控制信息有差異 如：以太幀有長度控制，802.5幀有優(yōu)先級等同步位 DATA幀頭用于幀同步、幀定位，硬件完成（物理層）源、目地址及其他控制信息上層數(shù)據(jù)幀尾校驗字段 lxm3.5.5 MAC地址3.3.5.1 MAC地址概述3.3.5.2 全局地址、局部地址3.3.5.3 單播、組播、廣播地址3.3.5.4 MAC地址表示法 lxm3.5.5.1 MAC地址概述LAN的MAC地址在LAN站點間識別的唯一標(biāo)識LAN站點的相互通信的地址在一個LAN中地址唯一MAC地址通常

20、使用網(wǎng)卡的MAC地址MAC地址并不標(biāo)識一個MAC用戶而是標(biāo)識MAC實體本身！ lxm3.5.5.1 MAC地址概述MAC地址是邏輯地址還是硬件地址？MAC地址是一個邏輯地址在形成MAC幀時使用的源或目的地址通常，首次初始化時直接使用網(wǎng)卡硬件地址MAC地址可以人工更改，如果更改了，則成注意：MAC地址的更改，并不等于網(wǎng)卡地址更改了！網(wǎng)卡地址是不能更改的！ lxm3.5.5.1 MAC地址概述地址長度：通常采用48位地址標(biāo)準(zhǔn)定義了16位、48位兩種地址地址分類按管理策略分類：全局地址和局部地址全局地址：網(wǎng)卡的硬件地址，全世界唯一局部地址：人為設(shè)置的地址，一個局域網(wǎng)內(nèi)唯一按通信對象分類：廣播、組播和

21、單播地址MAC地址可以使用全局地址，也可使用局部地址 lxm3.5.5.2（1） 全局MAC地址 全局地址固化在網(wǎng)卡硬件上全局地址全世界唯一IEEE向全世界網(wǎng)卡生產(chǎn)廠分配廠商代號OUI （organizational Unique Identifier), 占前3字節(jié),保證網(wǎng)卡地址全球唯一例：3Com公司OUI ：00-60-80 Intel公司OUI ： 00-90-27 等等如使用全局地址，更換網(wǎng)卡則站點MAC地址隨之改變好處：網(wǎng)上的新老設(shè)備不會發(fā)生地址沖突不利之處：地址不連續(xù)，管理不便 lxm3.5.5.2（2）局部MAC地址（本地地址）本地地址由人工配置，可以根據(jù)需要更改一般只在本地網(wǎng)

22、絡(luò)中使用本地地址在本地網(wǎng)中唯一可按一定規(guī)律配置本地地址 如：樓號樓層號辦公室等編址好處：主機(jī)更換網(wǎng)卡可不改變MAC地址（通過人工配置來保證）不利之處：加重管理員的負(fù)擔(dān)，必須人工配置網(wǎng)卡壞了換新卡時必須重新配置特別提醒若不手動設(shè)置MAC地址，則站點的MAC地址采用網(wǎng)卡的固化地址如手動設(shè)置了MAC地址，則站點的MAC地址采用手動設(shè)置的地址 lxm3.5.5.2 單播、組播、廣播地址單播地址（Uncast)表示一個站的唯一地址組播地址（mulitcast)表示一組站的地址廣播地址 (boardcast)LAN所有站都接收的地址 48位全1FF-FF-FF-FF-FF-FF注：網(wǎng)卡能識別的地址：一般能

23、識別單播地址和廣播地址要接收組播幀，必須對網(wǎng)卡進(jìn)行配置單播為0組播為1高6位 lxm3.5.5.2 單播、組播、廣播地址假設(shè)A、B、C、D四站屬于同一個沖突域（共享域），請問下列各種情況下，MAC幀的目的地址可能是何種地址？（假設(shè)MAC幀到達(dá)各站都是無錯的）A 、B將數(shù)據(jù)上交高層，其他站丟棄。A將數(shù)據(jù)上交高層，其他站丟棄。A、B、C、D各站都將數(shù)據(jù)上交高層。A、B、C、D各站都丟棄。 lxm3.5.5.3 MAC地址表示法802標(biāo)準(zhǔn)中的傳送順序高八位組先傳、低八位組后傳每八位組中，低位先傳、高bit位后傳MAC地址示例(以下是線路上發(fā)送的順序）0011 0101 0111 1011 0001

24、0010 0000 0000 0000 0000 0000 0001 Hexdecimal representation（IETF） 十六進(jìn)制表示法：AC-DE-48-00-00-80（機(jī)內(nèi)存儲順序） Bit-reversed representation（IEEE） 比特反轉(zhuǎn)表示法：35:7B:12:00:00:01（線路發(fā)送順序）八位組八位組八位組 高到低 順序b7b0低到高位 lxm3.5.6 MAC服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送請求MA-UNITDATA request數(shù)據(jù)到達(dá)指示MA-UNITDATA indication發(fā)送狀態(tài)指示MA-UNITDATA-STATUS indication向上層提供

25、前一數(shù)據(jù)發(fā)送請求的狀態(tài)信息僅具有本端含義例如，CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)中的“沖突過多”狀態(tài) lxm3.5.6 MAC子層提供的服務(wù)質(zhì)量無連接 ，盡力而為 只負(fù)責(zé)將MAC幀盡可能快的傳到信道 只簡單的丟棄無效幀，無差錯控制功能 幀中不含序號，丟失幀MAC子層不知道不保證可靠的服務(wù)，可靠性由上層保證 lxm3.5.7 MAC幀發(fā)送與接收（網(wǎng)卡完成）工作站對幀的發(fā)送MAC幀頭中含源、目MAC地址目的MAC地址由上層提供目的MAC地址可為單播、組播或廣播上層數(shù)據(jù)高層MAC幀MAC層MAC幀同步位物理層編碼位流通過介質(zhì)發(fā)送 lxm3.5.7 MAC幀發(fā)送與接收（網(wǎng)卡完成）工作站對幀接收 收到幀NoYes有效幀

26、？NoYes剝?nèi)^幀尾 數(shù)據(jù)交上層丟棄？指向本站目的地址 丟棄無效幀什么是無效幀？ 四種可能接收情況 單播、廣播，地址相符的組播 單播、廣播 單播、廣播、所有組播 所有幀（監(jiān)控用） 長度不是整字節(jié)數(shù) 長度不在規(guī)定范圍之內(nèi) 校驗出錯 lxm3.7物理層概要LAN標(biāo)準(zhǔn)中的物理層OSI物理層通常不包括傳輸介質(zhì)然而802模型的物理層包括傳輸介質(zhì)的使用規(guī)范介質(zhì)的使用在LAN標(biāo)準(zhǔn)中十分重要LAN技術(shù)強烈地依賴于傳輸介質(zhì)LAN直接在傳輸介質(zhì)上傳輸位，這是LAN與WAN的區(qū)別LAN性能的提升強烈依賴于在介質(zhì)上的傳輸技術(shù)更新802模型的物理層功能調(diào)制解調(diào)、高效編解碼位同步與位傳輸 lxm3.6物理層概要幾個基本概念比特（bit）：binary digi