《计算机局域网》PPT课件.ppt

Page 1,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,第六章 计算机局域网络,本章重点 局域网的特点及关键技术 信道共享技术 以太网技术 高速局域网 虚拟局域网VLAN,Page 2,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,6.1 局域网(LAN)概述,LAN的特点,覆盖范围小 房间、建筑物、园区范围 距离25km 高传输速率 10Mbps1000Mbps 低误码率 10-8 10-10 采用总线、星形、环形拓扑 双绞线、同轴电缆、光纤 为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务,Page 3,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,2. 局域网的关键技术,拓扑结构（逻辑、物理） 总线型、星型、环型、树型 介质访问方法 按协议实现信道共享: CSMA/CD和Token-passing 信号传输形式 基带、宽带,Page 4,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,LAN典型拓扑结构,总线型: 所有结点都直接连接到共享信道 星型 : 所有结点都连接到中央结点 环型 : 结点通过点到点链路与相邻结点连接,Bus,Star,Ring,A,B,C,C,A,D,C,B,A,B,C,A,T,Page 5,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,3. LAN参考模型,IEEE802标准,Page 6,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,IEEE802标准的主要成员,802.2 - 逻辑链路控制LLC 802.3 - CSMA/CD（以太网） 802.4 - Token Bus （令牌总线） 802.5 - Token Ring（令牌环） 802.6 - 分布队列双总线DQDB - MAN标准 802.8 FDDI（光纤分布数据接口） 802.11 无线LAN,Page 7,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,802.3 CSMA/CD,802.4 Token Bus,802.5 Token Ring,802.6 DQDB,802.8 FDDI,802.2 LLC,数据链路层,物理层,LLC,MAC,802.1D Bridge,802.1A 体系结构,IEEE802体系结构示意图,PHY,Page 8,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,6.2 LAN的数据链路层,按功能划分为两个子层：LLC和MAC 功能分解的目的： 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度。 局网特点：共享信道(如总线)。需要解决介质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。 LLC： 与介质、拓扑无关； MAC：与介质、拓扑相关。,Page 9,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,LAN的链路层与传统的数据链路层的区别： LAN链路支持多重访问，支持成组地址和广播； 支持MAC介质访问控制功能； 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点、多路复用、流量控制、差错控制. MAC子层功能：成帧/拆帧， 实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。 LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。 LAN对LLC子层透明，仅在MAC子层才可见LAN的标准(对不同的LAN标准，区别在MAC子层),Page 10,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,LLC的帧结构,DSAP,SSAP,控制,数据,1,1,1/2,可变长度 单位：字节,高层PDU,LLC数据,LLC首部,MAC首部,MAC尾部,MAC数据,LLC帧和MAC帧的关系,Page 11,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,MAC子层的地址,IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。MAC地址（物理地址） MAC地址为6Byte（48位）。 MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。 网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。,Page 12,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,6.3 LAN的网络层和高层,由于IEEE 802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等)是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE 802标准没有单独设立网络层。需要时，由网络操作系统（NOS）内含的TCP/IP、IPX/SPX等来实现。,Page 13,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,6.4 局域网中的介质访问控制方法,局域网使用广播信道(多路访问信道，随机访问信道)，多个站点共享同一信道。 问题：如何解决广播信道站点对信道的争用？ 解决信道争用的协议称为介质访问控制 (Medium Access Control)协议。 信道分配方法有两种 静态分配(FDM、WDM、TDM、CDM) 动态分配(随机接入、受控接入),Page 14,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,信道共享技术分类,信道共享,TDM,FDM,STDM,ATDM,随机接入,受控接入,CATV,CBX,CSMA,CSMA/CD,集中控制,分散控制,轮询,令牌,静态分配,动态分配,以太网,令牌环网,Page 15,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,局域网中的介质访问控制方法,载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD) Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 令牌传递(Token Passing) Token Ring Token Bus FDDI(双环),常见的有两种：,Page 16,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,1.CSMA/CD 带冲突检测的载波监听多点访问,用于IEEE802.3以太网 工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。 归结为四句话： 发前先侦听，空闲即发送， 边发边检测，冲突时退避。,Page 17,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,CSMA/CD的流程图,Page 18,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,2. 令牌环（Token Ring）,A,B,D,C,站点,干线耦合器,单向环,IEEE802.5 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环,发送缓冲区,接收缓冲区,接收,发送,线路驱动,线路接收,控制器,DTE,环路输入,环路输出,干线耦合器的结构,传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps；,TCU,高层软件,Page 19,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,干线耦合器（Trunk Couple Unit）,工作状态： 收听/转发方式 发送方式（站点发送数据时） 收听方式下，TCU与DTE断开 TCU对位流再生并转发，同时监视帧中是否出现本站地址和令牌。若出现本站地址，则将开关K闭合，TCU与DTE接通，位流复制到DTE，同时继续转发；若出现令牌且有数据要发送，则截获令牌，转为发送方式，发送数据帧。 发送方式下，数据以帧为单位从TCU的输出端发送到下一个TCU的输入端。,DTE,TCU,收听方式,K,K,DTE,TCU,发送方式,K,K,Page 20,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,Token Ring/802.5的操作,1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。 2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。,Page 21,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较： a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中； b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。 4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。,Page 22,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,Token Ring/802.5的操作举例,A,T = 0,T,A,T = 0,T,A,T = 1,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后 A将数据帧回收 并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,Page 23,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,IEEE802.5的帧结构, 访问控制字段包括：,起始,访问控制,结束,1B,1B,1B,令牌帧,非令牌帧（信息帧/控制帧）,起始,访问控制,帧控制,目的地址,源地址,数据,FCS,结束,帧状态, 优先级与预约及优先级限制位。 令牌位：帧类型标识。0 - 令牌；1 - 信息/控制帧 监督位：防止无效帧在环路中无限循环。,Page 24,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,Page 25,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,3. 令牌总线（Token Bus）,IEEE 802.4 特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网 物理层：传输媒体为75宽带同轴电缆，数据速率为1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s； 传输机制为以太网和令牌环的结合： 物理传输采用广播方式； 介质访问控制采用令牌方式。,Page 26,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,6.5 以太网采用CSMA/CD技术的LAN,70年代中期由施乐公司 (Bob Metcalfe) 提出，数据率为2.94M，称为Ethernet（以太网）。 经DEC, Intel and Xerox公司改进为10M标准(DIX 标准) 。 1985年被采纳为IEEE 802.3，即使用1坚持的CAMA/CD协议的LAN标准，数据率从1M到10M (现已发展到1000M)，支持多种传输媒体。 Ethernet是指基带总线LAN。 Ethernet和IEEE 802.3的帧格式略有不同。,1. Ethernet和IEEE 802.3二者区别很小,Page 27,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,IEEE 802.3 以太网标准,传统以太网 802.3 同轴电缆Ethernet 802.3a 细缆Ethernet 802.3i 双绞线 802.3j 光纤 快速以太网FE 802.3u 双绞线，光纤 千兆以太网GE IEEE802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 IEEE802.3ab 双绞线,Page 28,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,802.3的介质与网络拓扑规范,10Base5 粗同轴 10Base2 细同轴 10BaseT 双绞线 10BaseF MMF 100BaseT 双绞线 100BaseF MMF/SMF 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 1000BaseT 双绞线,Page 29,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,2.10Base5,粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 AUI : 连接件单元接口 总线型拓扑 用于网络骨干连接,最大段长度 500米 每段最多站点数 100,两站点间最小距离 2.5米,粗缆,Vampire tap,BNC端子,收发器,AUI 电缆,NIC,网络最大跨度 2.5公里,Page 30,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,3. 10Base2,细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑 用于办公室LAN,细缆,BNC 接头,NIC,每段最大长度 185m 每段最多站点数 30,两站点间最短距离 0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,Page 31,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,4. 10BaseT,双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。 转发器/中继器/HUB物理层设备(工作在物理层)。 用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大长度 100m,Page 32,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,HUB原理 1. HUB从某一端口A将收到的帧发送到所有端口,Page 33,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,2.非广播帧时，地址与帧目的MAC地址相同的站响应用户A,Page 34,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,3.广播帧时，所有用户都响应用户A,Page 35,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,HUB有4端口、8端口、12端口和24端口，一个用作网络连接，其余接计算机； 当接入的计算机比较多时，可以用几个集线器进行级联。 所有使用HUB级联的计算机共享一个接入带宽和所谓的“碰撞域”,Page 36,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,以太网,RJ45接头,Page 37,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,RJ45接头 在以太网的标准中，10Mbps与100Mbps双绞线系统采用相同的线序：一到八号线中，一、二两根线为一对，三、六根线为另一对，如下表所示。 线色 Pin# Signal 白橙 1 TD+ 橙 2 TD- 白绿 3 RD+ 蓝 4 不用 白蓝 5 不用 绿 6 RD- 白棕 7 不用 棕 8 不用,Page 38,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,当两个HUB连接时，注意要进行交叉连接。 (两台微机直接使用RJ45连接，可参考此接法),Page 39,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,5. 10BaseF,使用光纤长距离连接，最适于建筑物间的连接。 星形拓扑结构 最常见的布线标准： 10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长2 km,使用75电缆连接，拓扑结构为树形 用于宽带LAN,6. 10Broad36,Page 40,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,7. Ethernet/802.3操作,每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据 为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点 目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧,A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,B,C,(1)C 发现总线空闲,(2)C发送帧，目的地址为A,(3)B 忽略该帧,(4)A复制该帧,信号由终端电阻吸收,终端电阻,Page 41,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,8. IEEE802.3/Ethernet帧格式,PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界 - 10101011 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） Type： 类型。高层协议标识 LLC PDU+pad - 最少46字节, 最多1500字节 Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域46字节，则无Pad) FCS： 帧校验序列（CRC-32）,8 6 6 2 46-1500 4字节,FCS,SA,Type,PA,DA,Data,Pad,Ethernet,IEEE 802.3,7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节,校验区间,64-1518 字节,Page 42,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,帧间隔,在相继发送的两帧之间强制插入9.6ms的间隔 目的：确保其他站点也能占用信道,PA,帧间隔 9.6 ms,帧n,帧n+1,Page 43,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,1. 100Mbps 快速以太网,又称快速以太网(Fast Ethernet，FE)，包括100Base-TX和100Base-FX。 与10Mbps网络的比较： 拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样； 传输率快10倍； 帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3。,3种不同的物理层标准：,MAC子层,100BaseFX,100BaseTX,2对5类 UTP,光纤,4对3类 UTP,100BaseT4,6.6 高速局域网,Page 44,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,快速以太网组成实例,网卡(外置或内置收发器)、收发器(外置)与收发器电缆 集线器（双绞线或光纤接口） 双绞线及光缆,外置光纤收发器,光纤,100Base FX集线器,100BaseTX集线器,100Base TX集线器,光纤,插有光纤接口网卡,UTP5,UTP5,UTP5,UTP5,光纤,UTP5,Page 45,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,3.FDDI (Fiber Distributed Data Interface),网络由双环构成，可靠性高。 传输速率为100Mbps。 介质访问控制方法采用Token Passing，类似于令牌环。 传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十km)。,集中器,集中器,令牌,服务器,Page 46,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,4.千兆以太网(Gigabit Ethernet，GE),两种标准：802.3z和802.3ab 802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线(5类，6类) 连接距离较短： 1000BaseX:双绞线 - 25米；MMF - 550米；SMF - 3km 1000BaseT: 5类双绞线 100米 拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同； 传输速率比100BaseT快10倍； 帧结构和介质访问控制方式仍沿用IEEE802.3。 允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。,Page 47,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,6.7 LAN的扩展（LAN互连） 网桥,LAN互连的必要性： 地域限制、负载问题、互通问题、安全问题 LAN互连的困难： 帧格式、传输速率、最大帧长的差异 LAN互连的实现途径：,中继器/HUB 在物理层上实现互联 网桥/交换机 在数据链路层上实现互联 路由器 在网络层上实现互联,Page 48,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,互联的问题（集线器）,Page 49,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,1.网桥的定义,网桥是一种存储-转发装置。一个在网络N1和网络N2之间的网桥B定义为这样一种设备，它完成以下工作：,读取网络N1上的所有帧并接收那些指向N2的帧； 将接收的帧送到数据链路层，在该层上计算校验和并计算到达N2的路由； 将接受的帧用N2的MAC协议转发到N2上； 对从N2到N1的信息流完成相同的功能。,Page 50,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,使用网桥连接三个LAN的实例,Page 51,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,2.网桥协议体系结构,Page 52,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,3.两种类型的网桥,透明网桥（Transparency Bridge） 也称为生成树（Spanning Tree）网桥。由网桥实现路由选择，网桥对站点完全透明。用于以太网。 源选径网桥（Source Routing Bridge） 由源站点进行路由选择，网桥和路由对站点不透明，用于令牌网。,Page 53,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,IEEE802透明网桥, 三项基本功能：帧转发、地址学习、消除拓扑循环 网桥具有路由选择能力，路由选择采用查表法：网桥内的路由选择表（或称转发表）描述了到达每个站点的路由。 下图是一个三端口网桥和它的路由选择表：,连接三个LAN的网桥,相应路由选择表的内容,Page 54,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,帧转发方法 （参考上图） 假定网桥在某一时刻从端口1接收到来自LANx的帧，它就查找路由选择表：,若目的MAC地址在本端口的表项中，则丢弃此帧 若目的MAC地址在其他端口的表项中，则把帧转发到相应端口所在的LAN 若目的MAC地址不在表中，则用洪泛法转发，即向端口1外的其他所有端口广播该帧。,Page 55,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,路由选择表的建立： 刚加电时表为空。网桥利用学习过程来动态创建并维护路由选择表。 逆向学习法若收到的帧的源地址不在表中，则插入到表中，作为以后转发的路径。 每个路由项都有有限的生存期TTL，以适应网络拓扑的变化及连接到网段上的站地址的变化。,Page 56,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,Bridges Spanning Tree,for increased reliability, desirable to have redundant, alternate paths from source to dest with multiple simultaneous paths, cycles result - bridges may multiply and forward frame forever solution: organize bridges in a spanning tree by disabling subset of interfaces,Page 57,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,透明网桥工作原理归纳为： 丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧； 学习源地址以建立路由； 根据生成树算法消除重复路径。,透明网桥的优缺点： 优点：容易配置、安装，无需管理（即插即用） 缺点：不能保证最佳路由 透明网桥的应用场合：以太网为主,Page 58,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,用网桥进行LAN扩展的不足之处 存储转发导致时延增加 无流量控制功能，负载重时会丢失帧 不能防止广播风暴（广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段）,Page 59,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,以网络交换机为主干的以太网 拓扑仍为星形结构（总线/HUBLAN_SWITCH） 为何要使用网络交换机？ 以太网共享介质网络 ， 共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数)网络交换 总线网络或基于集线器的网络： 网络总带宽=10Mbps，n个站点共享，每站点平均带宽10/n Mbps； 基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制， 网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps ；,交换式以太网,Page 60,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,交换式以太网,几路信号同时通过交换机,Page 61,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如： 8个端口可建立4个并发通信， 总带宽 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps 在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置1-2个高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为Big-Pipe。,10Mbps 网络交换机,Page 62,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)： (1) 端口下接站点：站点独占10Mbps带宽 (2) 端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽,共享10M,独享10M,共享10M,独享10M,网络交换机Switch,HUB,HUB,Page 63,2019/5/16,第六章 计算机局域网 68-,5.8 虚拟局域网VLAN,什么是VLAN？ VLAN是一个广播域，是由一些局域网网段构成的 与物理位置无关的逻辑组 为什么要使用VLAN？ 便于进行网络的管理 增