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第四讲 局域网与城域网技术,4.1 局域网概述 4.2 几种常见的局域网 4.3 高速局域网技术 4.4 交换式局域网 4.5 虚拟局域网 4.6 主要的城域网技术,4.1 局域网概述,4.1.1 局域网的特点 4.1.2 局域网的拓扑结构 4.1.3 局域网的主要协议 4.1.4 局域网操作系统,1、定义：局域网是在一个较小的范围内，将有限的通信设备互连起来的计算机网络。 2、特点： 地理范围有限。一般在10M-10KM之间 传输速率高。1-100Mbps 误码率低。在10-8-10-11之间 协议简单。与局域网范围小、拓扑结构比较规则有关,4.1.1 局域网的特点,4.1.1 局域网的特点,一般为一个部门所有，不提供公共服务 安全保密性好 可用传输介质多。即可以利用现有的通信线路，也可以架设专线。或使用无线通信。 有共享信道局域网和交换式局域网 决定局域网特性的主要技术要素有网络拓扑、传输介质和介质访问控制方法,一、总线形拓扑结构 1、结构 将网上的设备均连接在一条总线上，任何两台计算机之间不再单独连接。如图,4.1.2 局域网的拓扑结构,4.1.2 局域网的拓扑结构,环形网络 1、结构：将网上计算机连接成一个封闭的环。如图,4.1.2 局域网的拓扑结构,星形网络 将多台计算机连在一个中心节点（集线器）上，各计算机之间通信必须通过中心节点。如图,4.1.3 常用局域网协议,802.1 网际互连协议，主要解决802标准与其他网络的互连问题。 802.2 逻辑链路控制协议 802.3 定义了采用CSMA/CD介质访问控制方法的总线局域网标准 802.4 定义了令牌总线（Token BUS）局域网标准 802.5 定义了令牌环（Token Ring）局域网标准 802.6 定义了城域网标准 802.7 定义了宽带网标准 802.8 定义了光纤网标准,4.1.3常用局域网协议,各协议之间的关系入下：,4.2 几种常见的局域网,4.2.1 以太网 4.2.2 令牌环网 4.2.3 令牌总线网,4.2.1 以太网,一、以太网的结构 IEEE802.3定义了CSMA/CD（载波侦听、多路访问、冲突检测）介质访问控制方法和物理层技术规范。采用IEEE802.3的典型网络是以太网。以太网最初采用总线拓扑结构，现在也采用星状拓扑 以太网于1975年在美国研制成功，该网络技术不断发展，现在，新型以太网速率可以达到1000Mbps。 以太网连接如图,4.2.1 以太网,4.2.1 以太网,二、 CSMA/CD的工作原理 网上所有设备共享一条信道，采用CSMA/CD介质访问控制方法，任意时刻只能有一台设备发送数据，其他设备处于接收状态。 数据在总线上广播式的传播，任何站点均可以收到，如果数据帧的地址是自己的，就接收下来，否则就丢弃掉。 可以实现单点、多点和广播通信方式,4.2.1 以太网,三、以太网的介质访问控制方法 1、载波侦听多路访问（CSMA）控制方法。 又称为“先听后讲，边听边讲” 在发送数据前，先侦听共享介质上有无数据在传送，如果空闲就发送，否则，退避一段时间再发送。 但由于共享介质有一段长度，一站发送另一站需要一定时间才能检测到，所以，检测到的空闲是不可靠的。仍然会产生冲突，一旦产生冲突，数据帧也要发送完，因此会造成较长时间的网络延迟，影响信道效率。,4.2.1 以太网,2、载波侦听、多路访问/冲突检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access /Collision Detect）控制方法 又叫先听后讲，边听边讲。 基本思想是：在CSMA方法的基础上，一边发送数据，一边从总线上接收信息，将发送的信息与接收的信息相比较，若两者一致，说明无冲突，继续发送，若不一致，说明产生了冲突，立即停止发送，同时发出一串阻塞信号，经随机等待后再重新尝试。 这种方法可以及早的发现冲突，释放介质，从而提高了信道的利用率。,3.4.1 以太网工作原理,四、常用以太网（Ethernet）物理层标准 以太网采用CSMA/CD算法，采用1坚持型算法，基带传输，采用曼彻斯特编码。 一、10BASE-2,4.2.1 以太网,10-速率 BASE-基带 2-网段长度（100的倍数，实际185米） 速率：10Mbps 物理拓扑：为总线结构 通信介质：用50欧姆细同轴电缆 网段最大长度：最长185米 连接器：采用BNC、T形头连接。 每个网段可连接点数：30 通过中继器可连接：5个网段，四个中继器，3个网段可以连计算机。 网络最大长度：925米 站点之间最小距离：0.5米,4.2.1 以太网,二、10BASE-5 速率：10Mbps 物理拓扑：为总线结构 通信介质：用50欧姆粗同轴电缆 网段最大长度：最长500米 连接器：采用AUI/DIX接口,4.2.1 以太网,每个网段可连接点数：100 通过中继器可连接：5个网段，四个中继器，3个网段可以连计算机。 收发器之间最小距离：2.5米 收发电缆最大长度：50 米 网络最大长度：2500米,4.2.1 以太网,三、10BASE-T 速率：10Mbps 物理拓扑：为星型结构 通信介质：双绞线 网段最大长度：最长100米 连接器：RJ-45,4.2.1 以太网,每个网段可连接点数：512 通过中继器可连接：5个网段，四个中继器，3个网段可以连计算机。 系列最大集线器数：4,4.2.2 令牌环网,一、令牌环网的工作原理 IEEE802.5定义了令牌环网的规范，令牌环网最早由IBM于1985年推出，该网物理结构为环形，而现在多为星型在环路上采用令牌传送访问方法，一般采用IBM专用电缆，可以连接260个结点，也可采用无屏蔽双绞线，可以连接72个结点。传输速率为4Mbps或16Mbps，整个环路的长度不能超过366米,4.2.2 令牌环网,令牌环网用传输介质串联多个工作站组成，每个工作站通过收发器与环连接。 1、开始：当令牌初始化后，若每个站点都不发送数据帧，则只有空令牌在环上流动 2、发送：某个站点要发送数据帧，先将数据组装成帧，等待空令牌的到来，获得空令牌后，将空令牌置成忙令牌，并将数据插在忙令牌后发送到环上,4.2.2 令牌环网,3、接收：数据帧经过其他站点的收发器时，收发器将帧内的目的地址与本站地址相比较，如果一致就将帧的数据内容复制到本站，并作出标记，再转发到下一站。否则，直接转发到下一站。 4、释放令牌：当帧沿环返回到发送站时，发送站将数据撤消，同时将令牌置成“闲”状态。交给下一站。,4.2.3 令牌总线网,IEEE802.4规定了令牌总线网的标准 令牌总线网的物理拓扑为总线，但用令牌控制对介质的访问，形成逻辑环结构。,4.2.3 令牌总线网,网上每一个工作站、都有唯一的标识号，每个工作站除了要记住自己的标识号外，还要记住前站（P）、后站（N）的标识号。令牌按标识号的顺序传递，形成逻辑环，数据直接在两站点之间传送。持有令牌的站发送完数据后，把令牌传送给下一站，各站有平等的发送帧的机会，令牌传递顺序与站点的物理顺序无关。,4.3 高速局域网,4.3.1 提高网速的途径 4.3.2 快速以太网 4.3.3 千兆以太网 4.3.4 交换式局域网 4.3.5 虚拟局域网,4.3.1 提高网速的途径,1、提高网络速度的必要性 在过去的20年中计算机的速度提高了百万倍，价格不断下降，这促进了计算机的广泛应用 计算机的广泛应用使连网成为必然，计算机网络规模越来越大，网络内部的通信量越来越大。 传统的共享介质网络，随网络规模的增大，效率急剧下降,4.3.1 提高网速的途径,2、解决网络规模和网络性能矛盾的方法 改进局域网技术，提高局域网的速率 将一个大型网络用网桥或路由器划分成多个较小的网段（子网），减少每个网段内部的结点数 将共享方式的网络改成交换式的网络,4.3.2 快速以太网,1、快速以太网的发展 快速以太网单指速率为100MB的以太网， 快速以太网体系结构、工作原理、介质访问控制方法与传统以太网相同，只是改变了物理层标准，使每个比特的发送时间有100ns降低到10ns.,4.3.2 快速以太网,快速以太网标准 速率：100Mbps 物理拓扑：为星型结构 通信介质： 100BASE-TX 5类UTP或STP 网段最大长度 100米 100BASE-T4 3、4、5类UTP 网段最大长度 100米 100BASE-FX 2.5m多模光纤 网段最大长度 150/412/200/1000米 其余同10BASE-T,4.3.3 千兆以太网,现在，许多用户通过10BASE-T或100BASE-T与局域网连接，这将产生与传统局域网类似的瓶颈现象。 随着网络上越来越复杂的应用，快速以太网在数据仓库、桌面视频会议、高清晰度图象的应用中会显得力不从心 千兆以太网体系结构、工作原理、介质访问控制方法与传统以太网相同，只是改变了物理层标准，使每个比特的发送时间由10ns降低到1ns.,4.3.3 千兆以太网,千兆以太网的标准 1000BASET：使用5类非屏蔽双绞线，网段长度可达100米 1000BASECX：使用屏蔽双绞线，网段长度可达25米 1000BASELX：使用波长为1300 nm的单膜光纤，网段长度可达3000米 1000BASESX：使用波长为850nm的多膜光纤，网段长度可达300-550米,4.3.3 千兆以太网,千兆以太网现在主要用于企业（校园）网络的主干网。,企业级1000兆,部门级100兆,用户级10兆,4. 4 交换式局域网,1、交换式网络的提出 传统的共享介质的网络当网络结点增加时性能变差，为克服网络规模和网络性能之间的矛盾，人们提出了交换式的网络。 交换式的网络的核心式网络交换机，它可以在多个端口之间建立多条并发的连接。,4.4 交换式局域网,共享介质类的网络 多个工作站共享一个通信介质，任意时刻只能有一个工作站占用介质。传统的以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）均属于这类网络。,100MB共享式集线器,带宽被各结点均分,4.4 交换式局域网,交换式网络 通过交换机使网上任意两个工作站通信时独占通信介质，可以同时建立多条并行连接。,100MB交换机，内有多条背板总线，每条总线速率均为100MB,通信时每两个个结点间都可以达到100MB的速率,4. 4 交换式局域网,2、交换式局域网的工作原理 交换式局域网主要根据“端口号/MAC地址映射表”工作，当交换机工作时，会自动建立这种映射 设一个6端口的交换机，端口1、4、5、6分别连接了计算机，则生成如图所示的“映射表”。 当计算机A和计算机C通信时，发送前，在A结点先填好数据帧的目的地址C，然后送交换机，交换机查“端口号/MAC地址映射表”，在1号和5号端口间建立连接 这种连接可以根据需要同时建立多条，由背板总线的数目而定。,4.4 交换式局域网,地址表,缓冲区,缓冲区,缓冲区,缓冲区,缓冲区,缓冲区,1,2,3,4,5,6,4. 5 虚拟局域网,一、什么是虚拟局域网 在交换式网络基础上，通过一定的技术手段，根据实际工作的需要，将网络上的结点划分成若干逻辑工作组，每个工作组就是一个虚拟网络。 虚拟网络以软件的方式实现逻辑工作组的划分，工作组中结点不受其物理位置的限制，可以分布在不同的网段上,4.5 虚拟局域网,二、虚拟局域网的实现 1、用端口号定义虚拟局域网 根据交换机的端口号划分虚拟网，这些端口号可以来自不同的交换机。 一个端口或一个网段 只能属于一个虚拟网 不足之处是：当用户从一个端口移动到另一个端口时，网络管理员必须对虚拟网的成员重新配置,4.5 虚拟局域网,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,VLAN1,VLAN2,VLAN2,4.5 虚拟局域网,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,VLAN1,VLAN2,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,VLAN1,4.5 虚拟局域网,2、用MAC地址定义虚拟局域网 MAC地址既网卡地址，由于网卡安装在计算机中，所以即使将结点从一个网段移动到另一个网段，其虚拟局域网成员的地位不会改变。 不足是：当虚拟网的规模较大时逐个配置比较麻烦,4.5 虚拟局域网,3、用网络层地址定义虚拟局域网 网络层地址是逻辑地址，如IP地址，只要IP地址是固定的，用户可以随意移动结点而无须重新配置网络 不足是：性能较差，速度会慢,4.6 光纤分布数据接口（FDDI）,FDDI（Fiber Distributed Data Interface）是使用光纤为传输介质、拓扑结构为双环形的高速网络，技术比较成熟，主要用于城域网中的主干网。,4.6 光纤分布数据接口（FDDI）,FDDI由两个光纤环组成，一个顺时针传输，一个逆时针传输。如果一个环断了，另一个环作为后备投入使用。两个环再同一点段了，则两环可接成一个环继续工作。,4.6 光纤分布数据接口（FDDI）,在FDDI中使用4B/5B编码。即将4位2进制数，用5位表示。 FDDI的介质访问控制方式基本接近IEEE802.5