第三章 局域网基础

1、第三章 局域网基础3.1 局域网与城域网基本概念1 决定局域网和城域网三要素技术要素是网络拓扑、传输介质、介质控制访问方法2 局域网拓扑结构的类型与特点广域网通信机制：存储转发。局域网通信机制：共享介质与交换方法。网络拓扑为总线型环形与星行局域网从截至控制方法角度可以分为共享介质局域网与交换是局域网。总线型局域网采用共享介质方式特点是所有节点通过网卡连接到总线上，总线通常采用同轴电缆或者双绞线作为传输介质，一段时间内置可以一个节点利用总线发送数据，可能出现冲突（Collision），必须解决介质访问控制（MAC，Medium Access Control）问题环形节点上网卡使用点-点线路连接构

2、成闭合环形星形每个节点通过点-点连接，任何节点通信都要通过中心节点3 传输介质类型与介质访问控制方法局域网常用的传输介质是双绞线、同轴电缆、光纤以及无线通信信道目前被采用的介质访问控制方法有带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌总线（Token Bus）、和令牌环（Token Ring）方法4 IEEE802参考模型1980年2月IEEE成立局域网标准委员会简称IEEE802委员会IEEE802所描述的局域网只是OSI模型中的数据链路层与物理层。将OSI数据链路层分为逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子网和介质访问控制MAC（Medium Acces

3、s Control）1980年局域网有三种典型的技术：以太网、令牌总线、令牌环。现在几乎所有的局域网均采用以太网协议不同局域网在MAC子层和物理层可以采用不同的协议，但是LLC子层必须采用相同的协议。不管局域网的介质访问控制方法与帧结构以及采用的物理传输介质有什么不同LLC子层将它们全部封装与固定的LLC帧中 数据链路层 逻辑链路控制 介质访问控制 物理层 物理层 IEEE为局域网制定了一系列标准简称IEEE802标准IEEE802.2 逻辑链路控制LLC子层功能与服务IEEE802.3 CSMA/CD总线介质访问子层与物理层IEEE802.4 令牌总线Token Bus总线介质访问子层与物理

4、层IEEE802.5 令牌环网Token Ring总线介质访问子层与物理层IEEE802.7 宽带IEEE802.8 光纤技术IEEE802.11 无线局域网访问控制子层与物理层标准IEEE802.15 近距离个人无线局域网访问控制子层与物理层标准IEEE802.16 宽带无线局域网访问控制子层与物理层标准总线局域网应用可以得出，以太网占绝对优势，是办公自动化环境组建局域网首选技术。桌面系统采用10Mbps或者100Mbps快速以太网10Mbps物理层有多种标准。目前基本使用非屏蔽双绞线10-BASE-T标准IP协议直接将分组封装在以太网帧中LLC协议已经很少使用3.2 以太网1 以太网的发展

5、以太网核心技术起源于无线分组交换网-ALOHA网。ALOHA网出现在20世纪60年代，夏威夷大学的一个以无线广播方式工作的分组交换网1972年Bob Metcalfe和David Boggs开发出第一个实验性局域网，1973年将此命名为Ethernet1980年，Xerox、DEC、Inter三家公司合作，第一次公布以太网的物理层、数据链路层规范1981年EthernetV2.0公布，IEEE802.3是EthernetV2.0基础上制定的2 以太网帧结构与工作流程分析Ethernet核心技术是随机争用型介质访问控制方法。即带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD方法。带有冲突检测的载波侦

6、听多路访问方法解决的是如何分享公用总线传输介质的问题，在Ethernet中任何联网节点都没有任何预约的发送时间，他们的发送都是随机的CSMA/CD发送流程可以简单的概括为：先听后发、边听边发、冲突停止、随即延迟后重发如果一个节点要发送数据现将数据以广播的方式通过总线发送出去。使用CSMA/MA总线型局域网发送数据前先侦听总线的忙、闲。发送时可能出现冲突因此进行冲突检测1 载波侦听阶段 以太网物理层发送的数据采用曼彻斯特编码法如果总线上有数据，总线点平辉出现跳变，如果点评不出现跳变就是总线闲2 冲突检测阶段 冲突是指出现两个或者两个以上的发送信号。比较极端的是A给B发送时B正好也要发送数据。此时

7、冲突发生，等到冲突信号传导A时经过了2t,t=D/V,D为总线最大长度V为速度。如果在2t时间内没有检测到冲突，则已经取得总线访问权。因此2D/V为冲突窗口冲突检测方法有：比较法、编码伪例判断法。比较法是检测发送的与接收到的的差别，编码违例法是接收到的波形不符合曼彻斯特编码法。如果没有冲突，则顺序的发送所有的数据在以太网中规定的冲突窗口长度位51.2us以太网传输速率为10Mbps，冲突窗口为64B。64B是以太网的最短帧长度3 发生冲突、停止检测 随机延误重发的第一部是冲突加强信号，发送冲突加强信号的目的是有足够的持续时间使得网中节点均能检测到冲突丢弃发送的帧提高信道利用率4 随机延误重发

8、规定最大重发次数是16次后退延迟算法 截止二进制指数后退延迟算法。T=2(k次方)*R*a.a为冲突窗口值R为随机数R为发送地址的初始值k=min(n,10)以太网帧结构前导码帧前定界符目的地址源地址类型数据帧校验7B1B6B6B2B46-1500B4B前导码与帧前定界符目的是在帧目的地址到达之前达到正常接收状态。前导码与帧前定界符主要用于接受同步阶段目的地至于原地址是硬件地址，硬件地址又称为MAC地址、物理地址或者以太网地址目的地址可以是单一节点地址、多点地址或者广播地址地址第一位为0表示单一地址，为1表示多点地址，全1表示广播地址类型字段表示网络层使用的协议，当类型字段为0x0800时表示

9、网络层使用IP协议，当为0x8137时为NetWare的IPX协议数据字段小于46B填充至46B。帧头长度为18B（目的地址源地址类型帧校验）以太网帧最短64B最长1518B帧校验字段（FCS）：采用32位(4B)循环冗余校验（CRC）接受数据后先检验长度，如果小于64B丢弃，其次判断是否为8位的整数倍。以太网接受出错可以分为帧校验错、帧长度错、帧位错3 以太网的实现从实现角度看设备包括网卡、收发器、收发器电缆。从功能看包括发送和接受信号的收发器、曼彻斯特编码与解码器、以太网数据链路控制、帧装备及主机的接口从层次看包括MAC子层和物理层4 以太网的物理地址大多是通过网卡分配一个硬件地址（物理地

10、址），典型的Ethernet物理地址长度为48位用12个十六进制数表示比如00-60-08-00-A6-383.3 高速局域网工作原理高速局域网的研究方法为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾人们提出三种方法：1 提高局域网数据传输速率，导致高速局域网的研究。但是以太网帧结构不会变，介质访问方法仍为CSMA/CD方法20世纪60年代1976年1990年1995年1999年2002年ALOHA网以太网10-BASE-T以太网快速以太网千兆以太网万兆以太网以太网发展过程2 讲一个局域网划分为由多个网桥或者路由器连接的子网。减少了节点数，导致了局域网互连技术3 将共享介质方法改为交换方式，导致了交换式

11、局域网研发。交换是局域网的核心是局域网交换机。在多个端口间建立并发连接。使局域网转换为两种类型共享是局域网与交换是局域网高速以太网快速以太网传输率为100Mbps，其他几乎相同。把Ethernet每个比特传送时间从100ns下降为10s.Fast Ethernet采用的标准为IEEE802.3u.标准LLC层为IEEE802.2标准，MAC子层采用CSMA/CD,物理层新定义了100-BASE-T。100-BASE-T采用介质独立接口（MII，Medium Independence Interface）100-BASE-T可以支持多种传输介质目前传输介质标准：100-BASE-TX，100-B

12、ASE-T4,100-BASE-FX千兆以太网Gigabit Ethernet采用的标准为IEEE802.3z，在物理层定义了1000-BASE-T。定义了千兆介质专用接口（GMII，Gigabit Medium Independence Interface）使用四种传输介质的标准：1000-BASE-T,使用五类非屏蔽双绞线，双绞线长度达到100m.1000-BASE-CX屏蔽双绞线，长度到25m. 1000-BASE-LX，使用波长达到1300nm的单模光纤光纤长可以达到3000m. 1000-BASE-SX波长850nm多模光纤，长度300-550m万兆以太网10Gbps Etherne

13、t标准IEEE802.3ae。传输介质只使用光纤，10Gbps Ethernet工作只是全双工，不存在争用。 10Gbps Ethernet物理层是哟个光纤通道有两种不同的物理层标准：1 局域网物理层标准2 广域网物理层标准广域网传输速率为9.58464Gbps 而MAC层是按照10Gbps设计的。因此需要通过万兆介质独立接口（10G MII）将MAC工作速率由10Gbps减小到9.58464Gbps交换式局域网与虚拟局域网交换式局域网的基本结构交换式局域网的核心部件是它的局域网交换机。典型的交换式局域网为交换式以太网（Switched Ethernet）共享介质Ethernet每个时间段只允

14、许一个节点占用公共通信信道，交换式局域网从根本上改变了共享介质的工作原理，通过Ethernet Switch支持交换机端口间的多个并发连接，实现多点间数据并发传输局域网技术特点：低交换延误，支持不同传输速率和工作模式，支持虚拟交换网局域网交换机工作原理在数据交换过程中，交换机的交换中心根据“端口号/MAC地址映射表找出对应的帧目的地的输出端口号，要是没有找到，交换机向除发送的端口号转发信息，当目的地址发送应答帧时交换机可以得到此目的地与交换机端口对应的关系并且将地址信息存储到映射表中建立和维护交换机中的地址映射表需要解决两个问题：一是交换机如何知道那个节点连接到哪个端口上二是当一个结点从交换机

15、的一个端口移动到另外一个端口时交换机如何维护地址映射表交换机的地址学习是通过读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口号进行的。MAC地址与端口的对应关系Ethernet交换机帧转发方式：直接交换方式，存储转发交换方式，改进的直接交换直接交换方式 检测到目的地之后直接转发出去，不管这一帧数据是否正确。优点是延迟段但是缺乏差错检测能力，不支持不同输入输出速率端口的帧转发存储转发交换方式 先检查，优点是可以检错，支持不同速率端口的帧转发。缺点是延误时间长改进的直接交换 先判断帧头部是否正确。对于比较短的帧延误长，比较长的帧延误比较短虚拟局域网的工作原理虚拟网是建立在局域网交换机或者ATM机上的用软件的

16、方式实现逻辑工作组的划分与管理逻辑工作组的节点组成不受物理位置限制不同虚拟局域网组网的方法的区别主要表现在对虚拟局域网成员定义的划分上。通常有四种方法：以交换机端口号定义，以MAC地址定义，以网络层地址定义，IP广播组无线局域网无线局域网的应用无线局域网是以微波、激光、和红外电波为传输介质，部分或全体代替传统的同轴电缆、双绞线实现物理层与数据链路层的功能无线局域网主要应用于：1 传统局域网的扩充2 建筑物间互联3 漫游访问4 特殊网络Ad hoc无线局域网传输介质红外线局域网、窄带微波局域网、扩频无线局域网1990年，IEEE802委员会成立IEEE802.11工作组开发MAC层与物理层协议。

17、1997年第一个局域网标准IEEE802.11形成IEEE802.11使用红外、跳频扩频、和直接序列扩频。IEEE802.11b定义了跳频扩频技术，目前IEEE802.11发展到IEEE802.11j红外无线局域网发送点必须可以看到接收点，使用三种技术定向光束红外传输、全方位红外传输、漫反射红外传输扩频无线局域网最普遍的技术是扩频技术。扩展频率有两种方法跳频扩频和直接序列扩频跳频扩频 发送信号频率按照固定的时间间隔从一个频率跳到另外一个频率。使用2.4GHz工业、科学、医药的频移键控（FSK）或者二进制相位键控（PSK）直接序列跳频 使用2.4GHz工业、科学、医药的ISM频段，发送端产生一个

18、伪随机码进行模二加，接收端使用与发送端相同的伪随机码无线局域网标准IEEE802.11点协调功能PCF（无争用服务）分布协调功能DCF CSMA/CD（争用服务）物理层无争用服务存在中心控制节点具有协调功能争用服务中，高优先级帧帧间间隔短，可以优先获得发生权局域互联网与网桥工作原理局域网互联的概念网络互联类型：局域网-局域网互联，局域网-广域网互联，局域网-广域网-局域网互连，广域网互联符合不同协议的局域网的互联叫做一种局域网的互联ATM局域网与共享介质局域网的互联必须解决局域网仿真问题。一般用网桥（Bridge）将分散在不同地方的局域网连接起来。局域网-广域网互联或者广域网-广域网互联可以用

19、路由器或者网关Gateway（也称网间协议变换器）根据网络层次，网络互连可以分为数据链路层互连、网络层互连、高层互连网桥的工作原理数据链路层互连设备是网桥Bridge,网桥的特点：网桥可以互连两个不同数据链路层协议、传输介质、传输速率的网络网桥需要互联网络数据链路层以上采用相同的协议网桥的设计特点：网桥不更改接收帧的数据字段内容和格式，只是简单的将帧从一个局域网复制下来在原封不动的传送到另外一个网中，一次要求两个局域网在MAC层以上采用相同的协议。衡量网桥的参数是每秒钟接受和转发的帧。网桥必须具有寻址和路由原则功能。网桥连接的MAC层与物理层可以不同网桥的路由选择策略网桥通过路由表实现不同网段之间的帧转发。网桥的重要工作室构建和维护路由表。路由表用于记录不同结点的物理地址和网桥转发端口的关系，网桥利用物理地址MAC地址判断帧是否转发网络路由表的建