计算机三级网络技术3

1、三级网络技术三级网络技术 第3章 局域网基础 3.1 局域网基本概念 3 3.1.1 决定局域网的三要素 n决定局域网性能的三要素为：决定局域网性能的三要素为： n网络拓扑 n传输介质 n介质访问控制方法 4 3.1.2 3.1.2 局域网拓扑结构的类型与特点局域网拓扑结构的类型与特点 n网络拓扑网络拓扑 n总线型 n环型 n星型 n传输介质传输介质 n双绞线 n同轴电缆 n光纤 5 1 1总线型拓扑构型总线型拓扑构型 6 1 1总线型拓扑构型总线型拓扑构型( (续续) ) n主要特点：主要特点： n所有的结点直接连接到一条作为公共传输介质的总线 上 n总线通常采用同轴电缆或双绞线作为传输介质

2、。 n以“广播”方式发送数据 n会出现“冲突”（collision），造成传输失败 n必须解决多结点访问总线的介质访问控制（MAC）问 题 n优点：优点： n结构简单、实现容易、易于扩展，可靠性较好 n缺点：缺点： n不易管理，故障诊断和隔离比较困难 7 2 2环型拓扑构型环型拓扑构型 8 2 2环型拓扑构型环型拓扑构型( (续续) ) n主要优点：主要优点： n初始安装比较容易，传输线路较短 n故障诊断定位比较准确 n适于光纤连接，例如，FDDI n主要缺点：主要缺点： n可靠性较差 n重新配置较为困难 9 3 3星型拓扑构型星型拓扑构型 10 3 3星型拓扑构型星型拓扑构型( (续续) )

3、 n主要优点：主要优点： n维护管理容易 n重新配置灵活 n故障隔离和检测容易 n主要缺点：主要缺点： n安装工作量大 n依赖于中心结点，中心的集线器出现故障，则 全网瘫痪 11 3.1.3 3.1.3 局域网传输介质类型与局域网传输介质类型与介质访问控制方法 n1局域网的传输介质类型局域网的传输介质类型 局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、 光纤与无线通信信道。光纤与无线通信信道。 n2局域网的介质控制访问方法局域网的介质控制访问方法 IEEE 802.2IEEE 802.2标准定义的共享介质局域网有标准定义的共享介质局域网有3 3类：类： n

4、带冲突检测的载波侦听多路访问方法的总线型局域网 n令牌总线方法的总线型局域网 n令牌环方法的环形局域网 12 双绞线双绞线 n分为两类：分为两类： n屏蔽双绞线STP：由外部保护层、屏蔽层、与多对双绞 线组成； n非屏蔽双绞线UTP：由外部保护层与多对双绞线组成； n屏蔽双绞线的抗干扰能力优于非屏蔽双绞线。 n非屏蔽双绞线：非屏蔽双绞线： n三类线：适用于语音及10Mbps以下的数据传输； n四类线：适用于16Mbps以下的数据传输； n五类线：适用于100Mbps的高速数据传输； n超五类、六类线和七类：用于高速率的数据传输环境 中。 13 光纤光纤 n光导纤维，简称光纤，光导纤维，简称光纤

5、，通过光信号传输数据通过光信号传输数据 n传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽 n光纤通信的特点光纤通信的特点: : n传输距离远、数据速率高、抗干扰和保密性强 n光纤分为两类：光纤分为两类： n多模光纤:价格便宜，传输距离小； n单模光纤:纤芯细、速度高、距离远、成本高，最大传 输距离可达40km ； n总体上看，单模光纤优于多模光纤。 14 3.1.4 IEEE 8023.1.4 IEEE 802模型与协议标准模型与协议标准 15 3.1.4 IEEE 8023.1.4 IEEE 802模型与协议标准模型与协议标准( (续续) ) 16 3.1.

6、4 IEEE 8023.1.4 IEEE 802模型与协议标准模型与协议标准( (续续) ) nIEEE 802.1IEEE 802.1：局域网体系结构、网络互联，以及网络管理与性能测试；：局域网体系结构、网络互联，以及网络管理与性能测试； nIEEE 802.2IEEE 802.2：逻辑链路控制：逻辑链路控制LLCLLC子层功能与服务；子层功能与服务； nIEEE 802.3IEEE 802.3：CSMA/CDCSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范；总线介质访问控制子层与物理层规范； nIEEE 802.4IEEE 802.4：令牌总线（：令牌总线（Token BusToken Bu

7、s）介质访问控制子层与物理层规）介质访问控制子层与物理层规 范；范； nIEEE 802.5IEEE 802.5：令牌环（：令牌环（Token RingToken Ring）介质访问控制子层与物理层规范；）介质访问控制子层与物理层规范； nIEEE 802.6IEEE 802.6：城域网：城域网MANMAN介质访问控制子层与物理层规范；介质访问控制子层与物理层规范； nIEEE 802.7IEEE 802.7：宽带技术；：宽带技术； nIEEE 802.8IEEE 802.8：光纤技术；：光纤技术； nIEEE 802.9IEEE 802.9：综合语音与数据局域网：综合语音与数据局域网IVD

8、LANIVD LAN技术；技术； nIEEE 802.10IEEE 802.10：可互操作的局域网安全性规范：可互操作的局域网安全性规范SILSSILS； nIEEE 802.11IEEE 802.11：无线局域网技术；：无线局域网技术； nIEEE 802.12IEEE 802.12：100VG AnyLAN100VG AnyLAN标准标准 3.2 3.2 以太网以太网 18 3.2.1 3.2.1 以太网的发展以太网的发展 n以太网的核心技术是带冲突检测的载波侦听多路访问以太网的核心技术是带冲突检测的载波侦听多路访问 （CSMA/CDCSMA/CD）方法，它起源于无线分组交换网）方法，它起

9、源于无线分组交换网ALOHAALOHA网。网。 nALOHA网出现在20世纪60年代末 n20世纪70年代初 ,提出冲突检测、载波侦听与随即后退延迟算法 , 开发出第一个实验性局域网 n1980年，公布了以太网的物理层、数据链路层规范 n1981年，Ethernet 2.0规范公布。 n1982年支持IEEE802.3标准的以太网控制器面试 n1990年，IEEE802.3标准中的物理层标准10BASE-T推出 n1995年，传输速率为100Mbps的快速以太网标准推出 n1998年千兆以太网标准推出。1999年万兆以太网产品问世 19 3.2.2 3.2.2 以太网帧结构与工作流程分析以太网

10、帧结构与工作流程分析 n1.以太网数据发送流程 “先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发” 20 2. 2. 以太网帧结构以太网帧结构 n各字段含义：各字段含义： n前导码：由56位（7B）的101010101010序列组成，用于保证接 收电路在帧的目的地址字段到来之前达到正常接收状态 n帧前定界符：可视为前导码的延续，为1个字节的10101011。 n目的地址字段,表示帧的接收结点地址，一般为MAC地址。 n源地址字段：表示帧的发送结点地址。 n类型字段：表示网络层使用的协议类型。 n数据字段：为高层待发送的数据部分，最小长度为46B，最大长

11、度 为1500B。 n帧校验字段：采用32位的循环冗余校验（CRC）。 21 3. 3. 以太网数据接收流程以太网数据接收流程 n当一个结点成功利用总线发送数据，则其当一个结点成功利用总线发送数据，则其 他节点都应处于接受状态。当一个结点接他节点都应处于接受状态。当一个结点接 收到一个数据帧后，首先通过接受的数据收到一个数据帧后，首先通过接受的数据 帧的长度来判断是否发生冲突；如果没有帧的长度来判断是否发生冲突；如果没有 发生冲突，则检查该帧的木的地址，若目发生冲突，则检查该帧的木的地址，若目 的地址是本结点地址，则接收该帧；然后的地址是本结点地址，则接收该帧；然后 进行进行CRCCRC校验，

12、若无错误，则报告校验，若无错误，则报告“成功接成功接 收收”，并进入结束状态。，并进入结束状态。 22 3.2.3 3.2.3 以太网的实现方法以太网的实现方法 n从实现的角度来看，构成以太网网络连接的设备从实现的角度来看，构成以太网网络连接的设备 包括网卡、收发器和收发器电缆包括网卡、收发器和收发器电缆 n从功能的角度来看，包括发送与接收信号的收发从功能的角度来看，包括发送与接收信号的收发 器、曼彻斯特编码器与解码器、以太网数据链路器、曼彻斯特编码器与解码器、以太网数据链路 控制、帧装配及与主机的接口控制、帧装配及与主机的接口 n从层次的角度来看，这些功能覆盖了从层次的角度来看，这些功能覆盖

13、了IEEE 802.3IEEE 802.3 标准的标准的MACMAC子层与物理层。子层与物理层。 23 3.2.4 3.2.4 以太网的物理地址以太网的物理地址 n固化在网卡固化在网卡EPROMEPROM中，全网惟一中，全网惟一 n组成：组成： n位数：48bit(6个字节) n由两部分组成：3个字节厂商地址+3个字节厂 商自行分配号码 n表示：表示： n12个十六进制数，每2个16进制数之间用连字 符（也可用冒号）隔开 n如：08-00-20-0A-8C-6D 3.3 3.3 高速局域网的工作原理高速局域网的工作原理 25 3.3.1 3.3.1 高速局域网的研究方法高速局域网的研究方法 n

14、问题：问题： n局域网的规模不断的扩大，网络通信负荷加重时，冲 突和重发现象将大量发生，网络效率急剧下降，网络 传输延迟增长，网络服务质量下降 n解决方法：解决方法： n提高数据传输速率 n用网桥与路由器隔离子网之间的交通量 n将“共享介质方式”改为“交换方式” n交换式局域网的核心设备是局域网交换机，多个端口之间建立 多个并发连接 26 3.3.2 快速以太网 n快速以太网的传输速率比普通以太网快快速以太网的传输速率比普通以太网快1010倍，保倍，保 留了传统以太网的所有特性，包括相同的数据帧留了传统以太网的所有特性，包括相同的数据帧 格式、介质访问控制方式和组网方法。格式、介质访问控制方式

15、和组网方法。 n标准：标准：IEEE802.3IEEE802.3 n与以太网的区别：与以太网的区别： n每个比特的发送时间从100ns降低到10ns。 n不再使用同轴电缆作为传输介质，而主要使用双绞线 和光纤。 n在MAC子层和物理层之间增加了MII（介质独立性接 口），使物理层在实现100Mbps速率时所使用的传输 介质和编码方式的变化不会影响到MAC子层。 27 3.3.2 3.3.2 快速以太网快速以太网 （续）（续） n1 1快速以太网的体系结构快速以太网的体系结构 28 3.3.2 3.3.2 快速以太网快速以太网 （续）（续） n2.2.快速以太网传输介质标准快速以太网传输介质标准

16、 n100 BASE TX： n支持2对5类UTP或2对1类STP。距离可达100m n100 BASE T4 n支持4对3类UTP，3对用于数据传输，1对用于冲突 检测 n100 BASE FX n支持2芯的单模或多模光纤，距离可达2km 29 3.3.3 3.3.3 千兆位以太网千兆位以太网 n帧格式、介质访问控制方式和组网方法与以太网相同帧格式、介质访问控制方式和组网方法与以太网相同 n定义了千兆介质专用接口定义了千兆介质专用接口GMIIGMII，将，将MACMAC子层和物理层分开子层和物理层分开 30 3.3.3 3.3.3 千兆位以太网（续）千兆位以太网（续） n2 2千兆以太网的组

17、网方式千兆以太网的组网方式 n1000Base-SX n使用短波激光作为信号源的媒体技术 n不支持单模光纤，仅支持62.5m和50m两种多模光纤。 n对于62.5m多模光纤，全双工模式下最大传输距离为275m， 对于50m多模光纤，全双工模式下最大传输距离为550m。 n1000Base-LX n使用长波激光作为信号源的媒体技术 n它可以驱动多模光纤和单模光纤 n对于多模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离为550m； 对于单模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离可达3km。 31 3.3.3 3.3.3 千兆位以太网（续）千兆位以太网（续） n2 2千兆以太网的组网方式千兆以太网的组网方式

18、n1000Base-CX n传输介质：短距离屏蔽铜缆 n最长距离达25m n1000BASE-T n第二个铜线标准IEEE 802.3ab n使用5类无屏蔽双绞线的千兆以太网标准 n最长传输距离为100m，网络直径可达200m 32 3.3.4 3.3.4 万兆位以太网万兆位以太网 n1 1万兆位以太网的万兆位以太网的特点特点 n帧格式与10Mbps、100Mbps、1Gbps的帧格式 完全相同； n仍然保留802.3对以太网最小帧长度和最大帧长 度的规定； n不能使用双绞线，只支持多模和单模光纤 n不支持共享型，只支持全双工，传输距离不会 受到传统以太网CSMA/CD机理制约 33 3.3.

19、4 3.3.4 万兆位以太网万兆位以太网 （续）（续） n2 2万兆位以太网万兆位以太网的物理层协议：的物理层协议： n局域网物理层标准 n数据传输速率是10Gbps n可选的广域网物理层标准 n使用光纤通道技术 n符合光线通道技术速率体系SONET/SDH的OC- 192/STM-64的标准 nOC-192/STM-64的标准速率是9.95328Gbps，而不 是精确的10Gbps 3.4 交换式局域网与虚拟局域网 35 3.4.1 3.4.1 交换式局域网的基本结构交换式局域网的基本结构 n1 1交换机的基本概念交换机的基本概念 n“共享端口”“专用端口” n端口之间可有多个并发连接 36

20、 3.4.1 3.4.1 交换式局域网的基本结构（续）交换式局域网的基本结构（续） n交换机的技术特点交换机的技术特点 n低交换传输延迟 从传输延迟时间的量级来看，局域网交换机延迟为几 十s，网桥为几百s，路由器为几千s。 n高传输带宽 对于10Mbps的端口，半双工端口带宽为10Mbps，而全 双工端口带宽为20Mbps； 对于100Mbps的端口，半双工端口带宽为100Mbps，而 全双工端口带宽为200Mbps。 n允许不同速率的端口共存 采用了自动侦测（Autosense）技术时，交换机端口可 以同时支持10Mbps/100Mbps、全双工/半双工两种工 作方式 n支持虚拟局域网服务

21、37 3.4.2 3.4.2 局域网交换机的工作原理局域网交换机的工作原理 交换机的工作原理交换机的工作原理 38 3.4.2 3.4.2 局域网交换机的工作原理（续）局域网交换机的工作原理（续） n2 2“端口号端口号/MAC/MAC地址映射表地址映射表”的建立与维护的建立与维护 n需要解决两个问题： n交换机如何知道哪个结点连接到哪个端口； n当结点从交换机的一个端口转移到另一个端口时， 交换机如何维护地址映射表。 n交换机是利用“地址学习”方法来动态维护端 口/MAC地址映射表。 39 3.4.2 3.4.2 局域网交换机的工作原理（续）局域网交换机的工作原理（续） n3 3交换机的帧转

22、发方式交换机的帧转发方式 n直接交换方式(cut through)： n只要接收并检测到目的地址字段，立即将该帧转发出去，而不 管这一帧是否出错，帧出错检测任务由主机完成。 n优点：转发速度快 n缺点：可靠性差 n存储转发方式(store and forward)： n完整的接收发送帧，先进行差错检测，如果没错，则根据帧目 的地址确定输出端口号，然后再转发出去。 n优点：可靠性强 n缺点：转发速度慢 n改进的直接交换方式 n转发速度和可靠性兼顾 40 3.4.3 3.4.3 虚拟局域网的工作原理虚拟局域网的工作原理 n1 1虚拟网络的基本概念虚拟网络的基本概念 n划分VLAN的目的:使子网或逻

23、辑工作组的划分 不受物理位置的限制 n利用软件实现对子网或逻辑工作组的划分 nVLAN只能交换环境的局域网中实现 41 3.4.3 3.4.3 虚拟局域网的工作原理（续）虚拟局域网的工作原理（续） n虚拟网络的基本概念（虚拟网络的基本概念（2 2） 42 3.4.3 3.4.3 虚拟局域网的工作原理（续）虚拟局域网的工作原理（续） n2 2虚拟局域网实现技术虚拟局域网实现技术 43 3.4.3 3.4.3 虚拟局域网的工作原理（续）虚拟局域网的工作原理（续） n虚拟局域网的组网方法虚拟局域网的组网方法 n用交换机端口号定义虚拟局域网 n最通用的方法 n一个端口只能属于一个VLAN n当用户从一

24、个端口移动到另一个端口时，网络管理 员必须对虚拟局域网成员进行重新配置。 n用MAC地址定义虚拟局域网 n用网络层地址定义虚拟局域网 n用IP广播组定义虚拟局域网 44 3.4.3 3.4.3 虚拟局域网的工作原理（续）虚拟局域网的工作原理（续） n3.3.虚拟局域网的优点虚拟局域网的优点 n方便网络用户管理，减少网络管理开销。 n提供更好的安全性。 n改善网络服务质量。 3.5 无线局域网 46 3.5.1 3.5.1 无线局域网应用无线局域网应用 n1 1无线局域网应用无线局域网应用 n作为传统局域网的扩充 n建筑物之间的互连 n漫游访问 n特殊网络 n2 2无线局域网的主要类型无线局域网

25、的主要类型 n红外线局域网 n扩频无线局域网 n窄带微波无线局域网 47 3.5.2 3.5.2 红外线局域网红外线局域网 n红外线无线局域网具有以下几个优点。红外线无线局域网具有以下几个优点。 n红外线通信比微波通信不易被入侵，由此提高了安全 性。 n安装在大楼中每个房间里的红外线网络可以互不干扰， 因此建立一个大的红外线网络是可行的。 n红外线局域网设备相对便宜又简单。 n红外线局域网的数据传输的红外线局域网的数据传输的3 3种基本技术种基本技术 n定向光束红外线 n全方位红外传输技术 n漫反射红外传输技术 48 3.5.3 3.5.3 扩频无线局域网扩频无线局域网 n无线局域网中所使用扩

26、频技术无线局域网中所使用扩频技术 n跳频（Frequency Hopping）：在跳频方案中， 发送信号频率按固定的间隔从一个频谱跳到另 一个频谱。接收器与发送器同步跳动，从而正 确地接收信息。 n直接序列（Direct Sequence）扩频：它的通信 原理是：发送信号是发送数据与发送端产生的 一个伪随机码进行模二加的结果。在接收端， 使用与发送端相同的伪随机码，从扩频序列信 号取出发送数据。 49 3.5.4 3.5.4 无线局域网标准无线局域网标准IEEE 802.11 IEEE 802.11 50 3.5.4 3.5.4 无线局域网标准无线局域网标准IEEE 802.11IEEE 80

27、2.11（续）（续） n1.IEEE 802.11 1.IEEE 802.11 标准标准 n数据传输速率: n1Mbps、2Mbps n介质访问控制MAC层： n分布式协调功能（DCF）子层 n与点协调功能（PDF）子层 n分布式协调功能子层使用CSMA/CA协议 n物理层： n红外 n跳频扩频 n直接序列扩频 51 3.5.4 3.5.4 无线局域网标准无线局域网标准IEEE 802.11IEEE 802.11（续）（续） nIEEE 802.11bIEEE 802.11b标准标准 n扩频技术：跳频扩频技术， n工作频段：2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段 n最大数据传输速率为1

28、1Mbps，并可将数据传输速率降低为5.5Mbps、 2Mbps和1Mbps。 nIEEE 802.11aIEEE 802.11a标准标准 n工作频段：5GHz U-NII频段 n数据传输速率可达54Mbps nIEEE 802.11gIEEE 802.11g标准标准 n一种混合标准 n既能适应传统的802.11b标准，在2.4GHz频率下提供每秒11Mbps数据传 输率 n也符合802.11a标准在5GHz频率下提供54Mbps数据传输率 nIEEE 802.11jIEEE 802.11j标准标准 n对多种频段无线传输技术的物理层、MAC层、无线网桥、以及Qos管理、 安全与身份认证做出了一系列的规定。 3.6 3.6 局域网互联与网桥的工作原理局域网互联与网桥的工作原理 53 3.6.1 3.6.1 局域网互联的概念 n局域网互联的环境局域网互联的环境 n一个单位不同部门的局域网之间需要互联起来，以便 交换信息和共享资源。 n一个单位多栋办公楼内部的局域网之间需要互联起来， 构成支持整个单位管理信息系统的局域网环境。 n一个单位不同部门的信息系统的安全性与通信量要求 不同。 n在一个大型的企业或校园中，将数千台计算机按地理 位置或组织关系划分为多个局域网，通过互联构