第4讲(局域网技术)

1、第第4讲讲 局域网技术局域网技术n局域网概述局域网概述n局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构n介质访问控制方法介质访问控制方法n以太网简介以太网简介n高速局域网高速局域网*n虚拟局域网虚拟局域网*n无线局域网无线局域网*局域网概述局域网概述1、局域网发展、局域网发展局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园等有限范围内局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园等有限范围内的计算机连网的需求的计算机连网的需求1973年，施乐公司（年，施乐公司（Xerox）开发出了）开发出了“以太网（以太网（Ethernet）”，采用了总，采用了总线竞争式的介质访问方法，它的问世是局城网发展史上的一个

2、重要里程碑。线竞争式的介质访问方法，它的问世是局城网发展史上的一个重要里程碑。1974年，英国剑桥大学计算机实验室建立了剑桥环。年，英国剑桥大学计算机实验室建立了剑桥环。1977年，日本京都大学研制成功了以光纤为传输介质的局域网络。年，日本京都大学研制成功了以光纤为传输介质的局域网络。1980年年2月（美国）电气电子工程师学会（月（美国）电气电子工程师学会（IEEE）成立了专门负责制定局域网）成立了专门负责制定局域网络标准的络标准的IEEE 802委员会。该委员会开始研究一系列局域网和城域网委员会。该委员会开始研究一系列局域网和城域网（MAN）标准，这些标准统称为）标准，这些标准统称为IEEE

3、 802标准。标准。80年代初期，多种类型的局域网络纷纷出现。年代初期，多种类型的局域网络纷纷出现。80年代末期，先后推出了年代末期，先后推出了3+open、Novell和和LAN Manager等性能优异、极等性能优异、极具代表性的局域网络。具代表性的局域网络。从从20世纪世纪90年出现了交换式以太网、高速局域网和虚拟局域网，其性能更优，年出现了交换式以太网、高速局域网和虚拟局域网，其性能更优，应用更广。应用更广。2、局域网基本组成（1）主机：（2）网络适配器：（3）传输介质：（4）网络连接设备：通常是集线器、交换机等。（5）网络操作系统：负责整个网络系统的软、硬件资源管理、网络通信和任务调

4、度、提供用户与网络之间的接口以及网络系统的安全性服务等。（6）网络应用软件：实现网络服务的各种软件集合。3、局域网主要技术要素局域网主要解决ISO网络模型中最低两层物理层、数据链路层的功能。决定局域网组成方式、信道容量、通信速率、信息传输方式和效率等技术因素，主要有：1拓扑结构拓扑结构局域网中主要的拓扑结构有：总线型、星型、环型、树型。2传输介质传输介质传输介质是网络中数据信号传输的载体，是网络通信的物质基础之一。3介质访问方法介质访问方法控制网络节点如何向传输介质发送数据与接收数据，解决信道如何分配使用的问题。局域网体系结构与标准局域网体系结构与标准1. IEEE 802 参考模型参考模型应

5、 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层OSI参考模型OSI参考模型逻辑链路控制子层IEEE 802参考模型IEEE 802参考模型介质访问控制子层物 理 层1. IEEE 802 参考模型参考模型nIEEE 802标准遵循标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，解参考模型的原则，解决最低两层（即物理层和数据链路层）的功能以及决最低两层（即物理层和数据链路层）的功能以及与网络层的接口服务、网际互连有关的高层功能。与网络层的接口服务、网际互连有关的高层功能。nIEEE 802 LAN参考模型与参考模型与ISO/OSI参考模型的参考模型的对应关系：对应关系：1. IEEE

6、 802 参考模型参考模型n物理层：物理层：n利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的传输与接收，数据的同步控制等。现比特流的传输与接收，数据的同步控制等。nIEEE 802IEEE 802规定了局域网物理层所使用的信号与规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。n采用采用基带信号传输基带信号传输；n数据的编码采用曼彻斯特编码；数据的编码采用曼彻斯特编码；n传输介质传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光缆等；可以是双绞线、同轴电缆和光缆等；n拓扑结构拓扑结构可以是总线型、树型

7、、星型和环型；可以是总线型、树型、星型和环型；n传输速率传输速率有有10Mbps10Mbps、16Mbps16Mbps、100Mbps100Mbps、1000Mbps1000Mbps。1. IEEE 802 参考模型参考模型nMAC子层的功能子层的功能nMACMAC构成数据链路层的下半部，直接与物理层相邻。构成数据链路层的下半部，直接与物理层相邻。nMACMAC子层与传输介质有关，主要功能是进行合理信道分子层与传输介质有关，主要功能是进行合理信道分配，解决信道竞争问题，支持配，解决信道竞争问题，支持LLCLLC子层完成介质访问控子层完成介质访问控制功能，为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。

8、制功能，为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。nLLC子层的功能子层的功能nLLCLLC在在MACMAC子层的支持下向网络层提供服务，与传输介子层的支持下向网络层提供服务，与传输介质无关，独立于介质访问控制方法，隐藏了各种质无关，独立于介质访问控制方法，隐藏了各种802802网网络之间的差异，向网络层提供一个统一的格式和接口。络之间的差异，向网络层提供一个统一的格式和接口。n将数据组成帧，并对数据帧进行顺序控制、差错控制将数据组成帧，并对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控制，使不可靠的物理链路变为可靠的链路。和流量控制，使不可靠的物理链路变为可靠的链路。2. IEEE 802标准标准802

9、.3CSMA/CDMAC物理层802.4令牌总线MAC物理层802.5令牌环MAC物理层802.6MANMAC物理层802.9语音数据综合ISDN802.11无线局域网802.8光纤技术802.7宽带技术802.2 逻辑链路控制LLC802.1B 综述及体系结构8 0 2.1A管理802.10 局域网安全物理层数据链路层网络层ISO/OSIIEEE 802 802.10 安全与加密安全与加密物理层物理层 802.1 局域网概述、体系结构、网络互联与网络管理局域网概述、体系结构、网络互联与网络管理802.2 逻辑链路控制逻辑链路控制(LLC)802.3CSMA/CD物理层物理层802.4令牌令牌

10、总线总线物理层物理层802.5令牌环令牌环物理层物理层802.6城域网城域网物理层物理层802.9语音数语音数据综合据综合局域网局域网802.11无线无线局域网局域网802.7 宽带技术宽带技术802.8 光纤光纤技术技术MAC层层网络网络互联层互联层LLC层层ISO/OSIIEEE 80210111、CSMA/ CD介质访问控制介质访问控制 n访问过程访问过程任一节点都可以将数据任一节点都可以将数据帧发送到总线上，所有连接在信道帧发送到总线上，所有连接在信道上的节点都能检测到该帧。当目的上的节点都能检测到该帧。当目的节点检测到该数据帧的目的地址节点检测到该数据帧的目的地址（MAC地址）为本节

11、点地址时，就地址）为本节点地址时，就继续接收该帧中包含的数据，同时继续接收该帧中包含的数据，同时给源节点返回一个响应。给源节点返回一个响应。冲突问题冲突问题n访问方式：多路访问访问方式：多路访问n解决方案：解决方案：CSMA/CD协议协议，即，即带有冲带有冲突检测的载波侦听多路访问协议突检测的载波侦听多路访问协议，是一，是一种种随机争用型的随机争用型的介质访问控制介质访问控制方法。方法。CSMA/CD协议的工作过程协议的工作过程 nCSMA/CD协议协议的工作过程通常的工作过程通常可以概括为：可以概括为：n先听后发、先听后发、n边听边发、边听边发、n冲突停发、冲突停发、n延迟重发。延迟重发。C

12、SMA/CD协议的特点协议的特点n在采用在采用CSMA/CD协议的总线协议的总线LAN中，各节点通过中，各节点通过竞争竞争的方法强占对媒体的访问权利，出现冲突后，的方法强占对媒体的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。因此，节点从准备发送数据到成功必须延迟重发。因此，节点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。延要求较高的实时性数据。n结构简单结构简单、网络维护方便、增删节点容易，网络在、网络维护方便、增删节点容易，网络在轻负载（节点数较少）的情况下效率较高。轻负载（节点数较少）的情况下效率较高。n随着网

13、络中节点数量的增加，传递信息量增大，即随着网络中节点数量的增加，传递信息量增大，即在在重负载时，冲突概率增加重负载时，冲突概率增加，总线，总线LAN的性能就会的性能就会明显下降明显下降。 2、令牌环（、令牌环（Token Ring） n在令牌环介质访问控制方法中，在令牌环介质访问控制方法中，使用了一个沿着环路循环的令使用了一个沿着环路循环的令牌。网络中的节点只有截获令牌。网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据，没有获取牌时才能发送数据，没有获取令牌的节点不能发送数据，因令牌的节点不能发送数据，因此，使用令牌环的此，使用令牌环的LAN中不会中不会产生冲突。产生冲突。Token RingToken

14、 Ring结点A结点B结点E结点D结点C令牌结点A结点B结点C结点D结点EToken RingToken RingToken Ring的特点的特点n由于每个节点由于每个节点不是随机的争用信道不是随机的争用信道，不会出现冲突，不会出现冲突，因此称它是一种因此称它是一种确定型的介质访问控制方法确定型的介质访问控制方法，而且，而且每个节点发送数据的每个节点发送数据的延迟时间可以确定延迟时间可以确定。n在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。n在重负载时，对各节点公平，且效率高。在重负载时，对各节点公平，且效率高。n采用令牌环的局域网还可以采用令牌环

15、的局域网还可以对各节点设置不同的优对各节点设置不同的优先级先级，具有高优先级的节点可以先发送数据，比如，具有高优先级的节点可以先发送数据，比如某个节点需要传输实时性的数据，就可以申请高优某个节点需要传输实时性的数据，就可以申请高优先级。先级。3、令牌总线（、令牌总线（Token Bus）n令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环。从物令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环。从物理连接上看，它是理连接上看，它是总线结构总线结构的局域网，但逻辑上，它是环的局域网，但逻辑上，它是环型拓扑结构。型拓扑结构。n连接到总线上的所有节点组成了一个连接到总线上的所有节点组成了一个逻辑环逻辑环，每个节

16、点被，每个节点被赋予一个顺序的逻辑位置。和令牌环一样，节点只有取得赋予一个顺序的逻辑位置。和令牌环一样，节点只有取得令牌才能发送帧，令牌在逻辑环上依次传递。在正常运行令牌才能发送帧，令牌在逻辑环上依次传递。在正常运行时，当某个节点发送完数据后，就要将令牌传送给下一个时，当某个节点发送完数据后，就要将令牌传送给下一个节点。节点。Token Bus的特点的特点n令牌总线令牌总线适用于重负载的网络适用于重负载的网络中，数据发中，数据发送的延迟时间确定，适合实时性的数据传送的延迟时间确定，适合实时性的数据传输等。输等。n网络管理较为复杂网络管理较为复杂，网络必须有初始化的，网络必须有初始化的功能，以生

17、成一个顺序访问的次序。功能，以生成一个顺序访问的次序。n令牌总线访问控制的复杂性高令牌总线访问控制的复杂性高：网络中的：网络中的令牌丢失，出现多个令牌、将新节点加入令牌丢失，出现多个令牌、将新节点加入到环中，从环中删除不工作的节点等。到环中，从环中删除不工作的节点等。以太网简介以太网简介nXerox 创建第一个实验性的以太网(1972-1977)nDEC、Intel和Xerox将以太网标准化(1979-1983)nIEEE 802.3标准（1982年）,10BASE-5出现；n10BASE-T结构化布线的历史(1986-1990)n交换式和全双工制以太网的出现(1990-1994)n快速以太网

18、的出现(1992-1995)n千兆网的出现(1996至今)以太网的产生和发展以太网的产生和发展2122数据率（数据率（Mbps）基带信号基带信号段最大长度（百米）段最大长度（百米）10 Base-523NIC最大长度 100m10Base-T快速以太网快速以太网n背景背景n随着网络应用和需求急剧增加，数据传输量越来越随着网络应用和需求急剧增加，数据传输量越来越大，网络传输速度（带宽）成为网络发展的瓶颈。大，网络传输速度（带宽）成为网络发展的瓶颈。n解决方案解决方案n升级到高速网络，如升级到高速网络，如100BASE-T(快速以太网快速以太网)、 FDDI(光纤分布数据接口光纤分布数据接口) 、

19、1000BASE-T(千兆千兆位以太网位以太网)；n 发挥现有网络技术，采用网络分段、优化服务器、发挥现有网络技术，采用网络分段、优化服务器、增加路由器，提高子网的网络性能；增加路由器，提高子网的网络性能；n 使用局域网交换机，将使用局域网交换机，将“共享介质局域网共享介质局域网”改为改为“交换式局域网交换式局域网”；1 1 快速以太网快速以太网n仍然采用仍然采用CSMA/CD介质访问控制方法，在物理层进行介质访问控制方法，在物理层进行必要调整，定义了物理层标准（必要调整，定义了物理层标准（100Base-T）。）。n100Base-T标准定义介质专用接口，将标准定义介质专用接口，将MAC子层

20、与物子层与物理层分隔开来，要求有中央集线器的理层分隔开来，要求有中央集线器的星型布线结构星型布线结构。2 2 千兆以太网千兆以太网n是一种新型高速局域网，提供是一种新型高速局域网，提供1Gbps通信带宽，与快速通信带宽，与快速以太网完全兼容。以太网完全兼容。n传输介质以光纤为主，最大传输距离已达到传输介质以光纤为主，最大传输距离已达到70km，适，适用于大中规模的园区网主干。用于大中规模的园区网主干。n由由千兆交换机、千兆网卡、综合布线系统千兆交换机、千兆网卡、综合布线系统等构成。等构成。3 3 万兆位以太网万兆位以太网n万兆以太网于万兆以太网于2002年年7月成为在月成为在IEEE的标准，万

21、兆以太的标准，万兆以太网规范包含在网规范包含在IEEE 802.3 标准的补充标准标准的补充标准IEEE 802.3ae中。中。n10G以太网包括以太网包括10GBASE-X、10GBASE-R和和10GBASE-W。n10G以太网可以应用在校园网、城域网、企业网等。以太网可以应用在校园网、城域网、企业网等。交换式以太网技术交换式以太网技术n共享式以太网共享式以太网n采用了以共享集线器为中心的星型连接方式，但其实际上是总线型的拓扑结构；n集线器工作原理：以广播方式向各端口发送数据。n当网络规模不断扩大时，网络中的冲突就会大大增加，造成网络整体性能下降。交换式以太网n交换式以太网交换式以太网n采

22、用交换机作为中央设备的以太网成为交换式以太网；采用交换机作为中央设备的以太网成为交换式以太网；n交换机提供了多个通道，允许多个用户之间同时进行数交换机提供了多个通道，允许多个用户之间同时进行数据传输据传输 。共享介质与交换局域网工作原理的区别共享介质与交换局域网工作原理的区别局域网交换机（b ） 交换式局域网（b ） 交换式局域网（a ） 共享介质局域网（a ） 共享介质局域网结点总线结点交换式以太网的工作原理交换式以太网的工作原理 n交换机对数据的转发是以网络节点计算机的MAC地址为基础的。地址表地址表165432DAMAC帧DA=结点CDAMAC帧DA=结点B转发机构缓冲器端口地址表地址表

23、端口地址1结点A2345结点B结点C6结点D结点A结点B结点C结点D2.交换机的交换方式交换机的交换方式n直接交换方式直接交换方式(Cut-Through)n不接收完整个转发的帧，只收到帧中最前面的源地址和目的地址即可；n根据目的地址找到相应的交换机端口，并将该帧发送到该端口；n特点n优点：速度快、延时小；n缺点：在转发帧时不进行错误校验，可靠性相对低；另外，不能对不同速率的端口转发，100到10Mbps时就需要缓冲帧。n存储转发交换方式(Store-and-Forward)n与直接交换方式类似，不同处在于要把信息帧全部接收到内部缓冲区中，并对信息帧进行校验，一旦发现错误就通知源发送站重新发送

24、帧；n特点n优点：可靠性高，能支持不同速率端口之间的转发；n缺点：延迟时间大；交换机内的缓冲存储器有限，当负载较重时，易造成帧的丢失；2.交换机的交换方式交换机的交换方式2.交换机的交换方式交换机的交换方式n改进的直接交换方式n将前两者结合起来，在收到帧的前64字节后，判断帧的帧头字段是否正确；n特点：n对于短的帧，交换延迟时间与直接交换方式相同；n对于长的帧，交换延迟时间减少；3.交换式局域网技术特点交换式局域网技术特点（1）低交换传输延迟：从传输延迟时间的量级来看，局域网交换机为几十微秒，网桥为几百微秒，而路由器为几千微秒。（2）高传输带宽：交换式局域网可以工作在全双工模式下，实现无冲突域

25、的通信，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，大大提高了传统网络的连接速度，可以达到原来的200%。（3）可在高速与低速网络间转换，实现不同网络的协同：交换机可以完成不同端口速率之间的转换，使得10Mbps与100Mbps两种网络共存。（4）使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照MAC地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。（5）支持虚拟局域网服务：支持虚拟局域网应用，使网络的管理更加灵活。交换式局域网是虚拟局域网的基础。虚拟局域网虚拟局域网VLAN

26、一、虚拟局域网（一、虚拟局域网（VLAN）概念）概念n通过路由和交换设备，在网络的物理拓朴结通过路由和交换设备，在网络的物理拓朴结构基础上建立一个逻辑网络，以使得网络中构基础上建立一个逻辑网络，以使得网络中任意几个局域网网段或（和）节点能够组合任意几个局域网网段或（和）节点能够组合成一个逻辑上的局域网。成一个逻辑上的局域网。 n建立在局域网交换机上，以软件方式实现逻辑工作建立在局域网交换机上，以软件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组的划分与管理，逻辑工作组的节点组成不受物理位置的限制；位置的限制；n同一逻辑分组的成员可以分布在相同的物理网段上，同一逻辑分组的成员可以

27、分布在相同的物理网段上，也可以分布在不同的网络上；也可以分布在不同的网络上；二、二、VLAN的划分方法的划分方法 1. 1. 基于交换机端口的虚拟局域网基于交换机端口的虚拟局域网端口12345678局域网交换机局域网交换机（a ）（a ）端口12345678端口12345678（b ）（b ）局域网交换机1局域网交换机1局域网交换机2局域网交换机2VLAN1VLAN2VLAN1VLAN2n基于交换机端口的虚基于交换机端口的虚拟局域网无法自动解决拟局域网无法自动解决节点的移动、增加和变节点的移动、增加和变更问题。如果一个节点更问题。如果一个节点从一个端口移动到另一从一个端口移动到另一个端口时，网

28、络管理者个端口时，网络管理者必须对虚拟局域网成员必须对虚拟局域网成员进行重新配置。进行重新配置。2 2.基于基于MACMAC地址的虚拟局域网地址的虚拟局域网 n优点：优点：n允许节点移动到网络其它物理网段；允许节点移动到网络其它物理网段；n可以解决基于端口的可以解决基于端口的VLAN所不能解决的问题，将一所不能解决的问题，将一个集线器连接区域内的节点划分到不同的个集线器连接区域内的节点划分到不同的VLAN中。中。n缺点：缺点：n需要对大量的毫无规律的需要对大量的毫无规律的MAC地址进行操作；地址进行操作；3 3.基于网络层地址的虚拟局域网基于网络层地址的虚拟局域网 n使用节点的网络层地址来配置虚拟局域网，要求交使用节点的网络层地址来配置虚拟局域网，要求交换机能够处理网络层的数据；换机能够处理网络层的数据；n有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网；有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网；n用户可以随意移动节点而无需重新配置网络地址；用户可以随意移动节点而无需重新配置网络地址；n一个虚拟局域网可以扩展到多个交换机的端口上，一个虚拟