计算机网络技术基础第5章-局域网课件

1、训教重点 局域网结构、IEEE 802各种标准、载波监听多路访 问/冲突检测CSMA/CD原理 以太网（Ethernet）、快速以太网（FastEthernet） 千兆位以太网和万兆以太网技术 无线局域网技术 虚拟局域网（VLAN）技术能力目标 掌握局域网关键技术 掌握IEEE 802常用标准 掌握以太网、交换式以太网、快速以太网、千兆 以太网和万兆以太网技术组网标准 掌握无线局域网与局域网的互联技术 掌握虚拟局域网的原理和功能5.1 局域网概述 1较小的地域范围 用于办公室、机关、工厂、学校等内部联网，可以覆盖一幢大楼、一所校园或者一个企业。覆盖范围为0.1 km25 km。 2高传输速率和

2、低误码率 局域网的传输速率一般为10 Mbps1000 Mbps，其误码率一般在10-1110-8 之间， 3面向的用户比较集中 4使用多种传输介质5.1.1 局域网概述 1局域网的层次结构 局域网是一个通信网，只涉及相当于OSI/RM通信子网的功能。 IEEE 802标准的局域网参考模型与OSI/RM 的对应关系模型包括了OSI/RM最低两层（物理层和数据链路层）的功能，也包括网间互连的高层功能和管理功能。从图5-1中可见，OSI/RM 的数据链路层功能，在局域网参考模型中被分成介质访问控制MAC（Medium Access Control）和逻辑链路控制LLC（Logical Link C

3、ontrol）两个子层。5.1 局域网概述5.1.2 局域网的体系结构 物理层是必需的，它负责体现机械、电气、功能和规程方面的特性，以建立、维持和拆除物理链路；数据链路层也是必需的，它负责把不可靠的传输信道转换成可靠的传输信道，传送带有校验位的数据帧，并采用差错控制和帧确认技术。 局域网中的多个设备一般共享公共传输介质，在设备之间传输数据时，首先要解决由哪些设备占有传输介质的问题。所以局域网的数据链路层必须设置介质访问控制功能。对应的介质访问控制方法也有多种，为了使数据帧的传送独立于采用的传输介质和介质访问控制方法，IEEE 802标准特意把LLC独立出来形成一个单独子层，使LLC子层和传输介

4、质无关，仅让MAC子层依赖于传输介质。5.1 局域网概述5.1.2 局域网的体系结构 在媒体访问控制子层形成的数据帧中使用了MAC地址，这个地址也被称为物理地址。在计算机网络中，当所有的计算机之间进行通信时，必须使用各自物理地址，而且所有的物理地址都不相同。具体到网络设备中，MAC地址被固化在网络适配器（网卡）中，所用生产网卡的计算机网络厂商都会根据某种规则使网卡中的MAC地址各不相同。5.1 局域网概述5.1.2 局域网的体系结构 2IEEE 802标准系列 IEEE在1980年2月成立了局域网标准化委员会（简称IEEE 802委员会），专门从事局域网的协议制作，形成了一系列的标准，称为IE

5、EE 802标准。目前IEEE 802标准主要有以下几种： IEEE 802.1：LAN体系结构、网络互连以及网络管理与性能测试。 IEEE 802.2：逻辑链路控制子层LLC的功能与服务。 IEEE 802.3：CSMA/CD总线介质访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.3i：10BASE-T访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.3u：100BASE-T访问控制方法和物理层技术规范。5.1 局域网概述5.1.2 局域网的体系结构 IEEE 802.3ab：1000BASE-T访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.3z：1000BASE-X访问控制方法和物理

6、层技术规范。 IEEE 802.3ae：基于光纤的万兆位以太网的标准。 IEEE 802.3an：基于Cat6A技术标准的万兆位以太网的标准。 IEEE 802.4：令牌总线（Token Bus）介质访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.5：令牌环（Token Bing）介质访问控制方法及物理层技术规范。5.1 局域网概述5.1.2 局域网的体系结构 IEEE 802.6：城域网访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.7：宽带技术。 IEEE 802.8：光纤技术。 IEEE 802.9：综合业务数字网（ISDN）技术。 IEEE 802.10：局域网安全技术。 IEEE

7、 802.11：无线局域网。 IEEE 802.12：100VG-AnyLAN访问控制方法和物理层技术规范。5.1 局域网概述5.1.2 局域网的体系结构5.1 局域网概述5.1.2 局域网的体系结构 局域网在网络拓扑上主要采用：总线型、环型与星型结构；在网络传输介质上主要采用：双绞线、同轴电缆与光纤。 总线网一般采用分布式介质访问控制方法。总线网可靠性高、扩充性能好、通信电缆长度短、成本低，是用来实现局域网最通用的拓扑结构，著名的以太网（Ethernet）就是总线网的典型实例。 环型网也采用分布式介质访问控制方法。5.2 局域网的关键技术5.2.1 拓扑结构 星型网往往采用集中式介质访问控制

8、方法。星型网结构简单、实现容易。其缺点是依赖于中央结点，传输介质不能共享等。当使用集线器连接所有的计算机时，其结构只能是一种具有星型物理连接的总线型拓扑结构；而只有使用交换机时，才是真正的星型拓扑结构。只有在出现交换式局域网（Switched LAN）之后，才真正出现了物理结构与逻辑结构统一的星型拓扑结构。5.2 局域网的关键技术5.2.1 拓扑结构 1基带系统 使用数字信号传输的局域网定义为基带局域网。它的主要特点如下： （1）采用曼彻斯特编码的方法传输数字信号，介质全部带宽被单个信号占用。 （2）采用总线型拓扑结构，传输介质是基带同轴电缆。 （3）采用双向传输技术，介质上任意一点加入的信号

9、沿两个方向传输到两端的端接器（终端阻抗器），并在那里被吸收。 （4）基带传输只能达到几公里的距离，因为信号的衰减会引起脉冲减弱，无法实现更远距离上的通信。5.2 局域网的关键技术5.2.2 传输介质与传输形式 （5）采用中继器延伸网络的长度。中继器在两段电缆间向两个方向传送数字信号，在信号通过时将信号放大和复原。在IEEE 802标准中，任何两个站之间的路径中最多只允许有4个中继器。 （6）总线拓扑基带传输局域网的典型实例是以太网。5.2 局域网的关键技术5.2.2 传输介质与传输形式 2宽带系统 当特性阻抗为75的同轴电缆用于频分多路复用FDM的模拟信号发送时，称为宽带。它的主要特点如下：

10、（1）发送模拟信号，并采用FDM技术。 （2）采用总线/树型拓扑结构，传输介质是宽带同轴电缆。 （3）传输距离比基带远，可达数十公里。 （4）采用单向传输技术，加到介质上的信号只能沿一个方向传播。 （5）两条数据通道，这两个通道要在网络的端头处接在一起。5.2 局域网的关键技术5.2.2 传输介质与传输形式 （6）结点的发送信号都沿着同一个通道流向端头；所有结点的接收信号，都从端头输出，沿着另一通道流向各接收结点。 （7）在物理上，可采用双电缆结构和单电缆结构来实现输入和输出的通道。5.2 局域网的关键技术5.2.2 传输介质与传输形式 介质访问控制方法又称为媒体访问控制方法或信道访问控制方法

11、等。 IEEE 802.3载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection） IEEE 802.4令牌总线（Token Bus） IEEE 802.5令牌环（Token Ring） 1CSMA/CD介质访问控制 CSMA代表载波监听多路访问。它是“先听后发”，也就是各结点在发送前先监听总线是否空闲，当测得总线空闲后，再考虑发送本结点信号。5.2 局域网的关键技术5.2.3 介质访问控制方法 CD表示冲突检测，即“边发边听”，各结点在发送信息帧的同时，继续监听总线，当监听到有冲突发生时，便立即停止发送信息

12、。归纳起来CSMA/CD的控制方法为： 一个结点要发送信息，首先对总线进行监听，看介质上是否有其他结点发送的信息存在。若介质是空闲的，则可以发送信息。在发送信息帧的同时，继续监听总线，即“边发边听”。当监听到有冲突发生时，便立即停止发送，并发出报警信号，告知各结点已发生冲突。此时，信息剩余部分不再发送，也防止它们再发送新的信息介入冲突。若发送完成后，尚未检测到冲突，则发送成功。5.2 局域网的关键技术5.2.3 介质访问控制方法 在采用CSMA/CD协议的总线局域网中，各结点通过竞争的方式强占对介质的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。因此，结点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的。

13、它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。其优点是结构简单、网络维护方便、增删结点容易，网络在轻负载（结点较少）的情况下效率较高。5.2 局域网的关键技术5.2.3 介质访问控制方法 2令牌环 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牌，它是一种被称作令牌的特殊的二进制比特格式的帧。当某一结点要发送数据时，必须先截获这个令牌，然后再开始发送数据帧，在数据发送的过程中，由于令牌已经被占用，因此，其他结点不能发送数据帧，必须等待。当发送的数据在环上循环一周后，又回到发送结点，发送结点确认数据传输无误后，由其从环上撤除所发的数据帧。当发送结点的数据发送完毕后，要产生一个新的令牌并发送到环

14、路上，以供其他结点使用。令牌环上各结点均有相同的机会公平地获取令牌，如图5-5所示。5.2 局域网的关键技术5.2.3 介质访问控制方法 2令牌环 对于令牌环，在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低；而在重负载时，对各结点公平，且效率高。另外，采用令牌环的局域网还可以对各结点设置不同的优先级，具有高优先级的结点可以先发送数据。5.2 局域网的关键技术5.2.3 介质访问控制方法 3令牌总线 令牌总线介质访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环。 从物理上看，它是一种总线拓扑结构的局域网，和总线网一样，各结点以总线为共享的传输介质。但是，从逻辑上看，它是一种环型拓扑结构的局域网，接在总线上的结

15、点组成一个逻辑环。逻辑环是由总线上要求进行信息传输的结点组成，并按结点地址递减的顺序排列。令牌总线局域网上的各结点只有获得令牌后，才能发送数据帧。同令牌环一样，也不会产生冲突。适用于重负载的网络中，数据发送的延迟时间确定以及适合实时性的数据传输等。但网络管理较为复杂，网络必须有初始化的功能，以生成一个顺序访问的次序。5.2 局域网的关键技术5.2.3 介质访问控制方法 3令牌总线 5.2 局域网的关键技术5.2.3 介质访问控制方法 以太网是最早的局域网，也是目前最流行的局域网结构。它的思想是使用共享的公共传输信道。 对于10 Mbps以太网，IEEE 802.3有四种规范，即:5.3 传统以

16、太网5.3.1 以太网的产生和发展粗同轴电缆以太网（10BASE-5）细同轴电缆以太网（10BASE-2）双绞线以太网（10BASE-T）光纤以太网（10BASE-F） 以太网是最早的局域网，也是目前最流行的局域网结构。它的思想是使用共享的公共传输信道。 对于10 Mbps以太网，IEEE 802.3有四种规范，即粗同轴电缆以太网（10BASE-5）、细同轴电缆以太网（10BASE-2）、双绞线以太网（10BASE-T）和光纤以太网（10BASE-F）。 5.3 传统以太网5.3.1 以太网的产生和发展 1.10BASE-5 用粗同轴电缆组建的网络称为粗缆以太网，又可表示为10BASE-5，它

17、是最早出现的以太网。它主要由粗同轴电缆（Coaxial Thick Cable）、收发器（Transceiver）、收发器电缆（Transceiver Cable）、网卡（Network Interface Card）、终接器（Terminal Connector）和中继器（Repeater）等部分组成。其中收发器主要用来发送/接收信号，进行冲突检测；收发器电缆也称为AUI电缆，用来连接网卡和收发器；网卡必须带有AUI接口；终结器是用来吸收电缆两端的信号，避免信号反射；中继器用于连接两个或多个网段，延伸网络的长度。5.3 传统以太网5.3.2 传统以太网简介 1.10BASE-5 5.3 传统

18、以太网5.3.2 传统以太网简介 1.10BASE-5 一个网段的最大长度不能超过500 m，一个网段上最多可连接的计算机数为100台，两台相邻计算机（收发器）之间的最小距离为2.5 m。最多可用4个中继器连接5个网段，但是只允许其中3个网段连接计算机，而剩余的2个网段不能连接计算机，只能用于扩展粗缆以太网的距离。这就是所谓的5-4-3规则。5.3 传统以太网5.3.2 传统以太网简介 2.10BASE-2 用基带细同轴电缆所组建的网络称为细缆以太网，又可表示为10BASE-2。它主要由细同轴电缆（Coaxial Thin Cable）、BNC T型连接器（BNC T Connector）、B

19、NC连接器（BNC Connector）、BNC终端匹配器（终接器）（BNC Terminal Connector）、网卡（Network Interface Card）等部分组成。 一个网段的最大长度不能超过185 m，一个网段上最多可连接的计算机数为30台，两台相邻计算机之间的最小距离为0.5 m。对于细缆以太网的扩展，也要求符合5-4-3规则，网络的最大距离为925 m。5.3 传统以太网5.3.2 传统以太网简介 2.10BASE-2 5.3 传统以太网5.3.2 传统以太网简介 3.10BASE-T 10BASE-T是以非屏蔽双绞线组建的数据传输速率为10 Mbps的基带以太网标准。

20、10BASE-T由双绞线连接器（Twisted Pair Connector）、双绞线（Twisted Pair）、集线器（Hub）、网卡（Network Interface Card）等部分组成。其中双绞线连接器采用标准的RJ-45连接器，网卡带有RJ-45接口。10BASE-T是一个物理上为星型连接、逻辑上为总线型拓扑的网络，每段双绞线的长度不应超过100 m。5.3 传统以太网5.3.2 传统以太网简介 （1）覆盖的地理范围有限。根据CSMA/CD的规定,共享式以太网覆盖的地理范围随网络速度的增加而减小。一旦网络速率确定，网络的覆盖范围也就固定下来。 （2）网络带宽容量固定。传统的共享式

21、以太网所有节点共享同一传输介质，网络的带宽容量被所有节点共享使用。网络中的节点越多，每个节点可以使用的带宽越窄，网络的响应速度越慢。 （3）不能支持多种速率的设备。传统的共享式以太网，网络中的设备必须保持相同的传输速率，否则一个设备发送的信息，另一个设备不可能收到。5.3 传统以太网5.3.3 交换式以太网 2.交换的思想 为了解决共享式以太网存在的问题，人们提出“分段”的方法。所谓“分段”，就是将一个大型的以太网分割成两个或多个小型的以太网，每个段（分割后的每个小以太网）使用CSMA/CD介质访问控制方法维持段内用户的通信。段与段之间通过一种“交换”设备将一段接收到的信息，经过简单的处理转发

22、给另一段。分段以后，以太网结点的减少使冲突和碰撞的几率减小，网络效率提高。并且，各段可按需要选择自己的网络速率，组成性价比更高的网络。5.3 传统以太网5.3.3 交换式以太网 3.交换式以太网概念 交换式以太网是指以数据链路层的帧为数据交换单位，以以太网交换机为基础构成的网络。交换式以太网允许多对节点同时通信，每个节点可以独占传输通道和带宽。它从根本上解决了共享以太网所带来的问题。 4.交换机的工作原理 以太网交换机（以下简称交换机）是工作在OSI参考模型数据链路层的设备，它通过判断数据帧的目的MAC地址，从而将帧从合适的端口发送出去。 5.3 传统以太网5.3.3 交换式以太网 交换机的冲

23、突域仅局限于交换机的一个端口上。交换机将通过对帧的识别，只将帧单点转发到目的地址对应的端口，而不是向所有端口转发，从而有效地提高了网络的可利用带宽。 以太网交换机实现数据帧的单点转发是通过MAC地址的学习和维护更新机制来实现的。以太网交换机的主要功能包括MAC地址学习、帧的转发及过滤和避免回路。5.3 传统以太网5.3.3 交换式以太网 快速以太网的数据传输速率为100 Mbps。它保留着传统10 Mbps速率Ethernet的所有特征，即相同的数据格式、相同的介质访问控制方法 CSMA/CD和相同的组网方法，而只是Fast Ethernet把每个比特的发送时间由100 ns降低到10 ns。

24、 5.4 高速以太网5.4.1 快速以太网 1100BASE-T标准 100BASE-T是10BASE-T的扩展，MAC层仍采用CSMA/CD介质访问控制方法，5.4 高速以太网5.4.1 快速以太网 2100BASE-T主要特点 （1）采用与10BASE-T相似的层次协议结构，其中LLC子层完全相同。 （2）帧格式与10BASE-T相同，包括最小帧长为64个字节，最大帧长为1518个字节，帧间最小间隙为12个字节。 （3）MAC子层与物理层之间采用介质无关接口MII。 （4）介质访问控制方法为CSMA/CD。 （5）拓扑为以 100BASE-T集线器/交换机为中心的星型拓扑结构。 （6）传输

25、速率为100 Mbps。 （7）传输介质为UTP或光缆。 （8）网络最大直径为205 m。 5.4 高速以太网5.4.1 快速以太网 3100BASE-T物理层 （1）100BASE-TX。100BASE-TX采用两对5类UTP或两对1类STP作为传输介质，其中一对用于发送，另一对用于接收，站点与集线器之间的最大距离为100 m。对于5类UTP，使用RJ-45连接器；对于1类STP，使用DB-9连接器。 （2）100BASE-T4。100BASE-T4采用4对3类、4类和5类UTP作为传输介质。4对线中，3对用于数据传输，1对用于冲突检测。使用RJ-45连接器，站点与集线器之间的最大距离为10

26、0 m。 （3）100BASE-FX。100BASE-FX 采用两束多模光纤作为传输介质，每束都可用于两个方向，因此它是全双工的，并且在每个方向上速率均为100 Mbps。5.4 高速以太网5.4.1 快速以太网 与快速以太网的相同之处是：千兆位以太网同样保留着传统的100BASE-T的所有特征，即相同的数据格式、相同的介质访问控制方法CSMA/CD和相同的组网方法，而只是把Ethernet每个比特的发送时间由10 ns降低到1 ns。基于光纤的千兆位以太网标准是IEEE 802.3z；基于5类UTP的千兆位以太网标准是IEEE 802.3ab。5.4 高速以太网5.4.2 千兆位以太网 11

27、000BASE-SX标准 它是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为770 nm860 nm（一般为850 nm）的激光传输器，只能驱动多模光纤。采用8 B/10 B编码方式，传输距离分别为260 m和525 m，适用于建筑物中同一层的短距离主干网。5.4 高速以太网5.4.2 千兆位以太网 21000BASE-LX标准 它是一种使用长波激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为1270 nm1355 nm（一般为1300 nm）的激光传输器，它既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。它所使用的光纤规格为：芯径为62.5 m和50 m的多模光纤，工作波长为850 nm，传输距离为5

28、25 m和550 m，数据编码方法为8 B/10 B，适用于作为大楼网络系统的主干网； 芯径为9 m的单模光纤，工作波长为1300 nm或1550 nm，传输距离为3000 m，数据编码方法采用8 B/10 B，适用于校园或城域主干网。5.4 高速以太网5.4.2 千兆位以太网 31000BASE-CX标准 使用150 屏蔽双绞线（STP），采用8 B/10 B编码方式，传输速率为1.25 Gbps，传输距离为25 m，主要用于集群设备的连接，如一个交换机机房内的设备互连。 41000BASE-T标准 使用4对5类非屏蔽双绞线（UTP），传输距离为100 m，主要用于结构布线中同一层建筑的通信

29、，在以太网系统中实现从100 Mbps到1000 Mbps的平滑升级。5.4 高速以太网5.4.2 千兆位以太网 5组网的基本硬件设备 （1）1000 Mbps以太网交换机 （2）1000 Mbps以太网卡 （3）100 Mbps以太网交换机或100 Mbps集线器 （4）10 Mbps以太网卡、100 Mbps以太网卡或10/100 Mbps以太网卡 （5）双绞线或光缆5.4 高速以太网5.4.2 千兆位以太网 与快速以太网的相同之处是：千兆位以太网同样保留着传统的100BASE-T的所有特征，即相同的数据格式、相同的介质访问控制方法CSMA/CD和相同的组网方法，而只是把Ethernet每

30、个比特的发送时间由10 ns降低到1 ns。基于光纤的千兆位以太网标准是IEEE 802.3z；基于5类UTP的千兆位以太网标准是IEEE 802.3ab。 11000BASE-SX标准 它是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为770 nm860 nm（一般为850 nm）的激光传输器，只能驱动多模光纤。采用8 B/10 B编码方式，传输距离分别为260 m和525 m，适用于建筑物中同一层的短距离主干网。5.4 高速以太网5.4.2 千兆位以太网 21000BASE-LX标准 它是一种使用长波激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为1270 nm1355 nm（一般为1300

31、 nm）的激光传输器，它既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。它所使用的光纤规格为：芯径为62.5 m和50 m的多模光纤，工作波长为850 nm，传输距离为525 m和550 m，数据编码方法为8 B/10 B，适用于作为大楼网络系统的主干网； 芯径为9 m的单模光纤，工作波长为1300 nm或1550 nm，传输距离为3000 m，数据编码方法采用8 B/10 B，适用于校园或城域主干网。5.4 高速以太网5.4.2 千兆位以太网 31000BASE-CX标准 使用150 屏蔽双绞线（STP），采用8 B/10 B编码方式，传输速率为1.25 Gbps，传输距离为25 m，主要用于集群设

32、备的连接，如一个交换机机房内的设备互连。 41000BASE-T标准 使用4对5类非屏蔽双绞线（UTP），传输距离为100 m，主要用于结构布线中同一层建筑的通信，在以太网系统中实现从100 Mbps到1000 Mbps的平滑升级。5.4 高速以太网5.4.2 千兆位以太网 将交换局域网上的站点，按实际需要划分成若干个逻辑上的工作组，就构成了虚拟局域网。VLAN是建立在网络交换技术之上的，用软件的方式实现工作组的划分和管理。图5-15是按照不同业务部门划分的VLAN管理单元，实现统一局域网不同部门间的信息隔离。 同一逻辑工作组，可以在同一交换机上或同一网段上，也可以在不同的交换机上或不同的网段

33、上。虽然在不同的物理位置或不同的网段上，但感觉不到有何区别，如图5-16所示。5.5 虚拟局域网简介5.5.1 VLAN的概念5.5 虚拟局域网简介5.5.1 VLAN的概念 1端口VLAN（Port VLAN） 它是根据交换机的端口划分的VLAN，属于设置静态VLAN的方法。如图5-17所示。5.5 虚拟局域网简介5.5.2 VLAN的分类 2MAC层VLAN（MAC Layer VLAN） 它是根据MAC地址来定义VLAN的。如图5-18所示。5.5 虚拟局域网简介5.5.2 VLAN的分类 3网络层VLAN（Network Layer VLAN） 它是根据网络层地址（如IP地址）来定义V

34、LAN的。如图5-19所示。5.5 虚拟局域网简介5.5.2 VLAN的分类 4IP广播组VLAN（IP Broadcast Group VLAN） 它是由代理服务器来负责管理的，具有动态性。如图5-20所示。5.5 虚拟局域网简介5.5.2 VLAN的分类 1减少网络管理开销 使用VLAN可以大大减少网络管理员的工作量，提高工作效率。 2控制广播活动 通过VLAN可以有效地隔绝广播信息，减少冲突的发生，提高了网络的性能。 3提供较好的网络安全性 通过人为划分“逻辑子网”，使原来在同一物理网段的站点无法直接访问，提高了网络的安全性。5.5 虚拟局域网简介5.5.3 VLAN的作用 1无线网络的分类 从应用区域的大小来分，无线网络主要包括下面几类： （1）无线个人网（WPAN）：无线个人网主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访问本地外设。 （2）无线局域网（WLAN）：无线局域网主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。 （3）无线LAN-to