局域网组网课件

1、第5章 局域网技术2010.101本章学习要求：局域网拓扑结构；局域网的体系结构；CSMA/CD；令牌环网；令牌总线；快速以太网组网技术；千兆位以太网技术；万兆位以太网技术；无线局域网的802.11标准；虚拟局域网的概念、组网方法25.1 局域网概述5.1.1 局域网的特点(1)覆盖范围比较小。通常不超过几十公里，甚至只在一个园区、一幢建筑或一个房间内(2)数据传输率比较高，从最初的1Mbps到后来的10Mbps、100Mbps，近年来已达到1000Mbps、10Gbps(3)较低的延迟和误码率，其误码率一般为10-810-10(4)局域网属于某个单位所有，与广域网通常由服务提供商提供形成鲜明

2、对照(5)便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短35.1 局域网概述5.1.2 常见的局域网拓扑结构1. 星型拓扑（Star Topology）45.1 局域网概述优点：结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易缺点：属于集中控制，主节点负载过重，如果中央结点故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高55.1 局域网概述2. 总线型拓扑（Bus Topology）10Base-5、10Base-2等以太网技术都采用总线拓扑结构3. 环型拓扑（Ring Topology）65.1 局域网概述4. 树型结构（Tree Topology）5. 星型环拓扑集中器集中器集中器集中器75

3、.1 局域网概述6. 拓扑的选择经济性灵活性可靠性85.2 IEEE 802 标准5.2.1 IEEE 802 标准概述802.10可互操作的局域网的安全机制802.1 体系结构与网络互连802.2 逻辑链路控制层（LLC）802.3CSMA/CDMAC物理层802.4TokenBusMAC物理层802.5Token Ring MAC物理层802.6MANMAC物理层802.8FDDIMAC802.11无线局域网数据链路层物理层95.2 IEEE 802 标准5.2.2 局域网的体系结构IEEE 802标准IEEE802.2逻辑链路控制（LLC）IEEE 802.3CSMA/CD物理层ISO/

4、OSI高层物理层数据链路层IEEE 802.4令牌总线网IEEE 802.5令牌环网MAC子层LLC子层TCP/IPIPXNetBEUI105.2 IEEE 802 标准1. 物理层 主要涉及局域网物理链路上原始比特流的传送，定义局域网物理层的机械、电气、规程和功能特性。如信号的传输与接收、同步序列的产生和删除等，物理连接的建立、维护、拆除等2. 数据链路层 数链层分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层。上面的LLC层实现数据链路层与硬件无关的功能，比如流量控制，差错恢复等，较低的MAC层提供LLC和物理层的接口。不同的局域网MAC层不同，LLC层相同115.2 IEEE 802 标准（1）M

5、AC子层 MAC子层除了负责把物理层的“0”、“1” 比特流组建成帧，并且通过帧尾部的错误校验信息进行错误检测外，还有一个重要功能是提供对共享介质的访问，即处理局域网中各结点对共享通信介质的争用问题，不同类型的局域网通常使用不同的介质访问控制协议常用的介质访问控制协议有三种：带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD方法环型结构的令牌环（Token Ring）访问控制方法令牌总线（Token Bus）访问控制方法125.2 IEEE 802 标准（2）LLC子层 LLC子层位于网络层和MAC子层之间，负责屏蔽MAC子层的不同实现，将其变成统一的LLC界面，从而向网络层提供一致的服务，LLC子层

6、向网络层提供的服务通过其与网络层之间的逻辑接口实现。LLC子层负责完成数据链路流量控制、差错恢复等功能。这样的局域网体系结构不仅使得IEEE802标准更具有可扩充性，有利于其将来接纳新的介质访问控制方法和新的局域网技术，同时也不会使局域网技术的发展或变革影响到网络层135.3 介质访问控制方法 将传输介质的频带有效地分配给网上各结点的方法称为介质访问控制方法145.3 介质访问控制方法5.3.1 信道分配问题1. 静态划分信道 所谓静态划分信道，也是传统的分配方法，它采用频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等办法将单个信道划分后静态地分配给多个用户。用户只要得到了信道就不会和别的用户发生冲突

7、2. 动态介质接入控制 所谓动态分配方法就是动态地为每个用户结点分配信道使用权。动态分配方法通常有3种：轮转、预约和争用155.3 介质访问控制方法5.3.2 带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD） 介质访问控制方法的主要内容有两个方面：一是要确定网络上每一个结点能够将信息发送到介质上去的特定时刻；二是要解决如何对共享介质访问和利用加以控制。常用的介质访问控制方法有3种：(1)总线结构的带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD方法(2)环型结构的令牌环（Token Ring）访问控制方法(3)令牌总线（Token Bus）访问控制方法165.3 介质访问控制方法1. CSMA/CD

8、采用争用技术，通常用于总线型拓扑结构和星型拓扑结构的局域网中。IEEE 802.3即以太网，是一种总线型局域网，使用的介质访问控制子层方法是CSMA/CD。 CSMA/CD的工作原理可概括成四句话，即先听后发边发边听冲突停止随机延时后重发175.3 介质访问控制方法2.令牌环（Token Ring）访问控制方法 令牌环网最早起源于IBM于1985年推出的环形基带网络。IEEE 802.5标准定义了令牌环网的国际规范3.令牌总线（Token Bus）访问控制方法 在物理总线上建立一个逻辑环，令牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环相同。令牌总线综合了CSMACD和Token Ring两种介质

9、访问方式的优点，简单、公平、性能良好185.3 介质访问控制方法5.3.3 以太网 以太网（Ethernet）是一种产生较早且使用相当广泛的局域网，美国Xerox（施乐）公司1975年推出了他们的第一个局域网。由于它具有结构简单、工作可靠、易于扩展等优点，因而得到了广泛的应用1. IEEE 802.3 MAC 帧格式前导码SFDFCS数据/ 填充 数据长度源地址目的地址7字节4字节0-1500字节2字节6字节6字节1字节195.3 介质访问控制方法2. 以太网地址 以太网使用的是MAC地址，MAC地址又称物理地址或硬件地址，也就是指网卡号，用6个字节表示3. 以太网MAC子层 IEEE 802

10、.3以太网，是一种总线型局域网，使用的介质访问控制子层方法是CSMA/CD（载波监听多路访问冲突检测），帧格式采用以太网格式，即802.3帧格式，以太网是基带系统，使用曼彻斯特编码，通过检测通道上的信号存在与否来实现载波检测205.3 介质访问控制方法4. 以太网分类 10Base-5，粗同轴电缆； 10Base-2，细同轴电缆； 10Base-T，10Mbps的双绞线； 10Base-F， 10Mbps的光缆； 10Broad36， 10Mbps的宽带。215.3 介质访问控制方法5. 10Base-T225.4 共享式以太网和交换式以太网5.4.1 共享式以太网 共享式以太网（用集线器或共

11、用一条总线连接）采用CSMA/CD 机制来进行传输控制。共享式以太网的典型代表是使用10Base2、10Base5的总线型网络和以集线器为核心的10Base-T星型网络。在使用集线器的以太网中，集线器将很多以太网设备（如计算机）集中到一台中心设备上，这些设备都连接到集线器中的同一物理总线结构中235.4 共享式以太网和交换式以太网1. 集线器的工作原理 集线器直接连接ABCDA向B发送数据时，C向D不能发送，否则产生冲突Hub245.4 共享式以太网和交换式以太网2. 共享式以太网的工作特点(1) 带宽共享 在局域网中，数据都以“帧”的形式传输。共享式以太网是基于广播的方式来发送数据的(2)

12、带宽竞争 共享式以太网是一种基于“竞争”的网络技术，也就是说网络中的主机将会“尽其所能”地“占用”网络发送数据。因为同时只能有一台主机发送数据，所以相互之间就产生了“竞争”255.4 共享式以太网和交换式以太网(3)冲突检测/避免机制在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任一主机均可发送数据。可能随机出现两台主机同时发出数据，就会产生“碰撞”。CSMA/CD机制让所有主机能检测到“拥挤”信号，使发生冲突的主机等待一段时间后再次尝试发送数据，避免再次发生碰撞(4)不支持多种速率 共享式以太网中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265.4 共享式以太网和交换式以

13、太网5.4.2 交换式以太网1.交换的提出 分段：将一个大型以太网分割成多个较小的以太网，每段内使用CSMA/CD控制方法协调段内用户的通信。段与段之间通过“交换”设备转发。通过分段，既可保证部门内部信息不会流至其他部门，又可保证部门之间的通信。以太网规模的缩小使冲突和碰撞的几率减小，网络效率提高。并且，分段之后，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275.4 共享式以太网和交换式以太网2.交换式以太网的概念 交换式以太网是以数链层的帧为数据交换单位，以交换机为基础构成的网络。允许多对结点同时通信，每个结点可以独占传输通道和带宽。从根本上解决了共享以太网所带来的问题285.5

14、高速以太网技术5.5.1 快速以太网技术 1.快速以太网由10BASE-T标准以太网发展而来，主要解决网络带宽在局域网络应用中的瓶颈问题。其协议标准为1995年颁布的IEEE802.3u，可支持100Mbps的数据传输率，并且与10Base-T一样可支持共享式与交换式两种使用环境，在交换式以太网环境中可以实现全双工通信2. 10/100Mpbs自动协商 自动协商则允许一个网卡或一个集线器能够同时适应10BASE-T和100BASE-T的传输速率，以最高性能操作295.5 高速以太网技术快速以太网的体系结构LLC 802.2100 BaseTCSMACDMII100 Base-Tx100 Bas

15、e-T4100 Base-Fx2对5类UTP或1类STP4对3、4、5类UTP2芯光纤传输介质物理层数据链路层305.5 高速以太网技术5.5.2 千兆位以太网技术1. 千兆位以太网标准 千兆位以太网标准是对以太网技术的再次扩展，其数据传输率为1000Mbps 即1Gbps，因此也称吉比特以太网。千兆位以太网基本保留了原有以太网的帧结构，所以向下和以太网与快速以太网完全兼容，从而原有的10Mbps以太网或快速以太网可以方便地升级到千兆以太网。千兆位以太网标准实际上包括支持光纤传输的IEEE802.3Z和支持铜缆传输的IEEE802.3ab两大部分315.5 高速以太网技术LLC 802.280

16、2.3全双工/流量控制协议CSMA/CD半双工方式GMII1000Base-cx1000 Base-LX1000 Base-SX150STP超5类或6类UTP多模光纤传输介质物理层数据链路层标准的千兆位以太网协议体系IEEE802.3ab IEEE802.3Z1000Base-T多模光纤单模光纤LLC子层MAC子层325.5 高速以太网技术(1) 1000Base-SX标准 使用770860nm（一般为800nm）短波激光，传输距离为275m，或550m。适用于建筑物网络系统的主干(2) 1000Base-LX标准 使用12701355nm（一般为1300nm）长波激光。在多模光纤的传输距离为

17、550m，适用于作为大楼网络系统的主干通路。在单模光纤的传输距离可达5km，适用于校园或城域主干网335.5 高速以太网技术(3) 1000Base-CX标准 使用短距离屏蔽铜缆，最长距离25m。1000Base-CX的短距离铜缆适用于交换机间的短距离连接，特别适用于千兆主干交换机与主服务器的短距离连接(4) 1000Base-T标准 1000Base-T采用4对5类UTP双绞线，传输距离为100m，传输速率为1Gbps，主要用于结构化布线中同一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网已铺设的UTP电缆。也可被用作为大楼内的网络主干345.5 高速以太网技术千兆以太网的优点主要有： 简易性

18、 技术过渡的平滑性 网络可靠性 可管理性和可维护性 成本下降 支持新应用与新数据类型355.5 高速以太网技术2. 千兆位以太网组网应用 主要被用于园区或大楼网络的主干，也被用于有非常高带宽要求的高性能桌面环境中。下图即一个典型的层次化网络设计方法。 其中，最下面一层由10Mbps以太网交换机加上100Mbps上行链路组成，称为接入层(access layer) ；第二层由100Mbps以太网交换机加1000Mbps上行链路组成，称为汇聚层(distribution layer) ；最高层由千兆位以太网交换机组成，称为核心层(core layer)365.5 高速以太网技术千兆位以太网的组网应

19、用举例100M100M100M1000M375.5 高速以太网技术5.5.3 万兆位以太网技术2002年发布802.3ae10GE标准，2006年7月发布IEEE802.3an标准。万兆以太网不仅再度扩展了以太网的带宽和传输距离，更重要的是其得以太网从局网领域向城域网领域渗透。正如1000Base-X和1000Base-T（千兆以太网）都属于以太网一样，从速度和连接距离上来说，万兆以太网是以太网技术自然发展中的一个阶段385.5 高速以太网技术1. 万兆以太网的技术特色万兆以太网采用全双工光纤，其物理层和OSI模型的第一层一致，它负责建立传输介质和MAC层的连接，MAC层相当于OSI模型的第二

20、层（数据链路层）万兆以太网技术基本承袭了以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用户普及率、使用方便性、网络互操作性及简易性上皆占有极大的优势。在升级过程中，用户的升级风险非常低，同时在未来升级到40Gbps甚至100Gbps都将是很明显的优势395.5 高速以太网技术2. 万兆以太网的应用场合(1) 在教育网的应用405.5 高速以太网技术(2) 在数据中心出口的应用415.5 高速以太网技术(3) 在城域网的应用425.6 无线局域网5.6.1 无线局域网标准 目前无线网络的技术标准主要有蓝牙、Home RF以及IEEE 802.11系列标准。Home RF 主要用于家庭无线网络，其通信

21、速度较慢；蓝牙技术是在1994年爱立信为寻找蜂窝电话和PDA那样的辅助设备进行通信的廉价无线接口时创立的，是按802.11标准的补充技术来设计的；IEEE 802.11是由IEEE802委员会制订的无线局域网系列标准，这也是在无线局域网（WLAN）领域内的第一个国际上被广泛认可的协议435.6 无线局域网1.蓝牙技术（Bluetooth） 是一种短距离无线通信技术，能有效简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等移动通信终端之间及这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效。使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且

22、能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络445.6 无线局域网(1) 体系结构 技术标准为IEEE 802.15。协议分为三部分：底层协议、中间协议和选用协议底层协议包括基带协议和链路管理协议（LMP），这些协议主要由蓝牙模块实现中间协议建立在主机控制接口（HCI）之上，它们的功能由协议软件在蓝牙主机上运行选用协议有点对点协议PPP、TCP/UDP/IP、对象交换协议OBEX、电子名片交换协议vCard、电子日历及日程交换格式vCal、无线应用协议WAP和无线应用环境VAF等455.6 无线局域网(2) 蓝牙技术与P

23、AN 1999年12月发布的蓝牙1.0版标准中，定义了包括使用WAP协议连接互联网的多种应用软件。它能够使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和互联网等现有网络增添新功能，使各类计算机、传真机、打印机设备增添无线传输和组网功能，在家庭和办公自动化、家庭娱乐、电子商务、无线公文包应用、各类数字电子设备、工业控制、智能化建筑等场合开辟了广阔的应用465.6 无线局域网2.Home RF技术 主要为家庭网络设计，是IEEE 802.11与数字无绳电话标准的结合，旨在降低语音数据成本 Home RF利用跳频扩频方式，既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过 CSMA/CA 协议提供数据通信服务。同时

24、，Home RF提供了与TCP/IP良好的集成，支持广播、多点传送。目前，Home RF标准工作在2.4GHz的频段，跳频带宽为1MHz，最大传输速率为2Mbps，传输范围超过100m475.6 无线局域网3.IEEE 802.11标准 覆盖了无线局域网的物理层和MAC子层。IEEE 802.11系列规范主要从WLAN的物理层和MAC层两个层面制订系列规范，物理层标准规定了无线传输信号等基础规范，如802.11a、802.11b、802.11d、802.11g、802.11h，而媒体访问控制层标准是在物理层上的一些应用要求规范，如802.11e、802.11f、802.11i 其中最核心的是8

25、02.11a，802.11b和802.11g，它们定义了最核心的物理层规范485.6 无线局域网5.6.2 IEEE 802.11标准无线局域网1.IEEE 802.11物理层 IEEE 802.11 定义了三种物理介质（1）数据速率为1Mbps和2Mbps，波长在 850nm950nm之间的红外线（2）运行在2.4GHz ISM频带上的直接序列扩展频谱。能使用7条信道，每条信道的数据率为1Mbps或2Mbps（3）运行在2.4GHz ISM频带上的跳频的扩频通信，数据速率为1Mbps或2Mbps495.6 无线局域网2.无线局域网介质访问控制规范IEEE 802.11工作组考虑了两种 MAC

26、 算法 一种是分布式的访问控制，它和以太网类似，通过载波监听方法来控制每个访问结点； 另一种算法是集中式访问控制，它是由一个中心结点来协调多结点的访问控制。IEEE 802.11工作组最后决定采用分布式基础无线网的介质访问控制算法。IEEE 802.11协议的介质访问控制MAC层又分为2个子层：分布式协调功能子层与点协调功能子层505.6 无线局域网分布式协调功能子层使用了一种简单的CSMA算法，没有冲突检测功能。按照简单的CSMA的介质访问规则进行如下两项工作：（1）如果一个结点要发送帧，它需要先监听介质。如果介质空闲，结点可以发送；（2）如果介质忙，推迟发送，继续监听，直到介质空闲。介质忙

27、，则结点按照二进制指数退避算法延时，并继续监听介质515.6 无线局域网3.无线局域网设备(1).无线网卡 作用相当于有线网卡在有线局域网中的功能。可分为用于台式机的PCI接口无线网卡、用于笔记本的PCMCIA接口无线网卡。通用的USB接口无线网卡(2)无线访问接入点图（AP） 在无线局域网环境中，进行数据发送和接收的集中设备，相当于有线网络中的集线器。一个AP能在几十至上百米的范围内连接多个无线用户。在多个AP存在的场合，无线网卡能自动发现信号强度最大的AP525.6 无线局域网(3) 无线网桥 主要用于无线和有线局域网之间的互连。方便两个有线局域网间的连接，在这里无线网桥起到了协议转换的作

28、用535.6 无线局域网(4) 无线路由器 集成了无线AP的接入功能和路由器的第三层路径选择功能(5) 天线 功能则是将信号源发送的信号由天线传送至远处。天线一般有所谓定向性(Uni-directional)与全向性(Omni-directional)之分，前者较适合于长距离使用，而后者则较适合区域性之应用545.6 无线局域网4.无线局域网的组网模式 一般来说，无线局域网有两种组网模式，一种是无固定基站的，另一种是有固定基站的。这两种模式各有特点。无固定基站组成的网络称为自组网络，主要用于在便携式计算机之间组成平等状态的网络。有固定基站的网络类似于移动通信的机制，网络用户的便携式计算机通过基

29、站（AP）连入网络。这种网络应用比较广泛，一般用于有线局域网复盖范围的延伸或作为宽带无线互联网的接入方式555.6 无线局域网(1) 自组网络（Ad-Hoc）模式 又称对等网络，是最简单的无线局域网结构，是一种无中心拓扑结构，连网的计算机地位平等,适于较少量的计算机无线互联(5台以内)。只要两个或更多的无线结点都在彼此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。可以实现点对点或点对多点连接。自组网络不需要固定设施，是临时组成的网络，非常适合于野外作业和军事领域。组建这种网络，需要每台计算机中有一块无线网卡，需要的设备简单565.6 无线局域网对等无线网络575.6 无线局域网2. 基础结构网络（

30、Infrastucture）模式在具有一定数量用户或是需要建立一个稳定的无线网络平台时，一般会采用以AP为中心的模式，将有限的“信息点”扩展为“信息区”，这种模式也是无线局域网最为普通的构建模式，即基础结构模式，采用固定基站的模式。在基础结构网络中，要求有一个无线固定基站充当中心站，所有结点对网络的访问均由其控制585.6 无线局域网基础结构无线网络595.6 无线局域网无线与有线的结合实例605.7 虚拟局域网5.7.1 虚拟局域网概述 在IEEE802.1Q标准中对虚拟局域网的定义：虚拟局域网是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个虚拟局域网的帧

31、都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的结点是属于那一个VLAN。利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网615.7 虚拟局域网5.7.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式 目的地址长度类型长度类型802.1Q标记类型用户优先级2字节数据802.3MAC帧源地址FCS 6 6 4 2 461500 4插入4字节的VLAN标记标记控制信息1000000100000000 VLAN IDCFI2字节625.7 虚拟局域网5.7.3 虚拟局域网优点1. 提供了一种控制网络广播的方法 通过将交换机划分到不同的VLAN中，一个VLAN的广播不会影响到其他VLAN 的性能。即使是同一交换机上的两个相邻端口，只要它们不在同一VLAN中，则相互之间也不会渗透广播流量2. 提高了网络的安全性 VLAN的数目及每个VLAN中的用户和主机是由网络管理员决定的635.7 虚拟局域网3. 简化了网络管理 一方面，不受物理位置限制，如同一项目或部门中的协作者，功能上有交叉的工作组，共享相同网络应用或软件的不同用户群。另一方面，由于VLAN可以在单独的交换设备或跨多个交换设备实现，也会大大减少在网络中增加、删除或移动用户时的管理开销4. 提供了