计算机网络-第4讲-局域网技术

第4讲局域网技术计算机网络基础教程本讲基本要求：本章重点讨论局域网的参考模型与标准、局域网介质访问控制方法、局域网的连接设备与工作原理、局域网的组网方法、高速局域网、无线局域网等。第4讲局域网技术了解：最新局域网技术的发展和新技术基本应用。熟悉：目前常用的局域网技术及其关键技术。掌握：局域网的组网技术，具备设计和组建局域网的能力。4.1局域网概述

局域网的产生局域网技术是在远程分组交换通信网络基础上发展起来的。从1969年第一个计算机网络——远程通信交换网ARPAnet诞生到20世纪70年代后期，分组交换通信网络得到很大发展，并积累了很多经验。1972年Bell公司提出了两种环型局域网技术，1973年以太网（Ethernet）问世。1973年，Metcalfe和DavidBoggs将“ALOHANET”改名为“以太网”。由此，Ethernet网络便诞生了。

局域网的发展

1979年，BobMetcalfe开始了以太网标准化的研制工作。

1981年6月，IEEE802工程决定组成802.3分委员会，以办公室环境为主要目标产生基于DIX工作成果的国际公认标准。

1990年，为了提高以太网的传输速率，在10M以太网的基础上，开发了快速以太网技术，并在1995年6月通过了100Base-T快速以太网标准IEEE802.3u。从1993年开始，在开发快速以太网的同时，开始研究交换式网络技术，并先后推出了交换以太网、交换令牌环和交换FDDI技术。随着交换式网络技术的研究与发展，又相继推出了异步传输模式（ATM）、千兆位以太网和万兆位以太网。目前局域网的带宽已达到10Gbit/s。5/100802.3：定义了局域网CSMA/CD总线介质访问控制子层及物理层规范802.1：A定义了局域网体系结构;B定义了网络互连、网络管理与性能测试

802.7：定义了局域网宽带技术1234567891011802.2：定义了局域网逻辑链路控制LLC子层的功能与服务802.4：定义了局域网令牌总线介质访问控制子层及物理层规范802.5：定义了局域网令牌环介质访问控制子层及物理层规范802.6：定义了局域网MAN介质访问控制子层及物理层规范802.8：定义了局域网光纤传输技术802.9：定义了局域网综合语音/数据服务的访问方法和物理规范802.10：定义了局域网安全与加密访问方法和物理层规范802.11：定义了无线局域网访问方法和物理层规范IEEE802标准系列中的主要标准4.1.4局域网的参考模型与标准6/1004.1.4局域网的参考模型与标准802.1体系结构与网络互联802.4令牌总线802.6局域网802.11无线局域网802.5令牌环网802.3CSMA/CD802.10可互操作的局域网安全802.2逻辑链路控制子层（LLC）高层LLCMAC物理层┅2、局域网的标准

1980年2月，电器与电子工程师协会(IEEE)成立了局域网标准委员会，专门从事局域网标准化工作，并制订了IEEE802标准。IEEE802系列标准之间的内部关系如图4-3所示。7/100802.11802.11协议簇是国际电工电子工程学会（IEEE）为无线局域网络制定的标准。协议发布频带最大传输速度802.1119972.4-2.5GHz2Mbps802.11a19995.15-5.35/5.47-5.725/5.725-5.875GHz54Mbps802.11b19992.4-2.5GHz11Mbps802.11g20032.4-2.5GHz54Mbps802.11n20092.4GHz或者5GHz600Mbps(40MHz*4MIMO)802.11ac2011.22.4GHz或者5GHz867Mbps,1.73Gbps,3.47Gbps,6.93Gbps(8MIMO,160MHz)802.11ad2012.1260GHzupto7000Mbp4.1局域网概述1定义通信被限制在中等规模的地理范围，能够使用具有中等或者较高数据速率和较低的误码率的物理信道；是由单一机构使用的专用计算机网络。2组成硬件系统：网络服务器、工作站和网络组件。软件系统：网络操作系统及其他网络软件。3特点地理覆盖范围较小。0.1-25km之间速度快，基带传输。10-1000Mb/s之间误码率低。10-11-10-8之间有线介质常见目的是实现数据通信和资源共享。分布控制广播通信。4.1局域网概述【例4-1】标准的10Mb/sIEEE802.3局域网的波特率是多少？采用Manchester编码(教材p68)，两个2进制为表示一个数据，所以为了传送10Mb/s，需要变化20M次，因此波特率是20Mbaud01101001tO4.1局域网概述拓扑结构:局域网及城域网的典型拓扑结构为星型、环型、总线型和树型结构等。传统以太网高速以太网FDDIⅡ以太网令牌总线令牌环FDDI局域网虚拟局域网交换以太网ATM局域网交换式局域网共享介质局域网无线局域网总线型CDAB站点干线耦合器单向环点到点链路令牌环星型(b)逻辑环传送方向令牌BFCDEA(a)令牌总线ABCDEFGABCDE4.2局域网体系结构IEEE802局域网参考模型物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层MAC子层LLC子层OSI参考模型4.2局域网体系结构介质访问控制子层MAC数据链路层两个子层中较低的一个控制对传输介质的访问多种介质访问控制方法：CSMA/CDTokenBusTokenRing逻辑链路控制子层LLC与高层的接口功能定义了服务访问点SAO逻辑接口的使用方法管理数据链路通信，利用LLC控制帧实现对等逻辑实体之间的通信。4.3以太网介质访问控制技术介质访问控制是决定局域网特征的主要技术之一，通过解决传输介质的使用权问题，来实现对网络传输介质的合理分配。802中有以下介质控制方法：802.3冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD802.4令牌总线控制方法802.5令牌环访问控制方法4.3以太网介质访问控制技术ALOHA最早的无线电计算机通信网20世纪70年代使用无线广播技术的分组交换计算机网络解决夏威夷岛之间的通信，多个分散用户使用无线信道使用中心计算机。处于OSI模型中的数据链路层，属于随机访问协议一种。多用户对单信道4.3以太网介质访问控制技术纯ALOHA传输点有数据要传送是，立即向信道传送接收点收到后，确认ACK收到数据错误，发送确认失败NACK两个点冲突时，都停止一段时间，再尝试发送分段ALOHA频道在时间上分段每个传输点只能在分段开始处传送每次传送的数据小于或者等于一个时间分段很大程度减少了传输频道冲突手机网络通信4.3.2CSMA/CD载波监听多路访问/冲突检测(CarrySenseMultipleAccess/CollisionDetectCSMA/CD)是适用于总线结构的随机访问竞争型介质访问控制方法CSMA过程站点发送数据前监听总线，确定是否有其他站点发送若介质空闲，则发送若介质忙，则等待一定时间间隔后重试等待的时间间隔不同确定方法，称为坚持退避算法非坚持：①空闲则发送；②忙则等待一段随机时间，返回①1-坚持：①空闲则发送；②忙则继续监听，直到空闲立即发送；③若冲突，则回避一个时间，返回①p-坚持：①空闲则以概率p发送；②忙则继续监听，直到空闲，返回①；③若冲突，重新监听，空闲返回①4.3.2CSMA/CDCSMA/CD过程：①发送前先监听②空闲则发送③忙则继续监听，直到空闲，立即发送④发送后进行冲突检测，若发送冲突，停止发送，并发出阻塞信号强化冲突⑤冲突后等待一段随机时间，返回监听。截断二进制退避算法解决上述⑤的随机时间问题。每个帧第一次冲突时，设置参量L=2，时间片长度T，重传次数K(<=16)第K次冲突时，在[0,L,L2…Lk-1]之间随机选择一个数R，等待(退避)R*T时间冲突发生后，各帧等待的时间不一样，分散后续冲突。发送帧媒体忙？延迟随机时间YesNo发送碰撞？Yes发送Jam碰撞次数N+1N>=16？NoYes发送失败发送完？发送成功YesNoNo局域网介质访问控制方法20/1004.4以太网帧格式和数据封装DIXEthernetV2:使用CSMA/CDIEEE802.2/3:标准帧以太网帧结构前导码(7字节)和SD(1字节)：同步DA/SA：目的/源网卡地址L：帧长度LLC数据帧：协议数据单元，46-1500B填充字段：FCS：帧校验序列，前导码之后所有数据产生的32位CRC4.4.2以太网数据封装网卡物理地址最小数据长度要求：以太网46B4.4以太网帧格式和数据封装4.4.3以太网地址MAC地址：网络物理设备地址。采用十六进制数表示，共六个字节（48位）。其中，前三个字节是由IEEE的注册管理机构RA负责给不同厂家分配的代码(高位24位），也称为“编制上唯一的标识符”（OrganizationallyUniqueIdentifier），后三个字节(低位24位)由各厂家自行指派给生产的适配器接口，称为扩展标识符（唯一性）。一个地址块可以生成224个不同的地址。单播地址：目的地址为单个站点地址多播地址：目的地址为一组站点广播地址：目的地址为网络中所有节点4.5常见以太网

Metcalfe麦卡夫：网络的价值相当于其使用人数的平方。以太网(Ethernet)是基于总线型的广播式网络，在现有的局域网标准中，它是最早标准化的局域网，也是目前最成熟、最成功、应用最广泛的一种局域网技术。对于10Mbit/s传统以太网，IEEE802.3定义了4种规范，如图4-18所示。介质访问控制子层802.3MAC10Base-5粗同轴电缆10Base-2细同轴电缆10Base-T双绞线电缆10Base-F光纤MAC子层物理层27/1004.5.1传统以太网

粗缆收发器AUI电缆NIC最大段长度500m每段最多站点数100≥2.5m网络最大跨度2.5km

网络最多5个段终端匹配器Vampiretap粗缆以太网由粗同轴电缆、收发器、收发器电缆、网络适配卡、终接器等5部分组成，其结构如图4-19所示。1、粗缆以太网（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，它是最早出现的以太网。28/1002、细缆以太网（10Base-2）10Base-2是总线型细同轴电缆以太网的简略标示符。细缆BNC接头NIC每段最大长度185m每段最多站点数30≥0.5m网络最大跨度925m

网络最多5个段

终端匹配器

10Base-2主要由细同轴电缆、网络适配卡、BNC电缆连接器等3部分组成，其结构组成如图4-20所示。4.5.1传统以太网29/1003、双绞线以太网（10Base-T）

10Base-T是IEEE802委员会于1990年9月正式建立的非屏蔽双绞线传输10Mbit/s基带以太网标准，逻辑上为总线型拓扑的网络，称为共享式集线器。实际上，双绞线以太网是一个物理上的星型拓扑结构，所以当一条电缆出现故障时只影响它所连接的那台计算机。10Base-T由双绞线、双绞线连接器、网络适配卡、集线器等组成，其结构组成如图4-21所示。中心集线器4.5.1传统以太网30/1004、光纤以太网（10Base-F）10Base-F是10Mbit/s光纤以太网，它使用多模光纤传输介质，在介质上传输的是光信号而不是电信号。因此，它具有传输距离长、安全可靠、可避免电击等优点。10Base-T由双绞线、双绞线连接器、网络适配卡、集线器等组成，其结构组成如图4-22所示。带光缆网卡的微机光Hub光Hub光Hub光缆4.5.1传统以太网31/100802.3MACCSMA／CD100Base-TX2对5类UTP100Base-T44对3类UTP100Base-T22对3类UTP100Base-FX2束单/多模光纤MAC子层物理层4.5.2快速以太网（FastEthernet）快速以太网是指运行在100Mb/s以上速率的以太网

快速以太网的MAC层可以支持多种传输介质，协议结构：32/100技术特点：10Mb/s与100Mb/s兼容。取代了传统以太网体系结构：4.5.3千兆以太网（GigabitEthernet）1、千兆以太网的概念尽管快速以太网具有高可靠性、易扩展性、低成本等优点，并且成为高速局域网方案中的首选技术，但由于网络数据库、多媒体通信和视频技术的广泛应用，人们不得不寻求更高带宽的局域网，千兆以太网就是在这种背景下产生的。与快速以太网的相同之处是：千兆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。

载波扩展技术：帧长度小于时间槽长度512B，则物理层发送完数据后发送一个特殊的载波扩展符号序列，将其扩展到512B。

帧突发：连续发送多个帧。帧间间隔也使用载波扩展来填充。35/1002、协议标准千兆以太网标准化的工作是从1995年开始的，千兆以太网中的MAC子层仍然采用CSMA/CD的方法，物理层标准可以支持多种传输介质，目前制定了4种传输介质的标准。千兆以太网的协议结构如图4-30所示。

802.3MACCSMA/CD1000Base-SX1000Base-LX1000Base-CX1000Base-TMAC子层物理层图4-30千兆以太网的协议结构3、应用实例

在网络设计中，通常用一个或多个千兆以太网交换机构成主干网，以保证主干网的带宽；用快速以太网交换机4.5.3千兆以太网（GigabitEthernet）36/100构成楼内局域网。组网时，采用层次结构，将几种不同性能的交换机结合使用，千兆以太网的协议结构如图所示。

1000M交换机100M交换机1000M端口服务器10M端口100M交换机100M端口10M交换机4.5.3千兆以太网（GigabitEthernet）37/1004.5.4万兆以太网（10GigabitEthernet）1、万兆以太网的概念

万兆以太网（10GigabitEthernet，10GE）是以太网系列的最新技术，传输速率比千兆以太网提高了10倍，通信距离可延伸到40km，在应用范围上得到了更多的扩展，它不仅适合所有传统局域网的应用场合，更能延伸到传统以太网技术受到限制的城域网和广域网范围。2、协议标准万兆以太网标准主要包括：兼容802.3标准中定义的最小和最大以太网帧长度；仅支持全双工方式；使用点对点链路，结构化布线组建星型物理结构的局域网；支持802.3ad链路汇聚协议；在MAC/PLS服务接口上实现10Gbit/s的传输速率等，只使用光纤传输。39/1004.6虚拟局域网IEEE委员会1996年3月发布虚拟局域网标准802.1Q标准。建立在交换局域网之上，在交换机里通过网络管理软件来构建跨越不停网段和不同网络的端到端逻辑链路。与物理位置无关，核心技术是通过交换设备在网络物理拓扑结构基础上建立逻辑子网。任意节点或者网段都可以组合成逻辑上的局域网。其他物理位置的网络用户可以加入该VPN。【例4-2】VLAN2的广播帧传送过程4.6.2虚拟局域网特点便于集中化管理，增强灵活性控制广播风暴提高安全性缺少互操作性4.6.3虚拟局域网类型基于端口端口所属VLANPort1VLAN5Port2VLAN10…………Port7VLAN54.6.3虚拟局域网类型基于MAC地址4.6.3虚拟局域网类型基于协议4.6.3虚拟局域网类型基于子网4.6.4VLAN协议标准802.1Q的TCI标签控制字段CFI：规范格式指示符1位VID：虚拟局域网ID12位交换端口可配置成传输标签帧或无标签帧标签帧可以在交换机之间传送VLAN成员信息4.6.5VLAN的链路类型VLAN链路类型：接入链路和干道链路接入链路：主机和交换机之间。接入链路的端口不能直接收发数据，需要三层路由。干道链路：承载多个不同VLAN数据的链路，用于交换机之间互联或者交换机与路由器之间互联。传输时必须知道数据帧的VLAN标识。4.7其他局域网令牌环网体系结构4.7.1令牌环网工作原理：沿着环循环的令牌01111111。中继模式下，站点收到令牌帧时，原样发送下去。有数据发送则将令牌改成01111110，变成了帧首定界符，加上其他数据帧，发送到环上。接收节点将目的地址与自己地址比较后，相符则写入接收缓冲器，交高层协议处理，并复制后再发到环上。否则直接略过。发送方回收数据，与原始数据比较。相同则在环上删除此帧。4.7.1令牌环网帧格式：4.7.1令牌环网维护：每个令牌环网中有一个活动监控站，用来管理网络运行。由“监控站争用”协议选取。启动和监视网环轮询监视令牌传输，确保令牌不丢失清楚无效帧提供环路最小延迟提供主控时钟4.7.2令牌总线网工作原理：在总线拓扑结构上建立一个逻辑环。没有冲突。帧格式：维护：初始化故障恢复增删站点