第4章计算机局域网络

第4章计算机局域网络杜煜本章主要内容局域网的概述；局域网的主要技术；以太网技术；交换式以太网；虚拟局域网VLAN;局域网的连接设备及应用；二月23计算机网络基础杜煜No.2局域网的概述

局域网的主要特点：较小的地域范围高传输速率和低误码率面向的用户比较集中使用多种传输介质二月23计算机网络基础杜煜No.3局域网的概述局域网的层次结构IEEE802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，解决最低两层（即物理层和数据链路层）的功能以及与网络层的接口服务、网际互连有关的高层功能。IEEE802LAN参考模型与ISO/OSI参考模型的对应关系：二月23计算机网络基础杜煜No.4局域网的概述IEEE802局域网参考模型中的物理层：实现比特流的传输与接收，数据的同步控制等。IEEE802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。采用基带信号传输；数据的编码采用曼彻斯特编码；传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光缆等；拓扑结构可以是总线型、树型、星型和环型；传输速率有10Mbps、16Mbps、100Mbps、1000Mbps。二月23计算机网络基础杜煜No.5局域网的概述LAN的数据链路层分为两个功能子层：逻辑链路控制子层（LLC）介质访问控制子层（MAC）LLC子层和MAC子层的功能将数据组成帧，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。LAN可以支持多重访问，即实现数据帧的单播、广播和多播；划分LLC和MAC子层的目的二月23计算机网络基础杜煜No.6局域网的概述IEEE802标准系列802.1A：网络管理和性能测量；

B：概述、体系结构、网络互连；

802.2LLC的功能；

802.3CSMA/CD总线网的MAC和物理层的规范；

802.4TokenBus令牌总线网的MAC和物理层的规范；

802.5TokenRing令牌环网的MAC和物理层的规范；

802.6分布队列双总线DQDB–MAN城域网标准；

802.7宽带技术；

802.8光纤技术（光纤分布数据接口FDDI）；

802.9综合业务数字网ISDN；

802.10局域网安全技术；

802.11无线局域网；二月23计算机网络基础杜煜No.7IEEE802标准之间的关系二月23计算机网络基础杜煜No.8802.3CSMA/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802.1A管理802.10局域网安全物理层数据链路层网络层ISO/OSIIEEE802局域网的主要技术决定局域网特征的主要技术：拓扑结构传输介质介质访问控制方法三种技术决定了传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量、利用率以及网络应用等各种网络特征。二月23计算机网络基础杜煜No.9拓扑结构——总线型拓扑结构所有的节点都通过网络适配器直接连接到一条作为公共传输介质的总线上，总线可以是同轴电缆、双绞线、或者是使用光纤；总线上任何一个节点发出的信息都沿着总线传输，而其他节点都能接收到该信息，但在同一时间内，只允许一个节点发送数据；由于总线作为公共传输介质为多个节点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节点利用总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”；在“共享介质”的总线型拓扑结构的局域网中，必须解决多个节点访问总线的介质访问控制问题。二月23计算机网络基础杜煜No.10总线型局域网中的“冲突”

二月23计算机网络基础杜煜No.11拓扑结构——环型拓扑结构所有节点使用相应的网络适配器连接到共享的传输介质上，通过点到点的连接构成封闭的环路。环路中的数据沿着一个方向绕环逐节点传输。环路的维护和控制一般采用某种分布式控制方法，环中每个节点都具有相应的控制功能。在环型拓扑中，虽然也是多个节点共享一条环通路，但不会出现冲突。对于环型拓扑的局域网，网络的管理较为复杂，与总线型局域网相比，可扩展性较差。二月23计算机网络基础杜煜No.12拓扑结构——星型拓扑结构在星型拓扑中存在一个中心节点，每个节点通过点到点线路与中心节点连接。在局域网中，由于使用中央设备的不同，局域网的物理拓扑结构和逻辑拓扑结构不同。使用集线器连接所有计算机时，是一种具有星型物理连接的总线型拓扑结构；使用交换机时，是真正的星型拓扑结构。二月23计算机网络基础杜煜No.13传输介质与传输形式局域网的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、电磁波。局域网的传输形式有两种：基带传输与宽带传输。二月23计算机网络基础杜煜No.14介质访问控制方法介质访问控制方法控制网络节点何时能够发送数据。IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：IEEE802.3

载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）；IEEE802.5

令牌环（TokenRing）；IEEE802.4

令牌总线（TokenBus）；二月23计算机网络基础杜煜No.15CSMA/CD介质访问控制总线型LAN中，所有的节点对信道的访问是以多路访问方式进行的。任一节点都可以将数据帧发送到总线上，所有连接在信道上的节点都能检测到该帧。当目的节点检测到该数据帧的目的地址（MAC地址）为本节点地址时，就继续接收该帧中包含的数据，同时给源节点返回一个响应。当有两个或更多的节点在同一时间都发送了数据，在信道上就造成了帧的重叠，导致冲突出现。为了克服这种冲突，在总线LAN中常采用CSMA/CD协议，即带有冲突检测的载波侦听多路访问协议，它是一种随机争用型的介质访问控制方法。二月23计算机网络基础杜煜No.16CSMA/CD协议的工作过程CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发。二月23计算机网络基础杜煜No.17CSMA/CD协议的特点在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各节点通过竞争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。结构简单、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。但是随着网络中节点数量的增加，传递信息量增大，即在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明显下降。二月23计算机网络基础杜煜No.18令牌环（TokenRing）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。网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据，没有获取令牌的节点不能发送数据，因此，使用令牌环的LAN中不会产生冲突。二月23计算机网络基础杜煜No.19TokenRing的特点由于每个节点不是随机的争用信道，不会出现冲突，因此称它是一种确定型的介质访问控制方法，而且每个节点发送数据的延迟时间可以确定。在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。在重负载时，对各节点公平，且效率高。采用令牌环的局域网还可以对各节点设置不同的优先级，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，就可以申请高优先级。二月23计算机网络基础杜煜No.20令牌总线（TokenBus）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，它是总线结构的局域网，但逻辑上，它是环型拓扑结构。连接到总线上的所有节点组成了一个逻辑环，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节点。二月23计算机网络基础杜煜No.21TokenBus的特点令牌总线适用于重负载的网络中，数据发送的延迟时间确定，适合实时性的数据传输等。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。令牌总线访问控制的复杂性高：网络中的令牌丢失，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。二月23计算机网络基础杜煜No.22以太网技术以太网的产生和发展以太网的起源:ALOHA无线电系统(1968-1972)Xerox创建第一个实验性的以太网(1972-1977)DEC、Intel和Xerox将以太网标准化(1979-1983)IEEE802.3标准问世（1982年）,10BASE-5出现；10BASE-T结构化布线的历史(1986-1990)交换式和全双工制以太网的出现(1990-1994)快速以太网的出现(1992-1995)千兆网的出现(1996至今)二月23计算机网络基础杜煜No.23传统的以太网二月23计算机网络基础杜煜No.24数据率（Mbps）基带信号双绞线以太网，段最大长度（百米）10Base-TIEEE802.3的四种规范10BaseT集线器的作用相当于一个多端口的中继器（转发器），数据从集线器的一个端口进入后，集线器会将这些数据从其他所有端口广播出去（扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减）。二月23计算机网络基础杜煜No.25NIC最大长度

100m快速以太网（FastEthernet）100BASE-T快速以太网，是标准以太网的100Mbps版本。100BASE-T的标准为802.3u，作为802.3的补充；100BASE-TMAC的速度相当于10倍的BASE-T的MAC；与10BASE-T相同，100BASE-T要求有中央集线器的星型布线结构；FastEthernet的协议结构：二月23计算机网络基础杜煜No.26100Base-T的四种标准100Base-TX支持2对五类非屏蔽双绞线（UTP）或2对一类屏蔽双绞线（STP）。其中1对用于发送，另1对用于接收，因此100Base-TX可以全双工方式工作，每个节点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。使用五类UTP的最大距离为100米。100Base-T4支持4对三类非屏蔽双绞线UTP，其中有3对用于数据传输，1对用于冲突检测。100Base-T2支持2对三类非屏蔽双绞线UTP。100Base-FX支持2芯的多模或单模光纤。100Base-FX主要是用作高速主干网，从节点到集线器HUB的距离可以达到450米。二月23计算机网络基础杜煜No.27快速以太网的应用采用快速以太网集线器作为中央设备（100Base-TX集线器），使用非屏蔽5类双绞线以星型连接的方式连接以太网节点（工作站和服务器），以及连接另一个快速以太网集线器和10Base-T的共享集线器。二月23计算机网络基础杜煜No.28千兆位以太网（GigabitEthernet）千兆位以太网产生的背景；千兆位以太网同样保留着传统的100Base-T的所有特征。GigabitEthernet标准的工作是从1995年开始的，1995年11月IEEE802.3委员会成立了高速网研究组；1996年8月成立了802.3z工作组，主要研究使用光纤与短距离屏蔽双绞线的GigabitEthernet物理层标准；1997年初成立了802.3ab工作组，主要研究使用长距离光纤与非屏蔽双绞线的GigabitEthernet物理层标准。二月23计算机网络基础杜煜No.29GigabitEthernet物理层标准一1000Base-SX使用短波长激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为770-860nm（一般为850nm）的激光传输器，只能支持多模光纤。1000Base-SX所使用的光纤规格有两种：62.5微米多模光纤使用62.5微米多模光纤在全双工方式下的最长传输距离为275米；50微米多模光纤使用50微米多模光纤，全双工方式下最长有效距离为550米。二月23计算机网络基础杜煜No.30GigabitEthernet物理层标准二1000Base-LX1000Base-LX使用长波长激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光传输器，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。1000Base-LX所使用的光纤规格为：62.5微米多模光纤、50微米多模光纤、9微米单模光纤。使用多模光纤时，在全双工方式下，最长传输距离可以达到550米；使用单模光纤时，全双工方式下的最长有效距离为3000米。二月23计算机网络基础杜煜No.31GigabitEthernet物理层标准三1000Base-CX1000Base-CX是使用铜缆作为网络介质的两种千兆以太网技术之一。1000Base-CX使用了一种特殊规格的高质量平衡屏蔽双绞线，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。1000Base-T1000BaseT使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100Base-TX一样可以达到100米。采用这种技术可以在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。二月23计算机网络基础杜煜No.32万兆位以太网（10GigabitEthernet）万兆以太网的产生与标准IEEE802.3专门成立了一个工作组研究万兆位以太网，并于2002年7月通过了万兆位以太网标准IEEE802.3ae，它不但应用于万兆以太局域网，也应用在万兆以太城域网。保留了以太网帧结构，通过不同的编码方式或波分复用提供10Gbit/s传输速度；仅支持全双工方式，不存在冲突，也不使用CSMA/CD协议，因此传输距离不受碰撞检测的限制而大大提高。二月23计算机网络基础杜煜No.33万兆位以太网（10GigabitEthernet）IEEE802.3ae万兆以太网标准定义两种PHY（物理层规范），即串行局域网物理层（SerialLANPHY）和广域网物理层（SerialWANPHY。IEEE802.3ae也定义支持特定物理介质相关接口（PMD）的物理层规范，包括多模光纤和单模光纤以及相应传送距离等二月23计算机网络基础杜煜No.34万兆位以太网（10GigabitEthernet）串行局域网物理层（SerialLANPHY）串行局域网物理层由64b/66b编解码（codec）机制和串行/反串行部件（SerDes）组成。编解码机制执行了数据包的分组编码。SerDes将16位的并行数据通路（每路644Mbit/s）串行化为一条10.3Gbit/s的数据流，在传送端交由串行光学部件或PMD处理。在接收端，SerDes将一条10.3Gbit/s的串行数据流转化回16位的并行数据通路（每路644Mbit/s）。二月23计算机网络基础杜煜No.35万兆位以太网（10GigabitEthernet）广域网物理层（SerialWANPHY）串行广域网物理层由广域网接口子层（WIS）、64b/66b编解码机制以及SerDes部件组成。串行广域网PHY中的SerDes和串行局域网PHY唯一的区别在于串行数据流的速度是9.95Gbit/s（OC-192），16位并行数据通路的速度为每路622Mbit/s。串行广域网PHY使得万兆以太网与现有SONET/SDH网络的OC-192接口或DWDM光传输网的10Gbit/s接口速率完全匹配。二月23计算机网络基础杜煜No.36万兆位以太网（10GigabitEthernet）IEEE802.3ae的4个物理层标准为10GBASE-R、10GBASE-W、10GBASE-LX4、10GBASE-CX4。10GBASE-R和10GBASE-CX4用于传统的以太网环境，10GBASE-R采用光纤作为传输介质，10GBASE-CX4采用同轴铜缆作为传输介质，10GBASE-W是广域网接口，数据速率为9.585Gbit/s。10GBSE-LX4则使用WDM波分复用技术进行数据传输。二月23计算机网络基础杜煜No.37万兆位以太网的应用万兆以太网技术突破了传统以太网近距离传输的限制，不但可以应用在局域网和园区网外，也能够方便地应用在城域甚至广域范围，来构建高性能的网络核心。企业网和校园网宽带IP城域网数据中心和Internet交换中心超级计算中心二月23计算机网络基础杜煜No.38交换式以太网（SwitchingEthernet）共享式以太网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；当网络规模不断扩大时，网络中的冲突就会大大增加，而数据经过多次重发后，延时也相当大，造成网络整体性能下降。在网络节点较多时，以太网的带宽使用效率只有30%～40%。二月23计算机网络基础杜煜No.39交换式以太网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；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；二月23计算机网络基础杜煜No.40交换式以太网的应用二月23计算机网络基础杜煜No.41交换式以太网的工作原理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。交换机会监测发送到每个端口的数据帧，通过数据帧中的有关信息（源节点的MAC地址、目的节点的MAC地址），就会得到与每个端口所连接的节点MAC地址，并在交换机的内部建立一个“端口-MAC地址”映射表。建立映射表后，当某个端口接收到数据帧后，交换机会读取出该帧中的目的节点MAC地址，并通过“端口-MAC地址”的对照关系，迅速的将数据帧转发到相应的端口。以太网交换机对数据帧的转发方式分为三类；二月23计算机网络基础杜煜No.42交换机对数据帧的转发方式一直接交换方式(Cut-Through)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；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；特点优点：速度快、延时小；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。二月23计算机网络基础杜煜No.43交换机对数据帧的转发方式二存储转发交换方式(Store-and-Forward)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帧；特点优点：可靠性高，能支持不同速率端口之间的转发；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；二月23计算机网络基础杜煜No.44交换机对数据帧的转发方式三改进的直接交换方式将前两者结合起来，在收到帧的前64字节后，判断帧的帧头字段是否正确；特点：对于短的帧，交换延迟时间与直接交换方式相同；对于长的帧，交换延迟时间减少；二月23计算机网络基础杜煜No.45交换式以太网的特点交换式以太网保留了现有以太网的基础设施，而不必把现有的设备淘汰掉。以太网交换机可以与现有的以太网集线器相结合，实现各类广泛的应用。交换机可以用来将超载的网络分段，或者通过交换机的高速端口建立服务器群或者网络的主干，所有这些应用都维持现有的设备不变。以太网交换技术是一种基于以太网的技术，对用户有较好的熟悉度，易学易用。使用以太网交换机，可以支持虚拟局域网应用，使网络的管理更加灵活。交换式以太网可以使用各种传输介质，支持三类/五类UTP、光缆以及同轴电缆，尤其是使用光缆，可以使交换式以太网作为网络的主干。二月23计算机网络基础杜煜No.46三层交换技术交换和路由选择是互补性的技术，路由器处理时延大、速度慢，用交换机又不能进行路由选择和有效地控制广播，因此，在交换机不断发展的过程中，就有了将第二层交换和第三层路由相结合的设备，即第三层交换机，也被称作“路由交换机”。二月23计算机网络基础杜煜No.47三层交换技术原理二月23计算机网络基础杜煜No.48三层交换的应用二月23计算机网络基础杜煜No.49三层交换的主要用途是代替传统路由器作为网络的核心。在企业网和校园网中，一般会将第三层交换机用在网络的核心层，用第三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN。作为骨干交换机支持Trunk协议采用Trunk技术能将若干条相同的源交换机与目的交换机的以太网连接线从逻辑上看成一条连接线，不但提高了带宽，也增强了系统的安全性虚拟局域网VLAN什么是虚拟局域网（VLAN）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。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位置的限制；同一逻辑分组的成员可以分布在相同的物理网段上，也可以分布在不同的网络上；1996年3月，IEEE802委员会发布了IEEE802.1QVLAN标准。目前，该标准已得到全世界主要网络厂商的支持。二月23计算机网络基础杜煜No.50二月23计算机网络基础杜煜No.51组建VLAN的原则在网络中尽量使用同一厂家的交换机，而且在能用交换机的地方尽量使用交换机；使用交换机组建一个范围尽可能大的交换链路，并且让尽可能多的计算机直接连接到交换机上；层次化地将交换机与交换机相连，要避免使用传统的路由器，以保持整个网络的连通性。根据应用的需要，使用软件划分出若干个VLAN。每个VLAN上的所有计算机不论其所在的物理位置如何，都处在一个逻辑网中。VLAN之间可以互通，也可以不相通。若要实现其中的某些VLAN能够互通，则使用一台中央路由器（或者路由交换机），将这些VLAN互连起来，从而形成一个完整的VLAN。二月23计算机网络基础杜煜No.52VLAN网络管理软件VLAN网络管理软件是构成VLAN的基础，通过运行在交换式局域网上的网络管理程序，来建立、配置、修改或删除整个VLAN。VLAN管理软件应具备以下的主要功能：地址过滤能力虚拟连网能力广播功能封装二月23计算机网络基础杜煜No.53VLAN的划分方法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无法自动解决节点的移动、增加和变更问题。如果一个节点从一个端口移动到另一个端口时，网络管理者必须对虚拟局域网成员进行重新配置。二月23计算机网络基础杜煜No.54VLAN中使用集线器当交换机端口连接的是一个集线器时，由于集线器所支持的是一个共享介质的多用户网络，因此，按交换机端口号的划分方案只能将连接到集线器的所有用户划分到同一个VLAN中；二月23计算机网络基础杜煜No.55基于MAC地址的虚拟局域网优点：允许节点移动到网络其它物理网段；可以解决基于端口的VLAN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VLAN中。缺点需要对大量的毫无规律的MAC地址进行操作；二月23计算机网络基础杜煜No.56基于网络层地址的虚拟局域网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；有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网；用户可以随意移动节点而无需重新配置网络地址；一个虚拟局域网可以扩展到多个交换机的端口上，甚至一个端口能对应于多个虚拟局域网。由于检查网络层地址比检查MAC地址的延迟要大，因此，这种方法影响了交换机的交换时间以及整个网络的性能；二月23计算机网络基础杜煜No.57VLAN的其他划分方法基于IP组播的虚拟局域网使用IP广播组动态的建立VLAN；基于策略的虚拟局域网可以同时使用不同划分VLAN的方法来建立一个虚拟局域网；二月23计算机网络基础杜煜No.58VLAN的优点控制网络的广播风暴；确保网络的安全性；简化网络管理；二月23计算机网络基础杜煜No.59局域网连接设备与应用网络适配器（网卡）的分类按照支持的计算机的种类分标准网卡；便携式网卡USB网卡；按照网卡的速率10Mbps网卡；10/100Mbps；1000Mbps；按照网卡支持的传输介质粗缆网卡；细缆网卡；双绞线网卡；光纤网卡；按照网卡支持的总线类型：ISA、EISA、PCI；二月23计算机网络基础杜煜No.60集线器集线器（HUB）是带有多个端口的中继器（转发器），也是一个工作在OSI模型中的物理层设备。在集线器中，数据帧从一个节点被发送到集线器的某个端口上，然后又被转发到集线器的其他所有端口上。虽然每一个节点都使用一条双绞线连接到集线器上，但基于集线器的网络仍属于共享介质的局域网络。按集线器端口连接介质的不同，集线器可连接双绞线和光纤。使用光纤的集线器一般用于远距离连接和需要高抗干扰性能的场合，大多数的集线器都是以双绞线作为连接介质的。集线器通常带有多个（8个、12个、16个或24个）RJ-45接口（端口）。二月23计算机网络基础杜煜No.61集线器的分类与应用独立式集线器(StandaloneHUB)独立式集线器是最简单的一种集线器，带有多个（8个、12个、16个或24个）RJ-45端口；二月23计算