网络课件第4章 百花齐放 局域网络的春天

4.1走进局域网4.2局域网的拓扑结构4.2.1总线型拓扑结构4.2.2环型拓扑结构4.2.3星型拓扑结构4.3IEEE802参考模型与协议4.3.1IEEE802参考模型4.3.2IEEE802标准4.4共享介质局域网 4.4.1以太网4.4.2令牌环网4.4.3令牌总线网4.4.4三种共享介质局域网的比较4.5交换式局域网4.5.1交换式以太网4.5.2ATM局域网仿真4.5.3IPoverATM 第4章百花齐放局域网络的春天4.5.4MPOA 4.6IP地址与子网划分 4.6.1IP地址的概念 4.6.2IP地址的分类 4.6.3子网掩码 4.6.4子网划分 4.7虚拟局域网 4.7.1VLAN的功能 4.7.2VLAN的划分 4.8高速局域网 4.8.1百兆以太网 4.8.2千兆以太网 4.8.3万兆以太网 4.8.440Gb以太网和100Gb以太网4.9无线局域网4.9.1无线局域网技术背景 4.9.2无线局域网应用领域4.9.3无线局域网技术特点 4.9.4IEEE802.11协议特点4.1走进局域网局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。（1）局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求。（2）局域网提供高数据传输速率（10M~1000Mbps）、低误码率的高质量数据传输环境。（3）局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。（4）决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。4.2局域网的拓扑结构局域网在结构上分为总线型、环形和星形三种，在网络传输介质上主要采取双绞线、同轴电缆与光纤等等。4.2.1总线型拓扑结构总线型局域网拓扑结构通常包含以下特点：（1）所有结点都通过网卡直接连接到一条作为公共传输介质的总线上。（2）总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。（3）所有结点都可以通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。当一个结点通过总线传输介质以“广播”方式发送数据时，其他的结点只能以“收听”方式接收数据。（4）由于总线作为公共传输介质为多个结点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点通过总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”（collision）导致传输失败。4.2.2环型拓扑结构4.2.3星型拓扑结构4.3IEEE802参考模型与协议传统的局域网采用了共享介质的工作方式。为了实现对多结点使用共享介质发送和接收数据的控制，经过多年的研究，人们提出了很多种介质访问控制方法。但是，目前被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法主要有以下三种：带有冲突检测的载波侦听多路访问方法、令牌总线（tokenbus）方法与令牌环（tokenring）方法。在1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会（简称IEEE802委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE802标准。4.3.1IEEE802参考模型4.3.2IEEE802标准IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE802标准。

4.4共享介质局域网从采用的介质访问控制方法角度来看，局域网可以分为共享介质局域网与交换式局域网两种。4.4.1以太网目前应用最广的一类局域网是总线型局域网，即以太网（Ethernet）。它的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）方法。4.4.1.1CSMA协议（1）1-坚持CSMA。（2）非坚持CSMA。（3）p-坚持CSMA。4.4.1.2CSMA/CD协议在CSMA中，如果在总线上的两个站点都没有监听到载波信号而几乎同时都发送数据帧，但由于信道传播时延的存在，这时仍有可能会发生冲突。一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程中仍然继续监听媒体介质，以检测是否存在冲突。如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。于是只要一旦检测到冲突存在，就立刻停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其他各有关站点。这样通道信道就不至于因白白传送己受损的数据帧而浪费，总体上可以提高总线的利用率。这种方案也就是CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测），这种协议已经广泛应用于局域网中。4.4.1.3冲突检测时间的计算CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言，最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站点之间传播时延的两倍。从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。信号传播时延（μs）＝两站点的距离（m）/信号传播速度（200m/μs）4.4.1.4二进制指数退避和算法在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后使用CSMA方法试图再次传输。为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避的算法，其规则如下：（1）对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L＝2。（2）退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数，1个时间片等于两站之间的最大传播时延的两倍。（3）当数据帧再次发生冲突，将参量L加倍。（4）设置一个最大重传次数，超过该次数，则不再重传，并报告出错。在以太网中规定，最多重传16次，否则向上层程序报错。参量L的最大值不超过1024。4.4.2令牌环网令牌环在物理上是一个由一系列环接口和这些接口间的点到点链路构成的闭合环路，各站点通过环接口连接到网上。对媒体具有访问权的某个发送站点，通过环接口链路将据帧串行发送到环上；其余各个站点边从各自的环接口链路逐位接收数据帧，同时通过环接口链路再生、转发出去，使数据帧在环上从一个站点至下一个站点环行，所寻址的目的站点在数据帧经过时读取信息；最后数据帧环绕一周返回发送站点，并由发送站撤除所发送的数据帧。4.4.3令牌总线网令牌总线媒体访问控制是将局域网物理总线上的站点构成一个逻辑环，每个站点都在一个有序序列中被指定一个逻辑位置，序列中最后一个站点的后面又跟着第一个站点。每个站点都知道在它之前的前驱和在它之后的后继站的标识。4.4.4三种共享介质局域网的比较任何一种网络都具有特定的优点和缺点。在大多数情况下，三种局域网的性能均良好。所以在做选择时，往往非技术性因素可能更重要。最重要的非技术因素是兼容性和易用性，在这两个方面，以太网要比其他两种网络优越得多，所以以太网的普及程度也就比其他两种网络更为广泛。4.5交换式局域网在传统的共享介质局域网中，所有结点共享一条公共通信传输介质，不可避免将会有冲突发生。随着局域网规模的扩大，网中结点数的不断增加，每个结点平均能分配到的带宽越来越少。为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出将共享介质方式改为交换方式，从而促进了交换式局域网的发展。4.5.1交换式以太网4.5.2ATM局域网仿真ATM局域网仿真就是在ATM网上实现仿真的局域网，即ATM网模拟现有的LAN传输，为高层提供数据链路层MAC子层的服务，使仿真LAN上的ATM用户之间的数据通信类似于传统LAN。

4.5.3IPoverATMIPoverATM的基本原理和工作方式为：将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚电路（VC）。以后的IP数据包将在此虚电路VC上以直通（Cut-Through）方式传输而下再经过路由器，从而有效地解决了IP的路由器的瓶颈问题，并将IP包的转发速度提高到交换速度。4.5.4MPOAATM上的多协议传送（MPOA，MultiProtocolOverATM）是ATM论坛提出的一项规范，它利用了标准的ATM交换技术,提供了高性能、可伸缩的路由功能。MPOA方案将路由和桥接的通信数据流映射到了ATM的交换虚电路（SVC）上，将传统的路由器从执行处理一个个信息包的重负中解脱了出来。MPOA采用了基于硬件的ATM交换结构，极大地改进了吞吐量、缩短了整体延迟时间，以及缩短了端到端通信延时等。4.6IP地址与子网划分所谓IP地址就是给每个连接在Internet上的主机分配的一个32位地址。按照TCP/IP协议规定，IP地址用二进制来表示，每个IP地址长32位，比特换算成字节，就是4个字节。4.6.1IP地址的概念4.6.2IP地址的分类（1）A类IP地址（2）B类IP地址（3）C类IP地址（4）D类IP地址（5）E类IP地址4.6.3子网掩码子网掩码是一个32位的2进制数，其对应网络地址的所有位都置为1，对应于主机地址的所有位都置为0。由此可知，A类网络的默认子网掩码是255.0.0.0，B类网络的默认子网掩码是255.255.0.0，C类网络的默认子网掩码是255.255.255.0。将子网掩码和IP地址按位进行逻辑“与”运算，得到IP地址的网络地址，剩下的部分就是主机地址，从而区分出任意IP地址中的网络地址和主机地址。子网掩码常用十进制表示，我们还可以用网络前缀法表示子网掩码，即“/<网络地址位数>”。如138.96.0.0/16表示B类网络138.96.0.0的子网掩码为255.255.0.0。4.6.4子网划分由于32位的IP地址资源日益减少，为了充分利用IP地址，避免浪费，同时也为了缩小广播域，提高通信效率，我们需要对一个网络进行子网划分。子网划分的核心思想是：通过IP地址与子网掩码的“与”运算得出网络号。网络号相同的计算机属于同一个子网。网络号不同的计算机属于不同的子网。【经典实例】某公司从上级总公司的网络部门获得一段IP地址，其网络号为192.168.0.0/24。该IP将用于组建自己的网络。 目前该公司有5个部门需要组建自己的网络： 部门1：100台计算机 部门2：60台计算机 部门3：25台计算机 部门4：10台计算机 部门5：10台计算机 请为每个部门规划其网络IP地址。（1）由于该公司申请到的是一个C类网络，于是列出C类网络子网数目与子网掩码对照表。子网数目子网掩码每个子网主机容量1255.255.255.0256-22255.255.255.128128-24255.255.255.19264-28255.255.255.22432-216255.255.255.24016-232255.255.255.2488-264255.255.255.2524-2（2）先根据最大主机数需求，划分子网。部门1有100台计算机，先满足该部门需求。将整个网络一分为二，其中每个有126台主机的容量。于是，给部门1分配的IP地址范围为192.168.0.1-192.168.0.126，子网掩码为255.255.255.128。（3）再根据次大主机需求数，划分剩余的网络。部门2有60台计算机的容量需求，因此，需要将剩余的子网再一分为二，选取其中62个IP分给该部门。部门2的IP地址范围为192.168.0.129-192.168.0.190，子网掩码为255.255.255.192。（4）部门3有25台的容量。目前还剩余62个IP暂未使用。将这62个IP再一分为二，选取其中30个IP分给部门3。部门3的IP范围是192.168.0.193-192.168.0.222，子网掩码为255.255.255.224。（5）部门4和5需求量最少，可将剩余的IP地址再等分为两份，分别配置给部门4和5。因此，部门4的IP范围可设置为192.168.0.225-192.168.0.238，子网掩码为255.255.255.240。部门5的IP范围可设置为192.168.0.241-192.168.0.254，子网掩码为255.255.255.240。（6）综合汇总，各部门IP配置情况见表。部门起始IP终止IP子网容量子网掩码网络号广播地址部门1192.168.0.1192.168.0.126126255.255.255.128192.168.0.0192.168.0.127部门2192.168.0.129192.168.0.19062255.255.255.192192.168.0.128192.168.0.191部门3192.168.0.193192.168.0.22230255.255.255.224192.168.0.192192.168.0.223部门4192.168.0.225192.168.0.23814255.255.255.240192.168.0.224192.168.0.239部门5192.168.0.241192.168.0.25414255.255.255.240192.168.0.240192.168.0.2554.7虚拟局域网VLAN是指在局域网交换机里采用网络管理软件所构建的可跨越不同网段、不同网络、不同位置的端到端的逻辑网络。VLAN是一个在物理网络上根据用途、工作组、应用等来逻辑划分的局域网络，是一个广播域，与用户的物理位置没有关系。4.7.1VLAN的功能（1）提高管理效率：减少网络中站点的移动、增加和改变所带来的工作量，可以大大简化网络配置和调试工作。（2）控制广播数据：VLＡＮ内成员共享广播域，VLAN间的广播被隔离，这样可以提高网络的传输效率，VLAN利用了交换网络的高速性能。（3）增强网络的安全性：广播可以将数据传向每一个站点，通过将网络划分为个互相独立的VLAN，对成员进行分组限制广播，并可根据MAC地址、应用类型议类型等限制成员或计算机对网络资源的访问。（4）实现虚拟工作组：按应用或功能组建虚拟工作组。4.7.2VLAN的划分4.7.2.1通过端口号划分VLAN4.7.2.2通过MAC地址划分VLAN通过用结点的MAC地址来划分VLAN的方法具有自己的优点：由于结点的MAC地址是与硬件相关的地址，所以用结点的MAC地址定义的VLAN，允许结点移动到网络其他物理网段。由于结点的MAC地址不变，所以该结点将自动保持原来的VLAN成员地位。从这个角度来说，基于MAC地址划分VLAN可以看做基于用户的VLAN。4.7.2.3通过网络层协议划分VLANVLAN按网络层协议来划分，可分为IP、IPX、DECnet、AppleTalk、Banyan等VLAN网络。这种按网络层协议来组成的VLAN，可使广播域跨越多个VLAN交换机。这对于希望针对具体应用和服务来组织用户的网络管理员来说是非常具有吸引力的。而且，用户可以在网络内部自由移动，但其VLAN成员身份仍然保留不变。4.7.2.4通过IP组播划分VLANIP组播实际上也是一种VLAN的定义，即认为一个IP组播组就是一个VLAN。这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展，主要适合于不在同一地理范围的局域网用户组成一个VLAN，不适合局域网，主要是效率不高。4.7.2.5通过策略划分VLAN基于策略组成的VLAN能实现多种分配方法，包括VLAN交换机端口、MAC地址、IP地址、网络层协议等。网络管理人员可根据自己的管理模式和本单位的需求来决定选择哪种类型的VLAN。4.7.2.6通过用户定义、非用户授权划分VLAN

基于用户定义、非用户授权来划分VLAN，是指为了适应特别的VLAN网络，根据具体的网络用户的特别要求来定义和设计VLAN，而且可以让非VLAN群体用户访问VLAN，但是需要提供用户密码，在得到VLAN管理的认证后才可以加入一个VLAN。4.8高速局域网电气和电子工程师协会（1EEE）在20世纪90年代初专门成立了快速以太网工作组，研究把以太网的传输速率从10Mbps提高到100Mbps的可行性。很快，IEEE在1995年3月发布了针对100Mbps快速以太网规范的IEEE802.3u标准，并且与此同时，许多知名的公司也陆续不断地成功开发了很多基于快速以太网的网络硬件产品，如GrandJunction公司推出的世界上第一台FastSwitc10/100。从此，局域网开始经历了快速以太网的快速更新时代。

4.8.1百兆以太网快速以太网（FastEthemet）即802.3u标淮，包括两种技术规范：100Base-T和100VG-AnyLAN。4.8.2千兆以太网千兆位以太网是在以太网技术的改进和提高的基础上，再次将100Mbps的快速以太网的数据传输速率提高了10倍，使其达到了千兆位每秒的网络系统（1000Mbps）。

4.8.3万兆以太网

10G以太网于2002年7月在IEEE通过。10G以太网包括100Base-X、10GBase-R和10GBase-W。10GBase-X使用一种特紧凑包装，含有1个较简单的WDM器件、4个接收器和4个在1300nm波长附近以大约25nm为间隔工作的激光器，每一对发送器/接收器在3.125Gbps速度（数据流速度为2.5Gbps）下工作。10GBase-R是一种使用64B/66B编码（不是在千兆以太网中所用的8B/10B）的串行接口，数据流为10.000Gbps，因而产生的时钟速率为10.3Gbps。10GBase-W是广域网接口，与SONETOC-192兼容，其时钟为9.953Gbps数据流为9.585Gbps。10G以太网仍使用IEEE802.3标准的帧格式、全双工业务和流量控制方式。10G以太网标准为802.3ae。4.8.440Gb以太网和100Gb以太网1996年，40Gbps波分复用技术出现。2004年，该技术在局部范围开始商用，同时路由器开始提供40Gbps接口。2007年，多个厂商开始提供40Gbps波分复用设备。同时，电信业对40Gbps波分复用系统的业务需求增多。40GbE技术将大量应用于IDC、高性能计算机、高性能服务器集群与云计算平台。2004年前后，100Gbps技术开始出现并受到广泛的关注。100GbE不是一个单项技术的研究，而是一系列技术的综合，包括相关技术标准、Ethernet技术、DWDM技术等方面。4.9无线局域网目前，对于许多人来说，无线局域网（WirelessLocalAreaNetworks，WLAN）已经是很熟悉的一个名词了。在计算机硬件市场上，有关组建无线局域网所需的各种设备也都是种类繁多，而且大多数主流的品牌机（包括家庭计算机的桌面机或笔记本等）都提供了无线网卡适配器。在许多单位或学校都建设了规模或大或小的无