计算机网络第4章 局域网技术

计算机网络技术与应用2第4章局域网技术《计算机网络技术与应用》3本章内容局域网概述局域网的拓扑结构

IEEE802系列标准及参考模型共享介质局域网交换式局域网高速局域网虚拟局域网技术44.1局域网概述局域网的特点及组成局域网的关键技术54.1.1局域网的特点及组成局域网的特点局域网的组成6局域网的特点地理分布范围较小。数据传输速率高。误码率低。以PC机为主体。协议简单、结构灵活。第1章计算机网络概述7局域网的组成局域网通常由两部分组成：网络硬件和网络软件。网络硬件主要包括：服务器、工作站、网络适配器（简称网卡）、通信设备及传输介质等。网络软件主要有三类：网络操作系统、数据库管理系统和网络应用软件。第1章计算机网络概述84.1.2局域网的关键技术局域网的特性主要涉及拓扑结构、传输介质和介质访问控制（MediumAccessControlMAC）等三项技术问题，其中最重要的是介质访问控制方法。局域网常用的拓扑结构有总线型、环型、星型三种。局域网传输介质分为有线和无线两大类。常用的有线传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤。无线传输介质：微波通信、卫星通信、红外通信等。局域网在基本通信机制上有“共享介质”方式和“交换”方式。常用的介质访问控制方法有：带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌总线（TokenBus）及令牌环（TokenRing）三种技术。94.2局域网的拓扑结构总线型拓扑结构环型拓扑结构星型拓扑结构104.2.1总线型拓扑结构总线拓扑结构是将网络中的所有设备都通过一根公共总线连接，通信时信息沿总线进行广播式传送。114.2.1总线型拓扑结构（续）通信时信息沿总线进行广播式传送，这样就会遇到下面几个问题：由于是广播式传送，需要指出信息是发给谁的。信息被接收后如何从总线上删除。如何控制和协调各主机的发送。如果两台主机同时向总线发送信号，则信号重叠而发生变化，称之为冲突；此外，应允许所有主机都有较均等的机会发送，防止主机长时间连续发送。124.2.1总线型拓扑结构（续）总线型拓扑结构简单，实现容易，易于安装维护，用户站点入网灵活，并且价格低廉，某个站点失效不会影响到其他站点。但它也有一些缺点，如传输介质故障难以排除；任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪，并且介质访问控制也比较复杂。134.2.2环型拓扑结构环型拓扑结构中，所有设备被连接成环，信息传送是沿着环广播式的。

144.2.2环型拓扑结构（续）环型拓扑结构的优点是能够较有效地避免冲突。环型拓扑结构的缺点是环型结构中的网卡等通信部件比较昂贵且管理复杂得多。154.2.3星型拓扑结构星型拓扑结构是由一个中央结点和若干从结点组成。星型拓扑结构是因集线器或交换机连接的各结点呈星型分布而得名。164.2.3星型拓扑结构星型拓扑结构的优点是结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。利用中央结点可以方便地提供网络连接和重新配置；且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护。星型拓扑结构的缺点是：集线器或交换机工作负荷重，网络布线较复杂。174.3IEEE802系列标准及参考模型IEEE802参考模型IEEE802系列标准184.3.1IEEE802参考模型国际标准化组织（ISO）提出的开放的系统互连参考模型（OSI）已得到广泛认同，并提供了一个便于理解、易于开发和加强标准化的统一的计算机网络体系结构。局域网参考模型参考了OSI参考模型。根据局域网的特征，局域网的体系结构一般仅包含OSI参考模型的最低两层：物理层和数据链路层，如图所示。194.3.1IEEE802参考模型（续）204.3.2IEEE802系列标准对于不同传输介质的局域网，IEEE局域网标准委员会制定了不同的标准，适用于不同的网络环境，IEEE802各标准之间的关系如图所示。这些标准在物理层和MAC子层有区别，但在逻辑链路子层是兼容的。214.3.2IEEE802系列标准（续）IEEE802标准主要包括：IEEE802.1标准，定义了局域网体系结构、网络互连，以及网络管理与性能测试。IEEE802.2标准，定义了逻辑链路控制（LLC）子层的功能与服务。IEEE802.3标准，定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层和物理层规范。在物理层定义了4种不同介质的10Mbps的以太网规范，包括10BASE-5（粗同轴电缆）、10BASE-2（细同轴电缆）、10BASE-F（多模光纤）和10BASE-T（非屏蔽双绞线UTP）。224.3.2IEEE802系列标准（续）IEEE802标准主要包括：IEEE802.4标准，定义了令牌总线（TokenBus）介质访问控制子层与物理层规范。IEEE802.5标准，定义了令牌环（TokenRing）介质访问控制子层与物理层规范。IEEE802.6标准，定义了城域网（MAN）介质访问控制子层与物理层规范。IEEE802.7标准，定义了宽带网络技术。IEEE802.8标准，定义了光纤传输技术。IEEE802.11标准，定义了无线局域网介质访问控制方法和物理层规范。234.4共享介质局域网以太网的工作原理令牌环网的工作原理令牌总线网的工作原理244.4.1以太网的工作原理以太网（Ethernet）是以CSMA/CD（CSMA/CD是CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection的缩写）为介质访问控制方法，采用总线拓扑结构，符合IEEE802.3标准的网络。以太网中各工作站共享无源的广播式通信介质（总线），它没有中央控制，需要发送数据的通信站点以分布式的方式访问介质。以太网的标淮通信介质是同轴电缆，也可以使用双绞线等。CSMA/CD包含有两方面的内容，即载波侦听（CSMA）和冲突检测（CD）。它是一种随机争用型的介质访问控制方法。25CSMA/CD工作原理CSMA/CD的思想 采用CSMA/CD可减少冲突，提高信道利用率，形象地说就是先听后发、边发边听。介质忙／闲的侦听与冲突的检测技术 在CSMA/CD中，通过检测总线上的信号存在与否来实现载波侦听。发送站的收发器同时检测冲突，如果发生冲突，收发器介质上的信号超过收发器本身发送信号的幅度，就判断出冲突。26CSMA/CD工作原理（续）27CSMA/CD工作原理（续）对CSMA/CD协议的工作流程通常可以简要概括为“先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发”。CSMA/CD方式的主要特点 原理比较简单，技术上较易实现，网络中各工作站处于同等地位。但这种方式不能提供优先级控制，各结点争用总线，不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。此方式效率高，但当负载增大时，发送信息的等待时间较长，发送效率急剧下降。284.4.2令牌环网的工作原理令牌环访问控制方法 令牌环访问控制方法是一种适用于环型网结构的分布式访问控制方法，它采用一种称为令牌的特殊帧来控制各个结点对介质的访问。294.4.2令牌环网的工作原理（续）令牌环工作步骤获取令牌并发送数据帧；接收和转发数据帧；撤消数据帧并释放令牌。304.4.2令牌环网的工作原理（续）令牌环访问控制方法的特点保证要发送数据的结点在一个确定性的时间间隔内访问介质；令牌环网在轻负荷时，由于存在等待令牌的时间，故效率较低；但在重负荷时，对各站公平访问且效率高；令牌环的通信量可以加以调节，一种方法是通过允许各站点在其收到令牌时传输不同量的数据，另一种方法是通过设定优先权使具有较高优先权的站点先得到令牌。314.4.3令牌总线网的工作原理令牌总线（TokenBus）采用令牌访问控制方法，适用于总线型局域网。令牌总线介质访问控制方法及物理层技术规范被IEEE定义为IEEE802．4标准。从物理结构上看，令牌总线网是—种总线型局域网，各站共享总线传输信道；但从逻辑上看，它又是一种环型局域网，如图所示。324.4.3令牌总线网的工作原理（续）334.4.3令牌总线网的工作原理（续）令牌总线的特点TokenBus方式的最大优点是具有极好的吞吐能力，且吞吐量随数据传输速率的增高而增加，并随介质的饱和而稳定下来但并不下降；各工作站不需要检测冲突，故信号电压容许较大的动态范围，连网距离较远。其主要缺点在于其复杂性和时间开销较大，工作站可能必须等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。逻辑环网与物理环网相比，由于后者传输数据必须按环路进行，而前者传输数据有直接通路，所以逻辑环网延迟时间短。344.5交换式局域网交换的基本概念交换式局域网的基本结构局域网交换机的工作原理354.5.1交换的基本概念随着网络技术和计算机硬件的不断发展，网络规模与网络性能之间的矛盾日益突出，传统的共享式局域网由于所有结点共享一条传输介质，变得越来越不堪重负。这样人们便提出了，能够有效解决共享式局域网“冲突”问题的改良网络“交换式局域网”。交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机拥有许多端口，每个端口有自己的专用带宽，并且可以连接不同的网段。交换机各个端口之间的通信是同时的、并行的，这就大大提高了信息吞吐量。为了进一步提高性能，每个端口还可以只连接一个设备。364.5.2交换式局域网的基本结构交换式局域网的结构示例 在交换式局域网中，组建网络的核心设备是局域网交换机。

374.5.3局域网交换机的工作原理局域网交换机的工作原理是：从交换机端口接收数据帧，并判断数据帧的目的地址，将其转发到目的结点所在的端口。典型的局域网交换机结构与工作过程如图所示，图中的交换机有6个端口，其中端口1、4、5、6分别连接了结点A、结点B和C、结点D、结点E。交换机的“端口号/MAC地址映射表”可以根据以上端口号与结点MAC地址建立对应关系。如果结点A与结点E要同时发送数据，那么它们可以分别在以太网数据报的目的地址字段（DA）中填上该数据报的目的地址。38局域网交换机的工作原理39局域网交换机的工作原理（续）例如：结点A要向结点D发送数据报，那么该数据报目的地址DA=（结点D的地址）；结点E要向结点B发送数据报，那么该数据报目的地址DA=（结点B的地址）。当结点A、结点E同时通过交换机传送以太网数据报时，交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC地址映射表”的对应关系找出对应数据报的目的地址的输出端口号，就可以为结点A到结点D建立端口1到端口5的连接，同时为结点E到结点B建立端口6到端口4的连接。这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。40局域网交换机的工作原理（续）“端口号/MAC地址映射表”的建立与维护以太网交换机是利用“端口号/MAC地址映射表”进行数据交换的，因此该表的建立和维护十分重要。建立和维护交换机中的地址映射表需要解决两个问题：一是交换机如何知道哪个结点连接到哪个端口；二是当结点从交换机的一个端口转移到另一个端口时，交换机如何维护地址映射表。交换机是利用“地址学习”方法来动态建立和维护“端口号/MAC地址映射表”的。41局域网交换机的工作原理（续）交换机的帧转发方式 以太网交换机的帧转发方式可以分为以下3类。直接交换方式 存储转发交换方式无碎片直接交换方式42局域网交换机的工作原理（续）局域网交换机的技术特点 与集线器相比，局域网交换机从以下几方面改进了性能：通过支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量。将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组，每个端口连接一台设备或连接一个工作组，有效地解决拥挤现象。虚拟局域网（VLAN）技术的出现，给交换机的使用和管理带来了更大的灵活性，虚拟局域网技术将在后面专门介绍。端口密度可以与集线器相媲美，一般的网络系统都是有一个或几个服务器，而绝大部分都是普通的客户机。 交换机从提高连接服务器的端口的速率以及相应的帧缓冲区的大小，来提高整个网络的性能，从而满足实际的要求。434.6高速局域网

随着通信技术的发展以及用户对网络带宽需求的增加，迫切需要建立高速的局域网。所谓“高速局域网络”是指传输速率达百Mbps及以上的网络。快速以太网千兆以太网光纤分布式数据接口FDDI444.6.1快速以太网快速以太网（FastEthernet）的基本思想是：保留802.3的帧格式和CSMA/CD协议，只是将数据传输率从10Mbps提高到100Mbps。从技术上讲，快速以太网可以完全照搬原来的10BASE5和10BASE2标准，只将最大电缆长度减少到原来的1/10并仍能检测到冲突。45快速以太网快速以太网协议结构如图示46快速以太网（续）快速以太网3种不同的物理层标准标准100BASE-T4100BASE-TX100BASE-FX支持全双工否是是电缆对数四对双绞线两对双绞线一对光纤电缆类型3类UTP5类UTP多模/单模光纤最大距离100m100m200m，2km接口类型RJ-45RJ-45MIC，ST，SC474.6.2千兆以太网千兆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。千兆以太网和传统以太网使用相同的IEEE802.3CSMA/CD协议、相同的帧格式和相同的帧大小（64字节-1518字节），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。48千兆以太网千兆以太网的协议结构49千兆以太网（续）千兆以太网物理层接口标准标准介质类型光纤直径最大传输距离1000BASE-CXSTP25m1000BASE-T5类UTP100m1000BASE-SX多模62.5，50440m，550m1000BASE-LX多模，单模62.5，50，5250m，550m，3km504.6.3光纤分布式数据接口FDDI光纤分布数据接口（FDDI）是传输速率为100Mbps的光纤网络，该网络具有定时令牌协议的特性，支持多种拓扑结构，传输媒体为光纤。如图所示为一个典型的FDDI网络。一个环为主环，另一个环为备用环。当主环上的设备失效或光缆发生故障时，通过从主环向备用环的切换可继续维持FDDI的正常工作。这种故障容错能力是其他网络所没有的。514.6.3光纤分布式数据接口FDDI（续）524.7虚拟局域网技术虚拟局域网的概念虚拟局域网的实现方法虚拟局域网的优点534.7.1虚拟局域网的概念虚拟局域网（VirtualLocalAreaNetwork，VLAN）是一种近年来在计算机通信领域内逐渐发展起来的一种网络技术。VLAN是以交换式网络为基础，把网络上的用户分为若干个逻辑工作组，每个逻辑工作组就是一个VLAN。VLAN允许网络管理员使用软件实现按业务功能、网络应用、组织机构或其他任何需要，灵活地划分VLAN。544.7.1虚拟局域网的概念（续）同一VLAN中的成员不受物理网段的位置限制。当终端设备移动时，无须修改它的IP地址。在更改用户所加入的VLAN时，也不必重新改变设备的物理连接。虚拟网技术提供了动态组织工作环境的功能。它简化了网络的物理结构，使网络管理、网络性能和网络安全提高到一个新的层次。其最大的特点是在组成逻辑网时无须考虑用户或设备在网络中的物理位置。554.7.2虚拟局域网的实现方法基于端口的虚拟局域网基于MAC地址的虚拟局域网基于IP地址的虚拟局域网以上是实现虚拟局域网最主要有三种方法。56基于端口的虚拟局域网基于端口的虚拟局域网是最实用的虚拟局域网，它保持了最普通常用的虚拟局域网成员定义方法，配置也相当直观简单，局域网中的站点具有相同的网络地址。不同的虚拟局域网之间进行通信需要通过路由器。下图为基于交换机端口的VLAN的示意图。57基于端口的虚拟局域网（续）58基于MAC地址的虚拟局域网在基于MAC地址的虚拟局域网中，交换机对站点的MAC地址和交换机端口进行跟踪，在新站点入网时根据需要将其划归至某一个虚拟局域网。而无论该站点在网络中怎样移动，由于其MAC地址保持不变，因此用户不需要进行网络地址的重新配