中南大学网络技术与应用课件局域网.ppt

第 4 章 局域网,4.1 局域网基础,网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网的基本特点 高数据传输率（10 1000 Mbps） 短距离（0.1 10 km） 低出错率（10-8 10-11） 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。 4.1.1 局域网的产生与发展 局域网技术产生于20世纪70年,4.1.2 决定局域网性能的因素 传输介质,在局域网中常用的是双绞线、同轴电缆和光导纤维3种。 选择传输介质应考虑的具体因素 成本 安装的难易程度 容量 衰减及最大距离 抗干扰能力：主要指电磁干扰 网络拓扑结构 网络连接方式 环境因素：地理分布、气象影响、环境温度、结点间距等。,2. 拓扑结构 星型 10/100/1000BASE系列使用集线器或交换机的共享式或交换式以太网 总线型 10BASE5、10BASE2以太网 环型 IBM令牌环网（Token-Ring） 树型,介质访问控制方式 介质的访问控制方式定义了通信信道的访问控制方法及安全可靠传输数据的规则。,介质访问控制方法要解决的问题 (1)该哪个结点发送数据？ (2)发送时会不会出现冲突？ (3)出现冲突怎么办？,（1）CSMA/CD协议 载波侦听与多路访问（CSMA） 我们把查看信道上有无数字信号传输称为“载波侦听”，而把同时有多个结点在侦听信道是否空闲和发送数据，称为“多路访问”。 冲突检测（CD） 每个计算机结点上的冲突检测器（如网卡）具备发现冲突和处理冲突的能力。,CSMA/CD的工作原理可以概括为以下四点： 先听后发。 边听边发。 冲突停止。 随机延迟后重发。,由于CSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机竞争总线的方法，所以它适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格和通信负荷较轻的应用环境中。,（2） Token Ring,令牌环的主要优点在于其访问方式具有可调整性和确定性，且每个结点具有同等的介质访问权。同时，还提供优先权服务，具有很强的适用性。它的主要缺点是环维护复杂，实现较困难。,CSMA/CD采用用户访问总线时间不确定的随机竞争方式，有结构简单、轻负载时时延小等特点，但当网络通讯负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延时增加，性能明显下降。 令牌环在重负荷下利用率高，网络性能对传输距离不敏感。但令牌环网控制复杂，并存在可靠性保证等问题。,Token-Bus 令牌总线主要适用于总线形或树形网络。采用此种方式时，各结点共享的传输介质是总线形的，每一结点都有一个本站地址，并知道上一个结点地址和下一个结点地址，令牌传递规定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。,令牌总线的特点在于它的确定性、可调整性及较好的吞吐能力，适用于对数据传输实时性要求较高或通讯负荷较重的应用环境中，如生产过程控制领域。它的缺点在于它的复杂性和时间开销较大，结点可能要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。,4.1.3 局域网的分类,1. 按网络资源共享方式划分 对等网络 非对等网络 2. 按网络通信方式划分 共享介质局域网 交换局域网 3. 按传输技术划分 基带局域网 宽带局域网 4. 按拓扑结构划分,为了解决广播网中信道使用问题，常把数据链路层分成两层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层：完成通常意义下的数据链路层功能 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层：负责解决共享信道问题； 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,4.2 局域网体系结构与标准,1. 物理层,每一种IEEE 802.3物理层规范的名称都是由三部分组成，概括了协议的主要特性，分别代表局域网的速度、信号方法和物理媒体类型。,2. MAC子层（介质访问控制层 ),在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。,局域网使用的是广播信道，为了保证每个用户不发生冲突，能正常通信，关键问题是如何解决对信道争用。解决信道争用的协议称为介质访问控制协议（Medium Access Control，MAC）。 局域网常用的介质访问控制协议有： 载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD） 令牌环（Token Ring）访问控制 令牌总线访问控制。,3. LLC子层,LLC子层与传输介质无关。它独立于介质访问控制方法。隐蔽了各种802网络之间的差别，并向网络层提供一个统一的格式和接口。 LLC子层的功能包括差错控制、流量控制和顺序控制，并为网络层提供服务。 提供多个服务访问点，服务访问点是两个相邻层之间的逻辑接口； 发送：将数据分成帧，带地址和CRC； 接收：重装帧，完成地址识别和CRC校验。 LLC子层向上层提供3种类型的服务： 类型1LLC1,不确认的无连接服务（数据报服务） 类型2LLC2,面向连接服务（虚电路服务） 类型3LLC3,带确认的无连接服务,4.2.2 IEEE 802标准,IEEE 802标准系列,IEEE802标准参考模型,IEEE802.1：LAN体系结构、网络互联以及网络管理与性能测试。 IEEE802.2：逻辑链路控制子层LLC的功能与服务。 IEEE802.3：CSMA/CD总线介质访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE802.3i：10BASE-T访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE802.3u：100BASE-T访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE802.3ab：1000BASE-T访问控制方法及物理层技术规范（铜线） IEEE802.3z：1000BASE-X访问控制方法及物理层技术规范（光纤） IEEE802.4：令牌总线介质访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE802.5：令牌环介质访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE802.6：城域网访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE802.7：宽带技术。 IEEE802.8：光纤技术。 IEEE802.9：综合业务数字网（ISDN）技术。 IEEE802.10：局域网安全技术。 IEEE802.11：无线局域网。 IEEE802.12：100VG-anyLAN访问控制方法及物理层技术规范。,4.3 以太网,4.3.1 传统以太网 以太网(Ethernet) 是由Xerox公司创建并由Xerox,Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。,采用广播机制 采用CSMA/CD媒体访问机制 无集中式的管理措施,10Base-5 10Base-2,10Base-T,10Base-F,4.3.2 快速以太网,100BASE-T 1)Fast Ethernet的数据传输速率达到了100Mb/s； 2)Fast Ethernet与以太网的帧格式、介质访问控制方法与组网方法相同； 3)每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns； 4)1995年9月 Fast Ethernet标准IEEE 802.3u。,1.快速以太网的协议结构 快速以太网采用的MII（media independent interface）介质独立接口将MAC子层与物理层分隔开来，使得物理层在实现100MB/S速率时介质和信号编码的变化不会影响到MAC子层。,2. 100Base-T标准,4.3.3 千兆以太网,GE是IEEE 802.3 Ethernet标准的扩展，编号为802.3z，其数据传输率为1000Mbps（即1Gbps）。 千兆位以太网将每个比特的发送时间由10BASET时的100ns降低到1ns。 采用GMII（千兆位介质专用）接口，将MAC子层与物理层分隔开来，介质和信号编码的变化不会影响到MAC子层。 1. 吉位以太网的协议结构,4.3.4 万兆以太网,10 Gigabit Ethernet标准的制定由IEEE802.3ae委员会于2002年6月完成。 万兆以太网（10GE）使用IEEE 802.3以太网介质接入控制（MAC）协议、IEEE 802.3以太网帧格式和IEEE 802.3帧格式，不需要修改以太网介质接入控制（MAC）协议或分组格式。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。 成熟的技术 互操作性很好 在广域网中使用以太网时价格便宜。 统一的帧格式简化了操作和管理。,1. FDDI的逆向双环结构,（1）传输介质 （2）数据编码：4B/5B （3）可靠性规范,4.4 FDDI网络,FDDI建立在小令牌帧的基础上，当所有站都空闲时，小令牌帧沿环运行。当某一站有数据要发送这时，必须等待有令牌通过时才可能。一旦识别出有用的令牌，该站便将其吸收，随后便可发送一帧或多帧。这时环上没有令牌环上后，便在环上插入一新的令牌，任一时刻环上可能会有来自多个站的帧运行。,(a) (b) (c) (d) (e) (f),4.5 交换式局域网,4.5.1 交换式局域网的基本结构与特点 （1）允许多对站点同时通信，每个站点可以独占传输通道和带宽。 （2）灵活的接口速率。 （3）增强了网络可扩充性和延展性。 （4）易于管理、便于调整网络负载的分布，有效地利用网络带宽。 （5）交换以太网与以太网、快速以太网完全兼容，它们能够实现无缝连接。 （6）可互连不同标准的局域网。,4.5.2 局域网交换机的工作原理,4.6.1 虚拟局域网结构 虚拟局域网（逻辑网）是以交换式网络为基础，把网络上的用户（终端设备）分为若干个逻辑工作组，每个逻辑工作组就是一个虚拟网络（Virtual Network，VLAN）。 VLAN并不是一种新型的局域网技术，而是交换网络为用户提供的一种服务。 VLAN使用的技术标准：IEEE 802.1Q,4.6 虚拟局域网,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时， 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1 都不会收到 B1 发出的广播信息。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络 不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。,4.6.2 虚拟局域网组网方法,1. 基于交换机端口划分的VLAN 这种划分是把一个或多个交换机上的几个端口划分一个逻辑组，这是最简单、最有效的划分方法。,2. 基于MAC地址划分的VLAN,优点：方便网络用户的物理位置的移动。 缺点：在大型网络中，初始工作量非常大。,基于网络层地址划分VLAN,根据网络设备的网络层地址来确定的VLAN成员。 用交换机的VLAN来取代路由器的子网。 不用更改配置，方便网络节点的随意移动。 有利于建立基于某种服务或应用的VLAN。,1. 无线局域网的接入设备 无线网络的网卡：是无线终端（结点）接入网络的主要部件。 无线接入点：AP，是一切可接入设备的综合称谓，如无线AP、无线网桥、无线路由器、无线网关等各类无线设备。,4.7 无线局域网,无线局域网的工作模式 无线局域网的拓扑结构分为无中心的对等式拓扑和有中心的基本模式拓扑。 （1） 无中心模式 无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信，一般使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信道接入控制（MAC）协议大多采用CSMA类型的多址接入协议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、且费用较低。但当网中用户数（站点数）过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。适用于用户数相对较少的工作群,（2） 有中心模式 在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。这样，当网络业务量增大时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不据烈。由于每个站点只需在中心站覆盖范围内就可与其它站点通信，故