第2讲局域网技术.ppt

2019年12月 1 第2章局域网技术 2 1局域网概述2 2局域网体系结构2 3局域网介质访问控制方法2 4以太网技术2 5交换式以太网2 6虚拟局域网技术 2019年12月 2 2 1局域网概述 一 局域网基本概念局域网覆盖有限的地理范围 一般只是几公里的范围 它适用于公司 机关 校园等有限范围内的计算机连网的需求 局域网提供高数据传输速率 100mbps 低误码率的数据传输环境 数据传输速率高达1gbps的高速局域网正在发展中 2019年12月 3 通常计算机局域网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆 构成有线局域网 但有线网络在某些场合要受到布线的限制 布线 改线工程量大 线路容易损坏 网中的各节点不可移动 特别是当要把相离较远的节点联结起来时 敷设专用通讯线路布线施工难度之大 费用 耗时之多 实是令人生畏 这些问题都对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞 限制了用户联网 2019年12月 4 无线局域网 了解 无线局域网 wlan 就是解决有线网络以上问题而出现的 wlan利用电磁波在空气中发送和接受数据 而无需线缆介质 wlan的数据传输速率现在已经能够达到最高450mbps 传输距离可远至20km以上 无线联网方式是对有线联网方式的一种补充和扩展 使网上的计算机具有可移动性 能快速 方便的解决以有线方式不易实现的网络联通问题 2019年12月 5 无线局域网的优点 安装便捷使用灵活经济节约易于扩展 2019年12月 6 2 1局域网概述 二 局域网基本组成一个完整局域网系统由硬件系统和软件系统组成 从系统组成角度看局域网通常包括如下几个组成部分 主机 各种类型的计算机网络适配器 用于实现计算机与局域网通信的接口 2019年12月 7 传输介质 用于计算机和网络设备间的连接 网络连接设备 用于计算机之间或其它网络间的连接 网络操作系统 负责网络系统资源管理 通信和任务调度等 网络应用软件 实现网络应用与服务 2 1局域网概述 2019年12月 8 2 1局域网概述 三 局域网技术要素局域网主要解决iso网络模型中最低两层物理层 数据链路层的功能 决定局域网组成方式 信道容量 通信速率 信息传输方式和效率等技术因素 主要有 网络拓扑结构传输介质介质访问控制方法 2019年12月 9 2 2局域网体系结构与标准 一 ieee802参考模型 2019年12月 10 2 2局域网体系结构与标准 二 物理层利用传输介质为数据链路层提供物理连接 实现比特流的传输与接收 数据的同步控制等 2019年12月 11 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 100mbps 1000mbps 2019年12月 12 2 2局域网体系结构与标准 三 数据链路层mac子层 介质访问控制子层 的功能mac构成数据链路层的下半部 直接与物理层相邻 主要制定管理和分配信道的协议规范 mac子层与传输介质有关 主要功能是进行合理信道分配 解决信道竞争问题 支持llc子层完成介质访问控制功能 为不同的物理介质定义了介质访问控制标准 2019年12月 13 2 2局域网体系结构与标准 三 数据链路层llc子层 逻辑链路子层 的功能llc在mac子层的支持下向网络层提供服务 与传输介质无关 独立于介质访问控制方法 隐藏了各种802网络之间的差异 向网络层提供一个统一的格式和接口 将数据组成帧 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 2019年12月 14 2 2局域网体系结构与标准 ieee802标准 2019年12月 15 ieee802标准系列 了解 ieee802 1标准 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 逻辑链路控制llc子层功能与服务 ieee802 3标准 csma cd总线介质访问控制子层与物理层规范 ieee802 4标准 令牌总线 tokenbus 介质访问控制子层与物理层规范 ieee802 5标准 令牌环 tokenring 介质访问控制子层与物理层规范 ieee802 9标准 综合语音与数据局域网 ivdlan 技术 ieee802 10标准 可互操作的局域网安全性规范 sils ieee802 1l标准 无线局域网技术 ieee802 12标准 优先级高速局域网 100mbps ieee802 14标准 有线电视网 cable tv ieee802 15标准 无线个人网络 wpan 技术 ieee802 16标准 无线宽带局域网 bbwa 2019年12月 16 2 3局域网介质访问控制方法 2 3 1介质访问控制方法 控制网络节点如何向传输介质的数据发送与接收数据 即解决信道如何使用的问题 介质访问控制方法与局域网的拓扑结构和工作过程有密切关系 2019年12月 17 2 3 2介质访问控制方法包括两方面内容 确定网络中各结点发送数据到传输介质上的时刻 如何对共用传输介质进行访问和控制 2 3局域网介质访问控制方法 2019年12月 18 2 3局域网介质访问控制方法 2 3 3信道分配问题信道分配问题也就是介质共享技术 通常 可将信道分配方法划分为两类 静态划分信道和动态介质接入控制 2019年12月 19 2 3 3信道分配问题 1 静态划分信道所谓静态划分信道 也是传统的分配方法 它采用频分复用 时分复用 波分复用和码分复用等办法将单个信道划分后静态地分配给多个用户 用户只要得到了信道就不会和别的用户发生冲突 当用户结点数较多或使用信道的结点数在不断变化或者通信量的变化具有突发性时 静态分配多路复用方法的性能较差 因此 传统的静态分配方法 不适合于局域网和某些广播信道的网络使用 2019年12月 20 2 3 3信道分配问题 2 动态介质接入控制动态介质接入控制又称为多点接入 multipleaccess 其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户 动态介质接入控制又分为两类 1 随机接入随机接入的特点是 所有的用户可随机地发送信息 但如果恰巧有两个或更多的用户在同一时刻发送信息 那么在共享介质上就发生了冲突 使得这些用户的发送都失败 因此 必须有解决冲突的网络协议 如以太网采用的带冲突检测的载波侦听多路访问 csma cd 协议和在卫星通信中使用的aloha协议 2019年12月 21 2 受控接入受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制 典型的代表有分散控制的令牌环局域网 光纤分布式数据接口 fddi 和集中控制的多点线路探询 polling 或称为轮询 2019年12月 22 ieee802 3 总线型拓扑结构 带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法 csma cd 局域网常用介质访问控制方法 ieee802 5 环型拓扑结构 令牌环 tokenring ieee802 4 总线型拓扑结构 令牌总线 tokenbus ieee802 3 总线型拓扑结构 带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法 csma cd 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 23 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 一 载波监听多路访问 冲突检测csma cd carriersensemultipleaccess collisiondetection 是采用争用技术的一种介质访问控制方法 csma cd通常用于总线型拓扑结构和星型拓扑结构的局域网中 ieee802 3即以太网 是一种总线型局域网 使用的介质访问控制子层方法是csma cd 载波侦听多路访问 冲突检测 2019年12月 24 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 它的每个结点都能独立决定发送帧 若两个或多个结点同时发送 即产生冲突 把在一个以太网中所有相互之间可能发生冲突的结点的集合称为一个冲突域 例如对于用同轴电缆互连的以太网 其中所有结点就属于一个冲突域 当一个冲突域中的结点数目过多时 冲突就会很频繁 因此 在以太网中结点数目过多将会严重影响网络性能 为了避免数据传输的冲突 以太网采用带有冲突监测的载波侦听多路访问机制规范结点对于共享信道使用 每个结点都能判断是否有冲突发生 如冲突发生 则等待随机时间间隔后重发 以避免再次发生冲突 2019年12月 25 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 一 载波监听多路访问 冲突检测总线拓扑结构特点 结构的特点 总线共享 单节点 冲突 结构的优点 成本低 结构 维护简单 结构的缺点 冲突 小规模 2019年12月 26 应用于总线型拓扑结构网络 2019年12月 27 应用于总线型拓扑结构网络 2019年12月 28 应用于总线型拓扑结构网络 2019年12月 29 数据帧 bus 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 30 冲突 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 31 问题分析 信道共享 数据发送采用广播方式 存在冲突 何时发送数据 如何检测冲突 解决共享资源使用和分配的矛盾 如何处理冲突 总线型拓扑结构特点 数据发送需解决的问题 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 32 我左看右看 没车 我走 哦哦 有车来了 我等 又没了 继续 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 33 经验先看后走边看边走有车不走没车再走 启示检查信道是否空闲发送过程检查冲突如何完成数据发送 2019年12月 34 csma cd carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection 带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 35 csma cd carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection 带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 36 csma cd carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection 带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法 冲突 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 37 csma cd carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection 带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 38 csma cd工作原理当一个节点要发送数据前先监听信道是否闲 若空闲 进行 广播 式发送数据 在发送数据过程中 一边发送数据并一边监听是否冲突 若冲突 则停止发送数据 等待一段时间后 继续尝试发送 直至发送完毕 先听后发 边听边发 冲突停发 延时重发 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 39 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 一 载波监听多路访问 冲突检测csma cd的工作原理 先听后发 边听边发 冲突停发 延迟重发 2019年12月 40 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 二 令牌环 tokenring 1 概述tokenring是令牌传送环 tokenpassingring 的简写 令牌环网最早起源于ibm于1985年推出的环形基带网络 ieee802 5标准定义了令牌环网的国际规范 令牌环介质访问控制方法 是通过在环型网上传输令牌的方式来实现对介质的访问控制的 只有当令牌传送至环中某结点时 它才能利用环路发送或接收信息 2019年12月 41 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 二 令牌环 tokenring 2 令牌环网的构建 了解 构建tokenring网络时 需要tokenring网卡 tokenring集线器和传输介质等 其物理拓扑在外表上为星形结构 星型拓扑的中心是一个被称为介质访问单元 mediaaccessunit 简称mau 的集线器装置 mau有增强信号的功能 它可以将前一个结点的信号增强后再送至下一个结点 以稳定信号在网络中的传输 从mau的内部看 令牌环网集线器上的每个端口实际上是用电缆连在一起的 即当各结点与令牌环网集线器连接起来后 就形成了一个电气网环 所以我们认为tokenring采用的仍是一个物理环的结构 令牌环网在mac子层采用令牌传送的介质访问控制方法 所以在令牌环网中有两种mac层的帧 即令牌帧和数据 命令帧 2019年12月 42 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 二 令牌环 tokenring 3 拓扑结构特点 结构的特点 数据沿环单方向发送 令牌控制 结构的优点 无冲突 重负荷 结构的缺点 控制复杂 网络扩展困难 2019年12月 43 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 二 令牌环 tokenring 4 令牌环工作原理 数据沿环单方向传输 采用沿环路循环的令牌 控制节点发送数据 网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据 轮流发送 对节点公平 适于重负荷环境 2019年12月 44 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 2019年12月 45 2 3 4局域网中最常用的介质访问控制方法 三 令牌总线 tokenbus 将连接到总线上的所有节点组成一个逻辑环 每个节点被赋予一个顺序的逻辑位置 构成逻辑环结构 物理连接是总线结构 介质访问控制 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 2019年12月 46 令牌总线介质访问控制方法的特点 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 网络必须要有初始化功能 已生成一个顺序访问的次序 访问控制的复杂性高 会出现以下难以解决的问题 网络中的令牌丢失 出现多个令牌 将新节点加入到逻辑环中 从逻辑环中删除不工作的节点等 2019年12月 47 2 4以太网 以太网 ethernet 发展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 1982 ieee802 3标准 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 2019年12月 48 2 4以太网 以太网技术特点是基于总线型的广播式网络采用csma cd介质访问控制技术网络拓扑结构有总线型 星型等以太网可以采用多种传输介质 2019年12月 49 2 4以太网 一 以太网 802 3 的四种规范 2019年12月 50 2 4以太网 数据率 mbps 基带信号 段最大长度 百米 10base 5 2019年12月 51 10base 5 10base 5是原始的以太网标准 使用50 粗同轴电缆链接 总线型拓扑结构 每个网段允许有100个节点 每个网段的最大距离为500m 网络直径为2500m 可以由5个500m长的网段和4个中继器组成 2019年12月 52 10base5 分插头 插入电缆收发器 发送 接收 冲突检测 电气隔离 超长控制 aui 连接件单元接口 终接器 2019年12月 53 10base 5 2019年12月 54 10base 2 为了降低10base 5的安装成本和复杂性 10base 2采用廉价的50 细同轴电缆连接 采用总线型拓扑结构 每个网段最多允许30个节点 每个网段最大距离为185m 最大网络直径为30 185 925m 最多由5个网段和4个中继器组成 2019年12月 55 2 4以太网 二 快速以太网 fastethernet 仍然采用csma cd介质访问控制方法 在物理层进行必要调整 定义了物理层标准 100base t 100base t标准定义介质专用接口 将mac子层与物理层分隔开来 要求有中央集线器的星型布线结构 2019年12月 56 2 4以太网 快速以太网应用 2019年12月 57 高速局域网 背景随着网络应用和需求急剧增加 数据传输量越来越大 网络传输速度 带宽 成为网络发展的瓶颈 解决方案升级到高速网络 如100base t 快速以太网 fddi 1000base t 千兆位以太网 发挥现有网络技术 采用网络分段 优化服务器 增加路由器 提高子网的网络性能 使用局域网交换机 将 共享介质局域网 改为 交换式局域网 2019年12月 58 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 2019年12月 59 2 4以太网 2019年12月 60 100base 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 2019年12月 61 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 2019年12月 62 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 2019年12月 63 3 100base t快速以太网优缺点 优点 具有较高的性能 适合网络结点多或者对网络带宽要求较高的应用环境 基于以太网的技术 与现有10base t的兼容可以容易的移植到高速网络上 最大地利用了已有的设备 电缆布线和网络管理技术 众多的厂商支持 2019年12月 64 缺点 仍然是一种共享式以太网网络 采用csma cd作为介质存取方式 网络结点增加时 网络性能会下降 csma cd方式使得网络延时变化较大 不适合实时性应用 速率较高 中继器间距较小 100base tx不适合做主干 2019年12月 65 2 4以太网 三 千兆位以太网 gigabitethernet 是一种新型高速局域网 提供1gbps通信带宽 与快速以太网完全兼容 传输介质以光纤为主 最大传输距离已达到70km 适用于大中规模的园区网主干 由千兆交换机 千兆网卡 综合布线系统等构成 2019年12月 66 2 5交换式以太网 一 共享式以太网采用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 集线器工作原理 以广播方式向各端口发送数据 当网络规模不断扩大时 网络中的冲突就会大大增加 造成网络整体性能下降 2019年12月 67 2 5交换式以太网 二 交换式以太网采用交换机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 2019年12月 68 2 5交换式以太网 三 共享式与交换式以太网工作原理示意图 2019年12月 69 2 5交换式以太网 四 交换机工作原理交换机采用数据转发方式工作 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 2019年12月 70 2 5交换式以太网 四 交换机工作原理交换机对数据帧的转发方式直接交换方式 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 存储转发交换方式 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 改进直接交换方式 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 2019年12月 71 交换式局域网的应用 2019年12月 72 2 6虚拟局域网 一 虚拟局域网 vlan 概念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 2019年12月 73 2 6虚