第三章 局域网1.doc

第3章 局域网基础3.1 局域网的基本概述3.1.1 局域网的技术特点（1）局域网覆盖有限的地理范围。（2）局域网具有高数据传输速率、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、维护和扩展。（4）决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。（5）从介质访问控制方法的角度，局域网可分为两类：共享介质局域网与交换式局域网。3.1.2 局域网的网络拓扑结构网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局。目前大多数局域网使用的拓扑结构有3种：总线型拓扑结构、环型拓扑结构和星型拓扑结构。3.1.2.1 总线型拓扑结构总线型结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式；也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时，这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作的，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作；在一点到多点方式中，对线路的访问依靠控制端的探询来确定。这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其他站点或端用户通信的优点；缺点是一次仅有一个端用户能发送数据，其他端用户必须等待而获得发送权，媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点，但由于布线要求简单，扩充容易，端用户失效、增删不影响全网工作，所以总线型拓扑结构是局域网技术中使用最普遍的一种。3.1.2.2 环型拓扑结构环型结构在局域网中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有端用户连成环型，这种结构消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。环型结构的特点是每个端用户都与两个相临的端用户相连，因而存在着点到点链路，但总是以单向方式操作，有上游端用户和下游端用户之分。例如，用户N是用户N+1的上游端用户，用户N+1是用户N的下游端用户。如果用户N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能到达N端。3.1.2.3 星型拓扑结构星型拓扑中存在中心节点，每个节点通过点-点线路与中心节点连接，任何两节点之间的通信都要通过中心节点转接。其优点是结构简单；缺点是其中心节点一旦出现故障，整个系统不能工作。3.1.3 局域网传输介质的类型与特点局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤和无线通信信道。其中，双绞线和光纤应用最为广泛。(1) 双绞线。双绞线分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线；非屏蔽双绞线根据其通信质量分为5类，一般局域网中用三类线、四类线和五类线。(2) 光纤。光纤用于长距离、高速率、抗干扰和保密性要求高的场合。10Mbps局域网中，光纤的带宽没有得到很好利用，不适合用光纤，10Gbps的局域网中只使用光纤。局域网中使用的光纤分为多模光纤与单模光纤。3.1.4 介质访问控制方法传输访问的控制方式与局域网的拓扑结构、工作过程有密切关系。目前，计算机局域网常用的访问控制方式有3种，分别用于不同的拓扑结构：带有冲突检测的载波侦听多路访问法(CSMA/CD）、令牌环访问控制法(Token Ring )和令牌总线访问控制法(Token Bus)。3.1.5 IEEE 802标准美国电气和电子工程师学会IEEE 802课题小组为计算机局域网制定了许多标准，大部分已得到国际标准化组织的认可。IEEE 802标准主要包括以下内容。（1）IEEE 802.1：系统结构与网际互连。（2）IEEE 802.2：逻辑链路控制。（3）IEEE 802.3：CSMA/CD总线访问方法与物理层技术规范。（4）IEEE 802.4：Token Passing Bus访问方法与物理层技术规范。（5）IEEE 802.5：Token Passing Ring访问方法与物理层技术规范。（6）IEEE 802.6：城市网络访问方法与物理层技术规范。（7）IEEE 802.7：定义了宽带技术。（8）IEEE 802.8：定义了光纤技术。（9）IEEE 802.9：定义了综合语音与数据局域网技术。（10）IEEE 802.10：定义了可互操作的局域安全规范。（11）IEEE 802.11：定义了无线局域网的技术。3.2 以太网3.2.1 以太网结构与工作流程3.2.1.1 以太网数据发送流程在以太网中，如果一个节点要发送数据，它以广播方式通过总线发送一个数据帧，连在总线上的所有节点都能收听到这个数据帧。由于网中的所有节点都可以利用总线发送数据，并且网络中没有控制中心，因此冲突的发生将不可避免。CSMA/CD的发送流程可以简单概括为4点：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。3.2.1.2 以太网帧结构下图3-1所示为以太网的帧 图3-1以太网的帧结构以太网帧结构由以下5个部分组成。（1）前导码与帧前定界符字段：前导码由56位（7B）的10101010101010位序列组成。（2）目的地址和源地址字段：目的地址与源地址分别表示帧的接收节点地址与发送节点的硬件地址。（3）类型字段：类型字段表示的是网络层使用的协议类型。（4）数据字段：数据字段是高层待发送的数据部分。（5）帧校验字段：帧校验字段（FCS）采用32位的循环冗余校验（CRC）。3.2.2 以太网的实现方法从实现的角度来看，构成以太网网络连接的设备包括网卡、收发器电缆和收发器；从功能的角度来看，包括发送与接收信号的收发器、以太网数据链路控制、曼彻斯特编码与解码器、帧装配及与主机的接口；从层次的角度来看，这些功能覆盖了IEEE 802.3标准的MAC子层与物理层。3.2.3 Ethernet物理地址的基本概述3.2.3.1 网络中地址的基本类型局域网通过为网卡分配一个全网唯一的硬件地址的方式来标志一个连网的计算机或其他设备。局域网的MAC层地址是由硬件来处理的，因此通常将其称为硬件地址或物理地址。3.2.3.2 Ethernet物理地址的特点典型的Ethernet物理地址长度为48位，由IEEE注册管理委员会为每一个网卡生产商分配Ethernet物理地址的前3字节。3.3 高速局域网技术3.3.1 研究高速局域网的基本方法为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出了以下3种解决方案。（1）提高以太网数据传输速率。（2）将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网。（3）将共享介质方式改为交换方式，交换式局域网的核心设备是局域网交换机。3.3.2 快速以太网3.3.2.1 100Base-T媒体访问控制方法IEEE于1995年通过了100Mbps快速以太网的100Base-T标准，并正式命名为IEEE 802.3u标准，作为对IEEE 802.3标准的补充。100Base-T标准不但在最大程度上保持了IEEE 802.3标准的完整性，而且保留了核心以太网的细节规范。虽然100Base-T仍采用常规10Mbps以太网的CSMA/CD媒体访问控制方法，但其性能是10Base-T的10倍，而价格仅为其一半。100Base-T的MAC与10Base-T的MAC相比，除了帧际间隙缩短到原来的1/10外，两者的帧格式及参数完全相同。100Base-T的MAC可以运行于不同的速率，并能与不同的物理层接口。这样，原先10Mbps以太网上运行的软件不加任何修改即可在快速以太网上运行，原先的协议分析和管理工具也可轻易地被继承。3.3.2.2 100Base-T的物理层100Base-T和10Base-T的区别在物理层标准和网络设计方面。100Base-T的物理层包含3种媒体选项：100Base-TX、100Base-FX和100Base-T4。3.3.3 千兆位以太网1000 Base-T是1Gigabit Ethernet 在物理层定义的新标准。它的传输速率比快速以太网快10倍，数据传输速率高达1000Mbp。1000 Base-T标准定义了千兆介质专用接口GMI，GMI的目的是分隔MAC子层与物理层。1000 Base-T支持多种传输介质，目前有以下4种有关传输介质的标准。（1） 1000 Base-T使用五类非屏蔽双绞线，最长可达100m。（2） 1000 Base-CX标准使用屏蔽双绞线，双绞线长可达25m。（3） 1000 Base-LX标准使用波长1300nm的单模光纤，光纤长度可以达到3000m。（4） 1000 Base-SX标准使用波长850nm的单模光纤，光纤长度可以达到300550m。3.3.4 万兆以太网3.3.4.1 万兆以太网的主要特点正式标准于2002年完成，主要特点：帧格式与之前的Ethernet完全相同；保留了802.3标准对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定；传输介质只使用光纤；只工作在全双工方式。3.3.4.2 万兆以太网的物理层协议有两种不同的物理层：局域网物理层标准；可选的广域网物理层标准。3.4 交换式局域网3.4.1 交换式局域网的概述3.4.1.1 交换式局域网的基本结构交换式局域网的核心部件是局域网交换机。交换式局域网从根本上改变了共享介质的工作方式，它可以通过局域网交换机支持端口之间的多个并发连接。典型的交换式局域网是交换式以太网，可以有多个端口，每个端口既可以单独与一个节点连接，供此节点专用；也可以通过集线器Hub连接多个节点，供多个节点共享。交换式局域网可以增加网络带宽，改善局域网性能与服务质量。3.4.1.2 局域网交换机的工作原理由于交换机能够自动根据收到的以太网帧中的源MAC地址更新地址表的内容，所以交换机使用的时间越长，已知的MAC地址就越多，未知的MAC地址就越少。因而广播的包就越小，速度就越快。3.4.1.3 端口/MAC地址映射表交换式局域网中各节点之间的发送数据必须经过端口/MAC地址映射表，交换机根据该表中的端口和MAC地址的信息可以准确地进行数据并发交换。交换机是利用地址学习的方法来动态建立和维护端口/MAC地址映射表的。3.4.1.4 交换机的帧转发方式根据交换机的帧转发方式，交换机可以分为3类，即直接交换方式、存储转发交换方式及改进的直接交换方式。这3类方式的特点如下。(1) 直接交换方式：帧的错误检测由主机完成。优点是时间延迟短，缺点是缺乏差错检测能力，不支持不同输入/输出的速率端口之间的帧转发。(2) 存储转发交换方式：首先交换机完整地接收发送帧，并进行差错检测。然后确认是否转发，并先进行差错检测，如果接收帧正确，则根据帧目的地址确定端口号转发出去。(3) 改进的直接交换方式：该交换方式将上述两种方式结合起来，它在接收到帧的前64字节后，判断以太网帧的帧头字段是否正确，如果正确，则转发出去。3.4.1.5 局域网交换机的特性局域网交换机的特性如下。（1）低传输延迟。（2）高传输宽带。10Mbps的端口，半双工带宽为10Mbps，而全双工带宽为20Mbps;100Mbps的端口，半双工带宽为100Mbps，而全双工带宽为200Mbps。（3）允许10Mbps/100Mbps共存。采用自动侦测技术，交换机端口支持10Mbps/100Mbps两种速率、全双工/半双工两种工作方式。（4）可以支持虚拟局域网服务。3.5 虚拟局域网3.5.1 虚拟局域网介绍3.5.1.1 虚拟网络的基本概念虚拟网络(Virtual Network)是建立在交换技术基础上的。将网络上的节点按工作性质与需要划分成若干个逻辑工作组，一个逻辑工作组就是一个虚拟网络。虚拟网络以软件方式来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。3.5.1.2 虚拟局域网的实现技术不同虚拟局域网组网技术的区别，主要表现在对虚拟局域网成员的定义方法上，通常有以下4种实现方式：（1）用交换机端口定义虚拟局域网。（2）用MAC地址定义虚拟局域网。（3）用网络层地址定义虚拟局域网。（4）IP广播组虚拟局域网。当IP广播包要发送到多个目的节点时，可动态建立虚拟局域网代理，这个代理和多个IP节点组成IP广播组虚拟局域网。3.6 无线局域网3.6.1 无线局域网介绍3.6.1.1 无线局域网的应用无线局域网的应用主要体现在4个方面：作为传统局域网的扩充；建筑物间的互连；漫游访问；特殊网络Ad hoc。3.6.1.2 红外无线局域网的特点红外线是按视距方式传播的，它的特点：不易被入侵，提高了安全性；可以互不干扰；设备相对简单和便宜。红外无线局域网的传输技术有定向光束红外传输、全方位红外传输、漫反射红外传输3种。3.6.1.3 扩频无线局域网目前最普遍的无线局域网技术是扩展频谱技术。使用扩频的两种方法是跳频扩频和直接序列扩频。3.6.1.4 无线局域网标准IEEE 802.11IEEE 802.11协议是专门为无线局域网制定的标准，其介质访问控制MAC层又分为两个子层：分布式协调功能(DCF)子层与点协调功能(PCF)子层。IEEE 802.11定义了使用红外、跳频扩频与直接序列扩频技术，数据传输速率为1Mbps或2Mbps的无线局域网标准。IEEE 802.11协议有以下两个扩展版本：（1）IEEE 802.11a将传输速率提高到54Mbps。（2）IEEE 802.11b定义了使用跳频扩频，数据传输速率为1、2、5.5与11Mbps的无线局域网标准。3.7 局域网互连与网桥技术3.7.1 网络互连技术根据网络层次的结构模型，可以将网络互连的层次分为以下3种。(1) 数据链路层互连。数据链路层互连的设备是网桥(Bridge)。网桥在网络互连中起数据接收、地址过滤和数据转发的使用，用来实现多个网络系统之间的数据交换。(2) 网络层互连。网络层互连的设备是路由器(Router)。网络层互连主要是解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术等问题。(3) 高层互连。高层互连的设备是网关。3.7.2 网络互连设备3.7.2.1 网桥（1）网桥的工作原理网桥（Bridge）是数据链路层互连的设备。网桥用来实现多个网络系统之间的数据交换，起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用。通过网桥实现数据链路层互连时，网络的数据链路层与物理层协议可以