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第2章局域网技术 2 1局域网概述 局域网通常是由地理范围在几公里以内的 采用单一或有限的传输媒体 按照某种网络结构相互连接起来的计算机组成的网络 常为某个单位所有并独立管理 局域网的特点 共享传输信道 在局域网中 多个系统连接到一个共享的通信媒体上 地理范围有限 用户个数有限 通常局域网仅为一个单位服务 只在一个相对独立的局部范围内连网 一般来说 局域网的覆盖范围约为10m 10km内或更大一些 传输速率高 局域网的数据传输速率一般为10 100Mbps 可高达10Gbps 能支持计算机之间的高速通信 所以时延较低 误码率低 因近距离传输 所以误码率很低 一般在10 8 10 11之间 三种主要技术决定局域网特性 用于传输数据的传输媒体 用于连接各种通信设备的拓扑结构 用于解决线路争用的介质访问控制方法 局域网的传输媒体 1 双绞线2 同轴电缆3 光缆4 微波6 红外线 局域网的拓扑结构 匹配电阻 集线器 干线耦合器 总线网 星形网 树形网 环形网 局域网的介质访问协议 载波侦听多址访问 冲突检测CSMA CD载波侦听多址访问也俗称为先听后说访问协议 传输媒体也称为传输介质或传输媒介 它就是传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路 传输媒体可以分为两大类 即导向传输媒体 有线 电磁波被导向沿着固体媒体传播 如 双绞线 同轴电缆 光纤非导向传输媒体 无线 信号能量以辐射电磁波的形式 在自由空间传播 如 地面微波 卫星 红外线 2 2局域网的传输媒体 导向传输媒体 双绞线屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 无屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光纤单模光纤多模光纤 1 双绞线 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起 然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线 各个线对绞和的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小 双绞线比较适合于短距离的信号传输 既可以传输模拟信号 也可以传输数字信号 铜线 铜线 聚氯乙烯套层 聚氯乙烯套层 屏蔽层 绝缘层 绝缘层 非屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 局域网中所使用的双绞线有 屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线 常用的双绞线 根据其电气性能 可以分为六类 最常用的双绞线是5类 由4对双绞线组成 5类双绞线传输速率可达100 bps 5类的绞合为0 6cm 0 85cm5类双绞线的最大传输距离是100m 根据电气性能的分类 常用的双绞线的类别 RJ 45水晶头结构 RJ 45水晶头结构 常见的双绞线以太网端口使用的是RJ 45端口 2 同轴电缆 由内导体铜质芯线 单股实心线或多股绞合线 绝缘层 网状编织的外导体屏蔽层 也可以是箔状 以及绝缘保护外层所组成 内导体 绝缘层 外导体屏蔽层 绝缘保护外层 通常按特性阻抗的不同 同轴电缆可分为 50 同轴电缆 主要用于在数据通信中传输数字信号 因此又称为基带同轴电缆 75 同轴电缆 用于模拟传输系统 在这种电缆上传送的信号是采用了频分多路复用的宽带信号 因此又称为宽带同轴电缆 有线电视系统CATV中使用的就是75 同轴电缆 同轴电缆的分类 50 同轴电缆又分为粗缆和细缆两种 粗缆传输性能优于细缆 常用于10Base 5的以太网中 单根最大传输距离500米 而细缆常用于10Base 2的以太网中 单根最大传输距离185米 50 同轴电缆 3 光纤 光纤 光导纤维 是一种直径为8 m 100 m的柔软 能传导光波的介质 多种玻璃和塑料可以用来制造光纤 其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗 四芯光缆 在折射率较高的单根光纤外面 用折射率较低的包层包裹起来 就可以构成一条光纤通道 多条光纤组成一束 就构成一条光缆 光线在光纤中的折射 折射角 入射角 包层 低折射率的媒体 包层 低折射率的媒体 纤芯 高折射率的媒体 包层 纤芯 光纤的工作原理 高折射率 纤芯 低折射率 包层 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 按光纤传输模式的不同 可以分为 单模光纤 直径8 m 10 m m微米 多模光纤 通常为50 m或62 5 m 多模光纤 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于临界角 就可产生全反射 因此 可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输 这种光纤就称为多模光纤 单模光纤 若光纤的直径减小到只有一个光的波长 它可使光线一直向前传播 而不会产生多次反射 这样的光纤就称为单模光纤 光纤的分类 多模光纤与单模光纤 多模光纤 单模光纤 由于单模光纤完全避免了模式散射 使得单模光纤的传输频带很宽 因而适用于大容量 长距离的光纤通信 多模光纤 多模与单模光纤相比 芯径大得多 色散大得多 限制了传输数字信号的频率 传输容量较小 传输距离也较短 一般只有几千米 多模光纤与单模光纤的比较 光纤传输是有损耗和衰减的 在光纤通信使用的800nm 1800nm 纳米 的波长范围内 有损耗相对比较平坦的三个工作波长窗口 第一 第二和第三窗口的中心波长分别是 850nm 常用于多模光纤 1310nm 单模光纤和多模光纤均可用 1550nm 常用于单模光纤 现代光纤通信主要采用损耗最低的1550nm窗口 常用的波长 常用光纤规格 单模 8 125 m 内径8 m 外径125 m 9 125 m10 125 m多模 50 125 m 欧洲标准62 5 125 m 美国标准100 140 m 200 230 m 工业 医疗和低速网络98 1000 m 汽车控制 光纤的传输距离和传输速率 1 传输速率1Gb s 千兆比特每秒 850nma 普通50 m多模光纤传输距离550m b 普通62 5 m多模光纤传输距离275m c 新型50 m多模光纤传输距离1100m 2 传输速率10Gb s 850nma 普通50 m多模光纤传输距离250m b 普通62 5 m多模光纤传输距离100m c 新型50 m多模光纤传输距离550m 光纤的传输距离和传输速率 续 3 传输速率2 5Gb s 1550nma g 652单模光纤传输距离100km b g 655单模光纤传输距离390km 4传输速率10Gb s 1550nma g 652单模光纤传输距离60km b g 655单模光纤传输距离240km 5传输速率在40Gb s 1550nma g 652单模光纤传输距离4km b g 655单模光纤传输距离16km 光纤不仅具有通信容量非常大的优点 而且还具有其他的一些优点 1 传输损耗小 中继距离长 对远距离传输特别经济 2 抗雷电和电磁干扰性能好 这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要 3 无串音干扰 保密性好 不易被窃听或截取数据 4 体积小 重量轻 用4 48根光纤组成的光缆直径还不到13mm 比标准同轴电缆的直径47mm要小得多光纤的缺点 光纤对接需专用设备 光电接口也较贵 光纤的优点和缺点 2 3以太网介质接入控制技术 局域网技术中最著名和应用最广泛的是以太网 Ethernet 以太网具有传输速率高 网络软件丰富 系统功能强 安装连接简单和使用维护方便等优点 是目前国际上最流行的网络技术之一 全球90 以上的LAN都是以太网 由于以太网的数据率已演进到100Mb s 1Gb s甚至10Gb s 因此通常就用 传统以太网 来表示最早流行的10Mb s速率的以太网 常见以太网 1传统以太网2快速以太网3千兆以太网4万兆以太网 1 传统以太网 传统以太网是一种传输速率为10Mbps的常用局域网标准 在传统以太网中 所有计算机使用共享的通信线路 采用载波监听多路访问冲突检测 CSMA CD 的介质访问控制方法 拓朴结构一般为总线型 四种10Mbps以太网的物理层特性 使用集线器 HUB 的双绞线以太网 集线器 两对双绞线 站点 RJ 45插头 某大学有三个系 各自有一个局域网 用多个集线器可连成更大的局域网 三个独立的碰撞域 一系 二系 三系 碰撞域 碰撞域 碰撞域 用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中 2 快速以太网 速率达到100Mb s的以太网统称为快速以太网 快速以太网的类型 常见的快速以太网主要有100Base TX以太网100Base FX以太网100Base T4以太网 1 100Base TX以太网 100Base TX以太网可在全双工方式下工作而无冲突发生 因此 在全双工模式下不使用CSMA CD协议 半双工时仍然使用CSMA CD 100Base TX以太网采用4B 5B NRZI的编码方案 使用2对5类UTP或STP 其中一对用于发送 另一对用于接收 当使用100Mbps集线器扩展时 可使用一个hub 或两个相隔5米的hub 最大电缆长度100米 最大跨距205米 100Mb s集线器扩展局域网 100Mb s网卡 或10bps 100Mbps自适应网卡 5类以上UTP电缆每段UTP电缆的最大长度100m任意两个节点之间最多可以经过2个集线器集线器之间的电缆长度不能超过5m整个网络的最大覆盖范围为205m网络中不能出现环路 2 100Base FX以太网 100Base FX以太网是在光纤上实现的100Mbps以太网标准 其中F指光纤 使用2根光纤 其中一根用于发送 另一根用于接收 可用单模光纤或者多模光纤 使用两根62 5 m多模光纤时 若采用半双工通信方式 节点最大间距为412米 若采用全双工通信方式 最大传输距离为2千米 使用单模光纤时 若采用全双工通信方式 最大传输距离为40千米 信号的编码采用4B 5B NRZI编码 3 100Base T4以太网 100BASE T4使用4对3类或5类UTP 这主要是为已使用3类UTP的大量用户而设计的 单根最大传送距离是100米 其中的三对线用以传输数据 每对线的数据传输率为33 3Mbps 一对线进行冲突检验和控制信号的发送接收 100BASE T4的信号采用8B 6T的编码方式 即每8位作为一组的数据转换为每6位一组的三元码组 每条输出信道的码元传输率为33 3Mbps 6 8 25Mbaud 3 千兆以太网 GigabitEthernet以太网通常称为千兆以太网 它是建立在以太网标准基础之上的技术 速率可高达1000Mb s 千兆以太网和大量使用的以太网与快速以太网完全兼容 并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范 其中包括CSMA CD协议 以太网帧 全双工 流量控制等等 常见的千兆以太网主要有 1000Base T1000Base F 1 1000Base T 使用4对5类双绞线作为传输介质 采用PAM 5 5级脉冲放大调制 编码在每个线对上传输250Mbps 最大传输距离100米 2 1000Base X 采用8B 10BNRZI方案 信号速度达1 25G波特 1000Base SX使用62 5微米或50微米多模光纤 短波 850nm 最大传输距离为260米到525米 1000Base LX可使用62 5微米或50微米多模光纤 长波 1300nm 最大传输距离为550米 也可使用10微米单模光纤 最大传输距离为5000米 1000Base CX使用150 STP作为传输介质 最大传输距离为25米 4 万兆以太网 万兆以太网 定义在IEEE802 3ae中 万兆以太网主要用于局域网 LAN 广域网 WAN 以及城域网 MAN 之间的相互连接 它采用大家熟知的以太网介质访问控制协议规定的帧格式和帧大小 便于升级 万兆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 万兆以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体 2 4交换式以太网 传统的共享式以太网是一种最常用的简单 便宜的组网方式 但是 在网络应用和组网过程中 共享式以太网暴露出许多的缺点 主要包括如下几个方面 覆盖的地理范围有限 难以构造较大规模的网络 网络总带宽容量固定 各站点共享网络固定的带宽 不能支持多种速率 交换机的产生解决了上述共享式以太网存在的问题 1 交换机 通常 人们解决共享以太网存在的问题的方法是分段 每个段 分割后的每个小以太网 使用CSMA CD介质访问控制方法维持段内用户的通信 段与段之间通过一种 交换 设备进行沟通 这种交换设备可以将在一段接收到的信息 经过简单的处理转发给另一段 分段可以实现的功能如下 可以保证一个段内的通信不会流至其它网段 减小了冲突域 不同段内的站点可以并行发送数据 可以保证网段之间的信息交互 每个网段可按需要选择自己的网络速率 组成性能价格比更高的网络 连接各个网段的交换设备通常都使用以太网交换机 以太网交换机工作于数据链路层 用于连接较为相似的网络 例如以太网 以太网 交换机的英文名称为Switch 在网络拓扑结构中用图标表示为在计算机网络系统中 交换机是一种基于MAC地址识别 能够完成数据帧封装 转发功能的网络设备 以太网交换机类似于一台专用的计算机 它由中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 和接口组成 工作在OSI模型中的第二层 用于连接工作站 服务器 路由器 集线器和其他交换机 其主要作用是快速高效 准确无误地转发数据帧 交换机的定义 交换机图例 1 2 3 4 5 6 A B C D E 地址映射表 缓冲区 1 交换机的工作原理 2 交换机的地址学习功能 以太网交换机利用 端口 MAC地址映射表 进行数据交换 那么 交换机中的地址映射表是怎样建立和维护的呢 两个问题 交换机如何知道哪台计算机连接到哪个端口 当计算机在交换机的端口之间移动时 交换机如何维护地址映射表 通常 以太网交换机利用 地址学习 法来动态建立和维护端口 MAC地址映射表 以太网交换机的地址学习是通过读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口进行的 当得到MAC地址与端口的对应关系后 交换机将检查地址映射表中是否已经存在该对应关系 不存在 交换机就将该对应关系添加到地址映射表 存在 交换机将更新该表项 只要这个节点发送信息 交换机就能捕获到它的MAC地址与其所在端口的对应关系 添加MAC地址和端口的对应关系 1 2 3 4 5 6 A B C D E 地址映射表 缓冲区 交换机的地址学习功能 3 地址映射表的更新 在每次添加或更新地址映射表的表项时 添加或更改的表项被赋予一个计时器 这使得该端口与MAC地址的对应关系能够存储一段时间 如果在计时器溢出之前没有再次捕获到该端口与MAC地址的对应关系 该表项将被交换机删除 通过移走过时的或老的表项 交换机维护了一个精确且有用的地址映射表 4 交换机的通信过滤功能 交换机建立起端口 MAC地址映射表之后 它就可以对通过的信息进行过滤 以太网交换机在地址学习的同时还检查每个帧 并基于帧中的目的地址做出是否转发或转发到何处的决定 转发 过滤决定 交换机在进行转发 过滤操作时 遵循以下规则 如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址 则向交换机所有端口转发 数据帧来的端口除外 如果数据帧的目的地址是单播地址 但这个地址并不在MAC地址表中 那么也向所有的端口转发 数据帧来的端口除外 如果数据帧的目的地址在MAC地址表中 那么就根据地址表转发到相应的端口 如果数据帧的目的地址指向的端口与接收数据帧的端口是同一个端口 与它就会丢弃这个数据帧 不会发生交换 交换机的通信过滤功能 F G H A B C D E 集线器 集线器 以太网交换机 1 3 2 4 交换式以太网及其特点 交换式以太网是以交换机 switch 为核心设备建立起来的一种高速网络 交换机能为每个端口都提供相应的带宽 而不是将带宽平分 在交换式网络中 允许多个结点同时传递信息 即并发通信 而不会产生冲突 隔离冲突域 交换机的端口可以连接计算机 也可以连接以太网段 虽然同一个网段上的计算机同时发送数据会产生冲突 但不同网段上的计算机同时发送数据则不会产生冲突 它们成为彼此独立的冲突域 因此 交换机可以连接多个冲突域 整个交换式以太网的跨距突破了单个冲突域的限制 连接的站点可以更多 交换机与网络分段 以太网交换机冲突域局限于交换机一个端口上 以太网交换机与集线器的区别 1 数据传输方式不同交换机 转发集线器 广播2 冲突域不同交换机 每个端口是一个冲突域集线器 所有端口在同一个冲突域之内 广播域和广播风暴 虽然交换机将它连接的多个局域网段划分为多个独立的冲突域 但交换机工作于OSI参考模型的第二层 它无阻碍地传播广播帧和组播帧 因此交换机连接的网段均处在一个广播域 当网络规模较大时 可能会带来广播风暴 虚拟局域网VLAN技术可以解决广播风暴的问题 2 5虚拟局域网 VLAN VirtualLocalAreaNetwork 就是虚拟局域网的意思 在交换机上 一个VLAN被定义成一个广播域 处于同一个VLAN的站点之间可以接受彼此的广播消息 但是广播消息会被不属于同一VLAN的端口或设备过滤掉 Console端口是交换机提供的专用管理端口 只要是可管理的交换机都提供此端口 绝大多数交换机的Console端口都采用RJ 45端口 但也有少量采用DB 9串口端口或DB 25串口端口 通过专用的Console连接电缆 一端插入交换机的Console端口 另一端与计算机的串口相连 打开WinXP 超级终端 在设置好连接参数后 对交换机配置管理 交换机的Console端口 2 6无线局域网 通常将采用无线传输媒体 非导向传输媒体 的计算机局域网称为无线局域网 目前无线局域网采用的传输媒体主要有两种 即微波与红外线 几种常用的802 11无线局域网 802 11体系结构的组成 802 11体系结构的组成包括 移动站点STA station 接入点AP accesspoint 基本服务集BSS basicserviceset 独立基本服务集IBSS independentbasicserviceset 分配系统DS distributionsystem 扩展服务集ESS extendedserviceset 一个基本服务集BSS包括一个基站和若干个移动站 基本服务集中的基站叫做接入点AP其作用和小路由器相似 以太网 无线网络的组成 1 点对点方式 2 无线路由方式 或无线HUB 2 7以太网的硬件地址 在局域网中 硬件地址又称为物理地址 或MAC地址 它是网络上用于识别一个网络硬件设备的标识符 IEEE802 3标准规定MAC地址的长度可以是6B 48bit 也可以是2B 16bit 通常情况下都是采用48bit的地址 48位的MAC地址 MAC地址字段的前三个字节 即高位24位 称为机构唯一标识符OUI 由IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配这三个字节 这三个字节构成的号就成为一个地址块 地址字段中的后三个字节 即低位24位 由厂家自行指派 称为扩展标识符 必须保证生产出的适配器没有重复地址 一个地址块可以生成224个不同的地址 这种48位地址称为MAC 48 它的通用名称是EUI 48 EUI表示扩展的唯一标识符 网卡检查MAC地址 网卡从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的目的MAC地址 如果是发往本站的帧则收下 然后再进行其他的处理 否则就将此帧丢弃 不再进行其他的处理 网卡上的硬件地址 路由器 1A 24 F6 54 1B 0E 00 00 A2 A4 2C 02 02 60 8C C7 75 2A 08 00 20 47 1F E4 02 60 8C 11 D2 F6 路由器由于同时连接到多个网络上 因此它有多块网卡和多个硬件地址 2 8IPv4地址及子网划分 IP InternetProtocol 互联网协议 是TCP IP协议族中网络层的协议 是TCP IP协议族的核心协议 目前使用的是IP协议第四版 IPv4 也是第一个被广泛使用 构成现今互联网技术的基石的协议 1 IPv4地址 我们把整个因特网看成为一个单一的 抽象的网络 IPv4地址就是给每个连接在因特网上的主机 或路由器 分配一个或多个在全世界范围是唯一的32位的标识符 IP地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers 进行分配 点分十进制记法 采用点分十进制记法则进一步提高可读性 128 11 3 31 12811331 将每8位的二进制数转换为十进制数 IP地址分类 在分类IP地址中 每一类地址都由两个固定长度的字段组成 网络号net id 标志一个物理网络主机号host id 标志该网络中的一台主机 或路由器 这类地址属于两级IP地址 两级的IP地址可以记为 IP地址 代表 定义为 net id24位 host id24位 net id16位 net id8位 分类IP地址中的网络号字段和主机号字段 0 A类地址 host id16位 B类地址 C类地址 0 1 1 D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 1111 0 1 单播地址 一个A类IP地址由1字节 8位 的网络地址和3字节 24位 主机地址组成 网络地址的最高位必须是 0 网络地址从1到126 可用的A类网络有126个 注意 A B C三类地址 网络号中 除了前面固定的几个比特外 其余的比特不能为全0或全1 网络号为127的为回环测试地址 每个A类网络中 主机地址从0 0 1到255 255 254每一个A类网络能支持16777214个不同的主机地址 A类地址的目的是支持巨型网络 host id24位 net id8位 0 A类地址 一个B类IP地址由2字节 16位 的网络地址和2字节 16位 主机地址组成 网络地址的前两位必须是 10 网络地址从128 1到191 254 可用的B类网络有 即16382 个 每个B类网络中 主机地址从0 1到255 254每一个B类网络能支持 即65534 个不同的主机地址 B类地址的目的是支持中到大型的网络 net id16位 host id16位 B类地址 0 1 一个C类IP地址由3字节 24位 的网络地址和1字节 8位 主机地址组成 网络地址的前三位必须是 110 网络地址从192 0 1到223 255 254可用的C类网络有2097150个 每个C类网络中 主机地址从1到254每一个C类网络能支持254个不同的主机地址 C类地址用于支持大量的小型网络 net id24位 C类地址 0 1 1 IP地址的使用范围 网络最大第一个最后一个每个网络类别网络数可用的可用的中最大的网络号网络号主机数A126 27 2 112616 777 214B16 382 214 2 128 1191 25465 534C2 097 150 221 2 192 0 1223 255 254254 IP地址的范围 各种类别的IP地址所拥有的总地址数目的比例如下图所示 私有地址空间 在每一类地址中 都有一些地址块被指派为专用 这些地址并没有被全球所公认 称为私有地址 或者专用地址 10 0 0 0 10 255 255 2551个A类网络所包含的地址 172 16 0 0 172 31 255 25516个连续的B类网络的地址 192 168 0 0 192 168 255 255256个连续的C类网络的地址 这些地址只能用于一个机构的内部通信 而不能用于和因特网上的主机通信 在因特网中的所有路由器对目的地址是私有地址的数据报一律不进行转发 2 掩码 掩码 Mask 可以指出一个IP地址中的哪些位对应于网络地址 哪些位对应于主机地址 掩码的设定必须遵循一定的规则 与IP地址相同 子网掩码的长度也是32位 左边对应于IP地址中的网络位 用二进制数字 1 表示 右边对应于IP地址中的主机位 用二进制数字 0 表示 111111111111111111111111 00000000 0000000