《局域网技术》PPT课件.pptVIP

第3章局域网技术 3 1局域网的技术特点3 2局域网的拓扑结构3 3IEEE802参考模型与协议3 4共享介质局域网的工作原理3 5高速局域网技术3 6交换式局域网技术3 7虚拟局域网技术3 9本章总结 3 1局域网的技术特点局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点 是目前技术发展最快的领域之一 主要特点如下 覆盖有限的地理范围 适用于公司 机关 校园 工厂等有限范围内的计算机 终端与各类信息处理设备连网的需求 主要技术包括网络拓扑 传输介质与介质访问控制方法 数据传输速率高 10M 10000Mbps 误码率低 一般属于一个单位所有 易于建立 维护与扩展 按介质访问控制方法可分为共享介质局域网与交换局域网 图3 1 3 2 1总线型拓扑结构1 总线型拓扑结构总线型拓扑结构如图3 1所示 介质访问控制方法采用的是 共享介质 方式 优点是 结构简单 实现容易 易于扩展 可靠性较好 3 2局域网的拓扑结构主要分为总线型 环型与星型三种结构 2 总线型拓扑结构的介质访问特点所有结点都通过网卡直接连接到一条公共传输介质的总线上 总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质 所有结点都可通过总线发送或接收数据 但同一时间内只允许一个结点以 广播 方式发送数据 其他的结点只能以 收听 方式接收数据 由于总线为多个结点共享 就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点发送数据的情况 因此会出现 冲突 collision 导致传输失败 冲突现象如图3 2所示 在 共享介质 方式的总线型局域网实现技术中 必须解决多个结点访问总线的介质访问控制 MAC mediumaccesscontrol 问题 图3 2 图3 3 3 2 2环型拓扑结构环型局域网的拓扑结构如图3 3所示 在环型拓扑结构中 结点通过相应的网卡 使用点 点线路连接 构成闭合的环型 环中数据沿一个方向绕环逐站传输 3 2 3星型拓扑结构 逻辑结构是指局域网的结点间相互通信的关系 而物理结构是指局域网外部连接形式 在共享式局域网 sharedLAN 中 中心结点是一种共享式集线器 构成星型拓扑的物理结构是星型 而逻辑结构是总线型 典型的星型局域网的拓扑结构如图3 4所示 同时只能有一台电脑发送信息 实际应用的局域网往往是一种或几种基本拓扑的扩展与组合 1 逻辑结构与物理结构 2 交换局域网与共享局域网的星型拓扑 在交换式局域网 switchedLAN 中 中心结点是一种局域网交换机 可以在多对通信结点之间建立并发的逻辑连接 星型拓扑的物理结构与逻辑结构是统一的 同时可以有两台以上电脑发送信息 图3 4 3 3IEEE802参考模型与协议 局域网常用的传输介质 同轴电缆 双绞线 光纤与无线通信信道 一般在同一建筑物内的局域网中使用双绞线 在建筑物和建筑物之间或远距离传输中使用光纤 在有移动结点的局域网中采用无线技术 介质访问控制方法 传统的局域网采用共享介质的工作方式 为实现对多结点使用共享介质发送和接收数据的控制 目前被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法主要有以下三种 带有冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 方法令牌总线 tokenbus 方法令牌环 tokenring 方法 图3 5 1 IEEE802参考模型1980年2月 IEEE成立了局域网标准委员会 简称IEEE802委员会 专门从事局域网标准化工作 并制定了IEEE802标准 IEEE802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系如图3 5所示 2 IEEE802标准IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准 它们统称为IEEE802标准 IEEE802标准之间的关系如图3 6所示 图3 6 IEEE802标准主要包括以下几种 IEEE802 1 局域网体系结构 网络互连 网络管理与性能测试 IEEE802 2 逻辑链路控制子层功能与服务 IEEE802 3 CSMA CD总线介质访问控制子层与物理层规范 IEEE802 4 令牌总线介质访问控制子层与物理层规范 IEEE802 5 令牌环介质访问控制子层与物理层规范 IEEE802 6 城域网介质访问控制子层与物理层规范 IEEE802 7 宽带网络技术 IEEE802 8 光纤传输技术 IEEE802 9 综合语音与数据局域网 IVD LAN 技术 IEEE802 10 可互操作的局域网安全性规范 SILS IEEE802 11 无线局域网技术 3 4共享介质局域网的工作原理3 4 1以太网的工作原理目前应用最广的一类局域网是总线型局域网 即以太网 Ethernet 它的核心技术是随机争用型介质访问控制方法 即带有冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection 方法 CSMA CD的发展与定义1 发展 1981年11月公布了EthernetV2 0规范 IEEE802 3标准是在EthernetV2 0规范的基础上制定的 它的制定推动了以太网技术的发展与广泛应用 1980年9月 Xerox DEC与Intel等三家公司合作 第一次公布了Ethernet的物理层 数据链路层规范 90年代 IEEE802 3标准中的物理层标准10Base T的推出 使得以太网性能价格比大大提高 并在各种局域网产品的竞争中占有明显的优势 快速以太网标准100BASE T的推出 更进一步增强了以太网的竞争优势 目前 1Gbps 千兆 以太网已很成熟 万兆以太网得到普遍应用 十万兆以太网正在逐步应用 2 定义 CSMA CD方法用来解决多结点如何共享总线的问题 在以太网中 任何结点都没有可预约的发送时间 它们的发送都是随机的 所有结点都必须平等地争用发送时间 这种介质访问控制属于随机争用方法 2 CSMA CD的工作原理 如果一个结点要发送数据 就以 广播 方式向总线发送数据 连在总线上的所有结点都能 收听 到这个数据信号 为有效地实现多结点访问公共传输介质的控制策略 CSMA CD的发送流程可概括为四点 先听后发 边听边发 冲突停止 随机延迟后重发 每个结点利用总线发送数据时 首先要侦听总线的忙闲状态 如果一个结点准备好发送的数据帧 并且此时总线处于空闲状态 那么它就可以开始发送 但发送数据时同时还存在着一种可能 那就是在几乎相同的时刻 有两个或两个以上结点发送了数据 那么就会产生冲突 因此结点在发送数据时应该进行冲突检测 图3 7显示了采用CSMA CD方法的总线型局域网的工作过程 图3 7 冲突检测过程 结点在发送数据的同时 将它发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较 如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号 那么叠加后的信号波形将不等于任何结点发送的信号波形 当发送结点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时 表示总线上有多个结点在同时发送数据 冲突已经产生 如果在发送数据过程中没有检测出冲突 结点将在发送结束后进入正常结束状态 如果在发送数据过程中检测出冲突 结点将停止发送数据 并在随机延迟后重发 图3 8 3 4 2令牌环与令牌总线的工作原理1 令牌总线的工作原理IEEE802 4标准定义了令牌总线介质访问控制方法与相应的物理规范 令牌总线是一种在总线拓扑中利用 令牌 作为控制结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法 图3 8是正常的稳态操作时令牌总线的工作过程 在采用令牌总线的局域网中 任何一个结点只有在取得令牌后才能使用总线去发送数据 令牌是一种特殊结构的控制帧 用来控制结点对总线的访问权 所谓正常的稳态操作 是指在网络已完成初始化之后 各结点进入正常传递令牌与数据 并且没有结点要加入或撤出 没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态 此时 每个结点有本站地址 TS 并知道上一结点地址 PS 与下一结点地址 NS 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 环中令牌传递顺序与结点在总线上的物理位置无关 令牌总线网在物理上是总线型 在逻辑上是环型 令牌帧含有一个目的地址 接收到令牌帧的结点可以在令牌持有最大时间内发送一个或多个帧 图3 9 2 令牌环的工作原理最早开始于1969年贝尔研究室的Newhall环网 最有影响的令牌环网是IBM公司的令牌环 IEEE802 5标准是在IBM公司的令牌环协议基础上发展与形成的 图3 9给出了令牌环的基本工作过程 在令牌环中 结点通过环接口连接成物理环形 当环正常工作时 令牌总是沿着物理环单向逐站传送 传送顺序与结点在环中排列的顺序相同 令牌是一种特殊的MAC控制帧 令牌帧中有一位标志令牌的忙 闲 如果结点A有数据帧要发送 它必须等待空闲令牌的到来 当结点A获得空闲令牌之后 它将令牌标志位由 闲 变为 忙 然后传送数据帧 结点B C D将依次接收到数据帧 如该数据帧的目的地址是结点C 则结点C在正确接收该数据帧后 在帧中标志出帧已被正确接收和复制 当结点A重新接收到自己发出的 已被目的结点正确接收的数据帧时 它将回收已发送的数据帧 并将忙令牌改成空闲令牌 再将空闲令牌向它的下一结点传送 特点 访问延迟确定 适用于重负载环境 支持优先级服务 但环维护复杂 实现较困难 3 5高速局域网技术3 5 1高速局域网的研究方法1 高速局域网的发展推动局域网发展的直接因素是个人计算机的广泛应用 包括计算机数量的增加和应用内容的丰富都对局域网的带宽与性能提出了更高的要求 传统的局域网技术是建立在 共享介质 的基础上 随着局域网规模不断扩大 结点数的不断增加 每个结点平均能分配到的带宽将越来越少 因此 冲突和重发现象大量发生 网络效率与网络服务质量将会急剧下降 克服网络规模与网络性能之间矛盾的几种解决方案 1 提高Ethernet的数据传输速率从10Mbps提高到100Mbps 甚至1Gbps 10Gbps 无论局域网的数据传输速率怎么提高 它仍采用CSMA CD方法 2 利用局域网互连技术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 使每个子网作为一个独立的小型局域网 通过减少每个子网内部结点数的方法 使每个子网的网络性能得到改善 每个子网仍采用CSMA CD的方法 3 利用 交换局域网 技术将 共享介质方式 改为 交换方式 交换局域网的核心设备是局域网交换机 局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接 局域网的分类从目前的发展情况来看 局域网可以分为两类 共享介质局域网 sharedLAN 交换式局域网 switchedLAN 局域网产品之间的关系如图3 10所示 图3 10 3 5 2快速以太网1 快速以太网的发展为满足用户对带宽越来越高的要求 有两条路可选 要么重新设计一种新的局域网体系结构与介质访问控制方法 去取代传统的局域网技术 要么保持传统的局域网体系结构与介质控制方法不变 设法提高局域网的传输速率 为保护用户已有的投资 增加网络的带宽是一种明智的选择 快速以太网 fastEthernet 是符合这一要求的新一代高速局域网 1995年9月 IEEE802委员会正式批准了快速以太网标准IEEE802 3u 快速以太网的传输速率比普通以太网快10倍 数据传输速率达到了100Mbps 快速以太网保留着传统以太网的所有特征 包括相同的数据帧格式 介质访问控制方法与组网方法 只是将每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns 图3 11 2 快速以太网的协议结构IEEE802 3u标准在LLC子层使用IEEE802 2标准 在MAC子层使用CSMA CD方法 定义了新的物理层标准 100BASE T 包括介质专用接口 MII mediaindependentinterface 将MAC子层与物理层分隔开来 使物理层在实现100Mbps速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层 快速以太网的协议结构如图3 11所示 100BASE T标准可以支持多种传输介质 目前 有以下三种传输介质的标准 1 100BASE TX支持两对5类非屏蔽双绞线 UTP 或两对一类屏蔽双绞线 STP 100BASE TX是一个全双工系统 每个结点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据 2 100BASE T4支持4对3类非屏蔽双绞线 其中3对用于数据传输 一对用于冲突检测 3 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 从结点到集线器的距离可以达到2km 它是一种全双工系统 3 5 3千兆以太网1 千兆以太网的发展 1 原因随着应用的扩展 人们需要更高带宽的局域网 用以太网组建企业网需要全面的解决方案 桌面系统采用传输速率为10Mbps的以太网 部门级系统采用传输速率为100Mbps的快速以太网 企业级系统采用传输速率为1000Mbps的千兆以太网 由于普通以太网 快速以太网与千兆以太网有很多相似之处 并且很多企业已大量使用了以太网 因此 局域网系统升级到快速以太网或千兆以太网时 网络技术人员不需要重新进行培训 如果将以太网互连到622Mbps的ATM局域网上 一方面由于以太网与ATM工作方式存在着较大的差异 在采用ATM局域网仿真时 ATM网的总体性能将会下降 另一方面网络技术人员需要重新进行培训 2 历史1995年11月 IEEE802 3委员会成立了高速网研究组 1996年8月 成立了802 3z工作组 主要研究使用多模光纤与屏蔽双绞线的千兆以太网物理层标准 1997年初 成立了802 3ab工作组 主要研究使用单模光纤与非屏蔽双绞线的千兆以太网物理层标准 1998年2月 IEEE802委员会正式批准了千兆以太网标准 IEEE802 3z 图3 12 2 千兆以太网的协议结构IEEE802 3z标准在LLC子层使用IEEE802 2标准 在MAC子层使用CSMA CD方法 定义了新的物理层标准 1000BASE T 以及千兆介质专用接口 GMII gigabitmediaindependentinterface 将MAC子层与物理层分隔开来 使物理层在实现1000Mbps速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层 千兆以太网的协议结构如图3 12所示 1000BASE T标准可以支持多种传输介质 目前 有以下几种传输介质的标准 1000BASE T使用的是5类非屏蔽双绞线 双绞线长度可以达到100m 1000BASE CX使用的是屏蔽双绞线 双绞线长度可以达到25m 1000BASE LX使用的是波长为1300nm的单模光纤 光纤长度可以达到3000m 1000BASE SX使用的是波长为850nm的多模光纤 光纤长度可以达到300 550m 3 6交换式局域网技术传统的共享介质局域网是由共享式集线器连接组成的 随着网络规模的扩大 网络性能急剧下降 为了克服这一矛盾 出现了用交换式集线器连接组成的交换式局域网 3 6 1交换式局域网的基本结构交换式局域网的核心设备是局域网交换机 局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接 图3 13显示了共享介质局域网与交换局域网工作原理的区别 典型的交换式局域网是交换式以太网 switchedEthernet 它的核心部件是以太网交换机 Ethernetswitch 以太网交换机可以有多个端口 每个端口可以单独与一个结点或一个以太网集线器 hub 连接 交换式局域网可以增加网络带宽 改善局域网的性能与服务质量 图3 13 图3 14 3 6 2局域网交换机的工作原理1 局域网交换机的工作原理典型的局域网交换机结构与工作过程如图3 14所示 交换机根据 端口号 MAC地址映射表 建立起端口号与结点MAC地址的对应关系 2 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三类 1 直接交换方式在直接交换 cutthrough 方式中 交换机只要接收并检测到目的地址字段 立即将该帧转发出去 而不管这一帧数据是否出错 帧出错检测任务由结点主机完成 这种交换方式的优点是交换延迟时间短 缺点是缺乏差错检测能力 不支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发 2 存储转发交换方式在存储转发 storeandforward 方式中 交换机首先完整地接收帧 并进行差错检测 如果接收帧是正确的 则根据帧目的地址确定输出端口号 然后再转发出去 优点是具有帧差错检测能力 支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发 缺点是交换延迟时间长 存储转发式 完全接收存储了一个帧后 再进行转发 延时大 直通式 cut through 大大降低了延时 但可能会转发坏帧 改进的直通式 接收完帧的头64个字节 基本可检测出是否坏帧 后再进行转发 在交换延迟和错误校验之间取得较好的折衷 交换机三种转发技术的比较 3 改进直接交换方式改进的直接交换方式则将二者结合起来 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 其交换延迟时间与直接交换方式比较接近 比存储转发交换延迟时间少 一 概念的引入 首先看一个例子 某校有五栋建筑物 共六个系 要求按系划分子网 并用共享式集线器和路由器实现 1号楼1 2 6系 2号楼2 3 4系 网络中心楼 3号楼3 4 5系 4号楼1 5 6系 3 7虚拟局域网技术传统局域网划分的子网称做物理局域网 在交换式局域网的基础上通过软件划分的子网称做虚拟局域网 1号楼1 2 6系 2号楼2 3 4系 网络中心楼 3号楼3 4 5系 4号楼1 5 6系 1系 2系 3系 4系 5系 6系 共需要6端口路由器一台 HUB十八台 线缆十八条 1 2 6系1号楼 2 3 4系2号楼 网络中心楼 3 4 5系3号楼 1 5 6系4号楼 共需要路由器一台 交换机五台 线缆五条 楼内交换机按端口划分子网 主干线路需支持跨交换机划分子网 路由器支持子端口和VLAN功能 用路由器和交换机采用VLAN技术实现的情况 主干交换机 楼内交换机 楼内交换机 二 传统LANs和VLANs的区别 1 集线器 Hub 与交换机 Switch 冲突域与广播域的区别 2 传统LANs基本上是按物理位置构成的 若要把不同建筑物中主机组成一个LAN比较困难 3 VLANs可以很容易地把不同建筑物中的主机逻辑地按功能组成一个LAN 在典型的共享LAN 用户被物理地按照所连接的Hub进行组织路由器分段LAN并提供广播防火墙 在VLANs 可以按功能 部门或应用逻辑地组织用户通过合适的软件完成配置可以逻辑地分段用户到不同的子网 广播域 广播帧只能在同一交换机的端口之间和具有相同VLANID的不同交换机的端口之间交换可以基于下面的情况对用户进行分组 交换机端口号MAC地址协议应用 三 VLAN工作原理 1 交换机或路由器内部实现 交换机根据数据帧进行过滤和转发 采用两种技术 帧过滤 检查每一个帧的特殊信息 MAC地址or三层协议类型 主要用于交换机和路由器内部 帧标记 跨主干转发的数据帧在每一个帧的头部加一个唯一的标识 主要用于跨主干的交换机和交换机 交换机和路由器之间 VLAN跨主干的实现需要解决在一条链路上传送多个VLAN的问题 通常采用帧标记技术 目前 各厂商采用的技术各不相同 如 ISL IEEE802 1Q等 2 跨主干实现 交换机为了能够识别来自不同VLAN的数据帧 而对数据帧加上VLAN标识 或称作帧的VLANID VLAN标记的工作过程 数据帧离开交换设备进入交换网络时 交换机就会在帧头中加入一个唯一标识的VLANID 交换网络中的交换机都可理解和检查带VLAN标识的数据帧 并进行适当地转发和传递 当数据帧离开交换网络进入交换设备时 交换设备将数据帧中的VLAN标识删除 发送给目的站点 接入链路 只传送不带VLAN信息的数据帧 非标记帧 只与一个VLAN关联 中继链路 只传送带有VLAN信息的数据帧 标记帧 可承载多个VLAN 混合链路 既可传送标记帧 又可传送非标记帧 VLAN的链路类型 VLAN跨主干传送的条件 相互连接的端口带宽必须是100Mbps以上 每个端口必须支持中继协议 配置时两端的中继协议要相同 即必须是中继链路 路由器提供不同VLAN间的连接 路由器防止广播信息在VLAN间的传递 3 VLAN之间的通讯 要实现不同VLAN之间的通讯 必须使用支持VLAN的路由器 用户的移动这样的工作每年大约有20 to40 是网络管理员最头疼的事在管理网络中开销最大 移动需要 重新布线重新编址和重新配置VLANs提供了一种控制这些成本方法 只要用户仍然属于相同的VLAN 简单地配置交换机的端口给那个VLAN路由器的配置维持不变 四 VLAN的特点 1 使网络的变化容易实现 路由器提供一种对广播有效的防火墙增加VLANs可能需要扩展路由器防火墙的 交换处理 能力VLAN越小 受广播影响的用户数就越少 2 VLANs控制广播域 共享的LANs容易渗透 简单地插入共享hub VLANs增加安全性 限制在一个VLAN中的用户数量防止没有授权的用户访问把所有不使用的交换机端口配置成 Disabled 控制访问 地址协议类型应用类型 3 VLANs提高安全性 五 VLAN的类型 共有两种 静态VLAN和动态VLAN 1 静态VLAN 定义是指通过手动将一个交换机的端口分配给一个VLAN的情况特点按交换机端口组成VLAN安全可靠 易于配置和监控工作站的移动受到限制 2 动态VLANs 定义交换机的端口能够自动根据下面的一种或两种情况的组合决定一个用户VLAN的分配 MAClogicaladdressprotocoltype 当一个工作站初始连接到一个没有分配的端口时 交换机检查其列表中的项并自动用正确的VLAN配置该端口 特点需要在初期完成许多基础性工作当添加和移动用户时减少了管理工作基于中心的授权用户通告 3 9本章总结局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题 也是目前技术发展最快的领域之一 2 局域网与广域网的重要区别是它们覆盖的地理范围 因此它在基本通信机制上选择了与广域网完全不同的方式 从 存储转发 方式改变为 共享介质 方式与 交换方式 3 局域网在网络拓扑结构上主要分为总线型 环型与星型结构三种 在网络传输介质上 局域网主要采用双绞线 同轴电缆与光纤 但目前无线局