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第五章计算机局域网 局域网概述局域网的主要技术要素局域网标准传统以太网以太网的MAC层交换式以太网虚拟局域网高速以太网无线局域网 5 1局域网 LAN 概述 1 局域网的产生与发展 2 什么是局域网 局域网 LAN LocalAreaNetwork 在较小的地理范围内 利用通信线路将有限的通信设备互联起来实现相互间的数据传输和资源共享的计算机网络 萌芽于20世纪60年代末 发展于70年代 成熟于80年代 现在正处于飞速发展和广泛应用阶段 3 局域网的特点 较小的地域范围高传输速率和低误码率不存在路由选择问题 只需要最低两层主要技术要素拓扑结构传输介质介质访问控制方法 5 2局域网的主要技术要素 5 2 1局域网的拓扑结构 网络的拓扑结构指网络中节点 设备 和链路 连接网络设备的信道 的几何形状 物理拓扑与逻辑拓扑物理拓扑 网络的几何形状 即通常意义上的拓扑 逻辑拓扑 信息在通信介质中传输的机制 10Base 2网络10Base T网络 1 总线型 Bus A B C C 所有节点都与通信总线相连一般用细缆连接 总线两端要有终端适配器 广播 发送需要有介质访问控制规程以防止冲突 优点 成本低 布线容易 可靠性高 可扩充性好 缺点 覆盖范围有限故障的全局性突出故障诊断困难不利于网络业务量的增加 2 环型 Ring A D C B T 所有节点连接成一个闭合的环结点之间为点到点连接 特点 数据单向传输故障影响 一点断 全网断改进 增加备用环 3 星型 Star A B C A 有一个中心节点 其它节点与其构成点到点连接中心节点可以是智能设备 也可以是非智能设备 特点 构建容易节点的独立性强易于故障诊断和维护对中心节点的设备依赖性强 5 2 2局域网的传输介质 同轴电缆 双绞线 光纤 无线通信信道WLAN 5 2 3局域网的介质访问方法 载波侦听多路访问 冲突检测 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetect令牌传递 TokenPassing 令牌方式 TokenRingTokenBusFDDI 双环 局域网中的介质访问控制方法 媒体访问控制方法 每种网络结构都必须采用一种控制策略来控制设备对共享传输介质的访问 CSMA 载波监听多点访问 CarrierSenseMultipleAccess CSMA工作原理 发送前监听 每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送 若有 则此站不能发送 需等待一段时间后重试 CSMA技术不能解决发送中出现的冲突现象 CSMA CD 带冲突检测的载波监听多点访问 CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetect 工作原理 发送前先监听信道是否空闲 若空闲则立即发送数据 在发送时 边发边继续监听 若监听到冲突 则立即停止发送 等待一段随机时间 称为退避 以后 再重新尝试 1 载波侦听多路访问 冲突检测 CSMA CD CSMA CD工作流程 2 令牌传递 TokenPassing 5 3局域网标准IEEE802 5 3 1IEEE802体系结构 局域网只是一种通信网 它的体系结构只有OSI的下三层 数据链路层 主要作用是通过数据链路层协议 在不太可靠的传输信道上实现可靠的数据传输 负责数据帧的传送和控制 因媒体访问控制方法有多种 故把数据链路层分了两层 与传输媒体无关的部分为逻辑链路控制子层LLC 有关的部分为媒体访问控制子层MAC 物理层 负责物理连接和在媒体上传输比特流 网络层由于局域网拓扑结构简单 一般不需中间转接 所以网络层的很多功能 如路由选择等 是没有必要的 而流量控制 寻址 排序 差错控制等功能可在数据链路层完成 故IEEE802体系结构中没有单独设立网络层 高层局域网的高层尚未定义 一般由网络操作系统 NOS 来实现 如Unix WindowsNT Netware等 5 3 2IEEE802标准 电气与电子工程师学会 IEEE 局域网标准化802委员会制定IEEE802标准 并成为ISO的国际标准 ISO8802系列标准 IEEE802标准的主要成员 IEEE802 1 概述 体系结构和网络互联IEEE802 2 逻辑链路控制LLCIEEE802 3 CSMA CD 以太网 IEEE802 4 TokenBus 令牌总线 IEEE802 5 TokenRing 令牌环 IEEE802 6 分布队列双总线DQDB MAN标准IEEE802 8 FDDI 光纤分布数据接口 IEEE802 11 无线LAN 5 4传统以太网 1 以太网 Ethernet 概述 由美国Xerox公司和Stanford大学联合开发并于1975年提出的局域网组网规范 目的 把办公室工作站与昂贵的计算机资源连接起来 以便能从工作站上分享计算机资源和其他硬件设备 1983年IEEE802委员会公布的802 3局域网络协议 CSMA CD 基本上和Ethernet技术规范一致 于是 Ethernet技术规范成为世界上第一个局域网的工业标准 5 4 1以太网 2 以太网特点 以太网 Ethernet 是一种局域网组网规范 以太网采用载波侦听多路访问 冲突检测 CSMA CD 的媒体访问控制方法 以太网的逻辑拓扑结构为总线型 3 IEEE802 3的体系结构与功能实现 物理层 电缆 连接器 收发器 AUI电缆 网卡 站接口 数据封装 解封 MAC帧 链路管理 CSMA CD协议 曼彻斯特编码 译码 发送 接收 MAC LLC 4 IEEE802 3规范 传统以太网802 3 同轴电缆Ethernet802 3a 细缆Ethernet802 3i 双绞线802 3j 光纤快速以太网802 3u 双绞线 光纤千兆以太网802 3z 屏蔽短双绞线 光纤802 3ab 非屏蔽双绞线10Gb s以太网802 3ae 光纤 5 IEEE802 3布线介质标准 10Base5粗同轴10Base2细同轴10BaseT双绞线10BaseFMMF100BaseT双绞线100BaseFMMF SMF1000BaseX屏蔽短双绞线 MMF SMF1000BaseT双绞线 粗同轴电缆 可靠性好 抗干扰能力强收发器 发送 接收 冲突检测 电气隔离收发器电缆 用于连接收发器和网卡网卡 带AUI 连接件单元接口 插座的以太网卡终结器 需遵循5 4 3规则用于网络骨干连接 1 10Base5 网络最多5个段 5 4 2传统以太网组网 总线使用细同轴电缆 可靠性稍差BNCT型接头连接网卡 带BNC接头的以太网卡BNC终结器用于办公室LAN 2 10Base2 物理拓扑结构为星形 逻辑上仍是总线形 Hub 集线器 多端口转发器 转发器 中继器的作用 将信号放大并整形后再转发 消除信号传输的失真和衰减 双绞线介质 3类或5类UTP网卡 带RJ 45接头的以太网卡用于小型LAN 3 10BaseT 5 5以太网的MAC层 5 5 1MAC层的硬件地址 IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址 它是站点的全球唯一的标识符 与其物理位置无关 MAC地址 物理地址 MAC地址为6Byte 48位 MAC地址的前3个字节 高24位 由IEEE统一分配给厂商 低24位由厂商分配给每一块网卡 网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址 网卡上的硬件地址 路由器 1A 24 F6 54 1B 0E 00 00 A2 A4 2C 02 20 60 8C C7 75 2A 08 00 20 47 1F E4 20 60 8C 11 D2 F6 路由器由于同时连接到两个网络上 因此它有两块网卡和两个硬件地址 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 发往本站的帧 包括以下三种帧 单播 unicast 帧 一对一 广播 broadcast 帧 一对全体 多播 multicast 帧 一对多 协议数据单元 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 MAC帧格式 目的地址字段6字节 5 5 2MAC帧格式 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 源地址字段6字节 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 类型字段2字节 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议 以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 数据字段46 1500字节 数据字段的正式名称是MAC客户数据字段最小长度64字节 18字节的首部和尾部 数据字段的最小长度 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 FCS字段4字节 当传输媒体的误码率为1 10 8时 MAC子层可使未检测到的差错小于1 10 14 当数据字段的长度小于46字节时 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段 以保证以太网的MAC帧长不小于64字节 MAC帧 物理层 MAC层 IP层 在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节 是前同步码 用来迅速实现MAC帧的比特同步 第二个字段是帧开始定界符 表示后面的信息就是MAC帧 为了达到比特同步 在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节 数据字段的长度与长度字段的值不一致 帧的长度不是整数个字节 用收到的帧检验序列FCS查出有差错 数据字段的长度不在46 1500字节之间 有效的MAC帧长度为64 1518字节之间 对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃 以太网不负责重传丢弃的帧 无效的MAC帧 5 6交换式以太网 1 交换式以太网的产生 共享式以太网采用了以共享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 当网络规模不断扩大时 网络中的冲突就会大大增加 而数据经过多次重发后 延时也相当大 造成网络整体性能下降 在网络节点较多时 以太网的带宽使用效率只有30 40 交换式以太网采用交换机作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 2 交换式以太网的结构和特点 交换式以太网的核心设备是交换机 Switch 交换机有多个端口 能同时提供多个通道 允许多个用户之间同时进行数据传输 在交换式以太网中 各用户结点独占通道 独享带宽 随着用户的增多 网络带宽不仅不会减少 反而增加 即使在网络负荷很重时也不会导致网络性能的下降 因此它从根本上解决了网络带宽问题 交换式以太网则允许接入的多个结点间同时建立多条通信链路 同时进行数据通信 比起串行传输数据的共享式以太网而言 交换式以太网大大提高了网络的利用率 交换式以太网可以构造 虚拟网络 VLAN 即逻辑工作组 并通过软件的方式来实现逻辑工作组的划分和管理 这样就可以合理地调整网络负载的分布 提高网络的利用率 以太网交换技术是基于以太网的 它最大限度地保留了现有以太网的基础设施 从而这样有效地保护了用户的现有投资 节省了资金 3 交换式以太网的工作原理 1 以太网交换机的工作过程 以太网交换机监测发送到每个端口的数据包 通过数据包中的有关信息 源结点的MAC地址 目的结点的MAC地址 在交换机的内部建立一张 端口 MAC地址 的映射表 2 数据交换方式 以太网交换机的数据包交换方式主要有以下两种 直接交换 CutThrough 交换机只要接收到数据包 便立即获取包的目的地址 转换成相应的交换机端口 将该数据包转发出去 由于不需要存储 因此交换速度很快 延迟极小 但在转发数据包时不进行错误校验 可靠性相对较低 另外 由于没有缓存 不能将具有不同速率的输入 输出端口直接接通 存储转发 StoreandForward 交换机把数据包全部接收到内部缓冲区中 并进行校验 一旦发现错误就通知源结点重新发送该包 这种交换方式具有数据包的差错检测能力 可靠性高 并能支持不同速率端口之间的转发 但它延迟时间较大 交换机内的缓冲存储器有限 当负载较重时 易造成数据包的丢失 5 7虚拟局域网VLAN 什么是虚拟局域网 VLAN 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 和 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 5 7 1虚拟局域网的概念 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 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符 称为VLAN标记 tag 用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网 802 3MAC帧 字节 6 6 2 46 1500 4 目地地址 源地址 长度 类型 数据 FCS 长度 类型 802 1Q标记类型标记控制信息1000000100000000VID 2字节 2字节 插入4字节的VLAN标记 4 用户优先级 CFI 5 7 2虚拟局域网的帧格式 5 8高速以太网 5 8 1快速以太网 1 快速以太网 100BASE T 简介 传统以太网的延伸和扩展 保留了传统以太网的CSMA CD介质访问控制方式 帧结构和组网方法 传输速率比传统以太网提高了10倍 升级方便 布线不变 更换设备 100BASE TX 2对UTP5或1类STP 主要是UTP 一对用于发送 一对用于接收 是全双工系统100BASE T4 4对UTP3或以上3对线用于数据传输 1对线用于冲突检测100BASE FX 2芯的多模光纤或单模光纤 2 100Base T采用的线缆种类 3 100BASE T组网方法 5 8 2千兆位以太网 吉比特以太网 标准 1000Base T 使用4对5类 或以上 UTP1000Base Sx 采用短距离多模光纤 光纤最大长度为260m 1000Base Lx 采用单模光纤和多模光纤 光纤最大长度为550m和3km 1000Base CX 150欧姆均衡屏蔽同轴电缆 允许在1Gb s下全双工和