计算机三级网络技术教程第5章ppt课件.ppt

IEEE802标准介质访问控制以太网系列令牌环网与FDDI 内容提要 本章基本要求 掌握主要的局域网组网设备的功能与选择掌握常见的局域网拓扑结构掌握以太网技术理解局域网的特点理解IEEE802标准理解两类介质访问控制的原理理解无线局域网的工作原理和基本的组网方式了解令牌环网 FDDI技术 了解VLAN的概念与实现方式 5 1局域网概述 1 局域网具有如下特点 1 网络所覆盖的地理范围比较小 2 数据的传输速率比较高 常见的如10Mbps 100Mbps 1000Mbps等 3 具有较低的延迟和误码率 4 属于某个单位使用和管理 与广域网通常由服务提供商提供形成鲜明对照 5 便于安装 维护和扩充 建网成本低 周期短 2 常见的局域网拓扑结构决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑结构 传输介质与介质访问控制方法 1 总线型拓扑结构 2 环型拓扑结构 3 星型拓扑结构 1 总线型拓扑结构 总线拓扑的优点 结构简单 实现容易 易于安装和维护 价格低廉 用户站点入网灵活 总线型结构的缺点 传输介质故障难以排除 任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪 总线型介质访问控制方法要解决以下几个问题 应该由哪个结点发送数据 发送时会不会出现冲突 出现冲突时怎么办 2 环型拓扑结构 结点使用点 点线路连接 构成闭合的物理环型结构 环中数据沿着一个方向绕环逐站传输 多个结点共享一条环通路 环的建立 维护 结点的插入与撤出 环型拓扑结构的优点 能够较有效地避免冲突 缺点 网卡等通信部件比较昂贵且管理复杂得多 3 星型拓扑结构 管理方便 可扩充性强 组网容易 利用中央节点可方便地提供网络连接和重新配置 单个连接点的故障只影响一个设备 不会影响全网 容易检测和隔离故障 便于维护 如果中央节点产生故障 则全网不能工作 树型拓扑结构是星型拓扑结构的一种扩充 如下图所示 5 2IEEE802标准 5 2 1IEEE802为局域网制定了一系列标准 1 IEEE802 1LAN体系结构 寻址 网络管理和网络互连 2 IEEE802 2逻辑链路控制 LLC 子层的功能与服务 3 IEEE802 3CSMA CD访问方法及物理层技术规范 4 IEEE802 4令牌总路线 tokenbus 访问方法及物理层技术规范 5 IEEE802 5令牌环 tokenring 访问方法及物理层技术规范 6 IEEE802 6城域网 MAN 介质访问控制方法与物理层规范 7 IEEE802 7宽带时隙环介质访问控制方法及物理层规范 8 IEEE802 8光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范 9 IEEE802 9综合语音与数字局域网技术 10 IEEE802 10可互操作的局域网安全性规范 11 IEEE802 11无线局网技术与物理层技术规 12 IEEE802 12高速局域网 13 IEEE802 15近距离个人无线网标准 14 IEEE802 16宽带无线局域网标准 LLC子层屏蔽了下面各种802局域网实现的细节 5 2 2局域网的体系结构 IEEE802局域网模型与OSI模型的对应关系 LAN中由LLC子层和MAC子层共同完成类似于OSI参考模型中的数据链路层功能 LLC子层集中了与介质无关的部分 它隐藏了各种802网络之间的差别 为网络层提供一致的服务 MAC子层主要解决共享信道的信道分配问题 即如何控制对共享信道的访问 不同类型的局域网通常使用不同的访问控制协议 这都将在MAC子层实现 另外 MAC子层还涉及局域网中的物理寻址 LLC MAC 网络层 物理层 分组 分组 LLC 分组 LLC MAC MAC 数据链路层 传输单元 5 3介质访问控制 既然是共享信道 就会有竞争信道的问题 竞争信道就会产生冲突 不同的访问控制方法 或协议 构成了不同局域网标准的核心 如 争用型介质访问控制协议 又称随机型的介质访问控制协议 如CSMA CD方式 确定型介质访问控制协议 又称有序的访问控制协议 如Token 令牌 方式 IEEE802标准中常用的共享介质 有线的 局域网有三类 采用CSMA CD介质访问控制方法的总线型 采用TokenBus介质访问控制方法的令牌总线型 采用TokenRing介质访问控制方法的令牌环型 5 3 1CSMA CD下图是一个总线型的拓扑结构 信道是共享的 是一种广播信道 产生了的冲突的情形 1 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 带冲突检测的载波侦听多路访问 冲突检测 collisiondetection 发送站点在发送的同时 将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较 如果不一致 就表示总线上有多个站点在同时发送数据 冲突已经产生 注 总线上同时出现两个或两个以上的发送信号时 它们叠加后的信号波形将不等于任何结点发送的信号波形 一个要发送数据的站点在CSMA CD方式下发送的工作步骤 a 如果网络上信道空闲 就发送信息 否则 等待 b 在发送的开始T长度时间内监听总线 判断是否有冲突 c 如果在T长度时间内没有检测到冲突 就获得对信道的使用权 继续发送信息 同时继续监听信道 d 如果检测到冲突 就停止发送 并发出一个阻塞信号 经过一个随机时间段后 重新开始步骤 a CSMA CD的发送工作过程可以概括为四点 先听后发 边听边发 冲突停止 随机延迟重发 CSMA CD接收工作过程网上每个节点都在监听总线 a 如果信道上有信息传输 则接收信息 得到MAC帧 b 分析和判断帧中的目的地址 MAC地址 如果目的地址为本节点的地址 或者该帧是组地址和广播地址的帧 则复制该帧 收下该帧 否则丢弃该帧 CSMA CD方法的优点 每个节点都处于平等地位去竞争信道 实现算法简单 网络维护方便 增删节点容易 负载较少时 要发送信息的节点可以 立即 获得发送权 缺点 不具有优先权 不能满足某些应用场合 负载重时 容易发生冲突 降低效率 2 IEEE802 3标准与以太网 Ethernet 以太网 Ethernet 是典型的采用IEEE802 3标准的局域网 以太网最初采用总线型结构 如10Base 2细缆以太网和10Base 5粗缆以太网 现在常采用以HUB为中心的星形结构 如 10Base T网络 通过一个集线器HUB与10Base T物理介质相连接 从物理结构上形似星形结构 用集线器组成的树型 5 3 2令牌访问控制令牌访问控制方法又可分为两类 令牌环访问控制 TokenRing 令牌总线访问控制 TokenBus 由于目前已较少采用TokenBus 因此这里只是介绍TokenRing的工作原理 令牌环的主要工作步骤 1 获取令牌并发送数据帧 首先 将 空闲 令牌帧的状态置为 忙 其次 去掉令牌尾部 加上数据成为数据帧 输出到环上 令牌帧 数据 命令帧格式 步骤2 接收和转发数据帧 节点比较数据帧中的目的地址 如果目的地址是本节点的地址 就将该数据帧拷贝到本节点的接收缓冲器中 同时将数据帧转发给下一节点 使之继续沿着环路传输 如果不匹配 只是转发数据帧 步骤3 撤消数据帧并释放令牌 删除数据帧 将令牌置为 空闲 并放到环上 令牌环缺点 维护比较复杂 实现困难 其格价是同类以太网产品价格的5至10倍 因此 尽管令牌环网技术要比以太网技术先进 但是它还是没有以太网产品流行 5 4局域网组网设备 5 4 1服务器和工作站在局域网中 根据功能和作用的不同 将计算机分为两大类 服务器 server 主要是网络环境下为其它计算机提供服务的计算机 是一种共享设备 是网络的服务中心 工作站 workstation 或客户机 client 是以个人计算环境和分布式网络环境为前提的高性能计算机 使用服务器所提供的服务 服务器通常由高档计算机承担 并应满足以下性能和配置要求 响应多用户的请求 处理速度快 存储容量大 安全性好 可靠性好 在局域网中可能只用一台服务器来提供少量的几种服务 也可能要求配置多个服务器 不同服务器提供不同的网络服务 以保证服务的质量 根据提供服务类型的不同 可以把网络服务器分为以下几种 用户管理或身份验证服务器 文件服务器 数据库服务器 打印服务器 另外 当在局域网环境中提供TCP IP应用时 还可能会有E mail服务器 DNS服务器 WEB服务器等 注意 这些所谓的服务器可能是一个程序 它们可能集中安装在同一台服务器计算机系统之中 5 4 2网卡 网卡 NIC NetworkInterfaceCard 一种工作在数据链路层的网络组件 物理连接和电信号匹配 帧的发送与接收 帧的封装与拆封 介质访问控制 数据的编码与解码 数据缓存 不同局域网类型的网卡 以太网卡 令牌环网卡 FDDI网卡和无线局域网网卡等 不同传速率的网卡 10Mbps 10 100Mbps 自适应 1000Mbps甚至10Gbps等多种 在选购时应该结合物理传输介质所有提供的最大传输速率 不同总线类型的网卡 总线插槽类型有ISA EISA VESA PCI和PCMCIA等 网卡支持的介质接口 常见网卡的接口类型有RJ 45 BNC和AUI等 网卡的价格与品牌 中继器 repeater 和集线器 hub 都是物理层的网络互连设备 组建网络时 中继器和集线器遵循5 4 3 2 1规则 5 表示最多5个网段 4 表示最多4个中继器或集线器 3 表示只有3个网段为主机段 2 表示只有2个网段为连接段 1 表示都位于一个冲突域 collisiondomain 中继器和集线器在物理上扩展网络的同时 也扩展了冲突域 物理距离增大 会影响局域网冲突检测的有效性 5 4 3中继器 repeater 和集线器 hub 集线器的分类与选择 1 集线器的分类依据总线带宽 10M 100M和10 100M自适应等 根据管理方式 智能型和非智能型 根据配置形式 独立式 模块化式和堆叠式 独立式集线器是指结构独立的集线器 通常按端口数量分成4口 8口 16口和24口等 主要用于低端应用 模块化式集线器一般都配有机架 有多个卡槽 每个卡槽可放一块通信卡 每个卡的作用相当于一个独立式集线器 多块卡通过机架上的通信底板共享带宽 网段之间采用交换技术 从而减少冲突 堆叠式集线器就是将多个集成器连接在一起 其作用就像模块化集线器一样 可以当作一个单元设备来进行管理 可方便实现网络扩充 2 集线器选择时应考虑的因素端口类型 集线器上有多个RJ 45接口 可能还会有用于级连 uplink 的AUI BNC和RJ 45接口 还可能有光纤接口 端口速率 端口数量 是否可堆叠 便于扩充 等 它们都是数据链路层互连设备 第二层互连设备 能够帧过滤 当源和目标物理地址 MAC地址 属于同一网段时 数据帧是不会被网桥或交换机转发的 而中继器和集线器则不能过滤帧 分隔冲突域 由网桥和交换机连接的网段不属于同一个冲突域 而中继器和集线器连接的网段则属于同一个冲突域 当发现网络性能不足或下降是由于某节点过多 冲突域过大所引发时 就可以通过使用交换机或网桥来改善局域网的运行性能 5 4 4网桥和交换机 交换机属于数据链路层设备 而集线器则属于物理层设备 交换机能隔离冲突 而集线器却只能增加冲突 交换机的每个端口可提供专用的带宽 而集线器的所有端口只能共享带宽 集线器只能实现半双工传送 而交换机则可支持全双工传送 交换机与集线器的比较 选择交换机时要考虑如下因素 背板带宽 也叫背板吞吐量 是交换机接口处理器 或接口卡 与数据总线间所能吞吐的最大数据量 背板带宽越高 所能处理数据的能力就越强 价格也就越高 端口速率 交换机的端口速率一般有10Mbps100Mbps 1000Mbps 10 100 1000Mbps 10Gbps 应根据情况选择 端口数 可留有必要的冗余以适应未来网络的扩充 是否可堆叠 通过堆叠接口堆叠起来 分两种堆叠交换机 即菊花链堆叠交换机和矩阵堆叠交换机 是否带网管功能 网管是指网络管理员通过网络管理程序对网络上的资源进行集中化管理的操作 包括配置管理 性能和记帐管理 问题管理 操作管理和变化管理等 除此之外 还有是否支持模块化 是否支持VLAN 是否带第三层路由功能等 1 IEEE802 3标准中的10BASE 5 10BASE 2 10BASE T和10BASE F系列以太网 10 表示10Mbps BASE 表示基带 帧格式如下 5 5以太网系列 先导字段 为7个字节 每个字节的内容为10101010 用于接收方与发送方的时钟同步 帧开始标识 1个字节 内容为10101011 两个连续的1标志着帧本身的开始 目的地址和源地址 均为6字节 MAC地址 目的地址为全1时 表示将帧传送至本网上的所有站点 称为广播 长度 IEEE802 3 2字节 数据的字节数 也就是LLCPDU 逻辑链路控制子层的协议数据单元 帧是MAC子层的协议数据单元 数据 IEEE802 3 46 1500字节 802 3规定有效帧中从目的地址到校验和字段的最短长度为64字节 如果帧的数据部分少于46 使用填充字段以达到要求的最短长度 校验和 CRC校验 几种以太网标准的比较 采用曼彻斯特编码 1 10BASE 5粗缆以太网采用直径为0 4英寸 阻抗为50 粗同轴电缆作为传输介质 5 表示每段电缆的最大长度为500m 粗缆以太网 粗缆以太网 2 10BASE 2细缆以太网采用直径为0 2英寸 阻抗为50欧姆同轴电缆作为传输介质 2 表示每段电缆的最大长度接近200m 实际上每一个网段的最远距离为185m 细缆以太网 细缆以太网 3 10BASE T以太网 T 是英文Twisted pair 双绞线电缆 的缩写 说明是使用双绞线电缆作为传输介质 采用了以10M集线器或10M交换机为中心的星型拓扑结构 10BASE T以太网的出现具有里程碑式的意义 主要表现如下 传输介质 双绞线 廉价 突破了双绞线不能进行10Mbps以上的传输速度的传统技术限制 星型拓扑结构 结构简单 性能可靠 交换机为星型结构的核心取代了以集线器为核心 使以太网从共享式阶段进入了交换式以太网阶段 由集线器和交换机组建的树型结构以太网 2 快速以太网技术快速以太网技术100BASE T 其协议标准为IEEE802 3u IEEE802 3u中的主要特点 MAC子层仍采用CSMA CD介质访问方法 仍支持共享式和交换式两种使用环境 保留IEEE802 3帧格式 不再采用曼彻斯特编码 而采用4B 5B等编码 介质无关接口MII MediumIndependentInerface 屏蔽掉不同介质标准的差异 从而为MAC子层提供统一的物理传输服务 传输介质取消了对同轴电缆的支持 快速以太网举例 100M以太网交换机为中心的星型结构 10M的以太网向100M快速以太网升级举例 3 千兆以太网 包括IEEE802 3z和IIEEE802 3ab标准的千兆位以太网协议体系 千兆以太网 数据传输率为1000Mbps即1Gbps 也称吉比特以太网 标准包括两大部分 支持光纤传输的IEEE802 3Z 支持铜缆传输的IEEE802 3ab 介质访问控制 CSMA CD 全双工流量控制协议 前者用于支持HUB 后者用于交换机到交换机或站点之间的点 点连接 继承了802 3以太网的帧格式和最大 最小帧长度 从而能充分兼容已有的以太网技术 1000BASE SX使用芯径为62 5 m和50 m 工作波长为850nm的多模光纤 1000BASE LX使用芯径为62 5 m和50 m两种直径的多模光纤 也可使用直径为5 m的单模光纤 工作波长为1300m 1000BASE CX使用150欧姆平衡屏蔽双绞线 STP 1000BASE T使用4对5类非平衡屏蔽双绞线 UTP 传输距离为100m 千兆位以太网的应用举例 层次化的网络设计 核心层 接入层 千兆以太网的优点 简易性 技术过渡的平滑性 网络可靠性 可管理性和可维护性 可使网络成本可整体下降 4 万兆以太网 万兆 即10Gbps 以太网技术 于2002年正式发布IEEE802 3ae10GE标准 只支持光纤作为传输介质 两种物理连接类型 LANPHY 和 WANPHY 10GBASE X 10GBASE R和10GBASE W三个协议标准 10GBASE W是广域网接口 不再采用CSMA CD机制 只支持全双工方式 继承了IEEE802 3帧格式和最大 最小帧长度 5 交换式以太网以以太网交换机为中心组建的网络 以交换机为中心代替以集线器为中心 以集线器为中心组建网络是共享式以太网 只有一条共享的总线供所有端口使用 所有端口都属于一个冲突域 交换机中任意两个端口之间都存在独立的通道 因此任意一对端口之间通信都不会影响其他端口之间的通信 交换机中每个端口都享有指定的带宽 而集线器中所有端口共同分享带宽 交换机的转发方式 直接交换方式 快速转发交换 无碎片交换 存储转发方式 交换式以太网的优点 与共享型以太网相比 具有独占的带宽 一个交换机的传输带宽等于每个端口带宽乘以端口数 提供了网络的逻辑分段 交换机每个端口所连接的网段都是独立的 被隔离的 各自都不属于同一个冲突域 安全性更高 从一个端口发送的数据只能传输到目的端口 而不是广播到其他所有端口 5 6令牌环网与FDDI技术1 令牌环网下图为一种为星形 中心集线器的内部结构 在星型拓扑的中心是一个被称为介质访问单元 mediaaccessunit 简称MAU 的集线装置 2 光纤分布式数据接口 FDDI FDDI FiberDistributedDataInterface 是一个高性能的光纤令牌环网 FDDI以光纤为传输介质 传输速率可达100Mbps 采用单环和双环两种拓扑结构 但为了提高网的健壮性 大多采用双环结构 在双环结构中 通常一个是主环 另一个为副环 副环用于备份 FDDI的数据帧帧格式 与802 5令牌环数据帧类似 802 5令牌环数据帧的格式 FDDI的介质访问控制机制与IEEE802 5类似 但令牌释放方式不同 只要某站完成了数据传送 就将令牌释放 而不是象IEEE802 5中那样 直到帧被正确接收后才释放令牌 从而大大提高了信道的带宽利用率 FDDI曾被认为是下一代LAN 但是FDDI除了主干网市场外 很少被使用 因为管理过于复杂 芯片制造复杂 价格高 厂家不愿意大量生产 从而也就无法占据大块市场 5 7无线局域网 WLAN 1 无线局域网标准目前支持无线局域网的技术标准主要有蓝牙技术 HomeRF技术以及IEEE802 11系列 蓝牙技术 爱立信公司 IEEE802 15标准 短距离无线网络 10米之内 其传输速率1Mbps左右 用于诸如移动电话 PDA PersonalDigitalAssistant 无线耳机 笔记本电脑等 蓝牙的标准IEEE802 15 HomeRF标准 HomeFR工作组 主要面向家庭无线网络 HomeRF标准的较低速度远远不能满足大多数消费者要求 支持的企业不多 IEEE802 11标准 系列如802 11a 802 11b 802 11d 以及802 11e 802 11f 802 11g等 推动着WLAN走向安全 高速 互联 IEEE802 11的介质访问控制方法CSMA CA CarrierSenseMultipleAccess CollisionAvoidation 避免冲突的载波侦听多路访问 协议 在CSMA CD的基础上 引入了避免冲突的办法 2 无线局域网设备无线网卡无线访问接入点 AP 进行数据发送和接收的集中设备 相当于有线网络中的集线器无线网桥 主要用于无线或有线局域网之间的互连无线路由器 集成了无线AP的接入功能和路由器的第三层路径选择功能天线 Antenna 3 无线局域网的组网方式一般地有两种组网模式 对等 Ad Hoc 模式和基础结构 Infrastucture 模式 对等网络 Ad Hoc 无线网络的计算机要有相同的工作组名 ESSID 一个802 11b无线网络标识符 和密码 可以实现点对点与点对多点连接 这种方式配置简单 但不能连接外部网络 对等网络 Ad Hoc 基础结构 Infrastucture 网络一个无线中继站充当中心站 所有站点对网络的访问均由其控制 以AP为中心的基础结构网络如下图所示 通过AP和集线器把无线局域网与有线网连接起来 当具有一定数量用户时 或者当需要建立一个稳定的无线网络平台时 适合构建基础结构网络 5 8虚拟局域网虚拟局域网 VLAN VirtualLocalAreaNetwork 是以局域网交换机为基础 通过交换机软件实现的 根据功能 部门 应用等因素将设备或用户组建成的虚拟工作组或逻辑网段 同一个VLAN中的主机可以直接相互通信 不同VLAN中的主机之间必须通过第三层互连设备才可以相互通信 VLAN的最大特点是在组成逻辑网时无须考虑用