网络技术(第三章 局域网基本概念)

网络技术网络技术 第第 3 章章 局域网基本概念局域网基本概念 考点考点 1 1 局域网基本概念局域网基本概念 局域网的网络拓扑结构主要分为总线型 环型与星型 网络传输介质主要采用双绞线 同轴电缆与光纤 1 总线型拓扑结构 总线型局域网的介质访问控制方法采用共享介质方式 总线型拓扑结构的优点是 结 构简单 容易实现 易于扩展 可靠性较好 其主要特点有以下 5 点 所有结点都通过网卡连接到作为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 所有结点都可以通过总线发送或接收数据 但是一段时间内只允许一个结点通过总 线发送数据 当一个结点通过总线以 广播 方式发送数据时 其他结点只能以 收听 方式接收数据 由于总线作为公共传输介质为多个结点所共享 就可能出现同一时刻有两个或两个 以上结点通过总线发送数据 因此会出现冲突 造成传输失败 在总线型局域网的实现技术中 必须解决多个结点访问总线的介质访问控制 MAC 问题 介质访问控制方法是指控制多个结点利用公共传输介质发送和接收数据的方法 2 环型拓扑结构 在环型拓扑结构中 结点之间通过网卡利用点对点线路连接构成闭合的环型 环中数 据沿着一个方向绕环逐站传输 在环型拓扑结构中 多个结点共享同一环通路 同样需要 进行介质访问控制 与总线型拓扑结构一样 环型拓扑结构通常采用某种分布式控制方法 环中每个结点都要执行发送与接收的控制逻辑 3 传输介质类型与介质访问控制方法 1 局域网的传输介质类型 局域网常用的传输介质包括 同轴电缆 双绞线 光缆与无线信道 其中早期应用最 多的是同轴电缆 目前双绞线和光线应用最为广泛 尤其是双绞线 在局部范围的中 高 速局域网使用双绞线 在远距离传输中使用光缆 在有移动结点的局域网中采用无线技术 2 局域网的介质访问控制方法 传统的局域网采用了共享介质的工作方法 如总线型和环型局域网 为了实现对多个 结点使用共享介质来发送和接收数据 人们提出了很多介质访问控制方法 IEEE 802 2 标准定义的共享介质局域网有以下 3 类 带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 方法的总线型局域网 令牌总线 Token Bus 方法的总线型局域网 令牌环 Token Ring 方法的环型局域网 考点考点 2 2 IEEEIEEE 802802 参考模型参考模型 1 IEEE 802 参考模型 1980 年 2 月 IEEE 成立局域网标准委员会 简称 IEEE 802 委员会 专门从事局域网 标准化工作 并制定了 IEEE 802 标准 早期 局域网领域有 3 类典型技术 以太网 令牌总线和令牌环 同时 市场上有很 多不同厂家的局域网产品 它们的数据链路层和物理层协议都不同 因此要为多种局域网 技术和产品制定一个统一的共用的协议模型 设计者提出将数据链路层划分为两个子层 数据链路控制 LLC 子层和介质访问控制 MAC 子层 2 IEEE 802 标准 IEEE 802 标准就是局域网标准 在此基础上还发展多个具体的局域网子标准 这些 协议可以分为 3 类 定义局域网体系结构 网络互连 网络管理与性能测试的 IEEE 802 1 标准 定义逻辑链路控制 LLC 子层功能与服务的 IEEE 802 2 标准 定义不同介质访问控制技术的相关标准 这一类标准曾经多达 16 个 目前应用最 多和正在发展的标准主要有 4 个 其他 3 个是无线局域网标准 1 IEEE 802 3 标准 定义 CSMA CD 总线介质访问控制子层与物理层标准 2 IEEE 802 11 标准 定义无线局域网访问控制子层物理层的标准 3 IEEE 802 15 标准 定义近距离无线个人局域网访问控制子层与物理层的标准 4 IEEE 802 16 标准 定义宽带无线局域网访问控制子层与物理层的标准 考点考点 3 3 以太网以太网 早期 局域网领域 3 类典型技术以太网 Ethemet 令牌总线和令牌环互相竞争 当 今 以太网是使用最广泛的局域网技术 以太网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 方法 它的核心技术起源于无线分组交换网 AlOHA 网 1 以太网帧结构与工作流程 1 以太网数据发送流程 CSMA CD 的发送流程可以概括为以下 4 点 先听后发 边听边发 冲突停止 随机延迟重发 具体的工作流程如下 载波侦听过程 发数据时 先侦听总线是否空闲 以太网的物理层规定发送的数据采用曼彻斯特编码 方式 冲突检测方法 从电子学的具体实现角度看 进行冲突检测可以有两种方法 比较法和编码违例判决 法 发现冲突 停止发送 如果有冲突 发送点进入停止发送数据 随机延迟后重发的流程 随机延迟重发的第 一步是发送 冲突加强信号 随机延迟重发 以太网协议规定一个帧的最大重发次数为 16 如果重发的次数超过了 16 则认为线 路故障 进入 冲突过多 结束状态 如果重发次数 n 16 则允许结点随机延迟再重发 2 以太网帧结构 Ethemet V2 0 规定的以太网帧结构由以下 6 个部分组成 前导码 帧前定界符字段和前导码主要用于接收同步阶段 目的地址和源地址字段 分别表示帧的接收结点地址和发送结点的硬件地址 类型字段 类型字段表示的是网络层使用的协议类型 数据字段 数据字段是高层待发送的数据部分 数据字段最大长度为 1500B 以太 网帧的最小长度为 64B 最大长度为 1518B 帧校验字段 帧校验字段 FCS 采用 32 位的循环冗余校验 CRC 其校验的范围是 目的地址 源地址 长度 LLC 数据等字段 2 以太网的物理地址 以太网的物理地址是一个重要的概念 按照 48 位的连续的以太网物理地址编码方法 允许分配的以太网的物理地址应该有 247 个 注意 网卡地址的格式 如 00 A6 38 01 05 A0 网卡地址由 6 组两位的十六进制数组成 每组数之间用一个连字符隔开 前 3 组是公司标识 同一厂商的网卡地址前 3 组应该相同 后 3 组是厂商自己分配的 考点考点 4 4 高速局域网高速局域网 1 快速以太网 快速以太网的传输速率是普通以太网的 10 倍 数据传输速率达到 l00Mbps 发送时 间从 lOOns 降低 l0ns 但是它保留了传统 10Mbps 以太网的基本特征 采用相同的帧结构 介质访问控制方法与组网方法 100BASE T 标准定义了介质独立接口 MII 100BASE T 有关传输介质标识主要有 3 种 100BASE TX 支持 2 对 5 类非屏蔽双绞线或 2 对 1 类屏蔽双绞线 100BASE TX 是一个全双工系统 每个结点都可以同时以 100Mbps 的速率工作 100BASE T4 支持 4 对 3 类非屏蔽双绞线 UTP 其中 3 对用于数据传输 l 对用于 冲突检测 100BASE FX 支持 2 芯的多模或单模光纤 主要用于高速主干网 从结点到集线 器的距离可达 2km 100BASE Fx 是一种全双工系统 3 千兆以太网 千兆以太网的传输速率比快速以太网快 10 倍 传输速率达到 lGbps 千兆以太网保 留着传统 10Mbps 以太网的基本特征 它们具有相同的帧格式与类似的组网方法 只是将每 位的发送时间降低到 Ins 1000BASE T 标准定义了千兆介质独立接口 GMII 1000BASE T 标准可支持多种传 输介质 1000BASE T 有关传输介质标准有 4 种 1000BASE T 使用 5 类非屏蔽双绞线 双绞线长度可达到 l00m 1000BASE CX 使用屏蔽双绞线 双绞线长度可达到 25m 1000BASE LX 使用波长为 l300nm 的单模光纤 光纤长度可达到 3000m 1000BAsE Sx 使用波长为 850nm 的多模光纤 光纤长度可达到 300 550m 3 万兆以太网 1 万兆以太网的主要特点 万兆以太网的帧格式与普通以太网 快速以太网和千兆以太网的帧格式完全相同 万兆以太网保留了 802 3 标准对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定 不再使用铜质双绞线 而使用光纤 使用长距离 超过 40 km 的光收发器与单模光 纤 也可使用多模光纤 但距离限制于 65 300m 万兆以太网只工作在全双工方式 不存在争用问题 传输距离不再受冲突检测的限 制 2 万兆以太网的物理层协议 万兆以太网的物理层使用的是光纤通道技术 万兆以太网有两种不同的物理层 局域 网物理层 LAN PHY 标准和广域网物理层 WAN PHY 标准 万兆以太网物的传输速率为 l0Gbps 广域网的传输速率为 9 58464Gpbs 这两种传 输速率的物理层共用 MAC 层 而 MAC 层的工作效率是按 10Gbps 设计的 因此 万兆以太网 必须采取一种调整策略 通过万兆介质独立接口 10GM 将 MAC 层的工作速率由原来的 l0Gpbs 减到 9 58464Gpbs 以便与物理层的数据传输速率匹配 考点考点 5 5 交换式局域网交换式局域网 1 交换式局域网的基本结构 1 交换机的基本概念 交换式局域网的核心部件是局域网交换机 典型的交换式局域网是交换式以太网 Switched Ethernet 它的核心部件是以太网交换机 Ethemet Switch 以太网交换机可以有多个端口 每个端口可以与一个结点连接 也可以与一个共享介 质的集线器 Hub 连接 如果一个端口只连接一个结点 则这个结点可以独占 lOMbps 的带 宽 这类端口称作 独立 lOMps 的端口 如果一个端口连接一个 10Mbps 以太网 则这个 端口被以太网多个结点共享 被称为 共享 10Mbps 的端口 2 局域网交换机的技术特点 局域网交换机主要有以下几个技术特点 低交换延迟 支持不同的传输速率和工作模式 端口可以支持两种工作模式 半双工和全双工模 式 例如 对于 l00Mbps 的端口 半双工端口带宽为 100Mbps 全双工端口带宽为 200Mps 支持虚拟局域网服务 2 局域网交换机的工作原理 1 交换机工作原理 交换机使用 端口 MAC 地址映射表 来记录端口号与结点 MAC 地址的对应关系 如 果多个结点需要同时发送数据 它们在各自的以太网帧目的地址字段 DA 中填写该帧的目 的地址 2 端口号 MAC 地址映射表 以太网交换机利用 端口 MAC 地址映射表 进行数据交换 交换机是利用 地址学 习 方法来动态建立和维护端口 MAC 地址映射表的 3 交换机的帧转发方式 以太网交换机的帧转发方式分为 3 类 直通交换方式 存储转发交换方式 改进的直接交换方式 考点考点 6 6 虚拟局域网和无线局域网虚拟局域网和无线局域网 1 虚拟局域网 虚拟网络 Virtual NetWork 建立在交换技术的基础上 如果将网络上的结点按工作 性质与需要划分成若干个 逻辑工作组 那么一个逻辑工作组就是一个虚拟网络 2 无线局域网 无线局域网 wireless LAN WLAN 以微波 激光与红外线等无线电波作为传输介质 部分或全部代替传统局域网中的同轴电缆 双绞线和光纤 实现网络中移动结点的物理层 与数据链路层功能 无线自主网 Ad hoe 采用一种不需要基站的对等结构的移动通信模式 1997 年 第一个无线局域网标准 IEEE802 11 形成 它定义了使用红外 调频扩 频和直接序列扩频技术 传输速率为 1Mbps 或 2Mbps 的无线局域网标准 3 红外无线局域网 红外无线 Infrared Radio IR 信号是按视距方式传播 红外局域网的数据传输有 3 种基本技术 定向光束传输 全方位红外传输与漫反射红 外传输技术 4 扩频无线局域网 扩频通信是军事电子对抗中经常使用的一种方法 无线局域网使用的扩频技术主要有 两种 跳频扩频通信与直接序列扩频通信 考点考点 7 7 局域网互联与网桥的工作原理局域网互联与网桥的工作原理 1 网桥的工作原理 网桥 Bridge 是数据链路层互联的设备 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 2 网桥的路由选择策略 按路由表的建立方法 网桥分为两类 透明网桥和源路选网桥 目前使用最多的是透明网桥 透明网桥的路由表记录 3 个信息 站地址 端口与时间 源路选网桥由发送帧的源结点负责路由选择 3 网桥与广播风暴 1 集线器与冲突域 为了解决冲突域问题与提供共享介质的利用率 人们提出了利用网桥来分隔开网段中 的流量 根据帧地址过滤