第4部分 局域网技术

计算机网络基础 第第 4 4 部分部分 局域网技术局域网技术 主要内容主要内容 以太网的工作原理 中继器 集线器 网桥和交换机的基本工作方法 高速网络技术 网络组建所需设备和技术 教学重点教学重点 以太网工作原理 冲突 冲突域概念 小型局域网络设计 局域网 LAN 是利用通信线路将近距离内的计算机及外设连接起来 以达到数据通信和资源共享的目 的 局域网的研究始于 20 世纪 70 年代 典型代表是以太网 Ethernet 4 1 4 1 局域网概述局域网概述 4 1 1 4 1 1 局域网的特点局域网的特点 1 较小的地域范围 2 高传输速率和低误码率 3 面向的用户比较集中 4 使用多种传输介质 4 1 2 4 1 2 局域网层次结构及标准模型局域网层次结构及标准模型 4 1 2 1 4 1 2 1 局域网的层次结构局域网的层次结构 局域网的标准化工作一方面吸取了广域网标准化工作不及时给用户和计算机生产厂家带来困难的教 训 另一方面广域网标准化的成果特别是 ISO OSI 为局域网标准化工作提供了经验和基础 美国电气与电子工程师协会 IEEE 802 委员会与其他协会部门推出了 IEEE 802 标准 该标准遵循 ISO OSI 参考模型的原则 解决最低两层 即物理层和数据链路层 的功能以及网络层的接口服务 网际 互连有关的高层功能 由于局域网是个通信子网 只涉及到有关的通信功能 局域网的拓扑结构简单不需要路由选择协议 因此 OSI 的第三层以上的高层就不再涉及 在 IEEE 802 局域网参考模型中主要涉及 OSI 参考模型物理层 和数据链路层的功能 IEEE 802 模型中之所以要将数据链路 层分解为两个子层 主要目的是使数据链路 层的功能与硬件有关的部分 MAC 和与硬 件无关的部分 LLC 分开 1 1 逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层 LLCLLC LLC 主要目的是在各种不同的介质访问控制子层之上为局域网的网络实体通过满足可靠性和传输效率 要求的数据链路层服务 它屏蔽了各种 MAC 子层的差异 LLC 协议是由高级数据链路控制 HDLC 派生出来的 在局域网中 高层协议要与各种局域网的 MAC 子 层交换信息时 必须通过统一的一个 LLC 子层 1 1 高级数据链路控制高级数据链路控制 HDLCHDLC 概念概念 70 年代后期产生了包括分时 查询 应答系统和计算机网络为主的信息应用 就使得原有的字符型传 输控制规程 BSC 已不能适应新应用的要求 从而出现了面向比特的控制规程 1974 年 IBM 公司最早推出面向比特规程 SDLC 后来经过进一步的发展和修改 ISO 将其修改为高级 数据链路控制 HDLC 以作为国际标准 ISO3309 之后又有了发展 修改和应用 现在已经成为一种思想 物理层 逻辑链路控制子层 LLC 媒体访问控制子层 MAC IEEEIEEE 802802 LANLAN 参考模型参考模型 物理层 数据链路层 网络层 OSIOSI 参考模型参考模型 其他高层 第 4 章 计算机局域网络 A A 规程特性规程特性 HDLC 的目的是提供一种通信准则 以满足广泛的应用范围 包括计算机 集中器和终端之间数据的 通信 以及计算机提供通信子网的节点机间的数据通信 B B 适用环境与操作方式适用环境与操作方式 利用 HDLC 规程通信时 可以有三种类型的通信站 即主站 次站和组合站 主站负责建立数据链路 启动 数据传输以及链路差错恢复等控制 主站发出命令要求次站执行指定操作 次站负责执行主站 指示的操作 并向主站发送响应 链路操作由主站与次站间的命令和响应的交替来实现控制 组合站兼 有主站与次站功能 既能发送又能接收命令和响应 并负责整个链路控制等 通信站是计算机网络中的数据终端 集中器 计算机及节点机构总称 主要有非平衡型 一个主站 与一个或多个次站的点 点或点 多点式结构 平衡型 通信双方都具有组合站的功能 HDLC 的三种基本操作模式 正常响应 NRM 用于点 点或点 多点式结构 主站发命令 次站接 受命令后才能发出响应帧 异步响应 ARM 用于点 点非平衡方式或对称方式 主站发出命令 次站 不必收到主站命令就可自动发出响应 控制权仍归主站 与异步平衡模式 ABM 用于平衡型结构 通信双 方都具有同等的发送命令与响应的努力 如 LAN 中的 LLC 就是采用这种方法 C C 帧结构帧结构 数据链路上传送的完整信息组称为 帧 HDLC 规程无论是信息帧与控制帧都使用统一的标准格式 由标志字段 F 长 8bit 值为 01111110 表示帧的开始和结束 若发送的数据帧包含连续 5 个 1 则插 入 0 而接受方删除 0 地址字段 A 长 8bit 可选择 256 个站 其作用是完成寻址功能 控制字段 C 长 8bit 是 HDLC 的主要字段 控制帧的编号最大为 127 包括执行信息传送功能的信息帧 I 第一位 设为 0 用于传送监控命令及响应的监控帧 S 第 1 2 位设为 10 和无编号帧 U 第 1 2 位设为 11 信息 字段 I 长为 8bit 的倍数 包括所要传输的数据信息 帧检验序列 FCS 长为 16bit 其作用是进行 CRC 差错控制 组成 D D 控制过程控制过程 HDLC 控制过程包括三个阶段 建立数据链路连接阶段 传送数据阶段 拆除数据链路连接 2 2 LANLAN 的数据链路层的特点的数据链路层的特点 与传统的数据链路层的区别 必须支持链路的多重访问 媒体控制层将承担某些链路访问的细节 必须提高第三层的功能 LLC 提供了服务访问点地址 SAP 并通过 SAP 指定了运行与一台计算机或者网络设备的一个或者多个 应用进程地址 3 3 逻辑链路层逻辑链路层 LLCLLC 的功能的功能 两个站或两个系统通过 LAN 进行通信时 高层提供站点之间的端 端服务 链路之下的媒体访问 控制提供为帧传输或者接受而访问网络所必备的逻辑 而链路层则执行 A 端 端差错控制和确认 B 端 端的流量控制 可采用顺序号提供这些功能 C LAN 的第二层包括第三层的基本功能 即把数据报 虚电路和多路复用的实现 其中数据报可采 用源和目的地址实现 虚电路与多路复用功能可以用 SAP 的概念加以支持 D 能利用 LAN 的多路访问的特性 提供多址发送和广播发送 即将一个报文发到多个站或者所有 的站的服务 4 4 LLCLLC 服务服务 LLC 服务有三种 无确认无连接服务 只是把分组发送到目的地 不保证可靠投递 不进行通知 如 计算机网络基础 用于广播和多播信道的数据报传送 有确认无连接服务 同样不使用建立链路 而是直接发送数据 出 错时要求 ARQ 如令牌总线网络中 面向连接的服务 通过链路建立的三阶段来实现可靠传输 用于一 次性传输大量的数据 5 5 LLCLLC 帧结构帧结构 LLC 帧结构类似 HDLC 结构 只是没有标志字段 F 和帧检验序列 FCS 包括三大部分 地址 长 8bit 使用 7bit 的目的服务访问点 DSAP 长 8bit 使用 7bit 的源服务服务点 SSAP 控制 由信息帧 I 监控 帧 S 无编号帧 U 构成 对帧的序号控制变为 128 个 信息 长为 8bit 的倍数 2 2 媒体访问控制子层媒体访问控制子层 MACMAC 设定 MAC 子层是为了向逻辑链路控制子层 LLC 提供一个与物理传输媒体和网络拓扑结构无关的信道 访问服务界面 1 1 MACMAC 地址地址 MAC 地址有两类 一类是单地址 唯一指定局域网中的一个站点 另一类是组地址 又分为多终点站 地址 指定了局域网中的一组站点 多站地址 指向了一组逻辑上相关的站 站间逻辑关系是由高层协 议给出的 和广播地址 指对网络中所有的站进行广播 LAN 的标准中规定 MAC 地址有两种类型 16bit 的 MAC 地址 称为局域地址 48bit 的 MAC 地址 称 为全局地址 可作局域地址 也可作全域地址 局域地址与全域地址的区别在于地址的第二位 若为 0 则表示局域地址 为 1 表示全域地址 全局地址的法定管理机构是 IEEE 负责分配地址子段的 6 个字节中的前 3 个字节 地址块 约 1000 美元一块 一块可在扩成 224个不同地址 因此每一系列的网卡前 3 个字节值是一样的 如某块 RealTek RTL8139 的网卡地址为 00 E0 4C 3D 3B 22 2 2 MACMAC 子层的功能子层的功能 提供实现不同的介质访问控制方法 3 3 MACMAC 子层的协议子层的协议 在局域网中 连接在网络上的各个工作站都能共享网络的公共信道 因而存在着对信道的争用和争 用后如何使用信道的问题 这就构成了对媒体的控制方法 又称为媒体访问控制技术 一般地 根据媒 体的使用控制方式域网络的拓扑结构的结合 MAC 子层的协议分为三类 即 CSMA CD Token Bus Token Ring 4 1 2 2 4 1 2 2 IEEEIEEE 802802 标准系列标准系列 IEEE 802 1 LAN 体系结构 网络管理和网络互连 IEEE 802 2 逻辑链路控制子层的功能 IEEE 802 3 CSMA CD 总线介质访问控制方法及物理层技术规范 IEEE 802 4 令牌总线访问控制方法及物理层技术规范 IEEE 802 5 令牌环网访问控制方法及物理层技术规范 IEEE 802 6 城域网访问控制方法及物理层技术规范 IEEE 802 7 宽带技术 IEEE 802 8 光纤技术 IEEE 802 9 综合业务数字子网 ISDN 技术 IEEE 802 10 局域网安全技术 IEEE 802 11 无线局域网 第 4 章 计算机局域网络 4 2 4 2 决定局域网特征的主要技术决定局域网特征的主要技术 决定局域网特征的主要技术主要技术有 连接各种设备的拓扑结构 传输介质及介质访问控制方法 这 3 种 技术在很大程度上决定了传输数据类型 网络的响应时间 吞吐量 利用率及网络应用等各种网络特征 4 2 1 4 2 1 拓扑结构拓扑结构 4 2 1 1 4 2 1 1 总线型拓扑结构总线型拓扑结构 总线型拓扑结构是局域网最主要的拓扑结构之一 主要特点如下 所有的节点都通过网络适配器直接连接到一条作为公共传输介质的总线上 总线可以是同轴电 缆 双绞线或光纤 总线上任何一个节点发出的信息都沿着总线传输 而其他节点都能接收到该信息 但在同一时 间内 只允许一个节点发送数据 由于总线作为公共传输介质为多个节点共享 就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节点利 用总线发送数据的情况 即发生碰撞 出现冲突 在 共享介质 的总线拓扑结构的局域网中 必须解决多个节点访问总线的介质访问控制问题 总线拓扑结构结构简单 实现容易 易于扩展 可靠性好 4 2 1 2 4 2 1 2 环型拓扑结构环型拓扑结构 环型拓扑结构也是共享介质局域网最基本的拓扑结构 主要特点如下 在环型拓扑结构的网络中 所有节点均使用相应的网络适配器连接到共享的传输介质上 并通 过点到点的连接构成封闭的环路 环路中的数据沿着一个方向 低 高 低 绕环逐节点传输 在环型拓扑中 虽然多个节点共享一条环通路 但由于使用了某种介质访问控制方法 令牌环 并确定了环中每个节点在何时发送数据 因而不会出现冲突 对于环型拓扑的局域网 网络的管理较为复杂 可扩展性较差 4 2 1 3 4 2 1 3 星型拓扑结构星型拓扑结构 在星型拓扑结构中存在一个中心节点 每个节点通过点到点线路与中心节点连接 任何两个节点之 间的通信都要通过中心节点转接 在局域网中 由于使用中央设备的不同 局域网的物理拓扑结构 各设备之间使用传输介质的物理 连接关系 和逻辑拓扑结构 设备之间的逻辑链路连接关系 也将不同 物理结构的星型拓扑结构 使用 HUB 连接的网络 物理连接形式为星型 但介质访问方式为总线型 逻辑结构的星型拓扑结构 令牌环网 物理连接形式为环型 但介质访问方式为星型 真正的星型拓扑结构 使用交换机的局域网 4 2 2 4 2 2 传输介质与传输形式传输介质与传输形式 局域网的传输介质有 双绞线 同轴电缆 光纤 电磁波 局域网的传输形式有两种 基带传输与宽带传输 4 2 3 4 2 3 介质访问控制方法介质访问控制方法 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 计算机网络基础 4 2 3 1 4 2 3 1 载波监听多路访问载波监听多路访问 冲突检测 冲突检测 CSMA CDCSMA CD IEEE 802 3 定义的 CSMA 是在载波侦听多路访问 CSMA 的基础上发展起来的一种随机访问控制技术 来源于 70 年代美国夏威夷大学研究的无线 ALOHA 系统 并加以改进而形成的 1 1 CSMACSMA 方法方法 CSMA 的基本思想是 网络上任一站要发送 先监听总线 若总线空闲 则立即发送 若总线正被占 有 则等待某一时间间隔后 固定时间或随机时间 再发送 这种等待某一时间的做法就叫二进制退避 算法 几种退避算法介绍 1 坚持 A 发送端必须先侦听只有信道空闲才能发送数据帧 B 若其他站点正在使用则继续侦听 待空闲时发送 C 若出现冲突则等待某个随机时间后重复 A 特点是信道利用率好 易产生冲突 非 N 坚持 A 发送端必须先侦听只有信道空闲才能发送数据帧 B 若其他站点正在使用则等待 某个随机时间 重发送延迟 后重复 A 特点是 利用随机重发减少冲突概率 易造成介质空闲浪费 都 避让 P 坚持 A 发送端必须先侦听只有信道空闲才以 P 概率发送数据帧 以 1 P 的概率作为一个单位 时间的延迟 即网络最大传播延迟 再发送 B 若媒体忙 则继续侦听 待空闲时重复 A C 出现冲突 则延迟一个单位时间后重复 A 特点是 在 P 过大和网络的负荷较大时 如有 N 个站要求发送 当 NP 1 时仍然会产生冲突 而 P 过小 则网络负荷很小时也会出现补不要的延时 2 2 CSMA CDCSMA CD 媒体访问方法媒体访问方法 总线型 LAN 中 所有的节点都直接连到同一条物理信道上 并在该信道中发送和接收数据 因此对 信道的访问是以多路访问 方式进行的 任一节点都 可以将数据帧发送到总线 上 而所有连接在信道上 的节点都能检测到该帧 当目的节点检测到该数据 帧的目的地址 MAC 地址 为本节点地址时 就继续 接收该帧中包含的数据 同时给源节点返回一个响 应 当有两个或更多的节 点在同一时间都发送了数 据 冲突产生的原因 可 能是在同一时刻两个节点 同时侦听到线路 空闲 又同时发送信息而产生冲 突 使数据传送失效 也 可能是一个节点刚刚发送 信息 还没有传送到目的 冲突检测 延迟一个随机时间准 备重新发送数据 是否发送 完毕 结束 载波帧 听 初始 化 发送数据 是否 出现 冲突 放弃发送数据 强化冲突 第 4 章 计算机局域网络 节点 而另一个节点此时检测到线路 空闲 将数据发送到总线上 导致了冲突 在信道上就造成了 帧的重叠 导致冲突出现 为了克服这种冲突 在总线 LAN 中常用 CSMA CD 协议 CSMA CD 协议的工作过程工作过程为 先听后发 边听边发 冲突停发 随机重发 3 3 CSMA CDCSMA CD 要注意的问题要注意的问题 一是帧的长度要足够 以便其在发完之前就能检测到碰撞 否则就失去了意义 二是需要一个间隔 时间 即冲突检测时间 其大小为往返传播时间与为了强化碰撞而有意发送的干扰序列时间之和 由此 确定最小 MAC 帧长 最短帧长可以用下列公式来计算 例 1 1 5 公里的基带以太网 为了保证冲突的可靠检测 若最短数据帧长为 15000bit 则数据传输 速率是多少 15000 200 2 1 5 1000 1000Mbps 例 2 在长 3 公里 10Mbps 的基带总线 LAN 信号传播速度为 200m s 当传输 100 字节的帧时 则 从发送开始到接收结束的最大时间是多少 解 传播时延 3 1000 200 15 s 传送时延 100 8 100 80 s 则传输时延 传播时延 传送时延 80 15 95 s 4 4 MACMAC 的帧结构的帧结构 MAC 帧结构由 8 个字段 最小为 65B 73B 组成 前导段 前序 8B 长 为 1010 是由硬件产生 的 帧起始定界符 SFD 1B 长 值为 10101011 也是由硬件产生的 最后两个 1 表示可以准备接受 MAC 帧了 目的地址和源地址字段 各由 2 6B 组成 信息字段长度 由 2B 组成 表示该 MAC 帧中所包含 的信息字段中 LLC 数据的字节长度 规定 MAC 数据字段的最小字段长度为 46B 若不够时则要填充 PAD 信息字段 0 1500B PAD 填充字段 若无数据 则应为 46B 帧检验序列 FCS 4B 与 HDLC 一样采用 CRC 检验 4 2 3 2 4 2 3 2 令牌环 令牌环 TokenToken RingRing 1 1 令牌环媒体访问控制令牌环媒体访问控制 令牌环介质访问控制技术最早应用于 1969 年贝尔研究室的 Newhall 环网 使用的是 IBM Token Ring IEEE802 5 在 IBM Token Ring 基础上定义了新的令牌环介质访问控制方法 作了如下技术改进 单 令牌协议 优先级位 设定令牌的优先级 最多 8 级 监控站 环中设置中央监控站可通过令牌监控位 执行环维护功能 预约指示器 控制每个结点利用空闲令牌发送不同优先级的数据帧所占用的时间 IEEE802 5 令牌协议使用了一个沿着环路 高地址 低地址 高地址 循环令牌的公平共享介质访问 机制 网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据 没有获取令牌的节点不能发送数据 因此 在使用 令牌环的 LAN 中不会产生冲突 当各节点都没有数据发送时 网络中令牌在环上循环传递 类似儿时游戏 捡手拍 若一个节点要发送数据 就首先要截获令牌 然后开始发送数据帧 当发送的数据在环上循环一周 后 又回到发送节点 发送节点确认无误后要将该数据帧收回 从环上移去 而发送完毕后 要产生一 个新的令牌并发送到环路上 这样环中所有结点都有帧发送时 则最后一个结点就要等待逻辑环中其他 结点传递令牌和数据帧的时间总和 最短数据帧长 bit 数据传输速率 Mbps 任意两点间最大距离 m 200m s 计算机网络基础 当令牌环外有其他结点要求插入到环中时 仍然要按照地址高低来确定环中的位置 而逻辑环中的 结点都会周期性地邀请环外结点加入环中 例 某令牌环 数据传输速率为 12Mbps 环路上共有 80 个站点 当每个接口引入 1 位延迟时 此环 的比特长度 是指数据帧的传输时延等于信号在环路上的传播时延的数据帧的比特数 为 185 比特 则 令牌环长为多少 185 80 1 200 2 12 2 因为是环 1750m 1 75km 2 2 令牌环的优点令牌环的优点 重负载下利用率高 对传输距离不敏感 各站实现公平访问策略 而轻负载时由于等待令牌则效率 低 3 3 令牌环的缺点令牌环的缺点 环路结构复杂 检错和可靠性较复杂 4 4 令牌环帧结构令牌环帧结构 令牌环帧由 9 个字段构成 起始分界符 1B 访问控制 1B 帧控制字段 1B 目的地址 6B 源地址 6B 数据字段 0 帧校验地址 4B 结果分界符 1B 帧状态 1B 5 5 典型代表典型代表 100Mbps 的光纤分布式数据接口 FDDI 4 2 3 3 4 2 3 3 令牌总线 令牌总线 TokenToken BusBus 1 1 令牌总线媒体访问控制令牌总线媒体访问控制 IEEE802 4 定义了令牌总线媒体访问控制方法 既克服了 CSMA CD 的缺点 为总线提供了公平访问的 机会 又克服了令牌环网络存在的问题 令牌总线是在物理总线上建立一个逻辑环 物理上是总线结构 逻辑上是环型拓扑结构 因此令牌 传递顺序与结点的物理位置无关 每个节点被赋予一个顺序的逻辑位置 节点在获得令牌时发送数据 发送完数据后就将令牌发送给下一个节点 从逻辑上看 令牌从一个节点传送到下一个节点 使节点能获取令牌发送数据 从物理上看 节点 是将数据广播到总线上 总线上所有的节点都可以监测到数据 并对数据进行识别 但只有目的节点才 可以接收并处理数据 2 2 令牌总线的优点令牌总线的优点 介质访问延迟数据确定 不存在冲突 重负载下信道利用率高 支持优先级 3 3 令牌总线帧结构令牌总线帧结构 令牌总线帧结构由 8 个字段组成 前序 1 起始分界符 1B 帧控制字段 1B 目的地址 2 6B 源地址 2 6B 数据字段 0 帧校验地址 4B 结果分界符 1B 4 3 4 3 传统以太网 传统以太网 EthernetEthernet 4 3 1 4 3 1 以太网的产生和发展以太网的产生和发展 以太网 Ethernet 的核心思想是使用共享的公共传输信道 第 4 章 计算机局域网络 20 世纪 60 年代末 夏威夷大学为了在岛屿之间进行网络通信 研制了 Aloha 系统的无线电网络 后 来 Xerox 公司对其作了进一步发展于 1973 年将其命名为以太网 1980 年 DIX DEC Intel Xerox 三家公司 推出以太网规范 1981 年 IEEE 802 工程成立的 802 3 分委员会公布了以 DIX 为基础的以太网的国际标准 IEEE 10 Base 系列 1985 年 Novell 公司推出了专为 PC 机连网用的高性能网络操作系统 NetWare 10Base T 的出现使得 以太网得以迅速发展 4 3 2 4 3 2 粗缆 粗缆 10Base 510Base 5 1010 Base 5Base 5 的具体含义 的具体含义 10 表示信号在电缆上的传输速率为 10Mbps Base 表示电缆上的信号是基带信号 5 表示网络中每一段电缆最大长度为 500 米 4 3 2 1 4 3 2 1 1010 Base 5Base 5 的组成部分 的组成部分 1 粗缆 阻抗 50 RG 为 8 的同轴电缆 2 外部收发器 通过收发器分接器从传输介质上接收数据并传送到网卡上 还要进行 CSMA CD 冲 突检测和强化冲突 和收发器分接器 建立收发器与同轴电缆的物理连接和电气特性 3 收发器电缆即 AUI 是一个 DB 15 针的连接单元接口 电缆 4 网络适配器 带有 AUI 接口的网络接口卡或网卡 5 终接器 50 其作用是电缆尾端的信号吸收以避免信号的反射造成干扰 4 3 2 2 4 3 2 2 1010 Base 5Base 5 规则 规则 1 相邻计算机 收发器 间最小距离为 2 5 米 2 计算机到收发器的最大距离为 50 米 3 单网段的最大距离不能超过 500 米 使用中继器扩展后的最大网络距离为 2500 米 4 每段最多 100 台计算机 5 符合 5 4 3 规则 最多使用 4 个中继器连接 5 个单网段 其中只允许 3 个网段连接计算机 4 3 3 4 3 3 细缆 细缆 10Base 210Base 2 4 3 3 1 4 3 3 1 1010 Base 2Base 2 的组成部分 的组成部分 1 细缆 阻抗 50 RG 为 58 的同轴电缆 2 网络适配器 带 BNC 接口 3 BNC 电缆连接器 同轴电缆被截断后要在两端用 BNC 电缆连接器固定 4 BNC T 型连接器 具有 3 个端口 两个连接电缆 一个连接网卡上的 BNC 接口 5 BNC 桶型连接器 直接连接两个同轴电缆段 6 BNC 终接器 50 其作用也是电缆尾端的信号吸收以避免信号的反射造成干扰 4 3 3 2 4 3 3 2 1010 Base 2Base 2 规则 规则 1 单网段最大长度为 185 米 使用中继器扩展后为 925 米 2 每段最多有 30 个节点 3 相邻 BNC T 型连接器间最小距离为 0 5 米 4 符合 5 4 3 中继规则 计算机网络基础 注 注 若用粗缆和细缆组成混合网络 即细缆长度 t 500 干线长度 L 3 28 如要建立一个 400m 的 混合干线网络 则细缆长度最大为 500 400 3 28 30m 4 3 4 4 3 4 双绞线双绞线 EthernetEthernet 10Base T10Base T 10Base T10Base T 使用双绞线传输 10Mbps 的基带信号 4 3 4 1 4 3 4 1 1010 Base TBase T 组成 组成 1 RJ 45 连接器 俗称 RJ 45 头或水晶头 2 双绞线电缆 3 网络适配器 带 RJ 45 接口 4 集线器 HUB 端口数有 8 12 16 24 口 4 3 4 2 4 3 4 2 1010 Base TBase T 规则 规则 1 采用以集线器或交换机为中心的星型连接方式 每台计算机通过双绞线连接到集线器或交换机 2 双绞线长度不超过 100 米 节点间最小距离为 2 5m 3 最大网络节点为 1024 个 4 4 4 4 高速局域网高速局域网 随着计算机的发展和普及 为了实现资源共享从而促使局域网网络规模不断扩大 传统的局域网技 术是建立在 共享介质 的基础上 当网络节点数增大时 如传统 Ethernet 传输速率为 10Mbps 即其带 宽也为 10Mbps 这样若网络中有 N 个结点 则每个结点分配到的带宽为 10Mbps N 网络通信负荷加重 冲突和重发现象大量发生 网络效率急剧下降 网络传输延迟增大 网络服务质量下降 为了克服局域网的上述问题 有三种解决方案 提高 Ethernet 数据传输速率 使用网桥或路由器将大型 LAN 划分成多个子网 用交换机替代集线器构成交换机局域网 4 4 1 4 4 1 快速以太网 快速以太网 FastFast EthernetEthernet 取代传统的局域网有两种途径 一是重新设计一套新的局域网体系结构 一是增加网络传输速度 快速以太网就是基于后者的 快速以太网的数据传输速率为 100Mbps 数据格式 介质访问控制方法 CSMA CD 和组网方法与传 统局域网相同 只是把每个比特的发送时间由 100ns 降低到 10ns 快速以太网的传输介质 100Base TX 双绞线 两对 5 类 UTP 或 2 对 1 类 STP 其中 1 对用来发送 1 对用来接受 100Base T4 双绞线 4 对 3 类 UTP 其中 3 对用于数据传输 1 对用于冲突检测 100Base T2 双绞线 100Base FX 光纤 2 芯的多模或单模光纤 主要用作高速主干网 结点到 HUB 的距离可 达到 2km 4 4 2 4 4 2 千兆位以太网 千兆位以太网 GigabitGigabit EthernetEthernet 千兆位以太网适用于数据仓库 桌面电视会议 3D 图形和高清晰度图像的场合 千兆位以太网的数据传输速率为 1000Mbps 数据格式 介质访问控制方法 CSMA CD 和组网方法与 传统局域网相同 只是把每个比特的发送时间由 100ns 降低到 1ns 第 4 章 计算机局域网络 千兆位以太网的传输介质 1000Base SX 多模光纤 波长为 770 860nm 的多模光纤 又有 62 5 m 最长传输距离 275m 和 50 m 最长传输距离 550m 两种 1000Base LX 单模光纤 波长为 1270 1355nm 一般使用 1300nm 的单模 多模光纤 多模光纤有 62 5 m 和 50 m 两种 单模光纤有 9 m 最长传输距离 3000m 1000Base CX 屏蔽双绞线 是 STP 可达 25m 1000Base T 非屏蔽双绞线 5 类 UTP 最长距离为 100m 4 4 3 4 4 3 交换式以太网 交换式以太网 SwitchingSwitching EthernetEthernet 1 1 交换式局域网的基本结构交换式局域网的基本结构 对于双绞线以太网 由于采用了以共享 集线器为中心的星型连接方式 因此整个网 络的信道始终处于共享的状态 在某一时刻 一个节点将数据帧发送到集线器的某个端口 它会将该数据帧从其他所有端口转发 广播 出去 在这种方式下 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 网络节点较多时使用效率只有 30 40 为了提高网络性能和通信效率 采用以太网交换机为核心的交 换式网络技术 以太网交换机可以提供多个端口 并且在交换机内部拥有一个共享内存交 换矩阵 数据帧直接从一个物理端口被 转发到另一个物理端口 通过交换机支 持端口结点间的多个并发连接 实现多 结点间数据的并发传输 因此增加了 LAN 带宽 改善了 LAN 的性能与服务质量 交换机是以每个端口的数据传输速 率来定义的 如端口的速率为 10 100 1000 Mbps 即 为 10 100 1000 Mbps 交换机 在交换式以太网中用户计算机与交换机的连接有 两种方式 一是直接独占使用交换机的一个端口 一 是用户计算机连接到集线器上 集线器再接入到交换机的一个端口上 即共享交换机端口方式 2 2 局域网交换机工作原理局域网交换机工作原理 1 1 工作原理工作原理 交换机根据网络的连接情况会建立一个端口 MAC 地址表 有两项内容 端口和地址 端口记录了交 换机的端口号及其对应的连接结点的地址 发送端向某个结点发送数据 首先在其数据帧的地址信息中设置目的地址 DA 目的结点地址 源地 址 SA 发送端地址 当数据帧传送到交换机的端口 交换机检测到后根据端口 MAC 地址表查找到目的 广播到每 一个端口 每一时间 片只允许 一个端口 占用公用 通信信道 发送数据 共享式集线器 C BD E A A 与 C B 与 D 同时进行通信 并发连接 实现多结 点间数据 并发传输 从而增加 网络带宽 交换机 专用端口 共享端口 交换机 集线器 计算机网络基础 结点所连接的端口号 从而建立两个端口之间的连接 由于这类交换机工作在第二层数据链路层中的 MAC 媒体访问控制子层 故称为第二层交换机 2 2 交换机的分类交换机的分类 根据交换机的帧转发方式 交换机分为 3 类 直接交换方式 直接交换方式 交换机只要接收并检测到目的地址字段后就立即将该帧转发出去 而不做任何差错 检测 数据正确与否由主机完成的 优点是时延短 缺点是没有差错检测 存储转发方式 存储转发方式 首先完整地接收发送帧 然后进行差错检测 若无误则转发出去 优点是具有帧差 错检测能力 缺点是存在交换时延 改进的直接交换方式 改进的直接交换方式 是将两者结合起来 在接受帧的前 64 个字节后 判断 Ethernet 帧的帧头字 段是否正确 若正确则转发 其特点是对短帧而言 时延与直接交换接近 对长帧而言 由于只检验地 址字段 控制字段因而减少了交换时延 3 3 局域网交换机的特性局域网交换机的特性 低交换传输时延 只有几十 s 网桥为几百 s 路由器为几千 s 高传输带宽 全双工端口的带宽为半双工的二倍 端口自动识别连接设备的传输速率 10 100Mbps 全双工 半双工工作方式 支持 VLAN 服务 4 4 4 4 4 4 光纤分布式数据接口 光纤分布式数据接口 FDDIFDDI FDDI Fiber Distributed Data Interface 是 100Mbps 的光纤网 连网的结点数 1000 常用作主 干网 以连接不同的局域网 FDDI 使用 IEEE 802 5 单令牌的令牌环网 MAC 协议 FDDI 网络中各个节点共享可用带宽 采用 方向 相反的 双环结构 其目的是提供高度的可靠性和容错能力 在正常情况下主环传递数据 备份环在主环 出现故障时用于自动恢复 主要用于多个不同建筑物之间的网络互连 如校园网的主干 光纤通信以光波为载频 信号只能在光谱范围内传送 因此 FDDI 的编码要在 ASK FSK 和 PSK 等模 拟编码技术中选择 在光纤局域网中采用具有较高数据传送速率的 ASK 编码技术 有光脉冲表示 1 没有光脉冲表示 0 即传送一个字符要有两次跳变 但这种简单编码没有同步功能 所以最终采用曼 彻斯特编码 利用位中间的信号瞬变作同步信号 曼彻斯特编码的优点是直流分量小 每个比特信号都传送时钟信息 便于时钟同步 但用于光纤媒 体时每个比特要求两个信号 光脉冲和光静止 其效率仅为 50 因此 对于 200Mbps 光信号码元速 率 200M 波特 只能得到 100Mbps 的 FDDI 传输速率 对于高速 FDDI 来说 此效率太低 因此 FDDI 使用了一种称之为 4B 5B 的两级编码方案 物理层完成的第一级编码是转换 MAC 符号为 5 比特 NRZ 不归零 码 使用 4B 5B 编码 4 比特数据序列 FDDI 独立的编码单位即符号 被编码成 5 比 特在媒体上传输 由此 4B 5B 的效率为 80 即 100Mbps 数据速率要求 125Mbps 的线路速率 4 5 4 5 虚拟局域网虚拟局域网 VLANVLAN VirtualVirtual LANLAN 4 5 1 4 5 1 VLANVLAN 概述概述 VLAN 技术的核心是通过路由和交换设备 在网络的物理拓扑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 结点能够组合成一个逻辑上的局域网 虚拟网络 Virtual Network 是建立在交换技术基础上的 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 一个逻辑工作组就组成一个虚拟网络 第 4 章 计算机局域网络 在传统的局域网中 通常一个工作组是在同一个网段上的 每个网段可以是一个逻辑工作组或子网 多个逻辑工作组之间通过互连不同网段的网桥或路由器来交换数据 如果一个逻辑工作组中的某台计算 机要转移到另一个逻辑工作组时 就需要将该计算机从一个网段撤出 连接到另一个网段 甚至需要重 新布线 因此 逻辑工作组的组成就要受到结点所在网段物理位置的限制 虚拟网络是建立在局域网交换机或 ATM 交换机之上的 它以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理 逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制 虚拟局域网与传统的局域网主要区别在于 虚拟 即组网方式的不同 虚拟局域网使用 1996 年 3 月 IEEE 802 委员会发布的 IEEE 802 1Q VLAN 标准 4 5 2 4 5 2 VLANVLAN 实现技术实现技术 4 5 2 1 4 5 2 1 组建组建 VLANVLAN 的原则的原则 在网络中尽量使用同一厂家的交换机 能使用交换机的地方尽量使用交换机 尽可能让计算机直接连接到交换机上 层次化地将交换机与交换机连接 使用软件划分出若干个 VLAN VLAN 间可互通 使用路由器或具有路由功能的第三层交换机 也可不互通 4 5 2 2 4 5 2 2 VLANVLAN 网络管理软件网络管理软件 VLAN 管理软件具备的主要功能 地址过滤能力 限制特定结点间连通 一是保证网络的安全 使网络资源只对授权用户开放 二是起到防火墙的作用 防止广播风暴 虚拟连网能力 同一工作组的用户可以在物理位置上不属于同一物理 LAN 使得用户在逻辑上的 组合与具体的物理配置 位置无关 简化了结点的增减和移动 广播功能 为同一逻辑工作组的用户间提供广播服务 同时还可以限制广播的区域 达到节省 网络带宽 封装 VLAN 建立在不同的物理 LAN 之上 用封装的方法可以实现使用不同协议的网络间互连 4 5 3 4 5 3 VLANVLAN 划分方法划分方法 1 1 基于交换机端口的虚拟局域网基于交换机端口的虚拟局域网 这是一个早期最通用的划分 VLAN 的方法 VLAN 从逻辑上可以把局域网交换机的不同端口划分为不同的虚拟子网 各虚拟子网相对独立 划分方法 划分方法 使用软件将交换机 可以是同一交换机 也可以是不同的交换机 的不同端口划分在不 同的 VLAN 网段中 纯粹用端口定义 VLAN 时 不允许不同的 VLAN 网段包含相同的物理网段或交换机端口 即一个交换机端口只能位于一个 VLAN 中 另一方面位于共享介质集线器的所有用户由于使用了同一交换 机的端口也只能位于同一网段中 实际上一个交换机的端口被分配给多个 MAC 地址了 缺点 缺点 无法自动解决结点的移动 增加和变更 而这一切需要网络管理员对 VLAN 进行重新配置 2 2 基于基于 MACMAC 地址的虚拟局域网地址的虚拟局域网 是用结点的 MAC 地址来划分 VLAN 的方法 由于 MAC 地址是与硬件相关的地址 不论该结点的如何移 动 这种 MAC 地址的不变都将保证该结点所在的 VLAN 也不会改变 优点 优点 允许结点移动 同一 HUB 内的结点可划分到不同的 VLAN 计算机网络基础 缺点 缺点 由于要求所有的用户在初始阶段必须配置到一个 VLAN 中 才能进行自动跟踪用户 因此就需 要对大量的毫无规律的 MAC 地址进行初始化操作 即手工操作将每一个结点配置到一个 VLAN 中 由此可 见初始配置工作是相当繁重的 3 3 基于网络层地址的虚拟局域网基于网络层地址的虚拟局域网 这是使用结点的网络层地址配置 VLAN 的方法 如使用 IP 地址或 IPX 协议来定义 VLAN 要求 交换机能处理网络层的数据即路由交换机 优点 优点 允许按协议类型来组成虚拟局域网 如 IP 协议 IPX 协议 NetBios 协议 用户可随意移动 结点 一个虚拟局域网可扩展到多个交换机的端口上 甚至一个端口能对应于多个虚拟局域网 缺点 缺点 检查网络层地址的时延比检查 MAC 地址的时延要大 因此速度较慢 性能较差 4 4 基于基于 IPIP 组播的虚拟局域网组播的虚拟局域网 这是一个利用 IP 地址组动态建立的 VLAN 的方法 利用一种称为代理的设备对虚拟局域网中的成员进行管理 当 IP 广播包要送达多个目的结点时 就 动态地建立虚拟局域网代理 这个代理和多个 IP 结点组成 IP 广播组虚拟局域网 网络用广播信息通知 各 IP 站 表明网络中存在 IP 广播组 结点若响应信息 就可以加入广播组成为 VLAN 一员 优点 优点 基于 IP 组播的 VLAN 具有动态特性 因而有较高的灵活性 可根据服务灵活地组建 还可跨 越路由器形成与 WAN 的互连 缺点 缺点 成员是特定时间段的 IP 组播 VLAN 的成员 VLAN 的建立要具有一定的时间 5 5 基于策略的虚拟局域网基于策略的虚拟局域网 使用上面的一种或几种划分虚拟局域网方法进行划分 其核心是采用何种策略 4 5 4 4 5 4 VLANVLAN 优点优点 控制网络的广播风暴 有两种方法 网络分段和 VLAN 技术 确保网络的安全性 能限制个别用户的访问以及控制广播组的大小和位置 甚至锁定某设备 MAC 地 址 简化网络管理 网络管理员借助 VLAN 技术可轻松地管理整个网络 4 6 4 6 无线局域网无线局域网 4 6 1 4 6 1 无线局域网的标准无线局域网的标准 1998 年 IEEE 制定出无线局域网的协议标准 802 11 4 6 2 4 6 2 无线局域网的应用领域无线局域网的应用领域 接入 Internet 办公室环境 办公自动化 商业环境 构建无线的 POS 系统和 MIS 系统 工业现场 工业自动化 4