第4章 局域网组网原理

第4章局域网组网原理与技术 计算机网络技术基础 第三版 主编 尚晓航高等教育出版社 普通高等教育 十一五 国家级规划教材 本章学习目标 了解 局域网的技术特点 拓扑结构类型与应用特点掌握 局域网的基本组成掌握 常用传输介质的分类和选型了解 局域网的模型 标准 访问控制方式和工作原理掌握 局域网设计的基本原则掌握 典型以太网组网技术 本章学习目标 掌握 共享式高速以太网组网技术掌握 交换式以太网组网技术掌握 虚拟局域网的基本原则和实现条件和划分方法掌握 无连局域网的标准和组网技术了解 局域网的结构化综合布线的基本概念和基本组成 4 1局域网概述 4 1 1局域网的定义局域网 localareanetwork LAN 是一种小范围内 一般为几公里 以实现资源共享 数据传递和彼此通信为基本目的 由网络结点 计算机或网络连接 设备和通信线路等硬件按照某种网络结构连接而成的 配有相应软件的高速计算机网络 4 1 2局域网的主要特点和功能 1 局域网的特征 1 共享传输信道 2 高传输速率 3 有限传输距离 4 低误码率 5 连接规范整齐 6 用户集中 归属与管理单一 4 1 2局域网的主要特点和功能 7 采用多种传输介质及相应的访问控制技术 8 一般采用分布式控制和广播式通信 9 简单的低层协议 10 易于安装 组建和维护 4 1 2局域网的主要特点和功能 局域网的功能 1 资源共享资源共享主要指系统中的软件 硬件 以及数据和信息等资源的共享 2 通信交往通信交往主要指各种形式的数据 文件等的传输 局域网的典型分布区域 同一房间内的所有主机 覆盖距离为10m的数量级 同一楼宇内的所有主机 覆盖距离为100m的数量级 同一校园 厂区 院落内的所有主机 覆盖距离为1000m的数量级 4 1 3局域网的四大实现技术 一个实用的局域网通常涉及以下四项基本网络技术 网络拓扑结构传输介质和介质的访问控制方式通信协议布线技术 4 2局域网的拓扑结构 1 局域网拓扑结构的分类 1 逻辑拓扑结构 2 物理拓扑结构2 局域网拓扑结构的选择原则网络的拓扑的选择将直接影响网络的投资 运行速率 安装 维护和诊断等性能 4 2 1总线拓扑 1 总线拓扑的结构 总线 bustopology 拓扑结构如图4 1所示 图4 1图4 2总线拓扑结构的应用 4 2 1总线拓扑 总线 拓扑结构的应用特点适用场合适用于小型办公自动化系统 实验室 游戏厅等低负荷 实时性要求不高的环境 网络范例10BASE5 10BASE2以太网 4 2 2环型拓扑 环型拓扑如图4 3所示 其实际应用的连接如图4 4所示 1 环型 拓扑的结构 图4 3图4 4环型拓扑应用 4 2 2环型拓扑 环型 拓扑结构的应用特点3 适用场合这种拓扑结构曾经被广泛地用于局域网主干网 4 网络范例IBM令牌环网 Token Ring 以及FDDI光纤分布式接口的环型网络 4 2 3星型拓扑 星型拓扑 startopology 的结构如图4 5 实际应用结构如图4 6所示 1 星型 拓扑的结构 图4 5图4 6星型拓扑应用 交换机或集线器组成的以太网 4 2 3星型拓扑 星型拓扑的拓扑结构问题3 星型 拓扑结构的应用特点4 适用场合5 网络范例10 100 1000BASE系列使用集线器或交换机的共享式或交换式以太网 4 2 4树型拓扑 1 树型 拓扑的结构树型拓扑 TreeTopology 结构如图4 7 它可以看成是星型拓扑的扩展 其应用结构如图4 8 2 树型 拓扑结构的应用特点3 适用场合树型拓扑属于集中控制式网络 适用于分级管理的场合 或者是控制型网络 4 网络范例10 100 1000BASE使用集线器或交换机的共享式或交换式以太网 以及使用ATM交换机组成的分层网络等 4 2 4树型拓扑 图4 7树型拓扑结构图4 8树型拓扑应用 交换机或集线器组成的以太网 4 3局域网的基本组成 局域网的软件系统网络操作系统 网络管理软件和网络应用软件等3类软件 局域网的硬件件系统网络服务器 网络客户机或工作站 网卡 网络传输介质和网络共享设备等几个部分 局域网中的其他组件 网络资源 用户 协议 4 3 1网络服务器 1 按网络服务器的功能分类 4 3 1网络服务器 主干服务器 功能 专用 服务器 应用 程序 服务器 按服务器技术分类 1 服务器技术 多处理机技术 总线能力 内存 磁盘接口和容错技术 其他常用的服务器技术 还有设备的热插拔技术 双机热备份 集群技术等 4 3 1网络服务器 2 服务器硬件类型 通用服务器 专用型 功能型 服务器 Web WWW 服务器 FTP服务器 Email服务器 4 3 1网络服务器 网络主干服务器 运行和安装了网络操作系统 网络管理员通过主干服务器对网络中的各种对象 进行全方位的集中 可靠管理 是实现网络中软件 硬件和数据信息资源共享和集中管理的主要计算机 主干服务器对处理能力 内存容量与类型 硬盘容量和可靠性等均有较高的要求 可以选择硬件功能强大的通用服务器 功能 专用 服务器 目前 人们从不同的角度 根据服务器作用的不同 对网络服务器进行了分类 1 通信和远程访问服务器 2 WWW Web 服务器 3 DNS服务器 4 DHCP服务器 5 打印服务器 6 VOD服务器 视频点播 4 3 1网络服务器 网络的应用服务器网络的应用服务器主要用于网络的各种应用系统 如 通过Excel应用服务器 ERP 企业的资源管理 OA CRM 顾客关系管理 SCM 供应链关系管理 等管理信息系统 4 3 1网络服务器 6 网络服务器物理设备的选择和配备 1 集成的服务器 2 专用的服务器7 选购网络服务器时需要考虑的主要因素 价格因素 系统的开放性 系统的延续性 可扩展性 互连性能 应用软件的支持 性能价格比的合理性 生产厂商的技术支持以及等各种因素 主流品牌 足够的高质量内存 高品质的硬盘 以及所依赖的网络操作系统等 4 3 2客户机或工作站 在网络中 用户连入网络的计算机就是客户机 也被称为工作站 1 网络客户机 工作站 应具有的功能2 网络客户机 工作站 的类型3 网络客户机 工作站 的配置要求 1 硬件条件 2 软件条件 4 3 3网络适配器 网络适配器 networkadapter 又称为网络接口卡 networkinterfacecard 简称网卡或NIC 网卡是网络设备的通信接口 一般安装在每台服务器或者客户机的扩展插槽中 1 网络适配器的组成与连接 4 3 3网络适配器 网卡的组成 如图4 9所示 由CPU RAM ROM和I O接口等组成 网卡与LAN的连接 网卡通过传输介质的接口与局域网连接 在传输介质中 信号以串行方式传输 网卡与计算机的连接 网卡通过计算机内主板上的I O总线与计算机连接 在计算机的I O总线上 信号以并行方式传输 图4 9网卡的结构示意图 网络适配器的基本功能 网卡工作在OSI模型的第2层 它实现 物理层 和 数据链路层 的功能 1 网卡的工作流程 发送端计算机 网卡负责将计算机待发送的数据转换为能够通过传输介质传送的信号 并通过传输介质传递信号到目的设备 接收端的计算机 网卡负责接收传输介质传递过来的信号 并将其转换为计算机能够处理的信息 网络适配器的基本功能 2 网卡的功能从功能来说 网卡相当于广域网的通信控制处理机 通过它将工作站或服务器连接到网络上 实现网络资源共享和相互通信 此外 网卡还负责工作站与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配 接收和执行工作站与服务器送来的各种控制命令 完成物理层和数据链路层的功能 网卡的选购与安装 3 选购网络适配器时应考虑的因素速率计算机总线接口类型支持的网络类型和电缆接口其他因素4 安装和配置网络适配器硬件连接设置软件驱动安装 4 3 4传输介质 在局域网中常用的是双绞线 同轴电缆和光导纤维3种 1 选择传输介质应考虑的具体因素 成本 安装的难易程度 容量 衰减及最大距离 抗干扰能力 主要指电磁干扰 网络拓扑结构 网络连接方式 环境因素 地理分布 气象影响 环境温度 结点间距等 双绞线 TwistedPairwire TP 双绞线电缆为无屏蔽双绞线 UTP 和有屏蔽双绞线 STP 2种 这两大类中又分为100欧姆电缆 双体电缆 大对数电缆 150欧姆屏蔽电缆 1 双绞线的物理结构网络中常用的是4对双绞线电缆 如图4 10所示 图4 104对8根双绞线 UTP和STP 4 3 4传输介质 3 有屏蔽双绞 4 双绞线的传输距离 单段距离为100米 3 同轴电缆 1 同轴电缆的物理结构 2 同轴电缆的分类和性能参数 3 常用基带同轴电缆的应用特点 4 同轴电缆的传输距离 图4 11电缆的结构和外形 4 光导纤维电缆 光导纤维电缆 opticalfiber 简称光纤电缆 光纤或光缆 它是一种用来传输光束的细软而柔韧的传输介质 光导纤维电缆通常由一捆纤维组成 因此得名 光缆 1 光导纤维电缆的物理结构 图4 12光纤电缆的物理结构 4 光导纤维电缆 2 光纤通信系统的工作原理光纤通信系统是以光波为信号的载体 光导纤维为传输介质的通信系统 光纤通信系统由光纤 光发送机和光接收机等部分组成 参见图4 14 图4 14光纤通信系统工作示意图 4 光导纤维电缆 3 光导纤维电缆的分类与性能参数 4 光纤电缆的接口与常用设备 5 光导纤维电缆的主要应用特点光纤与其他传输介质的比较 参见表4 2 6 光导纤维电缆的应用场合 7 光纤的传输距离光纤中的信号衰减极小 在不安装光纤中继器的条件下 其最大传输距离为6 8千米 5 无线 自由 传输介质 无线传输介质 简称无线 自由或无形 介质 或空间介质 无线传输介质通过空气进行信号传输 根据电磁波的频率 无线传输系统大致分为广播通信系统 地面微波通信系统 卫星微波通信系统和红外线通信系统 因此 对应的3种无线介质是无线电波 30MHz 1GHz 微波 300MHz 300GHz 红外线和激光 5 无线 自由 传输介质 1 无线电波通信 2 无线电微波通信1 面微波接力通信 图4 15地面微波接力通信示意图 5 无线 自由 传输介质 2 卫星通信卫星通信是利用静止的地球与同步卫星作为中继站的微波接力通信系统 地面系统通常采用定向抛物天线 卫星微波通信系统也具有 通信容量大 传输距离远 覆盖范围广等优点 因此 特别适用于全球通信 电视广播 以及地理环境恶劣的地区使用 随着网络技术和移动通信技术的普及 无线通信技术的应用随之增加 目前的无线局域网已经广泛地作为有线局域网的补充 被广泛用在移动办公场合 4 4局域网的模型与工作原理 4 4 1局域网的模型和标准1 IEEE802参考模型IEEE802委员会负责制定局域网的标准化 并制定了IEEE802局域网参考模型 该模型只制定了对应于OSI参考模型的下两层规范 即物理层和数据链路层的规范 此外 IEEE802还将数据链路层进一步划分为逻辑链路子层和介质访问控制子层 参见表4 3 4 4局域网的模型与工作原理 1 物理层 2 IEEE802LAN的数据链路层介质存取控制 MAC 子层的功能 控制对传输介质的访问 MAC子层在物理层的基础上进行无差错通信 并维护和管理通信链路 逻辑链路控制 LLC 子层的功能 集中了与传输介质无关的部分 负责数据帧的封装和拆装 为网络层提供网络服务的逻辑接口 IEEE802的标准 1 第一类标准 IEEE802 1A 定义了概述 体系结构 IEEE802 1B 定义了寻址 网络互连和网络管理 2 第二类标准IEEE802 2标准定义了LLC逻辑链路控制子层的服务与功能 3 第三类标准定义了多大16个的不同介质访问控制子层与物理层的标准 IEEE802的标准 IEEE802为局域网中的每一个节点 如 网卡 还规定了一个48位的全局物理地址 即MAC地址 目前 IEEE是世界上局域网全局地址的法定管理机构 负责分配高24位的地址 而低24位由生产厂商自己决定 4 4 2局域网的访问控制方式及分类 介质的访问控制方式定义了通信信道的访问控制方法及安全可靠传输数据的规则 1 介质存取控制 mediumaccesscontrol 在计算机网络上 将传送数据的规则称为 通信协议 protocol 其中与网络传输介质存取控制有关的协议是MAC mediumaccesscontrol 介质存取控制访问方式的分类 1 集中式控制方式 2 分布式控制方式IEEE802 3争用型介质访问控制协议 CSMA CD协议 IEEE802 5确定型介质访问控制协议 Token Ring协议 名为 令牌环 Token Ring定义的介质访问控制技术主要用于逻辑拓扑结构为 环型拓扑 的局域网 目前 应用最为广泛的局域网是以太网 它的核心技术是即CSMA CD方式 分布式控制访问方式的分类 1 争用 型CSMA CD访问方式是基于 争用 的存取方法 这就意味着 局域网上的所有结点按照 先进先服务 的原则争用可使用的带宽 2 定时 型这种访问方法是分配给每个站点一个可采用的带宽片 并确保当时间到来时对局域网进行存取 4 4 3以太网的工作原理和访问控制方法 CSMA CD协议主要用于物理拓扑结构为总线 bus 星型或树型 tree 的以太网中 其使用的是IEEE802 3系列标准 1 载波侦听与多路访问 CSMA 我们把查看信道上有无数字信号传输称为 载波侦听 而把同时有多个结点在侦听信道是否空闲和发送数据 称为 多路访问 2 冲突检测 CD 每个计算机结点上的冲突检测器 如网卡 具备发现冲突和处理冲突的能力 CSMA CD方法 CSMA CD的工作原理可以概括为以下四点 先听后发 边听边发 冲突停止 随机延迟后重发 4 以太网中数据的发送与接收 在以太网中 发送给所有结点的数据被称为 以太帧 帧的首部写明了发送站点 MACA 和接收站点的地址 MACB 如图4 16所示 在A站向B站发送数据帧时 仅当数据帧中的目的地址 MACB 与计算机 MACB 的地址一致时 计算机才会接收 否则 不会接收 并丢弃收到的数据帧 图4 16以太网数据的发送与接收 使用CSMA CD的以太网的工作特点 在低负荷时 响应较快 具有较高的工作效率 在高负荷 结点激增 时 随着冲突的急剧增加 传输延时剧增 导致网络性能的急剧下降 时间不确定 不适合控制型网络 4 4 4令牌环访问控制 TokenRing是令牌传递环 tokenpassingring 的简写 其使用的是IEEE802 5标准 1 令牌环的物理结构令牌环网是将各结点连接成一个环型拓扑结构 也就是将所有连网的计算机 终端和其他外围设备等都通过网卡 环接口 连接到环路上去 参见图4 17 令牌环的工作原理 在图4 17中 显示了算机结点A给结点C发送数据的过程 图4 17令牌环的工作原理 4 令牌环方法的工作特点 令牌环网的工作方式是确定性 顺序和定时的 因此 不会发生冲突 无冲突 时间确定 适合光纤 控制性能好 负荷 在低负荷时 也要等待令牌的顺序传递 因此 低负荷时响应一般 而在高负荷时 由于没有冲突 因此有较好的响应特性 4 5典型局域网的组网技术 局域网的的实用组网技术包括以下4部分 典型以太网组网技术高速局域网组网技术结构化综合布线技术网间互连设备与互连技术 4 5 1设计局域网的基本原则 1 局域网硬件结构设计时应考虑的因素网络拓扑结构和传输介质 2 设计网络拓扑时应考虑的基本原则 分段能力 诊断和故障检测能力 带宽 可管理性确保用户及其应用程序的可靠存取 安全保密和管理的可控性 桥接能力允许附加新的局域网 小型机和大型机接入网络 扩展和维护能力 4 5 2典型以太网概述 1 以太网的发展2 以太网的拓扑结构共享式以太网的逻辑拓扑结构是 总线型 是根据其介质访问控制方式而定义的 其物理拓扑结构有总线 星型 树型 即扩展星型 几种 最常用的是星型拓扑 3 以太网的介质访问控制方式以太网采用了争用型的CSMA CD技术方式 以太网的产品标准与分类 1 低速产品的常见标准符合IEEE802 3标准的以太网络低端产品的传输速率通常为10Mb s 其常用的正式标准有以下3种 10BASE5 10BASE2和10BASET 2 其他以太网标准 100BASE系列 快速以太网 1000BASE系列 千兆位以太网 交换式以太网系列 10Mb s 100Mb s和1000Mb s 以太网的产品标准与分类 3 共享以太网的总结 传输速度 10 100或1000Mb s 介质访问控制方法 CSMA CD 拓扑结构 逻辑拓扑为 总线 结构 物理拓扑为 总线 和 星型 结构 传输类型 帧交换 典型以太网 一般指速率在10Mb s及以下的低速共享式以太网 表4 4以太网的标准 5 以太网的主要设计特点以太网具有较高的传输速率 结构简单 组网灵活 便于扩充 易于实现和低成本等优点 是当前应用最广泛的局域网技术 4 5 3标准以太网 1 粗缆以太网的硬件结构 网卡 收发器 收发器电缆 电缆系统 AUI接口的中继器 用来扩展10BASE5网络的长度及其中工作站 节点 的个数 图4 18 总线 物理拓扑结构的粗缆以太网 粗缆以太网的应用特点 优点是 可靠性高 抗干扰能力强 作用距离长 适用于恶劣环境 缺点是 粗缆线较贵 投资成本较高 安装与维护不太方便 3 粗缆以太网的总结 拓扑结构 逻辑拓扑为 总线 物理拓扑为 总线 介质访问控制方法 CSMA CD 网线类型 RG 11型50 粗同轴电缆 传输速度 10Mb s 最大网络结点数目 300个 每段最大结点数目 100个 最大网段数目 5个 最多使用4个中继器 其中3个网段可以连接工作结点 结点间最小距离 2 5m 最大网络长度 2500m 最大网段长度 500m 4 5 4双绞线以太网 1 共享式双绞线以太网的硬件结构10BASET是在 共享模式 的局域网 它利用3 5或超5类的非屏蔽双绞线 RJ 45接头和集线器连接为物理拓扑结构为 星型 的网络 如图4 19所示 1 集线器 Hub 核心连接设备Hub的主要功能 组网功能 与其他介质连接的功能 信号的强化功能 自动检测与强化 碰撞 信号的功能 故障的检测与处理 图4 19 星型 物理拓扑结构的双绞线以太网 图4 20RJ 45类型的连接器 插座和网卡 10BASET网络的组建方法 1 组建10BASET网络所需的工具 2 标准线和交叉线的制作要点与使用场合 标准线 直通线 两头线序一致 两头均按表4 6规定的TIA EIA568B标准的线序制作 标准线主要用于计算机网卡与Hub 网桥 交换机等网络设备之间的连接 10BASET网络的组建方法 交叉线 跳阶线 两头线序不一致 一头按表4 6中的TIA EIA568B标准制作 另一头按表4 6中的TIA EIA568A标准制作 交叉线主要用于 双机互连 即直接连接两台计算机的网卡 或用于连接集线器的两个普通RJ45口 通常级联没有Uplink口的Hub 双绞线以太网的扩展组网方案 1 独立集线器提供的端口类型 2 多集线器级联结构 级联的目的 是为了组成更大规模的网络 如 在低速10BASET网络中 应遵循5 4 3规则 参见图4 26 级联的方法 使用 标准线 通过集线器上专门的 级联出口 级联入口 进行级联 如图4 21 图4 21使用专用级联口级联的双集线器10BASET网络 图4 22使用Uplink和普通RJ45口级联的双集线器10BASET网络 图4 22使用Uplink和普通RJ45口级联的双集线器10BASET网络 图4 23使用光纤口级联的双集线器10BASET网络 可叠加集线器以太网结构 3 可叠加集线器以太网结构使用可叠加集线器或交换机组建以太网的典型结构如图4 24所示 堆叠的目的 满足大型网络对端口的数量要求 堆叠的条件 只有支持堆叠的设备才能进行堆叠 同型号的设备才能堆叠在一起 堆叠设备的管理 堆叠的一组设备作为一个对象来管理 提供统一的管理模式 可叠加集线器以太网结构 堆叠设备的特点 优点 堆叠后的集线器或交换机可以看成一台设备来使用 缺点 堆叠技术是一种非标准化技术 各厂商的堆叠产品是不能进行混合堆叠的 图4 24集线器 交换机的堆叠结构 10BASET双绞线以太网的应用特点 1 优点 容易检测故障 容易组建 低成本 扩展方便 容易改变网络的布局 允许多种媒体共存 10BASET双绞线以太网的应用特点 2 缺点 对于使用CSMA CD的共享以太网络 随着计算机结点的增加 网络的响应速度会不断下降 并导致网络的性能的急剧下降 网络的中央结点的负荷过重 一旦Hub出现故障 将导致整段或全部网络瘫痪 双绞线的抗干扰能力弱 网络通信线路的利用率很低 5 10BASET双绞线以太网的总结 拓扑结构 逻辑上的 总线 型拓扑结构 物理上的 星型 拓扑结构 网线类型 3 5或超5类非屏蔽双绞线 传输速度 10Mb s 最大网络结点数目 1024个 每段最大结点数目 1个 级联的最大集线器数量 4个 最大网络长度 无最大长度 最大网段长度 100m 4 6高速局域网 4 6 1高速局域网技术概述1 高速局域网基本概念 1 高速局域网一般将数据传输速率在100Mb s以上的局域网称为高速局域网 2 改善网络性能的传统手段 采用 缆段细化 的方法 采用更高速率的局域网 4 6高速局域网 3 当前改善网络性能的手段 交换式 通常是从多缆段所连接的核心设备 将共享式的设备变换为交换式 交换技术从根本上改善了介质的访问方式 废除了 竞争 的访问方式 采用了各个结点间的并发 多连接交换链路 其他技术 通过软件与硬件的结合 可以更大地提高网段的性能 如 引入虚拟局域网 VLAN 或IP子网技术 重新划分冲突域和广播域 极大的提高网段的传输性能 提高安全性和可管理性 提高网络性能的几种常用解决方案 提高传输速率 增加绝对带宽 采用网络分段 通过网桥 交换机和路由器等隔离子网之间的通信量 使网络性能改善 将 共享式局域网 变化为 交换式局域网 替换核心设备 改变技术 采用更先进的技术 新的技术层出不穷 例如 采用ATM交换技术的局域网 又如 在交换式以太网中采用的VLAN和IP子网划分技术 常见高速局域网的标准和主要参数见表4 7 在众多高速网络技术中 应用最多的还是以太网技术 其最大优点就在于它不断的发情及兼容和扩展能力 当用户提出新的要求时 都可以找到增强型的现有标准 或者是新的以太网标准 因此 新的网络可以在改动很小的情况下进行扩展 这就是所谓的平滑过度 无缝升级 4 6 2共享式快速以太网 1 100BASE快速以太网的结构10BASET类似 只是其中心控制设备为100Mb s的共享式集线器 根据所使用的传输介质的不同 已经制定了以下3个标准 其主要参数参见表4 8 2 100BASE快速以太网技术标准快速以太网是在10base T双绞线以太网基础上发展起来的一种以太网 该标准与IEEE802 3 10BASET 的协议和数据帧结构基本相同 仅仅是速度上的升级 采用物理的星型拓扑结构 以及逻辑的 总线 拓扑结构 4 6 2共享式快速以太网 1 与10Mb s以太网的相同之处 采用相同的介质访问控制方式 即CSMA CD协议 采用相同的数据传输的帧格式 相同的组网方法 同样的低成本 易扩展性能 2 与10BASET的不同之处 快速以太网将每个比特的发送时间降低到10ns 工作频率不同 物理层所支持的传输介质和信号编码方式不同 快速以太网采用的MII mediaindependentinterface 介质独立接口将MAC子层与物理层分隔开来 使得物理层在实现100MB S速率时介质和信号编码的变化不会影响到MAC子层 所以MII也被称为介质无关接口 图4 25100BASET 802 3u 示意图 快速以太网技术在介质访问控制层MAC都使用了CSMA CD协议 在物理层上支持100bace T等3种不同的物理层协议 在MAC子层和物理屋之间 使用了独立介质接口MII进行隔离 使用了多种传输介质 这样可以在不改变网络布线 网络管理 检测技术及网络软件的情况下直接兼容到快速以太网中 100BASETX组网的技术特点 100BASETX可以看成是10BASET的直接升级 它保留了100base T的基本特征 MAC子层与物理层的之间采用了与介质无关的MII接口 介质访问控制方式仍然为CSMA CD 组网技术关键如下 10BASET最多可以使用4个中继器或集线器连接5个100m长的网络段 如图4 26所示 而100BASETX只允许使用两个 而且两个中继器或集线器之间的最大连接长度不能超过5m 如图4 27所示 因此 当端口不足时 应采用可堆叠Hub 图4 2610BASET级联示意图图4 27100BASET级联示意图 100BASET4组网的技术特点 100BASE高速以太网具有较高的带宽 因此 可以用它作为小型局域网的主干网络 这样可以实现与现有的10Mb s以太网络的无障碍连接和集成 或者与交换式以太网结合 提高网络性能 消除网络传输中的瓶颈问题 4 6 3千兆位以太网 1 千兆位以太网标准的推出局域网技术日新月异 我们经历了10Mb s传统共享以太网 100Mb s快速以太网 100Mb s高速交换式以太网等多个发展阶段 在1998年6月IEEE正式推出了1000Mb s以太网的解决方案 千兆位以太网是现有IEEE802 3标准的扩展 它采用的标准是IEEE802 3z 如图4 28所示 图4 28IEEE802 3z千兆位以太网协议结构 使用1000Mb s技术组建网络时 与原有10Mb s或100Mb s网络的联系与区别如下 1 与10 100BASET的相同之处 相同的组网方法 半双工通信时 采用的介质访问控制方式与传统以太网类似 即CSMA CD协议 同样的低成本 易扩展性能 2 与10 100BASET的不同之处 千兆位以太网将每个比特的发送时间由10BASET时的100ns降低到1ns 千兆位以太网采用GMII 千兆位介质专用 接口 将MAC子层与物理层分隔开来 介质和信号编码的变化不会影响到MAC子层 千兆位以太网使用的物理层标准 千兆位以太网的应用结构与技术特点 1 千兆位以太网的重点应用该标准的重点是发展以光纤为传输介质的高速网络 2 千兆位以太网的典型应用结构目前 主要在主干网上采用千兆以太网技术 在中小型网络上很少彩 人们通常采用千兆位以太网组建校园或企业的主干网络 企业级采用速率为1000Mb s千兆以太网作为主干网 部门采用速率为100Mb s快速共享或交换式以太网 桌面采用速率为10Mb s的共享或交换式双绞线以太网 图4 29千兆位以太网交换机作为企业网主干网的组成结构 3 千兆位以太网中使用的主要网络产品 1 千兆位以太网共享集线器 常见的是10 100 100MB S的集线器 仅用于半双工格式 网络最大直径为200M 2 千兆位以太网交换机 交换机对于大中型网络来说是主要的网络转接设备 千兆交换机采用全双工和半双工两种介质访问控制方式 全双工通信不存在信道竞争的问题 半双工通信时适用于共享介质的连接 3 千兆位以太网网卡主要作用是将服务器接入网络 4 千兆位中使用的传输介质 光纤 铜缆 UTP 5 千兆位以太网支持IEEE802 1QVLAN 提供灵活的网络分段功能 提高网络性能 效率和安全性能等 4 6 4交换式以太网技术特点 1 交换式以太网的结构交换式以太网是在10 100BASET双绞线以太网基础上发展起来的一种高速网络 其组网技术与100BASETX类似 但是 其关键的核心设备使用的是以太网的交换机 switch 又称为 交换式集线器 参见图4 30 图4 30独立交换式以太网的结构与工作原理 交换机的基本概念和工作原理 1 工作原理 2 交换机的实际作用交换机在实际中的作用主要有3点 第一 组网 即作为连接终端设备的各种节点计算机和设备 交换机或集线器 参见图4 31 第二 通过学习过滤功能依据 转发表 转发数据帧 第三 自动维护交换机的 转发表 图4 31交换式与共享式以太网组网的结构及MAC地址转发表 交换机的应用特点 优点是 通过增加冲突域的个数 减小冲突域的范围 使得原有的共享网络进行分段 以实现改善和提高网络性能的目的 缺点是 这层设备转发所有的广播数据 由于其不能过滤广播信息 因此就不能控制广播风暴 但具有VLAN功能的交换机除外 交换机的应用特点 3 冲突域和广播域的数量交换机是端口冲突域和传播所有的广播信息的设备 因此 使用第2层交换机互连的网络处于多个冲突域和同一个广播域 例如 图4 31所示的网络中的8口交换机上 连接有3个结点时 其冲突域为3个 而广播域只有一个 共享式与交换式以太网的区别 1 共享 与 交换 设备的带宽区别 2 核心设备的区别 3 通信方式的区别 4 拓扑结构的区别交换式网络的逻辑拓扑结构和物理拓扑结构均为 星型 结构 交换机端口参数和类型 单 多MAC地址 专用端口和共享端口 端口密度 高速端口 管理端口 其他连接端口 背板带宽 交换机的分类 1 按照外型分类 分为以下3类 独立型式 独立型交换机 集线器 的外型如图4 32所示 堆叠式 堆叠式交换机 集线器 如图4 33所示 模块式 模块化交换机 集线器 如图4 34所示 6 交换式以太网的特点 充分保护原有低速以太网的大部分投资 实现多对用户之间的的并行通信 每对用户通信时可以独占网络带宽 可将原来超载的网络进行分割 或者是在原有基础上 扩展新的主干网 可以提高网络的性能 可以支持广泛的传输介质 如3 5 超5类UTP STP 同轴电缆和光纤等 交换机的分类 1 按照外型分类 4 6 5从共享式以太网升级为交换式以太网的方法 1 设计交换式快速以太网的主要步骤 交换式快速以太网 只要采用带有10 100Mb s端口的100BASE交换机 就可以实现从10BASET共享式以太网到100BASET交换式网络的直接升级 2 共享式网络提升为交换式网络的硬件条件 1 购买核心设备 交换机 2 购买和更换网卡 3 购置 更换和制作网线3 消除原来网络的网络瓶颈网络的瓶颈为速度 带宽 容量需求较高的高性能结点或交换机的上下级的级联接口 4 6 6共享式与交换式以太网的实用组网方案 1 利用10 100Mb s交换机与原有的10BASET以太网用户组网2 利用10 100Mb 和10Mb s交换机组建单位网络 将网络服务器连入上层交换机的100Mb s口 将其中的集线器改换为10Mb s交换机 尽可能多地将有固定带宽要求的高性能工作站接入交换机而不是集线器 4 6 6共享式与交换式以太网的实用组网方案 利用带有部分100Mb s端口的交换机与原有的快速以太网用户组网 此方案与图4 31类似 只是将所有的100Mb s集线器更换为100Mb s交换机 利用一个或多个100BASET交换机和多个100BASET共享式集线器组网 参见图4 35 利用100 1000Mb s和多个100BASET交换机组网 100 1000Mb s三层交换机 以及多个100BASET交换机级联成两层交换式网络 参见图4 36 图4 35多个100Mb s交换机组和100Mb s共享式集线器组网示例 图4 36二级交换式以太网划分子网后的组网示例 4 7虚拟局域网 4 7 1虚拟局域网概述虚拟局域网是指在逻辑上将一个物理的局域网划分为多个不同大小的逻辑子网 每一个逻辑子网就是一个单独的广播域 1 虚拟局域网的基本概念 1 什么是虚拟局域网VLAN VLAN是建立在交换机或路由交换机基础上 通过网络管理软件构建的 可以跨越不同网段 不同网络 如ATM FDDI和100 1000BASE 的逻辑网络 2 VLAN使用的技术标准 IEEE802 1Q 4 7虚拟局域网 3 VLAN的分类与技术基础帧交换和基于ATM机的信元交换两种 4 VLAN的适用场合在几百台乃至上千台电脑构成的大中型局域网中 划分和建立虚拟局域网 是十分必要的 因为虚拟局域网能够有效地隔离广播风暴 建立VLAN时的技术条件 1 硬件条件具有VLAN功能的局域网交换机 以太网交换机或ATM交换机 2 软件条件VLAN交换机还应当具有相应管理软件的支持 3 虚拟局域网的功能特点 1 使用VLAN技术具有以下优点 提高网络性能 简化网络管理 能够控制广播风暴 能够提高网络的整体安全性 3 虚拟局域网的功能特点 2 使用VLAN技术的缺点 在使用MAC地址定义VLAN的技术中 必须进行初始配置 端口划分VLAN成员的方法时 用户从一个交换机的端口移动到另一个端口时 网络管理员必须对VLAN的成员重新配置 需要专职的网络管理员和必要的专业技术支持 4 7 2虚拟局域网实现的基本原则 尽量使用同一厂家的VLAN的交换机 尽量使用支持VLAN的交换机 并且尽可能多地将计算机接入交换机的端口 而不是集线器或路由器的端口 尽量使用第3层交换机来取代传统的路由器 整个网络成为如图4 29所示的树型结构以保证整个网络的层次性 以及VLAN的物理连通性 应根据需求选择交换机 通过交换机相应的软件将整个交换网络划分为多个VLAN 无论每个VLAN上计算机的物理位置如何 都可以划分在一个逻辑工作组内 4 7 3虚拟局域网划分的基本方法 1 基于交换机端口划分的VLAN这种划分是把一个或多个交换机上的几个端口划分一个逻辑组 这是最简单 最有效的划分方法 基于交换机端口划分的VLAN如下图4 37所示 按端口划分的VLAN特点 1 优点端口划分方法的配置过程简单明了 2 缺点一个用户从一个端口所在的虚拟网移动到另一个端口所在的虚拟网时 网络管理员必须重新进行设置 2 基于MAC地址划分的VLAN基于MAC地址划分VLAN就是以网卡的MAC地址来决定隶属的虚拟网 如图4 38 2 基于MAC地址划分的VLAN 1 优点 方便网络用户的物理位置的移动 2 缺点 在大型网络中 初始工作量非常大 图4 38按MAC地址划分的VLAN 基于网络层地址划分VLAN 基于网络层地址划分的VLAN就是以根据网络设备的网络层地址来确定的VLAN成员 参见图4 39 1 优点用交换机的VLAN来取代路由器的子网 不用更改配置 方便网络节点的随意移动 有利于建立基于某种服务或应用的VLAN 2 缺点不同VLAN之间的连接 仍需使用路由器来实现 此外 第三层交换机比第二层贵很多 图4 39按网络层地址 IP地址 划分的VLAN示意图 交换机工作在OSI模型的层次越高 设备的智能化程度就较高 划分也就越灵活 管理就越简单 所支持设备的价格就越贵 速度就越慢 4 8无线局域网 WLAN 4 8 1WLAN的概述WLAN主要是作为有线局域网络的延伸和扩展 1 WLAN的基本概念WLAN以无线介质 多址信道 作为传输介质 提供的功能与传统有线局域网类似 2 WLAN的特点具有易安装 易扩展 易管理 易维护 高移动性 保密性强 抗干扰等特点 其最大的特点为灵活 WLAN使用户能够实现随时 随地 随意的接入网络 使用网络中的资源与服务 4 8无线局域网 WLAN 3 WLAN的传输方式 目前无线网采用的传输媒体主要有 无线电波 与 红外线 两种 在采用无线电波做为传输媒体的WLAN中 依调制方式不同 又可分为 扩展频谱方式 与 窄带调制方式 两种 4 8 2WLAN的标准与发展 1 WLAN标准涉及的层次WLAN标准主要是针对物理层和MAC子层制定的 涉及所使用的无线频率范围 接口 通信协议等技术标准的细节 2 WLAN中的介质访问控制在MAC子层 采用了CSMA CA 载波侦听多路访问 冲突避免 协议与以太网的CSMA CD 协议相似 但是 在WLAN中 由于信号的覆盖范围有限 冲突的检测却难以实现 采用了有别于以太网的冲突避免机制 IEEE802标准 1 IEEE802 11 2 IEEE802 11b 3 IEEE802 11a 4 IEEE802 11g 5 IEEE802 11i由于WLAN存在着安全性较差的缺点 为了提高安全性 IEEE标准化组织又制定了IEEE802 1x和IEEE802 11i 4 8 3无线局域网的拓扑结构 无线局域网的拓扑结构分为无中心的对等式拓扑和有中心的基本模式拓扑 1 无中心拓扑结构无中心拓扑是按照对等模