《计算机网络》PPT电子课件教案-第三章 局域网.ppt

第三章局域网 3 1局域网概述3 1 1局域网的定义和特性ieee的定义 局域网络中的通信被限制在中等规模的地理范围内 例如一幢办公楼 一座工厂或一所学枚 能够使用具有中等或较高数据速率的物理信道 且具有较低的误码率 局域网络是专用的 由单一组织机构所利用 其主要特征是 1 网络范围较小 最大不超过25km 2 传输速率较高 一般为10 100mbit s 甚至到10gbit s 3 误码率低 一般为10 8 10 11 最好可达10 12 4 结构简单 容易实现 5 一般采用方便的分布式传输控制方式 3 1 2局域网的分类和结构 1 局域网的分类 1 按网络拓扑结构分类 总线型局域网 星型 局域网 环型局域网 2 按局域网的配置划分 对等局域网 客户 服务器局域网 3 按局域网传输媒体类型划分 有线局域网 无线局域网 4 按局域网基本工作原理划分 共享媒体局域网 交换局域网 虚拟局域网三种 1 对等局域网对等网络是把联网的计算机组成工作组 并且连入网内的各计算机的地位是平等的 没有服务器 也没有提供像以服务器为中心的网络那样的安全恃性 用户只能简单地通过网络在独立的同级系统间共享资源 对等局域网的基本结构 2 客户 服务器局域网在网络中设置一台或多台服务器 用于控制和管理网络 或建立特殊的应用 可根据用户规模建立单服务器网络 多服务器网络 多服务器的高速干线网络 单服务器网络基本结构 多服务器网络基本结构 多服务器高速干线网络基本结构 ieee802委员会现有16个分委员会 共同构成了802体系结构 其制订的标准有 1 802 1 a 概述 体系结构 2 802 1 b 寻址 网络管理 网间互联及高层接口 3 802 2 逻辑链路控制 高层协议与任何一种局域网mac子层的接口 4 802 3 csma cd 定义csma cd总线网的mac子层和物理层的规范 5 802 4 令牌总线网 定义令牌总线网的mac子层和物理层的规范 6 802 5 令牌环形网 定义令牌环形网的mac子层和物理层的规范 7 802 6 城域网man 定义城域网的mac子层和物理层的规范 8 802 7 宽带技术 9 802 8 光纤技术 10 802 9 综合语音数据局域网接口 lan isdn 11 802 10 可互操作的局域网安全规范 sils 12 802 11 无线局域网 13 802 12 优先级高速局域网 100vganylan 14 802 14 电缆电视 cable tv 15 802 15 无线私人网 wpan 16 802 16 宽带无线访问标准 2 局域网的拓扑结构常见的局域网拓扑结构主要分为总线形 环形与星形结构三种 总线形局域网的拓扑结构 环形局域网的拓扑结构 星形局域网的拓扑结构 3 2以太网 以太网 ethernet 最初是美国施乐公司与斯坦福大学合作 于1975年设计并实现的一种小型机局域网络 因为在历史上曾认为电磁波是通过 以太 来传播的 因此 该系统就以 以太 来命名 现在的以太网数据传输速率已经达到每秒吉比特甚至10吉比特 3 2 1以太网的层次结构 20世纪80年代初期 美国电气与电子工程师学会ieee802委员会首先制订了以太网的体系结构 即著名的802参考模型 许多802标准现已成为iso国际标准 3 2 1以太网的层次结构 局域网802参考模型与osi rm的对比 物理层的主要功能 1 信号的编码与译码 2 为进行同步用的前同步码的产生和去除 3 比特的传输与接收 有关接入各种传输介质的问题都属于mac子层 其主要功能是 1 负责物理层上的无差错的通信 2 将上层传递下来的数据封装成帧进行发送 接收时进行拆封 3 实现和维护mac协议 4 比特差错检测 5 寻址 与介质无关的部分都集中在逻辑链路控制子层 其主要功能是 1 建立和释放数据链路层的逻辑链接 2 提供与高层的接口 3 差错控制 4 给帧加上序号 3 2 2以太网的帧格式 总线网使用的帧结构有两种标准 一个是802 3标准 另一个是dixethernetv2以太网标准 ieee802 3和以太网的帧结构 两种标准的区别就在第5个字段 2字节 在802 3标准中 这个字段是长度字段 它指出后面的数据字段的字节长度 数据字段就是llc子层交下来的pdu 在以太网的v2标推中 这个字段是类型字段 它指出llc的上层使用的是什么协议 1 前导码 包含了7个字节的二进制 1 和 0 间隔的代码 2 帧首定界符 sfd 它是一字节的10101011二进制序列 3 目的地址 da 它指明帧发往目的地的地址 共6字节 4 源地址 sa 指明发送该帧的站地址 与da一样占6字节 5 类型 长度 占2个字节 为了使两种帧能够兼容 解决办法是 若该数值小于mac帧的数据字段的最大值1500 字节 则该字段表示mac帧的数据字段长度 若该数值大于0600h 该字段表示类型 按以太网帧结构处理 6 数据 data 数据区长度可变 从46字节到1500字节之间 对于46字节的最小数据是一个特殊帧 目的是能使局域网上的所有的站都能检测到这个最小帧 14b帧头 46b数据 4bcrc 64b 小于46字节用0填充 7 帧校验序列 fcs 共4个字节 它是32bit冗余校验码 crc 3 2 3以太网的工作原理 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监听多路访问 csma cd carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection 方法 csma cd的发送流程可以简单地概括为四点 先听后发 边听边发 冲突停止 随机延迟后重发 3 2 3以太网的工作原理 csma cd的工作原理 csma cd可以选用三种坚持算法 1 非坚持方式 2 1坚持方式 3 p坚持方式作为ieee802标准的是1坚持方式 为了确保退避保持稳定 ieee802标准和以太网采用了一种叫二进制指数退避的技术 二进制指数退避算法 当冲突发生后 时间被分成离散的时隙 时隙长度等于在传输媒体上来回传输的时间 根据8o2 3标准中规定的最大长度 时隙长度为512比特时间即51 2 s 一般而言 i次冲突后 等待的时隙数从0 2i 1中随机选出 但是 如果冲突次数达到10次后 随机等待的最大时隙数固定为1023 在16次冲突后 站点放弃传输 并报告一个错误 3 2 4以太网的物理层 网卡的功能主要有三个方面 数据的封装与解封 链路管理 编码和译码 在802 3标准中对传输系统的要求做了详细的规定 例如 在任意两个站之间最多可以有三个同轴电缆段 802 3标准还规定 接到转发器的点到点链路的总长度不能超过1000m 在星形以太网中 常使用一种可靠性非常高的设备 集线器 hub 集线器的特点有 1 在逻辑上仍是一个总线网 各工作站仍然共享逻辑上的总线 而使用的还是csma cd协议 2 有多端口 3 每个端口都具有发送和接收数据的功能 4 采用了专门的芯片 进行自适应串音回波抵消 3 3交换式以太网 3 3 1交换式以太网产生的背景交换式以太网具有以下优点 1 技术是基于以太网的 而以太网技术成熟 应用广泛 2 交换式以太网不需要改变网络其他硬件 包括电缆和用户的网卡 仅需要用交换机替代共享式hub 节省用户网络升级的费用 3 3交换式以太网 3 3 1交换式以太网产生的背景 3 在高速与低速网络间转换 实现不同网络的协同 4 同时提供多个通道 比传统的共享式集线器提供了更多的带宽 5 在时间响应方面具有明显优点 使得局域网交换机备受青睐 3 3 2以太网交换机的工作原理 以太网交换机工作原理 3 3 3以太网交换机的交换方式 存储转发方式 它把输入端口的数据包先存储起来 然后进行crc检查 对错误包处理后才取出数据包的目的地址 通过查找双向表连接到输出端口 最后送出包 3 3 3以太网交换机的交换方式 直通方式 它在输人端口检测到一个数据包时 检查该包的包头 获取包的目的地址 启动内部的动态双向表查找到相应的输出端口 在输入与输出交叉处接通 把数据包直通到相应的端口 实现交换功能 3 3 4局域网的第三层交换技术 第三层交换技术就是将第二层的交换机与第三层的路由器合二为一 使路由器根据第二层的地址转发数据包以达到快速通讯的目的 由此产生的第三层交换机可以称之为路由器 因为它可操作在网络协议的第三层 是一种路由理解设备并起到决定路由的作用 也可称之为交换机 因为它的速度极快 几乎达到第二层交换的速度 3 4高速局域网 3 4 1快速以太网ieee802 3的补充标准即802 3u 称之为快速以太网 fastethernet 标准 保留802 3帧格式和csma cd协议 只是将数据传输速率10mbit s提高到100mbit s 相应的位时从100us减小到10us 快速以太网有三种不同的物理层标准 1 100base tx 2 100base t4 3 100base fx 3 4 2千兆比特以太网 千兆比特以太网是ieee802 3以太网标准的扩展 编号为802 3z 其数据传输率为1000mbit s 1gbit s 也称吉比特以太网 千兆比特以太网基本保留了原以太网mac子层的csma cd协议 但它对csma cd协议进行了一些改动 增加了一些新的特性 千兆比特以太网可以采用四种传输介质 其物理层标准及其传输特性如表 3 4 2千兆比特以太网 3 4 310千兆比特以太网 速率为10gbit s的10千兆比特以太网技术标准ieee802 3ae于2002年正式公布 10千兆比特以太网只用光纤作为媒体 并且只在全双工模式下运行 这就是说 10千兆比特以太网将不再使用csma cd协议 ieee为10千兆比特以太网建立了两个独立版本的物理层标难 即局域网物理层标准和广域网物理层标准 3 4 4fddi fddi fiberdistributeddatainterface 是美国ansix3t9 5委员会于1982年制订的网络标准 随后被iso通过为国际标准iso9314 它是以成熟的ieee802 5令牌环网技术为基础 开发出的一种反向双环结构的网络体系 以光纤为传输介质 用改进的令牌技术 能够同时进行多数据帧的传输 扩大了带宽利用率 达到大容量数据传输的目的 fddi的主要特性有 1 使用基于ieee802 5令牌环标准的令牌mac协议 2 使用802 2llc协议 因而与802局域网兼容 3 利用多模光纤进行传输 采用具有容错能力的双环拓扑结构 4 数据帧长4500字节 数据传输速率为100mbit s 波特率为125mbaud 5 支持1000个物理连接 若都是双连接站 可以连接500个站 6 最大站间距离2km 环路长度100km 7 具有动态分配带宽能力 能同时提供同步和异步数据服务 3 5虚拟局域网 3 5 1vlan概述虚拟网络 virtualnetwork 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 vlan示意图 要实现vlan技术 需要具备以下条件 1 具有能够将所连接的客户站进行逻辑分段的高性能交换设备 2 提供在主干网 如高速以太网 atm fddi 上传输vlan信息的通信协议 3 提供vlan间通信的第3层路由解决方案 4 满足已安装的lan系统的兼容性和互操作性 5 提供集中控制 配置和流量管理功能的网管方案 3 5 2vlan的交换方式 vlan技术有三种交换方式 端口交换 帧交换和信元交换1 端口交换端口交换是把端口配置到一个或若干个通过背板连接的共享hub上 形成若干个独立的有端口组合的共享网络段 利用一种称为端口交换的设备 在一个或几个通过背板连接的端口交换模块上通过软硬件的控制和管理把交换模块上的所在端口划分成若干个共享式的互相独立的vlan 2 帧交换帧交换是指lan ethernet tokenring fddi 交换机的每一个端口能够提供一个独立的共享网络端口 在此端口既可以连接共享hub 也可以连接单独的一个客户站 在一个端口接收到的帧并正确地转发到输出端口上 在寻找路由和转发时 帧不会被破坏 3 信元交换这种vlan方式的核心是由一个或者多个互连的atm交换机组成 它是在atm交换机上实现信元交换 与帧交换不同的是 从atm交换机端口上接收到信元后 正确的转发到输出端口 3 5 3vlan的划分 1 按交换端口号2 按mac地址3 按第3层协议4 使用ip组播5 基于策略 3 5 4vlan帧的传递 vlan成员信息的传递的关键要解决多个交换设备互联时之间的协调问题 信息的传递方式有隐式和显式两种 一般隐式传递方式的vlan适用于单个交换设备上通过对端口进行分组的方法所定义的vlan 对于按第3层协议所定义的vlan符合隐式传递方式 此种方式的特点是vlan成员信息包含报文的头部 3 5 4vlan帧的传递 从具体技术上看 显式传递方式包括 1 atmlan仿真外 2 信令支持的列表维护方式 tablemaintenanceviasignaling 3 帧标记方式 frametagging 4 时分复用方式 tdm 3 5 5vlan的配置 1 静态端口分配静态vlan指的是网管人员静态地分配交换设备的一组端口给每一个vlan 此种分类可以借助于网管软件完成或直接在交换设备中进行配置 分配好之后这些端口将保持其vlan配置直至被修改为止 3 5 5vlan的配置 静态端口分配 2 动态端口分配动态vlan端口分配指的是交换设备上那些能够在智能管理软件的帮肋下自动地进行其vlan端口的分配方式 一般是根据站点的mac地址 逻辑地址或协议类型来划分的 这些划分的信息将被输入到一个集中式管理软件内并在那里进行维护 动态端口分配 3 多vlan端口分配多vlan端口配置可以使得单个交换端口或用户能同时参与到多个vlan中进行通信 这种能力对于那些提供多个不同的工作组共享的服务器或能够属于多个不同的工作组的用户而言无疑是很方便的 多端口vlan配置 3 5 6vlan间的路由与通信 1 边界路由边界路由指的是将路由功能包含在位于主干网络边界的每一个lan交换设备中 此时vlan间的报文将由交换设备内在的路由能力进行处理 从而无需再将其传送至某个外部的路由器上 数据的转发延迟因而也将得以降低 3 5 6vlan间的路由与通信 2 独臂 路由器这种路由器一般接在主干网上的一个交换设备上 以使得网络中的大部分报文在通过主干网时无需通过路由器进行处理 独臂 路由器 3 路由服务器 路由客户机在路由服务器方式下 vlan间的报文将被缓存在主干网边界的vlan交换设备中 交换设备同路由服务器之间所交换的仅仅是为建立跨越主干网的lan交换设备之间的连接而必须交换的信息 路由服务器 4 atm上的多协议路由mpoa的目的是给可能属于不同路由子网的多个用atm网络连接的设备提供直接的虚拟连接 也就是说 mpoa将使得多个同于不同elan的站点通过atm网络直接进行通信 而不需要经过一个中间的路由器 其中elan可以看成是一种形式的vlan 它是在atm网络环境下用lan仿真标准建立起来的 5 第三层交换技术第三层交换有的技术方案本身就是一个带有路由功能的交换机 特别是基于智能可编程asic技术的第3层交换机 它既包括了第二层和第三层的交换功能 而且还具备路由寻址功能 3 5 7vlan的协议和标准 目前第三层上实现的vlan往往是基于internettcp ip的组播传送技术及相应的协议 其中涉及的技术和协议如下 1 ip组播地址确定 2 igmp 3 mbone internetmulticastbackbone 4 dvmrp distancevectormulticastroutingprotocol 而在mac层上vlan实现的标准最有代表性则为 ieee802 1q 3 5 8vlan的功能 1 提高管理效率2 控制广播数据3 增强网络安全性4 减少站点的移动和改变开销5 实现虚拟工作组6 基于服务的vlan 3 6无线局域网 3 6 1无线局域网概述无线局域网常用的实现技术有 红外数据协会推出的irda 家用射频工作组提出的homerf bluetooth 蓝牙 美国的802 11协议 欧洲的hiperlan2等 3 6 2无线局域网的组成 无线局域网的组成 3 6 3无线局域网的物理层 无线局域网 wlan 的物理层主要由所使用的无线频段及调制方式而定 目前使用的无线频段主要有亚微波 1ghz 3ghz 亚毫米波 10ghz 30ghz 红外线等 3 6 3无线局域网的物理层 无线局域网传输媒体比较 除了传播特性之外 采用怎样的调制方式将影响物理层的构成内容 例如当采用无线电波做传输媒体时 常用的调制方式有扩频调制方式与窄带调制方式两种 无线局域网传输媒体比较 除了传播特性之外 采用怎样的调制方式将影响物理层的构成内容 例如当采用无线电波做传输媒体时 常用的调制方式有扩频调制方式与窄带调制方式两种 无线局域网传输媒体比较 3 6 4无线局域网的mac子层 802 11工作组考虑了两种mac算法 一种是分布式的访问控制 就像以太网一样 用载波监听的方法来将访问介质的决定分布到每个站点 另一种算法就是集中式访问控制 由一个中央的决定者来协调访问要求 3 6 4无线局域网的mac子层 802 11的最后决定是一个叫做dfwmac 分布式基础无线网mac 的mac算法 它提供了一个分布式访问控制机制 有一个在此基础之上的集中式控制选项 mac层的低层是分布式协调功能 dcf pcf建立在dcf的顶部 1 分布式协调功能dcf子层使用简单的csma算法 不包括冲突检测功能 例如csma cd dcf包含了一系列的延时来实现优先级机制 先考虑一个叫做帧间空隙的简单延时 ifs dcf使用了3种ifs值进行优化 它可以提供基于优先级的访问控制 1 sifs 短ifs 2 pifs 点协调ifs 3 difs 分布式协同ifs 使用ifs的csma访问规则如下 1 欲发送的站点先监听媒体 如果媒体空闲 它就再等待一段相当于一个ifs的时间 看媒体是否依然空闲 如果是 这个站点就可以立即发送 2 如果介质忙 不管是在站点开始监听时发现媒体忙 还是在ifs时间内发现媒体忙 站点就推迟自己的传输而继续监听 直到当前传输完毕 3 一旦现在的传输完毕 站点再延迟一个ifs 如果媒体在此时间内