第4章-局域网、城域网和广域网-76.ppt

通信专业实务 互联网技术 第4章局域网 城域网和广域网 1 contents 2 局域网的概念 P54 局域网是将分散在有限地理范围内的多台计算机通过传输介质连接起来的通信网络 通过功能完善的网络软件 实现计算机之间的相互通信和资源共享 决定局域网网络特性的主要技术有三个 用于传输网络数据的传输介质用于连接网络各种设备的网络拓扑用于共享资源的网络介质访问控制方法局域网可以分为两类 共享介质局域网交换式局域网 3 IEEE802结构关系与局域网标准图 4 IEEE802参考模型与OSI参考模型的对应关系 5 局域网的基本组成 P55 计算机传输介质 包括各种电缆 光纤和双绞线等网络适配器 俗称 网卡 是一块网络接口电路板 每一台上网的服务器或工作站上都必须装上这种适配器 才能进行网络通信 实现网络存取网络连接部件 中继器 集线器 网桥 路由器 网关等网络操作系统 6 局域网的特征 P56 网络覆盖范围较小数据传输速率较高传输质量好 误码率低介质访问控制方法相对简单软硬件设施及协议方面有所简化 有相对规则的拓扑结构 7 局域网的拓扑结构 P56 星型总线型环型混合型 8 计算机网络拓扑的概念 计算机网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构 反映出网络中各实体间的结构关系 拓扑设计是建设计算机网络的首步 也是实现各种网络协议的基础 它对网络性能 系统可靠性与通信费用都有重大影响 9 星型拓扑结构 星形拓扑是将网络中的所有计算机都以点到点的方式连接到某一中央设备 交换机 集线器 上 该中央设备完成网络数据的转发 优点 传输速度快 网络构形简单 建网容易 便于控制和管理 缺点 网络可靠性低 网络共享能力差 一旦中心节点出现故障则导致全网瘫痪 10 总线型拓扑结构 网络是将各个节点设备和一根总线相连 网络中所有的节点设备都通过总线进行信息传输 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 因此会出现 冲突 11 总线型局域网中的 冲突 总线型拓扑结构优缺点 优点 网络简单 灵活 可扩充性能好 可靠性高 响应速度快 共享资源能力强 成本低 安装使用方便 当某个工作站节点出现故障时 对整个网络系统影响小 缺点 实时性较差 13 环型拓扑结构 网络中各节点通过一条首尾相连的通信链路连接起来的一个闭合环形结构网 结构较简单 系统中各工作站地位相等 优点 网络中的信息按固定方向单向传输 系统中无信道选择问题 如某个工作站节点出故障 此工作站节点就会自动旁路 不影响全网的工作 可靠性高 缺点 便于扩充 系统响应延时长 信息传输效率较低 14 混合型拓扑结构 由多种类型网络拓扑组合而成的网络 15 contents 16 数据链路层划分 P58 数据链路层划分为两个子层 逻辑链路控制 LogicalLinkControl LLC 子层介质访问控制 MediaAccessControl MAC 子层 17 不同的MAC 相同的LLC 18 LLC子层 构成了数据链路层的上半部 与网络层 MAC子层相邻LLC在MAC子层的支持下向网络层提供服务 可运行于所有802局域网协议之上的数据链路层协议被称为逻辑链路控制LLC LLC子层与传输介质无关 它独立于介质访问控制方法 隐藏了各种802网络之间的差别 向网络层提供一个统一的格式和接口 LLC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 19 MAC子层 MAC构成了数据链路层的下半部 直接与物理层相邻MAC子层主要制定管理和分配信道的协议规范 换句话说 就是用来决定广播信道中信道分配的协议属于MAC子层 MAC子层是与传输介质有关的一个数据链路层的功能子层 它的主要功能是进行合理的信道分配 解决信道竞争问题 在共享介质局域网中 为了实现对多结点使用共享介质发送和接收数据的控制 人们提出了很多种介质访问控制方法 目前 被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法有 带有冲突检测的载波侦听多路访问方法 令牌环方法和令牌总线方法等 20 介质访问控制方式的划分 P61 根据介质访问控制权的归属集中式 选择某个节点 它可以授权访问网络分布式 所有节点平等地参与决定传输顺序根据各节点可用通信流量的分配方式同步方式 每个连接都被分配以一定的传输带宽 不适用于LAN异步方式 根据实际情况为各节点分配传输带宽 循环式 每个站点按一定的顺序传递发送权限 每个站点都有发送数据的机会预约式 将介质上的时间划分为许多时隙 某个站点要发送数据 需提前预约时隙竞争式 各个站点自由竞争发送机会 21 集中式的优缺点 优点可以提供高级功能 如优先级控制单个节点的访问逻辑简单没有分布合作 可靠性好缺点网络依赖控制节点控制节点会成为性能瓶颈分布式控制的优缺点相反 22 分成MAC LLC两个子层的好处 局域网可采用多种传输介质与拓扑 相应地介质访问控制方法就有多种 将数据链路层分成两个子层 只要设计合理 使得MAC子层向上提供统一的服务接口 就能将底层的实现细节完全屏蔽掉 即 不同的物理网络 物理层与MAC子层不同 而LLC子层相同 网络的上层协议可运行于任何一种IEEE802标准的局域网上这种分层方法也使得IEEE802标准具有良好的可扩充性 可以很方便地接纳新的介质与介质访问控制方法 23 contents 24 以太网 P62 以太网 Ethernet 是应用最为广泛的局域网 符合IEEE802 3系列标准规范采用CSMA CD方法来解决多结点如何共享公用总线传输介质的问题 25 CSMA CD机制 P64 载波侦听多路访问 碰撞检测CSMA CD CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection 原理 想发就发问题 冲突 一个主机的数据还在信道上传输 另一个主机就开始发送 信道上两个主机的数据相重叠 26 竞争使用 先听后发 CSMA 发送之前先监听信道是否空闲 边听边发 冲突停止 随机延迟后重发 CD 发送过程中检测信道是否冲突 27 以太网的MAC地址 以太网的MAC地址的长度为6个字节 共48位高24位称为机构惟一标识符OUI 由IEEE统一分配给设备生产厂商低24位称为扩展标识符EI 由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口 28 I G OUI 22位 G L EI 24位 各种类型的以太网 P67 10兆以太网 10Mbps 快速以太网 100Mbps 吉比特以太网 1Gbps 10吉比特以太网 10Gbps 29 10兆以太网 10兆以太网特点拓扑结构 总线型介质访问控制方式 CSMA CD传输速率 10Mbps传输介质 同轴电缆 50 或双绞线IEEE802 3标准为了能支持多种传输介质 在物理层为每种传输介质确定了相应的物理层标准 这些标准主要有 10Base 5 粗缆 10Base 2 细缆 10Base T 非屏蔽双绞线 10Base F 30 IEEE802 3的四种规范 10Base 5特点 优点 可靠性高 抗干扰能力强 作用距离长 适用于恶劣环境缺点 粗缆线较贵 投资成本较高 安装与维护不太方便 32 10Base 5组网 插入式分接头 vampiretap 插入电缆中 能和同轴电缆的内部导线有良好的接触连接收发器 transceiver 发送 接收 冲突检测 电气隔离 超长控制AUI 连接件单元接口 AttachmentUnitInterface 终接器 转发器 中继器 10Base 5组网示意图 34 10Base 2组网示意图 10BASE 2以太网采用0 2英寸50 的同轴电缆作为传输介质 传输速率为10Mbps 10BASE 2使用网卡自带的内部收发器媒体连接单元 MAU MediumAttachmentUnit 和BNC接口 采用T形接头就可将两端的工作站通过细缆连接起来 组网开销低 连接方便 35 10Base T 10BASE T以太网是使用非屏蔽双绞线电缆来连接的传输速率为10mbps的以太网 组建符合10Base T标准的非屏蔽双绞线Ethernet时 需要使用以下基本硬件设备 带有RJ 45接口的Ethernet网卡 集线器HUB 三类或五类非屏蔽双绞线 RJ 45连接头 符合10Base T标准的集线器是以太网的中心连接设备 利用非屏蔽双绞线与集线器 实现了物理上星形 逻辑上总线型的结构 数据从集线器的一个端口进入后 集线器会将这些数据从其他所有端口广播出去 36 10Base T组网示意图 37 10Base T特点 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网络通信线路的利用率很低 38 10兆以太网各标准对比 39 尽管不同10兆以太网的物理层存在较大的差异 但它们在数据链路层都采用CSMA CD作为介质访问控制协议 在MAC子层使用统一的IEEE802 3帧格式 因此 所有的10兆以太网相互兼容 contents 40 令牌环TokenRing P68 令牌环是一种适用于环形网络的分布式介质访问控制方式 IEEE802 5标准 令牌环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 令牌环网的拓扑结构为环形 采用专用的令牌环介质访问控制方式 传输介质为屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 或者光纤 传输速率为4Mbps或者16Mbps 在传输效率 实时性 地理范围等网络性能上都优于采用CSMA CD介质访问控制方式的以太网 令牌环网络的覆盖范围没有限制 但站点数却受到一定限制 41 令牌环原理 原理 网络中有一个令牌 有 忙 和 闲 两种状态 只有拿到令牌的主机才能发送数据 42 令牌总线TokenBus 令牌总线访问控制方式 TokenBus 是在综合了CSMA CD访问控制方式和令牌环访问控制方式的优点基础上形成的一种介质访问控制方式 TokenBus是一种在总线拓扑中利用 令牌 作为控制节点访问公共传输介质的介质访问控制方法 令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环 从物理连接上看 它是总线结构的局域网 但逻辑上 它是环型拓扑结构 IEEE802 4标准定义了总线拓扑的令牌总线介质访问控制方法与相应的物理层规范 连接到总线上的所有节点组成了一个逻辑环 每个节点被赋予一个顺序的逻辑位置 和令牌环一样 节点只有取得令牌才能发送帧 令牌在逻辑环上依次传递 在正常运行时 当某个节点发送完数据后 就要将令牌传送给下一个节点 43 令牌总线工作原理 44 指定每一个节点在逻辑上相互连接的前后地址 就可构成一个逻辑环 如图中A B E C D FDDI局域网技术 FDDI FiberDistributedDataInterface 分布式光纤数据接口 是一种高速环型网络 FDDI主要特点以光纤作为传输介质 可以使用多模或单模光纤使用基于IEEE802 5的令牌环网介质访问控制方法使用IEEE802 2协议 与符合IEEE802标准的局域网兼容可以采用主 副双环结构 主环进行正常的数据传输 副环为冗余的备用环 提高容错能力 采用多数据帧访问方式 即允许在环路中同时存在着多个数据帧 可提高信道利用率高速率 长距离 不会发生碰撞的高效率网 45 FDDI的网络拓扑结构 FDDI的网络拓扑结构属于星形 环形结构 46 contents 47 快速以太网 P72 快速以太网的特点 数据传输速率为100MbpsMAC子层与物理层的之间采用了与介质无关的MII接口 与10MbpsEthernet的有相同的帧格式与10MbpsEthernet的有相同的介质访问控制方法CSMA CD与10MbpsEthernet的有相同的组网方法可在全双工方式下工作而无冲突发生 此时可以不使用CSMA CD协议根据所用传输介质不同 IEEE802 3u定义了以下三种不同的物理层标准 100Base TX 使用2对5类UTP 非屏蔽双绞线 100Base T4 使用4对3类 4类或5类UTP 它使用3对线同时传送数据 用1对线用作冲突检测的接收信道100Base FX 使用2对光纤 其中一对用于发送 另一对用于接收 48 快速以太网与传统以太网的对比 49 快速以太网3种不同的物理层标准 50 MAC子层 100Base FX 100Base TX 2对5类UTP 光纤 4对 100Base T4 100Base TX 是一种使用5类非屏蔽双绞线的快速以太网技术 使用两对双绞线 一对用于发送 一对用于接收数据 在传输中使用4B 5B编码方式 信号频率为125MHz 使用同10BASE T相同的RJ 45连接器 它的最大网段长度为100米 它支持全双工的数据传输 51 100Base FX 是一种使用光缆的快速以太网技术 可使用单模和多模光纤 62 5和125um 多模光纤连接的最大距离为550米 单模光纤连接的最大距离为3000米 在传输中使用4B 5B编码方式 信号频率为125MHz 使用MIC FDDI连接器 ST连接器或SC连接器 最大网段长度为150m 412m 2000m或更长至10公里 这与所使用的光纤类型和工作模式有关 它支持全双工的数据传输 特别适合于有电气干扰的环境 较大距离连接 或高保密环境等情况下的适用 52 100Base T4 是一种可使用3 4 5类非屏蔽双绞线的快速以太网技术 使用4对双绞线 3对用于传送数据 1对用于检测冲突信号 在传输中使用8B 6T编码方式 信号频率为25MHz 使用与10BASE T相同的RJ 45连接器 最大网段长度为100米 53 100M以太网传输介质对比 54 吉比特以太网 吉比特以太网的特点数据传输速率为1000Mbps吉比特以太网采用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子层与10MbpsEthernet的有相同的帧格式采用全双工和半双工两种工作方式 全双工通信不存在信道竞争的问题 全双工方式不需要使用CSMA CD协议 半双工通信时适用于共享介质的连接 半双工通信时 与10MbpsEthernet的有相同的介质访问控制方法CSMA CD与10MbpsEthernet的有相同的组网方法吉比特以太网的物理层共有以下两个标准 1000BASE X IEEE802 3z标准 1000BASE T IEEE802 3ab标准 55 1000BASE X IEEE802 3z标准 1000Base SX SX表示短波长 使用芯径为50 m或62 5 m 工作波长为850nm或1300nm的多模光纤 采用8B 10B编码方式 传输距离分别为220m 275m和550m 550m 适用于同一建筑物中同一层的短距离主干网1000Base LX LX表示长波长 使用芯径50 m或62 5 m多模光纤时 传输距离为550m 使用纤径为10um单模光纤时 传输距离为5km 采用8B 10B编码方式 主要用于校园主干网1000Base CX CX表示铜线 使用屏蔽双绞线 STP 采用8B 10B编码方式 传输速率为1 25Gbps 传输距离为25m 主要用于集群设备的连接 如一个交换机房内的设备互连 56 1000BASE T IEEE802 3ab标准 使用4对5类非平衡屏蔽双绞线 UTP 传输距离为100m不支持8B 10B编码方式 而是采用更加复杂的编码方式 优点是用户可以在原来100Base T的基础上进行平滑升级到1000Base T 主要用于结构化布线中同一层建筑中的设备通信 从而可以利用以太网或快速以太网已铺设的UTP电缆 57 10吉比特以太网 2000年3月 IEEE专门成立了IEEE802 3ae特别工作组 负责制定10G以太网标准 2002年7月 10吉比特以太网标准最终发布 10吉比特以太网标准内容包括10GBase X 10GBase R和10GBase W三种类型 10吉比特以太网标准不仅将以太网的带宽提高到10Gbps 在使用万兆以太网信道的情况下可以达到40Gbps甚至更高的速率 同时也将通信距离提高到数十公里甚至上百公里 58 10吉比特以太网特点 10吉比特以太网与10Mb s 100Mb s和1Gb s以太网的帧格式完全相同10吉比特以太网还保留了802 3标准规定的以太网最小和最大帧长 便于升级10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体10吉比特以太网只工作在全双工方式 因此没有争用问题 也不使用CSMA CD协议 59 contents 60 城域网 P80 课件制作人 王小茹 城域网 MAN 城域网是适用于城市的信息基础设施 是国家信息高速公路与城市广大用户的中间环节 是在一个城市范围内建立的计算机网 最著名的城域网的例子是有线电视网 建造城域网的目的 提供单一 通用和公共的网络构架 藉以高速有效地传输数据 声音 图像和视频等信息 满足用户日新月异的需求 62 城域网与局域网的关系 MAN与LAN相比连接距离更长 连接的计算机数量更多 在地理范围上是LAN网络的延伸 一个MAN网络通常连接着多个LAN网 满足几十公里范围内的大量企业 机关 公司的多个局域网互连的需求城域网在技术上与局域网相似 63 城域网的构成 核心层 采用以IP技术为核心的设备 包括大容量路由器 三层高端交换机 优选路由器等汇聚层 对用户接入数据汇聚 流量控制和管理 这一层是城域网实施业务管理的主要层面 由网络数据库 网络服务器 计费服务器等构成网络的业务部分 负责处理业务逻辑接入层 支持各类用户的快速接入 包括多业务接入集中器 话音接入网关 远端接入服务器等 64 城域接入网建设的目标 开放的基础传送平台具备移动通信 数据 图像及话音的多种业务综合接入能力 数字化 宽带化 综合化的接入平台丰富的业务提供能力 满足集团用户 行业用户和商业用户及住宅用户不断增长的业务需求网络