《计算机局域网》PPT课件VIP

Page1,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,第六章计算机局域网络,本章重点局域网的特点及关键技术信道共享技术以太网技术高速局域网虚拟局域网VLAN,Page2,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,6.1局域网(LAN)概述,LAN的特点,覆盖范围小房间、建筑物、园区范围距离25km高传输速率10Mbps1000Mbps低误码率10-810-10采用总线、星形、环形拓扑双绞线、同轴电缆、光纤为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务,Page3,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,2.局域网的关键技术,拓扑结构（逻辑、物理）总线型、星型、环型、树型介质访问方法按协议实现信道共享:CSMA/CD和Token-passing信号传输形式基带、宽带,Page4,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,LAN典型拓扑结构,总线型:所有结点都直接连接到共享信道星型:所有结点都连接到中央结点环型:结点通过点到点链路与相邻结点连接,Bus,Star,Ring,A,B,C,C,A,D,C,B,A,B,C,A,T,Page5,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,3.LAN参考模型,IEEE802标准,Page6,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,IEEE802标准的主要成员,802.2-逻辑链路控制LLC802.3-CSMA/CD（以太网）802.4-TokenBus（令牌总线）802.5-TokenRing（令牌环）802.6-分布队列双总线DQDB-MAN标准802.8FDDI（光纤分布数据接口）802.11无线LAN,Page7,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,802.3CSMA/CD,802.4TokenBus,802.5TokenRing,802.6DQDB,802.8FDDI,802.2LLC,数据链路层,物理层,LLC,MAC,802.1DBridge,802.1A体系结构,IEEE802体系结构示意图,PHY,Page8,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,6.2LAN的数据链路层,按功能划分为两个子层：LLC和MAC功能分解的目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度。局网特点：共享信道(如总线)。需要解决介质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。,Page9,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,LAN的链路层与传统的数据链路层的区别：LAN链路支持多重访问，支持成组地址和广播；支持MAC介质访问控制功能；提供某些网络层的功能，如网络服务访问点、多路复用、流量控制、差错控制.MAC子层功能：成帧/拆帧，实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。LAN对LLC子层透明，仅在MAC子层才可见LAN的标准(对不同的LAN标准，区别在MAC子层),Page10,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,LLC的帧结构,DSAP,SSAP,控制,数据,1,1,1/2,可变长度单位：字节,高层PDU,LLC数据,LLC首部,MAC首部,MAC尾部,MAC数据,LLC帧和MAC帧的关系,Page11,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,MAC子层的地址,IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。MAC地址（物理地址）MAC地址为6Byte（48位）。MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。,Page12,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,6.3LAN的网络层和高层,由于IEEE802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等)是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE802标准没有单独设立网络层。需要时，由网络操作系统（NOS）内含的TCP/IP、IPX/SPX等来实现。,Page13,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,6.4局域网中的介质访问控制方法,局域网使用广播信道(多路访问信道，随机访问信道)，多个站点共享同一信道。问题：如何解决广播信道站点对信道的争用？解决信道争用的协议称为介质访问控制(MediumAccessControl)协议。信道分配方法有两种静态分配(FDM、WDM、TDM、CDM)动态分配(随机接入、受控接入),Page14,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,信道共享技术分类,信道共享,TDM,FDM,STDM,ATDM,随机接入,受控接入,CATV,CBX,CSMA,CSMA/CD,集中控制,分散控制,轮询,令牌,静态分配,动态分配,以太网,令牌环网,Page15,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,局域网中的介质访问控制方法,载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect令牌传递(TokenPassing)TokenRingTokenBusFDDI(双环),常见的有两种：,Page16,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,1.CSMA/CD带冲突检测的载波监听多点访问,用于IEEE802.3以太网工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。归结为四句话：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。,Page17,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,CSMA/CD的流程图,Page18,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,2.令牌环（TokenRing）,A,B,D,C,站点,干线耦合器,单向环,IEEE802.5拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环,发送缓冲区,接收缓冲区,接收,发送,线路驱动,线路接收,控制器,DTE,环路输入,环路输出,干线耦合器的结构,传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps；,TCU,高层软件,Page19,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,干线耦合器（TrunkCoupleUnit）,工作状态：收听/转发方式发送方式（站点发送数据时）收听方式下，TCU与DTE断开TCU对位流再生并转发，同时监视帧中是否出现本站地址和令牌。若出现本站地址，则将开关K闭合，TCU与DTE接通，位流复制到DTE，同时继续转发；若出现令牌且有数据要发送，则截获令牌，转为发送方式，发送数据帧。发送方式下，数据以帧为单位从TCU的输出端发送到下一个TCU的输入端。,DTE,TCU,收听方式,K,K,DTE,TCU,发送方式,K,K,Page20,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,TokenRing/802.5的操作,1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。,Page21,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中；b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。,Page22,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,TokenRing/802.5的操作举例,A,T=0,T,A,T=0,T,A,T=1,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后A将数据帧回收并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,Page23,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,IEEE802.5的帧结构,访问控制字段包括：,起始,访问控制,结束,1B,1B,1B,令牌帧,非令牌帧（信息帧/控制帧）,起始,访问控制,帧控制,目的地址,源地址,数据,FCS,结束,帧状态,优先级与预约及优先级限制位。令牌位：帧类型标识。0-令牌；1-信息/控制帧监督位：防止无效帧在环路中无限循环。,Page24,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,Page25,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,3.令牌总线（TokenBus）,IEEE802.4特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网物理层：传输媒体为75宽带同轴电缆，数据速率为1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s；传输机制为以太网和令牌环的结合：物理传输采用广播方式；介质访问控制采用令牌方式。,Page26,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,6.5以太网采用CSMA/CD技术的LAN,70年代中期由施乐公司(BobMetcalfe)提出，数据率为2.94M，称为Ethernet（以太网）。经DEC,IntelandXerox公司改进为10M标准(DIX标准)。1985年被采纳为IEEE802.3，即使用1坚持的CAMA/CD协议的LAN标准，数据率从1M到10M(现已发展到1000M)，支持多种传输媒体。Ethernet是指基带总线LAN。Ethernet和IEEE802.3的帧格式略有不同。,1.Ethernet和IEEE802.3二者区别很小,Page27,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,IEEE802.3以太网标准,传统以太网802.3同轴电缆Ethernet802.3a细缆Ethernet802.3i双绞线802.3j光纤快速以太网FE802.3u双绞线，光纤千兆以太网GEIEEE802.3z屏蔽短双绞线、光纤IEEE802.3ab双绞线,Page28,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,802.3的介质与网络拓扑规范,10Base5粗同轴10Base2细同轴10BaseT双绞线10BaseFMMF100BaseT双绞线100BaseFMMF/SMF1000BaseX屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT双绞线,Page29,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,2.10Base5,粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强收发器:发送/接收,冲突检测,电气隔离AUI:连接件单元接口总线型拓扑用于网络骨干连接,最大段长度500米每段最多站点数100,两站点间最小距离2.5米,粗缆,Vampiretap,BNC端子,收发器,AUI电缆,NIC,网络最大跨度2.5公里,Page30,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,3.10Base2,细同轴电缆，可靠性稍差BNCT型接头连接总线型拓扑用于办公室LAN,细缆,BNC接头,NIC,每段最大长度185m每段最多站点数30,两站点间最短距离0.5m,网络最大跨度925m,网络最多5个段,Page31,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,4.10BaseT,双绞线介质（UTP）以Hub（集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。转发器/中继器/HUB物理层设备(工作在物理层)。用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大长度100m,Page32,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,HUB原理1.HUB从某一端口A将收到的帧发送到所有端口,Page33,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,2.非广播帧时，地址与帧目的MAC地址相同的站响应用户A,Page34,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,3.广播帧时，所有用户都响应用户A,Page35,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,HUB有4端口、8端口、12端口和24端口，一个用作网络连接，其余接计算机；当接入的计算机比较多时，可以用几个集线器进行级联。所有使用HUB级联的计算机共享一个接入带宽和所谓的“碰撞域”,Page36,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,以太网,RJ45接头,Page37,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,RJ45接头在以太网的标准中，10Mbps与100Mbps双绞线系统采用相同的线序：一到八号线中，一、二两根线为一对，三、六根线为另一对，如下表所示。线色Pin#Signal白橙1TD+橙2TD-白绿3RD+蓝4不用白蓝5不用绿6RD-白棕7不用棕8不用,Page38,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,当两个HUB连接时，注意要进行交叉连接。(两台微机直接使用RJ45连接，可参考此接法),Page39,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,5.10BaseF,使用光纤长距离连接，最适于建筑物间的连接。星形拓扑结构最常见的布线标准：10BaseFL-异步点到点链路，链路最长2km,使用75电缆连接，拓扑结构为树形用于宽带LAN,6.10Broad36,Page40,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,7.Ethernet/802.3操作,每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧,A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,B,C,(1)C发现总线空闲,(2)C发送帧，目的地址为A,(3)B忽略该帧,(4)A复制该帧,信号由终端电阻吸收,终端电阻,Page41,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,8.IEEE802.3/Ethernet帧格式,PA：前同步码-10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD：帧首定界-10101011DA：目的MAC地址；SA：源MAC地址LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B）Type：类型。高层协议标识LLCPDU+pad-最少46字节,最多1500字节Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域46字节，则无Pad)FCS：帧校验序列（CRC-32）,866246-15004字节,FCS,SA,Type,PA,DA,Data,Pad,Ethernet,IEEE802.3,712/62/6246-15004字节,校验区间,64-1518字节,Page42,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,帧间隔,在相继发送的两帧之间强制插入9.6ms的间隔目的：确保其他站点也能占用信道,PA,帧间隔9.6ms,帧n,帧n+1,Page43,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,1.100Mbps快速以太网,又称快速以太网(FastEthernet，FE)，包括100Base-TX和100Base-FX。与10Mbps网络的比较：拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样；传输率快10倍；帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3。,3种不同的物理层标准：,MAC子层,100BaseFX,100BaseTX,2对5类UTP,光纤,4对3类UTP,100BaseT4,6.6高速局域网,Page44,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,快速以太网组成实例,网卡(外置或内置收发器)、收发器(外置)与收发器电缆集线器（双绞线或光纤接口）双绞线及光缆,外置光纤收发器,光纤,100BaseFX集线器,100BaseTX集线器,100BaseTX集线器,光纤,插有光纤接口网卡,UTP5,UTP5,UTP5,UTP5,光纤,UTP5,Page45,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,3.FDDI(FiberDistributedDataInterface),网络由双环构成，可靠性高。传输速率为100Mbps。介质访问控制方法采用TokenPassing，类似于令牌环。传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十km)。,集中器,集中器,令牌,服务器,Page46,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,4.千兆以太网(GigabitEthernet，GE),两种标准：802.3z和802.3ab802.3z1000BaseX屏蔽短双绞线/MMF/SMF802.3ab1000BaseT无屏蔽双绞线(5类，6类)连接距离较短：1000BaseX:双绞线-25米；MMF-550米；SMF-3km1000BaseT:5类双绞线100米拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同；传输速率比100BaseT快10倍；帧结构和介质访问控制方式仍沿用IEEE802.3。允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。,Page47,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,6.7LAN的扩展（LAN互连）网桥,LAN互连的必要性：地域限制、负载问题、互通问题、安全问题LAN互连的困难：帧格式、传输速率、最大帧长的差异LAN互连的实现途径：,中继器/HUB在物理层上实现互联网桥/交换机在数据链路层上实现互联路由器在网络层上实现互联,Page48,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,互联的问题（集线器）,Page49,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,1.网桥的定义,网桥是一种存储-转发装置。一个在网络N1和网络N2之间的网桥B定义为这样一种设备，它完成以下工作：,读取网络N1上的所有帧并接收那些指向N2的帧；将接收的帧送到数据链路层，在该层上计算校验和并计算到达N2的路由；将接受的帧用N2的MAC协议转发到N2上；对从N2到N1的信息流完成相同的功能。,Page50,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,使用网桥连接三个LAN的实例,Page51,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,2.网桥协议体系结构,Page52,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,3.两种类型的网桥,透明网桥（TransparencyBridge）也称为生成树（SpanningTree）网桥。由网桥实现路由选择，网桥对站点完全透明。用于以太网。源选径网桥（SourceRoutingBridge）由源站点进行路由选择，网桥和路由对站点不透明，用于令牌网。,Page53,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,IEEE802透明网桥,三项基本功能：帧转发、地址学习、消除拓扑循环网桥具有路由选择能力，路由选择采用查表法：网桥内的路由选择表（或称转发表）描述了到达每个站点的路由。下图是一个三端口网桥和它的路由选择表：,连接三个LAN的网桥,相应路由选择表的内容,Page54,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,帧转发方法（参考上图）假定网桥在某一时刻从端口1接收到来自LANx的帧，它就查找路由选择表：,若目的MAC地址在本端口的表项中，则丢弃此帧若目的MAC地址在其他端口的表项中，则把帧转发到相应端口所在的LAN若目的MAC地址不在表中，则用洪泛法转发，即向端口1外的其他所有端口广播该帧。,Page55,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,路由选择表的建立：刚加电时表为空。网桥利用学习过程来动态创建并维护路由选择表。逆向学习法若收到的帧的源地址不在表中，则插入到表中，作为以后转发的路径。每个路由项都有有限的生存期TTL，以适应网络拓扑的变化及连接到网段上的站地址的变化。,Page56,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,BridgesSpanningTree,forincreasedreliability,desirabletohaveredundant,alternatepathsfromsourcetodestwithmultiplesimultaneouspaths,cyclesresult-bridgesmaymultiplyandforwardframeforeversolution:organizebridgesinaspanningtreebydisablingsubsetofinterfaces,Page57,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,透明网桥工作原理归纳为：丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧；学习源地址以建立路由；根据生成树算法消除重复路径。,透明网桥的优缺点：优点：容易配置、安装，无需管理（即插即用）缺点：不能保证最佳路由透明网桥的应用场合：以太网为主,Page58,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,用网桥进行LAN扩展的不足之处存储转发导致时延增加无流量控制功能，负载重时会丢失帧不能防止广播风暴（广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段）,Page59,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,以网络交换机为主干的以太网拓扑仍为星形结构（总线/HUBLAN_SWITCH）为何要使用网络交换机？以太网共享介质网络，共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数)网络交换总线网络或基于集线器的网络：网络总带宽=10Mbps，n个站点共享，每站点平均带宽10/nMbps；基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制，网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps；,交换式以太网,Page60,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,交换式以太网,几路信号同时通过交换机,Page61,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如：8个端口可建立4个并发通信，总带宽=(8/2)*10Mbps=40Mbps在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置1-2个高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为Big-Pipe。,10Mbps网络交换机,Page62,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)：(1)端口下接站点：站点独占10Mbps带宽(2)端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽,共享10M,独享10M,共享10M,独享10M,网络交换机Switch,HUB,HUB,Page63,2020/5/21,第六章计算机局域网68-,5.8虚拟局域网VLAN,什么是VLAN？VLAN是一个广播域，是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组为什么要使用VLAN？便于进行网络的管理增强了网络安全性抑制广播数据的泛滥减少了处理用户站点移动