《计算机局域网络》PPT课件

第4章计算机局域网络,2,本章介绍的具体内容,局域网的特性、标准、以及决定局域网的关键技术；以太网的产生、种类和发展；各种高速网络的种类及技术特点；网络交换的概念以及交换式以太网；虚拟局域网的概念、特点和划分方法；无线局域网的特点；局域网的连接设备及应用；,3,局域网的特点,局域网的主要特点：较小的地域范围高传输速率和低误码率面向的用户比较集中使用多种传输介质,4,局域网的层次结构,IEEE802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）的功能以及与网络层的接口服务、网际互连有关的高层功能。IEEE802LAN参考模型与ISO/OSI参考模型的对应关系：,5,IEEE802LAN的物理层,IEEE802局域网参考模型中的物理层：实现比特流的传输与接收，数据的同步控制等。IEEE802规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。采用基带信号传输；数据的编码采用曼彻斯特编码；传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光缆等；拓扑结构可以是总线型、树型、星型和环型；传输速率有10Mbps、16Mbps、100Mbps、1000Mbps。,6,IEEE802LAN的数据链路层,LAN的数据链路层分为两个功能子层：逻辑链路控制子层（LLC）介质访问控制子层（MAC）LLC子层和MAC子层的功能将数据组成帧，并对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控制，使不可靠的物理链路变为可靠的链路。LAN可以支持多重访问，即实现数据帧的单播、广播和多播；划分LLC和MAC子层的目的,7,IEEE802标准系列,802.1A：网络管理和性能测量；B：概述、体系结构、网络互连；802.2LLC的功能；802.3CSMA/CD总线网的MAC和物理层的规范；802.4TokenBus令牌总线网的MAC和物理层的规范；802.5TokenRing令牌环网的MAC和物理层的规范；,8,802.6分布队列双总线DQDBMAN城域网标准；802.7宽带技术；802.8光纤技术（光纤分布数据接口FDDI）；802.9综合业务数字网ISDN；802.10局域网安全技术；802.11无线局域网；,IEEE802标准系列,9,IEEE802标准之间的关系,10,决定局域网特征的主要技术,决定局域网特征的主要技术：拓扑结构传输介质介质访问控制方法三种技术决定了传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量、利用率以及网络应用等各种网络特征。,11,拓扑结构总线型拓扑结构,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、或者是使用光纤；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，因此会出现“冲突”；在“共享介质”的总线型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。,12,总线型局域网中的“冲突”,13,拓扑结构环型拓扑结构,所有节点使用相应的网络适配器连接到共享的传输介质上，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绕环逐节点传输。环路的维护和控制一般采用某种分布式控制方法，环中每个节点都具有相应的控制功能。在环型拓扑中，虽然也是多个节点共享一条环通路，但不会出现冲突。对于环型拓扑的局域网，网络的管理较为复杂，与总线型局域网相比，可扩展性较差。,14,拓扑结构星型拓扑结构,在星型拓扑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。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和逻辑拓扑结构不同。使用集线器连接所有计算机时，是一种具有星型物理连接的总线型拓扑结构；使用交换机时，是真正的星型拓扑结构。,15,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。,16,介质访问控制方法,介质访问控制方法控制网络节点何时能够发送数据。IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：IEEE802.3载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）；IEEE802.5令牌环（TokenRing）；IEEE802.4令牌总线（TokenBus）；,17,CSMA/CD介质访问控制,总线型LAN中，所有的节点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，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，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中常采用CSMA/CD协议，即带有冲突检测的载波侦听多路访问协议，它是一种随机争用型的介质访问控制方法。,18,CSMA/CD协议的工作过程,CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发。,19,CSMA/CD协议的特点,在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各节点通过竞争的方法强占对媒体的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。因此，节点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。结构简单、网络维护方便、增删节点容易，网络在轻负载（节点数较少）的情况下效率较高。但是随着网络中节点数量的增加，传递信息量增大，即在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明显下降。,20,令牌环（TokenRing）,在令牌环介质访问控制方法中，使用了一个沿着环路循环的令牌。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，使用令牌环的LAN中不会产生冲突。,21,TokenRing的特点,由于每个节点不是随机的争用信道，不会出现冲突，因此称它是一种确定型的介质访问控制方法，而且每个节点发送数据的延迟时间可以确定。在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。在重负载时，对各节点公平，且效率高。采用令牌环的局域网还可以对各节点设置不同的优先级，具有高优先级的节点可以先发送数据，比如某个节点需要传输实时性的数据，就可以申请高优先级。,22,令牌总线（TokenBus）,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。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。,23,TokenBus的特点,令牌总线适用于重负载的网络中，数据发送的延迟时间确定，适合实时性的数据传输等。网络管理较为复杂，网络必须有初始化的功能，以生成一个顺序访问的次序。令牌总线访问控制的复杂性高：网络中的令牌丢失，出现多个令牌、将新节点加入到环中，从环中删除不工作的节点等。,24,以太网的产生和发展,以太网的起源:ALOHA无线电系统(1968-1972)Xerox创建第一个实验性的以太网(1972-1977)DEC、Intel和Xerox将以太网标准化(1979-1983)IEEE802.3标准问世（1982年）,10BASE-5出现；10BASE-T结构化布线的历史(1986-1990)交换式和全双工制以太网的出现(1990-1994)快速以太网的出现(1992-1995)千兆网的出现(1996至今),25,IEEE802.3的四种规范,26,10Base5,分插头:插入电缆收发器:发送/接收,冲突检测,电气隔离，超长控制;AUI:连接件单元接口；终接器；,27,10Mbps以太网的中继规则,大多数网络中都有对连接网段的转发器（集线器）数目的限制。在10Mbps的以太网中，使用5-4-3-2-1的规则：总共允许有5个网段（每个网段500米）；在信道上只允许连接4个转发器；可以有3个网段连接客户机；额外2个不能连接客户机的网段用于将网络延伸到其他位置；以上组成1个大型的冲突域，最大站数1024个，全网直径2500米；再增加网段或转发器会导致定时问题，影响以太网的冲突检测；,28,29,10Base2,30,10BaseT,集线器的作用相当于一个多端口的中继器（转发器），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（扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减）。,31,高速网络技术,背景工作站的处理能力增强88年处理器速度10MBPS，95年150MBPS、2000年1000MBPS；各种应用的功能越来越强多媒体、视频会议、虚拟现实、计算机辅助设计CAD等；异步应用要求计算机系统有较大的带宽，同步应用要求实时的传送数据；要求高的数据带宽、网络延迟短、可靠性高；服务器的集中化提供服务器的集群，便于管理，提高安全性；文件的大小日益增加要求更高的网络带宽；网络用户和工作站数目的日益增加,32,克服传统以太网的问题,传统以太网中的一些问题传统以太网使用共享介质，虽然总线带宽为10Mbps，但网络节点增多时，网络的负荷加重，冲突和重发增加，网络效率下降、传输延时增加，造成总线带宽为3040%；服务器端使用16位网卡（速率10MBPS），使得服务器的网络输入/输出成为整个网络的瓶颈；,33,解决方案升级到高速网络，如100BASE-T(快速以太网)、FDDI、1000BASE-T(千兆位以太网)、ATM；发挥现有网络技术，采用网络分段、优化服务器、增加路由器，提高子网的网络性能；使用局域网交换机，将“共享介质局域网”改为“交换式局域网”；,34,快速以太网（FastEthernet）,100BASE-T快速以太网，是标准以太网的100Mbps版本。100BASE-T的标准为802.3u，作为802.3的补充；100BASE-TMAC的速度相当于10倍的BASE-T的MAC；与10BASE-T相同，100BASE-T要求有中央集线器的星型布线结构；FastEthernet的协议结构：,35,100Base-T的四种标准,100Base-TX支持2对五类非屏蔽双绞线（UTP）或2对一类屏蔽双绞线（STP）。其中1对用于发送，另1对用于接收，因此100Base-TX可以全双工方式工作，每个节点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。使用五类UTP的最大距离为100米。100Base-T4支持4对三类非屏蔽双绞线UTP，其中有3对用于数据传输，1对用于冲突检测。100Base-T2支持2对三类非屏蔽双绞线UTP。100Base-FX支持2芯的多模或单模光纤。100Base-FX主要是用作高速主干网，从节点到集线器HUB的距离可以达到450米。,36,快速以太网的应用,采用快速以太网集线器作为中央设备（100Base-TX集线器），使用非屏蔽5类双绞线以星型连接的方式连接以太网节点（工作站和服务器），以及连接另一个快速以太网集线器和10Base-T的共享集线器。,37,100BASE-T快速以太网的优缺点,优点：具有较高的性能，适合网络结点多或者对网络带宽要求较高的应用环境；基于以太网的技术，与现有10BASE-T的兼容可以容易的移植到高速网络上；最大地利用了已有的设备、电缆布线和网络管理技术；众多的厂商支持；缺点：仍然是一种共享式以太网网络，采用CSMA/CD作为介质存取方式，网络结点增加时，网络性能会下降；CSMA/CD方式使得网络延时变化较大，不适合实时性应用；速率较高，中继器间距较小，100BASE-TX不适合做主干；,38,千兆位以太网（GigabitEthernet）,千兆位以太网产生的背景；千兆位以太网同样保留着传统的100Base-T的所有特征。GigabitEthernet标准的工作是从1995年开始的，1995年11月IEEE802.3委员会成立了高速网研究组；1996年8月成立了802.3z工作组，主要研究使用光纤与短距离屏蔽双绞线的GigabitEthernet物理层标准；1997年初成立了802.3ab工作组，主要研究使用长距离光纤与非屏蔽双绞线的GigabitEthernet物理层标准。,39,GigabitEthernet物理层标准一,1000Base-SX使用短波长激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为770-860nm（一般为850nm）的激光传输器，只能支持多模光纤。1000Base-SX所使用的光纤规格有两种：62.5微米多模光纤使用62.5微米多模光纤在全双工方式下的最长传输距离为275米；50微米多模光纤使用50微米多模光纤，全双工方式下最长有效距离为550米。,40,GigabitEthernet物理层标准二,1000Base-LX1000Base-LX使用长波长激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光传输器，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。1000Base-LX所使用的光纤规格为：62.5微米多模光纤、50微米多模光纤、9微米单模光纤。使用多模光纤时，在全双工方式下，最长传输距离可以达到550米；使用单模光纤时，全双工方式下的最长有效距离为3000米。,41,GigabitEthernet物理层标准三,1000Base-CX1000Base-CX是使用铜缆作为网络介质的两种千兆以太网技术之一。1000Base-CX使用了一种特殊规格的高质量平衡屏蔽双绞线，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。1000Base-T1000BaseT使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100Base-TX一样可以达到100米。采用这种技术可以在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。,42,交换式以太网（SwitchingEthernet）,共享式以太网采用了以共享集线器为中心的星型连接方式，但其实际上是总线型的拓扑结构；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，以太网的带宽使用效率只有30%40%。,43,交换式以太网,交换式以太网采用交换机作为中央设备的以太网成为交换式以太网；交换机提供了多个通道，允许多个用户之间同时进行数据传输；,44,交换式以太网的应用,45,交换式以太网的工作原理,交换机对数据的转发是以网络节点计算机的MAC地址为基础的。交换机会监测发送到每个端口的数据帧，通过数据帧中的有关信息（源节点的MAC地址、目的节点的MAC地址），就会得到与每个端口所连接的节点MAC地址，并在交换机的内部建立一个“端口-MAC地址”映射表。建立映射表后，当某个端口接收到数据帧后，交换机会读取出该帧中的目的节点MAC地址，并通过“端口-MAC地址”的对照关系，迅速的将数据帧转发到相应的端口。以太网交换机对数据帧的转发方式分为三类；,46,交换机对数据帧的转发方式一,直接交换方式(Cut-Through)不接收完整个转发的帧，只收到帧中最前面的源地址和目的地址即可；根据目的地址找到相应的交换机端口，并将该帧发送到该端口；特点优点：速度快、延时小；缺点：在转发帧时不进行错误校验，可靠性相对低；另外，不能对不同速率的端口转发，100到10Mbps时就需要缓冲帧。,47,交换机对数据帧的转发方式二,存储转发交换方式(Store-and-Forward)与直接交换方式类似，不同处在于要把信息帧全部接收到内部缓冲区中，并对信息帧进行校验，一旦发现错误就通知源发送站重新发送帧；特点优点：可靠性高，能支持不同速率端口之间的转发；缺点：延迟时间大；交换机内的缓冲存储器有限，当负载较重时，易造成帧的丢失；,48,交换机对数据帧的转发方式三,改进的直接交换方式将前两者结合起来，在收到帧的前64字节后，判断帧的帧头字段是否正确；特点：对于短的帧，交换延迟时间与直接交换方式相同；对于长的帧，交换延迟时间减少；,49,交换式以太网的特点,交换式以太网保留了现有以太网的基础设施，而不必把现有的设备淘汰掉。以太网交换机可以与现有的以太网集线器相结合，实现各类广泛的应用。交换机可以用来将超载的网络分段，或者通过交换机的高速端口建立服务器群或者网络的主干，所有这些应用都维持现有的设备不变。,50,以太网交换技术是一种基于以太网的技术，对用户有较好的熟悉度，易学易用。使用以太网交换机，可以支持虚拟局域网应用，使网络的管理更加灵活。交换式以太网可以使用各种传输介质，支持三类/五类UTP、光缆以及同轴电缆，尤其是使用光缆，可以使交换式以太网作为网络的主干。,交换式以太网的特点,51,光纤分布式接口FDDI,FDDI特点：以光纤作为传输介质的高速主干网；基于共享介质原理，是令牌环体系结构的拓展；使用基于IEEE802.5的单令牌的环型网介质访问协议；数据传输速率为100Mbps，可支持1000个物理连接，环路的长度为100KM；采用双环拓扑结构，可增加网络容错能力，提高了可靠性；可以使用多模或单模光纤采用单模光纤时，两节点之间距离可超过20km，全网光纤总长可以达到数千公里。,52,虚拟局域网VLAN,什么是虚拟局域网（VLAN）通过路由和交换设备，在网络的物理拓朴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）节点能够组合成一个逻辑上的局域网。建立在局域网交换机上，以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理，逻辑工作组的节点组成不受物理位置的限制；同一逻辑分组的成员可以分布在相同的物理网段上，也可以分布在不同的网络上；,53,54,组建VLAN的原则,在网络中尽量使用同一厂家的交换机，而且在能用交换机的地方尽量使用交换机；使用交换机组建一个范围尽可能大的交换链路，并且让尽可能多的计算机直接连接到交换机上；层次化地将交换机与交换机相连，要避免使用传统的路由器，以保持整个网络的连通性。根据应用的需要，使用软件划分出若干个VLAN。每个VLAN上的所有计算机不论其所在的物理位置如何，都处在一个逻辑网中。VLAN之间可以互通，也可以不相通。若要实现其中的某些VLAN能够互通，则使用一台中央路由器（或者路由交换机），将这些VLAN互连起来，从而形成一个完整的VLAN。,55,VLAN网络管理软件,VLAN网络管理软件是构成VLAN的基础，通过运行在交换式局域网上的网络管理程序，来建立、配置、修改或删除整个VLAN。VLAN管理软件应具备以下的主要功能：地址过滤能力虚拟连网能力广播功能封装,56,VLAN的划分方法,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无法自动解决节点的移动、增加和变更问题。如果一个节点从一个端口移动到另一个端口时，网络管理者必须对虚拟局域网成员进行重新配置。,57,VLAN中使用集线器,当交换机端口连接的是一个集线器时，由于集线器所支持的是一个共享介质的多用户网络，因此，按交换机端口号的划分方案只能将连接到集线器的所有用户划分到同一个VLAN中；,58,基于MAC地址的虚拟局域网,优点：允许节点移动到网络其它物理网段；可以解决基于端口的VLAN所不能解决的问题，将一个集线器连接区域内的节点划分到不同的VLAN中。缺点：需要对大量的毫无规律的MAC地址进行操作；,59,60,基于网络层地址的虚拟局域网,使用节点的网络层地址来配置虚拟局域网，要求交换机能够处理网络层的数据；有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网；用户可以随意移动节点而无需重新配置网络地址；一个虚拟局域网可以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。由于检查网络层地址比检查MAC地址的延迟要大，因此，这种方法影响了交换机的交换时间以及整个网络的性能；,61,VLAN的其他划分方法,基于IP组播的虚拟局域网使用IP广播组动态的建立VLAN；基于策略的虚拟局域网可以同时使用不同划分VLAN的方法来建立一个虚拟局域网；,62,VLAN的优点,控制网络的广播风暴；确保网络的安全性；简化网络管理；,63,无线局域网,无线局域网的标准IEEE802.11,64,无线局域网的特点,传输方式无线电波与红外线；无线局域网的拓扑结构无中心拓扑和有中心拓扑；,65,无线局域网的组建,无线网络器件无线网络网卡；无线网络HUB；无线网络网桥。无线局域网的组建形式全无线网；无线节点接入有线网；两个有线网通过无线方式相连。,66,局域网连接设备与应用,网络适配器（网卡）的分类按照支持的计算机的种类分标准网卡；PCMCIA网卡；按照网卡的速率10Mbps网卡；10/100Mbps；1000Mbps；按照网卡支持的传输介质粗缆网卡；细缆网卡；双绞线网卡；光纤网卡；按照网卡支持的总线类型：ISA、EISA、PCI；,67,中继器,中继器（Repeater），又被称为转发器，它是局域网连接中最简单的设备，它的作用是将因传输而衰减的信号进行放大、整形和转发，从而扩展了局域网的距离。使用中继器连接局域网时，要注意以太网的5-4-3中继规则；,68,集线器,集线器（HUB）是带有多个端口的中继器（转发器），也是一个工作在OSI模型中的物理层设备。按集线器端口连接介质的不同，集线器可连接同轴电缆、双绞线和光纤。许多集线器上除了带有RJ-45接口外，还带有一个AUI粗缆接口和(或)一个BNC细缆接口，以实现不同介质网络的连接。,70,集线器的分类与应用,独立式集线器(StandaloneHUB)独立式集线器是最简单的一种集线器，带有多个（8个、12个、16个或24个）RJ-45端口；,71,集线器的级联,使用双绞线通过集线器的RJ-45端口实现级联；,72,集线器进行级联,使用同轴电缆或光纤，通过集线器提供的向上连接端口实现级联；,73,可堆叠式集线器(StackableHUB),堆叠式集线器带有一个堆叠端口，每台堆叠式集线器通过堆叠端口，使用一条高速链路实现集线器之间的高速数据传输。这条高速链路是用一根特殊的电缆将两台集线器的内部总线相连接，因此，这种连接在速度上要远远超过集线