计算机网络第04章-局域网原理（第4版）

1、1第4章 局域网基本原理2本章讨论以下问题： 局域网应解决的关键技术是什么？ 局域网常见结构有何特点？ 以太网的MAC层协议包含哪些基本内容？ 局域网传输介质可以是哪些？ 如何解决共享介质局域网的共享传输线路的问题？ 如何提高局域网的传输速率？ 交换式局域网如何能有效的提高局域网用户的传输速率？ 为什么需要虚拟局域网技术？ 无线局域网技术有哪些？3问题：局域网应解决的关键技术是什么？44.1 局域网的技术特点 学习局域网的两个线索： 决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。 从介质访问控制方法的角度来看，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。 5问题：局域

2、网常见结构有何特点？64.2 局域网的拓扑结构4.2.1 总线型拓扑结构 所有结点可以通过总线以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突”不可避免； “冲突”会造成传输失败； 必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC， Medium Access Control）问题。7总线型局域网的拓扑结构总线总线结点(a)物理结构(b)拓扑结构结点结点结点结点结点结点结点结点结点8介质访问控制方法要解决以下几个问题 该哪个结点发送数据？ 发送时会不会出现冲突？ 出现冲突怎么办？9 结点使用点-点线路连接，构成闭合的物理环型结构； 环中数据沿着一个方向绕环逐站传输； 多个结点共享一条环通路。 提问：

3、是否存在介质访问控制问题？4.2.2 环型拓扑结构(a) 物理结构结点结点结点结点(b)拓扑结构结点结点结点结点104.2.3 星型拓扑结构 物理结构与逻辑结构的关系 交换局域网(Switched LAN)的物理结构 提问：是否存在介质访问控制问题？结点结点结点结点中央结点结点结点结点结点中央结点(a) 物理结构(b)拓扑结构11问题局域网传输介质可以是哪些？以太网的MAC层协议包含哪些基本内容？124.3 IEEE 802模型与协议4.3.1 传输介质类型与介质访问控制方法n局域网的传输介质类型： n同轴电缆n双绞线n光纤n无线通信信道n介质访问控制方法:n带有冲突检测的载波侦听多路访问（C

4、SMA/CD）n令牌总线（Token Bus）n令牌环（ Token Ring）134.3.2 IEEE 802参考模型IEEE 802 参考模型与OSI参考模型的关系OSI 参考模型IEEE 802 参考模型逻辑链路控制(LLC )子层介质访问控制(MAC )子层物理层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层14IEEE 802标准之间的关系802.10可互操作的局域网安全802. 2 逻辑链路控制子层LLC802.3CSMA/CD802.4Token Bus802.5Token Ring802.6城域网802 .9语音与数据综合局域网802.11无线局域网 802.1局域网的体系结构

5、与网络互联数据链路层物理层15当前研究的局域网主流技术16802.3物理层标准 命名规则： base表示基带传输，曼彻斯特编码 base前数字表示传输率，单位Mbps base后数字表示每段电缆最大长度 “T”表示双绞线，“F”表示光纤802.2 LLC802.3 CSMA/CD10 BASE-5（粗缆）10 BASE-FP,10 BASE-FB,10 BASE-FL（光缆）10 BASE-2（细缆）10 BASE-T（非屏蔽双绞线）100 BASE-TX（5类非屏蔽双绞线）100 BASE-T4（3类非屏蔽双绞线）100 BASE-FX（光缆）17问题如何解决共享介质局域网的共享传输线路的问

6、题？介质访问控制问题？184.4 共享介质局域网的工作原理 IEEE802标准定义的共享介质局域网有3种类型： 采用CSMA/CD介质访问控制方法的总线型局域网 采用Token Bus介质访问控制访问的总线型局域网 采用Token Ring介质访问控制方法的环形局域网 19传统Ethernet工作原理20Ethernet网卡设计方法21Ethernet网卡结构82588Ethernet控制器MACAddressEPROM缓冲存储器82502Ethernet收发器网卡AUI接口BNC接口接计算机I/O总线RJ-45接口通过外部收发器接粗同轴电缆10BASE-5接细同轴电缆接非屏蔽双绞线10BAS

7、E-210BASE-T22Ethernet物理地址 Ethernet物理地址长度为48位，每一块网卡有一个固定不变的物理地址； IEEE注册管理委员会为每个网卡生产商分配Ethernet物理地址的前三字节，即公司标识也称为机构惟一标识符；后面三字节由网卡的厂商自行分配； 在网卡生产过程中，将该地址写入网卡的只读存储器（EPROM）；23Ethernet物理地址的十六进制与二进制表示方法24提问： 分析以太网，得出要让其正常工作，需要解决什么问题？ Collision演示254.4.1 以太网的工作原理1、CSMA/CD协议的基本内容 多点接入：许多计算机同时连接在一根总线上。 载波监听：在发送

8、数据前，需检查总线上是否有其他计算机在发送数据，有则暂时不发送数据，以免发生碰撞。 碰撞检测：边发送数据边检测信道上的信号电压大小，以检查是否发生“碰撞”或“冲突”，有则立即停止发送，等待一段随机时间后再发送。264.4.1 以太网的工作原理2、CSMA/CD方法的工作过程CSMA/CD的发送流程可以概括为： 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发274.4.2 令牌总线的工作原理(a)物理结构令牌结点2结点3结点4结点1(b)拓扑结构结点5总线结点3结点2结点1结点4结点5284.4.3 令牌环的工作原理令牌结点3结点2结点4结点1结点4结点3结点2结点1(a)物理结构(b)拓扑结构Toke

9、n Ring方式的缺点：n环维护工作复杂n实现比较困难Token演示29光纤分布式数据接口FDDI主干环网服务器路由器以太网Token Ring路由器30FDDI主要技术特点 使用 802.5的单令牌环网介质访问控制协议； 使用 802.2协议，与符合 802标准局域网兼容； 数据传输速率为100Mbps，连网的结点数最大为1000，环路长度为100km ； 可以使用双环结构，具有容错能力； 可以使用多模或单模光纤； 具有动态分配带宽的能力，能够支持同步和异步数据传输。31问题：如何提高局域网的传输速率？324.5.1 高速局域网的研究方法 推动局域网技术发展的因素： 个人计算机的广泛应用。在

10、过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍； 基于Web的Internet/Intranet应用要求更高的带宽； 在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。 带宽的需要4.5 高速局域网的工作原理33 传统局域网技术建立在“共享介质”基础上，典型的介质访问控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus； 介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质； 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少； 网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网

11、络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。传统共享式局域网的缺点34 第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率：10Mbps100Mbps10Gbps ； 第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，导致局域网互连技术的发展； 第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致“交换式局域网”技术的发展。高速局域网的研究方法35局域网的分类方法局域网共享介质局域网交换式局域网以太网令牌总线令牌环FDDI快速以太网千兆以太网FFOL交换式以太网ATM局域网仿真IP over ATMMPOA虚拟局域网FDDI II364.5.3 快速以太网 快速以太网又称为Fast E

12、thernet，它的传输速率比普通Ethernet快10倍，数据传输速率达到了100Mbps； Fast Ethernet保留着传统的帧格式、介质访问控制方法与组网方法； 每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns； 1995年9月，IEEE 802委员会正式批准了Fast Ethernet标准IEEE 802.3u。37Fast Ethernet的协议结构IEEE 802.2 LLCIEEE 802 . 3 MACMII（功能与AUI相同）100 BASE-TX两对5类线或STP100 BASE-FX单模、多模光纤100 BASE-T4四对3,4,5类UTP100 BASE-T集线器38

13、4.5.4 千兆以太网用Ethernet组建企业网的全面解决方案： 桌面系统采用传输速率为10Mbps的Ethernet； 部门级网络系统采用传输速率为100Mbps的Fast Ethernet； 企业级网络系统采用传输速率为1000Mbps的Gigabit Ethernet。 39Gigabit Ethernet的协议结构IEEE 802.2 LLCIEEE 802.3 MACGMII（功能与AUI相同）1000 BASE-CX屏蔽双绞线1000 BASE-SX多模光纤1000 BASE-T集线器1000 BASE-T非屏蔽双绞线1000 BASE-LX单模光纤8B/10B编码解码方式PAM

14、5编码解码方式40十千兆以太网 10GE标准由IEEE 8023ae委员会制定，正式标准在2002年完成。 10GE的帧格式与10Mbps的Ethernet的帧格式基本相同； 10GE仍保留802.3标准对Ethernet最小帧长度和最大帧长度的规定； 由于数据传输速率高达10Gbps，传输介质只使用光纤，可以应用于广域网与城域网的范围； 10GE只工作在全双工方式，因此不存在争用问题，这就使10GE的传输距离不受冲突检测的限制。4110GE应用前景 由于10GE技术的出现，Ethernet工作范围已从校园网、企业网主流选型的局域网，扩大到城域网和广域网； 同样规模的10GE造价只有SONET

15、的1/5，只有ATM的1/10； 从10Mbps Ethernet到10Gbps Ethernet都使用相同的Ethernet帧格式，简化操作和管理，提高系统的效率； GE和10GE产品的问世，进一步提高Ethernet的市场占有率。42问题：交换式局域网如何能有效的提高局域网用户的传输速率？43集线器+双绞线以太网44 一个Hub实际上就是一个多端口的转发器，工作在物理层 互联局域网在物理上是一个星型网，在逻辑上仍是一个总线网。集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线45两个集线器通过RJ-45端口的级联结构46使用堆叠式集线器的结构474.6 交换式局域网的工作原理 局域网交换机结构与工

16、作原理示意图Switch演示48典型的局域网结构图494.6.3 局域网交换机的技术特点 低交换延迟 支持不同的传输速率和工作模式 支持虚拟局域网服务50问题：为什么需要虚拟局域网技术？514.7 虚拟局域网的工作原理4.7.1 虚拟网络的概念 建立基础：虚拟网络建立在局域网交换机之上; 实现方法：以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理; 特点： 逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制; 一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。524.7.2 虚拟局域网的实现技术 虚拟局域网的核心设备：交换机 虚拟局域网的组网方法 用交换机端口号定义虚拟局域

17、网 用 MAC地址定义虚拟局域网 用网络层地址定义虚拟局域网 用IP广播组定义虚拟局域网53用交换机端口号定义虚拟局域网成员端口12345678局域网交换机 2端口12345678局域网交换机 1端口12345678局域网交换机(a)单局域网交换机结构VLAN 1VLAN 2VLAN 1VLAN 2(b)跨局域网交换机结构VLAN演示54虚拟局域网的工作原理示意图55问题：无线局域网技术有哪些？56无线局域网络 无线局域网络(Wireless Local Area Networks； WLAN)是相当便利的数据传输系统，它利用射频(Radio Frequency； RF)的技术，取代的双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络. 局域网中交换机和结点之间连接的双绞线，被无线的通信信道取代.57无线网络技术的分类无线网络基于基础设施的无线网络无基础设施的无线网络无线网络局域网WLAN无线网络城域网WMAN无线传感器网络WSN无线自组网Ad hoc无线网状网WMN584.8 无线局域网的工作原理4.8.1 无线局域网的应用 作为传统局域网的扩充 建筑物之间的互连 漫游访问 特殊网络59典型的无线局域网结构60614.8.2 无线局域网的主要类型红外线局域网 扩频局域网窄带微波局域网 62红外局域网红外传播的基本特点: 红外无线信号是按视距方式传播的，发送结点与接收结点之间不能有阻