计算机网络技术与应用(清华)04.ppt

1、第4章 局 域 网,本章主要介绍了各种局域网的类型以及局域网的组网标准。随着用户对网络高带宽的要求，出现了各种类型的高速的局域网，本文也相应介绍了这方面的内容，同时还详细介绍了目前比较流行的虚拟局域网技术。,4.1 局域网概述 4.2 局域网组网 4.3 高速局域网 4.4 虚拟局域网,Return,4.1 局域网概述,4.1.1 局域网的特点及类型 1. 局域网的特点 局域网是将较小地理范围内的各种数据通信设备连接在一起的通信网络。局域网具有如下一些主要特点：,（1） 局域网覆盖的地理范围比较小。 （2） 数据传输速率高。 （3） 传输时延小。一般在几毫秒至几十毫秒之间。 （4） 出错率低。

2、,2. 局域网的分类 从目前的发展情况看，局域网可以分为两类： 共享介质局域网（Shared LAN） 交换局域网（Switched LAN）,图4-1 【局域网类型与相互关系】,4.1.2 局域网的体系结构,为了使不同厂商生产的网络设备之间具有兼容性、互换性和互操作性，以便让用户更灵活地进行设备选型，国际标准化组织开展了局域网的标准化工作。1980年2月成立了局域网标准化委员会，即IEEE802委员会（I（nstitute of Electrical and Electronics Engineers INC，IEEE电器和电子工程师协会）。该委员会制定了一系列局域网标准，称为IEEE802

3、标准。,1. 局域网参考模型 IEEE802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考的关系如图4-2所示。局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）子层与介质访问控制（Media Access Control，MAC）子层。,图4-2 【IEEE802参考模型与OSI参考模型的对应关系】,（1） 物理层 物理层涉及到通信在信道上传输的比特流，它的主要作用是确保二进制位信号的正确传输，包括位流的正确传送和正确接收。这就是说物理层必须保证在双方通信时，一方发送二进制“1”，另一方接收的也是“1

4、”，而不是“0”。,（2） MAC子层 介质访问控制（MAC）是数据链路层的一个功能子层。MAC构成了数据链路层的下半部，它直接与物理层相邻。 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。,（3） LLC子层 逻辑链路控制（LLC）也是数据链路层的一个功能子层。它构成了数据链路层的上半部，与网络层个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LL

5、C。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。,2. IEEE802局域网标准,1980年2月IEEE成立了专门负责制定局域网标准的IEEE802委员会。该委员会开发了一系列局域网和城域网标准，最广泛使用的是以太网（Ethernet）家族、令牌环、无线局域网、虚拟网等。IEEE802委员会于1984年公布了五项标准IEEE802.1IEEE802.5，随着局域网技术的迅速发展，新的局域网标准不断被推出，最新的千兆以太网技术目前也已标准化。,图4-3 【IEEE802结构关系与局域网标准图】,表4-1 IEEE802,4

6、.1.3 介质访问控制方式 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，经过多年的研究，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监听多路访问方法、令牌环方法和令牌总线方法。,1. 以太网 目前，应用最为广泛的一类局域网是基带总线型局域网，即以太网（Ethernet）。以太网的核心技术是它的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方法（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detedtion，CSMA/CD）方法。CSMA/CD方法用来

7、解决多结点如何共享公用总线传输介质的问题。,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。,图4-4 【采用CSMA/CD方法的总线型局域网的工作过程】,2. 令牌总线网 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。Token Bus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确定型介质访问控制方法。,图4-5 【令牌总线的基本工作原理】,3. 令牌环网 令牌环介质访问控制技术最早开始于1969年贝尔研究室的Newhall环网，最有影响的令牌环网是IBM Token Ring。IEEE802.5

8、标准就是在IBM Token Ring协议基础上发展形成的。,图4-6 【Token Ring 的基本工作原理】,Return,4.2 局域网组网,以太网最早是由Xerox （施乐）公司创建的，在1980年由DEC、Intel和Xerox三家公司联合开发为一个标准。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000 Mbps）和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。,4.2.1 IEEE 802.3物理层标准 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

9、： 10Base-5（粗缆） 10Base-2（细缆） 10Base-T（非屏蔽双绞线）,IEEE802.3u（Fast Ethernet）标准为了能支持多种传输介质，在物理层也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： 100Base-TX（五类非屏蔽双纹线） 100Base-T4（三类非屏蔽双绞线） 100Base-FX（光缆）,图4-7 【IEEE 802.3物理层标准与LLC,MAC之间的关系】,4.2.2 Ethemet网络接口适配器 Ethernet网络接口适配器又称为Ethemet网卡，是构成网络的基本部件。Ethemet网卡一方面连接局域网中的计算机，另一方面连接局

10、域网的传输介质。典型的Ethernet网卡结构如图4-8所示。,图4-8 【网卡结构示意图】,按照网卡支持的计算机种类分类，网卡分为： 标准Ethernet网卡（用于台式计算机连网） 便携式网卡（用于便携式计算机连网） 按照网卡支持的传输速率分类，主要有以下三类： 普通的10Mbps网卡 高速的100Mbps网卡 10/100Mbps自适应网卡 高速的1000Mbps网卡 根据传输速率的要求，网卡可以仅支持单一的10Mbps或100Mbps传输速率，也可以同时支持10Mbps与100Mbps的传输速率，并能自动侦测出网络的传输速率。1000Mbps网卡也正在走向实用阶段。,按网卡所支持的传输介

11、质类型分类，主要有以下4类： 双绞线网卡 粗缆网卡 细缆网卡 光纤网卡 按网卡所支持的总线类型分类，主要有以下4类： ISA网卡 EISA网卡 MCA网卡 PCI网卡,按网卡与主机之间的数据传送方式，可以分为以下3类。 可编程I/O传送方式：网卡驱动程序使用CPU的输入/输出指令对网卡上的I/O端口寻址，在端口和内存之间传送数据。其特点是由CPU承担全部工作。 共享内存方式：网卡驱动程序使用CPU的MOV指令直接对主机和网卡的存储器寻址，在网卡和主机存储器之间传送数据。其特点是 CPU调用网卡驱动程序完成数据传送。 DMA方式：使用DMA来控制数据传送，直接与存储器成批地传送和交换数据。其特点

12、是无须CPU的干预。,4.2.3 同轴电缆以太网组网方法,图4-9 【10Base-5组网示意图】,图4-10 【10Base-2组网示意图】,4.2.4 符合10Base-T标准的Ethernet组网方法,1. 双绞线Ethernet基本硬件配置 为了适应结构化布线系统的发展，IEEE802.3制定了10Base-T标准，而且成为目前应用最为广泛的以太网技术。 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

13、连接设备，它是对“共享介质”的总线型局域网结构的一种“变革”。它在介质访问控制方法仍采用CSMA/CD的前提下，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。集线器将接收到的数据转发到每一个端口，这样每个端口的速率为10Mbps。,2. 使用双绞线的Ethernet结构 （1） 单一集线器结构 使用单一集线器的Ethernet结构简单，所有节点通过非屏蔽双绞线与集线器连接，构成物理星型拓扑。节点到集线器的非屏蔽双绞线最大长度为100米。单一集线器结构适宜于小型工作组规模的局域网，典型的单一集线器一般支持8-24个RJ-45端口和一个BNC、AUI或光纤连接端口，其结构如图4-

14、11所示。,图4-11 【单一集线器结构】,（2） 集线器级联Ethernet结构 当连网节点数超过单一集线器的端口数时，通常采用多集线器级联结构。多集线器级联有两类方法：使用双绞线，通过集线器的RJ-45端口实现级联；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，如图4-12所示。,图4-12 【多集线器级连结构】,（3） 可叠加式集线器Ethernet结构 可叠加式集线器适用于中、小型企业网环境。可叠加式集线器由一个基础集线器与多个扩展集线器组成。基础集线器是一种具有网络管理功能的独立集线器。通过在基础集线器上堆叠多个扩展集线器，一方面可以增加Ethernet的节点数，另一方面

15、可以实现对网中节点的网络管理功能。,图4-13 【可堆叠式集线器结构】,4.2.5 符合100Base-T标准的Ethernet组网方法,符合100Base-T标准的100Mbps Ethernet组网方法与10Base-T的Ethernet组网方法基本相同。构成100Mbps Ethernet需要使用的基本硬件设备为：100Base-T网卡、100Base-T HUB以及双绞线或光缆。 在组建100Base-T标准的Fast Ethernet时需要注意以下两个问题： （1） 符合100Base-T标准的FE一般是作为局域网的主干网； （2） 很多公司开发出了100Base-T标准的Fast

16、Ethernet交换机；交换机的端口有三种类型，即支持100Mbps端口、支持10Mbps端口以及10/100Mbps自适应端口，因此它的组网方法与交换以太网的组网方法是相同的。,4.2.6 交换以太网组网方法 交换式局域网的核心是局域网交换机，交换式Ethernet的交换机可以分为以下几类：简单的10Mbps Ethernet交换机、10/100Mbps Ethernet交换机以及大型Ethernet交换机。,图4-14 【典型局域网结构】,Return,4.3 高速局域网,4.3.1 高速局域网研究基本方法,1. 提高以太网的数据传输速率 将以太网的数据传输速率从10Mbps提高到100M

17、bps，甚至到1Gbps，这直接导致了快速以太网（Fast Ethernet）的研究与产品的开发。在这个方案中，无论局域网的数据传输速率提高到100Mbps，还是1Gbps，它的介质访问控制方法仍然采用CSMA/CD。 2. 将一个大型的局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网。 网桥和理由器可以隔离子网间的数据流，使每个子网都成为一个独立的小型以太网。通过减少每个子网内部的结点数N的方法，使每个子网的性能得到改善，而每个子网的介质访问控制方法仍然采用CSMA/CD。这直接导致了局域网互连技术的发展。,3. 将“共享介质”方式改为“交换”方式 这种方法直接促进了交换局域网技术的发展。交换局域网

18、的核心设备是局域网交换机。局域网的交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。共享介质局域网与交换局域网在工作原理上的区别如图4-15所示。,共享介质局域网 交换局域网 图4-15 【共享介质局域网与交换局域网工作原理比较】,4.3.2 光纤分布式数据接口（FDDI）,光纤分布式数据接口FDDI是一种以光纤作为传输介质的高速主干网，它可以用来互连局域网和计算机，如图4-16所示。FDDI主要有以下5个技术特点。 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。 数据传输速率为100Mbps，连网的结点数小于或等于100

19、0。 可以使用双环结构，提高容错能力。 可以使用多模或单模光纤。,图4-16 【FDDI作为互连多个局域网的主干网结构】,4.3.3 快速以太网Fast Ethernet,图4-17 【快速以太网的协议结构】,快速以太网Fast Ethernet的特点: 数据传输速率为100Mbps； 与传统的10Mbps Ethernet的有相同的帧格式； 与传统的10Mbps Ethernet的有相同的介质访问控制方法CSMA/CD； 与传统的10Mbps Ethernet的有相同的组网方法。,4.3.4 千兆位以太网Gigabit Ethernet,1000BASE-T可以支持多种传输介质，目前制定了三

20、种有关传输介质的标准： 1000Base-SX：波长为850ns的多模光纤，光纤长度可以达到300-550米； 1000Base-LX：波长为1300ns的单模光纤，光纤长度可以达到3000米； 1000Base-CX：屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到25米； 1000Base-T：五类非屏蔽双纹线，双绞线长度可以达到100米。,快速以太网的协议结构如图4-18所示。 千兆位以太网Gigabit Ethernet的特点:： 数据传输速率为1000Mbps； 与传统的10Mbps Ethernet的有相同的帧格式； 与传统的10Mbps Ethernet的有相同的介质访问控制方法CSMA/CD；

21、与传统的10Mbps Ethernet的有相同的组网方法。,图4-18 【千兆以太网的协议结构】,Return,4.4 虚拟局域网,4.4.1 虚拟局域网的基本概念 虚拟网络建立在交换技术基础之上，将网络上的节点按工作性质与需要划分成若干个“逻辑工作组”，一个逻辑工作组就是一个虚拟网络。 在传统的局域网中，通常一个网段可以是一个逻辑工作组。工作组与工作组之间通过交换机（或路由器）等互联设备交换数据。逻辑工作组的组成受到了站点所在网段物理位置的限制。逻辑工作组或物理位置的变动都需要重新进行物理连接。 虚拟局域网VLAN建立在局域网交换机之上，它以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理，逻辑工作组的站

22、点组成不受物理位置的限制。同一逻辑工作组的成员可以不必连接在同一个物理网段上。只要以太网交换机是互联的，它们既可以连接在同一个局域网交换机上，也可以连接在不同的局域网交换机上。,4.4.2 虚拟局域网的实现技术,图4-19 【典型的VLAN物理结构与逻辑结构示意图】,1. 静态VLAN 静态VLAN就是静态地将以太网交换机上的一些端口划分给一个VLAN。这些端口一直保持这种配置关系直到人工再次改变它们。在图4-20所示的VLAN配置中，以太网交换机端口1、2、6和7组成VLAN1,端口3、4、5组成VLAN2。,图4-20 【在单一交换机上配置 VLAN】,图4-21 【VLAN可以跨越多台交

23、换机】,2. 动态 VLAN 所谓的动态VLAN是指交换机上的VLAN端口是动态分配的。通常，动态分配的原则以MAC地址、逻辑地址或数据包的协议类型为基础。 如果以MAC地址为基础分配VLAN，网络管理员可以通过指定有哪些MAC地址的计算机属于哪一个VLAN进行配置，不管这些计算机连接到哪个交换机的端口，它都属于设定的VLAN。这样，如果计算机从一个位置移动到另一个位置，连接的端口从一个换到另一个，只要计算机的MAC地址不变（计算机使用的网卡不变），它仍将属于原VLAN的成员，无须网络管理员对交换机软件进行重新配置。,4.4.3 虚拟局域网的优点,1. 减少网络管理开销 部门重组和人员流动是网络管理员最头疼的事情之一，也是网