第2讲局域网技术.ppt

2023年2月,1,第2章 局域网技术,2.1 局域网概述2.2 局域网体系结构2.3 局域网介质访问控制方法2.4 以太网技术2.5 交换式以太网2.6 虚拟局域网技术,2023年2月,2,2.1 局域网概述,一、局域网基本概念局域网覆盖有限的地理范围，一般只是几公里的范围。它适用于公司、机关、校园等有限范围内的计算机连网的需求；局域网提供高数据传输速率（100Mbps）、低误码率的数据传输环境，数据传输速率高达1Gbps的高速局域网正在发展中；,2023年2月,3,通常计算机局域网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线网络在某些场合要受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点联结起来时，敷设专用通讯线路布线施工难度之大，费用、耗时之多，实是令人生畏。这些问题都对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞，限制了用户联网。,2023年2月,4,无线局域网(了解),无线局域网(WLAN)就是解决有线网络以上问题而出现的。WLAN利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。WLAN的数据传输速率现在已经能够达到最高450Mbps，传输距离可远至20km以上。无线联网方式是对有线联网方式的一种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决以有线方式不易实现的网络联通问题。,2023年2月,5,无线局域网的优点：安装便捷使用灵活经济节约易于扩展,2023年2月,6,2.1 局域网概述,二、局域网基本组成一个完整局域网系统由硬件系统和软件系统组成。从系统组成角度看局域网通常包括如下几个组成部分：主机：各种类型的计算机网络适配器：用于实现计算机与局域网通信的接口。,2023年2月,7,传输介质：用于计算机和网络设备间的连接。网络连接设备：用于计算机之间或其它网络间的连接。网络操作系统：负责网络系统资源管理、通信和任务调度等。网络应用软件：实现网络应用与服务。,2.1 局域网概述,2023年2月,8,2.1 局域网概述,三、局域网技术要素局域网主要解决ISO网络模型中最低两层物理层、数据链路层的功能，决定局域网组成方式、信道容量、通信速率、信息传输方式和效率等技术因素，主要有：网络拓扑结构传输介质介质访问控制方法,2023年2月,9,2.2 局域网体系结构与标准,一、IEEE 802参考模型,2023年2月,10,2.2 局域网体系结构与标准,二、物理层利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的传输与接收，数据的同步控制等。,2023年2月,11,IEEE 802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、100Mbps、1000Mbps。,2023年2月,12,2.2 局域网体系结构与标准,三、数据链路层MAC子层(介质访问控制子层)的功能MAC构成数据链路层的下半部，直接与物理层相邻，主要制定管理和分配信道的协议规范。MAC子层与传输介质有关，主要功能是进行合理信道分配，解决信道竞争问题；支持LLC子层完成介质访问控制功能，为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。,2023年2月,13,2.2 局域网体系结构与标准,三、数据链路层LLC子层(逻辑链路子层)的功能LLC在MAC子层的支持下向网络层提供服务。与传输介质无关，独立于介质访问控制方法，隐藏了各种802网络之间的差异，向网络层提供一个统一的格式和接口。将数据组成帧，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。,2023年2月,14,2.2 局域网体系结构与标准,IEEE 802标准,2023年2月,15,IEEE 802标准系列（了解）,IEEE 802.1标准，局域网体系结构、网络互连，以及网络管理与性能测试。IEEE 802.2标准，逻辑链路控制LLC子层功能与服务。IEEE 802.3标准，CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范。IEEE 802.4标准，令牌总线(Token Bus)介质访问控制子层与物理层规范。IEEE 802.5标准，令牌环(Token Ring)介质访问控制子层与物理层规范。,IEEE 802.9标准，综合语音与数据局域网(IVD LAN)技术。IEEE 802.10标准，可互操作的局域网安全性规范(SILS)。IEEE 802.1l标准，无线局域网技术。IEEE 802.12标准，优先级高速局域网（100Mbps）。IEEE 802.14标准，有线电视网（Cable-TV）。IEEE 802.15标准，无线个人网络（WPAN）技术。IEEE 802.16标准，无线宽带局域网（BBWA）。,2023年2月,16,2.3 局域网介质访问控制方法,2.3.1 介质访问控制方法：控制网络节点如何向传输介质的数据发送与接收数据，即解决信道如何使用的问题。介质访问控制方法与局域网的拓扑结构和工作过程有密切关系。,2023年2月,17,2.3.2 介质访问控制方法包括两方面内容：确定网络中各结点发送数据到传输介质上的时刻，如何对共用传输介质进行访问和控制。,2.3 局域网介质访问控制方法,2023年2月,18,2.3 局域网介质访问控制方法,2.3.3 信道分配问题 信道分配问题也就是介质共享技术,通常,可将信道分配方法划分为两类：静态划分信道和动态介质接入控制。,2023年2月,19,2.3.3 信道分配问题,1.静态划分信道所谓静态划分信道，也是传统的分配方法，它采用频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等办法将单个信道划分后静态地分配给多个用户。用户只要得到了信道就不会和别的用户发生冲突。当用户结点数较多或使用信道的结点数在不断变化或者通信量的变化具有突发性时，静态分配多路复用方法的性能较差，因此，传统的静态分配方法，不适合于局域网和某些广播信道的网络使用。,2023年2月,20,2.3.3 信道分配问题,2.动态介质接入控制动态介质接入控制又称为多点接入（Multiple Access），其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。动态介质接入控制又分为两类：（1）随机接入随机接入的特点是:所有的用户可随机地发送信息。但如果恰巧有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么在共享介质上就发生了冲突，使得这些用户的发送都失败。因此，必须有解决冲突的网络协议。如以太网采用的带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议和在卫星通信中使用的ALOHA协议。,2023年2月,21,（2）受控接入受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。典型的代表有分散控制的令牌环局域网、光纤分布式数据接口（FDDI）和集中控制的多点线路探询（polling）或称为轮询。,2023年2月,22,IEEE 802.3（总线型拓扑结构）带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法（CSMA/CD）,局域网常用介质访问控制方法：,IEEE 802.5（环型拓扑结构）令牌环（Token Ring）,IEEE 802.4（总线型拓扑结构）令牌总线（Token Bus）,IEEE 802.3（总线型拓扑结构）带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法（CSMA/CD）,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,23,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,一、载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple AccessCollision Detection）是采用争用技术的一种介质访问控制方法。CSMA/CD通常用于总线型拓扑结构和星型拓扑结构的局域网中。IEEE 802.3即以太网，是一种总线型局域网，使用的介质访问控制子层方法是CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）。,2023年2月,24,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,它的每个结点都能独立决定发送帧，若两个或多个结点同时发送，即产生冲突。把在一个以太网中所有相互之间可能发生冲突的结点的集合称为一个冲突域。例如对于用同轴电缆互连的以太网，其中所有结点就属于一个冲突域。当一个冲突域中的结点数目过多时，冲突就会很频繁。因此，在以太网中结点数目过多将会严重影响网络性能。为了避免数据传输的冲突，以太网采用带有冲突监测的载波侦听多路访问机制规范结点对于共享信道使用。每个结点都能判断是否有冲突发生，如冲突发生，则等待随机时间间隔后重发，以避免再次发生冲突。,2023年2月,25,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,一、载波监听多路访问/冲突检测总线拓扑结构特点：结构的特点：总线共享、单节点、冲突；结构的优点：成本低、结构、维护简单；结构的缺点：冲突、小规模；,2023年2月,26,应用于总线型拓扑结构网络,2023年2月,27,应用于总线型拓扑结构网络,2023年2月,28,应用于总线型拓扑结构网络,2023年2月,29,数据帧,bus,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,30,冲突,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,31,问题分析,信道共享,数据发送采用广播方式,存在冲突,何时发送数据,如何检测冲突,解决共享资源使用和分配的矛盾,如何处理冲突,总线型拓扑结构特点,数据发送需解决的问题,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,32,我左看右看，没车，我走！,哦哦！有车来了，我等！,又没了！继续！,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,33,经验先看后走边看边走有车不走没车再走,启示检查信道是否空闲发送过程检查冲突如何完成数据发送,2023年2月,34,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,35,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,36,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法,冲突,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,37,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)带有冲突检测的载波侦听多路访问控制方法,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,38,CSMA/CD工作原理当一个节点要发送数据前先监听信道是否闲，若空闲，进行“广播”式发送数据；在发送数据过程中，一边发送数据并一边监听是否冲突；若冲突，则停止发送数据；等待一段时间后，继续尝试发送，直至发送完毕。,先听后发，边听边发，冲突停发，延时重发,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,39,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,一、载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD的工作原理：先听后发、边听边发、冲突停发、延迟重发。,2023年2月,40,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,二、令牌环（Token Ring）1.概述Token Ring 是令牌传送环（Token Passing Ring）的简写。令牌环网最早起源于IBM于1985年推出的环形基带网络。IEEE 802.5标准定义了令牌环网的国际规范。令牌环介质访问控制方法，是通过在环型网上传输令牌的方式来实现对介质的访问控制的。只有当令牌传送至环中某结点时，它才能利用环路发送或接收信息。,2023年2月,41,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,二、令牌环（Token Ring）2.令牌环网的构建（了解）构建Token Ring网络时，需要Token Ring网卡、Token Ring集线器和传输介质等。其物理拓扑在外表上为星形结构，星型拓扑的中心是一个被称为介质访问单元(media access unit，简称MAU)的集线器装置，MAU有增强信号的功能，它可以将前一个结点的信号增强后再送至下一个结点，以稳定信号在网络中的传输。从MAU的内部看，令牌环网集线器上的每个端口实际上是用电缆连在一起的，即当各结点与令牌环网集线器连接起来后，就形成了一个电气网环。所以我们认为Token Ring采用的仍是一个物理环的结构。令牌环网在MAC子层采用令牌传送的介质访问控制方法。所以在令牌环网中有两种MAC 层的帧，即令牌帧和数据/命令帧。,2023年2月,42,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,二、令牌环（Token Ring）3.拓扑结构特点：结构的特点：数据沿环单方向发送、令牌控制。结构的优点：无冲突、重负荷。结构的缺点：控制复杂、网络扩展困难。,2023年2月,43,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,二、令牌环（Token Ring）4.令牌环工作原理：数据沿环单方向传输，采用沿环路循环的令牌，控制节点发送数据。网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据。轮流发送，对节点公平，适于重负荷环境。,2023年2月,44,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,2023年2月,45,2.3.4局域网中最常用的介质访问控制方法：,三、令牌总线（Token Bus）将连接到总线上的所有节点组成一个逻辑环，每个节点被赋予一个顺序的逻辑位置。构成逻辑环结构，物理连接是总线结构。介质访问控制：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。,2023年2月,46,令牌总线介质访问控制方法的特点：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，网络必须要有初始化功能，已生成一个顺序访问的次序。访问控制的复杂性高。会出现以下难以解决的问题：网络中的令牌丢失、出现多个令牌；将新节点加入到逻辑环中；从逻辑环中删除不工作的节点等。,2023年2月,47,2.4 以太网,以太网(Ethernet)发展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(1979-1982)IEEE 802.3标准（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),2023年2月,48,2.4 以太网,以太网技术特点是基于总线型的广播式网络采用CSMA/CD介质访问控制技术网络拓扑结构有总线型、星型等以太网可以采用多种传输介质,2023年2月,49,2.4 以太网,一、以太网（802.3）的四种规范,2023年2月,50,2.4 以太网,数据率（Mbps）,基带信号,段最大长度（百米）,10 Base-5,2023年2月,51,10base-5,10Base-5是原始的以太网标准，使用50 粗同轴电缆链接，总线型拓扑结构。每个网段允许有100个节点，每个网段的最大距离为500m。网络直径为2500m，可以由5个500m长的网段和4个中继器组成。,2023年2月,52,10Base5,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；,2023年2月,53,10base-5,2023年2月,54,10Base-2,为了降低10Base-5的安装成本和复杂性，10base-2采用廉价的50 细同轴电缆连接，采用总线型拓扑结构。每个网段最多允许30个节点，每个网段最大距离为185m。最大网络直径为30*185=925m。最多由5个网段和4个中继器组成。,2023年2月,55,2.4 以太网,二、快速以太网(Fast Ethernet)仍然采用CSMA/CD介质访问控制方法，在物理层进行必要调整，定义了物理层标准（100Base-T）。100Base-T标准定义介质专用接口，将MAC子层与物理层分隔开来，要求有中央集线器的星型布线结构。,2023年2月,56,2.4 以太网,快速以太网应用,2023年2月,57,高速局域网,背景随着网络应用和需求急剧增加，数据传输量越来越大，网络传输速度（带宽）成为网络发展的瓶颈。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)；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”；,2023年2月,58,10BaseT,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）。,2023年2月,59,2.4 以太网,2023年2月,60,100Base-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。,2023年2月,61,100Base-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。,2023年2月,62,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。,2023年2月,63,3.100BASE-T快速以太网优缺点,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；,2023年2月,64,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；,2023年2月,65,2.4 以太网,三、千兆位以太网（Gigabit Ethernet）是一种新型高速局域网，提供1Gbps通信带宽，与快速以太网完全兼容。传输介质以光纤为主，最大传输距离已达到70km，适用于大中规模的园区网主干。由千兆交换机、千兆网卡、综合布线系统等构成。,2023年2月,66,2.5 交换式以太网,一、共享式以太网采用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；集线器工作原理：以广播方式向各端口发送数据。当网络规模不断扩大时，网络中的冲突就会大大增加，造成网络整体性能下降。,2023年2月,67,2.5 交换式以太网,二、交换式以太网采用交换机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。,2023年2月,68,2.5 交换式以太网,三、共享式与交换式以太网工作原理示意图,2023年2月,69,2.5 交换式以太网,四、交换机工作原理交换机采用数据转发方式工作，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。,2023年2月,70,2.5 交换式以太网,四、交换机工作原理交换机对数据帧的转发方式直接交换方式：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；存储转发交换方式: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；改进直接交换方式: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；,2023年2月,71,交换式局域网的应用,2023年2月,72,2.6 虚拟局域网*,一、虚拟局域网（VLAN）概念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；,2023年2月,73,2.6 虚拟局域网*,二、虚拟局域网的结构,2023年2月,74,2.6 虚拟局域网*,三、虚拟局域网组网方法基于交换机端口基于MAC地址基于网络层地址,2023年2月,75,*2.7 无线局域网,一、无线局域网概念标准：IEEE 802.11,2023年2月,76,*2.7 无线局域网,一、无线局域网概念传输方式:无线电波与红外线；拓扑结构:无中心拓扑和有中心拓扑；,2023年2月,77,*2.7 无线局域网,二、无线局域网设备无线网卡 无线网卡的作用类似于以太网中的网卡，作为无线局域网的接口，实现与无线局域网的连接。无线网桥（AP，Access Point）无线网桥是在链路层实现无线局域网互连的存储转发设备，它能够通过无线（微波）进行远距离数据传输。无线天线无线天线对所接收或发送的信号进行增益（放大）。,2023年2月,78,三、光纤分布式数据接口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IEEE 802.5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。,2023年2月,79,局域网产品类型与相互之间的关系,2023年2月,80,ATM异步传输模式，ATM是以信元（CELL）为基本单位进行交换和复用的面向连接的传输机制。IP over ATM：将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处理，按路由转发。,2023年2月,81,MPOA：MPOA的目的是在 LANE 环境中有效地传输子网间的单播数据。MPOA 集成了 LANE 和 NHRP 以保留 LANE，同时在数据路径不需要路由器的情况下，允许上的子网和 internet 网络层协议间的通信。此外在不同协议、网络技术和 IEEE 802.1 虚拟 LAN环境下，MPOA 通过 ATM 提供了高效合成网桥和路由选择的结构。MPOA 能够同时使用网桥和路由信息来定位最佳出口。MPOA 允许网络层路由记算和数据传送物理地分离，这称为虚拟路由技术。,