《局域网技术》PPT课件.ppt

计算机网络技术与应用,2,第4章 局域网技术,计算机网络技术与应用,3,本章内容,局域网概述 局域网的拓扑结构 IEEE 802系列标准及参考模型共享介质局域网 交换式局域网 高速局域网 虚拟局域网技术,4,4.1 局域网概述,局域网的特点及组成局域网的关键技术,5,4.1.1 局域网的特点及组成,局域网的特点局域网的组成,6,局域网的特点,地理分布范围较小。数据传输速率高。误码率低。以PC机为主体。协议简单、结构灵活。,第1章 计算机网络概述,7,局域网的组成,局域网通常由两部分组成：网络硬件和网络软件。网络硬件主要包括：服务器、工作站、网络适配器（简称网卡）、通信设备及传输介质等。网络软件主要有三类：网络操作系统、数据库管理系统和网络应用软件。,第1章 计算机网络概述,8,4.1.2 局域网的关键技术,局域网的特性主要涉及拓扑结构、传输介质和介质访问控制（Medium Access Control MAC）等三项技术问题，其中最重要的是介质访问控制方法。局域网常用的拓扑结构有总线型、环型、星型三种。局域网传输介质分为有线和无线两大类。常用的有线传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤。无线传输介质：微波通信、卫星通信、红外通信等。局域网在基本通信机制上有“共享介质”方式和“交换”方式。常用的介质访问控制方法有：带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌总线（Token Bus）及令牌环（Token Ring）三种技术。,9,4.2 局域网的拓扑结构,总线型拓扑结构 环型拓扑结构 星型拓扑结构,10,4.2.1 总线型拓扑结构,总线拓扑结构是将网络中的所有设备都通过一根公共总线连接，通信时信息沿总线进行广播式传送。,11,4.2.1 总线型拓扑结构（续）,通信时信息沿总线进行广播式传送，这样就会遇到下面几个问题：由于是广播式传送，需要指出信息是发给谁的。信息被接收后如何从总线上删除。如何控制和协调各主机的发送。如果两台主机同时向总线发送信号，则信号重叠而发生变化，称之为冲突；此外，应允许所有主机都有较均等的机会发送，防止主机长时间连续发送。,12,4.2.1 总线型拓扑结构（续）,总线型拓扑结构简单，实现容易，易于安装维护，用户站点入网灵活，并且价格低廉，某个站点失效不会影响到其他站点。但它也有一些缺点，如传输介质故障难以排除；任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪，并且介质访问控制也比较复杂。,13,4.2.2 环型拓扑结构,环型拓扑结构中，所有设备被连接成环，信息传送是沿着环广播式的。,14,4.2.2 环型拓扑结构（续）,环型拓扑结构的优点是能够较有效地避免冲突。环型拓扑结构的缺点是环型结构中的网卡等通信部件比较昂贵且管理复杂得多。,15,4.2.3 星型拓扑结构,星型拓扑结构是由一个中央结点和若干从结点组成。星型拓扑结构是因集线器或交换机连接的各结点呈星型分布而得名。,16,4.2.3 星型拓扑结构,星型拓扑结构的优点是结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。利用中央结点可以方便地提供网络连接和重新配置；且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护。星型拓扑结构的缺点是：集线器或交换机工作负荷重，网络布线较复杂。,17,4.3 IEEE 802系列标准及参考模型,IEEE 802参考模型IEEE 802系列标准,18,4.3.1 IEEE 802参考模型,国际标准化组织（ISO）提出的开放的系统互连参考模型（OSI）已得到广泛认同，并提供了一个便于理解、易于开发和加强标准化的统一的计算机网络体系结构。局域网参考模型参考了OSI参考模型。根据局域网的特征，局域网的体系结构一般仅包含OSI参考模型的最低两层：物理层和数据链路层，如图所示。,19,4.3.1 IEEE 802参考模型（续）,20,4.3.2 IEEE 802系列标准,对于不同传输介质的局域网，IEEE局域网标准委员会制定了不同的标准，适用于不同的网络环境，IEEE 802各标准之间的关系如图所示。这些标准在物理层和MAC子层有区别，但在逻辑链路子层是兼容的。,21,4.3.2 IEEE 802系列标准（续）,IEEE 802标准主要包括：IEEE 802.1标准，定义了局域网体系结构、网络互连，以及网络管理与性能测试。IEEE 802.2标准，定义了逻辑链路控制（LLC）子层的功能与服务。IEEE 802.3标准，定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层和物理层规范。在物理层定义了4种不同介质的10Mbps的以太网规范，包括10BASE-5（粗同轴电缆）、10BASE-2（细同轴电缆）、10BASE-F（多模光纤）和10BASE-T（非屏蔽双绞线UTP）。,22,4.3.2 IEEE 802系列标准（续）,IEEE 802标准主要包括：IEEE 802.4标准，定义了令牌总线（Token Bus）介质访问控制子层与物理层规范。IEEE 802.5标准，定义了令牌环（Token Ring）介质访问控制子层与物理层规范。IEEE 802.6标准，定义了城域网（MAN）介质访问控制子层与物理层规范。IEEE 802.7标准，定义了宽带网络技术。IEEE 802.8标准，定义了光纤传输技术。IEEE 802.11标准，定义了无线局域网介质访问控制方法和物理层规范。,23,4.4 共享介质局域网,以太网的工作原理令牌环网的工作原理令牌总线网的工作原理,24,4.4.1 以太网的工作原理,以太网（Ethernet）是以CSMA/CD（CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection的缩写）为介质访问控制方法，采用总线拓扑结构，符合IEEE 8 02.3标准的网络。以太网中各工作站共享无源的广播式通信介质（总线），它没有中央控制，需要发送数据的通信站点以分布式的方式访问介质。以太网的标淮通信介质是同轴电缆，也可以使用双绞线等。CSMA/CD包含有两方面的内容，即载波侦听（CSMA）和冲突检测（CD）。它是一种随机争用型的介质访问控制方法。,25,CSMA/CD工作原理,CSMA/CD的思想采用CSMA/CD可减少冲突，提高信道利用率，形象地说就是先听后发、边发边听。介质忙闲的侦听与冲突的检测技术在CSMA/CD中，通过检测总线上的信号存在与否来实现载波侦听。发送站的收发器同时检测冲突，如果发生冲突，收发器介质上的信号超过收发器本身发送信号的幅度，就判断出冲突。,26,CSMA/CD工作原理（续）,27,CSMA/CD工作原理（续）,对CSMA/CD协议的工作流程通常可以简要概括为“先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发”。CSMA/CD方式的主要特点原理比较简单，技术上较易实现，网络中各工作站处于同等地位。但这种方式不能提供优先级控制，各结点争用总线，不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。此方式效率高，但当负载增大时，发送信息的等待时间较长，发送效率急剧下降。,28,4.4.2 令牌环网的工作原理,令牌环访问控制方法令牌环访问控制方法是一种适用于环型网结构的分布式访问控制方法，它采用一种称为令牌的特殊帧来控制各个结点对介质的访问。,29,4.4.2 令牌环网的工作原理（续）,令牌环工作步骤获取令牌并发送数据帧；接收和转发数据帧；撤消数据帧并释放令牌。,30,4.4.2 令牌环网的工作原理（续）,令牌环访问控制方法的特点保证要发送数据的结点在一个确定性的时间间隔内访问介质；令牌环网在轻负荷时，由于存在等待令牌的时间，故效率较低；但在重负荷时，对各站公平访问且效率高；令牌环的通信量可以加以调节，一种方法是通过允许各站点在其收到令牌时传输不同量的数据，另一种方法是通过设定优先权使具有较高优先权的站点先得到令牌。,31,4.4.3 令牌总线网的工作原理,令牌总线（Token Bus）采用令牌访问控制方法，适用于总线型局域网。令牌总线介质访问控制方法及物理层技术规范被IEEE定义为IEEE 8024标准。从物理结构上看，令牌总线网是种总线型局域网，各站共享总线传输信道；但从逻辑上看，它又是一种环型局域网，如图所示。,32,4.4.3 令牌总线网的工作原理（续）,33,4.4.3 令牌总线网的工作原理（续）,令牌总线的特点Token Bus方式的最大优点是具有极好的吞吐能力，且吞吐量随数据传输速率的增高而增加，并随介质的饱和而稳定下来但并不下降；各工作站不需要检测冲突，故信号电压容许较大的动态范围，连网距离较远。其主要缺点在于其复杂性和时间开销较大，工作站可能必须等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。逻辑环网与物理环网相比，由于后者传输数据必须按环路进行，而前者传输数据有直接通路，所以逻辑环网延迟时间短。,34,4.5 交换式局域网,交换的基本概念交换式局域网的基本结构局域网交换机的工作原理,35,4.5.1 交换的基本概念,随着网络技术和计算机硬件的不断发展，网络规模与网络性能之间的矛盾日益突出，传统的共享式局域网由于所有结点共享一条传输介质，变得越来越不堪重负。这样人们便提出了，能够有效解决共享式局域网“冲突”问题的改良网络“交换式局域网”。交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机拥有许多端口，每个端口有自己的专用带宽，并且可以连接不同的网段。交换机各个端口之间的通信是同时的、并行的，这就大大提高了信息吞吐量。为了进一步提高性能，每个端口还可以只连接一个设备。,36,4.5.2 交换式局域网的基本结构,交换式局域网的结构示例在交换式局域网中，组建网络的核心设备是局域网交换机。,37,4.5.3 局域网交换机的工作原理,局域网交换机的工作原理是：从交换机端口接收数据帧，并判断数据帧的目的地址，将其转发到目的结点所在的端口。典型的局域网交换机结构与工作过程如图所示，图中的交换机有6个端口，其中端口1、4、5、6分别连接了结点A、结点B和C、结点D、结点E。交换机的“端口号/MAC地址映射表”可以根据以上端口号与结点MAC地址建立对应关系。如果结点A与结点E要同时发送数据，那么它们可以分别在以太网数据报的目的地址字段（DA）中填上该数据报的目的地址。,38,局域网交换机的工作原理,39,局域网交换机的工作原理（续）,例如：结点A要向结点D发送数据报，那么该数据报目的地址DA=（结点D的地址）；结点E要向结点B发送数据报，那么该数据报目的地址DA=（结点B的地址）。当结点A、结点E同时通过交换机传送以太网数据报时，交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC地址映射表”的对应关系找出对应数据报的目的地址的输出端口号，就可以为结点A到结点D建立端口1到端口5的连接，同时为结点E到结点B建立端口6到端口4的连接。这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。,40,局域网交换机的工作原理（续）,“端口号/MAC地址映射表”的建立与维护以太网交换机是利用“端口号/MAC地址映射表”进行数据交换的，因此该表的建立和维护十分重要。建立和维护交换机中的地址映射表需要解决两个问题：一是交换机如何知道哪个结点连接到哪个端口；二是当结点从交换机的一个端口转移到另一个端口时，交换机如何维护地址映射表。交换机是利用“地址学习”方法来动态建立和维护“端口号/MAC地址映射表”的。,41,局域网交换机的工作原理（续）,交换机的帧转发方式以太网交换机的帧转发方式可以分为以下3类。直接交换方式存储转发交换方式无碎片直接交换方式,42,局域网交换机的工作原理（续）,局域网交换机的技术特点与集线器相比，局域网交换机从以下几方面改进了性能：通过支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量。将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组，每个端口连接一台设备或连接一个工作组，有效地解决拥挤现象。虚拟局域网（VLAN）技术的出现，给交换机的使用和管理带来了更大的灵活性，虚拟局域网技术将在后面专门介绍。端口密度可以与集线器相媲美，一般的网络系统都是有一个或几个服务器，而绝大部分都是普通的客户机。交换机从提高连接服务器的端口的速率以及相应的帧缓冲区的大小，来提高整个网络的性能，从而满足实际的要求。,43,4.6 高速局域网,随着通信技术的发展以及用户对网络带宽需求的增加，迫切需要建立高速的局域网。所谓“高速局域网络”是指传输速率达百Mbps及以上的网络。快速以太网千兆以太网光纤分布式数据接口FDDI,44,4.6.1 快速以太网,快速以太网（Fast Ethernet）的基本思想是：保留802.3的帧格式和CSMA/CD协议，只是将数据传输率从10Mbps提高到100Mbps。从技术上讲，快速以太网可以完全照搬原来的10BASE 5和10BASE 2标准，只将最大电缆长度减少到原来的1/10并仍能检测到冲突。,45,快速以太网,快速以太网协议结构如图示,46,快速以太网（续）,快速以太网3种不同的物理层标准,47,4.6.2 千兆以太网,千兆以太网标准是对以太网技术的再次扩展，其数据传输率为1000Mbps即1Gbps。千兆以太网和传统以太网使用相同的IEEE 8 02.3 CSMA/CD协议、相同的帧格式和相同的帧大小（64字节-1518字节），所以向下和以太网与快速以太网完全兼容，从而原有的10Mbps以太网或快速以太网可以方便地升级到千兆以太网。,48,千兆以太网,千兆以太网的协议结构,49,千兆以太网（续）,千兆以太网物理层接口标准,50,4.6.3 光纤分布式数据接口FDDI,光纤分布数据接口（FDDI）是传输速率为100Mbps的光纤网络，该网络具有定时令牌协议的特性，支持多种拓扑结构，传输媒体为光纤。如图所示为一个典型的FDDI网络。一个环为主环，另一个环为备用环。当主环上的设备失效或光缆发生故障时，通过从主环向备用环的切换可继续维持FDDI的正常工作。这种故障容错能力是其他网络所没有的。,51,4.6.3 光纤分布式数据接口FDDI（续）,52,4.7 虚拟局域网技术,虚拟局域网的概念虚拟局域网的实现方法虚拟局域网的优点,53,4.7.1 虚拟局域网的概念,虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）是一种近年来在计算机通信领域内逐渐发展起来的一种网络技术。VLAN是以交换式网络为基础，把网络上的用户分为若干个逻辑工作组，每个逻辑工作组就是一个VLAN。VLAN允许网络管理员使用软件实现按业务功能、网络应用、组织机构或其他任何需要，灵活地划分VLAN。,54,4.7.1 虚拟局域网的概念（续）,同一VLAN中的成员不受物理网段的位置限制。当终端设备移动时，无须修改它的IP地址。在更改用户所加入的VLAN时，也不必重新改变设备的物理连接。虚拟网技术提供了动态组织工作环境的功能。它简化了网络的物理结构，使网络管理、网络性能和网络安全提高到一个新的层次。其最大的特点是在组成逻辑网时无须考虑用户或设备在网络中的物理位置。,55,4.7.2 虚拟局域网的实现方法,基于端口的虚拟局域网基于MAC地址的虚拟局域网基于IP地址的虚拟局域网以上是实现虚拟局域网最主要有三种方法。,56,基于端口的虚拟局域网,基于端口的虚拟局域网是最实用的虚拟局域网，它保持了最普通常用的虚拟局域网成员定义方法，配置也相当直观简单，局域网中的站点具有相同的网络地址。不同的虚拟局域网之间进行通信需要通过路由器。下图为基于交换机端口的VLAN的示意图。,57,基于端口的虚拟局域网（续）,58,基于MAC地址的虚拟局域网,在基于MAC地址的虚拟局域网中，交换机对站点的MAC地址和交换机端口进行跟踪，在新站点入网时根据需要将其划归至某一个虚拟局域网。而无论该站点在网络中怎样移动，由于其MAC地址保持不变，因此用户不需要进行网络地址的重新配置。,59,基于IP地址的虚拟局域网,在基于IP地址的虚拟局域网中，新站点在入网时无需进行太多配置，交换机则根据各站点网络地址自动将其划分成不同的虚拟局域网。在三种虚拟局域网的实现技术中，基于IP地址的虚拟局域网智能化程度最高，实现起来也最复杂。下图为基于IP地址的VLAN的示意图。,60,基于IP地址的虚拟局域网（续）,61,4.7.3 虚拟局域网的优点,增加了网络连接的灵活性网络管理员对于网络上的工作站，可以按业务功能分组而不必按地理位置分组。可控制网络上的广播风暴VLAN可以建立一套机制，防止交换网络的过量广播风暴。提高了网络的安全性保密的数据应提供访问控制等安全手段。一个有效和容易实现的方法是将网络分成几个不同的广播组。加强了集中化的管理控制通过集中化的VLAN管理程序，网络管理员可以确定VLAN组，设置安全性等级，限制广播域的大小。,62,本章小结,局域网的定义及特性：局域网是将较小地理区域内的各种数据通信设备连接在起的通信网络。局域网具有网络覆盖的地理范围有限、传输速率高、延迟小、误码率低、网络的管理权属单一组织等重要特点。由此可见，局域网的设计目标是覆盖有限的地理范围。局域网的拓扑结构：主要分为总线型、环型与星型结构；在网络传输介质上主要采用双绞线、同轴电缆与光纤。从介质访问控制方法的角度，局域网可以分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。目前应用最广泛的局域网是以太网Ethernet，其介质访问控制方法采用CSMA/CD。随着各种应用对局域网带宽有更高要求，传输速率为100Mbps与1Gbps的快速以太网与千兆以太网出现，并成为高速局域网方案中的首选技术。交换式局域网改变了共享介质的工作方式，可以通过局域网交换机实现多结点之间数据的并发传输。交换技术发展为虚拟局域网的实现提供了技术基础。,