计算机网络技术基础教程第四讲.ppt

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1、1,第 4 讲,局域网,2,主要内容,局域网概述传统局域网高速局域网交换式局域网和虚拟局域网无线局域网,3,学习要求,掌握局域网的概念、组成及主要特点 理解局域网的体系结构和IEEE802标准 理解以太网的媒体访问控制方法（CSMA/CD协议）掌握以太网的MAC帧格式和物理层标准 了解令牌环网和令牌总线网等其他的传统局域网 了解快速以太网和千兆位以及万兆位以太网 了解FDDI网络的标准和网络结构 了解FDDI网络中使用的定时令牌协议 了解FDDI网络的帧格式 理解交换式局域网的概念和实现方法 掌握虚拟局域网的概念和划分方法 熟悉无线局域网的应用 了解无线局域网的组成和协议标准,4,4.1 局域

2、网概述,局域网的概念局域网的体系结构,5,局域网是一个数据通信系统，它在一个适中的地理范围内，把若干独立的设备连接起来，通过物理通信信道，以适中的数据速率实现各独立设备之间的直接通信。局域网主要由网络服务器、用户工作站、网络适配器和传输媒体等四个部分组成。其中网络服务器是网络控制的核心，工作站是网络的前端窗口。局域网中使用的基本网络拓扑结构有总线型、环型和星型几种。,4.1.1 局域网的概念,6,局域网的特点：覆盖范围有限传输媒体通常是专用的双绞线、同轴电缆或光纤等专用线通常采用的是数字通信方式数据传输效率高，传输误码率低支持广播或组播单一管理投资少，不需要很高的运行费用,7,4.1.2 局域

3、网的体系结构,8,物理层：主要处理机械、电气、功能和规程等方面的特性。主要功能有：对信号进行编码和解码；时钟的提取和同步；发送和接收比特流。数据链路层：分为两个子层。媒体访问控制子层（MAC）：主要功能是控制对传输媒体的访问。具体来讲，MAC子层负责管理基于各种媒体的链路上的通信；控制各通信站点对传输媒体的使用。逻辑链路控制子层（LLC）：集中了与媒体访问无关的部分，主要功能是建立和释放数据链路层的逻辑连接；提供与高层的接口；进行差错控制等。,9,10,4.2 传统局域网,传统局域网是指最早进入市场的传输速率低于10 Mbps的局域网。以太网其他类型的传统局域网令牌环网令牌总线网,11,4.2

4、.1 以太网,以太网最早是美国Xerox公司著名的PARC研究中心于1975年研制成功的，当时，以太网是一种基带总线局域网，其数据率为2.94 Mbps。Xerox、DEC和Intel公司于1980年联合提出了10 Mbps以太网规约的第一个版本DIX V1，并于1982年修改为第二版规约，即DIX Ethernet V2。在此基础上，IEEE802委员会于1983年制定了第一个IEEE的以太网标准，其编号为IEEE802.3，数据率为10 Mbps。,12,本节主要内容：CSMA/CD协议MAC帧格式物理层标准,13,总线结构：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。,

5、1.CSMA/CD协议,14,CSMA/CD媒体访问控制规则：发送数据前先侦听信道，如果信道空闲，则可进行发送，否则转到步骤；如果信道忙，则继续侦听信道，一旦发现信道空闲，就进行发送；如果在发送过程中检测到冲突，则立即停止正常发送，转而发送一个短的干扰信号，其目的是使网络上其他站点都知道出现了冲突；发送了干扰信号后，退避一段随机时间，重新尝试发送，转到步骤。,15,截断二进制指数类型退避算法：确定基本退避时间，假设为d,一般为争用期；定义参数k，它等于重传次数，但不超过10，即kMin重传次数，10；从离散的整数集合0，1，(2k-1)中随机选取一个数，记为r，重传等待的时延设为r倍的基本退避

6、时间，即rd；当重传次数达16次仍不成功时，则丢弃该帧，并向上层报告。,16,(1)在0时刻开始发送,(2)大约在-d 时刻到达 B,(3)B 开始发送;在 时刻发生冲突,(4)冲突信号在 2时刻到达A,帧发送时延必须超过 2，即超过一个争用期 标准以太网争用期为 51.2 ms，可发送512 位bit，64字节 最小帧长为 64字节(不包括前同步码)因此数据字段最少为 46 字节,A,A,A,A,B,B,B,B,A 和 B 在总线的两端,17,前导符：用来使接收方建立位同步。帧首定界符：表示一帧的开始。目的地址：用来指示帧的接收站点。当最高位为“0”时表示单播地址；最高位为“1”时表示组播地

7、址。源地址：用来指示帧的发送站点。数据长度：用来指示在数据和填充字段里的数据的长度。填充：用来对数据进行填充。帧校验序列：用于校验帧在传输过程中是否发生差错。,2.MAC帧格式,18,IEEE802.3支持不同的物理层标准，而这些不同的物理层标准意味着传统以太网可以使用不同的传输媒体和物理层接口。,3.物理层标准,19,传输媒体为RG-11型50欧姆粗同轴电缆。采用总线型拓扑结构（物理拓扑与逻辑拓扑相同）。网段最大长度为500 m，每段最多站点数为100个，站点间最短距离为2.5 m。可通过中继器扩展网段长度，但整个网络最多允许使用4个中继器连接5个网络段。,(1)10Base-5网络,20,

8、传输媒体为RG-58型50欧姆细同轴电缆。采用总线型拓扑结构（物理拓扑与逻辑拓扑相同）。网段最大长度为185 m，每段最多站点数为30个，站点间最短距离为0.5 m。可通过中继器扩展网段长度，但整个网络最多允许使用4个中继器连接5个网络段。,(2)10Base-2网络,21,传输媒体为3类以上非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线。物理拓扑为星型结构，逻辑拓扑为总线型结构。使用Hub（集线器），相当于多端口转发器。网段最大长度为100 m。可通过集线器扩展网段长度。,(3)10Base-T网络,22,10Base-T多使用非屏蔽双绞线作传输媒体，在电缆两端制作有RJ-45连接器（俗称水晶头）。带有水晶头的U

9、TP电缆分别插入网卡与集线器的RJ-45端口中，从而实现工作站与集线器的连接。UTP电缆的制作在国际上遵循TIA/EIA的两种线序标准：T568A标准和T568B标准。,23,网线分为两类：标准线：用于网卡与集线器普通端口之间的连接。交叉线：用于直接连接两块网卡或是通过普通端口进行两个Hub的级联。,24,4.3 高速局域网,一般把传输速率在100 Mbps以上的局域网称为高速局域网。100Base-T快速以太网千兆位以太网万兆位以太网FDDI网络,25,4.3.1 100Base-T快速以太网,100BASE-T标准为IEEE 802.3u（1995年）。采用与10Base-T相同LLC子层

10、、帧格式及CSMA/CD媒体访问控制协议。采用与10Base-T相同的星型拓扑结构，即所有快速以太网都是基于集线器的。传输速率较10Base-T快10倍，即100 Mbps。可采用UTP和光缆媒体。快速以太网支持3种不同的物理层标准：100Base-T4、100Base-TX和100Base-FX。,26,100Base-T4采用了4对非屏蔽双绞线，支持3类、4类和5类UTP电缆。每对线的传输速率为33.3 Mbps，三对线的总传输速率为100 Mbps，另一对线用于冲突检测。采用8B/6T-NRZ编码技术。制定100Base-T4的主要目的是保护用户对现有3类UTP电缆的投资，不过，目前10

11、0Base-T4的应用并不广泛。,(1)100Base-T4,27,100Base-TX是目前应用最广泛的快速以太网，传输媒体采用2对5类UTP或STP电缆，其中一对用于发送数据，另一对用于接收数据。物理层标准采用ANSI X3T9.5FDDI，采用4B/5B编码器和收发器，连接器采用RJ-45，站点与集线器之间的最大距离不超过100m。,(2)100Base-TX,28,100Base-FX采用2芯62.5/125 m多模光纤作为传输媒体，光缆仅需一对光纤：一路用于发送，一路用于接收。使用FDDI物理层标准和4B/5B编码器/收发器，连接器采用MIC、ST或SC。100Base-FX规定网络

12、节点之间的最大距离为400 m（使用单模光纤时可达2 km）。100Base-FX适用于传输距离较长或保密性要求较高的应用场合。,(3)100Base-FX,29,30,IEEE 802.3Z建议与10Base-T和100Base-T技术向后兼容，使用802.3协议规定的帧格式。传输媒体可采用光纤媒体和铜缆媒体。采用星型网络结构，使用、管理、维护和升级都非常灵活。保持了以太网的结构化布线系统、安装、维护和管理方法，网络具有很高的可靠性。,4.3.2 千兆位以太网,31,千兆位以太网支持4种不同的物理层标准，它们分别是1000Base-SX、1000Base-LX、1000Base-CX和100

13、0Base-T。,32,组网方法：三层设计,33,10Gbps以太网，它在2000年推出，其标准是IEEE802.3ae。10Gbps以太网采用以光纤为传输介质、以交换机为中心的星型结构。10Gbps以太网主要用于主干网络。,4.3.3万兆位以太网,34,光纤分布数据接口（FDDI）是世界上第一个高速局域网标准,传输速率达100 Mbps。应用了光纤通信技术的最新成果，以业已成熟的IEEE802.5令牌环网技术为基础，开发出一种称之为反向双环的技术。经过ANSI的ASC X3T9.5委员会长达近十年的不懈努力，这项技术终于被国际标准化组织ISO正式接纳为国际标准ISO 9314。其他标准：CD

14、DI，FDDI-II，FFOL等。,4.3.4 FDDI网络,35,本节主要内容：FDDI标准FDDI网络结构定时令牌协议帧格式FDDI网络的优点,36,FDDI是在OSI参考模型出现后发展起来的一种高速网络技术，它所遵循的标准完全处于OSI框架下。,1.FDDI标准,37,物理媒体相关层(PMD)：网络中真正与物理媒体打交道的层次，定义了光纤和连接器的规格型号以及光传输的接口特性要求等内容。物理层协议层(PHY)：规定了传输编码和译码、时钟要求、符号集合以及数据缓冲和线路状态监测等方面的细节。媒体访问控制层(MAC)：完成令牌管理、差错处理、寻址、媒体访问和数据帧定义等功能。逻辑链路控制层(

15、LLC)：不属于FDDI标准范围。站管理SMT实现对PMD、PHY和MAC的有效控制，加强网络管理，包括连接管理、结点配置、故障恢复等内容。,38,逻辑结构：反向双环结构，具有故障容错自愈能力。,2.FDDI网络结构,39,物理结构：星型、环型、树型和双环树型等。,40,3.定时令牌协议,环路（Ring）,令牌（Token）,在FDDI网络中，环也称FDDI环，它是信息流经的站点的集合，每个站点依次检查或复制这些信息，直到信息返回到起始站点。,令牌是FDDI环路上各个站点间传送信息的“通行证”。令牌是一种非常短的特殊的结构帧，包括令牌的开始、结束和类型等参数。,41,定时令牌协议控制规则：当所

16、有站点都没有数据要发送时，令牌就绕环不停地循环；需要发送数据的站点必须等到令牌经过它并将令牌吸收后，才能开始发送数据；当发送完数据或令牌保持时间定时器超时后，站点立即产生一个新的令牌并将其发送到环上；环上的其他站点根据帧的目的地址判别是否接收该帧,数据帧绕环旋转一周后，由发送站点负责将该帧移去。,42,43,帧控制：用来指明帧的类型、寻址方式等。帧状态：用于描述帧在传输过程中的状态，它包含差错检测位、地址识别位和拷贝位等。,4.帧格式,44,高带宽，大容量(100Mbps)较长的传输距离(2km,40-100km)可靠性高(自愈环)安全性好(光纤媒体)互操作性强(国际标准),5.FDDI网络的

17、优点,45,4.4 交换式局域网和虚拟局域网,交换式局域网虚拟局域网,46,传统的共享式LAN都是局限于许多站点共享一个公共通信媒体的访问，当用户数增多时，分到每个用户的带宽就将减少，不能满足多媒体应用对网络带宽的需求。为了获得更高的效率，不得不采用许多网桥式路由器，将网段微化，以减少网段内终端数量。但过多的网段微化会带来设备投资的增加和管理上的难度，并且当网段划分越来越多时随着业务的增多又会出现新的拥挤。交换技术是一个新的解决方案。,4.4.1 交换式局域网,47,交换技术就是为终端用户提供专用点对点连接，它把传统局域网一次只能为一个用户服务的“独占”的网络结构，转变成一个平行处理系统，为每

18、个用户提供一条交换通道，把它们连接到一个高速背板总线，所有设备均可获得10 Mbps或100 Mbps以太网、4 Mbps或16 Mbps令牌环网或者100 Mbps FDDI网络带宽。各设备之间都能以端口速度互相访问，每个与网络连接的设备均可独立与交换机连接。,1.交换的概念,48,交换式局域网的核心是一个局域网交换机。从原理上看，交换机与网桥是一样的，都是工作在OSI模型第2层的网络互连设备。它具有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一个高性能服务器。交换机能够为每个联网的机器提供专用的带宽。由于交换机内部采用了专门设计的集成电路，使得交换机能够以线路速率在所有端口并行转

19、发数据帧，提供比传统网桥高得多的操作性能。,49,50,目前，局域网交换机主要采用以下两种交换方式：直通式（Cut-Through）存储转发式（Store and Forward）,2.交换方式,51,交换控制器收到某端口发来的MAC帧时，只检查MAC帧的前若干位（主要是目的地址），不等整个MAC帧传输完毕，就根据识别出的目的地址，查询端口与地址映射表，并将该帧快速转发到相应端口。优点：传输时延小，速度快。缺点：可靠性差，可能将坏帧一直传送到目的地，不能连续传输速率不同的链路。,(1)直通式,52,将接收到的整个MAC帧先放到高速缓冲器中缓存，检验CRC，若未发现错误则读取MAC帧的目的地址，

20、查询端口地址映射表，确定转发端口，并将MAC帧转发到该端口。优点：提高了可靠性，减少了线路传输差错，能支持不同速率的链路。缺点：延迟较大。,(2)存储转发式,53,VLAN的概念VLAN的划分方法VLAN的优点,4.4.2 虚拟局域网,54,所谓虚拟局域网，是指在交换式局域网的基础上，采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。一个虚拟局域网组成一个逻辑子网，即一个逻辑广播域，它可以覆盖多个网络设备，允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中。虚拟局域网只是局域网给用户提供的一种服务，而不是一种新型局域网。,1.VLAN的概念,55,56,通过交换机端口划分 通过

21、MAC地址划分 通过网络层协议划分 基于IP组播的划分方法 基于策略的划分方法 通过用户定义、非用户授权划分,2.VLAN的划分方法,57,将一个或多个局域网交换机上的几个端口划分为一个逻辑组，每个组构成一个虚拟局域网，相当于连接在一个独立的虚拟局域网交换机上。这种通过网络端口来划分虚拟局域网网络成员的配置过程简单明了，因此它是一种最常用、最有效的划分方法。这种方法的缺点是灵活性不好，一旦用户移动到一个新的位置，网络管理员必须重新配置虚拟局域网。,(1)通过交换机端口划分,58,通过MAC地址划分是指将不同的MAC地址放入不同的VLAN中，也就是将装有对应网卡的工作站或服务器划分到了不同的VL

22、AN中。既然VLAN所包含的成员是基于工作站或服务器的MAC地址的，它允许网络用户从一个物理位置移动到另一个物理位置时，自动保留其所属VLAN的成员身份，移动的灵活性好。这种方式要求网络管理员将每个用户都一一划分在某个VLAN中，在一个大规模的VLAN中，站点数量很大，这样管理就显得较为繁杂了。,(2)通过MAC地址划分,59,虚拟局域网通过网络层协议来划分，可分为IP、IPX、AppleTalk、Banyan等虚拟局域网。这种通过网络层协议划分的虚拟局域网，可使广播域跨越多个虚拟局域网交换机，这对于希望针对具体应用和服务来组织用户的网络管理员来说是非常具有吸引力的。而且，移动的灵活性好。不足

23、之处：可使广播域跨越多个VLAN交换机，容易造成某些VLAN站点数目较多，产生大量的广播包，使VLAN交换机的效率降低。,(3)通过网络层协议划分,60,3.VLAN的优点,实现虚拟工作组 抑制广播风暴 增强网络安全性 简化网络管理 提高网络性能,61,4.5 无线局域网,无线局域网的应用无线局域网的组成IEEE802.11的协议层次,62,局域网扩展许多环境下，WLAN作为有线局域网的替代产品：有很大开阔空间的建筑物；双绞线铺设不足或者不允许打孔布线的古建筑物；还有安装和维护有线局域网很不经济的小办公室。支持移动接入用户带着他们的可移动计算机从一个地点到另外一个地点，希望都能够访问网络。自组

24、网络为了满足某种当时需要而临时建立的对等互连的网络，在军用和民用领域都有很好的应用前景。,4.5.1 无线局域网的应用,63,优点：安装便捷易于扩展接入方便灵活投资经济合理缺点：速度较慢、价格较高，主要面向有特定需求的用户。无线局域网还不能完全脱离有线网络，无线网络与有线网络是互补的关系，而不是竞争。,64,无线局域网可分为两大类：有固定基础设施的无线局域网无固定基础设施的无线局域网所谓“固定基础设施”是指预先建立起来的、能覆盖一定地理范围的一批固定基站。,4.5.2 无线局域网的组成,65,1.有固定基础设施的WLAN,66,自组网络：由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。,

25、2.无固定基础设施的WLAN,67,4.5.3 IEEE802.11的协议层次,68,物理层：定义的内容包括频段、数据率以及其他与实际的无线电传输相关的细节。MAC层：协调对于共享无线电频段的接入，保证站点的传输不会彼此干扰。分布式协调功能(DCF)：较低的子层，使用了以太网风格的争用算法来对所有的通信量提供接入；普通的异步通信量直接使用DCF。点协调功能(PCF)：一种集中式的MAC算法，它的作用是提供与争用无关的服务，其实施方法是依次轮询各个站点；高优先级的通信量或者具有严格时间要求的通信量可使用PCF。LLC层：提供一个到高层的接口并完成诸如差错控制等链路层功能。,69,第一阶段：IEE

26、E 802.11(1997年)2.4 GHz的跳频扩频(FHSS)，1 Mbps和2 Mbps2.4 GHz的直接序列扩频(DSSS)，1和2 Mbps850-950 nm波长的红外频段，1和2 Mbps第二阶段：IEEE 802.11b(1999年)IEEE 802.11 DSSS方案的一个扩展，可提供5.5-11 Mbps的数据率(使用更复杂的调制技术)第三阶段：IEEE 802.11a(1999年)使用5 GHz频带；不使用扩频方案，而使用正交频分复用(OFDM)；数据率为6，9，12，18，24，36，48，54 Mbps,IEEE 802.11的物理层,70,思考题,以太网中争用方式的缺点是由于多个站点在同一时间试图发送数据时会引起总线容量浪费。假设将时间分为离散的时隙，总线上的N个站点在每个时隙都分别以概率p试图发送数据。那么由多个同时的发送企图所引起的时隙浪费占多大比例？假定1 km长的CSMA/CD网络的数据率为1 Gbps，设信号在网络上的传播速率为200000 km/s。求能够使用此协议的最短帧长。,