网络结构与互连设备

第3章网络结构与互连设备第3章网络结构与互连设备3.1局域网的标准3.2典型的局域网标准3.3局域网的组成3.4以太网的产品标准3.5高速网络技术3.6虚拟局域网3.7广域网技术3.8本章小结练习题第3章网络结构与互连设备3.1局域网的标准3.1.1局域网概述局域网(LAN，LocalAreaNetwork)，顾名思义就是局部区域的计算机网络。在局域网中，连接在一起的计算机其分布范围一般在10 m以上和几千米之内，因此局域网的本质特征是分布距离短。另外，构成局域网的微机可以是不同厂家生产的，如IBM兼容机与Apple公司的Macintosh系统就可以连接在一起。第3章网络结构与互连设备根据用途和传输速率的不同，可以把局域网划分为四种：●程控小交换机管理的局域网;●局部区域网络;●高速局部区域网络;●宽带网。这几类局域网是为了满足不同的要求而分别发展起来的,它们的性能、通信协议、数据交换方式、软/硬接口、传输介质以及网络拓扑结构等均有所区别。详细性能指标在表3-l中给出。第3章网络结构与互连设备表3-l局域网的一些性能参考指标特性程控小交换机管理网局域网高速局域网宽带网传输速率9600b/s～2Mb/s1～20Mb/s100Mb/s～1Gb/s50～100Mb/s拓扑结构星型总线型、星型、环型星型、环型总线型传输介质双绞线双绞线、同轴电缆双绞线、光纤CATV电缆交换方式电路交换分组交换分组交换分组交换传输距离1km25km100km1km支持设备数几百至几千几百至几千几百至几千几十投资费用较低较低较高较高第3章网络结构与互连设备3.1.2局域网协议及模型计算机连接成的局域网必须增加一些网络产品并对这些产品进行配置，购买的网络产品必须符合标准。一般创建一个网络必须遵循一定的标准，这些标准由国际标准化组织制定。网络标准给我们带来的好处是：可以把遵循标准的任何网络产品连接在一起。前面我们已经学习了OSI参考模型。局域网遵循OSI模型，但采用广播通信方式，其体系结构与OSI参考模型有相当多的区别，如图3-1所示。第3章网络结构与互连设备媒体访问控制子层物理层逻辑链路控制子层应用层表示层传输层会话层数据链路层物理层网络层OSI模型IEEE802参考图3-1局域网模型与OSI/RM对比第3章网络结构与互连设备局域网不存在路由选择问题，因此局域网可以不要网络层，但局域网由于采用广播通信方式，必须要解决由于共享信道产生的信息冲突这个核心问题。由于局域网的种类繁多，其物理媒体连接控制的方法也各不相同，为了使局域网中的数据链路层不至于过分复杂，一般将局域网的数据链路层划分为两个子层，即媒体接入控制或媒体访问控制MAC(MediumAccessControl)子层和逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层。第3章网络结构与互连设备与OSI参考模型相比，局域网的参考模型相当于OSI的最低两层。在局域网的数据链路层中，与物理媒体有关的问题都放在MAC子层，与物理媒体无关的问题都放在LLC子层。局域网对LLC子层是透明的，只有MAC子层才区分局域网的标准。MAC子层的主要功能有：(1)将上层传下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，将帧拆卸)。(2)实现和维护MAC协议。(3)比特的差错检测。(4)寻址。第3章网络结构与互连设备LLC子层完成的主要功能有：(1)建立和释放数据链路层的逻辑连接。(2)提供与高层的接口。(3)差错控制。(4)给帧加上序号。电气电子工程师协会(IEEE，TheInstituteofElectricalandElectronicEngineer)是世界上最大的专业组织之一，对于网络而言，IEEE的一项最了不起的贡献就是对IEEE802协议进行了定义。第3章网络结构与互连设备局域网的标准主要是由IEEE802委员会制定的。该委员会成立于1980年，它专门负责制定不同工业类型的网络标准，主要的几个标准参见表3-2。在局域网中，由于数据以编址帧的形式传输并且不存在立即交换等特点，高层协议对局域网来说并不那么重要。各局域网产品尽管高层软件不同，网络操作系统也有差别，但由于低层都采用了802局域网标准协议，因而几乎所有局域网都可以实现互连。第3章网络结构与互连设备表3-2OSI与IEEE802标准的比较OSI模型IEEE802802.10可互操作的局域网安全高层协议802.1系统结构与网络互连802.2逻辑链路控制LLC数据链路层802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing物理层CSMA/CD介质TokenBus介质TokenRing介质第3章网络结构与互连设备现在的IEEE802委员会共有以下12个分委员会:● 802.1——概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。● 802.2——逻辑链路控制。它提供OSI的数据链路层两个子层中上面一个子层的功能。逻辑链路控制是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。●802.3——CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)。它定义了CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。● 802.4——令牌总线网。它定义了令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。第3章网络结构与互连设备● 802.5——令牌环型网。它定义了令牌传递环型网的MAC子层和物理层的规范。● 802.6——城域网。它定义了城域网的MAC子层和物理层的规范。● 802.7——宽带技术。● 802.8——光纤技术。● 802.9——综合话音数据局域网。● 802.10——可互操作的局域网安全。● 802.11——无线局域网。● 802.12——新型高速局域网(100Mb/s)。第3章网络结构与互连设备现在IEEE的标准802.l～802.6已成为ISO的国际标准ISO8802.1～8802.6。在IEEE802标准中，最常用的标准是IEEE802.3、IEEE802.4和IEEE802.5，它们的介质访问控制方法分别为：带有冲突检测的载波监听多路访问方法(CSMA/CD)、令牌总线(TokenBus)方法和令牌环(TokenRing)方法。IEEE802标准中还为局域网的每一个节点规定了一个48位(bit)的全局地址。目前，IEEE是世界上局域网全局地址的法定管理机构，负责分配高24位的地址。世界上所有生产局域网网卡的厂商都必须向IEEE购买高24位组成的序列号，而低24位由生产厂商自己决定。第3章网络结构与互连设备3.2典型的局域网标准3.2.1以太网(Ethernet)以太网的结构如图3-2所示。第3章网络结构与互连设备笔记本IBM兼容机服务器苹果计算机打印机以太网图3-2以太网结构图第3章网络结构与互连设备以太网和IEEE802.3是两项较为相似的网络技术，都属于CSMA/CD局域网。CSMA/CD局域网上的每一个站点都能随时访问网络上的任何资源。CSMA/CD包含两方面的内容，即载波监听多路访问(CSMA)和冲突检测(CD)。载波监听多路访问(CSMA)的工作原理：在数据传输之前，CSMA/CD局域网上的站点监听网络是否正在被使用，如果网络正在被使用，当前站点将处于等待和检测载波状态；如果网络未被使用，当前站点将开始传输数据。第3章网络结构与互连设备采用CSMA仍然会产生冲突，若CSMA/CD局域网上的两个站点同时监听网络，同时得知网络未被使用，则它们将同时开始传输数据；或者网络上有站点发送数据，由于信号在链路上传输有广播延迟，另一站点未检测到载波而发送数据。这两种情况都会导致网络冲突事件的发生，在此两种情况下同时发生的两个数据传输都是无效的，而且两个站点必须在之后的某个不同时刻重发数据。采用退避算法(该算法用来计算各站点的等待重新发送数据的时间)可以决定冲突的两个站点重发数据的时间。CSMA/CD局域网的站点能够检测冲突，所以它们知道何时可以重发数据。第3章网络结构与互连设备CSMA/CD方法可以简单地概括为以下几点：●先听后发；●边听边发；●冲突停止；●随机延迟后重发。CSMA/CD方法经常用于总线型和树型拓扑结构网络中。以太网和IEEE802.3局域网都属于广播网络，即网络上所有的站点都能监听到网络上的所有数据帧，而不管它们是不是数据帧的目标站点。网络上的每个站点都必须检查接收到的数据帧来判断它自身是否是数据帧的目标站点。如果是数据帧的目标站点，则将数据帧传送到当前站点的更高协议层作进一步的处理。第3章网络结构与互连设备从某种意义上来讲，以太网和IEEE802.3局域网之间也存在着一些差异。以太网提供的服务与OSI参考模型的物理层和数据链路层相一致；而IEEE802.3LAN仅仅规定了物理层和数据链路层的信道访问部分，并没有定义逻辑链路控制协议。通常情况下，以太网和IEEE802.3都通过硬件来实现，这些协议的物理实现可以是主机内的接口卡，也可以是主机内主电路板上的电路。第3章网络结构与互连设备3.2.2IEEE802.5标准：令牌环1．环型局域网络工作原理1)环型网的一般工作原理环型网的拓扑结构是所有节点串行连接而形成的一个封闭环路。信息传输是单向和逐点传送的。信息沿环路而行，每经过一个节点按位或按帧转发一次。每个节点对信息都有地址识别能力，若地址符合，该站就是目的节点而将信息收下，否则继续向下传送。环型网的结构如图3-3所示，它由一高速数字通信信道和环接口组成，节点主机通过环接口连接到网内。第3章网络结构与互连设备笔记本IBM兼容机服务器苹果计算机打印机桌面计算机环环接口环接口环接口环接口环接口环接口图3-3环型网结构图第3章网络结构与互连设备2)环接口环接口在逻辑上由五部分组成：发送器(缓冲)、接收器(缓冲)、控制器、线驱动器和线接收器，如图3-4所示。第3章网络结构与互连设备线驱动器控制器线接收器发送器（缓冲）接收器（缓冲）输出输入节点设备（计算机、终端）环输入环输出节点输入节点输出图3-4环接口逻辑框图第3章网络结构与互连设备线接收器接收来自环上的信息包，并送至接收方缓冲器。在进行地址识别后，如本节点为该信息包的目的地址，则将信息包放在缓冲器中暂存，然后送入本节点处理机或终端。对于已接收的信息包，是继续转发还是终止该信息包的传送决定于环的控制策略。线驱动器是向环路发送信息包的部件，具有再生放大作用。发送缓冲器担负向环路上传送信息包的任务，包括从接收器送来的转发信息包和从本站处理机送来的企图向网上发送的信息包。若本节点不是所传送信息包的目的地址，则经接收器送至发送器，然后经线驱动器将信息包送至环路，维持环信息的连续。控制器负责控制和调节环型网上的信息流量，检测信息的丢失，防止死锁和进行恢复等。第3章网络结构与互连设备环接口要有足够的输入输出缓冲空间，以存储本地处理机的输入输出信息和转发信息，并能进行必要的缓冲延迟。线接收器和线驱动器以及相应的控制逻辑等也可看成是环接口的一个中继转发器。它仅产生1位或几位的时间延迟，但对信号进行了整形和放大，使其负载能力增强。这种方式称为按位转发，延迟时间仅有l位或几位。与此相对应的还有按帧转发方式，即必须把整个帧的信息都接收并存储下来，也称为存储转发。它的转发延迟时间较长，但易于实现分布式控制，通信的同步技术较易实现。第3章网络结构与互连设备3)环型网络的特点环型网的主要特点有：(1)只有一条环路，信息单向流动，无路径选择问题，且由于每个节点都可以收到其他任何节点发送的信息，故容易实现广播式发送。(2)环路是一个含有有源部件的信道，每个中继转发器都具有放大整形作用，其负载能力强，覆盖面积大。(3)对信道访问的控制技术较简单，只要向下游节点发送信息的信道空闲就可发送，故消除了信息流的拥挤和堵塞等问题，简化了软件设计和额外开销。第3章网络结构与互连设备(4)接口的功能比较简单，节点的增减方便，网络的成本正比于节点的数量。(5)环路适于多种传输介质,传输速率高,较适于实时传输。除上述优点外，环型网也还存在一些缺点，主要是可靠性较差。由于环路中的中继转发器为有源器件，和无源的总线网相比，其故