第二章局域网的技术和应用

第二章局域网的技术和应用刘杰主要内容局域网概述局域网参考模型和协议常见局域网局域网的组成和接口配置局域网概述局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构局域网参考模型IEEE的802委员会针对局域网的特征并参照OSI参考模型，制定了有关局域网的参考模型（IEEE802模型）。IEEE802模型仅包含OSI参考模型的物理层和数据链路层。IEEE802模型与OSI模型的对应关系如图所示。IEEE802标准美国电气电子工程师学会（IEEE）于1980年2月成立了局域网技术标准委员会，简称IEEE802委员会，专门负责制定局域网的协议。IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，统称为IEEE802协议（标准）。IEEE802为局域网制定了一系列标准，主要有如下几种。（1）IEEE802.1：描述局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连协议。（2）IEEE802.2：定义了逻辑链路控制子层的功能与服务。（3）IEEE802.3：描述带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）的访问方法和物理层规范。（4）IEEE802.4：描述令牌总线网（TokenBus）访问控制方法和物理层技术规范。（5）IEEE802.5：描述令牌环网（TokenRing）访问控制方法和物理层技术规范。IEEE802标准（6）IEEE802.6：描述城域网（MAN）访问控制方法和物理层技术规范。（7）IEEE802.7：描述宽带网访问控制方法和物理层技术规范。（8）IEEE802.8：描述FDDI访问控制方法和物理层技术规范。（9）IEEE802.9：描述综合语音和数据局域网技术。（10）IEEE802.10：描述局域网网络安全标准。（11）IEEE802.11：描述无线局域网访问控制方法和物理层技术规范。（12）IEEE802.12：描述100VG-AnyLAN访问控制方法和物理层技术规范。（13）IEEE802.14：描述利用CATV宽带通信的标准。IEEE802标准（14）IEEE802.15：描述无线私人网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）。（15）IEEE802.16：描述宽带无线访问标准（BroadbandWirelessAccessStandards）。（16）IEEE802.17：弹性分组环（RPR）可靠个人接入技术。（17）IEEE802.18：正在制定的宽带无线局域网标准规范。（18）IEEE802.19：共存技术咨询组。（19）IEEE802.20：移动宽带无线访问。（20）IEEE802.21：符合802标准的网络与非802网络之间的互通。（21）IEEE802.22：无线地域性区域网络工作组（WRANs）。IEEE802标准常见的局域网-以太网以太网（Ethernet）是一种产生较早且应用相当广泛的的局域网，它是美国施乐（Xerox）公司的PaloAlto研究中心（PARC）于1975年研制成功的。开始以无源的电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太（Ether）来命名。常见的以太网以太网/802.3帧格式帧格式中字段含义（1/3）前导符（Preamble）：7个字节的10101010接收方通过该字段提取同步时钟。起始符：10101011标志着一帧的开始。目的地址：6字节单播地址（UnicastAddress）组播地址（MulticastAddress）：01:00:5e:**:**:**广播地址（BroadcastAddress）：48位全“1”帧格式中字段含义（2/3）源地址：6字节单播地址，唯一地址Cisco是00-00-0c-**-**-**，IBM是08-00-5A-**-**-**类型/长度（Type/Length）：2字节以太网：类型•IP，0x0800（十进制为2048）•ARP，0x0806（十进制为2054）IEEE802.3：长度帧格式中字段含义（3/3）Data(用户数据)：0～1500BytesPAD(填充字段)：0～46Bytes保证最小帧长度为64字节CRC校验码：32位生成多项式为：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1校验范围为：目的地址、源地址、长度、数据和PAD以太网概述带冲突检测的载波监听多路访问带冲突检测的载波监听多路访问（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection，CSMA/CD）是一种介质访问控制方法，适用于总线结构及星形结构的局域网络，传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。CSMA/CD的工作过程可以简单地概括为4点：先听后发，边听边发，冲突停止，随机重发。带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD的具体工作过程：（1）当一个站点想要发送数据时，首先检测网络，查看是否有其他站点正在利用线路发送数据，即监听线路的忙闲状态。如果线路上已有数据在传输，则为线路忙，如果线路上没有数据在传输，称为线路空闲。（2）如果线路忙，则等待，直到线路空闲。（3）如果线路空闲，站点就发送数据。（4）在发送数据的同时，站点继续监听网络以确保没有冲突。即将其发送信号的波形与从线路上接收到的信号波形进行比较。如果相等不产生冲突，该站点在发送完数据后正常结束。如果不等，说明该站点发送数据时，其他站点也在发送数据，即产生冲突。（5）若检测到冲突发生，则冲突各方立即停止发送，并发出一串固定格式的阻塞信号以强化冲突，让其他的站点都能发现，然后过一段时间再重发。带冲突检测的载波监听多路访问带冲突检测的载波监听多路访问实现冲突检测的几种方法：（1）通过硬件检查。以信号迭加引起的接收信号电平摆动变大是否超过某一阀值，来判断是否有冲突发生。（2）通过检查曼彻斯特编码信号的每位中间有无过零点（零点是否偏移）来判断是否发生冲突。（3）边发边收，将发送的信号与接收的信号相比较，若不一致则说明有冲突存在。10BASE5及10BASE2网络10BASE5及10BASE2网络是较早的Ethernet网络，其拓扑结构为总线形。10BASE5即粗缆以太网，采用50粗同轴电缆作为传输介质。10BASE2即细缆以太网，采用50细同轴电缆作为传输介质。10BASE-T网络10BASE-T中的T表示双绞线，采用曼彻斯特编码方式。10BASE-T以太网的拓扑结构大多为星形，可以采用以10Mb/s集线器或10Mb/s交换机为中心的星形拓扑结构。100BASE网络（1）100BASE-TX：使用5类UTP或STP双绞线（网段长度100m），实际使用线缆中的2对。（2）100BASE-T4：使用3～5类UTP双绞线（网段长度100m），实际使用线缆中的4对。（3）100BASE-FX：使用S/MMF型光纤（网段长度400～2000m，全双工时的传输速率达200Mb/s），实际使用两条多状态光纤，一条用于发送数据，一条用于接收数据。千兆以太网和万兆以太网（1）1000BASE-SX：采用芯径为62.5m和50m的多模光纤，传输距离为260m和525m。数据编码方法为8B/10B，适用于作为大楼网络系统的主干通路。（2）1000BASE-LX：采用多模光纤或单模光纤，传输距离超过550m，数据编码方法为8B/10B，适用于作为大楼网络系统的主干通路或校园及城域主干网。（3）1000BASE-CX：采用150平衡屏蔽双绞线（STP），传输距离为25m，传输速率为1.25Gb/s，数据编码方法采用8B/10B，适用于网络设备的互联，例如机房内连接网络服务器。（4）1000BASE-T：采用4对5类UTP双绞线，传输距离为100m，传输速率为1Gb/s，主要用于结构化布线中同一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网中已铺设的UTP电缆，也可被用做大楼内的网络主干。802.4标准IEEE802.4标准用于处理令牌传送总线访问方式以及与之相关的物理信令和介质技术。访问功能可以用于调节连接在共享介质之上的各站点之间对于共享介质的使用。共享介质可以分成两个主要类型：广播型和顺序型。IEEE标准只处理广播型共享介质。广播型介质上的每个站点都可以收到传输的所有信号，并且广播型介质通常以物理总线的形式构成。802.4标准定义的就是一种广播型的总线结构。802.4标准规定了传输介质的电气和物理特性，采用电气信号的收发方式、传送帧的格式、站点收到数据帧的动作以及介质访问控制子层与位于其上的逻辑链路控制子层之间的接口。TokenBus网络TokenBus（令牌总线）网络采用了IEEE802.4标准，它是一种在总线形拓扑中利用“令牌（Token）”作为控制节点访问公共传输介质的介质访问控制方法。在该网络系统中，每个站点都可以收到传输的所有信号，正如在CSMA/CDLAN中所见到的一样。但是任何一个站点只有在取得令牌后才能使用共享总线发送数据。虽然处理的是一个广播型LAN，然而令牌访问方式在逻辑上却总是顺序的。在正常的、稳定的状态操作期间，对介质的访问权从一个站点传送到另一个站点，物理上的连接可以与逻辑环的顺序无关。TokenRing网络4.6.1802.5标准4.6.2TokenRing网络工作原理802.5标准IEEE802.5标准没有802.3和802.4那么详细，它定义了1Mb/s和4Mb/s屏蔽双绞线在客户机和介质之间的连接，用于处理令牌环传送访问方式以及与之相关的物理信令和介质技术。令牌环标准与前面讨论过的其他标准一样，在概念上也包括4个部分，即逻辑链路控制（LLC）、介质访问控制（MAC）、物理层（PHY）和传输介质。LLC和MAC两个子层等效于OSI的第2层（数据链路控制），PHY相当于OSI的第1层（物理层），而介质本身并不包含在物理层之内。802.5标准IEEE802.5标准规定了以下技术：（1）单令牌协议，环中只能存在一个令牌，这样可以简化优先级与环出错恢复功能的实现。（2）优先级位，令牌环支持多优先级方案，它通过优先级位来设定令牌的优先级。（3）监控站，环中设置一个中央监控站，通过令牌监控位执行环维护功能。（4）预约指示器，通过令牌预约，控制每个站点利用空闲令牌发送不同优先级的数据帧所占用的时间。802.5标准IEEE802.5标准定义了25种MAC帧，用于完成环维护功能，这些功能主要是：环监控器竞争、环恢复、环查询、新站点入环、令牌丢失处理、多令牌处理、站点撤出、优先级控制等。TokenRing网络工作原理TokenRing（令牌环）网络采用802.5标准，在令牌环中，站点通过环接口连接成物理环形。令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位令牌忙/闲的标志位。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与站点在环中排列的顺序相同，如图所示。TokenRing网络工作原理如果站点A有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。当站点A获得空闲令牌后，它将令牌忙/闲标志位由“闲”置为“忙”，然后传送数据帧。站点B、C、D将依次接收到数据帧。如该数据帧的目的地址是C站点，则C站点在正确接收该数据帧后，在帧中标志出帧已被正确接收和复制。当A站点重新接收到自己发出的、并已被目的站点正确接收的数据帧时，它将回收已发送的数据帧，并将忙令牌改成空闲令牌，再将空闲令牌向它的下一站点传送。虚拟局域网概述虚拟局域网（VirtualLocalAreaNetwor