第3章：局域网与城域网技术

第3章局域网与城域网技术2本章学习要求：了解：局域网与城域网的主要技术特点。了解：局域网拓扑结构的类型与特点。了解：IEEE802参考模型与协议的基本概念。掌握：Ethernet局域网的基本工作原理。了解：令牌环网与FDDI的基本工作原理。掌握：高速局域网、交换局域网与虚拟局域网的基本工作原理。了解：无线局域网的基本工作原理。掌握：网桥的基本工作原理。33.1局域网与城域网基本概念3.1.1决定局域网与城域网性能的三要素网络拓扑传输介质介质访问控制方法41、局域网覆盖有限的地理范围。（公司、机关、学校等）2、高速率（10-1000Mbps）、低误码率、高质量。3、一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。4、决定局域网技术特性的主要要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。5、从介质访问控制方法的角度，分为共享介质局域网与交换局域网。53.2局域网拓扑结构类型与特点网络拓扑结构：总线型环型星型结构网络传输介质：双绞线同轴电缆光纤6总线型拓扑构型特点：总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突（collision）”是不可避免的；“冲突”会造成传输失败；必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC，mediumaccesscontrol）问题。7总线结构与冲突8介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？发送时会不会出现冲突？出现冲突怎么办？总线型拓扑的优点：结构简单，实现容易；易于扩展，可靠性较好。9环型拓扑构型结点使用点—点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；多个结点共享一条环通路；环建立、维护、结点的插入与撤出。10星型拓扑构型逻辑结构与物理结构的关系交换局域网(switchedLAN)的物理结构11传输介质类型与介质访问控制方法局域网的传输介质类型同轴电缆双绞线光纤无线通信信道讨论：双绞线已能用于数据传输速率为100Mb/s、1Gb/s的高速局域网中；在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势已经明朗。12介质访问控制方法:带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD令牌总线tokenbus令牌环tokenring133.3IEEE802参考模型IEEE802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系：应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层OSI参考模型逻辑链路控制子层IEEE802参考模型介质访问控制子层物理层14IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE802标准；IEEE802标准之间的关系：802.10可互操作的局域网安全802.2逻辑链路控制子层802.3CSMA/CD802.4令牌总线802.5令牌环802.6城域网802.9语音与数据综合局域网802.11无线局域网802.1体系结构与网络互联15逻辑链路控制层（LLC,logicallinkcontrol）一般负责流量与差错控制。介质/媒体访问控制（MAC,mediaaccesscontrol）负责访问控制，包含相关的标准。如：CSMA/CD、TokenPassing等，以帮助网卡去访问网线。网卡主要是工作在媒体访问子层。网卡的物理/硬件地址也被称为网卡的MAC地址。IEEE802标准包括：IEEE802.3以太网IEEE802.4令牌总线IEEE802.5令牌环163.4Ethernet局域网3.4.1Ethernet的发展Ethernet的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法；随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；1972年，Xerox公司开始Ethernet实验网的研究；1979年，Xerox公司宣布了Ethernet产品；1980年，Xerox、DEC与Intel联合宣布EthernetV2.0规范；20世纪90年代，10Base-T标准使得Ethernet性能价格比大大提高；目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。17以太网的基本特点：典型拓扑：线形总线常见拓扑：星形总线信号传输：基带传输访问机制：CSMA/CD规范：IEEE802.3(802.3U、802.3Z、802.3AB)传输速度：10Mbps、100Mbps、1Gbps缆线类型：细缆、粗缆、UTPHub带有冲突检测的载波侦听多路访问（carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection）18访问机制：网卡如何将数据包发送到网线之上，和怎样从网线上取得数据包的规则，被称为访问机制。CSMA/CD访问机制：1、发送数据前先侦听网络中是否有高低电平变化，网络空闲则以“广播”方式发送数据到公共总线，所有结点都能“收听”到该信号；如果网络忙，则等待随机时间，然后重新侦听。2、如果两台主机同时要发送数据，侦听时网络空闲，于是同时发送，形成冲突，则各自停止发送，等待随机时间重新侦听。因此，CSMA/CD并不能确保数据包一定发送成功。193.4.2Ethernet帧结构与帧发送、接收流程分析1.Ethernet数据发送流程的分析20CSMA/CD的发送流程可以概括为：先听后发边听边发冲突停止延迟重发21Ethernet结点数据发送流程装配帧冲突次数过多?冲突吗？启动发送冲突加强发送完成?计算后退延迟时间冲突次数N+1→N结束：冲突过多YNY发送帧总线忙？NY等待后退延迟时间N结束：发送成功YN22CSMA/CD不能保证网络在大负荷时的传输率。网络上计算机越多，网络流量也就越大。随着网络流量的增加，冲突也将增加，这会使网络性能下降。预期带宽实际带宽（带宽峰值）2310Base2典型缆线：细缆连接器：BNCT，Terminator最大传输距离：185米最短传输距离：0.5米每网段最多计算机数：30台最大网络长度：925米遵循5-4-3规范2410Base5典型缆线：粗缆连接器：收发器，AUI，Terminator最大传输距离：500米最短收发器间距：2.5米每网段最多计算机数：100台最大网络长度：2500米遵循5-4-3规范2510BaseT典型缆线：UTP3、4、5类连接器：RJ-45最大传输距离：100米最短传输距离：2.5米遵循5-4-3规范26100BaseX(FastEthernet)目前广泛应用典型缆线：UTP5类访问机制：CSMA/CD典型拓扑：星型100BaseT4（已不用）：UTP3、4、5类，使用4对线100BaseTX：UTP5类，使用2对线100BaseFX：光纤目前的1Gbps网络也是用的8根线275-4-3规范如何用细缆连接两台相距300米的主机？中继器Repeater：中继器能连接两段电缆，它在发送信号之前增强信号。这样就使得信号能传输更长的距离，并仍然能够被正确接收。一定程度上讲中继器就是一个Hub。如何连接更长距离的主机？10M网络在扩展时遵循5-4-3规范。28一个细缆网络可以有5个网段，用4个中继器连接，但只有3个网段能连接计算机（同轴电缆）。这样就有2个网段没有使用。12345100M网络规范百兆网络扩展时最长距离是205米。100米100米5米293-4-2令牌环（TokenRing）与令牌总线（TokenBus）的工作原理令牌传递（TokenPassing）访问机制可以是物理上的环，也可以是逻辑上的环。令牌是发送数据的权利标志。每一个环网上有且只有一个令牌，并且是单方向传递。发送数据完成后必须释放令牌，传给下一主机。令牌是一个特殊的数据帧。Token源主机捕获令牌，加上信息进行传递。目标主机当令牌重新回到源主机上被删除。30•令牌环网用传输介质串联多个工作站组成，每个工作站通过收发器与环连接。•1、开始：当令牌初始化后，若每个站点都不发送数据帧，则只有空令牌在环上流动•2、发送：某个站点要发送数据帧，先将数据组装成帧，等待空令牌的到来，获得空令牌后，将空令牌置成忙令牌，并将数据插在忙令牌后发送到环上•3、接收：数据帧经过其他站点的收发器时，收发器将帧内的目的地址与本站地址相比较，如果一致就将帧的数据内容复制到本站，并作出标记，再转发到下一站。否则，直接转发到下一站。•4、释放令牌：当帧沿环返回到发送站时，发送站将数据撤消，同时将令牌置成“闲”状态。交给下一站。31令牌环网的带宽曲线实际带宽预期带宽带宽峰值可以保证网络在大负荷情况下的流量。网络中没有冲突。组网成本高。32令牌环网（TokenRing）的工作原理IEEE802.5定义了令牌环网的规范，采用TokenPassing访问机制，基带传输，UTP或IBM1、2、3类线。令牌环网最早由IBM于1985年推出，该网物理结构为环形，而现在多为星型在环路上采用令牌传送访问方法，一般采用IBM专用电缆，可以连接260个结点，也可采用无屏蔽双绞线，可以连接72个结点。传输速率为4Mbps或16Mbps，整个环路的长度不能超过366米。33环网的缺点：一点断开，全网断开。采用星型网络可以克服该缺点。可以使用令牌环网的Hub构建星型的令牌环网。MSAUPC可以通过网线的多根芯使网络在内部成环状。当网中有一点断开时，环网遭到破坏。MSAU是一个智能设备，会检测到断点，自动闭合断点。ABC34IEEE802.4规定了令牌总线（TokenBus）网的标准令牌总线网的物理拓扑为总线，但用令牌控制对介质的访问，形成逻辑环结构。P：上一结点地址；N：下一结点地址。即保持了总线结构，又保证了高峰流量。除个别工厂外使用不多。35总结：应用层表达层会话层传输层网络层数据链路层物理层OSI参考模型逻辑链路控制子层介质访问控制子层物理层IEEE802参考模型802.3EtherNetCSMA/CD802.4TokenBusTokenPassing802.5TokenRingTokenPassing10Base210Base510BaseT100BaseX363-5高速局域网技术1、提高网络速度的必要性–在过去的20年中计算机的速度提高了百万倍，价格不断下降，这促进了计算机的广泛应用。–计算机的广泛应用使连网成为必然，计算机网络规模越来越大，网络内部的通信量越来越大。–传统的共享介质网络，随网络规模的增大，效率急剧下降。372、解决网络规模和网络性能矛盾的方法–改进局域网技术，提高局域网的速率。–将一个大型网络用网桥或路由器划分成多个较小的网段（子网），减少每个网段内部的结点数。–将共享方式的网络改成交换式的网络。3、局域网分类共享介质局域网：以太网、令牌总线、令牌环、FDDI、快速以太网、千兆以太网交换式局域网：交换式以太网、ATM局域网仿真、IPoverATM、MPOA、虚拟局域网383-5-2快速以太网1、快速以太网的发展–快速以太网单指速率为100MB的以太网，–快速以太网体系结构、工作原理、介质访问控制方法与传统以太网相同，只是改变了物理层标准，使每个比特的发送时间有100ns降低到10ns。392、快速以太网标准速率：100Mbps物理拓扑：为星型结构通信介质：100BASE-TX5类UTP或STP网段最大长度100米100BASE-T43、4、5类UTP网段最大长度100米100BASE-FX2芯2.5m多模光纤网段最大长度2000米403-5-3千兆以太网1、千兆以太网的发展现在，许多用户通过10BASE-T或100BASE-T与局域网连接，这将产生与传统局域网类似的瓶颈现象。随着网络上越来越复杂的应用，快速以太网在数据仓库、桌面视频会议、高清晰度图象的应用中会显得力不从心。千兆以太网体系结构、工作原理、介质访问控制方法与传统以太网相同，只是改变了物理层标准，使每个比特的发送时间由10ns降低到1ns。412、千兆以太网的标准1000BASE—T：使用5类非屏蔽