计算机网络技术与应用课件-第5章-局域网技术

Li_zhihui第5章局域网技术第5章局域网技术教学目标：了解局域网的体系结构与OSI的对应关系；了解常见的局域网标准；通过了解局域网工作过程，以及局域网常见的拓扑结构，为学生在实际应用中构建简单的局域网打下理论基础。教学内容5.1局域网定义5.2局域网体系结构5.3以太网5.4局域网拓扑结构5.5无线局域网5.6虚拟局域网技术5.1局域网定义1、何谓局域网局域网指在一定区域内由多台计算机近距离地互连在一起的计算机组，以企业内部服务为主，是以实现文件传输、数据传递和资源共享等功能的内部网络系统。从另一角度解释，局域网是一个单独的广播域网，主要使用集线器或交换机连接同一网段内的所有结点，构成可以快速通信的网络系统。2、局域网构成局域网主要由：服务器、工作站以及集线器、交换机等简单的数据通信设备和通信介质构成。构建局域网的3个基本要素：网络拓扑，传输介质和介质访问控制方法。续3、局域网特点1）应用范围比较小，往往用于某一群体、一个单位或一个部门等；2）局域网一般不对外提供服务，保密性较好，且便于管理；3）局域网投资较少，组建方便，使用灵活；4）局域网通信速率快，一般可达100Mbps，甚至可以组建1000Mbps的局域网且具有较低的时延和较低的误码率；5）局域网内各结点关系互为平等，不存在主从关系；6）局域网采用广播机制通信，不存在寻径问题。5.2局域网体系结构局域网有自己特有的体系结构，对应着有各种LAN标准。了解局域网的体系结构，首先要从了解IEEE802开始。5.2.1IEEE8025.2.2IEEE802体系结构5.2.1IEEE8021、IEEE802职能IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）电气和电子工程师协会，是世界上著名的专业组织。1980年2月，IEEE成立了一个局域网委员会，专门负责起草局域网草案，并制定有关标准，因而得名IEEE802委员会IEEE802有两个含义：一是指局域网/城域网标准委员会，另外IEEE802也指关于局域网和城域网的一系列标准。续2、IEEE802局域网标准系列IEEE802标准具体有：IEEE802.1A--局域网体系结构IEEE802.1B--寻址、网络互连与网络管理标准IEEE802.2--逻辑链路控制（LLC）标准IEEE802.3--CSMA/CD访问控制方法与物理层规范IEEE802.3i--10Base-T访问控制方法与物理层规范IEEE802.3u--100Base-T访问控制方法与物理层规范IEEE802.3ab--1000Base-T访问控制方法与物理层规范续IEEE802.3z--1000Base-SX和1000Base-LX访问控制方法与物理层规范IEEE802.4--Token-Bus访问控制方法与物理层规范IEEE802.5--Token-Ring访问控制方法IEEE802.6--城域网访问控制方法与物理层规范IEEE802.7--宽带局域网访问控制方法与物理层规范IEEE802.8--FDDI访问控制方法与物理层规范IEEE802.9-------综合数据话音网络IEEE802.10------网络安全与保密5.2.2IEEE802体系结构1、逻辑链路控制层2、介质访问控制层3、物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层7654321ISO的OSI-RM物理层逻辑链路控制层介质访问控制层（）（）（）服务访问点LSAPIEEE802LAN-RM（）（）服务访问点MSAP服务访问点PSAP1、逻辑链路控制层逻辑链路控制，即LLC。该层的主要功能是控制对传输介质的访问，向上层屏蔽底层的MAC类型，如：CSMA/CD、Token-Bus、Token-Ring和FDDI；同时，通过多个服务访问点（LSAP）向上层提供统一的帧格式和通信服务。LLC帧基本构成：2、介质访问控制层介质访问控制，即MAC。该层的主要功能是提供连接服务类型，定义如何解决共享信道的争用问题等，体现了各种LAN的独有特色。MAC帧基本构成：3、物理层物理层，即IEEE802体系结构的最低层，该层的主要功能是对信号的编码与解码；前导同步码的生成与去除；帧比特流的发送和接收以及载波检测等。其接口设备主要有网卡。5.3以太网以太网（Ethernet）是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网标准与IEEE802.3系列标准相类似，是现有局域网采用的最为通用的通信协议标准，也是当今最重要的一种局域网组网技术。通常我们所说的以太网技术主要是指以下这三种局域网技术：1）传统以太网/IEEE802.3；2）快速以太网；3）千兆以太网。5.3.1以太网的发展当今居于主导地位的局域网技术－以太网，不仅带动了各大企业、各个部门的网络应用，而且对计算机技术的发展以及Internet应用的快速普及起到了重要的推动作用。其发展历程如下：1973年，RobertMetcalfe在哈佛大学的博士论文中提出了以太网通信的构想。1995年，在美国Xerox公司的研究中心实验成功。1980年，Xerox、Intel和DEC公司合作，共同提出了以太网规范。1982年，IEEE802.310Base5标准面世。1989年，ISO以标准号ISO8802.3采纳了IEEE802.3标准。5.3.2以太网与IEEE802.3在实际应用中，我们常常对以太网和IEEE802.3这两个概念的界限模糊，这是因为以太网有两个标准：1）DIXEthernetV2标准。2）IEEE的802.3标准。以太网与IEEE802.3相同之处：基于广播机制下，二者的工作原理是相同的，均采用CSMA/CD随机访问的竞争技术。以太网与IEEE802.3的主要差异：以太网所提供的服务主要对应于OSI参考模型的第一和第二层，即物理层和数据链路层；而IEEE802.3则主要是对物理层和数据链路层的介质访问部分进行了规定。5.3.3以太网工作原理1、CSMA/CD协议载波侦听：结点发送数据前先侦听传输介质信道是否空闲，若空闲则立即发送数据；多路访问：连接在同一传输介质上的所有结点共享传输介质，数据通过广播传送到所有结点；冲突检测：结点在发送数据时，边发送边继续侦听，若侦听到冲突（载波的振幅激增），则立即停止发送数据，等待一段随机时间间隔后再重新尝试发送。2、CSMA/CD特点1）共享传输介质的总带宽2）半双工传输方式3）无连接、不可靠的传输服务4）传输的不确定性5.3.4各种以太网标准1、传统以太网2、快速以太网3、千兆以太网4、10G以太网5.4局域网拓扑结构在局域网中，把计算机、终端等设备视为“结点”，把通信线路视为“线”，由这些结点和线所构成的拓扑连接方式称为网络拓扑结构。5.4.1总线型拓扑5.4.2环型拓扑5.4.3星型拓扑5.4.4树型拓扑5.4.1总线型拓扑总线型拓扑，其所有结点都通过相应的硬件接口（三通连接器）连接到无源公共总线上，总线两端各加装一个50欧姆终端电阻。续1、传统总线以太网特点1）广播信道。2）通信介质是同轴细缆，通过三通连接器与结点连接；传输速率为10Mbps，传输距离Max200米；3）介质访问方法采用以太网的CSMA/CD协议。2、传统总线以太网不足1）共享总线，高负荷时网络通信效率很低；2）网络对总线故障比较敏感；3）对实时性要求较高的应用不太适用。5.4.2环型拓扑环型网络结构中，各结点通过环接器连接到一个闭合的环型通道上，环路中各结点地位相同。环型网络有单环结构，还有双环结构，数据在环上始终沿着一个方向传输。续1、令牌环（TokenRing）协议在令牌环网上，时刻传输着一个小数据帧称之为“令牌”。对于环上的所有结点，发送数据的结点必须首先截获令牌，然后才有权限发送数据，数据发送完毕后必须释放令牌到环上。2、令牌环的特点点到点信道，各结站地位平等；通信介质一般采用同轴电缆，介质访问方法采用IEEE802.5令牌环协议，传输速率在4Mbps或16Mbps；传输误码率较低，不存在数据冲突。续3、令牌环的缺陷扩建或改建比较困难，结点的加入和撤出过程比较复杂；存在延时问题，不适合于实时应用的场合；在负载很低时，信道利用率相对较低；需要维护令牌，一旦失去令牌就无法工作，因此，需要选择专门的结点监视和管理令牌；对各结点接口及链路的可靠性要求高，一旦出现故障，就会导致全网瘫痪。5.4.3星型拓扑星型网络结构中，各结点通过点到点的方式连接到一个中央节点设备上（如集线器、交换机），各结点发送的数据均需要通过中央节点设备后再传送到目的结点。续1、星型拓扑特点网络结构简单，管理方便，容易实现；通信介质采用双绞线，两端使用RJ45接口标准；传输距离最长100米，网络延迟时间较短，误码率较低；介质访问方法采用以太网的CSMA/CD协议；2、星型拓扑缺点增加了线路的成本且线路利用率不高；对中央节点的可靠性要求高。续3、中央节点设备星型拓扑结构的中央节点设备可以是集线器也可以是交换机，二者构建的网络外观相同，但网络通信性能却是有本质上的区别。4、常见的星型拓扑网络1）传统星型以太网2）快速以太网5.4.4树型拓扑树型拓扑结构是由多个星型拓扑结构级联构成的。1、网络中继拓扑规则1）10Base以太网的中继拓扑规则在10Base的以太网中，最多可由5段线缆、4个中继器构成，其中只允许3段线缆可以接入结点。同时，还限制在网络中任意两个结点之间经过的中继器数目不能超过2个，所有结点组成1个大型的冲突域。这就是典型的5-4-3-2-1设计规则，简称5-4-3规则。2）100Base快速以太网中继拓扑规则结点与中央节点之间的双绞线最大距离为100米；一个独立的快速以太网可以有1~2个Ⅱ类中继器（即3个或3个以上的II类中继器互连是不允许的）；连接Ⅱ类中继器的上行链路(up-link)必须在5米以下；一个独立的快速以太网只能有1个I类中继器；I类和Ⅱ类中继器不允许在同一快速以太网中同时出现；续3）I类与Ⅱ类中继器（Hub）主要区别I类中继器可以连接采用不同编码技术的介质类型，如100Base-TX采用4B/5B编码，100Base-T4采用8B/6T编码，I类中继器可以在这两种类型网络之间中继信号。Ⅱ类中继器只能连接采用相同编码技术的介质类型。如在100Base-TX和100Base-FX之间中继信号，因为这两种网络标准均采用4B/5B编码。2、网络拓展方式用单一的网络设备构建网络，当接入结点增多时，网络需要拓展，其拓展的基本方式有堆叠和级联两种。堆叠：通过厂家提供的一条专用连接线缆，将一设备的“UP”堆叠端口直接连接到另一设备的“DOWN”堆叠端口上。级联：使用设备的普通端口或特定端口与另一设备的普通端口进行连接。3、集线器级联拓扑如使用10Mbps共享集线器级联的10Base-T以太网，仍然受到“5－4－3”规则限制。使用100Mbps共享集线器级联的100Base以太网，则必须严格遵循100Base快速以太网中继拓扑规则。4、交换机级联拓扑交换机可以与10Mbps集线器、100Mbps集线器或100Mbps交换机级联。位于同一冲突域里的拓扑依然要求不能违背中继拓扑规则。然而，对于全是100Mbps交换机级联的网络拓扑，则并没有特别的规定。5.5无线局域网无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork；WLAN）是目前最新、也是最为热门的一种局域网技术。5.5.1无线局域网标准目前主要有4标准：802.11b标准802.11a标准802.11g标准802.11z标准5.5.2无线网的CSMA/CA协议CSMA/CA（Carr