Transcript 第四章局域网技术
第4章 局域网技术 教学目标 通过本章内容的学习，可以了解局域 网的历史、特点、分类和相关的标准及 协议，熟悉以太网、令牌环网、FDDI、 高速以太网、虚拟局域网、无线局域网 等网络，掌握简单的局域网组网和基本 的网络互联技术，并对城域网也有一定 的了解。 教学重点和难点 l IEEE802的分层体系结构和标准 l 局域网的一些常见形式和原理 l 以太网实用组网技术 l 网络互联技术 4.1 局域网概述 局域网（LAN，Local Area Net）是一种 在有限的地理范围内将许多独立设备相 互联接，在网络操作系统的支持下，实 现数据通信和资源共享的计算机网络。 1．局域网的特点 2．局域网的发展历史 3．局域网的分类 4.2 局域网协议标准 IEEE802参考模型诞生于1980年2月，故 称为802标准。 4.2.1 IEEE802参考模型及协议 应用层 表示层 会话层 服务访问点SAP 传输层 网络层 逻辑链路控制LLC 数据链路层 媒体访问控制MAC 物理层 物理层 图4.1 IEEE 802参考模型与OSI模型的对比最低两 层 2．IEEE802协议 802.10 可互操作局域网安全机制 802.1 体系结构、网络互连 802.2 逻辑链路控制LLC 802.3 CSMA/CD MAC 802.4 令牌总线 MAC 802.5 令牌环网 MAC 802.6 城域网 MAC 物理层 物理层 物理层 物理层 802.7 宽带技术 802.9 话音数 据 综合 802.11 无线 物理层 物理层 802.8 光纤技术 图4.2 IEEE802委员会所研究系列标准的关系图 802.12 星型网 物理层 802.14 有线 电视网 物理层 数据 链路 层 物理 层 4.2.2以太网 以太网是目前应用最为广泛的局域网，技术先 进而且成熟，实时性强，性能稳定，价格低廉。 以太网基本上都遵循IEEE802.1、IEEE802.2标 准。在决定局域网特性的几个主要因素——拓 朴结构、传输媒体和媒体访问控制方法中，最 为重要的就是媒体访问控制方法。以太网采用 的媒体访问控制方法是带冲突检测的载波侦听 多 路 访 问 技 术 CSMA/CD （ Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），该技术正是IEEE802.3的核心技 术。 1．媒体访问控制方式 CSMA/CD 它是从多路访问（MA）发展到载波侦听 多路访问（CSMA），最后发展成为带有 冲突检测的载波侦听多路访问 （CSMA/CD）。 根据避让时间的选择方法，CSMA可以分 为三种：非坚持CSMA、坚持CSMA和P-坚 持CSMA。 2．常见以太网技术标准 （1）10Base5。 （2）10Base2。 （3）10Base-T。 （4）10Base-F。 （5）100Base-T。 （6）100Base-TX。 （7）100Base-T4。 （8）100Base-T2。 3．交换式以太网 交换式以太网是在多端口网桥的基础上于九十 年代初发展起来的，与快速以太网大致同期出 现，两者结合起来可向对方提供互补特性。 以太网交换机的原理很简单，它检测从以太网 端口来的数据包的源地址和目的地址的MAC地 址，然后与系统内部的动态查找表进行比较， 若数据包的MAC地址不在查找表中，则将该地 址加入查找表中，并将该数据包发送给相应的 目的端口。 4.2.3令牌环网 在以太网中既无法预测冲突的出现，也 无法预测各个站点同时争用链路而引起 的延迟时间。令牌环网则不存在这些问 题，它通过要求站点轮流发送数据的方 式解决了以太网中存在的一些不确定性。 令牌环的帧格式 令牌帧 SD P P P AC T M 图4.4 令牌帧的格式 ED R R R 数据帧 SD AC FC DA SA DATA 图4.5 数据帧的格式 FCS ED FS 3．令牌环的维护 令牌环的管理采用了准集中控制的方式。每个 环都要求有一个监控站进行全环路的管理。如 果监控站失效，则通过竞争的方式选举一个新 的监控站，每个站点都公平的享有被选为监控 站的权力。 当令牌环网刚刚启动或监控站失效的时候，首 先发现情况的站点会主动发出申请令牌帧，该 令牌帧环绕一周后，该站点就成为了监控站。 4.2.4令牌总线网 以太网是应用最为广泛的局域网，实现 简单，延迟较小，但是其性能会随着负 载的增加而急剧下降。令牌环网在重负 载情况下信道利用率仍然可以保持较高， 网络的性能对距离不敏感，网络站点具 有公平的访问能力。可是，环网结构复 杂，检错和可靠性方面存在问题。因此， 产生了介于两者之间并综合了两者优点 的另一种局域网，称为令牌总线网。 1．令牌总线网的工作原理 A 前E后B C 前无后无 B 前D后A E 前D后A D 前E后B 图4.6 令牌总线网 2．令牌总线网的维护 与以太网相比，令牌总线网的维护比较 复杂。环的维护任务较重，必须要有一 个或多个站点进行维护工作。 4.3现代局域网技术 4.3.1光纤分布式数据接口 4.3.2高速以太网 4.3.3虚拟局域网 4.3.4无线局域网 4.3.1光纤分布式数据接口 光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）是美国国家标准 协会制定的在光缆上发送数字信号的一 组协议。 故障站点 主环用 于数据 的传输 备用环 在正常 时并不 使用 图4.7正常时的FDDI网 络 主环与备 用环通路 主环失效 后备用环 启用 图4.8出现故障后的FDDI网络 3．FDDI的构成 构成FDDI网络，至少需要有光纤电缆， 适配器和连接器。 4．FDDI-II和CDDI 为了使得FDDI能够更加有用，在此基础 上又制定了铜缆分布式数据接口CDDI标 准。铜线分布式数据接口是FDDI 的一种 变型，可以在不昂贵的铜线电缆上运行 和使用相同的协议。 4.3.2高速以太网 1. 快速以太网 快速以太网也称百兆以太网，是局域网 的传输标准，它提供100Mbps的速率 快速以太网存在三种传输媒体类型 媒体访问控制（MAC） 100Base-T4 100Base-TX 100Base-FX 2.千兆以太网 继10M以太网标准后，100M的快速以太 网在90年代中后期飞速发展，成为当时 局域网联接主要应用的网络技术。 3.万兆以太网 2002年6月，随着802.3ae标准的正式发 布，以太网的工作范围更进一步拓展到 了广域网，并实现了端到端的以太网传 输。 万兆以太网又称10吉比特以太网，具有 更高的带宽（10G）和更远的传输距离 4.3.3虚拟局域网 传统的局域网是以物理网段为基本网络单位。 如果一个结点接到一个网络设备（HUB、网桥 或交换机）上，那么它就与其他接在同一设备 上的结点属于同一个局域网（广播域），可以 互发广播报文。当同一个局域网中的结点过多 时，必须用路由器或交换机分离子网，以防发 生网络风暴。 以上物理上的划分方法缺少灵活性，效率不高， 由此产生了虚拟局域网（Virtual Local Area Network ，VLAN）的概念。 1．VLAN概述 虚拟局域网是建立在交换技术基础上的一种将 局域网内的设备逻辑的划分为一个个网段而实 现虚拟工作组的新兴技术。 通过划分虚拟网，可以把广播限制在各个虚拟 网的范围内，从而减少整个网络范围内广播包 的传输，提高了网络的传输效率；同时各虚拟 网之间不能直接进行通讯，而必须通过路由器 转发，为高级的安全控制提供了可能，增强了 网络的安全性。 2.VLAN的优点 （1）控制广播风暴 一个VLAN就是一个逻辑广播域，通过对VLAN的创 建，隔离了广播，缩小了广播范围，可以控制 广播风暴的产生。 （2）提高网络整体安全性 通过路由访问列表和MAC地址分配等VLAN划分原 则，可以控制用户访问权限和逻辑网段大小， 将不同用户群划分在不同VLAN，从而提高交换 式网络的整体性能和安全性。 （3）网络管理简单、直观 3．VLAN的种类 （1）按端口划分 局域网交换机 1 2 3 4 5 6 7 8 VLAN1 VLAN2 图4.11 按交换机端口划分的VLAN 2 1 VLAN1 路由器 交换机S1 交换机S2 3 4 VLAN 2 图4.12 简单的跨越多个交换机的VLAN示例 （2）按MAC地址划分 （3）按网络协议划分 （4）用网络层地址定义VLAN （5）按策略划分 （6）按用户定义、非用户授权划分 4．VLAN技术的应用 （1）VLAN的应用领域 （2）VLAN的典型应用 5．VLAN的互联与交换机的选 择 目前市场上的以太网交换机主要有三种： ①普通的交换机。它仅仅进行数据帧的 转发和交换，起网桥的作用。 ②支持虚拟网络功能的交换机。网络管 理员可以根据需要对交换机所连接的结 点进行VLAN的划分，市场上绝大多数交 换机都支持VLAN功能。 ③带路由功能的三层交换机。 4.3.4无线局域网 1．WLAN概述 WLAN利用电磁波、红外线等传输媒体在 空气中发送和接受数据，无需线缆媒体。 它是对有线联网方式的一种补充和扩展， 使网上的计算机具有可移动性，能快速、 方便的解决有线方式不易实现的网络联 通问题。 2．WLAN优点 与有线网络相比，WLAN具有以下优点： （1）安装简单 （2）接入灵活 （3）节约成本 （4）易于扩展 3. WLAN的构成和连接设备 WLAN主要由通信设备、用户终端和网络 支持三部分构成。 4.4局域网的组建 4.4.1双机互连 4.4.2双绞线组网 4.4.3百兆以太网组网 4.4.4千兆以太网组网 4.4.5万兆以太网组网 4.4.1双机互连 1. 2. 3. 4. 5. 6. 直接电缆线连接，利用串口或者并口实 现双机互联。 通过USB口和USB连接线实现双机互联。 通过红外线接口实现双机互联。 通过网卡和双绞线实现双机互联。 通过双Modem实现远程双机互联。 无线双机互联 4.4.2双绞线组网 网卡是目前使用最多的连网设备，在双 机互联的解决方案中， 网卡也是速度最 快的一种。 1.硬件准备 2.网卡的安装和软件配置 3．双绞线组网类型 4.4.3百兆以太网组网 百兆以太网的组网方法与普通以太网的 组网方法基本相同，需要的一些常用硬 件设备为： l 100Base-T集线器或交换机； l 10/100MbpsBase-T自适应网卡； l 双绞线或光缆。 100Base-T网络组成 集线器 集线器 UTP 电 缆 长 度 <=100m 主机 主机 图4.14 100Base-T网络 4.4.4千兆以太网组网 千兆位以太网是一种新型高速局域网， 它可以提供1Gbps的通信带宽，采用和传 统十兆百兆以太网同样的CSMA/CD协议、 帧格式和帧长，因此可以实现在原有低 速以太网基础上平滑、连续性的网络升 级，从而能最大限度的保护用户以前的 投资。 1．基本硬件设备 2．组网方法 3．千兆以太网的物理层 4．百兆以太网升级到千兆以太 网方案 （1）升级网络骨干 （2）升级网络服务器 （3）升级网络边缘 （4）升级时应当注意的问题 4.4.5万兆以太网组网 1．基本硬件设备 2．组网方案 10GM 中心一级交换机 服务器 10GM 10GM 二级交换机 1GM 三级交换 机 四级交换 机 100 M 1GM 100 M 10M 主机 图4.15 万兆以太网组网方案 主机 4.5网络互联技术 随着网络技术的飞快发展和网络应用的 快速普及，网络规模迅速扩大，小型局 域网已不能胜任网络应用的需要。由此， 网络互联技术得到了前所未有的重视和 发展。 4.5.1网络互联的概念 网络互联是指利用网络互联设备，将两 个或者两个以上的计算机网络（也可称 子网）连接起来，以达到数据通信、扩 大资源共享和信息交流范围的目的。 4.5.2网络互联的基本要求和原 则 进行网络互联前需要先考虑和规划好以下问题： l 网络互联的层次。首先要考虑在哪一层进行互联，它是决定网 络互联其它方面的基础。 l 媒体访问控制方式。不同访问控制方式的网络需要彼此协调， 实现相互间的通信和管理。 l 寻址方法。不同的子网的命名方式、地址结构不一致，互联后 的网络必须具备全局寻址的能力。 l 信息的传递。实行网络互联时，对应不同的子网所传送的信息 格式、称呼、长度和处理时序会有所不同，网络互联应当解决这 些问题。 l 连接方式。不同的网络可能采用不同的连接方式。部分网络如 X.25通常采用面向连接的信息传输，而大多数局域网提供面向无 连接的服务，进行网络互联时应当屏蔽这样的差异。 实施网络互联时一般要遵循以 下原则： （1）选择和应用网络互联设备时，尽量 保留原有网络的网络体系结构、协议、 硬件和软件。 （2）网络进行联接后，原有子网内部的 传输功能和传输性能不应当受到过多的 影响。 4.5.3网络互联层次 应用层 应用层 表示层 表示层 会话层 网 关 传输层 会话层 传输层 网络层 路由器 网络层 数据链路层 网 桥 数据链路层 物理层 中继器 图4.16 网络互联层次图 物理层 4.6局域网的互联 相同类型（网络拓扑结构或执行的协议 等）的网络称为同构网络，不同类型的 网络称为异构网络，局域网的互联既包 括同构网络的互联，也包括异构网络的 互联。从距离上看，有本地局域网和远 程局域网，因此，局域网的互联又体现 为局域网与局域网（LAN/LAN）的互联、 局域网与广域网（LAN/WAN）的互联、局 域网之间经广域网的互联等。 4.6.1利用网桥进行互联 利用网桥对本地局域网进行互联，可以 采用内部网桥和外部网桥两种方式。 内部网 桥 以太网 图4.17 内部网桥实现局域 网互联 环网 专用的计算机担任 网桥网桥 环网 以太网 图4.18 外部网桥实现局域网 互联 4.6.2利用FDDI主干网进行互联 FDDI 网 桥 以太网 网 桥 图4.19 FDDI实现局域网互联 环网 4.6.3利用路由器进行互联 中间路由器 路由器 路由器 交换机 交换机 主机 主机 图4.20 利用路由器实现局域网的互联 4.6.4利用交换机进行互联 路由器 通往广域网 主机 主机 图4.21 利用路由器实现局域网的互联 4.6.5利用高层网关进行互联 网关的连接并不采用ISO/OSI模式。 很多时候，高层网关的互联建立在应用 层层次上。 4.7城域网 城 域 网 (Metropolitan Area Network) ， 简 称MAN，是在一个城市范围内所建立的一种大 型LAN。它是80年代末在LAN的发展基础上提出 的，在技术上与LAN有许多相似之处。所以， 其实现方法和性能与广域网(WAN)区别较大。 城域网的主要用途之一是作为骨干网，将位于 同一城市内不同的计算机、服务器以及局域网 连接起来，可以支持数据、声音和图像等信息 的传递，并且可能涉及到当地的有线电视网络。 4.7.1分布式队列双总线DQDB DQDB（Distributed Queue Dual Bus） 称为分布式队列双总线。在广域网WAN 与局域网LAN之外再把城域网MAN单独列 为一类，主要原因就是因为已经有了 IEEE802.6标准。 4.7.2宽带IP城域网 宽带IP城域网是一个以IP和ATM电信技术 为基础，集数据、语音、视频服务于一 体的高带宽、多功能、多业务接入的可 发展和开放的多媒体通信网。 习题4 1．局域网有哪些特点？如何进行分类？ 2．局域网主要有哪些协议？决定局域网性能的主要因素是什么？ 3．分别论述3种CSMA/CD媒体访问控制技术的控制过程、各自的优缺点。 4．论述令牌环网媒体访问控制技术的控制过程。 5．画出利用两个交换机实现两个总线局域网分别与一个环网互连的示意图。 6．CSMA/CD网络长1km，数据传输速率为1Gb/s，传播时延为5μs。试问： (1)1bit 的 时 延 相 当 于 多 长 的 线 路 ？ (2)使用此协议传输最短帧长（64字节）需要多少时间？ 7．双机互联主要有哪些方法？请说明用双绞线进行双机互联的过程及具体操 作步骤。 8．非屏蔽双绞线进行10Base-T的组网，需要哪些硬件设备？根据使用的集线 器的不同，有哪些形式的组网方式？ 9．组建百兆快速以太网，需要使用哪些基本硬件设备？ 10．千兆以太网的物理层标准主要有哪些？如何组建千兆以太网？ 11．局域网络互联方式主要有哪些？不同层次使用哪种硬件设备组网？ 12．无线网络与有线网络相比有哪些优势？ 13．宽带IP城域网有何特点？宽带IP城域网的组网方案有哪些？