中南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用課件局域網(wǎng)

1、第 4 章 局域網(wǎng),4.1 局域網(wǎng)基礎(chǔ),網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目均有限。 局域網(wǎng)的基本特點 高數(shù)據(jù)傳輸率（10 1000 Mbps） 短距離（0.1 10 km） 低出錯率（10-8 10-11） 局域網(wǎng)可以實現(xiàn)文件管理、應(yīng)用軟件共享、打印機共享、工作組內(nèi)的日程安排、電子郵件和傳真通信服務(wù)等功能。 4.1.1 局域網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展 局域網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年,4.1.2 決定局域網(wǎng)性能的因素 傳輸介質(zhì),在局域網(wǎng)中常用的是雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維3種。選擇傳輸介質(zhì)應(yīng)考慮的具體因素 成本安裝的難易程度容量衰減及最大距離抗干擾能力：主要指電磁干擾網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接方式環(huán)境因素

2、：地理分布、氣象影響、環(huán)境溫度、結(jié)點間距等,2. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星型 10/100/1000BASE系列使用集線器或交換機的共享式或交換式以太網(wǎng) 總線型 10BASE5、10BASE2以太網(wǎng) 環(huán)型 IBM令牌環(huán)網(wǎng)（Token-Ring） 樹型,介質(zhì)訪問控制方式 介質(zhì)的訪問控制方式定義了通信信道的訪問控制方法及安全可靠傳輸數(shù)據(jù)的規(guī)則,介質(zhì)訪問控制方法要解決的問題 (1)該哪個結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)？ (2)發(fā)送時會不會出現(xiàn)沖突？ (3)出現(xiàn)沖突怎么辦,1）CSMA/CD協(xié)議 載波偵聽與多路訪問（CSMA） 我們把查看信道上有無數(shù)字信號傳輸稱為“載波偵聽”，而把同時有多個結(jié)點在偵聽信道是否空閑和發(fā)送數(shù)據(jù)，稱為“

3、多路訪問”。 沖突檢測（CD） 每個計算機結(jié)點上的沖突檢測器（如網(wǎng)卡）具備發(fā)現(xiàn)沖突和處理沖突的能力,CSMA/CD的工作原理可以概括為以下四點：先聽后發(fā)。邊聽邊發(fā)。沖突停止。隨機延遲后重發(fā),由于CSMA/CD是一種用戶訪問總線時間不確定的隨機競爭總線的方法，所以它適用于辦公自動化等對數(shù)據(jù)傳輸實時性要求不嚴(yán)格和通信負(fù)荷較輕的應(yīng)用環(huán)境中,2） Token Ring,令牌環(huán)的主要優(yōu)點在于其訪問方式具有可調(diào)整性和確定性，且每個結(jié)點具有同等的介質(zhì)訪問權(quán)。同時，還提供優(yōu)先權(quán)服務(wù)，具有很強的適用性。它的主要缺點是環(huán)維護復(fù)雜，實現(xiàn)較困難,CSMA/CD采用用戶訪問總線時間不確定的隨機競爭方式，有結(jié)構(gòu)簡單、輕負(fù)

4、載時時延小等特點，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷增大時，由于沖突增多，網(wǎng)絡(luò)吞吐率下降、傳輸延時增加，性能明顯下降。 令牌環(huán)在重負(fù)荷下利用率高，網(wǎng)絡(luò)性能對傳輸距離不敏感。但令牌環(huán)網(wǎng)控制復(fù)雜，并存在可靠性保證等問題,Token-Bus 令牌總線主要適用于總線形或樹形網(wǎng)絡(luò)。采用此種方式時，各結(jié)點共享的傳輸介質(zhì)是總線形的，每一結(jié)點都有一個本站地址，并知道上一個結(jié)點地址和下一個結(jié)點地址，令牌傳遞規(guī)定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循環(huán)傳遞，從而在一個物理總線上形成一個邏輯環(huán),令牌總線的特點在于它的確定性、可調(diào)整性及較好的吞吐能力，適用于對數(shù)據(jù)傳輸實時性要求較高或通訊負(fù)荷較重的應(yīng)用環(huán)境中，如生產(chǎn)過程控制領(lǐng)

5、域。它的缺點在于它的復(fù)雜性和時間開銷較大，結(jié)點可能要等待多次無效的令牌傳送后才能獲得令牌,4.1.3 局域網(wǎng)的分類,1. 按網(wǎng)絡(luò)資源共享方式劃分 對等網(wǎng)絡(luò) 非對等網(wǎng)絡(luò) 2. 按網(wǎng)絡(luò)通信方式劃分 共享介質(zhì)局域網(wǎng) 交換局域網(wǎng) 3. 按傳輸技術(shù)劃分 基帶局域網(wǎng) 寬帶局域網(wǎng) 4. 按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分,為了解決廣播網(wǎng)中信道使用問題，常把數(shù)據(jù)鏈路層分成兩層： 邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層：完成通常意義下的數(shù)據(jù)鏈路層功能 媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層：負(fù)責(zé)解決共享信道問題； 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 L

6、LC 子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對 LLC 子層來說都是透明的,4.2 局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn),1. 物理層,每一種IEEE 802.3物理層規(guī)范的名稱都是由三部分組成，概括了協(xié)議的主要特性，分別代表局域網(wǎng)的速度、信號方法和物理媒體類型,2. MAC子層（介質(zhì)訪問控制層,在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址,局域網(wǎng)使用的是廣播信道，為了保證每個用戶不發(fā)生沖突，能正常通信，關(guān)鍵問題是如何解決對信道爭用。解決信道爭用的協(xié)議稱為介質(zhì)訪問控制協(xié)議（Medium Access Control，MAC）。 局域網(wǎng)常用的介質(zhì)訪問控制協(xié)議有： 載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CS

7、MA/CD） 令牌環(huán)（Token Ring）訪問控制 令牌總線訪問控制,3. LLC子層,LLC子層與傳輸介質(zhì)無關(guān)。它獨立于介質(zhì)訪問控制方法。隱蔽了各種802網(wǎng)絡(luò)之間的差別，并向網(wǎng)絡(luò)層提供一個統(tǒng)一的格式和接口。 LLC子層的功能包括差錯控制、流量控制和順序控制，并為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)。 提供多個服務(wù)訪問點，服務(wù)訪問點是兩個相鄰層之間的邏輯接口； 發(fā)送：將數(shù)據(jù)分成幀，帶地址和CRC； 接收：重裝幀，完成地址識別和CRC校驗。 LLC子層向上層提供3種類型的服務(wù)： 類型1LLC1,不確認(rèn)的無連接服務(wù)（數(shù)據(jù)報服務(wù)） 類型2LLC2,面向連接服務(wù)（虛電路服務(wù)） 類型3LLC3,帶確認(rèn)的無連接服務(wù),4.2.

8、2 IEEE 802標(biāo)準(zhǔn),IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)系列,IEEE802標(biāo)準(zhǔn)參考模型,IEEE802.1：LAN體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及網(wǎng)絡(luò)管理與性能測試。 IEEE802.2：邏輯鏈路控制子層LLC的功能與服務(wù)。 IEEE802.3：CSMA/CD總線介質(zhì)訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范。 IEEE802.3i：10BASE-T訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范。 IEEE802.3u：100BASE-T訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范。 IEEE802.3ab：1000BASE-T訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范（銅線） IEEE802.3z：1000BASE-X訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范（光纖） IEEE802

9、.4：令牌總線介質(zhì)訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范。 IEEE802.5：令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范。 IEEE802.6：城域網(wǎng)訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范。 IEEE802.7：寬帶技術(shù)。 IEEE802.8：光纖技術(shù)。 IEEE802.9：綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）技術(shù)。 IEEE802.10：局域網(wǎng)安全技術(shù)。 IEEE802.11：無線局域網(wǎng)。 IEEE802.12：100VG-anyLAN訪問控制方法及物理層技術(shù)規(guī)范,4.3 以太網(wǎng),4.3.1 傳統(tǒng)以太網(wǎng) 以太網(wǎng)(Ethernet) 是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox,Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范,采用廣

10、播機制 采用CSMA/CD媒體訪問機制 無集中式的管理措施,10Base-5 10Base-2,10Base-T,10Base-F,4.3.2 快速以太網(wǎng),100BASE-T 1)Fast Ethernet的數(shù)據(jù)傳輸速率達到了100Mb/s； 2)Fast Ethernet與以太網(wǎng)的幀格式、介質(zhì)訪問控制方法與組網(wǎng)方法相同； 3)每個比特的發(fā)送時間由100ns降低到了10ns； 4)1995年9月 Fast Ethernet標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3u,1.快速以太網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu) 快速以太網(wǎng)采用的MII（media independent interface）介質(zhì)獨立接口將MAC子層與物理層分隔開來

11、，使得物理層在實現(xiàn)100MB/S速率時介質(zhì)和信號編碼的變化不會影響到MAC子層,2. 100Base-T標(biāo)準(zhǔn),4.3.3 千兆以太網(wǎng),GE是IEEE 802.3 Ethernet標(biāo)準(zhǔn)的擴展，編號為802.3z，其數(shù)據(jù)傳輸率為1000Mbps（即1Gbps）。 千兆位以太網(wǎng)將每個比特的發(fā)送時間由10BASET時的100ns降低到1ns。 采用GMII（千兆位介質(zhì)專用）接口，將MAC子層與物理層分隔開來，介質(zhì)和信號編碼的變化不會影響到MAC子層。 1. 吉位以太網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu),4.3.4 萬兆以太網(wǎng),10 Gigabit Ethernet標(biāo)準(zhǔn)的制定由IEEE802.3ae委員會于2002年6月完成。

12、 萬兆以太網(wǎng)（10GE）使用IEEE 802.3以太網(wǎng)介質(zhì)接入控制（MAC）協(xié)議、IEEE 802.3以太網(wǎng)幀格式和IEEE 802.3幀格式，不需要修改以太網(wǎng)介質(zhì)接入控制（MAC）協(xié)議或分組格式。 10 吉比特以太網(wǎng)不再使用銅線而只使用光纖作為傳輸媒體。 10 吉比特以太網(wǎng)只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用 CSMA/CD 協(xié)議,10 吉比特以太網(wǎng)的出現(xiàn)，以太網(wǎng)的工作范圍已經(jīng)從局域網(wǎng)（校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)）擴大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，從而實現(xiàn)了端到端的以太網(wǎng)傳輸。 成熟的技術(shù) 互操作性很好 在廣域網(wǎng)中使用以太網(wǎng)時價格便宜。 統(tǒng)一的幀格式簡化了操作和管理,1. FDDI的逆向雙環(huán)結(jié)構(gòu),1）傳輸

13、介質(zhì) （2）數(shù)據(jù)編碼：4B/5B （3）可靠性規(guī)范,4.4 FDDI網(wǎng)絡(luò),FDDI建立在小令牌幀的基礎(chǔ)上，當(dāng)所有站都空閑時，小令牌幀沿環(huán)運行。當(dāng)某一站有數(shù)據(jù)要發(fā)送這時，必須等待有令牌通過時才可能。一旦識別出有用的令牌，該站便將其吸收，隨后便可發(fā)送一幀或多幀。這時環(huán)上沒有令牌環(huán)上后，便在環(huán)上插入一新的令牌，任一時刻環(huán)上可能會有來自多個站的幀運行,a) (b) (c) (d) (e) (f,4.5 交換式局域網(wǎng),4.5.1 交換式局域網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)與特點 （1）允許多對站點同時通信，每個站點可以獨占傳輸通道和帶寬。 （2）靈活的接口速率。 （3）增強了網(wǎng)絡(luò)可擴充性和延展性。 （4）易于管理、便于調(diào)整

14、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的分布，有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。 （5）交換以太網(wǎng)與以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)完全兼容，它們能夠?qū)崿F(xiàn)無縫連接。 （6）可互連不同標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng),4.5.2 局域網(wǎng)交換機的工作原理,4.6.1 虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu) 虛擬局域網(wǎng)（邏輯網(wǎng)）是以交換式網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，把網(wǎng)絡(luò)上的用戶（終端設(shè)備）分為若干個邏輯工作組，每個邏輯工作組就是一個虛擬網(wǎng)絡(luò)（Virtual Network，VLAN）。 VLAN并不是一種新型的局域網(wǎng)技術(shù)，而是交換網(wǎng)絡(luò)為用戶提供的一種服務(wù)。 VLAN使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.1Q,4.6 虛擬局域網(wǎng),以太網(wǎng) 交換機,A4,B1,以太網(wǎng) 交換機,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2

15、,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網(wǎng) 交換機,以太網(wǎng) 交換機,三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構(gòu)成,以太網(wǎng) 交換機,A4,B1,以太網(wǎng) 交換機,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網(wǎng) 交換機,以太網(wǎng) 交換機,三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構(gòu)成,當(dāng) B1 向 VLAN2 工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時， 工作站 B2 和 B3 將會收到廣播的信息,以太網(wǎng) 交換機,A4,B1,以太網(wǎng) 交換機,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網(wǎng) 交換機

16、,以太網(wǎng) 交換機,三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構(gòu)成,B1 發(fā)送數(shù)據(jù)時，工作站 A1, A2 和 C1 都不會收到 B1 發(fā)出的廣播信息,以太網(wǎng) 交換機,A4,B1,以太網(wǎng) 交換機,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網(wǎng) 交換機,以太網(wǎng) 交換機,三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構(gòu)成,虛擬局域網(wǎng)限制了接收廣播信息的工作站數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò) 不會因傳播過多的廣播信息(即“廣播風(fēng)暴”)而引起性能惡化,4.6.2 虛擬局域網(wǎng)組網(wǎng)方法,1. 基于交換機端口劃分的VLAN 這種劃分是把一個或多個交換機上

17、的幾個端口劃分一個邏輯組，這是最簡單、最有效的劃分方法,2.基于MAC地址劃分的VLAN,優(yōu)點：方便網(wǎng)絡(luò)用戶的物理位置的移動。缺點：在大型網(wǎng)絡(luò)中，初始工作量非常大,基于網(wǎng)絡(luò)層地址劃分VLAN,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層地址來確定的VLAN成員。 用交換機的VLAN來取代路由器的子網(wǎng)。 不用更改配置，方便網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的隨意移動。 有利于建立基于某種服務(wù)或應(yīng)用的VLAN,1. 無線局域網(wǎng)的接入設(shè)備 無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)卡：是無線終端（結(jié)點）接入網(wǎng)絡(luò)的主要部件。 無線接入點：AP，是一切可接入設(shè)備的綜合稱謂，如無線AP、無線網(wǎng)橋、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)等各類無線設(shè)備,4.7 無線局域網(wǎng),無線局域網(wǎng)的工作模式 無線局域網(wǎng)

18、的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為無中心的對等式拓?fù)浜陀兄行牡幕灸Ｊ酵負(fù)洹＃?） 無中心模式 無中心拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)要求網(wǎng)中任意兩個站點均可直接通信，一般使用公用廣播信道，各站點都可競爭公用信道，而信道接入控制（MAC）協(xié)議大多采用CSMA類型的多址接入?yún)f(xié)議。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)抗毀性好、建網(wǎng)容易、且費用較低。但當(dāng)網(wǎng)中用戶數(shù)（站點數(shù)）過多時，信道競爭成為限制網(wǎng)絡(luò)性能的要害。適用于用戶數(shù)相對較少的工作群,2） 有中心模式 在有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，要求一個無線站點充當(dāng)中心站，所有站點對網(wǎng)絡(luò)的訪問均由其控制。這樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增大時網(wǎng)絡(luò)吞吐性能及網(wǎng)絡(luò)時延性能的惡化并不據(jù)烈。由于每個站點只需在中心站覆蓋范圍內(nèi)就可與其它站點通信，