計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課件第三章-局域網(wǎng)技術(shù)

第三章局域網(wǎng)技術(shù)教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)過程3/4/20231.教學(xué)目標(biāo)掌握局域網(wǎng)的工作原理掌握局域網(wǎng)的實(shí)用技術(shù)3/4/20232.教學(xué)重點(diǎn)IEEE802參考模型以太網(wǎng)的工作原理在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng)虛擬局域網(wǎng)技術(shù)3/4/20233.教學(xué)過程傳統(tǒng)以太網(wǎng)擴(kuò)展的局域網(wǎng)高速局域網(wǎng)虛擬局域網(wǎng)無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)3/4/20234.3.1局域網(wǎng)概述局域網(wǎng)LAN（LocalAreaNetwork）產(chǎn)生于60年代末。局域網(wǎng)(LAN)普遍具有以下一些特點(diǎn)：(1)地理分布范圍較小，一般為數(shù)百米至數(shù)公里。(2)數(shù)據(jù)傳輸速率高，一般為0.1~100Mbps，目前已出現(xiàn)速率高達(dá)1000Mbps的局域網(wǎng)。(3)誤碼率低，一般在10-11~10-8以下。

3/4/20235.局域網(wǎng)概述(4)以PC機(jī)為主體，包括終端及各種外設(shè)，網(wǎng)絡(luò)中一般不設(shè)中央主機(jī)系統(tǒng)。(5)一般僅包含OSI參考模型中的低三層功能。(6)協(xié)議簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)靈活、建網(wǎng)成本低、周期短、便于管理和擴(kuò)充。3/4/20236.IEEE802參考模型工作組名稱研究?jī)?nèi)容802.1高層接口（HILI），包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)際合作和LAN的網(wǎng)絡(luò)管理802.2邏輯鏈路控制（LLC）802.3載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）802.4令牌總線（TokenBus）802.5令牌環(huán)（TokenRing）802.6城域網(wǎng)（MAN）802.7廣域技術(shù)建議組（BBTAG）802.8光纖技術(shù)建議組（FOTAG）802.9綜合業(yè)務(wù)局域網(wǎng)接口（ISLAN）802.10交互性局域網(wǎng)安全性標(biāo)準(zhǔn)（SILS）802.11無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）802.12命令優(yōu)先級(jí)802.13基于有線電視的廣域通信網(wǎng)3/4/20237.IEEE802參考模型IEEE委員會(huì)在IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)中定義了關(guān)于局域網(wǎng)的參考模型。3/4/20238.IEEE802參考模型IEEE802參考模型包括了OSI/RM最低兩層(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)的功能，也包括網(wǎng)間互連的高層功能和管理功能。OSI/RM的數(shù)據(jù)鏈路層功能，在局域網(wǎng)參考模型中被分成媒體訪問控制MAC(MediumAccessControl)和邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)兩個(gè)子層。3/4/20239.IEEE802參考模型IEEE802標(biāo)準(zhǔn)特意把邏輯鏈路控制（LLC）獨(dú)立出來(lái)形成一個(gè)單獨(dú)子層，使LLC子層與媒體無(wú)關(guān)，僅讓媒體訪問控制（MAC）子層依賴于物理媒體。由于設(shè)立了MAC子層，IEEE802標(biāo)準(zhǔn)就具有了可擴(kuò)充性，有利于接納新的媒體和媒體訪問控制方法。3/4/202310.IEEE802參考模型MAC層從LLC層接收一塊數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的媒體訪問控制，然后把數(shù)據(jù)傳輸出去。和其他協(xié)議層一樣，MAC層會(huì)組裝一個(gè)MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），這個(gè)PDU又叫做MAC幀。3/4/202311.IEEE802參考模型所有LAN中的設(shè)備通過訪問共享媒體來(lái)發(fā)送和接收信息，因此必須提供相應(yīng)的機(jī)制來(lái)控制對(duì)傳輸媒體的訪問，以便使之更加有序和有效。這就是MAC子層提供的功能。MAC到MAC的操作通過同等層協(xié)議來(lái)進(jìn)行，MAC還產(chǎn)生幀檢驗(yàn)序列和完成幀檢驗(yàn)等功能。3/4/202312.3.2傳統(tǒng)以太網(wǎng)在總線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)站點(diǎn)都能獨(dú)立地決定幀的發(fā)送，若兩個(gè)或多個(gè)站同時(shí)發(fā)送幀，就會(huì)產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致所發(fā)送的幀都出錯(cuò)。以太網(wǎng)的組建主要遵循IEEE802.3協(xié)議，CSMA/CD是一種用爭(zhēng)用的方法來(lái)決定對(duì)媒體訪問權(quán)的協(xié)議，這種爭(zhēng)用協(xié)議適用于邏輯上屬于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。3/4/202313.載波監(jiān)聽多路訪問CSMA載波監(jiān)聽多路訪問CSMA的技術(shù)，也稱做先聽后說(shuō)LBT(ListenBeforeTall)。要傳輸數(shù)據(jù)的站點(diǎn)首先對(duì)媒體上的載波進(jìn)行監(jiān)聽，以確定是否有其它站點(diǎn)占用總線。如果總線空閑，該站點(diǎn)便可傳輸數(shù)據(jù)；否則，該站點(diǎn)將避讓一段時(shí)間后再做嘗試。3/4/202314.載波監(jiān)聽多路訪問CSMA避讓的策略主要有三種：1）非堅(jiān)持算法2）1-堅(jiān)持算法3）P-堅(jiān)持算法3/4/202315.非堅(jiān)持算法算法規(guī)則為：(1)如果媒體空閑，則可以立即發(fā)送。(2)如果媒體忙，則等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)延，再重復(fù)前一步驟。采用隨機(jī)的重發(fā)延遲可以減少?zèng)_突發(fā)生的可能性。非堅(jiān)持算法的缺點(diǎn)是：即使有幾個(gè)站點(diǎn)都有數(shù)據(jù)要發(fā)送，但由于大家都在延遲等待過程中，致使媒體仍可能處于空閑狀態(tài)，使利用率降低。3/4/202316.1-堅(jiān)持算法算法規(guī)則為：(1)如果媒體是空閑的，則可以立即發(fā)送。(2)如果媒體是忙的，則繼續(xù)監(jiān)昕，直至檢測(cè)到媒體空閑，立即發(fā)送。(3)如果有沖突(在一段時(shí)間內(nèi)未收到肯定的回復(fù))，則等待一隨機(jī)時(shí)間，重復(fù)步驟(1)~(2)。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是：只要媒體空閑，站點(diǎn)就立即發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了媒體利用率的損失；其缺點(diǎn)是：假如有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免。3/4/202317.P-堅(jiān)持算法算法規(guī)則為：(1)監(jiān)聽信道，如果媒體是空閑的，則以P的概率發(fā)送數(shù)據(jù)，而以(1-P)的概率延遲一個(gè)時(shí)間單位。一個(gè)時(shí)間單位通常等于傳播時(shí)延的2倍。(2)延遲了一個(gè)時(shí)間單位后，再重復(fù)步驟(1)。(3)如果媒體是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽直至媒體空閑并重復(fù)步驟(1)。P-堅(jiān)持算法是一種既能像非堅(jiān)持算法那樣減少?zèng)_突，又能像1-堅(jiān)持算法那樣減少媒體空閑時(shí)間的折中方案。3/4/202318.具有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD在CSMA/CD算法中，一旦檢測(cè)到?jīng)_突并發(fā)完阻塞信號(hào)后，為了降低再次發(fā)生沖突的概率，需要等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，然后再使用CSMA方法試圖傳輸。為了保證這種退避操作維持穩(wěn)定，采用了一種稱為二進(jìn)制指數(shù)退避的算法，其規(guī)則如下：(1)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí)，設(shè)置一個(gè)參量L；(2)退避間隔取1到L個(gè)時(shí)間片中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，1個(gè)時(shí)間片等于兩站點(diǎn)之間的最大傳播時(shí)延的兩倍；(3)當(dāng)數(shù)據(jù)幀再次發(fā)生沖突，則將參量L加倍；(4)設(shè)置一個(gè)最大重傳次數(shù)，超過該次數(shù)，則不再重傳，并報(bào)告出錯(cuò)。3/4/202319.具有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CDIEEE802.3就是采用二進(jìn)制指數(shù)退避和1-堅(jiān)持算法的CSMA/CD媒體訪問控制方法。這種方法在低負(fù)荷時(shí)，如媒體空閑時(shí)，要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站點(diǎn)能立即發(fā)送；在重負(fù)荷時(shí)，仍能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3/4/202320.3.3擴(kuò)展的局域網(wǎng)在許多情況下，一個(gè)單位往往擁有許多個(gè)局域網(wǎng)，因而需要實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)之間的通信。這時(shí)就需要使用一些中間設(shè)備將這些局域網(wǎng)連接起來(lái)。在物理層或數(shù)據(jù)鏈路層將局域網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展。這種擴(kuò)展的局域網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層看來(lái)仍然是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。3/4/202321.在物理層擴(kuò)展局域網(wǎng)用多個(gè)集線器可連成更大的局域網(wǎng)一系二系三系集線器集線器集線器集線器主干集線器3/4/202322.在物理層擴(kuò)展局域網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)使原來(lái)屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行跨碰撞域的通信。擴(kuò)大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。缺點(diǎn)碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的數(shù)據(jù)率，那么就不能用集線器將它們互連起來(lái)。3/4/202323.在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù)MAC幀的目的地址對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋具有過濾幀的功能。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí)，并不是向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的MAC地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個(gè)端口3/4/202324.使用網(wǎng)橋帶來(lái)的好處過濾通信量。擴(kuò)大了物理范圍。提高了可靠性?？苫ミB不同物理層、不同MAC子層和不同速率（如10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)。3/4/202325.使用網(wǎng)橋帶來(lái)的缺點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)增加了時(shí)延。在MAC子層并沒有流量控制功能。具有不同MAC子層的網(wǎng)段橋接在一起時(shí)時(shí)延更大。網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多(不超過幾百個(gè))和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時(shí)還會(huì)因傳播過多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。這就是所謂的廣播風(fēng)暴。3/4/202326.透明網(wǎng)橋目前使用得最多的網(wǎng)橋是透明網(wǎng)橋(transparentbridge)?！巴该鳌笔侵妇钟蚓W(wǎng)上的站點(diǎn)并不知道所發(fā)送的幀將經(jīng)過哪幾個(gè)網(wǎng)橋，因?yàn)榫W(wǎng)橋?qū)Ω髡緛?lái)說(shuō)是看不見的。透明網(wǎng)橋是一種即插即用設(shè)備，其標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1D。3/4/202327.透明網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)策略(1)從端口x收到無(wú)差錯(cuò)的幀（如有差錯(cuò)即丟棄），在轉(zhuǎn)發(fā)表中查找目的站MAC地址。(2)如有，則查找出到此MAC地址應(yīng)當(dāng)走的端口d，然后進(jìn)行(3)，否則轉(zhuǎn)到(5)。(3)如到這個(gè)MAC地址去的端口d=x，則丟棄此幀（因?yàn)檫@表示不需要經(jīng)過網(wǎng)橋進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)）。否則從端口d轉(zhuǎn)發(fā)此幀。(4)轉(zhuǎn)到(6)。(5)向網(wǎng)橋除x以外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)此幀（這樣做可保證找到目的站）。(6)如源站不在轉(zhuǎn)發(fā)表中，則將源站MAC地址加入到轉(zhuǎn)發(fā)表，登記該幀進(jìn)入網(wǎng)橋的端口號(hào)，設(shè)置計(jì)時(shí)器。然后轉(zhuǎn)到(8)。如源站在轉(zhuǎn)發(fā)表中，則執(zhí)行(7)。(7)更新計(jì)時(shí)器。(8)等待新的數(shù)據(jù)幀。轉(zhuǎn)到(1)。3/4/202328.網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)表中登記以下三個(gè)信息站地址：登記收到的幀的源MAC地址。端口：登記收到的幀進(jìn)入該網(wǎng)橋的端口號(hào)。時(shí)間：登記收到的幀進(jìn)入該網(wǎng)橋的時(shí)間。轉(zhuǎn)發(fā)表中的MAC地址是根據(jù)源MAC地址寫入的，但在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)是將此MAC地址當(dāng)作目的地址。3/4/202329.源路由網(wǎng)橋透明網(wǎng)橋容易安裝，但網(wǎng)絡(luò)資源的利用不充分。源路由(sourceroute)網(wǎng)橋在發(fā)送幀時(shí)將詳細(xì)的路由信息放在幀的首部中。源站以廣播方式向欲通信的目的站發(fā)送一個(gè)發(fā)現(xiàn)幀，每個(gè)發(fā)現(xiàn)幀都記錄所經(jīng)過的路由。發(fā)現(xiàn)幀到達(dá)目的站時(shí)就沿各自的路由返回源站。源站在得知這些路由后，從所有可能的路由中選擇出一個(gè)最佳路由。凡從該源站向該目的站發(fā)送的幀的首部，都必須攜帶源站所確定的這一路由信息。3/4/202330.多端口網(wǎng)橋——以太網(wǎng)交換機(jī)1990年問世的交換式集線器(switchinghub)，可明顯地提高局域網(wǎng)的性能。交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(jī)(switch)或第二層交換機(jī)（表明此交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層）。以太網(wǎng)交換機(jī)通常都有十幾個(gè)端口。因此，以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)多端口的網(wǎng)橋，可見交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層。3/4/202331.以太網(wǎng)交換機(jī)的特點(diǎn)以太網(wǎng)交換機(jī)的每個(gè)端口都直接與主機(jī)相連，并且一般都工作在全雙工方式。交換機(jī)能同時(shí)連通許多對(duì)的端口，使每一對(duì)相互通信的主機(jī)都能像獨(dú)占通信媒體那樣，進(jìn)行無(wú)碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)交換機(jī)由于使用了專用的交換結(jié)構(gòu)芯片，其交換速率就較高。3/4/202332.獨(dú)占傳輸媒體的帶寬對(duì)于普通10Mb/s的共享式以太網(wǎng)，若共有N個(gè)用戶，則每個(gè)用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(10Mb/s)的N分之一。使用以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)，雖然在每個(gè)端口到主機(jī)的帶寬還是10Mb/s，但由于一個(gè)用戶在通信時(shí)是獨(dú)占而不是和其他網(wǎng)絡(luò)用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對(duì)于擁有N對(duì)端口的交換機(jī)的總?cè)萘繛镹10Mb/s。這正是交換機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)。3/4/202333.用以太網(wǎng)交換機(jī)擴(kuò)展局域網(wǎng)集線器集線器集線器一系三系二系10BASE-T至因特網(wǎng)100Mb/s100Mb/s100Mb/s萬(wàn)維網(wǎng)服務(wù)器電子郵件服務(wù)器以太網(wǎng)交換機(jī)路由器3/4/202334.高速以太網(wǎng)速率達(dá)到或超過100Mb/s的以太網(wǎng)稱為高速以太網(wǎng)。在雙絞線上傳送100Mb/s基帶信號(hào)的星型拓?fù)湟蕴W(wǎng)，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD協(xié)議。100BASE-T以太網(wǎng)又稱為快速以太網(wǎng)(FastEthernet)。3/4/202335.快速以太網(wǎng)的特點(diǎn)可在全雙工方式下工作而無(wú)沖突發(fā)生。因此，不使用CSMA/CD協(xié)議。MAC幀格式仍然是802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。保持最短幀長(zhǎng)不變，但將一個(gè)網(wǎng)段的最大電纜長(zhǎng)度減小到100m。幀間時(shí)間間隔從原來(lái)的9.6s改為現(xiàn)在的0.96s。3/4/202336.三種不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)100BASE-TX使用2對(duì)UTP5類線或屏蔽雙絞線STP。

100BASE-FX使用2對(duì)光纖。

100BASE-T4使用4對(duì)UTP3類線或5類線。3/4/202337.千兆以太網(wǎng)允許在1000Mb/s下全雙工和半雙工兩種方式工作。使用802.3協(xié)議規(guī)定的幀格式。在半雙工方式下使用CSMA/CD協(xié)議（全雙工方式不需要使用CSMA/CD協(xié)議）。與10BASE-T和100BASE-T技術(shù)向后兼容。3/4/202338.千兆以太網(wǎng)的物理層1000BASE-X基于光纖通道的物理層：1000BASE-SXSX表示短波長(zhǎng)1000BASE-LXLX表示長(zhǎng)波長(zhǎng)1000BASE-CXCX表示銅線1000BASE-T使用4對(duì)5類線UTP3/4/202339.千兆以太網(wǎng)的配置舉例1Gb/s鏈路吉比特交換集線器百兆比特或吉比特集線器100Mb/s鏈路3/4/202340.萬(wàn)兆比特以太網(wǎng)萬(wàn)兆比特以太網(wǎng)與10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s以太網(wǎng)的幀格式完全相同。萬(wàn)兆比特以太網(wǎng)還保留了802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以太網(wǎng)最小和最大幀長(zhǎng)，便于升級(jí)。萬(wàn)兆比特以太網(wǎng)不再使用銅線而只使用光纖作為傳輸媒體。萬(wàn)兆比特以太網(wǎng)只工作在全雙工方式，因此沒有爭(zhēng)用問題，也不使用CSMA/CD協(xié)議。3/4/202341.萬(wàn)兆比特以太網(wǎng)的物理層局域網(wǎng)物理層LANPHY。局域網(wǎng)物理層的數(shù)據(jù)率是10,000Mb/s。可選的廣域網(wǎng)物理層WANPHY。廣域網(wǎng)物理層具有另一種數(shù)據(jù)率，這是為了和所謂的“Gb/s”的SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相連接。為了使萬(wàn)兆比特以太網(wǎng)的幀能夠插入到OC-192/STM-64幀的有效載荷中，就要使用可選的廣域網(wǎng)物理層，其數(shù)據(jù)率為9.95328Gb/s。

3/4/202342.其他種類的高速局域網(wǎng)光纖分布式數(shù)據(jù)接口FDDI(FiberDistributedDataInterface)使用光纖作為傳輸媒體的令牌環(huán)形網(wǎng)

高性能并行接口HIPPI(HIgh-PerformanceParallelInterface)主要用于超級(jí)計(jì)算機(jī)與一些外圍設(shè)備（如海量存儲(chǔ)器、圖形工作站等）的高速接口3/4/202343.3.5虛擬局域網(wǎng)虛擬局域網(wǎng)VLAN是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無(wú)關(guān)的邏輯組。這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。每一個(gè)VLAN的幀都有一個(gè)明確的標(biāo)識(shí)符，指明發(fā)送這個(gè)幀的工作站是屬于哪一個(gè)VLAN。虛擬局域網(wǎng)其實(shí)只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù)，而并不是一種新型局域網(wǎng)。3/4/202344.以太網(wǎng)交換機(jī)A4B1以太網(wǎng)交換機(jī)VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī)三個(gè)虛擬局域網(wǎng)VLAN1,VLAN2和VLAN3的構(gòu)成3/4/202345.虛擬局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)VLAN支持三種劃分組網(wǎng)方式：基于端口的VLAN基于MAC地址的VLAN基于網(wǎng)絡(luò)層的VLAN。3/4/202346.3.6無(wú)線局域網(wǎng)無(wú)線局域網(wǎng)利用電磁波在空氣中發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，而無(wú)需線纜介質(zhì)。無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)11Mbps，傳輸距離可超過20km。它是對(duì)有線聯(lián)網(wǎng)方式的一種補(bǔ)充和擴(kuò)展，使網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)具有可移動(dòng)性，能快速方便地解決使用有線方式不易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通問題。3/4/202347.3.7網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的定義是：在局域網(wǎng)低層所提供的數(shù)據(jù)傳輸能力的基礎(chǔ)上，為高層網(wǎng)絡(luò)用戶