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1、第二章 计算机局域网技术,2.1 局域网的概念,局域网的概念局域网（local area network,LAN）以相互共享资源方式连结起来，并且各自有独立功能的计算机系统之集合。在网络协议的控制下，由一台或多台服务器，若干台终端机（PC），数据传输设备，以及终端机与服务器间、终端机与终端机间，服务器与服务器间进行通信的设备所组成的计算机复合体利用局域网技术，把地理上分散的计算机有机地连接在一起，达到相互通信且共享硬件、软件和信息等资源的系统。,2.1 局域网的概念(Cont.),局域网的特点地理范围有限，一般局限于单个建筑物内，也可覆盖几个建筑物。如一个企业网，范围在几公里几十公里。传输速率
2、比较高，延迟小，传输速率一般在10Mbps1000Mbps。传输介质通常为光缆、双绞线；无线局域网正在发展之中。往往为一个单位/组织来统一管理,2.1 局域网的概念(Cont.),局域网的发展1969年 最早的广域网（WAN）ARPANET诞生1969年 贝尔实验室Newhall环形局域网1974年 剑桥环局域网络1976年 美国Xerox公司成功开发以太网1980年 802局域网络标准委员会宣告成立20世纪80年代中后期 局域网操作系统（NOS）有很大发展20世纪90年代 局域网有两个发展方向：互联和高速,2.2 局域网的拓扑结构,星型（Star）环型（Ring）总线型（Bus）树型（Tre
3、e）,Concentrator(or hub),Network backbone,2.3 局域网中的传输介质,2.3.1 同轴电缆,同轴电缆接头及连接方式,2.3 局域网中的传输介质(Cont.),2.3.2 双绞线双绞线分为屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair）与非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）两大类。EIA/TIA（电子工业协会/电信工业协会）为UTP电缆定义了5种型号。计算机网络综合布线使用3、4、5类。其中5类UTP主要用于100Base-T和10Base-T网络，是最常用的以太网电缆。近年来又出现了6类双绞线。网线最大长
4、度为100mEIA/TIA规定了2种连接方法：568A，568B,2.3 局域网中的传输介质(Cont.),直通,交叉,2.3 局域网中的传输介质(Cont.),2.3.3 光纤多模光纤纤芯直径为5062.5m，包层外直径125m多模光纤的外套颜色一般为红色（红色）多模光纤传输距离只有24Km单模光纤中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10m)，只能传一种模式的光外套颜色一般为黄色单模传输距离50Km100Km,光纤传送模式,输出电信号,波长:1300,1550 nm,h1,h2,波长:850,1300 nm,h2,h1,芯/封套特性,光纤的直径减小到一个光波波长,光纤,2.3 局域网中的传输介质(
5、Cont.),2.3.4 无线无线电短波通信：无线电波的传输是全方向的，够穿过建筑物的特性，被广泛用于通信。微波传输：微波频率在100MHz以上。微波能沿着直线传播，具有很强的方向性，因此，发射天线和接收天线必须精确地对准。红外线：无导向的红外线已经被广泛应用于短距离通信。激光传输：不能穿透雨或浓雾,无线介质,使用电磁波无需有线物理连接适用于长距离,无线电传输：在LF、MF沿着地面传播；在HF、VHF由电离层反射。红外线与毫米波传输：不能穿透障碍物，适用于室内，如短距离通信，如电视、录象机等遥控微波传输：能量集中，天线必须对准。激光传输：不能穿透雨或浓雾,无线电,固定终端点（基站）和终端之间是
6、无线链路,基站,用户计算机和终端,基站覆盖的无线电区域,F1,F2,F3=使用的频率,微波传输,在100MHz以上，微波通过抛物状天线把能量集中于一小束，具有极高的信噪比，沿直线实现可视距传输。在地面因地表弯曲，需中继站接续微波信号，100米高的塔可接续约80公里。天气和频率的影响可造成多路减弱。开放的波段：2.4 GHz 2.484 GHz，即工业/科学/医学波段。,地面微波接力,两个地面站之间传送距离：50-100 km,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,卫星,使用微波使用转发器接收和转发,地球,地面站,地面站,C波段 4/6 GHz 上行5.925-6.425 GHz 下行3.7-
7、4.2 GHz KU波段 12/14 GHz 上行14-14.5 GHz 下行11.7-12.2 GHz,地球同步卫星,与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球,22,300公里,地球,地球同步卫星赤道上方约36000km处卫星作为空间微波中继站端-端传输时延250300ms广播信道主要卫星波段C band:4(下行3.74.2GHz)-6(uplink 5.9256.425GHz)，问题：拥挤串扰 Ku band:11(下行11.712.2 GHz)-14(上行14.014.5 GHz)，问题：雨水Ka band:20(下行17.721.7 GHz)-30(上行27.5 30.5GHz)，问
8、题雨水，设备造价,常用传输媒体的比较,3.4 局域网体系结构,3.4.1 局域网的参考模型结合局域网自身特点，参考OSI/RM，IEEE802提出了局域网体系结构的参考模型(LAN/RM)。,3.4.2 IEEE 802标准,IEEE802为局域网LAN内的数字设备提供了一套连接的标准，后来又扩大到城域网MAN。,2.4.2 IEEE 802标准(Cont.),IEEE801.1网间互连定义：包括(802.1q(VLAN标准)、802.3ac(带有动态GVRP标记的VLAN标准)、802.1v(VLAN分类)、802.1d(生成树协议)、802.1s(多生成树协议)、802.3ad(端口干路)
9、和802.1p(流量优先权控制)。IEEE802.2逻辑链路控制IEEE802.3 CSMA/CD网络IEEE802.3产生了许多扩展标准，如快速以太网的IEEE802.3u，千兆以太网的IEEE802.3z和IEEE802.3ab，10G以太网的IEEE802.3ae。目前，局域网络中应用最多的就是基于IEEE802.3标准的各类以太网。令牌环总线IEEE802.4 令牌环网 IEEE802.5IEEE802.6 城域网（WAN）IEEE802.7 宽带技术咨询组,2.4.2 IEEE 802标准(Cont.),IEEE802.8 光纤技术咨询组IEEE802.9 综合数据声音网IEEE80
10、2.10 网络安全技术咨询组IEEE802.11 无线联网802.11b工作于2.4GHz频带，物理层支持5.5 Mbps 和 11 Mbps两个新速率802.11a工作于5GHz频带，物理层速率可达54 Mb/s，传输层可达25Mbps802.11g工作于2.4GHz频带，使无线网络传输速率可达54MbpsIEEE802.12 需求优先（100VG-AnyLAN)IEEE802.14 交互电视IEEE802.15 短距离无线网IEEE802.16 宽带无线接入,2.5 以太网与IEEE 802.3,IEEE802.3定义了10Mbps、100Mbps、1Gbps，甚至10Gbps的以太网雏形
11、，同时还定义了第五类屏蔽双绞线和光缆是有效的缆线类型。Xerox,DEC,Intel共同制定了10Mbps的CSMA/CD以太网标准(工业标准)IEEE定义了采用1-坚持型CSMA/CD技术的802.3局域网标准。(法定标准)介质访问控制方式：载波侦听多路访问（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）,CSMA/CD基本原理,侦听线路空闲发送边送边听（发送最小帧长64bytes的字节未检测到冲突，认为发送成功）冲突后退,CSMA/CD 冲突域,为确保发送成功,一台主机在发送结束之前必须能够检测到冲突最小帧长=2*Prop*传输速率Prop=L/0.77c10Mbp
12、s以太网最小帧长为512bits(64bytes),PROP,PROP,t=0,A,B,2.5.1 以太网,细缆以太网（10BASE-2）10BASE-2以太网采用0.2英寸50的同轴电缆作为传输介质，传输速率为10Mbps。10BASE-2使用网卡自带的内部收发器（MAU）和BNC接口，采用T形接头就可将两端的工作站通过细缆连接起来，组网开销低，连接方便。粗缆以太网（10BASE-5）10BASE-2以太网采用0.4英寸50的同轴电缆作为传输介质双绞线以太网（10BASE-T）10BASE-T以太网是使用非屏蔽双绞线电缆来连接的传输速率为10mbps的以太网。10BASE2、10BASE5是
13、最早期的总线型局域网技术，存在单点故障、扩展困难、可靠性较差等不足。,10 base-2,BASE-Baseband,局域网速率(Mbps),局域网分段长度(以100米计),IEEE 802.3体系结构与功能,物理层,50同轴电缆,BNC 连接器,收发器,AUI电缆,网卡,站接口,数据封装/解封（MAC帧）,链路管理（CSMA/CD协议）,曼彻斯特编码/译码,发送/接收,MAC,LLC,10BaseT无屏蔽双绞线,IEEE于1990年推出新规格10BaseT,将共享内建于集线器(Hub)的内部，对外连线则采用星状布线。网络上任何一段线路出现故障，不会影响到网络上其他使用者。双绞线比传统的同轴电
14、缆轻巧，在办公室中颇受欢迎。但它的缺点是易受电磁干扰，驱动距离最远仅为100米。,星型结构,10BaseT Hub,2.5.2 快速以太网IEEE802.3u,快速以太网联盟认为：100BaseT是10BaseT的真正继承者，100BaseT保留了大多数10BaseT的布线规则和CSMA/CD介质访问方式，具有以下特点：从传统10BaseT以太网的升级较容易，投资少，与现有10BaseT网的集成也很简单。众多厂家支持，产品价格相对较低。安装和配置简单，现有的管理工具依然可用。,Fast Ethernet,IEEE 802.3u工作组规范特点：采用CSMA/CD媒体访问控制方式和802.3帧格式
15、100BASE-TX采用两对5类双绞线100BASE-T4采用四对3类双绞线网络最大长度250m（10M以太网是2500m，51.2x10-6x10 x106=512bits）,100M以太网传输介质,100Base4-4对双绞线，1对 to the hub，1对 from the hub，另外2对根据数据传输方向变换；,快速以太网的拓扑结构,快速以太网的网络拓扑结构图,2.5.3 千兆以太网,千兆位以太网标准 802.3z,802.3ab数据传输速率达1000Mbps，也称吉比特以太网；支持全双工和半双工两种方式；使用802.3协议规定的帧格式；在半双工方式下使用CSMA/CD协议,标准的千
16、兆位以太网协议体系,15 STP,超5类或6类 UTP,单模、多模光纤,多模光纤,简易性；技术过渡的平滑性；网络可靠性；可管理性和可维护性；成本下降；支持新应用与新数据类型。,千兆位以太网组网应用,千兆位以太网的组网应用举例,以太网接入举例：光纤到大楼 FTTB,2.5.4 10 吉比特以太网,2002年发布802.3ae10GE标准，2006年7月发布IEEE802.3an标准。万兆以太网不仅再度扩展了以太网的带宽和传输距离，更重要的是其得以太网从局域网领域向城域网领域渗透。正如1000Base-X和1000Base-T（千兆以太网）都属于以太网一样，从速度和连接距离上来说，万兆以太网是以太
17、网技术自然发展中的一个阶段。,2.5.4 10 吉比特以太网(Cont.),10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,2.5.4 10 吉比特以太网(Cont.),在企业网中采用万兆以太网可以更好地连接企业网骨干路由器，这样大大简化了网络拓扑结构，提高网络性能。万兆以太网技术提供了更多的更新功能，大大提升QoS。W
18、AN/MAN与LAN融和已经成为大势所趋，万兆以太网技术的应用必将为三网发展与融和提供新的动力。,万兆以太网的应用场合-校园网,在城域网的应用-城域网,2.6 令牌环网络,令牌环网络（Token-Ring）系统在1985年由IBM公司率先推出。令牌环网的拓扑结构为环形，采用专用的令牌环介质访问控制方式，传输介质为屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）或者光纤，传输速率为4Mbps或者16Mbps。令牌环网络系统遵循IEEE802.2和IEEE802.5标准，在传输效率、实时性、地理范围等网络性能上都优于采用CSMA/CD介质访问控制方式的以太网。令牌环网络的覆盖范围没有限制，但站点数却受
19、到一定限制。使用STP时可连接2260台设备，而使用UTP时只能连接272台设备。,令牌环网络原理图,干线耦合器原理,2.7 高速局域网技术FDDI,FDDI(Fiber Distributed Data Interface)特征使用多模光纤作为传输介质MAC协议与 Token Ring 类似100M的速率采用4B5B编码方法32中组合中的16种表示数据，3种表示定界符，2种表示控制，3种表示硬件信号，8种保留。最大距离200公里最多1000个站点通常作为连接LAN的主干网络,FDDI,FDDI弱点：居高不下的价格限制了它走向桌面的应用，无论安装和管理都不简单基于带宽共享的传输技术从本质上限制
20、了大量多媒体通讯同时进行的可能性支持数字化语音、图像的新一代FDDI标准迟迟未能发布出来，而且交换式产品虽然可以实现，但成本无法接受,2.8 异步传输模式ATM,ATM(异步传输模式)，是一种面向连接的快速分组交换技术，建立在硬件交换的基础上。它可以为每个工作站分配专用带宽。它兼有分组交换的可调带宽和高速度，以及电路和帧交换固有的低时延。ATM将信息分成固定大小的信元，类似于分组交换，但不使用分组交换的差错校检功能以提高速度。,异步传输模式ATM,不足之处：价格较高技术复杂，管理比较困难不同公司产品间的互连不稳定ATM到桌面成本太高，通过LANE等技术实现与以太网互连，实际上又未体现其优势。,
21、2.9 局域网扩展,2.9.1 在物理层扩展局域网主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器,以太网集线器,光纤,光纤调制解调器,光纤调制解调器,用多个集线器可连成更大的局域网,某公司有三个部门，各自有一个局域网,三个独立的碰撞域,碰撞域,碰撞域,碰撞域,用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,共享型以太网存在的问题,受CSMA/CD约束，每个站点平均带宽为系统带宽/n，n为该冲突域的站点数每一时刻只能要求一个发送者，在站点数增加到一定程度时，网络效率极低冲突域的覆盖范围有限安全性极差,2.9.2 在数据链路层扩展局域网,网桥的引入在数据链路层扩展局域
22、网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口 把一个冲突域分割成多个冲突域，从而实现系统带宽的扩展网桥是如何知道将数据转发到哪个端口？广播/学习,学习/广播,在一个刚建好的网络中，A和B通讯，A先发出数据帧给B.,由于目的地址不详，A的报文广播到所有的端口,并在交换机的桥表内记录A所在端口.,转发/过滤,B回应A，数据帧直接转发到A所在端口.同时，B的MAC地址记录到桥表中.,广播域和冲突域,冲突域 1,冲突域 2,广
23、播域,网桥用于分割冲突域,Hub,Hub,网桥,2.9.3 多接口网桥以太网交换机,1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。,在原理上相当于多口的网桥网桥通常利用软件进行交换，而交换机则用硬件进行交换。,1.每个端口都占带宽2.系统最大带宽可达端口带宽的N倍3.支持全双工，可不受CSMA/CD的约束，用Switch串接 在理论上距离是无限的,以太网交
24、换机的特点,以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。,独占传输媒体的带宽,对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机
25、的最大优点。,Switch及广播域,L-2 Switch:工作在数据链路层，按MAC地址转发数据包，实质上是一个多端口网桥。可分离出多个冲突域，但无法克服广播风暴。所有端口都在同一个广播域中。L-3 Switch:工作在网络层，按逻辑地址（如IP/IPX)转发报文。一般用专门硬件（ASIC)实现。带有路由功能，可分离多个广播域，提高网络性能及安全性。L-4 Switch:工作在传输层，它通过TCP/UDP的端口号对访问网络的应用加以控制。,二层交换机和三层交换机的区别,Vlan 1,Vlan 2,三层交换机,二层交换机和三层交换机的区别,Vlan 1,Vlan 2,二层交换机,集线器和交换机比
26、较,所有端口属于同一个广播域 所有端口属于同一个冲突域,所有端口属于同一个广播域 每个端口属于一个冲突域,集线器,交换机,用以太网交换机扩展局域网,一,10BASE-T,至因特网,100 Mb/s,100 Mb/s,100 Mb/s,万维网服务器,电子邮件 服务器,以太网交换机,路由器,2.9.3 交换网络性能问题,Multicast,broadcast,unknown destination 报文成为广播域网络的最大问题,Server A,我需要ServerA的MAC地址,广播风暴,广播报文可能会消耗掉整个带宽资源任何设备都需要接受广播报文，解开后提交给主机，消耗每台主机的资源，而且不安全,
27、Server A,解决方法:流量本地化,10.1.1.0,10.1.2.0,10.1.3.0,LAN 广播可以用路由器/多层交换机进行隔离,路由器/多层交换机,解决方法:流量本地化(Cont.),VLAN3,VLAN2,VLAN1,LAN 广播可以用多层交换机通过Vlan划分，进行隔离,虚拟局域网(VLAN),利用以太网交换机可以很方便地虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。,
28、以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网:VLAN1,VLAN2 和 VLAN3,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLA
29、N2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,B1 发送数据时，工作站 A1,A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。,链路聚合,交换机还有一个重要的功能链路聚合链路聚合，也称trun
30、k，是把一组链路聚合起来，使得这些链路像一条链路。这些端口称为聚合端口。（802.3ad)用于提高网络容量和可用性该标准仅应用于全双工以太网链路所有链路必须以同一速率工作,端口聚合模型,聚合链路（Aggregated Links),Port 1,Port 2,Port 3,Port n,帧分发器,发送队列,发送部分,Higher-layer Protocals,Port 1,Port 2,Port 3,Port n,帧接收器,接受队列,接受部分,Higher-layer Protocals,端口发送队列,端口接收队列,System A,System B,2*100Mb/s,2*1000Mb/s
31、,端口干路应用,100Mb/s,100Mb/s,100Mb/s,100Mb/s,10Mb/s,10Mb/s,10Mb/s,10Mb/s,1000Mb/s,Server B,Server C,Server A,Server D,2*1000Mb/s,2*100Mb/s,2*100Mb/s,4*100Mb/s,生成树算法,通过交换机连接的网络需要避免出现环路这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,局域网 2,局域网 1,S 2,S 1,A,F,不停地兜圈子,A 发出的帧,网络资源白白消耗了,生成树的得出,互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。,启用生成树算法后,局域网 2,局域网 1,S 2,S 1,A,Thanks,
