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1、三级网络技术,第3章 局域网基础,3.1 局域网基本概念,3,3.1.1 决定局域网的三要素,决定局域网性能的三要素为：网络拓扑传输介质介质访问控制方法,4,3.1.2 局域网拓扑结构的类型与特点,网络拓扑总线型环型星型传输介质双绞线同轴电缆光纤,5,1总线型拓扑构型,6,1总线型拓扑构型(续),主要特点：所有的结点直接连接到一条作为公共传输介质的总线上总线通常采用同轴电缆或双绞线作为传输介质。以“广播”方式发送数据会出现“冲突”（collision），造成传输失败必须解决多结点访问总线的介质访问控制（MAC）问题优点：结构简单、实现容易、易于扩展，可靠性较好缺点：不易管理，故障诊断和隔离比较
2、困难,7,2环型拓扑构型,8,2环型拓扑构型(续),主要优点：初始安装比较容易，传输线路较短故障诊断定位比较准确适于光纤连接，例如，FDDI主要缺点：可靠性较差重新配置较为困难,9,3星型拓扑构型,10,3星型拓扑构型(续),主要优点：维护管理容易重新配置灵活故障隔离和检测容易主要缺点：安装工作量大依赖于中心结点，中心的集线器出现故障，则全网瘫痪,11,3.1.3 局域网传输介质类型与介质访问控制方法,1局域网的传输介质类型 局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道。2局域网的介质控制访问方法 IEEE 802.2标准定义的共享介质局域网有3类：带冲突检测的载波侦听多路访问
3、方法的总线型局域网令牌总线方法的总线型局域网令牌环方法的环形局域网,12,双绞线,分为两类：屏蔽双绞线STP：由外部保护层、屏蔽层、与多对双绞线组成；非屏蔽双绞线UTP：由外部保护层与多对双绞线组成；屏蔽双绞线的抗干扰能力优于非屏蔽双绞线。非屏蔽双绞线：三类线：适用于语音及10Mbps以下的数据传输；四类线：适用于16Mbps以下的数据传输；五类线：适用于100Mbps的高速数据传输；超五类、六类线和七类：用于高速率的数据传输环境中。,13,光纤,光导纤维，简称光纤，通过光信号传输数据传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽光纤通信的特点:传输距离远、数据速率高、抗干扰和保密性强光纤分为两类：
4、多模光纤:价格便宜，传输距离小；单模光纤:纤芯细、速度高、距离远、成本高，最大传输距离可达40km；总体上看，单模光纤优于多模光纤。,14,3.1.4 IEEE 802模型与协议标准,15,3.1.4 IEEE 802模型与协议标准(续),16,3.1.4 IEEE 802模型与协议标准(续),IEEE 802.1：局域网体系结构、网络互联，以及网络管理与性能测试；IEEE 802.2：逻辑链路控制LLC子层功能与服务；IEEE 802.3：CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范；IEEE 802.4：令牌总线（Token Bus）介质访问控制子层与物理层规范；IEEE 802.5：令
5、牌环（Token Ring）介质访问控制子层与物理层规范；IEEE 802.6：城域网MAN介质访问控制子层与物理层规范；IEEE 802.7：宽带技术；IEEE 802.8：光纤技术；IEEE 802.9：综合语音与数据局域网IVD LAN技术；IEEE 802.10：可互操作的局域网安全性规范SILS；IEEE 802.11：无线局域网技术；IEEE 802.12：100VG AnyLAN标准,3.2 以太网,18,3.2.1 以太网的发展,以太网的核心技术是带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方法，它起源于无线分组交换网ALOHA网。ALOHA网出现在20世纪60年代末 20世
6、纪70年代初,提出冲突检测、载波侦听与随即后退延迟算法,开发出第一个实验性局域网 1980年，公布了以太网的物理层、数据链路层规范1981年，Ethernet 2.0规范公布。1982年支持IEEE802.3标准的以太网控制器面试1990年，IEEE802.3标准中的物理层标准10BASE-T推出1995年，传输速率为100Mbps的快速以太网标准推出1998年千兆以太网标准推出。1999年万兆以太网产品问世,19,3.2.2 以太网帧结构与工作流程分析,1.以太网数据发送流程“先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发”,20,2.以太网帧结构,各字段含义：前导码：由56位（7B）的101
7、010101010序列组成，用于保证接收电路在帧的目的地址字段到来之前达到正常接收状态帧前定界符：可视为前导码的延续，为1个字节的10101011。目的地址字段,表示帧的接收结点地址，一般为MAC地址。源地址字段：表示帧的发送结点地址。类型字段：表示网络层使用的协议类型。数据字段：为高层待发送的数据部分，最小长度为46B，最大长度为1500B。帧校验字段：采用32位的循环冗余校验（CRC）。,21,3.以太网数据接收流程,当一个结点成功利用总线发送数据，则其他节点都应处于接受状态。当一个结点接收到一个数据帧后，首先通过接受的数据帧的长度来判断是否发生冲突；如果没有发生冲突，则检查该帧的木的地址
8、，若目的地址是本结点地址，则接收该帧；然后进行CRC校验，若无错误，则报告“成功接收”，并进入结束状态。,22,3.2.3 以太网的实现方法,从实现的角度来看，构成以太网网络连接的设备包括网卡、收发器和收发器电缆从功能的角度来看，包括发送与接收信号的收发器、曼彻斯特编码器与解码器、以太网数据链路控制、帧装配及与主机的接口从层次的角度来看，这些功能覆盖了IEEE 802.3标准的MAC子层与物理层。,23,3.2.4 以太网的物理地址,固化在网卡EPROM中，全网惟一组成：位数：48bit(6个字节)由两部分组成：3个字节厂商地址+3个字节厂商自行分配号码表示：12个十六进制数，每2个16进制数
9、之间用连字符（也可用冒号）隔开如：08-00-20-0A-8C-6D,3.3 高速局域网的工作原理,25,3.3.1 高速局域网的研究方法,问题：局域网的规模不断的扩大，网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率急剧下降，网络传输延迟增长，网络服务质量下降解决方法：提高数据传输速率用网桥与路由器隔离子网之间的交通量将“共享介质方式”改为“交换方式”交换式局域网的核心设备是局域网交换机，多个端口之间建立多个并发连接,26,3.3.2 快速以太网,快速以太网的传输速率比普通以太网快10倍，保留了传统以太网的所有特性，包括相同的数据帧格式、介质访问控制方式和组网方法。标准：IEEE802
10、.3与以太网的区别：每个比特的发送时间从100ns降低到10ns。不再使用同轴电缆作为传输介质，而主要使用双绞线和光纤。在MAC子层和物理层之间增加了MII（介质独立性接口），使物理层在实现100Mbps速率时所使用的传输介质和编码方式的变化不会影响到MAC子层。,27,3.3.2 快速以太网（续）,1快速以太网的体系结构,28,3.3.2 快速以太网（续）,2.快速以太网传输介质标准100 BASE TX：支持2对5类UTP或2对1类STP。距离可达100m100 BASE T4支持4对3类UTP，3对用于数据传输，1对用于冲突检测100 BASE FX支持2芯的单模或多模光纤，距离可达2k
11、m,29,3.3.3 千兆位以太网,帧格式、介质访问控制方式和组网方法与以太网相同定义了千兆介质专用接口GMII，将MAC子层和物理层分开,30,3.3.3 千兆位以太网（续）,2千兆以太网的组网方式 1000Base-SX使用短波激光作为信号源的媒体技术不支持单模光纤，仅支持62.5m和50m两种多模光纤。对于62.5m多模光纤，全双工模式下最大传输距离为275m，对于50m多模光纤，全双工模式下最大传输距离为550m。1000Base-LX使用长波激光作为信号源的媒体技术它可以驱动多模光纤和单模光纤对于多模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离为550m；对于单模光纤，在全双工模式下，最长的
12、传输距离可达3km。,31,3.3.3 千兆位以太网（续）,2千兆以太网的组网方式 1000Base-CX传输介质：短距离屏蔽铜缆最长距离达25m1000BASE-T第二个铜线标准IEEE 802.3ab使用5类无屏蔽双绞线的千兆以太网标准最长传输距离为100m，网络直径可达200m,32,3.3.4 万兆位以太网,1万兆位以太网的特点帧格式与10Mbps、100Mbps、1Gbps的帧格式完全相同；仍然保留802.3对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定；不能使用双绞线，只支持多模和单模光纤不支持共享型，只支持全双工，传输距离不会受到传统以太网CSMA/CD机理制约,33,3.3.4 万兆位以
13、太网（续）,2万兆位以太网的物理层协议：局域网物理层标准数据传输速率是10Gbps可选的广域网物理层标准使用光纤通道技术符合光线通道技术速率体系SONET/SDH的OC-192/STM-64的标准OC-192/STM-64的标准速率是9.95328Gbps，而不是精确的10Gbps,3.4 交换式局域网与虚拟局域网,35,3.4.1 交换式局域网的基本结构,1交换机的基本概念“共享端口”“专用端口”端口之间可有多个并发连接,36,3.4.1 交换式局域网的基本结构（续）,交换机的技术特点低交换传输延迟从传输延迟时间的量级来看，局域网交换机延迟为几十s，网桥为几百s，路由器为几千s。高传输带宽对
14、于10Mbps的端口，半双工端口带宽为10Mbps，而全双工端口带宽为20Mbps；对于100Mbps的端口，半双工端口带宽为100Mbps，而全双工端口带宽为200Mbps。允许不同速率的端口共存采用了自动侦测（Autosense）技术时，交换机端口可以同时支持10Mbps/100Mbps、全双工/半双工两种工作方式支持虚拟局域网服务,37,3.4.2 局域网交换机的工作原理,交换机的工作原理,38,3.4.2 局域网交换机的工作原理（续）,2“端口号/MAC地址映射表”的建立与维护需要解决两个问题：交换机如何知道哪个结点连接到哪个端口；当结点从交换机的一个端口转移到另一个端口时，交换机如何
15、维护地址映射表。交换机是利用“地址学习”方法来动态维护端口/MAC地址映射表。,39,3.4.2 局域网交换机的工作原理（续）,3交换机的帧转发方式直接交换方式(cut through)：只要接收并检测到目的地址字段，立即将该帧转发出去，而不管这一帧是否出错，帧出错检测任务由主机完成。优点：转发速度快缺点：可靠性差存储转发方式(store and forward)：完整的接收发送帧，先进行差错检测，如果没错，则根据帧目的地址确定输出端口号，然后再转发出去。优点：可靠性强缺点：转发速度慢改进的直接交换方式转发速度和可靠性兼顾,40,3.4.3 虚拟局域网的工作原理,1虚拟网络的基本概念划分VLA
16、N的目的:使子网或逻辑工作组的划分不受物理位置的限制利用软件实现对子网或逻辑工作组的划分VLAN只能交换环境的局域网中实现,41,3.4.3 虚拟局域网的工作原理（续）,虚拟网络的基本概念（2）,42,3.4.3 虚拟局域网的工作原理（续）,2虚拟局域网实现技术,43,3.4.3 虚拟局域网的工作原理（续）,虚拟局域网的组网方法用交换机端口号定义虚拟局域网最通用的方法一个端口只能属于一个VLAN当用户从一个端口移动到另一个端口时，网络管理员必须对虚拟局域网成员进行重新配置。用MAC地址定义虚拟局域网用网络层地址定义虚拟局域网用IP广播组定义虚拟局域网,44,3.4.3 虚拟局域网的工作原理（续
17、）,3.虚拟局域网的优点方便网络用户管理，减少网络管理开销。提供更好的安全性。改善网络服务质量。,3.5 无线局域网,46,3.5.1 无线局域网应用,1无线局域网应用作为传统局域网的扩充建筑物之间的互连漫游访问特殊网络2无线局域网的主要类型红外线局域网扩频无线局域网窄带微波无线局域网,47,3.5.2 红外线局域网,红外线无线局域网具有以下几个优点。红外线通信比微波通信不易被入侵，由此提高了安全性。安装在大楼中每个房间里的红外线网络可以互不干扰，因此建立一个大的红外线网络是可行的。红外线局域网设备相对便宜又简单。红外线局域网的数据传输的3种基本技术定向光束红外线全方位红外传输技术漫反射红外传
18、输技术,48,3.5.3 扩频无线局域网,无线局域网中所使用扩频技术跳频（Frequency Hopping）：在跳频方案中，发送信号频率按固定的间隔从一个频谱跳到另一个频谱。接收器与发送器同步跳动，从而正确地接收信息。直接序列（Direct Sequence）扩频：它的通信原理是：发送信号是发送数据与发送端产生的一个伪随机码进行模二加的结果。在接收端，使用与发送端相同的伪随机码，从扩频序列信号取出发送数据。,49,3.5.4 无线局域网标准IEEE 802.11,50,3.5.4 无线局域网标准IEEE 802.11（续）,1.IEEE 802.11 标准数据传输速率:1Mbps、2Mbps
19、介质访问控制MAC层：分布式协调功能（DCF）子层与点协调功能（PDF）子层分布式协调功能子层使用CSMA/CA协议物理层：红外跳频扩频直接序列扩频,51,3.5.4 无线局域网标准IEEE 802.11（续）,IEEE 802.11b标准扩频技术：跳频扩频技术，工作频段：2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段最大数据传输速率为11Mbps，并可将数据传输速率降低为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps。IEEE 802.11a标准工作频段：5GHz U-NII频段数据传输速率可达54MbpsIEEE 802.11g标准一种混合标准既能适应传统的802.11b标准，在2.4GHz频率下
20、提供每秒11Mbps数据传输率也符合802.11a标准在5GHz频率下提供54Mbps数据传输率IEEE 802.11j标准对多种频段无线传输技术的物理层、MAC层、无线网桥、以及Qos管理、安全与身份认证做出了一系列的规定。,3.6 局域网互联与网桥的工作原理,53,3.6.1 局域网互联的概念,局域网互联的环境一个单位不同部门的局域网之间需要互联起来，以便交换信息和共享资源。一个单位多栋办公楼内部的局域网之间需要互联起来，构成支持整个单位管理信息系统的局域网环境。一个单位不同部门的信息系统的安全性与通信量要求不同。在一个大型的企业或校园中，将数千台计算机按地理位置或组织关系划分为多个局域网
21、，通过互联构成一个大型的企业网或校园网。联网计算机之间的距离超过单个局域网的最大覆盖范围，可将它们划分为几个局域网，然后互联成一个大的网络。,54,3.6.2 网桥的工作原理,网桥的概念网桥也称桥接器，是数据链路层的连接设备，可以将相同或不同的局域网连接在一起，组成一个扩展的局域网络。网桥的特点网桥可以互联连个采用不同数据链路层协议、传输介质与传输速率的网络。网桥需要互联网络在数据链路层以上要采用相同的协议。网桥以接收、存储、地址过滤与数据转发的方式实现互联网络之间的通信。网桥可以分隔两个网络之间的广播通信，有利于改善互联网络的性能与安全性。,55,3.6.2 网桥的工作原理（续）,网桥最常见
22、的用法网桥最常见的用法是连接两个局域网。当同一局域网内的结点之间通信时，网桥可以接收发送帧，但进行地址过滤后认为不需要转发，因此将该帧抛弃；当不同局域网的结点要通信，发送帧被网桥接收，网桥进行地址识别后发现该帧是发送到另一个局域网中，则网桥转发该帧。,56,3.6.3 网桥的协议层次结构,网桥通过路由选择软件完成是否转发，以及判断需要通过哪个端口转发。网桥在转发过程中不会改变帧数据字段的内容和格式。同种局域网互联的格式不需要转换，不同类型局域网帧格式之间的转换比较复杂。IEEE 802.3、IEEE 802.4与IEEE802.5帧的格式相差较大。,57,3.6.4 网桥的路由选择策略,网桥的基本分类透明网桥源路选网桥透明网桥透明网桥是目前用得最多的网桥。透明网桥的路由表记录3个信息：站地址、端口与时间。透明网桥刚连接到局域网时，其路由表是空的，当接收到一个帧时，它将记录帧的源MAC地址、帧进入网桥的端口号和时间，然后将该帧向所有其他端口转发。网桥在这样的转发过程中，逐渐地将路由表建立起来。,58,源路选网桥源路选网桥由发送帧的源结点负责路由选择。源结点以广播方式向目的结点发送一个用于探测的发现帧，在传送的过程中，发送帧都记录经过的路由，当到达目的结点时，就沿着路由返回源结点。源结点在得到路由信息之后，选择一条最佳路由。,
