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1、第3章 局域网技术,计算机网络基础教程(第2版),教学目标,理解局域网的体系结构了解IEEE802标准系列掌握以太网工作原理掌握传统以太网、百兆、千兆、万兆、交换以太网技术,3.2 局域网的体系结构,3.2.1 什么是局域网3.2.2 局域网的层次模型 IEEE802标准系列3.2.4 媒体访问控制方法,复习回顾,数据链路层传输的数据叫什么？在停等协议中，如何进行流量控制与差错控制？出现死锁现象和重复帧如何解决？HDLC链路有两种基本的配置方式是？其站点有三种基本数据传输模式是？HDLC将帧分为三大类，分别为？HDLC如何实现数据的透明传输？也就是说当数据与帧开始标记正好一样时，如何解决？,3
2、.2.1 什么是局域网,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目都有限。所覆盖的地理范围和站点数量均有限。局域网的传输速率较快，误码率较低，安装和使用比较简单。局域网可以按网络拓扑结构进行分类：有星形网；有环形网；有总线网；有树形网。局域网可以使用多种传输媒体：双绞线、同轴电缆、光纤,2.局域网的关键技术拓扑结构（逻辑、物理）总线型、星形、环形、树形介质访问方法CSMA/CD、Token-passing信号传输形式基带、宽带以上三种技术决定了局域网的特征,LAN典型拓扑结构,总线型:所有结点都直接连接到共享信道星型:所有结点都连接到中央结点环型:节点通过点到点链路与相邻
3、节点连接,Bus,Star,Ring,A,B,C,A,D,C,B,A,B,C,A,T,3.2.2 局域网的层次模型,局域网的标准：IEEE802（ISO8802）IEEE802是一个标准系列：IEEE802,IEEE802.1IEEE802.14其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层,3.2.2 局域网的层次模型,局域网体系结构的特点：1、局域网是一个通信网，且在局域网中没有路由问题，因此它不需要网络层，与OSI模型相比，只有最低的两个层次物理层和数据链路层。2、因为局域网的种类繁多，媒体接入控制的方法也各不相同，所以为使局域网中的数据
4、链路层不致于太过复杂，就将局域网的数据链路层划分为两个子层，即：媒体接入控制或媒体访问控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层。,3.2.2 局域网的层次模型,局域网各层功能：1、物理层：实现位流的传输与接收，同步前序的产生与删除，信号的编码与译码等，以及规定了传输所使用的信号编码和介质，规定了网络的拓扑结构和传输速率。（1）信号编码采用了曼彻斯特编码（2）介质为双绞线、同轴电缆、光纤、无线介质等（3）拓扑结构为总线型、星型和环型等。,3.2.2 局域网的层次模型,局域网各层功能：2、MAC子层（介质访问控制层）MAC子层是数据链路层的一个功能子层，是数据链路层的下半部分，它直接与物理层相邻。M
5、AC子层为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。MAC：与介质、拓扑相关。MAC子层传送的数据叫MAC帧。MAC地址接入局域网的计算机都有一个唯一的物理地址，或称MAC地址。802标准为局域网上的每一个站规定了一种48bit的全局地址。MAC地址采用6字节（48位）二进制数表示。MAC地址的前三个字节由IEEE分配，后三个字节由制造商自行分配。MAC地址被固化在网卡中。,当MAC帧中目的地址为全1，即为FF-FF-FF-FF-FF-FF时，即为广播地址。,3.2.2 局域网的层次模型,局域网各层功能：3、LLC子层（逻辑链路控制层）LLC子层在数据链路层的上半部分，在MAC层的支持下向网络层提
6、供服务。它独立与介质访问控制方法。隐蔽了各种802网络之间的差别，并向网络层提供一个统一的格式和接口。向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制等。LLC：与介质、拓扑无关；,IEEE802标准系列,802.2-逻辑链路控制802.3-CSMA/CD（以太网）802.4-Token Bus（令牌总线）802.5-Token Ring（令牌环）802.6-分布队列双总线DQDB-MAN标准802.8 FDDI（光纤分布数据接口）802.11 WLAN（无线局域网）,IEEE802体系结构示意图,数据链路层在不同的子标准中定义分别对应于LLC子层和MAC子层,3.2.4
7、 媒体访问控制方法,局域网中，挂接在网络上的各站点都是使用共享的公共传输媒体发送数据，而且要确保在一个站点发送数据时一定要独享公共传输媒体，当一个站点通过电缆发送数据时，别的站点必须等待。这样就存在着对传输媒体的争用以及争用后如何使用传输媒体的问题，也就构成了对媒体的控制方法，即媒体访问控制方法。常用的媒体控制方式有：用于以太网的带有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD；用于令牌环网的令牌控制；以及令牌总线控制。,3.3 以太网标准,3.3.1 CSMA/CD与传统以太网3.3.2 交换式以太网3.3.3 快速以太网3.3.4 千兆位以太网3.3.5 万兆位以太网,3.3.1 CSMA/C
8、D与传统以太网,1、以太网工作原理所有计算机共享这个单一的总线。任何计算机都通过总线向其它计算机发送数据，但在任何时候只能有一台计算机发送信号，其它都处于接收状态。在数据帧的传送过程中发送计算机独占使用整个电缆，此计算机完成数据帧传输后，共享电缆才能为其它计算机使用。如果多台计算机同时发送数据，就会出现不同信号在总线相互叠加而互相破坏，这就是发生了冲突。因此需要一种机制来协调通信，使冲突发生的可能性最小。在以太网中使用的介质访问控制方法就是带有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD(802.3标准)。,3.3.1 CSMA/CD与传统以太网,2、CSMA/CD原理采用随机访问技术的竞争型介质
9、访问控制方法1）载波监听多路访问CSMA 的基本思想：网络上任一站点要发送，先监听总线，若总线空闲，则立即发送，若总线正被占用，则等待某一时间后（二进制指数退避算法和1-坚持算法）再发送。2）冲突检测CD冲突检测CD就是边发送边监听，只要监听到发生冲突，则冲突的双方就必须停止发送。3）CSMA/CD的要点：任何想发送数据的站点必须进行监听，监听到总线有空闲就发送数据帧，并继续监听，如监听到发生了冲突，则立即停止此数据帧的发送。,3.3.1 CSMA/CD与传统以太网,监听 总线,发送,停止发送强化冲突,发送结束,等待一个随机时间,等待,CSMA/CD流程图,3.3.1 CSMA/CD与传统以太
10、网,4）争用期强化冲突：当发送帧的站一旦发现发生了冲突时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了冲突。每个站发送数据刚刚开始的一段可能发生冲突的时间间隔称为争用期。争用期越是小于一个帧的发送时间，CSMA/CD的优越性就越显著。,3.3.1 CSMA/CD与传统以太网,以太网的产生与发展70年代中期由施乐公司（Bob Metcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网）最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的经DEC,Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准）DIX V1（1980）、DI
11、X V2（1982）Ethernet II特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆1985年被采纳为IEEE 802.3，支持多种传输媒体。“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”Ethernet II和IEEE 802.3二者区别很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展,IEEE 802.3 以太网标准（主要的）,传统以太网：10Mb/s802.3 粗同轴电缆802.3a 细同轴电缆802.3i 双绞线802.3j 光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u 双绞线，光纤千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802
12、.3z 屏蔽短双绞线、光纤802.3ab 双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s802.3ae 光纤,以太网的物理层选项与标识方法速率、信号方式、介质类型,Ethernet/802.3操作,任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。,Ethernet/IEEE802.3帧格式,PR：前导码-10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD：帧首定界符 10101011，表示一帧的开始DA/SA：目的/源MAC地址LEN：数据长度（数据部分的字节
13、数），取值范围：0-1500Type：类型，高层协议标识LLC-PDU（Data）：数据，最少46字节,最多1500字节，不够时以Pad填充 Pad：填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节FCS：帧校验序列（CRC-32）,用途：保证帧长64字节,3.3.1 CSMA/CD与传统以太网,3、传统以太网1）粗缆以太网10Base5(遵循5-4-3规则）,AUI：连接单元接口,最多使用4个中继器连接5个干线段。工作站仅允许连接在其中3个干线段上。,3.3.1 CSMA/CD与传统以太网,2）细缆以太网10Base2,构建10Base2使用的设备有：网卡NIC、细同轴电缆、BNC-T连接器
14、、终止器。,3.3.1 CSMA/CD与传统以太网,3）10Base-T（802.3i标准）10BASE-T称为双绞线以太网，它采用星形拓扑结构，使用非屏蔽双绞线电缆，最大长度为100m，数据传输速度仍为10Mb/s。,构建10Base-T的设备：网卡集线器双绞线电缆RJ-45连接器,在使用双绞线媒体时，每个站点需要使用两对双绞线，分别用于发送和接收数据。,3.3.2 交换式以太网,传统的共享式局域网中，各站点去竞争并共享网络带宽。当用户增多时，分到每个用户的带宽就会相应减少。在10Mb/s的网络中，如果有L个用户，则每个用户占有的平均带宽只有10Mb/s的L分之一。交换式以太网的核心是一个以
15、太网交换机。交换机的主要特点是：每个端口直接与主机相连，当计算机要通信时，交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突的传输数据，通信完成后就断开连接。在使用交换机时，如果每个端口为10Mb/s，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，因此对有N对端口的交换机，系统总带宽可达N10Mb/s。,3.3.3 快速以太网,100BASE-T被称为快速以太网，其标准是802.3u。基于集线器在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑以太网，仍然使用CSMA/CD协议。100Base-T保持了10 Base-T的最短帧长及帧格式不变
16、，定义了三种不同的物理层标准：100Base-TX、100Base-FX和100Base-T4。100Base-T4：4对3类或5类UTP线，3对线传送数据，每对线数据传输率33.3Mb/s，另一对线用作冲突检测。100Base-TX：2对5类UTP双绞线或1类STP双绞线。100Base-FX：一对多模光纤，或使用单模光纤距离可达2公里。,1.快速以太网（Fast Ethernet，FE）传输速率为100Mb/s的以太网，比传统以太网快10倍标准为IEEE802.3u拓扑结构为基于集线器的星形结构；传输介质只支持双绞线和光纤；帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3标准。提供了10/1
17、00Mb/s自适应功能；IEEE802.3u定义了4种不同的物理层标准（p128）100Base-TX：使用两对5类双绞线100Base-FX：使用62.5/125m多模光纤100Base-T4：使用四对3类双绞线100Base-T2：使用两对3类双绞线,100Base-TX的拓扑结构,快速以太网的应用主干连接需要高带宽的服务器和高性能工作站网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站向桌面系统普及,3.3.4 千兆位以太网,千兆位以太网的物理层有以下两个标准：（1）1000Base-X，802.3z标准（基于光纤通道的物理层）1000Base-SX：用多模光纤，距离300550米。1000
18、Base-LX：用单模光纤距离3km或多模光纤距离300500m。1000Base-CX：屏蔽双绞线STP，距离25米。（2）1000Base-T，802.3ab标准1000Base-T：用4对5类UTP，距离25100米。,3.3.4 千兆位以太网,千兆位以太网引入了载波扩展和分组突发传输技术。载波扩展就是适当增加帧的长度，即千兆位以太网对用户的最小帧长度要求仍然为64字节时，实际传输的帧长度是512字节，当发送帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使其长度达到512字节，以保证在数据发送期间站点能够检测到冲突并采取相应的措施。分组突发传输技术，是让载波扩展只用于突发数据帧的
19、第1帧。就是当很多短帧要发送时，第一个短帧要用载波扩展的方法进行填充，但随后的短帧则可以一个接一个地发送，它们之间只需留有必要的帧间最小间隔即可。,3.3.5 万兆位以太网,万兆位以太网正式标准于2002年6月完成，即IEEE802.3ae。万兆位以太网又称10吉比特以太网。万兆位以太网的主要有以下特点：MAC子层的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同。由于数据率很高，万兆位以太网的传输媒体不再使用铜线而只使用光纤。万兆位以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题，也就不使用CSMA/CD协议。万兆位以太网定义了两种不同的物理层：（1）局域网物理层LAN P
20、HY。（2）广域网物理层WAN PHY。,3.4 以太网设备与相关技术,3.4.1 中继器和集线器3.4.2 网桥与生成树算法3.4.3 交换机 虚拟局域网VLAN,3.4.1 中继器和集线器,1、中继器中继器的作用是连接两根电缆，当它检测到一根电缆中有信号传来时，便将信号放大并转发到另一根电缆，这样一个中继器就把一个以太网的有效连接距离扩大一倍。中继器连接的两根以太网电缆称为网段。中继器是工作在物理层的设备。它没有物理地址。中继器的缺点是会在网段之间传送无效的信号，使得在一个网段中发生的冲突或干扰被扩散到其他的网段。,3.4.1 中继器和集线器,2、集线器集线器是一个多端口中继器，它接收相连
21、设备的信号并完整转发出去。在以太网中，集线器通常是支持星形或混合形拓扑结构的。必须遵守5-4-3-2-1规则，即只能连接5个网段，使用4个集线器，只能有3个网段可以连接计算机，2指的是一个网段只能有两个节点，且其中一个节点必须是计算机。集线器是工作在物理层的设备，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到信号，就简单地将该信号向所有端口转发。集线器有多种类型：独立式集线器、堆叠式集线器、模块式集线器、智能型集线器。,3.4.2 网桥与生成树算法,网桥也称桥接器，是工作在链路层，用于连接两个局域网，扩展网络的距离。一般情况下，被连接的局域网具有相同的逻辑链路控制规程LLC，
22、但在介质访问控制协议MAC上可以不同。网桥根据MAC地址对收到的帧进行转发，网桥具有过滤帧的功能。当一帧网桥从某个端口到达时，网桥将接收进来的帧存在缓存，通过查找地址映射表完成寻址，若此帧未出现差错，且要发往的目的站MAC地址属于另一个网段，则将收到的帧送到对应的端口转发出去。否则就丢弃此帧。在同一网段中通信的帧及有差错的帧或无效信息，不会被网桥转发到另一个网段去。,3.4.2 网桥与生成树算法,网桥帧过滤功能是阻止某些帧通过网桥。帧过滤有3种类型：目的地址过滤、源地址过滤和协议过滤。目的地址过滤指的是当网桥接收到一个帧后，首先确定其源地址和目的地址，如果源地址和目的地址处在同一个局域网中，就
23、简单地将其丢弃，否则就将其转发到另一个局域网上。源地址过滤是指网桥拒绝某一特定地址（站点）发出的帧。协议过滤是指网桥能用帧中的协议信息来决定是转发还是滤掉该帧。,3.4.2 网桥与生成树算法,1、透明网桥透明网桥的基本思想是：网桥自动了解每个端口所接网段的机器地址（MAC地址），形成一个地址映射表，网桥每次转发帧时，先查地址映射表表，如查到，则向相应端口转发，如查不到，则向除接收端口之外的所有端口转发或扩散。透明网桥记录接受帧的源地址与端口的映射，通过查看转发帧的源地址就可以知道通过哪个端口可以访问某个站点。,3.4.2 网桥与生成树算法,为了提高扩展局域网的可靠性，可以在局域网之间设置并行的
24、两个或多个网桥，但这样配置引起一个帧在网络中不停地兜圈，从而使网络无法正常工作。,F,F1,F2,A,局域网1,局域网2,网桥2,网桥1,3.4.2 网桥与生成树算法,生成树算法解决的方法是让网桥相互通信，并用一棵覆盖到每个局域网的生成树覆盖实际的拓扑结构。找出原来的网络拓扑的一个子集，在此子集中整个连通的网络中不存在回路，在任何两个站点之间只有一条通路。一旦生成树确定了，网桥就会将某些接口断开，以确保从原来的拓扑得出一个生成树。生成树算法选择一个网桥作为支撑树的根（例如，选择一个最小序号的网桥），然后以最短通路为依据，找到树上的每一个站点。,3.4.2 网桥与生成树算法,2、源路径网桥其核心
25、思想是发送站知道目的站的位置，并将路径中间所经过的网桥地址包含在帧头中一并发出，路径中的网桥依照帧头中的下一站网桥地址将帧一一转发，直到将帧传送到目的地。,3.4.3 交换机,交换机是属于OSI第二层的设备。也被称为是多端口的网桥，其中每个端口构成一个独立的局域网网段，交换机中有一个端口提供到主干网的高速上行链路。它还能够解析出MAC地址信息。交换机的所有端口都共享同一指定的带宽。连接到交换机上的设备都可以享有它们自己的专用信道。与网桥一样，交换机可以识别帧中的MAC地址，根据MAC地址进行转发，并将MAC地址与对应的端口记录在自己内部的地址映射表中。从以太网的观点来看，每一个专用信道都代表了
26、一个冲突检测域。冲突检测域是一种从逻辑或物理意义上划分的以太网网段。在一个段内，所有的设备都要检测和处理数据传输冲突。,3.4.3 交换机,局域网交换机有两种数据交换方式：一种是直通交换，另一种是存储转发交换。直通交换模式：在接受数据帧的同时就立即按帧头中的目的地址，把数据转发到目的端口。存储转发交换模式：把整个数据帧读入内存并检查其正确性。,虚拟局域网VLAN,虚拟局域网（VLAN）：由于交换机所具有的数据处理能力，又引出了一些新的网络服务如VLAN。不同物理网段的站点可以按需求分成若干个逻辑工作组。每一个逻辑工作组就是一个虚拟网VLANVLAN在逻辑上等价于广播域。VLAN可类比成一组最终
27、用户的集合。这些用户可以处在不同的物理局域网上，但他们之间可以象在同一 个局域网上那样通信而不受物理位置的限制。虚拟局域网是以太网交换机为用户提供的一种服务，而不是一种新型局域网。功能：隔离广播信息，模拟共享环境，增加安全性,虚拟局域网VLAN,虚拟局域网的划分：按交换机端口：将交换机其中的几个端口指定成一个VLAN。缺点是无法保证网络站点在整个网络中方便地移动。按MAC地址：根据局域网MAC地址划分VLAN。按网络地址：按站点的网络层地址（例如IP地址或者IPX地址）划分VLAN。按协议规则：把具有相同的网络层协议的网络站点归并成一个VLAN。基于用户定义规则：根据帧的指定域中的特定模式或者
28、特定取值，自己定义满足特定应用需要的VLAN。,3.5 无线局域网,目前，无线局域网技术中使用最为广泛的是IEEE 802.11 系列。该系列有IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g三个标准可供选择。IEEE 802.11a 技术使用5GHz频段，传输速率可高达54Mbps；IEEE 802.11b支持11Mbps共享接入速度，使用2.4GHz 频段；IEEE 802.11g是近期出现新标准，与前两者兼容，但还不是很成熟。目前IEEE 802.11b使用较多。目前无线网采用的传输媒体主要有两种，即无线电波与红外线。在采用无线电波做为传输媒体的无线网依调制方
29、式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。,3.5 无线局域网,无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心或对等式（Peer to Peer）拓扑和有中心（HUB-Based）拓扑。1、无中心拓扑，要求网中任意两个站点均可直接通信。这种拓扑结构适用于用户相对较少的工作群网络规模。2、有中心拓扑，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。每个站点只需在中心站覆盖范围之内就可与其它站点通信，网络中点站布局受环境限制较小。在实际应用中，无线网往往与有线主干网络结合起来使用。这时，中心站点充当无线网与有线主干网的转接器。,3.6 其他局域网技术,3.6.1 令牌环网 IEEE802.
30、5标准 3.6.2 令牌总线局域网 IEEE802.4标准3.6.3 光纤分布数据接口FDDI,3.6.1 令牌环网IEEE802.5标准,令牌环网采用一种特殊的帧令牌来协调环的使用，在任何时候环上只有一个令牌。为了发送数据，计算机必须等待令牌的到来，然后传输一帧，再向下一台计算机传输令牌。当没有计算机要发送数据时，令牌以高速在环上循环。令牌环网通过屏蔽或非屏蔽双绞线以4Mb/s或16Mb/s速率传输数据。,3.6.2 令牌总线局域网IEEE802.4标准,令牌总线局域网在物理上是个总线网，而在逻辑上却是一个令牌网。它既有总线局域网的接入方便和可靠性较高的优点，也具有令牌网的无冲突的优点。,光纤分布数据接口FDDI是一个使用光纤作为传输媒体的令牌环形网。特点是使用令牌传递的MAC协议，它利用多模光纤进行传输，并使用有容错能力的双环拓扑，数据传输率为100Mb/s，两个站间的最大距离为2km，环路长度为100km。,3.6.3 光纤分布数据接口FDDI,
