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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 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 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 1 总线型拓扑构型 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困难 2 环型拓扑构型 2
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 3 星型拓扑构型 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 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IEEE802 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
3、方法的环形局域网 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 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 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
4、 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 3 1 4IEEE802模型与协议标准 3 1 4IEEE802模型与协议标准 续 3 1 4IEEE802模型与协议标准 续 IEEE802 1 局域网体系结构 网络互联 以及网络管理与性能测试 IEEE802 2 逻辑链路控制LLC子层功能与服务 IEEE802 3 CSMA CD总线介质访问控制子层与物理层规范 IEEE802 4 令牌总线 TokenBus 介质访问控制子层与物理层规范 IEEE802 5 令牌环 TokenRing 介质访问控制子层与物理层规范 IEEE802 6 城域网MAN介质访问控制子层与物理层
5、规范 IEEE802 7 宽带技术 IEEE802 8 光纤技术 IEEE802 9 综合语音与数据局域网IVDLAN技术 IEEE802 10 可互操作的局域网安全性规范SILS IEEE802 11 无线局域网技术 IEEE802 12 100VGAnyLAN标准 3 2以太网 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 E
6、thernet2 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 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 2 以太网帧结构 各字段含义 前导码 由56位 7B 的101010 101010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
7、 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 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 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 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
8、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IEEE802 3标准的MAC子层与物理层 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 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
9、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 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 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
10、使用的传输介质和编码方式的变化不会影响到MAC子层 3 3 2快速以太网 续 1 快速以太网的体系结构 3 3 2快速以太网 续 2 快速以太网传输介质标准100BASETX 支持2对5类UTP或2对1类STP 距离可达100m100BASET4支持4对3类UTP 3对用于数据传输 1对用于冲突检测100BASEFX支持2芯的单模或多模光纤 距离可达2km 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 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
11、单模光纤 仅支持62 5 m和50 m两种多模光纤 对于62 5 m多模光纤 全双工模式下最大传输距离为275m 对于50 m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 最长的传输距离可达3km 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IEEE802 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
12、直径可达200m 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 3 3 4万兆位以太网 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
13、 3 4交换式局域网与虚拟局域网 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 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
14、双工 半双工两种工作方式支持虚拟局域网服务 3 4 2局域网交换机的工作原理 交换机的工作原理 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 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 cutthrough 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
15、 storeandforward 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 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VLAN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 3 4 3虚拟局域网的工作原理 续 虚拟网络的基本概念 2 3 4 3虚拟局域网的工作原理 续 2 虚拟局域网实现技术 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
16、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 3 4 3虚拟局域网的工作原理 续 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 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 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输技术 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 FrequencyHopping 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
