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1、第3章 局域网技术,3.1 局域网的技术特点 3.2 局域网的拓扑结构 3.3 IEEE 802参考模型与协议 3.4 共享介质局域网的工作原理 3.5 高速局域网技术 3.6 交换式局域网技术 3.7 虚拟局域网技术 3.9 本章总结,3.1 局域网的技术特点局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点，是目前技术发展最快的领域之一。主要特点如下：,覆盖有限的地理范围。适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求。,主要技术包括网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。,数据传输速率高（10M10000Mbps）、误码率低。,一般属于一个单位所有，易于建立
2、、维护与扩展。,按介质访问控制方法可分为共享介质局域网与交换局域网。,图 3.1,3.2.1 总线型拓扑结构 1. 总线型拓扑结构总线型拓扑结构如图3.1所示。介质访问控制方法采用的是“共享介质“方式。优点是：结构简单，实现容易，易于扩展，可靠性较好。,3.2 局域网的拓扑结构 主要分为总线型、环型与星型三种结构。,2. 总线型拓扑结构的介质访问特点 所有结点都通过网卡直接连接到一条公共传输介质的总线上。,总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。,所有结点都可通过总线发送或接收数据，但同一时间内只允许一个结点以“广播”方式发送数据，其他的结点只能以“收听”方式接收数据。,由于总线为多个结点共
3、享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点发送数据的情况，因此会出现“冲突”（collision）导致传输失败。冲突现象如图3.2所示。,在“共享介质”方式的总线型局域网实现技术中，必须解决多 个结点访问总线的介质访问控制（MAC，medium access control）问题。,图 3.2,图 3.3,3.2.2 环型拓扑结构环型局域网的拓扑结构如图3.3所示。在环型拓扑结构中，结点通过相应的网卡，使用点-点线路连接，构成闭合的环型。环中数据沿一个方向绕环逐站传输。,3.2.3 星型拓扑结构,逻辑结构是指局域网的结点间相互通信的关系，而物理结构是指局域网外部连接形式。,在共享式局域网（s
4、hared LAN）中，中心结点是一种共享式集线器，构成 星型拓扑的物理结构是星型，而逻辑结构是总线型。典型的星型局域网的拓扑结构如图3.4所示。同时只能有一台电脑发送信息。,实际应用的局域网往往是一种或几种基本拓扑的扩展与组合。,1、逻辑结构与物理结构,2、交换局域网与共享局域网的星型拓扑,在交换式局域网（switched LAN）中，中心结点是一种局域网交换机，可以在多对通信结点之间建立并发的逻辑连接。星型拓扑的物理结构与逻辑结构是统一的。同时可以有两台以上电脑发送信息。,图 3.4,3.3 IEEE 802参考模型与协议,局域网常用的传输介质：同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道。一般在
5、同一建筑物内的局域网中使用双绞线；在建筑物和建筑物之间或远距离传输中使用光纤；在有移动结点的局域网中采用无线技术。,介质访问控制方法：传统的局域网采用共享介质的工作方式。为实现对多结点使用共享介质发送和接收数据的控制，目前被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法主要有以下三种：带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方法令牌总线（token bus）方法令牌环（token ring）方法。,图 3.5,1、IEEE 802参考模型1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会（简称IEEE 802委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE 802标准。IEEE 802标准所
6、描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系如图3.5所示。,2、IEEE 802标准IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE 802标准。IEEE 802标准之间的关系如图3.6所示。,图 3.6,IEEE 802标准主要包括以下几种： IEEE 802.1：局域网体系结构、网络互连、网络管理与性能 测试。 IEEE 802.2：逻辑链路控制子层功能与服务。 IEEE 802.3：CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范。 IEEE 802.4：令牌总线介质访问控制子层与物理层规范。 IEEE 802.5：令牌环介质访问控制子层与物理层规范。 IEEE 802.
7、6：城域网介质访问控制子层与物理层规范。 IEEE 802.7：宽带网络技术。 IEEE 802.8：光纤传输技术。 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。,3.4 共享介质局域网的工作原理 3.4.1 以太网的工作原理目前应用最广的一类局域网是总线型局域网，即以太网（Ethernet）。它的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，carrier sense multiple access with collis
8、ion detection）方法。,CSMA/CD的发展与定义 1）、发展,1981年11月公布了Ethernet V 2.0规范。IEEE 802.3标准是在Ethernet V 2.0规范的基础上制定的，它的制定推动了以太网技术的发展与广泛应用。,1980年9月，Xerox 、DEC 与Intel等三家公司合作，第一次公布了Ethernet的物理层、数据链路层规范；,90年代，IEEE 802.3标准中的物理层标准10Base-T的推出，使得以太网性能价格比大大提高，并在各种局域网产品的竞争中占有明显的优势。快速以太网标准100BASE-T的推出，更进一步增强了以太网的竞争优势。目前， 1
9、Gbps（千兆）以太网已很成熟；万兆以太网得到普遍应用；十万兆以太网正在逐步应用。,2）、定义,CSMA/CD 方法用来解决多结点如何共享总线的问题。在以太网中，任何结点都没有可预约的发送时间，它们的发送都是随机的，所有结点都必须平等地争用发送时间，这种介质访问控制属于随机争用方法。,2. CSMA/CD 的工作原理,如果一个结点要发送数据，就以“广播”方式向总线发送数据，连在总线上的所有结点都能“收听”到这个数据信号。为有效地实现多结点访问公共传输介质的控制策略，CSMA/CD的发送流程可概括为四点：先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟后重发。,每个结点利用总线发送数据时，首先要侦听总线的
10、忙闲状态。如果一个结点准备好发送的数据帧，并且此时总线处于空闲状态，那么它就可以开始发送。,但发送数据时同时还存在着一种可能，那就是在几乎相同的时刻，有两个或两个以上结点发送了数据，那么就会产生冲突，因此结点在发送数据时应该进行冲突检测。图3.7显示了采用CSMA/CD方法的总线型局域网的工作过程。,图 3.7,冲突检测过程：结点在发送数据的同时，将它发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，那么叠加后的信号波形将不等于任何结点发送的信号波形。当发送结点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时，表示总线上有多个结点在同时发送数
11、据，冲突已经产生。如果在发送数据过程中没有检测出冲突，结点将在发送结束后进入正常结束状态。如果在发送数据过程中检测出冲突，结点将停止发送数据，并在随机延迟后重发。,图 3.8,3.4.2 令牌环与令牌总线的工作原理1. 令牌总线的工作原理IEEE 802.4标准定义了令牌总线介质访问控制方法与相应的物理规范。令牌总线是一种在总线拓扑中利用“令牌”作为控制结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。图3.8是正常的稳态操作时令牌总线的工作过程。,在采用令牌总线的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用总线去发送数据。令牌是一种特殊结构的控制帧，用来控制结点对总线的访问权。所谓正常的稳态操
12、作，是指在网络已完成初始化之后，各结点进入正常传递令牌与数据，并且没有结点要加入或撤出，没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。此时，每个结点有本站地址（TS），并知道上一结点地址（PS）与下一结点地址（NS）。令牌传递规定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。环中令牌传递顺序与结点在总线上的物理位置无关。令牌总线网在物理上是总线型，在逻辑上是环型。令牌帧含有一个目的地址，接收到令牌帧的结点可以在令牌持有最大时间内发送一个或多个帧。,图 3.9,2. 令牌环的工作原理最早开始于1969年贝尔研究室的Newhall环网，最有影响的令牌环网是
13、IBM公司的令牌环。IEEE 802.5标准是在IBM公司的令牌环协议基础上发展与形成的。图3.9给出了令牌环的基本工作过程。,在令牌环中，结点通过环接口连接成物理环形。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排列的顺序相同。 令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位标志令牌的忙/闲。 如果结点A有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。当结点A获得空闲令牌之后，它将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后传送数据帧。 结点B、C、D将依次接收到数据帧。如该数据帧的目的地址是结点C，则结点C在正确接收该数据帧后，在帧中标志出帧已被正确接收和复制。 当结点A重新接收到自
14、己发出的、已被目的结点正确接收的数据帧时，它将回收已发送的数据帧，并将忙令牌改成空闲令牌，再将空闲令牌向它的下一结点传送。 特点：访问延迟确定，适用于重负载环境，支持优先级服务。但环维护复杂，实现较困难。,3.5 高速局域网技术3.5.1 高速局域网的研究方法1. 高速局域网的发展 推动局域网发展的直接因素是个人计算机的广泛应用。包括计算机数量的增加和应用内容的丰富都对局域网的带宽与性能提出了更高的要求。,传统的局域网技术是建立在“共享介质“的基础上，随着局域网规模不断扩大，结点数的不断增加，每个结点平均能分配到的带宽将越来越少。因此，冲突和重发现象大量发生，网络效率与网络服务质量将会急剧下降
15、。,克服网络规模与网络性能之间矛盾的几种解决方案： （1）提高Ethernet的数据传输速率从10Mbps提高到100Mbps，甚至1Gbps、10Gbps。无论局 域网的数据传输速率怎么提高，它仍采用CSMA/CD方法。,（2）利用局域网互连技术将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，使每个子网作为一个独立的小型局域网。通过减少每个子网内部结点数的方法，使每个子网的网络性能得到改善，每个子网仍采用CSMA/CD的方法。（3）利用“交换局域网”技术将“共享介质方式”改为“交换方式”。交换局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。,局域网的分
16、类从目前的发展情况来看，局域网可以分为两类： 共享介质局域网（shared LAN）、交换式局域网（switched LAN）。局域网产品之间的关系如图3.10所示。,图 3.10,3.5.2 快速以太网 1. 快速以太网的发展为满足用户对带宽越来越高的要求。有两条路可选：要么重新设计一种新的局域网体系结构与介质访问控制方法，去取代传统的局域网技术；要么保持传统的局域网体系结构与介质控制方法不变，设法提高局域网的传输速率。为保护用户已有的投资，增加网络的带宽是一种明智的选择，快速以太网（fast Ethernet）是符合这一要求的新一代高速局域网。,1995年9月，IEEE 802委员会正式批
17、准了快速以太网标准IEEE 802.3u。,快速以太网的传输速率比普通以太网快10倍，数据传输速率达到了100Mbps。,快速以太网保留着传统以太网的所有特征，包括相同的数据帧格式、介质访问控制方法与组网方法，只是将每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns。,图 3.11,2. 快速以太网的协议结构IEEE 802.3 u标准在LLC子层使用IEEE 802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，定义了新的物理层标准（100 BASE-T），包括介质专用接口（MII，media independent interface），将MAC 子层与物理层分隔开来。使物理层在实现100Mbps 速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。快速以太网的协议结构如图3.11所示。,
