计算机网络(第计算机网络(第33版) 第第44章章局域网基础 局域网基础 本章导读 本章导读 本章着重介绍了局域网的介质访问控制技术、 本章着重介绍了局域网的介质访问控制技术、 局域网的体系结构与协议以及目前几乎覆盖 局域网的体系结构与协议以及目前几乎覆盖 全球的以太网的相关知识,同时也介绍了虚 全球的以太网的相关知识,同时也介绍了虚 拟局域网和高速局域网等当前新的网络技术。 拟局域网和高速局域网等当前新的网络技术。 主要内容 主要内容 44--1 局域网概述局域网概述 44--2 局域网连网设备局域网连网设备 44--3 共享介质局域网共享介质局域网 44--4 交换式局域网交换式局域网 44--5 以太网以太网 44--6 虚拟局域网虚拟局域网 44--7 高速局域网高速局域网 44--1 局域网概述局域网概述 44--11--1 局域网的技术特点局域网的技术特点 覆盖的地理范围有限,一般属于一个单位,便于组 覆盖的地理范围有限,一般属于一个单位,便于组 建、维护和发展 建、维护和发展 传输速率高、误码率低,具有较高质量的数据传输 传输速率高、误码率低,具有较高质量的数据传输 环境 环境 决定局域网性能的主要技术为网络拓扑结构、传输 决定局域网性能的主要技术为网络拓扑结构、传输 介质和介质访问控制方法 介质和介质访问控制方法 网络拓扑结构主要采用总线型、环型和星型拓扑结 网络拓扑结构主要采用总线型、环型和星型拓扑结 构以及扩展的星型结构 构以及扩展的星型结构 传输介质采用双绞线、同轴电缆、光纤和无线的电 传输介质采用双绞线、同轴电缆、光纤和无线的电 分为共享介质式局域网和交换式局域网两类分为共享介质式局域网和交换式局域网两类 44--1 局域网概述局域网概述 44--11--2 IEEE802 IEEE802参考模型参考模型 44- -1 局域网概述局域网概述 44--11--3 IEEE802 IEEE802协议协议 局域网协议主要是由 局域网协议主要是由IEEE IEEE下设的 下设的IEEE802 IEEE802委委 员会制定,并已得到 员会制定,并已得到ISO ISO的采纳 的采纳 802.1 802.2 802.3 802.4 802.5 802.6 802.7 802.x 局域网概述局域网概述 44--11--4 局域网操作系统局域网操作系统 11.网络操作系统的定义 .网络操作系统的定义 具有网络功能的操作系统,用于网络通信与 具有网络功能的操作系统,用于网络通信与 共享网络资源,协调网络环境中多个网络节 共享网络资源,协调网络环境中多个网络节 点中的任务,并向用户提供统一的、有效的 点中的任务,并向用户提供统一的、有效的 网络接口软件。 网络接口软件。 22.网络操作系统的主要功能 .网络操作系统的主要功能 网络通信、共享资源管理、网络管理、网络 网络通信、共享资源管理、网络管理、网络 服务和提供网络接口。 服务和提供网络接口。 44--1 局域网概述局域网概述 44--11--4 局域网操作系统局域网操作系统 .几种主要的局域网网络操作系统.几种主要的局域网网络操作系统 Windows Windows 2000 2000操作系统 操作系统 NetWare NetWare操作系统 操作系统 UNIX UNIX操作系统 操作系统 Linux Linux操作系统 操作系统 44--2 局域网连网设备局域网连网设备 44--22--1 网卡网卡 11.总线接口分类 .总线接口分类 ISA ISA网卡、 网卡、PCI PCI网卡、 网卡、USB USB网卡和 网卡和PCMCIA PCMCIA网网 22.按照接头种类分类.按照接头种类分类 RJ RJ--45 45接头 接头 同轴电缆接头 同轴电缆接头 AUI AUI接头 接头 44--2 局域网连网设备局域网连网设备 44--22--2 中继器中继器 11.中继器的作用 .中继器的作用 物理层的连接,起到延长网络距离的作用 物理层的连接,起到延长网络距离的作用,,在在 逻辑上是同一个网络 逻辑上是同一个网络。。 中继器的分类中继器的分类 电缆中继器和光缆中继器 电缆中继器和光缆中继器 中继器的优缺点中继器的优缺点 使用中继器需要注意的问题:环路问题、使用中继器需要注意的问题:环路问题、 遵守 遵守55--44--33规则。 规则。 44--2 局域网连网设备局域网连网设备 44--22--3 集线器集线器 就是用于就是用于UTP UTP双绞线的多端口中继器。 双绞线的多端口中继器。 集线器的分类集线器的分类 集线器的优缺点集线器的优缺点 使用集线器时需要注意的问题使用集线器时需要注意的问题 级联时也必须遵循 级联时也必须遵循55--44--33规则 规则 所连接的网段在物理层以上使用相同或兼容 所连接的网段在物理层以上使用相同或兼容 协议 协议 应考虑网络所使用的传输介质 应考虑网络所使用的传输介质 44--2 局域网连网设备局域网连网设备 44--22--4 网桥网桥 11.网桥的基本概念 .网桥的基本概念 工作在介质访问控制子层,具有在不同网段之间再 工作在介质访问控制子层,具有在不同网段之间再 生信号的功能,除此之外,还具有过滤和转发功能 生信号的功能,除此之外,还具有过滤和转发功能 分组 802.X802.Y A站点 B站点 LLC子层 MAC子层 物理层 高层 网桥 44--2 局域网连网设备局域网连网设备 44--2 2--4 网桥网桥 网桥的分类网桥的分类 从配置位置可以分为内部网桥和外部网桥 从配置位置可以分为内部网桥和外部网桥 从地理位置可以分为近程网桥和远程网桥 从地理位置可以分为近程网桥和远程网桥 从用于所互联的网络的类型可以分为透明网 从用于所互联的网络的类型可以分为透明网 桥和源路由网桥 桥和源路由网桥 网桥在实际应用中的主要作用网桥在实际应用中的主要作用 网络分段、扩展网络的距离、实现网络之间 网络分段、扩展网络的距离、实现网络之间 的互联、可以进行物理层和数据链路层协议 的互联、可以进行物理层和数据链路层协议 的变换,可以连接不同传输介质的网络。 的变换,可以连接不同传输介质的网络。 44--2 局域网连网设备局域网连网设备 44--22--5 交换机交换机 比网桥的数据吞吐性能更好,端口集成度更 比网桥的数据吞吐性能更好,端口集成度更 高,每端口成本更低,使用更加灵活和方便 高,每端口成本更低,使用更加灵活和方便 11.交换机基本概念 .交换机基本概念 主要功能是增加传输带宽、降低网络传输的 主要功能是增加传输带宽、降低网络传输的 延迟、进行网络管理及选择网络传输线路等 延迟、进行网络管理及选择网络传输线路等 所有端口都可以建立并行、独立和专用速率 所有端口都可以建立并行、独立和专用速率 的连接 的连接 能够隔离冲突域和有效的抑制广播风暴的产 能够隔离冲突域和有效的抑制广播风暴的产 生。可以工作在半双工模式或全双工模式下。 生。可以工作在半双工模式或全双工模式下。 44--2 局域网连网设备局域网连网设备 44--22--5 交换机交换机 交换机的分类交换机的分类 从工作方式上分为穿通交换方式、存储转发 从工作方式上分为穿通交换方式、存储转发 交换方式和碎片丢弃交换方式 交换方式和碎片丢弃交换方式33种。 交换机的优缺点交换机的优缺点 44--3 共享介质局域网共享介质局域网 如何分配信道的使用权是一个关键问题。大 如何分配信道的使用权是一个关键问题。大 多是广播网,基本不存在路由选择问题,而 多是广播网,基本不存在路由选择问题,而 需要解决当信息的使用产生竞争时信道共享 需要解决当信息的使用产生竞争时信道共享 的介质访问控制技术的问题。 的介质访问控制技术的问题。 因此,不设置网络层而将数据链路层分为两 因此,不设置网络层而将数据链路层分为两 个子层,逻辑链路控制子层 个子层,逻辑链路控制子层LLC LLC和介质访问 和介质访问 控制子层 控制子层MAC MAC(负责与物理层相关的所有问 (负责与物理层相关的所有问 题)介质访问控制技术是该子层的主要功能。 题)介质访问控制技术是该子层的主要功能。 44--3 共享介质局域网共享介质局域网 44--33--1 争用协议争用协议 共享介质局域网大多采用随机访问技术。 共享介质局域网大多采用随机访问技术。 ALOHA美国夏威夷大学校园网,任何用户站有数据 美国夏威夷大学校园网,任何用户站有数据 帧就可以发送,如果发现冲突,则冲突的站 帧就可以发送,如果发现冲突,则冲突的站 都分别重发。 都分别重发。 分槽ALOHAALOHA 将通道上的时间分割成长度与一个数据帧传 将通道上的时间分割成长度与一个数据帧传 输所需时间相等的时间片(分槽),各个站 输所需时间相等的时间片(分槽),各个站 要发送数据帧必须在时间片的起始时间,即 要发送数据帧必须在时间片的起始时间,即 分槽处开始。 分槽处开始。 44--3 共享介质局域网共享介质局域网 44--33--1 争用协议争用协议 CSMA/CD每个站在发送数据前监听,如果信道空闲则 每个站在发送数据前监听,如果信道空闲则 发送数据;如果信道忙就先不发送,等待一 发送数据;如果信道忙就先不发送,等待一 段时间后再监听 段时间后再监听--CSMA CSMA 发送数据帧的站点边发送数据边监听信道, 发送数据帧的站点边发送数据边监听信道, 监听到发生冲突,立即停止发送 监听到发生冲突,立即停止发送-- CD CD 44--3 共享介质局域网共享介质局域网 44--33--2 令牌环介质访问控制技术令牌环介质访问控制技术 多用于环型网络,属于有序的竞争协议。 多用于环型网络,属于有序的竞争协议。 令牌环的组成令牌环的组成 采用同轴电缆:使用 采用同轴电缆:使用TT型连接器、 型连接器、BNC BNC头等连 头等连 接件将同轴电缆与网络接口卡相连。 接件将同轴电缆与网络接口卡相连。 采用双绞线:使用令牌环集线器、 采用双绞线:使用令牌环集线器、RJ45 RJ45等连 接件与网络接口卡相连,构成物理上的环型接件与网络接口卡相连,构成物理上的环型 令牌环网拓扑结构图令牌环网拓扑结构图 令牌环集线器的内部结构图 令牌环集线器的内部结构图 令牌环 iMac iMac iMac iMac 网络接口卡 令牌环网端口 内部线路 44--3 共享介质局域网共享介质局域网 44- -33--2 令牌环介质访问控令牌环介质访问控 制技术 制技术 令牌环介质访问控制令牌环介质访问控制 的操作过程 的操作过程 (a)A站点等待空令牌到来,准备发送数据帧 空令牌 (b)C站点地址与目的地址相同,复制数据并在环上传输 (c)A站点将数据帧从环上移去,并发送空令牌 空令牌 44--3 共享介质局域网共享介质局域网 44--33--2 令牌环介质访问控制技术令牌环介质访问控制技术 令牌帧和数据帧的格式令牌帧和数据帧的格式 开始定界符 SD AC ED 结束定界符 访问控制 SD AC FC 目的地址 源地址 „数据„ 帧校验序号 ED FS 令牌帧格式 SD-JK0JK000 ,ED-JK1JK1IE 其中的3个字段规定都与数据帧相同 数据帧格式 AC访问控制,FC帧控制,FS帧状态 令牌环的维护可以通过监控站完成对于令牌环的维护 44--3 共享介质局域网共享介质局域网 44--33--3 令牌总线访问控制技术令牌总线访问控制技术 令牌总线局域网的组成令牌总线局域网的组成 应用于总线拓扑结构网络,但访问控制采用 应用于总线拓扑结构网络,但访问控制采用 与令牌环相似的访问控制方法。其物理结构 与令牌环相似的访问控制方法。其物理结构 是总线的而逻辑结构却是环型的。 是总线的而逻辑结构却是环型的。 iMac iMac iMac iMac iMac 逻辑环44--3 共享介质局域网共享介质局域网 44--33--3 令牌总线访问控制技术令牌总线访问控制技术 令牌总线局域网的帧格式令牌总线局域网的帧格式 前导 SD FC DA FCS ED „数据„ SA 字节结束定界符 帧校验序号 源地址 目的地址 帧控制 开始定界符 开始与结束定界符和令牌环介质访问控制技术中的定义相同。 不存在单独的令牌帧格式,由帧控制字段说明是否包含数据, 是否为令牌。 44--4 交换式局域网交换式局域网 交换式局域网的核心设备是局域网交换机,交换式网络 交换式局域网的核心设备是局域网交换机,交换式网络 技术是提高网络效率、减少拥塞的有效方案之一。目前, 技术是提高网络效率、减少拥塞的有效方案之一。目前, 交换式局域网主要是交换式以太网。 交换式局域网主要是交换式以太网。 交换式以太网具有以下优点: 交换式以太网具有以下优点: 保留现有以太网的基础设施,只需将共享式 保留现有以太网的基础设施,只需将共享式HUB HUB改为交 改为交 换机 换机;; 交换式以太网使用大多数或全部的现有基础设施; 交换式以太网使用大多数或全部的现有基础设施; 可在高速与低速网络间转换,实现不同网络的协同; 可在高速与低速网络间转换,实现不同网络的协同; 可以工作在全双工模式下,实现无冲突域的通信,网络 可以工作在全双工模式下,实现无冲突域的通信,网络 的连接速度,可达到原来的 的连接速度,可达到原来的200% 200%;; 提供多个通道,比共享式集线器提供更多的带宽; 提供多个通道,比共享式集线器提供更多的带宽; 独占通道,无冲突的数据传输,网络性能不会因为通信 独占通道,无冲突的数据传输,网络性能不会因为通信 量和用户数的增加而降低。 量和用户数的增加而降低。 44--5 以太网以太网 1972 1972年由梅特卡夫( 年由梅特卡夫(Robert Metcalfe Robert Metcalfe)发明 )发明,,按按 照照IEEE802.3 IEEE802.3标准的局域网。 标准的局域网。 44--55--1 IEEE802.3 IEEE802.3帧格式帧格式 IEEE802.3的帧格式的帧格式 前导 长度 „数据„ 填充字段 校验和 开始 标志 目的地址 源地址 字节~1500 46 说明:为了保证站点在一个帧没发送完之前能检测出冲突,IEEE802.3规定有效帧从目的地址开始,到 校验和字段的最短长度为64字节,数据字段和填充 字段字段的长度和是从46~1500字节;采用循环冗 余校验。 44--5 以太网以太网 44--55--1 IEEE802.3 IEEE802.3帧格式帧格式 无效的帧无效的帧 IEEE802.3 IEEE802.3标准规定,凡出现下列情况之一的 标准规定,凡出现下列情况之一的 帧都属于无效的帧,并将其丢弃。 帧都属于无效的帧,并将其丢弃。 --帧的长度与长度字节给出的值不一致; 帧的长度与长度字节给出的值不一致; --帧的长度小于规定的最短长度; 帧的长度小于规定的最短长度; --帧的长度不是整数字节; 帧的长度不是整数字节; --接收到的帧的校验和出错。 接收到的帧的校验和出错。 44--5 以太网以太网 44--55--2 IEEE802.3 IEEE802.3物理层标准物理层标准 允许使用的传输介质有 允许使用的传输介质有55类,如下表。 类,如下表。 选项 10BASE-5 10BASE-2 10BASE-T 10BASE-F 传输介质 50Ω同轴电缆 50Ω同轴电缆 双绞线 光纤 段长(m) 500 185 100 1000 段站点数 100 30 33 电缆直径 10 mm mm0.4~0.6 mm 62.5/125μm 拓扑结构 总线 总线 编码技术曼彻斯特 曼彻斯特 曼彻斯特 曼彻斯特 44--5 以太网以太网 44--5 5--3 IEEE802 IEEE802三种协议的比较三种协议的比较 优缺点比较优缺点比较 协议 优点 缺点 IEEE 802.3 协议简单、站点接入和安装方便,使用 广泛。低负载情况效率高,延迟小 发送的时延不确定,重负载 时效率低,限制最小帧长, 无优先级设置 IEEE 802.4 发送时延确定,不限制最小帧长,可设 置优先级,重负载时效率高,支持多个 信道,可传输数据、语音和图像等多种 信号 协议复杂,轻负载时效率低 IEEE 802.5 发送时延确定,可设置优先级,重负载 时效率高,可使用多种传输介质 协议复杂,轻负载时效率低, 限制最大帧长度 以太网以太网 44--55--3 IEEE802 IEEE802三种协议的比较三种协议的比较 3种协议帧格式比较种协议帧格式比较 前导 开始 标志 访问 控制 帧控制 地址 长度 数据 填充 校验和 结束 标志 帧状态 IEEE802.3 IEEE802.4 IEEE802.5 44--6 虚拟局域网虚拟局域网 44--66--1 虚拟局域网的概念虚拟局域网的概念 虚拟局域网虚拟局域网VLAN VLAN的定义 的定义 局域网中的站点不受地理位置的限制,根据 局域网中的站点不受地理位置的限制,根据 需要、灵活地将站点构成不同的逻辑子网, 需要、灵活地将站点构成不同的逻辑子网, 被称为虚拟局域网。同一个 被称为虚拟局域网。同一个VLAN VLAN的站点所发 的站点所发 送的数据可以广播传输到该 送的数据可以广播传输到该VLAN VLAN的所有站点, 的所有站点, 而不同 而不同VLAN VLAN的站点的数据不能直接广播传输。 的站点的数据不能直接广播传输。 可以根据功能、部门及应用等因素将网络计 可以根据功能、部门及应用等因素将网络计 算机组织起来,构成一个 算机组织起来,构成一个VLAN VLAN。。 44--6 虚拟局域网虚拟局域网 44--66--1 虚拟局域网的概念虚拟局域网的概念 虚拟局域网的优点虚拟局域网的优点 VLAN采用的以太网帧格式采用的以太网帧格式 前导 长度 „数据„ 填充字段 校验和 开始 标志 目的地址 源地址 VLAN标记~1500 46 增加一个4字节的VLAN标记字段 44--6 虚拟局域网虚拟局域网 44--66--2 虚拟局域网的组建虚拟局域网的组建 建立虚拟局域网的 建立虚拟局域网的44种方法:基于端口的、基 种方法:基于端口的、基 于于MAC MAC地址的、第 地址的、第3 3层层VLAN VLAN和和IP IP多播组 多播组VLAN VLAN。。 基于端口的基于端口的VLAN VLAN 通过将交换机端口设置成不同的 通过将交换机端口设置成不同的VLAN VLAN而组建 而组建 不同的虚拟局域网。 不同的虚拟局域网。 基于基于MAC MAC地址的 地址的VLAN VLAN 通过网络终端设备的 通过网络终端设备的MAC MAC地址来设置 地址来设置VLAN VLAN。 虚拟局域网虚拟局域网 44--66--2 虚拟局域网的组建虚拟局域网的组建 第第33层层VLANVLAN 根据所使用的协议或网络层地址来划分 根据所使用的协议或网络层地址来划分VLAN VLAN。。 IP多播组多播组VLAN VLAN 通过“代理”对一组 通过“代理”对一组IP IP节点进行管理和提供服务。 节点进行管理和提供服务。 44--7 高速局域网高速局域网 分为两大类:高速共享介质局域网和交换局 分为两大类:高速共享介质局域网和交换局 域网。高速共享介质局域网又可分为高速以 域网。高速共享介质局域网又可分为高速以 太网、高速令牌环网及 太网、高速令牌环网及FDDI FDDI--II II等;交换局域 等;交换局域 网可分为交换以太网和 网可分为交换以太网和ATM ATM局域网等。 局域网等。 44--77--1 高速以太网高速以太网 速率达到或超过 速率达到或超过100Mbit/s 100Mbit/s的以太网称为高速 的以太网称为高速 以太网。 以太网。 100BASE--TT以太网以太网 千兆位以太网千兆位以太网 万兆位以太网万兆位以太网 44--7 高速局域网高速局域网 44--77--2 其他类型高速局域网其他类型高速局域网 主要有 主要有100VG 100VG--AnyLAN AnyLAN和光纤分布式数据接 和光纤分布式数据接 口口FDDI FDDI两种。 两种。 100VG--AnyLANAnyLAN 由由HP HP公司和 公司和IBM IBM公司共同研制,并经 公司共同研制,并经 IEEE802 IEEE802委员会规范化为 委员会规范化为IEEE802.12 IEEE802.12标准,采 标准,采 用需求优先级的访问控制方法 用需求优先级的访问控制方法。。 光纤分布式数据接口光纤分布式数据接口 是由美国国家标准协会 是由美国国家标准协会ANSI ANSI的的X3T9.5 X3T9.5委员会 委员会 制定的一种高速、容错的网络传输协议。 制定的一种高速、容错的网络传输协议。 本章小结 本章小结 局域网的体系结构中,将数据链路层分为逻辑链路 局域网的体系结构中,将数据链路层分为逻辑链路 控制子层和介质控制访问子层。