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1、第第4章章 局域网基本原理局域网基本原理1本章讨论以下问题：本章讨论以下问题：n局域网应解决的关键技术是什么？局域网应解决的关键技术是什么？n局域网常见结构有何特点？局域网常见结构有何特点？n以太网的以太网的MACMAC层协议包含哪些基本内容？层协议包含哪些基本内容？n局域网传输介质可以是哪些？局域网传输介质可以是哪些？n如何解决共享介质局域网的共享传输线路的问如何解决共享介质局域网的共享传输线路的问题？题？n如何提高局域网的传输速率？如何提高局域网的传输速率？n交换式局域网如何能有效的提高局域网用户的交换式局域网如何能有效的提高局域网用户的传输速率？传输速率？n为什么需要虚拟局域网技术？为什
2、么需要虚拟局域网技术？n无线局域网技术有哪些？无线局域网技术有哪些？2问题：问题：n局域网应解决的关键技局域网应解决的关键技术是什么？术是什么？34.1 局域网的技术特点局域网的技术特点 n学习局域网的两个线索：学习局域网的两个线索：n决定局域网特性的主要技术要素为决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑网络拓扑、传输介质传输介质与与介质访问控制方法介质访问控制方法。n从介质访问控制方法的角度来看，局域网可分从介质访问控制方法的角度来看，局域网可分为为共享介质式共享介质式局域网与局域网与交换式局域网交换式局域网两类。两类。4问题：问题：n局域网常见结构有何特局域网常见结构有何特点？点？54.2
3、局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构4.2.1 总线型拓扑结构总线型拓扑结构n所有结点可以通过总线以所有结点可以通过总线以“广播广播”方式方式发发送或接收数据，因此出现送或接收数据，因此出现“冲突冲突”不可避不可避免；免；n“冲突冲突”会造成传输失败；会造成传输失败；n必须解决必须解决多个结点访问总线的介质访问控多个结点访问总线的介质访问控制（制（MAC，Medium Access Control）问题。问题。6总线型局域网的拓扑结构总线总线总线总线结点结点(a a)物理结构物理结构(b b)拓扑结构拓扑结构结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点7介质访问控制方法
4、要解决以下几个问题介质访问控制方法要解决以下几个问题n该哪个结点发送数据？该哪个结点发送数据？n发送时会不会出现冲突？发送时会不会出现冲突？n出现冲突怎么办？出现冲突怎么办？8n结点使用点结点使用点-点线路连接，构成闭合的物理环型点线路连接，构成闭合的物理环型结构；结构；n环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；n多个结点共享一条环通路。多个结点共享一条环通路。n提问：提问：是否存在介质访问控制问题？是否存在介质访问控制问题？4.2.2 环型拓扑结构环型拓扑结构(a a)物理结构物理结构结点结点结点结点结点结点结点结点(b b)拓扑结构拓扑结构结点结点结点结点结点结
5、点结点结点94.2.3 星型拓扑结构星型拓扑结构n物理结构与逻辑结构的关系物理结构与逻辑结构的关系n交换局域网交换局域网(Switched LAN)的物理结构的物理结构n提问：提问：是否存在介质访问控制问题？是否存在介质访问控制问题？结点结点结点结点结点结点结点结点中央结点中央结点结点结点结点结点结点结点结点结点中央结点中央结点(a a)物理结构物理结构(b b)拓扑结构拓扑结构10问题问题n局域网传输介质可以是局域网传输介质可以是哪些？哪些？n以太网的以太网的MAC层协议包层协议包含哪些基本内容？含哪些基本内容？114.3 IEEE 802模型与协议模型与协议4.3.1 4.3.1 传输介质
6、类型与介质访问控制方法传输介质类型与介质访问控制方法n局域网的传输介质类型局域网的传输介质类型：n同轴电缆同轴电缆n双绞线双绞线n光纤光纤n无线通信信道无线通信信道n介质访问控制方法介质访问控制方法:n带有冲突检测的载波侦听多路访问（带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）n令牌总线（令牌总线（Token Bus）n令牌环（令牌环（Token Ring）124.3.2 IEEE 802参考模型参考模型IEEE 802 参考模型与参考模型与OSI参考模型的关系参考模型的关系OSIOSI 参考模型参考模型IEEE IEEE 802802 参考模型参考模型逻辑链路控制(LLC)子层介质访问控
7、制(MAC)子层物理层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层13IEEE 802标准之间的关系标准之间的关系802.10可互操作的局域网安全802.2 逻辑链路控制子层LLC802.3CSMA/CD802.4Token Bus802.5Token Ring802.6城域网802.9语音与数据综合局域网802.11无线局域网 802.1局域网的体系结构与网络互联数数据据链链路路层层物理层物理层14当前研究的局域网主流技术当前研究的局域网主流技术15802.3物理层标准物理层标准n命名规则：命名规则：n base表示基带传输，曼彻斯特编码表示基带传输，曼彻斯特编码n base前数字表示传输
8、率，单位前数字表示传输率，单位Mbpsn base后数字表示每段电缆最大长度后数字表示每段电缆最大长度n“T”表示双绞线，表示双绞线，“F”表示光纤表示光纤802.2 LLC802.2 LLC802.3 CSMA/CD802.3 CSMA/CD10 BASE-510 BASE-5（粗缆）（粗缆）10 BASE-FP,10 BASE-FP,10 BASE-FB,10 BASE-FB,10 BASE-FL10 BASE-FL（光缆）（光缆）10 BASE-210 BASE-2（细缆）（细缆）10 BASE-T10 BASE-T（非屏蔽（非屏蔽双绞线）双绞线）100 BASE-TX100 BASE-
9、TX（5 5类非屏类非屏蔽双绞线）蔽双绞线）100 BASE-T4100 BASE-T4（3 3类非屏类非屏蔽双绞线）蔽双绞线）100 BASE-FX100 BASE-FX（光缆）（光缆）16问题问题n如何解决共享介质局域如何解决共享介质局域网的共享传输线路的问网的共享传输线路的问题？题？n介质访问控制问题？介质访问控制问题？174.4 共享介质局域网的工作原理共享介质局域网的工作原理nIEEE802标准定义的共享介质局域网有标准定义的共享介质局域网有3种种类型：类型：n采用采用CSMA/CD介质访问控制方法的总线型局介质访问控制方法的总线型局域网域网n采用采用Token Bus介质访问控制访
10、问的总线型局介质访问控制访问的总线型局域网域网n采用采用Token Ring介质访问控制方法的环形局域介质访问控制方法的环形局域网网 18传统传统Ethernet工作原理工作原理19Ethernet网卡设计方法网卡设计方法20Ethernet网卡结构网卡结构82588Ethernet控制器MACAddressEPROM缓冲存储器82502Ethernet收发器网卡网卡AUI接口BNC接口接计算机接计算机I/OI/O总线总线RJ-45接口通过外部收发器通过外部收发器接粗同轴电缆接粗同轴电缆10BASE-5接细同轴电缆接细同轴电缆接非屏蔽双绞线接非屏蔽双绞线10BASE-210BASE-T21Et
11、hernet物理地址物理地址nEthernet物理地址长度为物理地址长度为48位位，每一块网，每一块网卡有一个固定不变的物理地址；卡有一个固定不变的物理地址；nIEEE注册管理委员会为每个网卡生产商分注册管理委员会为每个网卡生产商分配配Ethernet物理地址的前三字节，即公司物理地址的前三字节，即公司标识也称为机构惟一标识符；后面三字节标识也称为机构惟一标识符；后面三字节由网卡的厂商自行分配；由网卡的厂商自行分配；n在网卡生产过程中，将该地址在网卡生产过程中，将该地址写入网卡的写入网卡的只读存储器只读存储器（EPROM）；）；22Ethernet物理地址的十六进制与二进制表示方法物理地址的十
12、六进制与二进制表示方法23提问：提问：n分析以太网，得出要让其正常工作，需分析以太网，得出要让其正常工作，需要解决什么问题？要解决什么问题？nCollision演示演示244.4.1 以太网的工作原理以太网的工作原理1、CSMA/CD协议的基本内容协议的基本内容n多点接入：多点接入：许多计算机同时连接在一根总线上。许多计算机同时连接在一根总线上。n载载波波监监听听：在在发发送送数数据据前前，需需检检查查总总线线上上是是否否有有其其他他计计算算机机在在发发送送数数据据，有有则则暂暂时时不不发发送送数数据据，以免发生碰撞。以免发生碰撞。n碰碰撞撞检检测测：边边发发送送数数据据边边检检测测信信道道上
13、上的的信信号号电电压压大大小小，以以检检查查是是否否发发生生“碰碰撞撞”或或“冲冲突突”，有有则立即停止发送，等待一段则立即停止发送，等待一段随机时间随机时间后再发送。后再发送。254.4.1 以太网的工作原理以太网的工作原理2、CSMA/CD方法的工作过程方法的工作过程CSMA/CD的发送流程可以概括为：的发送流程可以概括为：n 先听后发先听后发 n 边听边发边听边发n 冲突停止冲突停止n 延迟重发延迟重发264.4.2 令牌总线的工作原理令牌总线的工作原理(a a)物理结构物理结构令牌结点2结点3结点4结点1(b b)拓扑结构拓扑结构结点5总线结点3结点2结点1结点4结点5274.4.3
14、令牌环的工作原理令牌环的工作原理令牌结点3结点2结点4结点1结点4结点3结点2结点1(a a)物理结构物理结构(b b)拓扑结构拓扑结构Token Ring方式的缺点方式的缺点：n环维护工作复杂环维护工作复杂n实现比较困难实现比较困难Token演示演示28光纤分布式数据接口光纤分布式数据接口FDDIFDDI主干环网主干环网服务器路由器以太网Token Ring路由器29FDDI主要技术特点n使用 802.5的单令牌环网介质访问控制协议；n使用 802.2协议，与符合 802标准局域网兼容；n数据传输速率为100Mbps，连网的结点数最大为1000，环路长度为100km；n可以使用双环结构，具有
15、容错能力；n可以使用多模或单模光纤；n具有动态分配带宽的能力，能够支持同步和异步数据传输。30问题：问题：n如何提高局域网的传输如何提高局域网的传输速率？速率？314.5.1 高速局域网的研究方法高速局域网的研究方法 推动局域网技术发展的因素推动局域网技术发展的因素：n个人计算机的广泛应用。在过去二十年中，计算个人计算机的广泛应用。在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；率只提高了上千倍；n基于基于Web的的Internet/Intranet应用要求更高的应用要求更高的带宽；带宽；n在数据仓库、桌面电视会议、在数
16、据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。n带宽的需要带宽的需要4.5 高速局域网的工作原理高速局域网的工作原理32n传统局域网技术建立在传统局域网技术建立在“共享介质共享介质”基础上，典基础上，典型的介质访问控制方法是型的介质访问控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus；n介质访问控制方法用来保证每个结点都能够介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公公平平”地使用公共传输介质；地使用公共传输介质；n每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断每个结点平均能分配到的带宽随
17、着结点数的不断增加而急剧减少；增加而急剧减少；n网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。网络服务质量将会下降。传统共享式局域网的缺点传统共享式局域网的缺点33n第一种方案：第一种方案：提高提高Ethernet的数据传输速的数据传输速率：率：10Mbps100Mbps10Gbps；n第二种方案：第二种方案：将一个大型局域网划分成多个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，导致用网桥或路由器互连的子网，导致局域网互局域网互连技术连技术
18、的发展；的发展；n第三种方案：第三种方案：将将“共享介质方式共享介质方式”改为改为“交交换方式换方式”，导致，导致“交换式局域网交换式局域网”技术技术的发的发展。展。高速局域网的研究方法高速局域网的研究方法34局域网的分类方法局域网的分类方法局域网局域网共享介质共享介质局域网局域网交换式交换式局域网局域网以太网以太网令牌总线令牌总线令牌环令牌环FDDIFDDI快速以太网快速以太网千兆以太网千兆以太网FFOLFFOL交换式以太网交换式以太网ATMATM局域网仿真局域网仿真IP over ATMIP over ATMMPOAMPOA虚拟局域网虚拟局域网FDDI IIFDDI II354.5.3 快
19、速以太网快速以太网n快速以太网又称为快速以太网又称为Fast Ethernet，它的传输速，它的传输速率比普通率比普通Ethernet快快10倍，数据传输速率达到倍，数据传输速率达到了了100Mbps；nFast Ethernet保留着保留着传统的帧格式、介质访问传统的帧格式、介质访问控制方法与组网方法控制方法与组网方法；n每个比特的发送时间由每个比特的发送时间由100ns降低到了降低到了10ns；n1995年年9月，月，IEEE 802委员会正式批准了委员会正式批准了Fast Ethernet标准标准IEEE 802.3u。36Fast Ethernet的协议结构的协议结构IEEE IEEE
20、 802802.2 2 LLCLLCIEEE IEEE 802802.3 3 MACMACMIIMII（功能与功能与AUIAUI相同相同）100 100 BASEBASE-TXTX两对两对5 5类线或类线或STPSTP100 100 BASEBASE-FXFX单模单模、多模光纤多模光纤100 100 BASEBASE-T T4 4四对四对3 3,4 4,5 5类类UTPUTP100 100 BASEBASE-T T集线器集线器374.5.4 千兆以太网千兆以太网用用Ethernet组建企业网的全面解决方案组建企业网的全面解决方案：n桌面系统桌面系统采用传输速率为采用传输速率为10Mbps的的E
21、thernet；n部门级部门级网络系统采用传输速率为网络系统采用传输速率为100Mbps的的Fast Ethernet；n企业级企业级网络系统采用传输速率为网络系统采用传输速率为1000Mbps的的Gigabit Ethernet。38Gigabit Ethernet的协议结构的协议结构IEEE IEEE 802802.2 2 LLCLLCIEEE IEEE 802802.3 3 MACMACGMIIGMII（功能与功能与AUIAUI相同相同）1000 1000 BASEBASE-CXCX屏蔽双绞线屏蔽双绞线1000 1000 BASEBASE-SXSX多模光纤多模光纤1000 1000 BA
22、SEBASE-T T集线器集线器1000 1000 BASEBASE-T T非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线1000 1000 BASEBASE-LXLX单模光纤单模光纤8 8B B/1010B B编码解码方式编码解码方式PAMPAM5 5编码解码方式编码解码方式39十千兆以太网十千兆以太网n10GE10GE标准由标准由IEEE 8023aeIEEE 8023ae委员会制定，正式标准在委员会制定，正式标准在20022002年完成。年完成。n10GE10GE的的帧格式帧格式与与10Mbps10Mbps的的EthernetEthernet的帧格式基本相的帧格式基本相同；同；n10GE10GE仍保留仍保留8
23、02.3802.3标准对标准对EthernetEthernet最小帧长度和最最小帧长度和最大帧长度的规定；大帧长度的规定；n由于数据传输速率高达由于数据传输速率高达10Gbps10Gbps，传输介质只使用光，传输介质只使用光纤，可以应用于广域网与城域网的范围；纤，可以应用于广域网与城域网的范围；n10GE10GE只工作在全双工方式只工作在全双工方式，因此不存在争用问题，因此不存在争用问题，这就使这就使10GE10GE的传输距离不受冲突检测的限制。的传输距离不受冲突检测的限制。4010GE应用前景应用前景n由于由于10GE技术的出现，技术的出现，Ethernet工作范围已从工作范围已从校园网、企
24、业网主流选型的局域网，扩大到城域校园网、企业网主流选型的局域网，扩大到城域网和广域网；网和广域网；n同样规模的同样规模的10GE造价只有造价只有SONET的的1/5，只有，只有ATM的的1/10；n从从10Mbps Ethernet到到10Gbps Ethernet都使都使用相同的用相同的Ethernet帧格式，简化操作和管理，帧格式，简化操作和管理，提高系统的效率；提高系统的效率；nGE和和10GE产品的问世，进一步提高产品的问世，进一步提高Ethernet的的市场占有率。市场占有率。41问题：问题：n交换式局域网如何能有交换式局域网如何能有效的提高局域网用户的效的提高局域网用户的传输速率？
25、传输速率？42集线器集线器+双绞线以太网双绞线以太网43n一个一个Hub实际上就是一个多端口的转发器，工作在物实际上就是一个多端口的转发器，工作在物理层理层n互联局域网在物理上是一个星型网，在逻辑上仍是一互联局域网在物理上是一个星型网，在逻辑上仍是一个总线网。个总线网。集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线44两个集线器通过两个集线器通过RJ-45端口的级联结构端口的级联结构45使用堆叠式集线器的结构使用堆叠式集线器的结构464.6 交换式局域网的工作原理n局域网交换机结构与工作原理示意图局域网交换机结构与工作原理示意图Switch演示演示47典型的局域网结构图典型的局域网结构图484.6
26、.3 局域网交换机的技术特点局域网交换机的技术特点n低交换延迟低交换延迟n支持不同的传输速率和工作模式支持不同的传输速率和工作模式n支持虚拟局域网服务支持虚拟局域网服务49问题：问题：n为什么需要虚拟局域网为什么需要虚拟局域网技术？技术？504.7 虚拟局域网的工作原理虚拟局域网的工作原理4.7.1 虚拟网络的概念虚拟网络的概念n建立基础建立基础：虚拟网络建立在局域网交换机之上：虚拟网络建立在局域网交换机之上;n实现方法实现方法：以软件方式实现对逻辑工作组的划：以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理分与管理;n特点特点：n逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制逻辑工作组的结点组成不受物理位置的
27、限制;n一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。样。514.7.2 虚拟局域网的实现技术虚拟局域网的实现技术n虚拟局域网的虚拟局域网的核心设备核心设备：交换机：交换机n虚拟局域网的组网方法虚拟局域网的组网方法n用用交换机端口号交换机端口号定义虚拟局域网定义虚拟局域网n用用 MAC地址地址定义虚拟局域网定义虚拟局域网n用用网络层地址网络层地址定义虚拟局域网定义虚拟局域网 n用用IP广播组广播组定义虚拟局域网定义虚拟局域网52用交换机端口号定义虚拟局域网成员用
28、交换机端口号定义虚拟局域网成员端口12345678局域网交换机局域网交换机 2 2端口12345678局域网交换机局域网交换机 1 1端口12345678局域网交换机局域网交换机(a a)单局域网交换机结构单局域网交换机结构VLAN 1VLAN 2VLAN 1VLAN 2(b b)跨局域网交换机结构跨局域网交换机结构VLAN演示演示53虚拟局域网的工作原理示意图虚拟局域网的工作原理示意图54问题：问题：n无线局域网技术有哪些无线局域网技术有哪些？55无线局域网络无线局域网络n无线局域网络无线局域网络(Wireless Local Area Networks；WLAN)是相当便利的数据是相当便利
29、的数据传输系统，它利用射频传输系统，它利用射频(Radio Frequency；RF)的技术，取代的双绞的技术，取代的双绞铜线铜线(Coaxial)所构成的局域网络所构成的局域网络.n局域网中交换机和结点之间连接的双绞局域网中交换机和结点之间连接的双绞线，被无线的通信信道取代线，被无线的通信信道取代.56无线网络技术的分类无线网络技术的分类无线网络无线网络基于基础设施基于基础设施的无线网络的无线网络无基础设施无基础设施的无线网络的无线网络无线网络局域网无线网络局域网WLAN无线网络城域网无线网络城域网WMAN无线传感器网络无线传感器网络WSN无线自组网无线自组网Ad hoc无线网状网无线网状网
30、WMN574.8 无线局域网的工作原理无线局域网的工作原理4.8.1 无线局域网的应用无线局域网的应用 n作为传统局域网的扩充作为传统局域网的扩充n建筑物之间的互连建筑物之间的互连n漫游访问漫游访问n特殊网络特殊网络58典型的无线局域网结构典型的无线局域网结构59604.8.2 无线局域网的主要类型无线局域网的主要类型n红外线局域网红外线局域网 n扩频局域网扩频局域网n窄带微波局域网窄带微波局域网 61红外局域网红外局域网红外传播的基本特点红外传播的基本特点:n红外无线信号是按红外无线信号是按视距方式视距方式传播的，发送传播的，发送结点与接收结点之间不能有阻挡。结点与接收结点之间不能有阻挡。红
31、外局域网的优点红外局域网的优点：n红外线频谱很宽，可以提供高数据传输速红外线频谱很宽，可以提供高数据传输速率；率；n红外通信安全性高；红外通信安全性高；n红外局域网设备简单，易于管理。红外局域网设备简单，易于管理。62典型的多种红外局域网应用系统的结构典型的多种红外局域网应用系统的结构红外局域网数据方式红外局域网数据方式:n定向光束红外传输定向光束红外传输n全方位红外传输全方位红外传输n漫反射红外传输漫反射红外传输634.8.3 无线局域网标准无线局域网标准IEEE 802.11基本结构模型基本结构模型64802.16宽带城域网结构宽带城域网结构65INTERNET带路由功能的带路由功能的ADSL MODEM普通普通AP66INTERNET普通的普通的ADSL MODEM无线宽带路无线宽带路由器由器6768小结小结nLAN的关键技术的关键技术nMAC层、层、CSMA/CD、Token Ringn共享式局域网共享式局域网n交换式局域网交换式局域网n虚拟局域网虚拟局域网n无线局域网无线局域网69