第5章局域网技术.ppt
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1、2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),第5 章 局域网技术,本章基本要求: 掌握常见的局域网拓扑结构, 掌握以太网技术; 理解局域网的特点和功能, 理解IEEE802标准, 理解两类介质访问控制的原理, 理解无线局域网的工作原理和基本的组网方式; 了解令牌环网、FDDI技术, 了解VLAN的概念与实现方式。 了解常用的网络操作系统。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),第5 章 局域网技术,5.1 局域网概述 5.2 IEEE802标准 5.3 介质访问控制 5.4 共享式以太网和交换式以太网 5.5 高速以太网
2、 5.6 其他种类的高速局域网 5.7 无线局域网 5.8 虚拟局域网 5.9 网络操作系统,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,5.1.1 局域网的特点 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题,也是目前技术发展最快的领域之一。局域网具有如下特点: (1) 网络所覆盖的地理范围比较小。 (2) 数据的传输速率比较高,近年来已达到1000Mbps、10000Mbps。 (3) 具有较低的延迟和误码率。 (4) 局域网络的经营权和管理权属于某个单位所有,与广域网通常由服务提供商提供形成鲜明对照。 (5) 便于安装、维护和扩充
3、,建网成本低、周期短。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,5.1.2 常见的局域网拓扑结构 在计算机网络中,把计算机、终端、通信处理机等设备抽象成点,把连接这些设备的通信线路抽象成线,并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。网络拓扑结构反映出网络的结构关系,它对于网络的性能、可靠性以及建设管理成本等都有着重要的影响,因此网络拓扑结构的设计在整个网络设计中占有十分重要的地位,在网络构建时,网络拓扑结构往往是首先要考虑的因素之一。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,
4、1星形拓扑(Star-Topology) 星形拓扑是由中央结点和通过点对点链路接到中央结点的各站点(网络工作站等)组成,如图5.1所示。星形拓扑以中央结点为中心,执行集中式通信控制策略,因此,中央结点相当复杂,而各个站的通信处理负担都很小,又称集中式网络。中央控制器是一个具有信号分离功能的“隔离”装置,它能放大和改善网络信号,外部有一定数量的端口,每个端口连接一个站点,如Hub集线器、交换机等。采用星形拓扑的交换方式有线路交换和报文交换,尤以线路交换更为普遍,现有的数据处理和声音通信的信息网大多采用这种拓扑。一旦建立了通信的连接,可以没有延迟地在两个连通的站点之间传输数据。,2019年4月7日
5、星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,配线架,图5.1 星形拓扑结构 图5.2 带有配线架的星形拓扑,星形拓扑的优点是结构简单,管理方便,可扩充性强,组网容易。利用中央结点可方便地提供网络连接和重新配置;且单个连接点的故障只影响一个设备,不会影响全网,容易检测和隔离故障,便于维护。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,星形拓扑的缺点是:每个站点直接与中央结点相连,需要大量电缆,因此费用较高; 如果中央结点产生故障,则全网不能工作,所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高。 2总线拓扑(Bus
6、Topology) 总线拓扑采用单根传输线作为传输介质,所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或总线上。任何一个站点发送的信息都可以沿着介质传播,而且能被所有其他的站点接收。图5.3是总线拓扑,如图5.4所示是带有中继器的总线拓扑。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,图5.3 典型的总线拓扑结构,图5.4 带有中继器的总线拓扑,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,总线拓扑的优点是:结构简单,实现容易;易于安装和维护;价格低廉,用户站点入网灵活。 总线拓朴结构的
7、缺点是:传输介质故障难以排除,并且由于所有结点都直接连接在总线上,因此任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。 不过,对于站点不多(10个站点以下)的网络或各个站点相距不是很远的网络,采用总线拓扑还是比较适合的。但随着在局域网上传输多媒体信息的增多,目前这种网络正在被淘汰。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,3环形拓扑(Ring Topology) 环形拓扑由一些中继器和连接中继器的点到点链路首尾相连形成一个闭合的环。如图5.5所示,每个中继器都与两条链路相连,它接收一条链路上的数据,并以同样的速度串行地把该数据送到另一条链路上,而不
8、在中继器中缓冲。这种链路是单向的,也就是说,只能在一个方向上传输数据,而且所有的链路都按同一方向传输,数据就在一个方向上围绕着环进行循环。,图5.5 环形拓扑结构,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,4树形结构(Tree Topology) 树形拓扑是从总线拓扑演变而来的,它把星形和总线形结合起来,形状像一棵倒置的树,顶端有一个带分支的根,每个分支还可以延伸出子分支,如图5.6所示。,图5.6 树形网络拓扑结构,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,5星形环拓扑 星形环拓扑
9、是将星形拓扑和环形拓扑混合起来的一种拓扑,试图取这两种拓扑的优点于一个系统中,克服了典型的星形和典型的环形两个拓扑的不足和缺陷。这种拓扑的配置是由一批接在环上的连接集中器(实际上是指安装在楼内各层的配线架)组成,从每个集中器按星形结构接至每个用户站上。如图5.7所示。 星形环拓扑的优点是故障诊断和隔离,易于扩展,安装电缆方便。 星形环拓扑的缺点是需要智能的集中器,电缆安装电缆长,安装不方便等。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.1 局域网概述,图5.7 星形环拓扑,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.
10、1 局域网概述,6拓扑的选择 拓扑的选择往往和传输介质的选择以及介质访问控制方法的确定紧密相关。选择拓扑时,应该考虑的主要因素有以下几点。 (1)经济性:网络拓扑的选择直接决定了网络安装和维护的费用。 (2)灵活性:灵活性以及可扩充性也是选择网络拓扑结构时应充分重视的问题。网络的可调整性与灵活性以及可扩充性都与网络拓扑直接相关。 (3)可靠性:网络的可靠性是任何一个网络的生命。网络拓扑决定了网络故障检测和故障隔离的方便性。 总之,选择局域网拓扑时,需要考虑的因素很多,这些因素同时影响网络的运行速度和网络软硬件接口的复杂程度等。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程
11、(第3版),5.2 IEEE 802标准,5.2.1 IEEE 802标准概述 1985年IEEE公布了IEEE 802标准的五项标准文本,同年为美国国家标准局(ANSI)采纳作为美国国家标准。后来,国际标准化组织(ISO)经过讨论,建议将802标准定为局域网国际标准。 IEEE 802为局域网制定了一系列标准,主要有如下几种。 IEEE 802.1:描述局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连(1997)。 IEEE 802.1G:远程MAC桥接(1998)。规定本地MAC网桥操作远程网桥的方法。 IEEE 802.1H:在局域网中以太网2.0版MAC桥接(1997)。 IEEE 802.
12、1Q:虚拟局域网(1998)。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.2 IEEE 802标准, IEEE 802.2:定义了逻辑链路控制(LLC)子层的功能与服务(1998)。 IEEE 802.3:描述带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)的访问方法和物理层规范(1998)。 IEEE 802.3ab:描述1000Base-T访问控制方法和物理层技术规范(1999)。 IEEE 802.3ac:描述VLAN的帧扩展(1998)。 IEEE 802.3ad:描述多重链接分段的聚合协议(Aggregation of Multiple Link
13、 Segments)(2000)。 IEEE 802.3i:描述10Base-T访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.3u:描述100Base-T访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.3z:描述1000Base-X访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.3ae:描述10GBase-X访问控制方法和物理层技术规范。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.2 IEEE 802标准, IEEE 802.4:描述Token-Bus访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.5:描述Token-Ring访问控制方法和物理
14、层技术规范(1997)。 IEEE 802.5t:描述100 Mbps高速标记环访问方法(2000)。 IEEE 802.6:描述城域网(MAN)访问控制方法和物理层技术规范(1994)。1995年又附加了MAN的DQDB子网上面向连接的服务协议。 IEEE 802.7:描述宽带网访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.8:描述FDDI访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.9:描述综合语音、数据局域网技术(1996)。 IEEE 802.10:描述局域网网络安全标准(1998)。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.2 IEE
15、E 802标准,IEEE 802.11:描述无线局域网访问控制方法和物理层技术规范(1999)。 IEEE 802.12:描述100VG-AnyLAN访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.14:描述利用CATV宽带通信的标准(1998)。 IEEE 802.15:描述无线私人网(Wireless Personal Area Network,WPAN)。 IEEE 802.16:描述宽带无线访问标准(Broadband Wireless Access Standards),由两部分组成。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.2 IEEE
16、802标准,5.2.2 局域网的体系结构 局域网的体系结构与OSI模型有相当大的区别,如图5.9所示,局域网只涉及OSI的物理层和数据链路层。为什么没有网络层及网络层以上的各层呢?首先局域网是一种通信网,只涉及到有关的通信功能,所以至多与OSI参考模型中的下3层有关。其次,由于局域网基本上采用共享信道的技术,所以也可以不设立单独的网络层。也就是说,不同局域网技术的区别主要在物理层和数据链路层,当这些不同的局域网需要在网络层实现互连时,可以借助其他已有的通用网络层协议(如IP协议)实现。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.2 IEEE 802标准,
17、2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.2 IEEE 802标准,1物理层 局域网的物理层是和OSI参考模型的物理层功能相当的,主要涉及局域网物理链路上原始比特流的传输,定义局域网物理层的机械、电气、规程和功能特性。如信号的传输与接收、同步序列的产生和删除等,物理连接的建立、维护、撤销等。 物理层还规定了局域网所使用的信号、编码、传输介质、拓扑结构和传输速率。例如,信号编码可以采用曼彻斯特编码,传输介质可采用双绞线、同轴电缆、光缆甚至是无线传输介质。拓扑结构则支持总线形、星形、环形和混合形等,可提供多种不同的数据传输率。物理层由以下4个部分组成。,20
18、19年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.2 IEEE 802标准, 物理介质(PMD):提供与线缆的物理连接。 物理介质连接设备(PMA):生成发送到线路上的信号,并接收线路上的信号。 连接单元接口(AUI)。 物理信号(PS)。 2数据链路层 局域网的数据链路层分为逻辑链路控制(LLC,Logical Link Control)和介质访问控制(MAC,Medium Access Control)两个功能子层。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.2 IEEE 802标准,其中,MAC子层负责介质访问控制机制的
19、实现,即处理局域网中各站点对共享通信介质的争用问题,不同类型的局域网通常使用不同的介质访问控制协议,另外MAC子层还涉及局域网中的物理寻址;而LLC子层负责屏蔽掉MAC子层的不同实现,将其变成统一的LLC界面,从而向网络层提供一致的服务,LLC子层向网络层提供的服务通过与网络层之间的逻辑接口实现,这些逻辑接口又被称为服务访问点(SAP,Service Access Point)。这样的局域网体系结构不仅使得IEEE 802标准更具有可扩充性,有利于其将来接纳新的介质访问控制方法和新的局域网技术,同时也不会使局域网技术的发展或变革影响到网络层。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机
20、网络技术实用教程(第3版),5.3 介质访问控制方法,5.3.1 信道分配问题 通常,可将信道分配方法划分为两类:静态分配方法和动态分配方法。 1静态分配方法 所谓静态分配方法,也是传统的分配方法,它采用频分多路复用或时分多路复用的办法将单个信道划分后静态地分配给多个用户。 当用户站数较多或使用信道的站数在不断变化或者通信量的变化具有突发性时,静态频分多路复用方法的性能较差,因此,传统的静态分配方法,不完全适合计算机网络。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.3 介质访问控制方法,2动态分配方法 所谓动态分配方法就是动态地为每个用户站点分配信道使用
21、权。 轮转:使每个用户站点轮流获得发送的机会,这种技术称为轮转。它适合于交互式终端对主机的通信。 预约:预约是指将传输介质上的时间分隔成时间片,网上用户站点若要发送,必须事先预约能占用的时间片。这种技术适用于数据流的通信。 争用:若所有用户站点都能争用介质,这种技术称为争用。它实现起来简单,对轻负载或中等负载的系统比较有效,适合于突发式通信。 争用方法属于随机访问技术,而轮转和预约的方法则属于控制访问技术。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.3 介质访问控制方法,5.3.2 介质访问控制方法 介质访问控制方法的主要内容有两个方面:一是要确定网络上
22、每一个结点能够将信息发送到介质上去的特定时刻;二是要解决如何对共享介质访问和利用加以控制。常用的介质访问控制方法有3种:总线结构的带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD方法、环形结构的令牌环(Token Ring)访问控制方法和令牌总线(Token Bus)访问控制方法。 1带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)是采用争用技术的一种介质访问控制方法。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.3 介质访问控制方法,CSMA/CD通
23、常用于总线形拓扑结构和星形拓扑结构的局域网中。它的每个站点都能独立决定发送帧,若两个或多个站同时发送,即产生冲突。每个站都能判断是否有冲突发生,如冲突发生,则等待随机时间间隔后重发,以避免再次发生冲突。 CSMA/CD的工作原理可概括成四句话,即先听后发,边发边听,冲突停止,随机延迟后重发。具体过程如下: 当一个站点想要发送数据的时候,它检测网络查看是否有其他站点正在传输,即监听信道是否空闲。 如果信道忙,则等待,直到信道空闲。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.3 介质访问控制方法, 如果信道闲,站点就传输数据。 在发送数据的同时,站点继续监听
24、网络确信没有其他站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据,就会产生冲突。 当一个传输结点识别出一个冲突,它就发送一个拥塞信号,这个信号使得冲突的时间足够长,让其他的结点都有能发现。 其他结点收到拥塞信号后,都停止传输,等待一个随机产生的时间间隙(回退时间,Backoff Time)后重发。,2019年4月7日星期日12时19分39秒,计算机网络技术实用教程(第3版),5.3 介质访问控制方法,2令牌环(Token Ring)访问控制 Token Ring是令牌传输环(Token Passing Ring)的简
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