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第四章计算机局域网络

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第四章计算机网络 第四章第四章 计算机局域网络 第四章第四章 计算机局域网络 第四章局域网 计算机网络第四章 第4章局域网 计算机网络第 4 章 局域网第 4 章
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计算机局域网络 本章主要内容 v 局域网的特性和标准 v 以太网的概念及分类 v 各种高速网络的种类及技术特点 v 网络交换的概念及交换式以太网 v 虚拟局域网的概念、特点及划分方 法 4.1 局域网概述 1.局域网的产生和发展 2.局域网的主要特点: • 覆盖有限的地理范围 • 成本低 • 传输速率高(通常在10Mb/s~1000Mb/s之间)、传输延时小 • 误码率低(通常低于10-8) • 介质适应性强 • 结构简单,易于实现。 • 归属一个单一组织管理,由该组织维护、管理和扩建网络 4.1.3 局域网的基本组成 局域网由网络硬件和网络软件两大部分组成。 1、硬件系统 图例:采用 100Mbps交换以太网技 术组建一个局域网,其 硬件设备包括计算机系 统、100Mbps网络接口 卡(网卡)、快速以太网 交换机(Switch)、非屏 蔽双绞线(UTP)及RJ-45 标准接口部件 2.网络软件 网络软件是一种在网络环境下运行和使用, 或者说控制与管理网络运行的软件;是一种使通 信双方能够交流信息的软件。 根据网络软件的功能与作用,分为网络系统 软件和网络应用软件。 局域网的分类 6 IEEE 802局域网标准系列 IEEE(电子电器工程师协会) 7 IEEE 802局域网标准系列 •IEEE802.1:概述、体系结构和网络互联,以及网络管理和性 能测量 •IEEE802.2;逻辑链路控制LLC •IEEE802.3:CSMA/CD访问方法和物理层技术规范 •IEEE802.4:令牌总线访问方法和物理层技术规范 •IEEE802.5:令牌环网访问方法和物理层技术规范 •IEEE802.6:城域网 •IEEE802.7:宽带技术 •IEEE802.8:光纤技术 •IEEE802.9:综合话音数据局域网 •IEEE802.10:可互操作的局域网的安全 •IEEE802.11:无线局域网 8 IEEE 802局域网模型 • 局域网的数据链路层划分为两个子层 • 对于局域网来说,网络层是不必要的 9 1. 物理层 物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流, 它的主要作用是确保在一段物理链路上二进制位信号 的正确传输。物理层的主要功能包括信号的编码/解码 、同步前导码的生成与去除、二进制位信号的发送与 接收。 2. MAC子层 介质访问控制子层(MAC)是数据链路层的一个功能子层 ,MAC子层构成了数据链路层的下半部,它直接与物理层相 邻。MAC子层是与传输介质有关的一个数据链路层的功能子 层,它主要制定管理和分配信道的协议规范。 MAC地址: § 作用:局域网上的计算 机利用MAC地址表示自 己和他人的身份 § MAC地址通常存储在网 络接口卡NIC中 § MAC地址位于OSI参 考 模型的数据链路层 3. LLC子层 逻辑链路控制子层(LLC)也是数据链路层的一个功能子层 。它构成了数据链路层的上半部,与网络层和MAC子层相邻。 LLC子层在MAC子层的支持下向网络层提供服务。它可运行于所 有802局域网和城域网的协议之上。LLC子层与传输介质无关, 它独立于介质访问控制方法,隐藏了各种局域网技术之间的差 别,向网络层提供一个统一的格式与接口。LLC子层的作用是在 MAC子层提供的介质访问控制和物理层提供的比特服务的基础上 ,将不可靠的信道处理为可靠的信道,确保数据帧的正确传输 。 4.3 决定局域网特征的主要技术 • 局域网的拓扑结构 • 传输介质和传输形式 • 局域网的介质访问控制方法 4.3.1 局域网的拓扑结构 • 总线型拓扑结构 • 星形拓扑结构 • 环形拓扑结构 • 树型拓扑结构 1. 总线型拓扑结构 所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上信 息的传输以“共享介质”方式进行 总线型的优越性 一个节点失效不影响其他节点 的工作节点的增删不影响全 网的运行; u 结构简单; u 接入灵活; u 扩展容易; u 可靠性高; 2. 星形拓扑结构 特点: u存在一个中心节点 u每个节点通过点到点的链路与中心节点连接 u所有通信都通过中心节点进行 交换局域网是一种典型的星形拓扑结构 3. 环形拓扑结构 特点: u以共享介质方式进行数据传输 u每个节点都与两个相邻的节点相连 u节点之间采用点到点的链路 u网络中的所有节点构成一个闭合的环 u环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输 环形的主要问题 可靠性差、故障诊断困难, 若环中某一位置 的断开将导致整个网络瘫痪 4. 树型拓扑 优点: 易于扩展故障 容易隔离 缺点 : 对根的依赖性大,如果根发生故障,则全 网不能正常工作,因此这种结构的可靠性与 星型结构相似。 4.3.2 传输介质与传输形式 传输介质主要是指计算机网络中发送 和接收者之间的物理通路,其中有通信电缆 ,也有无线信道如微波线路和卫星线路。而 局域网的典型传输介质是双绞线、同轴电缆 和光缆。 4.3.3 局域网的介质访问控制方法 局域网中常用的访问控制方式: – 带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD-Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection); – 令牌环(Token Ring); – 令牌总线(Token Bus)。 1.CSMA/CD 工作原 理: 先听后发 , 边听边发 , 冲突停止 , 延迟重发 。 接 收 帧 时 令牌环基本工作原理: – 网上所有站点都处于空闲时,令牌沿环绕行 – 发送站点 必须等待,直到捕获到令牌 发送数据帧 释放令牌 吸收数据帧(绕环一周后) – 中间站点(数据帧的目的地址与自己不同) 转发环上 的数据帧 – 接收站点(数据帧的目的地址与自己相同) 拷贝环上的数据帧 转发环上的数据帧 2.Token Ring 数据传输实例(1) • 站点A、B分别向站点C、D发送数据 数据传输实例(2) 数据传输实例(3) 数据传输实例(4) 站点A、B分别向站点C、D发送数据 3.Token Bus 在物理上令牌总线是一根线型或树型的电缆, 其上 连接各个站点;在逻辑上,所有站点构成一个环 。 令牌总线 4.4 以太网 1.以太网的技术特性 • 以太网是基带网,它采用基带传输技术。 • 以太网的标准是IEEE802.3,它使用CSMA/CD介质访问控制方法 。 • 以太网是一种共享型网络,网络上的所有站点共享传输媒体和带 宽。 • 以太网是广播式网络。 • 以太网的数字信号采用曼彻斯特编码方案。 • 以太网所支持的传输介质类型有50Ω基带同轴电缆(粗同轴 • 电缆和细同轴电缆)、非屏蔽双绞线和光纤。 • 以太网所构成的拓扑结构主要是总线型和星型。 • 有多种以太网标准,它们支持不同的传输速率 (10Mbps、100Mbps和1000Mbps),最高可达1Gbps。 • 以太网技术先进,但很简单,这是它获得成功的主要 原因。 • 以太网技术成熟,价格低廉、易扩展、易维护、易管理 。 主要标准和技术参数 4.4.3 传统以太网 10Mb/s以太网:10Base-5、10Base-2 10Base-T、10Base-F以太网标准 。 10Base-5硬件系统及其连接 1.10Base-5 硬件系统: 粗缆以 太网的物理 连接器包括 :同轴电缆 、网卡、收 发器以及收 发器电缆 (AUI)。 •组网规则: ① 单个电缆段的最大长度为500m。 ② 在一个缆段上最多连接100个网络站点。 ③ 两个站点之间的距离应大于等于2.5m。 ④ 收发器电缆的长度不能超过50m。 ⑤ 在缆段的两端必须安装终接器,且其中一端接地。 ⑥ 当要求延长缆段长度或扩展网络规模时,可以使用中继器连 接多段。IEEE802.3规定了“5-4-3”原则:即最多用4个转发器连 接5个网段,其中只有3个网段可以连接结点,其余的网段仅用做加 长距离。故最长距离是2500m,在5个缆段上最多可连接300个站点 。 2.10Base-2 硬件系统: ① 提供BNC(细同轴电缆标准介质连接器)接口的网卡。 ② 用于连接站点和细同轴电缆的T型连接器和BNC连接器 ③ 50Ω终端器、50Ω细同轴电缆(RG-8)。 细缆网络连接图 组网规则: ① 每个缆段的最大长度为185m。 ② 每个缆段上最多连接30个站点。 ③ 站点之间最小距离为0.5m。 ④ 每个缆段的两端必须安装50Ω终接器,且一端接地。 ⑤ 每个缆段可由多个带BNC接头的细缆段组成,通过T型连接器 将电缆和站点连接起来,T型连接器必须直接连接到网卡的 BNC接口上,在它们之间不能再连接其他电缆。 ⑥ 当要求延长缆段长度或扩展网络规模时,可以使用中继器连 接多段。同样遵守“5-4-3”原则,即最多用4个转发器连接5 个 网段,其中只有3个网段可以连接结点,其余的网段仅用做 加长距离。故最长距离是925m,最多可连接90个站点。 4.5 高速以太网 • 快速以太网 • 光纤分布式数据接 口 • 千兆以太网 • 万兆以太网 4.5.1 快速以太网 1.100Base-TX 100Base-TX是5类UTP方案,它是真正由10Base-T 派生出来的。100Base-TX类似于10Base-T,它使用2 对5类UTP或150Ω屏蔽双绞线(STP)介质和8针RJ-45 标准连接器,将终端设备(如:计算机)与集线器连 接起来。 100Base-TX的100Mbps的传输速率是通过加快发 送信号(提高10倍)、使用高质双绞线以及缩短电缆 长度实现的。100Base-TX使用与以太网完全相同的 标准协议,但物理层却采用ANSI TP-PMD标准,信号 编码采用差分不归零制(NRZ-I)的4B/5B编码方案。 100 Base TX网络的拓扑结构图 2.100Base-FX 100Base-FX是光纤介质快速以太网 100Base-FX无论论是数据链链路层还层还 是物理层层都采用与100Base -TX相同的标标准协议协议 ,它的信号编码编码 也使用4B/5B编码编码 方案 。 3.100Base-T4 100Base-T4是3类UTP方案,该方案需使用4对3类(或4类 、5类)UTTP。它能够在3类线上提供100Mbps的传输速率 。双绞线段的最大长度为100m。目前,这种技术没有得 到广泛的应用。 4.5.2 光纤分布式数据接口 光纤分布式数据接口(FDDI—Fiber Distributed Data Interface)是一个使用光纤介质传输数据的高 性能环型局域网。它的传输速度为100Mbps,网络覆 盖的最大距离可达200km,最多可连接1000个站点。 FDDI的双环结构 目的:解决FDDI的可靠性问题 双环是逆向旋转的 正常时,仅使用一个环传送数据 第一个环失效时,第二个环开始工作。 双环的使用举例(1) 1.光缆出现故障时,FDDI在M和N处形成回路 双环的使用举例(2) 2.站点出现故障时,FDDI在Q和P处形成回路 4.5.3 千兆以太网 千兆以太网(GE-Gigabit Ethernet)是提1000Mbps数据传输速 率的以太网。GE是对10Mbps和100MbpsIEEE802.3以太网进行非常成 功地扩展,它和传统以太网使用相同的IEEE802.3 CSMA/CD协议、 相同的帧格式和相同的帧大小(64字节~1518字节)。千兆以太网与 现有以太网完全兼容,仅仅是速度快 。 千兆以太网标准 : •1000Base-SX •1000Base-LX •1000Base-CX •1000Base-T 4.5.4 万兆以太网 万兆以太网(10GE)是一种数据传输速率高达10Gbps、通 信距离可延伸到40km的以太网。它是在以太网技术的基础上 发展起来的,因此,万兆以太网与千兆以太网一样,在本质 上仍然是以太网,只是在速度和距离方面有了显著的提高。 万兆以太网仍保留以太网模型的精髓,继续使用IEEE802.3以 太网协议,以及IEEEE802.3以太网的帧格式和帧大小。 万兆以太网标准的公布给网络业界带来了不小的震撼, 倍受网络界人士的关注,目前在国内的园区网和城域网的建 设中已有应用,其前景极为美好。 注意: 以太网、快速以太网、FDDI和令牌环网常被 称为传统局域网,它们都是共享介质、共享带宽 的共享式局域网。 利用集线器组成的大型共享式以太网 共享式以太网存在的主要问题 1.覆盖的地理范围有限 以太网覆盖的地理范围随网络速度的增加而减小 2.网络总带宽容量固定 以太网的固定带宽被网络中的所有节点共同拥有 节点增加,冲突概率增大,带宽浪费也越严重 3.不能支持多种速率 以太网的传输介质是共享的 4.6 交换式以太网 为了解决共享以太网存在的问题,提出了交换式 以太网。 以太网交换技术是在多端口网桥的基础上于20世 纪90年代初发展起来的。交换式局域网的核心是交换 式集线器(也称交换机,Switch),其主要特点是:所 有端口平时都不连通;当站点需要通信时,交换机才 同时连通许多对的端口,使每一对相互通信的站点都 能像独占通信信道那样,进行无冲突地传输数据,即 每个站点都能独占信道速率;通信完成后就断开连接 。因此,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。 以太网交换机的工作原理 4.6.2 交换式以太网的特点 交换式局域网主要有以下几个特点: •独占传输通道,独占带宽。 (2) 允许多对站点同时通信。 (3) 灵活的接口速度。 (4) 高度的可扩充性和网络延展性。 (5) 交换换式局域网可以与现现有网络络兼容 (6) 互连连不同标标准的局域网。 以太网交换机组网 • 将一台计算机直接连到交换机端口 – 该计算机独享该端口提供的带宽 • 将一个网段连到交换机端口 – 该网段上的所有计算机共享该端口提供的带宽 快速交换式以太网的示意图 4.7.1 虚拟局域网的结构 虚拟网(逻辑网)是以交换式网络为基础,把网络上 的用户(终端设备)分为若干个逻辑工作组,每个逻辑工 作组就是一个VLAN。VLAN并不是一种新型的局域网技术 ,而是交换网络为用户提供的一种服务 。 虚拟网技术是OSI第二层的技术,该技术的实质是 将连接到交换机上的用户进行逻辑分组。 每个逻辑分组相当于一个独立的网段。 4.7 虚拟局域网VLAN 无线局域网 • 无线局域网(Wireless Local Area Network),就是采用 无 线通讯技术代替传统电缆, 提 供传统有线局域网功能的网 络 • 协议标准 – IEEE 802.11b 11m/bps – IEEE 802.11g 54m/bps59 无线局域网与传统以太网具有以下优点: (1) 安装便捷。 (2) 使用灵活。 (3) 经济节约。 (4) 易于扩展。 无线局域网的主要类型 : 无线局域网使用的是无线传输介质,按照所采用的 传输技术可以分为三类:红外线局域网、扩频无线局域 网和窄带微波无线局域网。 无线局域网标准:IEEE 802.11无线局域网标准。 Visio的介绍 • Visio的出发点在使用科技处理每天所面对 的问题,就像我们用试算表整理分析复杂 的数值一样;这也像桌面出版软体的功能 一样,它能让数千人制作出具有专业品质 的文件,而不必雇用专业的设计师。Visio 让PC使用者以前所未有的便利性绘制图 表,图表能把复杂的想法轻易地以容易理 解的方式呈现出来,使人们的沟通及企业 的运作更加顺畅无障碍。 61 Microsoft Visio 2000提供了 • 易用性 无论是对初学者或专业人员而言,图表的制 作必须非常的容易,否则他们会倾向於不使用图件 或图表。 • 适用性 使用者需要一个能满足所有图表需求并提 供专业图形的软体,这种适用性让使用者不需购买 一大堆产品。 • 整合能力 一个程式越能跟其他的程式整合,使用 起来的效率就越高。整合能力可以减少学习障碍, 并能让使用者分享文件。 • 可自订化 我们常因为特定需求,而必须寻找、购 买,并学习支援的各种解决方案,若能自订程式以 满足这种需求,公司便越能获得好处 62 63 Visio提供了各种图表能帮我们快速地完成绘制工作 小 结 1.介绍了局域网的基本组成及作用、局域网的体系结构与OSI参考模型的差 异、IEE802局域网标准的主要内容。 2.由于在局域网技术中,以太网的应用最为广泛,所以本单着重讲解了 802.3以太网(CSMA)的工作原理,系统地介绍了10Mbps共享式以太网、快速 以太网、交换以太网和千兆以太网的标准、技术特性、硬件系统、组网规则等 。 3.交换技术可以说是网络技术的一场革命,交换式网络具有独享带宽,独占 通信链路的特征,因此它能为你提供足够的带宽。 4.交换式还支持先进的虚拟网技术,通过软件配置,你能够根据业务性质、 网络应用或组织机构等自定的原则,灵活地划分子网而与地理位置无关。
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