第4章局域网技术课件.ppt

1、吉林财经大学 管理科学与信息工程学院Chapter 4 局域网技术学习目标学习目标l掌握传统以太网工作原理掌握传统以太网工作原理l了解扩展局域网的方法了解扩展局域网的方法l掌握掌握VLAN技术工作原理技术工作原理学习完本章课程，您应该能够：学习完本章课程，您应该能够：第四章第四章 局域网技术局域网技术局域网概述局域网概述l局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。l局域网具有如下的一些主要优点：能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。高传输率和低误码率。局域网关键技术局域网关键

2、技术l拓扑结构l数据传输形式l介质访问控制方法局域网的拓扑局域网的拓扑 集线器星形网匹配电阻总线网树形网 干线耦合器环形网传输形式传输形式l基带传输l宽度传输介质访问控制方法介质访问控制方法l静态静态划分信道方法划分信道方法频分复用时分复用波分复用码分复用 l动态媒体接入控制方法动态媒体接入控制方法随机接入受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。第四章第四章 局域网技术局域网技术传统以太网传统以太网l1.两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 的 802.3 标准。DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3

3、 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 IEEE802标准标准lIEEE802与OSI对应关系lIEEE802物理层功能 介质相关接口（MDI）连接单元接口（AUI）数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层 l逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层l媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。局域网对局域网对 LLC 子层是透明的子层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACM

4、AC数据链路层站点 2网卡的作用网卡的作用 l网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network Interface Card)，或“网卡”。l网卡的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。计算机通过网卡计算机通过网卡和局域网进行通信和局域网进行通信 CPU高速缓存存储器I/O 总线计算机至局域网网络接口卡（网卡）串行通信并行通信l最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。CSMA/CD 协议协议 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来

5、吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据以太网采取了两种重要的措施以太网采取了两种重要的措施 l采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。l以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测CSMA/CDlCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。l“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。l“载波

6、监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。l总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。碰撞检测与处理碰撞检测与处理l“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。l所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。l每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。1 kmABt碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=t=0单程端

7、到端传播时延记为 1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0 A 检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B 检测到发生碰撞停止发送STOPt=2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 争用期争用期l以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。二进制指数类型退避算法二进制指数类型退避算法(truncated binary exponential type)l发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2

8、。定义重传次数 k，k 10，即 k=Min重传次数,10从整数集合0,1,(2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。争用期的长度争用期的长度 l以太网取 51.2 s 为争用期的长度。l对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。l以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。强化碰撞强化碰撞 l当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让

9、所有用户都知道现在已经发生了碰撞。数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号人为干扰信号 ABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。传统以太网的连接方法传统以太网的连接方法 l传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆l这样，以太网就有四种不同的物理层。10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制 MAC铜缆或铜线连接到以太网铜缆或铜线连接到以太网的示意图的示意图 主机箱主机箱主机箱双

10、绞线集线器BNC T 型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAUMDI保护外层外导体屏蔽层内导体收发器DB-15连接器BNC 连接器插口RJ-45插头10base5以太网的最大作用距离以太网的最大作用距离 250 m750 m500 m500 m500 m50 m50 m50 m网段 1转发器网段 2网段 3转发器转发器转发器细缆以太网细缆以太网 10BASE2 l用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50 W)，可代替粗同轴电缆。l将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 MDI都安装在网卡上，取消了外部的 AUI电缆。l细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC

11、连接器的插口。星形网星形网 10BASE-T l不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。l在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。l集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。以太网在局域网中的统治地位以太网在局域网中的统治地位l10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。l10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。集线器的一些特点集线器的一些特点 l集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，

12、因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。l使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。l集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。具有三个端口的集线器具有三个端口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线第四章第四章 局域网技术局域网技术以太网的以太网的 MAC 层层l在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。第 1最高位最先发送最低位最高位最低位最后发送00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送机构惟一

13、标志符 OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的 EUI-48 地址：AC-DE-48-00-00-80二进制表示的 EUI-48 地址：第 1 字节第 6 字节I/G 比特I/G 比特字节顺序第 2第 3第 4第 5第 6第 1字节顺序第 2第 3第 4第 5第 610101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6802.3802.4网卡上的硬件地址网卡上的硬件地址 路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420

14、-60-8C-11-D2-F6路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。两种不同的两种不同的 MAC 帧格式帧格式 l常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2 标准IEEE 的 802.3 标准l最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。MAC 帧字节6624IP 层物理层目的地址源地址长度/类型FCSMAC 层10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入数 据MAC 子层IP 层LLC 子层802.2LLC 帧当长度/类型字段表示长度时 802.3MAC 帧以太网 V2

15、 MAC 帧这种 802.3+802.2 帧已经较少使用目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 150043 1497111DSAP SSAP111 控制 数 据字节DSAP SSAP控制IP 数据报IP 数据报MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式目的地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式源地址字段 6

16、 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部=数据字段的最小长度

17、MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式101010101010

18、10 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节第四章第四章 局域网技术局域网技术l用多个集线器可连成更大的局域网 扩展的局域网扩展的局域网在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网 集线器集线器一系二系集线器三系三个独立的碰撞域l用多个集线器可连成更大的局域网 扩展的局域网扩展的局域网在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网 一

19、系二系三系集线器集线器集线器集线器主干集线器l优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。l缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。用集线器扩展局域网用集线器扩展局域网 l网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。l网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口 在数据链路层扩展局域网在数据链路层扩展局域网 网桥的内部结构网桥的内部结构 站表端口管理 软件网桥

20、协议 实体端口 1端口 2缓存网段 B网段 A111222站地址 端口网桥网桥l过滤通信量。l扩大了物理范围。l提高了可靠性。l可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。使用网桥带来的好处使用网桥带来的好处 l存储转发增加了时延。l在MAC 子层并没有流量控制功能。l具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。l网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。使用网桥带来的缺点使用网桥带来的缺点 用户层IPMAC站 1用户层IPMAC站 2

21、物理层网桥 1网桥 2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T 物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN两个网桥之间还可使用一段点到点链路 l集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。l网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。l由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。网桥和集线器（或转发器）不同网桥和集线器（或转发器）不同 l透明网桥(transparent bridge)。l“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个

22、网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。l透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。透明网桥透明网桥(1)从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站 MAC 地址。(2)如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行(3)，否则转到(5)。(3)如到这个 MAC 地址去的端口 d=x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。(4)转到(6)。(5)向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。(6)如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。

23、然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。(7)更新计时器。(8)等待新的数据帧。转到(1)。网桥应当按照以下算法网桥应当按照以下算法处理收到的帧和建立转发表处理收到的帧和建立转发表 l站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。l端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。l时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。l转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A。网桥在转发表中登记以下三个信息网桥在转发表中登记以下三个信息 l这是为了避免产生

24、转发的帧在网络中不断地兜圈子。透明网桥使用了支撑树算法透明网桥使用了支撑树算法 局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 AFF2F1不停地兜圈子A 发出的帧网桥 1 转发的帧网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了l每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和它所知道的其他所有在网上的网桥。l支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根(例如，选择一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点。l当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法很花费时间。这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网，然后得出多个支撑树。支撑树的得出支撑树的得出l源路由(source r

25、oute)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。l源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。l发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。3.源路由网桥源路由网桥l1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。l交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。l以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，

26、可见交换机工作在数据链路层。多端口网桥多端口网桥以太网交换机以太网交换机 l以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。l交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。l以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。以太网交换机的特点以太网交换机的特点l对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。l使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输

27、媒体的带宽，因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。独占传输媒体的带宽独占传输媒体的带宽 用以太网交换机扩展局域网用以太网交换机扩展局域网 集线器集线器集线器一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机路由器第四章第四章 局域网技术局域网技术高速以太网高速以太网100BASE-T 以太网以太网l速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。l在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。10

28、0BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。100BASE-T 以太网的特点以太网的特点l可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。lMAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。l保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。l帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。三种不同的物理层标准三种不同的物理层标准 l100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。l100BASE-FX 使用 2 对光纤。l100BASE-T4使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。G比特以太网比

29、特以太网l允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。l使用 802.3 协议规定的帧格式。l在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。l与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。吉比特以太网的物理层吉比特以太网的物理层 l1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：1000BASE-SX SX表示短波长1000BASE-LX LX表示长波长1000BASE-CX CX表示铜线l1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP 10 吉比特以太网吉比特以太网l10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1

30、 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。l10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。l10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。l10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。10吉比特以太网的物理层吉比特以太网的物理层 l局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。l可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另 一 种 数 据 率，这 是 为 了 和 所 谓 的“G b/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。为了使 10 吉比特以

31、太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。端到端的以太网传输端到端的以太网传输 l10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。l这种工作方式的好处是：成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜。统一的帧格式简化了操作和管理。以太网从以太网从 10 Mb/s 到到10 Gb/s 的演进的演进 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：l可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。l灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。l易于安装。l稳健性好。其他种类的高速局域网其他种类的高速局域网l100VG-AnyLAN 局域网使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 l光纤分布式数据接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface)使用光纤作为传输媒体的令牌环形网 l高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interface)主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存储器、图形工作站等）的高速接口l光纤通道(Fibre Channel)