第4章 局域网.docx
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第4章局域网
第3章局域网
3.1概述
1.局域网的定义
局域网通常是指小区域范围内的各种数据通信设备互相连接在一起构成的一种通信网络。
2.局域网的特点
(1)局域网覆盖的地理范围有限,通常采用基带传输方式,网络结构简单,成本低,保密性能好。
(2)局域网通常属于一个单位所有,不属于公用服务网。
(3)局域网支持数据传输业务,但综合业务局域网也支持包括语音、图像在内的多媒体业务。
(4)局域网信道频带宽,数据传输速率高,可达(1~100)Mb/s,甚至1Gb/s。
(5)局域网信道特性好,误码率低,一般低于10-8。
(6)局域网可使用多种传输介质,如双绞线、同轴电缆、光纤,甚至无线介质。
(7)局域网多采用分布式控制和广播方式通信,结点增删容易。
(8)决定局域网特性的主要技术是要素是:
网络拓扑、传输介质和介质访问控制方法,三者直接影响局域网的性能。
3.2局域网拓扑结构
局域网拓扑结构采用总线状、环状、星状等。
1.总线状,如图3.1所示。
其特点是:
(1)所有结点都通过相应的硬件接口连接到一条作为公共传输介质的总线上。
(2)所有结点都可通过总线传输介质发送或接收数据,但不能同时使用总线发送数据。
当一个结点利用总线传输介质以“广播”方式发送数据时,其他所有结点都能以“收听”方式接收数据。
(3)总线状局域网中存在冲突现象,当两个以上结点同时利用总线发送数据时就会产生冲突。
(4)采用“介质访问控制方法”解决多结点访问总线问题。
控制多个结点利用公共传输介质发送或接收数据的方法称为介质访问控制方法。
总线状局域网的优点是:
结构简单、可靠性高、扩展方便。
其主要缺点为:
由于采用分布式控制,管理和故障检测困难。
2.环状
在环状拓扑结构中,结点利用相应的硬件接口,采用点一点连接线路构成闭合环路,如图3.2所示。
3.星状,如图3.3所示。
星状拓扑结构有一中心结点。
中心结点是全网的控制中心,每个结点都要通过点一点连接线路与中心结点相连接,任何两结点之间的通信都要通过中心结点进行转接。
逻辑结构:
是指局域网的结点关系和介质访问控制方法。
物理结构:
是指局域网的外部连接方式。
3.3局域网传输介质的选择
局域网常用的传输介质有4类;双绞线、同轴电缆、光纤线和无线介质。
1.传输介质的选择
对于小范围的局域网来说,双绞是最合适的。
其不足的传输是距离有限,抗干扰能力较差。
同轴电缆的抗干扰的能力优于双绞线,且数据传输距离比双绞线长。
当双绞线不能满足距离要求时,可考虑用同轴电缆来满足局域网的地理覆盖要求。
在带宽特性和抗干扰能力方面,光纤是最有竞争力的。
由于它的损耗低、重量轻,是最具发展前途的传输介质。
在某些场合,需要采用移动计算模式,此时可考虑采用无线传输介质,如无线电波、线外线、激光等。
2.传输介质与拓扑结构之间的关系,如表3-1。
3.3IEEE802标准与模型
1.IEEE802标准,如图3.4
IEEE于1980年2月成立了局域网标准委员会,简称IEEE802委员会,专门从事局域网标准化工作的研究,并制定了一系列标准。
2.IEEE802标准与OSI-RM的关系
IEEE802标准所描述的局部域网参考模型只对应着OSI-RM的数据链路层和物理层,但将OSI-RM数据链路层划分为两个子层:
逻辑链路控制LLC子层和介质访问控制MAC子层。
LLC子层被认为是IEEE802数据链路层的上层,它对所有的LAN标准来说都是相同的。
MAC子层被认为是IEEE802数据链路层的下层,它对于不同的LAN,MAC功能是不同的。
MAC子层又分为两个功能层;帧封装与解封装和介质访问控制。
物理层由物理信号层(PLS)、介质连接单元(MAU)和介质3部分组成。
局域网模型及功能层如图3.5所示。
3.LLC和MAC的数据单元
数据单元格式如图3.6所示。
(1)LLC协议数据单元。
LLC层中的数据单元(PDU),它包含4个字段:
目的服务访问点(DSAP)、源服务访问点(SSAP)、控制字段(C)及信息字段(I)。
①DSAP和SSAP是LLC子层所使用的地址,用来标明接收和发送数据的终端上的协议栈。
DSAP的第一个比特指明帧是单结点还是组结点使用。
SSAP的第一个比特指明帧是命令还是响应PDU。
②C是PDU的控制字段,它与HDLC中的控制字段是相同的。
③I是用户数据,它是由上层传送给LLC的。
(2)MAC帧
①IEEE802.3MAC帧。
IEEE802.3 定义了一种具有7字段的数据帧格式,这7个字段是:
前导码,SFD,DA,SA,L,数据和FCS。
它与LLC协议数据单元的关系如图3.7所示。
●前导码。
每帧以7个字节(56位)的前导码开始,每个字节均为10101010,故这个字段是56位的1和0交替模式,由它告诉接收端,数据帧即将到来。
●SFD。
SFD为帧起始定界符,用以标记帧的开始,通知接收方,该字段以后的内容都是有用数据,该字段为1字节,其二进制编码为10101011。
●DA。
DA为目的地址,6个字节,标记了数据帧的目标物理地址。
●SA。
SA代表源地址,是帧发送站点的地址,也是6字节。
●L。
L代表长度字段,由2字节组成,指出其后的数据长度(字节数)。
●数据。
该字段为真正被传输的数据,为
字节。
●FCS。
FCS代表帧校验序列,由4字节组成,一般采用CRC校验。
校验范围为DA,SA,L和数据字段,检查这个范围数据在传输过程中是否产生了错误。
②IEEE802.4MAC帧。
IEEE802.4定义了一种具有8字段的数据帧格式,这8个字段是:
前导码,SFD,FC,DA,SA,数据,FCS和ED,如图3.8所示。
●前导码。
与802.3相同,用于接收端时钟同步。
●SFD。
帧起始定界符,指明帧的开始。
●FC。
帧控制,1字节。
●DA。
目的地址,同802.3。
●SA。
源地址,同802.3。
●数据,该字段包含了PDU,最大为8192字节。
●FCS。
帧校验序列,同802.3
●ED。
结束定界符,指明帧的结束。
③IEEE802.5MAC帧。
IEEE802.5定义了3种类型的帧:
数据帧、令牌帧和异常终止帧。
令牌帧和异常终止帧实际上是被截短的数据帧。
3种帧的结构如图3.9所示。
数据帧是可以携带PDU的帧。
●SFD。
起始定界符,1字节,
●AC。
访问控制,1字节。
●FC。
帧控制,1字节。
●DA。
目标地址,6字节,用于标明帧的下一个目标物理地址。
●SA。
源地址,6字节,用于标明帧的发送站点的物理地址。
●数据。
该字段最大为4500字节,包含了PDU。
●FCS。
校验字段,4字节,为CRC-32差错校验序列。
●ED。
结束定界符,1字节,用于指明发送数据和控制信息的结束。
●FS。
帧状态字段,1字节。
令牌帧仅包括3个字段:
SFD,AC和ED。
●SFD。
同数据帧,用来指明帧的到来。
●AC。
同数据帧,用于指明帧是令牌帧,也包含优先级和预留字段。
●ED。
结束定界符,指明帧的结束。
异常终止帧仅包括两个字段:
SFD和ED。
SFD指明帧的开始,ED指明帧的结束。
3.5局域网介质访问控制方法
介质访问控制方法:
是指各结点取得介质访问控制权力的方法。
按控制方式:
可分为集中式控制和分布式控制:
按访问时间特性:
可分为确定型访问控制和随机型访问控制。
3.5.1载波侦听多路访问CSMA方法
载波侦听多路访问CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)方法是由多路访问MA(MultipleAccess)方法发展起来的。
在MA方法中,每个站点对介质具有相同的访问权力,MA不提供通信管理。
在CSMA方法中,为了防止冲突,采用了“先听后说”的方法,任何想发送数据的站点必须首先侦听传输介质的通信状况。
帧越长,传播时间越短,信道利用率就越高。
CSMA有3种协议方式:
非坚持型CSMA;1-坚持型CSMA和P-坚持型CSMA。
1.非坚持型CSMA
非坚持型控制方法发送时机的选择规则是:
若信道空闲,则立即发送;若信道忙,随机延迟一段时间,等延迟时间一到,立即发送。
2.1-坚持型CSMA
1-坚持型发送时机的选择规则是:
若信道空闲,立即发送;若信道忙,则继续侦听,直到发现信道空闲立即发送。
如果信道有冲突(以没有收到肯定的应答来确定)。
则等待一段随机时间再侦听,发现信道空闲,立即发送。
3.P-坚持型CSMA
这种控制方法发送时机的选择规则是:
若信道空闲,它以P的概率发送,而以1-P概率推迟一个时隙;若信道忙,则等待一个时隙后重复上一过程;若发生冲突,则随机延迟一段时间后重复上述过程。
3.5.2带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD方法
如果一个站点在发送数据帧的同时继续侦听信道,一旦发生冲突,立即停止发送。
与此同时,发送一个简短的阻塞信号,以使所有结点都能检测到产生了冲突。
阻塞信号发送之后,随机等待一段时间再发送,这样就可避免冲突时仍发送整帧所带来的信道利用率损失。
这种技术称为带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection)方法。
CSMA/CD发送流程图如图3.10所示.
这种方法的工作原理可概括为:
先听后发,边听边发,突停止,随机延迟后重发。
冲突检测可采用两种方法:
比较法和编码违例判决法。
3.5.3带冲突回避的载波侦听多路访问CSMA/CA方法
CSMA/CA方法的原理是:
网络中每一结点在开始发送数据前,首先侦听总线忙闲。
若总线忙,则继续侦听;若总线空闲,则开始做发送数据的准备工作,准备时间大约需要40us。
为了避免与这段时间内发送的数据相冲突,在开始发数据前,再对总线进行一次检测(二次检测)。
若总线忙。
则按一定后退算法随机延迟一段时间,然后重复上一过程:
若总线空闲,则立即发送。
图3.11CSMA/CA工作流程.
3.5.4令牌总线介质访问控制方法
令牌总线(TokenBus)是总线拓扑中利用令牌作为结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。
图3.12给出了稳态操作时令牌总线的工作过程。
TokenBus的主要特点如下:
(1)介质访问延迟确定;
(2)用户拥有公平访问信道的权力;
(3)由于令牌的唯一性,各结点访问介质不发生冲突,重负载时信道仍保持较高的利用率。
(4)支持优先级服务。
3.5.5令牌环介质访问控制方法
图3.13TokinRing原理
TokenRing的主要优点是:
(1)以平等的方式为各结点提供介质访问权。
(2)能提供优先级服务。
(3)保证带宽服务。
(4)环中结点访问介质延迟确定。
(5)重负载时性能好。
TokenRing的主要缺点是:
(1)控制复杂,维护困难。
(2)轻负载时效率低。
3.5.6局域网介质访问控制方法的简单比较
就拓扑结构来说,CSMA/CD和TokenBus是总线局域网介质访问控制方法,TokenRing是环状拓扑局域网介质访问控制方法,CSMA/CA是无线局域网介质访问控制方法。
从介质访问控制方法的性质来看,CSMA/CD属于随机型介质访问控制方法,而TokenBus和TokenRing则属于确定型介质访问控制方法。
CSMA/CD方法有以下几个特点:
(1)CSMA/CD算法简单,易于实现。
(2)CSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机争用方法,适用于对数据传输实时性要求不高的应用场合。
(3)CSMA/CD在网络通信负载较轻时表现出较好
的吞吐率和延时特性,但当网络通信负荷加大时,冲突增多,网络吞吐率下降,传输延迟增大。
CSMA/CD方法适用于网络负载较轻的应用场合。
TokenBus和TokenRing有以下特点:
(1)网中结点访问公共传输介质是确定的。
(2)TokenBus和TokenRing的缺点是它们都需要复杂的环维护功能,实现困难,系统造价高。
3.6Ethernet基本工作原理
Ethernet(以太网)是最早出现的局域网,其核心是介质访问控制技术,采用CSMA/CD介质访问控制方法。
3.6.1Ethernet帧结构,如图3.14所示.
Ethernet帧和IEEE802.3帧的细微差别是:
(1)IEEE802.3帧的数据字段的数据是逻辑链路控制子层的协议数据单元(LLC-PDU),而以太网帧的数据字段的数据是网络层的分组。
(2)当数据长度小于46字节时,IEEE802.3采用请求MAC子层在网络上发送数据之前向LLC数据字段后面附加“填充”字符方法来保证最小46字节的数据长度;而Ethernet则由上层软件来保证46字节的数据长度。
(3)IEEE802.3使用“长度”字段来表明数据字段的数据字节数目(不包括填充字符)。
而Ethernet则用“类型”来指明数据协议类型。
3.6.2Ethernet帧接收,图3.15Ethernet接收流程
3.6.3Ethernet网络接口适配器
1.网络接口单元UNI
(1)网络接口单元的引入。
NIU位置如图3.16所示.
NIU的功能如下:
①从用户设备接收数据。
②缓冲数据对介质进行存取访问。
③将带有地址的分组数据形成发送帧。
④对介质上的数据帧进行地址识别。
⑤把发送到相应地址的分组缓冲到NIU内部。
⑥把数据从NIU传送到入网设备。
(2)网络接口单元的作用。
NIU中至少包括物理层和数据链路层。
①用做网关。
网关也称为网络协议变换器,是用来连接两个采用不同协议的系统的一种互联设备,起协议变换的作用,如图3.17所示。
②用做前端处理机FNP(Front-endNetworkProcessor)
如图3.18所示
2.网络接口适配器
网络接口适配器又称网络接口卡(NIC),是一种用于连接站点的设备。
图3.19以太网卡的基本组成
AUI是IEEE802.3定义的一种基本接口,称为连接单元接口,处在OSI-RM的物理层。
MAU称为收发器,所有传输介质均要通过MAU与AUI相连。
3.6.4Ethernet标准
表3-1以太网主要标准。
3.710Mb/sEthernet
3.7.1IEEE802.3物理层标准
IEEE802.3标准在物理层为多种传输介质制定了相应的标准,主要有:
10Base-5、10Base-2、10Base-T、10Base-F等。
Ethernet在LLC子层采用802.2标准,在MAC子层采用CSMA/CD介质访问控制方法,而在物理层可以选用一种或多种的组合,构成Ethernet局域网。
3.7.210Base-5标准Ethernet
10Base-5标准所采用的传输介质是基带粗同轴电缆,其阻抗为50
。
50
同轴电缆抗电磁干扰的能力强。
该标准的数据传输速率为10Mb/s,网卡和收发器采用标准的15针AUI连接器,收发器与网卡之间用收发器电缆(亦称AUI电缆)连接。
图3.2010Base-5标准连接。
1.基本硬件配置
构建一个粗缆基带Ethernet需要:
网卡、收发器、收发器电缆、粗缆、N系列电缆配件和终端匹配器等设备。
如要扩大传输距离,还需配置中继器。
图2.21粗缆以太网结构
2.主要技术参数
(1)无中继缆段最大长度为500m。
(2)最多允许使用4个中继器,最大传输距离为2500m。
(3)每个Ethernet中最多允许连入100个结点。
(4)两个相邻收发器的最小距离为2.5m
(5)收发器电缆最大长度为50m。
3.7.310Base-2标准Ethernet
10Base-2标准所采用的传输介质是基带细同轴电缆,其阻抗亦为50
,数据传输速率也是10Mb/s。
网卡上提供BNC连接插头,细缆通过BNC-T型连接器与网卡连接,如图3.22所示。
同样,为了防止信号反射,也要进行终端匹配。
10Base-2标准Ethernet也称为细缆Ethernet,其基本硬件配置和主要技术参数如下。
1.基本硬件配置
构建一个细缆基带Ethernet需要:
网卡、细缆、BNC细缆配件、终端匹配器等,如欲扩大传输距离,也需配置中继器。
2.主要技术参数
(1)无中继细缆段最大长度为185m。
(2)最多允许使用4个中继器,最大传输距离为925m。
(3)每个Ethernet中最多允许连入30个结点。
(4)两个BNC-T型连接器的最小距离为0.5m,大于0.5m时,应是0.5m的整数倍。
3.7.4粗/细缆混合Ethernet
3.7.510Base-T标准Ethernet
10Base-T标准所采用的传输介质是非屏蔽双绞线UTP,数据传输速率为10Mb/s。
10Base-T标准采用以集线器(HUB)为中心的物理星状拓扑结构,利用标准的RJ-45接插件和UTP连接网卡与HUB,网卡与HUB之间UTP最大长度限定为100m。
其物理连接结构如图3.23所示。
1.基本硬件配置
组建10Base-T标准Ethernet,需要以下硬件设备:
(1)集线器(HUB);
(2)带有RJ-45接口的Ethernet网卡;
(3)三类或五类非屏蔽双绞线;
(4)RJ-45接头。
2.双绞线Ethernet结构
采用双绞线的Ethernet,其结构有3类:
单集线器Ethernet;多集线器级联Ethernet;可叠加集线器Ethernet。
(1)单集线器Ethernet,如图3.24所示.
(2)多集线器级联Ethernet。
多集线器级联有两种方式:
①通过集线器RL-45接口,利用双绞线级联,如图3.25(a)所示。
②通过集线器提供的向上连接端口进行级联,如图3.25(b)所示。
(3)或叠加集线器结构Ethernet,如图3.26.
3.7.610Base-F标准Ethernet
10Base-F为IEEE802.3i标准,它采用光纤作为传输介质,数据传输速率也是10Mb/s。
它主要包括3个标准规范,即:
10Base-FP,10Base-FB和10Base-FL。
它们采用两芯光缆,一芯用于发送,另一芯用于接收。
3.8交换式局域网
3.8.1概述
交换式局域网:
是以传统局域网为基础,为网络中每个结点提供专用的网络连接。
交换式局域网的核心是交换机,图3.27示出了交换机的工作原理。
交换机连接网段如图3.28所示.
以集线器为核心的系统,在物理上看是一种星状结构,但由于它是以广播的方式工作的,因此在逻辑上仍属于公共总线结构。
以交换为核心的系统是一种真正的物理上和逻辑上的星状结构,因此,集线器和交换机二者是不同的。
3.8.2交换机的交换结构
在交换机的发展过程中形成了不同的结构,这些结构是:
软件执行交换结构、矩阵交换结构、总线交换结构、共享存储器交换结构。
1.利用软件交换,如图3.29。
2.矩阵交换,如图3.30。
3.总线交换,如图3.31。
4.存储交换,如图3.32。
3.8.3交换机的交换方式
1.静态交换,如图3.33所示。
2.动态交换
根据透明网桥工作机理,动态交换端口间通道的形成是基于MAC地址的操作,根据输入该帧的目的地址查交换机中的端口-地址表,来决定端口间的连接,一帧一次连接,连接过程与帧传送同时进行,一帧传输完成,连接自动断开。
动态交换方式分为存储转发交换和穿通交换两种方式。
(1)存储转发交换,如图3.34所示。
存储转发交换方式的主要缺点是延时较长,该方式的主要优点是可靠性高。
(2)穿通交换方式。
穿通交换方式的操作过程是:
当输入端口接收到帧中表示目的地址的起始6个字节后,交换机将根据目的地址查端口地址表,获得输出端口号,便把帧转发到输出端口。
3.8.4交换机的类别
按其功能可分为4类:
工作组交换机、部门交换机,骨干交换机和企业交换机。
1.工作组交换机
工作组交换机的组网方式如图3.35所示。
2.部门交换机,如图3.36所示。
3.骨干交换机
4.企业交换机
企业交换机类似于骨干交换机,但它与骨干交换机又有明显的不同,它能支持以太网集线器、FDDI集中器、路由器等。
3.9虚拟局域网
1996年3月,IEEE802委员会发布了IEEE802.3Q虚拟局域网(VLAN)标准。
3.9.1概述
虚拟局域网:
是建立在物理交换机之上的,它利用软件进行逻辑工作的划分和管理。
逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制。
3.9.2虚拟局域网的交换技术
虚拟局域网包括3种交换方式:
端口交换
帧交换
信元交换。
1.端口交换
端口交换也称为配置交换,该交换方式是通过手工把端口配置到一个或多个通过背板连接的共享HUB上,形成若干个独立的由端口组合的共享介质段,由端口连接的用户被分配到其中的某一段上。
端口交换机可以单独使用形成若干个独立的共享端口组,也可以作为核心交换机的前端处理设备,如图3.37所示。
2.帧交换
3.信元交换
3.9.3虚拟局域网划分方法
虚拟局域网的一组结点可以位于不同的物理网段上,但结点间的通信并不受物理位置的制约,它们就好像在同一个物理网段一样。
虚拟局域网组网灵活,图3.38示出了VLAN的物理结构和逻辑结构示意图。
1.按交换机端口号划分VLAN
仅靠端口分组划分虚拟局域网将无法使得同一个物理网段或交换机端口同时参与到多个VLAN中。
按端口划分虚拟局域网的主要缺点是:
当用户从一个端口移到另一个端口时,网络管理员将不得不对VLAN成员进行重新配置。
如图3.39所示。
2.按MAC地址划分VLAN
按MAC地址划分的虚拟局域网允许节点在网络中移动,当结点在网络中一个地方移动到另外一个地方时,它将仍能保持原有的VLAN成员身分,而无需网络管理人员对其重新进行配置。
此外,按MAC地址划分VLAN,允许同一个MAC地址处于多个VLAN中。
3.按第3层协议划分VLAN
按第3层协议划分VLAN,在决定其成员身分时,主要考虑协议类型(支持多协议的情况下)或网络层地址(如TCP/IP网络的子网地址)。
按照第3层协议划分VLAN,需要将子网地址映射到VLAN,交换设备则根据子网地址将各结点的MAC地址同一个VLAN将子网地址映射到VLAN,交换设备则根据子网地址将各结点的MAC地址同一个VLAN联系起来。
按第3层协议划分VLAN的优点如下:
(1)按照协议类型划分VLAN,有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网。
(2)用户可以随意移动他们的机器而无需对网络地址进行重新配置.
与前两种方法相比,该方法的缺点是性能较差;检查网络地址较比检查MAC地址需要花费更多的时间,因此,按照第3层信息定义的VLAN速度会比较慢。
4.按照IP组播组划分VLAN
这种虚拟局域网的建立是动态的,它代表了一组IP地址。
5.按照策略划分VLAN
该方法允许网络管理员利用任何VLAN策略的组合来创建满足其需求的VLAN。
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