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第三章 局域网基础

第三章 局域网基础. 内容： 3.1 局域网基本概念 3.2 局域网介质访问控制方法 3.3 高速局域网技术 3.4 局域组网设备 3.5 局域网组网方法 3.6 局域网结构化布线技术 3.7 网络互连技术 习题. 广东金融学院学生管理规定 第三十一条  因旷课、缺课累计超过某一课程教学时数的三分之一，或不交作业（包括实验、实习报告）的次数超过某一课程作业总数的三分之一，取消该课程的考试资格。任课教师应于考试前一周将取消考试资格的学生名单报教务处备案。. 3.1 局域网基本概念. 3.1.1 局域网的主要技术特点

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第三章 局域网基础

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  1. 第三章 局域网基础 内容： • 3.1 局域网基本概念 • 3.2 局域网介质访问控制方法 • 3.3 高速局域网技术 • 3.4 局域组网设备 • 3.5 局域网组网方法 • 3.6 局域网结构化布线技术 • 3.7 网络互连技术 • 习题

  2. 广东金融学院学生管理规定第三十一条  因旷课、缺课累计超过某一课程教学时数的三分之一，或不交作业（包括实验、实习报告）的次数超过某一课程作业总数的三分之一，取消该课程的考试资格。任课教师应于考试前一周将取消考试资格的学生名单报教务处备案。广东金融学院学生管理规定第三十一条  因旷课、缺课累计超过某一课程教学时数的三分之一，或不交作业（包括实验、实习报告）的次数超过某一课程作业总数的三分之一，取消该课程的考试资格。任课教师应于考试前一周将取消考试资格的学生名单报教务处备案。

  3. 3.1 局域网基本概念 • 3.1.1 局域网的主要技术特点 • 3.1.2 LAN的基本构成与局域网拓扑构型 • 3.1.3 局域网传输介质类型与特点 • 一、局域网的主要技术特点 • 局域网覆盖的地理范围比较小 • 数据传输速率高、传输延时小、误码率低 • 局域网属单一组织拥有，易于建立、维护和扩展 • 决定局域网的主要技术要素是：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。 • 局域网从介质访问控制方法分为：共享介质局域网与交换式局域网。

  4. 二、LAN的基本构成　　要构成LAN,必须有其基本部件。它们是个人计算机、传输媒体、网卡和将计算机与传输媒体相连的各种连接设备。媒体可以是同轴电缆、双绞线、光缆或辐射性媒体；网卡,也称为网络适配器； 连接设备如DB-15插头座、RJ-45插头座等。具备了上述四种网络构件,便可搭成一个基本的LAN硬件平台,有了LAN硬件环境,还需要控制和管理LAN正常运行的软件,即网络操作系统NOS。它是在每个PC机原有操作系统上增加网络所需的功能。组成LAN需要下述6种基本结构: ① 计算机(PC机和服务器计算机); ② 传输媒体; ③ 网络适配器; ④ 网络连接设备; ⑤ 网络操作系统。 ⑥ 网络拓扑结构

  5. 网卡 网络服务器 RJ-45 UTP RJ-45 网络工作站 网络工作站 局域网的基本组成 网络硬件 例如：用10Base-T以太网技术建立一个局域网如图4-1。 图4-1 局域网硬件系统（10Base-T）

  6. D A B C A C C C bus A B A B C ring star 三、LAN的拓扑构型 • 总线型/树型 : 所有结点都直接连接到共享信道 • 星型 : 所有结点都连接到中央结点 • 环型 : 结点通过点到点链路与相邻结点连接 • 介质访问控制（MAC,Medium Access Control）方法：是控制多个结点利用公共传输介质发送和接受数据的方法。 总线局域网的介质访问控制方式采用的是“共享介质”方式。

  7. 四、局域网传输介质类型与特点 • 双绞线： • 屏蔽双绞线（STP,Shielded Twisted Pair） 非屏蔽双绞线（UTP,Unshielded Twisted Pair）、 • 3类线：带宽为16MHz，适合于10MHz以下的数据； • 4类：20MHz，语音。 • 5类100MHz，甚至可以支持155MHz异步传输模式ATM • 10Base-T中的10代表操作速率为10Mbpss，Base 代表基带传输方式，Ｔ代表双绞线。 • 光纤 • 多模光纤、单模光纤

  8. 易受环境中电信号的干扰 最便宜的传输媒介 双绞线 通常用于较短距离的连接

  9. 昂贵的传输媒介 • 不受电信号的干扰 • 使用于长距离、高速率的信号传输 光纤

  10. 同轴电缆 • 比较便宜 绝缘层保护 • 外层绝缘层 外导体

  11. 3.2 局域网介质访问控制方法 • 3.2.1 IEEE 802模型与协议 • 3.2.2 IEEE 802.3标准与Ethernet • 3.2.3 IEEE 802.4标准与Token Bus • 3.2.4 IEEE 802.5标准与Token Ring • 3.2.5 CSMA/CD与Token Bus、Token Ring的比较 LAN的协议结构主要有三种类型： • 以太网（Ethernet） • 令牌环（Token Ring） • 令牌总线(Token Bus) 三种网的骨干网光纤分布数据接口（FDDI）。 它们所遵循的标准都以802开头,目前共有11个与局域网有关的标准,它们分别是：

  12. 一、IEEE802 LAN参考模型与协议标准 IEEE 802.1── 通用网络概念及网桥等 IEEE 802.2── 逻辑链路控制LLC子层与服务等 IEEE 802.3──CSMA/CD访问方法及物理层规定 IEEE 802.4──Token BUS结构及访问方法,物理层规范 IEEE 802.5──Token Ring访问方法及物理层规定等 IEEE 802.6── 城域网的访问方法及物理层规定 IEEE 802.7── 宽带局域网 IEEE 802.8── 光纤局域网(FDDI) IEEE 802.9── ISDN局域网 IEEE 802.10── 网络的安全 IEEE 802.11—16 ── 无线局域网

  13. 高层 IEEE 802 SAP （） （） （） 逻辑链路控制 LLC 网络层 介质访问控制 MAC 数据链路层 物理层 物理层 • 结合局域网自身特点，参考OSI/RM，IEEE802提出了局域网体系结构的参考模型（LAN/RM），它与OSI/RM的对应关系如图4-5所示。 OSI • ①介质访问控制层MAC （Media Access Control） • ②逻辑链路控制层LLC(Logical Link Control) ：与媒体无关的内容 • 物理层：透明传输位流，规定信号编码、传输媒体、拓扑结构及数据率 

  14. 局域网标准结构图 802.10 安全与加密 802.1 局域网概述、体系结构、网络互连与网络管理 802.2 逻辑链路控制 LLC 数据 链路层 802.4 802.6 802.5 802.9 802.3 802.11 802.12 令牌 城域网 令牌环 语音数 CSMA/CD 无线 100VG- 总线 据综合 局域网 AnyLAN 局域网 物理层 物理层 物理层 物理层 物理层 802.7 宽带技术 802.8 光纤技术 图4-5 IEEE802各部分结构关系与局域网标准图

  15. 二、 IEEE 802.3标准与Ethernet • Ethernet的主要技术特点 共享介质局域网络： 以太网（Ethernet） 令牌环（Token Ring） 令牌总线(Token Bus) 光纤分布数据接口（FDDI） Ethernet是Xerox、Digital Equipment和Intel三家公司开发的局域网组网规范 ，经多次修订后，成为国际标准ISO 802.3。 • Ethernet的基本工作原理 冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。 冲突检测是发送结点在发送的同时，将其发送信号波形与接受到的波形相比较。

  16. A A A Ethenet/802.3操作 • 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据 • 需要寻址机制来标识目的站点 • 只有一个站点将收到的帧复制下来，其他站点都将丢弃帧 A B C A B C 终端电阻 C 发现总线空闲 C发送帧，目的地址为A A B C A B C A复制该帧 B 忽略该帧 信号由终端电阻吸收

  17. 最小帧长度：64字节 A 和 B 在总线的两端 (2) 大约在 -d 时刻到达 B A B A B (1) 在0时刻开始 发送 A (3) B 开始发送; 在 时刻发生冲突 B A (4) 冲突信号在 2 时刻到达A B • 帧发送时延必须超过 2，以防止在第一位数据到达总线最远端之前，数据已全部发送完毕，从而引起冲突；而发送方却误以为已帧成功发送 • 此时隙时间为 51.2 ms，即512 位bit，64字节 • 最小帧长为 64字节 (不包括前同步码) • 因此数据字段最少为 46 字节

  18. 按照这种方法，一个工作站在发送前，首先侦听媒体上是否有活动，所谓活动是指媒体上有无传输，也就是载波是否存在。如果侦听到有载波存在，工作站便推迟自己的传输。在侦听的结果为媒体空闲时，则立即开始进行传输。在侦听到媒体忙而等待传输情况下，当传输中的帧最后一个数据位通过后，应继续等待至少9.6us,以提供适当的帧间间隔，随后便可进行传输。如果两个工作站同时试图进行传输，将会造成废帧，这种现象称为碰撞，检测到碰撞之后，涉及该次碰撞的站要丢弃各自开始的传输，转而继续发送一种特殊的干扰信号，使碰撞更加严重以便警告LAN上的所有工作站，碰撞出现了！在此之后,两个碰撞的站都采退避策略，即都设置一个随机间隔时间，另有当此时间间隔满期后才能启动发送。按照这种方法，一个工作站在发送前，首先侦听媒体上是否有活动，所谓活动是指媒体上有无传输，也就是载波是否存在。如果侦听到有载波存在，工作站便推迟自己的传输。在侦听的结果为媒体空闲时，则立即开始进行传输。在侦听到媒体忙而等待传输情况下，当传输中的帧最后一个数据位通过后，应继续等待至少9.6us,以提供适当的帧间间隔，随后便可进行传输。如果两个工作站同时试图进行传输，将会造成废帧，这种现象称为碰撞，检测到碰撞之后，涉及该次碰撞的站要丢弃各自开始的传输，转而继续发送一种特殊的干扰信号，使碰撞更加严重以便警告LAN上的所有工作站，碰撞出现了！在此之后,两个碰撞的站都采退避策略，即都设置一个随机间隔时间，另有当此时间间隔满期后才能启动发送。

  19. 站点要求发送 有载波？ Y N 延时处理 发送一帧信息 Y N 有冲突？ 发出阻塞信号 冲突 >16？ Y N 放弃发送 另作处理 一次发送结束 图4-2 CSMA/CD发送过程流程图 图4.3 CSMA/CD发送过程流程图

  20. CSMA/CD媒体访问方法可归纳五步： • 第一步：传输前侦听，如果媒体信道空闲则可进行发送。 • 第二步：如果电缆忙则等待如果媒体信道有载波(忙)，则继续对信道进行侦听。一旦发现空闲，便立即发送。 • 第三步：传输且检测冲突如果在发送过程中检测到碰撞，则停止自己的正常发送，转而发送一短暂的干扰信号，强化碰撞信号，使LAN上所有站都能知道出现了碰撞。 • 第四步：重传前等待发送了干扰信号后，退避一随机时间，重新尝试发送 • 第五步：重传或夭折

  21. 节点A 节点B 节点C 节点E 节点D 三、 IEEE 802.4标准与Token Bus

  22. TOKEN BUS（令牌总线方法）是一种在总线拓扑中利用“令牌”作为控制结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。所谓正常稳态操作: • 网络已经完成初始化,各结点进入正常传递令牌与数据 • 没有结点要加入与撤除 • 没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。令牌传递规定由高地址向低地址，最后由低地址向高地址传递。逻辑环:令牌总线网在物理上是总线网，而在逻辑上是环网。交出令牌的条件：1 该结点没有数据帧等待发送。2 该结点已经发完。3 令牌持有最大时间到。

  23. 四、IEEE 802.5标准与Token Ring T T = 0 A T = 0 A T T C Data T C Data T = 1 A T C Data T C Data

  24. 五、 CSMA/CD与Token Bus、Token Ring • TokenBus 、Token Ring方法特点： • 环维护复杂，实现较难 • 适合实时性要求较高的应用环境 • 通信负荷较重的应用环境 CSMA/CD方法特点： • 算法简单，易于实现 • 不确定的随机竞争总线，适合实时性要求不严的应用环境 • 通信负荷较轻的应用环境

  25. 六、Ethernet物理地址的基本概念 • 网络中地址的基本类型： • 物理地址：EPROM 005120810012 • Ethernet物理地址特点 地址长度：48位（6个字节） • 00-60-08-00-A6-38 产商生 地址值

  26. 3.3 高速局域网技术 • 3.3.1 高速局域网研究基本方法 • 3.3.3 100 Mbps Fast Ethernet • 3.3.4 1 Gbps Gigabit Ethernet • 3.3.5 10 Gbps Ethernet • 3.3.2 光纤分布式数据接口FDDI • 3.3.6 交换式局域网 • 3.3.7 虚拟局域网 • 3.3.8 无线局域网

  27. 一、高速局域网研究基本方法 技术推动局域网发展的直接因素是个人计算机的广泛使用。如果网中有N个结点，那么每个结点平均能分配到带宽为10Mbps/N。 • 共享介质局域网： • 又可以分为Ethernet，Token Bus，Token Ring与FDDI • 以及在此基础上发展起来的Fast Ethernet，FDDI II等。 • 交换式局域网： • 可以分为Switched Ethernet与ATM LAN， • 以及在此基础上发展起来的虚拟局域网。光纤分布式数据接口是一种以光纤作为传输介质的高速主干网。Gigabit Ethernet的传输速率比Fast Ethernet（100Mbps）快10倍，达到1000Mbps，将传统的Ethernet每个比特的发送时间由100ns降低到1ns。

  28. 共享介质方式与交换方式局域网工作原理的区别共享介质方式与交换方式局域网工作原理的区别 节点A 节点B 节点C 共享介质局域网 节点E 节点D 节点A 节点B 节点C 交换式局域网 局域网交换机 节点F 节点D 节点E

  29. 二．100Mbps Fast Ethernet 图4-8 两极交换机快速以太网组网图

  30. 快速以太网的拓扑结构 图4-9 快速以太网的网络拓扑结构图 返回本节

  31. IEEE 802.2 LLC IEEE 802.3 MAC MII(功能与AUI相同) 100 BASE-TX 两队5类线或STP 100 BASE-T4 四队3.4.5类UTP 100 BASE-FX 光纤 100 BASE-T集线器 100 BASE－T结构

  32. 三．千兆位以太网的应用 图4-11 千兆位以太网与多个交换机的连接原理

  33. Gigabit Ethernet的协议结构 IEEE 802.2 LLC IEEE 802.3 MAC GMII(功能与AUI相同) 8B/10B 编码解码方式 PAM5 (5级脉冲调幅)编码解码方式 1000 BASE-CX 屏蔽双绞线 1000 BASE-SX 多模光纤 1000 BASE-T 非屏蔽双绞线 1000 BASE-LX 单模光纤 1000BASE-T集线器

  34. 四、 10 Gbps Ethernet的协议结构

  35. 五．光纤分布数据接口FDDI • FDDI的网络拓扑结构属于星形、环形结构，如图4-16所示。 图4-16 FDDI的网络拓扑结构

  36. 局域网系统—FDDI 光纤分布数据接口（FDDI）是目前成熟的LAN技术中传输速率最高的一种。由光纤构成的FDDI，其基本结构为逆向双环，如图5-61所示。一个环为主环，另一个环为备用环。当主环上的设备失效或光缆发生故障时,通过从主环向备用环的切换可继续维持FDDI的正常工作。 FDDI的构件:从图5-61可初步看到，构成FDDI的构件至少应具有下述部分：光纤电缆、FDDI适配器、FDDI适配器与光纤相连的连接器。 光纤媒体连接器:FDDI网络节点与光纤相连需要连接器，连接器有两种：MIC媒体接口连接器和ST型连接器。

  37. FDDI主要技术特点： • IEEE 802.5令牌环介质访问控制协议 • 使用IEEE 802.2协议 • 100M,n<=1000 l=100KM • 双环，容错强 • 多模或单模光纤 • 动态分配带宽，支持同步和异步数据传输

  38. 局域网系统—FDDI FDDI网络体系结构 FDDI将OSI模型的物理层和数据链路层分别分成了两个子层。物理层分割成的两个子层是：物理层协议层（PHY）和物理媒体相关层（PMD）。PHY子层规定了传输编码和译码、时钟要求及符号集合；PMD规定了光纤媒体应具备的条件以及连接器等。 数据链路层分割成的两个子层为媒体访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）。 MAC子层规定了FDDI定时令牌协议所需要的帧格式、寻址和令牌处理。LLC子层为LLC用户提供了交换数据的手段。 FDDI的站管理（SMT）标准定义如何对物理媒体相关层、物理层协议层和媒体访问控制部分进行控制和管理。

  39. 局域网系统—FDDI FDDI的操作原理 FDDI建立在小令牌帧的基础上，当所有站都空闲时，小令牌帧沿环运行。当某一站有数据要发送这时，必须等待有令牌通过时才可能。一旦识别出有用的令牌，该站便将其吸收，随后便可发送一帧或多帧。这时环上没有令牌，便在环上插入一新的令牌，不必像802.5令牌环那样，只有收到自己发送的帧后才能释放令牌。因此,任一时刻环上可能会有来自多个站的帧运行。

  40. 局域网系统—FDDI FDDI的网络拓扑结构 　　按照FDDI的标准，可使用多种拓扑结构，其中下述四种极为重要：独立集中器型、逆向双环、集中器树和树型双环。

  41. 六.　交换式局域网 １、交换式局域网的基本结构 以太网交换机 共享１０Mbps端口 hub 专用１０Mbps端口

  42. ２、交换式局域网的工作原理构 3、“端口号/MAC地址映射表”的建立与维护 “地址学习” • 4、交换机的帧转发方式 • 直接交换（cut though）方式 • 存储转发(store and forward)交换方式 • 改进的直接交换方式 5、局域网交换机的特性 1 低交换传输延迟。 2 高传输带宽。 3 允许10Mbps/100Mbps。 4 局域网交换机可以支持虚拟局域网服务。

  43. 转发机构 转发机构 缓冲器 缓冲器 端口 端口 局域网交换机 局域网交换机 地址表 地址表 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 DA DA DA DA MAC帧DA=结点C MAC帧DA=结点C MAC帧DA=结点B MAC帧DA=结点B 节点B 节点B 结点A:00-01-0C-12-D1-28 结点A:00-01-0C-12-D1-28 节点C 节点C 结点D:01-31-00-0C-12-D1 结点D:01-31-00-0C-12-D1 节点E 节点E 交换机结构与交换过程示意图

  44. 7、虚拟局域网 • 虚拟网络（VLAN）是建立在交换技术基础上的。虚拟网络是建立在局域网交换机或ATM交换机上的，它以软件的形式来实现逻辑组的划分与管理，逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制。对虚拟网络成员的定义方法上，有以下4种：1 用交换机端口号定义虚拟局域网。（最通用的办法）2 用MAC地址。3 用网络层地址。（例如用IP地址来定义）。4 IP广播组。这种虚拟局域网的建立是动态的，它代表一组IP地址。

  45. 虚拟局域网的物理结构与逻辑结构 VLAN1 VLAN2 VLAN1 VLAN2 (a)物理结构 VLAN1 VLAN1 VLAN2 VLAN2 VLAN1 VLAN2 (b)逻辑结构

  46. 用局域网交换机端口定义虚拟局域网 局域网交换机 端口 1 2 3 4 5 6 7 8 VLAN1 VLAN2 (a) 局域网交换机1 局域网交换机2 端口 1 2 3 4 5 6 7 8 端口 1 2 3 4 5 6 7 8 VLAN1 VLAN2 （b）

  47. 交换机实物图

  48. 高速主干局域网 无线发射与接收的设备 发射/接收 单元 移动结点 移动结点 8、无线局域网 高速主干局域网 无线发射与接收的设备 发射/接收 单元 移动结点 移动结点 典型的无线局域网结构

  49. 无线局域网的应用 • 作为传统局域网的扩充 • 建筑物之间的互连 • 漫游访问 • 特殊网络Ad hoc(无集中的服务器) • 红外无线局域网的主要特点 • 安全性较好 • 互不干扰 • 简单便宜 • 扩频无线局域网 • 跳频通信（FHSS,Frequence Hopping Sprectum） • 直接序列扩频（DSSS, Direct Sequence Spread） • 无线局域网标准IEEE 802.11

  50. 特殊无线局域网结构

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