计算机网络基础第5章-局域网技术课件.pptx

1、计算机网络基础（第3版）工业和信息化“十三五”高职高专人才培养规划教材目标/要点局域网是计算机网络中最简单的网络类型。本章主要讲述局域网的基础理论知识，即局域网的模型与标准、局域网的关键技术、以太网技术、相关网络设备、虚拟局域网技术及无线局域网技术。通过本章的学习，读者应能掌握简单的有线局域网和无线局域网的组建。学习目标 学习要点1熟悉局域网的模型与标准掌握局域网的关键技术理解并掌握介质访问控制方法23了解以太网技术4了解相关的网络设备5掌握虚拟局域网技术6掌握无线局域网的配置7目录/Contents5.1局域网概述局域网的模型与标准局域网的关键技术以太网技术5.25.35.4第5章 局域网技

2、术目录/Contents5.6虚拟局域网无线局域网5.7第5章 局域网技术5.5局域网连接设备第 5 章 局域网技术5.1 局域网概述 局域网（Local Area Network，LAN）是指在有限的地理范围内（一般不超过几千米），一个机房、一幢大楼、一个学校或一个单位内部的计算机、外设和网络互连设备连接起来形成以数据通信和资源共享为目的的计算机网络系统。42.载入画笔样式1局域网的特点从应用角度看，局域网有以下 4 个方面的特点。（1）局域网覆盖很有限的地理范围，计算机之间的联网距离通常小于 10km，适用于校园、机关、公司、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求。（2

3、）数据传输速率高（10Mbit/s100Mbit/s1 000Mbit/s），误码率低。（3）可根据不同需求选用多种通信介质，例如，双绞线、同轴电缆或光纤等。（4）通常属于一个单位所有，工作站数量不多，一般在几台到几百台左右，易于建立、管理与维护。2局域网的基本组成从总体来说，局域网由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括计算机、外围设备、网络互连设备；软件部分主要包括网络操作系统和通信协议、应用软件两部分，如图 5-1所示。5.2 局域网的模型与标准5.2.1 局域网参考模型20 世纪 70 年代后期，当 LAN 逐渐成为潜在的商业工具时，美国电气和电子工程师协会（Institute of

4、Electrical and Electronics Engineers，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的工作，参照 OSI/RM 参考模型，制定了局域网参考模型。根据局域网的特征，局域网体系结构仅包含 OSI 参考模型最低两层：物理层和数据链路层，如图 5-2 所示。1物理层物理层涉及在通信信道上传输的原始比特流，主要作用是确保在一段物理链路上正确传输二进制信号，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。为确保位流的正确传输，物理层还具有错误校验功能，以保证位信号的正确发送与正确

5、接收。2数据链路层（1）逻辑链路控制子层 LLC。（2）介质访问控制子层 MAC。5.2.2 IEEE802 标准目前 IEEE 已经制定的局域网标准有 10 多个，主要的标准见表 5-1。5.3 局域网的关键技术决定局域网特性的主要技术要素包括拓扑结构、介质访问控制方法、传输介质 3 个方面，这 3 种技术在很大程度上决定了传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量、利用率及网络应用等各种网络特征。5.3.1 拓扑结构局域网的拓扑结构是指：将局域网中的节点抽象成点，将通信线路抽象成线，通过点与线的几何关系来表示网络结构，即网络形状。计算机网络拓扑结构包括逻辑拓扑结构和物理拓扑结构两种。逻辑拓扑结

6、构是指计算机网络中信息流动的逻辑关系，而物理拓扑结构是指计算机网络各个组成部分之间的物理连接关系。本节所指的拓扑结构是指网络的物理拓扑结构。在局域网中常用的拓扑结构有：总线拓扑结构、环状拓扑结构和星状拓扑结构。2.载入画笔样式1.2 计算机网络的产生与发展1总线拓扑结构总线拓扑结构（见图 5-3），一般采用同轴电缆或光纤作为传输介质。在总线拓扑网络中，所有的站点共享一条数据通道，一个节点发出的信息可以被网络上的多个节点接收。总线拓扑结构是一种共享通路的物理结构。这种结构中总线具有信息的双向传输功能，普遍用于局域网的连接。总线一般采用同轴电缆或双绞线。2环状拓扑结构环状拓扑结构（见图 5-4）是

7、由连接成封闭回路的网络节点组成，每一个节点与它左右相邻的节点连接。3星状拓扑结构星状拓扑结构（见图 5-5）是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构网络，传输介质通常采用双绞线。每个站点都采用单独的链路与中心节点连接，故障定位和故障维护简单。中心节点可以是转接中心，起到连通作用，也可以是一台主机，此时就具有数据处理和连接的功能。4混合拓扑结构混合拓扑结构是指由星状结构和总线结构结合在一起形成的网络结构，如图 5-6 所示，有时也称为树状拓扑结构。这种拓扑结构的网络一般采用同轴电缆，用于军事单位、政府部门等上、下界限相当严格和层次分明的部门。5.3.2 介质访问控制方法1载

8、波监听多路访问/冲突检测方法（1）载波监听多路访问。（2）载波监听多路访问/冲突检测。总线拓扑结构的通信方式一般采用广播形式，通过 CSMA/CD 介质访问控制方法来减少和避免冲突的发生。CSMA/CD 方式遵循“先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”的原理来控制数据包的发送。工作流程如图 5-7 所示。2令牌环访问控制方法令牌环网速率为 4Mbit/s 或 16Mbit/s，多数采用星状环结构，在逻辑上所有站点构成一个闭合的环路。令牌环的工作原理如图 5-8 所示。3令牌总线访问控制方法（1）令牌总线（Token Bus）网的产生。令牌总线网络的典型代表是美国 Data Point 公司研

9、制的 ARC（Attached Resource Computer）网络。结构如图 5-9 所示。各站点连接顺序如图 5-10 所示。（2）令牌总线的工作原理。在令牌总线网中，所有站点都按次序分配到一个逻辑地址，每个工作站点都知道在其之前（前驱）和在其之后的站点（后继）标识，第一个站点的前驱是最后一个站点的标识，而且物理上的位置与其逻辑地址无关。5.3.3 传输介质从网络的基本定义可以发现，网络中的计算机要相互传送信息必须进行连接，连接就需要使用传输介质。根据网络的连接方式，可将传输介质分为有线介质和无线介质两种。局域网常用的有线传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤等，无线传输介质有无线电波、微波

10、或红外线等。传输媒体的选择取决于以下诸因素：网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。5.4 以太网技术5.4.1 以太网的产生与发展以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，与 IEEE802.3 系列标准相类似，它不是一种具体的网络，而是一种技术规范。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法，使用 CSMA/CD 技术，并以 10Mbit/s 的数据传输速率运行在多种类型的电缆上。5.4.2 传统以太网技术传统以太网就是通常所说的 10Mbit/s 以太网，IEEE802.3 规定了 4 种规范，如图 5-11所示。1 10BASE-5（

11、1）具体含义。10BASE-5 是 1983 年面世的，是出现最早的以太网，通常称为粗缆以太网，其具体含义如图 5-12 所示。（2）规则。粗缆以太网（粗同轴电缆），电缆的两端有 50的终端电阻，每网段允许连接 100个节点，单个网段的最大长度不超过 500m，如果网络长度必须超过 500m 的话，则需要使用中继器进行信号放大，延伸网络长度。2 10BASE-2（1）具体含义。10BASE-2 采用细同轴电缆为传输介质，传输 10Mbit/s 的基带信号，网络中每一段电缆的最大长度不超过 200m，具体值为 185m。（2）规则。10BASE-2 网络又称为细缆以太网，采用阻抗为 50、RG5

12、8 的细同轴电缆。每网段允许连接 30 个节点，单个网段的最大长度是 185m，因此最大的网络直径是 925m。同样适用于 543 中继规则。3 10BASE-T（1）具体含义。10BASE-T 网络采用 3 类以上双绞线为传输介质，传输 10Mbit/s 的基带信号，T 表示双绞线。（2）规则。10BASE-T 网络的端口通常为 RJ-45 接口，采用以集线器为中心的连接方式，每台计算机到集线器的连接采用双绞线，其最大长度不超过 100m。4 10BASE-F（1）具体含义。10BASE-F 网络采用光纤作为传输介质，传输 10Mbit/s 的基带信号，F表示光纤。（2）规则。10BASE-

13、F 网络可用同步有源星状或无源星状结构来实现，最大网络长度分别为 500m 和 200m。5.4.3 高速以太网技术为了克服网络规模和网络性能之间的矛盾，改善局域网的性能，人们对网络技术进行了大量研究，针对传统以太网共享介质的特点，提出了以下 3 种改善局域网性能的方案。（1）提高以太网数据传输速率，从 10Mbit/s 提高到 100Mbit/s、1 000Mbit/s 等，这就是高速以太网技术。（2）将大型局域网划分成多个子网，通过减少每个子网内部节点数的方法，使每个子网的性能得到改善，介质访问控制方法仍采用 CSMA/CD 技术。（3）将介质访问控制方式改为交换方式，用交换机替代集线器，

14、这就是交换式网络。1快速以太网传输速率为 100Mbit/s 的以太网技术称为快速以太网（Fast Ethernet）技术。1995 年 IEEE 802.3 委员会正式批准了 Fast Ethernet 802.3u 标准，规定了 4 种有关传输介质的标准，见表 5-2。2千兆以太网数据传输速率为 1 000Mbit/s 的网络为千兆以太网（Gigabit Ethernet）。1996 年 IEEE802.3委员会正式成立了 802.3z 工作组，制定了 1 000BASE-SX、1 000BASE-LX、1 000BASE-CX规范，主要研究使用光纤与短距离屏蔽双绞线的物理层标准。1997

15、 年 IEEE802.3 委员会正式成立了 802.3ab 工作组，制定了 1 000BASE-T 规范，主要研究使用长距离光纤与非屏蔽双绞线的物理层标准。具体标准见表 5-3。3万兆以太网万兆以太网技术基本承袭过去以太网、快速以太网及千兆以太网的技术，在用户的普及率、使用的方便性、网络的互操作性及简易性上皆占有极大优势，用户不需担心既有的程序或服务是否会受到影响，因此升级的风险是非常低的。1999 年底成立了 IEEE802.3ae 工作组，进行万兆位以太网技术（10Gbit/s）的研究，并于 2002 年正式发布 IEEE802.3ae 10GE 标准。5.5 局域网连接设备5.5.1 网

16、卡1网卡简介网络接口卡（Network Interface Card，NIC）简称网卡，又叫作网络适配器，是连接计算机和网络硬件的设备，它一般插在计算机的主板扩展槽中，它的标准是由 IEEE 来定义的。2网卡的工作原理网卡的工作原理为：整理计算机上要发往网线上的数据，并将数据分解为适当大小的数据包之后向网络上发送出去。每块网卡都有一个唯一的网络节点地址，也就是我们常说的 MAC 地址。它是网卡生产厂家在生产时烧入 ROM 中的，且保证唯一。3网卡的分类根据不同的分类标准，网卡可以分为不同的种类，如图 5-13 所示。5.5.2 中继器中继器（Repeater）又称为转发器，它是局域网连接中最简

17、单的设备，作用是将因传输而衰减的信号进行放大、整形和转发，从而扩展了局域网的距离。使用中继器连接局域网时，要注意以太网的 543 中继规则。所谓“543 规则”，是指在 10M 以太网中，网络总长度不得超过 5 个区段，4 台网络延长设备，且 5 个区段中只有 3 个区段可接网络设备。即：一个网段最多只能分 5 个子网段；一个网段最多只能有4 个中继器；一个网段最多只能有 3 个子网段含有计算机。5.5.3 集线器1集线器简介集线器（Hub）是带有多个端口的中继器（转发器），主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时也把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于 OS

18、I 参考模型第一层，即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用 CSMA/CD 访问方式。集线器（Hub）应用很广泛，它不仅使用于局域网、企业网、校园网，还可以使用于广域网。2集线器的技术特点Hub 主要用于共享网络，是解决从服务器直接到桌面传输的最佳、最经济方案。它属于纯硬件网络底层设备，只能简单地对信号进行放大和中转。它不具备自动寻址能力，即不具备交换能力。Hub 发送数据时都没有针对性，而是采用广播方式。3集线器的分类集线器按照不同的分类标准，可分为不同的种类，具体如下。（1）依据总线带宽的不同，Hub 分为 10M、100M 和 10/100M 自适应

19、 3 种。（2）依据配置形式的不同，可以分为独立型 Hub、模块化 Hub 和堆叠式 Hub 3 种。（3）依据管理方式的不同，可分为智能型 Hub 和非智能型 Hub 两种。目前所使用的集线器基本是以上 3 种方式的组合。例如，经常要讲到的 10/100M 自适应智能型可堆叠式 Hub 等。5.5.4 交换机1交换机简介交换机也叫作交换式集线器，是局域网中的一种重要设备，它可将用户收到的数据包根据目的地址转发到相应的端口。2交换技术介绍（1）端口交换。端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通

20、的。以太主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为如下几类。l模块交换：将整个模块进行网段迁移。l端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。l端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移，这种交换技术是基于 OSI 第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡能力等优点。（2）帧交换。帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲，每个公司的产品实现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几

21、种。l直通交换：提供快速处理能力，交换机只读出网络帧的前 14 个字节，便将网络帧传送到相应的端口上。l存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。（3）信元交换。ATM 技术代表了网络和通信技术发展的未来方向，是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”。ATM 采用固定长度 53 个字节的信元交换。ATM 采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM 的带宽可以达到 25M、155M、622M，甚至数 Gb 的传输能力。3交换机的分类（1）根据交换机使用的网络传输介质及传输速度分类。根据交换机使用的网络传输介质及传输速度的不同，可以将局域网交换机分为以太网交换机、快速以太网

22、交换机、千兆（G 位）以太网交换机、10 千兆（10G 位）以太网交换机、FDDI 交换机、ATM 交换机等，其特点见表 5-4。（2）根据交换机应用的网络层次进行分类。根据交换机应用的网络层次，可以将网络交换机划分为企业级交换机、校园网交换机、部门级交换机、工作组交换机和桌面型交换机 5 种，其特点见表 5-5。（3）根据 OSI 的分层结构分类。根据 OSI 的分层结构，交换机可分为二层交换机、三层交换机、四层交换机等，其特点见表 5-6。5.6 虚拟局域网5.6.1 VLAN 的产生虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）是以交换式网络为基础，把网络上

23、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。虚拟网络建立在局域网交换机上，以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理，逻辑工作组的节点组成不受物理位置的限制。同一逻辑分组的成员可以分布在相同的物理网段上，也可以分布在不同的网络上。图 5-15 显示了典型 VLAN 的物理结构和逻辑结构示意图。5.6.2 VLAN 的优点（1）提高了网络构建的灵活性。（2）提高了网络的安全性。（3）减少网络流量，节约带宽。（4）VLAN 为内部成员间提供低延迟、线速的通信。（5）简化网络管理。（6）减少设备投资。5.6.3 VLAN 的划分1基于端口的虚拟局域网基于端口的虚拟局域网是最实

24、用的虚拟局域网，它保持了最常用的虚拟局域网成员定义方法，配置也相当直观简单。即局域网中的站点具有相同的网络地址，不同的虚拟局域网之间进行通信需要通过路由器。2基于 MAC 地址的虚拟局域网基于 MAC 地址的虚拟局域网在把网络上的工作站移动到网络上的不同物理位置时，不需要 VLAN 进行重新配置，就可以同原 VLAN 内的成员通信，减少了网络管理员的日常维护。但当更换网卡或增加工作站时，需要重新配置数据库，而且需要手动建立 MAC 地址的数据库。3基于 IP 地址的虚拟局域网在基于 IP 地址的虚拟局域网中，新站点在入网时无需进行太多配置，交换机则根据各站点网络地址自动将其划分成不同的虚拟局域

25、网。5.6.4 VLAN 之间的通信1 VLAN 间的通信VLAN 技术的主要作用是将地理位置不同的计算机按工作需要组合成一个逻辑网络，通过划分 VLAN 可缩小广播域，提高网络传输速度。由于处于不同 VLAN 的计算机之间不能直接通信，从而也使网络的安全性能得到很大提高。为了能够在 VLAN 间通信，需要利用 OSI 参照模型中更高一层网络层的信息（IP 地址）来进行路由。在目前的网络互连设备中，能完成路由功能的设备主要有路由器和三层以上的交换机。42 VLAN 间通信的方法（1）通过路由器实现 VLAN 间的通信。使用路由器实现 VLAN 间通信时，路由器的连接方式有两种。l第一种：通过路

26、由器的不同物理接口与交换机上的每个 VLAN 分别连接，如图 5-17所示。l第二种：通过路由器的逻辑子接口与交换机的各个 VLAN 连接，如图 5-18 所示。（2）用交换机代替路由器实现 VLAN 间的通信。目前，市场上有许多三层以上的交换机，厂家通过硬件或软件的方式将路由功能集成到交换机中，数据交换速度较快。因此，在大型园区网中通常用交换机代替路由器来实现 VLAN 间的通信。用交换机代替路由器实现 VLAN 间通信的方式也有两种。l第一种：启用交换机的路由功能，这种方式的实现方法可采用以上介绍的路由器方式的任一种。l第二种：利用某些高端交换机所支持的专用 VLAN 功能来实现 VLAN

27、 间的通信。5.6.5 VLAN 划分实例5.7 无线局域网5.7.1 无线局域网技术无线局域网可以在普通局域网基础上通过无线 Hub、无线接入站（AP）、无线网桥、无线Modem 及无线网卡等来实现，其中以无线网卡最为普遍，使用最多。无线局域网的关键技术，除了红外传输技术、扩频技术、网同步技术外，还有一些其他技术，如调制技术、加解扰技术、无线分集接收技术、功率控制技术和节能技术。无线局域网中最常用的技术是红外线技术和微波扩频技术两种。1红外线技术红外线局域网采用小于 1m 波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性，受太阳光的干扰大，支持 12Mbit/s 数据传输速率，适于近距离通信。2微波

28、扩频通信技术微波扩频通信技术覆盖范围大，具有较强的抗干扰、抗噪声和抗衰减能力，隐蔽性、保密性强，不干扰同频系统等性能特点，具有很高的可用性。无线局域网主要采用微波扩频通信技术。扩频技术即扩展频谱技术，简称 SS（Spread Spectrum）技术。它是通过对传送数据进行特殊编码，使其扩展为频带很宽的信号，其带宽远大于传输信号所需的带宽（约数千倍），并将待传信号与扩频编码信号一起调制载波。扩频技术主要有直接序列（简称直序）扩频技术和跳频扩频技术两种。（1）直序扩频技术。所谓直接序列扩频（DSSS），就是使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩展信号的频谱，在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开

29、的扩频信号还原成原来的信号。（2）跳频扩频技术。跳频扩频（FHSS）技术与直序扩频技术完全不同，属频率调制方式，是一种可避免干扰的技术。跳频的载波受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率按随机规律不断改变。接收端的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致。跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高，抗干扰的性能越好。5.7.2 无线局域网标准1无线局域网标准2常见标准的主要区别5.7.3 蓝牙技术1蓝牙技术的由来蓝牙（Bluetooth）技术是以公元 10 世纪统一丹麦和瑞典的一位斯堪的纳维亚国王的名字命名。蓝牙计划是由爱立信、IBM、诺基亚、英特尔和东芝五大公司发起，它的目

30、标是提供一种通用的无线接口标准，用微波取代传统网络中错综复杂的电缆，在蓝牙设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本低功耗的数据和话音通信。2有关名词术语（1）Piconet（微微网）：通过蓝牙技术连接在一起的所有设备被认为是一个 Piconet。（2）Scatternet（分布式网络）：几个独立且不同步的 Piconet 组成一个 Scatternet。（3）Master Unit：主单元。即在一个 Piconet 中，其时钟和跳频顺序被用来同步其他单元的设备。（4）Slave Units：从单元，即 Piconet 中不是 Master 的所有设备。（5）Mac Address：用来区分 Pic

31、onet 中各单元的长度为 3 比特的地址。（6）Parked Units：暂停单元，即 Piconet 中与网络保持同步，但没有 Mac Address 的设备。（7）Sniff and Hold Mode：呼吸与保持模式，与网络同步但进入睡眠状态以节省能源的一种工作模式。3蓝牙系统的组成（1）无线单元；（2）链路控制单元；（3）链路管理；（4）软件功能定义。4蓝牙基带技术支持两种连接类型（1）同步定向连接类型。（2）异步无连接类型。5.7.4 无线局域网组建实例无线网络组建一般采用两种模式：Ad-Hoc 模式与 Infrastructure 模式。Ad-Hoc 模式就是所说的无中心结构，即无线对等网络，如图 5-20 所示；Infrastructure 模式就是有中心结构，如图 5-21 所示。