1、第第4章章 计算机局域网络计算机局域网络 本章内容 局域网的特点及关键技术 局域网的体系结构 共享信道的介质访问控制方法 以太网（Ethernet）4.1 局域网局域网（LAN）概述概述 1.特点特点 覆盖范围小覆盖范围小 房间、建筑物、园区范围房间、建筑物、园区范围 距离距离25km 高传输速率高传输速率 10Mb/s1000Mb/s 低误码率低误码率 10-8 10-11 私有性：自建、自管、自用私有性：自建、自管、自用 2.局域网的局域网的关键技术关键技术 拓扑结构拓扑结构总线型总线型、星形星形、环形、环形 介质访问方法介质访问方法CSMA/CD、Token-passing 信号传输形式
2、信号传输形式基带基带、宽带、宽带 以上三种技术决定了局域网的特征以上三种技术决定了局域网的特征LAN典型拓扑结构典型拓扑结构n总线型总线型:所有结点都直接连接到共享信道所有结点都直接连接到共享信道n星型星型:所有结点都连接到中央结点所有结点都连接到中央结点n环型环型:节点通过环路与相邻节点连接节点通过环路与相邻节点连接BusStarRingABCADCBABCAT3.局域网体系结构局域网体系结构 局域网的标准：局域网的标准：IEEE802 IEEE802是一个标准系列：是一个标准系列：IEEE802,IEEE802.1IEEE802.14 其体系结构只包含了两个层次：其体系结构只包含了两个层次
3、：数据链路层，物理层数据链路层，物理层 数据链路层又分为逻辑链路控制逻辑链路控制和介质访问控制介质访问控制两个子层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC介质访问控制介质访问控制 MAC高层高层 OSI IEEE 802物理层物理层PHY由由TCP/IP和和NOS实现实现IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口IEEE802标准系列中的主要标准标准系列中的主要标准 802.2-逻辑链路控制逻辑链路控制 802.3-802.4-802.5-802.6-802.8 802.11 WLAN（无线局域网）（无线局域网）局域网的物理层局域网的
4、物理层 功能：功能：位流的传输；位流的传输；同步前序的产生与识别；同步前序的产生与识别；信号编码和译码。信号编码和译码。IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。质和不同的介质访问控制方法。两个接口：两个接口：连接单元接口（连接单元接口（AUI）仅用于粗同轴电缆）仅用于粗同轴电缆 介质相关接口（介质相关接口（MDI）一种介质定义一个）一种介质定义一个MDI接口接口 屏蔽了不同介质的特性（相对于物理层）屏蔽了不同介质的特性（相对于物理层）局域网的数据链路层局域网的数据链路层 按功能划分为两个子层：按功能划分为两个子层：LLC
5、和和MAC 功能分解的目的：功能分解的目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。分开，以适应不同的传输介质。解决共享信道的介质访问控制问题，使帧的传输解决共享信道的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。独立于传输介质和介质访问控制方法。LLC：与介质、拓扑无关；与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。：与介质、拓扑相关。局域网局域网的数据链路层的特点：的数据链路层的特点：局域网局域网链路支持多路访问，支持成组地址链路支持多路访问，支持成组地址(组播组播)和广播；和广播；提供介质访问控制功能；
6、提供介质访问控制功能；提供某些网络层的功能，如网络服务访问点提供某些网络层的功能，如网络服务访问点(SAP)、多路、多路复用、流量控制、差错控制、复用、流量控制、差错控制、.MAC子层功能：介质访问控制子层功能：介质访问控制 LLC子层功能：数据帖的接收和发送。（向高层提子层功能：数据帖的接收和发送。（向高层提供统一的链路访问形式，组帧供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立拆帧、建立/释放逻释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理）。辑连接，差错控制，帧序号处理）。提供某些网络层功能。提供某些网络层功能。对不同的对不同的LAN标准，它们的标准，它们的LLC子层都是一样的，区别子层都是一样的，区别仅在
7、仅在MAC子层（和物理层）。子层（和物理层）。局域网的网络层和高层局域网的网络层和高层 IEEE 802标准没有定义网络层和更高层标准没有定义网络层和更高层：没有路由选择功能没有路由选择功能 局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接 流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成链路层完成4.2 介质访问控制方法介质访问控制方法 局域网使用广播信道，多个站点共享同一信道（多局域网使用广播信道，多个站点共享同一信道（多点访问，随机访问）。问题：点访问，随机访问）。问题：各站点如何访问共享信道？各站点如何访问共
8、享信道？如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？解决以上问题的方法称为解决以上问题的方法称为介质访问控制方法介质访问控制方法。两种介质共享技术：两种介质共享技术：CSMA/CD和和Token-Passing1.CSMA/CD 多个站点如何安全地使用共享信道？多个站点如何安全地使用共享信道？最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否可以立即发送？若信道空闲，是否可以立即发送？若有多个站点都在等待发送，必然冲突！解决：等待一段随机时间随机时间后再发（降低
9、了冲突概率）若信道忙，如何处理？若信道忙，如何处理？继续监听：等到信道空闲后立即发送 等到信道空闲后等待随机时间后再发送等待一段随机时间后再重新检测信道 一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？以上方法均无法处理！CSMA/CD带冲突检测的带冲突检测的载波监听多路访问载波监听多路访问 工作原理：工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续监听在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立。
10、若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）；）；发送发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。测到发生了冲突。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。归结为四句话：归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。CSMA/CD协议的工作过程CSMA/CD的优缺点的优缺点 控制简单，易于实现；控制简单，易于实现；网络负载轻时，有较好的性能：网络负载轻时，有较好的
11、性能：3040以内以内 延迟时间短、速度快延迟时间短、速度快 网络负载重时，性能急遽下降：网络负载重时，性能急遽下降：7080以上以上 冲突数量的增长使网络速度大幅度下降冲突数量的增长使网络速度大幅度下降4.3 传统以太网传统以太网 以太网的起源:ALOHA无线电系统(1968-1972)Xerox 创建第一个实验性的以太网(1972-1977)DEC、Intel和Xerox将以太网标准化(1979-1983)IEEE 802.3标准问世（1982年）,10BASE-5出现；10BASE-T结构化布线的历史(1986-1990)交换式和全双工制以太网的出现(1990-1994)快速以太网的出现
12、(1992-1995)千兆网的出现(1996至今)传统以太网：传统以太网：10Mb/s 802.3 粗粗同同轴电缆轴电缆 802.3a 细细同同轴电缆轴电缆 802.3i 双绞线双绞线 802.3j 光纤光纤 快速以太网（快速以太网（FE）：）：100Mb/s 802.3u 双绞线，光纤双绞线，光纤 千兆以太网（千兆以太网（GE）：）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z 屏蔽短双绞线、光纤屏蔽短双绞线、光纤 802.3ab 双绞线双绞线 万兆以太网（万兆以太网（10GE）：）：10Gb/s 802.3ae 光纤光纤 以太网的物理层标识方法以太网的物理层标识方法 速率、信号方式、介质类型
13、速率、信号方式、介质类型速率（速率（Mb/s）基带或宽带基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位每段最大长度（单位:百米）或百米）或介质类型（介质类型（T，F）10 Base 510Base5 粗同轴粗同轴10Base2 细同轴细同轴10Base-T UTP 10Base-F 光缆光缆Ethernet/802.3操作流程操作流程任何站点发送数据时都要遵循任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议；协议；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；只有地址与帧的目的地址相同的
14、站点才接收数据；目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。ABCAC 发送帧，目的地址为发送帧，目的地址为A ABCA 复制该帧复制该帧AABC C 发现网络空闲发现网络空闲ABCB 忽略该帧忽略该帧AEthernet/IEEE802.3帧格式帧格式PR：前导码前导码-10101010序列，用于使接收方与发送方同步序列，用于使接收方与发送方同步SFD：帧首定界符帧首定界符 10101011，表示一帧的开始，表示一帧的开始DA/SA：目的：目的/源源MAC地址地址LEN：数据长度（数据部分的字节数），取值范围：数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-15
15、00Type：类型，高层协议标识类型，高层协议标识LLC-PDU（Data）：数据，最少）：数据，最少46字节字节,最多最多1500字节，不够时以字节，不够时以Pad填充填充 Pad：填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节字节FCS：帧校验序列（帧校验序列（CRC-32）6 6 2 46-1500 4字节字节 FCSSATypeDADataPadEthernetIEEE 802.3 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节字节FCSSALENDALLC-PDUPad 校验区间校验区间64-1518 字节字节PR SFD 7 1PRSFD 7
16、 1用途：保证帧长64字节MAC地址地址 又称为又称为物理地址物理地址，它是网络站点的全球唯一的标识，它是网络站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。符，与其物理位置无关。网络站点的每一个网络接口都有一个网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。地址。MAC地址大多固化在网络站点的硬件中。地址大多固化在网络站点的硬件中。一个站点允许有多个一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点地址，个数取决于该站点网络接口的个数。例如：网络接口的个数。例如：安装有多块网卡的计算机；安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。有多个以太网接口的路由器。IEEE802.3标准规定：标准规定：MAC
17、地址的长度为地址的长度为6个字节个字节，共，共48位；位；可表示可表示24670万亿个地址（有万亿个地址（有2位用于特殊用途）位用于特殊用途）高高24位称为机构惟一标识符位称为机构惟一标识符OUI，由，由IEEE统一分配统一分配给设备生产厂商；给设备生产厂商；如如3COM公司的公司的OUI=02608C 低低24位称为扩展标识符位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。一块网卡或设备的网络硬件接口。I/GOUI（22位）位）G/LEI（24位）位）0=全局管理地址全局管理地址1=本地管理地址（一般不用）本地管理地址（一般不用）0=单播地址单播地址
18、1=组播地址组播地址 MAC地址的三种类型：地址的三种类型：单播地址单播地址：（I/G0）拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点。点对点传输点对点传输 多播地址多播地址：（I/G1）拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点。点对多点传输点对多点传输 广播地址广播地址：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输广播传输 注意，以上分类只适用于注意，以上分类只适用于目的地址目的地址。双绞线（双绞线（UTP），两头压接），两头压接RJ45连接器（水晶头）；连接器（水晶头）；所有站点都与所有站点都与HUB（集线器
19、）相连接；（集线器）相连接；HUB的作用：信号放大与整形的作用：信号放大与整形 星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。轻便、安装密度高、便于维护轻便、安装密度高、便于维护NICHUB每段最大长度每段最大长度 100m多台多台HUB级连级连可以支持更多站点可以支持更多站点双绞线以太网（双绞线以太网（10Base-T）双绞线的连接标准双绞线的连接标准 在以太网的标准中，10Mbps（3类）与100Mbps（5类）双绞线系统采用相同的线序：1、2（发送）两根线为一对，3、6（接收）两根线为另一对。色标色标 Pin#Signal白橙白橙 1 TD+橙橙 2 TD-白绿
20、白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 84.4 局域网扩展局域网扩展 什么情况下需要扩展？网络范围扩大 更多的站点加入网络 多个独立的局域网进行互联 如何扩展？主要在三个层次上 物理层 数据链路层 网络层 在物理层上进行局域网扩展 设备：总线网：中继器 星形/环形网：集线器 特点：扩展后的网络仍是一个冲突域冲突域。优缺点：简单、成本低 网络规模不能太大站点数量：冲突随站点数量的增多而变得越来越严重 只能互联相同类型的网络 例：从分离的部门网络到统一的企业网络例：从分离的部门网络到统一的企业网
21、络集线器人力资源部集线器市场部集线器技术开发部集线器财务部 在数据链路层上进行局域网扩展 设备：网桥、交换机 特点：一个网段网段上的帧帧有条件地被转发转发到另一个网段网段；扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域冲突域；扩展后的网络仍是一个广播域广播域。优缺点：冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；转发速度有所降低；不能隔离广播帧。在链路层上扩展局域网在链路层上扩展局域网网桥网桥/交换机交换机独立的冲突域独立的冲突域网段网段1HUB网段网段2HUB广播域广播域 在网络层上进行局域网扩展 设备：路由器 特点：一个网络网络上的分组分组有条件地被转发转发到另一个网络网络；扩展后的网络被路由器分隔成多
22、个子网子网。优缺点：隔离广播域，限制了广播帧的泛滥；地域范围可以任意扩展；可以互联不同类型的网络；转发速度低，成本较高，维护复杂。财务部集线器技术开发部集线器市场部集线器人力资源部集线器在网络层上扩展局域网在网络层上扩展局域网技术开发部路由器集线器财务部路由器集线器市场部路由器集线器路由器人力资源部集线器企业网企业网/广域网广域网结构化布线系统的概念 结构化布线系统是指按标准的、统一的和简单的结构化方式编制和布置各种建筑物（或建筑群）内各系统的通信线路，包括网络系统、电话系统、监控系统、电源系统和照明系统等，是一种通用标准的信息传输系统。结构化布线系统标准 商业建筑物的电信布线标准TIA/EI
23、A 568A：商业大楼电信路径和空间标准EIA/TIA 569；住宅和小型商业电信连线标准EIA/TIA 570；商业大楼电信基础结构管理标准EIA/TIA 606；商业大楼通信接地和屏蔽接地要求EIA/TIA 607；结构化布线系统的组成 结构化布线系统包括六个部分：用户工作区系统；水平布线子系统；垂直布线子系统；设备间系统；接线间系统；建筑群系统；用户工作区系统 用户工作区是指办公室或计算机和其他设备所处的区域。用户工作区的结构化布线主要是将用户设备连接到整个布线系统中，它包括了用于连接用户设备的各种信息插座及相关配件。信息插座应支持电话机、数据终端、计算机、电视机监视器等终端设备的设置和
24、安装。信息插座可以安装在墙上、用户的办公桌上、地面上。水平布线系统 水平布线系统，也称为平面楼层布线系统，它是将垂直布线的干线线路延伸到用户工作区的通信插座；水平布线系统起着支线的作用。它一端连接用户工作区，另一端连接垂直布线系统或设备间。水平布线子系统的安装方法 暗管预埋，墙面引线；地下管槽，地面引线；垂直布线系统 垂直布线系统，也称为干线系统。是建筑物布线系统中的主干线路，用于接线间、设备间和建筑物引入设施之间的线缆连接。垂直布线系统是结构化布线系统的骨干部分，是高层建筑物中垂直安装的各种电缆、光缆的组合。通过垂直布线系统可以将水平布线系统连接起来，满足相互之间的通信要求。垂直布线子系统的
25、安装方法：将垂直电缆或光缆贯穿在各楼层间的竖井中；安装在通风管道中；将缆线固定在垂直竖井的钢铁支架上；布线配线系统 接线间系统 接线间里可放置线缆终端、水平布线和垂直布线系统的任何交叉连接。布线配线系统本身是由各种各样的配线架与电缆组成的，它能方便地调整各个区域内的线路连接关系。设备间系统 设备间系统 设备间系统，也被称为机房系统。设备间通常安装有大型通信设备、主机或服务器的区域。设备间系统主要包括用于连接内部网或公用网络所需要的各种设备和线缆。由于设备间系统中的设备对于整个系统是至关重要的，因此在进行布线系统安装时，一定要综合考虑配电系统（不间断电源UPS）与设备的安全因素（如接地、散热）等。建筑群系统 建筑群系统，也称为户外系统。它是指线缆从一个建筑物延伸到建筑群中的另外一些建设物上所需的通信设备和装置，包括电缆、光缆和防止电缆的浪涌电压进入建筑物的电气保护设备。户外系统包括楼群间通信的传输介质、各种设备，如电缆、光缆、电气保护设备；户外系统入内的处理方法：通过地下管道；通过架空方式；户外系统进入大楼后一般要经过金属的分线盒分线后，分别根据各种介质及其信号的相应要求加装电气保护装置，并保持良好的接地状态，然后经过线路接口连接到布线配线系统上去。
