《局域網技術》PPT課件.ppt

2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),第5 章 局域網技術,本章基本要求： 掌握常見的局域網拓撲結構， 掌握以太網技術； 理解局域網的特點和功能， 理解IEEE802標準， 理解兩類介質訪問控制的原理， 理解無線局域網的工作原理和基本的組網方式； 了解令牌環(huán)網、FDDI技術， 了解VLAN的概念與實現方式。 了解常用的網絡操作系統。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),第5 章 局域網技術,5.1 局域網概述 5.2 IEEE802標準 5.3 介質訪問控制 5.4 共享式以太網和交換式以太網 5.5 高速以太網 5.6 其他種類的高速局域網 5.7 無線局域網 5.8 虛擬局域網 5.9 網絡操作系統,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,5.1.1 局域網的特點 局域網技術是當前計算機網絡研究與應用的一個熱點問題，也是目前技術發(fā)展最快的領域之一。局域網具有如下特點： (1) 網絡所覆蓋的地理范圍比較小。 (2) 數據的傳輸速率比較高，近年來已達到1000Mbps、10000Mbps。 (3) 具有較低的延遲和誤碼率。 (4) 局域網絡的經營權和管理權屬于某個單位所有，與廣域網通常由服務提供商提供形成鮮明對照。 (5) 便于安裝、維護和擴充，建網成本低、周期短。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,5.1.2 常見的局域網拓撲結構 在計算機網絡中，把計算機、終端、通信處理機等設備抽象成點，把連接這些設備的通信線路抽象成線，并將由這些點和線所構成的拓撲稱為網絡拓撲結構。網絡拓撲結構反映出網絡的結構關系，它對于網絡的性能、可靠性以及建設管理成本等都有著重要的影響，因此網絡拓撲結構的設計在整個網絡設計中占有十分重要的地位，在網絡構建時，網絡拓撲結構往往是首先要考慮的因素之一。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,1星形拓撲（Star-Topology） 星形拓撲是由中央結點和通過點對點鏈路接到中央結點的各站點（網絡工作站等）組成，如圖5.1所示。星形拓撲以中央結點為中心，執(zhí)行集中式通信控制策略，因此，中央結點相當復雜，而各個站的通信處理負擔都很小，又稱集中式網絡。中央控制器是一個具有信號分離功能的“隔離”裝置，它能放大和改善網絡信號，外部有一定數量的端口，每個端口連接一個站點，如Hub集線器、交換機等。采用星形拓撲的交換方式有線路交換和報文交換，尤以線路交換更為普遍，現有的數據處理和聲音通信的信息網大多采用這種拓撲。一旦建立了通信的連接，可以沒有延遲地在兩個連通的站點之間傳輸數據。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,配線架,圖5.1 星形拓撲結構 圖5.2 帶有配線架的星形拓撲,星形拓撲的優(yōu)點是結構簡單，管理方便，可擴充性強，組網容易。利用中央結點可方便地提供網絡連接和重新配置；且單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網，容易檢測和隔離故障，便于維護。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,星形拓撲的缺點是：每個站點直接與中央結點相連，需要大量電纜，因此費用較高； 如果中央結點產生故障，則全網不能工作，所以對中央結點的可靠性和冗余度要求很高。 2總線拓撲（Bus Topology） 總線拓撲采用單根傳輸線作為傳輸介質，所有的站點都通過相應的硬件接口直接連接到傳輸介質或總線上。任何一個站點發(fā)送的信息都可以沿著介質傳播，而且能被所有其他的站點接收。圖5.3是總線拓撲，如圖5.4所示是帶有中繼器的總線拓撲。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,圖5.3 典型的總線拓撲結構,圖5.4 帶有中繼器的總線拓撲,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,總線拓撲的優(yōu)點是：結構簡單，實現容易；易于安裝和維護；價格低廉，用戶站點入網靈活。 總線拓樸結構的缺點是：傳輸介質故障難以排除，并且由于所有結點都直接連接在總線上，因此任何一處故障都會導致整個網絡的癱瘓。 不過，對于站點不多（10個站點以下）的網絡或各個站點相距不是很遠的網絡，采用總線拓撲還是比較適合的。但隨著在局域網上傳輸多媒體信息的增多，目前這種網絡正在被淘汰。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,3環(huán)形拓撲（Ring Topology） 環(huán)形拓撲由一些中繼器和連接中繼器的點到點鏈路首尾相連形成一個閉合的環(huán)。如圖5.5所示，每個中繼器都與兩條鏈路相連，它接收一條鏈路上的數據，并以同樣的速度串行地把該數據送到另一條鏈路上，而不在中繼器中緩沖。這種鏈路是單向的，也就是說，只能在一個方向上傳輸數據，而且所有的鏈路都按同一方向傳輸，數據就在一個方向上圍繞著環(huán)進行循環(huán)。,圖5.5 環(huán)形拓撲結構,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,4樹形結構（Tree Topology） 樹形拓撲是從總線拓撲演變而來的，它把星形和總線形結合起來，形狀像一棵倒置的樹，頂端有一個帶分支的根，每個分支還可以延伸出子分支，如圖5.6所示。,圖5.6 樹形網絡拓撲結構,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,5星形環(huán)拓撲 星形環(huán)拓撲是將星形拓撲和環(huán)形拓撲混合起來的一種拓撲，試圖取這兩種拓撲的優(yōu)點于一個系統中，克服了典型的星形和典型的環(huán)形兩個拓撲的不足和缺陷。這種拓撲的配置是由一批接在環(huán)上的連接集中器（實際上是指安裝在樓內各層的配線架）組成，從每個集中器按星形結構接至每個用戶站上。如圖5.7所示。 星形環(huán)拓撲的優(yōu)點是故障診斷和隔離，易于擴展，安裝電纜方便。 星形環(huán)拓撲的缺點是需要智能的集中器，電纜安裝電纜長，安裝不方便等。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,圖5.7 星形環(huán)拓撲,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.1 局域網概述,6拓撲的選擇 拓撲的選擇往往和傳輸介質的選擇以及介質訪問控制方法的確定緊密相關。選擇拓撲時，應該考慮的主要因素有以下幾點。 （1）經濟性:網絡拓撲的選擇直接決定了網絡安裝和維護的費用。 （2）靈活性:靈活性以及可擴充性也是選擇網絡拓撲結構時應充分重視的問題。網絡的可調整性與靈活性以及可擴充性都與網絡拓撲直接相關。 （3）可靠性:網絡的可靠性是任何一個網絡的生命。網絡拓撲決定了網絡故障檢測和故障隔離的方便性。 總之，選擇局域網拓撲時，需要考慮的因素很多，這些因素同時影響網絡的運行速度和網絡軟硬件接口的復雜程度等。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準,5.2.1 IEEE 802標準概述 1985年IEEE公布了IEEE 802標準的五項標準文本，同年為美國國家標準局（ANSI）采納作為美國國家標準。后來，國際標準化組織（ISO）經過討論，建議將802標準定為局域網國際標準。 IEEE 802為局域網制定了一系列標準，主要有如下幾種。 IEEE 802.1：描述局域網體系結構以及尋址、網絡管理和網絡互連（1997）。 IEEE 802.1G：遠程MAC橋接（1998）。規(guī)定本地MAC網橋操作遠程網橋的方法。 IEEE 802.1H：在局域網中以太網2.0版MAC橋接（1997）。 IEEE 802.1Q：虛擬局域網（1998）。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準, IEEE 802.2：定義了邏輯鏈路控制（LLC）子層的功能與服務（1998）。 IEEE 802.3：描述帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CD）的訪問方法和物理層規(guī)范（1998）。 IEEE 802.3ab：描述1000Base-T訪問控制方法和物理層技術規(guī)范（1999）。 IEEE 802.3ac：描述VLAN的幀擴展（1998）。 IEEE 802.3ad：描述多重鏈接分段的聚合協議（Aggregation of Multiple Link Segments）（2000）。 IEEE 802.3i：描述10Base-T訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。 IEEE 802.3u：描述100Base-T訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。 IEEE 802.3z：描述1000Base-X訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。 IEEE 802.3ae：描述10GBase-X訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準, IEEE 802.4：描述Token-Bus訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。 IEEE 802.5：描述Token-Ring訪問控制方法和物理層技術規(guī)范（1997）。 IEEE 802.5t：描述100 Mbps高速標記環(huán)訪問方法（2000）。 IEEE 802.6：描述城域網（MAN）訪問控制方法和物理層技術規(guī)范（1994）。1995年又附加了MAN的DQDB子網上面向連接的服務協議。 IEEE 802.7：描述寬帶網訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。 IEEE 802.8：描述FDDI訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。 IEEE 802.9：描述綜合語音、數據局域網技術（1996）。 IEEE 802.10：描述局域網網絡安全標準（1998）。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準,IEEE 802.11：描述無線局域網訪問控制方法和物理層技術規(guī)范（1999）。 IEEE 802.12：描述100VG-AnyLAN訪問控制方法和物理層技術規(guī)范。 IEEE 802.14：描述利用CATV寬帶通信的標準（1998）。 IEEE 802.15：描述無線私人網（Wireless Personal Area Network，WPAN）。 IEEE 802.16：描述寬帶無線訪問標準（Broadband Wireless Access Standards），由兩部分組成。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準,5.2.2 局域網的體系結構 局域網的體系結構與OSI模型有相當大的區(qū)別，如圖5.9所示，局域網只涉及OSI的物理層和數據鏈路層。為什么沒有網絡層及網絡層以上的各層呢？首先局域網是一種通信網，只涉及到有關的通信功能，所以至多與OSI參考模型中的下3層有關。其次，由于局域網基本上采用共享信道的技術，所以也可以不設立單獨的網絡層。也就是說，不同局域網技術的區(qū)別主要在物理層和數據鏈路層，當這些不同的局域網需要在網絡層實現互連時，可以借助其他已有的通用網絡層協議（如IP協議）實現。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準,1物理層 局域網的物理層是和OSI參考模型的物理層功能相當的，主要涉及局域網物理鏈路上原始比特流的傳輸，定義局域網物理層的機械、電氣、規(guī)程和功能特性。如信號的傳輸與接收、同步序列的產生和刪除等，物理連接的建立、維護、撤銷等。 物理層還規(guī)定了局域網所使用的信號、編碼、傳輸介質、拓撲結構和傳輸速率。例如，信號編碼可以采用曼徹斯特編碼，傳輸介質可采用雙絞線、同軸電纜、光纜甚至是無線傳輸介質。拓撲結構則支持總線形、星形、環(huán)形和混合形等，可提供多種不同的數據傳輸率。物理層由以下4個部分組成。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準, 物理介質（PMD）：提供與線纜的物理連接。 物理介質連接設備（PMA）：生成發(fā)送到線路上的信號，并接收線路上的信號。 連接單元接口（AUI）。 物理信號（PS）。 2數據鏈路層 局域網的數據鏈路層分為邏輯鏈路控制（LLC，Logical Link Control）和介質訪問控制（MAC，Medium Access Control）兩個功能子層。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.2 IEEE 802標準,其中，MAC子層負責介質訪問控制機制的實現，即處理局域網中各站點對共享通信介質的爭用問題，不同類型的局域網通常使用不同的介質訪問控制協議，另外MAC子層還涉及局域網中的物理尋址；而LLC子層負責屏蔽掉MAC子層的不同實現，將其變成統一的LLC界面，從而向網絡層提供一致的服務，LLC子層向網絡層提供的服務通過與網絡層之間的邏輯接口實現，這些邏輯接口又被稱為服務訪問點（SAP，Service Access Point）。這樣的局域網體系結構不僅使得IEEE 802標準更具有可擴充性，有利于其將來接納新的介質訪問控制方法和新的局域網技術，同時也不會使局域網技術的發(fā)展或變革影響到網絡層。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,5.3.1 信道分配問題 通常，可將信道分配方法劃分為兩類：靜態(tài)分配方法和動態(tài)分配方法。 1靜態(tài)分配方法 所謂靜態(tài)分配方法，也是傳統的分配方法，它采用頻分多路復用或時分多路復用的辦法將單個信道劃分后靜態(tài)地分配給多個用戶。 當用戶站數較多或使用信道的站數在不斷變化或者通信量的變化具有突發(fā)性時，靜態(tài)頻分多路復用方法的性能較差，因此，傳統的靜態(tài)分配方法，不完全適合計算機網絡。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,2動態(tài)分配方法 所謂動態(tài)分配方法就是動態(tài)地為每個用戶站點分配信道使用權。 輪轉：使每個用戶站點輪流獲得發(fā)送的機會，這種技術稱為輪轉。它適合于交互式終端對主機的通信。 預約：預約是指將傳輸介質上的時間分隔成時間片，網上用戶站點若要發(fā)送，必須事先預約能占用的時間片。這種技術適用于數據流的通信。 爭用：若所有用戶站點都能爭用介質，這種技術稱為爭用。它實現起來簡單，對輕負載或中等負載的系統比較有效，適合于突發(fā)式通信。 爭用方法屬于隨機訪問技術，而輪轉和預約的方法則屬于控制訪問技術。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,5.3.2 介質訪問控制方法 介質訪問控制方法的主要內容有兩個方面：一是要確定網絡上每一個結點能夠將信息發(fā)送到介質上去的特定時刻；二是要解決如何對共享介質訪問和利用加以控制。常用的介質訪問控制方法有3種：總線結構的帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD方法、環(huán)形結構的令牌環(huán)（Token Ring）訪問控制方法和令牌總線（Token Bus）訪問控制方法。 1帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）是采用爭用技術的一種介質訪問控制方法。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,CSMA/CD通常用于總線形拓撲結構和星形拓撲結構的局域網中。它的每個站點都能獨立決定發(fā)送幀，若兩個或多個站同時發(fā)送，即產生沖突。每個站都能判斷是否有沖突發(fā)生，如沖突發(fā)生，則等待隨機時間間隔后重發(fā)，以避免再次發(fā)生沖突。 CSMA/CD的工作原理可概括成四句話，即先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停止，隨機延遲后重發(fā)。具體過程如下： 當一個站點想要發(fā)送數據的時候，它檢測網絡查看是否有其他站點正在傳輸，即監(jiān)聽信道是否空閑。 如果信道忙，則等待，直到信道空閑。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法, 如果信道閑，站點就傳輸數據。 在發(fā)送數據的同時，站點繼續(xù)監(jiān)聽網絡確信沒有其他站點在同時傳輸數據。因為有可能兩個或多個站點都同時檢測到網絡空閑然后幾乎在同一時刻開始傳輸數據。如果兩個或多個站點同時發(fā)送數據，就會產生沖突。 當一個傳輸結點識別出一個沖突，它就發(fā)送一個擁塞信號，這個信號使得沖突的時間足夠長，讓其他的結點都有能發(fā)現。 其他結點收到擁塞信號后，都停止傳輸，等待一個隨機產生的時間間隙（回退時間，Backoff Time）后重發(fā)。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,2令牌環(huán)（Token Ring）訪問控制 Token Ring是令牌傳輸環(huán)（Token Passing Ring）的簡寫。令牌環(huán)介質訪問控制方法，是通過在環(huán)形網上傳輸令牌的方式來實現對介質的訪問控制。只有當令牌傳輸至環(huán)中某站點時，它才能利用環(huán)路發(fā)送或接收信息。當環(huán)線上各站點都沒有幀發(fā)送時，令牌標記為01111111，稱為空標記。當一個站點要發(fā)送幀時，需等待令牌通過，并將空標記置換為忙標記01111110，緊跟著令牌，用戶站點把數據幀發(fā)送至環(huán)上。由于是忙標記，所以其他站點不能發(fā)送幀，必須等待。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,發(fā)送出去的幀將隨令牌沿環(huán)路傳輸下去。在循環(huán)一周又回到原發(fā)送站點時，由發(fā)送站點將該幀從環(huán)上移去，同時將忙標記換為空標記，令牌傳至后面站點，使之獲得發(fā)送的許可權。發(fā)送站點在從環(huán)中移去數據幀的同時還要檢查接收站載入該幀的應答信息，若為肯定應答，說明發(fā)送的幀已被正確接收，完成發(fā)送任務。若為否定應答，說明對方未能正確收到所發(fā)送的幀，原發(fā)送站點需在帶空標記的令牌第二次到來時，重發(fā)此幀。采用發(fā)送站從環(huán)上收回幀的策略，不僅具有對發(fā)送站點自動應答的功能，而且還具有廣播特性，即可有多個站點接收同一數據幀。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,接收幀的過程與發(fā)送幀不同，當令牌及數據幀通過環(huán)上站點時，該站將幀攜帶的目標地址與本站地址相比較。若地址符合，則將該幀復制下來放入接收緩沖器中，待接收站正確接收后，即在該幀上載入肯定應答信號；若不能正確接收則載入否定應答信號，之后再將該幀送入環(huán)上，讓其繼續(xù)向下傳輸。若地址不符合，則簡單地將數據幀重新送入環(huán)中。所以當令牌經過某站點而它既不發(fā)送信息，又無處接收時，會稍經延遲，繼續(xù)向前傳輸。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,歸納起來，在令牌環(huán)中主要有下面3種操作： 截獲令牌并且發(fā)送數據幀。如果沒有結點需要發(fā)送數據，令牌就由各個結點沿固定的順序逐個傳遞；如果某個結點需要發(fā)送數據，它要等待令牌的到來，當空閑令牌傳到這個結點時，該結點修改令牌幀中的標志，使其變?yōu)椤懊Α钡臓顟B(tài)，然后去掉令牌的尾部，加上數據，成為數據幀，發(fā)送到下一個結點。 接收與轉發(fā)數據。數據幀每經過一個結點，該結點就比較數據幀中的目的地址，如果不屬于本結點，則轉發(fā)出去；如果屬于本結點，則復制到本結點的計算機中，同時在幀中設置已經復制的標志，然后向下一結點轉發(fā)。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法, 取消數據幀并且重發(fā)令牌。由于環(huán)網在物理上是個閉環(huán)，一個幀可能在環(huán)中不停地流動，所以必須清除。當數據幀通過閉環(huán)重新傳到發(fā)送結點時，發(fā)送結點不再轉發(fā)，而是檢查發(fā)送是否成功。如果發(fā)現數據幀沒有被復制（傳輸失?。?，則重發(fā)該數據幀；如果發(fā)現傳輸成功，則清除該數據幀，并且產生一個新的空閑令牌發(fā)送到環(huán)上。 3令牌總線（Token Bus）訪問控制 令牌總線訪問控制是在物理總線上建立一個邏輯環(huán)，令牌在邏輯環(huán)路中依次傳遞，其操作原理與令牌環(huán)相同。它同時具有上述兩種方法的優(yōu)點，是一種簡單、公平、性能良好的介質訪問控制方法。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,5.3.3 以太網 以太網（Ethernet）是一種產生較早且使用相當廣泛的局域網，美國Xerox（施樂）公司1975年推出了他們的第一個局域網。1980年美國Xerox、DEC與Intel三家公司聯合提出了以太網規(guī)范，這是世界上第一個局域網的技術標準。后來的以太網國際標準IEEE 802.3就是參照以太網的技術標準建立的，兩者基本兼容。為了與后來提出的快速以太網相區(qū)別，通常又將這種按IEEE 802.3規(guī)范生產的以太網產品簡稱為以太網。 1IEEE 802.3幀結構 圖5.10給出了IEEE 802.3幀結構，各字段的功能如下。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法, 前導同步碼由7個同步字節(jié)組成，用于收發(fā)之間的定時同步； SFD是幀起始定界符； 目的地址是幀發(fā)往的站點地址，每個站點都有自己惟一的地址； 源地址是幀發(fā)送的站點地址；,圖5.10 IEEE 802.3幀結構,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法, 數據長度是要傳輸數據的總長度； 協議首部是數據字段的一部分，含有更高層協議嵌入數據字段中的信息； 數據字節(jié)的長度可從0到1518個字節(jié)，但必須保證幀不得小于64個字節(jié)，否則就要填入填充字節(jié)； 幀校驗占用4個字節(jié)，采用CRC碼，用于校驗幀傳輸中的差錯。 2以太網地址 以太網使用的是MAC地址，即IEEE 802.3以太網幀結構中定義的地址。每塊網卡出廠時，都被賦予一個MAC地址，網卡的實際地址共有6個字節(jié)。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,3以太網MAC子層 IEEE 802.3以太網，是一種總線型局域網，使用的介質訪問控制子層方法是CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問沖突檢測），幀格式采用以太網格式，即802.3幀格式，以太網是基帶系統，使用曼徹斯特編碼，通過檢測通道上的信號存在與否來實現載波檢測。 4以太網分類 有4種正式的10 Mbps以太網標準。 10Base-5：10Base-5是最初的粗同軸電纜以太網標準。 10Base-2：10Base-2是細同軸電纜以太網標準。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法, 10Base-T：10Base-T是10 Mbps的雙絞線以太網標準。 10Base-F：10Base-F是10 Mbps的光纜以太網標準。 5以太網物理層 以太網在物理層可以使用粗同軸電纜、細同軸電纜、非屏蔽雙絞線、屏蔽雙絞線、光纜等多種傳輸介質，并且在IEEE 802.3標準中，為不同的傳輸介質制定了不同的物理層標準，如圖5.11所示。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,610Base-T10Base-T是以太網中最常用的一種標準，“10”表示信號的傳輸速率為10 Mbps，“Base”表示信道上傳輸的是基帶信號，“T”是英文Twisted-pair（雙絞線電纜）的縮寫，說明是使用雙絞線電纜作為傳輸介質，編碼也采用曼徹斯特編碼方式。采用星形拓撲結構。10Base-T的組網由網卡、集線器、交換機、雙絞線等設備組成。圖5.12給出了一個以集線器為星形拓撲中央結點的10Base-T網絡示例，所有的工作站都通過傳輸介質連接到集線器Hub上，工作站與Hub之間的雙絞線最大距離為100 m，網絡擴展可以采用多個Hub來實現，在使用時也要遵守前面所介紹的“5-4-3-2-1”規(guī)則。Hub之間的連接可以使用雙絞線、同軸電纜或粗纜線。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,圖5.12 10BASE-T網絡示意圖,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,10Base-T以太網有如下特點。 安裝簡單、擴展方便；網絡的建立靈活、方便，可以根據網絡的大小，選擇不同規(guī)格的Hub或交換機連接在一起，形成所需要的網絡拓撲結構。 網絡的可擴展性強，因為擴充與減少工作站都不會影響或中斷整個網絡的工作。 集線器或交換機具有很好的故障隔離作用。當某個工作站與中央結點之間的連接出現故障時，也不會影響其他結點的正常運行；甚至當網絡中某一個集線器或交換機出現故障時，也只會影響到與該集線器或交換機直接相連的結點。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,表5.1 IEEE 802.3以太網的基本特性,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,5.3.4 令牌環(huán)網 1概述 IEEE 802.5標準定義了令牌環(huán)網的國際規(guī)范。 令牌環(huán)網在物理層提供4 Mbps和16 Mbps兩種傳輸速率；支持STP/UTP雙絞線和光纖作為傳輸介質，但較多的是采用STP，使用STP時計算機和集線器的最大距離可達100 m，使用UTP時這個距離為45 m。 構建Token Ring網絡時，需要Token Ring網卡、Token Ring集線器和傳輸介質等。圖5.13給出了一個Token Ring組網的示例。其物理拓撲在外表上為星形結構，星形拓撲的中心是一個被稱為介質訪問單元（Media Access Unit，簡稱MAU）的集線裝置。所以我們認為Token Ring采用的仍是一個物理環(huán)的結構。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,圖5.13 令牌環(huán)網集線器的內部結構,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,2令牌環(huán)網的工作原理 令牌環(huán)網利用一種稱之為“令牌（Token）”的短幀來選擇擁有傳輸介質的站，只有擁有令牌的工作站才有權發(fā)送信息。令牌平時不停地在環(huán)路上流動，當一個站有數據要發(fā)送時，必須等到令牌出現在本站時截獲它，即將令牌的獨特標志轉變?yōu)樾畔臉酥荆ɑ蚍Q把閑令牌置為忙令牌），然后將所要發(fā)送的信息附在之后發(fā)送出去。由于令牌環(huán)網采用的是單令牌策略，環(huán)路上只能有一個令牌存在，只要有一個站發(fā)送信息，環(huán)路上就不會再有空閑的令牌流動。采取這樣的策略，可以保證任一時刻環(huán)路上只能有一個發(fā)送站，因此不會出現像以太網那樣的競爭局面，環(huán)網不會因發(fā)生沖突而降低效率，所以說令牌環(huán)網的一個很大優(yōu)點就是在重載時可以高效率地工作。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,在環(huán)上傳輸的信息逐個站點不斷地向前傳輸，一直到達目的站。目的站一方面復制這個幀（即收下這個幀），另一方面還要將此信息幀轉發(fā)給下一個站（并在其后附上已接收標志）。信息在環(huán)路上轉了一圈后，最后又必然會回到發(fā)送數據的源站點，信息回到源站點后，源站點對返回的數據不再進行轉發(fā)（這是理所當然的），而是對返回的數據進行檢查，查看本次發(fā)送是否成功。當所發(fā)信息的最后一個比特繞環(huán)路一周返回到源站時，源站必須生成一個新的令牌，將令牌發(fā)送給下一個站，環(huán)路上又有令牌在流動，等待著某個站去截獲它?？傊?，截獲令牌的站要負責在發(fā)送完信息后再將令牌恢復出來，發(fā)送信息的站要負責從環(huán)路上收回它所發(fā)出的信息。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.3 介質訪問控制方法,令牌環(huán)的工作過程為。 第一步：令牌在環(huán)中流動，C站有信息發(fā)送，截獲了令牌。 第二步：C站發(fā)送數據給A站，A站接收并轉發(fā)數據。 第三步：C站等待并接收它所發(fā)的幀，并將該幀從環(huán)上撤離。 第四步：C站收完所發(fā)幀的最后一比特后，重新產生令牌發(fā)送到環(huán)上。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.4 共享式以太網和交換式以太網,5.4.1 共享式以太網 傳統的共享式以太網是最簡單、最便宜、最常用的一種組網方式。在網絡應用和組網過程中，暴露出以下主要缺點。 1覆蓋的地理范圍有限 按照CSMA/CD的有關規(guī)定，以太網覆蓋的地理范圍是固定的，只要兩個結點處于同一個以太網中，它們之間的最大距離就不能超過這個固定值，不管它們之間的連接跨越一個集線器還是多個集線器。如果超過這個值，網絡通信就會出現問題。 2網絡總帶寬容量固定 共享式以太局域網上的所有結點共享同一傳輸介質。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.4 共享式以太網和交換式以太網,3不能支持多種速率 在共享式以太局域網中的網絡設備必須保持相同的傳輸速率，否則一個設備發(fā)送的信息，另一個設備不可能收到。單一的共享式以太網不可能提供多種速率的設備支持。 5.4.2 交換式以太網 交換機以太網利用以太網交換機組網，既可以將計算機直連到交換機的端口上，也可以將它們連入一個網段，然后將這個網段連到交換機的端口。如果將計算機直接連到交換機的端口，那么它將獨享該端口提供的帶寬；如果計算機通過以太網連入交換機，那么該以太網上的所有計算機共享交換機端口提供的帶寬。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,5.5.1 快速以太網技術 快速以太網技術100Base-T是由10Base-T標準以太網發(fā)展而來的。其協議標準為1995年頒布的IEEE 802.3u，可支持100 Mbps的數據傳輸速率，并且與10Base-T一樣可支持共享式與交換式兩種使用環(huán)境，在交換式以太網環(huán)境中可以實現全雙工通信。IEEE 802.3u在MAC子層仍采用CSMA/CD作為介質訪問控制協議，并保留了IEEE 802.3的幀格式。快速以太網采用4B/5B編碼。 1快速以太網的體系結構 圖5.15給出了IEEE 802.3u協議的體系結構，對應于OSI模型的數據鏈路層協議和物理層協議。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,2100Base-T物理層 從圖5.15中可以看出100Base-T定義了3種不同的物理層協議。表5.2給出了這3種物理層標準的對比。為了屏蔽下層不同的物理細節(jié)，為MAC和高層協議提供了一個100 Mbps傳輸速率的公共透明接口，快速以太網在物理層和MAC子層之間還定義了一種獨立于介質種類的介質無關接口（Medium Independent Interface，簡稱MII），該接口可以支持上面3種不同的物理層介質標準。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,表5.2 100Base-T的三種不同的物理層協議,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,（1）100Base-TX 100Base-TX介質規(guī)范基于ANSI TP-PMD物理介質標準。100Base-TX介質接口在兩對雙絞線電纜上運行，其中一對用于發(fā)送數據，另一對用于接收數據，由于ANSI TP-PMD規(guī)范既包括屏蔽雙絞線電纜，也包括非屏蔽雙絞線電纜，所以100Base-TX介質接口支持兩對5類以上非屏蔽雙絞線電纜和兩對1類屏蔽雙絞線電纜。 100Base-TX鏈路與介質相關的接口有兩種：對非屏蔽雙絞線電纜，MDI連接器必須是兼容5類及5類以上的8腳RJ-45連接器；對屏蔽雙絞線電纜，MDI連接器必須是IBM的STP連接器，使用屏蔽DB-9型連接器。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網, 5類UTP及5類以上UTP：100Base-TX UTP介質接口使用兩對MDI連接器線來將信號傳出和傳入網絡介質，這意味著RJ-45連接器8個管腳中的4個是被占用的。為使串音和可能的信號失真最小，另外4條線不應傳輸任何信號。每對的發(fā)送和接收信號是極化的，一條線傳輸正（+）信號，而另一條線傳輸負（）信號。對RJ-45連接器，正確的配線對分配是管腳1，2和管腳3，6。應盡量在MDI管腳分配中使用正確的彩色編碼線對。 1類STP：100Base-TX標準也支持特征阻抗為150 的屏蔽雙絞線電纜。屏蔽雙絞線電纜使用D型連接器并按ANSI TP-PMD對屏蔽雙絞線架設的規(guī)范來布線。在DB-9連接器上正確的配線對分配是管腳1，6和管腳5，9。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網, 100Base-T交叉布線：當兩個結點連到一起單機應用時，必須提供一條外部交叉電纜，將電纜一端8腳RJ-45連接器上的發(fā)送管腳連到電纜另一端8腳RJ-45連接器上的接收管腳。在多個結點連到一個集線器或交換機端口的實現中，交叉布線是在集線器或交換機端口內部完成的，這使得直聯電纜能用于各個結點和集線器或交換機端口之間。 100Base-TX電纜配置：100Base-TX規(guī)范允許兩個DTE或DTE與交換端口之間的鏈路之間的鏈段最大長度為100 m。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,（2）100Base-FX 光纜是100Base-FX指定支持的一種介質，而且容易安裝、重量輕、體積小、靈活性好、不受EMI干擾。 100Base-FX標準指定了兩條多狀態(tài)光纖，一條用于發(fā)送數據，一條用于接收數據。當工作站的NIC以全雙工模式運行時能超過2 km。光纜可分為兩類：多模和單模。 多模光纜：這種光纜為62.5/125 m，采用基于LED的收發(fā)器將波長為820 nm的光信號發(fā)送到光纖上。當連在兩個設置為全雙工模式的交換機端口之間時，支持的最大距離為2 km。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網, 單模光纜：這種光纜為9/125 m，采用基于激光的收發(fā)器將波長為1300 nm的光信號發(fā)送到光纖上。單模光纜率損耗小，較之多模光纜能使光信號傳輸到更遠的距離。 （3）100Base-T4 100Base-T4鏈路與介質相關的接口是基于3、4、5類非屏蔽雙絞線。100Base-T4標準使用4對線。用于100Base-T的RJ-45連接器也可用于100Base-T4。4對中的3對用于一起發(fā)送數據，同時第4對用于沖突檢測。每對線都是極化的，每對中的一條線傳輸正（）信號而另一條線傳輸負（）信號。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,5.5.2 千兆位以太網技術 1996年3月IEEE 802委員會成立了IEEE 802.3z工作組，專門負責千兆位以太網及其標準，并于1998年6月正式公布關于千兆位以太網的標準。 千兆位以太網標準是對以太網技術的再次擴展，其數據傳輸率為1000 Mbps即1Gbps，因此也稱吉比特以太網。千兆位以太網基本保留了原有以太網的幀結構，所以向下和以太網與快速以太網完全兼容，從而原有的10 Mbps以太網或快速以太網可以方便地升級到千兆位以太網。千兆位以太網標準實際上包括支持光纖傳輸的IEEE 802.3z和支持銅纜傳輸的IEEE 802.3ab兩大部分。圖5.17給出了千兆位以太網的協議結構。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,千兆位以太網的物理層包括1000BaseSX、1000Base-LX、1000 Base-CX和1000 Base-T 4個協議標準。 11000 Base-SX標準 1000 Base-SX采用芯徑為62.5 m和50 m的多模光纖，工作波長為850 nm，傳輸距離為260 m和525 m。數據編碼方法為8B/10B，適用于作為大樓網絡系統的主干通路。 21000 Base-LX標準 （1）多模光纖 1000 Base-LX可采用芯徑為50 m和62.5 m的多模光纖，工作波長為850 nm，傳輸距離為550 m，數據編碼方法為8B/10B，適用于作為大樓網絡系統的主干通路。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,（2）單模光纖 1000 Base-LX可采用芯徑為9 m的單模光纖，工作波長為1300 nm或1550 nm，數據編碼方法采用8B/10B，適用于校園或城域主干網。 31000 Base-CX標準 1000 Base-CX標準采用150 平衡屏蔽雙絞線（STP），傳輸距離為25 m，傳輸速率為1.25 Gbps，數據編碼方法采用8B/10B，適用于集群網絡設備的互連，例如機房內連接網絡服務器。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,41000 Base-T標準 1000 Base-T采用4對5類UTP雙絞線，傳輸距離為100 m，傳輸速率為1 Gbps，主要用于結構化布線中同一層建筑的通信，從而可以利用以太網或快速以太網已鋪設的UTP 電纜，也可被用做大樓內的網絡主干。 在千兆位以太網的MAC子層，除了支持以往的CSMA/CD協議外，還引入了全雙工流量控制協議。其中，CSMA/CD協議用于共享信道的爭用問題，即支持以集線器作為星形拓撲中心的共享以太網組網；全雙工流量控制協議適用于交換機到交換機或交換機到站點之間的點-點連接，兩點間可以同時進行發(fā)送與接收，即支持以交換機作為星形拓撲中心的交換以太網組網。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,目前，千兆位以太網主要被用于園區(qū)或大樓網絡的主干中，但也有的被用于有非常高帶寬要求的高性能桌面環(huán)境中。圖5.18給出了一個將千兆位以太網用于網絡主干，將快速以太網或10 Mbps以太網用于桌面環(huán)境的網絡示意圖。該網絡采用了典型的層次化網絡設計方法。 圖5.18中，最下面一層由10 Mbps以太網交換機加上100 Mbps上行鏈路組成；第2層由100 Mbps以太網交換機加1000 Mbps上行鏈路組成；最高層由千兆位以太網交換機組成。通常將面向用戶連接或訪問網絡的層稱為接入層（Access Layer），而將網絡主干層稱為核心層（Core Layer），將連接接入部分和核心部分的層稱為分布層或匯聚層（Distribution Layer）。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,5.5.3 萬兆位以太網技術 1999年底成立了IEEE 802.3ae工作組進行萬兆位以太網技術（10 Gbps）的研究，并于2002年正式發(fā)布IEEE 802.3ae 10GE標準。 1萬兆位以太網的技術特色和顯著特征 首先表現在物理層上。萬兆位以太網是一種只采用全雙工與光纖的技術，其物理層（PHY）和OSI模型的第1層（物理層）一致，它負責建立傳輸介質（光纖或銅線）和MAC層的連接，MAC層相當于OSI模型的第2層（數據鏈路層）。在網絡的結構模型中，把PHY進一步劃分為物理介質關聯層（PMD）和物理代碼子層（PCS）。光學轉換器屬于PMD層。PCS層由信息的編碼方式（如64B/66B ）、串行或多路復用等功能組成。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,其次，萬兆位以太網技術基本承襲了以太網、快速以太網及千兆位以太網技術，因此在用戶普及率、使用方便性、網絡互操作性及簡易性上皆占有極大的引進優(yōu)勢。在升級到萬兆位以太網解決方案時，用戶不必擔心既有的程序或服務會受到影響，升級的風險非常低，同時在未來升級到40 Gbps甚至100 Gbps時都將有很明顯的優(yōu)勢。 第三，萬兆位標準意味著以太網將具有更高的帶寬（10 Gbps）和更遠的傳輸距離（最長傳輸距離可達40km）。 第四，在企業(yè)網中采用萬兆位以太網可以最好地連接企業(yè)網骨干路由器，這樣大大簡化了網絡拓撲結構，提高了網絡性能。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,第五，萬兆位以太網技術提供了更多的更新功能，大大提升了QoS。因此，能更好地滿足網絡安全、服務質量、鏈路保護等多個方面需求。 最后，隨著網絡應用的深入，WAN/MAN與LAN融和已經成為大勢所趨，各自的應用領域也將獲得新的突破，而萬兆位以太網技術讓工業(yè)界找到了一條能夠同時提高以太網的速度、可操作距離和連通性的途徑，萬兆位以太網技術的應用必將為三網發(fā)展與融和提供新的動力。,2019年7月2日星期二3時13分36秒,計算機網絡技術實用教程(第3版),5.5 高速以太網,萬兆位以太網還有以下十分明顯的應用特征。 萬兆位以太網結構簡單、管理方便、價格低廉。 過去有時需采用數個千兆位捆綁在一起以滿足交換機互連所需的高帶寬，因而浪費了更多的光纖資源，現在可以采用萬兆位互連，甚至4個萬兆位捆綁互連，達到40 Gbps的寬帶水平。 采用萬兆位以太網，網絡管理者可以用實時方式，也可以用歷史累積方式輕松地看到第2層到第7層的網絡流量。允許“永遠在線”監(jiān)視，能夠鑒別干擾或入侵監(jiān)測，發(fā)現網絡性能瓶頸，獲取計費信息或呼叫數據記錄，從網絡中獲取商業(yè)智能。 以太網的可平滑升級保護了用戶的投資，以太網的改進始