第三章 局域網(wǎng)基礎(chǔ)

1、第三章 局域網(wǎng)基礎(chǔ)3.1 局域網(wǎng)與城域網(wǎng)基本概念1 決定局域網(wǎng)和城域網(wǎng)三要素技術(shù)要素是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹鬏斀橘|(zhì)、介質(zhì)控制訪問方法2 局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型與特點廣域網(wǎng)通信機制：存儲轉(zhuǎn)發(fā)。局域網(wǎng)通信機制：共享介質(zhì)與交換方法。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榭偩€型環(huán)形與星行局域網(wǎng)從截至控制方法角度可以分為共享介質(zhì)局域網(wǎng)與交換是局域網(wǎng)?？偩€型局域網(wǎng)采用共享介質(zhì)方式特點是所有節(jié)點通過網(wǎng)卡連接到總線上，總線通常采用同軸電纜或者雙絞線作為傳輸介質(zhì)，一段時間內(nèi)置可以一個節(jié)點利用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，可能出現(xiàn)沖突（Collision），必須解決介質(zhì)訪問控制（MAC，Medium Access Control）問題環(huán)形節(jié)點上網(wǎng)卡使用點-點線路連接構(gòu)

2、成閉合環(huán)形星形每個節(jié)點通過點-點連接，任何節(jié)點通信都要通過中心節(jié)點3 傳輸介質(zhì)類型與介質(zhì)訪問控制方法局域網(wǎng)常用的傳輸介質(zhì)是雙絞線、同軸電纜、光纖以及無線通信信道目前被采用的介質(zhì)訪問控制方法有帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）、令牌總線（Token Bus）、和令牌環(huán)（Token Ring）方法4 IEEE802參考模型1980年2月IEEE成立局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會簡稱IEEE802委員會IEEE802所描述的局域網(wǎng)只是OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層與物理層。將OSI數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制LLC（Logical Link Control）子網(wǎng)和介質(zhì)訪問控制MAC（Medium Acces

3、s Control）1980年局域網(wǎng)有三種典型的技術(shù)：以太網(wǎng)、令牌總線、令牌環(huán)?，F(xiàn)在幾乎所有的局域網(wǎng)均采用以太網(wǎng)協(xié)議不同局域網(wǎng)在MAC子層和物理層可以采用不同的協(xié)議，但是LLC子層必須采用相同的協(xié)議。不管局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方法與幀結(jié)構(gòu)以及采用的物理傳輸介質(zhì)有什么不同LLC子層將它們?nèi)糠庋b與固定的LLC幀中 數(shù)據(jù)鏈路層 邏輯鏈路控制 介質(zhì)訪問控制 物理層 物理層 IEEE為局域網(wǎng)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)簡稱IEEE802標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.2 邏輯鏈路控制LLC子層功能與服務(wù)IEEE802.3 CSMA/CD總線介質(zhì)訪問子層與物理層IEEE802.4 令牌總線Token Bus總線介質(zhì)訪問子層與物理

4、層IEEE802.5 令牌環(huán)網(wǎng)Token Ring總線介質(zhì)訪問子層與物理層IEEE802.7 寬帶IEEE802.8 光纖技術(shù)IEEE802.11 無線局域網(wǎng)訪問控制子層與物理層標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15 近距離個人無線局域網(wǎng)訪問控制子層與物理層標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16 寬帶無線局域網(wǎng)訪問控制子層與物理層標(biāo)準(zhǔn)總線局域網(wǎng)應(yīng)用可以得出，以太網(wǎng)占絕對優(yōu)勢，是辦公自動化環(huán)境組建局域網(wǎng)首選技術(shù)。桌面系統(tǒng)采用10Mbps或者100Mbps快速以太網(wǎng)10Mbps物理層有多種標(biāo)準(zhǔn)。目前基本使用非屏蔽雙絞線10-BASE-T標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議直接將分組封裝在以太網(wǎng)幀中LLC協(xié)議已經(jīng)很少使用3.2 以太網(wǎng)1 以太網(wǎng)的發(fā)展

5、以太網(wǎng)核心技術(shù)起源于無線分組交換網(wǎng)-ALOHA網(wǎng)。ALOHA網(wǎng)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，夏威夷大學(xué)的一個以無線廣播方式工作的分組交換網(wǎng)1972年Bob Metcalfe和David Boggs開發(fā)出第一個實驗性局域網(wǎng)，1973年將此命名為Ethernet1980年，Xerox、DEC、Inter三家公司合作，第一次公布以太網(wǎng)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范1981年EthernetV2.0公布，IEEE802.3是EthernetV2.0基礎(chǔ)上制定的2 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)與工作流程分析Ethernet核心技術(shù)是隨機爭用型介質(zhì)訪問控制方法。即帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD方法。帶有沖突檢測的載波偵

6、聽多路訪問方法解決的是如何分享公用總線傳輸介質(zhì)的問題，在Ethernet中任何聯(lián)網(wǎng)節(jié)點都沒有任何預(yù)約的發(fā)送時間，他們的發(fā)送都是隨機的CSMA/CD發(fā)送流程可以簡單的概括為：先聽后發(fā)、邊聽邊發(fā)、沖突停止、隨即延遲后重發(fā)如果一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)現(xiàn)將數(shù)據(jù)以廣播的方式通過總線發(fā)送出去。使用CSMA/MA總線型局域網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽總線的忙、閑。發(fā)送時可能出現(xiàn)沖突因此進(jìn)行沖突檢測1 載波偵聽階段 以太網(wǎng)物理層發(fā)送的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼法如果總線上有數(shù)據(jù)，總線點平輝出現(xiàn)跳變，如果點評不出現(xiàn)跳變就是總線閑2 沖突檢測階段 沖突是指出現(xiàn)兩個或者兩個以上的發(fā)送信號。比較極端的是A給B發(fā)送時B正好也要發(fā)送數(shù)據(jù)。此時

7、沖突發(fā)生，等到?jīng)_突信號傳導(dǎo)A時經(jīng)過了2t,t=D/V,D為總線最大長度V為速度。如果在2t時間內(nèi)沒有檢測到?jīng)_突，則已經(jīng)取得總線訪問權(quán)。因此2D/V為沖突窗口沖突檢測方法有：比較法、編碼偽例判斷法。比較法是檢測發(fā)送的與接收到的的差別，編碼違例法是接收到的波形不符合曼徹斯特編碼法。如果沒有沖突，則順序的發(fā)送所有的數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中規(guī)定的沖突窗口長度位51.2us以太網(wǎng)傳輸速率為10Mbps，沖突窗口為64B。64B是以太網(wǎng)的最短幀長度3 發(fā)生沖突、停止檢測 隨機延誤重發(fā)的第一部是沖突加強信號，發(fā)送沖突加強信號的目的是有足夠的持續(xù)時間使得網(wǎng)中節(jié)點均能檢測到?jīng)_突丟棄發(fā)送的幀提高信道利用率4 隨機延誤重發(fā)

8、規(guī)定最大重發(fā)次數(shù)是16次后退延遲算法 截止二進(jìn)制指數(shù)后退延遲算法。T=2(k次方)*R*a.a為沖突窗口值R為隨機數(shù)R為發(fā)送地址的初始值k=min(n,10)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼幀前定界符目的地址源地址類型數(shù)據(jù)幀校驗7B1B6B6B2B46-1500B4B前導(dǎo)碼與幀前定界符目的是在幀目的地址到達(dá)之前達(dá)到正常接收狀態(tài)。前導(dǎo)碼與幀前定界符主要用于接受同步階段目的地至于原地址是硬件地址，硬件地址又稱為MAC地址、物理地址或者以太網(wǎng)地址目的地址可以是單一節(jié)點地址、多點地址或者廣播地址地址第一位為0表示單一地址，為1表示多點地址，全1表示廣播地址類型字段表示網(wǎng)絡(luò)層使用的協(xié)議，當(dāng)類型字段為0x0800時表示

9、網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，當(dāng)為0x8137時為NetWare的IPX協(xié)議數(shù)據(jù)字段小于46B填充至46B。幀頭長度為18B（目的地址源地址類型幀校驗）以太網(wǎng)幀最短64B最長1518B幀校驗字段（FCS）：采用32位(4B)循環(huán)冗余校驗（CRC）接受數(shù)據(jù)后先檢驗長度，如果小于64B丟棄，其次判斷是否為8位的整數(shù)倍。以太網(wǎng)接受出錯可以分為幀校驗錯、幀長度錯、幀位錯3 以太網(wǎng)的實現(xiàn)從實現(xiàn)角度看設(shè)備包括網(wǎng)卡、收發(fā)器、收發(fā)器電纜。從功能看包括發(fā)送和接受信號的收發(fā)器、曼徹斯特編碼與解碼器、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路控制、幀裝備及主機的接口從層次看包括MAC子層和物理層4 以太網(wǎng)的物理地址大多是通過網(wǎng)卡分配一個硬件地址（物理地

10、址），典型的Ethernet物理地址長度為48位用12個十六進(jìn)制數(shù)表示比如00-60-08-00-A6-383.3 高速局域網(wǎng)工作原理高速局域網(wǎng)的研究方法為了克服網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與網(wǎng)絡(luò)性能之間的矛盾人們提出三種方法：1 提高局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率，導(dǎo)致高速局域網(wǎng)的研究。但是以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)不會變，介質(zhì)訪問方法仍為CSMA/CD方法20世紀(jì)60年代1976年1990年1995年1999年2002年ALOHA網(wǎng)以太網(wǎng)10-BASE-T以太網(wǎng)快速以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)萬兆以太網(wǎng)以太網(wǎng)發(fā)展過程2 講一個局域網(wǎng)劃分為由多個網(wǎng)橋或者路由器連接的子網(wǎng)。減少了節(jié)點數(shù)，導(dǎo)致了局域網(wǎng)互連技術(shù)3 將共享介質(zhì)方法改為交換方式，導(dǎo)致了交換式

11、局域網(wǎng)研發(fā)。交換是局域網(wǎng)的核心是局域網(wǎng)交換機。在多個端口間建立并發(fā)連接。使局域網(wǎng)轉(zhuǎn)換為兩種類型共享是局域網(wǎng)與交換是局域網(wǎng)高速以太網(wǎng)快速以太網(wǎng)傳輸率為100Mbps，其他幾乎相同。把Ethernet每個比特傳送時間從100ns下降為10s.Fast Ethernet采用的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3u.標(biāo)準(zhǔn)LLC層為IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)，MAC子層采用CSMA/CD,物理層新定義了100-BASE-T。100-BASE-T采用介質(zhì)獨立接口（MII，Medium Independence Interface）100-BASE-T可以支持多種傳輸介質(zhì)目前傳輸介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：100-BASE-TX，100-B

12、ASE-T4,100-BASE-FX千兆以太網(wǎng)Gigabit Ethernet采用的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3z，在物理層定義了1000-BASE-T。定義了千兆介質(zhì)專用接口（GMII，Gigabit Medium Independence Interface）使用四種傳輸介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)：1000-BASE-T,使用五類非屏蔽雙絞線，雙絞線長度達(dá)到100m.1000-BASE-CX屏蔽雙絞線，長度到25m. 1000-BASE-LX，使用波長達(dá)到1300nm的單模光纖光纖長可以達(dá)到3000m. 1000-BASE-SX波長850nm多模光纖，長度300-550m萬兆以太網(wǎng)10Gbps Etherne

13、t標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ae。傳輸介質(zhì)只使用光纖，10Gbps Ethernet工作只是全雙工，不存在爭用。 10Gbps Ethernet物理層是喲個光纖通道有兩種不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)：1 局域網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)2 廣域網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)廣域網(wǎng)傳輸速率為9.58464Gbps 而MAC層是按照10Gbps設(shè)計的。因此需要通過萬兆介質(zhì)獨立接口（10G MII）將MAC工作速率由10Gbps減小到9.58464Gbps交換式局域網(wǎng)與虛擬局域網(wǎng)交換式局域網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)交換式局域網(wǎng)的核心部件是它的局域網(wǎng)交換機。典型的交換式局域網(wǎng)為交換式以太網(wǎng)（Switched Ethernet）共享介質(zhì)Ethernet每個時間段只允

14、許一個節(jié)點占用公共通信信道，交換式局域網(wǎng)從根本上改變了共享介質(zhì)的工作原理，通過Ethernet Switch支持交換機端口間的多個并發(fā)連接，實現(xiàn)多點間數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸局域網(wǎng)技術(shù)特點：低交換延誤，支持不同傳輸速率和工作模式，支持虛擬交換網(wǎng)局域網(wǎng)交換機工作原理在數(shù)據(jù)交換過程中，交換機的交換中心根據(jù)“端口號/MAC地址映射表找出對應(yīng)的幀目的地的輸出端口號，要是沒有找到，交換機向除發(fā)送的端口號轉(zhuǎn)發(fā)信息，當(dāng)目的地址發(fā)送應(yīng)答幀時交換機可以得到此目的地與交換機端口對應(yīng)的關(guān)系并且將地址信息存儲到映射表中建立和維護交換機中的地址映射表需要解決兩個問題：一是交換機如何知道那個節(jié)點連接到哪個端口上二是當(dāng)一個結(jié)點從交換機

15、的一個端口移動到另外一個端口時交換機如何維護地址映射表交換機的地址學(xué)習(xí)是通過讀取幀的源地址并記錄幀進(jìn)入交換機的端口號進(jìn)行的。MAC地址與端口的對應(yīng)關(guān)系Ethernet交換機幀轉(zhuǎn)發(fā)方式：直接交換方式，存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，改進(jìn)的直接交換直接交換方式 檢測到目的地之后直接轉(zhuǎn)發(fā)出去，不管這一幀數(shù)據(jù)是否正確。優(yōu)點是延遲段但是缺乏差錯檢測能力，不支持不同輸入輸出速率端口的幀轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式 先檢查，優(yōu)點是可以檢錯，支持不同速率端口的幀轉(zhuǎn)發(fā)。缺點是延誤時間長改進(jìn)的直接交換 先判斷幀頭部是否正確。對于比較短的幀延誤長，比較長的幀延誤比較短虛擬局域網(wǎng)的工作原理虛擬網(wǎng)是建立在局域網(wǎng)交換機或者ATM機上的用軟件的

16、方式實現(xiàn)邏輯工作組的劃分與管理邏輯工作組的節(jié)點組成不受物理位置限制不同虛擬局域網(wǎng)組網(wǎng)的方法的區(qū)別主要表現(xiàn)在對虛擬局域網(wǎng)成員定義的劃分上。通常有四種方法：以交換機端口號定義，以MAC地址定義，以網(wǎng)絡(luò)層地址定義，IP廣播組無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)的應(yīng)用無線局域網(wǎng)是以微波、激光、和紅外電波為傳輸介質(zhì)，部分或全體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同軸電纜、雙絞線實現(xiàn)物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的功能無線局域網(wǎng)主要應(yīng)用于：1 傳統(tǒng)局域網(wǎng)的擴充2 建筑物間互聯(lián)3 漫游訪問4 特殊網(wǎng)絡(luò)Ad hoc無線局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)紅外線局域網(wǎng)、窄帶微波局域網(wǎng)、擴頻無線局域網(wǎng)1990年，IEEE802委員會成立IEEE802.11工作組開發(fā)MAC層與物理層協(xié)議。

17、1997年第一個局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11形成IEEE802.11使用紅外、跳頻擴頻、和直接序列擴頻。IEEE802.11b定義了跳頻擴頻技術(shù)，目前IEEE802.11發(fā)展到IEEE802.11j紅外無線局域網(wǎng)發(fā)送點必須可以看到接收點，使用三種技術(shù)定向光束紅外傳輸、全方位紅外傳輸、漫反射紅外傳輸擴頻無線局域網(wǎng)最普遍的技術(shù)是擴頻技術(shù)。擴展頻率有兩種方法跳頻擴頻和直接序列擴頻跳頻擴頻 發(fā)送信號頻率按照固定的時間間隔從一個頻率跳到另外一個頻率。使用2.4GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)藥的頻移鍵控（FSK）或者二進(jìn)制相位鍵控（PSK）直接序列跳頻 使用2.4GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)藥的ISM頻段，發(fā)送端產(chǎn)生一個

18、偽隨機碼進(jìn)行模二加，接收端使用與發(fā)送端相同的偽隨機碼無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11點協(xié)調(diào)功能PCF（無爭用服務(wù)）分布協(xié)調(diào)功能DCF CSMA/CD（爭用服務(wù)）物理層無爭用服務(wù)存在中心控制節(jié)點具有協(xié)調(diào)功能爭用服務(wù)中，高優(yōu)先級幀幀間間隔短，可以優(yōu)先獲得發(fā)生權(quán)局域互聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)橋工作原理局域網(wǎng)互聯(lián)的概念網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)類型：局域網(wǎng)-局域網(wǎng)互聯(lián)，局域網(wǎng)-廣域網(wǎng)互聯(lián)，局域網(wǎng)-廣域網(wǎng)-局域網(wǎng)互連，廣域網(wǎng)互聯(lián)符合不同協(xié)議的局域網(wǎng)的互聯(lián)叫做一種局域網(wǎng)的互聯(lián)ATM局域網(wǎng)與共享介質(zhì)局域網(wǎng)的互聯(lián)必須解決局域網(wǎng)仿真問題。一般用網(wǎng)橋（Bridge）將分散在不同地方的局域網(wǎng)連接起來。局域網(wǎng)-廣域網(wǎng)互聯(lián)或者廣域網(wǎng)-廣域網(wǎng)互聯(lián)可以用

19、路由器或者網(wǎng)關(guān)Gateway（也稱網(wǎng)間協(xié)議變換器）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次，網(wǎng)絡(luò)互連可以分為數(shù)據(jù)鏈路層互連、網(wǎng)絡(luò)層互連、高層互連網(wǎng)橋的工作原理數(shù)據(jù)鏈路層互連設(shè)備是網(wǎng)橋Bridge,網(wǎng)橋的特點：網(wǎng)橋可以互連兩個不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、傳輸介質(zhì)、傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)橋需要互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層以上采用相同的協(xié)議網(wǎng)橋的設(shè)計特點：網(wǎng)橋不更改接收幀的數(shù)據(jù)字段內(nèi)容和格式，只是簡單的將幀從一個局域網(wǎng)復(fù)制下來在原封不動的傳送到另外一個網(wǎng)中，一次要求兩個局域網(wǎng)在MAC層以上采用相同的協(xié)議。衡量網(wǎng)橋的參數(shù)是每秒鐘接受和轉(zhuǎn)發(fā)的幀。網(wǎng)橋必須具有尋址和路由原則功能。網(wǎng)橋連接的MAC層與物理層可以不同網(wǎng)橋的路由選擇策略網(wǎng)橋通過路由表實現(xiàn)不同網(wǎng)段之間的幀轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋的重要工作室構(gòu)建和維護路由表。路由表用于記錄不同結(jié)點的物理地址和網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)端口的關(guān)系，網(wǎng)橋利用物理地址MAC地址判斷幀是否轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)路由表的建