第4講局域網(wǎng)技術(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)教程本講基本要求：本章重點討論局域網(wǎng)的參考模型與標準、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方法、局域網(wǎng)的連接設(shè)備與工作原理、局域網(wǎng)的組網(wǎng)方法、高速局域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等。第4講局域網(wǎng)技術(shù)了解：最新局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和新技術(shù)基本應(yīng)用。熟悉：目前常用的局域網(wǎng)技術(shù)及其關(guān)鍵技術(shù)。掌握：局域網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)，具備設(shè)計和組建局域網(wǎng)的能力。4.1局域網(wǎng)概述

局域網(wǎng)的產(chǎn)生局域網(wǎng)技術(shù)是在遠程分組交換通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。從1969年第一個計算機網(wǎng)絡(luò)——遠程通信交換網(wǎng)ARPAnet誕生到20世紀70年代后期，分組交換通信網(wǎng)絡(luò)得到很大發(fā)展，并積累了很多經(jīng)驗。1972年Bell公司提出了兩種環(huán)型局域網(wǎng)技術(shù)，1973年以太網(wǎng)（Ethernet）問世。1973年，Metcalfe和DavidBoggs將“ALOHANET”改名為“以太網(wǎng)”。由此，Ethernet網(wǎng)絡(luò)便誕生了。

局域網(wǎng)的發(fā)展

1979年，BobMetcalfe開始了以太網(wǎng)標準化的研制工作。

1981年6月，IEEE802工程決定組成802.3分委員會，以辦公室環(huán)境為主要目標產(chǎn)生基于DIX工作成果的國際公認標準。

1990年，為了提高以太網(wǎng)的傳輸速率，在10M以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了快速以太網(wǎng)技術(shù)，并在1995年6月通過了100Base-T快速以太網(wǎng)標準IEEE802.3u。從1993年開始，在開發(fā)快速以太網(wǎng)的同時，開始研究交換式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并先后推出了交換以太網(wǎng)、交換令牌環(huán)和交換FDDI技術(shù)。隨著交換式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與發(fā)展，又相繼推出了異步傳輸模式（ATM）、千兆位以太網(wǎng)和萬兆位以太網(wǎng)。目前局域網(wǎng)的帶寬已達到10Gbit/s。5/100802.3：定義了局域網(wǎng)CSMA/CD總線介質(zhì)訪問控制子層及物理層規(guī)范802.1：A定義了局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu);B定義了網(wǎng)絡(luò)互連、網(wǎng)絡(luò)管理與性能測試

802.7：定義了局域網(wǎng)寬帶技術(shù)1234567891011802.2：定義了局域網(wǎng)邏輯鏈路控制LLC子層的功能與服務(wù)802.4：定義了局域網(wǎng)令牌總線介質(zhì)訪問控制子層及物理層規(guī)范802.5：定義了局域網(wǎng)令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制子層及物理層規(guī)范802.6：定義了局域網(wǎng)MAN介質(zhì)訪問控制子層及物理層規(guī)范802.8：定義了局域網(wǎng)光纖傳輸技術(shù)802.9：定義了局域網(wǎng)綜合語音/數(shù)據(jù)服務(wù)的訪問方法和物理規(guī)范802.10：定義了局域網(wǎng)安全與加密訪問方法和物理層規(guī)范802.11：定義了無線局域網(wǎng)訪問方法和物理層規(guī)范IEEE802標準系列中的主要標準4.1.4局域網(wǎng)的參考模型與標準6/1004.1.4局域網(wǎng)的參考模型與標準802.1體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)802.4令牌總線802.6局域網(wǎng)802.11無線局域網(wǎng)802.5令牌環(huán)網(wǎng)802.3CSMA/CD802.10可互操作的局域網(wǎng)安全802.2邏輯鏈路控制子層（LLC）高層LLCMAC物理層┅2、局域網(wǎng)的標準

1980年2月，電器與電子工程師協(xié)會(IEEE)成立了局域網(wǎng)標準委員會，專門從事局域網(wǎng)標準化工作，并制訂了IEEE802標準。IEEE802系列標準之間的內(nèi)部關(guān)系如圖4-3所示。7/100802.11802.11協(xié)議簇是國際電工電子工程學(xué)會（IEEE）為無線局域網(wǎng)絡(luò)制定的標準。協(xié)議發(fā)布頻帶最大傳輸速度802.1119972.4-2.5GHz2Mbps802.11a19995.15-5.35/5.47-5.725/5.725-5.875GHz54Mbps802.11b19992.4-2.5GHz11Mbps802.11g20032.4-2.5GHz54Mbps802.11n20092.4GHz或者5GHz600Mbps(40MHz*4MIMO)802.11ac2011.22.4GHz或者5GHz867Mbps,1.73Gbps,3.47Gbps,6.93Gbps(8MIMO,160MHz)802.11ad2012.1260GHzupto7000Mbp4.1局域網(wǎng)概述1定義通信被限制在中等規(guī)模的地理范圍，能夠使用具有中等或者較高數(shù)據(jù)速率和較低的誤碼率的物理信道；是由單一機構(gòu)使用的專用計算機網(wǎng)絡(luò)。2組成硬件系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工作站和網(wǎng)絡(luò)組件。軟件系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及其他網(wǎng)絡(luò)軟件。3特點地理覆蓋范圍較小。0.1-25km之間速度快，基帶傳輸。10-1000Mb/s之間誤碼率低。10-11-10-8之間有線介質(zhì)常見目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和資源共享。分布控制廣播通信。4.1局域網(wǎng)概述【例4-1】標準的10Mb/sIEEE802.3局域網(wǎng)的波特率是多少？采用Manchester編碼(教材p68)，兩個2進制為表示一個數(shù)據(jù)，所以為了傳送10Mb/s，需要變化20M次，因此波特率是20Mbaud01101001tO4.1局域網(wǎng)概述拓撲結(jié)構(gòu):局域網(wǎng)及城域網(wǎng)的典型拓撲結(jié)構(gòu)為星型、環(huán)型、總線型和樹型結(jié)構(gòu)等。傳統(tǒng)以太網(wǎng)高速以太網(wǎng)FDDIⅡ以太網(wǎng)令牌總線令牌環(huán)FDDI局域網(wǎng)虛擬局域網(wǎng)交換以太網(wǎng)ATM局域網(wǎng)交換式局域網(wǎng)共享介質(zhì)局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)總線型CDAB站點干線耦合器單向環(huán)點到點鏈路令牌環(huán)星型(b)邏輯環(huán)傳送方向令牌BFCDEA(a)令牌總線ABCDEFGABCDE4.2局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)IEEE802局域網(wǎng)參考模型物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層應(yīng)用層物理層MAC子層LLC子層OSI參考模型4.2局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)介質(zhì)訪問控制子層MAC數(shù)據(jù)鏈路層兩個子層中較低的一個控制對傳輸介質(zhì)的訪問多種介質(zhì)訪問控制方法：CSMA/CDTokenBusTokenRing邏輯鏈路控制子層LLC與高層的接口功能定義了服務(wù)訪問點SAO邏輯接口的使用方法管理數(shù)據(jù)鏈路通信，利用LLC控制幀實現(xiàn)對等邏輯實體之間的通信。4.3以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制技術(shù)介質(zhì)訪問控制是決定局域網(wǎng)特征的主要技術(shù)之一，通過解決傳輸介質(zhì)的使用權(quán)問題，來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的合理分配。802中有以下介質(zhì)控制方法：802.3沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD802.4令牌總線控制方法802.5令牌環(huán)訪問控制方法4.3以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制技術(shù)ALOHA最早的無線電計算機通信網(wǎng)20世紀70年代使用無線廣播技術(shù)的分組交換計算機網(wǎng)絡(luò)解決夏威夷島之間的通信，多個分散用戶使用無線信道使用中心計算機。處于OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，屬于隨機訪問協(xié)議一種。多用戶對單信道4.3以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制技術(shù)純ALOHA傳輸點有數(shù)據(jù)要傳送是，立即向信道傳送接收點收到后，確認ACK收到數(shù)據(jù)錯誤，發(fā)送確認失敗NACK兩個點沖突時，都停止一段時間，再嘗試發(fā)送分段ALOHA頻道在時間上分段每個傳輸點只能在分段開始處傳送每次傳送的數(shù)據(jù)小于或者等于一個時間分段很大程度減少了傳輸頻道沖突手機網(wǎng)絡(luò)通信4.3.2CSMA/CD載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CarrySenseMultipleAccess/CollisionDetectCSMA/CD)是適用于總線結(jié)構(gòu)的隨機訪問競爭型介質(zhì)訪問控制方法CSMA過程站點發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽總線，確定是否有其他站點發(fā)送若介質(zhì)空閑，則發(fā)送若介質(zhì)忙，則等待一定時間間隔后重試等待的時間間隔不同確定方法，稱為堅持退避算法非堅持：①空閑則發(fā)送；②忙則等待一段隨機時間，返回①1-堅持：①空閑則發(fā)送；②忙則繼續(xù)監(jiān)聽，直到空閑立即發(fā)送；③若沖突，則回避一個時間，返回①p-堅持：①空閑則以概率p發(fā)送；②忙則繼續(xù)監(jiān)聽，直到空閑，返回①；③若沖突，重新監(jiān)聽，空閑返回①4.3.2CSMA/CDCSMA/CD過程：①發(fā)送前先監(jiān)聽②空閑則發(fā)送③忙則繼續(xù)監(jiān)聽，直到空閑，立即發(fā)送④發(fā)送后進行沖突檢測，若發(fā)送沖突，停止發(fā)送，并發(fā)出阻塞信號強化沖突⑤沖突后等待一段隨機時間，返回監(jiān)聽。截斷二進制退避算法解決上述⑤的隨機時間問題。每個幀第一次沖突時，設(shè)置參量L=2，時間片長度T，重傳次數(shù)K(<=16)第K次沖突時，在[0,L,L2…Lk-1]之間隨機選擇一個數(shù)R，等待(退避)R*T時間沖突發(fā)生后，各幀等待的時間不一樣，分散后續(xù)沖突。發(fā)送幀媒體忙？延遲隨機時間YesNo發(fā)送碰撞？Yes發(fā)送Jam碰撞次數(shù)N+1N>=16？NoYes發(fā)送失敗發(fā)送完？發(fā)送成功YesNoNo局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方法20/1004.4以太網(wǎng)幀格式和數(shù)據(jù)封裝DIXEthernetV2:使用CSMA/CDIEEE802.2/3:標準幀以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼(7字節(jié))和SD(1字節(jié))：同步DA/SA：目的/源網(wǎng)卡地址L：幀長度LLC數(shù)據(jù)幀：協(xié)議數(shù)據(jù)單元，46-1500B填充字段：FCS：幀校驗序列，前導(dǎo)碼之后所有數(shù)據(jù)產(chǎn)生的32位CRC4.4.2以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝網(wǎng)卡物理地址最小數(shù)據(jù)長度要求：以太網(wǎng)46B4.4以太網(wǎng)幀格式和數(shù)據(jù)封裝4.4.3以太網(wǎng)地址MAC地址：網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備地址。采用十六進制數(shù)表示，共六個字節(jié)（48位）。其中，前三個字節(jié)是由IEEE的注冊管理機構(gòu)RA負責(zé)給不同廠家分配的代碼(高位24位），也稱為“編制上唯一的標識符”（OrganizationallyUniqueIdentifier），后三個字節(jié)(低位24位)由各廠家自行指派給生產(chǎn)的適配器接口，稱為擴展標識符（唯一性）。一個地址塊可以生成224個不同的地址。單播地址：目的地址為單個站點地址多播地址：目的地址為一組站點廣播地址：目的地址為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點4.5常見以太網(wǎng)

Metcalfe麥卡夫：網(wǎng)絡(luò)的價值相當(dāng)于其使用人數(shù)的平方。以太網(wǎng)(Ethernet)是基于總線型的廣播式網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)有的局域網(wǎng)標準中，它是最早標準化的局域網(wǎng)，也是目前最成熟、最成功、應(yīng)用最廣泛的一種局域網(wǎng)技術(shù)。對于10Mbit/s傳統(tǒng)以太網(wǎng)，IEEE802.3定義了4種規(guī)范，如圖4-18所示。介質(zhì)訪問控制子層802.3MAC10Base-5粗同軸電纜10Base-2細同軸電纜10Base-T雙絞線電纜10Base-F光纖MAC子層物理層27/1004.5.1傳統(tǒng)以太網(wǎng)

粗纜收發(fā)器AUI電纜NIC最大段長度500m每段最多站點數(shù)100≥2.5m網(wǎng)絡(luò)最大跨度2.5km

網(wǎng)絡(luò)最多5個段終端匹配器Vampiretap粗纜以太網(wǎng)由粗同軸電纜、收發(fā)器、收發(fā)器電纜、網(wǎng)絡(luò)適配卡、終接器等5部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4-19所示。1、粗纜以太網(wǎng)（10Base-5）

用粗同軸電纜組建的網(wǎng)絡(luò)稱為粗纜以太網(wǎng)，又可表示為10Base-5，它是最早出現(xiàn)的以太網(wǎng)。28/1002、細纜以太網(wǎng)（10Base-2）10Base-2是總線型細同軸電纜以太網(wǎng)的簡略標示符。細纜BNC接頭NIC每段最大長度185m每段最多站點數(shù)30≥0.5m網(wǎng)絡(luò)最大跨度925m

網(wǎng)絡(luò)最多5個段

終端匹配器

10Base-2主要由細同軸電纜、網(wǎng)絡(luò)適配卡、BNC電纜連接器等3部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖4-20所示。4.5.1傳統(tǒng)以太網(wǎng)29/1003、雙絞線以太網(wǎng)（10Base-T）

10Base-T是IEEE802委員會于1990年9月正式建立的非屏蔽雙絞線傳輸10Mbit/s基帶以太網(wǎng)標準，邏輯上為總線型拓撲的網(wǎng)絡(luò)，稱為共享式集線器。實際上，雙絞線以太網(wǎng)是一個物理上的星型拓撲結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)一條電纜出現(xiàn)故障時只影響它所連接的那臺計算機。10Base-T由雙絞線、雙絞線連接器、網(wǎng)絡(luò)適配卡、集線器等組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖4-21所示。中心集線器4.5.1傳統(tǒng)以太網(wǎng)30/1004、光纖以太網(wǎng)（10Base-F）10Base-F是10Mbit/s光纖以太網(wǎng)，它使用多模光纖傳輸介質(zhì)，在介質(zhì)上傳輸?shù)氖枪庑盘柖皇请娦盘?。因此，它具有傳輸距離長、安全可靠、可避免電擊等優(yōu)點。10Base-T由雙絞線、雙絞線連接器、網(wǎng)絡(luò)適配卡、集線器等組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖4-22所示。帶光纜網(wǎng)卡的微機光Hub光Hub光Hub光纜4.5.1傳統(tǒng)以太網(wǎng)31/100802.3MACCSMA／CD100Base-TX2對5類UTP100Base-T44對3類UTP100Base-T22對3類UTP100Base-FX2束單/多模光纖MAC子層物理層4.5.2快速以太網(wǎng)（FastEthernet）快速以太網(wǎng)是指運行在100Mb/s以上速率的以太網(wǎng)

快速以太網(wǎng)的MAC層可以支持多種傳輸介質(zhì)，協(xié)議結(jié)構(gòu)：32/100技術(shù)特點：10Mb/s與100Mb/s兼容。取代了傳統(tǒng)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)：4.5.3千兆以太網(wǎng)（GigabitEthernet）1、千兆以太網(wǎng)的概念盡管快速以太網(wǎng)具有高可靠性、易擴展性、低成本等優(yōu)點，并且成為高速局域網(wǎng)方案中的首選技術(shù)，但由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、多媒體通信和視頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們不得不尋求更高帶寬的局域網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)就是在這種背景下產(chǎn)生的。與快速以太網(wǎng)的相同之處是：千兆以太網(wǎng)同樣保留著傳統(tǒng)的100Base-T的所有特征，即相同的數(shù)據(jù)格式、相同的介質(zhì)訪問控制方法CSMA/CD和相同的組網(wǎng)方法。

載波擴展技術(shù)：幀長度小于時間槽長度512B，則物理層發(fā)送完數(shù)據(jù)后發(fā)送一個特殊的載波擴展符號序列，將其擴展到512B。

幀突發(fā)：連續(xù)發(fā)送多個幀。幀間間隔也使用載波擴展來填充。35/1002、協(xié)議標準千兆以太網(wǎng)標準化的工作是從1995年開始的，千兆以太網(wǎng)中的MAC子層仍然采用CSMA/CD的方法，物理層標準可以支持多種傳輸介質(zhì)，目前制定了4種傳輸介質(zhì)的標準。千兆以太網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4-30所示。

802.3MACCSMA/CD1000Base-SX1000Base-LX1000Base-CX1000Base-TMAC子層物理層圖4-30千兆以太網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)3、應(yīng)用實例

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，通常用一個或多個千兆以太網(wǎng)交換機構(gòu)成主干網(wǎng)，以保證主干網(wǎng)的帶寬；用快速以太網(wǎng)交換機4.5.3千兆以太網(wǎng)（GigabitEthernet）36/100構(gòu)成樓內(nèi)局域網(wǎng)。組網(wǎng)時，采用層次結(jié)構(gòu)，將幾種不同性能的交換機結(jié)合使用，千兆以太網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖所示。

1000M交換機100M交換機1000M端口服務(wù)器10M端口100M交換機100M端口10M交換機4.5.3千兆以太網(wǎng)（GigabitEthernet）37/1004.5.4萬兆以太網(wǎng)（10GigabitEthernet）1、萬兆以太網(wǎng)的概念

萬兆以太網(wǎng)（10GigabitEthernet，10GE）是以太網(wǎng)系列的最新技術(shù)，傳輸速率比千兆以太網(wǎng)提高了10倍，通信距離可延伸到40km，在應(yīng)用范圍上得到了更多的擴展，它不僅適合所有傳統(tǒng)局域網(wǎng)的應(yīng)用場合，更能延伸到傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)受到限制的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)范圍。2、協(xié)議標準萬兆以太網(wǎng)標準主要包括：兼容802.3標準中定義的最小和最大以太網(wǎng)幀長度；僅支持全雙工方式；使用點對點鏈路，結(jié)構(gòu)化布線組建星型物理結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)；支持802.3ad鏈路匯聚協(xié)議；在MAC/PLS服務(wù)接口上實現(xiàn)10Gbit/s的傳輸速率等，只使用光纖傳輸。39/1004.6虛擬局域網(wǎng)IEEE委員會1996年3月發(fā)布虛擬局域網(wǎng)標準802.1Q標準。建立在交換局域網(wǎng)之上，在交換機里通過網(wǎng)絡(luò)管理軟件來構(gòu)建跨越不停網(wǎng)段和不同網(wǎng)絡(luò)的端到端邏輯鏈路。與物理位置無關(guān)，核心技術(shù)是通過交換設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)物理拓撲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立邏輯子網(wǎng)。任意節(jié)點或者網(wǎng)段都可以組合成邏輯上的局域網(wǎng)。其他物理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶可以加入該VPN?！纠?-2】VLAN2的廣播幀傳送過程4.6.2虛擬局域網(wǎng)特點便于集中化管理，增強靈活性控制廣播風(fēng)暴提高安全性缺少互操作性4.6.3虛擬局域網(wǎng)類型基于端口端口所屬VLANPort1VLAN5Port2VLAN10…………Port7VLAN54.6.3虛擬局域網(wǎng)類型基于MAC地址4.6.3虛擬局域網(wǎng)類型基于協(xié)議4.6.3虛擬局域網(wǎng)類型基于子網(wǎng)4.6.4VLAN協(xié)議標準802.1Q的TCI標簽控制字段CFI：規(guī)范格式指示符1位VID：虛擬局域網(wǎng)ID12位交換端口可配置成傳輸標簽幀或無標簽幀標簽幀可以在交換機之間傳送VLAN成員信息4.6.5VLAN的鏈路類型VLAN鏈路類型：接入鏈路和干道鏈路接入鏈路：主機和交換機之間。接入鏈路的端口不能直接收發(fā)數(shù)據(jù)，需要三層路由。干道鏈路：承載多個不同VLAN數(shù)據(jù)的鏈路，用于交換機之間互聯(lián)或者交換機與路由器之間互聯(lián)。傳輸時必須知道數(shù)據(jù)幀的VLAN標識。4.7其他局域網(wǎng)令牌環(huán)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)4.7.1令牌環(huán)網(wǎng)工作原理：沿著環(huán)循環(huán)的令牌01111111。中繼模式下，站點收到令牌幀時，原樣發(fā)送下去。有數(shù)據(jù)發(fā)送則將令牌改成01111110，變成了幀首定界符，加上其他數(shù)據(jù)幀，發(fā)送到環(huán)上。接收節(jié)點將目的地址與自己地址比較后，相符則寫入接收緩沖器，交高層協(xié)議處理，并復(fù)制后再發(fā)到環(huán)上。否則直接略過。發(fā)送方回收數(shù)據(jù)，與原始數(shù)據(jù)比較。相同則在環(huán)上刪除此幀。4.7.1令牌環(huán)網(wǎng)幀格式：4.7.1令牌環(huán)網(wǎng)維護：每個令牌環(huán)網(wǎng)中有一個活動監(jiān)控站，用來管理網(wǎng)絡(luò)運行。由“監(jiān)控站爭用”協(xié)議選取。啟動和監(jiān)視網(wǎng)環(huán)輪詢監(jiān)視令牌傳輸，確保令牌不丟失清楚無效幀提供環(huán)路最小延遲提供主控時鐘4.7.2令牌總線網(wǎng)工作原理：在總線拓撲結(jié)構(gòu)上建立一個邏輯環(huán)。沒有沖突。幀格式：維護：初始化故障恢復(fù)增刪站點