1、第5章 局域網(wǎng)基本工作原理,5.1 局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 5.2 IEEE 802模型與協(xié)議 5.3 共享介質(zhì)局域網(wǎng)的工作原理 5.4 高速局域網(wǎng)的工作原理 5.5 虛擬局域網(wǎng),主 要 內(nèi) 容,5.1 局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),1、局域網(wǎng)的主要特點(diǎn) 局域網(wǎng)覆蓋有限的地理范圍，它適用于公司、機(jī)關(guān)、校園、工廠等有限范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)、終端與各類信息處理設(shè)備連網(wǎng)的需求。 局域網(wǎng)提供高數(shù)據(jù)傳輸速率（10100 Mb/s）、低誤碼率的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 000 Mb/s的高速局域網(wǎng)正在發(fā)展中。 局域網(wǎng)一般屬于一個(gè)單位所有，易于建立、維護(hù)與擴(kuò)展，系統(tǒng)靈活性高。 決定局域網(wǎng)特性的主要技術(shù)要素為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2、結(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)與介質(zhì)訪問(wèn)控制方法。 從介質(zhì)訪問(wèn)控制方法的角度來(lái)看，局域網(wǎng)可分為共享介質(zhì)式局域網(wǎng)與交換式局域兩類。 局域網(wǎng)可支持多種傳輸介質(zhì)，如同軸電纜、雙絞線和光纖等。 在局域網(wǎng)中，通信處理功能一般都被固化在一塊稱為網(wǎng)絡(luò)適配器的電路板上。,2、局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 從網(wǎng)絡(luò)通信布線方式看，將結(jié)點(diǎn)（即連到網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備，如服務(wù)器、工作站以及其他外圍設(shè)備）用通信鏈路（即傳輸介質(zhì)）在物理上或邏輯上連接在一起的布線結(jié)構(gòu)，就是通常所說(shuō)的局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在局域網(wǎng)最常用、最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型拓?fù)?、環(huán)型拓?fù)浜托切屯負(fù)淙N。 （1）總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 總線型拓?fù)洌˙us Topology）是將服務(wù)器和工作站都連到

3、一條公共的電纜線上。網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點(diǎn)共享這條公共通信線路?？偩€型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又被稱為廣播式網(wǎng)絡(luò)。, 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，可靠性較高。 硬件設(shè)備少，組網(wǎng)成本較低。 安裝、使用和維護(hù)方便，可擴(kuò)充性好。 共享能力強(qiáng)，適合于一點(diǎn)發(fā)送，多點(diǎn)接收的場(chǎng)合。 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn): 由于網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點(diǎn)共享總線，在信息傳輸量較大的場(chǎng)合容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，如果出現(xiàn)電縷故障，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓。,（2）環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Ring Topology）是一種所有的結(jié)點(diǎn)通過(guò)環(huán)路接口分別連接到它相鄰的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)上，從而形成一種首尾相接的閉環(huán)通信網(wǎng)絡(luò)。, 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn): 信息單向傳輸，不需路由選擇，無(wú)

4、沖突。 當(dāng)有旁路電路時(shí)，某個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)可自動(dòng)旁路，可靠性較高。 網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)固定，適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合。 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn): 隨著結(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，傳輸效率會(huì)降低，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。 靈活性差。,（3）星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星型拓?fù)洌⊿tar Topology）是網(wǎng)絡(luò)上所有結(jié)點(diǎn)都和中心結(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，中心結(jié)點(diǎn)可以是服務(wù)器，也可以是連接器等設(shè)備。, 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn): 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組建、維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)容易。 網(wǎng)絡(luò)有較好的擴(kuò)充能力。 網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)較短，誤碼率較低。 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn): 最大缺點(diǎn)是中央結(jié)點(diǎn)的負(fù)荷過(guò)重，當(dāng)HUB故障時(shí)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。 網(wǎng)絡(luò)資源共享能力差，通信線

5、路利用率低。,三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較,5.2 IEEE 802模型與協(xié)議,1、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方法 目前局域網(wǎng)常用的三種訪問(wèn)控制方式就分別對(duì)應(yīng)于不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們是： 帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(wèn)； 令牌環(huán)訪問(wèn)控制； 令牌總線訪問(wèn)控制。,2、IEEE 802參考模型, 物理層 物理層主要處理在物理鏈路上發(fā)送、傳遞和接收非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流，包括對(duì)帶寬的頻道分配和對(duì)基帶的信號(hào)調(diào)制，建立、維持、撤消物理鏈路等。并要實(shí)現(xiàn)電氣、機(jī)械、功能和過(guò)程（或規(guī)程）四大特性的匹配 數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層的功能分別由MAC子層和LLC子層承擔(dān)。 介質(zhì)訪問(wèn)控制層MAC MAC子層支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路功能，并為L(zhǎng)LC子層提供

6、服務(wù)。 邏輯鏈路控制層LLC 它向高層提供一個(gè)或多個(gè)訪問(wèn)點(diǎn)LSAP，用于同網(wǎng)絡(luò)層通信的邏輯接口。 LLC子層目前提供三種服務(wù)方式： 不確認(rèn)無(wú)連接服務(wù)。 連接方式服務(wù)。 確認(rèn)的無(wú)連接服務(wù)。,3、IEEE 802標(biāo)準(zhǔn),IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)，定義了局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)際互連協(xié)議； IEEE 802.2標(biāo)準(zhǔn)，定義了邏輯鏈路控制LLC，是高層協(xié)議與MAC子層間的接口； IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，定義了CSMA/CD訪問(wèn)控制方法，定義了CSMA/CD總線的MAC子層和物理層標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.4標(biāo)準(zhǔn)，定義了令牌總線訪問(wèn)控制方法，定義了令牌總線網(wǎng)的MAC子層和物理層標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 80

7、2.5標(biāo)準(zhǔn)，定義了令牌環(huán)訪問(wèn)控制方法，定義了令牌環(huán)網(wǎng)的MAC子層和物理層標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.6標(biāo)準(zhǔn)，定義了城域網(wǎng)訪問(wèn)控制方法，定義了城域網(wǎng)的MAC子層和物理層標(biāo)準(zhǔn)；,IEEE 802.7標(biāo)準(zhǔn)，定義了寬帶局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.8標(biāo)準(zhǔn)，定義了光纖局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.9標(biāo)準(zhǔn)，定義了綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.10標(biāo)準(zhǔn)，定義了交互性局域網(wǎng)安全性標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，定義了無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.12標(biāo)準(zhǔn)，定義了100VG-AnyLAN規(guī)范； IEEE 802.14標(biāo)準(zhǔn)，定義了電纜調(diào)制解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)，定義了近距

8、離個(gè)人無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)； IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，定義了寬帶無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。,5.3 共享介質(zhì)局域網(wǎng)的工作原理,從介質(zhì)訪問(wèn)控制方法的角度，局域網(wǎng)可以分為共享介質(zhì)局域網(wǎng)和交換局域網(wǎng)兩類。IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)定義的共享介質(zhì)局域網(wǎng)有以下三類。 采用CSMACD介質(zhì)訪問(wèn)控制方法的總線型局域網(wǎng)。 采用Token Bus介質(zhì)訪問(wèn)控制方法的總線型局域網(wǎng)。 采用Token Ring介質(zhì)訪問(wèn)控制方法的環(huán)型局域網(wǎng)。 1 、以太網(wǎng)的工作原理 以太網(wǎng)（Ethernet）的核心技術(shù)是隨機(jī)爭(zhēng)用型介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，即帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(wèn)（CSMACD，Carrier Sense Multiple Access

9、with Collision Detection）方法。 CSMACD方法用來(lái)解決多結(jié)點(diǎn)如何共享公用總線的問(wèn)題。,以太網(wǎng)的發(fā)送:先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停止，延遲重發(fā),以太網(wǎng)的接收,圖5-6 CSMA/CD的工作原理,以太網(wǎng)總結(jié): 采用分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，沒(méi)有集中控制中心 采用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，網(wǎng)中的所有結(jié)點(diǎn)具有相同的優(yōu)先級(jí) 發(fā)送等待延遲不固定 比較適宜于低負(fù)載和中負(fù)載應(yīng)用環(huán)境 實(shí)現(xiàn)容易，組網(wǎng)方便 最常使用的一種局域網(wǎng),2、令牌環(huán)的工作原理 令牌環(huán)是一種適用于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。 在令牌環(huán)網(wǎng)中，令牌也叫通行證，它具有特殊的格式和標(biāo)記。令牌有“忙（Busy）”和“空閑（Free）”兩種

10、狀態(tài)。,圖5-7 Token Ring 的工作原理,(1)網(wǎng)上所有站點(diǎn)都處于空閑時(shí)，令牌沿環(huán)繞行 (2)發(fā)送站點(diǎn) 必須等待，直到捕獲到令牌 發(fā)送數(shù)據(jù)幀 釋放令牌 吸收數(shù)據(jù)幀（繞環(huán)一周后） (3)中間站點(diǎn)（數(shù)據(jù)幀的目的地址與自己不同） 轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)上的數(shù)據(jù)幀 (4)接收站點(diǎn)（數(shù)據(jù)幀的目的地址與自己相同） 拷貝環(huán)上的數(shù)據(jù)幀 轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)上的數(shù)據(jù)幀,數(shù)據(jù)傳輸實(shí)例（1）,數(shù)據(jù)傳輸實(shí)例（）,站點(diǎn)A、B分別向站點(diǎn)C、D發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸實(shí)例（）,站點(diǎn)A、B分別向站點(diǎn)C、D發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸實(shí)例（）,站點(diǎn)A、B分別向站點(diǎn)C、D發(fā)送數(shù)據(jù),圖5-5 令牌總線的工作原理,令牌總線網(wǎng)（Token-Bus）和令牌環(huán)網(wǎng)（Token

11、-Ring）均采用令牌（Token）技術(shù)，區(qū)別是令牌環(huán)網(wǎng)物理上和邏輯上都為環(huán)形，而令牌總線網(wǎng)物理上為總線形，而邏輯上建立一個(gè)令牌傳遞環(huán)。 Token-Bus訪問(wèn)控制是在物理總線上建立起一條用于令牌傳遞的邏輯環(huán)?？梢蕴峁┎煌姆?wù)級(jí)別即不同的優(yōu)先級(jí)，允許不同的站點(diǎn)持有令牌的時(shí)間長(zhǎng)短不同，從而相應(yīng)調(diào)節(jié)通信量。,5.4 高速局域網(wǎng)的工作原理,1、推動(dòng)局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的因素 個(gè)人計(jì)算機(jī)的速度提高的要求: 在過(guò)去二十年中，計(jì)算機(jī)的處理速度提高了百萬(wàn)倍，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率只提高了上千倍； 基于Web的Internet/Intranet應(yīng)用也要求更高的帶寬； 在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、桌面電視會(huì)議、3D圖形與高清晰度圖像這

12、類應(yīng)用中，人們需要有更高帶寬的局域網(wǎng)。 2、傳統(tǒng)共享式局域網(wǎng)的缺點(diǎn) 傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術(shù)是建立在“共享介質(zhì)”的基礎(chǔ)上，典型的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus； 只有通過(guò)介質(zhì)訪問(wèn)控制方法才能保證每個(gè)結(jié)點(diǎn)得到“公平”地使用公共傳輸介質(zhì)； 每個(gè)結(jié)點(diǎn)平均能分配到的帶寬隨著結(jié)點(diǎn)數(shù)的不斷增加而急劇減少； 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷加重時(shí)，沖突和重發(fā)現(xiàn)象將大量發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)效率將會(huì)下降，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲將會(huì)增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量將會(huì)下降。,3、高速局域網(wǎng)的解決方法 第一種方案：提高Ethernet的數(shù)據(jù)傳輸速率(10Mb/s100Mb/s10Gb/s )，導(dǎo)致新產(chǎn)品開發(fā)； 第二種方案：將一個(gè)大

13、型局域網(wǎng)劃分成多個(gè)用網(wǎng)橋或路由器互連的子網(wǎng)，導(dǎo)致了局域網(wǎng)互連技術(shù)的發(fā)展； 第三種方案：將“共享介質(zhì)方式”改為“交換方式”，導(dǎo)致了“交換式局域網(wǎng)”技術(shù)的發(fā)展。 采用更先進(jìn)的技術(shù)。例如，采用ATM交換技術(shù)的局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間降至2030 ms，它更適合于交互式多媒體信息處理應(yīng)用的場(chǎng)合。 一般我們將數(shù)據(jù)傳輸速率在100 Mb/s以上的網(wǎng)絡(luò)稱為高速局域網(wǎng)。目前典型的高速局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有100BASE-T、1000BASE-T和FDDI系列的高速局域網(wǎng)。它們的主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率大于或等于100 Mb/s。,共享式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)的比較,局域網(wǎng)產(chǎn)品類型與相互之間的關(guān)系,4、高速局域網(wǎng)技術(shù) （1）百兆以

14、太網(wǎng)技術(shù)（快速以太網(wǎng)Fast Ethemet） 100 BASE-T技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 100 BASE-TX 100 BASE-T4 Fast Ethernet的傳輸速率比普通Ethernet快10倍，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了100Mb/s； Fast Ethernet與以太網(wǎng)的幀格式、介質(zhì)訪問(wèn)控制方法與組網(wǎng)方法相同； 每個(gè)比特的發(fā)送時(shí)間由100ns降低到了10ns； 1995年9月，IEEE 802委員會(huì)正式批準(zhǔn)了Fast Ethernet標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3u。,Fast Ethernet的協(xié)議結(jié)構(gòu),只是在物理層做了一些調(diào)整； 在物理層和介質(zhì)訪問(wèn)子層之間增加了介質(zhì)專用接口； 不同的傳輸介質(zhì)不會(huì)影響M

15、AC層； 有3種傳輸介質(zhì)。,（2）千兆以太網(wǎng)技術(shù) 用Ethernet組建企業(yè)網(wǎng)的全面解決方案： 桌面系統(tǒng)采用傳輸速率為10Mb/s的Ethernet； 部門級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用傳輸速率為100Mb/s的Fast Ethernet； 企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用傳輸速率為1000Mb/s的Gigabit Ethernet。,Gigabit Ethernet的協(xié)議結(jié)構(gòu),（3）FDDI網(wǎng) 光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI，F(xiàn)iber Distributed Data Interface）是一種以光纖作為傳輸介質(zhì)的高速主干網(wǎng)，它可以用來(lái)互連局域網(wǎng)與計(jì)算機(jī)。 FDDI的技術(shù)特點(diǎn)如下： 使用基于IEEE802.5的單令牌的環(huán)

16、網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC協(xié)議。 使用IEEE802.2協(xié)議，與符合IEEE802標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)兼容。 數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mb/s，連網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)數(shù)1000，環(huán)路長(zhǎng)度為100 km。 可以使用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，具有容錯(cuò)能力。 可以使用多?；騿文９饫w。 具有動(dòng)態(tài)分配帶寬的能力，能支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸。,5、交換局域網(wǎng)技術(shù)的工作原理 （1）交換式局域網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) 交換式局域網(wǎng)的核心設(shè)備是局域網(wǎng)交換機(jī)，局域網(wǎng)交換機(jī)可以在它的多個(gè)端口之間建立多個(gè)并發(fā)連接。 典型的交換式局域網(wǎng)是交換式以太網(wǎng)（switched Ethernet），它的核心部件是以太網(wǎng)交換機(jī)（Ethernet switch）。,圖5-6 交換式Ethe

17、rnet的結(jié)構(gòu),（2）局域網(wǎng)交換機(jī)的工作原理,表5-1端口號(hào)MAC地址映射表,（3）交換機(jī)的幀轉(zhuǎn)發(fā)方式 直接交換方式 在直接交換（cut through）方式中，交換機(jī)只要接收并檢測(cè)到目的地址字段，就立即將該幀轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不管這一幀數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)。幀出錯(cuò)檢測(cè)任務(wù)由結(jié)點(diǎn)主機(jī)完成。 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式 在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（store and forward）方式中，交換機(jī)首先完整地接收發(fā)送幀，并先進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。如果接收幀是正確的，則根據(jù)幀目的地址確定輸出端口號(hào)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)出去。 改進(jìn)的直接交換方式 改進(jìn)的直接交換方式則將上述兩種方式結(jié)合起來(lái)。它在接收到幀的前64字節(jié)后，判斷Ethernet幀的幀頭字段是否正確

18、，如果正確則轉(zhuǎn)發(fā)出去。,6、交換局域網(wǎng)技術(shù)的主要技術(shù)特點(diǎn) 低交換傳輸延遲。 高傳輸帶寬。 支持不同的傳輸速率和工作模式。 支持虛擬局域網(wǎng)服務(wù)。,5.5 虛擬局域網(wǎng),1、虛擬網(wǎng)絡(luò)(VLAN)的概念 虛擬網(wǎng)絡(luò)建立在局域網(wǎng)交換機(jī)之上; 以軟件方式實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯工作組的劃分與管理; 邏輯工作組的結(jié)點(diǎn)組成不受物理位置的限制; 一個(gè)邏輯工作組的結(jié)點(diǎn)可以分布在不同的物理網(wǎng)段上，但它們之間的通信就像在同一個(gè)物理網(wǎng)段上一樣。 2、虛擬局域網(wǎng)的特點(diǎn) 靈活的、軟定義的、邊界獨(dú)立于物理媒質(zhì)的設(shè)備群。 廣播流量被限制在軟定義的邊界內(nèi)、提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。 在同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)成員之間提供低延遲、線速的通信。,3、虛擬局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù),虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)打破了地理環(huán)境的制約,在不改動(dòng)網(wǎng)絡(luò)物理連接的情況下可以任意將工作站在工作組或子網(wǎng)之間移動(dòng),工作站組成邏輯工作組或虛擬子網(wǎng),提高信息系統(tǒng)的運(yùn)作性能,均衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量,合理利