计算机网络应用技术第3章.ppt

第3章局域网与城域网技术3.1局域网的技术特点3.2局域网的拓扑结构3.3IEEE 802参考模型与协议3.4共享介质局域网的工作原理3.5高速局域网技术3.6交换式局域网技术3.7虚拟局域网技术13.8主要的城域网技术3.9本章总结2 本章简介本章简介目前，局域网技术的发展极为迅速。它已在信息管理与信息服务领域中得到了广泛的应用，因此是读者应该重点学习与掌握的内容。本章介绍局域网的技术特点、局域网的拓扑结构、共享介质局域网的工作原理、交换局域网的工作原理、高速局域网的工作原理、虚拟局域网的工作原理，以及主要的城域网技术。3 3.1局域网的技术特点局域网的主要特点归纳为以下几点：局域网是一种数据通信网络。连入局域网的数据通信设备是广义的，包括计算机、终端与各种外部设备。局域网覆盖一个较小的地理范围，从一个办公室、一幢大楼到几平方公里的区域。4 随着局域网体系结构、协议标准研究的进展，操作系统的发展，光纤技术的引入，以及高速局域网技术的发展，局域网技术特征与性能参数发生了很大的变化，早期对局域网的定义与分类已发生了很大的变化。从局域网应用的角度看，局域网的技术特点技术特点主要表现在以下几个方面：局域网覆盖有限的地理范围局域网提供高数据传输速率（10M1000Mbps）、低误码率的高质量数据传输环境。局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。局域网的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质局域网共享介质局域网与交换局域网两类。与交换局域网两类。53.2局域网的拓扑结构 v局域网在传输介质、介质存取控制方法上形成了自己的特点。v局域网在网络拓扑结构上主要分为总线型、环型与星型结构三种，在网络传输介质上主要采用双绞线、同轴电缆与光纤双绞线、同轴电缆与光纤等。v需要指出的是：需要指出的是：任何实际应用的局域网可能是一种或几种基本拓扑的扩展与组合。63.2.1总线型拓扑结构1.总线型拓扑结构 v总线型局域网的拓扑结构如图3-1所示。v总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质共享介质”方式。v总线型拓扑结构的优点是：结构简单，结构简单，实现容易，易于扩展，可靠性较好。实现容易，易于扩展，可靠性较好。7图图 3.182.总线型拓扑结构的特点总线型局域网的主要特点是：v所有结点都通过网卡直接连接到一条作为公共传所有结点都通过网卡直接连接到一条作为公共传输介质的总线上。输介质的总线上。v总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。v所有结点都可以通过总线发送或接收数据，但一所有结点都可以通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。当段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。当一个结点通过总线传输介质以一个结点通过总线传输介质以广播广播方式发送数方式发送数据时，其他的结点只能以据时，其他的结点只能以收听收听方式接收数据。方式接收数据。9由于总线作为公共传输介质为多个结点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点通过总线发送数据的情况，因此会出现冲突（collision）导致传输失败。冲突现象如图3.2所示。图图 3.210 网卡的作用 o网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network Interface Card)，或“网卡”。o网卡的重要功能：n进行串行/并行转换。n对数据进行缓存。n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。n实现以太网协议。11计算机通过网卡和局域网进行通信 CPU高速缓存存储器I/O 总线计算机至局域网网络接口卡（网卡）串行通信并行通信123.2.2环型拓扑结构v环型局域网的拓扑结构如图3.3所示。v在环型拓扑结构中，结点通过相应的网卡网卡，使用点-点线路连接，构成闭合的环型。v环中数据沿着一个方向绕环逐站传输。沿着一个方向绕环逐站传输。13图图 3.3环形拓扑的实现技术中也要解决介质访问控制方法问题，解决介质访问控制方法问题，一般采用某种分布式控制方法，环中每个结点都要执行发送与接收控制逻辑。143.2.3星型拓扑结构v在出现交换局域网（switched LAN）后，才真正出现了物理结构与逻辑结构统一的星型拓扑结构。v交换局域网的中心结点是一种局域网交换机。在典型的交换局域网中，结点可以通过点-点线路与局域网交换机连接。15图图 3.4局域网交换机可以在多对通信结点之间建立并发的逻辑连接。典型的星型局域网的拓扑结构如图3.4所示。163.3IEEE 802参考模型与协议u局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道。早期应用最多的是同轴电缆。随着技术发展，双绞线与光纤的应用发展十分迅速。尤其是双绞线的发展，目前已能用于数据传输速率为100Mbps、1Gbps的高速局域网中，因此引起了人们普遍的关注。u传统的局域网采用了共享介质的工作方式。为了实现对多结点使用共享介质发送和接收数据的控制，经过多年的研究，人们提出了很多种介质访问控制方法。u目前被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法主要有以下三种：带有冲突检测的载波侦听多路访问令牌总线（token bus）方法令牌环（token ring）方法。171.IEEE 802参考模型u在1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会（简称IEEE 802委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE 802标准。uIEEE 802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系如图3.5所示。IEEE 802参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层与物理层。18图图 3.519数据链路层的两个子层 o为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：n逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层n介质接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。o与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 20以后一般不考虑 LLC 子层 o由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。o很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。212.IEEE 802标准IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE 802标准。IEEE 802标准之间的关系如图3.6所示。图图 3.6定义了局域网体系结构、网络互连以及网络管理与性能测试定义了逻辑链路控制子层功能与服务定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范定义了令牌总线介质访问控制子层与物理层规范定义了令牌环介质访问控制子层与物理层规范定义了城域网介质访问控制子层与物理层规范定义了综合语音与数据局域网（IVD-LAN）技术定义了无线局域网技术IEEE 802.7标准定义了宽带网络技术。IEEE 802.8标准定义了光纤传输技术。IEEE 802.10标准定义了可互操作的局域网安全性规范（SILS）。223.4共享介质局域网的工作原理3.4.1以太网的工作原理u目前应用最广的一类局域网是总线型局域网，即以太网（Ethernet）。u 它的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，carrier sense multiple access with collision detection）方法。2324以太网的广播方式发送 u总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。u由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。u其他所有的计算机（A,C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。u具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。25为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 u采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。u以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。n这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。26以太网提供的服务 u以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。u当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。u如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。271.CSMA/CD的定义vCSMA/CD 方法用来解决多结点如何共享公用总线 的问题。v在以太网中，任何结点都没有可预约的发送时间，它们的发送都是随机的，并且网中不存在集中控制的结点，网中结点都必须平等地争用发送时间，这种介质访问控制属于随机争用型方法，后又增加了载波侦听功能。28载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CDoCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。o“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。o“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。o总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。29碰撞检测o“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。o当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。o当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。o所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。30检测到碰撞后o在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。o每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。311 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0 A 检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B 检测到发生碰撞停止发送STOPt=2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 322.CSMA/CD 的工作原理为了有效地实现分布式多结点访问公共传输介质的控制策略，CSMA/CD的发送流程可以简单地概括为四点：先听后发先听后发边听边发边听边发冲突停止冲突停止随机延迟后重发随机延迟后重发33图图 3.7图3.7显示了采用CSMA/CD方法的总线型局域网的工作过程。343.4.2令牌环与令牌总线的工作原理 1.令牌总线的工作原理v在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。v令牌是一种特殊结构的控制帧，控制帧，用来控制结点对总线的访问权。图3.8给出了正常的稳态操作时令牌总线的工作过程。35图图 3.8361.正常的稳态操作正常的稳态操作，是指在网络已完成初始化之后，各结点进入正常传递令牌与数据，并且没有结点要加入或撤出，没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。此时，每个结点有本站地址（TS），并知道上一结点地址（PS）与下一结点地址（NS）。2.令牌传递规定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环逻辑环。3.环中令牌传递顺序与结点在总线上的物理位置无关。因此，令牌总线网在物理上是总线网，而在逻辑上是环网。令牌帧含有一个目的地址，接收到令牌帧的结点可以在令牌持有最大时间内发送一个或多个帧。1.令牌总线的工作原理372.令牌环的工作原理u令牌环介质访问控制技术最早开始于1969年贝尔研究室的Newhall环网，最有影响的令牌环网是IBM公司的令牌环。u在令牌环中，结点通过环接口连接成物理环形。令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位标志令牌的忙/闲。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排列的顺序相同。图3.9给出了令牌环的基本工作过程。38图图 3.9u缺点主要是：环维护复杂，实现较困难。优点：环中结点访问延迟确定，适用于重负载环境，支持优先级服务39令牌环的工作原理结点A有数据帧要发送等待空闲令牌的到来将令牌标志位由“闲”变为“忙”传送数据帧结点B、C、D将依次接收到数据帧结点C在正确接收该数据帧在帧中标志出帧已被正确接收和复制结点A重新接收到自己发出的、已被目的结点正确接收的数据帧回收已发送的数据帧将忙令牌改成空闲令牌将空闲令牌向它的下一结点传送40 3.5高速局域网技术 3.5.1 高速局域网的研究方法 1.高速局域网的发展推动局域网发展的直接因素是个人计算机的广泛应用。在过去的20年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍。大量用于办公自动化与信息处理的计算机必然要连网，这就使局域网的规模不断增大，网络通信量的进一步增加，用户对局域网的带宽与性能提出了更高的要求。41u传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，网中所有结点共享一条公共通信传输介质，需要使用介质访问控制方法来控制结点传输数据。例如对于带宽为10Mbps的局域网络，局域网中有n个结点，那么每个结点平均能分配到的带宽为10Mbps/n。u随着局域网规模不断扩大，结点数的不断增加，每个结点平均能分配到的带宽将越来越少。u因此，当网络结点数增大，网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率与网络服务质量将会急剧下降。高速局域网的发展42v 提高提高Ethernet的数据传输速率，在这个方案的数据传输速率，在这个方案中，介质访问控制仍采用中，介质访问控制仍采用CSMA/CD方法。方法。u 将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，这就导致了局域网互连技术的发互连的子网，这就导致了局域网互连技术的发展。每个子网的介质访问控制仍采用展。每个子网的介质访问控制仍采用CSMA/CD的方法。的方法。u 将将共享介质方式共享介质方式改为改为交换方式交换方式，这就导致，这就导致了了交换局域网交换局域网技术的发展。交换局域网的核技术的发展。交换局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。它的多个端口之间建立多个并发连接。为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出了以下几种解决方案：432.局域网的分类方法从目前的发展情况来看，局域网可以分为以下两类：共享介质局域网共享介质局域网（shared LAN）交换式局域网交换式局域网（switched LAN）。局域网产品之间的关系如图3.10所示。44图图 3.1045 3.5.2快速以太网传统的共享介质局域网主要有以太网、令牌总线与令牌环，而目前应用最广泛的是以太网。461.快速以太网的发展随着局域网应用的深入，用户对局域网带宽提出更高的要求。人们只有两条路可以选择：u重新设计一种新的局域网体系结构与介质访问控制方法，去取代传统的局域网技术；u保持传统的局域网体系结构与介质控制方法不变，设法提高局域网的传统速率。对目前已大量存在的以太网来说，要保护用户已有的投资，同时又要增加网络的带宽，快速以太网（fast Ethernet）是符合后一种要求的新一代高速局网。472.快速以太网的协议结构u快速以太网保留着传统以太网的所有特征，包括相同的数据帧格式、介质访问控制方法与组网方法，1995年9月，IEEE 802委员会正式批准了快速以太网标准（IEEE 802.3 u）。uIEEE 802.3 u标准在LLC子层使用IEEE 802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，只是在物理层作了一些必要的调整，定义了新的物理层标准（100 BASE-T）。u快速以太网的协议结构如图3.11所示。48图图 3.11支持两对5类非屏蔽双绞线（UTP）或两对一类屏蔽双绞线（STP）。一对5类UTP或一对一类STP用于发送，而另一对双绞线用于接收。因此，100 BASE-TX是一个全双工系统，每个结点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。支持4对3类非屏蔽双绞线，其中3对用于数据传输，一对用于冲突检测支持2芯的多模或单模光纤。100 BASE-FX主要是用作高速主干网，从结点到集线器的距离可以达到2km，它是一种全双工系统。专用接口493.5.3千兆以太网 1.千兆以太网的发展v在数据仓库、桌面电视会议、三维图形与高清晰度图像这类应用中，人们不得不寻求拥有更高带宽的局域网。v普通以太网、快速以太网与千兆以太网有很多相似之处，局域网系统升级到快速以太网或千兆以太网时，网络技术人员不需要重新进行培训。v设想一种用以太网组建企业网的全面解决方案：桌面系统采用传输速率为10Mbps的以太网，部门级系统采用传输速率为100Mbps的快速以太网，企业级系统采用传输速率为1000Mbps的千兆以太网。u从以上分析中可以看出，千兆以太网有着很好的应用前景，它能否应用的关键在于协议是否标准化。50 2.千兆以太网的协议结构u1995年11月，IEEE 802.3委员会成立了高速网研究组。u1998年2月，IEEE 802委员会正式批准了千兆以太网标准（IEEE 802.3 z）。51千兆以太网的协议结构如图3.12所示。图图 3.12IEEE 802.3 z标准在LLC子层使用IEEE 802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，只是在物理层作了一些必要的调整，它定义了新的物理层标准（1000 BASET）。1000 BASET标准定义了千兆介质专用接口（GMII，gigabit media independent interface），它将MAC 子层与物理层分隔开来。这样，物理层在实现1000Mbps 速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。523.6 交换式局域网技术u在传统的共享介质局域网中，所有结点共享一条公共通信传输介质，不可避免将会有冲突发生。u随着局域网规模的扩大，网中结点数的不断增加，每个结点平均能分配到的带宽越来越少。因此，当网络通信负荷加重时，冲突与重发现象将大量发生，网络效率将会急剧下降。u为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出将共享介质方式改为交换方式，从而促进了交换式局域网的发展。53 3.6.1交换式局域网的基本结构u交换式局域网的核心设备是局域网交换机局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。u图3.13显示了共享介质局域网与交换局域网工作原理的区别。为了保护用户已有的投资，局域网交换机一般是针对某种局域网设计的。54图图 3.13当连接到集线器中的一个结点发送数据时，它将用广播方式将数据传送到集线器的每个端口通过以太网交换机支持交换机端口结点之间的多个并发连接，可以实现多结点之间数据的并发传输。因此，交换式局域网可以增加网络带宽，改善局域网的性能与服务质量55一系二系三系集线器集线器集线器集线器主干集线器以太网交换机集线器典型的交换式局域网是交换式以太网交换式以太网（switched Ethernet），它的核心部件是以太网交换机（Ethernet switch）。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个以太网集线器（hub）连接。如下图：563.6.2局域网交换机的工作原理1.局域网交换机的工作原理典型的局域网交换机结构与工作过程如图3.14所示。57图图 3.14端口1、4、5、6分别连接了结点A、B、C、D。那么交换机的端口号/MAC地址映射表就可以根据以上端口号与结点MAC地址的对应关系建立起来结点A与结点D同时要发送数据，那么它们可以分别在以太网帧的目的地址字段（DA，destination address）中填上该帧的目的地址结点A要向结点C发送帧，该帧的目的地址DA=结点C；结点D要向结点B发送，那么该帧的目的地址DA=结点B。当结点A、结点D同时通过交换机传送以太网帧时，交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC地址映射表”的对应关系找出对应帧目的地址的输出端口号，那么它就可以为结点A到结点C建立端口1到端口5的连接，同时为结点D到结点B建立端口6到端口4的连接。端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。58以太网交换机集线器 2.交换机的帧转发方式 直接交换方式存储转发交换方式改进直接交换方式交换机只要接收并检测到目的地址字段，立即将该帧转发出去，而不管这一帧数据是否出错。帧出错检测任务由结点主机完成。这种交换方式的优点是交换延迟时间短;缺点是缺乏差错检测能力，不支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发。交换机首先完整的接收发送帧，并先进行差错检测。如果接收帧是正确的，则根据帧目的地址确定输出端口号，然后再转发出去。这种交换方式的优点是具有帧差错检测能力，并能支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发，缺点是交换延迟时间将会增长在接收到帧的前64字节后，判断以太网帧的帧头字段是否正确，如果正确则转发出去。这种方法对于短的以太网帧来说，其交换延迟时间与直接交换方式比较接近；而对于长的以太网帧来说，由于它只对帧的地址字段与控制字段进行了差错检测，因此交换延迟时间将会减少。593.7虚拟局域网技术3.7.1虚拟网络的概念u虚拟网络（virtual network）是建立在交换技术基础上的。u交换式局域网是虚拟局域网的基础。u将网络上的结点按工作性质与需要，划分成若干个逻辑工作组，那么一个逻辑工作组就是一个虚拟网络。60u在传统的局域网中，通常一个工作组是在同一个网 段上，每个网段可以是一个逻辑工作组或子网。多个逻辑工作组之间通过实现互连的网桥或路由器来交换数据。u一个逻辑工作组的结点要转移到另一个逻辑工作组时，就需要将结点计算机从一个网段撤出，连接到另一个网段上，甚至需要重新进行布线。逻辑工作组的组成就要受结点所在网段的物理位置限制。虚拟局域网的概念虚拟局域网的概念61u虚拟网络建立在局域网交换机（或ATM交换机）之上，它以软件方式来实现逻辑工作组的划分与管理，逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制。u同一逻辑工作组的成员不一定要连接在同一个物理网段上，它们可以连接在同一个局域网交换机上，也可以连接在不同的局域网交换机上，只要这些交换机是互连的就可以。u当一个结点从一个逻辑工作组转移到另一个逻辑工作组时，只需要简单地通过软件设定，而不需要改变它在网络中的物理位置它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。虚拟局域网的概念虚拟局域网的概念62o虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。n这些网段具有某些共同的需求。n每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。o虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。虚拟局域网的概念虚拟局域网的概念63以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成 64以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。65以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成 B1 发送数据时，工作站 A1,A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。66以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。67o虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。虚拟局域网使用的以太网帧格式 802.3MAC 帧字节66246 15004MAC 帧目地地址源地址长度/类型数 据FCS长度/类型=802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节2 字节插入 4 字节的 VLAN 标记4用户优先级CFI683.7.3 虚拟局域网的组网方法v交换技术本身就涉及到网络的多个层次，因此虚拟网络也可以在网络的不同层次上实现。v不同虚拟局域网组网方法的区别，主要表现在对虚拟局域网成员的定义方法上，通常有以下四种：69(1)用交换机端口号定义虚拟局域网u用局域网交换机端口划分虚拟局域网成员是最通用的方法。如图3.16所示，其组网方式一般有两种：u一个交换机内部、跨越不同的交换机。70图图 3.16不允许不同的虚拟局域网包含相同的物理网段或交换端口当用户从一个端口移动到另一个端口时，网络管理者必须对虚拟局域网成员进行重新配置71(2)用 MAC地址定义虚拟局域网u这种方法具有自己的优点：由于结点的MAC地址是与硬件相关的地址，所以用结点的MAC地址定义的虚拟局域网，允许结点移动到网络其他物理网段。由于结点的MAC地址不变，所以该结点将自动保持原来的虚拟局域网成员地位。u用MAC 地址定义虚拟局域网的缺点是：要求所有用户在初始阶段必须配置到至少一个虚拟局域网中，初始配置通过人工完成，随后就可以自动跟踪用户。但在大规模网络中，初始化时把上千个用户配置到某个虚拟局域网中显然是很麻烦的。72(3)用网络层地址定义虚拟局域网一种定义虚拟局域网的方法是使用结点的网络层地址，例如用IP地址来定义虚拟局域网。这种方法具有自己的优点：u它允许按照协议类型来组成虚拟局域网，这有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网；u用户可以随意移动结点而无需重新配置网络地址与用MAC地址定义虚拟局域网或用端口地址定义虚拟局域网的方法相比，用网络层地址定义虚拟局域网方法的缺点：u性能比较差。u检查网络层地址比检查MAC地址要花费更多的时间u因此用网络层地址定义虚拟局域网的速度会比较慢。73(4)IP广播组虚拟局域网广播组虚拟局域网u这种虚拟局域网的建立是动态的。u虚拟局域网中由叫做代理的设备对虚拟局域网中的成员进行管理。当IP广播包要送达多个目的结点时，就动态建立虚拟局域网代理，这个代理和多个IP结点组成IP广播组虚拟局域网。u网络用广播信息通知各IP站，表明网络中存在IP广播组，结点如果响应信息，就可以加入IP广播组，成为虚拟局域网中的一员，与虚拟局域网中的其他成员通信。uIP广播组中的所有结点属于同一个虚拟局域网，但它们只是特定时间段内特定IP广播组的成员。IP广播组虚拟局域网的动态特性提供了很高的灵活性，而且它可以跨越路由器形成与广域网的互连。743.8 无线局域网3.8.1 无线局域网的组成o有固定基础设施的无线局域网基本服务集 BSS扩展的服务集 ESS基本服务集 BSSAB漫游接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网75o有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集 ESS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。76o有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集 ESS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网基本服务集中的基站叫做接入点 AP(Access Point)其作用和网桥相似。77扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS(Distribution System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。78扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS门桥门桥802.x局域网因特网移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。79无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network)自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点o自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。80移动自组网络的应用前景 o在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。o这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。o当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的，813.8.2 802.11 标准中的物理层o1997 年 IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分，802.11。在1999年又制订了剩下的两部分，802.11a 和 802.11b。o802.11 的物理层有以下三种实现方法：n跳频扩频 FHSSn直接序列扩频 DSSSn红外线 IR 82802.11 标准中的物理层（续）o802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带，采用正交频分复用 OFDM，它也叫做多载波调制技术（载波数可多达 52 个）。可以使用的数据率为 6,9,12,18,24,36,48 和 56 Mb/s。o802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术，数据率为 5.5 或 11 Mb/s。833.9主要的城域网技术3.9.1城域网的基本概念 1.城域网的定义u城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络。城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。u在城域网设计中需要解决以下问题：城域网的覆盖范围与服务质量，城域网的服务类型与用户类型的多样性，城域网的可管理性与可计费性，城域网的可靠性与用户数的可扩展性。842.主要的城域网技术u目前，城域网技术主要包括以下几种：FDDI技术、ATM技术、密集波分多路复用技术等。其中，FDDI技术与ATM技术是比较成熟的技术。u密集波分多路复用（DWDM,dense wave division multiplexing）技术是在光域内的时分复用技术。它通过在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，以达到使数据传输速度和容量获得倍增的目的。它充分利用了单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源。u在人口众多的城市中，铺设新光纤的费用很昂贵，DWDM设备引入城域网，可以节省大量铺设光纤的成本。853.9.2光纤分布式数据接口 1.FDDI的工作原理FDDI是一种以光纤作为传输介质的高速主干网，它可以用来互连局域网与计算机。典型的FDDI作为主干网互连多个局域网的结构如图3.17所示。图图 3.1786 FDDI的技术特点FDDI主要有以下几个技术特点：u使用基于IEEE 802.5的单令牌的环网介质访问控制MAC协议。u使用IEEE 802.2协议，与符合IEEE 802标准的局域网兼容。u数据传输速率为100Mbps，连网的结点数1000，环路长度为100km。u可以使用双环结构，具有容错能力。u可以使用多模或单模光纤。u具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。87 FDDI的应用环境FDDI主要用于以下几种应用环境中：u 计算机机房网称为后端网络，用于计算机机房中大型计算机与高速外设之间的连接，以及对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境。u办公室或建筑物群的主干网称为前端网络，用于连接大量的小型机、工作站、个人计算机与各种外设。u校园网的主干网，用于连接分布在校园中各个建筑物中的小型机、服务器、工作站和个人计算机，以及多个局域网。u多校园的主干网，用于连接地理位置相距几千米的多个校园网、企业网，成为一个区域性的互连多个校园网、企业网的主干网。883.8.3接入网技术的发展1.接入网的概念u国家首先要设计和建设覆盖全国的国家级高速主干网，各个城市、地区需要设计与建设覆盖一个城市和地区的主干网，最后还需要解决用户计算机的接入问题。u解决最终用户接入地区性网络的技术就是接入网技术。u接入网技术关系到如何将成千上万的用户计算机接入信息高速公路的方法，关系到成千上万信息资源用户所能得到的网络服务类型、服务质量、资费等切身利益问题，因此也是信息网络建设中一个重要的问题。892.接入网技术的发展目前，可以作为用户接入网的主要有三类：邮电通信网计算机网络广播电视网接入网的分类由邮电部门经营的通信网最初主要是电话交换网，它用于模拟的语音信息的传输由广播电视部经营的广播电视网用于模拟的图像、语音信息的传输计算机网络出现得比较晚，不同的计算机网络由不同部门各自建设与管理，它们主要是用来传输计算机所产生的数字信号90u因为数字技术可以将各种信息都变成数字信号来获取、处理、存储与传输，于是这三种网络虽然所使用的传输介质、传输机制都不相同，但各自按自己的体制经历了数字化的进程。u在文本、语音、图像与视频信息实现数字化后，这三种网络在传输数字信号这个基本点上是一致的。u同时，它们在完成自己原来的传统业务外，还有可能经营原本属于其他网的业务。数字化技术使得这三种网络的服务业务相互交叉，三网之间的界限越来越模糊，人们希望能够选择一种最简单、费用最低的方式将自己的计算机连入Internet。2.接入网技术的发展913.主要的接入方式从技术角度看，接入网的接入方式主要分为5类：形象地将它们称为用户连入信息高速公路的5条车道。u 地面有线通信系统（铜缆用户网、光缆用网），u无线通信、移动通信网，u卫星通信网（同步卫星与低轨道卫星），u有线电视网，u地面广播电视网。92uMODEM uISDN 数字综合信息业务网uADSLuCable Modem主要的接入方式已经慢慢被淘汰，一般用于宽带无法到达，或技术原因无法实现的地方（仅适合个人用户；需要PCI MODEM/ISA MODEM，有电话线和Modem就可以上网）。比 MODEM 快，可以实现双线连接（适合个人用户；AT MODEM，10M/100M网卡，可以打电话的同时上网64K/s,同时使用2条通道，速度128K/s现在比较普遍的宽带上网连接方式（适合个人及小型群体；信号分离器,ADSL MODEM，10M/100M网卡。可以连接小型局域网共享上网，根据电话线扩展，大众化比较强）现在比较流行的一种宽带上网方式（适合个人及小型群体；Cable Modem，10M/100M网卡，速度快，使用有线电视线路传输，需要两条线路，有线电视线路单向传输）93DDN 网络专线 光纤 无线 电力上网 以上任何一项都可以扩展为局域网接入以上任何一项都可以扩展为局域网接入 主要的接入方式价格比较贵，线路独享（适合企业部门，小型群体速度快，价格高。一般专用机房或者大型企业需要，低速光纤中型企业也能支付的起（大型群体；光模转换器）移动性比较强的地方，例如机场。家庭用户为了防止布线破