第5章局域网体系结构.ppt

第第5章章 局域网体系结构局域网体系结构5.1 局域网概述局域网概述5.2 局域网的组成局域网的组成5.3 传统以太网传统以太网5.4 交换式局域网交换式局域网5.5 快速以太网与千兆以太网技术快速以太网与千兆以太网技术5.6 无线局域网无线局域网5.1 局域网概述局域网概述5.1.1局域网的定义与发展过程局域网的定义与发展过程5.1.2 局域网的特点局域网的特点5.1.1局域网的定义与发展过程局域网的定义与发展过程局域网（局域网（Local Area Network），简称），简称LAN，是指在某一区域范围内，将各种计算机、通信设是指在某一区域范围内，将各种计算机、通信设备、外部设备和数据库等互相连接起来的计算机备、外部设备和数据库等互相连接起来的计算机通信网。通信网。“某一区域某一区域”指的是同一办公室、同一建筑物、指的是同一办公室、同一建筑物、同一公司和同一学校等，一般是方圆几千米以内。同一公司和同一学校等，一般是方圆几千米以内。5.1.1局域网的定义与发展过程局域网的定义与发展过程计算机网络计算机网络发展一般分为五个阶段发展一般分为五个阶段：（1）20世纪世纪60年代末至年代末至70年代初年代初（2）20世纪世纪70年代中期年代中期（3）20世纪世纪80年代年代（4）20世纪世纪90年代年代（5）21世纪世纪5.1.2 局域网的特点局域网的特点地理范围有限地理范围有限通信速率高通信速率高可采用多种通信介质可采用多种通信介质可靠性较高可靠性较高5.2 局域网的组成局域网的组成u局域网硬件局域网硬件服务器服务器工作站工作站网络适配器网络适配器数据转发设备数据转发设备u局域网软件局域网软件网络操作系统网络操作系统通信协议通信协议网络应用软件网络应用软件5.3 传统以太网传统以太网5.3.1 以太网概述以太网概述5.3.2 MAC地址地址5.3.3 帧结构帧结构5.3.4 CSMA/CD介质访问控制协议介质访问控制协议5.3.1 以太网概述以太网概述1IEEE802参考模型参考模型IEEE802参考模型将参考模型将数据链路层分为：媒体访问（接数据链路层分为：媒体访问（接入）控制入）控制MAC（Medium Access Control)子层和逻辑链路子层和逻辑链路控制控制LLC（Logical Link Control）子层。网络的服务访问）子层。网络的服务访问点点SAP在在LLC层与高层的交界处。层与高层的交界处。LAN参考模型与参考模型与OSI参参考模型的比较示意图如图考模型的比较示意图如图5-1所示所示5.3.1 以太网概述以太网概述1IEEE802参考模型参考模型图图5-1 IEEE802参考模型与参考模型与ISO/OSI参考模型比较参考模型比较5.3.1 以太网概述以太网概述2.以太网概述以太网概述1980年，年，DEC、Inter和和Xerox三家公司联合研发了三家公司联合研发了10M以太网以太网1.0规范，即规范，即DIX Ethernet 1.0规范规范。1982年，年，DIX发布了以太网发布了以太网2.0规范，即规范，即DIX Ethernet 2.0规范规范。IEEE 802.3则主要是对物理层和逻辑链路层的介质访则主要是对物理层和逻辑链路层的介质访问部分进行了规定问部分进行了规定，没有定义任何逻辑链路控制协议没有定义任何逻辑链路控制协议。与。与DIX标准相比，标准相比，两者定义的帧格式有一些不同，如图两者定义的帧格式有一些不同，如图5-2所所示示5.3.1 以太网概述以太网概述2.以太网概述以太网概述5-2 帧格式帧格式(a)DIX以太网以太网(b)IEEE802.35.3.1 以太网概述以太网概述3.组网规格组网规格传统以太网的传输速率是传统以太网的传输速率是10Mbps，主要有，主要有3种组网规格种组网规格（1）10Base5网络网络（2）10Base2网络网络（3）10Base-T网络网络（4）10Base-F网络网络5.3.2 MAC地址地址在以太网上，为了实现站点间通信，每个站点都分配在以太网上，为了实现站点间通信，每个站点都分配了一个唯一的标识符，该标识符称为介质存取控制了一个唯一的标识符，该标识符称为介质存取控制（Media Access Control，MAC）地址，又称硬件地址或）地址，又称硬件地址或物理地址。物理地址。IEEE802标准规定标准规定MAC地址采用地址采用48位二进制（位二进制（6字节）字节）来表示，其中，前来表示，其中，前3个字节（即高个字节（即高24位）被称为组织唯一位）被称为组织唯一标识符（标识符（Organizationally Unique Identifier，OUI），用），用于代表不同的网卡生产厂家。于代表不同的网卡生产厂家。MAC地址的后地址的后3个字节（即低个字节（即低24位）由厂家自行指派，位）由厂家自行指派，称为扩展标识符（称为扩展标识符（Extended Identifier）。每个厂家生产）。每个厂家生产时都会保证使用同一时都会保证使用同一OUI的网卡扩展标识符不重复使用。的网卡扩展标识符不重复使用。5.3.2 MAC地址地址在以太网上，为了实现站点间通信，每个站点都分配在以太网上，为了实现站点间通信，每个站点都分配了一个唯一的标识符，该标识符称为介质存取控制了一个唯一的标识符，该标识符称为介质存取控制（Media Access Control，MAC）地址，又称硬件地址或）地址，又称硬件地址或物理地址。物理地址。IEEE802标准规定标准规定MAC地址采用地址采用48位二进制（位二进制（6字节）字节）来表示，其中，前来表示，其中，前3个字节（即高个字节（即高24位）被称为组织唯一位）被称为组织唯一标识符（标识符（Organizationally Unique Identifier，OUI），用），用于代表不同的网卡生产厂家。于代表不同的网卡生产厂家。MAC地址的后地址的后3个字节（即低个字节（即低24位）由厂家自行指派，位）由厂家自行指派，称为扩展标识符（称为扩展标识符（Extended Identifier）。每个厂家生产）。每个厂家生产时都会保证使用同一时都会保证使用同一OUI的网卡扩展标识符不重复使用。的网卡扩展标识符不重复使用。5.3.3 帧结构帧结构目前最常用的目前最常用的MAC帧是以太网帧是以太网V2标准，图标准，图5-8所示是所示是该标准的帧格式：该标准的帧格式：图图5-8 以太网以太网V2标准的帧格式标准的帧格式5.3.4 CSMA/CD介质访问控制协议介质访问控制协议1载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议CSMA载波侦听多路访问（载波侦听多路访问（CSMA，Carrier Sense and Multiple Access）又称为）又称为“先听后说先听后说”，是减少冲突的主，是减少冲突的主要技术。具体方法是，网中各站在发送信息帧之前，先监要技术。具体方法是，网中各站在发送信息帧之前，先监听信道，看信道是忙还是闲，如信道闲（即没有别的站往听信道，看信道是忙还是闲，如信道闲（即没有别的站往信道上发送信息帧）就发送信息帧；否则，就推迟自己的信道上发送信息帧）就发送信息帧；否则，就推迟自己的发送行动。发送行动。（1）非坚持型）非坚持型CSMA（2）1-坚持坚持CSMA（3）P-坚持坚持CSMA5.3.4 CSMA/CD介质访问控制协议介质访问控制协议2载波侦听多路访问载波侦听多路访问/冲突检测协议冲突检测协议CSMA/CD图图5-10 CSMA/CD工作原理工作原理5.4 交换式局域网交换式局域网5.4.1 交换式局域网概述交换式局域网概述5.4.2 局域网交换机工作原理局域网交换机工作原理5.4.3局域网交换机的帧转发方式局域网交换机的帧转发方式5.4.1 交换式局域网概述交换式局域网概述 典型的交换式局域网是交换式以太网（典型的交换式局域网是交换式以太网（Switched Ethernet），它的核心部件是以太网交换机），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以太网交换机可以有多个端口，如果每个端口到如果每个端口到主机的带宽还是主机的带宽还是10Mbit/s，但由于一个用户在通信时，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他用户共享传输媒体的带宽，因此是独占而不是和其他用户共享传输媒体的带宽，因此拥有拥有N个端口的交换机的总容量为个端口的交换机的总容量为N*10Mbit/s。交换。交换式以太网的结构如图式以太网的结构如图5-11所示。所示。5.4.1 交换式局域网概述交换式局域网概述图图5-11 交换式以太网结构交换式以太网结构5.4.2 局域网交换机工作原理局域网交换机工作原理在交换机中维护一个在交换机中维护一个“MAC地址地址端口端口”对应表。交对应表。交换机根据数据帧的源换机根据数据帧的源MAC地址建立对应关系表，通过读地址建立对应关系表，通过读取数据帧的目的取数据帧的目的MAC地址，确定将数据帧转发至哪个端地址，确定将数据帧转发至哪个端口。交换机具体工作流程如下：口。交换机具体工作流程如下：（1）当交换机初次加电时，其）当交换机初次加电时，其MAC地址表是空的。地址表是空的。（2）当交换机从某个接口收到一个数据帧，它先读取）当交换机从某个接口收到一个数据帧，它先读取帧首部中的源帧首部中的源MAC地址，这样它就知道源地址，这样它就知道源MAC地址的地址的计算机连接在哪个端口上。然后交换机将读取的源计算机连接在哪个端口上。然后交换机将读取的源MAC地址和其对应的端口关系添加到地址和其对应的端口关系添加到MAC地址表中。地址表中。5.4.2 局域网交换机工作原理局域网交换机工作原理（3）交换机再去读取的帧首部的目的）交换机再去读取的帧首部的目的MAC地址字段，地址字段，并在地址表中查找对应的端口。并在地址表中查找对应的端口。（4）如果表中有与目的）如果表中有与目的MAC地址对应的端口，则数据地址对应的端口，则数据包直接转发到该端口上。包直接转发到该端口上。（5）如果表中找不到与其对应的端口，则把数据包广）如果表中找不到与其对应的端口，则把数据包广播到除进入端口外的所有端口上。当目的计算机对源计播到除进入端口外的所有端口上。当目的计算机对源计算机回应时，交换机就可以学习到该目的算机回应时，交换机就可以学习到该目的MAC地址与哪地址与哪个端口对应。个端口对应。5.4.3局域网交换机的帧转发方式局域网交换机的帧转发方式局域网交换机的帧转发方式可以分为以下局域网交换机的帧转发方式可以分为以下3类：类：（1）直通式（）直通式（cut through）（2）存储转发方式（）存储转发方式（store and forward）（3）改进的直接交换方式）改进的直接交换方式5.5 快速以太网与千兆以太网快速以太网与千兆以太网技术技术5.5.1 快速以太网快速以太网5.5.2 千兆位以太网千兆位以太网5.5.3 万兆以太网万兆以太网5.5.1 快速以太网快速以太网如表如表5-2所示是关于快速以太网组网规格总结。所示是关于快速以太网组网规格总结。名名 称称传输介质传输介质最大段长度最大段长度特点特点100Base-TX双绞线双绞线100m100Mbps全双工；全双工；5类类UDP100Base-T4双绞线双绞线100m100Mbps半双工；半双工；3类类UDP100Base-FX光光 纤纤2000m100Mbps全双工；全双工；长距离长距离表表5-2 快速以太网快速以太网组组网网规规格格总结总结5.5.2 千兆位以太网千兆位以太网IEEE802.3委员会制定了支持多种传输介质的千兆委员会制定了支持多种传输介质的千兆以太网标准，具体情况见表以太网标准，具体情况见表5-3。表表5-3 千兆以太网组网规格总结千兆以太网组网规格总结名名 称称传输介质类型传输介质类型最大段长度最大段长度1000Base-SX（IEEE 802.3z）62.5m多模光纤多模光纤50m多模光纤多模光纤275m500m1000Base-LX（IEEE 802.3z）62.5m多模光纤多模光纤50m多模光纤多模光纤10m单模光纤单模光纤550m550m5000m1000Base-CX（IEEE 802.3z）2对对STP25m1000Base-T（IEEE 802.3ab）4对对5类类UTP100m5.5.3 万兆以太网万兆以太网万兆以太网的特点万兆以太网的特点：万兆以太网的帧格式与万兆以太网的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和和1000Mb/s的帧的帧格式完全相同。格式完全相同。万兆以太网仍然保留了万兆以太网仍然保留了802.3标准对以太网最小帧和最大帧标准对以太网最小帧和最大帧长度的规定。长度的规定。只使用光纤只使用光纤。万兆以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。万兆以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。标准中采用了局域网和广域网两种物理层模型，从而使以标准中采用了局域网和广域网两种物理层模型，从而使以太网技术能方便地引入广域网中，进而使太网技术能方便地引入广域网中，进而使LAN、MAN和和WAN网络可采用同一种以太网网络核心技术。网络可采用同一种以太网网络核心技术。5.6 无线局域网无线局域网5.6.1 无线局域网概述无线局域网概述5.6.2 无线局域网的工作原理无线局域网的工作原理5.6.3 无线局域网的协议标准无线局域网的协议标准5.6.1 无线局域网概述无线局域网概述1概述概述无线局域网无线局域网WLAN(Wireless LAN)起源于起源于20世纪世纪80年代，年代，是利用无线通信技术在一定的局部范围内建是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产立的网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随局域网的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的网络接入。意的网络接入。1997年年6月，第一个月，第一个WLAN标准标准IEEE802.11正式颁布实施，为正式颁布实施，为WLAN的物理层和的物理层和MAC层提供了统一的标准。层提供了统一的标准。5.6.1 无线局域网概述无线局域网概述2无线局域网特点无线局域网特点（1）可移动性）可移动性（2）降低成本）降低成本5.6.1 无线局域网概述无线局域网概述3管理机构和标准管理机构和标准（1）ITU-R（国际电信联盟无线电通信部门（国际电信联盟无线电通信部门管理）管理）（2）IEEE（电气及电子工程师学会）（电气及电子工程师学会）（3）Wi-Fi联盟联盟5.6.2 无线局域网的工作原理无线局域网的工作原理1相关术语相关术语u无线无线AP（Access Point）：即无线接入点，是无线网）：即无线接入点，是无线网络的核心。无线络的核心。无线AP是移动计算机用户进入有线网络是移动计算机用户进入有线网络的接入点，其工作原理类似于以太网集线器。的接入点，其工作原理类似于以太网集线器。u蜂窝：无线蜂窝：无线AP所覆盖的有限区域。所覆盖的有限区域。u无线信道：即无线的无线信道：即无线的“频段频段”，是以无线信号作为，是以无线信号作为传输媒体的数据信号传送通道。传输媒体的数据信号传送通道。5.6.2 无线局域网的工作原理无线局域网的工作原理2IEEE802.11协议协议栈栈上上面各层面各层逻辑链路控制逻辑链路控制数据数据链路层链路层MAC子层802.11红外线红外线802.11FHSS802.11DSSS802.11aOFDM802.11bHR-DSSS802.11gOFDM物理层物理层5.6.2 无线局域网的工作原理无线局域网的工作原理3IEEE802.11数据帧格式数据帧格式5.6.2 无线局域网的工作原理无线局域网的工作原理4IEEE802.11MAC子层协议子层协议 在在IEEE802.11中采用了新的协议中采用了新的协议CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)。CSMA/CA利用利用ACK信号来避免冲突的发信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的ACK信信号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址。号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址。CSMA/CA协议的工作流程如图协议的工作流程如图5-18所示。所示。5.6.2 无线局域网的工作原理无线局域网的工作原理4IEEE802.11MAC子层协议子层协议图图5-18 CSMA/CA协议协议工作流程工作流程5.6.2 无线局域网的工作原理无线局域网的工作原理5无线局域网组网模式无线局域网组网模式u基本服务集基本服务集BSS（Basic Service Set）模式）模式u扩展服务集扩展服务集ESS(Extended Service Set)模式。模式。基本服务集基本服务集BSS（Basic Service Set）模式）模式在在BSS中，移动客户端使用单个访问点中，移动客户端使用单个访问点AP（Access Point）实现与其他设备或有线）实现与其他设备或有线网络资源的连通。独立（网络资源的连通。独立（ad hoc）模式和基）模式和基础设施模式是两种础设施模式是两种BSS模式。模式。如图如图5-19所示所示图图5-19 BSS模式模式独立和基独立和基础设础设施施扩展服务集扩展服务集ESS(Extended Service Set)模式模式ESS是由分布式系统连接的两个或以上是由分布式系统连接的两个或以上BSS的集合的集合。ESS模式分为两种，分别是无线漫模式分为两种，分别是无线漫游和无线中继，如图游和无线中继，如图5-20,5-21所示所示图图5-20 无无线线漫游漫游图图5-21 无无线线中中继继5.6.3 无线局域网的协议标准无线局域网的协议标准1IEEE802.11标准系列标准系列（1）IEEE802.11（2）IEEE802.11b（3）IEEE802.11a（4）IEEE802.11g（5）IEEE802.11n5.6.3 无线局域网的协议标准无线局域网的协议标准2IEEE802.15标准系列标准系列（1）802.15.1（2）802.15.2（3）802.15.3（4）802.15.4