局域网基础与虚拟局域网.ppt

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1、局域网组建、管理与维护第 1 章 局域网基础与虚拟局域网 课件制作人：刘永华第 1 章 局域网基础与虚拟局域网*1.1 局域网的概念、特点与作用 局域网的概念 1.1.2 局域网的特点 1.1.3 局域网的应用 1.1.4 构成局域网特性的主要因素*1.2 局域网的传输介质 1.2.1 有线传输介质 1.2.2 无线传输介质*1.3 局域网基本组成 1.3.1 网络硬件 1.3.2 网络软件*1.4 局域网的拓扑结构 1.4.1 星型拓扑 1.4.2 环型拓扑 课件制作人：刘永华第 1 章 局域网基础与虚拟局域网 1.4.3 总线型拓扑 1.4.4 树型拓扑 1.4.5 网状型拓扑*1.5 局

2、域网的类型 1.5.1 独立式和扩展式局域网 1.5.2 桥接式和路由式局域网 1.5.3 共享式和交换式局域网 1.5.4 局域网的其他分类*1.6 虚拟局域网 1.6.1 为什么要划分VLAN 1.6.2 VLAN的主要类型 1.6.3 VLAN的主要标准 1.6.4 VLAN标签交换 1.6.5 配置VLAN 1.6.6 设计VLAN 课件制作人：刘永华1.1 局域网的概念、特点与作用 n1.1.1 局域网的概念 n局域网(LAN，Local Area Network)：局域网的分布范围一般在几千米以内，最大距离一般不超过10km，它是一个部门或单位组建的网络。工作范围在几米到几千米数量

3、级，如同一栋楼房、校园内、宿舍区内等。n局域网的特性主要有以下几个方面：（1）局域网属于某一组织机构所有。如一个工厂、学校、企事业单位等内部网络，因此LAN的设计、安装、使用等均不受公共网络的束缚。（2）局域网覆盖范围有限，通常在几百米至几千米之内。（3）局域网具有较高的数据传输速率，一般在1100Mb/s之间。目前已出现速率高达1000Mb/s的局域网。（4）具有较低误码率。局域网采用短距离基带传输，可以使用高质量的传输媒体，出现差错的机会少，可靠性高。局域网的误码率一般在10-1110-8之间。（5）局域网容易组装、组建和维护，具有较好的灵活性。课件制作人：刘永华1.1 局域网的概念、特点

4、与作用 n1.1.2 局域网的特点 n局域网是一种小范围内实现共享的计算机网络，它具有结构简单、投资少、数据传输速率高和可靠性好等特点。课件制作人：刘永华1.1 局域网的概念、特点与作用 n1.1.3 局域网的应用 n局域网的应用范围极广，主要用于办公自动化、生产自动化、企业事业单位的管理、银行业务处理、军事指挥控制、商业管理、校园网建设等方面。课件制作人：刘永华1.1 局域网的概念、特点与作用 n1.1.4 构成局域网特性的主要因素 n有三方面的技术因素决定着局域网的特性：1.传输介质 有线传输介质：双绞线、同轴电缆和光纤 2拓扑结构 局域网拓扑结构有星型、总线型、环型及树型结构 3介质访问

5、控制方法课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 n网络中常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质。n传输介质的特性对网络中数据通信质量的影响很大，这些特性主要是：(1)物理特性：对传输介质物理结构的描述。(2)传输特性：传输介质允许传送信号的信号形式、使用的调制技术、传输容量与传输的频率范围。(3)连通特性：允许点-点或多点的连接。(4)地理范围：传输介质的最大传输范围。(5)抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。(6)相对价格：器件、安装与维护费用。课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 n1.2.1 有线传输介质 1.双绞线 1)物理特性 双绞线由按规则螺旋

6、结构排列的2根、4根、8根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路。各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。在局域网中使用的双绞线分为两类：(1)屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair：STP)。(2)非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair：UTP)。屏蔽双绞线在双绞线和外层保护套之间增加一层金属屏蔽保护膜，用以减少电磁干扰。传输速率在1Mb/s155Mb/s之间，一般为16Mb/s。课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 2)传输特性 在局域网中常用的双绞线根据传输特性可以分为5类：在典型的以太网中，常用第三类、第四类、第五类、超五类

7、线非屏蔽双绞线。通常简称三类线、四类线、五类线、超五类线。其中:(1)三类线：带宽为16MHz，适用于语音及10Mb/s以下的数据传输.(2)四类线：20MHz的带宽，16Mb/s的速率，语音传输。(3)五类线：带宽为100MHz，适用于语音及100Mb/s的高速数据传输，甚至可以支持155Mb/s的ATM数据传输。(4)超五类线：100Mb/s的带宽，100Mb/s的速率。与五类线相比衰减小，抗干扰能 力强。课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 3)连通性 双绞线可以用于点对点连接、多点连接。4)地理范围 双绞线用于远程中继线时最大距离可达15km。用于10Mb/s局域网时，与集线器的

8、距离最大为100m。5)抗干扰能力 双绞线的抗干扰能力取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。6)价格 双绞线的价格低于其他传输介质，安装、维护方便。课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 2.同轴电缆 1)物理特性 同轴电缆由内导体(铜质芯线)、绝缘层、外导体(网状物)、保护套4层组成。同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数与机械尺寸决定 2)传输特性 根据同轴电缆的带宽的不同，它可以分为两类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆特性阻抗50，一般仅用于传送数字信号，速率为10Mb/s。宽带同轴电缆特性阻抗75，可以使用频分多路复用方法，将一条宽带同轴电缆的频带划分成多

9、条通信信道，使用各种调制方式，支持多路传输模拟信号。在CATV中，频率为500MHz，采用FDM，每个频道6MHz，可传输80个频道的电视节目。课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 3)连通性 同轴电缆即支持点对点连接、也支持多点连接。基带同轴电缆可支持数百台设备的连接，而宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接。4）地理范围 基带同轴电缆使用的最大距离限制在几千米范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十千米左右。5)抗干扰能力 同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。6)价格 同轴电缆的造价介于双绞线与光纤之间，使用与维护方便。课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 3.光纤 光纤电缆简称为

10、光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。1)物理特性 (1)光纤的结构 光纤是一种直径为50100柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面，用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一条光缆。（2）光纤的分类 光纤分为：多模光纤和单模光纤 课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 2)传输特性 光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。发送端主要采用两种光源：发光二极管LED(Light-Emitting Diode)与注入型激光二极管ILD(

11、Injection Laser Diode)。在接收端将光信号转换成电信号时，要使用光电二极管PIN检波器或APD检波器。光载波调制方法采用振幅键控ASK调制方法即亮度调制。光纤传输速率达到几吉比特每秒(Mb/s)。光纤的带宽：1014Hz1015 Hz。光纤的最佳传输波长：850nm，1300nm和1500nm 课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 3)连通性 光纤最普遍的连接方式是点对点连接。4)地理范围 一般6km8km实现高速无中继传输，贝尔实验室测试：在数据传输速率420Mb/s且在119km无中继时，其误码率为10-8。5)抗干扰能力 抗干扰能力强，衰减小，安全性保密性好。6

12、)价格 目前，光纤的价格高于同轴电缆和双绞线 课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 n1.2.2 无线传输介质 1.短波传输 短波通信的特点：(1)优点：通信距离远，无需太大的发射功率，且设备成本适中。(2)缺点：通信方式易受季节、昼夜和太阳活动的影响，通信质量不够稳定。容易受到外部干扰。2.微波传输 微波信号的传输特点是：1)优点 (1)通信信道的容量大(频率高，频段范围宽)。(2)通信质量高(干扰信号的频谱成分比微波频率低)。(3)投资少，见效快(与相同容量和长度的电缆通信比较)。只进行视距传播。2)缺点 (1)相邻站之间必须直视，不能有障碍物。(2)隐蔽性和保护性差。(3)大气对微

13、波信号的吸收与散射影响较大。(4)对大量中继站的建立需耗费一定的人力和物力。大气对微波信号的吸收与散射影响较大。微波天线有高度方向性，因此在地面一般采用点对点方式通信。课件制作人：刘永华1.2 局域网的传输介质 3卫星微波通信卫星微波通信特点 (1)传输距离远，费用与通信距离无关(覆盖区的跨度达18000km)。(2)频带宽、容量大，干扰较小。(3)较大的传输延迟(250ms300ms)。(4)适合广播通信，保密性较差。(5)造价高。4红外线传输 电视机和录像机的遥控器就是应用红外线通信的例子。它要求有一定的方向性，即发送器直接指向接收器。红外线不能穿透物体，包括墙壁，但这对防止窃听和相互间的

14、串扰有好处。此外，红外线传输也不需要申请频率分配，即不需授权即可使用。课件制作人：刘永华1.3 局域网基本组成 局域网由网络硬件和网络软件组成。n1.3.1 网络硬件 网络硬件是指在计算机网络中所采用的物理设备，包括以下内容：(1)网络服务器提供网络资源。(2)工作站客户机。（3）网络设备：网卡(网络适配器)。集线器接线(HUB)。中继器放大信号。网桥两个局域网连接。路由器局域网与广域网的连接。网点不同的网络体系(OSI模块最高层(应用层)的设备)。(4)传输介质同轴电缆、双绞线、光缆、无线电、微波等。课件制作人：刘永华1.3 局域网基本组成 n1.3.2 网络软件 网络软件可大致分为网络系统

15、软件和网络应用软件。网络系统软件主要包括网络操作系统(NOS)、网络协议软件和网络通信软件等。网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件，它为用户提供一些实际的应用。课件制作人：刘永华1.4 局域网的拓扑结构 网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构。n1.4.1 星型拓扑 定义：星型拓扑结构是指所有的网络结点都通过传输介质与中心结点相连，采用集中控制，即任何两结点之间的通信都要通过中心结点进行转发。特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于建网；网络延迟时间较小，传输误差较低，但成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差。n1.4.2 环型拓扑 定义：环型拓

16、扑结构是由网络中若干结点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合 的环。特点：信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个结点间仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路上各结点都是自举控制，故控制软件简单；但可靠性低，一个结点发生故障将会造成全网瘫痪；维护难，对分支结点故障定位较难。课件制作人：刘永华1.4 局域网的拓扑结构 n1.4.3 总线型拓扑 定义：总线型拓扑结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位是平等的。特点：结构简单，可扩充性好，但维护难，分支结点故障查找难 n1.4.4 树型拓扑 定义：树型拓扑结构是分级的集中控制式网络。特点：通信线路总长度短，成本较低，结点易于扩充，寻

17、找路径比较方便，但任一结点或与其相连的线路故障都会使系统受到影响。n1.4.5 网状型拓扑 定义：在网状型拓扑结构中，结点之间的连接是任意的，没有规律的。特点：它的安装很复杂，但系统可靠性高，容错能力强。有时也称为分布式结构。课件制作人：刘永华1.5 局域网的类型 根据计算机网络拓扑结构可以分成总线型网络、环型网络、星型网络、树型网络以及混合型网络。根据计算机网络的服务对象可以把计算机网络分成公共型网络和混合型网络。根据计算机网络的通信功能可以把计算机用户网络分成接入网络和传输网络。根据计算机网络的通信业务量可以把计算机网络分成边缘网络和骨干网络等。课件制作人：刘永华1.5 局域网的类型 n1

18、.5.1 独立式和扩展式局域网 从局域网的规模来看，局域网可以分成独立式局域网和扩展式局域网。1.独立式局域网 独立式局域网就是通常意义上的局域网，也就是概念上的局域网。它由一台集线器和若干台计算机组成，独立式局域网常被称为网段。2.扩展式局域网 扩展式局域网是指独立式局域网通过交换机等互联设备连接而构成的局域网。课件制作人：刘永华1.5 局域网的类型 n 1.5.2 桥接式和路由式局域网 根据互联设备工作方式的不同，扩展式局域网又可以分为桥接式局域网和路由式局域网。1.桥接式局域网 当网络互联设备工作在桥接方式时，扩展式局域网成为桥接式局域网。目前典型的桥接式局域网是通过交换机互联多个网段实

19、现的。2.路由式局域网 当网络互联设备工作在路由方式时，扩展式局域网称为路由式局域网。典型的路由式局域网是通过路由器互联多个局域网实现的 课件制作人：刘永华1.5 局域网的类型 n 1.5.3 共享式和交换式局域网 根据数据发送和接收方式的不同，局域网又可以分为共享式局域网和交换式局域网。1.共享式局域网 共享式局域网是指采用共享信道的局域网，或是采用共享式联网设备(如共享式集线器)的局域网。在共享式局域网中，发送方发出的数据能够被与发送方处于同一局域网的所有主机接收到，但只有地址与数据中目的地址一致的主机才把数据复制到机器内部。其他计算机仅把数据读到网卡的接收缓存中，发现地址不一致时就把缓存

20、中的数据丢弃。2.交换式局域网 当前述的共享式集线器换成交换机时，共享式局域网就变成了交换式局域网。当局域网(LAN)交换机取代集线器后，连接在局域网(LAN)交换机上的工作站不再使用CSMA/CD共享总线，工作站之间使用独享的点到点信道交换以太网帧，这就是交换式以太网 课件制作人：刘永华1.5 局域网的类型 n1.5.4 局域网的其他分类 1.按网络接口标准划分 根据网络接口(网卡)向通信介质发送数据所遵守的标准不同，可以把局域网分为：(1)以太网。它遵守IEEE802.3标准，它是目前应用最广泛的局域网。（2）权标网。它包括权标总线网和权标环网，分别分别遵守IEEE802.4和IEEE80

21、2.5标准，它们的应用相对越来越少。2.按网络操作系统划分 根据网络服务器使用的网络操作系统的不同，可以把计算机网络分成Windows NT 网络、Windows 2000网络、NetWare网络、UNIX网络以及Linux网络等。课件制作人：刘永华1.5 局域网的类型 3.按数据通信介质类型划分从数据通信介质的类型来看，局域网还可以分成有线局域网和无线局域网。4.按传输速率划分低速网络：传输速率为几十比特每秒至10Kb/s。中速网络：传输速率为几万比特每秒至几十个兆比特每秒(Mb/s)。高速网络：传输速率为100Mb/s至几个吉比特每秒(Gb/s)。5.按拓扑结构划分可分为星型、总线型、环型

22、、树型、网状型结构。6.按交换方式划分电路交换网：如电话系统。报文交换网：如电报。分组交换(信元交换)网：如因特网、ATM网络。7.按适用范围划分公用网：如CHINAPAC。专用网：如微软公司的内部网络。另外，从局域网用户的逻辑关系来看，还存在一种虚拟局域网(VLAN)课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网 虚拟局域网(VLAN)是物理局域网虚拟化的结果。虚拟化就是把局域网的成员(主机、网桥/交换机)按照一定分组规则划分到不同的集合中，每一个集合就是一个VLAN。LAN与物理局域网之间的关系如图1.3所示。VLAN与物理局域网的区别包括：(1)位于不同物理局域网中的主机可以属于同一个VLAN中，

23、而位于同一个物理局域网的主机可以属于不同的VLAN中。(2)同一VLAN中的不同物理LAN上的主机可以直接通信，而位于同一物理局域网的属于不同VLAN的主机不能直接通信。图1.3 VLAN与物理局域网之间的关系 课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网n 1.6.1 为什么要划分VLAN VLAN的引入出于以下原因：(1)安全管理方面的需要 (2)节省布线成本的需要 (3)VLAN可以限制物理局域网中的广播通信量 课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网n 1.6.2 VLAN的主要类型 1.基于端口的VLAN 如果根据物理局域网成员位于的交换机的端口进行分组，这样得到的VLAN称为基于端口的虚拟局域

24、网。如图1.4所示，VLAN x的成员包括端口1、2、4，VLAN y的成员包括3、5、6、7、8，因此连接在端口1、2、4上的计算机被分配到VLAN x中，而连接在端口3、5、6、7、8上的计算机被分配到VLAN y中。图1.4 基于端口的VLAN 课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网 2.基于MAC地址的VLAN 如果根据计算机网络接口的MAC地址进行分组，这样得到的VLAN称为基于MAC地址的VLAN。如图1.5所示，VLAN x的成员包括MAC地址A、B、C、E，VLAN y的成员包括D、F、G、H。网络接口卡MAC地址使上述MAC地址的主机被分配到相应的VLAN中。图1.5 基于MA

25、C地址的VLA 课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网 3.基于IP地址的VLAN 如果根据与计算机网络接口卡关联的IP地址进行分组，这样得到的VLAN称为基于IP地址的VLAN。如图1.6所示，VLAN x的成员包括、和，VLAN y的成员包括、和。使用这些IP地址的主机被分配到相应的VLAN。图1.6 基于IP地址的VLAN课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网 VLAN的成员关系，如表1-1所示。表1-1 VLAN的成员关系(1)基于端口的VLAN端口12345678VIDxXyxyyyy(2)基于MAC地址的VLANMAC地址ABCDEFGHVIDxxxyxyyy(3)基于IP地址的VLA

26、NIP地址10.1.1.110.1.1.220.1.1.120.1.1.230.1.1.130.1.1.230.1.1.330.1.1.4VIDxxxxyyyy课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网n1.6.3 VLAN的主要标准 1.IEEE802.1p IEEE802.1p标准对以下方面的问题提出规范，即用户优先权、VLAN成员关系和端口模式。1)用户优先权 具有不同延时、吞吐率要求的帧被分配了不同的优先级别。优先权决定帧在输出端口缓冲队列中的先后，换句话说，优先级高的用户数据被优先发送。2)VLAN成员关系 IEEE802.1p定义了组地址解析协议(Group Address Resolu

27、tion Protocol，GARP)。GARP协议的作用是管理VLAN成员关系。3)端口模式 (1)模式1：端口工作在该模式时，端口不对数据进行过滤，到所有目的地址的帧都会被端口转发。(2)模式2：端口工作在该模式时，到所有未注册地址的帧会被端口转发。(3)模式3：端口工作在该模式时，到所有未注册地址的帧被过滤。课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网 2.IEEE802.1Q IEEE802.1Q目的在于制定兼容各种专有VLAN的统一标准。IEEE802.1Q标准对以下方面的问题提出了规范，即端口规则、VLAN成员关系和VLAN帧格式。1)端口规则 (1)入口规则：它规定当帧进入端口时，哪些帧

28、被过滤掉。(2)出口规则：它规定当帧离开端口时，哪些帧被过滤掉。2)VLAN成员关系 IEEE802.1Q提出了VLAN成员关系解析协议(VLAN Membership Resolution Protocol，VMRP)，用于定义VLAN成员关系。另外，VMRP协议还可以自动配置端口规则。VMRP兼容IEEE802.1p定义的GARP。课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网 3)VLAN帧格式 (1)IEEE802.1Q定义了统一的在VLAN之间通信使用的帧格式，如图1.7所示。(2)TCI字段。类型标识符(TyPe ID，TPID)：占2字节，指明MAC帧是以太网的还是权标环网的，以太网MAC

29、帧的TPID与权标环网的不一样。TPID的存在声明了这是一个被贴上标签的VLAN帧。用户优先权：占3b。遵照IEEE802.1p规定。VID：占12b，它编码VLAN的标识符。图1.7 VLAN之间通信使用的帧格式课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网n1.6.4 VLAN标签交换 VLAN标签交换：(1)网络互联设备要给物理LAN帧贴上标签。标签由IEEE802.1Q标准规范。(2)网络互联设备建立和维护VID与端口的关联。VID与端口关联由GARP/VRMP协议实现。(3)网络互联设备根据VID与端口的关联，把携带某个VID的VLAN帧从与该VID关联的端口转发。VLAN标签交换过程，如图1

30、.8所示 图1.8 VLAN标签交换过程 课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网n1.6.5 配置VLAN (1)第1个阶段，首先由网络管理员按照VLAN成员分组规则定义VLAN成员关系。(2)第2个阶段，交换机通过与主机和VLAN服务器之间交换信息，自动进行VLAN设置。这个过程对用户透明。自动选择模式下设置基于MAC地址的VLAN过程的第二阶段：第1步：交换机从活动端口上获得以太网工作站网卡的MAC地址(假设是08004e50e31)。开始时，该MAC地址尚未在交换机中VLAN成员登记表中登记，其对应的VID字段为空，如图1.10所示。第2步：为了获得08004e050e31的VLAN成员标

31、识，交换机向VLAN服务器发送查询请求，如图1.11所示。第3步：VLAN服务器响应交换机的查询请求，将服务器的VLAN成员登记表中08004e050e31的VLAN标识(=2)发送给交换机。交换机修改VMIB，如图1.12所示。课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网图1.10 第1步 图1.11 第2步 课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网图1.12 第3步 课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网n 1.6.6 设计VLAN VLAN设计的工作主要包括以下3个方面，即确定VLAN的类型、确定VLAN成员和规划VLAN中的路由。1.确定VLAN的类型 设计VLAN首先要确定使用哪种类型的VLAN，

32、即基于什么属性划分VLAN。2.确定VLAN成员 确定了VLAN的类型以后，要规划VLAN成员的组成，即把哪些用户划分到哪个VLAN中。VLAN成员关系的确定有两种情况：一种是在建网的同时，就把VLAN设计作为一项任务综合在工程中考虑。另一种情况是在网络建成之后，由于用户的新需求而需要提供VLAN。课件制作人：刘永华1.6 虚拟局域网 3.规划VLAN中的路由 VLAN设计的复杂性集中在路由的规划上。VLAN成员的不同特性影响着路由的配置。其中与VLAN路由配置关系最密切的是IP子网的划分情形。一种极端的情形，即局域网采用全交换结构，通过桥接方式互联，尽管可以使用IP协议，但可以不划分IP子网，整个局域网属于一个IP网络，其中主机的IP地址网络号是相同的。另一种情况是，仍然划分IP子网和VLAN，但是让VLAN和IP子网一一对应，即一个IP子网的成员都属于一个VLAN。此时，VLAN之间的路由与IP子网之间的路由重合。更一般的情况是：(1)同一IP子网的成员属于不同的VLAN。(2)同一VLAN的成员属于不同IP子网。(3)不同的VLAN成员属于不同的IP子网。它们之间的路由使用IP子网之间的路由。课件制作人：刘永华