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网络技术基础(四)局域网

计算机基础 1年前
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零.简介

局域网是一种在有限的地理范围内将大量计算机及各种设备互联在一起以实现数据传输和资源共享的计算机网络。

一.局域网概述

1.局域网:局域网是计算机网络的一种,在计算机网络中占有非常重要的地位。局域网既有具有一般计算机网络的特点,又有自己的特征。局域网是在一个较小的范围,利用通信线路将众多的计算机及外部设备连接起来,以达到资源共享、信息传递和远程数据通信的目的。

2.局域网的发展:60年代末至70年代初是局域网发展的萌芽阶段。70年代中期是局域网发展的一个重要阶段,美国Xerox公司推出的实验性以太网和英国剑桥大学研制的剑桥环网成为最初局域网的典型代表。80年代初期是局域网走向大发展的时期,一些标准化组织开始致力于局域网的有关协议和标准的制定。90年代以后,局域网步入了更高的发展阶段,使用已相当普遍。利用光导纤维作为通信介质构成的高速主干网,是目前许多局域网系统普遍采用的一种结构形式。

二.局域网的特点及其基本组成

1.局域网的特点: (1).覆盖的地理范围比较小;

(2).信息传输速率高、时延小、误码率低;

(3).一般为一个单位所建,并负责管理和维护;

(4).便于安装、维护和扩充;

(5).一般侧重于共享信息的处理。

2.局域网的基本组成: (1).网络硬件:服务器、工作站、外部设备、网卡、传输介质;

(2).网络软件:协议软件、通信软件、管理软件、网络操作系统、网络应用软件。

三.局域网的主要技术

1.局域网的主要技术:局域网所涉及的技术很多,但决定局域网性能但技术有: (1).传输介质;

(2).拓扑结构;

(3).介质访问控制方法。

(1).传输介质:局域⽹常⽤的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆和⽆线电波。早期的传统以太⽹(10Base-5,10Base-2等)使⽤最多的是同轴电缆。随着技术的发展和价格的不断降低,双绞线和光纤的应⽤⽇益普及。双绞线依靠其低成本和⾼可靠性,在快速局域⽹中赢得了⼴泛地使⽤。光纤主要应⽤在远距离、⾼速传输数据的⽹络环境中。光纤的可靠性很⾼,具有许多双绞线和同轴电缆⽆法⽐拟的优点,随着光纤成本的不断降低,今后还将越来越⼴泛地应⽤于局域⽹。

(2).拓扑结构:⽹络拓扑结构是指⽤传输媒体互连各种设备的物理布局,它对整个⽹络的设计、功能、可靠性和成本等⽅⾯有着重要的影响。⽬前局域⽹使⽤的拓扑结构主要有以下3种:

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(3).介质访问控制方法:介质访问控制,是指控制⽹上各⼯作站在适当的情况下发送数据,并在发送数据的过程中,及时发现问题以及出现问题后妥善处理问题的⼀整套管理⽅法。介质访问控制技术的优劣将对局域⽹的总体性能产⽣决定性的影响。

2.常用的介质访问控制方法:(1).CSMA/CD(带有碰撞检测的载波侦听多路访问);(2).Token Ring(令牌环);(3).Token Bus(令牌总线)。

四.局域网体系结构与IEEE802标准

1.局域网参考模型:IEEE 802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则,主要解决最低两层(即物理层和数据链路层)的功能以及与⽹络层的接⼝服务。IEEE802参考模型中不再设⽴⽹络层,IEEE 802局域⽹参考模型中的物理层的功能是:在物理介质上实现⽐特流的传输和接收、同步前序的产⽣与删除,规定了所使⽤的信号、编码、传输介质以及有关的拓扑结构和传输速率等。数据链路层⼜分为逻辑链路控制(LLC)和介质访问控制(MAC)两个功能⼦层。MAC⼦层的主要功能是控制对传输媒体的访问。LLC⼦层的主要功能是向⾼层提供⼀个或多个逻辑接⼝,具有帧的发送和接收功能。

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2.IEEE 802局域网标准:

IEEE 802.1:局域⽹概述、体系结构、⽹络管理和⽹络互联 IEEE 802.2:逻辑链路控制 LLC IEEE 802.3:CSMA/CD介质访问控制标准和物理层技术规范 IEEE 802.4:令牌总线介质访问控制标准和物理层技术规范 IEEE 802.5:令牌环⽹介质访问控制⽅法和物理层技术规范 IEEE 802.6:城域⽹介质访问控制⽅法和物理层技术规范 IEEE 802.7:宽带技术 IEEE 802.8:光纤技术(光纤分布数据接⼝FDDI) IEEE 802.9:综合业务数字⽹( ISDN)技术 IEEE 802.10:局域⽹安全技术 IEEE 802.11:⽆线局域⽹媒体访问控制⽅法和物理层技术规范

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五.局域网组网技术

1.局域网产品类型及相互关系

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2.传统以太网

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3.以太网的工作原理:以太⽹的核⼼技术是CSMA/CD,即带有碰撞检测的载波侦听多路访问⽅法。这种⽅法主要⽤来解决多结点如何共享公共总线的问题。CSMA/CD属于随机争⽤型介质访问控制⽅法,这种⽅法的特点可以简单地概括为4点:先听后发,边听边发,冲突停⽌,随机延迟后重发。

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4.传统以太网组网技术:

(1).粗缆以太网10Base-5

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(2).细缆以太网10Base-2

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(3).双绞线以太网10Base-T

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5.IBM令牌环网:令牌环⽹是由IBM公司在20世纪70年代初开发的⼀种⽹络技术,⽬前已经发展成为除Ethernet IEEE 802.3以外最为流⾏的局域⽹组⽹技术。IEEE 802.5规范与IBM公司开发的令牌环⽹⼏乎完全相同,并且相互兼容。事实上, IEEE 802.5规范制定之初正是选取了IBM的令牌环⽹络作为参考模型,并在随后的过程中根据IBM令牌环⽹的发展不断地进⾏了调整。

6.令牌环网的结构和组成:

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7.令牌环网的工作原理:

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8.交换式以太网:共享式以太⽹采⽤了以HUB为中⼼的星型连接⽅式,但其实际上还是总线型拓扑结构。当⽹络规模不断扩⼤时,⽹络中的冲突就会⼤⼤增加,⽽数据经过多次重发后,延时也相当⼤,造成⽹络整体性能下降。在⽹络⽤户数较多时,以太⽹的带宽使⽤效率只有30%~40%。为了从根本上解决⽹络带宽,克服⽹络规模和⽹络性能之间的⽭盾,⼈们提出了将共享式以太⽹改为交换式以太⽹,这就导致了交换式以太⽹的产⽣。

9.共享式以太网的结构:交换式以太⽹的核⼼设备是交换机(Switch)。交换机有多个端⼝,能同时提供多个通道,允许多个⽤户之间同时进⾏数据传输。

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10.交换式以太网的特点:在交换式以太⽹中,各⽤户结点独占通道,独享带宽,从根本上解决了⽹络带宽问题。交换式以太⽹则允许接⼊的多个结点间同时建⽴多条通信链路,同时进⾏数据通信,从⽽⼤⼤提⾼了⽹络的利⽤率。交换式以太⽹可以构造“虚拟⽹络”(VLAN),并通过软件的⽅式来实现逻辑⼯作组的划分和管理。以太⽹交换技术是基于以太⽹的,它最⼤限度地保留了现有以太⽹的基础设施,从⽽这样有效地保护了⽤户的现有投资,节省了资⾦。

11.以太网的帧结构:

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12.以太⽹交换机的⼯作原理:以太⽹交换机监测发送到每个端⼝的数据包,通过数据包中的有关信息(源结点的MAC地址、⽬的结点的MAC地址),在交换机的内部建⽴⼀张“端⼝——MAC地址”的映射表。当某个端⼝接收到数据包后,交换机会取出该包中⽬的结点的MAC地址,并通过该映射表迅速地将数据包转发到相应的输出端⼝。

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13.以太⽹交换机的数据交换⽅式:(1).直接交换(Cut Through):交换机只要接收到数据包,便⽴即获取包的⽬的地址,转换成相应的交换机端⼝,将该数据包转发出去。(2).存储转发(Store and Forward):交换机把数据包全部接收到内部缓冲区中,并进⾏校验,⼀旦发现错误就通知源结点重新发送该包。(3).⽆碎⽚转发(Fragment-free):在接收到数据帧的前64字节后判断该帧的帧头字段是否正确,如果正确则转发出去。

六.快速组网技术

1.快速⽹络技术:局域⽹技术发展的直接推动⼒是计算机的⻜速发展以及数据库、多媒体技术的⼴泛应⽤。在过去的⼏⼗年中,计算机的速度提⾼了数百万倍,⽽⽹络的速度只提⾼了⼏千倍。今天,⼈们对计算机⽹络的传输速率及其它性能的要求越来越⾼,如果Ethernet仍然保持以前10Mb/s的数据传输速率,显然是远远不能满⾜需要的。⽬前,提⾼⾼速传输的⽹络有快速以太⽹、吉⽐特以太⽹、 ATM⽹络等等,它们都能实现100Mb/s以上的传输速率。

2.快速以太⽹组⽹技术:随着⼈们对局域⽹传输速率要求的不断提⾼,IEEE 802.3委员会决定制定⼀个快速的局域⽹协议。但他们内部出现了两种不同的观点,⼀种是建议采⽤⼀种具有优先级、集中控制的MAC协议,但它不能兼容原先的以太⽹;另⼀种则建议保留原来以太⽹的体系结构和MAC协议不变,设法提⾼局域⽹的速度。后来IEEE 802.3委员会决定保持传统以太⽹的原状,并于1995年6⽉正式发布了快速以太⽹协议标准——802.3u。

3.IEEE 802.3u:802.3u是802.3标准的延伸,因此被称为快速以太⽹。它保留了802.3的帧格式、接⼝、软件算法规则以及CSMA/CD协议,只是将数据传输速率从10Mbit/s提⾼到100Mbit/s。快速以太⽹是完全基于10BASE-T⽽设计的,它仍然使⽤HUB进⾏组⽹,但不再使⽤BNC连接器和同轴电缆。

4.快速以太网的协议结构

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5.快速以太⽹的物理层标准:100BASE-TX⽀持2对5类UTP或2对1类STP。每个结点可以同时以100Mbit/s的速率发送与接收数据。结点与集线器的最⼤距离为100⽶。100BASE-T4⽀持4对3类、4类和5类UTP。⽹络结点与集线器的最⼤距离也是100⽶。100Base-FX的标准电缆类型是内径为62.5微⽶、外径为125微⽶的多模光缆。100Base-FX可将⽹络节点与服务器的最⼤距离增加到200m,⽽使⽤单模光纤时可达2km。

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6.吉⽐特以太⽹组⽹技术:吉⽐特以太⽹是近⼏年推出的⾼速局域⽹技术,它在保持了与以太⽹和快速以太⽹设备兼容的同时,提供1000Mbit/s的数据带宽。IEEE 802.3委员会于1996年8⽉成⽴了802.3z⼯作组。1997年初⼜成⽴了802.3ab⼯作组。1998年IEEE 802.3z正式成为了吉⽐特以太⽹的标准。吉⽐特以太⽹保留了传统100Base-T的所有特征,并可从现有的传统以太⽹和快速以太⽹的基础上平滑地过渡得到。吉⽐特以太⽹的关键是利⽤交换式全双⼯操作部件构建主⼲⽹络,连接超级服务器和⼯作站。

  1. 吉⽐特以太⽹的协议结构

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8.吉⽐特以太⽹的技术特点:(1).技术的简易性:吉⽐特以太⽹保持了传统以太⽹的技术原理、安装实施和管理维护的简易性。(2).技术过渡的平滑性:吉⽐特以太⽹保持了传统以太⽹的技术原理、主要技术特征,确保传统以太⽹到吉⽐特以太⽹的平滑过渡。(3).技术⼿段的⾼可靠性:吉⽐特以太⽹保持了传统以太⽹的安装、管理和维护的⽅法,确保了其⾼可靠性。(4).技术的低成本性:由于继承了传统以太⽹的技术,使吉⽐特以太⽹的整体成本下降。

9.万兆(10G)以太⽹:10G以太⽹于2002年7⽉在IEEE通过。10G以太⽹包括10GBASE-X、10GBASE-R、10GBASE-W以及基于铜缆的10GBASE-T等(2006年通过)。

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10.ATM技术:ATM——Asynchronous Transfer Mode(ATM)异步传输模式的缩写ATM是⼀项数据传输技术,是实现B-ISDN的业务的核⼼技术之⼀。ATM是以信元为基础的⼀种分组交换和复⽤技术,它是⼀种为了多种业务设计的通⽤的⾯向连接的传输模式。它适⽤于局域⽹和⼴域⽹,它具有⾼速数据传输率和⽀持许多种类型如声⾳、数据、传真、实时视频、CD质量⾳频和图像的通信。

11.ATM的⼯作原理:ATM把信息分割成⼀个个⻓度固定的信元(Cell)来加以传送,信元包括信元头和⽤户数据两部分,信元共53个字节⻓。ATM是采⽤虚电路⽅式来进⾏数据传递的。发送⽅主机⾸先将根据对⽹络带宽的需求,发出连接建⽴请示。ATM交换机接收到该请求后,将根据当前⽹络状况选择从发送⽅主机到接收⽅主机的路径,并构造出相应的路由表。仅当有⾜够的可⽤带宽时,ATM交换机才允许连接。信元到达交换机后,将根据信元头部分的虚拟路径标识符(VPI)从路由表中找到相应的输出端⼝,然后信元传⾄下⼀交换机。

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12.ATM的特点:(1).极端灵活和可变的带宽;(2).具有很⾼的数据传输速率,可⽀持不同速率的各种业务;(3).对传输距离的依赖⼩;(4).可在局域⽹和⼴域⽹中提供⼀种单⼀的⽹络技术,实现完美的⽹络集成。

七.虚拟局域网VLAN

1.VLAN概述:VLAN实质上就是指⽹络上的节点按⼯作性质与需要所划分的若⼲个“逻辑⼯作组”,其节点组成不受物理位置的限制。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,当⼀个节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,⽽不需要改变其在⽹络中的物理位置。

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2.VLAN的标准:1996年3⽉,IEEE 802委员会发布了IEEE 803.1Q VLAN标准。该标准包括3个⽅⾯:(1).VLAN的体系结构说明;(2).为在不同设备⼚商⽣产的不同设备之间交流VLAN信息⽽制定的局域⽹物理帧的改进标准;(3).VLAN标准的未来发展展望。

(1).IEEE 802.1Q标准提供了对VLAN明确的定义及其在交换式⽹络中的应⽤。该标准的发布确保了不同⼚商产品的互操作能⼒,并在业界获得了⼴泛的推⼴,成为了VLAN发展史上的重要⾥程碑。IEEE 802.1Q的出现打破了VLAN依赖于单⼀⼚商的僵局,从⼀个侧⾯推动了VLAN的迅速发展。⽬前,该标准已得到全世界主要⽹络⼚商的⼴泛⽀持。

3.VLAN的优点:(1).控制⽹络的⼴播⻛暴:采⽤VLAN技术,可将交换机的某个交换端⼝划分到某个VLAN中,⼀个VLAN的⼴播⻛暴不会影响到其他VLAN的性能。(2).确保⽹络的安全性:VLAN能限制个别⽤户的访问以及控制⼴播组的⼤⼩和位置,甚⾄锁定某台设备的MAC地址。(3).简化⽹络的管理:⽹络管理员能借助VLAN技术轻松地管理整个⽹络。⽹络管理员只需设置⼏条命令就能很快地建⽴⼀个VLAN,并将分布在不同地⽅的⽤户设置到VLAN中。

4.VLAN的组网方法:

(1).⽤交换机端⼝号定义VLAN:许多早期的VLAN都是根据局域⽹交换机的端⼝号来定义VLAN成员的。VLAN从逻辑上把局域⽹交换机的端⼝号划分成不同的虚拟⼦⽹,各虚拟⼦⽹相对独⽴。⽤局域⽹交换机端⼝号划分VLAN成员是最通⽤的⽅法,但是,纯粹⽤端⼝号定义VLAN时,不允许不同的VLAN包含相同的物理⽹段或交换机端⼝号。

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(2).⽤MAC地址定义VLAN:采⽤节点的MAC地址来定义VLAN的优点是,允许节点移动到⽹络的其它物理⽹段,⽽⾃动保持该节点原来的VLAN成员地位。⽤MAC地址定义VLAN的缺点是,要求所有⽤户在初始阶段必须配置到⾄少⼀个VLAN中,这在⼤规模的⽹络中,显然是很麻烦的。

(3).⽤⽹络层地址定义VLAN:采⽤节点的⽹络层地址来定义VLAN具有独特的优点。⾸先,允许按照协议类型来组成VLAN,这有利于组成基于服务或应⽤的VLAN。其次,⽤户可以随意移动⼯作站⽽⽆需重新配置⽹络地址。这种⽅法最⼤的缺点是⽹络性能较差,因为检查⽹络层地址⽐检查MAC地址要花费更多的时间。

八.无线局域网WLAN

1.WLAN概述:

(1).⽆线局域⽹(英⽂:Wireless LAN,缩写WLAN)是不使⽤任何导线或传输电缆连接的局域⽹,⽽使⽤⽆线电波作为数据传送的媒介,传送距离⼀般只有⼏⼗⽶。⽆线局域⽹的主⼲⽹路通常使⽤有线电缆,⽆线局域⽹⽤户通过⼀个或多个⽆线接⼊点接⼊⽆线局域⽹。⽆线局域⽹现在已经⼴泛的应⽤在商务区,⼤学,机场,及其他公共区域。

(2).⽆线局域⽹最通⽤的标准是IEEE定义的802.11系列标准。——维基百科

2.WLAN标准:

802.11,1997年,原始标准(2Mbit/s⼯作在2.4GHz) 802.11a,1999年,物理层补充(54Mbit/s⼯作在5GHz) 802.11b,1999年,物理层补充(11Mbit/s⼯作在2.4GHz) 802.11c,符合802.1D的媒体接⼊控制层(MAC)桥接(MAC Layer Bridging) 802.11d,根据各国⽆线电规定做的调整 802.11e,对服务等级(Quality of Service, QoS)的⽀持 802.11f,基站的互连性(Interoperability) 802.11g,物理层补充(54Mbit/s⼯作在2.4GHz) 802.11h,⽆线覆盖半径的调整,室内(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz频段) 802.11i,安全和鉴权(Authentification)⽅⾯的补充。 802.11n,导⼊多重输⼊输出(MIMO)和40Mbit通道宽度(HT40)技术,基本上是802.11a/g的延伸版

3.WLAN的实现

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