第3章 局域网

NBCC第三章局域网中的层次结构和功能1知道局域网分类和网络接口卡基本功能2知道几类传统以太网的网络拓扑结构3理解传统以太网技术和中继扩展4知道以太网帧封装和CRC技术5理解高速以太网相对传统以太网的技术改进和差异6理解交换机的数据转发和地址学习、交换式以太网特点及其扩展7了解虚拟局域网和无线局域网的技术和意义、令牌网技术8局域网概述局域网分类：——技术上分类属于随机接入的局域网：是指连入局域网中的主机发送数据信息的时机是随机的，一般是有数据发送要求时就会发送。典型例子是以太网。属于受控接入的局域网：是指连入局域网的每个主机发送数据信息的时机是有确定次序的，各主机按次序轮流发送数据，所以，各主机并不是有数据发送就能立即发送。典型例子是令牌网。局域网概述局域网体系结构：按TCP/IP网络体系结构的功能层次来定位，那么局域网的体系结构就是最下面两层：数据链路层和物理层。由于具体的局域网技术标准几乎都是由IEEE802委员会所制定，因此局域网体系结构又称为IEEE802体系结构。OSI/RMTCP/IP物理层传输层数据链路层网络层会话层表示层应用层网际层传输层网络接口层应用层局域网概述局域网网络接口卡NIC：局域网上，主机对数据的发送和接收，由一块专门的硬件电路板完成，我们称之为网络接口卡NIC（NetworkInterfaceCard）或称为网络适配器，我们一般俗称网卡。网络适配器集成了局域网的大多数的通信功能，包括物理层技术和大部分数据链路层技术。每个网络适配器有一个地址，称为NIC地址，也称为MAC地址、硬件地址或物理地址，并且每个硬件地址都不一样。局域网上的主机通过这个地址相互识别对方。NIC地址长度48位，一般写成十六进制的形式，每两个十六进制数之间用短划线分开，如：传统以太网传统以太网：传统以太网，一般是指那些数据率只有10Mbps的早期以太网，所以很多时候，也称它们为低速以太网，很多时候直接简称为以太网。从具体物理形态上，我们常说的传统以太网主要是指以下四种以太网：1.10Base-5：10Mbps数据率的传输基带信号的粗缆以太网，粗缆即传输介质是粗同轴电缆。这里“Base”表示基带。2.10Base-2：10Mbps数据率的传输基带信号的细缆以太网，细缆即传输介质是细同轴电缆。3.10Base-T：10Mbps数据率的传输基带信号的双绞线以太网。4.10Base-F：10Mbps数据率的传输基带信号的光纤以太网。而10Base-5和10Base-2又可合称为总线型以太网。10Base-T属于传统星型以太网。传统以太网总线型以太网：网络的拓扑结构：就是将网络上的主机（或交换机等通信设备）看作一个点，同时将连接主机（或交换机等通信设备）的物理媒体看作一条线，按此所绘得的数学几何图形的形状结构就是该网络的拓扑结构，该数学几何图形也称为该网络的拓扑图。总线型以太网的网络拓扑图应该是如下面图示的形状，即为总线型拓扑结构。总线型以太网总线型拓扑结构传统以太网总线型以太网的主机通信：帧：以太网上主机间通信的数据格式。发送：群发。接收：只有目的主机会接收。如图。总线型以太网主机间通信发送端主机接收端主机接收丢弃丢弃丢弃丢弃传统以太网总线型以太网：基带传输和总线群发——导致总线争抢和信号冲突。任何两台主机只要是连在同一条总线上，相互之间都可能发生信号冲突。冲突域：顾名思义，是指一个网络区域，该区域上的任何两台主机发送的信号可能发生碰撞冲突。所有主机相互通信都靠唯一的一条总线，即共享一条总线的带宽，因此，我们又经常将这种以太网称为共享式以太网。总线上信号碰撞示例PC1PC2PC3PC4PC5PC6碰撞冲突传统以太网总线型以太网：总线型以太网通信交互方式：半双工方式。为了让总线型以太网上的主机能相互有效地传输数据，需要规定主机使用总线的方法，即介质访问控制方法（或称为媒体访问控制方法）。总线型以太网介质访问控制技术——带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）。(1)先听后发(2)边听边发(3)冲突停发(4)随机重发：边听边发持续这段时间后，肯定不会再跟其他主机的信号有碰撞冲突。时间t：相距最远的两台主机间传输所需的时间。碰撞冲突最短数据帧：10Mbps×51.2μs=107bps×51.2×10-6s=512b=64B（即64字节）。残帧：因信号冲突中途停止发送后，导致发送了一个残缺不全的帧，也称为碎片。长度小于64字节。争用期设定：T=51.2μs有关系式：T=2t。传统以太网总线型以太网：粗缆以太网——10Base-5。1.AUI电缆的长度不能超过50m。2.整条粗缆的长度不能超过500m。3.每条总线上最多接100台主机。4.收发器之间最小距离2.5m。BNC头终端电阻终端电阻BNC头粗缆收发器AUI电缆粗缆以太网连接示意图传统以太网总线型以太网：细缆以太网——10Base-2。1.用BNC连接器连接而成的整条细缆长度（即总线长度）不能超过200m（实际中是185m），“10Base-2”中的数字2就是这个意思。2.每条总线上最多接30台主机。3.连接主机的两个T型连接器最短距离0.5m。粗缆以太网和细缆以太网的物理层编码和译码标准是曼彻斯特编码和译码。细缆以太网连接示意图细缆网络末端细缆网络末端终端电阻终端电阻传统以太网总线型以太网：——总线型以太网的扩展如果想要连接更多主机使一个以太网络范围更大，那就需要有相应的设备在信号衰减失真之前将它重新整形放大，然后继续发送，这种设备就是中继器（也称转发器）。将中继器两边原来的以太网络称为一个网段。在功能上，中继器只是将信号重新整形放大再转发出去而已，即只涉及物理层的技术，因此，在网络连接设备的功能层次归类上，中继器被归到物理层连接设备。总线型以太网扩展中继器网段1网段2传统以太网总线型以太网：——中继规则（“5-4-3-2-1”规则）1.“5”：整个总线型以太网络最多可以有5个网段。2.“4”：既然最多只能有5个网段，那么以太网络中最多也就只有4个中继器。3.“3”：5个网段中，最多只能有3个网段可以连接主机。4.“2”：5个网段中，剩下两个网段不能连主机，只能用作线路距离扩展之用。5.“1”：用中继器连接的各网段逻辑上还是一个总线型以太网络（即还是一个冲突域），只不过规模扩大了。以太网中继规则网段1网段5网段3网段2网段4中继器传统以太网星型以太网：10Base-T星型以太网的出现是局域网史上的一个重要里程碑,它奠定了以太网在局域网中的地位。星型以太网的各主机都连到了一个专门的连接设备，即集线器，英文名是Hub。星型以太网使用的传输媒体是双绞线。将集线器也看作一个连接节点，这样就得到如图所示的拓扑图，这是一个星型“*”放射状的结构，固称之为星型拓扑结构。（1）星型以太网（2）星型拓扑传统以太网星型以太网：物理连接形态上，10Base-T以太网是星型结构。从工作机理上，即关于各主机的通信方式和过程，10Base-T和总线型以太网是一样的。可按下图来理解星型以太网。讨论逻辑功能时，星型以太网中的集线器设备可以看作是一个多端口的中继器，所以，集线器也是一个属于物理层的网络连接设备。集线器传统星型以太网和总线型以太网传统以太网星型以太网：在逻辑机理上，10Base-T跟总线型以太网一样，它也是一种共享式以太网。集线器、主机和相应线路也构成一个（信号）冲突域，仍然需要使用CSMA/CD，并且争用期也是51.2μs，最小帧长度同样是64字节。由于双绞线自身的信号衰减特性，10Base-T中每台主机和集线器之间的双绞线最大允许长度只有100m。双绞线的物理层接头标准就是第二章讲的RJ-45标准。10Base-T常用的双绞线类型是三类UTP，只用4对线中两对，即一对用于发送数据另一对用于接收数据。物理层编码也是曼彻斯特编码。传统以太网星型以太网：——传统星型以太网的扩展集线器级联：1.集线器中有两种端口：级联端口和扩展端口。集线器的扩展端口用于直接连接主机，所用的双绞线是直通线。2.两个集线器相连，一个集线器的端口是扩展口，另一个集线器端口是级联口，所用双绞线也是直通线。3.两个集线器都用扩展口，那么要使用交叉线相连。4.经过集线器级联后，10Base-T以太网的拓扑结构稍有变化，属于树型拓扑结构。见后面的图示。（1）集线器级联（2）树型拓扑集线器级联端口扩展端口传统以太网星型以太网：——级联扩展规则（“5-4-3”中继规则）1.“5”：传统星型以太网上，任何两台主机之间最多只能有5段链路。2.“4”：因为（1），所以集线器级联最多4个。3.“3”：在4个级联的集线器中，最多只能有3个集线器可以直接连主机，偏中间的某个集线器不能直接连主机，只能连集线器。传统以太网星型以太网：——传统星型以太网的扩展集线器堆叠。1.上边集线器的“down”口用堆叠线缆连到下边集线器的“up”口。2.为了提高堆叠可靠性，经常还会采用冗余线路堆叠，即最下面集线器的“down”口还会用堆叠线缆连至最上面集线器的“up”口。集线器堆叠传统以太网以太网帧格式：——DIXEthernetII格式1.目的MAC地址：是接收方主机的网卡物理地址。2.源MAC地址：是发送方主机的网卡物理地址。3.类型：两个字节长度，用于指出被封装的数据字段是上层的哪种数据包。4.数据：就是由数据链路层的上一层所交下来的数据。5.FCS：帧检验序列，用于接收方检测收到的整个帧是否出错，用一种称为循环冗余校验码CRC的技术实现。DIXEthernetII帧格式目的MAC地址类型数据FCS6个字节源MAC地址6个字节2个字节4个字节46～1500字节封装好的网络层数据MAC帧8个同步字节10101010…10101010101010117个字节的前同步码1个字节帧定界符传统以太网以太网帧格式：——IEEE802.3帧格式1.目的MAC地址：同DIXEthernetII格式。2.源MAC地址：同DIXEthernetII格式。3.长度：IEEE802.3帧将EthernetII帧的类型字段改成了长度字段，即指出该帧数据字段的长度。4.数据：类似DIXEthernetII格式。5.FCS：同DIXEthernetII格式。IEEE802.3帧格式目的MAC地址长度数据FCS6个字节源MAC地址6个字节2个字节4个字节43～1497字节封装好的网络层数据DSAPSSA