网络技术第五章--局域网技术

网络技术第五章–局域网技术

0、引入与概述

(1)引入

  在学习了物理层和数据链路层后，我们来探讨俩种网络技术——局域网技术和广域网技术，在这里我们先介绍局域网技术。
  局域网的发展始于20世纪70年代，即PC机开始普及的年代，在这几十年的发展中，局域网技术成为了计算机网络技术中发展最快、最热门活跃的领域之一。
  目前，业界已经最高推出100Gbps传输速率的产品，可以说在速率、带宽等指标上都较以往有了很大的提升。

(2)学习目标概述

• 了解决定局域网的三大要素：1.网络拓扑结构、2.传输媒体、3.媒体访问控制方法。
• 理解局域网的特点与功能、IEEE802标准和媒体访问控制的原理。
• 掌握以太网技术的发展以及技术原理。
• 掌握局域网组网设备的功能与选择、局域网的常见拓扑结构。
• 学习无线局域网、虚拟局域网。

(3)学习重点：
  媒体访问控制；以太网技术；无线局域网技术。

1、局域网的特点

(1)覆盖地理范围小：
  一般不会超过几千米，但最高也可达几十千米。
(2)数据传输速率高：
  最高可达100Gbps，典型的有10、100、1000Mbps。
(3)通信质量较高：
  较低的传输时延和误码率。
(4)便于安装、维护和扩充，成本低且快：
  通常由某部门、企业、单位所有；
  ;但随着技术的发展，局域网也可以扩展的很大很复杂，形成现代园区网络。
(5)支持多中传输媒体：
  同轴电缆、双绞线、光纤、无线。

2、决定局域网性能的三大要素

(1).网络拓扑结构
(2).传输媒体
(3).媒体访问控制方法。

3、局域网的拓扑结构

  网络拓扑结构是决定局域网特性的三大技术要素之一。在第一章——计算机网络基本概念内会有详细阐述，这里暂时不赘述（以后补上）*
(1)总线型
  优：结构简单易实现，可靠性较好，成本价格低。
  缺：故障难以排除，一点故障即易网络瘫痪。
(2)环形
  优：较有效避免冲突。
  缺：管理复杂，部件成本价格高。
(3)星型：
  优：结构简单，组网与管理维护方便，易于扩充，单连接点故障只影响这一个设备。
  缺：每个结点连中央结点需要大量电缆成本价格高，中央结点单点故障代价高。

不同拓扑结构各有优劣，组网时根据实际选择一种或者采用混合拓扑结构。

4、局域网标准(IEEE802标准)

(1) IEEE 802标准概述：
  IEEE802标准是由一系列协议共同组成的标准体系，并且还在面对新技术范畴增加新的标准、面对已有技术改进或扩充。
(2) 局域网的体系结构：
  局域网的体系结构模型和OSI模型相似但又有较大区别：
IEEE 802规定其只涉及物理层和数据链路层，并且将其数据链路层分成 逻辑链路控制(LLC) 和 媒体访问控制(MAC) 两个子层。

(3)局域网为什么不提供OSI网络层及以上的层

  不同局域网技术主要在物理层和数据链路层中区别，不同局域网在网络层互联时，只需要借助现有的网络层协议，而不需要自己提供。

  接下来是俩点具体原因：

• 局域网是通信网，只涉及通信有关的功能，所以它与OSI网络层以上层无关。
• 局域网基本采用共享信道技术和第二层交换技术，所以不设立单独的网络层。

(4)局域网为什么要将数据链路层分为逻辑链路控制子层（LLC: logical link control)和媒体访问控制子层(MAC: medium access control)

  局域网一般采用 共享媒体环境 ，所以需要提供解决冲突的媒体访问控制机制，但媒体访问控制机制会在不同的局域网技术中产生差异，使得数据链路层向网络层提供服务时未屏蔽细节，产生模糊，所以要分LLC和MAC两层。

  接下来是MAC层和LLC层的具体作用：

• MAC子层的作用：为媒体访问控制子层，负责媒体访问控制机制实现，处理局域网中共享通信媒体的争用问题。
• LLC子层的作用：为逻辑链路控制子层，负责屏蔽掉MAC子层的实现细节，形成统一的LLC界面(保证服务透明性)，对网络层提供一致的服务。

  （当然MAC层和LLC层都要参与数据的逐层封装与拆封）

(5)IEEE 802局域网体系结构的优势

• 即处理了局域网共享媒体环境的冲突问题；
  又遵循分层原则，确保层服务透明性，使局域网技术的变化不会影响网络层。
• 具有更好可扩展性，方便接纳新的媒体访问控制方法和局域网技术。
• 在形式上保持了与OSI模型的一致性。

5、媒体访问控制

媒体访问控制概述：
  媒体访问控制主要是解决局域网中 共用信道产生竞争时，如何分配信道使用权的问题。
  主要采用两种媒体访问控制方法：

• 争用型(随机型)媒体访问控制协议：
    --CSMA/CA方式
    --CSMA/CD方式：带冲突检测的载波侦听多址访问(Carrir Sense Multiple Access with Collision Detection)
• 确定型(有序型)媒体访问控制协议：
    --令牌方式。

(1)CSMA/CD
  [1].载波侦听(CS)：在总线上的各个节点都有对传输信号或载波的侦听功能
  [2].多址(MA)：当总线上，有一个节点占用信道发送信号时，其他所有节点都可以收听到，目标节点对其处理，无关节点对其忽略。
  [3].冲突检测(CD)：检测识别冲突的机制。

  [4].工作过程

• 先听后发，节点想要发送数据时，侦听信道空闲才可发送。
• 边发边听，传输节点在传输过程中也要继续侦听，如果多个节点正好同时放松信号，则产生冲突。
• 冲突停止，传输节点识别出冲突时便发送一个拥塞信号，令其他节点发现后停止传输。
• 随即时延重发，其他节点收到拥塞信号停止后，等待一个随机的时间(回退时间back-off time)后重发。

  [5].载波侦听判断冲突的实现方式

• 比较法，将侦听到的信号与原始信号做对比。
• 编码违例判决法，看信号是否符合原始的编码规律。

  [6].CSMA/CD方式的评价

• 协议简单，但只能减少冲突，并对产生的冲突进行处理，而网络竞争不确定性造成的网络时延不确定性，使CSMA/CD不适合对实时性要求很高的应用。
• 适合低负载环境

(2)令牌访问控制

分为令牌环和令牌总线，这里主要介绍令牌环访问控制

  [1]令牌：一种用来控制节点媒体访问权限的特殊控制帧，任何时候都在环中沿固定方向传送。
  [2]令牌环访问控制的过程：

• 初始状态：空闲令牌在环中定向传送。
• 发送状态：发送节点截获空闲令牌并且加上数据，发送数据帧。
• 接收与转发阶段：
  如果不是目标节点，则向下节点转发；
  如果是目标节点，则接受数据至本节点计算机中，向下节点转发设好已接受标志的帧
• 取消数据帧与重发令牌阶段：数据帧回到发送节点时，检查是否发送成功，
  若不成功，则重发数据帧，
  若成功，则取消数据帧并且重发新空闲令牌。

  [3].令牌环访问控制方式的评价

• 协议复杂，需要维护环，但确定性保证其适合实时通信
• 适合重负载环境。

6、以太网技术及其发展

  以太网是一种产生较早且使用广泛的局域网，并且发展迅速。

(1) 传统以太网

以太网的帧格式：

• 先导：7B，10101010，用于接受与发送端的时钟同步。
• 帧开始标志：1B，10101011，标志帧开始。
• 目的地址与源地址：6B+6B，表示MAC地址。
• 长度：2B，用于表示字段中的字节数（0–1500）。
• 数据：46B–1500B。
• 校验和，帧校验序列FCS：32位CRC。

(2) 交换式以太网
  10BASE-T的发展下出现了以太网交换机，将以太网从共享式转变为交换式。

[1]交换机的转发模式：

• 直接交换模式
  分为快速转发交换和无碎片交换：
  快速转发不需要帧的存储和校验；
  无碎片交换只转发帧长度大于64B的帧。
• 存储转发模式
  把收到的数据包存储起来，直到收到一个完整的帧，再CRC校验后转发。

[2]交换式以太网的优点：

• 独占宽带：每个端口既可连接节点也可连接网段，而且都独占该端口的宽带。
• 更高的传输宽带。
• 网络上的逻辑分段：交换机的不同端口连接的每一个网段都是独立的，每个端口对应的都是独立的冲突域。
• 网段隔离具有安全性.

(2) 快速以太网
(3) 吉比特以太网

7、无线局域网技术（WLAN）

（1）无线局域网的标准

• 蓝牙
• HomeRF
• IEEE 802.11

（2）无线局域网的物理实现

• 红外线
• 无线电波（直接序列式拓展频谱DSSS、跳频拓展频谱FHSS）

（3）无线局域网的MAC子层

• 由于无线局域网中节点间可能距离过长，参用带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA/CA）。
• 发送数据帧前先监听到信道空闲，并且等待一个短的帧间隔IFS，之后仍然空闲才发送。
• 发送后检查确认帧ACK，没有收到则退避重发。

8、虚拟局域网（VLAN）

• 共享型以太网：节点在同一冲突域和广播域，容易造成资源浪费。
• 交换式以太网：能解决冲突域问题，但不能克服广播域问题。（隔离冲突域，不隔离广播域）
• 虚拟局域网：以局域网交换机为基础，形成虚拟逻辑网段和工作组无需考虑用户和设备的物理位置，可以由一个交换机或跨交换机实现。

9、局域网组网设备

一般组网设备：

（1）服务器与工作站
（2）网卡：根据以太网系列技术和无线局域网技术作区分。
（3）中继器和集线器（物理层）

• 5个网段
• 4个中继器和集线器
• 3个主机段（3/5网段）
• 2个连接段（2/5网段）
• 1个冲突域（由5个网段共享）

（4）网桥与交换机（数据链路层）
物理上拓展局域网，又不会扩大冲突域（在逻辑上划分冲突域）

无线局域网设备：

• 无线网卡
• 无线接入点AP：瘦AP只提供计本无线信号中继功能，胖AP则还有加密、认证等功能。
• 无线网桥
• 无线路由器
• 天线

无线局域网组网方式：

• 对等网络模式
• 基础结构网络模式