局域网教学PPT课件

第4章 计算机局域网组网原理 4.1 局域网概述 4.2 局域网的拓扑结构 4.3 局域网的基本组成 4.4 传输介质 4.5 局域网的模型、标准与访问 本章学习目标 局域网的拓扑结构 局域网的基本组成 传网介质 局域网的模型、标准与访问 4.1 局域网的概述 4.1.1 局域网的定义 4.1.2 局域网的主要特点和功能 4.1.3 局域网的四大实现技术 返回本章首页 4.1.1 局域网的定义 局域网（Local area network , LAN）是一种小范围（一般为几公里）的以实现资源共享、数据传递和彼此通信为基本目的，由计算机、网络连接设备和通信线路等硬件按照某种网络结构连接而成的，配有相应软件的高速计算机网络。 4.1.2 局域网的主要特点和功能 1．局域网的特征 2．局域网的功能 3．LAN典型应用场合 返回本节 1．局域网的特征 ①共享传输信道 ②传输速率高 ③传输距离有限 ④误码率低 ⑤连接规范整齐 ⑥局域网通常归属单一 ⑦采用多种媒体的访问控制技术 ⑧一般采用分布式控制和广播通信 ⑨简单的低层协议 ⑩易于安装、组建和维护 2．局域网的功能 ⑴资源共享 软件资源 硬件资源 数据资源 ⑵通信交往 电子邮件 视频会议 3．LAN典型应用场合 同一房间内的所有主机，覆盖距离10m 同一楼宇内的所有主机，覆盖距离100m 同一校园、厂区、院落内的所有主机，覆盖距离1Km 4.1.3 局域网的四大实现技术 组建一个实用的局域网通常有以下四项基本的网络技术： 网络拓扑结构 传输介质 通信协议 布线技术 返回本节 4.2 局域网的拓扑结构 拓扑结构概述 4.2.1 总线拓扑 4.2.2 环型拓扑 4.2.3 星型拓扑 4.2.4 树型拓扑 局域网拓扑结构概述 定义：局域网络拓扑结构通常是指局域网的通信链路（传输介质）和工作节点（网络上的任何节点，例：路由器、交换机、服务器、工作站），在物理上连接在一起的布线结构，即指它的物理结构。 局域网的拓扑结构通常分为两类： 逻辑拓扑结构：用来描述网络中各节点间的信息流动形式，即由网络中的介质访问控制方法决定的拓扑结构。 物理拓扑结构：用来描述网络硬件的布局，即网络各部件的物理连接形状。局域网中广泛使用的物理拓扑结构为总线型、环型拓扑、星形拓扑、树型拓扑。 4.2.1 总线拓扑 总线拓扑结构的特点 总结拓扑结构的应用特点 适用场合 网络范例 1. 总线拓扑结构的特点 物理和逻辑拓扑结构都采用总线结构 网络上所有节点公用通信电缆线路 采用广播的方式传递信息 连接的节点数和传输数据距离受限制 返回本节 2.总线拓扑结构的应用特点 ⑴优点: 结构简单灵活 可靠性较高 在低负荷时,网络响应速度较快 硬件设备量和电缆量少,造价低 易于安装、配置，使用和维护方便 共享能力强，适合一点发送，多点接收的场合 返回本节 ⑵缺点 故障诊断困难 网络扩充不便 信号随距离的增加而衰减 总线的带宽成为网络的瓶颈 由于单个网段的距离长度受到严格的限制 返回本节 3.适合场合 此类结构适用于小型办公自动化系统、实验室、游戏厅、小型信息管理系统等低负荷，以及输出的实时性要求不高的环境。 返回本节 4.网络范例 10BASE5： 10BASE2：粗缆和细缆以太网 4.2.2 环型拓扑 环型拓扑结构的特点 环型拓扑结构的应用特点 适用场合 网络范例 1. 环型拓扑结构的特点 采用电缆或光纤连接环路上各节点 采用令牌的方式通信 信号经各个节点都会被重传（再生），因此传输很长距离不会衰减 返回本节 2.环型拓扑结构的应用特点 ⑴优点: 结构简单灵活 可靠性较高 在低负荷时,网络响应速度较快 硬件设备量和电缆量少,造价低 易于安装、配置，使用和维护方便 共享能力强，适合一点发送，多点接收的场合 返回本节 ⑵缺点 传输效率低 灵活性差 可靠性差、管理不易 环路维护复杂，实现困难，维护费用和造价高 返回本节 3.适合场合 这种结构是近10年来逐步发展起来的，并被广泛应用于局域网主干网的一种网络拓扑结构。在高速主干网中，环型网络通常使用光纤作为传输介质，它适用于企业的自动化系统、对数据传输实时性要求较高的应用场合以及负荷较重的大型网络和信息管理系统。 返回本节 4.网络范例 IBM令牌环网和FDDI环型网络。 4.2.３ 星型拓扑 星型拓扑结构的特点 星型拓扑结构的应用特点 适用场合 网络范例 1. 星型拓扑结构的特点 各节点通过电缆或双绞线连接到中央设备 各节点通过中央设备发送数据 中央设备对信号进行放大和再生 返回本节 ⑴ 中央节点（集线器或交换机）的主要功能 为需要通信的设备建立物理连接 维持两台通信设备的通信过程和物理通路 断开线路时，中央节点拆除已建立的通信线路 返回本章首页 ⑵星型拓扑的拓扑结构问题 明确逻辑和物理拓扑结构的关系 逻辑结构属于“总线型”或“环型”拓扑的局域网，物理拓扑结构也可以是星型或其他物理构型。 理论上的网络拓扑指逻辑拓扑结构 实际上的网络拓扑指物理拓扑结构，所以出现Star-to-Bus与Star-to-Ring的说法 返回本节 2.星型拓扑结构的应用特点 ⑴优点: 网络结构简单 易于检查故障 扩展性好 集线器或交换机上的多种类型接口，可以连接多种传输介质 单个节点的故障不会影响整个网络 造价和维护费用低 返回本节 ⑵缺点 中心节点出故障时，会导致整个网络的瘫痪 当负荷激增时，中央节点的负荷过重，成为网络的瓶颈 需要较多的传输介质，通信线路利用率低 当负荷过重时，系统响应和性能下降较快 返回本节 3.适合场合 工作间网络：加公室、实验室、网吧 智能大厦：有一总交换机，其它各楼层有分交换机，和总交换机相连 采用网络交换或交换式集线器的交换网络 返回本节 4.网络范例 10 BASE T和100 BASE T (双绞线共享式或交换式以太网) 4.2.４ 树型拓扑 树型拓扑结构 树型拓扑结构的应用特点 适用场合 网络范例 1. 树型拓扑结构 可以看成是星型拓扑的扩展 其典型的应用是以太网的交换机与集线器级联后组成的网络 返回本节 2.树型拓扑结构的应用特点 ⑴优点: 网络结构简单 易于检查故障 扩展性好 集线器或交换机上的多种类型接口，可以连接多种传输介质 单个节点的故障不会影响整个网络 设计合理比星型拓扑结构节约线路的投资费用 返回本节 ⑵缺点 拓扑结构更为复杂 数据传输时延较大 要求根节点和各级分支节点具有较高的可靠性 返回本节 3.适合场合 集中控制式网络 分级管理网络 控制型网络 返回本节 4.网络范例 100 BASE T和千兆以太网组成的多级网络 4.３ 局域网的基本组成 4.3.1 局域网的软件系统 4.3.2 局域网的硬件系统 4.3.1 局域网的软件系统 1. 网络操作系统 2. 网络管理软件 3. 网络应用软件 返回本章首页 1. 网络操作系统 网络操作系统是整个网络的核心，能够实现对网络，及各种处部设备的控制和管理，通过网络向网络上的计算机用户提供各种网络资源和网络服务。有如下作用： 对网络服务器实施安全、高效管理 对网络工作站实施协调、控制和管理功能 对网络用户提供各种服务和网络资源 返回本节 2. 网络管理软件 被管理的设备支持网管理协义（SNMP） 监控网络设备（入侵检测） 网络流量控制、计费、日志管理 控制和记录网络的性能（网络设备CPU、内存的利用率） 网络配置管理 常见网络管理软件HP---Openview、IBM---Netview 返回本节 3. 网络应用软件 网络应用软件使用的目的在于实现网络用户的各种业务，开发平台基于客户机/服务器、浏览器/服务器工作模式，如： 各种数据库管理系统(Oracle、Sybase、SQL) 办公自动化管理系统(Notes/Domino) 支持C/S、B/S计算方式的服务器和客户软件(IE、Navigator) 4.3.2 局域网的硬件系统 1. 网络服务器 2. 工作站或客户机 3. 网络适配器 4. 传输介质 1. 网络服务器 ⑴网络服务器分类 ⑵服务器技术 ⑶网络主干服务器 ⑷网络的功能服务器 ⑸网络服务器物理设备的设计 ⑹选购网络服务器的主要因素 返回本节 ⑴网络服务器分类 主干（控）服务器：装有网络操作系统的高性能服务器 功能性服务器：系统中的功能服务器（WWW、FTP、MAIL、代理服务器等） 返回本章首页 ⑵服务器技术 ①多处理技术 ②总线能力 ③内存 ④磁盘接口技术 ⑤容错技术 ⑥其他常用的服务器技术 返回本节 ①多处理技术 主要指服务器可以使用一个或多个中央处理器（CPU） 非对称处理器（AMP）：由主处理器（系统核心）和协处理器（完成其他系统功能，如磁盘操作） 对称多处理器（SMP）：多个处理器地位平等，完成同样的功能 ②总线能力 主要指总线的带宽、速率、多总线技术等方面的能力，是计算机传输数据的主干线路。常见的总线： ISA、PCI、AGP ③内存 是指服务器中的RAM随机访问存储器，为加快系统处理速度，系统会将某将信息缓存到RAM中，而不是处存（硬盘等）。常见的内存有： 非奇偶校验RAM（常用） 奇偶校验RAM 带有错误检测及更正的（ECC）RAM ④磁盘接口技术 EIDE（增强型IDE接口）：客户机经常使用的硬盘、CDROM、DVD的接口 SCSI（小型计算机系统）接口：服务器经常使用的接口，性能和功能更高，分为：SCSI-1、FAST-SCSI、WIDE-SCSI、SCSI-3、Ultra-SCSI、 Ultra2-SCSI、 Ultra3-SCSI ⑤容错技术 容错技术是指在计算机的局部硬件或软件出现故障时，系统采用某种方法使得数据的运算和处理仍能正常完成，分为软件容借和硬件容错。 容错技术解决和处理的常见问题： 引导文件的损坏 操作系统本身或操作系统的文件损坏 磁盘损坏或电源掉电 操作系统中断等引起的问题 软件容错： 采用具有容错能力的网络操作系统，利用多CPU实现 硬件容错： 使用RAID卡来实现： RAID0、RAID1、RAID5 ⑥其他常用的服务器技术 热插拔技术：在带电情况下可以插拔电源、硬盘等 双机热备：指两台或多台服务器，一台为主服务器，其他为备份，如果主服务器出现故障，自动启动备用的服务器 ⑶网络主干服务器 网络主干服务器指在网络中能够实现对计算机、用户或资源等控制，并能够提供各种网络服务，应当具有以下功能和要求： 运行和安装局域网的操作系统 实现网络中的软件、硬件、数据信息等资源共享的主要部件 网络管理员经过管理服务器，实现对网络上的人员、设备、资源、信息、安全的可靠管理 ⑷网络的功能服务器 WWW服务器 DNS服务器 MAIL服务器 FTP服务器 SAMBA服务器 打印服务器 数据库服务器 ⑸网络服务器物理设备的设计 网络规模的大小 完成功能的需要 访问量的多少 网络流量的大小 网络安全管理的需要 ⑹选购网络服务器的主要因素 确定服务器完成什么功能 对服务器技术的需求 价格因素 确定选择的服务器的品牌 服务器的性能 售后服务 2. 工作站或客户机 ⑴网络工作站应具有的功能 ⑵网络工作站的类型 ⑶网络工作站的配置要求 返回本节 3. 网络适配器 ⑴网络适配器的基本功能 ⑵选购网络适配器的因素 ⑶安装和配置网络适配器 ⑴网络适配器的基本功能 实现物理连接和电信号匹配 接收和执行各种控制命令 实现网络存取控制、信息帧的发送与接收，差错校验，串并代码转换 提供数据的缓存能力 实现某些接口功能 ⑵选购网络适配器的因素 速度 总线接口类型 网卡支持的网络类型和电缆接口 其他因素 4. 传输介质 ⑴选择传输介质应考虑的性能因素 ⑵选择传输介质应考虑的具体因素 ⑴选择传输介质应考虑的性能因素 网络拓扑结构 网络连接方式 网络通信容量 系统传输时的可靠性要求 所传输的数据类型 环境因素 ⑵选择传输介质应考虑的具体因素 成本 安装的难易程度 容量：带宽、传输速率 衰减及最大距离 抗干拢能力 4.4 传输介质 4.4.1 双绞线 4.4.2 同轴电缆 4.4.3 光导纤维电缆 4.4.4 无线传输介质 4.4.1 双绞线(twisted pair) 1. 无屏蔽双绞线 2. 有屏蔽双绞线 1. 无屏蔽双绞线 ⑴无屏蔽双绞线（UTP）的分类与性能 ⑵UTP的应用特性 低成本 易于安装 高容量（高速传输能力） 100m以内的低传输距离（高衰减） 抗干拢（EMI）能力差 2. 有屏蔽双绞线 ⑴有屏蔽双绞线（STP）的分类与性能参数 分为1、2、5、6、7、9类别 理论传输速率得到500Mb/s 实际传输速率在10--155Mb/s以内 目前5类STP在100m以内的数据传输速率为155Mb/s ⑵STP的应用特性 中等成本 安装难易程度中等 比UTP具有更高的容量 保密性比UTP高 抗干拢能力中等 4.4.2 同轴电缆 1.同轴电缆的结构 2.同轴电缆的分类和性能参数 3.常用基带同轴电缆的应用特点 1.同轴电缆的结构 同轴电缆(coaxial cable)是网络中最常用的传输介质,因其内部包含两条相互平行的导线而得名。 2.同轴电缆的分类和性能参数 按带宽和用途来划分： 基带（BASE-band）：小型局域网、传输数字信号、占用 整个信道 宽带（Broad-band）：电视网、模拟信号、多信道传送 3.常用基带同轴电缆的应用特点 低成本 易于安装，扩展方便 低容量。最高10Mb/s 中等传输距离 抗干拢能力中等 故障诊断和修复不易 4.4.3 光导纤维电缆 1.光导纤维电缆的结构 2.光导通信系统的工作原理 3.光导纤维电缆的分类与性能参数 4.光导纤维电缆的主要应用特点 1.光导纤维电缆的结构 光导纤维(optical fiber)是一种传输光束的细微而柔韧的介质，通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯、包层、护套构成通信圆柱体。 2.光导通信系统的工作原理 光纤通信系统是以光波为信号的载体、光导纤维为传输介质的通信系统。由光纤、光发送机和光接收机组成。各部分功能如下： 光纤是传输光波的物理媒体 光发送机由光源和驱动组成，将0、1电信号转换为光信号、编码、导入光纤 光接收机由光检测和放大组成，接收光信号，转换为电信号、解码 光中继机解决长距离传输衰减，保证远距离传输的高可靠、高质量 3.光导纤维电缆的分类与性能参数 玻璃光纤：纤芯及包层均用玻璃，损耗小，成本高。 用于远距离宽带传输。 塑料光纤：纤芯为玻璃，包层为塑料，损耗大，成本 低。短距离基带传输。 单模光纤：芯径小，只有一个入射角，光源必须用激光，成本高，带宽宽，耗散极小，效率高，适于高速度长距离传输。 多模光纤：芯径大，多个入射角，光源可以用LED(发光二极管），成本低，耗散大，效率低，适于低速度短距离传输。 多模光纤： 62.5(芯)/125 (外壳) 、50 (芯) /125 (外壳) 、100 (芯) /140 (外壳) 单模光纤： 8.3(芯)/125 (外壳) 常见光缆：4、6、8、12、24、32芯 局域网常用：4、6、8芯 4.光导纤维电缆的主要应用特点 传输信号的频带宽，通信容量大 100Mb/s---2000Mb/s 传输损耗小，传输（中继）距离长。 多模2000m、单模6-8km 误码率低，传输可靠性高 抗干拢能力强 保密性好 休积小，重量轻 抗化学腐蚀能力强 4.4.4 无线传输介质 无线传输介质是指两个通信设备这间不使用任何物理连接器，通常这种传输介质通过空气进行信号传输。 三种无线介质： 无线电波：30MHz-1GHz 微波：300MHz -300GHz 红外线和激光 2.卫星通信 卫星通信是利用静止的地球与同步卫星作为中继站的通信系统。 特点： 通信容量大 传输距离远 履盖范围广 适用全球通信、电信广播、地理环境恶劣的地区 4.5 局域网的模型、标准与访问控制方式 4.5.1 IEEE 802局域网参考模型和标准 1. IEEE 802委员会 2. IEEE 标准系列 3. IEEE 802局域网实现模型 4.5.2 局域网的访问控制方式及分类 1. 介质存取控制（medium access control） 2. 介质存取控制访问方式分类 3. 分存式控制访问方式的分类 4. CSMA/CD访问控制 5. 令牌环访问控制 1. IEEE 802委员会 电气电子工程师协会，成立于1980年，专门负责制定不同工业类型的网络标准，是局域网标准的主要制定者，分为如下三个分会: 通信介质分会：研究ISO/OSI的物理层功能 信号访问委员会：研究ISO/OSI数据链路层功能 高层接口分会：研究ISO/OSI的高层协议 2. IEEE 标准系列 802.1A：概述、体系结构 802.1B：寻址、网络互连和网络管理 802.2：LLC逻辑链路控制 802.3：CSMA/CD访问控制方法与物理层技术规范 802.3i：10BASE T访问控制方法与物理层技术规范 802.3u：100BASE T访问控制方法与物理层技术规范 802.3ab： 1000BASE T访问控制方法与物理层技术规范 802.3z： 1000BASE X访问控制方法与物理层技术规范 802.4：Token-BUS访问控制方法与物理层技术规范 802.5： Token-Ring访问控制方法与物理层技术规范 802.6：城域网访问控制方法与物理层技术规范 802.7：宽带局域网访问控制方法与物理层技术规范 802.8：FDDI光纤局域网访问控制方法与物理层技术规范 802.9：综合数据/语音网络标准 802.10：网络安全与数据保密标准 802.11：无线局域网访问控制方法与物理层技术规范 802.12：100BASE VG访问控制方法与物理层技术规范 网卡高24位的法管理机构，低24位由厂商自已决定 3. IEEE 802局域网实现模型 IEEE 802实现模型定义了局域网的物理层和数据层规范。 物理层功能： 编码、解码、时钟的提取、发送、接收和载波检测功能、提供与数据链路层的接口 MAC和LLC两子层： MAC功能：控制对传输介质的访问，维护和管理通信链路 LLC功能：提供面向链接的虚电路和无链接的数据单无服务，负责数据帧的封装和拆装，为网络层供接口 1. 介质存取控制（medium access control） 传送数据的规则称为通信协议 介质存取控制决定哪一台计算机有机传送数据 2. 介质存取控制访问方式分类 按控制方式的角度分类： 集中式控制方式：网络中存在集中控制器，控制各节点的通信 分布式控制方式：网络各节点地们平等，常见有CSMA/CD（以太网）、Token-Ring（IBM和FDDI的局域网）两种 3. 分存式控制访问方式的分类 ⑴“争用”型 典型示例为以太网，使用CSMA/CD访问方式，各节点按“先进先服务”，如发生碰撞，返回间隔一定时间再次访问 ⑵“定时”型 典型示例令牌环，分配给每个站点一个带宽片，确保当时间到来时对局域网进行存取，“令牌”（权标）可以控制传输时间，当要传输数据时，用数据包代替“令牌”进行传输 4. CSMA/CD访问控制 CSMA/CD访问控制简介 ⑴载波侦听与多路访问（CSMA） ⑵冲突检测（ CD ） ⑶ CSMA/CD方法 CSMA/CD访问控制简介 1972年由XEROX（施乐）公司提出了CSMA/CD概念，并应用于当时开发的以太网上，后来XEROX、Digital、Intel共同制定了一个以太网格式，这种格式最大特点“能够进行碰撞检测，但并不会中断碰撞的发生，也没有更正错误的能力”。常用于物理拓扑结为总线、星型和树型局域网。 ⑴载波侦听与多路访问（CSMA） 载波含义为判断线路上有无数据信号 载波侦听为查看信道上有无数字信号传输 多路访问是同时把多个节点在侦听信道是否空闲和发送数据 两种侦听方法： ①坚持型：一直侦听、直到发现信道空闲 ②非坚持型：延迟随机时间，然后检测，不断重复，直到发现信道空闲 ⑵冲突检测（ CD ） 工作原理： 先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发 特点： 采用争用型介质访问控制，各节点地位平等，低负荷网强效率高 缺点： 高负荷（节点增加），冲突增加，传输延时剧增，网络电压升高，网络性能急剧下降。 5. 令牌环访问控制 ⑴令牌环的结构 ⑵令牌环访问控制方法与工作原理 ⑶令牌环方法的工作步骤 ⑷令牌环网络的主要特点 ⑴令牌环的结构 令牌环网络是环型拓扑结构 数据在环内以单方向传送 传送数据权限由令牌控制 ⑵令牌环访问控制方法与工作原理 令牌是8位二进制数，11111111令牌空闲 令牌帧由F标志帧的开如和结束，并由令牌、控制字段C、循环冗余检验码CRC组成 控制字段C：规定优先级、源MAC、目的MAC ⑶令牌环方法的工作步骤 等待令牌到来、检测是否空闲 抓住空闲令牌、将空闲改为忙碌 构成信息帧、将数据与忙碌的令牌发出 各节点检测目的MAC与自己是否相符、相符则接收数据、以报文形式做出回答、向下传递、令牌回到原位、除去数据、改忙碌为空闲、释放令牌 接收数据节点发来信息，如为ACK（确认）表示接收正确，反之，需要等待得到令牌进行得发 ⑷令牌环网络的主要特点 采用无冲突的介质访问控制方法，高负荷时效率高 令牌循环周期固定，实时性好，适于控制型或实时性要求较高的控制型网络 信号单向流动，可使用高带宽的光纤作为传输介质 可以设置优先级，适集于中管理