《计算机网络基础与应用》教案 第四章 局域网.docx
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《计算机网络基础与应用》教案第四章局域网
授课章节
第四章局域网
授课内容
首授班级
首授时间
课时
4学时
知识目标
1.掌握局域网的概念及局域网标准。
2.掌握局域网的介质访问控制方式。
3.理解以太网的原理及交换式以太网的原理。
4.了解虚拟局域网的工作原理。
5.理解无线局域网的功能和实现方法。
能力目标
1.能够清晰描述局域网的各种介质访问控制方法的区别和特点。
2.能够说明传统以太网和交换式以太网的区别和特点。
3.能够举例说明虚拟局域网的概念及应用情况。
教学重点
局域网的工作原理、CSMA/
教学难点
以太网的概念
教学地点
教具
教案、演示课件
教学过程
第四章局域网
4.1局域网概述
4.1.1局域网的特点
(1)地理分布范围小,一般是几百米到几公里的范围。
(2)数据传输速率高,误码率低。
(3)局域网支持多种通信介质。
(4)局域网归属单一便于管理。
(5)局域网协议简单,结构灵活,建网成本低,工作站的数量一般在几十台到几百台之间,管理和扩充都方便。
4.1.2局域网的层次结构
局域网只涉及通信子网的功能,它是同一个网络中节点与节点之间的数据和数据链路层,并且,数据链路层被细分为介质访问控制(MediaAccessControl,MAC)子层和逻辑链路控制(LogicalLinkControl,LLC)子层。
OSI参考模型和局域网模型的对比,如图4-1所示。
图4-1OSI参考模型和局域网参考模型对比
1.物理层
2.数据链路层
图4-2数据链路层的两个子层
(1)逻辑链路控制子层(LLC子层)
(2)介质访问控制子层(MAC子层)
4.1.3局域网的标准
IEEE802系列标准,如下所述。
IEEE802.1:
局域网体系结构、网络管理和网络互连
IEEE802.2:
逻辑链路控制子层(LLC)的定义。
IEEE802.3:
以太网介质访问控制协议(CSMA/CD)及物理层技术规范。
IEEE802.4:
令牌总线网(Token-Bus)的介质访问控制协议及物理层技术规范。
IEEE802.5:
令牌环网(Token-Ring)的介质访问控制协议及物理层技术规范。
IEEE802.6:
城域网介质访问控制协议DQDB(DistributedQueueDualBus分布式队列双总线)及物理层技术规范。
IEEE802.7:
宽带技术咨询组,提供有关宽带联网的技术咨询。
IEEE802.8:
光纤技术咨询组,提供有关光纤联网的技术咨询。
IEEE802.9:
综合声音数据的局域网(IVDLAN)介质访问控制协议及物理层技术规范。
IEEE802.10:
网络安全技术咨询组,定义了网络互操作的认证和加密方法。
IEEE802.11:
无线局域网(WLAN)的介质访问控制协议及物理层技术规范。
IEEE802标准内部关系结构,如图4-3所示。
图4-3IEEE802系列标准
4.2介质访问控制方法
图4-4广播式通信方式
常用的局域网介质访问控制方法有IEEE802.3的争用型访问方式,叫做载波监听多路访问/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetected,CSMA/CD)技术,它是以太网的核心技术;另外一种是IEEE802.5的定时型访问方式,叫做令牌(Token)技术,主要用在令牌环网和FDDI网络中。
4.2.1载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)
载波监听多路访问/冲突检测技术最早应用于总线型拓扑结构的以太网网络。
1.相关概念
(1)冲突(Collision),是指在以太网中,当两个数据帧同时被发到物理传输介质上,并完全或部分重叠时,就发生了数据冲突。
当冲突发生时,物理网段上的数据都不再有效。
(2)冲突域,是指在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。
2.载波监听多路访问/冲突检测工作原理
CSMA/CD媒体访问控制方法的工作原理,如下所述。
先听后说,边听边说;一旦冲突,立即停说;等待时机,然后再说;
注:
“听”,即监听、检测之意;“说”,即发送数据之意。
CSMA/CD的工作流程,如图4-5所示。
图4-5CSMA/CD工作流程
从CSMA/CD的工作原理可以看出,它是一种“争用型”介质控制方法,网络上各个节点地位平等,结构简单,价格低廉,易于实现。
4.2.2令牌访问控制
令牌技术不仅仅能用在环形网络结构中,还能应用在总线型网络结构中,称为令牌总线(TokenBus)。
1.令牌网
(1)令牌环工作原理。
。
图4-7令牌环网工作原理
2.令牌环网的组建
3.令牌帧和数据帧的格式
IEEE802.5定了了令牌环MAC帧有令牌帧、异常终止帧和数据/命令帧三种类型,如图4-10所示。
它们都有一对起始分界符SD和结束分界符ED,用于确定帧的边界。
图4-10令牌环帧格式
(3)异常终止帧
4.FDDI光纤网
FDDI网络主要用于应用环境,如下所述。
图4-11FDDI网络
4.3以太网
以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问冲突检测技术)技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上,IEEE802.3标准给出了以太网的技术规范。
最开始以太网只有10Mbps的吞吐量,它所使用的是CSMA/CD的访问控制方法,通常把这种最早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。
例如10Broad36,表示传输速度为10Mbps的宽带传输,使用75Ω同轴电缆;10Base5表示传输速度为10Mbps的基带传输,使用50Ω粗同轴电缆;10Base-T表示传输速度为10Mbps的基带传输,使用双绞线。
常用的几种传输介质的参数,如表4-2所示。
表4-2常见以太网传输介质标准
选项
10Base5
10Base2
10Base-T
10Base-F
10Broad36
传输介质
50Ω同轴电缆
50Ω同轴电缆
双绞线
光纤
75Ω同轴电缆
网段长(m)
500
185
100
2000
1800
段站点数
100
30
33
100
电缆直径
10mm
5mm
(0.4-0.6)mm
62.5/125μm
15mm
拓扑结构
总线
总线
星形
星形
总线
编码技术
曼彻斯特
曼彻斯特
曼彻斯特
曼彻斯特
曼彻斯特
标准
803.3
802.3a
802.3i
802.3i
802.3b
4.3.1以太网的帧格式
IEEE802.3定义了一个由七个字段组成的MAC帧的格式,它们是前导符、开始标志、目的地址、源地址、长度、数据和校验序列,如图4-12所示。
图4-12IEEE802.3帧格式
以太网的帧格式说明,如下所述。
4.3.2标准以太网技术
标准以太网技术就是常见的10Mbps的以太网,802.3中有4个常见的规范,如图4-13所示。
图4-13IEEE802.3物理层规范
1.10Base5规范
图4-1410Base5结构图
2.10Base2规范
图4-1610Base2结构图
3.10Base-T规范
图4-1710Base-T结构图
4.10Base-F规范
4.3.3其他类型以太网
以太网不是一种具体的网络,是一种技术规范。
从标准以太网到高速以太网经历了多年的发展,如图4-18所示。
图4-18以太网的发展
1.快速以太网(100M以太网)
快速以太网是通过降低冲突域直径的情况下提高速度的。
表4-3快速以太网规范
标准
传输介质
特性
网段长(m)
100Base-TX
2对5类UTP
100Ω
100
2对STP
150Ω
100
100Base-FX
1对单模光纤
8/125μm
40000
1对多模光纤
62.5/125μm
2000
100Base-T4
4对3类UTP
100Ω
100
100Base-T2
2对3类UTP
100Ω
100
2.100M以太网和10M以太网比较
100M以太网和10M以太网的MAC帧结构、长度和校验机制相同;介质访问控制方式相同,都采用CSMA/CD;组网方法相同。
这样,从10M以太网升级到100M的快速以太网很容易实现,成本较低。
3.千兆以太网
表4-4千兆以太网规范
标准
传输介质
特性
网段长
1000Base-SX
50μm多模光纤
短波长激光
全双工最长传输距离550m
62.5μm多模光纤
全双工最长传输距离2750m
1000Base-LX
9μm单模光纤
长波长激光
全双工最长传输距离550m
50μm,62.5μm多模光纤
全双工最长传输距离3000m
1000Base-CX
同轴电缆
最长传输距离25m
1000Base-T
5类UTP
最长传输距离100m
4.万兆以太网
4.3.4交换式以太网
交换式以太网是以交换机(switch)为中心构成,是一种星型拓扑结构的网络。
简称为以交换机为核心设备而建立起来的一种高速网络,这种网络在近几年来运用得非常广泛。
1.交换概念的提出
2.交换式以太网
图4-19交换机的原理
图4-20交换机组网
3.交换式以太网和共享式以太网比较
交换式以太网和共享式以太网相比较,如下所述。
(1)信道不同。
(2)带宽不同。
(3)通信方式的区别。
(4)拓扑结构不同。
4.3.5局域网连接设备
1.网卡
图4-22计算机网卡
图4-23常见的几种网卡类型
2.集线器
图4-24集线器的结构与工作原理
3.交换机
图4-25交换机
4.4虚拟局域网
4.4.1虚拟局域网的概念
虚拟局域网是建立在物理网络基础上的一种逻辑子网,虚拟局域网技术使局域网的组网灵活多变。
1.虚拟局域网的定义
虚拟局域网(VirtualLocalAreaNetwork,VLAN)是以交换式网络为基础,把网络上的站点分成若干个逻辑工作组,每个逻辑工作组就是一个VLAN。
V
例如某公司共有A、B、C三个房间,1-9号共9个站点连接在同一个交换机上,网络物理结构如图4-26所示。
图4-26网络的物理结构
图4-27网络的VLAN结构
2.虚拟局域网的应用
虚拟局域网的应用,如下所述。
(1)需要对广播数据包进行隔离操作,数据包只发送给某些特定的网段,避免网络中发生广播风暴。
(2)由于公司人员增加,网络站点扩充,部门不能集中办公,同一网段的人员可能不在同一物理地段。
(3)公司里的一些关键部门有特殊的安全需要,在保证能够和外界正常通信的同时又有自身内部网络的安全要求。
3.虚拟局域网的特点
虚拟局域网增加了网络规划的灵活性和扩展性,其特点如下所述。
(1)网络结构灵活,变化多样。
(2)减少网络流量,节约带宽
(3)提高网络安全性。
(4)简化网络管理。
(5)设备投资少。
4.虚拟局域网的帧格式
图4-28VLAN的帧格式
4.4.2虚拟局域网的划分
1.基于端口的VLAN
2.基于MAC地址的VLAN
3.基于网络层协议的VLAN
4.基于IP组播的VLAN
5.按策略划分VLAN
6.按用户定义、非用户授权划分VLAN
4.5无线局域网
4.5.1无线局域网的标准
目前比较流行的有802.11标准、新贵蓝牙(Bluetooth)标准以及HomeRF(家庭网络)标准。
1.802.11标准
无线局域网的最小构件是基本服务集,由基本服务集可以构成扩展服务集。
(1)基本服务集(BasicServiceSet,BSS)是网络最基本的服务单元。
(2)扩展服务集(ESS)。
图4-30扩展服务集
2.蓝牙
3.家庭网络的HomeRF
3.5.2无线局域网的结构
无线局域网的基本结构是由无线网卡、无线接入点(AP)、计算机和有关设备组成。
图4-31无线局域网天线
1.家庭无线局域网
图4-32家用无线局域网的结构
2.某校园无线局域网
图4-33无线局域网应用实例
3.5.3无线局域网的安全
1.传统无线局域网安全技术
(1)无线网卡物理地址过滤。
(2)服务区标识符(SSID)匹配。
(3)有线等效保密(WEP)。
2.在802.11i或者说WPA之前的安全解决方案
3.WPA技术(Wi-Fi保护访问)
教学后记
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