第2章 局域网基础副本.docx
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第2章局域网基础副本
第2章局域网基础
课 型:
新课
课时安排:
10课时
教学目标:
知识目标:
1)了解局域网(LAN)的特点
2)掌握局域网的组成
3)掌握传输介质的种类和选择。
4)掌握局域网的层次结构
5)了解IEEE802标准系列
6)掌握以太网寻址方法
7)局域网的连接设备及应用
8)熟练掌握568A标准及568B标准水晶头制作的技能
9)熟练掌握局域网资源共享的配置的技能。
10)了解局域网的介质访问方法
技能目标:
培养学生运用所学知识与技能,主动探究,形成使用及组建局域网的技能
德育目标:
培养大家养成勇于探究新知识,不断地提高自身的审美意识,树立正确的人生观和价值。
教学重难点:
局域网的参考模型与标准、局域网介质访问控制方法、局域网的连接设备与工作原理
安全教育:
培养学生校园安全意识
教学方法:
讲授
教学过程:
局域网技术是当前网络技术领域中一重要分支。
人们对信息交流、资源共享和宽带网的需求,推动着局域网的高速发展。
其中,以太网是最典型的代表,它的发展最为迅速,应用最为广泛,是学习的重点。
第1,2课时
2.1局域网的基本概念
一、局域网的主要特点
⑴地域范围小:
局域网用于办公室、机关、工厂、学校等内部联网,其范围没有严格的定义,但一般认为距离为0.1~25km。
10km
⑵误码率低:
局域网具有较高的数据传输速率,传输速率一般为100M~1000Mbit/s,误码率在10-8~10-11之间。
⑶传输延时小:
局域网中的传输延时很小,一般在10-11-10-8之间。
涉及低三层功能
⑷传输速率高:
一般在10~100Mbps之间,随着网络技术的发展,目前的传输速率可以达到1000Mbps。
⑸支持多种传输介质:
可根据不同的性能需要选用价格低廉的双绞线、同轴电缆或价格较贵的光纤,以及无线传输介质。
(5)大多采用总线、星状、环状结构
(6)以计算机为主体,包括终端及各种外设。
不设中央主机系统。
(7)网络归单一组织管理
二、局域网的分类
局域网有多种类型,如果按照网络转接方式不同,可分为共享式局域网和交换式局域网两种
1、共享介质局域网
共享式局域网是指所有结点共享一条公共通信传输介质的局域网技术。
共享介质局域网可分为以太网、令牌总线、令牌环、FDDI以及在此基础上发展起来的高速以太网和FDDIⅡ等。
无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物,同有线局域网一样,可采用共享方式。
2、交换式局域网
交换式局域网是指以数据链路层的帧或更小的数据单元为数据交换单位,以以太网交换机(EthernetSwitch)为核心的交换式局域网技术。
交换式局域网可分为交换以太网、ATM网以及在此基础上发展起来的虚拟局域网,但近年来已很少用ATM技术组建局域网。
三、局域网的组成
局域网由网络硬件和网络软件两大部分组成。
1、网络硬件
局域网硬件应包括:
网络服务器、网络工作站、网卡、网络设备、传输介质、介质连接器和各种适配器。
(1)网络服务器
⏹指能够向网络用户提供特定服务的计算机。
⏹服务器是局域网中资源子网的核心。
⏹其类型可以是专用的服务器、小型机、高档微机等。
服务器按用途可以分为以下类型
◆文件打印服务器(File&PrintServer)。
◆数据库服务器(DatabaseServer)。
◆应用服务器(ApplicationServer):
因其用途不同又可分为WWW服务器、电子邮件服务器、FTP服务器等。
(2)工作站
工作站(Workstation),也叫客户机(Client),是连入网络,并且接受网络服务器控制和管理的,共享网络资源的计算机。
工作站分别运行独立的操作系统,操作系统必须为服务器所认可。
各种类型的微机均可以成为网络工作站。
工作站可分为有盘工作站和无盘工作站。
有盘工作站,是指工作站本身配置磁盘驱动器。
工作时,既可以使用本地硬盘,也可以使用服务器的硬盘。
无盘工作站是指工作站本身并不配置磁盘驱动器,只使用服务器上的硬盘。
好处在于降低了网络成本,便于网络管理。
(3)网络适配器NIC
简称为网卡,它是计算机网络中最基本和最重要的连接设备之一,计算机主要通过网卡接入网络。
双重的:
一方面负责接收网络上传过来的数据包,解包后将数据通过主板上的总线传输给本地计算机;另一方面它将本地计算机上的数据经过打包后送入网络。
(4)传输介质
传输媒体是网络通信的物质基础之一。
2、局域网软件
可大致分为网络系统软件和网络应用软件。
网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信和网络资源分配与共享功能的网络软件,它为用户提供了访问网络和操作网络的友好界面。
目前使用比较广泛的网络操作系统nos有四大系列:
UNIX、Linux、NetWare和Windows SERVER操作系统。
网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件,它为用户提供一些实际的应用。
四、局域网的层次结构与标准化模型
国际上开展局域网计算机网络标准化研究和制定的机构有美国电气与电子工程师协会(IEEE802)委员会、欧洲计算机制造厂商协会(ECMA)和国际电工委员会(IEC)等,其中IEEE802与ECMA主要致力于办公自动化与轻工业局域网的标准化研究,而重工业、工业生产过程分布控制方面的局域网标准化工作主要由IEC进行。
1、局域网参考模型
局域网的体系结构只包含了数据链路层和物理层,其中,数据链路层又分为逻辑链路控制子层(LogicalLinkControl,LLC)和介质访问控制子层(MediaAccessControl,MAC),如图所示。
(1)物理层
IEEE还规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。
具体包括:
1)用基带信号传输。
2)数据编码采用曼彻斯特编码。
3)传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤。
4)拓扑结构可以是总线型、星型、环形和树型。
5)传输速率有10Mbps、100Mbps、1000Mbps等。
(2)数据链路层
•按功能划分为两个子层:
LLC和MAC
•功能分解的目的:
–将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开,以适应不同的传输介质。
–解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题,使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。
•LLC:
与介质、拓扑无关;
•MAC:
与介质、拓扑相关。
MAC子层的主要功能是进行合理的信道分配,解决信道的竞争问题,完成介质访问控制功能,为竞争的用户分配信道使用权;以及数据帧的封装/拆装,帧的寻址和识别,比特的差错控制等。
MAC地址:
物理地址48位。
MAC地址的前3个字节(高24位)由IEEE统一分配给厂商,低24位由厂商分配给每一块网卡。
具体到局域网设备中,MAC地址被固化在网络适配器(网卡)中
查看本机MAC地址的方法:
方法一:
“开始”→“运行”→输入“cmd”→回车,在出现的命令提示符界面中输“ipconfig/all”→回车,可以得到计算机的MAC地址。
其中PhysicalAddress就是计算机的MAC地址。
方法二:
网络连接图标(小电脑),点选“状态”→“支持”选项卡下的“详细信息”,其中的实际地址即为您网卡的MAC地址。
逻辑链路控制子层(LLC)构成了数据链路层的上半部分,与局域网的高层和MAC子层相邻。
LLC子层MAC子层的支持下向网络高层提供服务。
LLC子层与传输介质无关,它独立于介质访问控制方法,隐藏了各种802局域网之间的差异,向局域网高层提供一个统一的格式和接口。
附以太网帧结构(P19)
2.局域网的标准(含义参见P20)
1980年2月,电器和电子工程师协会(IEEE)成立了局域网标准委员会,专门从事局域网标准化工作,并制订了IEEE802标准。
IEEE802系列标准之间的内部关系
第3,4课时
2.2局域网的主要技术
决定局域网特征的主要技术:
拓朴结构、传输介质与传输形式、介质访问控制方法
一、拓朴结构
按网络的拓扑结构来分类,局域网有星型、总线型、环型及混合结构等类型。
1.总线拓扑(BusTopolopy)结构
总线型局域网的主要特点是:
⑴总线通常采用同轴电缆作为传输介质;
⑵所有的节点都通过网卡直接连接到总线上;
⑶共享型局域网;
⑷在一定时间内只允许一个节点利用总线发送数据;
⑸节点在发送数据时采用广播方式,即其它节点都可以接收到数据;
⑹由于总线作为公共传输介质为多个节点共享,会出现冲突,造成传输失败。
总线型拓扑的优点是:
结构简单,实现容易,易于扩展,可靠性
2.环状结构
环型结构采用分布式控制,控制简单,结构对称性好,传输速率高。
结构中各计算机地位相等,网络中通信设备和线路比较节省。
信息流是定向的,传输延迟也是确定的。
这种结构主要用于令牌网(TokenRing),令牌在环中依次传递,拿到令牌就可以发送消息。
令牌网的主要好处就是传输速度较快,同时它的运行性能、效率也远比以太网优越。
3.星状结构
星型拓扑中存在着中心节点,每个节点通过点到点线路与中心节点连接,任何两个节点之间的通信都要通过中心节点。
如果中心节点是集线器,从外部结构看其物理结构是星型的,实质上它的逻辑结构依然是总线型的。
局域网中所有节点共享传输介质,在一定时间内只允许一个节点通过集线器送数据。
如果中心节点是交换机,交换机可以在多对通信节点之间建立并发的连接。
才是真正的星型拓扑结构
知识拓展:
局域网的网络模式
网络模式(NetworkModel)也称计算模式或应用模式,它是计算机网络处理信息的方式。
不同的网络模式具有不同的工作特点和服务方式。
目前,局域网最常用的计算模式有客户机/服务器模式、浏览器/服务器模式和对等服务器模式。
1、客户机/服务器模式(Client/Server,C/S)
是一种开放式结构、集中式管理、协作式处理的主从式网络应用模式。
C/S模式把计算任务分成服务器部分和客户机部分,分别由服务器和客户机完成。
优点:
①安全级别高
②更好的性能
③可靠性高
2.对等服务器网络模式
对等服务器网络模式中没有专用服务器,每一台计算机的地位平等,在网上的每一台计算机既可以充当服务器,又可以充当客户机,彼此之间进行互相访问,平等地进行通信。
典型对等局域网结构
3.浏览器/服务器模式
随着Internet的广泛应用,基于局域网的企业网开始采用Web技术构筑和改建自己的企业网(Intranet)。
于是,浏览器/服务器(B/S)新型结构模式应运而生
二、传输介质与传输形式
局域网的传输形式有两种:
基带传输和宽带传输。
局域网可以使用的传输介质:
有线(双绞线、同轴电缆、光纤)与无线(电磁波、红外线)等。
1.传输速率和误码率
2.传输介质分类
(1)双绞线
就是由两条相互绝缘的细芯铜导线缠绕在一起构成的。
以减少信号在电缆中传输的噪声和电磁干扰。
双绞线线皮的颜色通常为橙色、棕色、蓝色、绿色。
Ø双绞线分为:
●屏蔽双绞线:
STP是由两对或者多对铜绞线外层包着柔韧的绝缘层,然后是金属箔屏蔽层,最外层是塑料防护层,3类5类
●非屏蔽双绞线UTP最常用,分为1-7类
国际电气工业协会(EIA)为非屏蔽双绞线定义了几种质量级别。
(1)1类——用于电话通信,一般不适合传输数据。
(2)2类——可用于传输数据,最大传输速率为4Mbps。
(3)3类——用于以太网,最大传输速率为10Mbps。
(4)4类——用于令牌环网,最大传输速率为16Mbps。
(5)5类——用于快速以太网,最大传输速率为100Mbps。
(6)6类——用于吉比特以太网,最大传输速率为1Gbps。
双绞线一般用于星型网的布线连接,两端安装有RJ-45头(水晶头),连接网卡与集线器或交换机,最大长度一般为100m
Ø双绞线的制作
①EIA/TIA接线标准:
TIA/EIA568A标准规定线对顺序为:
●1-绿白、2-绿、3-橙白、4-蓝、5-蓝白、6-橙、7-棕白、8-棕
TIA/EIA568B标准规定线对顺序为:
●1-橙白、2-橙、3-绿白、4-蓝、5-蓝白、6-绿、7-棕白、8-棕
1、2用于发送,3、6用于接收
③制作双绞线需要的材料及工具有:
UTP双绞线、RJ45连接头及护套、压线钳、剥线器
●
直通线(正线)
●交叉线(反线)
●反转线
设备与设备之间的连接
④测试
(2)同轴电缆
●同轴缆线由单根或多股铜线或敷铜箔膜的铝导体构成内部的导体、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层,以及保护外层组成。
●目前广泛使用的同轴电缆有两种:
一种是阻抗为50Ω的基带同轴电缆,一般用于数字传输;另一种是阻抗为75Ω的宽带同轴电缆,一般用户模拟传输。
●基带同轴电缆可直接传输数字信号,主要是用于10Mbps以太网。
以太网使用的基带同轴电缆又分为粗同轴电缆和细同轴电缆两种,它们之间最主要的区别是支持的最大传输距离是不同的。
●宽带同轴电缆用于传输模拟信号。
宽带同轴电缆目前主要用于闭路电视信号的传输,一般可用的有效带宽大约为750MHz。
同轴电缆的规格:
(3)光纤
●
指使用玻璃纤维或塑料纤维传输数据信号的网络传输介质。
由纤芯、包层、护套组成。
在光纤中传输的是光脉冲信号,光脉冲信号由激光或发光二极管产生
●光纤介质的特点是传输距离远、传输速度快以及传输频带较宽
●按光信号在光纤中传递状态,分为
单模:
如果光纤导芯的直径小到只有一个光的波长,光纤就成了一种波导管,光线则不必经过多次反射式的传播,而是一直向前传播,这种光纤称为单模光纤。
●单模光纤的纤芯直径极细,约为5~10微米,使用激光传送表示二进制信息的光信号(光纤的直径小到只能传送一个光波长,直线传播)
多模:
只要到达光纤表面的光线入射角大于临界角,便产生全反射,因此可以由多条入射角度不同的光线同时在一条光纤中传播,这种光纤称为多模光纤。
●多模光纤的纤芯直径较大,通常为62.5微米,使用发光二极管(LED)传送产生的光信号
比较
单 模
多 模
用于高速率、长距离
用于低速率、短距离
成本高
成本低
窄芯线,需要激光源
宽芯线,聚光好
耗散极小,高效
耗散大,低效
按光缆中的光纤数
●单芯
●双芯
●多芯
光纤作为数据传输中最有效的一种传输介质,它具有传输数据率高;电磁绝缘性能好,抗电磁干扰性能强;传输损耗小,传输距离远;中继器的间隔距离大;保密性好;原材料丰富等特点。
因而,光纤介质已经成为当前主要发展的传输介质。
(4)无线传输介质
利用可以穿越外太空的电磁波来传输信号的。
常见的无线介质有无线电波、光和红外线等。
使用无线传输介质的优点是不受地理条件的限制、不需要架线、建网速度快等。
但使用无线传输介质传输信号也具有一些缺点,如抗干扰能力差、数据保密性差等。
3.几种传输介质的比较
三、介质访问控制方法
IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法:
IEEE802.3载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)、IEEE802.5令牌环和IEEE802.4令牌总线。
1.载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)
●CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议,数据发送具有广播的特点,网中的各个站(节点)都能独立地决定数据帧的发送与接收,如图所示。
每个站在发送数据帧之前,首先要进行载波监听,只有介质空闲时才允许发送帧。
●CSMA/CD协议的工作原理是:
某站点想要发送数据,必须首先侦听信道。
如果信道空闲,立即发送数据并进行冲突检测;如果信道忙,继续侦听信道,直到信道变为空闲,才继续发送数据并进行冲突检测。
如果站点在发送数据过程中检测到冲突,它将立即停止发送数据并等待一个随机长的时间,重复上述过程
⑵.令牌环(TokenRing)
令牌环是一种适用于环形网络分布式媒体的访问控制方法,利用令牌传递(TokenPassing)来进行环路循环的介质访问控制。
有别于前面提到的CSMA/CD,令牌传递并不需要使用冲突检测来避免帧冲突。
工作原理:
哪个站点可以发送帧,是由一个沿着环旋转的称为“令牌”(TOKEN)的特殊帧来控制的。
只有持有令牌的站可以发送帧,而没有拿到令牌的站只能等待;拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头,后面加挂上自己的数据进行发送;目的站点从环上复制该帧,帧则沿环继续往下循环;数据帧循环一周后由源站点回收,并送出一个空令牌,使其余的站点能获得帧的发送权。
⑶.令牌总线(TokenBus)
CSAM/CD方法采用总线争用方式,具有结构简单、轻负载、时延小等特点,但随着负载的增加,冲突概率增加,性能明显下降。
令牌环网在重负载下利用率高,各个节点可公平地访问,但环网控制复杂。
令牌总线是在综合了上述两种介质访问控制方法的优点基础上形成的一种介质访问控制方法。
第5,6课时
2.7局域网的连接设备及应用
网络连接设备通常分为两大类:
(1)网内连接设备;
(2)网间连接设备。
网内连接设备主要有网卡、集线器、交换机及中继器等。
网间连接设备主要有网桥、路由器及网关等。
同时随着无线局域网产品技术的不断成熟,基于802.11系列标准的无线局域网连接设备也开始出现。
一、网络适配器
网络适配器又称网卡,是构建网络的最基本设备。
网卡插在计算机或服务器的扩展槽中,通过网线与网络交换数据、共享资源。
(一)网卡的作用:
a.接收和解包网络上传来的数据包,再将其传输给本地计算机。
b.打包和发送本地计算机上的数据,再将数据包通过通信介质(如双绞线、光纤等)送入网络。
网卡是数据链路层的设备。
(二)分类
1.按总线类型分类
(1)ISA网卡:
被淘汰
(2)PCI网卡:
目前最主流、应用最广泛的网卡
(3)USB网卡
(4)PCMCIA网卡:
应用于笔记本电脑
2.按接口类型划分
(1)BNC接口网卡(细缆接口)
(2)RJ-45接口网卡(双绞线接口)
(3)AUI接口网卡(粗缆接口)
(4)光纤接口网卡
(5)无线网卡
v笔记本计算机“无线PCMCIA网卡”
v台式计算机“无线PCI网卡”
vUSB接口无线网卡
注意:
无线网卡的天线要放在较少受电磁波干扰的地方,一般不要靠近屏幕、主机或电源等设备。
3.按数据传输带宽分类
(1)10Mb/s
(2)100Mb/s
(3)10/100Mb/s自适应
(4)1000Mb/s
二、中继器
中继器也称转发器或收发器。
将传送过来的二进制位信号进行复制、整形、再生和转发
主要用于局域网传输距离的延伸,增加节点数,以及连接采用不同传输介质和接口的同构网(如以太网)。
理论上讲中继器的使用是无限的,实际中约定,只允许出现5个网段,最多使用4个中继器(两台计算机之间最多4个中继器),而且其中只有3个网段可以挂接计算机,另外两个网段不可以连接计算机,而仅仅起到网络延伸的作用,这就是著名的“5-4-3”原则。
中继器工作在物理层。
三、集线器
集线器是一种能够改变网络传输信号、扩展网络规模、构建网络、连接PC、服务器和外设的最基本的设备。
多端口的集线器。
主要作用是对接收到的信号进行再生放大,以扩大网络的传输距离。
无法限制冲突和广播域。
(1)特点
Ø共享带宽
集线器的带宽是指它通信时能够达到的最大速度。
目前市面上用于中、小型局域网的集线器主要有10Mb/s、10/100Mb/s自适应和100Mb/s3种。
Ø半双工
由于集线器采取“广播”的方式传输信息,因此集线器传送数据时只能工作在半双工状态下,比如计算机1与计算机8需要相互传送一些数据,当计算机1在发送数据时,计算机8只能接收计算机1发过来的数据,等计算机1停止发送并做好了接收准备,它才能将自己的信息发送给计算机1或其他计算机。
Ø广播方式,易造成网络风暴。
集线器是一个共享设备,它的主要功能只是一个信号放大和中转的设备,不具备自动寻址能力,即不具备交换作用,所有传到集线器的数据均被广播到与之相连的各个端口,容易形成网络风暴,造成网络堵塞
(2)分类
Ø按照传输速率:
10MB/s(传统);10/100MB/s(自适应);100MB/s(快速以太网)
Ø按照配置形式:
独立型Hub:
固定端口配置,扩充时用级连的方法。
♦模块化Hub:
固定配置,用堆叠方法进行扩充——堆叠连接在一起的HUB在逻辑相当于一台单独的HUB,可统一管理。
♦堆叠式Hub:
又称机箱式,由一台带有底板、电源的机箱和若干块多端口的接口卡(线卡)组成。
可灵活按需配置,通过插入不同的插卡满足需求(如插入交换卡、路由卡、加密卡等)。
注:
1.堆叠:
使用专门的连接线,通过专门的端口将若干集线器堆叠在一起
2.级联:
使用“uplink”或“MDI”等标志的级联口
Ø按照是否进行网络管理方式:
智能HUB:
允许用网管软件对其进行管理的集线器,它内部包含有CPU等智能控制部件。
非智能(普通)HUB:
不能用网管软件进行管理的集线器。
一般使用普通集线器。
Ø按照端口数目:
5口、8口中、16口中、24口
四、网桥
网桥作用于物理层和数据链路层,用于网络中节点的物理地址过滤、网络分段以及跨网段数据帧的转发。
它既可以延伸局域网的距离,扩充节点数,还可以将负荷过重的网络划分为较小的网络,缩小冲突域。
但不能隔离广播、也不能控制广播风暴
存储转发设备,工作在数据链路层
工作原理:
当A工作站向B站发送数据时(A→B),网桥端口1也同时收到A站的帧信息(在总线上是广播式发布)因为A.B都在网桥的同一端口1.(通过查表)网桥丢弃此帧(称过滤作用);当A向C发送数据(A→C).通过查表,发现A.C分别在网桥的流口1和端口2,网桥将A帧数据暂停并转发给C帧
网桥的站表是通过”自学习”过程建立起来的就上说,当每次收到
MAC地址后,并将端口地址一一记录下来,逐步形成一个站表.
因此:
网桥的三大功能是:
1)自学习——形成网桥站表
2)过滤——减轻局域网的负荷
3)转发——使不同的局域网互连扩大网络的物理范围
五、交换机
交换机又称为交换式集线器(SwitchHub),它是一种基于MAC地址(网卡的硬件地址)识别,能够在通信系统中完成信息交换功能的设备。
是交换式局域网的核心设备。
⏹拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵
背板带宽:
指通过交换机所有通信的最大值。
⏹所有的端口都挂接在这条背板总线上
交换机的端口速率:
每秒通过的比特数。
10Mbps、100Mbps、1000Mbps、10000Mbps
交换机工作在OSI参考模型的第二层,即数据链路层。
1、交换机的基本功能
五大功能:
地址学习、刷新、过滤、转发、泛洪
◆地址学习(Addresslearning)交换机可以记住在一个接口上所收到的每个数据帧的源MAC地址,并存储到“端口-MAC地址”映射表,如图2-20。
◆转发/过滤决定(Forward/filterdecision)当交换机某个接口上收到数据帧,就会查看目的MAC,并检查“端口-MAC地址”映射表,从指定的端口转发数据帧,如果为广播帧或未知端口的MAC目的地址,则所有端口发送,如图2-21。
交换机的数据传递工作原理可以简单地这样来说明:
当交
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