《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