网络集成 第3章

第3章 常用的网络技术,本章主要内容,几种典型的局域网技术 以太网技术 几种典型的广域网技术 广域网接入技术 局域网与广域网的比较,1,2,3,4,5,3.1 几种典型的局域网技术,局域网是计算机通信网的重要组成部分，但至今人们还很难给局域网一个严格的定义。大多数人认为，局域网（LAN ，Local Area Network）是指在较小的地理范围或局部范围内，将有限的通信设备互联起来的计算机网络，简称LAN。 它只是一种通信网，仅有OSI参考模型的下三层，其覆盖的地域在10m-10km或更大些，计算机数量由几台到几百台不等。,以太网技术简介,以太（Ethernet）网络是由Xerox、Digital与Intel三家公司开发出来的，是目前世界上使用最普遍、最广泛的局域网。以太网遵守IEEE802.3协议。以太网从诞生至今，仅仅经过不到20多年的发展时间，其运行速度却提高了几个数量级，目前以太网技术已发展成为一个系列，包括标准以太网（Ethernet）、快速以太网（Fast Ethernet，FE）、千兆以太网（Gigabit Ethernet，GE）和10G以太网。 以太网的拓扑结构一般为总线型或星型，传输介质可以为50同轴电缆、双绞线或光纤。现代以太网技术虽然已进入高速、全交换、光网络时代，但承载以太网技术的基础并没有改变，仍然是CSMA/CD、广播、IEEE 802.3帧、MAC地址等概念的天下。 以太网的主要特点是接入方便，可靠性较高，其低廉的端口价格和优越的性能，使得以太网占据了整个局域网市场的85左右的市场份额，从而使得CSMA/CD协议在局域网协议中居于统治地位，成了局域网协议的事实标准，也使得以太网成了局域网的代名词。但是由于介质访问控制方式采用的是载波侦听多路存取/冲突检测（CSMA/CD），即消息发送是通过竞争实现，在局域网有较多站点的情况下，有可能经常发生冲突，因此消息发送延迟过高。 如果说局域网是网络系统集成中的重点，那么现代以太网技术则是重中之重。所以本章中把以太网技术单独作为一节（3.2节）来讲解。,3.1.2 环网技术,目前使用的环网包括令牌环网（Token-Ring）和光纤分布式数据接口（FDDI）两种。令牌环网是最早使用的一种环网，FDDI是在其基础上发展起来的一种高速环网。,令牌环网技术,令牌环（Token Ring）网技术包括令牌总线技术和令牌环技术，是由美国IBM公司于1985年推出的，后来逐渐成为IEEE 802.5所定义的网络标准，它是一种物理以星形连接，但逻辑以环形（Ring）传输的网络。其主要技术指标是：网络拓扑为环形布局，基带网，数据传送速率为4Mbps16Mbps，采用令牌通行（Token passing）传递方法。 令牌也叫令牌通行证，它其实是具有特殊格式和标记的数据帧（Frame），是由1位或几位二进制数组成的数据码。令牌有“忙”和“空闲”两个状态。所谓“空闲”令牌是指令牌帧中的“空闲”位的值为0的令牌，如果该位值为“l”，表明有别的节点已经在发送报文信息了。令牌沿环形网依次向每个节点传递，只有获得“空闲”令牌的节点才有权利发送报文信息。,FDDI网络技术,FDDI是Fiber Distributed Data Interface的缩写，中文意思是光纤分布式数据接口。 FDDI通常采用双环结构，在传送报文信息时是利用两芯线缆同时进行的，故称为“双环”。其容错原理是这样的：FDDI的主环在外，用于正常工作，以反时针方向传送报文信息；副环在内，以顺时针方向传送相同的报文信息。若主环某一站点出现故障或断线，则会立即启动各用的副环，自动形成一新的逻辑环路，隔离故障点，使报文信息的传送不受影响，因此具有很高的可靠性。,3.1.3 ATM技术（1）,异步传递方式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种新的交换技术，ATM兼有电路交换的可靠性、实时性和分组交换的高效性、灵活性，是面向B-ISDN的交换技术。 每一个时隙就相当于一个分组，在ATM中叫做信元（cell）。ATM就是基于信元交换的技术。 ATM有两种主要的接口： 用户网络接口UNI（User Network Interface）。这是ATM端点与它们所连接的ATM交换机之间的接口。 网络节点接口NNI（Network Node Interface）。这是在ATM网络中两个ATM交换机之间或在两个ATM网络之间的接口。,3.1.3 ATM技术（2）,在ATM中使用的虚通路是一种逻辑连接，虚通路是ATM网络交换结构中的一个基本单元。两个端用户要进行通信，首先必须建立虚通路连接，然后才能在这个端到端连接上以固定信元长度和可变速率进行全双工的通信。数据传送完毕后再释放连接。 虚拟通道（VCI）和虚拟通路（VPI）都是描述ATM信元单向传输的路由。每个虚拟通路可以用复用方式容纳多达65535个虚拟通道。下图表示虚拟通路VP的交换过程。,3.1.3 ATM技术（3）,ATM是一种面向连接的技术，当发送端和接收端通信时，发送端先发送要求建立连接的控制信号，接收端收到该信号并同意建立连接后，一个虚拟线路被建立起来，虚拟线路用VPI和VCI表示。虚拟线路建立后，需要传送的信息即被分割成53个字节的信元，经网络传送到对方。若发送端有一个以上的信息同时发送，则根据相同程序建立不同的到达相应接收端的不同虚拟线路，实现信息交替送出。,3.1.4 无线局域网技术,无线局域网络是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网WLAN（Wireless Local Area Network），它主要是通过射频（RF，Radio Frequency）技术取代有线网络中的铜线实现的。无线网络采用与有线网络同样的工作方法，它们按PC、服务器、工作站、网络操作系统、无线网卡和访问点通过电缆连接建立网络。 无线局域网（WLAN）标准IEEE 802.11是在1997年审定通过的，另外还有一个标准IEEE 802.11 HR（High Rate），它是无线局域网的高速标准。802.11标准仅限于OSI物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）。IEEE 802.11标准规定了三种不同的物理层结构，即红外线物理层结构，以及两种采用不同扩频技术的射频数据传输物理层结构。,无线局域网的关键技术,实现无线局域网的关键技术主要有三种：红外线、跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）。 红外线技术：红外线局域网采用小于1微米波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性，受太阳光的干扰大。红外线支持l2Mb/s数据速率，适于近距离通信。 DSSS：DSSS局域网可在很宽的频率范围内进行通信，支持l2Mb/s数据速率，在发送和接收端都以窄带方式进行，而传输过程中则以宽带方式通信。 FHSS：FHSS局域网支持1Mb/s数据速率，共22组跳频图案，包括79个信道，输出的同步载波经调解后，可获得发送端送来的信息。 DSSS和FHSS无线局域网都使用无线电波作为媒体，覆盖范围大，发射功率较背景噪声低，基本避免了信号的偷听和窃取，使通信非常安全。同时，无线局域网中的电波不会对人体健康造成伤害，具有抗干扰性、抗噪声、抗衰减和保密性能好等优点。,无线局域网的组成,无线局域网设备包括无线网卡、无线接入点（AP）、计算机和有关设备。 无线网卡的硬件组成包括RF（射频）、IF（中频）、SS（扩频解扩频及解调）和NIC等几部分，如图所示。其中：NIC是网络接口控制单元，完成SS单元与计算机之间的接口控制。SS是扩频解扩频及解调单元，它完成对发送数据的频谱扩展和对接收信号的解扩、解调，同时，它还具有对数据进行解扰处理、并/串和串/并变换的功能，还要对发射功率和接收进行相应的控制，并具有信道能量、载波强度、信号质量检测等功能。IF是中频单元，它完成对已扩频信号的调制和对接收信号的变频及其他处理。RF单元完成对发送中频信号的向上和向下变频、功率放大（PA）及低噪声放大等功能。RF、IF和SS单元构成了扩频通信机。,蓝牙技术,1998年爱立信、IBM、Intel、诺基亚和东芝等公司联合推出一项最新的无线网络技术，即蓝牙（Bluetooth）技术。 蓝牙技术在推出时就面向无线局域网通信，在10米到100米的空间内所有支持该技术的移动或非移动设备可以方便地建立网络联系，进行音频通信或直接通过手机访问Internet。 蓝牙技术的协议结构分为三大部分：底层硬件模块、中间层协议和高层应用。如图所示。,3.1.5 虚拟局域网,将网络用户按照性质或需求分成若干个“逻辑工作组”，一个“逻辑工作组”就是一个虚拟局域网（VLAN，Virtual LAN），简称虚拟网。 虚拟网是交换机的重要功能，通常虚拟网的实现形式有三种： 静态端口分配。静态虚拟网的划分通常是网管人员使用网管软件或直接设置交换机的端口，使其直接从属某个虚拟网。这些端口一直保持这些从属性，除非网管人员重新设置。这种方法虽然比较麻烦，但比较安全，容易配置和维护。 动态虚拟网。支持动态虚拟网的端口，可以借助智能管理软件动态确定它们的从属。端口是通过借助网络包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定虚拟网的从属。当一网络节点刚互联入网时，交换机端口还未分配，于是交换机通过读取网络节点的MAC地址动态地将该端口划入某个虚拟网。这样一旦网管人员配置好后，用户的计算机可以灵活地改变交换机端口，而不会改变该用户的虚拟网的从属性，而且如果网络中出现未定义的MAC地址，则可以向网管人员报警。 多虚拟网端口配置。支持一用户或一端口可以同时访问多个虚拟网。这样可以将一台网络服务器配置成多个业务部门（每种业务设置成一个虚拟网）都可同时访问，也可以同时访问多个虚拟网的资源，还可让多个虚拟网间的互联只需一个路由端口即可完成。,划分虚拟网的方法 基于端口的虚拟网,在交换机上通过划分其端口而组成一个或多个虚拟网，例如一个交换机A上的端口1、2、8与另一个交换机B上的端口2、3、4、5、8所连接的客户工作站可以构成虚拟网VLAN1，而交换机A上的端口 3、4、5、6、7则与交换机B上的端口1、6、7一起构成另一个虚拟网VLAN2等，如图所示。 基于端口的虚拟网可以跨越多个交换机。时至今日，按端口号划分虚拟网仍然是构造虚拟网的一个最常用的方法。而且此种方法也确实是比较简单并且非常有效。但仅靠端口分组而定义虚拟网将无法使得同一个物理分段（或交换端口）同时参与到多个虚拟网中，而且更麻烦的是当一个用户由一个端口移至另一个端口时，需重新设置虚拟网。,划分虚拟网的方法 基于MAC地址的虚拟网,通过网卡的MAC地址也可以划分虚拟网。由于MAC地址是固化在网卡中且是唯一的，当某一个用户移到网络中另外一个地方时它将仍然保持其原先的虚拟网成员身份，所以无需网管人员对之进行重新的配置，即用户改变端口不需重新设置虚拟网。从这个意义讲，用MAC地址定义的虚拟网可以看成是基于用户的虚拟网。另外在此种方式中，同一个MAC地址处于多个虚拟网中是不成问题的。 但这种方法也有许多不足之处。首先，所有的用户在最初都必须用手工方式被配置到至少一个虚拟网中，这在大型的网络中并不是一件容易的事；其次在大规模的基于MAC地址的虚拟网中交换机之间进行虚拟网成员身份信息的交换也会引起网络性能的降低。,划分虚拟网的方法 基于第三层协议（IP地址）的虚拟网,部分支持第三层交换的交换机含内部路由功能，虚拟网之间的通信能通过专用路由设备保证。基于第三层协议的虚拟网实现在决定虚拟网成员身份时主要是考虑协议类型或网络层地址（如 TCP/IP网络的子网地址）。此种类型的虚拟网划分需要将子网地址映射到虚拟网，交换机则根据子网地址而将各用户的MAC地址同一个虚拟网联系起来。但应注意此处对于第三层信息的使用并不构成路由功能，不应将其同网络层路由混淆起来。 在第三层定义虚拟网有许多优点：可以根据协议类型进行虚拟网的划分；用户可自由地移动他们的机器而无需对网络地址进行重新配置。 缺点：一是性能问题，对报文中的网络地址进行检查将比对帧中的MAC地址进行检查所需开销更大；另一个缺点是在第三层上所定义的虚拟网对于TCP/IP特别有效，但对于其他一些协议如 IPX、DECnet等则要差一些，并且对于那些不可进行路由选择的一些协议，在第三层上实现虚拟网划分将特别困难。,