山东省高等教育特色课程 《计算机网络》 第七讲 局域网技术（二） 潍坊学院

本讲主要内容 虚拟局域网VLAN 高速局域网技术 无线局域网 概念、主要类型、主要标准、标签交换、配置与设计 100b/s、1000b/s、10Gb/s 无线局域网 组网方式、硬件、MAC层、物理层、安全技术

本讲重点、难点 重点：虚拟局域网、无线局域网 难点：VLAN的配置与设计

5.5虚拟局域网VLAN 虚拟局域网是物理局域网虚拟化的结果。虚拟化就是把局域网的成员(主机、网桥/交换机)按照一定分组规则划分到不同的集合中，每一个集合就是一个VLAN。 为了讨论上的方便，我们把前面介绍的局域网称为物理LAN。

VLAN与物理LAN之间的关系图

VLAN与物理LAN的区别 （1）位于不同物理LAN中的主机可以属于同一个VLAN中，而位于同一个物理LAN的主机可以属于不同的VLAN中。

5.5.1为什么要划分VLAN VLAN的引入出于以下原因： （2）节省布线成本的需要： 用软件实现,无需改变拓扑结构和物理位置、无需重新布线 （3）VLAN可以限制LAN中的广播通信量： 可将广播域限制在本VLAN内部

5.5.2 VLAN的主要类型 从概念上讲，可以根据各种分组规则划分VLAN。但是，得到实际应用的分组规则包括三个，即基于端口分类、基于MAC地址分类和基于IP地址分类。

1.基于端口的VLAN 如果根据LAN成员位于的交换机的端口进行分组，这样得到的VLAN称为基于端口的VLAN(Port Based)。 多维虚内键模型(VMIB,virtual multi-dimensional internal bonds) (a)基于端口的VMIB 端口 1 2 3 4 5 6 7 8 VID x y

2.基于MAC地址的VLAN 如果根据计算机网络接口的MAC地址进行分组，这样得到的VLAN称为基于MAC地址的VLAN。 (b)基于MAC的VMIB MAC地址 A B C D E F G H VID x y

3.基于IP地址的VLAN 如果根据与计算机网络接口卡关联的IP地址进行分组，这样得到的VLAN称为基于IP地址的VLAN。 (c)基于IP地址的VMIB IP地址 10.1.1.1 10.1.1.2 20.1.1.1 20.1.1.2 30.1.1.1 30.1.1.2 30.1.1.3 30.1.1.4 VID x y

5.5.3 VLAN的主要标准 IEEE制定的与VLAN有关的标准包括IEEE802.1D,IEEE802.10, IEEE802.1P和IEEE802.1Q。主要介绍后两种 IEEE802.1P：对以下方向提出规范，即用户优先权、VLAN成员关系和端口模式 IEEE802.1Q：对以下方向提出规范，端口规则、VLAN成员关系、VLAN帧格式

5.5.4 VLAN标签交换 VLAN标签交换的含义:帧的转发根据VLAN标签中的寻址结构VID进行 步骤: 网络互联设备根据VID与商品的关联,把携带某个VID的VLAN帧从与该VID关联的端口转发.

VLAN标签交换过程 帧到达交换机某个端口 符合入口规则? 是 接收帧 是否存在关联端口? 符合出口规则? 由关联端口转发 否 不接收 丢弃

5.5.5 配置VLAN 交换机给物理LAN贴标签是根据VMIB,VMIB是如何建立的呢?下面介绍3com公司Switch 3000交换机设置VMIB的简单过程: 第一阶段:由网络管理员按照VLAN成员分组规则定义VLAN成员关系 第二阶段:交换机通过与主机和VLAN服务器之间交换信息,自动进行VLAN设置,对用户透明

5.5.6 设计VLAN 确定VLAN的类型：基于端口、MAC还是IP 确定VLAN成员：规划成员组成，建网时还是建网后 规划VLAN中的路由：关系最密切的是IP子网的划分： 全交换结构，不划分IP子网，子网划分由VLAN来完成，不需要路由 有IP子网： 如VLAN与IP子网对应，两种路由重合 一个IP子网又划分成多个VLAN，不需要VLAN指定路由 同一VLAN的成员属于不同IP子网，使用IP子网间的路由 不同VLAN成员属于不同IP子网，使用IP子网间的路由

5.6高速局域网技术 这里指的高速局域网主要区别于传统以太网，“高速”相对于传统以太网的传输速度。主要有以下几种： 100Mb/s以太网 10吉比特以太网(万兆以太网)

5.6.1 100Mb/s以太网 1.100BASE-T技术 100BASE-T又称为快速以太网（Fast Ethernet），它是使用10BASE-T的CSMA/CD媒体访问控制方法在双绞线上传送100Mbps基带信号的星形拓扑以太网。 100BASE-T的网卡有很强的自适应性，能够自动识别10Mbps和100Mbps,所有在100BASE-T上的应用软件和网络软件都可以保持不变。 IEEE于1995年正式通过了100BASE-T快速以太网的国际标准，即802.3u标准。

100BASE-T三种物理层标准 名称 传输介质 最大距离 100Base-T4 3类（4类、5类）UTP(4对) 100米 100Base-TX 5类UTP或1类STP(2对) 100Base-FX 光纤(2股) 2000米

2. 100BASE-VG技术 100BASE-VG是一种使用集线器的100Mbps高速局域网，它的含义是指在语音级UTP电缆上进行100Mbps速率传输，且适合于以太网和令牌环网，因此100BASE-VG也称为100VG-AnyLAN，其中VG代表Voice Grade，而Any则表示能使用多种传输媒体。100BASE-VG常简写为100VG，它的IEEE标准为802.12。 100VG使用4对线以半双工方式数据，是一种无冲突局域网，能更好地支持多媒体传输，在MAC子层不使用CSMA/CD，而是使用需求优先协议。

5.6.2 1000Mb/s以太网 IEEE在1997年通过了关于吉比以太网的标准802.3z，并在1998年将其定为正式标准。 吉比特以太网仍使用原有以太网的帧结构、帧长及CSMA/CD协议，仅在底层将数据速率提高到了1Gbps，因此与标准以太网及快速以太网兼容。

吉比特以太网的标准802.3z的几个要点： （1）允许在1Gbit/s下全双工和半双工两种方式工作。 （2）使用802.3协议规定的帧格式。 （3）在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）。 （4）在10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。

吉比特以太网的物理层 吉比特以太网的物理层使用两种成熟的技术：一种来自现有的以太网，另一种则是ANSI制定的光纤通道。采用成熟技术就能大大缩短吉比特以太网标准的开发时间。 吉比特以太网的物理层包括两个标准。 1.1000BASE-X（802.3z标准） 100BASE-SX:短波长100BASE-LX:长波长 100BASE-CX:铜线 2.1000BASE-T（802.3ab标准）:4对5类UTP

5.6.3 10吉比特以太网 10吉比特以太网的标准由IEEE802.3ae委员会进行制定，10吉比以特太网的正式标准在2002年完成。10吉比以特太网又叫万兆以太网。 10吉比以特太网并非将吉比以太网的速率简单地提高到10倍，这里有许多技术上的问题要解决。

10吉比特以太网中的技术问题 10吉比特以太网的帧格式于10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s以太网的帧格式完全相同。10吉比特以太网还保留了802.3标准规定的最小和最大帧长。这就使用户在将其已有的以太网进行升级时，仍能和较低速率的以太网很方便地通信。 由于数据速率很高，10吉比特以太网不再使用铜线而只是使用光纤作为传输媒体。它使用长距离（超过40km）的光收发器与单模光纤接口，以便能够在广域网和城域网的范围工作。10吉比特以太网也可使用较便宜得多模光纤，但传输距离为65～300m。

10吉比特以太网中的技术问题 10吉比特以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。这就使得10吉比特以太网的传输距离不再受进行碰撞检测的限制而大大提高了。 吉比特以太网的物理层是使用已有的光纤通道技术，而10吉比特以太网的物理层则是新开发的。10吉比特以太网由下述两种不同的物理层。 （1）局域网物理层LAN PHY:数据速率10Gb/s （2）可选的广域网物理层WAN PHY:使广域网物理层速率9.95328Gb/s与10Gb/s的精确速率相连接

10吉比特以太网使以太网占有更高的市场份额 由于10吉比特以太网的出现,使以太网的工作范围从LAN扩充到了MAN和LAN,实现了端到端的以太网传输. 也证明了以太网的几个优势: 可扩展的(10M到10G) 灵活的(多媒体、全/半双工、共享/交换） 易于安装 稳健性好

5.7无线局域网WLAN 无线局域网不再使用同轴电缆、双绞线、光纤等有线传输介质，而是使用微波、红外线等无线传输技术。 下面介绍WLAN的组网方式、WLAN硬件、无线传输技术和WLAN设备选型

5.7.1WLAN组网方式 WLAN包括两种组网方式，即分布式方式和集中控制方式。如下图：

1.分布式方式 在分布式方式中，主机可以在无线通信覆盖范围内移动并自动建立点到点的连接。主机之间通过争用信道直接进行数据通信，而无需其他设备参与控制。

2.集中控制方式 在集中控制方式中，所有无线节点及有线局域网要与一个称为接入点(Access Point，AP)的设备连接。接入点设备的基本作用如下： （1）一是负责无线通信管理工作，例如给无线节点分配无线信道的使用权。 （2）二是在实现无线通信与有线通信的转换。 （3）三是起到与有线局域网网桥和路由器相似的作用。

几个概念：BSS、DS、ESS 在IEEE制定的无线局域标准IEEE802.11中，上图所示的WLAN被称为基本服务集(Basic Service Set，BSS)。一个BSS是WLAN的最小组成单元。当一个WLAN包含若干个BSS时，这些BSS要与一个称为分布系统(Distribution System，DS)连接。DS可以是有线局域网也可以是WLAN。这些连接在一起的BSS称为扩展服务集(Extended Service Set，ESS)，如下图所示。

BSS、DS、ESS图示

一个BSS与有线局域网DS连接的方案示意图 有线局域网DS起到连接骨干的作用，它也要包含AP设备。

5.7.2 WLAN硬件 从WLAN的组网方式可以看到，WLAN的组成除了包括主机系统之外，还需要以下基本设备，即无线网卡、接入点AP和无线通信介质。

1.无线网卡 WLAN网卡的作用与有线网卡一样，WLAN主机通过WLAN网卡发送和接收无线信号。无线网卡主要包括NIC单元、扩频通信机和天线三个功能模块。 NIC单元完成数据链路层功能，如建立主机与物理层之间的连接、载波侦听。扩频通信机实现无线电信号的接收与发射，同时负责无线信号的差错判断与处理。

2.AP设备 AP设备具有与主机无线网卡通信、桥接以及介质转换功能。目前，AP设备主要包括以下两种，即AP接入点和LAN-LAN无线网桥。以3Com公司产品为例，3Com AP接入点设备主要用于办公室内和楼内的无线连接。产品外观如图所示。

楼到楼WLAN网桥示意图

3.无线传输技术 无线网络的数据通信需要无线传输技术实现。无线传输是指不使用有线通信介质而通过电磁波在自由空间的传播实现数据的发送。能够传输数据的电磁波包括无线电、微波和红外线等。

4.WLAN设备选型 （1）是选择AP设备还是WLAN网桥： （2）考察设备的传输距离的限制。 （3）考察设备的传输速率。 （4）考察设备的MAC技术、物理编码方式以及安全加密认证等标准。

IEEE802.11MAC层 1997年IEEE审定通过了IEEE802.11标准，描述了WLAN体系结构。另外还制定了IEEE802.11HR（High Rate),是WLAN的高速标准。包括物理层和MAC层

IEEE802.11MAC技术——CSMA/CA WLAN使用的也是共享信道，也存在冲突，但因WLAN冲突检测不可靠，所以不能用CSMA/CD，而使用避免冲突CA。 MAC标准主要包括三方面的内容：基于信道预约的冲突避免，两个MAC功能和三个帧间间隔。

信道预约的原理 RTS A B CTS RTS：请求发送帧 CTS：允许发送帧

DCF和PCF 由于信道预约不能完全避免冲突，于是IEEE802.11定义了分布协调功能（DCF）和点协调功能（PCF） DCF应用于分布式WLAN的MAC控制，因无集中控制的设备，DCF提供争用服务。 PCF用于主从式WLAN，共享信道的使用权由AP统一分配，PCF提供无争用服务，多在采用轮询方式分配信道使用权时采用。 DCF遵循CSMA原则存取信道，不同的是DCF使用了三种帧间间隔（IFS），而不是以太网MAC子层使用的一种。

5.7.4IEE802.11物理层 1、IEEE802.11物理层的功能：载波侦听、发送、接收、编码/解码 物理层汇聚过程子层（PLCP）：为MAC层屏蔽无线介质相关的细节，使MAC不直接与无线传输技术打交道；提供物理层发送器和接收器所需的控制信息，使物理层的控制功能与数据传输功能隔离。PDU为PPDU。 物理介质相关子层（PMD）：负责工作站之间无线信号发送和接收。具有调制解调，信号编码等功能。

5.7.4IEE802.11物理层 3、IEEE802.11物理层传输技术： 红外技术（IR）：使用波长为850~950nm的红外线在室内传输，没有频率限制，采用间接发送方式，需用天花板发射信号，范围10~20m。 射频技术：可覆盖大范围的区域，当蜂窝配置结构时，可覆盖整个园区。包括跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）两种。

5.7.5IEEEWLAN的安全技术 比有线LAN更容易被窃听。IEEE802.11提出了两个措施，一是认证，二是有线保密等同。

本讲小结 虚拟局域网VLAN 高速局域网技术 无线局域网 引入原因 VLAN主要类型 VLAN的主要标准 VLAN标签交换 配置VLAN 规划VLAN 高速局域网技术 三种高速以太网的特点，特别是平滑升级与兼容性 无线局域网 组网方式 WLAN硬件 MAC层 物理层 安全技术

下讲概要 下讲主要介绍广域网技术

作业 教材：5.10 5.13