4.1多子网的中型局域网的架设（教案）《计算机网络技术项目教程》（大连理工出版社）

周 次 第 五 周 周，第 5 次课；总第16次课 章节名称 第四章：多子网的中型局域网的架设 授课方式 课堂讲授（√）；上机实验（ ）； 实际操作（ ）；课程设计（ ）； 教学时数 2 授课方法 和手段 课堂讲授 教学目的 与要求 目的和要求： 1．局域网扩展和子网的划分; 2．交换机的工作原理 3．虚拟局域网(VLAN)技术 重点：虚拟局域网(VLAN)技术 教学基本内容纲要 4.2.1 　局域网扩展和子网的划分 集线器执行的功能如下：放大输入的信号,调整信号时间,在所有电缆敷设路线上重新产生信号。 常见到的集线器基本结构其外部结构比较简单。集线器在网络中的主要功能是同时把所有结点集中在以它为中心的结点上,概括为以下3种功能： （１）对接收到的信号进行再生整形放大,以扩大网络的传输距离。 （２）增加网络节点,即局域网的计算机数量 （３）连接不同介质的转换的接口转换器,图4-3除了增加网络节点数,同时也进行了细缆到粗缆的转换。 集线器可以优化网络布线结构和简化网络管理。集线器是对网络进行集中管理的最小单元,像树的主干一样,起到汇集各分枝的作用。 但是,集线器并不能无限制的进行连接,IEEE802标准规定,传统以太网任意两个节点(如计算机)最多连接4个中继器,最多经过 5个网段。而且连接中不能形成回路。 集线器的种类有几种划分标准： １．按端口数量来分 按端口数量划分是最基本的分类标准之一。通常所说的16口或24口集线器中的16口、24口是指集线器的端口数。如果按照集线器能提供的端口数划分,目前主流集线器主要可分为8口、16口和24口几大类。 ２．按带宽划分 10Mb／s带宽型100Mb/s带宽型10／100Mb／s自适应型 4.2.2　交换机的工作原理与分类 １．交换的提出 （1）用户带宽共享,带宽受限。 （2）广播方式,易造成网络风暴 （3）非双工传输,网络通信效率低。 2．交换机的工作原理 交换机工作在ISO/OSI RM数据链路层上。可以截取所有的网络信息流并读取每一帧上的目标地址,以确定帧是否可以转发给下一个网络段。 交换机由四个基本元素组成： 端口： 交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的物理网段（注：非IP网段），连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。 缓冲区： 是一种队列结构，被交换机用来协调不同网络设备之间的速度匹配问题。突发数据可以存储在缓冲区内，直到被慢速设备处理为止。缓冲区大小要适度，过大的缓冲空间会影响正常通信状态下数据包的转发速度（因为过大的缓冲空间需要相对多一点的寻址时间），并增加设备的成本。而过小的缓冲空间在发生拥塞时又容易丢包出错。 信息帧的转发机构： 数据帧的目的MAC地址来转发，根据收到的数据帧的目的MAC地址来查找自己的MAC地址表，如果在MAC地址表里有的，就从对应的接口转发过去，如果目的MAC地址不再MAC地址表里，就向交换机所有的接口（除了接收到这个帧的接口）广播 背板体系结构； 是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力，单位为Gbps，也叫交换带宽，一般的交换机的背板带宽从几Gbps到上百Gbps不等。一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，但同时设计成本也会越高。 交换机可以同时接收多个端口信息,并可以同时将这些信息发向多个目标地址对应的端口。交换机还可以将从一个端口接收的信息发向多个端口， 3．交换机转发机制 1）交换机在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址，如果找到，就将该数据帧发送到相应的端口，如果找不到，就向所有的端口发送； 2）如果交换机收到的报文中源MAC地址和目的MAC地址所在的端口相同，则丢弃该报文； 3）交换机向入端口以外的其它所有端口转发广播报文。 4．共享式和交换式以太网 MAC地址是固化在网卡上串行EEPROM中的物理地址,通常有48位长。IEEE802标准为每块网卡规定了一个48位的全局地址,它是站点的全球唯一的标识符,与其物理位置无关,即MAC地址,也叫物理地址。MAC地址为6Byte(48位)。其中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。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。以太网交换机根据某条信息包头中的MAC源地址和MAC目的地址实现包的交换和传递。 （１）传统共享式局域网的缺点 覆盖的地理范围有限、网络带宽容量固定、不能支持多种速率 （２）交换式局域网 交换式局域网采用交换技术来增加数据的输入输出总和和安装介质的带宽。一般交换机转发延迟很小,能经济地将网络分成小的冲突网域,为每个工作站提供更高的带宽。 （３）以太网交换机工作过程 以太网交换机提供了桥接能力以及在现存网络上增加带宽的功能。 用于L A N上的交换机因为它们都运作在数据链路层(ISO/OSI RM第2层)的MAC子层上,它们负责检验所有进入网络的流量的设备地址(MAC地址)。 交换机保存一张有关设备地址的信息表,并用该信息表来决定如何过滤并转发局域网流量。 以太网交换机执行3种重要的功能： 学习：交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。 过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口(如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口)。 消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。 5．交换机的分类 （1）按传输介质和传输速度分类方法 局域网交换机可以分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机和令牌环交换机等多种,这些交换机分别适用于以太网、快速以太网、FDDI和令牌环网等环境。 （2）按照应用范围的分类方法 局域网交换机可以分为桌面型交换机(Desktop Switch)、组型交换机(Workgroup Switch)和校园网交换机(Campus Switch)三类。根据架构特点,人们还将局域网交换机分为机架式、带扩展槽固定配置式、不带扩展槽固定配置式3种产品。 6．交换机的选型 背板带宽：是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力，单位为Gbps，也叫交换带宽，一般的交换机的背板带宽从几Gbps到上百Gbps不等。一台交换机的背板带宽越高，所能处理数据的能力就越强，但同时设计成本也会越高。 吞吐率：吞吐率原指一个业务系统在单位时间内提供的产量（或服务量）。在计算机或数据通信系统，指的是单位时间内通过某通信信道（a communication channel）或某个节点成功交付数据的平均速率，通常以每秒比特数（bps， bits per second ）为单位。 端口速率：称DCE速率或最大吞吐量。指的是计算机串口到调制解调器的传输速率。由于现今调制解调器几乎都支持该速率的V.42bis和MNP5压缩标准(压缩比都是4:1)，所以这一速率一般比线路速率高得多。 端口密度：端口密度是指一台交换机所能够支持的最小/最大的端口数量以及端口类型。GE/10GE端口一般推荐全双工端口。 交换方式：直通交换方式（Cut-through）、存储转发方式（Store-and-Forward）、碎片隔离式（Fragment Free） 堆叠能力：堆叠是指将一台以上的交换机组合起来共同工作，以便在有限的空间内提供尽可能多的端口。多台交换机经过堆叠形成一个堆叠单元。可堆叠的交换机性能指标中有一个"最大可堆叠数"的参数，它是指一个堆叠单元中所能堆叠的最大交换机数，代表一个堆叠单元中所能提供的最大端口密度。 全双工：全双工（Full Duplex）是指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。目前的网络设备均支持全双工。 高速端口集成： 网管能力：网管型交换机支持SNMP协议，SNMP协议由一整套简单的网络通信规范组成，可以完成所有基本的网络管理任务，对网络资源的需求量少，具备一些安全机制。SNMP协议的工作机制非常简单，主要通过各种不同类型的消息，即PDU（协议数据单位）实现网络信息的交换。 服务质量保证QoS支持能力：QoS（Quality of Service，服务质量）指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力, 是网络的一种安全机制， 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。 在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS，比如Web应用，或E-mail设置等。但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。 7．交换机组网中的冲突域和广播域 冲突域(collision domain)是一个物理分段。在以太网中，如果某个CSMA/CD网络上的两台计算机在同时通信时会发生冲突，那么这个CSMA/CD网络就是一个冲突域（collision domain)。如果以太网中的各个网段以集线器连接，因为不能避免冲突，所以它们仍然是一个冲突域。 广播域(broadcast domain)是一个逻辑上的计算机组,该组内的所有计算机都会收到同样的广播信息。 4.2.3　虚拟局域网(VLAN)技术 VLAN（Virtual Local Area Network）的中文名为"虚拟局域网"。 虚拟局域网（VLAN）是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户并不受物理位置的限制，可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样，由此得名虚拟局域网。VLAN是一种比较新的技术，工作在OSI参考模型的第2层和第3层，一个VLAN就是一个广播域，VLAN之间的通信是通过第3层的路由器来完成的。与传统的局域网技术相比较，VLAN技术更加灵活，它具有以下优点： 网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少；可以控制广播活动；可提高网络的安全性。 １．VLAN的组网方法 基于端口划分VLAN、基于 MAC地址划分VLAN、基于第三层协议类型或IP地址的VLAN、基于组播划分VLAN或基于服务的VLAN ２． VLAN的优点 方便网络管理、控制广播 减少网络管理开销 提供更好的安全性 利用现有的集线器以节约开支 (1)端口的分隔。即便在同一个交换机上，处于不同VLAN的端口也是不能通信的。这 样一个物理的交换机可以当作多个逻辑的交换机使用。 (2)网络的安全。不同VLAN不能直接通信，杜绝了广播信息的不安全性。 (3)灵活的管理。更改用户所属的网络不必换端口和连线，只更改软件配置就可以了。 VLAN技术的出现，使得管理员根据实际应用需求，把同一物理局域网内的不同用户逻 辑地划分成不同的广播域，每一个VLAN都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理 上形成的LAN有着相同的属性。由于它是从逻辑上划分，而不是从物理上划分，所以同一个 VLAN内的各个工作站没有限制在同一个物理范围中，即这些工作站可以在不同物理LAN网段 。由VLAN的特点可知，一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中，从而有 助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。 VLAN除了能将网络划 分为多个广播域，从而有效地控制广播风暴的发生，以及使网络的拓扑结构变得非常灵活 的优点外，还可以用于控制网络中不同部门、不同站点之间的互相访问。 教学重点 与难点 重点：虚拟局域网(VLAN)技术、交换机的工作原理 难点：虚拟局域网(VLAN)技术 教学过程 设计 复习 10 分钟，授新课 70 分钟，安排讨论 5 分钟， 布置作业 分钟，提问 5 分钟 作业布置 无 课后小结 参考资料 学科网（北京）股份有限公司 $$