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第四章 局域网技术 主讲：黄要武

第四章 局域网技术 主讲：黄要武. 《 计算机网络教程 》 （黄要武编， 2009.3 ，大连理工大学出版社）配套课件. 主要内容. 要点： 了解以太网的一些基本概念，理解以太网的基本原理； 理解以太网交换机的交换原理； 掌握生成树协议、虚拟机局域网、交换机的级联和堆叠、无线局域网等技术，以及连接、配置的实现方法。 重点： VLAN 技术及其运用。 难点： 理解 MAC 地址表、 VLAN 的虚拟端口。. 一、以太网技术基础. LAN 技术。. （一）以太网的基本概念. 1 、以太网 Ethernet

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第四章 局域网技术 主讲：黄要武

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  1. 第四章 局域网技术 主讲：黄要武 《计算机网络教程》（黄要武编，2009.3，大连理工大学出版社）配套课件

  2. 主要内容 要点： 了解以太网的一些基本概念，理解以太网的基本原理； 理解以太网交换机的交换原理； 掌握生成树协议、虚拟机局域网、交换机的级联和堆叠、无线局域网等技术，以及连接、配置的实现方法。 重点： VLAN技术及其运用。 难点： 理解MAC地址表、VLAN的虚拟端口。

  3. 一、以太网技术基础 LAN技术。

  4. （一）以太网的基本概念 1、以太网 Ethernet • 最初由美国施乐（Xerox）公司研究成功，用代表传播电磁波的Ether来命名。 • 如 10BASE-T • 2、快速以太网和吉比特以太网 • 快速以太网 ，如 100BASE-TX • G比特以太网 ，如 1000BASE-FX • 10 G比特以太网，如 10GBASE-LR

  5. （二）以太网的基本工作原理 1、竞争机制的以太网 使用CSMA/CD访问方法，先侦听后传输。是基于竞争机制的。

  6. 解决冲突的问题 • 2、以太网的交换机 • 可以减少冲突，大大提高网络的传输效率。

  7. 3、以太网的数据帧格式

  8. （三）帧的传输形式 • 单播（unitcast），一对一发送。 • 广播（broadcast），一对所有。 • 例：广播帧将其目的地址写为：FF-FF-FF-FF-FF-FF，即所有位都是1。 • 组播（multicast），一对一组。也叫多播。 • 例：生成树协议的多播帧目的地址 01-80-C2-00-00-00

  9. 二、以太网交换机技术 （一）几个基本概念 • 1、基带 baseband 和 宽带 broadband • 例1、100BASE-TX， • 其中100表示100M，BASE表示基带，T表示双绞线。 • 例2、1000BASE-SX， • 其中1000表示1000M，BASE表示基带，S表示短波光纤。 • 2、双工、半双工 • 3、自适应端口

  10. （二）交换机原理 • 通过端口学习MAC地址 • 建立MAC地址表 • 将接收的帧经过过滤处理后转发

  11. 交换机如何学习主机位置 MAC 地址表 （开始是空的） A B 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 E2 E3 C D 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • 开始交换机的MAC地址表是空的

  12. 交换机如何学习主机位置 MAC 地址表 E0: 0260.8c01.1111 A B 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 C D E2 E3 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • 工作站A向工作站C发送数据帧 • 交换机将E0端口和帧的源地址即工作站A的MAC地址写入表中 • 由于不知道工作站C在何处，所以向其他的端口复制转发（又称泛射）

  13. 交换机如何学习主机位置 MAC 地址表 E0: 0260.8c01.1111 E3: 0260.8c01.4444 A B 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 E2 E3 C D 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • 工作站D第一次向工作站C发送数据帧 • 交换机将E3端口和帧的源地址（即工作站D的MAC地址）写入表中 • 由于不知道工作站C在何处，所以向其它的端口复制转发 • 在交换机的其它端口也重复这样的过程之后，交换机获得到了所有工作站的MAC地址，并建立了对应关系表。

  14. 交换机如何过滤数据帧 MAC 地址表 E0: 0260.8c01.1111 E2: 0260.8c01.2222 E1: 0260.8c01.3333 A B E3: 0260.8c01.4444 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 X X D C E2 E3 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • 当下一次工作站A向工作站C发送数据帧 • 交换机查看帧的目的地址，并查找MAC地址表，找到对应E2端口，直接将这个数据帧转发到E2端口，即工作站C，不再向其它的端口复制转发数据帧。

  15. （三）广播风暴 广播风暴（Broadcast Storms） 以太网帧无休止的循环复制，造成网络拥塞、瘫痪。 多个连接，产生环路，易发生广播风暴。 解决方案： STP生成树协议，避免环路。

  16. 三、生成树协议STP x Block 阻塞 • 保证从树的一点到其它任何一点都只有一条路径。

  17. （一）BPDU • BPDU（bridge protocol data unit） • 网桥协议数据单元，它携带一些必要的信息在整个网络中进行多目广播，通过BPDU的信息完成网络树结构。

  18. BPDU数据帧的组成

  19. BPDU数据帧主要字段的解释 • 网桥ID • 由8各字节组成，前2个为网桥的优先级，后6个为该网桥的MAC地址。 • 开销 • 是标识网络路径优劣常用的一种算法，比如100M的开销为19，10M的开销为100，显然连接速率快的开销低。在选择根端口或指定端口时，如果开销相同，则选择具有最小端口ID的端口。 • 端口ID • 由2个字节组成，为1个字节的优先级和1个字节的端口号。在选择根端口或指定端口时，如果开销相同，则选择具有最小端口ID的端口。

  20. （二）生成树的过程 1、根网桥的选择

  21. 2、端口状态和转换 （1）端口的两种基本状态 启用（enable）和禁用（deny或disable） （2）STP端口的四种状态 • 阻塞 （blocking） • 侦听 （listening） • 学习 （learning） • 转发 （forwarding）

  22. 阻塞和转发 • 阻塞（blocking）的端口并没有被禁止（deny），只是不转发数据，但能接收STP呼入的帧，一旦网络拓扑发生变化，比如转发数据的端口或线路失效，阻塞的端口很快转换为转发（forwarding）状态，使网络连通，继续转发数据，这也是冗余备份（redundancy）的基本原理，我们也称热备份。阻塞的端口经过侦听、学习两个状态后，变为转发状态，网络从断开到重新连通，这段时间称为网络的收敛（convergence），显然这个收敛时间越小越好。

  23. 4096 3、人为设定根网桥 改变该交换机STP优先级，通过减小交换机的STP优先级数值，使之被选择为根网桥。

  24. （三）STP配置举例

  25. 四、VLAN技术 • VLAN（Virtual LAN），虚拟局域网，是一种通过将局域网的交换机端口逻辑划分成多个相当于物理隔离的虚拟工作组网段的技术，这些虚拟工作组与地理位置无关。

  26. （一）VLAN 技术特点 • Segmentation • 网段划分 • Flexibility扩展性 • Security • 安全性 不受地理位置的限制 相当于物理隔离

  27. （二）VLAN的划分和端口分配 • 划分VLAN是指在交换机中定义VLAN号 • 只有将需要的端口分配到新建的VLAN中，才真正完成真正意义的VLAN划分。

  28. 1、定义VLAN号 出厂时默认存在VLAN1，并且所有的端口默认被分配在VLAN1中。 例如，划分VLAN2、VLAN3、VLAN10 建立VLAN： Switch(config)#vlan 2 ！创建VLAN 2 查验已建立的VLAN： Switch#show vlan

  29. 2、端口的分配 两种方法：基于端口的静态划分和基于用户MAC地址的动态划分。 （1）基于端口的静态VLAN划分 例如，将一台交换机的端口2分配到VLAN 2 Switch(config)#interface f0/2 ！进入交换机端口interface f0/2 Switch(config-if)#switchport access vlan 2！将端口分配到vlan 2 查验已分配的端口： Switch#show vlan

  30. 2、端口的分配 （2）基于用户MAC地址的动态划分 根据主机的MAC地址，按照事先的设定，自动分配到指定的VLAN 。

  31. （三）VLAN的帧标记 在跨越多台交换机实现VLAN时，交换机怎样才能区分某个数据帧来自于哪个VLAN或去往哪个VLAN呢？ 常用的VLAN帧标记有两种：IEEE 802.1Q和ISL。

  32. Switch A Red VLAN Black VLAN Green VLAN （四）Trunk端口和VLAN帧标记的封装 Switch B Trunk Fast Ethernet Red VLAN Black VLAN Green VLAN • 每个逻辑VLAN像一个独立的物理桥 • 各VLAN 可以横跨多个交换机 • Trunks 管道为多个VLAN运载交通信息

  33. Trunk 管道协议

  34. 理解Trunk 的例子 基本的LAN连接：

  35. 192.168.2.1 192.168.2.2 理解Trunk 的例子 实际工程中的IP地址配置：

  36. Trunk配置实验 SwitchA F0/24 trunk SwitchB F0/24 F0/5 F0/15 F0/15 PC3 PC2 PC1 VLAN2 VLAN1 VLAN2

  37. （五）VTP协议 1、动态VLAN 基于服务器-客户端（Server-Client）模式，客户端交换机通过网络学习服务器端的VLAN序号，并自动在交换机上划分VLAN。 2、VTP（VLAN Trunk protocol）协议

  38. （六）三层交换技术和LAN的扩展 • 1、广播域（broadcast domain） • 是指网络中接收同样的广播消息的节点集合，广播域可以用来描述某个LAN的大小尺寸 。 • 三层设备基于IP转发数据包，可以分割广播域。如路由器、三层交换机。 • LAN的节点数目过多会引发网络拥塞。 • 例如：塞车

  39. 2、LAN的扩展 • 一个LAN的广播域里最多可以有多少个主机结点才不会发生交通拥挤呢？ • 以工程的经验不要超过500个主机，建议最好不超过250个，这样便于规划和分配主机的IP地址。 • 例如： 2000个用户网络，如何规划？

  40. 案例：2000个用户网络 • 需要解决两个问题： • （1）分割广播域，减小LAN的尺寸，以避免拥挤； • （2）将这些小的LAN通过高速的链路连接起来，组成一个更大的LAN。 • 可以将这个网络划分为8个VLAN，每个VLAN有250个用户，然后将这8个VLAN通过设备连接起来，组成一个较大的LAN。 • 那么，怎样连接VLAN呢？

  41. 3、三层交换机和VLAN技术的结合 • （1）通过三层设备——路由器，连接VLAN • “次次路由” • （2）使用三层交换机连接VLAN • 将路由器的功能模块集成安装到交换机里，使二层交换机具备三层路由器的部分功能，实现数据在网络二层和三层的高速转发。 • “一次路由、多次交换”

  42. （3）VLAN间通信 • 使用三层设备。 • 如，三层交换机或多层交换机、路由器。

  43. （七）VLAN之间访问 • 1、使用路由器连接VLAN：

  44. 2、使用三层交换机连接VLAN

  45. 三层交换机配置实验 SwitchC （三层交换机） SwitchA F0/24 F0/5 trunk F0/6 F0/5 F0/15 PC2 PC1 PC3 VLAN1 VLAN2 VLAN2

  46. 五、交换机级联和堆叠 • 增加局域网用户的数量

  47. （一）交换机级联

  48. （二）交换机堆叠 SwitchA UP Down SwitchB UP Down 堆叠端口

  49. 六、无线局域网 • （一）无线AP 锐捷无线AP

  50. （二）无线局域网的搭建 • 1、无线局域网的典型应用环境 • （1）不适合网络布线或布线困难的环境 • （2）为特殊项目而需要临时搭建局域网 • （3）移动用户使用网络

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