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1、第第 4 章章 局域网局域网4.1 局域网基础局域网基础网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网的基本特点局域网的基本特点n高数据传输率（101000Mbps）n短距离（0.110km）n低出错率（10-810-11）局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。4.1.1 局域网的产生与发展局域网的产生与发展局域网技术产生于20世纪70年4.1.2 决定局域网性能的因素决定局
2、域网性能的因素1.传输介质在局域网中常用的是双绞线、同轴电缆和光导纤维3种。选择传输介质应考虑的具体因素成本安装的难易程度容量衰减及最大距离抗干扰能力：主要指电磁干扰网络拓扑结构网络连接方式环境因素：地理分布、气象影响、环境温度、结点间距等。2.拓扑结构拓扑结构v星型 10/100/1000BASE系列使用集线器或交换机的系列使用集线器或交换机的共享式或交换式以太网共享式或交换式以太网v总线型 10BASE5、10BASE2以太网以太网v环型 IBM令牌环网（令牌环网（Token-Ring）v树型3.介质访问控制方式介质访问控制方式介质的访问控制方式定义了通信信道的访问控制方法及安全介质的访问
3、控制方式定义了通信信道的访问控制方法及安全可靠传输数据的规则。可靠传输数据的规则。介质访问控制方法要解决的问题(1)该哪个结点发送数据？(2)发送时会不会出现冲突？(3)出现冲突怎么办？（1）CSMA/CD协议协议载波侦听与多路访问（载波侦听与多路访问（CSMA）我们把查看信道上有无数字信号传输称为我们把查看信道上有无数字信号传输称为“载波侦听载波侦听”，而，而把同时有多个结点在侦听信道是否空闲和发送数据，称为把同时有多个结点在侦听信道是否空闲和发送数据，称为“多路访问多路访问”。冲突检测（冲突检测（CD）每个计算机结点上的冲突检测器（如网卡）具备发现冲突和每个计算机结点上的冲突检测器（如网卡
4、）具备发现冲突和处理冲突的能力。处理冲突的能力。vCSMA/CD的工作原理可以概括为以下四点：的工作原理可以概括为以下四点：先听后发。先听后发。边听边发。边听边发。冲突停止。冲突停止。随机延迟后重发。随机延迟后重发。由于CSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机竞争总线的方法，所以它适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格和通信负荷较轻的应用环境中。（2）Token Ring令牌环的主要优点在于其访问方式具有可调整性和确定性，且每个结点具有同等的介质访问权。同时，还提供优先权服务，具有很强的适用性。它的主要缺点是环维护复杂，实现较困难。CSMA/CD采用用户访问总线时间不确定的随机竞
5、争方式，采用用户访问总线时间不确定的随机竞争方式，有结构简单、轻负载时时延小等特点，但当网络通讯负荷有结构简单、轻负载时时延小等特点，但当网络通讯负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延时增加，增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延时增加，性能明显下降。性能明显下降。令牌环在重负荷下利用率高，网络性能对传输距离不敏感。令牌环在重负荷下利用率高，网络性能对传输距离不敏感。但令牌环网控制复杂，并存在可靠性保证等问题。但令牌环网控制复杂，并存在可靠性保证等问题。3.Token-Bus令牌总线主要适用于总线形或树形网络。采用此种方式时，各结点共享的传输介质是总线形的，每一结点都有一个本站
6、地址，并知道上一个结点地址和下一个结点地址，令牌传递规定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。令牌总线的特点在于它的确定性、可调整性及较好的吞吐能力，适用于对数据传输实时性要求较高或通讯负荷较重的应用环境中，如生产过程控制领域。它的缺点在于它的复杂性和时间开销较大，结点可能要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。4.1.3 局域网的分类局域网的分类1.按网络资源共享方式划分按网络资源共享方式划分n对等网络n非对等网络2.按网络通信方式划分按网络通信方式划分n共享介质局域网n交换局域网3.按传输技术划分按传输技术划分n基带局域网n宽带局域网4
7、.按拓扑结构划分按拓扑结构划分为了解决广播网中信道使用问题，常把数据链路层分成两层：n逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层：完成通常意义下完成通常意义下的数据链路层功能的数据链路层功能n媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层：负责解决共负责解决共享信道问题；享信道问题；v与接入到传输媒体有关的内容都放在与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而子层，而 LLC 子层则与传子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的子层来说都是透明的 4.2 局域网体系结构与标准局域网
8、体系结构与标准1.物理层物理层每一种每一种IEEE 802.3物理层规范的名称都是由三部分组成，物理层规范的名称都是由三部分组成，概括了协议的主要特性，分别代表局域网的速度、信号方概括了协议的主要特性，分别代表局域网的速度、信号方法和物理媒体类型。法和物理媒体类型。2.MAC子层（介质访问控制层子层（介质访问控制层)v在局域网中，在局域网中，硬件地址硬件地址又称为又称为物理地址物理地址，或，或 MAC 地址地址。局域网使用的是广播信道，为了保证每个用户不发生冲突，能正常通信，局域网使用的是广播信道，为了保证每个用户不发生冲突，能正常通信，关键问题是如何解决对信道争用。解决信道争用的协议称为介质
9、访问关键问题是如何解决对信道争用。解决信道争用的协议称为介质访问控制协议（控制协议（Medium Access Control，MAC）。）。局域网常用的介质访问控制协议有：局域网常用的介质访问控制协议有：载波侦听多路访问载波侦听多路访问/冲突检测（冲突检测（CSMA/CD）令牌环（令牌环（Token Ring）访问控制）访问控制令牌总线访问控制。令牌总线访问控制。3.LLC子层子层LLC子层与传输介质无关。它独立于介质访问控制方法。隐蔽了各种802网络之间的差别，并向网络层提供一个统一的格式和接口。LLC子层的功能包括差错控制、流量控制和顺序控制，并子层的功能包括差错控制、流量控制和顺序控制
10、，并为网络层提供服务。为网络层提供服务。n提供多个服务访问点，服务访问点是两个相邻层之间的逻辑接口；n发送：将数据分成帧，带地址和CRC；n接收：重装帧，完成地址识别和CRC校验。LLC子层向上层提供子层向上层提供3种类型的服务种类型的服务：类型类型1LLC1,不确认的无连接服务（数据报服务）不确认的无连接服务（数据报服务）类型类型2LLC2,面向连接服务（虚电路服务）面向连接服务（虚电路服务）类型类型3LLC3,带确认的无连接服务带确认的无连接服务4.2.2 IEEE 802标准标准IEEE 802标准系列IEEE802标准参考模型标准参考模型vIEEE802.1：LAN体系结构、网络互联以
11、及网络管理与性能测试。vIEEE802.2：逻辑链路控制子层LLC的功能与服务。vIEEE802.3：CSMA/CD总线介质访问控制方法及物理层技术规范。vIEEE802.3i：10BASE-T访问控制方法及物理层技术规范。vIEEE802.3u：100BASE-T访问控制方法及物理层技术规范。vIEEE802.3ab：1000BASE-T访问控制方法及物理层技术规范（铜线）vIEEE802.3z：1000BASE-X访问控制方法及物理层技术规范（光纤）vIEEE802.4：令牌总线介质访问控制方法及物理层技术规范。vIEEE802.5：令牌环介质访问控制方法及物理层技术规范。vIEEE802
12、.6：城域网访问控制方法及物理层技术规范。vIEEE802.7：宽带技术。vIEEE802.8：光纤技术。vIEEE802.9：综合业务数字网（ISDN）技术。vIEEE802.10：局域网安全技术。vIEEE802.11：无线局域网。vIEEE802.12：100VG-anyLAN访问控制方法及物理层技术规范。4.3 以太网以太网4.3.1 传统以太网传统以太网以太网(Ethernet)是由Xerox公司创建并由Xerox,Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。采用广播机制采用CSMA/CD媒体访问机制 无集中式的管理措施 中继设备线缆长度标准中继器粗同轴电缆500米10BASE-
13、5中继器细同轴电缆185米10BASE-2v10Base-5v10Base-2v10Base-Tv10Base-F4.3.2 快速以太网快速以太网100BASE-T1)FastEthernet的数据传输速率达到了100Mb/s；2)FastEthernet与以太网的帧格式、介质访问控制方法与组网方法相同；3)每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns；4)1995年9月FastEthernet标准IEEE802.3u。1.快速以太网的协议结构快速以太网的协议结构快速以太网采用的快速以太网采用的MII（media independent interface）介质独立接口将）介质独立接口将MA
14、C子层与物理层分隔开子层与物理层分隔开来，使得物理层在实现来，使得物理层在实现100MB/S速率时介质和信号编码速率时介质和信号编码的变化不会影响到的变化不会影响到MAC子层。子层。2.100Base-T标准标准4.3.3 千兆以太网千兆以太网GE是IEEE802.3Ethernet标准的扩展，编号为802.3z，其数据传输率为1000Mbps（即1Gbps）。千兆位以太网将每个比特的发送时间由10BASET时的100ns降低到1ns。采用GMII（千兆位介质专用）接口，将MAC子层与物理层分隔开来，介质和信号编码的变化不会影响到MAC子层。1.吉位以太网的协议结构4.3.4 万兆以太网万兆以
15、太网u10 Gigabit Ethernet标准的制定由标准的制定由IEEE802.3ae委员会于委员会于2002年年6月完成。月完成。u万兆以太网（10GE）使用IEEE802.3以太网介质接入控制（MAC）协议、IEEE802.3以太网帧格式和IEEE802.3帧格式，不需要修改以太网介质接入控制（MAC）协议或分组格式。v10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。v10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用用 CSMA/CD 协议。协议。v10 吉
16、比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。网传输。n成熟的技术n互操作性很好n在广域网中使用以太网时价格便宜。n统一的帧格式简化了操作和管理。1.FDDI的逆向双环结构（1）传输介质（2）数据编码：4B/5B（3）可靠性规范4.4 FDDI网络网络FDDI建立在小令牌帧的基础上，当所有站都空闲时，小令牌帧沿环运建立在小令牌帧的基础上，当所有站都空闲时，小令牌帧沿环运行。当某一站有数据要发送这时，必须等待有令牌通过
17、时才可能。一行。当某一站有数据要发送这时，必须等待有令牌通过时才可能。一旦识别出有用的令牌，该站便将其吸收，随后便可发送一帧或多帧。旦识别出有用的令牌，该站便将其吸收，随后便可发送一帧或多帧。这时环上没有令牌环上后，便在环上插入一新的令牌，任一时刻环上这时环上没有令牌环上后，便在环上插入一新的令牌，任一时刻环上可能会有来自多个站的帧运行。可能会有来自多个站的帧运行。(a)(b)(c)(d)(e)(f)4.5 交换式局域网交换式局域网4.5.1 交换式局域网的基本结构与特点交换式局域网的基本结构与特点（1）允许多对站点同时通信，每个站点可以独占传输通道和带宽。（2）灵活的接口速率。（3）增强了网
18、络可扩充性和延展性。（4）易于管理、便于调整网络负载的分布，有效地利用网络带宽。（5）交换以太网与以太网、快速以太网完全兼容，它们能够实现无缝连接。（6）可互连不同标准的局域网。4.5.2 局域网交换机的工作原理局域网交换机的工作原理4.6.1 虚拟局域网结构虚拟局域网结构v虚拟局域网（逻辑网）是以交换式网络为基础，把网络上的用户（终端设备）分为若干个逻辑工作组，每个逻辑工作组就是一个虚拟网络（VirtualNetwork，VLAN）。vVLAN并不是一种新型的局域网技术，而是交换网络为用户提供的一种服务。vVLAN使用的技术标准：IEEE802.1Q4.6 虚拟局域网虚拟局域网以太网交换机A
19、4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成当B1向VLAN2工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息。以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成B1发送数据时，工作
20、站A1,A2和C1都不会收到B1发出的广播信息。以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。4.6.2 虚拟局域网组网方法虚拟局域网组网方法1.基于交换机端口划分的VLAN这种划分是把一个或多个交换机上的几个端口划分一个逻辑组，这是最简单、最有效的划分方法。2.基于基于MAC地址划分的地址划分的VLAN 优点：方便网络用户的物理位置的移动。缺点：在大型网络中，初始
21、工作量非常大。3.基于网络层地址划分基于网络层地址划分VLAN根据网络设备的网络层地址来确定的VLAN成员。n用交换机的VLAN来取代路由器的子网。n不用更改配置，方便网络节点的随意移动。n有利于建立基于某种服务或应用的VLAN。1.无线局域网的接入设备无线局域网的接入设备无线网络的网卡：是无线终端（结点）接入网络的主要部件。无线网络的网卡：是无线终端（结点）接入网络的主要部件。无线接入点：无线接入点：AP，是一切可接入设备的综合称谓，如无线，是一切可接入设备的综合称谓，如无线AP、无线网桥、无线路由器、无线网关等各类无线设备。、无线网桥、无线路由器、无线网关等各类无线设备。4.7 无线局域网
22、无线局域网2.无线局域网的工作模式无线局域网的工作模式 无线局域网的拓扑结构分为无中心的对等式拓扑和有中心无线局域网的拓扑结构分为无中心的对等式拓扑和有中心的基本模式拓扑。的基本模式拓扑。（1）无中心模式无中心模式无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信，一无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信，一般使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信般使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信道接入控制（道接入控制（MAC）协议大多采用）协议大多采用CSMA类型的多址接类型的多址接入协议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、入协议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、
23、且费用较低。但当网中用户数（站点数）过多时，信道且费用较低。但当网中用户数（站点数）过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。适用于用户数相对较少竞争成为限制网络性能的要害。适用于用户数相对较少的工作群的工作群（2）有中心模式有中心模式在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。这样，当网络业务量增大站点对网络的访问均由其控制。这样，当网络业务量增大时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不据烈。由于每时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不据烈。由于每个站点只需在中心站覆盖范围内就可与其它站点通信，故个站点只需在
24、中心站覆盖范围内就可与其它站点通信，故网络中心点布局受环境限制亦小。此外，中心站为接入有网络中心点布局受环境限制亦小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。有中心网络拓扑结构的线主干网提供了一个逻辑接入点。有中心网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，弱点是抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引入增加了网络成本。并且中心站点的引入增加了网络成本。4.8 ATM与局域网仿真与局域网仿真 vATM（Asynchronous Transfer Mode）意指异步）意指异步传输模式，它是模式，它是为高速数据高速数据传输和通和通过公共网或公共网或专用网用网传输多种多种业务数据而数据而设计的。的。v它是一种以小的，固定它是一种以小的，固定长的包的包为传输单位（位（cell信元）信元），面向，面向连接的分接的分组交交换技技术。vATM首先被用于局域网，首先被用于局域网，现在在ATM已成已成为局域网主干网局域网主干网的主流技的主流技术之一。之一。4.8.1 ATM的体系的体系结构与特点构与特点4.8.2 局域网仿真局域网仿真