第一章：局域网概述

1、局域网技术与组网工程第一章 局域网概述局域网技术与组网工程主要内容n1.1 局域网概述n1.2 局域网的组成n1.3 局域网分类n1.4 IEEE802参考模型及网络协议n1.5 本章小结n1.6 习题与实践局域网技术与组网工程本章学习目标本章学习目标n了解局域网的概念、功能、组成及分类n熟悉局域网的参考模型、介质访问控制方式和常用局域网协议局域网技术与组网工程1.1 局域网概述 n1.1.1 局域网的定义nIEEE的定义的定义 “局域网络中的通信被限制在中等规模的地理范围内，例如一幢办公楼，一座工厂或一所学校，能够使用具有中等或较高数据速率的物理信道，且具有较低的误码率，局域网络是专用的、由

2、单一组织机构所利用。” 局域网技术与组网工程1.1 局域网概述 n1.1.1 局域网的定义n局域网的主要特征局域网的主要特征n局域网是限定区域的网络局域网是限定区域的网络 n限定区域的数值没有太大意义；n一个功能上相对独立、组织上相对封闭的空间（企业大楼、学校园区）；n局域网具有较高的数据传输速率局域网具有较高的数据传输速率n误码率低误码率低 n局域网的线路是专用的局域网的线路是专用的 局域网技术与组网工程1.1 局域网概述 n1.1.2 局域网的功能n资源共享资源共享n硬件资源共享n软件资源共享n数据库共享n数据传送和电子邮件数据传送和电子邮件n提高计算机系统的可靠性提高计算机系统的可靠性n

3、易于分布处理易于分布处理 局域网技术与组网工程局域网的技术优势n硬件成本下降，处理能力提高n扩充性强，应用软件丰富n可靠性、容错性增强n可以解决复杂的问题1.1 局域网概述 局域网技术与组网工程1.2 局域网的组成 某某高高校校网网络络拓拓扑扑图图 南区、北区和西区局域网，通过光缆、租用裸光纤，将三个分校区连接成校园网 局域网技术与组网工程1.2 局域网的组成 n局域网的组成n网络服务器网络服务器n提供各种网络服务，如文件服务、Web服务、FTP服务、E-mail服务、数据库服务、打印服务和流媒体播放服务等 n文件服务器、应用程序服务器、通信服务器 n工作站工作站n通信设备通信设备n网卡、传输

4、介质和网络互连设备等n网络软件系统网络软件系统n协议软件、通信软件、管理软件、网络操作系统和网络应用软件 局域网技术与组网工程分类的原因n组网问题n管理模式n操作系统n协议n拓扑结构n分类目的n解决问题，需要从不同的角度给出方案1.3 局域网的分类 局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.1 按局域网的规模分类n小型小型局域网局域网n中型中型局域网局域网n大型大型局域网局域网局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.1 按局域网的规模分类n小型小型局域网局域网n联网计算机数量在 20台50台之间 n技术复杂程度低，构造比较简单，如不必进行子网划分、不必实施三层交换等n对技

5、术人员要求比较低局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.1 按局域网的规模分类n中型中型局域网局域网n计算机在数百台左右n技术复杂程度居于中等，连网结构较复杂n对技术人员技术水平要求较高局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.1 按局域网的规模分类n大型大型局域网局域网n数量数百台甚至上千台n技术复杂程度高，构造复杂，技术问题多，如高性能网络主干、冗余连接、多层交换等n需要技术水平很高的专业技术人员来设计和实施局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.2 按传输介质分类n有线有线网络网络n无线无线网络网络局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.2

6、按传输介质分类n有线有线网络网络n同轴电缆、双绞线、光纤n同轴电缆：75欧姆、90欧姆n双绞线：价格便宜，安装方便，但易受干扰，传输率较低，传输距离比同轴电缆短n光纤：传输距离长，传输率高，抗干扰性强局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.2 按传输介质分类n无线无线网络网络n微波、红外线、无线电等n目前无线通信系统主要有：低功率的无绳电话系统、模拟蜂窝系统、数字蜂窝系统、移动卫星系统、无线LAN和无线WAN等。 局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.2 按传输介质分类n无线无线网络网络局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.3 按拓扑结构分类n总线型总线

7、型拓扑结构拓扑结构n星型星型拓扑结构拓扑结构n环型环型拓扑结构拓扑结构n混合型混合型拓扑结构拓扑结构局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.3 按拓扑结构分类n总线型总线型拓扑结构拓扑结构n各节点均连接在一条总线上n各个节点地位平等，无中心节点控制n公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散n广播式、仲裁机制n基本被淘汰局域网技术与组网工程总线型拓扑结构（2）n优点n结构简单，可扩充性好；n使用的电缆少，且容易安装n使用的设备相对简单，可靠性高n使用设备成本低n缺点n维护难，分支节点故障查找难n如果总线型拓扑结构中某一点断开，则会使用整个网络

8、断开。在网络上的所有计算机都不能通信n维护成本可能较高局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.3 按拓扑结构分类n星型星型拓扑结构拓扑结构n星型拓扑：网络节点由一个中心向周围发散的连接方式n网络有中央节点，其他节点都与中央节点直接相连，具有隔离故障的特性n集中式n每个节点都有独立线路，传输数据能力强，具备同时传送数据和接收数据的能力n广泛采用局域网技术与组网工程星型拓扑结构（2）局域网技术与组网工程星型拓扑结构（3）n优点n结构简单，便于管理n控制简单，便于建网n网络时延较小，传输误差较低n便于查错n部分节点出现故障，其余部分功能正常n维护成本低n缺点n设备成本高n中心节点出现问题

9、，整个网络瘫痪局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.3 按拓扑结构分类n环型环型拓扑结构拓扑结构n环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环n数据在环路中沿着一个方向在各个节点传输，信息从一个节点传到另一个节点n计算机就像一个中继器，增强信号n一般是双环结构，主环和备环，如电信的DDN局域网技术与组网工程环型拓扑结构（2）n优点n简化了路径选择的控制n实现简单，投资少n传输速度较快 n缺点：n环中节点过多时，影响信息传输速率，网络响应时间延长n环路是封闭的，不便于扩充 n可靠性低n维护难局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.3 按拓扑结构分类n

10、混合型混合型拓扑结构拓扑结构n通常是指星型网络与总线型网络这两种网络结构在一个网络中的混合使用 n主要用于较大型的局域网 局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.4 按管理模式分类n对等局域网（对等局域网（Peer to Peer LAN）n客户客户/服务器局域网（服务器局域网（Client/Server LAN）局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.4 按管理模式分类n对等局域网对等局域网n网络中没有专用的服务器，每一台计算机既充当服务器又充当客户机的网络n网络中所有计算机地位平等，没有从属关系n一般的工作室，或较小的公司n在对等网中，用户自行决定自己计算机的资源是

11、否共享给网络内的其他用户n对等网与网络拓扑无关局域网技术与组网工程对等网（2）n优点n成本低，对系统要求简单，容易实现n操作简便，不需要专门聘用网管n缺点n数据保密性差n计算机资源占用大局域网技术与组网工程1.3 局域网的分类 n1.3.4 按管理模式分类n客户客户/服务器局域网服务器局域网n服务器在网络中起核心作用的组网模式。n服务器类型：文件服务器、打印服务器、通信服务器、电子邮件服务器、应用程序服务器n网络规模增长迅速、对网络安全要求高的网络环境下使用基于服务器的组网模式局域网技术与组网工程客户/服务器局域网（2）n安全性好n共享资源的集中管理n数据备份n扩展性好n冗余数据工作原理局域网

12、技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.1 IEEE802参考模型与OSI参考模型nIEEE802是一个标准系列：IEEE802, IEEE802.1IEEE802.14n其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层数据链路层，物理层n数据链路层又分为逻辑链路控制逻辑链路控制和介质访问控制介质访问控制两个子层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC介质访问控制介质访问控制 MAC高层高层 OSI IEEE 802物理层物理层PHY由由TCP/IP和和NOS实现实现IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口局

13、域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.2 IEEE802标准n802.1- 综述和体系结构（IEEE802.1（A） n802.2 - 逻辑链路控制n802.3 - CSMA/CD（以太网）nIEEE 802.3工作组还开发了一系列标准：n802.3u标准，百兆快速以太网标准，现已合并到IEEE 802.3中。n802.3z标准，光纤介质千兆以太网标准规范。n802.3ab标准，传输距离为100m的5类无屏蔽双绞线千兆以太网标准规范。n802.3ae标准，万兆以太网标准规范。局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.2 IEEE80

14、2标准n802.4 - Token Bus （令牌总线）n802.5 - Token Ring（令牌环）n802.6 - 分布队列双总线DQDB - MAN标准n802.7：宽带时隙环媒体访问控制方法及物理层技术规范。n802.8：FDDI（光纤分布数据接口）n802.9：LAN-ISDN接口n802.10：互操作LAN安全标准（SILS）局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.2 IEEE802标准n802.11 WLAN（无线局域网） 802.11定义了无线局域网介质访问控制方法和物理层规范，主要包括以下几项：n802.11a，工作在5GHz频段，传输速率5

15、4Mb/s的无线局域网标准。n802.11b，工作在2.4GHz频段，传输速率11Mb/s无线局域网标准。n802.11g，工作在2.4GHz频段，传输速率54Mb/s无线局域网标准。局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.2 IEEE802标准n802.12：100VG-ANYLAN的MAC标准及物理规范。n802.14：交互式电视网，包括cable modem的技术规范。n802.15标准，定义了无线个人局域网（WPAN）技术。n802.16标准，定义了宽带无线局域网技术。n802.17标准，正在制定的弹性分组环（RPR）标准。n802.18标准，正在制定的

16、宽带无线局域网标准规范。局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.3 局域网介质访问控制方式n介质访问控制方式是指控制网络中各个节点之间信息的合理传输，对信道进行合理分配的方法 n目前在局域网中常用的介质访问控制方式 nCSMA/CDnCSMA/CAn令牌环令牌环n令牌总线令牌总线局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.3 局域网介质访问控制方式nCSMA/CD 载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检测冲突检测nCarrier Sense Multiple Access with Collision Detectionn采用采用随

17、机访问技术随机访问技术的的竞争型竞争型介质访问控制方法介质访问控制方法局域网技术与组网工程CSMA/CD操作的流程图操作的流程图信道忙？信道忙？监听信道监听信道碰撞？碰撞？发送完？发送完？发送发送JamJamN16?N16?YesYesNoNoNoNoYesYes发送成功发送成功YesYes发送失败发送失败NoNo延迟随机时间延迟随机时间NoNoYesYes发送发送碰撞次数碰撞次数N+1N+1nCSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：n先听后发、先听后发、n边听边发、边听边发、n冲突停发、冲突停发、n随机重发。随机重发。局域网技术与组网工程CSMA/CD的优缺点的优缺点n控制简单，易于实现

18、；控制简单，易于实现；n网络负载轻时，有较好的性能：网络负载轻时，有较好的性能：n3040以内以内n延迟时间短、速度快延迟时间短、速度快n网络负载重时，性能急剧下降：网络负载重时，性能急剧下降：n7080以上以上n冲突数量的增长使网络速度大幅度下降冲突数量的增长使网络速度大幅度下降局域网技术与组网工程重要特性n使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。n每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 n这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。 局域网技术与组网工程n以太网以太网（Ethernet）n是指采

19、用CSMA/CD访问控制技术的基带总线局域网。常见的以太网有：10 BASE-5、10 BASE-2、10 BASE-T、10 BASE-F等。这种记号的含义是：10表示信号的传输速率是10Mbit/s；BASE表示基带传输；5或2分别表示每一段的最大长度为500米或200米；T和F分别表示传输介质是双绞线和光纤。以太网（Ethernet）局域网技术与组网工程10Base5 10Base5 粗同轴粗同轴10Base2 10Base2 细同轴细同轴10BaseT 10BaseT 双绞线双绞线 10BaseF MMF10BaseF MMF100BaseT 100BaseT 双绞线双绞线100Bas

20、eF MMF/SMF100BaseF MMF/SMF1000BaseX 1000BaseX 屏蔽短双绞线屏蔽短双绞线/MMF/SMF/MMF/SMF1000BaseT 1000BaseT 双绞线双绞线 目前应用最广泛的这类局域网是总线型局域网，即目前应用最广泛的这类局域网是总线型局域网，即以以太网（太网（EthernetEthernet）。）。例如：例如：10 Base 5局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.3 局域网介质访问控制方式nCSMA/CAn无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。n改进的办法是把 CSMA 增加一个碰

21、撞避免(Collision Avoidance)功能。n802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使用停止等待协议。局域网技术与组网工程CSMA/CA 协议的原理 n欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。n通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。n当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间后就可发送。n接受端的工作站如果收到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则这个数据发送过程

22、完成，如果发送端没有收到ACK数据报，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK信号的发送失败，不管是那种现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。局域网技术与组网工程CSMA/CD 和CSMA/CA的主要差别 n两者的传输介质不同，CSMA/CD用于总线以太网，而CSMA/CA则用于无线局域网802.11b；n检测方式不同，CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式；nWLAN中，对某个节点来说，其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强

23、度，也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉；本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突；因此，在WLAN中实现CSMA/CD是比较困难的。局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.3 局域网介质访问控制方式n令牌环（令牌环（Token Ring）n主要用于IEEE802.5令牌环网n拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环ABDC站点站点干线耦合器干线耦合器单向环单向环点到点链路点到点链路局域网技术与组网工程Token Ring/802.5的操作的操作n哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌令牌”（TOKE

24、N）的特殊帧来控制的。）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待送帧，而没有拿到令牌的站只能等待；n拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；据进行发送；n目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；n数据帧循环一周后由数据帧循环一周后由源站点回收源站点回收，并，并送出一个空令牌送出一个空令牌，使其，使其余的站点能获得帧的发送权。余的站点能获得帧的发送权。局域网技术与组网工程Token Ring/802.5的操作举例AT

25、（c）帧循环一圈后帧循环一圈后,A将数据帧回收将数据帧回收并放出空令牌并放出空令牌ATData（a）A有数据要发有数据要发送送, 它抓住空它抓住空令牌令牌（b）AA将令牌修改为将令牌修改为数据帧头数据帧头, 并加并加挂数据发送挂数据发送TDataCData目的站点从环目的站点从环上拷贝数据上拷贝数据TDataCTDataCTDataC局域网技术与组网工程n以下情况必须交出令牌：该结点中没有数据等待发送该结点提前发送完要发送的帧该结点未发送完数据，但持有令牌的最大时间已到局域网技术与组网工程令牌环的特点优点：优点： 网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据，没有获取令牌的节点不能发送数据，因此，使

26、用令牌环的LAN中不会产生冲突。在重负载时，对各节点公平，且效率高。时延确定。缺点：缺点： 在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。它的最大缺点是令牌环的维护复杂，实现比较困难。局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.3 局域网介质访问控制方式n令牌总线令牌总线: 令牌总线网按与令牌环同样的原理进行工作，但在物理上却是一个总线网，它遵循IEEE 802.4协议。在令牌总线网中，物理总线上的站点在逻辑上被组织成一个环。令牌在其间传递，一个站点想发送数据须等待令牌的到达。 PS=1PS=7PS=3PS=5PS=4NS=5NS=4NS=7NS=3NS=1局域网技

27、术与组网工程总线令牌环总线令牌环说明：蓝色帧为令牌帧，绿色帧为数据帧。令牌帧按站点 序号由高到低依次轮询。局域网技术与组网工程Token BusToken Bus的主要特点：的主要特点：n介质访问延迟时间有确定值；介质访问延迟时间有确定值； n通过令牌协调各结点之间的通信关系，各结通过令牌协调各结点之间的通信关系，各结点之间不发生冲突，重负载下信道利用率高；点之间不发生冲突，重负载下信道利用率高； n支持优先级服务。支持优先级服务。 局域网技术与组网工程令牌总线网令牌总线网n特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网n应用：工厂自动化和过程控制 (适合总线状的装配线，并具有 可预测的时延，能满足实时

28、处理要求)n物理层：传输媒体为75宽带同轴电缆，基带信号需要调制数据速率1Mbps、5Mbps或10Mbps；n逻辑环中，按照地址从高到低的顺序进行排列，最低地址后面紧接着是最高地址。环中每个站都只知道它的本站地址(TS)、直接前趋(PS)和直接后继(NS)的地址。令牌是按照环中排列顺序进行传递的，当一个站发完数据后，在令牌中填入其后继站的地址，并传给后继站。 依此，令牌在逻辑环中循环流动，各站轮流发送，没有冲突。由于总线是广播介质，因此，令牌带有地址。局域网技术与组网工程 环初始化环初始化。系统启动时逻辑环并不存在，须。系统启动时逻辑环并不存在，须 通过环初始化建立逻辑环；通过环初始化建立逻

29、辑环； 站的动态插入和删除站的动态插入和删除。周期性地给未加入环。周期性地给未加入环 的站点插入到逻辑环适当位置的机会，同时的站点插入到逻辑环适当位置的机会，同时 实现站的动态删除；实现站的动态删除； 故障处理故障处理。当网络出现令牌丢失、地址重复、。当网络出现令牌丢失、地址重复、 产生多个令牌等错误时，必须进行相应处理。产生多个令牌等错误时，必须进行相应处理。 令牌总线网须解决的问题令牌总线网须解决的问题局域网技术与组网工程1.4 IEEE802参考模型及网络协议 n1.4.4 局域网网络协议n网络网络中的中的协议协议就如同语言一样，要使不同就如同语言一样，要使不同硬硬件件之间的交流得以实现

30、，就必须有一个统一之间的交流得以实现，就必须有一个统一的语言进行交流，而通信协议就是这个语言的语言进行交流，而通信协议就是这个语言 n在局域网中常用的通信协议有在局域网中常用的通信协议有NetBEUI、IPX/SPX和和TCP/IP三种三种 局域网技术与组网工程NetBIOS、NetBEUI（1）nNetBIOS（Network Basic Input/Output System） IBM 1983 PC机通信nNetBEUI（NetBIOS Extended User Interface）IBM 1985 改进n体积小、效率高、速度快；n为单网段部门级小型局域网设计，不具有跨网段工作的能力；

31、n在“网络邻居”中看到其他计算机名，就是NetBEUI在后台起的作用；局域网技术与组网工程NetBIOS、NetBEUI（2）n优点n速度快n体积小，配置简单n良好的错误保护功能，低资源消耗n缺点n不支持路由选择局域网技术与组网工程IPX/SPXnIPX/SPX（Internetwork Packet Exchange/Sequences Packet Exchange网际包交换/顺序包交换）nNovell公司n比较庞大、适应性强，可路由，跨网段通信n当用户接入NetWare服务器时，IPX/SPX及其兼容协议应该是很好的选择n微软兼容IPX/SPX协议nNWLink IPX/SPX/ Net

32、BIOS 、NWLink NetBIOSn逐渐淡出网络协议的江湖局域网技术与组网工程TCP/IP协议n灵活的寻址方案，极易路由n支持广泛n有大量使用程序和工具n必须运行TCP/IP才能连入Internet局域网技术与组网工程nTCP/IP中的7个主要协议：nARP（地址分析协议）nICMP（网络互连控制协议）nTCP（传输控制协议）nUCP（用户数据报协议）nRIP（路由选择协议）nSNMP（简单网络管理协议）nIP（网际网协议）TCP/IP协议（2）局域网技术与组网工程n4种典型网络应用nFTP（文件传输协议）nTELNET（仿真终端协议）nRCP（远程拷贝协议）nSMTP（简单邮件传递协议

33、）TCP/IP协议（3）局域网技术与组网工程通信协议选择原则n一致性原则n所选则的协议要与网络结构、功能一致n少量原则局域网技术与组网工程1.5 本章小结本章小结n局域网在一个适中的地理范围内，把若干独立的设备连接起来，通过物理通信信道，以高的数据传输速率实现各独立设备之间的直接通信。具有区域限定、线路专用、较高的通信速率和误码率低等特点。n局域网最主要的功能是提供资源共享和相互通信，同时在提高计算机系统的可靠性、进行分布式处理等方面提供服务。n一般来说，局域网主要由网络服务器、用户工作站、通信设备（网卡、传输介质、网络互连设备）和网络软件系统等四个部分组成。n局域网有许多不同的分类方法，可以从不同的角度对计算机网络进行分类。常见的局域网的分类包括按局域网的规模分类、按传输介质分类、按拓扑结构分类、按管理模式分类等方式。常见的局域网拓扑结构有总线型、星型、环型和混合型等。