局域网技术课件

1、第3章 局域网技术本章概述 局域网是一种在小区域内使各种数据通信设备互连在一起的通信网络。其中小区域可以小至一个房间、一幢建筑，大至一个校园或十几公里范围的一个区域。数据通信设备可以是计算机、终端及各种外部设备。本章将详细阐述局域网技术、协议和组网标准。 3.1 局域网 局域网在计算机网络中占有非常重要的地位，特别是为了适应办公自动化、协作设计、集成制造、信息管理的需要，各机关、团体和企业部门众多的微型计算机、工作站都可通过LAN连接起来，以达到资源共享、信息传递和远程数据通信的目的。 3.1.1 局域网的定义 局域网（Local Area Network）简称LAN，是指在某一区域内由多台计

2、算机和网络设备通过互联技术所组成的计算机网络。其覆盖半径在几百米到十几公里内。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。 3.1.2 局域网的特点和功能 局域网所具有的特点和功能主要包括以下几点： （1）局域网覆盖的地理范围小，通常分布在一座办公大楼或集中的建筑群内，例如在一个校园内。一般在几公里范围之内，最多不超过25公里。 （2）局域网的传输率高且误码率低。传输率一般在10Mbps至100Mbps之间，支持高速数据通信，目前已达到1000Mbps；传输方式通常为基带传输，并且传输距离短，故误码率低，一般在10-8至10-11范围之内

3、。 （3）局域网主要以微型机为建网对象，通常没有中央主机系统，而带有一些共享的各种外设。 （4）局域网根据不同的需要，为获得最佳的性能价格比，可选用价格低廉的双绞线电缆、同轴电缆或价格较贵的光纤，以及无线局域网。 （5）局域网通常属于某一个单位所有，被一个单位或部门控制、管理和应用。 （6）局域网便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。 3.2 局域网的拓扑结构 计算机网络的通信线路在其布线上有不同的结构形式。在建立计算机网络时要根据准备联网计算机的物理位置、链路的流量和投入的资金等因素来考虑网络所采用的布线结构。一般用拓扑方法来研究计算机网络的布线结构。拓扑（topology）是拓扑学中研

4、究由点、线组成几何图形的一种方法，用此方法可以把计算机网络看作是由一组节点和链路组成，这些节点和链路所组成的几何图形就是网络的拓扑结构。虽然用拓扑方法可以使复杂的问题简单化，但网络拓扑结构设计仍是十分复杂的问题。 3.2.1 总线型拓扑 在总线型拓扑结构中，所有设备都直接与总线相连，采用的传输介质多为同轴电缆（包括粗缆和细缆），目前也有少数采用光缆材料作为传输介质，如ATM网等。 该类型拓扑结构适用于计算机数目相对较少的局域网络，通常这种局域网络的传输速率在10Mbps至100Mbps之间，网络连接多选用同轴电缆。典型的总线型局域网是以太网，目前此类拓扑结构网络应用较少。 3.2.2 星型拓扑

5、 在星型拓扑结构中，使用双绞线作为传输介质，每个节点都由一个单独的通信线缆与网络的中央节点（如集线器或者交换机）相连接。目前绝大多数以太网，采用此类网络拓扑结构。 3.2.3 环型拓扑 在环型拓扑结构中，使用公共电缆组成一个封闭的环，各节点直接连到环上，信息沿着链路环，按一定方向从一个节点传送到另一个节点。环接口一般由发送器、接收器、控制器、线控制器和线接收器组成。整个网络发送的信息按一定的方向单向环绕传送，每经过一个节点都要被接收，判断一次，是发给该节点的则接收，否则的话就将数据送回到环中继续往下传。通常把这类网络称之为“令牌环网”。 实际上大多数情况下这种拓扑结构的网络不会是所有计算机真的

6、要连接成物理上的环型，一般情况下，环的两端是通过一个阻抗匹配器来实现环的封闭的，因为在实际组网过程中，受地理位置的限制，很难实现环的两端物理连接。 3.2.4 树型拓扑 在树型拓扑结构中，除了叶节点之外，所有的根节点和各层分支节点都是转发节点。它的各个节点按层次进行连接，信息的交换主要在上下节点间进行，相邻的节点之间一般不进行数据交换。 树型拓扑结构也可以看成是星型拓扑结构的扩展，因此也被称为多层星型拓扑结构。树型拓扑结构采用了层次化的结构，具有一个根节点和多层分支节点。现有树型拓扑结构，多利用集线器或交换机将网络进行集连。 3.3 共享式局域网与交换式局域网 3.3.1 共享式局域网与交换式

7、局域网共享式局域网的特点是共享传输介质带宽，即平分可用带宽，目前共享式局域网的核心设备是共享式集线器。例如：某共享式局域网上的数据传输速率是100Mbit/s，当10个节点同时使用时，其上每个节点可以使用的最大传输速率为10Mbit/s。这样一来，如果用户节点数量和通信量不断增加，将会造成数据碰撞，使得冲突增加，影响传输效果。所以，共享式网络在联网计算机的数目较少的时候，有较好的响应和性能；而在负荷较大时，将导致网络中计算机得到的带宽急剧减少，网络的传输速率和质量也将迅速下降。交换式局域网的特点是交换机能为每个端口都提供专有速率，此外在交换式局域网中多对节点可以同时传递信息(即并发通信)，目前

8、交换式局域网的核心设备是交换式集线器或交换机。例如：某交换式局域网上每个端口的数据传输速率是100Mbit/s，当10个节点同时使用时，其上每个节点可以使用的最大传输速率为100Mbit/s，而交换机的数据流量为10*100Mbit/s=1000Mbit/s。交换式局域网可以实现多对用户之间的点对点通信，每对用户通信时可以独占网络带宽，不受其它网络用户的干扰。从而提高网络的传输质量。 3.3.2 共享式局域网与交换式局域网的区别 1共享与交换的带宽区别 在共享式网络中，所有用户共享可用带宽，在同一时刻，只能有一个节点使用共享信道发送数据。在共享式网络中，常用除法和减法进行估算，即用站点的总数除

9、以理论带宽或最大速率。 在交换式网络中，交换机能为每个端口都提供专有速率(带宽)；此外，允许多对节点同时传递信息（即并发通信）。在交换式网络中，常用乘法或加法进行估算，即用站点的总数乘以理论端口专有速率。 2核心设备的区别 常见的共享式网络的核心设备是共享式集线器；而交换式网络的核心设备则由交换式集线器或交换机所组成，其中的交换式集线器或交换机是交换式局域网上使用的中心控制设备。 3通信方式的区别 由于集线器是共享式网络的设备，因此共享式网络只能是共享通信模式，一个节点 发送信息时，集线器上的所有节点都会接收到。而交换式网络是并发式通信方式，允许全双工的通信模式，从而使其性能远远超过共享式网络

10、。 4拓扑结构的区别 共享式网络的物理拓扑结构为星型，逻辑拓扑结构为总线型；而交换式网络的物理拓扑结构和逻辑拓扑结构均为星型结构。 3.4 局域网协议标准 -局域网的介质访问控制方法 3.4.1 IEEE802.3标准与Ethernet 为了和好的解决这一问题，当一个节点要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲就发送数据，并继续监听；如果在数据发送过程中监听到了冲突，则立刻停止数据发送，等待一段随机的时间后，重新开始尝试发送数据。具体方法是：1侦听通过专门的检测机构，在站点准备发送前先侦听一下信道上是否有数据正在传送，即线路是否繁忙。如果“忙”则进入后述的“退避”处理程序，进而进一步反复进行侦

11、听工作；反之，如果“闲”，则发送数据。2发送当确定要发送后，通过发送机构，向信道发送数据。3检测数据发送后，也可能发生数据碰撞。因此，要对数据边发送、边接收，以判断是否冲突。4冲突处理3.4.2 IEEE802.4标准与Token Bus IEEE802.4标准定义了总线型拓扑的令牌总线（Token Bus）介质访问控制方法与相应的物理规范。 Token Bus是一种在总线拓扑中利用“令牌”（Token）作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。令牌总线网络通过总线拓扑结构进行数据发送，使用75同轴电缆作为传输介质，IEEE802.4标准的宽带特性，支持在不同的信道上同时进行传输。

12、宽带电缆有较长的传输能力，传输率可达10Mbps。 3.4.3 IEEE802.5标准与Token Ring 在令牌环上，节点通过环接口连接成物理环形。令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位标志令牌的忙/闲。当环正常工作时，令牌沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与节点在环中排列的顺序相同。如果节点A有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。当节点A获得空闲令牌之后，它将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后传送数据帧。节点B、C、D将依次接收到数据帧。如该数据帧的目的地址是C节点，则C节点在正确接收该数据帧后，在帧中标志出帧已被正确接收和复制。当A节点重新接收到自己发出的、并已被目的节点正确接

13、收的数据帧时，它将回收已发送的数据帧，并将忙令牌改成空闲令牌，再将空闲令牌向它的下一节点传送。 3.4.4 CSMA/CD 、Token Bus与Token Ring的比较 与确定型介质访问控制方法相比较，CSMA/CD方法有以下几个主要特点：（1）CSMA/CD介质访问控制方法算法简单，易于实现。目前有多种VLSI可以实现CSMA/CD方法，这对降低Ethernet成本，扩大应用范围是非常有利的。（2）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，适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格的应用环境。（3）CSMA/CD在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与延迟特性。但

14、是，当网络通信负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加，因此CSMA/CD方法一般用于通信负荷较轻的应用环境中。 与随机型介质访问控制方法CSMA/CD相比较，确定型介质访问控制方法Token Bus与Token Ring有以下几个主要的特点：（1）Token Bus与Token Ring网中节点两次获得令牌之间的最大间隔时间是确定的，因此适用于对数据传输实时性要求较高的应用环境。（2）Token Bus与Token Ring在网络通信负荷较重视表现出良好的吞吐率与较低的传输延迟，因而适用于通信负荷较重的应用环境。（3）Token Bus与Token Ring不足之处在于它们都需

15、要复杂的维护功能，实现较为困难。 3.5 高速局域网技术 3.5.1 光线分布式数据接口FDDI 光纤分布数据接口（Fiber Distributed Data Interface）简称FDDI,是计算机网络技术向高速发展阶段的第一项高速网络技术，它的传输速率可以达到100Mbit/s，符合的标准是ANSI X3T9.5。 FDDI网络在设计上沿用了IEEE 802系列局域网的设计规范，上层仍采用与其它局域网相同的逻辑链路控制LLC子层的标准结构，并对已经成熟的而且在重负荷情况下仍能保持高吞吐量的IEEE 802.5 Token Ring令牌环网络技术加以改进，以多增加一条光纤链路为代价，构成

16、反向双环（Dual Counter Rotating Ring 802.5）的特殊结构，弥补了环型网络拓扑结构的缺陷,提高了FDDI网络系统的可靠性。同时还对传统的IEEE 802.5的令牌传递方式进行改进，形成了新的定时令牌协议（Timed-Token Protocol），从而实现了网上同时进行多数据帧传输的功能，扩大了带宽的利用率。目前，FDDI网络是当今大家公认的最可靠的网络之一，它不仅可以提供桌面局域网络系统的功能，而且能够作为校园网、企业网乃至城域网的主干网络，提供全方位的服务。 3.5.2 100Base-T快速以太网 （Fast Ethernet） 100Base-T快速以太网是

17、由10Base-T以太网标准发展而来的，保留了以太网的观念，网络速度提高了10倍。但它仍然采用IEEE 80Z.3 CSMA/CD的媒体访问协议层，并且同样采用星型拓扑结构，无需对工作站上的以太网网卡所执行的软件和上层协议做任何修改，就可使局域网上的10Base-T和100Base-T站点间互相通信，不需要任何协议转换。对于原来用5类双绞线连接的网络，只要更换网卡和集线器，就可以顺利将10Base-T升级到100Base-T。但100Base-T网络不支持同轴电缆。 3.5.3 千兆位以太网（Gigabit Ethernet） 千兆位以太网是近几年推出的1000Mbit/s高速以太网，以适应日

18、益增多的用户业务对带宽的需求，在局域网组网技术上形成与ATM竞争的格局。千兆位以太网遵从IEEE 802.3z协议（该协议已于1998年6月成为标准）。该协议采用IEEE 802.3帧格式，CSMA/CD访问控制技术，通信介质采用STP屏蔽双绞线（l000Base CX）时，传输距离为25m；通信介质采用5类UTP（l000Base-T）时，传输距离为100m；通信介质采用多模光纤 （1000Base-LX）时，传输距离可达3km。 3.5.4 万兆位以太网 （10 Gigabit Ethernet） 万兆以太网标准由IEEE 802.3工作组于2000年正式制定，它适用于新型的网络结构，能够

19、实现全网技术统一，万兆以太网标准为IEEE 802.3ae。它仍然采用IEEE 802.3以太网媒体访问控制（MAC）协议，帧格式和帧长度。万兆以太网与快速以太网和千兆以太网一样，都是全双工工作方式，因此它本身没有距离限制。它的优点是减少了网络的复杂性，兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网；同时降低系统费用，并提供更快、更新的数据业务。 3.6 综合布线系统 综合布线系统（Premises Distribution System）简称PDS，是智能大厦建设中的一项技术工程项目，它不完全是建筑工程中的“弱电”工程。智能化建筑是由智能化建筑环境内系统集成中心利用综合布线系统连接和控制“3A”系统

20、组成的（3A即楼宇自动化-Building Automation、办公自动化-Office Automation、通信自动化-Communication Automation）。综合布线系统设计是否合理，直接影响到“3A”的功能。 3.6.1 综合布线系统的特点和应用1综合布线系统的特点（1）实用性：（2）灵活性：（3）扩展性：（4）通用性：（5）经济性：（6）模块化：2综合布线系统主要的应用对象（1）银行、证券交易所、宾馆饭店、商店等商务领域；（2）各大公司、贸易中心、综合办公楼等办公写字楼领域；（3）大学校园、各大公司建筑物群、政府机构等建筑物群领域；（4）各交通运输领域；（5）医院、急救

21、中心等卫生及健康领域；（6）电信、邮政、新闻广播、电视、出版领域；（7）高级住宅、智能小区等居住领域。3综合布线系统主要的应用范围（1）模拟与数字话音信号；（2）高速与低速的数据信号；（3）传真机等需要传输的图像资料信号；（4）会议电视等视频信号；3.6.2 综合布线系统的结构 综合布线系统一般采用模块化设计和物理分层星型拓扑结构，传输语音、数据、图像以及各类控制信号。综合布线系统的结构可分6个独立的子系统（模块），它们分别是：工作区子系统（Work Area Subsystem）、水平子系统（Horizontal Subsystem）、管理间子系统（Administration Subsys

22、tem）、垂直干线子系统（Riser Backbone Subsystem）、设备间子系统（Equipment Subsystem）和建筑群子系统（Campus Backbone Subsystem）。 1工作区子系统 工作区布线子系统由终端设备到信息插座的连线（或软线）组成，它包括装配软线、连接器和连接所需的扩展软线，并在终端设备和I/O之间搭桥，信息插座有墙上、地上、桌上、软基型多种，标准有RJ45/RJ11的单、双、多孔等各种类型 。2水平布线子系统 水平布线子系统将电缆从楼层配线架连接到各用户工作区上的信息插座上，一般处在同一楼层。通常可以采用5类8芯4对双绞线，符合或超过EIA/TI

23、A-568标准 。3管理间子系统 管理子间系统由楼层配线架组成。其主要功能是将垂直干缆线与各楼层水平布线子系统相连接。布线系统的优势和灵活性主要体现在管理子系统上，只要简单地跳一下线就可完成任何一个结构化布线系统的信息插座以对任何一类智能系统的连接，极大地方便了线路重新布局和网络终端的调整。光纤连接时，要用光纤接续箱（LIU），箱内可有多个ST连接器安装孔，箱体箱内的线路弯曲设计应符合62.5/125微米多模光纤的弯曲度要求，光纤接头用STII，由陶瓷材料制成，最大信号衰减小于0.2dB，光耦合器可作为多模光纤与网络设备或光纤接续装置上的连接，配线架和光纤接续箱通常设在弱电井或设备间内，用来连

24、接其它子系统，并对它们通过跳线进行管理。 4垂直干线子系统 垂直干线子系统指各楼层配线架与主配线架间的大对数多芯铜缆或光缆组成，或二者混用。它是综合布线系统的神经中枢，其主要功能是将主配线架系统与各楼层配线架系统连接起来。 5设备间子系统 设备间子系统由主配线架和各公共设备组成。它的主要功能是将各种公共设备（如计算机主机、数字程控交换机、各种控制系统、网络互连设备）等与主配线架连接起来。该子系统还包括电气保护装置等。 6建筑群子系统 建筑群子系统是指主建筑物中的主配线架延伸到另外一些建筑物的主配线架的连接系统。与垂直子系统类似，通常采用光缆或大对数铜缆连接。它是整个布线系统的一部分（包括传输介

25、质）并支持提供楼群之间通信所需的硬件，其中有电缆、光缆和防止电缆的浪涌电压进入建筑物的电气保护设备。 3.6.3 综合布线系统的设计要求 1综合布线系统的三个设计等级（1）基本型综合布线系统基本型综合布线系统适用于配置标准较低的场合，用铜芯电缆组网。（2）增强型综合布线系统增强型综合布线系统适用于中等配置标准的场合，用铜芯电缆组网。（3）综合型综合布线系统综合型综合布线系统适用于配置标准较高的场合，用光缆和铜芯电缆混合组网。 工作区子系统是一个从信息插座延伸至终端设备的区域。工作区布线要求相对简单，这样就容易移动、添加和变更设备。该子系统包括水平配线系统的信息插座、连接信息插座和终端设备的跳线

26、以及适配器。工作区的每个信息插座都应该支持电话机、数据终端、计算机及监视器等终端设备，同时，为了便于管理和识别，有些厂家的信息插座做成多种颜色：黑、白、红、蓝、绿、黄，这些颜色的设置应符合TIA/EIA 606标准。 2工作区子系统的设计要求 水平布线可选择的介质有三种（100欧姆UTP电缆、150欧姆STP电缆及62.5/125微米光缆），最远的延伸距离为90m，除了90m水平电缆外，工作区与管理子系统的接插线和跨接线电缆的总长可达10m。水平区子系统应由工作区用的信息插座，楼层分配线设备至信息插座的水平电缆、楼层配线设备和跳线等组成。 3水平子系统的设计要求 管理间用来放置电信布线系统设备

27、，包括水平和主干布线系统的机械终端。管理间间子系统设置在楼层分配线设备的房间内，应由交接间的配线设备、输入/输出设备等组成，也可应用于设备间子系统中。管理间子系统应根据下列要求进行设计：采用单点管理双交接，交接场的结构取决于工作区、综合布线系统规模和选用的硬件，在管理规模大、复杂、有二级交接间时，才设置双点管理双交接；在管理点，应根据应用环境用标记插入条来标出各个端接场；交接区应有良好的标记系统，如建筑物名称、建筑物位置、区号、起始点和功能等标志；交接间和二级交接间的配线设备应采用色标区别各类用途的配线区。 4管理间子系统的设计要求 垂直干线子系统连接通讯室、设备间和入口设备，包括主干电缆、中间交换和主交接、机械终端和用于主干到主干交换的接插线或插头，应由设备间的配线设备和跳线以及设备间至各楼层分配线间的连接电