第4章 局域网技术

计算机网络技术与应用

第4章局域网技术学习目标：了解局域网的工作模式和体系结构掌握以太网的工作原理学会组建对等局域网会配置网络打印机能够设置虚拟局域网搭建自己的无线局域网第4章局域网技术

4.1 局域网

4.1.1局域网概述局域网LAN（LocalAreaNetwork）是指在有限的地理范围内，利用各种网络连接设备和通信线路将计算机互连，实现数据传输和资源共享的计算机网络。局域网的特点：局域网覆盖的地理范围小，一般为几十米至几千米；数据传输效率高，通常带宽在10Mb/s~1000Mb/s；局域网归属单一；1．局域网的拓扑结构常见的局域网拓扑结构有总线型、星型、环型，以及它们所派生出的树型、网状型拓扑结构。总线型结构星型结构1．局域网的拓扑结构环型拓扑结构树形拓扑结构1．局域网的拓扑结构网状拓扑结构几种网络拓扑结构之间的比较拓扑结构优点缺点总线型安装容易使用电缆少，易于扩充结点隔离性好检测故障定位困难系统范围受限制星型便于管理检测故障定位容易单个站点发生故障不会影影响全网集线器出现问题会影响全网增加工作站时要增加集线器的连线环型检测故障定位容易需要电缆长度短网络的性能依赖于性能最差的结点单项环的容错性差树型组网容易，易于扩展检测故障定位容易各个结点对根结点依赖性太大网状型检测故障定位容易容错能力强、可靠性高消耗电缆多、成本高结构复杂，不易于安装、建设2．局域网的工作模式（1）对等模式（peer-to-peer）（2）专用服务器模式（server-based）（3）客户/服务器模式（client/server）工作模式优点缺点

对等模式组建和维护容易，使用简单。不需要专用的服务器。可利用系统内置的网络通信功能，实现低价建网。由于每一台计算机都可能承担双重角色，数据的保密性差。

专用服务器模式专用的服务器保障了数据的保密性、可靠性。能够对每一个工作站进行严格的用户设置访问权限。各工作站之间的互通性差，网络工作效率低。各工作站上软硬件资源无法实现共享。

客户/服务器模式减少了服务器的工作量。有效地利用了各工作站的共享资源。网络的工作效率较高。网络较复杂，对各工作站的管理比较困难。数据的保密性低于专用服务器模式。4.1.2局域网体系结构

1．局域网参考模型局域网参考模型和OSI模型的对应关系MAC子层可提供的功能有：帧封装与解封装和介质访问控制比特的差错检测物理寻址实现和维护MAC协议LLC子层的主要功能有：建立和释放数据链路层的逻辑连接提供与高层的接口差错控制为帧添加序号MAC与LLC子层帧关系4.1.2局域网体系结构

2.局域网协议标准IEEE802

IEEE802协议结构DSAPSSAP

控制字节C数据Data1位0：单地址1：组地址

7位

1位0：命令1：响应

7位信息帧

N字节数据监督帧无编号帧头标数据Data尾标7字节1字节6字节6字节2字节46~1500字节4字节

前导码SFD帧定界符DA目的地址SA源地址L帧长度I数据域PAD字节填充

FCS帧检验序列

4.1.2以太网

以太网（Ethernet）是最早的局域网技术，是一种基于总线型的广播式网络，以高速、低成本的巨大优势受到欢迎，在现有的局域网标准中是最成功的局域网技术，也是当前应用最广泛的一种局域网。1.以太网的几种标准：(1)10Base5（粗缆以太网）(2)10Base2（细缆以太网）(3)10Base-T(4)1Base5(5)10Broad36(6)10Base-F

(7)10Base-FP(8)10Base-FL(9)10Base-FB2．以太网的帧结构3．以太网媒体接入控制方式CSMA/CD以太网CSMA/CD协议的发送过程：一个站点如果想使用传输介质发送数据，必须首先监听线路是否有其他它站点正在发送。如果没有被占用，则可以立即发送数据；传输过程中，发送站点还必须继续监听是否有其它站点开始了发送。如果有，该发送站则中断发送，等待一定的随机时间后再进行监听、发送，直到所有的数据全部被成功的发送出去，并且没有被其它站点发送的数据破坏。前导码帧首定界符(SFD)目的地址(DA)源地址(SA)类型(TYPE)数据区(DATA)帧校验序列（FCS）7byte1byte6byte6byte2byte46-1500byte4byteCSMA/CD工作流程图4．CSMA/CD协议的实现（1）载波监听

（2）冲突检测（3）随机延迟重发综上所述，运用媒体访问控制方式CSMA/CD有效地控制了以太网中结点对共享总线的访问权的秩序，而二进制指数延迟算法又可以动态地适应需要访问总线的结点数的变化，在少数结点冲突时等待延迟时间短，很多结点冲突时也可以合理的解决冲突。因此CSMA/CD又称为随机竞争型媒体访问控制方式。4.3高速以太网高速以太网（FastEthernet）也就是我们常说的百兆以上的以太网。高速以太网包括快速以太网、吉比特以太网和10吉比特以太网三种技术。1．快速以太网优点缺点快速以太网的工作模式4.3高速以太网2．吉比特以太网吉比特以太网的标准IEEE802.3z的特点吉比特以太网的物理层协议

根据其物理层的不同，可以将吉比特以太网划分为1000Base-LX、

1000Base-SX、1000Base-CX与1000Base-T，其中，1000Base-SX、

1000Base-LX、1000Base-CX统称为1000Base-X。CSMA/CD和帧突发机制吉比特以太网载波扩展的帧结构图载波扩展技术用于半双工的CSMA/CD方式，实现方法是对MAC帧长小于512字节的帧进行载波扩展，就是用比特序列填充在帧后面，使其长度增大到512字节，这样所占用的时间等同于长度为512字节的帧所占用的时间。接收端结点在收到以太网的MAC帧后首先对其进行处理，对于大于512字节的帧，接收端认为该帧是正确的帧，并将所填充的比特序列删除后递交给上一层。若帧长度小于512字节，则认为该帧是冲突碎片并将其丢弃。当发送多个长度小于512字节的连续数据帧时，需要对其进行载波扩展，而所填充的448字节比特序列造成了很大开销，这就需要考虑为吉比特以太网增加一种“分组突发”的功能，即帧突发机制，如图当发送方发送多个帧时，第一帧按CSMA/CD规则发送，但如果第一帧是短帧，则采用载波扩展的方法进行填充。一旦第一帧发送成功，则说明发送信道已打通，发送方为了连续占用信道，用96bit载波扩展填充IFG，其他主机结点在IFG期间会监听到载波，这样发送方就不会再遇到冲突，其后续帧不必再进行载波扩展而连续发送，这样就形成了一串分组突发。显然在采用帧分组突发后，半双工模式吉比特以太网的信道利用率大幅度提高了，而在全双工方式不存在冲突问题，所以不适用载波扩展和分组突发3.10吉比特以太网(1)10吉比特以太网特点(2)10吉比特以太网物理层特点

①局域网物理层（LANPHY）

②广域网物理层（WANPHY）3.10吉比特以太网(3)MAC帧格式的修改其过程是当发送端开始发送帧时，帧从MAC层传送到物理层，物理层再封装到OC-192帧，如果各帧之间需要标识则修改原MAC帧的结构再进行传送。当接收端物理层接收到OC-192帧后，对其进行拆分并还原出原MAC帧，然后提交给MAC层处理。3.10吉比特以太网(4)10吉比特以太网应用10吉比特以太网作为主干网主要应用在企业网、园区网和城域网中，可以省略主干网中的ATM或SDH/SONET链路，简化网络设备。不可替代的优势：可扩展的（从10Mb/s到10Gb/s）灵活的（多种媒体、全/半双工、共享/交换）易于安装稳健性较好4.4 虚拟局域网4.4.1虚拟局域网的基本概念虚拟局域网(VLAN)是指建立在物理局域网络基础架构上，利用交换机和路由器的功能来配置网络的逻辑拓扑结构，使网络中的站点不拘泥于所处的物理位置，并且能够根据需要灵活地加入不同的逻辑子网的一种网络技术。虚拟局域网结构划分虚拟局域网的优势主要体现在以下三个方面第一：抑制网络上的广播风暴。第二：增加了网络的安全性。第三：集中化的管理控制。4.4.2虚拟局域网的组网方法VLAN（虚拟局域网）主要有四种划分方式(1)基于端口划分的VLAN(2)基于MAC地址划分VLAN(3)基于网络层地址划分VLAN(4)基于IP广播组划分VLAN以上四种虚拟局域网的实现技术，基于IP广播组的虚拟局域网智能化程度最高，实现起来也最复杂。具体采用哪一种方式建立VLAN，各单位可根据自己的需要选择合适的方式进行管理配置。4.5 无线网络4.5.1概述1.无线网络的元素无线主机基站网络基础设施无线链路一个无线网络的环境几种流行的无线链路标准4.5.1概述2.无线接入网分类移动通信网接入：GSM、CDMA、GPRS、WCDMA、TD-SCDMA。卫星通信接入：DBS、VSAT无线局域网接入：IEEE802.11、蓝牙、HomeRF。无线本地环路的微波一点多址、LMDS、IEEE802.16红外线无线接入：FSO等4.5.1概述3.无线网络的协议模型4.5.2无线局域网1.无线局域网的分类2.无线局域网的特点优点：(1)移动性(2)灵活性(3)可伸缩性(4)经济性无线局域网也存在一些问题，包括可靠性低、带宽与系统容量小、不同厂家的无线局域网产品间的兼容性有待提高、抗干扰和安全问题要解决等。4.5.2无线局域网3.IEEE802.11无线局域网协议体系4.5.2无线局域网

IEEE802.11媒体接入的控制逻辑图4.5.2无线局域网

CSMA/CA的工作原理4.5.2无线局域网

MAC帧的格式802.11帧的常用情况下地址字段的值发到DS来自DS地址1地址2地址3地址401目的地址AP地址源地址-10AP地址源地址目的地址-4.5.3无线个域网无线个域网是当前发展迅速的领域之一，相应的新技术层出不穷，主要包括蓝牙、IrDA、HomeRF、超宽带（UWB）和ZigBee等技术，IEEE802.15工作组是针对无线个域网（WPAN）而成立的，制定出有关短距离范围的WPAN标准。WPAN工作在2.4GHz的ISM（工业、科学和医疗）频段。4.5.4无线城域网无线城域网（WMAN）的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入的市场需求，1999年，IEEE802委员会成立了802.16工作组，专门研究宽带无线接入标准，主要任务是制定本地多点分配业务（LMDS）的网络传输标准，建立全球统一的宽带无线接入标准。标准标准号说明空中接口标准802.1610～66GHz固定宽带无线接入系统空中接口802.16a2～11GHz固定宽带无线接入系统空中接口802.16c10～66GHz固定宽带无线接入系统的兼容性802.16d对802.16，802.16a，802.16c的修订802.16e2～66GHz固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库802.16f固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库要求802.16g固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求共存问题标准802.16.2IEEE局域网和城域网操作规程建议固定宽带无线接入系统的共存802.16.2a对802.16.2的修正一致性标准1802.16.110～66GHz无线MAN-SC空中接口的实现一致性说明。1802.16.210～66GHz无线MAN-SC空中接口的测试集结构和测试目的IEEE802.16系列标准4.5.5无线网络的连接无线局域网的组建过程不太复杂，对于对等无线网络，只需要在无线站点上安装无线网卡，然后设置网络工作模式为对等模式，使用相同的无线通信协议。1.组建ad-hoc网络安装无线网卡，单击【网络】的属性窗口，弹出【网络和共享中心】窗口，如图4-23。图4-23网络和共享中心窗口单击【管理无线网络】，弹出【管理无线网络】的窗口，如图4-24。在管理无线网络窗口中选择【适配器属性】中配置本无线网络的IP地址，如图4-25。图4-24管理无线网络图4-25设置网卡的IP地址确定返回后，再在管理无线网络窗口中选择【添加】，会出现添加无线网络的界面，如图4-26，设置网络名，网络安全类型和安全密钥，【下一步】弹出home无线网络添加成功。如图4-27。图4-26设置无线网络名图4-27手动连接无线网络【关闭】窗口，在管理无线网络界面中可以看到新添加的home无线网络，如图4-28。在另一台计算机上安装无线网卡，将网卡的IP地址设置为192.168.1.2子网掩码为255.255.255.0，在管理无线网络或者查看无线网络按钮，就可以看到已经建立的无线网络home，单击【连接】按钮即可接入该无线网络。图4-28在管理无线网络界面中浏览4.6 实验指导4.6.1构建虚拟局域网1.实验目的1）了解交换机的基本工作原理和VLAN概念。2）学会交换机的基本配置命令。

3）学会交换机的VLAN配置方法。2.实验环境1）硬件：电脑2台，可网管的CISCO交换机1台（本书实验用CISCO3550一台），CISCO配置命令线缆1条，直连标准网线2条。2）软件：电脑中已装好windowsxp操作系统。3.实验内容搭建图4-29所示的虚拟局域网4.相关知识二层交换机是网络连接的基本设备，工作在OSI参考模型第二层（数据链路层），它的基本功能就是在多台电脑之间交换数据；而路由交换机（也叫三层交换机）则除了具有二层交换功能，还具有三层路由功能，因此还可在网段之间交换数据。一般所说的交换机均指二层交换机。VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的技术。IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的IEEE802.1Q协议