第4章 局域网组网技术

1.局域网概述

2.局域网的组成

3.局域网拓扑结构

4.局域网体系结构

7.无线局域网

5.局域网介质访问控制方式

6.以太网技术第4章局域网组网技术

局域网概述局域网的发展和技术局域网的特点4.1局域网概述局域网的发展和技术

局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是20世纪70年代后迅速发展起来的计算机网络，局域网技术已经涵盖共享访问技术、交换技术、高速网络技术等多种技术。4.1局域网概述交换技术高速共享网络技术局域网的发展和技术4.1局域网概述局域网的特点局域网的特点:(1)地理范围一般不超过几公里(2)通信速率高(3)多采用分布式控制和广播式通信，可靠性高(4)可采用多种通信介质(5)易于安装、组建与维护。4.1局域网概述局域网的组成网络服务器工作站网络设备通信介质4.2局域网的组成网络服务器（一）

网上可以配置不同数量的服务器，有些服务器提供相同的服务，有些提供不同的服务。对于专用的服务器，其技术性能的优势主要体现在通信处理能力、内存容量、磁盘空间、系统容错能力、并发处理能力及高速缓存能力等方面。4.2局域网的组成(1)文件服务器(2)应用服务器(3)打印服务器网络服务器（二）4.2局域网的组成工作站网络工作站是指连接到计算机网络上并运行应用程序来实现网络应用的计算机，它是数据处理的主要场所。用户通过工作站与网络交换信息，共享网络资源。根据工作站有无外部存储器，可将其分为无盘工作站和有盘工作站；根据应用环境的不同，可将其分为事务处理工作站和图形工作站；根据操作系统的不同，又可分为DOS工作站、Windows工作站、UNIX工作站和Linux工作站等多种工作站。

4.2局域网的组成网络设备

网络设备是指用于网络通信的设备，包括网络接口卡、中继器（Repeater）、集线器（HUB）、网桥（Bridge）、交换机（Switch）、路由器（Router）、网关（Gateway）等多种设备。4.2局域网的组成网络接口卡（NIC）

网络接口卡，又称网络适配器（Adapter），简称网卡。它是组成局域网的主要器件，用于网络服务器或工作站与通信介质的连接。网卡的种类很多，根据其支持的网络标准可分为以太网卡、ATM网卡、FDDI网卡、快速以太网卡和千兆位以太网卡；根据网卡适用的主机总线类型可分为ISA网卡、PCI网卡和PCMCIA网卡；根据网卡提供的电缆接口类型可分为RJ-45接口网卡、BNC接口网卡、AUI接口网卡和光纤接口网卡等。

4.2局域网的组成中继器中继器又叫转发器，是两个网络在物理层上的连接，用于连接具有相同物理层协议的局域网，是局域网互连的最简单的设备。连接局域网的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤。变弱的信号中继器再生的信号4.2局域网的组成集线器（HUB）是一种特殊的中继器，它作为多个网络电缆段的中间转换设备将各个网段连接起来。集线器可以分为无源集线器、有源集线器和智能集线器三种。

4.2局域网的组成网桥是在数据链路层上连接两个网络，即网络的数据链路层不同而网络层相同时要用网桥连接。网桥4.2局域网的组成路由器路由器是网络层上的连接，即不同网络与网络之间的连接。路由器和网桥的区别路由器的主要工作是接收来自一端的报文分组，根据目的地址和当时的网络情况，找出正确的路径，发往另一个通信子网。

4.2局域网的组成路由器4.2局域网的组成协议转换器（网关）若要使两个完全不同的网络连接在一起，一般要使用网关。电子邮件网关IBM主机网关Internet网关局域网网关4.2局域网的组成协议转换器（网关）4.2局域网的组成通信介质

在局域网中，常用的通信介质有同轴电缆、双绞电缆和光缆，有的场合还采用无线介质（WirelessMedium）如微波、激光、红外线和无线电等。(1)同轴电缆(2)双绞电缆(3)光缆(4)无线介质4.2局域网的组成局域网拓扑结构构成局域网的拓扑结构有很多，主要有总线拓扑星型拓扑环型拓扑树型拓扑等4.3局域网拓扑结构a）总线型

b）星型

d）树型

c）环型

4.3局域网拓扑结构总线型总线拓扑4.3局域网拓扑结构总线拓扑1.总线拓扑的优点a.结构简单、易于扩充b.电缆长度短、布线容易2.总线拓扑的缺点故障诊断困难：由于不是集中控制，故障检测需在网上各个站点上进行。4.3局域网拓扑结构星型星型拓扑4.3局域网拓扑结构1.星型拓扑的优点方便服务集中控制和故障诊断简单的访问协议2.星型拓扑的缺点依赖于中央节点电缆长度长

星型拓扑4.3局域网拓扑结构环型

环型拓扑4.3局域网拓扑结构1.环型拓扑的优点结构简单、容易实现、无路径选择。信息传输的延迟时间相对稳定。所需电缆长度和总线拓扑相似，但比星型拓扑要短得多。2.环型拓扑的缺点可靠性较差故障诊断困难环型拓扑4.3局域网拓扑结构树型拓扑树型拓扑可以从星型拓扑或总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。4.3局域网拓扑结构树型拓扑1.树型拓扑的优点

a.易于扩展从本质上看这种结构可以延伸出很多分支和子分支，新的节点和新的分支很容易加入网内。 b.故障容易隔离如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将该分支和整个系统隔离开来。

2.树型拓扑的缺点树型拓扑的缺点是对根的依赖性大，如果根发生故障，则全网不能正常工作，因此这种结构的可靠性和星型结构相似。4.3局域网拓扑结构局域网体系结构局域网的参考模型IEEE802标准4.4局域网体系结构局域网的参考模型

电气电子工程师协会（IEEE）下设的IEEE802委员会在局域网的标准制定方面做了卓有成效的工作，该委员会根据局域网介质访问控制方法适用的传输介质、网络拓扑结构、性能及实现难易等考虑因素，为局域网制定了一系列的标准，称为IEEE802标准。它已被ISO采纳作为局域网的国际标准系列，称为ISO8802标准。4.4局域网体系结构局域网的参考模型在将OSI模型应用于局域网时，就将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制（LogicalLinkControl，LLC）子层介质访问控制（MediumAccessControl，MAC）子层4.4局域网体系结构下面简单介绍局域网各层的功能

图4-2IEEE802模型与OSI模型的对应关系4.4局域网体系结构MAC子层（介质访问控制层)MAC子层是数据链路层的一个功能子层，是数据链路层的下半部分，它直接与物理层相邻。MAC子层为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。主要功能如下： a.传送数据时，将传送的数据组装成MAC帧，帧中包括地址和差错检测字段。 b.接收数据时，将接收的数据分解成MAC帧，并进行地址识别和差错检测字段。 c.管理和控制对局域网传输介质的访问。4.4局域网体系结构LLC子层（逻辑链路控制子层）LLC子层（逻辑链路控制子层）该层在数据链路层的上半部分，在MAC层的支持下向网络层提供服务。可运行于所有802局域网和城域网协议之上。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，并为网络层提供面向连接和无连接的两类服务。4.4局域网体系结构IEEE802标准

IEEE802委员会认为，由于局域网只是一个计算机通信网，而且不存在路由选择问题，因此它不需要网络层，有最低的两个层次就可以；但与此同时，由于局域网的种类繁多，其介质访问控制方法也各不相同，因此有必要将局域网分解为更小而且更容易管理的子层。同时，因为用户需求各异，不可能使用一种单一的技术就能满足所有的需求，因此局域网技术中存在多种传输介质和多种网络拓扑，相应地介质访问控制方法就有多种，IEEE802委员会决定把几个建议都制订为标准，而不是仅形成一个标准。4.4局域网体系结构IEEE802标准系列间的关系如图4-3所示。根据网络发展的需要，新的协议还在不断补充进IEEE802标准。IEEE802局域网标准包括：图4-3IEEE802标准系列4.4局域网体系结构IEEE802标准（1）IEEE802.1综述和体系结构。（2）IEEE802.2逻辑链路控制。（3）IEEE802.3带冲突检测的载波侦听多路访问（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD）控制方法和物理层规范。（4）IEEE802.4令牌总线（TokenBus）访问控制方法和物理层规范。（5）IEEE802.4令牌环（TokenRing）访问控制方法和物理层规范。（6）IEEE802.6城市区域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）访问控制方法和物理层规范。（7）IEEE802.7时隙环（SlottedRing）访问控制方法和物理层规范。4.4局域网体系结构

局域网使用的是广播信道，即众多用户共享通信媒体，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访问控制协议（MediumAccessControl，MAC），是数据链路层协议的一部分。局域网常用的介质访问控制协议有载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）、令牌环（TokenRing）访问控制和令牌总线访问控制。采用CSMA/CD的以太网已是局域网的主流，本书重点介绍。4.5局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法令牌环访问控制方式4.5局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法

(CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection）是一种适合于总线结构的具有信道检测功能的分布式介质访问控制方法。最初的以太网是基于总线拓扑结构的，使用的是粗同轴电缆，所有站点共享总线，一个站点发送数据帧给某个特定站点时，总线上的所有站点都会收到此数据帧，每个站点根据数据帧的目的地址决定是丢弃还是处理该帧。4.5局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法

总线上只能有一台计算机发送数据，否则数据信号在信道中会叠加，相互干扰，产生数据冲突，使发出数据无效。由于站点都是随机发送数据的，如果没有一个协议来规范，所有站点都来争用同一个站点，必然会发生冲突。载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）正是解决这种冲突的协议。该协议实际上可分为“载波侦听”和“冲突检测”。4.5局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法1.工作过程CSMA/CD又被称之为“先听后讲，边听边讲”，其具体工作过程概括如下：（1）先侦听信道，如果信道空闲则发送信息。（2）如果信道忙，则继续侦听，直到信道空闲时立即发送。（3）发送信息后进行冲突检测，如发生冲突，立即停止发送，并向总线发出一串阻塞信号（连续几个字节全1），通知总线上各站点冲突已发生，使各站点重新开始侦听与竞争。（4）已发出信息的站点收到阻塞信号后，等待一段随机时间，重新进入侦听发送阶段。4.5局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法CSMA/CD流程图4.5局域网介质访问控制方式二进制指数后退算法实际上，当一个站开始发送信息时，检测到本次发送有无冲突的时间很短，它不超过该站点与距离该站点最远站点信息传输时延的2倍。假设A站点与距离A站最远B站点的传输时延为T（图4-5所示），那么2T就作为一个时间单位。若该站点在信息发送后2T时间内无冲突，则该站点取得使用信道的权利。可见，要检测是否冲突，每个站点发送的最小信息长度必须大于2T。图4-5传输延时示意图4.5局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法

在标准以太网中，2T取51.2μs。在51.2μs的时间内，对10Mbps的传输速率，可以发送512bit，即64字节数据。因此以太网发送数据，如果发送64字节还没发生冲突，那么后续的数据将不会发生冲突。为了保证每一个站点都能检测到冲突，以太网规定最短的数据帧为64字节。在接收到的小于64字节的帧都是由于发生冲突后站点停止发送的数据片，是无效的，应该丢弃。反过来说，如果以太网的帧小于64字节，那么有可能某个站点数据发送完毕后，没有检测到冲突，但冲突实际已经发生。4.5局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法为了检测冲突，在每个站点的网络接口单元（NIU）中设置有相应电路，当有冲突发生时，该站点延迟一个随机时间（2T*随机数），再重新侦听。与延迟相应的随机数一般取（0,M）之间，M=2min(10,N)。其中N为已检测到的冲突次数：冲突大于16，则放弃发送，另作处理。这种延迟算法称为二进制指数后退算法。4.5局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法该算法有下面三种不同的存在方式：（1）非-坚持CSMA（2）1-坚持CSMA（3）P-坚持CSMA4.5局域网介质访问控制方式令牌环访问控制方式令牌环访问控制方式令牌环是一种适用于环形网络的分布式介质访问控制方式，已由IEEE802委员会建议成为局域网控制协议标准之一，即IEEE802.5标准。4.5局域网介质访问控制方式令牌环网实时性较强，适合负载较重的网络；而以太网实时性差，适合负载较轻的网络。图4-6令牌环控制方式工作原理4.5局域网介质访问控制方式局域网发展到现在，已占据绝对地位，特别万兆以太网（10Gbit/s）的出现，使以太网的工作范围扩展到城域网，甚至广域网，实现了端到端的以太网的连接。以太网的MAC帧格式以太网的组网技术快速以太网千兆位以太网10Gbps以太网4.6以太网技术以太网的MAC帧格式总线局域网MAC了层的帧结构4.6以太网技术以太网的MAC帧格式数据：47-1500字节，上层传下来的数据。46字节是以太网帧的最小字节64字节减去前后的固定字段字节和18字节而得到的。填充字段：保证帧长不少于64字节。当上层数据小于46字，会自动添加字节。FCS：帧校验序列，这是一个32位的循环冗余码（CRC-32）。4.6以太网技术以太网的组网技术Ethernet的主要技术规范：拓扑结构：总线型。介质访问控制方式：CSMA/CD。传输速率：10Mbps。传输介质：同轴电缆（50Ω）或双绞线。最大工作站数：1024个。最大传输距离：2.5km（采用中继器）。报文长度：64-1518Byte（不计报文前的同步序序)。4.6以太网技术细缆以太网（10BASE-2）10BASE-2以太网连接4.6以太网技术2.双绞线以太网（10BASE-T）10BASE-T以太网是使用非屏蔽双绞线电缆来连接的传输速率为10mbps的以太网。10BASE-T以太网连接4.6以太网技术快速以太网1．快速以太网（100BASE-T）简介快速以太网具有以下特点：协议采用与10BASE-T相似的层次结构，其中LLC子层完全相同，但在MAC子层与物理层之间采用了介质无关接口。数据帧格式与10BASE-T相同，包括最小帧长为64字节，最大帧长1518字节。介质访问控制方式仍然是CSMA/CD。传输介质采用UTP和光纤，传输速率为100Mbit/s。拓扑结构为星型结构，网络节点间最大距离为205米。4.6以太网技术2.快速以太网分类快速以太网标准分为：100BASE-TX、100BASE-FX和100BASE-T4三个子类。名称线缆最大距离优点100BASE-T4双绞线100m可以使用3类双绞线100BASE-TX双绞线100m全双工、5类双绞线100BASE-FX光纤200m全双工、长距离表5-1快速以太网标准4.6以太网技术3.快速以太网接线规则快速以太网对MAC层的接口有所拓展，它的接线规则有相应变化，如图所示。快速以太网接线规则站点距离中心节点的UTP最大长度依然是100m。增加了I级和II级中继器规范。4.6以太网技术快速以太网在10Mbit/s标准以太网中对所有介质采用同一中继器定义。100Mbit/s以太网定义了I级和II级两类中继器，两类中继器靠传输延时来划分，延时0.7μs的为I级中继器，在0.46μs以下的为II级中继器。在一条链路上只能使用一个I级中继器，两端的链路为100m。最多可以使用2个II级中继器，可以用两段100m的链路和5m的中继器间的链路。两个站点间或站点与交换机间的最大距离为205m。4.6以太网技术快速以太网当采用光纤布线时，交换机与中继器（集线器）连接，如果采用半双工通信，两者之间的光纤最大距离为225m。如果采用全双工通信，站点到交换机间的距离可以达到2000m或更长。快速以太网仍然是基于载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）技术，当网络负载较重时，会造成效率低下。4.6以太网技术千兆位以太网千兆位以太网技术有两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准。IEEE802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。1.IEEE802.3z（1）1000Base-SX1000Base-SX只支持多模光纤，可以采用直径62.5μm和50μm的多模光纤，工作波长为770nm-860nm，传输距离为550m左右。4.6以太网技术千兆位以太网（2）1000Base-LX

1000Base-LX既可以使用多模光纤，也可以使用单模光纤。多模光纤采用直径62.5μm和50μm，工作波长为1270nm-1355nm，传输距离为550m左右。单模光纤采用直径9μm和10μm，工作波长为1270nm-860nm，传输距离为5km左右（3）1000Base-CX

1000Base-CX采用150Ω屏蔽双绞线（STP），传输距离为25m。4.6以太网技术千兆位以太网2.IEEE802.3abIEEE802.3ab工作组负责制定基于UTP的半双工链路的千兆以太网标准。IEEE802.3ab定义了基于5类UTP的1000Base-T标准，是100Base-T的自然扩展，与10Base-T、100Base-T完全兼容，其目的是在5类UTP上以1000Mbit/s速率传输100m，保护用户在5类UTP布线上的投资。1000Base-T的其他一些重要规范使成为一种价格低廉、不易被破坏并具有良好性能的技术。4.6以太网技术千兆位以太网2.IEEE802.3ab有如下优点：（1）它支持以太网MAC，而且可以后向兼容10/100Mbit/s以太网技术。（2）很多的1000Base-T产品都支持100/1000Mbit/s自动协商功能，1000Base-T因此可以直接在快速以太网中通过升级实现。（3）1000Base-T是一种高性能技术，它每传送100亿比特，其中错误位不会超过1个（误码率低于11-10，这与100Base-T的误率相当）。4.6以太网技术10Gbps以太网2002年6月正式发布了IEEE802.3ae10Gbps标准，将802.3协议扩展到10Gbps的工作速度，并扩展以太网的应用空间，使之能够包括WAN链接。4.6以太网技术万兆位以太网标准的目标保留IEEE802.3帧格式不变保留IEEE802.3最小/最大帧长不变只支持全双工运行模式不需要进行冲突检测，不再使用CSMA/CD协议。仅使用光缆作为传输介质可提供10Gb/s的城域网或局域网数据传输速率，也可以支持10.59Gb/s的广域网数据传输速率（支持SONET/SDH）4.6以太网技术IEEE802.3ae标准的分类（1）10GBase-SRSerial：850nm短距离模块（现有多模光纤上最长传输距离85米，新型2000MHz/km多模光纤上最长传输距离300米）。（2）10GBase-LRSerial：1310nm长距离模块（单模光纤上最长传输距离10公里）。（3）10GBase-ERSerial：1550nm超长距离模块（单模光纤上最长传输距离40公里）4.6以太网技术有线网络所存在的使用限制：具有空旷场地的建筑物内；具有复杂周围环境的制造业工厂、货物仓库内；机场、车站、码头、股票交易场所等一些用户频繁移动的公共场所内；缺少网络电缆而又不能打洞布线的历史建筑物内；4.7无线局域网有线网络所存在的使用限制：受自然条件影响而无法实施布线的环境，如存在河道；在一些需要临时增设网络节点的场合，如体育比赛场地、展示会等。无线局域网的应用走上前台。无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork，)就是指采用无线传输介质的局域网，简称WLAN。4.7无线局域网无线局域网标准支持无线局域网的技术标准主要有：蓝牙技术：手机或PDA为主要设计对象HomeRF技术：主要服务为家庭无线网络IEEE802.11系列：无线局域网标准以IEEE802.11为例介绍4.7无线局域网IEEE802.11标准的组成覆盖无线局域网的物理层和MAC子层：物理层标准规定了无线传输信号等基础规范，如802.11a、802.11b、802.11d、802.11g、802.11h。MAC子层标准包括802.11e、802.11f、802.11i。IEEE802.11系列：无线局域网标准4.7无线局域网无线局域网物理实现红外线(IR)采用波长小于1μｍ的红外线作为传输媒体，有较强的方向性，受阳光干扰大。它支持1～2Mbit/s数据速率，适于近距离通信。无线电波方式(具有覆盖范围大，抗干扰、抗噪声、抗衰减和保密性好的优点)直接序列式扩频（DSSS）：支持1～2Mbit/s数据速率

跳频扩展频谱（FHSS）：支持1Mbit/s数据速率

4.7无线局域网无线局域网的MAC子层采用带冲突避免的载波侦听多路访问：