第5章局域网基本工作原理

第5章局域网基本工作原理

5.1局域网的拓扑结构

5.2IEEE802模型与协议

5.3共享介质局域网的工作原理

5.4高速局域网的工作原理5.5虚拟局域网

主要内容5.1局域网的拓扑结构1、局域网的主要特点①局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求。②局域网提供高数据传输速率（10～100Mb/s）、低误码率的高质量的数据传输环境，数据传输速率高达1000Mb/s的高速局域网正在发展中。③局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展，系统灵活性高。④决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑结构、传输介质与介质访问控制方法。⑤从介质访问控制方法的角度来看，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域两类。⑥局域网可支持多种传输介质，如同轴电缆、双绞线和光纤等。⑦在局域网中，通信处理功能一般都被固化在一块称为网络适配器的电路板上。2、局域网拓扑结构

从网络通信布线方式看，将结点（即连到网络上的任何设备，如服务器、工作站以及其他外围设备）用通信链路（即传输介质）在物理上或逻辑上连接在一起的布线结构，就是通常所说的局域网的拓扑结构。现在局域网最常用、最基本的拓扑结构有总线型拓扑、环型拓扑和星型拓扑三种。（1）总线型拓扑结构

总线型拓扑（BusTopology）是将服务器和工作站都连到一条公共的电缆线上。网络所有结点共享这条公共通信线路。总线型结构的网络又被称为广播式网络。

PCPCPCPCPC图5-1总线型拓扑结构①总线型拓扑结构的优点:结构简单灵活，可靠性较高。硬件设备少，组网成本较低。安装、使用和维护方便，可扩充性好。共享能力强，适合于一点发送，多点接收的场合。②总线型拓扑结构的缺点:由于网络所有结点共享总线，在信息传输量较大的场合容易出现网络的瓶颈，如果出现电缕故障，则会导致系统的瘫痪。（2）环型拓扑结构

环型拓扑结构（RingTopology）是一种所有的结点通过环路接口分别连接到它相邻的两个结点上，从而形成一种首尾相接的闭环通信网络。N+1N4231PC环形网图5-2环型拓扑结构①环型拓扑结构的优点:信息单向传输，不需路由选择，无冲突。当有旁路电路时，某个结点发生故障时可自动旁路，可靠性较高。网络传输延时固定，适用于对数据传输实时性要求较高的场合。②环型拓扑结构的缺点:随着结点数目的增加，传输效率会降低，网络响应时间变长。灵活性差。（3）星型拓扑结构

星型拓扑（StarTopology）是网络上所有结点都和中心结点进行点对点的连接，中心结点可以是服务器，也可以是连接器等设备。①环型拓扑结构的优点:网络结构简单，组建、维护和管理网络容易。网络有较好的扩充能力。网络传输延时较短，误码率较低。②环型拓扑结构的缺点:最大缺点是中央结点的负荷过重，当HUB故障时导致整个网络瘫痪。网络资源共享能力差，通信线路利用率低。PCHUB图5-3星型拓扑结构拓扑结构适用范围典型标准网络范例信道访问协议总线型

小型办公自动化系统、实验室及小型信息管理系统等低负荷和输出的实时性要求不高的环境Ethernet10BASE-5，10BASE-2IEEE802.3，CSMA／CD星型企业的办公自动化系统，数据处理系统，语音通信系统和中、小型信息管理系统Ethernet，Token-Ring10BASE-T，100BASE-TIEEE802．3，IEEE802．12，CSMA／CD环型企业的自动化系统和小型信息管理系统Token-Ring，FDDIIBMToken-RingIEEE802.5，令牌传送三种拓扑结构的比较5.2IEEE802模型与协议

1、局域网介质访问控制方法

目前局域网常用的三种访问控制方式就分别对应于不同的网络拓扑结构，它们是：⑴带有冲突检测的载波侦听多路访问；⑵令牌环访问控制；⑶令牌总线访问控制。2、IEEE802参考模型IEEE802参考模型OSI参考模型介质访问控制子层逻辑链路控制子层物理层应用层数据链路层表示层会话层传输层网络层物理层图5-4IEEE802参考模型和OSI模型示意图

⑴物理层物理层主要处理在物理链路上发送、传递和接收非结构化的数据流，包括对带宽的频道分配和对基带的信号调制，建立、维持、撤消物理链路等。并要实现电气、机械、功能和过程（或规程）四大特性的匹配⑵数据链路层数据链路层的功能分别由MAC子层和LLC子层承担。①介质访问控制层MACMAC子层支持数据链路功能，并为LLC子层提供服务。②逻辑链路控制层LLC它向高层提供一个或多个访问点LSAP，用于同网络层通信的逻辑接口。LLC子层目前提供三种服务方式：不确认无连接服务。连接方式服务。确认的无连接服务。3、IEEE802标准802．10可互操作的局域网安全802．1体系结构与网络互连802．2逻辑链路控制子层802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD图5-5IEEE802标准之间的关系IEEE802.1标准，定义了局域网的体系结构、网络管理和网际互连协议；IEEE802.2标准，定义了逻辑链路控制LLC，是高层协议与MAC子层间的接口；IEEE802.3标准，定义了CSMA/CD访问控制方法，定义了CSMA/CD总线的MAC子层和物理层标准；IEEE802.4标准，定义了令牌总线访问控制方法，定义了令牌总线网的MAC子层和物理层标准；IEEE802.5标准，定义了令牌环访问控制方法，定义了令牌环网的MAC子层和物理层标准；IEEE802.6标准，定义了城域网访问控制方法，定义了城域网的MAC子层和物理层标准；IEEE802.7标准，定义了宽带局域网标准；IEEE802.8标准，定义了光纤局域网标准；IEEE802.9标准，定义了综合话音数据局域网标准；IEEE802.10标准，定义了交互性局域网安全性标准；IEEE802.11标准，定义了无线局域网标准；IEEE802.12标准，定义了100VG-AnyLAN规范；IEEE802.14标准，定义了电缆调制解调标准；IEEE802.15标准，定义了近距离个人无线网络标准；IEEE802.16标准，定义了宽带无线局域网标准。5.3共享介质局域网的工作原理

从介质访问控制方法的角度，局域网可以分为共享介质局域网和交换局域网两类。IEEE802.2标准定义的共享介质局域网有以下三类。采用CSMA／CD介质访问控制方法的总线型局域网。采用TokenBus介质访问控制方法的总线型局域网。采用TokenRing介质访问控制方法的环型局域网。

1、以太网的工作原理

以太网（Ethernet）的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA／CD，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）方法。CSMA／CD方法用来解决多结点如何共享公用总线的问题。以太网的发送:先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发以太网的接收BUS结点A结点D结点B结点C结点E图5-6CSMA/CD的工作原理以太网总结:采用分布式介质访问控制方法，没有集中控制中心采用竞争机制，网中的所有结点具有相同的优先级发送等待延迟不固定比较适宜于低负载和中负载应用环境实现容易，组网方便最常使用的一种局域网2、令牌环的工作原理令牌环是一种适用于环型网络的分布式介质访问控制方式。在令牌环网中，令牌也叫通行证，它具有特殊的格式和标记。令牌有“忙（Busy）”和“空闲（Free）”两种状态。结点B结点A结点E结点D结点C令牌TokenRingTokenRing结点A结点B结点E结点D结点C图5-7TokenRing的工作原理(1)网上所有站点都处于空闲时，令牌沿环绕行(2)发送站点必须等待，直到捕获到令牌发送数据帧释放令牌吸收数据帧（绕环一周后）(3)中间站点（数据帧的目的地址与自己不同）转发环上的数据帧(4)接收站点（数据帧的目的地址与自己相同）拷贝环上的数据帧转发环上的数据帧数据传输实例（1）数据传输实例（２）站点A、B分别向站点C、D发送数据数据传输实例（３）站点A、B分别向站点C、D发送数据数据传输实例（４）站点A、B分别向站点C、D发送数据ABUSBCDFE图5-5令牌总线的工作原理

令牌总线网（Token-Bus）和令牌环网（Token-Ring）均采用令牌（Token）技术，区别是令牌环网物理上和逻辑上都为环形，而令牌总线网物理上为总线形，而逻辑上建立一个令牌传递环。Token-Bus访问控制是在物理总线上建立起一条用于令牌传递的逻辑环。可以提供不同的服务级别即不同的优先级，允许不同的站点持有令牌的时间长短不同，从而相应调节通信量。5.4高速局域网的工作原理1、推动局域网技术发展的因素个人计算机的速度提高的要求:在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍；基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽；在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。2、传统共享式局域网的缺点传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，典型的介质访问控制方法是CSMS/CD、TokenRing、TokenBus；只有通过介质访问控制方法才能保证每个结点得到“公平”地使用公共传输介质；每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少；当网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。3、高速局域网的解决方法第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率(10Mb/s→100Mb/s→10Gb/s)，导致新产品开发；第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，导致了局域网互连技术的发展；第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致了“交换式局域网”技术的发展。采用更先进的技术。例如，采用ATM交换技术的局域网，网络响应时间降至20～30ms，它更适合于交互式多媒体信息处理应用的场合。一般我们将数据传输速率在100Mb/s以上的网络称为高速局域网。目前典型的高速局域网标准有100BASE-T、1000BASE-T和FDDI系列的高速局域网。它们的主干网的数据传输速率大于或等于100Mb/s。共享式局域网与交换式局域网的比较局域网产品类型与相互之间的关系

4、高速局域网技术（1）百兆以太网技术（快速以太网FastEthemet）100BASE-T技术标准100BASE-TX100BASE-T4FastEthernet的传输速率比普通Ethernet快10倍，数据传输速率达到了100Mb/s；FastEthernet与以太网的帧格式、介质访问控制方法与组网方法相同；每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns；1995年9月，IEEE802委员会正式批准了FastEthernet标准IEEE802.3u。FastEthernet的协议结构

只是在物理层做了一些调整；在物理层和介质访问子层之间增加了介质专用接口；不同的传输介质不会影响MAC层；有3种传输介质。（2）千兆以太网技术用Ethernet组建企业网的全面解决方案：桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet；部门级网络系统采用传输速率为100Mb/s的FastEthernet；企业级网络系统采用传输速率为1000Mb/s的GigabitEthernet。GigabitEthernet的协议结构（3）FDDI网

光纤分布式数据接口（FDDI，FiberDistributedDataInterface）是一种以光纤作为传输介质的高速主干网，它可以用来互连局域网与计算机。FDDI的技术特点如下：①使用基于IEEE802.5的单令牌的环网介质访问控制MAC协议。②使用IEEE802.2协议，与符合IEEE802标准的局域网兼容。③数据传输速率为100Mb/s，连网的结点数≤1000，环路长度为100km。④可以使用双环结构，具有容错能力。⑤可以使用多模或单模光纤。⑥具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。5、交换局域网技术的工作原理（1）交换式局域网的基本结构交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。典型的交换式局域网是交换式以太网（switchedEthernet），它的核心部件是以太网交换机（Ethernetswitch）。图5-6交换式Ethernet的结构（2）局域网交换机的工作原理局域网交换机地址表123456结点A：00-01-0C-12-D1-28结点E结点B结点D：01-31-00-0C-12-D1结点CDA=结点CDA=结点B转发机构缓冲器端口图5-7交换机的结构与工作过程地址映射表端口MAC地址1结点A：00-01-0C-12-D1-28234结点B：06-21-0A-12-61-205结点C：30-61-2C-61-02-166结点D：01-31-00-0C-12-D1表5-1端口号／MAC地址映射表（3）交换机的帧转发方式直接交换方式在直接交换（cutthrough）方式中，交换机只要接收并检测到目的地址字段，就立即将该帧转发出去，而不管这一帧数据是否出错。帧出错检测任务由结点主机完成。存储转发交换方式在存储转发（storeandforward）方式中，交换机首先完整地接收发送帧，并先进行差错检测。如果接收帧是正确的，则根据帧目的地址确定输出端口号，然后再转发出去。改进的直接交换方式

改进的直接交换方式则将上述两种方式结合起来。它在接收到帧的前64字节后，判断Ethernet帧的帧头字段是否正确，如果正确则转发出去。6、交换局域网技术的主要技术特点低交换传输延迟。高传输带宽。支持不同的传输速率和工作模式。支持虚拟局域网服务。5.5虚拟局域网

1、虚拟网络(VLAN)的概念虚拟网络建立在局域网交换机之上;以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理;逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制;一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。

2、虚拟局域网的特点灵活的、软定义的、边界独立于物理媒质的设备群。广播流量被限制在软定义的边界内、提高了网络的安全性。在同一个虚拟局域网成员之间提供低延迟、线速的通信。3、虚拟局域网的实现技术虚拟网络