第三章局域网基础

第3章局域网基础【考点一】局域网基本概念局域网的主要技术特点⑴局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、公司、校园、军营、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。⑵局域网具有高数据传输速率(10Mbps〜1000Mbps)、低误码率、高质量的数据传输环境。⑶局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维妒和扩展。决定局域网特性的主要技术要素是：网络拓扑、传输介质访问控制方法。局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类：共享介质局域网与交换式局域网。局域网拓扑构型局域网在网络拓扑上主要采用了总线型、环型与星型结构；在网络传输介质上主要采用了双绞线、同轴电缆与光纤。局域网传输介质类型与特点局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道。局域网产品中使用的双绞可以分为两类：屏蔽双绞线(STP,ShieldedTwistedPair)与非屏蔽双绞线(UTP,UnshiekedeTwistedPair)。【考点二】局域网介质访问控制方法目前被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法主要有以下3种：⑴带有:冲奥检测的域波侦听多路访问(CSMA/CD)方法。(2)令牌总线(TokenBus)方法。⑶令牌环(TokenRing)方法。1.IEEE802模型与协议IEE802委员会为局域网制定了一系列标准，统称为IEEE802标准。这些标准主要是：IEEE802.1标准，它包括局域网体系结构、网络互连，以及网络管理与性能测弑。IEEE802.2标准，定义了逻辑链路控制LLC孑层功能与服务。IEEE802.3标准，定义了CSMA/CD总线介质访问控制孑层与物理层规范。IEEE802.4标准，定义了令牌总线(TokenBus)介质访问控制孑层与物理层规范。IEEE802.5标准，定义了令牌环(TokenRing)介质访问控制孑层与物理层规范。IEEE802.6标准，定义了城域网MAN介质访问控制孑层与物理层规范。IEEE802.7标准，定义了宽带技术。IEEE802.8标准，定义了光纤技术。IEEE802.9标准，定义了综合语音与数据局域网IVDLAN技术。IEEE802.10标准，定义了可互操作的局域网安全性规范SILS。IEEE802.11标准，定义了无线局域网技术。2.IEEE802.3标准与Ethernet局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类：共享介质局域网与交换式局域网。IEEE802.2标准定义的共享介质局域网有3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与采用TokenRing介质访问控制方法的环型局域网。目前应用最为广泛的一类局域网是基带总线局域网--Ethernet(以太网)。Ethernet的核心技术是它的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。3.IEEE802.4标准与TokenBusIEEE802.4标准标准定义了总线拓扑的令牌总线(TokenBus)介质访问控制方法与相应的物理规范。TokenBus是一种在总线拓扑中利用〃令牌"(Token)作为控制结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。在采用TokenBus方法的局域网中,任何-个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线支发送数据。令牌是一种特殊结构的控制帧，用来控制结点对总线的访问权。4.IEEE802.5标准与TokenRing令牌环介质访问控制技术最早开始于1969年贝尔研究室的Newhall环网，最有影响的令牌环网是IBMTokenRing。IEEE802.5标准是在IBMTokenRing协议基础上发展和形成的。IEEE802.5标准对以上技术进行了一些改进，这主要表现在：(1)单令牌协议环中只能存在一个有效令牌，单令牌协议可以简化优先级与环出错恢复功能的实现。⑵优先级位令牌环支持多优先级方案，它通过优先级位来设定令牌的优先级。⑶监控站环中设置一个中央监控站，通过令牌控位执行维妒功能。(4)预约指示器通过令牌预约，控制每个结点利用空闲令牌发送不同优先级的数据帧所占用的时间。IEEE802.5标准定义了25种MAC帧，用以完成环维妒功能，这些功能主要是：环监控器竞争、环恢复、环查询、新结点入环、令牌丢失处理、多令牌处理、结点撤出和优先级控制等。5.CSMA/CD与TokenBus、TokenRing的比较与确定型介质访问控制方法比较，CSMA/CD方法有以下几个主要的特点：(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。⑵CSMA/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。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比较，确定型介质访问控制方法TokenBus、TokenRing有以下几个主要的特点：(1)TokenBus或TokenRing网中结点两次获得令牌之间的最大间隔时间是确定的，因而适用于对数据传输实性要求较高的应用环境，如生产过程控制领域。⑵TokenBus与TokenRing在网络通信负荷较重时表现出很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。TokenBus与TokenRing不足之处在于它们都需要复杂的环维妒功能，实现较困难。【考点三】高速局域网技术高速局域网研究基本方法为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出了二种解决方案：第一种方案是提高Ethernet数据传输速率，从10Mbps提高到100Mbps，甚至到1Gbps，这就导致了高速局域网(FastEthernet)的研究与产品开发。在这个方案中，无论局域网的数据传输速率提高到100Mbps，还是1Gbps，但它的介质访问控制方法上仍采用CSMA/CD的方法；第二种方案是将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的孑网，网桥与路由器可以隔离孑网之间的交通量，使每个孑网作为一个独立的小型Ethernet，通过减少每个孑网内部结点数N的方法，使每个孑网的网络性能得到改善，而每个孑网的介质访问控制方法仍采用CSMA/CD的方法。光纤分布式数据接口FDDI使用基于IEEE802.5的单令牌的环网介质访问控制MAC协议。使用IEEE802.2协议，与符合IEEE802标准的局域网兼容。⑶数据传输速率为100Mbps，连网的结点数W1000，环路长度为100km。可以使用双环结构，具有容错能力。可以使用多模或单模光纤。具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。FDDI主要用于以下4种应用环境：(1)计算机机房网(称为后端网络)，用于计算机机房中大型计算机与高速外部设备之间的连接，以及以可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境。办公室或建筑物群的主孑网(称为前端网络)，用于连接大量的小型机、工作站、个人计算机与各种外部设备。⑶校园网的主孑网，用于连接分布在校园中各个建筑物中的小型机、服务器、工作站和个人计算机，以及多个局域网。(4)多校园的主孑网，用来连接地理位置相距几公里的多个校园网、企业网，成为一个区域性互连多个校园网、企业网的主孑网。快速以太网FastEthernet快速以太网FastEthernet的数据传输速率为100Mbps,FastEthernet保留着传统的10Mbps速率Ethernet的所有特征，即相同的帧格式，相同的介质访问控制方法CSMA/CD，相同的接口与相同的组网方法，而只是把Ethernet每个比特发送时间由100ns降低到10ns。1995年9月IEEE802委员会正式批准了FastEthernet标准IEEE802.3u。IEEE802.3u标准在LLC孑层使用IEEE802.2标准，在MAC孑层使用CSMA/CD方法，只是在物理层作了些调整，定义了新的物理层标准100BASE-To100BASE-T标准采用介质独立接口(MII，MediaIndependentInterface)，它将MAC孑层与物理层分隔开来，使得物理层在实现100Mbps速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC孑层。100BASE-T可以支持多种传输介质，目前制定了三种有关传输介质的标准：100BASE-TX、100BASE-T4与100BASE-FX。千兆以太网GigabitEthernet在1998年2月，IEEE802委员会正式批准了GigabitEthernet标准(IEEE802.3z)。GigabitEthernet的传输速率比FastEthernet快10偌，数据传输速率达到1000Mbps。GigabitEthernet保留着传统的10Mbps速率Ethernet的所有特征(相同的数据帧格式、相同的介质访问控制方法、相同的组网方法)，只是将传统Ethernet每个比特的发送时间由100ns降低到1ns。IEEE802.3Z标准在LLC孑层使用IEEE802.2标准，在MAC孑层使用CSMA/CD方法，只是在物理层作了-些必要的调整，它定义了新的物理层标准(1000BASE-T)o1000BASE-T标准定义了千兆介质专用接口(GMII，GigabitMediaIndependentInterface)，它将MAC孑层与物理层分隔开来。这样，物理层在实现1000Mbps速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC孑层。1000BASE-T标准可以支持多种传输介质。目前，1000BASE-T有以下几种有关传输介质的标准：1000BASE-T1000BASE-T标准使用的是5类非屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到100m。1000BASE-CX1000BASE-CX标准使用的是屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到25m。1000BASE-LX1000BASE-LX标准使用的是波长为1300nm的单模光纤，光纤长度可以达到3000m。1000BASE-SX1000BASE-SX标准使用的是波长为850nm的多模光纤，光纤长度可以达到300m〜550m。交换式局域网(1)交换式局域网的基本结构交换式局域网的核心部件是它的局域网交换机。为了保妒用户已有的投资，局域网交换机一般是针对某一类局域网(如802.3标准的丘比。广门。七或802.5标准的TokenRing)而设计的。典型的交换式局域网为交换式以太网(SwitchedEthernet)，它的核心部件是以太网交换机(EthernetSwitch)。EthernetSwitch可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个共享式Ethernet的集线器HUB连接。如果一个端口只连接一个结点，那么这个结点就可以独占10Mbps的带宽。这类端口通常被称为"专用10Mbps的端口"。如果一个端口连接一个10Mbps的Ethernet，那么这个端口将被一个Ethernet网的多个结点所共享。这类端口就被称为"共享10Mbps的端口"。对于传统的共享介质Ethernet来说，当连接在HUB中的一个结点发送数据，它将用广播方式将数据传送到HUB的每一个端口。因此，共享介质Ethernet的每一个时间片内只允许有一个结点占用公用通信信道。交换式局域网则从根本上改变了"共享介质"的工作方式，它可以通过EthernetSwitch支持交换机端口结点之间的多个并发连接，实现多结点之间数据的并发传输，因此可以增加局域网带宽，改善局域网的性能与服务质量。⑵局域网交换机工作原理根据交换机的帧转发方式，交换机可以分为以下3类：直接交换方式。存储转发交换方式。改进直接交换方式。⑶局域网交换机的特性局域网交换机的特性主要有以下几点：低交换传输延迟。交换式局域网的主要特性之一是它的低交换传输延迟。从传输延迟时间的量级来看，局域网交换机为几十ps,网桥为几百ps，而路由器为几千ps。高传输带宽。对于10Mbps的端口，半双工端口带宽为10Mbps，而全双工端口带宽为20Mbps;对于100Mbps的端口，半双工端口带宽为100Mbps，而全双工端口带宽为200Mbps。允许10Mbps/100Mbps共存。典型的局域网交换机EtherntSwitch允许一部分端口支持10BASE-T(速率为10Mbps)，另一部分端口支持100BASE-T(速率为100Mbps)，交换机可以完成不同端口速率之间的转换，使10Mbps/100Mbps两种网卡共存在同一网络中。在采用了10Mbps/100Mbps自动侦测(Autosense)技术时，交换机的端口支持10Mbps/100Mbps两种速率、全双工/半双工两种工作方式，端口能自动测弑出所连接的网卡的速率是10Mbps带是100Mbps，工作方式是全双工还是半双工。端口能自动识别并做相应的调整，从而大大地减轻了网络管理的负担。局域网交换机可以支持虚拟局域网服务虚拟局域网(1)虚拟网络的基本概念虚拟网络是建立在局域网交换机或ATM交换机之上的，它以软件方式来实现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。同一逻辑工作组的成员不一定要连接在同一个物理网段上，它们可以连接在同一个局域网交换机上，也可以连接在不同的局域网交换机上，只要这些交换机是互连的。当一个结点从一个逻辑工作组转移到另一个逻辑工作组时，只需要通过软件设定，而不需要改变它在网络中的物理位置。同一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的特理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。⑵虚拟局域网实现技术交换技术本身就涉及网络的多个层次，因此虚拟网络也可以在网络的不同层次上实现。不同虚拟局域网组网方法的区别，主要表现在对虚拟局域网成员的定义方法上，通常有以下4种：用交换机端口号定义虚拟局域网用MAC地址定义虚拟局域网用网络层地址定义虚拟局域网IP广播组虚拟局域网【考点四】局域网的物理设备1.IEEE802.3物理层标准类型网卡网卡的基本概念网卡是网络接口卡(NIC，NetworkInterfaceCard)的简称称，它是构成网络的基本部件。网卡一方而连接局域网中的计算机，另一方而连接局域网中的传输介质。网卡的分类方法根据网卡所支持的物理层标准与主机接口的不同，网卡可以分为不同的类型。按照网卡支持的计算机种类分类。主要分为两类：标准以太网卡、PCMCIA网卡。按照网卡支持的传输速率分类。主要分为四类：普通的10Mbps网卡、高速的100Mbps网卡、10Mbps/100Mbps自适应网卡、1000Mbps网卡。按网卡所支持的传输介质类型分类。主要分为四类：双绞线网卡、粗缆网卡、细缆网卡、光纤网卡。局域网集线器(1)集线器的结构。⑵集线器的分类方法。⑶典型的集线器产品。局域网交换机⑴局域网交换机的定义交换式局域网的核心是局域网交换机，也有人把它叫做交换式集线器。目前，使用最广泛的是以太网交换机。对于传统的以太网来说，当连接在集线器中的一个结点发送数据时，它将用广播方式将数据传送到集线器的每个端口。因此，以太网的每个时间片内只允许有一个结点占用公用通信信道。⑵局域网交换机的分类方法一般来说，局域网交换机可以分为以下几类：简单的10Mbps局域网交换机。10Mbps/100Mbps自适应的局域网交换机。⑶大型局域网交换机。(4)典型的局域网交换机产品。【考点五】局域网组网方法同轴电缆组网方法使用同轴电缆组建以太网是最传统的组网方式，它到目前为止仍在广泛应用。目前，使用的同轴电缆有两种：粗同轴电缆与细同轴电缆。因此，使用同轴电缆组建以太网主要有以下3种方式：组缆方式、细缆方式与粗缆与细缆混用方式。⑴粗缆方式。⑵细缆方式。⑶粗缆与细缆混用方式。双绞线组网方法(1)基本的硬件设备。⑵双绞线组网方法。按照使用集线器的方式，双绞线组网方法可以分为以下几种：单一集线器结构。多集线器级联结构。堆叠式集线器结构。快速以太网组网方法(1)基本的硬件设备快速以太网组网方法与普通的以太网组网方法基本相同。如果要组建快速以太网，需要使用以下基本硬件设备：100BASE-T集线器/交换机。10/100BASE-T网卡。双绞线或光缆。⑵快速以太网组网方法100BASE-T集线器的功能以及网络连接方法，与普通的10BASE-T集线器基本相同。因此，以共享式100BASE-T集线器为中心的快速以太网结构，与传统的以太网结构基本上是相同的。千兆以太网组网方法(1)基本的硬件设备千兆以太网的组网方法与普通以太网组网方法有-定的区别。如果要组建千兆以太网，需要使用以下基本硬件设备：1000Mbps以太网交换机。100Mbps集线器/交换机。10Mbps/100Mbps以太网卡。双绞线或光缆。⑵千兆以太网组网方法在千兆以太网组网方法中，如何合理地分配网络带宽是很重要的，需要根据网络的规模与布局，来选择合适的两级或三级网络结构。【考点六】局域网结构化布线技术结构化布线的基本概念(1)结构化布线的发展。⑵结构化布线的概念。结构化布线系统是指在一座办公大楼或楼群中安装的传输线路。这种传输线路能连接所有的语音、数字设备，并将它们与电话交换系统连接起来。⑶智能大楼概念的提出美国的一个智能大楼研究机构认为：智能大楼是通过对建筑物的结构、系统、服务与管理4个基本要素之间采用最优组合，为用户提供一个投资合理、高效、安全与便利的工作环境，另一种定义则认为：智能大楼是在大楼建设中建立一个独立的局域网，在楼外与楼内的交汇处安装配线架，利用楼内垂直电缆竖井作为布线系统的主轴管道；在每个楼层建立分线点，通过分线点在每个楼层的平而方向布置分支管道，并通过这些分支管道将传输介质连接到用户所在的位置。最终用户的位置上可以连接计算机、电话机、电传机、安全保密设备、报警器、供热及空调设备、CAD工作站，甚至可以是生产设备。这样的一种集成环境能为用户提供全而的信息服务功能，同时能随时对大楼所发生的任何事情自动采取相应的处理措施。(4)智能大楼的组成部分一个完善的智能大楼系统除了结构化布线系统外，还应包括以下几种系统：办公自动化系统(OA)。通信自动化系统(CA)。楼