计算机网络基础教程课件：局域网技术

1计算机网络基础教程

2局域网技术本章要点局域网的概念局域网的拓扑结构IEEE802局域网标准以太网技术局域网介质访问控制方法局域网组网方法局域网结构化综合布线局域网的日常维护34.1局域网的基本概念4.1.1局域网的定义和特点1．早期局域网的主要特点（1）局域网是一种通信网络；（2）连入局域网的数据通信设备种类多样，包括计算机、终端和各种外部设备；（3）局域网覆盖地理范围较小，例如一个教室、一栋办公楼等。44.1局域网的基本概念2．局域网技术的变化（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联网的需求。（2）局域网的数据传输速率高，能够达到10Mbps～10Gbps，而且其误码率较低。（3）局域网属于数据通信网络中的一种，局域网只能够提供物理层、数据链路层和网络层的通信功能。（4）可以连入局域网中的数据通信设备非常多，如计算机、终端、电话机及传真机等。（5）局域网十分易于安装、维护以及管理，并且局域网的可靠性高。（6）决定局域网特性的主要技术要素是：网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。（7）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。54.1.2局域网的拓扑结构1．总线型拓扑结构2．环型拓扑构型3．星型拓扑构型4.1局域网的基本概念61．总线型拓扑结构4.1局域网的基本概念71．总线型拓扑结构4.1局域网的基本概念总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式。它的主要特点是：（1）所有的结点都通过相应的网卡直接连接到一条作为公共传输介质的总线上；（2）总线通常采用同轴电缆或双绞线作为传输介质；（3）所有结点都可以通过总线传输介质发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点利用总线发送数据，当一个结点利用总线传输介质以“广播”方式发送数据时，其他结点可以用“收听”方式接收数据；（4）由于总线作为公共传输介质为多个结点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点利用总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”,造成传输失败;（5）在“共享介质”方式的总线型局域网实现技术中，必须解决多结点访问总线的介质访问控制（MAC，MediumAccessControl）问题。82．环型拓扑构型4.1局域网的基本概念92．环型拓扑构型4.1局域网的基本概念

环形拓扑的优点是结构简单，实现容易，传输延迟确定，适应传输负荷较重、实时性要求较高的应用环境。但是环中每个结点与连接结点之间的通信线路都是网络可靠性的瓶颈。环中任何一个结点或线路出现故障，都会造成网络瘫痪。环结点的加入和撤出过程都较复杂。为保证环的正常工作，需要较复杂的环维护处理。103．星型拓扑构型4.1局域网的基本概念113．星型拓扑构型4.1局域网的基本概念

星型拓扑的优点是结构简单，但是其中心结点一旦出现故障，整个系统不能工作，因此中心结点对系统可靠性影响很大。124.1.3局域网的分类1．按照网络转接方式共享介质局域网交换局域网4.1局域网的基本概念132．按照介质访问控制方法以太网：以太网采用载波监听多路访问／冲突检测（CSMA／CD）介质访问控制方法，通过“监听”和“重传”来解决数据发送和接收中的冲突问题。令牌环网：令牌环网则是通过“令牌”，以让各个结点获得数据发送权，避免数据传输的冲突。4.1局域网的基本概念143．按照网络资源管理方式对等式：所有结点地位平等。任何结点之间都可以直接通信和资源共享。非对等式：所有结点的地位都不同，如服务器与工作站是两种地位不同的结点。4.1局域网的基本概念154．按照网络传输技术基带局域网：采用数字信号基带传输技术，基带信号占据了传输线路的整个频率范围，信号具有双向传输的特征。宽带局域网：采用模拟信号频带信号传输技术，通过频分多路复用技术，使得一条信道可同时传输多路模拟信号。由于宽带传输是单向的，因此在宽带局域网中的信号只能沿某个方向进行传输。4.1局域网的基本概念16

总线型局域网中的“冲突”现象示意图

访问控制方式是指控制网络中各个节点之间信息的合理传输，对信道进行合理分配的方法。在共享式局域网的实现中，可以采用不同的方式对其共享介质进行控制。常用的介质访问控制方式有带有冲突检测的载波监听多点访问/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect，CSMA/CD)方法、令牌总线（TokenBus）方法和令牌环（TokenRing）方法。目前最流行的局域网—以太网（Ethernet）使用的就是CSMA/CD介质访问控制方式，而FDDI网则使用令牌环介质访问控制方式。

4.2局域网介质访问控制方法174.2.1IEEE802模型与协议标准

IEEE于1980年2月成立了局域网标准委员会（简称IEEE802委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE802标准。IEEE802标准描述了局域网参考模型与OSI参考模型的关系。4.2局域网介质访问控制方法18在LLC子层中存放与传输介质无关的信息，用于完成数据链路层数据帧的传输和控制。在MAC子层中存放与传输介质有关的信息，解决共享信道的争用。4.2局域网介质访问控制方法19IEEE802标准IEEE802.1：概述体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测试。IEEE802.2：表示了逻辑链路控制子层LLC功能。IEEE802.3：表示CSMA/CD介质访问控制方法和物理层技术规范。IEEE802.4：表示令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范。IEEE802.5：表示令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范。IEEE802.6：表示城域网介质访问控制方法和物理层技术规范。IEEE802.7：代表宽带技术。IEEE802.8：代表光纤技术。IEEE802.9：表示综合语音与数据局域网技术。IEEE802.10：表示可互操作的局域网的安全规范。IEEE802.11：表示无线局域网技术。IEEE802.12：定义了100VGAnyLAN规范。IEEE802.14：定义了电缆调制解调器（cablemodem）标准。IEEE802.15：定义了近距离个人无线网络标准。IEEE802.16：定义了宽带无线局域网标准。4.2局域网介质访问控制方法204.2.2IEEE802.3标准与Ethernet1.Ethernet（以太网）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。IEEE802.3标准定义的共享介质局域网有三类：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与采用TokenRing介质访问控制方法的环型局域网。4.2局域网介质访问控制方法212．Ethernet的基本工作原理在Ethernet网中，如果一个结点要发送数据，它将以“广播”方式把数据通过作为公共传输介质的总线发送出去，连在总线上的所有结点都能“收听”到发送结点发送的数据信号。由于网中所有结点都可以利用总线传输介质发送数据，并且网中没有控制中心，因此冲突的发生将是不可避免的。为了有效地实现分布式多结点访问公共传输介质的控制策略，CSMA／CD的发送流程可以简单地概括为四点：先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟后重发。

4.2局域网介质访问控制方法22

采用CSMA／CD介质访问控制方法的总线型局域网中，每一个结点利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙、闲状态。如果总线上已经有数据信号传输，则为总线忙；如果总线上没有数据传输，则为总线空闲。如果一个结点准备好发送的数据帧，并且此时总线空闲，它就可以启动发送。同时也存在着这种可能，那就是在几乎相同的时刻，有两个或两个以上结点发送了数据，那么就会产生冲突，因此结点在发送数据的同时应该进行冲突检测。采用CSMA／CD介质访问控制方法的总线型局域网的工作过程如图所示。4.2局域网介质访问控制方法23244.2.3IEEE802.4与TokenBusTokenBus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，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线而发送数据。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。图4-8给出了正常的稳态操作时令牌总线的工作过程。4.2局域网介质访问控制方法254.2局域网介质访问控制方法正常的稳态操作时令牌总线的工作过程如下：26

所谓正常的稳态操作是指网络已完成初始化之后，各结点进入正常传递令牌与数据状态，并且没有结点要加入或撤出，没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。此时，每个结点有本站地址（TS），并知道上一结点地址（PS）与下一结点地址（NS）。令牌传递规定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。环中令牌传递顺序与结点在总线上的物理位置无关。因此，令牌总线网在物理上是总线网，而在逻辑上是环网。令牌帧含有一个目的地址，接收到令牌帧的结点可以在令牌持有最大时间内发送一个或多个帧。在发生以下情况时，令牌持有结点必须交出令牌。（1）该结点没有数据帧等待发送；（2）该结点已发送完所有待发送的数据帧；（3）令牌持有最大时间到。27

与CSMA/CD介质访问控制方法相比，TokenBus方法比较复杂，需要完成大量的环维护工作，必须有一个或多个结点完成以下环维护工作。（1）环初始化在网络启动或故障发生后，必须执行环初始化过程，根据某种算法将所有环中结点排序，动态形成逻辑环。（2）新结点加入环

TokenBus方法必须有一种机制，周期性的为新结点加入环提供机会。（3）结点从环中撤出

TokenBus方法必须在任一结点从环中撤出后，将其前一结点与其后一结点连接起来，以保持环的完整性。（4）环恢复当环中出现令牌丢失或有多个令牌时，TokenBus方法应能完成环恢复工作。（5）优先级

TokenBus方法能支持优先级服务要求，并以一种算法将共享总线的通信容量分配给不同优先级的帧，以确保高优先级服务与低优先级服务的通信容量的合理分配。28TokenBus介质访问控制方法有以下几个主要特点：（1）介质访问延迟时间有确定值。（2）通过令牌协调各结点之间的通信关系，各结点之间不发生冲突，重负载下信道利用率高。（3）支持优先级服务。294.2.4IEEE802.5标准与TokenRing

在令牌环中，结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，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排列的顺序相同。如果结点A有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。当结点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。结点B、C、D将依次接收到数据帧。如该数据帧的目的地址是C结点，则C结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结点重新接收到自己发出的、并已被目的结点正确接收的数据帧时，它将回收已发送的数据帧，并将忙令牌标志位改成“闲”，再将空闲令牌向它的下一结点传送。4.2局域网介质访问控制方法30令牌环的基本工作过程如图所示。

4.2局域网介质访问控制方法31IEEE802.5标准对以上技术进行了一些改进，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。（2）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。（3）监控站环中设置一个中央监控站，通过令牌监控位执行环维护功能。（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。324.2.5CSMA/CD与TokenBus、TokenRing的比较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。（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。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时性要求较高的应用环境，如生产过程控制领域。（2）TokenBus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。（3）TokenBus与TokenRing不足之处在于它们都需要复杂的环维护功能，实现较困难。4.2局域网介质访问控制方法334.3局域网的组网技术4.3.1局域网组网设备1．IEEE802.3物理层标准类型

IEEE802.3标准为了能支持多种传输介质，这些标准主要有：（1）10BASE-5（粗缆）

10BASE-5是IEEE802.3物理层标准中最基本的一种。它采用的传输介质是阻抗为50Ω的基带粗同轴电缆。单根粗缆的最大长度为500m，数据传输速率为10Mbps。网卡与收发器采用标准的15针AUI连接器，收发器与网卡之间采用收发器电缆连接。（2）10BASE-2（细缆）

10BASE-2是IEEE802.3补充的第一个物理层标准。它采用的传输介质是阻抗为50Ω的基带细同轴电缆。单根细缆的最大长度为185m，数据传输速率为10Mbps。网卡采用BNC连接插头，细同轴电缆通过BNC-T型连接器与网卡连接。344.3局域网的组网技术4.3.1局域网组网设备1．IEEE802.3物理层标准类型（3）10BASE-T（非屏蔽双绞线）

10BASE-T是1990年补充的另一个物理层标准。它采用以集线器（Hub）为中心的星型拓扑结构，使用标准的RJ-45接插件与3类或5类非屏蔽双绞线UTP连接网卡与集线器。网卡与集线器之间的双绞线长度最大为100m。（4）10BASE-FP、10BASE-FB与10BASE-FL（光缆）

10BASE-FP、10BASE-FL与10BASE-FB是IEEE802.3物理层标准中新补充的三种光纤传输介质标准，数据传输速率为10Mbps。10BASE-FP标准将网卡与无源集线器（PassiveHub）用光纤连接，最大距离为500m，其基本结构与10BASE-T类似，采用星型拓扑结构。10BASE-FB标准将网卡与有源集线器（ActiveHub）用光纤连接，最大距离为2000m。10BASE-FL标准将中继器数目由最多4个扩展到6个，以增加Ethernet主干电缆长度。354.3局域网的组网技术4.3.1局域网组网设备1．IEEE802.3物理层标准类型

IEEE802.3u（FastEthernet）标准为了能支持多种传输介质，这些标准主要有：（1）100BASE-TX（5类非屏蔽双绞线）100BASE-TX支持5类非屏蔽双绞线UTP与1类屏蔽双绞线STP。（2）100BASE-T4（3类非屏蔽双绞线）100BASE-T4支持3类非屏蔽双绞线UTP。（3）100BASE-FX（光缆）100BASE-FX支持2芯的多模或单模光纤。364.3局域网的组网技术4.3.1局域网组网设备1．IEEE802.3物理层标准类型

IEEE802.3z标准主要有：（1）1000BASE-T（5类非屏蔽双绞线）1000BASE-T支持5类非屏蔽双绞线UTP与1类屏蔽双绞线STP。（2）1000BASE-CX（屏蔽双绞线）1000BASE-CX支持5类非屏蔽双绞线UTP与1类屏蔽双绞线STP。（3）1000BASE-LX（单模或多模光纤）1000BASE-LX支持单模或多模光纤。（4）1000BASE-SX（多模光纤）1000BASE-SX支持多模光纤。

37Ethernet的物理结构图382．网卡网络接口卡（NIC，NetworkInterfaceCard）又称为网卡，它是将计算机或其他设备连接到局域网的硬件设备。一般PCI接口的网卡插在计算机主板的PCI扩展插槽中，现在也有USB接口的网卡。4.3局域网的组网技术39网卡的分类方法:①网卡速率按网卡所支持的速率可以分为l0Mbps网卡、l0/l00Mbps自适应网卡和l000Mbps网卡。②传输介质按照网络传输介质的不同，可以将网卡分为有线网卡和无线网卡。4.3局域网的组网技术40网卡的选型①有线以太网网卡的选型②无线局域网网卡的选型4.3局域网的组网技术413．集线器

集线器（Hub）是局域网中的连接设备。它具有多个端口，可连接多台计算机，实现计算机之间的通信。4.3局域网的组网技术42集线器的分类方法：传输速率：单速率集线器与自适应集线器扩展方式：普通集线器与堆叠式集线器端口数目：分为8口、16口、24口和48口等。网管功能：简单集线器与智能集线器4.3局域网的组网技术43集线器选型对集线器进行选型，应该注意以下几个问题：端口数量是多少；支持哪几种端口类型；是普通集线器，还是堆叠式集线器；是非智能集线器，还是智能集线器；是否支持网管功能。传输介质可以是非屏蔽双绞线、粗同轴电缆与细同轴电缆，在设计局域网结构与使用传输介质类型时，一定要考虑集线器提供的端口类型，看它是否支持RJ-45、AUI或BNC接口。4.3局域网的组网技术444.3局域网的组网技术4．交换机交换机（Switch）也是局域网中的连接设备，是集线器的升级换代产品，交换机可以作为整个网络的中心结点，负责连接其他网络设备和用户计算机，实现网络的连接与扩展。交换机可分为许多种类，分别具有不同的功能特点和应用范围，应当根据具体的使用环境和实际需求进行选择。454.3局域网的组网技术交换机的分类方法（1）固定端口交换机与模板化交换机（2）接入层交换机、汇聚层交换机与核心层交换机（3）快速以太网交换机、千兆位以太网交换机与万兆位以太网交换机（4）对称交换机与非对称交换机464.3.2局域网组网方法1．双绞线组网方法基本的硬件设备：①带有RJ-45接口的以太网卡②集线器（Hub）③3类或5类非屏蔽双绞线④RJ-45连接头4.3局域网的组网技术474.3.2局域网组网方法1．双绞线组网方法（1）单一集线器结构单一集线器结构简单，如图4-19所示。所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接，构成物理上的星型拓扑。单一集线器结构适宜于小型工作组规模的局域网，一般支持8～24个RJ-45端口与一个BNC、AUI端口或光纤连接端口。4.3局域网的组网技术48494.3.2局域网组网方法1．双绞线组网方法（2）多集线器级联结构如果需要连网的结点数超过单一集线器的端口数时，通常需要采用多集线器的级联结构。普通的集线器一般都提供两类端口：一类是用于连接结点的RJ-45端口；另一类端口是向上连接端口，包括连接粗缆的AUI端口、连接细缆的BNC端口或光纤连接端口。4.3局域网的组网技术50514.3.2局域网组网方法1．双绞线组网方法（3）堆叠式集线器结构堆叠式集线器由一个基础集线器与多个扩展集线器组成。

4.3局域网的组网技术522．快速以太网组网方法基本的硬件设备：①100BASE-T集线器/交换机②10/100BASE-T网卡③双绞线或光缆组网方法：与普通的10BASE-T集线器基本相同4.3.2局域网组网方法533．千兆以太网组网方法基本的硬件设备：①1000Mbps以太网交换机②10Mbps集线器/交换机③10/100Mbps以太网卡④双绞线与光缆组网方法：在网络主干部分使用高性能的千兆以太网主干交换机；在网络支干部分使用性能一般的千兆以太网支干交换机；在楼层或部门一级，根据实际需要选择100Mbps以太网交换机；使用10Mbps或100Mbps以太网卡，将工作站连接到100Mbps以太网交换机上。4.3.2局域网组网方法54554.3.3局域网结构化综合布线技术结构化综合布线系统的构成，一般包括工作区子系统、水平子系统、垂直干线子系统、管理子系统、设备间子系统和建筑群子系统六个部分，如图4-23所示。56设备间子系统管理子系统水平子系统垂直干线子系统管理子系统建筑群子系统工作区子系统工作区子系统工作区子系统57（1）工作区子系统工作区子系统一般是一个相对独立、需要设置终端的区域，它由信息设备插座、连接跳线和其连接的终端设备组成。在工作区子系统中的布线要求比较简单，以方便移动和添加设备。在每个工作区应该配备一个电话机或计算机终端设备。58①信息插座面板②连接跳线③计算机网卡水平子系统①②③工作区子系统59（2）水平子系统水平子系统由信息交换接口插座、每一楼层的配线设备和跳线、插座的配线电缆组成。水平子系统是在一个楼层上，一般采用星型拓扑结构。水平子系统可选择非屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双绞线（STP）和光缆进行布线。60管理子系统水平子系统垂直干线子系统工作区子系统61（3）垂直干线子系统垂直干线子系统是高层建筑中各种垂直安装的干线的组合，负责连接管理子系统到设备子系统，将各层中的水平子系统连接起来，方便该建筑物和其他建筑物的连接。垂直干线子系统一般使用光纤作为传输介质，把各个楼层配线间的信号传送到设备间，再传向外部网络。垂直干线子系统在结构化综合布线系统中的地位十分重要，其直接关系到整个建筑网络系统的连通性。62垂直干线子系统垂直干线子系统垂直干线子系统63（4）管理子系统管理子系统设置在各个楼层专用的配线设备的房间内，由各层的交连、互连和I/O设备组成。管理子系统为连接其他子系统提供手段，是连接垂直主干子系统和水平干线子系统的设备。64

（5）设备间子系统设备间子系统是由整个建筑物网络的进线设备、中心传输设备以及安全配线设备等组成。设备子系统通常包括电缆、连接器和相关硬件。设备子系统集中有大量的通信干线，是局域网内部与外部系统的连接点。（6）建筑群子系统两个或者两个以上建筑物网络之间的干线连接称为建筑群子系统。这个子系统的用途是将一个建筑物中的光缆（或电缆）与另一个建筑物的通信设备进行连接。通常情况下采用地下管道和架空明线等方式进行布线。654.4局域网的日常维护4.4.1局域网硬件的维护

1．设备的散热由于网络中的各种设备多是由电子元器件构成，这些电子元器件在工作的过程中会产生大量的热能，使电子元器件的温度升高。如果电子元器件的温度过高就会加快其老化的过程，甚至烧毁。因此对网络设备中的各电子元器件进行散热非常重要。如交换机和计算机一样，内部也有用于数据处理的CPU，同样需要加装散热器。虽然这些设备的散热量不大，但是如果设备的散热性能很差，热量就会越聚越多，温度也会随之升高，最后导致设备损坏。

2