第三章 局域网

1. 第三章 局域网 • 本章主要介绍的内容: • 局域网基础 • 局域网拓扑结构 • 局域网体系结构 • 共享介质局域网 • 高速局域网 • 无线局域网

2. 3.1 局域网基础 • 局域网的定义局域网是一种小范围地域内的微机组网，一般由微型计算机、外部设备、网络接口卡和通信线路等硬件连接而成，并配有相应的网络控制软件。局域网中的微机一般采用分散控制方式，每台微机都可独立工作。 局域网具有网络覆盖的地理范围有限、传输速率高、延时少、误码率低、网络的管理权属单一组织所有的重要特点。 局域网常被用于连接企业、工厂和学校内的一个楼群、一栋楼或一个办公室里的数据通信设备，以便共享资源和交换信息。

3. 局域网（LAN）产生于20世纪70年代，由于微型计算机的发明和迅速流行，计算机应用的迅速普及与提高，计算机网络应用的不断深入和扩大，以及人们对信息交流、资源共享和高带宽的迫切需求，都直接推动着局域网的发展。进入20世纪90年代以来、局域网技术的发展更是突飞猛进，日新月异的新技术、新产品令人目不暇接。特别是交换技术的出现，更是使局域网的发展进入了一个崭新的阶段。局域网是自计算机网络产生以来发展最快的一种网络。局域网（LAN）产生于20世纪70年代，由于微型计算机的发明和迅速流行，计算机应用的迅速普及与提高，计算机网络应用的不断深入和扩大，以及人们对信息交流、资源共享和高带宽的迫切需求，都直接推动着局域网的发展。进入20世纪90年代以来、局域网技术的发展更是突飞猛进，日新月异的新技术、新产品令人目不暇接。特别是交换技术的出现，更是使局域网的发展进入了一个崭新的阶段。局域网是自计算机网络产生以来发展最快的一种网络。

4. 3.1.1 局域网的特点 局域网(LAN)具有以下特点： • 地理范围小：地理分布范较小,一般为数百米至数公里。可覆盖一幢大楼、一所校园或一个企业。 • 数据传输速率高，一般为10-100Mbps，目前已出现速率高达1000Mbps的局域网。可交换各类数字和非数字(如语音、图象、视频等)信息。 • 误码率低，一般在10-810-11。这是因为局域网通常采用短距离基带传输，可以使用高质量的传输媒体，从而提高了数据传输质量。 • 延迟短 • 除此之外，局域网协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。

5. 3.1.2 局域网的分类 • 可以从不同角度对局域网进行分类。 • 1. 按网络拓扑结构分类： • 2. 按传输介质分类： 1) 总线型局域网 2) 环型局域网 3) 星型局域 4)混和型局域网 1)同轴电缆局域网 2)双绞线局域网 3)光纤局域网 4)无线局域网

6. 3.按访问传输介质方法分类： 介质访问控制技术是局域网最重要的一项技术，也是网络技术和组成的最根本问题，因为它对局域网体系结构、工作过程和网络性能产生决定性影响。 局域网的介质访问控制包括两个方面的内容：一是要确定网络的每个结点能够将信息发送到介质上去的特定时刻；二是如何对公用传输介质进行访问并加以利用和控制。常用的局域网介质访问控制方法主要有以下3种：CSMA/CD，Token-Ring和Token-Bus。

7. 4.按网络操作系统分类： • 5.其他分类方法： • 按数据的传输速度分类：可分为10Mbps局域网、100Mbps局域网、155Mbps局域网等， • 按信息的交换方式分类：可分为交换式局域网、共享式局域网等。 1) Novell公司的Netware网 2) 3COM公司的3+OPEN网 3) Microsoft公司的Windows NT网 4) IBM公司的LAN Manager网

8. 3.2 局域网拓扑结构 • 3.2.1 总线型 总线型拓扑结构如下图3-1所示： 图3-1 总线型拓扑结构

9. 总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质上，或称总线上。任何一个站点的发送信号都可以沿着介质传播，而且能被总线上的所有其它站点接收。总线的端点必须加上终端组件（终结器），以避免网络上回传末端的无用回音信号，而产生干扰。总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质上，或称总线上。任何一个站点的发送信号都可以沿着介质传播，而且能被总线上的所有其它站点接收。总线的端点必须加上终端组件（终结器），以避免网络上回传末端的无用回音信号，而产生干扰。 • 总线状网络使用广播式传输技术，总线上的所有站点都可以发送数据到总线上，并且数据在总线上传播。但是，由于所有站点共享一条公用的传输链路，所以在任何时候一次只允许一个站点发送数据。也因此需要某种形式的访问控制策略，来决定哪个站点可以发生数据，以避免多个站点同时发送数据。否则，将产生冲突。

10. 总线型特点 • 总线型拓扑有如下优点： • 电缆长度短，布线容易，减少了安装费用，易于维护；可靠性高；易于扩充：增加新的站点，只需在总线的任何点将其接入即可。 • 总线型拓扑的缺点： • 故障诊断困难：虽然总线拓扑结构简单，可靠性高，但故障检测却不很容易。因为总线拓扑的网络不是集中控制，故障检测需在网络上的各个站点分别进行测试；故障隔离困难；每一时刻，只能有一个站点发送数据，因此，其它用户必须等候其完成通信后，才能发送信息；对总线电缆要求较高，若总线电缆出现故障，则整个网络将瘫痪；由于是共享电缆带宽，若总线上的站点数量较多时，则网络速度会明显下降。

11. 3.2.2 星型拓扑结构 • 星型拓扑结构是由中央结点（一般为服务器加集线器或交换机）和通过点到点的链路到中央结点的各站点组成。每个站点都由一条点到点的链路与中央结点相连，任何两上站点之间进行通信必须要经过中央结点，整个网络由中央结点来管理控制。其结构如图3-2所示。 图3-2 星型拓扑结构

12. 星型结构特点 • 星型结构的优点是： • 结构简单；扩充性好，易于扩充新的结点；集中控制，故障诊断容易。 • 星型结构的缺点： • 对中央结点的依赖程度高，若是中央结点出现故障则整个网络的通信将完全瘫痪；由于每个站点直接连接到中央结点，因此需大量的电缆，也许增加相应的设备，因而，费用相对也较高；中央结点负担重，易成为信息传输的瓶颈。

13. 3.2.3 环型拓扑结构 • 环型拓扑结构如图3-3： 图3-3 环型拓扑结构

14. 环状拓扑结构是各个结点通环接口连接在一条首尾相接的闭合环状通信链路中。这种环状链路是单向的，也就是说，只能在一个方向上传输数据，而且所有的链路都按同一方向传输数据。这样，数据就在一个方向上围绕着环进行循环。环状拓扑结构是各个结点通环接口连接在一条首尾相接的闭合环状通信链路中。这种环状链路是单向的，也就是说，只能在一个方向上传输数据，而且所有的链路都按同一方向传输数据。这样，数据就在一个方向上围绕着环进行循环。 • 环状和总线拓扑一样，环中的所有站点共享同一个传输介质——环，因此需要对此进行控制，以便决定每个站点什么时候可以把数据放在环上，以免产生冲突。这种功能可以用令牌环介质访问控制方式来完成，以后将令牌环网中进行详细介绍。

15. 环型特点 • 环型拓扑具有如下优点： • 电缆长度短；传输方向为单一方向，简化了信号传输的路径，使其在高负载时，还可以维持高速度及宽频带的传输效率；适用于光纤网络。 • 环型拓扑的缺点： • 只要任一结点出现故障，则整个网络也会瘫痪；诊断故障困难。因为某一结点故障会使全网不工作，因此难于诊断故障，需要对每个结点进行检测；不便于进行扩充。

16. 3.3 局域网的体系结构 • IEEE 802标准的局域网参考模型与OSI/RM的对应关系如图3-4所示，该模型包括了OSI/RM最低两层（物理层和链路层）的功能，也包括网间互连的高层功能和管理功能。 图3-4 IEEE 802 参考模型与OSI参考模型的对应关系

17. 1．服务访问点SAP • 在参考模型中，每个实体和另一个系统的同层实体按协议进行通信。而一个系统内的实体和上下层间的通信，则通过接口进行通信，用服务访问点SAP来定义接口，主要是为了某层提供的服务如何被高层访问。LLC服务访问点(LSAP)在LLC层为上层提供接口端，介质访问控制服务访问点(MSAP)向单个LLC实体提供单个接口端，物理层服务访问点向单个MAC实体提供接口端。

18. 2．逻辑链路控制LLC子层 • IEEE 802 规定两种类型的链路服务：无连接LLC和面向连接的LLC。 • 无连接服务：信息帧在LLC实体间交换，这种服务中不用建立逻辑链路，信息帧只是发往目的地，高层协议负责请求重发丢失的信息帧，对这种LLC帧既不确认，也无任何流量控制或差错恢复功能。 • 面向连接服务：任何信息帧在传输前，在一对LLC实体间必须建立逻辑链路,一个链路是和一个目的站建立的，并且当数据传输结束时，就关闭这个链路。在数据传送方式中，信息帧依次序发送，并提供流量控制或差错恢复功能。

19. 3．介质访问控制MAC子层 • MAC子层在支持LLC子层中完成介质访问控制功能，有各种介质访问控制方式，IEEE 802已规定的MAC有CSMA/CD、令牌总线、令牌环等。 • 4．物理层 • 物理层提供在物理层实体间发送和接收比特的能力。它的主要作用是确保二进制位信号的正确传输，包括比特流的正确传送和接收。

20. 3.3.2 IEEE 802局域网标准 • IEEE 802标准仅包含OSI参考模型的物理层和数据链路层协议。其结构关系与局域网标准，如图3-5所示： IEEE802局域网参考模型

21. IEEE 802局域网标准 图3-5 IEEE 802各分委员会结构关系与局域网标准图

23. 3.4 共享介质局域网 • 3.4.1 IEEE 802.3与以太网 1.以太网的定义：凡是遵循CSMA/CD介质访问控制方法的局域网 2.以太网的核心技术是随机争用型介质访问控制方法,即CSMA/CD。 3.CSMA/CD的发送流程可以简单的概括为4点： 先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发

24. 以太网拓扑结构

25. 冲突窗口

27. CSMA/CD机制特点: • 总线型局域网中，当某一个节点要发送数据时，它首先要去检测网络上的介质是否有数据正在传送，然后决定是否将数据送上网络。如果没有任何数据在传送（即处于空闲状态），则立即抢占信道发送数据；如果信道正忙（即处于忙碌状态），则需要等待直至信道空闲再发数据, 往往同时会有多个节点侦听到信道空闲并发送数据，这就可能发生冲突。冲突怎么办？CSMA/CD采取一种巧妙的解决方法，就是在发送数据的同时，进行冲突检测，一旦发现冲突，立刻停止发送，并等待冲突平息以后，再进行CSMA/CD，直至将数据成功地发送出去为止。

28. 以太网有以下一些技术特性： • （1）以太网采用基带传输技术。所谓基带传输指的是：通过物理介质，为通信提供一条单一的传输信道。 • （2）以太网的标准是IEEE 802.3，它使用CSMA/CD介质访问控制方法，以保证同一时间只有一对网络站点使用信道，避免产生冲突。 • （3）以太网是共享型网络，网络上的所有站点共享传输介质和带宽。由于共享带宽的特性使得每个站点分到的平均带宽很低，不能满足网络应用对带宽的需求。 • （4）以太网所支持的传输介质类有50欧姆基带同轴电缆、双绞线、光纤。 • （5）有多种以太网标准，它们支持不同的传输带率。 • （6）以太网技术先进，但很结构简单，技术成熟；价格便宜、易扩展、易维护、易管理。

29. 最常用的802.3局域网络： 802.3的性能分析： 1）802.3的响应时间是不确定的，因而它不适合实时环境； 2）802.3的时隙宽度决定了网络的性能； 3）当802.3的速度提高时，必须缩短电缆长度； 4）802.3在轻负载时，性能比较好；在重负载时，性能急剧变坏；因此802.3适合于轻负载，不适合于重负载；

30. 3.4.2 令牌环网和IEEE802.5

31. 令牌环工作原理 • 在没有站点发送数据时，令牌在环上不停地旋转； • 如果某站点要发送数据 ①等待令牌的到来； ②抓住令牌并将令牌由闲改为忙状态； ③站点往环中发送数据； ④发送的数据沿环旋转一周后，由发送站点负责将其移走； ⑤重新产生令牌

32. 第1步：工作站A等待空闲令牌从上游邻站到达本站，以便有发送机会。第1步：工作站A等待空闲令牌从上游邻站到达本站，以便有发送机会。 • 第2步：工作站A取得令牌后，将令牌由空闲状态改为忙状态，同时将要发送的数据帧发送到环上，工作站C对发往它的帧进行拷贝，并继续将该帧转发到环上。

33. 第3步：工作站A等待接收它所发的帧，并将帧从环上撤离，不再向环上转发。第3步：工作站A等待接收它所发的帧，并将帧从环上撤离，不再向环上转发。 • 第4步：当工作站接收到数据帧的最后一比特时，将令牌由忙状态改为空闲状态，同时将令牌通过环传给后续站点，以便后续站点发送数据。这样A站到C站数据传输完成。

34. 令牌环网的特点是：在轻负载时，由于等待令牌时间，效率较低。在重负载时，对各站点公平，且效率高。其缺点主要表现在：环网维护复杂，实现较困难。令牌环网的特点是：在轻负载时，由于等待令牌时间，效率较低。在重负载时，对各站点公平，且效率高。其缺点主要表现在：环网维护复杂，实现较困难。 • 令牌环网的主要技术特性如下： • 网络拓扑结构：在物理上或形式上是星型结构，而在通信的逻辑关系上却是闭合的环路； • 传输介质：双绞线，光纤，同轴电缆； • 传输速率：4Mbps或16Mbps； • 最大网段长度：10Km； • 最大站点数：采用屏蔽双绞线为260台，采用普通电话线为72台。 • 介质访问控制方法:与优先权控制相结合的令牌控制机制。

35. 3.4.3 IEEE 802.4与令牌总线网 • 令牌总线：1. 物理上为总线结构，利用802.3广播电缆的可靠性。2. 逻辑上为环网：所有的站点组成一个环，每个站点按序分配一个逻辑地址。每个站点都知道在它前面和后面的站地址，最后一个站点后面相邻的站点是第一个站点。3.逻辑环初始化后，站号（站地址）最大的站点可以发送第一帧。此后，该站点通过发送称为令牌的特殊控制帧给紧接其后的邻站，把发送权传给它。令牌绕逻辑环传送，只有令牌持有者才能够发送帧。因为任一时刻只有一个站点拥有令牌，所以不会产生冲突，从而具有环网能确知最坏情况的特性。

36. 图3-7 令牌总线网结构示意图

37. 工作原理： • 令牌传递的顺序与站的物理位置无关，在图中设令牌按照A→D→B→E→F→A→……的顺序传递。总线是一根线形或树形的电缆，其上连接着各个节点，每个节点传送的帧其它节点都能收到。逻辑上，所有站点构成一个环，每个站点都有前方站点和后继站点，并知道它们的地址。站点发送前必须获得令牌，整个网络上只有一个令牌，获得令牌的站点才能发送数据帧。如无数据发送，则把令牌交给后继节点。令牌如此沿逻辑环循环传送。节点传送令牌时，只需指定逻辑环上后继站点的地址。

38. Token Bus网的的主要特点： • 物理上是总线网，逻辑上是令牌环网，传输机制为以太网和令牌环的结合；介质访问延迟时间有确定值；通过令牌协调各站点之间的通信关系，各站点之间不会产生冲突，重负载下信道的利用率高；支持优先级服务。 • 用于工厂自动化和过程控制及需要实时处理的应用。

39. 3.5 高速局域网 • 推动局域网发展的直接因素是个人计算机的广泛应用。在过去20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。 • 传统的局域网技术是建立在“共享介质”基础上的，网中所有结点共享一条公共通信传输介质，典型的介质访问控制方法是CSMA/CD，Token Ring 和Token Bus。介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质。显然，随着局域网规模不断增大、网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率会急剧下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量也会下降。

40. 3.5 高速局域网 • 为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾,人们提出了以下几种解决方案: 第一种方案:提高以太网的数据传输速率,从10Mbps提高到100Mbps,甚至提高到1Gbps,但它的介质访问控制仍采用CSMA/CD方法。 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联的子网，这就推动了局域网互联技术的发展。网桥和路由器可以隔离子网之间的交通量,使每个子网作为一个独立的小型局域网。通过减少每个子网内部结点数N的方法，使每个子网的网络性能得到改善，而每个子网的介质访问控制仍采用CSMA/CD的方法。 第三种方案：将“共享介质方式 ”改为“交换方式”，这就推动了“交换式局域网”技术的发展。交换式局域网的核心技术是局域网交换机，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。

41. 结点 B C A D E (a) 共享介质局域网

42. 结点 A B C D E F (b) 交换式局域网

43. 3.5.1 快速以太网 1. IEEE802.3u：100BASE-T以太网 基本上保留了传统10Mbps以太网的所有特性 协议标准——IEEE802.3u LLC子层——IEEE802.2标准 MAC子层——CSMA/CD介质访问控制方法 定义了新物理层标准——IEEE802.3-T

44. Fast Ethernet 组成示意图

45. 新物理层标准— IEEE802.3-T （1）100BASE-TX 2对5类非屏蔽或屏蔽双绞线，一对发送，一对接收。最大网段长度100m。全双工系统，每个节点可以同时以100Mbps的速率发送和接收数据。 （2）100BASE-T4 4对非屏蔽3类或5类双绞线，3对传输数据（每对以100/3Mbps的速率传输），一对冲突检测的接收信号，所以不支持全双工传输。

46. 新物理层标准— IEEE802.3-T （3）100BASE-FX 2根光纤，一根用于发送，一根用于接收。最大网段长度可变，与连接方式和采用多模或单模光纤有关，可以从150m~1000m不等。支持全双工传输。

47. 快速以太网三种物理层标准

48. 100VG-AnyLAN • 2. IEEE802.12，即100VG-AnyLAN： • 使用请求优先级介质访问控制策略 • 适合于多媒体信息的传输 • 与10Base以太网不兼容

49. 1.100VG-AnyLAN—简称100VG （1）100VG网络的拓扑结构——星型 采用3、4、5类非屏蔽双绞线和光纤，采用双绞线时，使用4对线同时传输数据

50. （2）需求优先级访问控制 基于共享通信信道的无冲突的访问控制方法 集线器循环检测网络上所有节点发来的发送请求，根据优先级确定允许发送的节点。 节点有数据发送——集线器发送请求，空闲将数据传送到集线器——将数据直接传送到目的节点。 多个节点发送请求信息——只允许最高优先级的节点发送，若有2个请求节点的优先级相同，轮流允许节点发送数据。