网络基础第4章局域网技术网线制作仿真软件使用分析Word格式.docx
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网络管理、链路安全、与广域网的互联等。
IEEE802.2——逻辑链路控制（LogicalLinkControl，LLC），定义了数据链路层的LLC子层。
IEEE802.3——以太网（Ethernet），定义了CSMA/CD媒体接入控制方式及相关物理层规范。
随着网络技术发展，又衍生出多个标准，如快速以太网802.3u标准、千兆以太网802.3ab和802.3z标准等。
IEEE802.4——令牌总线（TokenBus），定义了使用令牌传递机制的总线网络的媒体接入控制方式及相关物理层标准。
IEEE802.5——令牌环，定义了令牌环网的媒体接入控制方式和相关物理层规范。
IEEE802.8——光纤，定义了FDDI的局域网标准。
IEEE802.11——无线局域网，定义了采用2.4GHz、3.6GHz、5GHz频段的WLAN网络的一组协议标准。
IEEE802.16——宽带无线接入（BroadbandWirelessAccess），即无线城域网标准。
IEEE802.20——移动宽带无线接入（MobileBroadbandWirelessAccess），旨在提供低代价而永远在线的移动宽带无线网络。
局域网的数据链路层被IEEE802分为了两层：
逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。
LLC子层与MAC子层共同完成了数据链路层的功能：
编帧并对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控，使不可靠的物理链路变成可靠的链路。
图3-2
IEEE802模型将数据链路层分成两子层的目的主要是使数据链路层的功能与硬件有关的部分和与硬件无关的部分分开。
子层划分将硬件与软件的实现有效分离开来。
硬件制造商一方面可以设计、制造各种各样的网络接口卡，实现支持不同局域网的目的；
另一方面又可以提供接口相同的驱动程序以方便应用程序使用各种网络接口卡，方便了软件设计。
3.3主要局域网技术
常用的局域网技术有以太网、令牌环、FDDI、无线局域网WLAN等。
他们在拓扑结构、传输介质及介质访问控制方法等各方面都有所不同。
随着以太网带宽不断提高、可靠性不断提升，令牌环和FDDI技术逐渐退出了局域网领域。
由于以太网技术简单、开放，易于部署实现，使得以太网被广泛应用，成为局域网中的主要技术。
另外，无线局域网也得到了迅速发展。
3.3.1局域网拓扑结构
1总线型拓扑结构
所有的节点都通过网络适配器直接连接到一条作为公共传输介质的总线上，总线可以是同轴电缆、双绞线、或者是使用光纤；
总线上任何一个节点发出的信息都沿着总线传输，而其他节点都能接收到该信息，但在同一时间内，只允许一个节点发送数据；
由于总线作为公共传输介质为多个节点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节点利用总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”；
在“共享介质”的总线型拓扑结构的局域网中，必须解决多个节点访问总线的介质访问控制问题。
2环形拓扑结构
所有节点使用相应的网络适配器连接到共享的传输介质上，通过点到点的连接构成封闭的环路。
环路中的数据沿着一个方向绕环逐节点传输。
环路的维护和控制一般采用某种分布式控制方法，环中每个节点都具有相应的控制功能。
在环型拓扑中，虽然也是多个节点共享一条环通路，但不会出现冲突。
对于环型拓扑的局域网，网络的管理较为复杂，与总线型局域网相比，可扩展性较差。
3星型拓扑结构
在星型拓扑中存在一个中心节点，每个节点通过点到点线路与中心节点连接。
在局域网中，由于使用中央设备的不同，局域网的物理拓扑结构和逻辑拓扑结构不同。
使用集线器连接所有计算机时，是一种具有星型物理连接的总线型拓扑结构；
使用交换机时，是真正的星型拓扑结构。
3.3.2传输介质与传输形式
局域网的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、电磁波。
局域网的传输形式有两种：
基带传输与宽带传输。
在局域网中，双绞线是最为廉价的传输介质。
同轴电缆是一种较好的传输介质，它既可用于基带系统又可用于宽带系统，并具有吞吐量大、可连接设备多、性价比高、安装和维护较方便等优点。
由于光纤具有抗干扰性强、误码率低、传输延迟可忽略不计等优点，在局域网的主干网中得到广泛应用。
在某些特殊应用场合，当不便使用有线传输介质时，可以采用无线链路传输信号。
3.3.3介质访问控制方法
介质访问控制方法可以简单地理解为如何控制网络节点何时能够发送数据。
IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：
IEEE802.3载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）、IEEE802.5令牌环（TokenRing）、IEEE802.4令牌总线（TokenBus）。
1CSMA/CD介质访问控制
总线型LAN中，所有的节点对信道的访问是以多路访问方式进行的。
任一节点都可以将数据帧发送到总线上，所有连接在信道上的节点都能检测到该帧。
当目的节点检测到该数据帧的目的地址（MAC地址）为本节点地址时，就继续接收该帧中包含的数据，同时给源节点返回一个响应。
当有两个或更多的节点在同一时间都发送了数据，在信道上就造成了帧的重叠，导致冲突出现。
为了克服这种冲突，在总线LAN中常采用CSMA/CD协议，即带有冲突检测的载波侦听多路访问协议，它是一种随机争用型的介质访问控制方法。
CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：
先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发。
在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各节点通过竞争的方法强占对媒体的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。
因此，节点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。
采用CSMA/CD协议的总线LAN结构简单、网络维护方便、增删节点容易，网络在轻负载（节点数较少）的情况下效率较高。
但是随着网络中节点数量的增加，传递信息量增大，即在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明显下降。
2令牌环
在令牌环介质访问控制方法中，使用了一个沿着环路循环的令牌。
网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据，没有获取令牌的节点不能发送数据，因此，使用令牌环的LAN中不会产生冲突。
工作过程如图所示。
3令牌总线
令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环。
从物理连接上看，它是总线结构的局域网，但逻辑上，它是环型拓扑结构。
连接到总线上的所有节点组成了一个逻辑环，每个节点被赋予一个顺序的逻辑位置。
和令牌环一样，节点只有取得令牌才能发送帧，令牌在逻辑环上依次传递。
在正常运行时，当某个节点发送完数据后，就要将令牌传送给下一个节点。
3.4以太网技术
随着IP技术的发展，以太网作为IP的承载网络已经成为局域网必须选择的技术之一。
以太网技术发展经历了从10Mbps到100Mbps，再到1000Mbps，直至目前的10Gbps传输带宽，对应每一极端，都出现了不同而向前兼容的技术标准。
同时，随着交换机在以太网中的应用，以太网拓扑结构从早期的总线型结构发展到现在的层次性结构；
运行模式从半双工发展到全双工。
1标准以太网
标准以太网由于采用不同的传输介质进行数据传输，所以出现了不同的标准：
10Base-5、10Base-2、10Base-T和10Base-F，分别采用粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线和光纤作为传输介质。
（1）IEEE802.3的MAC层帧格式
IEEE802.3帧是变长的，其长度从64字节到1518字节不等，帧格式如图3-3所示。
图3-3
前导符：
7字节，一串1、0间隔，用于接收方的接收时钟与发送方的发送时钟进行同步。
帧起始定界符：
1字节，为10101011，标志一帧的开始。
目的MAC地址：
6字节，第一个字节的第八位为0标识唯一地址或单播地址，为1标识组地址或组播地址；
MAC地址全为1为广播地址。
目的MAC地址为单播地址、组播地址、广播地址的数据帧分别为单播帧、组播帧、广播帧。
源MAC地址：
格式同目的MAC地址。
类型/长度：
表示以太网帧封装的消息协议类型；
长度表示数据段中的字节数，其值可为0~1500。
填充字段：
用于数据填充。
当用户数据不足46字节时，用以凑足46字节，以保证IEEE802.3帧长度不小于64字节（帧头14字节、CRC校验4字节）。
帧校验序列：
使用32位循环冗余校验码的错误检验，其校验范围为目的地址、源地址、长度、数据和填充字段。
（2）以太网单播和广播
以太网帧中包含两个MAC地址，一个是发送方的，称为源MAC地址，另一个是接收方的，称为目的MAC地址。
目的为单一站点的发送称为单播，目的为全部站点的发送称为广播，目的为某一组特定站点的发送称为组播。
发送单播帧时，目的MAC地址为目的站点的MAC地址；
发送广播帧时，目的MAC地址填写全1地址，即FFFF-FFFF-FFFF-FFFF；
发送组播帧时，目的MAC地址填写相应的组播MAC地址。
需要注意的是，以太网卡具有过滤功能：
只有发送给自己的帧，网卡才会接收、解封装并提交上层协议处理，否则丢弃。
然而，对于特殊需要的功能（如监控、网络协议分析等），可以使网卡工作于混杂模式，可以接收它收到的任何帧。
（3）冲突检测和处理
由于以太网采用总线拓扑结构，使用共享信道传输数据，所以某一时刻只允许一个站点发送数据，其他站点接收该数据并检查是否是发送给自己的。
当同一时刻有多个站点需要发送数据时，就会产生冲突，人们将在一个以太网中所有相互之间可能发生冲突的站点的集合称为一个冲突域。
当一个冲突域中的站点数目过多时，冲突就会很频繁，严重影响网络性能。
以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）来实现对共享信道的使用。
总结CSMA/CD技术的技术特点，就是：
先听后发，忙则等待，边发边听，冲突停止，随机等待后重发。
2快速以太网
标准以太网以10Mbps的速率传输数据，而随着以太网的广泛应用，标准以太网带宽已不能适应大规模网络的应用，快速以太网应运而生。
快速以太网仍采用标准以太网机制，在双绞线或光纤上进行数据传输，但采用了更高的传输时钟频率，得到更快的数据传输速率。
在快速以太网发展过程中也出现了很多标准，主要有100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX和100Base-T2。
目前，100Base-TX是快速以太网的主流，其采用2对5类UTP和RJ45接头，同样采用星型拓扑结构。
由于10Base-T应用广泛，且多采用5类UTP布线，故从10Base-T升级到100Base-TX容易实现，使100Base-TX成为主流。
对于采用3类UTP布线的场所，使用100Base-T4进行升级，即使用4对3类UTP提供100Mbps的带宽。
对于100Base-FX，使用2束多模光纤提供100Mbps带宽，可提供远距离传输。
3千兆以太网
快速以太网应用范围较广，已成为接入设备的基本接入技术，相应的，在网络的汇聚点或服务器接入点等大流量位置就需要一种更高带宽的技术，千兆以太网技术应运而生。
千兆以太网仍采用IEEE802.3帧格式，其标准如下：
1000Base-SX主要适用于多模光纤传输线路，使用850nm短波激光。
在采用直径50µ
m的多模光纤时传输距离可达275m，采用直径62.5µ
m的多模光纤时传输距离达550m。
1000Base-LX主要为适应单模光纤传输线路而设计，使用1310nm长波激光，在采用直径50µ
m/62.5µ
m的多模光纤时传输距离达550m，采用直径10µ
m的单模光纤时传输距离达5000m。
1000Base-CX使用2对STP，最大传输距离25m。
1000Base-T采用4对5类UTP，最大传输距离100m。
需要注意的是，以太网技术发展到快速以太网和千兆以太网后，出现了与10Mbps以太网设备兼容的问题，自协商技术就是为了解决这个问题而产生的。
自协商功能允许一个网络设备将自己所支持的工作模式以自协商的方式传达给线缆上的对端，并接收对方可能传递过来的相应信息。
自协商功能完全由物理层芯片设计实现，因此其速度快，且不带来任何高层协议开销。
如果对端设备不支持自协商机制，默认工作于10Mbps半双工模式。
自协商功能虽然方便易用，但其不能排除协商错误的可能性，因此建议仅在普通端接口启用，而对服务器、路由器等实用固定配置参数。
4万兆以太网
万兆以太网是在千兆以太网的基础上进一步升级而来，其为了能够在现有的传输网络中运用，兼容设计了多种物理层实体，包括局域网专用的10GBase-R、采用SDH/SONET传输的10Base-W以及采用WDM传输的10Base-X。
万兆以太网仍然使用IEEE802.3帧格式，但没有半双工模式，只能采用全双工，由IEEE802.3ae定义。
根据物理特性，万兆以太网接口有以下两种工作模式：
LAN模式——工作于该模式下的万兆以太网接口传输以太网保温，用于连接以太网。
WAN模式——工作于该模式下的万兆以太网接口传输SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字系列）报文，用于连接SDH网络。
接口工作在该模式下仅支持点到点的报文传输。
3.5WLAN基础
随着宽带业务的不断发展，人们对于移动宽带业务的需求也越来越大。
WLAN作为一种低成本解决方案，逐渐受到人们的重视：
无需布线，安装快捷，维护简单。
它可以在有线网络难于部署的情况下发挥巨大作用。
1WLAN基础知识和发展历程
WLAN指应用无线通信技术将计算机设备互连起来，以无线信道作为传输媒介的计算机局域网，它是有线网络的重要补充和延伸，广泛应用于需要可移动数据处理或无法进行物理传输介质布线的领域。
随着IEEE802.11无线网络标准的制定与发展，无线网络技术已逐渐成熟和完善。
和传统有线以太网相比，WLAN的优势在于其终端可移动性、网络硬件高可靠性、快速建设与低成本，分别详述如下。
（1）终端可移动性WLAN允许用户在其覆盖范围内的任意地点访问网络数据，如图3-4所示。
用户在使用笔记本电脑等移动终端时能自由变换位置，这方便了因工作需要而不断移动的工作人员。
在一些特殊地理环境（如矿山、港口、地下作业场所等）架设网络时，WLAN的优势也是显而易见的。
图3-4
（2）网络硬件高可靠性有线网络中的硬件问题之一是线缆故障。
在有线网络中，线缆和接头故障常常导致网络中断，而无线网络技术从根本上避免了线缆故障造成的网络中断问题。
（3）快速建设与低成本无线局域网的工程建设可以节省大量为终端接入而准备的线缆及接头，同时由于线缆布放的减少，降低了布线费用，提高了建设速度。
在网络容量扩充方面，相对于传统有线网络，无线局域网也有巨大的成本优势与布放优势。
在WLAN的发展过程中，很多标准化组织参与制定了大量的WLAN协议和技术标准。
IEEE802.11工作组制定了WLAN的介质访问控制协议CSMA/CA及其物理层技术规范，该标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。
1999年IEEE802.11标准得到了进一步的完善和修订，并成为IEEE/ANSI和ISO/IEC的一个联合标准。
这次修订增加了两项内容：
IEEE802.11a和IEEE802.11b。
其中IEEE802.11a标准扩充了标准的物理组成，规定该层使用5.8GHz的ISM频段。
而IEEE802.11b规定采用2.4GHz的ISM频带，采用补偿码键控调制方法。
2003年6月，IEEE通过了第三种改进的无线局域网接入标准——802.11g，其载波频率与802.11b相同，可以兼容802.11b，通过OFDM技术使WLAN理论传输速度达到了54Mbps。
正是WLAN标准的不断完善，才形成了现在WLAN技术蓬勃发展的局面。
2WLAN网络构成
（1）WLAN网络基本拓扑
与以太网相同，WLAN的网络拓扑也是由各种基本元素构建而成。
IEEE802.11协议定义了两种结构模式：
Infrastructure（基础设施）模式、Adhoc模式（亦称对等模式）。
基础设施模式由基本服务集、扩展服务集、服务集识别码和分布系统构成，图3-5给出了这种模式中最典型的几个WLAN网络基本元素，下面依次说明。
图3-5
SSID（ServiceSetIdentifier，服务集识别码）：
用来区分不同的网络，无线网卡设置了不同的SSID就可以进入不同网络，SSID通常由AP（AccessPoint，访问点）广播出来，通过操作系统自带的扫描功能可以查看当前区域内的SSID。
BSS（BasicServiceSet，基本服务集）：
使用相同服务识别码的一个单一访问点及一个无线设备群组，组成一个基本服务组。
注意，必须使用相同的SSID，因为使用不同SSID的设备彼此间不能进行通信。
DS（DistributionSystem，分布系统）：
连接BSS的组件称为分布系统。
DS的物理实现取决于不同的应用环境，可以包含局域网交换机，也可以包含其他物理设备。
ESS（ExtendedServiceSet，扩展服务集）：
使用相同SSID的多个访问点以及一个无线设备群组，组成一个扩展服务组。
同一ESS内的不同访问点可以使用不同的信道。
事实上，为了减少干扰，要尽量使相近的访问点之间使用不同的信道。
当无线设备在ESS所覆盖的区域内进行实体移动时，他们将自动切换到干扰最小、连接效果最好的访问点，即实现了漫游功能。
Adhoc模式的前身是分组无线网。
在Adhoc网络中，节点具有报文转发能力，节点间的通信可能要经过多个中间节点转发，即经过多跳，这也是Adhoc网络与其他WLAN网络的最根本区别，如图3-6所示。
图3-6
（2）WLAN设备的典型组网
小型无线网络和大型分布式无线网络是WLAN的两种典型组网模型，通过二者的比较，掌握WLAN设备在小型网络和大型网络组网时的异同。
图3-7是小型无线网络模型，采用了最基本的无线接入设备AP。
在该模型中，AP的作用仅仅是提供无线信号发射，网络信号通过有线网络传送到AP，AP形成无线网络覆盖。
根据功率不同，AP可实现不同范围的网络覆盖。
图3-7
当要部署企业级、运营级WLAN网络时，简单的AP接入方式无法满足客户的需求，WLAN设备的统一部署、运营和维护称为大型网络的关键要素，此时需要在大型网络中部署AC（AccessControl，无线接入控制器）。
AC的作用是负责无线网络的接入控制、转发、统计、AP的配置监控、漫游管理、AP的网管代理和安全控制等。
AC的出现给中大型WLAN网络的维护带来了很大的便利性。
该种配置方式已成为大型WLAN网络部署和维护的主流方式，如图3-8所示。
图3-8
3WLAN网络报文发送机制
WLAN的IEEE802.11和以太网的IEEE802.3的媒体访问控制机制非常相似，都是在一个共享介质上支持多个用户共享资源，故均需发送者在发送数据前进行网络的可用性判断，但在无线系统中无法做到冲突检测，故而采用了冲突避免的技术。
有线以太网MAC层技术为CSMA/CD技术，而WLAN则采用CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，载波侦听多点接入/冲突避免）机制。
二者工作原理相差不多，但还是有所区别。
当网络中存在信号冲突时，CSMA/CD机制可以及时检测出来并进行避免，而CSMA/CA机制则是在数据发送前通过避让机制杜绝冲突的发生。
CSMA/CA工作机制在实际应用中分为以下5步：
侦听线路：
当STA要发送数据前，都会侦听线路（空口）是否空闲，若检测到忙，则继续侦听。
固定帧间隔时长：
当STA检测到线路空闲，会继续侦听直到一个帧间隔时长（DIFS），以保证基本的空闲时间。
启动定时器：
当STA检测到空闲时间达到了帧间隔时长后，会启动一个BACKOFF定时器，进行倒计时。
定时器的大小由竞争窗口CW决定。
CW是一个尺寸有限的随机数。
发送与重传：
STA完成倒计时后就会发送报文。
若发送失败需重传，即重复上述三个步骤，且CW的尺寸会随重传次数递增。
若发送成功或达到重传次数上限，STA会重置CW，将CW的尺寸恢复到初始值。
其他终端状态：
在BACKOFF计数器减到零之前，若信道上有其他STA在发送数据，即本端检测到线路忙，则计数器暂停。
这时若STA要发送数据，仍会等DIFS时长和CW时间，只是CW时间不是随机分配，而是继续上次的技术，直至零位置。
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