第2章 局域网技术1086.docx

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第2章局域网技术1086

第2章局域网技术

本章提示：

通过第一章的学习，掌握了计算机网络的基本组成、网络的分类及特点、网络的拓扑结构及传输介质，并对局域网的特点有了一定的认识，本章将以此为基础，进一步介绍局域网的基本组成、特点与技术要素、局域网体系结构和标准，局域网介质访问控制方法，以太网、交换式以太网、虚拟局域网、无线局域网技术等内容。

教学基本要求如下：

（1）了解局域网基本概念、发展、特点与技术要素。

（2）理解局域网体系结构和标准，局域网介质访问控制方法。

（3）理解以太网、交换式以太网基本技术，了解虚拟局域网、无线局域网技术。

局域网技术是计算机网络研究与应用的一个重要方向，是目前网络发展最快的应用技术之一。

它是构建办公室、楼内、楼间、单位、企业的计算机网络基本方式，能够方便地实现计算机之间的连接，更有效地实现数据通信与交换、资源共享和数据分布处理，有着广泛应用领域。

2.1局域网概述

局域网是将较小地区（几米到几千米之间）内计算机或数据终端设备连接在一起的通信网络，实现一定范围内资源共享和数据通信。

常用于组建一个办公室、一栋楼、一个楼群、一个校园或一个企业的计算机网络。

2.1.1局域网的发展

局域网的发展始于70年代，至今仍是网络发展中和应用中一个重要领域。

1973年，施乐公司（Xerox）开发出了“以太网（Ethernet）”，采用了总线竞争式的介质访问方法，它的问世是局城网发展史上的一个重要里程碑。

1974年，英国剑桥大学计算机实验室建立了剑桥环。

1977年，日本京都大学研制成功了以光纤为传输介质的局域网络。

1980年2月（美国）电气电子工程师学会（IEEE）成立了专门负责制定局域网络标准的IEEE802委员会。

该委员会开始研究一系列局域网和城域网（MAN）标准，这些标准统称为IEEE802标准。

80年代初期，多种类型的局域网络纷纷出现，越来越多的制造商投入到局域网络的研制潮流中，美国、日本和西欧一些国家的大学投入了相当大的力量研究局域网络。

到了80年代末期，先后推出了3+open、Novell和LANManager等性能优异、极具代表性的局域网络。

从20世纪90年以来，由于交换机技术的发展，局域网的发展也上了一个台阶，出现了交换式以太网、高速局域网和虚拟局域网，其性能更优，应用更广。

局域网进一步朝着高速、宽带、多媒体等高性能的方向发展。

另外随着无线通信技术的广泛应用，传统有线局域网络已经越来越不能满足人们的需求，于是无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）应运而生，且发展迅速。

尽管目前无线局域网还不能完全独立于有线网络，但近年来无线局域网产品逐渐走向成熟，正以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重要的作用。

2.1.2局域网基本组成

通常一个完整的局域网系统由硬件系统和软件系统组成，从系统组成角度看局域网通常包括如下几个组成部分：

（1）主机：

包括各种类型的计算机，通常局域网的主机是微型计算机。

（2）网络适配器：

用于实现计算机与局域网通信的接口。

（3）传输介质：

用于计算机和网络设备间的连接，它是实现高速通信的传输介质，如双绞线、同轴电缆和光缆。

（4）网络连接设备：

用于连接计算机或其它网络的连接设备，通常是集线器、交换机等。

（5）网络操作系统：

负责整个网络系统的软、硬件资源管理、网络通信和任务调度、提供用户与网络之间的接口以及网络系统的安全性服务等。

（6）网络应用软件：

实现网络服务的各种软件集合。

2.1.3局域网主要技术要素

局域网主要解决ISO网络模型中最低两层物理层、数据链路层的功能，主要体现在网络拓扑结构、传输介质和介质访问控制方法，它们决定局域网组成方式、信道容量、通信速率、信息传输方式和效率等。

因此将网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法称为决定局域网性能的三要素。

1．拓扑结构

将局域网中的结点抽象成点，将通信线路抽象成线，有点和线之间构成的几何图形称为局域网的拓扑结构，它说明局域网中各实体间的结构关系，能够直观、形象的反映局域网的物理或逻辑连接构成和连接形式。

局域网中主要的拓扑结构有：

总线型、星型、环型、树型。

在第一章中已经介绍了拓扑结构的有关内容，在此不再赘述。

2．传输介质

传输介质是网络中数据信号传输的载体，是网络通信的物质基础之一，过传输介质将计算机和网络连接设备相连。

传输介质的性能特点对传输速率、通信距离、可连接的网络结点数目和数据传输的可靠性均有很大的影响，根据局域网的通信要求应选择适合传输介质。

局域网常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光导纤维，其次还有红外线、无线电等无线传输介质。

在第一章中已经介绍了传输介质，在此不再赘述。

3．介质访问方法

介质访问控制方法用于控制网络节点如何向传输介质发送数据与接收数据，解决信道如何分配使用的问题。

介质访问控制方法是局域网最重要的技术之一，也是网络设计和组成的最根本问题，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。

在本章的第3节中将讲述局域网介质访问方法。

2.2局域网体系结构与标准

局域网出现不久，各种类型的局域网及其设备缺乏统一的规范和标准，为了使各个厂家生产网络设备具有兼容性，局域网互换性和互操作性，国际化标准组织开展了局域网标准化工作。

IEEE于1980年2月下设了一个802委员会，专门从事局域网、城域网标准的制订，形成的一系列标准统称为IEEE802标准，ISO于1984年3月采纳其作为局域网的国际标准系列，称为ISO8802标准。

2.2.1IEEE802参考模型

局域网使用广播信道，即所有的主机都连接到同一传输介质上，各主机对传输介质的控制和使用采用多路访问信道及随机访问信道机制，由于局域网不需要路由选择，因此它并不需要网络层，而只需要最低的两层：

物理层和数据链路层。

IEEE802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，解决最低两层的功能以及与网络层的接口服务、网际互连有关的高层功能。

因此，在IEEE802标准中，局域网体系结构由物理层、介质访问控制子层（MAC，MediaAccessControl）和逻辑链路子层（LLC，LogicalLinkControl）组成。

IEEE802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系如图2-1所示。

局域网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为两个子层：

逻辑链路控制子层与介质访问控制子层。

（1）物理层：

利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现二进制数据流的传输与接收、数据的同步控制等。

IEEE802规定了局域网物理层所采用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。

（2）MAC子层的功能：

MAC构成数据链路层的下半部，直接与物理层相邻，主要制定管理和分配信道的协议规范。

MAC子层与传输介质有关，主要功能是进行合理信道分配，解决信道竞争问题，支持LLC子层完成介质访问控制功能，为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。

（3）LLC子层的功能：

LLC在MAC子层的支持下向网络层提供服务，与传输介质无关，独立于介质访问控制方法，隐藏了各种802网络之间的差异，向网络层提供一个统一的格式和接口。

将数据组成帧，并对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控制，使不可靠的物理链路变为可靠的链路。

在OSI参考模型中，物理层、数据链路层和网络层使计算机网络具有报文分组转接的功能。

当局限于一个局域网时，物理层和链路层就能完成报文分组转接的功能。

但当涉及多个网络互连时，报文分组就必须经过多条链路才能到达目的地，此时就必须专门设置一个层次来完成网络层的功能，所以IEEE802标准的实现模型中在LLC之上设立了网际层，即网络层的一个子层，所以有时LLC的上层也叫网络层。

2.2.2IEEE802标准

自1984年以来，IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，随着网络技术的发展，还在不断增加新的标准。

IEEE802标准中子标准间的关系如图2-3所示。

IEEE802标准主要包括：

·IEEE802.1标准，定义了局域网体系结构、网络互连，以及网络管理与性能测试。

·IEEE802.2标准，定义了逻辑链路控制LLC子层功能与服务。

·IEEE802.3标准，定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范。

·IEEE802.4标准，定义了令牌总线（TokenBus）介质访问控制子层与物理层规范。

·IEEE802.5标准，定义了令牌环（TokenRing）介质访问控制子层与物理层规范。

·IEEE802.6标准，定义了城域网MAN介质访问控制子层与物理层规范。

·IEEE802.7标准，定义了宽带网络技术。

·IEEE802.8标准，定义了光纤传输技术。

·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）。

·IEEE802.1l标准，定义了无线局域网技术。

·IEEE802.12标准，优先级高速局域网（100Mbps）。

·IEEE802.14标准，有线电视网（Cable-TV）。

·IEEE802.15标准，无线个人网络（WPAN）技术。

·IEEE802.16标准，无线宽带局域网（BBWA）。

·IEEE802.17标准，可靠个人接入技术。

·IEEE802.20标准，移动宽带无线访问（MBWA）。

2.3局域网介质访问控制方法

局域网中多台计算机（结点）之间进行通信时，需要有一个共同遵守的方法或规则来控制、协调各结点对信道的访问，解决信道分配和使用问题，这种方法或规则称为局域网的介质访问控制方法。

局域网介质访问控制包括两个方面内容：

一是确定网络中各个结点将数据发送到传输介质上的时刻，二是如何对共用传输介质进行访问和控制。

介质访问控制方法与局域网的拓扑结构和工作过程有密切关系。

IEEE802标准为局域网介质访问控制制定了一系列协议，其中基本的访问控制方式有三种，分别用于不同的拓扑结构：

带有冲突检测的载波侦听多路访问法（CSMA/CD），令牌环访问控制法（TokenRing），令牌总线访问控制法（TokenBus）。

2.3.1CSMA/CD

CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）即带有冲突检测的载波侦听多路访问方法，是一种争用型的介质访问控制协议，适用于总线型和树形拓扑结构，主要解决如何共享一条公用广播传输介质。

CSMA/CD的基本工作原理是：

当一个结点（如结点A）要发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲则以“广播”方式立即发送数据，连在总线上的所有结点（结点B、C、D、E）都能“收听”到这个数据信号。

在发送数据时，一边发送数据并一边继续监听是否出现冲突。

若监听到冲突，则立即停止发送数据。

等待一段随即时间，然后再重新尝试再次发送数据，直到数据发送完毕。

工作原理示意图如图2-8所示。

由于网络中所有结点都可以利用总线发送数据，且网络中没有控制中心，发生冲突的情况是不可避免的。

而CSMA/CD方法可以有效地控制多结点对共享总线的访问，方法简单并且容易实现。

图2-9描述了采用CSMA/CD方法的总线型局域网的工作流程，其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，延迟重发”。

（1）载波侦听：

在每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。

（2）发送数据：

如果一个结点准备好发送的数据帧，并且此时总线处于空闲状态，那么它就可以开始发送。

（3）冲突检测：

在发送数据同时，可能会出现在相同的时刻有两个或两个以上结点发送了数据，就会产生冲