第3章局域网的工作原理.docx
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第3章局域网的工作原理
第3章局域网的工作原理
局域网是20世纪70年代随着个人微机及办公自动化的广泛应用而发展起来的覆盖地理范围较小的计算机网络，如一个办公室、一栋大楼、一个公司、一个企业、一个校园等，以便共享资源和交换信息。
局域网络一般是专用的，由单一组织机构所使用。
局域网的发展虽然只有短短的30几年，但已经有了共享访问技术、交换技术、高速网络技术、无线网络技术等，并且美国电气和电子工程协会（IEEE）于1980年2月专门成立局域网标准化委员会（简称802委员会）对局域网的标准进行研究，使局域网一开始就朝着标准化方向发展，现在已经有了自己的标准体系，并成为了一个广泛使用的成熟技术。
3.1局域网的概述
3.1.1局域网的发展与标准化
局域网的发展
⏹20世纪60年代末，夏威夷大学的NormanAbramson及其同事研制了一个名为ALOHA系统的无线电网络，这种共享公共传输信道模式的无线电网络，就是以太网的思想起源。
⏹1972年，Bell（贝尔）公司提出了两种环型局域网技术。
⏹1973年，BobMetcalfe和DavidBoggs发明了总线型局域网技术。
⏹1980年，DEC（数字装备公司）、Inter（因特尔公司）和Xerox（施乐公司）共同制定了10Mb/s以太网标准规范，即EthernetV1.0以太网规范。
⏹1980年2月IEEE成立了802委员会，专门研究局域网的标准化并先后提出了一系列标准,如图3-1所示,且仍有新标准不断加入。
图3-1IEEE802标准
3.1.2局域网的组成
一个局域网的基本组成主要有：
⏹网络服务器：
提供不同网络服务的计算机
⏹网络工作站：
用户通过网络工作站来访问网络的资源，如各种PC机
⏹网络适配器：
网卡
⏹传输介质：
双绞线、同轴电缆、光纤及无线介质
⏹网络设备：
中继器、集线器、网桥、交换机、路由器
⏹网络软件：
网络操作系统、网络数据库管理系统和网络应用软件
3.1.3局域网的特点与关键技术
局域网区别于一般的广域网，局域网通常具备以下特点：
⏹地理范围较小，一般为数百米至数公里的区域范围之内。
可覆盖一个办公室、一栋大楼、一个公司、一个企业、一个校园等。
⏹数据传输速率高，早期的一般为10~100Mbps的传输速率，目前1000Mbps的局域网非常普遍，可适用于如语音、图像、视频等各种业务数据信息的高速交换。
⏹数据误码率低，一般为10-8~10-11，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，从而提高数据传输质量。
⏹一般以PC为主体，还包括终端及各种外设，网络中一般不架设主骨干网系统。
⏹协议相对比较简单，结构灵活，建网成本低，周期短，便于管理和扩充。
局域网设计中主要考虑的因素是能够在较小的地理范围内更好的运行、资源得到更好的利用、传输的信息更加安全以及网络的操作和维护更加简便等。
这些要求决定了局域网的技术：
⏹拓扑结构。
⏹传输介质。
⏹介质访问方法。
传统的局域网介质属于共享信道，即所有结点共享信道资源，介质访问方法是指网络结点如何有序访问共享介质的方法或者说如何为各个结点分配信道的方法。
根据信道配额分配的方式不同，有如下几种类型：
⏹固定分配：
该方式采用固定频分复用，把信道固定频分给所有节点，每个节点根据固定的信道配额进行数据传输。
在该方式下，没有数据发送的结点所拥有的信道资源将是空闲的，因而带来较多的信道资源浪费。
⏹需要分配：
该方式采用统计时分复用，把信道资源分成较小的时隙，每个结点能够在较短的时间内分配到信道时隙并根据需要进行数据传输。
基于预约的面向固定优先权的按需分配FPODA（FixedPriorityOrientedDemandAssignment）就是一种需要分配方式。
⏹适用分配：
该方式采用动态频分复用，对信道进行频分复用的情况下，并不把划分好的频段分配给各个结点，而是在各结点有数据发送需要时才随机分配一个频段给结点，提高了信道的利用率。
在无线通信中，小灵通就采用了这种信道分配方式。
⏹探询访问：
这种方式下，系统逐个探询（轮询）每个结点，把信道使用权授予需要数据传输又恰好被探询到的结点。
探询方式下，相当的信道资源浪费在逐个探询的时间上。
采用令牌机制的环网就是属于探询访问。
⏹随机访问：
这种方式下，系统建立相应的规则，然后让结点自己争用信道资源。
因此在随机访问方式下，信道资源最大地被结点所利用。
但由于采用竞争方式，结点间的数据发送冲突也会给信道资源带来一定损失。
以太网中采用的载波监听多路访问／冲突检测协议CSMA/CD就是一种随机访问方式。
3.1.4局域网的IEEE802参考模型
（1）物理层
物理层的主要作用和OSI定义的物理层作用是一样的，主要是处理机械、电气、功能和规程等方面的特性，确保在通信信道上二进制位信号的正确传输。
（2）数据链路层
在OSI/RM参考模型中，数据链路层的功能简单，它只负责把数据从一个结点可靠地传输到相邻的结点。
在局域网中，由于多个站点共享传输介质，在结点间传输数据之前必须先解决介质访问顺序，因此数据链路层要有介质访问控制功能。
由于介质的多样性，所以必须提供多种介质访问控制方法。
为此IEEE802标准把数据链路层划分为两个子层：
逻辑链路控制（LogicalLinkControl，LLC）子层和介质访问控制（MediaAccessControl，MAC）子层。
①MAC子层。
介质访问控制子层构成数据链路层的下半部，它直接与物理层相邻。
MAC子层的一个功能是支持LLC子层完成介质访问控制功能，MAC子层为不同的物理介质定义了不同的介质访问控制标准。
MAC子层的另一个主要的功能是在发送数据时，将从上一层接收的数据组装成带MAC地址和差错检测字段的数据帧；在接收数据时拆帧，并完成地址识别和差错检测。
②LLC子层。
LLC子层在MAC子层的支持下向网络层提供服务。
LLC子层与传输介质无关，隐藏了各种局域网技术之间的差别，向网络层提供一个统一的信号格式与接口。
LLC子层的作用是在MAC子层提供的介质访问控制和物理层提供的比特服务的基础上，将不可靠的信道处理为可靠的信道，确保数据帧的正确传输。
LLC子层的功能主要是建立、维持和释放数据链路，提供一个或多个服务访问点SAP，为网络层提供面向连接的或无连接的服务。
另外，LLC子层还提供差错控制、流量控制和发送顺序控制等大部分数据链路层功能。
3.2共享介质局域网的工作原理
共享介质局域网主要是指多个结点共享传输介质，如总线型局域网、环型局域网等。
共享介质局域网的关键是，多个结点如何共享介质，即介质访问控制方法。
介质访问控制方法有多种，其中一些方法因得不到国际认可而逐步淘汰，最常用的是以太网带有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD技术和令牌环TokenRing技术、令牌总线TokenBus技术。
3.2.1以太网CSMA/CD协议
1、以太网的概念
⏹以太网最早由Xerox（施乐）公司在1975年创建。
⏹1980年，DEC（数字装备公司）、lntel（英特尔公司）和Xerox三家公司联合推出以太网（EtherNet）规约，即EthernetV1标准。
⏹1982年，修改为第二版，DIXEthernetV2。
⏹1983年，IEEE802委员会以DIXEthernetV2为基础，推出了IEEE802.3标准，IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）的网络。
⏹IEEE802.3以太网标准是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1000Mbit/s）和１０Ｇ（１０Gbit/s）以太网系列，它们都采用CSＭＡ／ＣＤ访问控制方法，符合IEEE802.3标准。
根据以太网使用的电缆类型和信号处理方法，习惯用类似于“10Base-T”的方式进行命名。
这种命名方式由三个部分组成。
10：
表示速率，单位是Mbps。
Base:
表示传输机制，Base代表基带，Broad代表宽带。
T:
传输介质，T表示双绞线，F表示光纤。
2、以太网CSMA/CD工作过程
⏹首先网络中的每个结点都能访问总线，通过总线发送数据，称为多路访问。
⏹在发送数据前，结点需要先“听”一下总线上是否有数据信号，这个过程称为载波侦听。
⏹如果“听”到总线没有数据信号，总线空闲，那么结点就将数据帧发送出去。
此时也有可能另一站点同时检测到总线空闲，也发送了数据帧，便发生了“冲突”，如图3-4所示，在A发送的数据还未到达B站点时、B站点也检测到总线空闲，发送了数据帧，这时便发生了冲突。
⏹所以在发送数据帧的同时，还需要继续监听总线，检测是否发生了冲突，称为冲突检测。
如果检测到了冲突，就马上停止数据发送,并发送一个加强干扰信号，用以通知总线上其他各有关站点发生了冲突。
⏹如果检测到有总线上有数据信号，结点便避让一段时间后再尝试。
3、退避算法
上面谈到在监听总线过程中，如果检测到有总线上有数据信号，结点便避让一段时间后再尝试,决定退让时间的方法称为退避算法，常用的退避算法有非坚持、1-坚持、P-坚持3种。
（1）非坚持算法。
如果检测到有总线上有数据信号，则等待一个随机时间，再去重新检测总线。
它的缺点是，可能有几个站点要发送数据，且都检测到总线上有信号，则都会等待一个随机时间，可能就在这个随时时间里，总线上数据传完，处于空闲状态，故使用率降低。
（2）1-坚持算法。
若发生了冲突，则采用二进制指数退避算法延迟一段时间再去检测。
它的优点是，总线利用率高，缺点是假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。
以太网就是采用这种方法。
（3）P-坚持算法。
如果检测到总线是空闲的，则以P的概率发送，而以1-P的概率延迟一个时间单位发送。
延迟后，再检测，若空闲，再以P的概率发送，1-P的概率延迟发送。
P-坚持算法的关键在于选择P的有效值，P过大，冲突就不可避免，P过小，则总线利用率低。
4、以太网帧格式
伴随着以太网的发展，历史上以太网帧格式有五种，现在我们介绍的是IEEE802.3一般帧格式，其格式如下图所示：
图中各字段含义如下：
⏹前导码字段（P）：
作用是使接收端进入同步状态，以便数据的接，其格式为7个字节的10101010；
⏹帧开始标志（SFD）：
紧跟在前导码字段之后标识本信息帧的开始，其格式为10101011，当控制器将接收帧送入缓冲器时，前导码字段（P）和帧开始标志（SFD）均被去除，类似地当控制器发送帧时，这两个字段作为前缀加入帧中，下面我们在计算最小帧长和最大帧时都是指去除前缀时的长度；
⏹信宿/信源地址（DA/SA）：
分别对应目的地址和源地址，MAC地址可以用2－6字节来表示，原则上是这样，但实际都是6字节；
⏹数据字段长度（L）：
表示DATA字段的实际长度，占2字节；
⏹用户数据字段（DATA）：
长度小于1500字节，存放高层LLC的信息,当该字段长度为1500字节时，帧的最大长度为1518字节；
⏹填充字段（PAD）：
为保证帧长度不小于64字节，用填充字段，填充字段不大于46字节；
⏹帧检验序列（FCS）：
4个字节，用于循环冗余校验码。
5、帧的最小长度
以太网发送的帧的长度必须足够大，以确保发送端在收到冲突信号时还在发送数据。
也就是说整个帧的发送时间T应当不小于信号在网中“传播距离最大”的两个结点之间传输时间的两倍2t，t为最远站点之的传输时间。
帧传输时间可以这样估算：
t=帧从结点到媒体的时间+媒体上传输的时间+转发器的处理时间。
以IEEE802.3定义的标准CSMA/CD网络10BASE5为例，来分析一下帧实际传输时间的估算。
10BASE5的基本特征是：
基带传输、速率为10Mbps、采用粗同轴电缆、单段缆线最长500米、最多允许5段，如下图：
图中各数字意义如下：
1、信号发送到结点的时间约2us,即20比特时间；
2、信号从结点到媒体的时间（50米）约0.25us，即2.5比特时间。
计算方法是传输距离除于传输速率,传输速率约光速的2/3，即200m/us；
3、介质存取单元（MediaAccessUnit,MAU）收发时间约2us,即20比特时间；
4、2500米传输所需时间约12.5us,即125比特时间，计算方法同上；
5、4个中继器转发处理时间约8us,即80比特时间（20比特/中继器）；
困此，t=（20+2.5+20+125+80）（比特时间）
T=（20+2.5+20+125+80）*2=512（比特时间）
即为了保证发送结点在完成发送任务之前可以发现冲突，帧的最小长度规定为512位（64字节），那么根据MAC帧格式可知，当DATA数据字段为0，为保证帧的最小长度为64字节，可填充的PAD字段的最大长度应为46字节。
6、二进制指数退避算法
⏹二进制指数退避算法过程如是，将检测到冲突发生的最长时间2t当作一个时隙：
⏹发生第一次冲突后，站点等待0或1个时隙再开始重传；
⏹发生第二次冲突后，站点随机地选择等待0，1，2或3个时隙再开始重传；
⏹第i次冲突后，在0至2i-1间随机地选择一个等待的时隙数，再开始重传;
⏹当i>=10次冲突，选择等待的时隙数固定在0至1023（210-1）间；
⏹当i>=16次冲突，丢弃该帧，发送失败，报告上层协议。
CSMA/CD的特点是并不能避免冲突的发生，只能解决冲突带来的问题，以太网在共享总线上运行CSMA/CD协议,存在以下特点:
共享介质，不适应重负荷应用环境；帧的延迟不能确定，实时性差；无优先级区分，重要的帧和不重要的帧都有相同的权力使用总线；存在碰撞域,以太网内的结点和以太网的覆盖范围受到限制等，但由于设计简单方便，还是得到了广泛应用。
3.2.2令牌环网TokenRing协议
令牌环网是IBM公司于70年代发展的，现在这种网络比较少见。
在老式的令牌环网中，数据传输速度为4Mbps或16Mbps，新型的快速令牌环网速度可达100Mbps。
TokenRing（令牌环）是一种LAN协议，定义在IEEE802.5中。
令牌环网的传输方法在物理上采用了星形拓扑结构，但逻辑上仍是环形拓扑结构，其逻辑结构如图所示。
1、令牌环网工作过程
令牌环TokenRing协议是环型网中最普遍采用的介质访问控制，它在环中加入一特殊的MAC控制帧，即令牌帧，用于控制结点有序访问介质。
其工作过程如下：
⏹环初始化后，令牌总是沿着物理环单向逐站传输。
⏹如果结点A有数据要发送，它必须等待空闲令牌到达本站，当获得空闲令牌后，它将令牌标志位由“闲”置为“忙”，并构造成数据帧进行传输。
⏹数据帧在环上做广播传输，其他结点可依次接收到数据帧，但只有目的地址相匹配的结点才复制。
⏹数据帧遍历环后，回到结点A，由A回收数据帧，并将令牌状态改为空闲，然后将空闲令牌传送到下一结点。
每个结点都有一个令牌持有计时器THT（TokenHoldingTimer），当发送结点数据帧后，THT开始计时。
当数据帧在环上循环一周返回到发送结点后，如果THT未超时，该结点可继续发送数据；如果THT超时，该结点即使有数据要传送，也必须向下游结点发送令牌帧，要传送的数据必须等到再次获得令牌帧才能发送。
THT反映了网络负载状况，网络负载越重，各个结点在THT内所发送的数据帧越少。
通过THT可以控制各个结点占有介质的时间长度，并且各个结点可以通过THT测算出需要等待多长时间才能获得令牌帧访问介质。
2、令牌环网帧格式
令牌环存在两种格式的帧，一种是令牌帧，一种是信息帧。
3、令牌环的维护
令牌丢失和数据帧无法撤消，是环网上最严重的两种差错，可以通过在环路上指定一个站点作为主动令牌管理站，以此来解决这些问题。
主动令牌管理站通过一种超时机制来检测令牌丢失的情况，该超时值比最长的帧为完全遍历环路所需的时间还要长一些。
如果在该时段内没有检测到令牌，便认为令牌已经丢失，管理站将清除环路上的数据碎片，并发出一个令牌。
为了检测到一个持续循环的数据帧，管理站在经过的任何一个数据帧上置其监控位为1，如果管理站检测到一个经过的数据帧的监控拉的已经置为1，便知道有某个站未能清除自己发出的数据帧，管理站将清除环路的残余数据，并发出一个令牌。
TokenRing协议的特点是在轻载时，由于一个工作站在发送前必须等待空令牌到来，故效率很低；在重载时，各站访问机会均等，效率较高；访问方式具有可调整性和确定性，各站既具有同等的介质访问权，也可以有优先级操作和带宽保护；主要缺点是有较复杂的令牌维护要求。
3.2.3令牌总线网TokenBus协议
令牌总线网TokenBus协议是在总线型的网络中引入令牌机制来实现介质访问的方法，它把总线上的各站点看成一个逻辑环，每个结点都有前继结点和后继结点，并知道它们的地址，令牌传递的顺序就是从前继结点到后继结点，形成一个逻辑环，与站的物理位置无关，如下图所示：
在图中设A的前继结点是F，后继结点是D，D的前继结点是A，后继结点是B，如此形成一个逻辑环，令牌按照环A→D→B→E→F→A→……的环方向顺序传递。
只要实现了逻辑环的初始化，速个过程就和TokenRing相似，结点发送前必须获得令牌，整个网络上只有一个令牌，获得令牌的帧可以发数据帧。
令牌总线局域网的特点是：
令牌总线局域网在物理上是一个总线网，而在逻辑上却是一个令牌网，这样，令牌总线网既具有总线网的“接入方便”和“可靠性较高”的优点，也具有令牌环形网的“无冲突”和“发送时延有确定的上限值”的优点，不过环的初始化复杂。
每有新结点加入或结点出现故障，则必须重新初始化，初始化的过程就是为结点指定前继结点和后继结点，以形成环，过程复杂，占用较大系统开销。
3.3交换式局域网的工作原理
交换式局域网是以局域网交换机为中心的星型网络，区别于共享介质局域网的是局域网上的多个结点不需要共享介质，可以由交换机提供多个并行连接，交换式局域网的核心是局域网交换机。
3.3.1局域网交换机的分类
局域网交换机的分类标准多种多样，常见的有以下几种:
⏹根据使用的网络技术可以分为：
以太网交换机、快速以太网交换机、千兆位以太网交换机、万兆位以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。
⏹根据交换机的外形可以分为：
桌面小型交换机、桌面固定端口交换机、机架式固定端口交换机、模块化交换、智能交换机等。
⏹根据转发模式和速率可以分为：
⏹直通交换机。
当接收到一个帧的目的地址（MAC地址）后马上决定转发的目的端口，并开始转发，而不必等待接收到一个帧的全部字节后再进行转发。
相对存储转发技术而言，降低了传输延迟，但在传输过程中不能进行校验，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。
⏹存储转发交换机。
从功能上讲，就是网桥所使用的技术，等到全部数据都接收后再进行处理，包括校验、转发等。
相对于直通技术而言，传输延迟较大，但支持具有不同速率的端口的交换，可进行验错和控制。
⏹自适应交换机。
一些交换机可以同时使用上述两种技术，当网络误码率较低时采用直通技术，当网络误码率较高时则采用存储转发技术，这种交换机被称为自适应交换机。
⏹据端口转发速率可分为对称和不对称的交换机。
⏹对称交换机。
它用相同的带宽在端口之间提供交换连接，例如全部为10Mbps端口或全部为100Mbps端口，这种交换机一般采用基于端口的存储缓冲器，即各个端口都有自己固定的缓存，且相等。
⏹不对称交换机。
在不同带宽的端口间提供了交换连接，例如10Mbps端口与100Mbps端口通信，这种交换机一般采用基于共享的存储缓冲器中，即各个端口共享一个大的缓存。
不对称交换机一般用于服务器/客户端模式的网络。
例如：
如果你的企业部署了应用服务器，如ERP服务器、文件服务器等，这些服务器的并发访问往往会很高，此时，我们就可以在服务器端部署一个不对称交换机，把速率大的端口连接在服务器上，然后，把其他端口连接在客户端上，如此的话，服务器端交换机的端口速度将不会成为访问的瓶颈资源，或者说，将有效的减少服务器端并发数量多给服务器访问所带来的影响。
3.3.2交换机的工作原理
交换机通常由端口模块、存储模块、交换控制模块、交换模块组成，如图3-9所示：
交换机的工作过程就是由这四大模块相互协调完成：
⏹交换机端口模块完成帧信号的接收且存放在存储模块（缓冲区）
⏹交换控制模块根据帧的目的地址，寻找“端口/MAC地址映射表”，找出输入端口
⏹交换模块根据交换机控制模块作出的转发决定，建立起相关端口之间的临时传输路径，并且传输数据。
例如：
如下图，结点A交换到结点C的过程
⏹结点A构造要发往C的数据帧，即目的地址DA为结点C的MAC地址；
⏹端口1接收数据帧，并存储在缓冲器；
⏹交换控制模块检查DA，并找查地址映射表，也叫MAC地址表；
⏹找到输出端口为5，由交换模块建立连接。
图3-11结点A交换到结点C的过程
可见，交换的转发关键是“地址映射表”，通常地址映射表的产生有两种途径：
一是由管理员对交换机进行配置手工加入，二是交换机自己学习获得，既地址学习。
学习的过程是交换机在地址映射表中未找到相关记录，则把信息广播到各个端口，目的地址相匹配的端口计算机接收，并给出应答信息，告知所在的端口，这样交换机就建立了该端口与地址的映射关系，把它记录至地址映射表。
交换机具有低交换延迟、支持不同的传输速率和工作模式、并行连接、支持虚拟局域网服务等技术特点。
3.3.3交换机的堆叠和级联
1、堆叠
交换机堆叠是通过厂家提供的一条专用连接电缆，从一台交换机的"UP"堆叠端口直接连接到另一台交换机的"DOWN"堆叠端口，以实现单台交换机端口数的扩充。
一般交换机能够堆叠4~9台。
2、级联
级联就是使用网线将两个交换机进行连接。
连接的结果是，在实际的网络中，它们仍然各自工作，仍然是两个独立的交换机。
需要注意的是交换机不能无限制级联，超过一定数量的交换机进行级联，最终会引起网络风暴，导致网络性能严重下降。
级联又分为两种：
（1）使用普通端口级联：
即通过交换机的某一常用端口进行连接。
（2）使用Uplink端口级联：
此端口专门为上行连接提供的，只需通过直通双绞线将该端口连接至其他交换机上除“Uplink”端口外的任意端口即可。
3.3.4VLAN技术
1、VLAN的概念
随着局域网的范围在不断扩大，广播域也在不断地扩大，随之带来了“广播风暴”问题。
一个数据帧被传输到本地网段上的每个节点就是广播，由于网络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪，这就是广播风暴。
虚拟局域网（VirtualLocalAreaNetwork，VLAN）就是建立在局域网交换机之上，为解决以太网的广播风暴问题和安全性而提出的一种技术。
通过在交换机上做特定的设置，以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理，将属于一个局域网的主机分成若干个小组，每个小组就是一个VLAN，有一个VLAN标识，小组的结点组成不受物理位置的限制，可以分布在不同的物理网段上，但一个VLAN是一个逻辑广播域，一个广播帧只在某个VLAN范围内传递，不会传递到其他的VLAN上。
利用VLAN可以有效地在交换机上分割广播域，交换机未划分Vlan前，默认所有的主机都处在VLAN1。
2、VLAN的划分
划分VLAN的方法主要有两
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