计算机网络应用基础教案22局域网的主要技术.docx

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计算机网络应用基础教案22局域网的主要技术

2.2局域网的主要技术

教学内容：

局域网的主要技术。

教学目的：

掌握局域网的主要技术。

教学重难点：

介质访问控制方法。

教学课时：

4课时

教学过程：

一、引入课题。

局域网的主要技术有哪些？

二、定义。

决定局域网特征的主要技术有：

连接各种设备的网络拓扑结构

传输介质与传输形式

介质访问控制方法

三、局域网的拓扑结构。

1、总线型

总线型网络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或称总线上。

使用一定长度的电缆将设备连接在一起。

设备可以在不影响系统中其他设备工作的情况下从总线中取下。

任何一个站点发送的信号都可以沿着介质传播，而且能被其他所有站点接收。

总线拓扑的优点是:

电缆长度短，易于布线和维护；结构简单，传输介质又是无源元件，从硬件的角度看，十分可靠。

总线拓扑的缺点是:

因为总线拓扑的网不是集中控制的，所以故障检测需要在网上的各个站点上进行；在扩展总线的干线长度时，需重新配置中继器、剪裁电缆、调整终端器等；总线上的站点需要介质访问控制功能,这就增加了站点的硬件和软件费用。

这种网络拓扑结构中所有设备都直接与总线相连，它所采用的介质一般也是同轴电缆（包括粗缆和细缆），不过现在也有采用光缆作为总线型传输介质的，如后面我们将要讲的ATM网、CableModem所采用的网络等都属于总线型网络结构。

特点

这种结构具有以下几个方面的特点：

（1）组网费用低：

从示意图可以这样的结构根本不需要另外的互联设备，是直接通过一条总线进行连接，所以组网费用较低；

（2）这种网络因为各节点是共用总线带宽的：

所以在传输速度上会随着接入网络的用户的增多而下降；

（3）网络用户扩展较灵活：

需要扩展用户时只需要添加一个接线器即可，但所能连接的用户数量有限；

（4）维护较容易：

单个节点失效不影响整个网络的正常通信。

但是如果总线一断，则整个网络或者相应主干网段就断了。

（5）可靠性不高：

如果总线出了问题，则整个网络都不能工作，网络中断后查找故障点也比较困难。

2、环形

由连接成封闭回路的网络结点组成的，每一结点与它左右相邻的结点连接。

环形网络的一个典型代表是令牌环局域网，它的传输速率为4Mbps或16Mbps，这种网络结构最早由IBM推出，但现在被其他厂家采用。

在令牌环网络中，拥有"令牌"的设备允许在网络中传输数据。

这样可以保证在某一时间内网络中只有一台设备可以传送信息。

在环形网络中信息流只能是单方向的，每个收到信息包的站点都向它的下游站点转发该信息包。

信息包在环网中“旅行”一圈，最后由发送站进行回收。

这种结构的网络形式主要应用于令牌网中，在这种网络结构中各设备是直接通过电缆来串接的，最后形成一个闭环，整个网络发送的信息就是在这个环中传递，通常把这类网络称之为"令牌环网"。

实际上大多数情况下这种拓扑结构的网络不会是所有计算机真的要连接成物理上的环型，一般情况下，环的两端是通过一个阻抗匹配器来实现环的封闭的，因为在实际组网过程中因地理位置的限制不方便真的做到环的两端物理连接。

特点

这种拓扑结构的网络主要有如下几个特点：

（1）这种网络结构一般仅适用于IEEE802.5的令牌网（Tokenringnetwork），

在这种网络中，"令牌"是在环型连接中依次传递。

所用的传输介质一般是同轴电缆。

（2）这种网络实现也非常简单，投资最小。

可以从其网络结构示意图中看出，组成这个网络除了各工作站就是传输介质--同轴电缆，以及一些连接器材，没有价格昂贵的节点集中设备，如集线器和交换机。

但也正因为这样，所以这种网络所能实现的功能最为简单，仅能当作一般的文件服务模式；

（3）传输速度较快：

在令牌网中允许有16Mbps的传输速度，它比普通的10Mbps以太网要快许多。

当然随着以太网的广泛应用和以太网技术的发展，以太网的速度也得到了极大提高，目前普遍都能提供100Mbps的网速，远比16Mbps要高。

（4）维护困难：

从其网络结构可以看到，整个网络各节点间是直接串联，这样任何一个节点出了故障都会造成整个网络的中断、瘫痪，维护起来非常不便。

另一方面因为同轴电缆所采用的是插针式的接触方式，所以非常容易造成接触不良，网络中断，而且这样查找起来非常困难，这一点相信维护过这种网络的人都会深有体会。

（5）扩展性能差：

也是因为它的环型结构，决定了它的扩展性能远不如星型结构的好，如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器才能连接。

3、星形

星形网通过点到点链路接到中央结点的各站点组成的。

通过中心设备实现许多点到点连接。

在数据网络中，这种设备是主机或集线器。

在星形网中，可以在不影响系统其他设备工作的情况下，非常容易地增加和减少设备。

星型拓扑的优点是:

利用中央结点可方便地提供服务和重新配置网络；单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障,便于维护；任何一个连接只涉及到中央结点和一个站点，因此控制介质访问的方法很简单，从而访问协议也十分简单。

星型拓扑的缺点是:

每个站点直接与中央结点相连，需要大量电缆,因此费用较高；如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高。

这种结构是目前在局域网中应用得最为普遍的一种，在企业网络中几乎都是采用这一方式。

星型网络几乎是Ethernet（以太网）网络专用，它是因网络中的各工作站节点设备通过一个网络集中设备（如集线器或者交换机）连接在一起，各节点呈星状分布而得名。

这类网络目前用的最多的传输介质是双绞线，如常见的五类线、超五类双绞线等。

特点

这种拓扑结构网络的基本特点主要有如下几点：

（1）容易实现：

它所采用的传输介质一般都是采用通用的双绞线，这种传输介质相对来说比较便宜，如目前正品五类双绞线每米也仅1.5元左右，而同轴电缆最便宜的也要2.00元左右一米，光缆那更不用说了。

这种拓扑结构主要应用于IEEE802.2、IEEE802.3标准的以太局域网中；

（2）节点扩展、移动方便：

节点扩展时只需要从集线器或交换机等集中设备中拉一条线即可，而要移动一个节点只需要把相应节点设备移到新节点即可，而不会像环型网络那样"牵其一而动全局"；

（3）维护容易；

一个节点出现故障不会影响其它节点的连接，可任意拆走故障节点；

（4）采用广播信息传送方式：

任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到，这在网络方面存在一定的隐患，但这在局域网中使用影响不大；

（5）网络传输数据快：

这一点可以从目前最新的1000Mbps到10G以太网接入速度可以看出。

其实它的主要特点远不止这些，但因为后面我们还要具体讲一下各类网络接入设备，而网络的特点主要是受这些设备的特点来制约的，所以其它一些方面的特点等我们在后面讲到相应网络设备时再补充。

（6）重新配置灵活：

通过集线器连成的星型结构，若移去、增加或改变一个设备，仅涉及被改变的那台设备与集线器某个端口的链接，因此改变起来比较容易，适应性强。

（7）故障隔离和检测容易：

由于各分节点都直接连向集线器，因此故障检测和隔离比较容易，可以很方便的将有故障的节点从系统中删除。

（8）依赖中心节点：

如果处于连接中心的集线器出现故障，则全网瘫痪，故要求集线器的可靠性和冗余度都很高，如应注意采用中心系统的双机热备份。

四、传输介质与传输形式

1、传输速率与误码率

2、传输介质：

双绞线、同轴电缆、光纤

五、介质访问控制方法

1、CSMA/CD

CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）即载波监听多路访问/冲突检测机制。

在传统的共享以太网中，所有的节点共享传输介质。

如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务，就是以太网的介质访问控制协议要解决的问题。

CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议。

它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。

主要应用于现场总线Ethernet中。

另一个改进是，对于每一个站而言，一旦它检测到有冲突，它就放弃它当前的传送任务。

换句话说，如果两个站都检测到信道是空闲的，并且同时开始传送数据，则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。

它们不应该再继续传送它们的帧，因为这样只会产生垃圾而已；相反一旦检测到冲突之后，它们应该立即停止传送数据。

快速地终止被损坏的帧可以节省时间和带宽。

CSMA/CD控制方式的优点是：

原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。

但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。

CSMA/CD应用在OSI的第二层数据链路层

它的工作原理是:

发送数据前先侦听信道是否空闲,若空闲，则立即发送数据。

若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。

若侦听到冲突,则立即停止发送数据，等待一段随机时间,再重新尝试。

其原理简单总结为：

先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发

CSMA/CD采用IEEE802.3标准。

它的主要目的是：

提供寻址和媒体存取的控制方式，使得不同设备或网络上的节点可以在多点的网络上通信而不相互冲突。

有人将CSMA/CD的工作过程形象的比喻成很多人在一间黑屋子中举行讨论会，参加会议的人都是只能听到其他人的声音。

每个人在说话前必须先倾听，只有等会场安静下来后，他才能够发言。

人们将发言前监听以确定是否已有人在发言的动作成为"载波侦听"；将在会场安静的情况下每人都有平等机会讲话成为“多路访问”；如果有两人或两人以上同时说话，大家就无法听清其中任何一人的发言，这种情况称为发生“冲突”。

发言人在发言过程中要及时发现是否发生冲突，这个动作称为“冲突检测”。

如果发言人发现冲突已经发生，这时他需要停止讲话，然后随机后退延迟，再次重复上述过程，直至讲话成功。

如果失败次数太多，他也许就放弃这次发言的想法。

通常尝试16次后放弃。

2、令牌环网

令牌环网（TokenRing）是一种LAN协议，定义在IEEE802.5中，其中所有的工作站都连接到一个环上，每个工作站只能同直接相邻的工作站传输数据。

通过围绕环的令牌信息授予工作站传输权限。

令牌环上传输的小的数据（帧）叫为令牌，谁有令牌谁就有传输权限。

如果环上的某个工作站收到令牌并且有信息发送，它就改变令牌中的一位（该操作将令牌变成一个帧开始序列），添加想传输的信息，然后将整个信息发往环中的下一工作站。

当这个信息帧在环上传输时，网络中没有令牌，这就意味着其它工作站想传输数据就必须等待。

因此令牌环网络中不会发生传输冲突。

与以太网CSMA/CD网络不同，令牌传递网络具有确定性，这意味着任意终端站能够传输之前可以计算出最大等待时间。

该特征结合另一些可靠性特征，使得令牌环网络适用于需要能够预测延迟的应用程序以及需要可靠的网络操作的情况。

3、令牌总线

令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。

在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。

与CSMA/CD方法相比，令牌总线方法比较复杂，需要完成大量的环维护工作，包括环初始化、新结点加入环、结点从环中撤出、环恢复和优先级服务。

当所有站都有报文要发送，则最坏的情况下等待取得令牌和发送报文的时间应该等于全部传送时间和报文发送时间的总和。

另一方面，如果只有一个站点有报文要发送，则最坏情况下等待时间只是全部令牌传递时间之总和，实际等待时间在这一区间范围内。

对于应用于控制过程的局域网，这个等待访问时间是一个很关键的参数，可以根据需求，选定网中的站点数及最大的报文长度，从而保证在限定的时间内，任一站点可以取得令牌权。

六、总结。

七、网络作业（在线作业）。