局域网组网原理与技术教学.docx
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局域网组网原理与技术教学
第2章局域网组网原理与技术
教学目标：
1.了解局域网的技术特点、拓扑结构类型与应用特点
2.掌握常用传输介质的分类和选型
3.了解局域网的模型、标准、访问控制方式和工作原理
4.掌握典型以太网组网技术
5.掌握共享式高速以太网组网技术
6.掌握交换式以太网组网技术
7.了解虚拟局域网的基本原则和实现条件和划分方法
8.了解局域网的结构化综合布线的基本概念和基本组成
教学重点：
1.掌握常用传输介质的分类和选型
2.了解局域网的模型、标准、访问控制方式和工作原理
3.掌握典型以太网组网技术
教学难点：
1.掌握局域网设计的基本原则
2.局域网的模型、标准、访问控制方式和工作原理
3.掌握典型以太网组网技术
教学方法：
多媒体教学系统演示教学
课时：
新授课，12课时
教学过程：
第2章局域网组网原理与技术
2.1局域网概述
2.1.1局域网定义
局域网通常是指小区域范围内各种数据通信设备互相连接在一起而构成的一种通信网络，它允许在有限范围和距离内的许多独立设备间的资源共享或直接相互通信。
局域网（localareanetwork，LAN）是一种小范围内（一般为几公里）的以实现资源共享、数据传递和彼此通信为基本目的，由计算机、网络连接设备和通信线路等硬件按照某种网络结构连接而成的，配有相应软件的高速计算机网络。
2.1.2局域网的主要特点和功能
1.局域网的特征
共享传输信道
传输速率高
传输距离有限
误码率低
连接规范整齐
局域网通常归属单一
采用多种媒体的访问控制技术
一般采用分布式控制和广播式通信
简单的低层协议
易于安装、组建和维护
说明：
以上所述的前6条为局域网的主要和基本特征，其他为辅助特征。
2.局域网的功能
局域网的主要功能与计算机网络的基本功能类似。
（1）资源共享
（2）通信交往
3.局域网的典型分布区域
同一房间内的所有主机，覆盖距离为10m的数量级。
同一楼宇内的所有主机，覆盖距离为100m的数量级。
同一校园、厂区、院落内的所有主机，覆盖距离为1000m的数量级（这种情况又称为“校园网”）。
2.1.3局域网的四大实现技术
网络拓扑结构
传输介质和介质的访问控制方式
通信协议
布线技术
为了能顺利地组建自己的局域网，网络管理人员和网络工程师应对上述这些技术做出合适的选择和设计。
2.2局域网的拓扑结构
网络拓扑结构是网络规划和设计的重要内容，也是网络设计的第一步。
从计算机网络拓扑结构的定义来看，计算机网络的拓扑结构应该指其通信子网中节点和链路排列组成的几何图形。
局域网拓扑结构的分类
逻辑拓扑结构
物理拓扑结构
1.局域网拓扑结构的选择原则
局域网采用的通信方式和技术与广域网的“线路交换”或“存储转发”方式截然不同。
主要采“共享介质”和“交换式”两种工作方式。
局域网的拓扑结构与局域网的工作原理和数据传输方法密切相关。
在选择拓扑结构时，一般会考虑如下一些因素：
（1）价格：
网络拓扑结构直接决定了网络的安装和维护费用。
（2）速率：
拓扑结构直接关系到系统的数据传输速率和带宽。
（3）规模：
网络的拓扑结构直接与网络的规模相关。
如，使用交换机的树型拓扑结构支持的节点数目就较多，而总线型拓扑结构支持的节点数目就较少。
网络的拓扑的选择，将直接影响网络的投资、运行速率、安装、维护和诊断等各种性能。
目前，局域网上广泛使用的几种物理拓扑结构是：
总线型、环型拓扑、星型拓扑和树型拓扑。
2.2.1总线拓扑
1.总线拓扑结构的特点
“总线”（bustopology）拓扑结构如图2-1所示，这是局域网最主要的拓扑结构之一。
“总线”拓扑结构的典型应用是以太网（Ethernet），其最典型的是“细缆以太网（10BASE2）”和“粗缆以太网（10BASE5）”，它们的物理和逻辑拓扑结构都采用了总线结构。
10BASE2的实际连接结构如图2-2所示。
总线结构使用称为“干线（或总线）”的中央电缆（同轴电缆）将服务器和工作站以线性方式连接在一起。
在需要分支的地方，所有网络上的计算机通过合适的硬件接口连接在公用总线上，网络上所有节点共享这条公用通信线路。
线性总线上的工作站以两个方向发送或接收数据，并且能被网络上的任何一个节点接收到。
通常由于总线结构的长度有限，一条总线上能够连接的节点数目和距离都受到限制，即负载能力有限。
总线结构通常使用的网络链路较短，因此需要的电缆量也较少。
公共总线一般有两个特殊的端点，用来连接终结设备。
由于总线结构上的所有设备在一个网段内共享总线带宽，因而总线的带宽成为网络的瓶颈，网络的效率将随着总线上节点的数目增加而迅速降低。
2.“总线”拓扑结构的应用特点
（1）优点
结构简单灵活。
可靠性较高。
在低负荷时，网络响应速度较快。
硬件设备量和电缆量少，造价低。
易于安装、配置，使用和维护方便。
共享能力强，适合于一点发送，多点接收的场合。
（2）缺点
故障诊断困难。
总线结构的网络维修不便，一个链路故障，将会破坏网络上所有节点的通信。
当网络电缆故障时，检测工作需要涉及整个网络。
网络扩充不便。
在“总线”网络上，增加节点时，需要断开相邻节点，整个网络将停止工作。
因此，此类网络的扩展性较差。
信号随距离的增加而衰减，因此，总线网络的传输距离受到限制。
总线的带宽成为网络的瓶颈。
一般总线结构上的N个节点共享，并“争用”公用总线（即传输介质），因此，当网络中的节点数目较多时，网络性能下降。
由于单个网段的距离长度受到严格的限制，因而负载能力有限。
3.适用场合
此类结构适用于小型办公自动化系统、实验室、游戏厅、小型信息管理系统等低负荷，以及输出的实时性要求不高的环境。
4.网络范例
10BASE5和10BASE2（粗缆和细缆以太网）。
2.2.2环型拓扑
环型拓扑看起来像是首尾相接的总线拓扑，其拓扑结构是“环状”的；其典型应用有Token-Ring令牌环网。
1.“环型”拓扑结构的特点
“环型”拓扑（ringtopology）结构一般使用电缆或光纤连接环路上的各节点，网络上所有的节点通过环路接口卡，分别连接到它相邻的两个节点上，从而形成的一种首尾相接的闭环通信网络。
环形网可以为大量用户提供高的性能。
在环型拓扑上，通常使用“令牌”在网络上传递信息。
双环拓扑是单环拓扑的一个变形产品，在使用双环的情况下，每个数据单元同时放在两个环上，这样可提供冗余数据，当一个环路发生故障时，另一个环路仍然可以继续传递数据。
2“环型”拓扑结构的应用特点
（1）优点
由于两个节点之间只有唯一的通路，因此大大简化了路径选择的控制。
当有旁路电路时，某个节点发生故障可以自动旁路，这样可以提高可靠性。
传输时间固定，适用于对数据传输实时性要求较高的应用场合。
在负荷较重的场合，比“争用”信道的总线式网络有更高的传输速率。
由于光纤适合于信号单方向传递和点-点式连接，因此“环型”结构最适合使用光纤。
（2）缺点
传输效率低。
由于信号以串行方式通过多个节点的环路接口，因此，当节点过多时，传输效率较低，网络响应时间变长。
灵活性差。
单环时，由于环路封闭，因此扩展不便。
可靠性差，管理不易。
当没有旁路电路或单环时，只要有一个工作站出现故障，整个网络都将瘫痪。
环路维护复杂，实现困难，维护费用和造价高。
3.适用场合
这种结构被广泛应用于局域网主干网的一种网络拓扑结构。
在高速主干网中，环型网络通常使用光纤作为传输介质，它适用于企业的自动化系统、对数据传输实时性要求较高的应用场合以及负荷较重的大型网络和信息管理系统。
4.网络范例
IBM令牌环网（Token-Ring）和FDDI环型网络。
2.2.3星型拓扑
星型拓扑（startopology）的结构如图2-6所示；在应用时，该结构通过一条条独立的电缆或双绞线将各节点（计算机或其他网络设备）连接到中央设备上，中央设备通常是以太网交换机或集线器（Hub）。
1.“星型”拓扑结构的特点
在典型的“星型”拓扑中，每个节点经过中央设备发送数据。
这种结构很像连接到中央交换室的电话线路。
中央设备（指HUB）在信号分发之前，对其进行放大和再生。
2.星型拓扑的拓扑结构问题
逻辑拓扑结构是指局域网节点间的信息流动的形式或传输介质的访问控制方式。
物理拓扑结构是指局域网中各部件的外部连接形式。
3.“星型”拓扑结构的应用特点
（1）优点
网络结构简单。
易于检查故障。
扩展性好。
集线器或交换机上的多种类型接口，可以连接多种传输介质。
每个节点与中心节点使用单独的连线，因此，单个边节点的故障不会影响整个网络，易于节点故障的处理。
造价和维护费用低。
（2）缺点
中心节点出故障时，才会导致整个网络的瘫痪。
目前，交换机和集线器的质量一般较好。
对于使用集线器结构的网络，其最大缺点是当负荷激增时，中央节点的负荷过重。
此时，作为中心节点的集线器也就成为了网络的瓶颈。
需要较多的传输介质，通信线路利用率低，也造成投资的增大。
当负荷过重时，系统响应和性能下降较快。
4.适用场合
星型拓扑结构的网络已经逐步取代了总线拓扑式的网络。
成为网络市场的主流。
星型拓扑结构主要用于以下3种场合。
（1）工作间网络
（2）智能大厦：
（3）采用网络交换机或交换式集线器的交换式网络：
5.网络范例
10BASET和100BASET（双绞线共享式或交换式以太网）。
2.2.4树型拓扑
1.“树型”拓扑的结构
树型拓扑（TreeTopology）结构如图2-8所示，它可以看成是星型拓扑的扩展，其典型的应用是以太网的交换机与集线器级联后组成的网络。
2.“树型”拓扑结构的应用特点
（1）优点
“树型”拓扑结构与星型拓扑结构类似，都具有易于扩展、故障隔离容易、网络层次清楚等优点。
设计合理的“树型”拓扑可以比星型拓扑结构节约许多通信线路的投资费用。
（2）缺点
树型拓扑结构比星型更为复杂，由于数据在传输过程中要经过多条链路，因此时延较大；另外，要求根节点和各级分支节点都具有较高的可靠性。
3.适用场合
树型拓扑属于集中控制式网络，适用于分级管理的场合，或者是控制型网络。
如，多级智能大厦的分层网络。
4.网络范例
100BASET和千兆以太网组成的多级网络，以及使用ATM交换机组成的分层网络等。
2.3局域网的基本组成
1.局域网的软件系统
2.局域网的硬件件系统
现代局域网一般采用基于服务器的网络类型
（1）网络服务器（Server）
（2）网络工作站（workstation）
（3）网络适配器（网卡）
（4）网络传输介质
（5）网络连接与互联设备
3.局域网中的其他组件
（1）网络资源：
在网络上任何用户可以获得的东西，均可以看作资源。
（2）用户：
任何使用客户机访问网络资源的人。
（3）协议：
协议是计算机之间通信和联系的语言。
2.3.1网络服务器
1.网络服务器分类
根据网络计算模式的不同，系统中服务器的数量和规模应当有所不同。
常用的基于服务器的网络包括：
主干（控）服务器和各种功能性服务器两类。
前者主要指系统中的一个或多个装有网络操作系统的高性能的服务器；而后者则指系统中的各种功能服务器，如Web（WWW）服务器、FTP服务器、打印服务器、代理服务器、通信服务器，以及数据库和应用程序服务器等。
2.服务器技术
由于服务器的类型很多，所承担的服务和应用各不相同，因此，对性能的侧重和要求也各不相同。
服务器设计时应从以下几个技术方面进行考虑，才能使其比普通工作站更加可靠和耐用，并达到一些特殊的要求。
（1）多处理机技术
（2）总线能力
（3）内存
（4）磁盘接口和容错技术。
外存储器“硬盘”涉及如下两方面的技术：
接口技术
容错技术
（5）其他常用的服务器技术：
还有热插拔技术和双机热备份技术等。
3.网络主干服务器
网络中可以有一台或多台主干（控）服务器，这些服务器是网络的“管理服务器”。
它们在网络中，能够实现对计算机、用户或资源等对象的控制，并能够提供各种网络服务。
它们应当具有以下的功能和要求：
（1）运行和安装局域网的操作系统。
（2）实现网络中的软件、硬件和数据信息等资源共享的主要部件。
（3）网络管理员通过局域网内的“管理服务器”，实现对网络上的人员、设备、资源、通信和安全等全方位的可靠管理。
（4）一般网络的主干服务器需要接受和处理来自多个客户机的数据处理、资源访问和网络服务等的服务器请求，因此，对CPU的数量、内存容量，以及质量的要求均比较高。
4.网络的功能服务器
人们从不同的角度，根据服务器作用的不同，对网络应用服务器进行了如下的分类：
（1）打印服务器
（2）通信和远程访问服务器
（3）WWW（Web）服务器
（4）DNS服务器
（5）DHCP服务器
5.网络的应用服务器
网络的应用服务器主要用于网络的各种应用系统和数据信息处理系统。
6.网络服务器物理设备的选择和配备
对于服务器的物理设备硬件设备，没有统一的规定，可以设计为一台，也可以是多台。
一般可根据网络规模而定。
在较小的局域网内，至少需要配置一台高性能的服务器，这台服务器在充当主干服务器的同时，还可以充当其他的功能服务器；如果网络的规模较大，也可以配置多台服务器计算机，分别承担不同的功能；而在大规模的网络中，对于某一种服务器，还可能由多台计算机共同承担。
对于中等规模的网络，用户可以根据自身的需求，在上述两者之间进行服务器的选配。
集成的服务器
集成的服务器的设计主要应用在中小型网络中。
所谓的“集成”就是在一台物理设备上，通过软件的安装和配置，使其同时充当主控服务器（安装有网络操作系统）、打印服务器、WWW服务器、通信服务器和数据库服务器等多种角色。
专用服务器
在较大的网络中，服务器的物理设备往往根据其身份而分别设置。
即采用专用的服务器完成专门的工作。
7.选购网络服务器时需要考虑的主要因素
（1）价格因素：
在中小型网络中，服务器的负荷通常会比其他工作站的负荷高的多，因此，在网络工程预算中，一般购买服务器的费用应占总投资的10%20%。
（2）系统的开放性、系统的延续性、系统的可扩展性、系统互连性能、应用软件的支持、性能价格比的合理性，生产厂商的技术支持以及等各种因素。
选择网络服务器的其他主要因素还有：
服务器的总体结构合理、安全；CPU速度快，可以考虑安装多个CPU。
应当注意选择主流品牌；足够的高质量内存；高品质的硬盘；不同功能服务器对服务器技术的需求应当有所不同。
2.3.2客户机或工作站
在网络中，客户连入网络中的计算机就是客户机；也称为客户工作站，简称工作站。
网络客户机（工作站）应具有的功能
网络客户机（工作站）的类型
网络客户机（工作站）的配置要求
（1）硬件条件
（2）软件条件
2.3.3网络适配器
“网络适配器”（networkadapter），又称为网络接口卡（networkinterfacecard），简称网卡或NIC。
它的品种和质量的好坏将直接影响网络的性能和网络上运行软件的效果。
1.网络适配器的基本功能
网卡工作在OSI模型的第2层，它实现工作站与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，接收和执行工作站与服务器送来的各种控制命令，完成物理层和数据链路层的功能。
从功能来说，网卡相当于广域网的通信控制处理机，通过它将工作站或服务器连接到网络上，实现网络资源共享和相互通信。
2.选购网络适配器时应考虑的因素
（1）速率
（2）总线接口类型
（3）支持的网络类型和电缆接口
（4）其他因素
3.安装和配置网络适配器
（1）安装网卡
首先，将选用的网卡插入计算机内与其对应的总线插槽内。
其次，连接本机的网线（即网络传输介质。
（2）配置网卡
①硬件配置
当网卡需要硬件配置时，应按说明书依次进行。
目前，网卡大多都不需要进行硬件配置。
②软件配置：
目前常用的PCI网卡，在Windows98/Me/NT/2000/XP下，通常跟随安装向导，即可实现自动安装和配置。
2.3.4传输介质
目前，在局域网中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维等。
选择传输介质时应考虑时应从以下各个方面着手进行。
Ø网络拓扑结构
Ø网络连接方式
Ø网络通信容量
Ø系统传输时的可靠性要求
Ø所传输的数据类型
环境因素（如网络覆盖的地理范围、节点间距等）
1.双绞线
（1）双绞线的物理结构
双绞线（twistedpair）（又称双扭线）是当前最普通的传输介质，它由两根绝缘的金属导线扭在一起而成，例如：
普通的电话双绞线。
在网络中，常把若干对双绞线对（2对或4对），捆成一条电缆并以坚韧的护套包裹着，以减小各对导线之间的电磁干扰。
双绞线分为无屏蔽双绞线（unshieldedtwistedpair，UTP）和有屏蔽双绞线（shieldedtwistedpair，STP）2种，
（2）无屏蔽双绞线（UTP）
1）无屏蔽双绞线（UTP）的分类与性能参数
网络中，常用的非屏蔽双绞线根据通信质量通常分成5类。
市面上常见的有3、4、5和超5类四种双绞线。
2）UTP的应用特性如下：
低成本（略高于同轴电缆）
易于安装
高容量（高速传输能力）
100m以内的低传输距离（高衰减）
抗干扰（EMI）能力差
UTP没有金属保护膜，对电磁干扰的敏感性较大，于其他传输介质相比在传输距离、带宽和数据传输速度方面均有一定的限制。
它的最大优点是价格便宜，易于安装，所以被广泛地应用在传输模拟信号的电话系统和局域网的数据传输中。
UTP的最大缺点是，绝缘性能不好，分布电容参数较大，信号衰减比较厉害，所以，一般来说，主要应用在传输速率不高，传输距离有限的场合。
（3）有屏蔽双绞线
1）有屏蔽双绞线（STP）的分类与性能参数
STP和UTP的不同之处是，在双绞线和外层保护套中间增加了一层金属屏蔽保护膜，用以减少信号传送时所产生的电磁干扰，并具有减小辐射、防止信息被窃听的功能。
目前，除了在某些特殊场合（如电磁干扰和辐射严重、对传输质量有较高要求等）使用STP外，一般都使用UTP。
理论上STP的传输速率可达到500Mb/s，实际的数据传输速率在10~155Mb/s以内。
目前常用的5类STP在100m内的数据传输速率为155Mb/s。
STP分为1、2、5、6、7、9等类别。
2）STP的应用特性（与UTP相比）
中等成本。
由于整个系统都需要屏蔽器件，因此价格比UTP高一倍以上。
安装难易程度中等。
比UTP安装和维护困难，维护费用高。
比UTP具有更高的容量。
100m以内的低传输距离（高衰减与UTP相同）。
抗干扰（EMI）能力中等。
较UTP高，尤其是在频率超过30MHz，最有效的控制方法就是采用STP。
保密性：
STP比UTP系统高。
（4）双绞线的传输距离
双绞线作为远程中继线时的最大传输距离是15km；但用在局域网时，一般为100米。
2.同轴电缆
同轴电缆的物理结构
同轴电缆（coaxialcable）是网络中最常用的传输介质，因其内部包含两条相互平行的导线而得名。
一般的同轴电缆共有四层，最内层的“导体”通常是铜质的，该铜线可以是实心的，也可以是绞合线。
在中央导体的外面依次为绝缘层、屏蔽层（外部导体）和保护套。
绝缘层一般为类似塑料的白色绝缘材料，用于将中心的导体和屏蔽层隔开。
而屏蔽层为铜质的精细网状物，用来将电磁干扰（EMI）屏蔽在电缆之外。
实际使用中，网络的数据通过中心导体进行传输；电磁干扰被外部导体屏蔽。
因此，为了消除电磁干扰，同轴电缆的屏蔽层应当接地。
（2）同轴电缆的分类和性能参数
同轴电缆按带宽和用途来划分，可以分为基带（BASE-band）和宽带（Broad-band）。
在小型局域网中，常使用基带同轴电缆；在电视网或基于电视网络的局域网，常使用宽带同轴电缆。
基带同轴电缆传输的是数字信号，在传输过程中，信号将占用整个信道，因此，在同一时间内，基带同轴电缆仅能传送一种信号。
常用的基带同轴电缆介绍如下：
①RG-58A/U，用于10BASE-2，阻抗为50，直径为0.18英寸的同轴电缆线，又称“细同轴电缆”。
它常与BNC接头配合连接。
②RG-11，用于10BASE-5，阻抗为50，直径为0.4英寸的同轴电缆线，又称“粗同轴电缆”。
它需要配合收发器（Transceiver）使用。
③RG-59U，阻抗为75，直径为0.25英寸的同轴电缆线，常用于电视电缆线，也可作为宽带的数据传输线，ARCnet网络用的就是此类电缆线。
（3）常用基带同轴电缆的应用特点
低成本。
易于安装，扩展方便。
低容量。
最高10Mb/s的容量。
中等传输距离（中等衰减）。
抗干扰能力中等。
故障诊断和修复不易。
单段电缆的损坏将导致整个网络瘫痪。
（4）同轴电缆的传输距离
在局域网中常用的基带同轴电缆的最大传输距离为几千米；而使用宽带同轴电缆时的最大传输距离为几十千米。
3.光导纤维电缆
光导纤维电缆（opticalfiber），简称光纤电缆、光纤或光缆。
它是一种用来传输光束的细软而柔韧的传输介质。
光导纤维电缆通常由一捆纤维组成，因此得名“光缆”。
光纤使用光而不是电信号来传输数据。
（1）光导纤维电缆的物理结构
（2）光纤通信系统的工作原理
光纤通信系统由光纤、光发送机和光接收机等部分组成。
（3）光导纤维电缆的分类与性能参数
（4）光纤电缆的接口与常用设备
（5）光导纤维电缆的主要应用特点
光纤具有如下特点：
①优点
传输信号的频带宽，通信容量大。
由于光纤具有极高的容量，因此在实际中可到极高的传输速率，其度量单位通常为“Mb/s”、“GMb/s”。
传输损耗小，传输（中继）距离长。
光纤具有极低的衰减，可以长距离传输，光纤在300MHz内的衰减基本不变。
误码率低，传输可靠性高。
一般，误码率低于10-9。
抗干扰能力强。
由于光纤由非金属材料制作，因此它不受电磁波的干扰和电噪声的影响。
保密性好。
数据不易被窃听，或者被截取。
体积小，重量轻。
抗化学腐蚀能力强。
因此，它适用于特殊场合的布线。
②缺点
价格昂贵，但正在不断下降，是最有发展的传输介质。
单模和多模光缆的价格差距不大。
安装十分困难。
需要专业的技术人员。
质地脆、机械强度低。
与其他传输介质相比，光缆的电磁绝缘性能好，信号衰减小，频带较宽，传输距离较长，抗干扰能力强。
（6）光导纤维电缆的应用场合
光缆适用于长距离、布线条件特殊的情况，以及语音、数据和视频图像等应用领域；另外，在较大规模的计算机局域网络中，目前广泛地采用光缆作为外界数据传输的干线，这样一方面可以有效地防止电磁干扰的入侵，另一方面可以极大地扩展网络距离。
（7）光纤的传输距离
光纤中的信号衰减极小，在不安装光纤中继器的条件下，其可能传输的最大距离高达6～8千米。
4.无线传输介质
无线电波通信、卫星通信
5.选择传输介质应考虑的具体因素
成本、安装的难易程度、容量、衰减及最大距离、抗干扰能力
2.4局域网的访问控制方式
2.4.1局域网的访问控制方式及分类
1.介质存取控制
在共享介质的网络上每次只有一台计算机可以在介质上传送数据，介质存取控制协议
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