智能楼宇网络设计毕业设计论文范本模板Word文档格式.docx

1、在楼宇自动化系统中采用局域网的优点是实现了从管理层到现场设备控制层通信协议的兼容和统一，这样，系统扩展起来也比较方便，与智能建筑中其它系统（通信自动化系统和办公自动化系统）集成起来也更加容易。但它也存在缺点：首先，目前开发基于局域网的控制系统产品的难度较大，开发费用和成本相对较高，用户可以选择的厂商也很有限，垄断利润较高，研发成本还没有被消化，这些都导致产品价格过高;其次，局域网的实时性、可靠性等方面还有待进一步完善。3 研究目标为了实现我们的研究目标，在此将采用理论和实际相结合的原则。在理论方面，我们需要掌握和分析局域网的核心技术VLAN技术，例如为什么要采用该项技术，它存在哪些优缺点，以及

2、整个智能楼宇通信系统在实际当中是如何规划和实现的；在实际应用中，需要将技术理论同实际情况相结合，根据具体的实际需求合理的分配有限的资源，力争达到最优的组网效果。最后，还要运用现已掌握的技术手段，对硬件系统进行合理的优化配置,尽最大努力使之实际运行效果接近理论值，也就是利用华为公司所提供的数据通信设备实现最佳的系统性能。除此之外，还需要在研究过程中不断的发现问题，解决问题，在具体的实践当中寻找“捷径,提高我们的工作效率,寻找更有效的研究方法。在此将采用华为技术有限公司提供的数据通信设备，如二层、三层交换机,路由器，进行智能楼宇的组网设计，通过对数据通信技术原理和设备硬件知识的研究，根据实际的用户

3、需求，合理的对硬件系统进行配置，提供最优的方案来解决实际的组网设计问题。2 局域网技术2.1 局域网的定义由于连接介质的不同，通信协议的不同，计算机网络的种类划分方法名目繁多.但一般来讲，计算机网络可以按照它覆盖的地理范围，划分成局域网和广域网，以及介于局域网和广域网之间的城域网（MAN,Metropolitan Area Network）.本部分重点介绍局域网。局域网-LAN（Local Area Network） 是将小区域内的各种通信设备互连在一起所形成的网络,覆盖范围一般局限在房间、大楼或园区内。局域网一般指分布于几公里范围内的网络，局域网的特点是：距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠

4、。标准（standard）是广泛使用的、或者由官方规定的一套规则和程序。标准描述了协议的规定，设定了保障网络通信的最简性能集。IEEE 802.X标准是当今居于主导地位的LAN标准。 目前我国常见的局域网类型包括:以太网（Ethernet）、异步传输模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）等，它们在拓扑结构、传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同。其中应用最广泛的当属以太网 一种总线结构的LAN，是目前发展最迅速、也最经济的局域网。2.2 以太网技术2。2.1 以太网的应用以太网设计的初衷，就是把一些计算机联系起来进行文件共享和数据库记录的传输。到目前为止

5、，在计算机互连这个领域，以太网仍然是最活跃的技术，但已经不再局限于这个领域，在其他一些领域，以太网也大显身手，表现不俗。下面是以太网的主要应用领域：计算机互连：这是以太网技术的主要目标,也是最成熟的应用范围。最开始的时候，许多计算机通过同轴电缆连接起来，互相访问共享的目录,或访问在同一个物理网段上的文件服务器，各个计算机（不论是服务器还是客户机）在网络上的地位相同。随着应用的发展，这种平等的结构逐渐不适应实际的需要，因为网络上的大部分流量都是客户机跟服务器之间的，这种流量模型必然在服务器上形成瓶径.当全双工以太网和以太网交换机引入以太网之后,这种情况有所改变，取代的是把服务器连接到以太网交换机

6、的一个告诉端口（100M）上，把其他客户机连接到以太网交换机的低速端口上,这样就暂缓了瓶颈的形成。现代的操作系统提供分布式服务和数据仓库服务,基于这些操作系统的服务器除了跟客户机通信之外，还要跟其他服务器交换大量的信息进行数据的同步，这样传统的100M快速以太网就不能满足要求了，于是1000M以太网应运而生。高速网络设备之间互连:随着INTERNET的不断发展，一些传统的网络设备,比如路由器，之间的带宽已经不能满足要求，需要更高更有效率的互连技术来连接这些网络设备构成INTERNET的骨干，1000M以太网成了首选的技术。传统的100M也可以应用在这些场合，因为这些100M的快速以太网链路可以

7、经过聚合，形成快速以太网通道，速度可以达到100M-1000M的范围。城域网中用户接入的手段:用户通过以太网技术接入城域网，实现上网,文件下载，视频点播等业务，已经变得越来越流行.之所以用以太网作为城域网的接入手段，是因为现在的计算机都支持以太网卡,这样对用户来说，不用更改任何软件和硬件配置就可以正常上网。可以看出，以太网技术已经覆盖了网络的方方面面，从骨干网到接入网，从计算机网络到工业应用，无处不见以太网的影子。2.2 以太网物理层根据ISO的OSI七层参考模型，物理层规定了两个设之间的物理接口，以及该接口的电气特性，规程特性，机械特性等内容，以太网的物理层也不外乎这些内容，它主要的功能是提

8、供一种物理层面的标准，各个厂家只要按照这个标准生产网络设备就可以进行互通.下面从介绍这些物理层标准开始，来分析一下以太网的物理层基础结构。从以太网诞生到目前为止，成熟应用的以太网物理层标准主要有以下几种：10BASE2、10BASE5、100BASE-TX、100BASET2、100BASE-T4、100BASE-FX、1000BASESX、1000BASE-LX、1000BASE-CX、1000BASE-TX，在这些标准中，前面的10,100，1000分别代表运行速率；中间的BASE指传输的信号是基带方式；后边的2,5分别代表最大距离，比如，5代表50米，2代表200米等；TX，T2,T4，

9、FX,SX,LX,CX等应用于双绞线以太网和光纤以太网,含义如下：100BASE-TX：运行在两对五类双绞线上的快速以太网;100BASE-T4：运行在四对三类双绞线上的快速以太网；100BASE-T2：运行在2对三类双绞线上的快速以太网;100BASEFX：运行在光纤上的快速以太网，光纤类型可以是单模也可以是多模；1000BASESX：运行在多模光纤上的1000M以太网,S指发出的光信号是长波长的形式；1000BASE-LX：运行在单模光纤上的1000M以太网，L指发出的光信号是短波长的形式；在这些标准中，10BASE2，10BASE5是同轴电缆的物理标准，现在已经基本被淘汰，10BASET

10、和100BASETX都是运行在五类双绞线上的以太网标准，所不同的是线路上信号的传输速率不同，10BASE-T只能以10M的速度工作,而100BASETX则以100M的速度工作,其他方面没有什么两样。100BASET2，100BASE-T4现在很少用，所以我们这里只选择比较有代表性的100BASE-TX进行叙述. 100BASETX是运行在两对五类双绞线上的快速以太网物理层技术，它除了规定运行的介质是五类或更高类双绞线外，还规定了设备之间的接口以及电平信号等。该标准规定设备和链路之间的接口采用RJ-45水晶头，电瓶采用+5V和-5V交替的形式。五类双绞线的8跟线压入水晶头的8个线槽中，这样可以很

11、容易的插入网络设备的网卡。实际上，在进行数据的传输时仅仅用了五类双绞线的两对（四根）线，其中一对作为数据接收线，一对作为数据发送线,在进行数据接收和发送的时候，在一对线上传输极性相反的信号，这样可以避免互相干扰。需要注意的是，在连接两个相同的网络设备时（比如网卡），需要把线序进行交叉,因为线路两端的设备（比如网卡）的收发顺序是相同的，而两端设备要进行直接连接，其收发必须进行交叉，于是,必须在线路上进行交叉才能达到目的,如图21所示： 图21 RJ45交叉线示意图但在跟不同类型的网络设备互连，比如终端计算机跟HUB或以太网交换机连接时，却不需要这样，因为这些网络设备的接口上已经做了交叉,也就是说

12、，这些设备的网络接口跟普通计算机的收发顺序是不一致的,因而只要把五类双绞线直接按照原来顺序压入水晶头，就可以把两端的设备正常连接.跟传统的同轴电缆不同的是，100BAST-TX（10BASE-T）的数据发送和数据接收使用了不同的线对，做到了分离，这样就隐含着一种全新的运做方式：全双工方式。在这种方式下，数据可以同时接收和发送而互不干扰，这样可以大大提高效率，不过这需要中间设备的支持，现在的以太网交换机就是这样一种设备。在基于双绞线的以太网上，可以存在许多种不同的运做模式,在速度上有10M,100M不等，在双工模式上有全双工和半双工等，如果对每个接入网络的设备进行配置，则必然是一项很繁重的工作,

13、而且不容易维护。于是,人们提出了自动协商技术来解决这种矛盾。需要注意的是,自动协商只运行在基于双绞线的以太网上，是一种物理层的概念。自动协商建立在一种低层的以太网机制上。在双绞线链路上，如果没有数据传输，链路并不是一直在空闲,而是不断的互相发送一种频率相对较低的脉冲信号（称为普通链路脉冲，NLP）如图2-2所示：图2-2 普通链路脉冲任何具有双绞线接口的以太网卡都应该能识别这种信号。需要注意的是,如果在这些NLP之间在插入一些（一般是16个）更小的脉冲（这些脉冲称为快速链路脉冲，FLP），两端设备应该也能识别.于是,我们可以使用这些快速链路脉冲来进行少量的数据传输，来达到自动协商的目的。在设备

14、的网卡中有一个配置寄存器，该寄存器内部保留了该网卡能够支持的工作模式,比如该网卡可以支持100M和10M模式下运行，则把相应的寄存器内容置位。在网卡加电后，如果允许自动协商，则网卡就把自己的配置寄存器内容读出来，编码后通过FLP发送出去，如图23所示:图23 FLP发送编码发送的同时，可以接收对端发送过来的自动协商数据。接收到对方发送的自动协商数据后，跟自己的配置寄存器比较，选择自己支持的且一般情况下最优的组合投入运行.比如自己支持全双工模式和100M的速率，对端也支持该配置，则选择的运行模式就是100M全双工，如果对端只支持全双工模式和10M的能力，则运行模式就定为全双工10M模式。如果两端

15、支持的能力集合不相交,则协商不通过，两端设备不能通信。一旦协商通过,网卡就把该链路置为激活状态，可以传输数据了，如果不能协商通过，则该链路不能使用，不能再进行数据传输.如果两端的设备有一端不支持自动协商,则支持自动协商的一端选择选择一种默认的方式工作，一般情况下是10M半双工模式。2.2.3 以太网数据链路层按照ISO的OSI七层参考模型,互连的各个系统把各个网络功能分七个层次实现，各个层次之间相互独立，互不干扰。这样就可以实现最大限度的开放和灵活性，设备厂家只要按照层次之间的接口生产设备，就可以做到互通。因此,这个七层模型是高效权威的,而且目前大多数网络技术都是参照这个模型进行设计和开发的。

16、但在以太网体系结构中，七层模型中层次之间互相独立的规则就不适用了，因为开始的时候，以太网采用了一种共享介质的方式来进行数据通信，而不是传统的全双工通信,随着设备的发展,以太网中又引入了全双工模式的通信，在这样两种通信模式并存的情况下，在进行层次间的严格划分就不容易了。这里需要注意的是，在以太网中，全双工是物理层的概念，而针对物理层的双工模式提供不同访问方式则是数据链路层的概念,这样就形成了以太网的一个重要特点：数据链路层和物理层是相关的。针对物理层的不同工作模式（全双工和半双工），需要提供特定的数据链路层来访问。这样导致了数据链路层和物理层有很大的相关性,给设计和应用带来了一些不便。为了避免这

17、种不便，一些组织和厂家提出了另外一种方式,就是把数据链路层再进行分层，分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。图2-4 数据链路层分层结构数据链路层分层结构如图2-4所示。这样不同的物理层对应不同的MAC子层，LLC子层则可以完全独立。这样从一定程度上提高了独立性，方便了实现。面对MAC子层和LLC子层做一个详细的解释.MAC子层是物理层相关的，也就是说，不同的物理层有不同的MAC子层来进行访问，比如物理层是工作在半双工模式的双绞线，则相应的MAC子层为半双工MAC，如果物理层是令牌环,则有令牌环MAC来进行访问。在以太网中，主要存在两种MAC：半双工MAC和全双工MAC，

18、分别针对物理层运行模式是半双工和全双工时提供访问.需要注意的，这两种MAC都是集成在网卡中的，网卡初始化的时候一般进行自动协商,根据自动协商的结果决定运行模式，然后根据运行模式选择相应的访问MAC。全双工MAC子层相对半双工MAC子层简单，因为它不需要检测链路的空闲与忙的状态,所以就去除了上面的链路空闲信号和冲突检测信号.其工作过程如下：当MAC子层有数据要发送的时候，通过数据发送指示告诉物理层，然后把数据一个字节一个字节的通过数据发送线发送出去。如果物理层检测到了数据到达，则通过接收指示信号告诉链路层，自己接收到了数据，然后通过接收数据线把数据传到MAC子层。除了完成物理链路的访问以外，MA

19、C子层还负责完成下列任务： 链路级的站点标识:在数据链路层识别网络上的各个站点.也就是说，在该层次保留了一个站点地址（就是所谓的MAC地址），来标识网络上的唯一一个站点; 链路级的数据传输：从上层（LLC子层）接收数据,附加上MAC地址和控制信息后把数据发送到物理链路上。在这个过程中搀杂了校验等功能。为了进行站点标识，在MAC子层保留了一个唯一的站点MAC地址，来区分该站点。MAC地址是一个48比特的数字,分为下面三种类别： 物理MAC地址：这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端（比如网卡等），实际上这样的地址是固化在硬件里面的； 广播MAC地址：这是一个通用的MAC地址，用来表示

20、网络上的所有终端设备；3。 组播MAC地址:这是一个逻辑的MAC地址,来代表网络上的一组终端。它的特点是最左边一个字节的第一比特为1。上层要发送数据的时候，把数据提交给MAC子层，MAC子层有自己的缓冲区，把上层提交给自己的数据进行缓存，然后增加上目的MAC地址和自己的MAC地址（源MAC地址），计算出数据帧的长度，形成的数据包格式如图2-5所示。在这个图中，DMAC代表目的终端的MAC地址，SMAC代表源MAC地址，而Length/T字段则根据值的不同有不同的含义:DMACSMACLengthDATAPADFCS图2-5 数据帧格式当Length/T 1500时，代表该数据帧的类型（比如上层

21、协议类型），当Length/T 1500时，代表该数据帧的长度。DATA/PAD则是具体的数据，因为以太网数据帧的最小长度必须大于64字节（根据半双工模式下最大距离计算获得的）,所以如果数据长度加上帧头不足64字节，需要在数据部分增加填充内容。FCS则是帧校验字段，来判断该数据帧是否出错。 上面介绍了数据的发送过程，下面说一下数据接收过程： 在计算机的网卡中维护一张接收地址列表，每当计算机网卡接收到一个数据帧之后,就把数据帧的目的MAC地址提取出来，跟列表中的条目进行比较，只要有一项匹配，则接收该数据帧,若无任何匹配的项目，则丢弃该数据帧。在这张接收地址列表中至少有下面两项：1. 计算机网卡的

22、MAC地址：该地址固化在网卡的ROM里面；2. 广播MAC地址：该地址代表网络上的所有主机。如果上层应用程序加入一个组播组，则该应用程序会通知网络层，然后网络层通知数据链路层,数据链路层根据应用程序加入的组播组形成一个组播MAC地址，并把该组播MAC地址加入接收地址列表,这样当有针对该组的数据帧的时候，MAC子层就接收该数据帧并向上层发送。 在上面的介绍中提到了MAC子层形成的一个帧结构，其中有一个字段是Length/T。这个字段的长度是2字节，根据取值的范围有不同的含义，在小于或等于1500的情况下,该值代表数据帧数据部分的长度，但当大于1500的时候,则代表该帧的数据部分的类型，比如该数据

23、帧是哪个上层协议（比如IP，IPX,DECNet，NETBEUI等）的数据单元等。 当Length/T取值大于1500的时候，MAC子层可以根据Length/T的值直接把数据帧提交给上层协议，这时候就没有必要实现LLC子层。这种结构便是目前比较流行的ETHERNET_II，大部分计算机都支持这种结构。注意，这种结构下数据链路层可以不实现LLC子层,而仅仅包含一个MAC子层. 根据Length/T字段的取值，来把接收到的数据帧提交给上层协议模块，是这样进行的:每个上层协议都提供了一个回调函数,这个回调函数在数据链路层是可见的而且可以调用的，这样当数据链路层接收到一个数据帧之后,根据数据帧里的Le

24、ngth/T字段的取值来判断相应的协议模块，然后调用相应协议的回调函数（把数据帧的数据部分作为参数），该回调函数执行的结果就是把数据帧的数据部分挂到上层协议的接收队列中,然后给上层协议发送一个消息，告诉上层协议有一个数据包到来，然后返回，其他的事情就由上层协议来做了. 上面介绍的都是ETHERNET_II的内容，就是当Length/T字段大于1500的时候的情况。现在来讨论一下当Length/T小于或等于1500的情况,这种类型就是所谓的ETHERNET_SNAP，是802.3委员会制定的标准，虽然目前应用不是很广泛，但是作为一种很有特色的标准，将来必会大行其道. ETHERNET_SNAP除

25、了定义传统的链路层服务之外，还增加了一些其他有用的特性,比如定义了下面三种类型的点到点传输服务：1. 无连接的数据包传输服务：目前的以太网实现就是这种服务；2. 面向连接的可靠的数据传输服务：预先建立连接再传输数据，数据在传输过程中可靠性得到保证； 3. 无连接的带确认的数据传输服务：该类型的数据传输服务不需要建立连接，但它在数据的传输中增加了确认机制，使可靠性大大增加。这些服务都是在LLC子层中实现的， LLC子层的帧格式如图26所示： 图26 LLC子层的帧格式 可以看出，该数据帧的结构在MAC子层上是保持统一的，但MAC子层数据帧的Length/T字段现在已经完全成了Length，指示M

26、AC数据帧数据部分的长度，然后在数据部分增加了一个LLC头，这个头由DSAP（目的服务访问点）,SSAP（源服务访问点）和控制字段组成。上面讲述的三种服务就是通过这三个字段完成的。4 以太网交换机4.1 内部结构从外观上看，以太网交换机跟HUB差不多，也是一个多端口的深颜色盒子，但端口的数目可能比HUB要多（一般情况下是24个或更多）.但在内部结构上却比HUB复杂得多,HUB内部实际上是一条共享的总线,各个端口共享该总线进行CSMA/CD方式的通信，但以太网交换机内部可能也是一条总线，但该总线带宽要比HUB内部的总线高得多，足以让全部端口互相同时通信而没有阻塞.性能更高的交换机内部可能是一个交

27、换网络,该网络完成任意端口之间的两两交换。以太网交换机内部结构如图27所示：图2-7 以太网交换机的内部结构示意图由图可以看出以太网交换机使用一条高速背板总线把各个端口连接起来。实际上,这个背板总线可能是一个高性能的数字交叉网络.注意的是，各个端口针对接收线路和发送线路，各有一个缓冲队列,当数据从终端设备发往交换机的时候，发出的数据暂存在交换机的接收队列中，然后进行下一步处理。如果交换机要把接收的数据发送给某一终端，这时候，交换机把要发送的数据发往该接收终端所在端口的发送队列，然后再发送到接收终端,如果终端忙，则一直存储在发送队列中。其实,对每个接口的发送队列结构进行更改可以实现服务质量功能。

28、比如，我们为每个接口设计不止一个发送队列，假设设置三个，则可以对这三个队列进行优先级划分，分成低，中，高三个优先级，然后根据数据帧的优先级字段（在以后介绍VLAN的时候将讲述），把数据帧放到相应的优先级队列中。在传输的时候,可以优先传输优先级高的队列，等高优先级队列内没有数据了，再传送优先级低的队列，依次类推.也可以实现一些其他的调度策略，比如WFQ（基于优先级的加权公平队列）等调度技术。交换机跟HUB的最大区别就是能做到接口到接口的转发。比如接收到一个数据帧以后，交换机会根据数据帧头中的目的MAC地址，发送到适当的端口，而HUB则不然，它把接收到的数据帧向所有端口转发。交换机之所以能做到根据MAC地址进行选择端口，完全依赖内部的一个重要的数据结构：CAM表。交换机接收到一个数据帧，依靠该数据帧的目的MAC地址来查找CAM表，查找的结果是一个或一组端口,根据查找的结构,把数据