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第4章局域网体系结构与技术局域网技术是当前计算机网络技术中非常重要的一个分支，局域网作为一种重要的基础网络，在社会各个行业得到了广泛的应用。可以这样说，局域网是建立城域网甚至互联网络的基础。本章主要介绍的内容有：•局域网基本知识•局域网体系结构与标准•共享介质以太网•交换式局域网•虚拟局域网•无线局域网4.1局域网的定义和特性4.1.1定义局域网是将小区域内的各种数据通信设备互联在一起的通信网络。局域网有以下3个属性：1、局域网是一个通信网络。根据OSI/RM协议层次的划分，局域网包含OSI/RM下3层的功能。2、局域网内的通信设备是广义的通信设备，包括计算机，终端，各种外围设备等。3、小区域可以是一个建筑物内，一个校园或者大至几十公里范围内的一个区域。4.1.2局域网的特点：局域网主要有如下一些特点：1、地理范围有限，通常网络分布在一座办公大楼或集中的建筑群内，为一个部门所有，涉辖范围一般只有几公里。2、通信速率高，一般为基带传输，传输速率为1～20Mbit/s，直至1000Mbit/s.能支持计算机间高速通信。3、可采用多种通信介质。4.多采用分布式控制和广播式通信，可靠性较高，误码率通常为10-8～10-11，节点的增删比较容易。4.1.3局域网的分类局域网分为共享介质的局域网和交换式局域网两大类局域网共享介质局域网交换式局域网以太网令牌总线令牌环FDDI快速以太网千兆以太网FDDIIIFFOL交换式以太网ATM局域网仿真IPoverATMMPOA虚拟局域网4.1.2决定局域网性能的因素局域网与城域网所涉及的技术有很多，但决定它们性能的主要技术有：1、网络拓扑结构2、介质访问控制方法3、传输介质局域网的拓扑结构与介质控制方法紧密相关，一旦拓扑结构确定，则对介质控制方法产生很大的影响。4.2局域网体系结构与标准4.2.1局域网体系结构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，即逻辑链路控制(logicallinkcontrol，LLC)子层与媒体访问控制(MAC)子层。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层OSI参考模型逻辑链路控制子层IEEE802参考模型介质访问控制子层物理层1．物理层物理层涉及通信在信道上传输的原始比特流，它的主要作用是确保二进制位信号的正确传输，包括位流的正确传送与正确接收。2．MAC子层媒体访问控制(MAC)是数据链路层的一个功能子层。MAC构成了数据链路层的下半部，它直接与物理层相邻。3．LLC子层逻辑链路控制(LLC)也是数据链路层的一个功能子层。它构成了数据链路层的上半部，与网络层和MAC子层相邻。4.2局域网体系结构与标准4.2.2IEEE802局域网标准IEEE802已被美国国家标准协会ANSI，美国国家标准局NBS和国家化标准化组织ISO采用，成为事实上的国际标准。IEEE802标准包括一系列局域网标准，最广泛使用的标准是以太网家族、令牌环、无线局域网和虚拟局域网等。4.3局域网介质访问控制方法介质访问控制方法是指局域网中对数据传输介质进行访问管理的方法。不同拓扑结构网络系统中的设备联结方式是不同的，因此，网络中数据在传输过程中如何运用介质，也就是说，当有多个站点需要同时发送数据，使用信道就成为必需要考虑的问题，不同的拓扑结构有不同的介质访问控制方法。这就是介质访问控制的目的所在。一、共享介质媒体访问控制方法传统的局域网采用的是“共享媒体”的工作方式，其媒体访问控制方法主要有以下几种：载波监听多路访问/冲突检测方法（CSMA/CD）、控制令牌、开槽环1.载波监听多路访问/冲突检测方法（CSMA/CD）方法CSMA/CD技术包含载波监听多路访问（CSMA）和冲突检测（CD）两方面的内容。CSMA/CD技术只用于总线型网络拓扑结构。CSMA/CD协议的工作过程CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：–先听后发、–边听边发、–冲突停发、–随机重发。初始化载波帧听发送数据是否出现冲突?强化冲突放弃发送数据延迟一个随机时间准备重新发送数据是否发送完毕?结束冲突检测CSMA/CD协议的特点在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各节点通过竞争的方法强占对媒体的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。因此，节点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。结构简单、网络维护方便、增删节点容易，网络在轻负载（节点数较少）的情况下效率较高。但是随着网络中节点数量的增加，传递信息量增大，即在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明显下降。载波监听多路访问有三种协议：非坚持CSMA：一旦监听到信道忙就不再坚持听下去，延迟一随机时间后再重新监听。如果监听到信道空闲，就立即发送数据。1坚持CSMA：监听到信道忙时仍然坚持听下去，当信道空闲时为止。一旦听到信道空闲时就立即发送数据。如果有冲突（在规定的时间内未得到应答），则等待一段随机时间后再监听。P坚持CSMA：监听到信道忙时仍然坚持听下去，直到信道空闲时为止。当听到信道空闲时，以概率P发送数据，而以概率（1-P）延迟一个时间单位，时间单位等于最大传播延迟，再重新监听信道。2.控制令牌控制令牌访问技术是另一种局域网介质访问控制方法。控制令牌访问技术可以用于环型和总线型两种拓扑结构网，这种访问方式在环型和总线型网中建立了一个“环”，这种环是一种“逻辑环”。控制令牌的含义是这样的：令牌表示一种权力，网络中的所有站点按照他们共同认可的规则，从一个站点到另一个站点传递控制令牌。令牌环（TokenRing）在令牌环介质访问控制方法中，使用了一个沿着环路循环的令牌。网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据，没有获取令牌的节点不能发送数据，因此，使用令牌环的LAN中不会产生冲突。令牌ABCDABCDABCDABCD节点A截获令牌,并准备发送数据节点A将数据发送到节点C数据循环一周后,节点A将其收回产生新的令牌,发送到环路中TokenRing的特点由于每个节点不是随机的争用信道，不会出现冲突，因此称它是一种确定型的介质访问控制方法，而且每个节点发送数据的延迟时间可以确定。–在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。–在重负载时，对各节点公平，且效率高。采用令牌环的局域网还可以对各节点设置不同的优先级，具有高优先级的节点可以先发送数据，比如某个节点需要传输实时性的数据，就可以申请高优先级。令牌总线（TokenBus）令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环。从物理连接上看，它是总线结构的局域网，但逻辑上，它是环型拓扑结构。连接到总线上的所有节点组成了一个逻辑环，每个节点被赋予一个顺序的逻辑位置。和令牌环一样，节点只有取得令牌才能发送帧，令牌在逻辑环上依次传递。在正常运行时，当某个节点发送完数据后，就要将令牌传送给下一个节点。令牌TokenBus的特点令牌总线适用于重负载的网络中，数据发送的延迟时间确定，适合实时性的数据传输等。网络管理较为复杂，网络必须有初始化的功能，以生成一个顺序访问的次序。令牌总线访问控制的复杂性高：网络中的令牌丢失，出现多个令牌、将新节点加入到环中，从环中删除不工作的节点等。3.开槽环开槽环访问控制方法只用于环型拓扑结构。这种访问控制方法是把信息在环型信道上的传输时间分成大小固定的时间块，这个时间块称为时间槽。每个时间都是由一同等的固定长度的一串比特组成，信息被分成若干个和时间槽相对应的时间段。信息在环路上的传输时间指两部分：节点之间传输线上的信息传输时间和在各结点中的转发延迟时间。网络中设立一个管理站，集中对全网进行控制和管理。二、交换式局域网媒体访问控制方法交换方式介质访问控制方法在网络中要有一定数量的交换机。交换机在局域网中处在相当于集线器的位置，但与集线器工作方式不同，它不是向所有端口重发输入的帧，而是去观察此帧的目的地址、源地址，以此确定“转发”到一个输出端口。三、常见局域网简介传统以太网快速以太网吉位以太网万兆位以太网目前人们提到局域网，大多数是指以太网。媒体访问控制方法采用的是CSNMA/CD，意即共享介质的访问控制方法。例如，当网络中有10个站点，传输带宽为100Mbps，则每个站点的平均带宽为10Mbps。当网络中的站点太多时，网络性能就将急剧下降。以太网的产生和发展以太网的起源:ALOHA无线电系统(1968-1972)Xerox创建第一个实验性的以太网(1972-1977)DEC、Intel和Xerox将以太网标准化(1979-1983)IEEE802.3标准问世（1982年）,10BASE-5出现；10BASE-T结构化布线的历史(1986-1990)交换式和全双工制以太网的出现(1990-1994)快速以太网的出现(1992-1995)千兆网的出现(1996)万兆以太网IEEE802.3的四种规范CSMA/CD10Base-510Base-210Base-TIEEE802.310Base-FMAC子层物理层数据率（Mbps）基带信号段最大长度（百米）10Base-510Base5分插头:插入电缆收发器:发送/接收,冲突检测,电气隔离，超长控制;AUI:连接件单元接口；终接器；粗缆vampiretapBNC端子收发器AUI电缆NIC最大段长度500米每段最多站点数100两站点间最小距离2.5米网络最大跨度2.8公里10Base2细缆BNC接头NIC段最大长度185m每段最多站点数30两站点间最短距离0.5m单网段最大长度为185米，最多节点30个两节点之间最小距离0.5米2个网段的距离为370米10BaseT集线器的作用相当于一个多端口的中继器（转发器），数据从集线器的一个端口进入后，集线器会将这些数据从其他所有端口广播出去（扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减）。中央集线器RJ45插座RJ45接口NIC最大长度100m快速以太网（FastEthernet）100BASE-T快速以太网，是标准以太网的100Mbps版本。100BASE-T的标准为802.3u，作为802.3的补充；100BASE-TMAC的速度相当于10倍的BASE-T的MAC；与10BASE-T相同，100BASE-T要求有中央集线器的星型布线结构；FastEthernet的协议结构：802.3MACCSMA/CD100Base-TX2对5类UTP100Base-T22对3类UTP100Base-FX2芯单/多模光纤IEEE802.3uMAC子层物理层100Base-T44对3类UTP100Base-T的四种标准100Base-TX–支持2对五类非屏蔽双绞线（UTP）或2对一类屏蔽双绞线（STP）。其中1对用于发送，另1对用于接收，因此100Base-TX可以全双工方式工作，每个节点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。使用五类UTP的最大距离为100米。100Base-T4–支持4对三类非屏蔽双绞线UTP，其中有3对用于数据传输，1对用于冲突检测。100Base-T2–支持2对三类非屏蔽双绞线UTP。100Base-FX–支持2芯的多模或单模光纤。100Base-FX主要是用作高速主干网，从节点到集线器HUB的距离可以达到450米。快速以太网的应用采用快速以太网集线器作为中央设备（100Base-TX集线器），使用非屏蔽5类双绞线以星型连接的方式连接以太网节点（工作站和服务器），以及连接另一个快速以太网集线器和10Base-T的共享集线器。100Base-TX集线器100Base-TX集线器100Mbps的链路采用5类UTP的100Mbps链路10Base-T集线器10Mbps的链路100BASE-T快速以太网的优缺点优点：–具有较高的性能，适合网络结点多或者对网络带宽要求较高的应用环境；–基于以太网的技术，与现有10BASE-T的兼容可以容易的移植到高速网络上；–最大地利用了已有的设备、电缆布线和网络管理技术；–众多的厂商支持；缺点：–仍然是一种共享式以太网网络，采用CSMA/CD作为介质存取方式，