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1第2章局域网技术基础【学习目标】了解局域网与OSI参考模型的对应关系了解主要的局域网标准掌握各种以太网技术的基本原理描述以太网帧格式理解线缆的规范和连接方式了解WLAN的基本工作原理【重点难点】以太网技术基本原理以太网帧格式线缆的规范和连接方式3.1局域网与OSI参考模型局域网最主要的功能是在小范围内为计算机提供通信和资源共享，具有高传输速率和低误码率的特点。局域网采用多路访问技术，使用多种传输介质，因为局域网内计算机数量众多。和广域网相比，局域网的标准化研究工作开展得比较及时，其中IEEE802与ECMA主要致力于办公自动化与轻工业局域网的标准化研究，而重工业、工业生产过程分布控制方面的局域网标准化工作主要由IEC进行。局域网技术主要对应于OSI参考模型的物理层和数据链路层，如图3-1所示。其他高层网络层逻辑链路控制子层(LLC)媒体访问控制子层(MAC)物理层数据链路层物理层OSI参考模型IEEE802LAN参考模型图3-1IEEE802局域网参考模型中的物理层功能与OSI参考模型中的物理层功能相同。IEEE802还规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。23.2局域网与IEEE802标准为规划网络通信的基本标准，IEEE成立了802工作组，指定了一系列的局域网和城域网标准。随着技术发展，目前常用的IEEE802标准主要有以下文档。IEEE802.1——高层局域网协议，包含局域网、城域网体系结构；网络管理、链路安全、与广域网的互联等。IEEE802.2——逻辑链路控制（LogicalLinkControl，LLC），定义了数据链路层的LLC子层。IEEE802.3——以太网（Ethernet），定义了CSMA/CD媒体接入控制方式及相关物理层规范。随着网络技术发展，又衍生出多个标准，如快速以太网802.3u标准、千兆以太网802.3ab和802.3z标准等。IEEE802.4——令牌总线（TokenBus），定义了使用令牌传递机制的总线网络的媒体接入控制方式及相关物理层标准。IEEE802.5——令牌环，定义了令牌环网的媒体接入控制方式和相关物理层规范。IEEE802.8——光纤，定义了FDDI的局域网标准。IEEE802.11——无线局域网，定义了采用2.4GHz、3.6GHz、5GHz频段的WLAN网络的一组协议标准。IEEE802.16——宽带无线接入（BroadbandWirelessAccess），即无线城域网标准。IEEE802.20——移动宽带无线接入（MobileBroadbandWirelessAccess），旨在提供低代价而永远在线的移动宽带无线网络。局域网的数据链路层被IEEE802分为了两层：逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。LLC子层与MAC子层共同完成了数据链路层的功能：编帧并对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控，使不可靠的物理链路变成可靠的链路。图3-2IEEE802模型将数据链路层分成两子层的目的主要是使数据链路层的功能与3硬件有关的部分和与硬件无关的部分分开。子层划分将硬件与软件的实现有效分离开来。硬件制造商一方面可以设计、制造各种各样的网络接口卡，实现支持不同局域网的目的；另一方面又可以提供接口相同的驱动程序以方便应用程序使用各种网络接口卡，方便了软件设计。3.3主要局域网技术常用的局域网技术有以太网、令牌环、FDDI、无线局域网WLAN等。他们在拓扑结构、传输介质及介质访问控制方法等各方面都有所不同。随着以太网带宽不断提高、可靠性不断提升，令牌环和FDDI技术逐渐退出了局域网领域。由于以太网技术简单、开放，易于部署实现，使得以太网被广泛应用，成为局域网中的主要技术。另外，无线局域网也得到了迅速发展。3.3.1局域网拓扑结构1总线型拓扑结构所有的节点都通过网络适配器直接连接到一条作为公共传输介质的总线上，总线可以是同轴电缆、双绞线、或者是使用光纤；总线上任何一个节点发出的信息都沿着总线传输，而其他节点都能接收到该信息，但在同一时间内，只允许一个节点发送数据；由于总线作为公共传输介质为多个节点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节点利用总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”；在“共享介质”的总线型拓扑结构的局域网中，必须解决多个节点访问总线的介质访问控制问题。ABCABCDEDE碰撞2环形拓扑结构所有节点使用相应的网络适配器连接到共享的传输介质上，通过点到点的连接构成封闭的环路。环路中的数据沿着一个方向绕环逐节点传输。环路的维护和控制一般采用某种分布式控制方法，环中每个节点都具有相应的控制功能。在环型拓扑中，虽然也是多个节点共享一条环通路，但不会出现冲突。4对于环型拓扑的局域网，网络的管理较为复杂，与总线型局域网相比，可扩展性较差。3星型拓扑结构在星型拓扑中存在一个中心节点，每个节点通过点到点线路与中心节点连接。在局域网中，由于使用中央设备的不同，局域网的物理拓扑结构和逻辑拓扑结构不同。使用集线器连接所有计算机时，是一种具有星型物理连接的总线型拓扑结构；使用交换机时，是真正的星型拓扑结构。中央设备计算机3.3.2传输介质与传输形式局域网的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、电磁波。局域网的传输形式有两种：基带传输与宽带传输。在局域网中，双绞线是最为廉价的传输介质。同轴电缆是一种较好的传输介质，它既可用于基带系统又可用于宽带系统，并具有吞吐量大、可连接设备多、性价比高、安装和维护较方便等优点。由于光纤具有抗干扰性强、误码率低、传输延迟可忽略不计等优点，在局域网的主干网中得到广泛应用。在某些特殊应用场合，当不便使用有线传输介质时，可以采用无线链路传输信号。3.3.3介质访问控制方法介质访问控制方法可以简单地理解为如何控制网络节点何时能够发送数据。IEEE802规定了局域网中最常用的介质访问控制方法：IEEE802.3载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）、IEEE802.5令牌环（TokenRing）、IEEE802.4令牌总线（TokenBus）。51CSMA/CD介质访问控制总线型LAN中，所有的节点对信道的访问是以多路访问方式进行的。任一节点都可以将数据帧发送到总线上，所有连接在信道上的节点都能检测到该帧。当目的节点检测到该数据帧的目的地址（MAC地址）为本节点地址时，就继续接收该帧中包含的数据，同时给源节点返回一个响应。当有两个或更多的节点在同一时间都发送了数据，在信道上就造成了帧的重叠，导致冲突出现。为了克服这种冲突，在总线LAN中常采用CSMA/CD协议，即带有冲突检测的载波侦听多路访问协议，它是一种随机争用型的介质访问控制方法。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。采用CSMA/CD协议的总线LAN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。2令牌环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。工作过程如图所示。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63令牌总线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。3.4以太网技术随着IP技术的发展，以太网作为IP的承载网络已经成为局域网必须选择的技术之一。以太网技术发展经历了从10Mbps到100Mbps，再到1000Mbps，直至目前的10Gbps传输带宽，对应每一极端，都出现了不同而向前兼容的技术标准。同时，随着交换机在以太网中的应用，以太网拓扑结构从早期的总线型结构发展到现在的层次性结构；运行模式从半双工发展到全双工。1标准以太网标准以太网由于采用不同的传输介质进行数据传输，所以出现了不同的标准：10Base-5、10Base-2、10Base-T和10Base-F，分别采用粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线和光纤作为传输介质。（1）IEEE802.3的MAC层帧格式IEEE802.3帧是变长的，其长度从64字节到1518字节不等，帧格式如图3-3所示。图3-3①前导符：7字节，一串1、0间隔，用于接收方的接收时钟与发送方的发送时钟进行同步。②帧起始定界符：1字节，为10101011，标志一帧的开始。③目的MAC地址：6字节，第一个字节的第八位为0标识唯一地址或单播地址，为1标识组地址或组播地址；MAC地址全为1为广播地址。目的MAC地址为单播地址、组播地址、广播地址的数据帧分别为单播帧、组播帧、广播帧。④源MAC地址：格式同目的MAC地址。⑤类型/长度：表示以太网帧封装的消息协议类型；长度表示数据段中的字节数，其值可为0~1500。⑥填充字段：用于数据填充。当用户数据不足46字节时，用以凑足46字节，以保证IEEE802.3帧长度不小于64字节（帧头14字节、CRC校验4字节）。⑦帧校验序列：使用32位循环冗余校验码的错误检验，其校验范围为目的地址、源地址、长度、数据和填充字段。（2）以太网单播和广播以太网帧中包含两个MAC地址，一个是发送方的，称为源MAC地址，另一个7是接收方的，称为目的MAC地址。目的为单一站点的发送称为单播，目的为全部站点的发送称为广播，目的为某一组特定站点的发送称为组播。发送单播帧时，目的MAC地址为目的站点的MAC地址；发送广播帧时，目的MAC地址填写全1地址，即FFFF-FFFF-FFFF-FFFF；发送组播帧时，目的MAC地址填写相应的组播MAC地址。需要注意的是，以太网卡具有过滤功能：只有发送给自己的帧，网卡才会接收、解封装并提交上层协议处理，否则丢弃。然而，对于特殊需要的功能（如监控、网络协议分析等），可以使网卡工作于混杂模式，可以接收它收到的任何帧。（3）冲突检测和处理由于以太网采用总线拓扑结构，使用共享信道传输数据，所以某一时刻只允许一个站点发送数据，其他站点接收该数据并检查是否是发送给自己的。当同一时刻有多个站点需要发送数据时，就会产生冲突，人们将在一个以太网中所有相互之间可能发生冲突的站点的集合称为一个冲突域。当一个冲突域中的站点数目过多时，冲突就会很频繁，严重影响网络性能。以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）来实现对共享信道的使用。总结CSMA/CD技术的技术特点，就是：先听后发，忙则等待，边发边听，冲突停止，随机等待后重发。2快速以太网标准以太网以10Mbps的速率传输数据，而随着以太网的广泛应用，标准以太网带宽已不能适应大规模网络的应用，快速以太网应运而生。快速以太网仍采用标准以太网机制，在双绞线或光纤上进行数据传输，但采用了更高的传输时钟频率，得到更快的数据传输速率。在快速以太网发展过程中也出现了很多标准，主要有100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX和100Base-T2。目前，100Base-TX是快速以太网的主流，其采用2对5类UTP和RJ45接头，同样采用星型拓扑结构。由于10Base-T应用广泛，且多采用5类UTP布线，