第3章局域网基础.

第3章局域网基础3.1局域网基础知识3.2局域网拓扑结构3.3局域网传输介质3.4传输介质访问控制方法3.5实训：捕获并观察MAC帧教学目标与教学要求本章的主要介绍局域网的基本知识。通过本章的学习，应掌握局域网的特点，理解三种基本拓扑结构，掌握传输介质及介质访问控制方法，最后通过实训，应理解局域网的基本运作方式，为后续组网技能训练做准备。教学目标:教学要求:知识要点能力要求相关知识局域网特点理解局域网的基本特点及应用范围覆盖范围、传输速率、3个技术要素拓扑结构掌握局域网的三种基本拓扑结构总线型、环型、星型及混合型拓扑结构传输介质掌握局域网的主要传输介质及其特性同轴电缆、双绞线、光缆介质访问控制方法理解局域网的基本工作过程MAC地址、MAC帧3.1局域网基础知识局域网标准是由IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，电子与电气工程师协会）下属的IEEE802委员会制定的。IEEE802委员会制订了多种的局域网标准，其中包括著名的以太网（Ethernet）、令牌环网（TokenRing）、光纤分布式接口网（FDDI）、异步传输模式网（ATM）及无线局域网（WLAN）等。3.1局域网基础知识局域网工作在OSI体系结构的物理层和数据链路层，也即TCP/IP体系结构的网络接口层。3.1.1局域网工作的网络层次3.1局域网基础知识通信信道的有以下两种使用方式：1）广播通信方式。一对多的通信方式，存在信道争用（冲突）问题，相对复杂，必须使用专门的共享信道协议来协调各个主机的发送和接收。如共享式（使用同轴电缆或集线器）以太网。2）点对点通信方式。一对一的通信方式。不存在信道争用问题。如交换式（使用交换机）以太网。3.1.1局域网工作的网络层次3.1局域网基础知识局域网的主要特点有：1）局域网覆盖有限的地理范围，一般不超过几千米。2）局域网传输速率高（10Mbps~100Gbps）、误码率低（通常低于10-11）。3）通信延迟时间短，可靠性较高。4）局域价格便宜，网组建容易，易于管理和维护。决定局域网特性的技术要素有3个方面：拓扑结构、传输介质和介质访问控制方法。3.1.2局域网主要特点3.2局域网拓扑结构拓扑就是使用一些简单的几何图形来表示复杂结构的一种方法。网络中的计算机等设备要实现互联，就需要以一定的几何结构方式进行连接，这种连接方式就叫做“拓扑结构”，简单地讲就是这些网络设备是如何连接在一起的。把网络中各个节点以及节点之间的通信线路的几何关系画成拓扑图，可反映局域网中各个实体的组成关系及通信特性。局域网的拓扑结构主要有总线型结构、环型结构和星型结构3种基本类型，这三种基本类型还可以组成混合型拓扑结构。3.2局域网拓扑结构在总线型拓扑结构的局域网中，所有的节点都通过自己的网络接口卡（简称网卡）连接到一条作为公共传输介质的总线上，因此每次只能由一个节点传输数据，数据的传输通常以“共享介质”方式进行，也就是数据在总线上以“广播”的方式传播，其他节点都会收到发送节点传输的数据，但只有真正的接收者才会收下数据。这种模式类似于生活中的广播找人。3.2.1总线型拓扑结构3.2局域网拓扑结构环型拓扑结构局域网的特点是每个节点都与两个相邻的节点相连，节点之间采用点到点的链路，网络中的所有节点构成一个闭合的环，环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输。在单环结构中，断开环中的一个节点，意味着整个网络的通信终止，这是环型拓扑结构的一个主要缺点。后来发展的双环结构（FDDI）可弥补此缺点。3.2.2环型拓扑结构3.2局域网拓扑结构星型拓扑结构是由中央节点通过“点到点”通信链路连接到其他节点组成的。中央节点执行集中式通信控制。在星型拓扑结构中，当一台计算机要和另外一台计算机通信的时候，必须先把信息传递给中央节点，然后由中央节点转发给目的计算机。中心节点通常是交换机。3.2.3星型拓扑结构3.2局域网拓扑结构星型拓扑结构主要优点有：1）控制简单。在星型网络中，任何一节点只和中央节点相连接就能通信。2）故障诊断和隔离非常容易，网络易于管理和维护。在星型网络中，中央节点和线路可以逐一分开进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个节点，不会影响全网，因为传输信息时靠的是中央节点而不是计算机本身。3）可扩展性好，配置灵活。中央节点可以方便地对各个节点提供服务和对网络重新配置。4）网络延迟时间短。由于各个节点计算机之间的通信必须通过中央节点，而点到点之间计算机的通信只需要一步转发（中央节点转发）即可。星型拓扑结构主要缺点是：中央节点的通信负担重，容易形成瓶颈效应；在可靠性方面要求较高。因为星型局域网依赖于中央节点，如果中央节点出现问题，会导致网络瘫痪。3.2.3星型拓扑结构3.2局域网拓扑结构局域网的总线型结构、环型结构和星型结构这三种基本拓扑结构类型，在理论上可以任意组合，成为混合型拓扑结构。但最目前常见的组合是多个星型结构组成的树形结构。3.2.4混合型拓扑结构3.3局域网传输介质同轴电缆由中心铜线、绝缘层、金属屏蔽网以及塑料外套所组成，如图3-6所示。由于金属屏蔽网的作用，同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于较高速率数据的传输。在局域网发展早期曾广泛地使用同轴电缆作为传输介质。3.3.1同轴电缆3.3局域网传输介质双绞线是现在的局域网中采用最多的一种传输介质，由8根绝缘铜线组成。为了减少信号传输中的相互串扰及外界电磁干扰，通常每两根相互绞在一起形成4对，外部再套上一个塑料保护管。双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP，UnshieldedTwistedPair）和屏蔽双绞线（STP，ShieldedTwistedPair）。3.3.2双绞线3.3局域网传输介质双绞线特别适合于短距离的信息高速传输，传输距离一般为100米左右。由于非屏蔽双绞线成本低于屏蔽双绞线，所以非屏蔽双绞线使用更广泛。双绞线电缆主要用于星型拓扑结构的网络，需要通过RJ-45接头（俗称水晶头）与网卡、交换机、集线器、路由器等设备相连。3.3.2双绞线3.3局域网传输介质1991年，美同电子工业协会EIA和电信行业协会TIA联合发布了一个商用建筑物布线标准EIA/TIA-568。下表给出了目前常用的双绞线的类别、传输速率和典型应用。3.3.2双绞线双绞线类别最高传输速率典型应用1类2Mbps电话线（模拟信号）2类4Mbps电话线（模拟信号）3类16Mbps10Mbps以太网4类20Mbps10或100Mbps以太网5类100Mbps100Mbps以太网超5类（5E）1000Mbps100或1000Mbps以太网6类24Gbps1000Mbps以太网3.3局域网传输介质光缆是一种常用的网络连接介质，它能高速传输光脉冲信号。光缆由封装在隔开鞘中的多条光导纤维（简称光纤）组成。3.3.3光缆3.3局域网传输介质从横截面观察，每根光纤都被反射包层、加固材料和外保护套所包围。光纤可由石英、玻璃和塑料等材质制造，分为由内核和包层，内核折射率很高，而包层折射率很低。这样在光纤中传输的光将在内核与包层的交界处形成全反射，这个过程不断重复，光线也就沿着光纤持续传输下去。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光线在纤芯中传输数十公里而基本上没有什么损耗，这一点是光纤通信得到飞速发展的关键因素。3.3.3光缆3.3局域网传输介质光纤可以分为多模光纤和单模光纤。光缆的主要优点有：1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据．4）体积小，重量轻。5）传输速率高，从l00Mbps到1Gbps（l000Mbp/s），甚至可达到1Tbps（1000Gbps）。光缆也有一定的缺点，主要是要将两根光纤精确地连接需要专用设备，高速光电转换接口的相关设备还较贵。3.3.3光缆3.4传输介质访问控制方法早期的局域网是“共享”（使用同轴电缆或集线器）式局域网，也就是一对多的广播通信方式。在共享式局域网中，局域网中的传输介质是共享的，所有节点都可以通过共享介质发送和接收数据。但不允许两个或多个节点在同一时刻同时发送数据，也就是说数据传输是以“半双工”（即通信的双方都可以发送和接收，但是不能双方同时发送和接收，即在一个时刻一方只能发送，另一方只能接收）方式进行的。但是，不加控制也有可能出现两个或多个节点同时发送、相互干扰的情况。这时，接收节点收到的信息就有可能出现错误，这就是所谓的“冲突”问题。冲突问题的产生就如一个有多人参加的讨论会议，一个人发言不会产生问题，如果两个以上的人同时发言，听众就会被干扰而无法听清。3.4传输介质访问控制方法每个网卡上都有一个全球唯一的编号，一般称之为介质访问控制地址（MediaAccessControladdress），简单称MAC地址，也可称之为物理地址或硬件地址。MAC地址属于数据链路层的内容。MAC地址是一个48位的二进制数，一般用12个十六进制数表示，如：00-E0-4C-C1-61-31。MAC地址分为两个部分，前24位表示网卡制造商的识别码，由IEEE统一分配；后24位是网卡的编号，由网卡制造商自行分配。3.4.1MAC地址3.4传输介质访问控制方法当源主机向网络发送数据时，数据带有目的主机的MAC地址。网络中的节点接收到该数据后，它们检查数据中的目的主机MAC地址是否与自己MAC地址相符，如果相符，网卡就保留该数据；如果不符，网卡就丢弃该数据。3.4.1MAC地址3.4传输介质访问控制方法局域网的主机通信时所发送的数据必须遵循一定的格式，这个格式称为“帧”。帧属于数据链路层的内容。以太网的标准帧格式如图所示。在以太网上传送数据是以帧为单位传送的，一个帧的长度至少是64字节（才能检测到冲突），最长不超过1518字节（帧太大碰撞冲突的几率也大，在检测到有错误的情况下需重发，影响了效率）。3.4.2MAC帧3.4传输介质访问控制方法一个帧就相当于现实生活中的一封信，数据部分相当于信纸，其他部分相当于信封。如果把帧比作一辆卡车，数据部分相当于货物，其他部分相当于车头。根据帧的接收者不同把局域网通信帧分为：1）单播（unicast）帧（一对一），即发送给本局域网上某一台主机。帧的目的MAC地址为接收主机的MAC地址。2）广播（broadcast）帧（一对全体），即发送给本局域网上所有主机。帧的的目的MAC地址为二进制的全1（0xFFFFFFFFFFFF）。3）多播（multicast）帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。帧的目的MAC地址为多播地址。3.4.2MAC帧3.4传输介质访问控制方法因为早期局域网所采用的传输介质是共享的，所以必须解决多个主机对传输介质的“争用”问题。不同类型的局域网采用不同的介质访问方法解决“争用”问题，主要有带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方法、令牌总线（TokenBus）方法、以及令牌环（TokenRing）方法。3.4传输介质访问控制方法以太网采用带有冲突监测的载波侦听多路访问（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD）方法实现对共享介质的访问控制。CSMA/CD是一种典型的分布式介质访问控制方法，它没有集中控制中心，网中的所有节点具有相同的优先级。多台主机随机“竞争”使用同一条链路。由于发送采用竞争机制，因此发送等待延迟并不确定，而且在高负载时，冲突几率的增大会使网络的性能产生大幅下降。但是，由于其方法简单、实现容易、组网方便，因此得到了广泛应用。目前，以太网在局域网市场上占有绝对的主导地位。3.4.3传输介质访问控制方法3.4传输介质访问控制方法总线上只要有一台主机在发送数据帧，总线的传输资源就被占用，所有其他主机都会收到这个数据帧。因此，在同一时间只能允许一台主机发送信息，否则各主机之间就会相互干扰而产生冲突，总线上传输的信号就会出现严重的失真，从而无法从中接收正确的信息，结果大家都