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第3章局域网3．１概述3．2局域网协议标准3．3以太网协议3．4以太网组网的发展原理返回3．１局域网概述3．1．1基本概念3．1．2局域网的发展3．1．3局域网的特点3．1．4局域网的分类返回3．1．1基本概念一般来说，局域网是地理范围比较小的网络，“局域”是相对于城域和广域的范围来说的局域网应用非常广泛，大部分网络的应用都是以局域网的形式出现的，如企业网、校园网等都是以局域网作为最基本的网络应用单元，当需要与其它分支机构通信时，可以通过广域网互连的方式形成一个完整的信息管理系统当谈到局域网的时候有时可能是指一种网络类型有时可能是指一种网络应用系统有时还可能是指某种网络协议本章将以以太网作为实例介绍局域网通信子网协议返回3．1．2局域网的发展历史1．试验阶段2．产品化阶段3．标准化阶段4．发展阶段返回1．试验阶段1969年广域网ARPAnet研制成功(是个广域网)当时许多大学和研究机构的工作人员都在致力于研究如何在一个比较小的地理范围之内，辟如说一个实验室、办公室或一栋楼房，把一些小型机等计算机设备通过通信设施连接起来，以便共享资源1969年，美国贝尔实验室研究了Newhall环形局域网1972年开发了Pierce环形网络1974年英国剑桥大学计算机研究室研究成功了著名的剑桥环局域网（Cambridge-Ring）1976年美国Xerox公司PaloAlto研究中心利用夏威夷大学ALOHA无线电网络系统原理成功开发了以太网（Ethernet）返回2．产品化阶段1980年美国DEC公司、Intel公司和Xerox公司联合公布了以太规范DIX标准（局域网发展的里程碑）1985年IBM公司又推出了它的IBMTokenRing环形局域网产品3．标准化阶段进入80年代，局域网的研制工作开始由实验室走向产品化和标准化的阶段1980年2月，IEEE学会下属的802局域网标准委员会宣告成立（开始对局域网进行标准化）从1980年至今，802委员会已陆续制定了环网、总线网、令牌总线网、光纤网、宽带网、城域网和无线网等多种局域网标准4．发展阶段速度从10Mb/s发展到100Mb/s继之又发展到1Gb/s即千兆以太网使得以太网形成了从共享到交换；从半双工到全双工；从桌面到骨干；从局域网到城域网的系列技术令牌环网逐渐失去了其应有的市场FDDI环形网在局域骨干网领域也失去了与以太网的竞争力宽带网ATM曾以其信元交换的特性与以太网在局域网领域竞争，最后也被淘汰出局万兆以太网现在万兆（10Gb/s）以太网的标准已经发布（并且有了产品）10G以太网不只是提高了速度，更主要的是要把以太网用于广域网WAN领域这样以太网就可以实现：从LAN到MAN再到WAN的无缝连接从骨干传输网到接入网最后再到桌面3．1．3局域网的特点局域网的定义：局域网是在较小的地理范围内，以共享资源为主要目的，把计算机等终端设备连接起来的一种计算机通信网络返回局域网具有以下几个特点：1．局域网是在较小地理范围之内的网络2．局域网是专用网3．局域网的数据传输率高，误码率低4．局域网使用共享信道技术5．局域网价格低廉、组网容易、使用方便3．1．4局域网分类按拓扑结构分，可以把局域网分成总线型、树型、环型和星型按使用介质分可以把局域网分成有线网和无线网在有线网中，又包括双绞线、同轴电缆和光纤无线局域网是指以红外、微波作为传输介质的网络还可以按介质访问控制方式分返回其它分类有时还根据局域网使用的操作系统：3COM网Novell网NT网3．2局域网协议标准3．2．1共享介质的访问控制3．2．2局域网体系结构3．2．3IEEE802标准返回3．2．1共享介质的访问控制1．共享介质访问控制方式2．令牌环介质访问控制方式3．随机访问返回1．共享介质访问控制方式局域网最主要的特点是共享介质，又称为共享信道所谓共享介质就是所有站点（计算机）都连接在一条物理线路上当一个站点发送信息时，其他站点都可以收到，处于广播方式发送信息，因此，共享信道有时又称为广播信道与点对点的交换方式相比较，共享介质虽然比较简单、节省设备，但是带来的问题是如何进行控制，使两个站点不会同时发送信息，否则就将发生信息冲突人们把这种机制称为共享介质的访问控制方式返回介质访问控制方式的种类有多种介质访问控制方式一般分为静态和动态两种例如多路复用即采用静态访问控制动态访问控制又分为两种，包括集中控制和分散控制集中控制要设置一个控制站，通过轮询的方式控制在同一个时刻只能有一个站点发送信息，这种方式由于效率低，在局域网中很少采用局域网采用分散控制分散控制又分为两种主要方式，一种是受控访问，称为令牌环访问控制方式还有一种是随机访问，称为以太网访问控制方式2．令牌环介质访问控制方式环型网主要有三种介质访问控制方式：令牌环时间片寄存器插入在这三种方式中，令牌环是最主要的访问控制方式，已由IEEE802委员会建议成为局域网协议标准之一，即IEEE802.5，这里只讨论令牌环方式在令牌环网中，按照某一个固定的方向运行着一个信息帧。帧在经过某一个站点时，一般只产生一位的延迟，所以这种环型网属于广播方式在信息帧中有一个特殊的称为令牌的位组合，它控制信息帧的传输令牌经所有站点沿着环路运行，若某个站点没有信息可发，就把令牌传送到下一个站点若某个站点有信息可发，并且恰好得到令牌，则把要发送的信息复制到令牌帧上，并给出源、目的地址，然后修改令牌，使令牌帧传送到目的站点没有得到令牌的站点此时只能处于接收状态凡站点地址与令牌帧上目的地址不相符的站点，则把令牌帧继续传递下去若相符，则接收数据，修改应答字段，使令牌帧继续传送直至回到源发送站点源发送站点检查应答字段，若已正确接收，则释放令牌，以便其他站点也有机会得到令牌，若目的站点没有正确接收，则重发此帧由于在任何时刻都只有一个令牌，并且只能有一个站点发送信息，所以不会发生信息冲突，实现了信道的访问控制。令牌环网的典型实例是美国贝尔实验室的Newhall环型网，如图3-1所示图3-1Newhall环网S表示帧的开始，E表示帧的结束，该环的令牌格式只有一位T，所以为了和用户数据严格区分开，只能依靠严格的帧格式位置来识别令牌位IBMTokenRing1985年，IBM公司推出了基带环网IBMTokenRing，采用令牌访问控制方式，IEEE802.5就是以此为基础制定的标准IBMTokenRing是一种星环型拓扑结构，具有比较高的可靠性，支持4 Mbps或16Mbps的数据传输率，可以使用屏蔽双绞线、普通电话双绞线和光纤介质当使用屏蔽双绞线时可以连接2~260台设备，网络的覆盖范围没有限制，只受站点数限制FDDI1986年推出了一种称为光纤分布数据接口（FibreDistributedDataInterface，FDDI）的环型局域网，传输速率是100Mbps，传输距离最大可以达到100公里FDDI的设计思想来自于IBMTokenRing，为了提供网络的可靠性，FDDI采用了双环结构FDDI作为局域网的主干是当时一个非常好的选择，但是由于价格等市场因素，加之ATM和快速以太网技术的出现，FDDI没有得到继续发展，现在已经很少使用了3．随机访问随机访问是局域网中非常重要的一种共享介质访问控制方式，又称为多路访问技术，其设计灵感来自于美国夏威夷大学的无线校园网ALOHA因为夏威夷大学的各个系分布在一些岛屿上，所以ALOHA原来工作在无线信道上，后来经过改进使ALOHA可以工作在有线的同轴电缆上ALOHA发送数据采用典型的随机访问方式：任何一个站点都可以随机发送信息帧到信道上，每个站点都有一个定时机构，信息帧发出后开始定时，接收站收到帧后，如果校验正确，发回ACK，表示一次信息发送获得成功如果接收站收不到正确的帧则不作任何应答，原来的发送站在定时时间内如果收不到ACK，则认为帧在传输过程中发生了冲突而必须重新发送由此可见，这种随机访问方式的特点是协议非常简单，但是也存在很多的问题。如图3-2所示162435站1站2站3成功成功重发重发重发重发tttt0图3-2纯ALOHA访问方式ALOHA访问方式规定每个帧的长度一定，用t0的时间延迟来表示帧长，站点1发送的帧1成功，站点2发送的帧2与站点3发送的帧3发生冲突，说明发送信息失败，这时必须全部重发站点2发送的帧4与站点1发送的帧5又发生冲突，因此还必须重发，而站点3发送的帧6成功大量地重发信息必然导致信道拥塞，使得信息发送的效率下降，因此这种方式在结点数比较少或者信息量比较小时，发送信息时延小，信息传输率高但在结点数比较多或者信息量比较大时，信息发生冲突的机会加大，网络性能将急骤变差由于随机访问方式协议简单，因此人们开始不断进行研究和改进，从纯ALOHA一直到CSMA/CD方式，使得网络传输效率不断得到提高，最后达到了90%，这就是后来采用随机访问方式的以太网随机访问方式又称为总线竞争方式受控访问随机访问：分散控制：集中控制探询轮询令牌环以太网动态静态集中器等介质访问控制方式：共享介质访问的特点：局域网与广域网不同：广域网是点对点连接，广域网的各结点都是结点交换机局域网是共享信道共享信道的特点是一个结点发送信息多个结点都可以接收这种传输信息的方式又称作广播方式3．2．2局域网体系结构回顾一下前面所讨论的内容广域网采用分组交换，通信子网一般分为三层，包括物理层、链路层和网络层其中网络层的作用是实现交换、路由和流量控制局域网的通信子网与广域网有很多的不同，局域网是共享介质、广播方式，采用共享介质访问控制实现数据的发送与接收，因此局域网通信子网的体系结构与广域网存在着很大的区别，主要体现在：第一，局域网是共享介质的，不需要分组交换，因此基本上不需要网络层，或者说，局域网的网络层可以做的很薄第二，局域网通过共享介质访问控制实现数据的传输，而实现底层数据传输的功能是由链路层实现的，因此局域网链路层的功能变得比较复杂，也就是说，局域网的链路层可能要做的很厚，甚至要分为两个子层以便更好地实现链路层的功能第三，由于局域网采用不同的介质访问控制方式，因此很难制定一个统一的链路层标准返回IEEE802局域网标准20世纪80年代初，许多标准化组织都在致力于局域网的标准化，美国电气和电子工程师协会IEEE802委员制定了IEEE802局域网标准，得到了ISO的认可，成为局域网的国际标准IEEE只制定了局域网物理层和链路层的标准，如果不考虑网络互连，可以不需要独立的网络层，而把网络层的部分功能合并到链路层高层协议遵从OSI的标准，由具体应用实现，因此IEEE802实质上只是一个通信子网的协议标准把链路层分为两个子层：逻辑链路控制子层（LogicalLinkControl，LLC）媒体控制子层（MediumAccessControl，MAC）如图3-3所示物理层链路层LLC子层MAC子层物理层LANOSI图3-3局域网标准该标准还描述了与OSI相比较的分层模型LLC子层的作用与以前的链路层作用相当，通过差错控制和流量控制功能实现无差错的LLC协议数据单元的传输MAC子层的功能是实现局域网共享信道的访问控制，把LLC子层的数据封装成帧并进行发送（或相反的接收过程），而且进行比特差错检测和寻址等把链路层分为两个子层，其目的是为了由LLC子层屏蔽不同的介质和拓扑结构的局域网带来的差异这种差异体现在MAC子层的控制，这样高层协议就可以适用于各种局域网，包括总线网、令牌环网和令牌总线网等局域网对于高层是透明的，这是由于LLC子层的屏蔽作用所致3．2．3IEEE802标准IEEE802局域网工作委员会共设有若干个分委员会，分别负责制定相应的标准，有些标准还在不断的制定中返回常用的标准包括：·802.1：802标准的概述、体系结构、网络互连和网络管理。·802.2：逻辑链路控制子层LLC标准，是高层协议与MAC子层间的接口。·802.3：CSMA/CD协议标准，定义了CSMA/CD总线的MAC子层和物理层标准。·802.4：令牌总线网，定义了令牌传递总线网的MAC子层和物理层标准。·802.5：令牌环网，定义了令牌传递环