第三章 局域网技术基础

第三章局域网技术基础3.1局域网概述局域网技术是当前计算机网络技术领域最重要的一个分支，也是发展最快，研究最为活跃的一个领域。局域网作为一种重要的基础网络在企业、机关、学校等各种单位和部门得到广泛的应用，同时还是因特网的基础网络。3.1.1局域网特点•LAN是一个数据通信系统，在一个适中的地理范围内，把若干独立的设备连接起来，通过物理通信信道，以很高的数据传输速率实现各独立设备之间的直接通信。•LAN是一个通信网，不仅仅是一个计算机网络，广义上将电话交换机(CBX)也是属于局域网技术，•LAN支持多对多的通信，即连在LAN内的每一设备都能与其他设备相连。•局域网概念中的设备是广义的，它包括在传输媒体上的任何设备。•局域网在一个合适的地理范围内，一般在10公里左右。•局域网通过物理信道相连，通常使用同轴电缆、光缆双绞线等等。•局域网内的数据以很高的速率进行传播。3.1.2局域网硬件的基本组成•网络服务器•工作站•网卡•传输介质（媒体）•网络互联设备3.1.3局域网软件的基本组成•网卡驱动程序•网络操作系统•网络协议3.1.4局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构可以从物理的观点和逻辑的观点来说明。物理的拓扑结构描述构成局域网组件的地理布局。拓扑结构不是网络图，而是采用图形描述局域网的形状和结构理论结构。（1）总线型拓扑结构•总线型拓扑结构使用开路电缆直接连接所有节点，这些节点构成菊花链，在这总线上只能支持一个通道，这个通道称为总线。•总线的两端必须使用阻抗负载端接，称为端接电阻，用以防止信号反弹。当一个工作站发送信号时，信号自动向电缆两端传播，如果没有电阻信号到达总线一端时，就返回，反复振荡，影响数据传播。EthernetWorkstationWorkstationWorkstationWorkstationWorkstation•典型的总线拓扑结构使用一根电缆，以菊花链的形式连接所有网络节点。所有连接在上的设备侦听总线上的传输，并接收发送给自己的数据包。•总线型拓扑结构的一般是以以太网早期两种标准出现10Base2和10Base5。（2）环形拓扑结构环形拓扑结构一开始作为简单对等局域网拓扑结构出现，每个工作站有两个连接，每个连接到最近的物理邻居，这个互联必须形成一个物理环，数据沿着这个环单项传输，每个工作站作为一个中继器接收和应答发送给他的数据包，并把其他数据包转发给下一个工作站。•原始的局域网环形拓扑结构采用工作站之间的对等连接，这些连接必须是闭合的，即必须形成一个环，他的优点是响应时间可以预测，环上设备越多，网络延时越长。缺点显而易见，环上设备一个出现故障，整个网络瘫痪。•IBM令牌环采用类似的原理，后来称为IEEE802.5标准规范。（3）星型拓扑结构•星形拓扑结构局域网实际上使用一个总线，联网设备呈辐射状地连到一个公共节点，这个公共节点就是集线器，每个联网设备可以独立访问介质，同时共享集线器可用带宽，它应用的典型实例是10BASET的以太网。•星形拓扑结构局域网固有的风险是集线器，如果集线器出现故障，则连在该集线器上的设备都失去与局域网的连接。•星形拓扑结构已经成为现代局域网主流拓扑结构，它灵活、可扩展和廉价，并形成局域网拓扑结构的基础。交换式局域网（4）交换机与拓扑结构交换机是一个多端口的数据链路层（OSI参考模型第二层）设备，交换机学习介质访问控制地址，并把它们放入一个内部表中，在帧的源发者和目的者之间建立一个临时交换路径，并沿这个临时路径转发数据帧。交换式局域网具有星形拓扑结构的特点，每个端口以及连接到自己的设备都有自己的带宽，目前已经有了第三层地址如IP分组的交换机。交换机从以下两个方面改变了局域网的性能：•增加了总带宽•减少每段带宽的设备数但交换机不能隔离广播，如果局域网内工作站数量过多，则可能产生过大的广播流量，这将严重地影响局域网的性能。3.2媒体访问技术不同的拓扑结构网络系统，其设备连接方式是不同的。在星形结构网中，当两个站点建立信道时，交换机必须确保两个端点在呼叫期间有专用通道；在总线或环形结构中，所有设备通过一条物理传输通道连接起来，因此不同的拓扑结构有不同的媒体控制访问方法，为了确保传输媒体的访问和使用，必须遵守一定的媒体访问控制规则。（1）载波侦听多路访问（CSMA/CD)CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)技术包括载波侦听多路访问（CSMA)和碰撞检测（CD)两个方面的内容。它的基本思想是：•如果一个结点要发送数据，就以广播的方式把数据通过公共传输介质的总线发送出去，所有结点都能收到这个信号。•当有一个工作站希望发送报文时，首先侦听电缆，如果此时电缆忙就等待，直到空闲再发送；如果在一根电缆上有两个或多个站同时开始发送，便会产生碰撞，则碰撞站应结束发送，等待时机，然后重复上述过程(2)控制令牌控制令牌可用于环形和总线型拓扑结构，这种方式在环形和总线网中建立起来的都是环，是一种逻辑环。控制令牌表示一种权力，网络中所有站点按照他们共同认同的规则，从一个站点到另一个站点传递控制令牌，对任意一站点来说只有当它有令牌时才能发送报文，当报文发送完毕后，令牌传递给下一个站点，控制令牌访问操作过程如下：•建立逻辑环，然后产生一个控制令牌•令牌沿着逻辑环从一个站点传到另一站点•当等待发送报文的站点收到令牌后，站点将报文利用物理媒体发送出去•站点发送报文完后，将控制令牌发送给下一个站点。3.3局域网的标准IEEE802IEEE为美国电气电子工程师协会InstituteofElectricalandElectronicEngineers的简称。IEEE为局域网制定了多种局域网的标准，统称为IEEE802标准。IEEE802已被美国标准协会ANSI、美国国家标准局NBS、国际化标准组织ISO采用，已经成为国际标准。常用标准：•IEEE802.3定义了CSMA/CD总线媒体访问和物理层规范•IEEE802.4定义了令牌总线（TokenBus）媒体访问和物理层规范•IEEE802.5定义了令牌环（TokenRing）媒体访问和物理层规范3.4IEEE802.3标准与以太网IEEE802.3标准是一种载波侦听多路访问局域网标准，它的基本思想是有一个工作站希望发送报文时，首先侦听电缆，如果此时电缆忙就等待，直到空闲再发送；如果在一根电缆上有两个或多个站同时开始发送，便会产生碰撞，则碰撞站应结束发送，等待时机，然后重复上述过程。符合IEEE802.3标准的以太网，其拓扑结构是总线型访问控制方式是CSMS/CD方式，传输速率为10Mbps。符合以太网标准的有：10BASE5、10BASE2、10BASE-T标准。除此之外100BASE-T符合IEEE802.3u标准，它与10BASE-T标准在媒体访问方法、协议和数据帧结构基本相同，不同的是在速度上升级，同时拓扑结构采用星形拓扑结构，支持全双工的工作方式，所以传输速率实际可达200Mbps，快速以太网可以使原来的10BASE-T标准的以太网在不改变网络布线、网络管理、检测技术等情况下，顺利向100Mbps快速以太网升级。特点：（1）媒体访问方式采用竞争型媒体访问控制方法，各工作站平等、无优先权。（2）结构结构简单，价格便宜（3）通信方式所有数据通过总线传输，且传输的数据能被所有的节点接收，是广播式通信。（4）信息载荷如果信息负载小，则系统有较高的数据吞吐率，延时也小；反之信息负载大，冲突增加，数据吞吐率明显下降，网络延时也增加。（5）实时性由于是竞争使用总线，存在冲突，发送响应具有随机性，所以实时性差。3.5IEEE802.4标准与令牌总线网(1)媒体访问方式令牌总线采用无冲突媒体访问，令牌总线网中设有令牌，令牌控制信息的发送权，在传输过程中，系统建立一个逻辑环，实现的是广播式传输，由于网络之中采用令牌控制信息的发送权，所以总线令牌网不存在冲突。（2）结构令牌总线网在物理上是总线的，逻辑上是环形网，所以连接简单。（3）令牌总线网传输延时确定，并可设优先值。（4）信息载荷（5）协议网络协议复杂IEEE802.5标准与令牌(TokenRing)IEEE802.5标准描述了令牌环局域网，称之为令牌环网，它解决了环网中的一个关键问题，诊断和找出有故障的站或有问题的环的某一段，然后把有故障的站去掉，有问题的段旁路掉，使整个环继续正常运行。传输介质为屏蔽或非屏蔽双绞线，传输速率为4Mbps或16Mbps拓扑结构为环形，它具有实现简单、控制效率高等特点。基本工作原理：在令牌环中，结点通过环接口连接形成物理环。令牌是一种特殊的控制帧，具有忙闲两种状态，正常工作时，令牌沿着物理环单项逐点传递。3.6以太网络3.6.1以太网体系结构在以太网中数据链路层被分割为两个子层，因为传统数据链路控制中缺少包含多个源地址和目的地址的逻辑控制，另外也使局域网体系结构能适应多种通信介质物理层分为两个接口，媒体相关接口(MDI)，另一个是连接单元接口(AUI)。MDI与媒体相关接口随媒体而改变但不影响LLC和MAC的工作，AUI是粗缆收发器连接口。•以太网体系结构与OSI参考模应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层网际层物理层逻辑链路控制层（LLC)介质访问控制层(MAC)物理层3.6.2带有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)以太网采用带有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)技术进行媒体访问具体思想是：它的基本思想是有一个工作站希望发送报文时，首先侦听电缆，如果此时电缆忙就等待，直到空闲再发送；如果在一根电缆上有两个或多个站同时开始发送，便会产生碰撞，则碰撞站应结束发送，等待时机，然后重复上述过程。为了保证这种操作机制能正常运行，还需具备检测有无碰撞的机制，这便是碰撞检测(CD)，工作站在发送过程中仍需不断检测是否出现碰撞，如果发送过程中有碰撞发生，工作站便发送一条短的干扰信号，保证所有站点都知道出现了碰撞，发完干扰信息后，再延时一段时间再重新发送。3.6.3MAC帧以太网发送数据是按一定格式进行的，以太网的帧由8个字段组成，每一段符合这个格式的数据段称为帧前导码帧首界定符目的地址源地址长度指示器LLC数据填充帧检测序列7字节1字节6字节6字节2字节46－1500字节不定4字节地址字段地址字段包括源地址和目的地址，源地址第一位恒为0，目的地址第一位1时表示发给一组工作站；为0时表示发给一个工作站；全部为1时，表示对全网广播。3.6.4以太网卡以太网卡是计算机与通信介质进行数据交换的中间处理部分，每个网卡都有自己的控制器，用以确定何时发送和接收数据，并执行IEEE802.3的规定的规程。当计算机有数据要发送时，便向网卡处理器发出中断请求，微处理器将数据存在RAM中，并进行格式转换，随后将数据发送到网上。同时检测发送过程，确定发送是否成功。接收数据过程类似上述过程。以太网卡的类型按总线类型分：PCI、ISA、EISA等等按通信介质接口:BNC,RJ45,AUI等等3.6.5网卡与通信介质的连接•粗缆收发器•细缆连接器•网卡与双绞线连接•网卡与光缆连接3.6.6以太网10Base–5以太网10Base–5是IEEE802.3标准以太网，有如下特性：•拓扑结构：总线性拓扑结构•站点数量：每个网段最多100个，如果连接中继器最多可达492个•传输媒体：粗同轴电缆，两端用50欧姆电阻端接•传输速率：10Mbit/s•传输距离：500米，如果加中继器可达2500米。•收发器间最短距离为2.5米•收发器到站点最大距离不超过50米EthernetWorkstationWorkstationWorkstationWorkstationWorkstation3.6.7以太网10Base–2•拓扑结构：总线型拓扑结构•传输媒体：细同轴电缆，两端用50欧姆电阻端接•传输速率：10Mbit/s•拓扑结构：总线性拓扑结构•传输距离：每段185M，加上中继器最大总长度925m•最大站点数：每个网段30个，使用中继器最多可达142个3.6.8以太网10Ba