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第5章局域网技术本章要点：5.1局域网的基本概念5.2Ethernet组网技术5.3局域网设备选型5.4综合布线技术5.1局域网的基本概念5.1.1交换式局域网5.1.2虚拟局域网5.1.3OSI参考模型5.1.1交换式局域网交换式局域网的核心设备使局域网交换机，它的特点是低交换延迟；能支持不同的传输速率和工作模式以及支持虚拟局域服务。局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。它主要采用两种转发方式：快捷交换方式与存储转发交换方式。典型的交换式局域网使交换式以太网，它的核心部件是以太网交换机。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器连接。5.1.2虚拟局域网1999年IEEE公布了关于VLAN的802.1Q标准。一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。可以根据功能或应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样。局域网的组网方法一般以以下四种：（1）虚拟网络建立在局域网交换机之上（2）用MAC地址定义虚拟网（3）用网络层地址定义虚拟网（4）IP广播组虚拟局域网图5-1典型虚拟网的物理结构与逻辑结构5.1.3OSI参考模型国际标准组织制定了OSI模型。这个模型把网络通信的工作分为7层，OSI参考模型的全称是开放系统互连参考模型，它是由国际标准化组织（InternationalStandardOrganization，ISO）提出的一个网络系统互连模型。各层的功能分别如下：（1）物理层该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。在这一层，数据的单位称为比特。（2）数据链路层数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。这一层的数据的单位称为帧（frame）。（3）网络层网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，还实现拥塞控制、网际互连等功能。这一层的数据的单位称为数据包。（4）传输层传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次，它将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。同时，该层还处理端到端的差错控制和流量控制问题。这一层的数据的单位称为数据段。（5）会话层会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。（6）表示层表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。（7）应用层应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。图5-2OSI参考模型的分层结构5.2Ethernet组网技术5.2.1Ethernet的命名5.2.210BASE-T标准Ethernet组网技术5.2.3快速Ethernet组网技术5.2.1Ethernet的命名通过Ethernet的各物理层标准对其进行命名，它的名称由三部分组成。表5-1Ethernet的物理层标准命名格式IEEE802.3x（Mb/s）Type-yName（局域网名称）x为该Ethernet数据传输的速率，单位是Mb/s；Type为传输的方式，基带或频带；y为网络的最大长度，单位是100m；Name是局域网的名称。5.2.210BASE-T标准Ethernet组网技术10BASE-T的组网由网卡、集线器、交换机、双绞线等设备组成。结点都通过双绞线连接到一个集线器上，当其中一个结点发送数据的时候，任何一个结点都可以收到消息，由于集线器工作在物理层，所以每次只能有一个结点能够发送数据，而其他的结点都处于接收数据的状态。按照使用集线器的方式，双绞线的组网方法可以有：1.单一集线器结构2.多集线器级联结构3.堆叠式集线器结构。图5-3用集线器连接多个结点的Ethernet图5-4单一集线器组建的10BASE-T网络图5-5为堆叠式集线器的Ethrenet图5-6多集线器级联的Ethernet与10BASE-5和10BASE-2相比，它有如下特点：（1）安装简单、扩展方便；网络的建立灵活、方便，可以根据网络的大小，选择不同规格的交换机连接在一起，形成所需要的网络拓扑结构。（2）网络的可扩展性强。因为扩充与减少工作站都不会影响或中断整个网络的工作。（3）集线器或交换机具有很好的故障隔离作用。当某个工作站与中央节点之间的连接出现故障时，也不会影响其他节点的正常运行；甚至当网络中某一个集线器或交换机出现故障时，也只会影响到与该集线器或交换机直接相连的节点。5.2.3快速Ethernet组网技术1．IEEE802.3u协议1995年颁布的IEEE802.3u，可支持100M的数据传输速率，并且与100BASE-T一样可支持共享式与交换式两种使用环境，在交换式Ethernet环境中可以实现全双工通信。IEEE802.3u在MAC子层仍采用CSMA/CD作为介质访问控制协议，并保留了IEEE802.3的帧格式。但是，为了实现100M的传输速率，在物理层作了一些重要的改进。图5-7IEEE802.3u的体系结构2．MII接口为了屏蔽下层不同的物理细节，100BASE-T为MAC和高层协议提供了一个100M传输速率的公共透明接口，其功能与Ethernet的AUI接口相同。MII接口向上通过MAC子层的接口提供载波侦听与冲突检测的信号，向下支持10Mb/s与100Mb/s的接口，同时集线器可与其交换控制信息。3．100BASE-TX、100BASE-T4与100BASE-FX100BASE-T一般包括：100BASE-TX、100BASE-T4与100BASE-FX3种传输介质标准。表5-2三种物理层标准的对比物理层协议线缆线缆对数最大分段长度编码优点100BASE-T43类4类5类UTP4对3对：数据传输1对：检测冲突100m8B/6T3类UTP100BASE-TX5类UTP/RJ45接头1类UTP/DB-9接头2对2对100m4B/5B全双工100BASE-FX62.5UM单模/12UM多模光纤ST或SC光纤连接器2对415m4B/5B-NRZI全双工长距离4．全双工与半双工全双工是指接收与发送采用两个相互独立的通道，可同时进行，互不干扰。而半双工则是接收与发送共用一个通道，同一时刻只能发送或只能接收，所以半双工可能会产生冲突。5．100Mb/s与10Mb/s速率的自动协商在100Base-T问世以后，在Ethernet的连接器上出现的信号可能是多种不同的Ethernet信号包括10Base-T半双工、10base-T全双工、100base-TX半双工、100Base-TX全双工或100Base-FX全双工等工作模式中的任一种。为了简化管理，推出了10Mb/s与100Mb/s的自动协商模式。（1）100BASE-TX或100BASE-FX全双工模式（2）100BASE-T4（3）100BASE-TX半双工模式（4）100BASE-T全双工模式（5）100BASE-T半双工模式100Mb/s与10Mb/s速率的自动协议一般来说，具有以下功能：（1）确定双绞线的远端设备使用的是何种工作模式（2）向其他结点发布这个远端设备的工作模式（3）协调并确定双方的工作模式（4）选择两方最高性能的工作模式5.3局域网设备选型5.3.1中继器5.3.2集线器5.3.3网桥5.3.4交换机5.3.1中继器中继器工作于物理层，它对高层协议是透明的。其一，它只能对传输介质上的信号进行信号增强与转发；其二，他的作用只是增加传输距离，它不改变帧的内容；其三，它所连接的几个网络段仍属于这个局域网，只要该局域网中任一结点发送了数据，其他的结点都可以接收到这个数据，它们共享了一个冲突域。因此，中继器不属于网络互联设备。图5-8Ethernet中用中继器连接两个结点理论上说，中继器是可以把网络延长到任意的传输距离，但一般网络都有限制一对工作站之间所加入的中继器的最大数量。Ethernet中限制最多只能使用4个中继器，即最多由5个网段组成。图5-9中继器的工作原理5.3.2集线器集线器的英文称为“Hub”，即是“中心”的意思，集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时，把所有结点集中在以它为中心的节点上，建立起一个物理上的星型网络结构。它工作于物理层并采用CSMA/CD介质访问控制方式。集线器在工作时具有以下两个特点。（1）集线器只是一个多端口的信号放大设备，它在网络中只起到信号放大和发送作用。（2）集线器只与它的上连设备进行通信，而同层的各端口之间不会直接进行通信，而是通过上连设备再将信息广播到所有端口上。5.3.3网桥1．网桥的功能及工作原理网络类似于中继器，也是用于连接两个网络段，但它工作在数据链路层。网络在工作时要先分析帧的地址字段，再决定是否把收到的帧转发到另一个网络段上去。即网桥接收到数据帧后，先检查帧的源地址与目的地址，如果两个地址在同一个网络段上，就不转发；如果两个地址在不同的网络段上，就把帧转发到目的地址所在的网络段上。2．网桥使用的原因（1）许多大学的院系或公司的部门都有各自的局域网，主要用于连接他们自己的个人计算机、工作站以及服务器。由于各院系或部门的工作性质不同，因此选用了不同的局域网，而它们之间又需要进行数据的相互交流，因而需要网桥。（2）一个单位的建筑楼在地理位置上较分散，并且相距较远，在各个地点建立一个局域网，再用网桥连接起来，可以节省开销。（3）有时需要将一个逻辑上单一的局域网分成多个局域网。（4）在有些情况下，相距较远的两台主机之间的物理距离太远，来回时延过长，网络仍将不能正常工作。唯一的办法是将局域网分段，在各段之间放置网桥。（5）在一个单独的局域网中，一个有缺陷的结点不断地输出无用的信息，这将破坏局域网的正常运行。网桥可以设置在局域网中的关键部位，用于防止因单个结点失常而破坏整个系统。保证网络运行的可靠性。（6）大多数局域网接口都有一种混杂工作方式，在这种方式下，计算机接收所有的帧。如果网中多处设置网桥并谨慎地拦截无须转发的重要信息。3．网桥的协议标准IEEE802.1与IEEE802.5分别制定了透明网桥与源路由网桥的协议标准。透明网桥的MAC地址表在网桥刚刚连接到局域网的时候是空的，但是透明网桥有一种有效的地址学习机制，可以使MAC地址表内容从无到有，逐渐地建立起来。网桥互联时难免会出现环状结构，如图5-10所示，这样可能使网桥反复转发同一个帧，给网络增加了不必要的负担，为了解决这个问题，透明网桥使用了生成树算法，而由该算法所制定的协议即称为生成树协议。生成树协议的核心思想是让网桥能够自动发现一个没有环路的拓扑结构的子网，也就是一个生成树。图5-10网桥互联的环状结构这种算法是从根网桥的选择开始的。根网桥是整个拓扑结构的核心，所有的数据实际上都要通过根网桥。根网桥的选择即是从网络中选择一个作为属性拓扑的树根；再让每一个网桥决定通向该根网桥的最短路径，这样，各网桥就可以知道如何到达这个“中心”；接下来，每个局域网选择其指定的网桥，或者与根网桥最接近的网桥。指定的网桥将把数据从局域网发送到根网桥；最后，是每个网段要选择一个根端口，所谓根端口也即“用来向根网桥发送数据的端口”，它一般是该网段距离根网桥最近的端口，网段上的每一个端口，甚至连接到终端系统的端口，都将参加这个根端口选择，除非你将一个端口设置为“忽略”。一个网段只能有一个根端口，其它的端口都处于阻塞状态，称为阻塞端口。生成树协议有以下几个特点：（1）生成树协议提供一种控制环路的方法采用这种控制环路的方法，在连接发生问题的时候，Ethernet能够绕过出现故障的连接。（2）生成树中的根网桥是一个逻辑的中心生成树协议监视整个网络的通信。最好不要依赖设备的自动选择去挑选哪一个网桥会成为根网桥。（3）生成树协议重新计算的开销很大恰当地设置主机连接端口并推荐使用快速生成树协议。4．网桥的分类网桥多种有分类方式：（1）从网桥的帧转