《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》專業(yè)課程-第5章 局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)中國(guó)工信出版集團(tuán)人民郵電出版社FoundationsofComputerNetworkTechnology局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)——第五章CONTENTSCONTENTS01局域網(wǎng)概述02局域網(wǎng)的組成03局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)04局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式05以太網(wǎng)技術(shù)一、局域網(wǎng)概述LAN的發(fā)展和技術(shù)

局域網(wǎng)是20世紀(jì)70年代后迅速發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其標(biāo)準(zhǔn)繁多，經(jīng)過(guò)30多年的大浪淘沙，以太網(wǎng)逐漸占據(jù)了上風(fēng)。

雖然局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）的發(fā)展只有40多年的歷史，但其發(fā)展速度很快，應(yīng)用范圍非常廣泛，已經(jīng)涵蓋共享訪問(wèn)技術(shù)、交換技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)。一、局域網(wǎng)概述LAN的特點(diǎn)（1）地理范圍一般不超過(guò)幾公里，通常網(wǎng)絡(luò)分布在一座辦公大樓或集中的建筑群內(nèi)，為單個(gè)組織所有；（2）通信速率高，傳輸速率一般為10～100Mbps，甚至1000Mbps，能支持計(jì)算機(jī)間高速通信；（3）多采用分布式控制和廣播式通信，可靠性高，誤碼率通常在11-7～11-12范圍內(nèi)；（4）可采用多種通信介質(zhì)，如同軸電纜、雙絞電纜和光纜等；（5）易于安裝、組建與維護(hù)，節(jié)點(diǎn)的增刪容易，具有較好的靈活性。二、局域網(wǎng)的組成

在LAN的實(shí)際應(yīng)用中，最重要的仍然是資源共享，包括高速的或貴重的外圍設(shè)備的共享、信息共享、訪問(wèn)文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)。局域網(wǎng)的組成包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NetworkOperatingSystem，NOS）和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（NetworkProtocol）也是組成局域網(wǎng)不可缺少的部分。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源運(yùn)行進(jìn)行管理。二、局域網(wǎng)的組成從使用角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可分為文件服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、打印服務(wù)器等。1.文件服務(wù)器

文件服務(wù)器能將大容量磁盤空間提供給網(wǎng)上用戶使用，接收客戶機(jī)提出的數(shù)據(jù)處理和文件存取請(qǐng)求，向客戶機(jī)提供各種服務(wù)2.應(yīng)用服務(wù)器

根據(jù)服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中用途的不同，應(yīng)用服務(wù)器由可分為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、通信服務(wù)器、WWW服務(wù)器、電子郵件服務(wù)器等。3.打印服務(wù)器

LAN提供了共享打印機(jī)的功能。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器二、局域網(wǎng)的組成

工作站是指連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中并運(yùn)行應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的計(jì)算機(jī)，它是數(shù)據(jù)處理的主要場(chǎng)所。用戶通過(guò)工作站與網(wǎng)絡(luò)交換信息，共享網(wǎng)絡(luò)資源。工作站根據(jù)有無(wú)外部存儲(chǔ)器，可分為無(wú)盤工作站和有盤工作站；根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，可分為事務(wù)處理工作站和圖形工作站；根據(jù)操作系統(tǒng)的不同，可分為DOS工作Windows工作站、UNIX工作站、Linux工作站等。工作站二、局域網(wǎng)的組成

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是指用于網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)卡、中繼器（Repeater）、集線器（HUB）、網(wǎng)橋（Bridge）、交換機(jī)（Switch）、路由器（Router）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）等多種用于網(wǎng)絡(luò)互連的設(shè)備。網(wǎng)卡

網(wǎng)卡是組成LAN的主要器件，用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或工作站與通信介質(zhì)的連接。

2.中繼器

中繼器又叫轉(zhuǎn)發(fā)器，是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)在物理層上的連接，用于連接具有相同物理層協(xié)議的局域網(wǎng)，是局域網(wǎng)互連的最簡(jiǎn)單的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器二、局域網(wǎng)的組成3.集線器（HUB）

集線器（HUB）是一種特殊的中繼器，它作為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)電纜段的中間轉(zhuǎn)換設(shè)備將各個(gè)網(wǎng)段連接起來(lái)。4.網(wǎng)橋

當(dāng)局域網(wǎng)上的用戶日益增多，工作站數(shù)量日益增加時(shí)，局域網(wǎng)上的信息量也將隨著增加，可能會(huì)引起局域網(wǎng)性能的下降。5.交換機(jī)

交換機(jī)是一種可用于電（光）信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器二、局域網(wǎng)的組成6.路由器

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，特別是形成大規(guī)模廣域網(wǎng)環(huán)境時(shí)，網(wǎng)橋在路徑選擇、擁塞控制及網(wǎng)絡(luò)管理方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，路由器則加強(qiáng)了這些方面的功能。7.網(wǎng)關(guān)

若要使兩個(gè)完全不同的網(wǎng)絡(luò)連接在一起，一般要使用網(wǎng)關(guān)。用路由器連接的網(wǎng)絡(luò)需要相同的協(xié)議，而網(wǎng)關(guān)允許某層上有不同的協(xié)議。網(wǎng)關(guān)為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)雙方高層的每一端提供一種協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)，能在高層協(xié)議不同的情況下提供協(xié)議轉(zhuǎn)換能力。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器二、局域網(wǎng)的組成

通信介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)妮d體，是網(wǎng)絡(luò)通信的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。在局域網(wǎng)中，常用的通信介質(zhì)有同軸電纜、雙絞電纜和光纜，有的場(chǎng)合還采用無(wú)線介質(zhì)（WirelessMedium）如微波、激光、紅外線和無(wú)線電等。1.同軸電纜

同軸電纜由中心導(dǎo)體、絕緣層、導(dǎo)體網(wǎng)和保護(hù)套組成。同軸電纜按帶寬分為兩類：基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜。2.雙絞電纜

雙絞電纜由若干對(duì)雙絞線（2對(duì)或4對(duì)）外包纏護(hù)套組成。兩根絕緣的金屬導(dǎo)線扭在一起形成雙絞線，線對(duì)扭在一起可減少相互間的電磁干擾。通信介質(zhì)二、局域網(wǎng)的組成3.光纜

光纜具有很大的帶寬。

光纜由許多細(xì)如發(fā)絲的玻璃纖維加絕緣護(hù)套組成，光束在玻璃纖維內(nèi)傳輸，具有防電磁干擾、傳輸穩(wěn)定可靠、傳輸帶寬大的特點(diǎn)，適用于高速網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)絡(luò)的連接。

利用光纜連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，端口必須連接光/電轉(zhuǎn)換器，且需要其他輔助設(shè)備。光纖分為單模光纖和多模光纖兩種(所謂“?！本褪侵敢砸欢ǖ慕嵌冗M(jìn)入光纖的一束光線)。通信介質(zhì)二、局域網(wǎng)的組成多模光纖中，芯的直徑一般是50或62.5μm，使用發(fā)光二極管作為光源，允許多束光線同時(shí)穿過(guò)光纖，定向性差，最大傳輸距離為2km，一般用于距離相對(duì)較近的區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)連接；單模光纖中，芯的直徑一般為9或10μm，使用激光作為光源，并只允許一束光線穿過(guò)光纖，定向性強(qiáng)，傳遞數(shù)據(jù)質(zhì)量高，傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)100km，通常用于長(zhǎng)途干線傳輸及城域網(wǎng)建設(shè)等。通信介質(zhì)二、局域網(wǎng)的組成多模光纖中，芯的直徑一般是50或62.5μm，使用發(fā)光二極管作為光源，允許多束光線同時(shí)穿過(guò)光纖，定向性差，最大傳輸距離為2km，一般用于距離相對(duì)較近的區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)連接；單模光纖中，芯的直徑一般為9或10μm，使用激光作為光源，并只允許一束光線穿過(guò)光纖，定向性強(qiáng)，傳遞數(shù)據(jù)質(zhì)量高，傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)100km，通常用于長(zhǎng)途干線傳輸及城域網(wǎng)建設(shè)等。4.無(wú)線介質(zhì)

無(wú)線介質(zhì)由激光、紅外線和無(wú)線電波（這些都屬于電磁波）等，它們無(wú)需架設(shè)或埋鋪通信介質(zhì)。通信介質(zhì)二、局域網(wǎng)的組成

選擇通信介質(zhì)時(shí)要考慮的因素很多，但首先應(yīng)當(dāng)確定主要因素。選擇時(shí)可考慮的主要因素有：

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（NetworkTopology）與連接方式；

網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理范圍與節(jié)點(diǎn)間距；

支持的數(shù)據(jù)類型與通信容量；

環(huán)境因素與可靠性。通信介質(zhì)三、局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的參考模型三、局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)LAN的數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個(gè)功能子層：邏輯鏈路控制子層（LLC）介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（MAC）LLC子層和MAC子層的功能將數(shù)據(jù)組成幀，并對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行順序控制、差錯(cuò)控制和流量控制，使不可靠的物理鏈路變?yōu)榭煽康逆溌贰AN可以支持多重訪問(wèn)，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的單播、廣播和多播；劃分LLC和MAC子層的目的三、局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)已被美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ANSI接受為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，隨后又被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，稱為ISO802標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802標(biāo)準(zhǔn)四、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式

局域網(wǎng)使用的是廣播信道，即眾多用戶共享通信媒體，為了保證每個(gè)用戶不發(fā)生沖突，能正常通信，關(guān)鍵問(wèn)題是如何解決對(duì)信道爭(zhēng)用。解決信道爭(zhēng)用的協(xié)議稱為介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議（MediumAccessControl，MAC），是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的一部分。

局域網(wǎng)常用的介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議有載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）、令牌環(huán)（TokenRing）訪問(wèn)控制和令牌總線訪問(wèn)控制。采用CSMA/CD的以太網(wǎng)已是局域網(wǎng)的主流。四、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)法

載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection）是一種適合于總線結(jié)構(gòu)的具有信道檢測(cè)功能的分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制方法。最初的以太網(wǎng)是基于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的，使用的是粗同軸電纜，所有站點(diǎn)共享總線，每個(gè)站點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)幀的目的地址決定是丟棄還是處理該幀。

總線上只能有一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則數(shù)據(jù)信號(hào)在信道中會(huì)疊加，相互干擾，產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，使發(fā)出數(shù)據(jù)無(wú)效。由于站點(diǎn)都是隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的，如果沒(méi)有一個(gè)協(xié)議來(lái)規(guī)范，所有站點(diǎn)都來(lái)爭(zhēng)用同一個(gè)站點(diǎn)，必然會(huì)發(fā)生沖突。載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）正是解決這種沖突的協(xié)議。該協(xié)議實(shí)際上可分為“載波偵聽”和“沖突檢測(cè)”。四、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)法1.工作過(guò)程CSMA/CD又被稱之為“先聽后講，邊聽邊講”，其具體工作過(guò)程概括如下：（1）先偵聽信道，如果信道空閑則發(fā)送信息。（2）如果信道忙，則繼續(xù)偵聽，直到信道空閑時(shí)立即發(fā)送。（3）發(fā)送信息后進(jìn)行沖突檢測(cè)，如發(fā)生沖突，立即停止發(fā)送，并向總線發(fā)出一串阻塞信號(hào)（連續(xù)幾個(gè)字節(jié)全1），通知總線上各站點(diǎn)沖突已發(fā)生，使各站點(diǎn)重新開始偵聽與競(jìng)爭(zhēng)。四、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)法（4）已發(fā)出信息的站點(diǎn)收到阻塞信號(hào)后，等待一段隨機(jī)時(shí)間，重新進(jìn)入偵聽發(fā)送階段。CSMA/CD發(fā)送過(guò)程可描述如圖：四、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)法2.二進(jìn)制指數(shù)后退算法實(shí)際上，當(dāng)一個(gè)站開始發(fā)送信息時(shí)，檢測(cè)到本次發(fā)送有無(wú)沖突的時(shí)間很短，它不超過(guò)該站點(diǎn)與距離該站點(diǎn)最遠(yuǎn)站點(diǎn)信息傳輸時(shí)延的2倍。假設(shè)A站點(diǎn)與距離A站最遠(yuǎn)B站點(diǎn)的傳輸時(shí)延為T（圖5-6所示），那么2T就作為一個(gè)時(shí)間單位。若該站點(diǎn)在信息發(fā)送后2T時(shí)間內(nèi)無(wú)沖突，則該站點(diǎn)取得使用信道的權(quán)利。可見，要檢測(cè)是否沖突，每個(gè)站點(diǎn)發(fā)送的最小信息長(zhǎng)度必須大于2T。四、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)法

為了檢測(cè)沖突，在每個(gè)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口單元（NIU）中設(shè)置有相應(yīng)電路，當(dāng)有沖突發(fā)生時(shí)，該站點(diǎn)延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間（2T*隨機(jī)數(shù)），再重新偵聽。與延遲相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)一般?。?,M）之間，M=2min（10,N）。其中N為已檢測(cè)到的沖突次數(shù)：沖突大于16，則放棄發(fā)送，另作處理。這種延遲算法稱為二進(jìn)制指數(shù)后退算法。該算法有下面三種不同的存在方式：（1）非-堅(jiān)持CSMA若信道空閑，則立即發(fā)送。若信道忙，則繼續(xù)偵聽，直至檢測(cè)到信道是空閑的，立即發(fā)送。如果有沖突，則等待一隨機(jī)量的時(shí)間，重復(fù)前面的步驟。四、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)法（2）1-堅(jiān)持CSMA若信道忙，則不偵聽，隔一段時(shí)間間隔后再偵聽。若信道空閑，則立即發(fā)送。由于在信道忙時(shí)放棄偵聽，就減少了再次沖突的機(jī)會(huì)，但會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的平均延遲時(shí)間增加。（3）P-堅(jiān)持CSMA若信道空閑，則以P的概率發(fā)送，而以（1-P）的概率延遲一個(gè)時(shí)間單位再偵聽。一個(gè)時(shí)間單位通常等于最大傳播時(shí)延的2倍。若信道忙，則續(xù)續(xù)偵聽直至信道空閑并重復(fù)前面步驟。P-堅(jiān)持CSMA算法是一種既能像非堅(jiān)持CSMA算法那樣減少?zèng)_突，又能像堅(jiān)持CSMA算法那樣減少信道空閑時(shí)間的折中方案，最重要的是選擇好概率P。四、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式

令牌環(huán)是一種適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，已由IEEE802委員會(huì)建議成為局域網(wǎng)控制協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之一，即IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)。

在令牌環(huán)網(wǎng)中，令牌也叫通行證，它具有特殊的格式和標(biāo)記。令牌有“忙（Busy）”和“空閑（Free）”兩種狀態(tài)。令牌環(huán)訪問(wèn)控制方式五、以太網(wǎng)技術(shù)

總線局域網(wǎng)的MAC子層的幀結(jié)構(gòu)有兩種標(biāo)準(zhǔn)：一種是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；另一種是DIXEthernetV2標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示，幀結(jié)構(gòu)都由5個(gè)字段組成，但個(gè)別字段的意義存在差別。以太網(wǎng)的MAC幀格式五、以太網(wǎng)技術(shù)1.細(xì)纜以太網(wǎng)（10BASE-2）10BASE-2以太網(wǎng)采用0.2英寸50Ω的同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率為10Mbps。10BASE-2使用網(wǎng)卡自帶的內(nèi)部收發(fā)器（MAU）和BNC接口，采用T形接頭就可將兩端的工作站通過(guò)細(xì)纜連接起來(lái)，組網(wǎng)開銷低，連接方便。如圖所示。以太網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)五、以太網(wǎng)技術(shù)2.雙絞線以太網(wǎng)（10BASE-T）10BASE-T以太網(wǎng)是使用非屏蔽雙絞線電纜來(lái)連接的傳輸速率為10mbps的以太網(wǎng)。如圖所示。以太網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)五、以太網(wǎng)技術(shù)1．快速以太網(wǎng)（100BASE-T）簡(jiǎn)介

快速以太網(wǎng)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展的，因此它不僅保持相同的以太幀格式，而且還保留了用于以太網(wǎng)的CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。由于快速以太網(wǎng)的速率比普通以太網(wǎng)提高了10倍，所以快速以太網(wǎng)中的橋接器、路由器和交換機(jī)都與普通以太網(wǎng)不同，它們具有更快的速度和更小的延時(shí)。快速以太網(wǎng)五、以太網(wǎng)技術(shù)2.快速以太網(wǎng)分類

快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分為：100BASE-TX、100BASE-FX和100BASE-T4三個(gè)子類。如表所示。快速以太網(wǎng)名稱線纜最大距離優(yōu)點(diǎn)100BASE-T4雙絞線100m可以使用3類雙絞線100BASE-TX雙絞線100m全雙工、5類雙絞線100BASE-FX光纖200m全雙工、長(zhǎng)距離五、以太網(wǎng)技術(shù)3.快速以太網(wǎng)接線規(guī)則

快速以太網(wǎng)對(duì)MAC層的接口有所拓展，它的接線規(guī)則有相應(yīng)變化，如圖所示?？焖僖蕴W(wǎng)五、以太網(wǎng)技術(shù)

吉比特以太網(wǎng)技術(shù)有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3z和IEEE802.3ab