第4章、局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

第4章、局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)局域網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是在一個(gè)局部地區(qū)范圍內(nèi)，把各種計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、文件服務(wù)等設(shè)備相互連接起來的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。本章要點(diǎn)局域網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)局域網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模式虛擬局域網(wǎng)技術(shù)無線局域網(wǎng)技術(shù)4.1、局域網(wǎng)簡(jiǎn)介局域網(wǎng)LAN(LocalAreaNetwork),是一種在有限的地理范圍內(nèi)將大量PC機(jī)及各種設(shè)備互連一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和資源共享的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。組成局域網(wǎng)的5個(gè)要素：計(jì)算機(jī)傳輸媒體網(wǎng)絡(luò)適配器網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)局域網(wǎng)的特點(diǎn)區(qū)別于一般的廣域網(wǎng)(WAN),局域網(wǎng)(LAN)具有以下特點(diǎn)：(1)地理分布范較小,一般為數(shù)百米至數(shù)公里。可覆蓋一幢大樓、一所校園或一個(gè)企業(yè)。(2)數(shù)據(jù)傳輸速率高，一般為0.1-100Mbps，目前已出現(xiàn)速率高達(dá)1000Mbps的局域網(wǎng)?？山粨Q各類數(shù)字和非數(shù)字(如語音、圖象、視頻等)信息。(3)誤碼率低，一般在10-11-10-8以下。這是因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)通常采用短距離基帶傳輸，可以使用高質(zhì)量的傳輸媒體，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

(4)以PC機(jī)為主體，包括終端及各種外設(shè)，網(wǎng)中一般不設(shè)中央主機(jī)系統(tǒng),可以采用多種通信介質(zhì)(5)包含OSI參考模型中的低三層功能，即涉及通信子網(wǎng)的內(nèi)容

(6)協(xié)議簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)靈活、建網(wǎng)成本低、周期短、便于管理和擴(kuò)充。（7）多采用分布式控制和廣播通信方式。局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方式

1、局域網(wǎng)中：通信介質(zhì)同軸電纜、雙絞線、光纖通信機(jī)制廣播方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型、星型、環(huán)型

2、局域網(wǎng)按介質(zhì)訪問控制方式分類：共享介質(zhì)局域網(wǎng)交換局域網(wǎng)星型3、共享介質(zhì)訪問控制方式：具有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD

（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)

令牌環(huán)（TokenRing)

令牌總線（TokenBus）

分布式光纖數(shù)據(jù)接口（FDDI）

局域網(wǎng)協(xié)議與IEEE802標(biāo)準(zhǔn)

802.2LLC802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRingFDDI光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI應(yīng)用層表示層會(huì)話層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層介質(zhì)訪問控制數(shù)據(jù)鏈路層物理層介質(zhì)物理層介質(zhì)邏輯鏈路控制LLC服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）高層協(xié)議IEEE802參考模型OSI參考模型IEEE802標(biāo)準(zhǔn)的范圍以太網(wǎng)

1、以太網(wǎng)（Ethernet）是在70年代開發(fā)的局域網(wǎng)組網(wǎng)規(guī)范，80年代初首次公布初版，1982年又進(jìn)行了修改。不久又公布了與IEEE（電子電氣工程師協(xié)會(huì)）802.3一致的以太網(wǎng)規(guī)范。

以太網(wǎng)組成

工作站、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)卡

傳輸媒介同軸電纜、光纖或雙絞線

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型、環(huán)形和星形（一）載波監(jiān)聽多路訪問CSMA

CSMA/CD結(jié)構(gòu)將所有的設(shè)備都直接連到同一條物理信道上,該信道負(fù)責(zé)任何兩個(gè)設(shè)備之間的全部數(shù)據(jù)傳送，因此稱信道是以“多路訪問”方式進(jìn)行操作的。共享介質(zhì)局域網(wǎng)載波監(jiān)聽多路訪問CSMA的技術(shù)，也稱做先聽后說LBT(ListenBeforeTalk)。要傳輸數(shù)據(jù)的站點(diǎn)首先對(duì)媒體上有無載波進(jìn)行監(jiān)聽，以確定是否有別的站點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)。如果媒體空閑，該站點(diǎn)便可傳輸數(shù)據(jù)；否則，該站點(diǎn)將避讓一段時(shí)間后再做嘗試。這就需要有一種退避算法來決定避讓的時(shí)間，常用的退避算法有非堅(jiān)持、1－堅(jiān)持、P－堅(jiān)持三種。

1、非堅(jiān)持算法

算法規(guī)則為：

⑴如果媒本是空閑的，則可以立即發(fā)送。

⑵如果媒體是忙的，則等待一個(gè)隨機(jī)重發(fā)延遲后，再重復(fù)前一步驟。采用隨機(jī)的重發(fā)延遲時(shí)間可以減少?zèng)_突發(fā)生的可能性。

缺點(diǎn)：即使有幾個(gè)站點(diǎn)都有數(shù)據(jù)要發(fā)送，但由于大家都在延遲等待過程中，致使媒體仍可能處于空閑狀態(tài)，使用率降低。工作原理2、1-堅(jiān)持算法

算法規(guī)則：

⑴如果媒體空閑的，則可以立即發(fā)送。

⑵如果媒體是忙的，則繼續(xù)監(jiān)聽，直至檢測(cè)到媒體是空閑，立即發(fā)送。

⑶如果有沖突(在一段時(shí)間內(nèi)未收到肯定的回復(fù))，則等待一隨機(jī)量的時(shí)間，重復(fù)步驟⑴～⑵。

優(yōu)點(diǎn)：只要媒體空閑，站點(diǎn)就立即可發(fā)送，避免了媒體利用率的損失；

缺點(diǎn)：假若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免。3、P-堅(jiān)持算法算法規(guī)則：⑴監(jiān)聽總線，如果媒體是空閑的，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。一個(gè)時(shí)間單位通常等于最大傳播時(shí)延的2倍。⑵延遲一個(gè)時(shí)間單位后，再重復(fù)步驟⑴。

⑶如果媒體是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽直至媒體空閑并重復(fù)步驟⑴。

P-堅(jiān)持算法是一種既能像非堅(jiān)持算法那樣減少?zèng)_突，又能像1-堅(jiān)持算法那樣減少媒體空閑時(shí)間的折中方案。載波監(jiān)聽多路訪問CSMA的缺點(diǎn)：在CSMA中，由于信道傳播時(shí)延的存在，即使總線上兩個(gè)站點(diǎn)沒有監(jiān)聽到載波信號(hào)而發(fā)送幀時(shí)，仍可能會(huì)發(fā)生沖突。由于CSMA算法沒有沖突檢測(cè)功能，即使沖突已發(fā)生，仍然將已破壞的幀發(fā)送完，使總線的利用率降低。

發(fā)送站點(diǎn)傳輸過程中仍繼續(xù)監(jiān)聽媒體，以檢測(cè)是否存在沖突。如果發(fā)生沖突，信道上可以檢測(cè)到超過發(fā)送站點(diǎn)本身發(fā)送的載波信號(hào)的幅度，由此判斷出沖突的存在。一旦檢測(cè)到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串阻塞信號(hào)，用以通知總線上其它各有關(guān)站點(diǎn)。具有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD

(1)在0時(shí)刻開始發(fā)送(2)大約在

時(shí)刻到達(dá)B(3)B開始發(fā)送;在

時(shí)刻發(fā)生沖突(4)沖突信號(hào)在

2時(shí)刻到達(dá)A

AAAABBBBA和B在總線的兩端檢測(cè)出一個(gè)沖突的時(shí)間等于任意兩個(gè)站之間最大傳播時(shí)延的兩倍

在CSMA/CD算法中，一旦檢測(cè)到?jīng)_突并發(fā)完阻塞信號(hào)后，為了降低再次沖突的概率，需要等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，然后再使用CSMA方法試圖傳輸。為了保證這種退避操作維持穩(wěn)定采用了一種稱為二進(jìn)制指數(shù)退避和算法，其規(guī)則如下：(1)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí)，設(shè)置一個(gè)參量L=2；

(2)退避間隔取1到L個(gè)時(shí)間片中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，1個(gè)時(shí)間片等于兩站之間的最大傳播時(shí)延的兩倍；

(3)當(dāng)數(shù)據(jù)幀再次發(fā)生沖突，將參量L加倍；

(4)設(shè)一個(gè)最大重傳次數(shù)，超過該次數(shù)，則不再重傳，并報(bào)告出錯(cuò)。

二進(jìn)制指數(shù)退避算法是按后進(jìn)先出LIFO(ListInFirstOut)的次序控制的，即未發(fā)生沖突或很少發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)幀，具有優(yōu)先發(fā)送的概率；而發(fā)生過多次沖突的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送成功的概率就更少。沖突后解決IEEE802.3MAC幀格式

前導(dǎo)碼字段P占7個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)的比特模式為“10101010”，用于實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的時(shí)鐘同步。幀起始定界符字段SFD占1個(gè)字節(jié)，其比特模式為“10101011”MAC幀的總長(zhǎng)度為64～1518字節(jié)（最小是64個(gè)字節(jié)）。由于除了數(shù)據(jù)字段和填充字段外，其余字段的總長(zhǎng)度為18個(gè)字節(jié)，所以當(dāng)數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度為0時(shí)，填充字段必須有46個(gè)字節(jié)。6IEEE802.3幀格式幀開始1前導(dǎo)目的地址源地址長(zhǎng)度檢驗(yàn)和7

6240~46填充0~1500數(shù)據(jù)1.令牌環(huán)的結(jié)構(gòu)

令牌環(huán)在物理上是一個(gè)由一系列環(huán)接口和這些接口間的點(diǎn)—點(diǎn)鏈路構(gòu)成的閉合環(huán)路，各站點(diǎn)通過環(huán)接口連到網(wǎng)上。為了解決競(jìng)爭(zhēng)，可以使用一個(gè)稱為令牌（Token）的特殊比特模式，使其沿著環(huán)路循環(huán)。規(guī)定只有獲得令牌的站點(diǎn)才有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后立即釋放令牌以供其它站點(diǎn)使用。由于環(huán)路中只有一個(gè)令牌，因此任何時(shí)刻至多只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，不會(huì)產(chǎn)生沖突。

ABDC站點(diǎn)干線耦合器單向環(huán)發(fā)送緩沖區(qū)接收緩沖區(qū)接收發(fā)送線路驅(qū)動(dòng)線路接收控制器DTE環(huán)路輸出干線耦合器的組成令牌環(huán)網(wǎng)（TokenRing）2.令牌環(huán)的操作過程

（1）網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)，只有一個(gè)令牌在環(huán)路上繞行。令牌是一個(gè)特殊的比特模式，其中包含一位“令牌/數(shù)據(jù)幀”標(biāo)志位，標(biāo)志位為“0”表示該令牌為可用的空令牌，標(biāo)志位為“1”表示有站點(diǎn)正占用令牌在發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

（2）當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須等待并獲得一個(gè)令牌，將令牌的標(biāo)志位置為“1”，隨后便可發(fā)送數(shù)據(jù)。

（3）環(huán)路中的每個(gè)站點(diǎn)邊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，邊檢查數(shù)據(jù)幀中的目的地址，若為本站點(diǎn)的地址，便讀取其中所攜帶的數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)幀繞環(huán)一周返回時(shí)，發(fā)送站將其從環(huán)路上撤消。同時(shí)根據(jù)返回的有關(guān)信息確定所傳數(shù)據(jù)有無出錯(cuò)。若有錯(cuò)則重發(fā)存于緩沖區(qū)中的待確認(rèn)幀，否則釋放緩沖區(qū)中的待確認(rèn)幀。

（5）發(fā)送站點(diǎn)完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，重新產(chǎn)生一個(gè)令牌傳至下一個(gè)站點(diǎn)，以使其它站點(diǎn)獲得發(fā)送數(shù)據(jù)幀的許可權(quán)。TokenRing/802.5的操作AT=0TAT=0TAT=1TDataCTDataCTDataCTDataC3.令牌環(huán)的維護(hù)

令牌丟失和數(shù)據(jù)幀無法撤消，是環(huán)網(wǎng)上最嚴(yán)重的兩種差錯(cuò)，可以通過在環(huán)路上指定一個(gè)站點(diǎn)作為主動(dòng)令牌管理站。主動(dòng)令牌管理站通過一種超過機(jī)制來檢測(cè)令牌丟失的情況，該超時(shí)值比最長(zhǎng)的幀為完全遍歷環(huán)路所需的時(shí)間還要長(zhǎng)一些。如果在該時(shí)段內(nèi)沒有檢測(cè)到令牌，便認(rèn)為令牌已經(jīng)丟失，管理站將清除環(huán)路上的數(shù)據(jù)碎片，并發(fā)出一個(gè)令牌。

為了檢測(cè)到一個(gè)持續(xù)循環(huán)的數(shù)據(jù)幀，管理站在經(jīng)過的任何一個(gè)數(shù)據(jù)幀上置其監(jiān)控位為1，如果管理站檢測(cè)到一個(gè)經(jīng)過的數(shù)據(jù)幀的監(jiān)控拉的已經(jīng)置為1，便知道有某個(gè)站未能清除自己發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，管理站將清除環(huán)路的殘余數(shù)據(jù)，并發(fā)出一個(gè)令牌。4、令牌環(huán)媒體訪問控制協(xié)議令牌環(huán)的MAC幀有兩種基本格式：令牌幀和數(shù)據(jù)幀

令牌幀只有3個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)幀則可能很長(zhǎng)。這兩種幀都有一對(duì)起始定界符SD和結(jié)束定界符ED用于確定幀的邊界，預(yù)約位

數(shù)據(jù)幀：

1112~62~6

可變411（字節(jié)）令牌幀：111（字節(jié)）SD開始AC訪問控制ED結(jié)束SD起始AC訪問FC幀控制目的地址源地址數(shù)據(jù)校驗(yàn)和ED結(jié)束FS幀狀態(tài)PPPTMRRR優(yōu)先級(jí)位忙閑位監(jiān)督位起始、結(jié)束字段：4位特殊位訪問控制字段：優(yōu)先級(jí)與預(yù)約：規(guī)定只有優(yōu)先級(jí)高于令牌內(nèi)PPP的站點(diǎn)才允許截獲令牌。要發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)可以在其他站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過本站時(shí)進(jìn)行預(yù)約，將本站的優(yōu)先級(jí)寫入該幀的預(yù)約位。監(jiān)督位：防止無效幀在環(huán)路中無限循環(huán)。幀發(fā)出時(shí)，M=0；首次經(jīng)過監(jiān)控站時(shí)，M置為1；若該幀再次經(jīng)過監(jiān)控站，則由監(jiān)控站將該幀清除。1、令牌總線工作原理令牌總線媒體訪問控制是將局域網(wǎng)物理總線的站點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)邏輯環(huán)，每一個(gè)站點(diǎn)都在一個(gè)有序的序列中被指定一個(gè)邏輯位置，序列中最后一個(gè)站點(diǎn)的后面又跟著第一個(gè)站點(diǎn)。每個(gè)站點(diǎn)都知道在它之前的前趨站和在它之后的的后繼站點(diǎn)標(biāo)識(shí)，

從圖中可以看出，在物理結(jié)構(gòu)上它是一個(gè)總線結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)，但是在邏輯結(jié)構(gòu)上，又成了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。和令牌環(huán)一樣，站點(diǎn)只有取得令牌，才能發(fā)送幀，而令牌在邏輯環(huán)上依次(A->B->C->D->E->F->G->A)循環(huán)傳遞。令牌總線媒體訪問控制2、令牌總線的主要操作如下：

(1)環(huán)初始化，即生成一個(gè)順序訪問的次序。網(wǎng)絡(luò)開始啟動(dòng)時(shí)，或由于某種原因，在運(yùn)行中所有站點(diǎn)不活動(dòng)的時(shí)間超過規(guī)定的時(shí)間，都需要進(jìn)行邏輯環(huán)的初始化。同時(shí)初始化的過程是一個(gè)爭(zhēng)用的過程，結(jié)果只有一個(gè)站能取得令牌，其它的站點(diǎn)用站插入的算法插入。

(2)令牌傳遞算法。邏輯環(huán)按遞減的站地址次序組成，剛發(fā)完幀的站點(diǎn)將令牌傳遞給后繼站，后繼站應(yīng)立即發(fā)送數(shù)據(jù)或令牌幀，原先釋放令牌的站監(jiān)聽到總線上的信號(hào)，便可確認(rèn)后繼站已獲得令牌

(3)站插隊(duì)入環(huán)算法。必須周期性地給未加入環(huán)的站點(diǎn)以機(jī)會(huì)，將它們插入到邏輯環(huán)的適當(dāng)位置中。如果同時(shí)有幾個(gè)站要插入時(shí)，可采用帶有響應(yīng)窗口的爭(zhēng)用處理算法。

(4)站退出環(huán)算法?？梢酝ㄟ^將其前趨站和后繼站連到一起的辦法，使不活動(dòng)的站退出邏輯環(huán)，并修正邏輯環(huán)遞減的站地址次序。

(5)故障處理。網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，這包括令牌丟失引起斷環(huán)，重復(fù)地址、產(chǎn)生多個(gè)令牌等。網(wǎng)絡(luò)需對(duì)這些故障做出相應(yīng)的處理。邏輯環(huán)及令牌的管理和維護(hù)：建環(huán)邏輯環(huán)的順序：根據(jù)站點(diǎn)地址，由大到小確定各站的排列順序，與物理位置無關(guān)每個(gè)站點(diǎn)都保存本站地址、前趨站地址和后繼站地址環(huán)路初始化：任何站點(diǎn)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中信道空閑超過一定時(shí)間，就發(fā)送Claim-token幀；若沒有其他站點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)，就產(chǎn)生令牌，建立一個(gè)只包括自己的環(huán)；若有競(jìng)爭(zhēng)，則按仲裁算法，留下一個(gè)站點(diǎn)。其他站點(diǎn)按照新站入環(huán)的方法加入。5020301045101010NSTSPSC-T邏輯環(huán)及令牌的管理和維護(hù)：入環(huán)新站入環(huán)：令牌持有者周期性發(fā)送詢問幀，詢問是否有地址在它和其后繼站之間的站點(diǎn)申請(qǐng)加入。等待一個(gè)時(shí)隙，若無申請(qǐng)，則正常操作；若有某站通過發(fā)送響應(yīng)幀來申請(qǐng)，則令牌持有者將其保存的后繼地址改為新站地址，并將令牌傳給新站；然后新站設(shè)置其保存的前驅(qū)站和后繼站地址。502030104545102050501030305020203010NSTSPSSol-sSet-sT45號(hào)站加入邏輯環(huán)及令牌的管理和維護(hù)：退環(huán)退環(huán)：要退環(huán)的站在持有令牌時(shí)，向其前趨站發(fā)送請(qǐng)求幀，通知其修改保存的后繼站地址，并將令牌轉(zhuǎn)交前趨站。502030104545102050501045304520203010NSTSPSSet-sTT

503010號(hào)站退出邏輯環(huán)及令牌的管理和維護(hù)后繼站故障，令牌丟失：發(fā)送令牌的站，在約定時(shí)間內(nèi)傾聽其后繼站是否傳輸幀或交出令牌；若都沒有，則重發(fā)令牌；若仍然失敗，則發(fā)送幀，詢問后繼站。當(dāng)故障站的后繼站看到此幀，則發(fā)送響應(yīng)；分別修改保存的前趨站和后繼站地址，將故障站點(diǎn)移出環(huán)。相鄰兩站故障：令牌持有者發(fā)送幀，檢查網(wǎng)絡(luò)中是否還有其他站點(diǎn)正常工作，重建環(huán)。令牌持有者故障：環(huán)初始化，由總線空閑定時(shí)器檢測(cè)多令牌：令牌持有者若發(fā)現(xiàn)其他站點(diǎn)在發(fā)送幀，則廢除自己的令牌，最終只剩下一個(gè)令牌。FDDI以光纖作為傳輸媒體,它的邏輯拓樸結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)。FDDI標(biāo)準(zhǔn)及工作原理1.FDDI的性能

相同：

FDDI網(wǎng)絡(luò)是由許多通過光傳送媒體連接成一個(gè)或多個(gè)邏輯環(huán)的站點(diǎn)組成的，因此與令牌環(huán)類似，也是把信息發(fā)送至環(huán)上，從一個(gè)站到下一個(gè)站依次傳遞，當(dāng)信息經(jīng)過指定的目的站時(shí)就被接收、復(fù)制，最后，發(fā)送信息的站點(diǎn)再將信息從環(huán)上撤消。

區(qū)別：

FDDI網(wǎng)絡(luò)是在令牌環(huán)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上改進(jìn)后行成的。二者的區(qū)別見書（94頁）。光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI（a）FDDI結(jié)構(gòu)圖（b）FDDI環(huán)自愈