第5章局域網(wǎng)基本工作原理

第5章局域網(wǎng)基本工作原理

5.1局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

5.2IEEE802模型與協(xié)議

5.3共享介質(zhì)局域網(wǎng)的工作原理

5.4高速局域網(wǎng)的工作原理5.5虛擬局域網(wǎng)

主要內(nèi)容5.1局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)1、局域網(wǎng)的主要特點①局域網(wǎng)覆蓋有限的地理范圍，它適用于公司、機關、校園、工廠等有限范圍內(nèi)的計算機、終端與各類信息處理設備連網(wǎng)的需求。②局域網(wǎng)提供高數(shù)據(jù)傳輸速率（10～100Mb/s）、低誤碼率的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸速率高達1000Mb/s的高速局域網(wǎng)正在發(fā)展中。③局域網(wǎng)一般屬于一個單位所有，易于建立、維護與擴展，系統(tǒng)靈活性高。④決定局域網(wǎng)特性的主要技術(shù)要素為網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)與介質(zhì)訪問控制方法。⑤從介質(zhì)訪問控制方法的角度來看，局域網(wǎng)可分為共享介質(zhì)式局域網(wǎng)與交換式局域兩類。⑥局域網(wǎng)可支持多種傳輸介質(zhì)，如同軸電纜、雙絞線和光纖等。⑦在局域網(wǎng)中，通信處理功能一般都被固化在一塊稱為網(wǎng)絡適配器的電路板上。2、局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡通信布線方式看，將結(jié)點（即連到網(wǎng)絡上的任何設備，如服務器、工作站以及其他外圍設備）用通信鏈路（即傳輸介質(zhì)）在物理上或邏輯上連接在一起的布線結(jié)構(gòu)，就是通常所說的局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在局域網(wǎng)最常用、最基本的拓撲結(jié)構(gòu)有總線型拓撲、環(huán)型拓撲和星型拓撲三種。（1）總線型拓撲結(jié)構(gòu)

總線型拓撲（BusTopology）是將服務器和工作站都連到一條公共的電纜線上。網(wǎng)絡所有結(jié)點共享這條公共通信線路?？偩€型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡又被稱為廣播式網(wǎng)絡。

PCPCPCPCPC圖5-1總線型拓撲結(jié)構(gòu)①總線型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單靈活，可靠性較高。硬件設備少，組網(wǎng)成本較低。安裝、使用和維護方便，可擴充性好。共享能力強，適合于一點發(fā)送，多點接收的場合。②總線型拓撲結(jié)構(gòu)的缺點:由于網(wǎng)絡所有結(jié)點共享總線，在信息傳輸量較大的場合容易出現(xiàn)網(wǎng)絡的瓶頸，如果出現(xiàn)電縷故障，則會導致系統(tǒng)的癱瘓。（2）環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)

環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)（RingTopology）是一種所有的結(jié)點通過環(huán)路接口分別連接到它相鄰的兩個結(jié)點上，從而形成一種首尾相接的閉環(huán)通信網(wǎng)絡。N+1N4231PC環(huán)形網(wǎng)圖5-2環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)①環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點:信息單向傳輸，不需路由選擇，無沖突。當有旁路電路時，某個結(jié)點發(fā)生故障時可自動旁路，可靠性較高。網(wǎng)絡傳輸延時固定，適用于對數(shù)據(jù)傳輸實時性要求較高的場合。②環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的缺點:隨著結(jié)點數(shù)目的增加，傳輸效率會降低，網(wǎng)絡響應時間變長。靈活性差。（3）星型拓撲結(jié)構(gòu)

星型拓撲（StarTopology）是網(wǎng)絡上所有結(jié)點都和中心結(jié)點進行點對點的連接，中心結(jié)點可以是服務器，也可以是連接器等設備。①環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點:網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，組建、維護和管理網(wǎng)絡容易。網(wǎng)絡有較好的擴充能力。網(wǎng)絡傳輸延時較短，誤碼率較低。②環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的缺點:最大缺點是中央結(jié)點的負荷過重，當HUB故障時導致整個網(wǎng)絡癱瘓。網(wǎng)絡資源共享能力差，通信線路利用率低。PCHUB圖5-3星型拓撲結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)適用范圍典型標準網(wǎng)絡范例信道訪問協(xié)議總線型

小型辦公自動化系統(tǒng)、實驗室及小型信息管理系統(tǒng)等低負荷和輸出的實時性要求不高的環(huán)境Ethernet10BASE-5，10BASE-2IEEE802.3，CSMA／CD星型企業(yè)的辦公自動化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，語音通信系統(tǒng)和中、小型信息管理系統(tǒng)Ethernet，Token-Ring10BASE-T，100BASE-TIEEE802．3，IEEE802．12，CSMA／CD環(huán)型企業(yè)的自動化系統(tǒng)和小型信息管理系統(tǒng)Token-Ring，F(xiàn)DDIIBMToken-RingIEEE802.5，令牌傳送三種拓撲結(jié)構(gòu)的比較5.2IEEE802模型與協(xié)議

1、局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方法

目前局域網(wǎng)常用的三種訪問控制方式就分別對應于不同的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，它們是：⑴帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問；⑵令牌環(huán)訪問控制；⑶令牌總線訪問控制。2、IEEE802參考模型IEEE802參考模型OSI參考模型介質(zhì)訪問控制子層邏輯鏈路控制子層物理層應用層數(shù)據(jù)鏈路層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層圖5-4IEEE802參考模型和OSI模型示意圖

⑴物理層物理層主要處理在物理鏈路上發(fā)送、傳遞和接收非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流，包括對帶寬的頻道分配和對基帶的信號調(diào)制，建立、維持、撤消物理鏈路等。并要實現(xiàn)電氣、機械、功能和過程（或規(guī)程）四大特性的匹配⑵數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的功能分別由MAC子層和LLC子層承擔。①介質(zhì)訪問控制層MACMAC子層支持數(shù)據(jù)鏈路功能，并為LLC子層提供服務。②邏輯鏈路控制層LLC它向高層提供一個或多個訪問點LSAP，用于同網(wǎng)絡層通信的邏輯接口。LLC子層目前提供三種服務方式：不確認無連接服務。連接方式服務。確認的無連接服務。3、IEEE802標準802．10可互操作的局域網(wǎng)安全802．1體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡互連802．2邏輯鏈路控制子層802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD802．3CSMA/CD圖5-5IEEE802標準之間的關系IEEE802.1標準，定義了局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡管理和網(wǎng)際互連協(xié)議；IEEE802.2標準，定義了邏輯鏈路控制LLC，是高層協(xié)議與MAC子層間的接口；IEEE802.3標準，定義了CSMA/CD訪問控制方法，定義了CSMA/CD總線的MAC子層和物理層標準；IEEE802.4標準，定義了令牌總線訪問控制方法，定義了令牌總線網(wǎng)的MAC子層和物理層標準；IEEE802.5標準，定義了令牌環(huán)訪問控制方法，定義了令牌環(huán)網(wǎng)的MAC子層和物理層標準；IEEE802.6標準，定義了城域網(wǎng)訪問控制方法，定義了城域網(wǎng)的MAC子層和物理層標準；IEEE802.7標準，定義了寬帶局域網(wǎng)標準；IEEE802.8標準，定義了光纖局域網(wǎng)標準；IEEE802.9標準，定義了綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)標準；IEEE802.10標準，定義了交互性局域網(wǎng)安全性標準；IEEE802.11標準，定義了無線局域網(wǎng)標準；IEEE802.12標準，定義了100VG-AnyLAN規(guī)范；IEEE802.14標準，定義了電纜調(diào)制解調(diào)標準；IEEE802.15標準，定義了近距離個人無線網(wǎng)絡標準；IEEE802.16標準，定義了寬帶無線局域網(wǎng)標準。5.3共享介質(zhì)局域網(wǎng)的工作原理

從介質(zhì)訪問控制方法的角度，局域網(wǎng)可以分為共享介質(zhì)局域網(wǎng)和交換局域網(wǎng)兩類。IEEE802.2標準定義的共享介質(zhì)局域網(wǎng)有以下三類。采用CSMA／CD介質(zhì)訪問控制方法的總線型局域網(wǎng)。采用TokenBus介質(zhì)訪問控制方法的總線型局域網(wǎng)。采用TokenRing介質(zhì)訪問控制方法的環(huán)型局域網(wǎng)。

1、以太網(wǎng)的工作原理

以太網(wǎng)（Ethernet）的核心技術(shù)是隨機爭用型介質(zhì)訪問控制方法，即帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA／CD，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）方法。CSMA／CD方法用來解決多結(jié)點如何共享公用總線的問題。以太網(wǎng)的發(fā)送:先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停止，延遲重發(fā)以太網(wǎng)的接收BUS結(jié)點A結(jié)點D結(jié)點B結(jié)點C結(jié)點E圖5-6CSMA/CD的工作原理以太網(wǎng)總結(jié):采用分布式介質(zhì)訪問控制方法，沒有集中控制中心采用競爭機制，網(wǎng)中的所有結(jié)點具有相同的優(yōu)先級發(fā)送等待延遲不固定比較適宜于低負載和中負載應用環(huán)境實現(xiàn)容易，組網(wǎng)方便最常使用的一種局域網(wǎng)2、令牌環(huán)的工作原理令牌環(huán)是一種適用于環(huán)型網(wǎng)絡的分布式介質(zhì)訪問控制方式。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記。令牌有“忙（Busy）”和“空閑（Free）”兩種狀態(tài)。結(jié)點B結(jié)點A結(jié)點E結(jié)點D結(jié)點C令牌TokenRingTokenRing結(jié)點A結(jié)點B結(jié)點E結(jié)點D結(jié)點C圖5-7TokenRing的工作原理(1)網(wǎng)上所有站點都處于空閑時，令牌沿環(huán)繞行(2)發(fā)送站點必須等待，直到捕獲到令牌發(fā)送數(shù)據(jù)幀釋放令牌吸收數(shù)據(jù)幀（繞環(huán)一周后）(3)中間站點（數(shù)據(jù)幀的目的地址與自己不同）轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)上的數(shù)據(jù)幀(4)接收站點（數(shù)據(jù)幀的目的地址與自己相同）拷貝環(huán)上的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)上的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)傳輸實例（1）數(shù)據(jù)傳輸實例（２）站點A、B分別向站點C、D發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸實例（３）站點A、B分別向站點C、D發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸實例（４）站點A、B分別向站點C、D發(fā)送數(shù)據(jù)ABUSBCDFE圖5-5令牌總線的工作原理

令牌總線網(wǎng)（Token-Bus）和令牌環(huán)網(wǎng)（Token-Ring）均采用令牌（Token）技術(shù)，區(qū)別是令牌環(huán)網(wǎng)物理上和邏輯上都為環(huán)形，而令牌總線網(wǎng)物理上為總線形，而邏輯上建立一個令牌傳遞環(huán)。Token-Bus訪問控制是在物理總線上建立起一條用于令牌傳遞的邏輯環(huán)?？梢蕴峁┎煌姆占墑e即不同的優(yōu)先級，允許不同的站點持有令牌的時間長短不同，從而相應調(diào)節(jié)通信量。5.4高速局域網(wǎng)的工作原理1、推動局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的因素個人計算機的速度提高的要求:在過去二十年中，計算機的處理速度提高了百萬倍，而網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率只提高了上千倍；基于Web的Internet/Intranet應用也要求更高的帶寬；在數(shù)據(jù)倉庫、桌面電視會議、3D圖形與高清晰度圖像這類應用中，人們需要有更高帶寬的局域網(wǎng)。2、傳統(tǒng)共享式局域網(wǎng)的缺點傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術(shù)是建立在“共享介質(zhì)”的基礎上，典型的介質(zhì)訪問控制方法是CSMS/CD、TokenRing、TokenBus；只有通過介質(zhì)訪問控制方法才能保證每個結(jié)點得到“公平”地使用公共傳輸介質(zhì)；每個結(jié)點平均能分配到的帶寬隨著結(jié)點數(shù)的不斷增加而急劇減少；當網(wǎng)絡通信負荷加重時，沖突和重發(fā)現(xiàn)象將大量發(fā)生，網(wǎng)絡效率將會下降，網(wǎng)絡傳輸延遲將會增長，網(wǎng)絡服務質(zhì)量將會下降。3、高速局域網(wǎng)的解決方法第一種方案：提高Ethernet的數(shù)據(jù)傳輸速率(10Mb/s→100Mb/s→10Gb/s)，導致新產(chǎn)品開發(fā)；第二種方案：將一個大型局域網(wǎng)劃分成多個用網(wǎng)橋或路由器互連的子網(wǎng)，導致了局域網(wǎng)互連技術(shù)的發(fā)展；第三種方案：將“共享介質(zhì)方式”改為“交換方式”，導致了“交換式局域網(wǎng)”技術(shù)的發(fā)展。采用更先進的技術(shù)。例如，采用ATM交換技術(shù)的局域網(wǎng)，網(wǎng)絡響應時間降至20～30ms，它更適合于交互式多媒體信息處理應用的場合。一般我們將數(shù)據(jù)傳輸速率在100Mb/s以上的網(wǎng)絡稱為高速局域網(wǎng)。目前典型的高速局域網(wǎng)標準有100BASE-T、1000BASE-T和FDDI系列的高速局域網(wǎng)。它們的主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率大于或等于100Mb/s。共享式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)的比較局域網(wǎng)產(chǎn)品類型與相互之間的關系

4、高速局域網(wǎng)技術(shù)（1）百兆以太網(wǎng)技術(shù)（快速以太網(wǎng)FastEthemet）100BASE-T技術(shù)標準100BASE-TX100BASE-T4FastEthernet的傳輸速率比普通Ethernet快10倍，數(shù)據(jù)傳輸速率達到了100Mb/s；FastEthernet與以太網(wǎng)的幀格式、介質(zhì)訪問控制方法與組網(wǎng)方法相同；每個比特的發(fā)送時間由100ns降低到了10ns；1995年9月，IEEE802委員會正式批準了FastEthernet標準IEEE802.3u。FastEthernet的協(xié)議結(jié)構(gòu)

只是在物理層做了一些調(diào)整；在物理層和介質(zhì)訪問子層之間增加了介質(zhì)專用接口；不同的傳輸介質(zhì)不會影響MAC層；有3種傳輸介質(zhì)。（2）千兆以太網(wǎng)技術(shù)用Ethernet組建企業(yè)網(wǎng)的全面解決方案：桌面系統(tǒng)采用傳輸速率為10Mb/s的Ethernet；部門級網(wǎng)絡系統(tǒng)采用傳輸速率為100Mb/s的FastEthernet；企業(yè)級網(wǎng)絡系統(tǒng)采用傳輸速率為1000Mb/s的GigabitEthernet。GigabitEthernet的協(xié)議結(jié)構(gòu)（3）FDDI網(wǎng)

光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI，F(xiàn)iberDistributedDataInterface）是一種以光纖作為傳輸介質(zhì)的高速主干網(wǎng)，它可以用來互連局域網(wǎng)與計算機。FDDI的技術(shù)特點如下：①使用基于IEEE802.5的單令牌的環(huán)網(wǎng)介質(zhì)訪問控制MAC協(xié)議。②使用IEEE802.2協(xié)議，與符合IEEE802標準的局域網(wǎng)兼容。③數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mb/s，連網(wǎng)的結(jié)點數(shù)≤1000，環(huán)路長度為100km。④可以使用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，具有容錯能力。⑤可以使用多模或單模光纖。⑥具有動態(tài)分配帶寬的能力，能支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸。5、交換局域網(wǎng)技術(shù)的工作原理（1）交換式局域網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)交換式局域網(wǎng)的核心設備是局域網(wǎng)交換機，局域網(wǎng)交換機可以在它的多個端口之間建立多個并發(fā)連接。典型的交換式局域網(wǎng)是交換式以太網(wǎng)（switchedEthernet），它的核心部件是以太網(wǎng)交換機（Ethernetswitch）。圖5-6交換式Ethernet的結(jié)構(gòu)（2）局域網(wǎng)交換機的工作原理局域網(wǎng)交換機地址表123456結(jié)點A：00-01-0C-12-D1-28結(jié)點E結(jié)點B結(jié)點D：01-31-00-0C-12-D1結(jié)點CDA=結(jié)點CDA=結(jié)點B轉(zhuǎn)發(fā)機構(gòu)緩沖器端口圖5-7交換機的結(jié)構(gòu)與工作過程地址映射表端口MAC地址1結(jié)點A：00-01-0C-12-D1-28234結(jié)點B：06-21-0A-12-61-205結(jié)點C：30-61-2C-61-02-166結(jié)點D：01-31-00-0C-12-D1表5-1端口號／MAC地址映射表（3）交換機的幀轉(zhuǎn)發(fā)方式直接交換方式在直接交換（cutthrough）方式中，交換機只要接收并檢測到目的地址字段，就立即將該幀轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不管這一幀數(shù)據(jù)是否出錯。幀出錯檢測任務由結(jié)點主機完成。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式在存儲轉(zhuǎn)發(fā)（storeandforward）方式中，交換機首先完整地接收發(fā)送幀，并先進行差錯檢測。如果接收幀是正確的，則根據(jù)幀目的地址確定輸出端口號，然后再轉(zhuǎn)發(fā)出去。改進的直接交換方式

改進的直接交換方式則將上述兩種方式結(jié)合起來。它在接收到幀的前64字節(jié)后，判斷Ethernet幀的幀頭字段是否正確，如果正確則轉(zhuǎn)發(fā)出去。6、交換局域網(wǎng)技術(shù)的主要技術(shù)特點低交換傳輸延遲。高傳輸帶寬。支持不同的傳輸速率和工作模式。支持虛擬局域網(wǎng)服務。5.5虛擬局域網(wǎng)

1、虛擬網(wǎng)絡(VLAN)的概念虛擬網(wǎng)絡建立在局域網(wǎng)交換機之上;以軟件方式實現(xiàn)對邏輯工作組的劃分與管理;邏輯工作組的結(jié)點組成不受物理位置的限制;一個邏輯工作組的結(jié)點可以分布在不同的物理網(wǎng)段上，但它們之間的通信就像在同一個物理網(wǎng)段上一樣。

2、虛擬局域網(wǎng)的特點靈活的、軟定義的、邊界獨立于物理媒質(zhì)的設備群。廣播流量被限制在軟定義的邊界內(nèi)、提高了網(wǎng)絡的安全性。在同一個虛擬局域網(wǎng)成員之間提供低延遲、線速的通信。3、虛擬局域網(wǎng)的實現(xiàn)技術(shù)虛擬網(wǎng)絡