第3章 局域網(wǎng)基礎(chǔ)

第3章局域網(wǎng)基礎(chǔ)3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)3.2局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法3.5實(shí)訓(xùn)：捕獲并觀察MAC幀教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)要求本章的主要介紹局域網(wǎng)的基本知識(shí)。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握局域網(wǎng)的特點(diǎn)，理解三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，掌握傳輸介質(zhì)及介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，最后通過(guò)實(shí)訓(xùn)，應(yīng)理解局域網(wǎng)的基本運(yùn)作方式，為后續(xù)組網(wǎng)技能訓(xùn)練做準(zhǔn)備。教學(xué)目標(biāo):教學(xué)要求:知識(shí)要點(diǎn)能力要求相關(guān)知識(shí)局域網(wǎng)特點(diǎn)理解局域網(wǎng)的基本特點(diǎn)及應(yīng)用范圍覆蓋范圍、傳輸速率、3個(gè)技術(shù)要素拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)掌握局域網(wǎng)的三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型、環(huán)型、星型及混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸介質(zhì)掌握局域網(wǎng)的主要傳輸介質(zhì)及其特性同軸電纜、雙絞線、光纜介質(zhì)訪問(wèn)控制方法理解局域網(wǎng)的基本工作過(guò)程MAC地址、MAC幀3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，電子與電氣工程師協(xié)會(huì)）下屬的IEEE802委員會(huì)制定的。IEEE802委員會(huì)制訂了多種的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括著名的以太網(wǎng)（Ethernet）、令牌環(huán)網(wǎng)（TokenRing）、光纖分布式接口網(wǎng)（FDDI）、異步傳輸模式網(wǎng)（ATM）及無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等。3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)局域網(wǎng)工作在OSI體系結(jié)構(gòu)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，也即TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接口層。3.1.1局域網(wǎng)工作的網(wǎng)絡(luò)層次3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)通信信道的有以下兩種使用方式：1）廣播通信方式。一對(duì)多的通信方式，存在信道爭(zhēng)用（沖突）問(wèn)題，相對(duì)復(fù)雜，必須使用專門(mén)的共享信道協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)主機(jī)的發(fā)送和接收。如共享式（使用同軸電纜或集線器）以太網(wǎng)。2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。一對(duì)一的通信方式。不存在信道爭(zhēng)用問(wèn)題。如交換式（使用交換機(jī)）以太網(wǎng)。3.1.1局域網(wǎng)工作的網(wǎng)絡(luò)層次3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)局域網(wǎng)的主要特點(diǎn)有：1）局域網(wǎng)覆蓋有限的地理范圍，一般不超過(guò)幾千米。2）局域網(wǎng)傳輸速率高（10Mbps~100Gbps）、誤碼率低（通常低于10-11）。3）通信延遲時(shí)間短，可靠性較高。4）局域價(jià)格便宜，網(wǎng)組建容易，易于管理和維護(hù)。決定局域網(wǎng)特性的技術(shù)要素有3個(gè)方面：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)和介質(zhì)訪問(wèn)控制方法。3.1.2局域網(wǎng)主要特點(diǎn)3.2局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)渚褪鞘褂靡恍┖?jiǎn)單的幾何圖形來(lái)表示復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一種方法。網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)等設(shè)備要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，就需要以一定的幾何結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行連接，這種連接方式就叫做“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”，簡(jiǎn)單地講就是這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是如何連接在一起的。把網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間的通信線路的幾何關(guān)系畫(huà)成拓?fù)鋱D，可反映局域網(wǎng)中各個(gè)實(shí)體的組成關(guān)系及通信特性。局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有總線型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)3種基本類型，這三種基本類型還可以組成混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.2局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)中，所有的節(jié)點(diǎn)都通過(guò)自己的網(wǎng)絡(luò)接口卡（簡(jiǎn)稱網(wǎng)卡）連接到一條作為公共傳輸介質(zhì)的總線上，因此每次只能由一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸通常以“共享介質(zhì)”方式進(jìn)行，也就是數(shù)據(jù)在總線上以“廣播”的方式傳播，其他節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但只有真正的接收者才會(huì)收下數(shù)據(jù)。這種模式類似于生活中的廣播找人。3.2.1總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.2局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的特點(diǎn)是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與兩個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)相連，節(jié)點(diǎn)之間采用點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)，環(huán)中的數(shù)據(jù)沿著一個(gè)方向繞環(huán)逐站傳輸。在單環(huán)結(jié)構(gòu)中，斷開(kāi)環(huán)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，意味著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信終止，這是環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)主要缺點(diǎn)。后來(lái)發(fā)展的雙環(huán)結(jié)構(gòu)（FDDI）可彌補(bǔ)此缺點(diǎn)。3.2.2環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.2局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由中央節(jié)點(diǎn)通過(guò)“點(diǎn)到點(diǎn)”通信鏈路連接到其他節(jié)點(diǎn)組成的。中央節(jié)點(diǎn)執(zhí)行集中式通信控制。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)要和另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)通信的時(shí)候，必須先把信息傳遞給中央節(jié)點(diǎn)，然后由中央節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給目的計(jì)算機(jī)。中心節(jié)點(diǎn)通常是交換機(jī)。3.2.3星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.2局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)有：1）控制簡(jiǎn)單。在星型網(wǎng)絡(luò)中，任何一節(jié)點(diǎn)只和中央節(jié)點(diǎn)相連接就能通信。2）故障診斷和隔離非常容易，網(wǎng)絡(luò)易于管理和維護(hù)。在星型網(wǎng)絡(luò)中，中央節(jié)點(diǎn)和線路可以逐一分開(kāi)進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，單個(gè)連接點(diǎn)的故障只影響一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不會(huì)影響全網(wǎng)，因?yàn)閭鬏斝畔r(shí)靠的是中央節(jié)點(diǎn)而不是計(jì)算機(jī)本身。3）可擴(kuò)展性好，配置靈活。中央節(jié)點(diǎn)可以方便地對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)重新配置。4）網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)之間的通信必須通過(guò)中央節(jié)點(diǎn)，而點(diǎn)到點(diǎn)之間計(jì)算機(jī)的通信只需要一步轉(zhuǎn)發(fā)（中央節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)）即可。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要缺點(diǎn)是：中央節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)擔(dān)重，容易形成瓶頸效應(yīng)；在可靠性方面要求較高。因?yàn)樾切途钟蚓W(wǎng)依賴于中央節(jié)點(diǎn)，如果中央節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。3.2.3星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.2局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的總線型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)這三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型，在理論上可以任意組合，成為混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但最目前常見(jiàn)的組合是多個(gè)星型結(jié)構(gòu)組成的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。3.2.4混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)同軸電纜由中心銅線、絕緣層、金屬屏蔽網(wǎng)以及塑料外套所組成，如圖3-6所示。由于金屬屏蔽網(wǎng)的作用，同軸電纜具有良好的抗干擾特性，被廣泛用于較高速率數(shù)據(jù)的傳輸。在局域網(wǎng)發(fā)展早期曾廣泛地使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)。3.3.1同軸電纜3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)雙絞線是現(xiàn)在的局域網(wǎng)中采用最多的一種傳輸介質(zhì)，由8根絕緣銅線組成。為了減少信號(hào)傳輸中的相互串?dāng)_及外界電磁干擾，通常每?jī)筛嗷ソg在一起形成4對(duì)，外部再套上一個(gè)塑料保護(hù)管。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（UTP，UnshieldedTwistedPair）和屏蔽雙絞線（STP，ShieldedTwistedPair）。3.3.2雙絞線3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)雙絞線特別適合于短距離的信息高速傳輸，傳輸距離一般為100米左右。由于非屏蔽雙絞線成本低于屏蔽雙絞線，所以非屏蔽雙絞線使用更廣泛。雙絞線電纜主要用于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，需要通過(guò)RJ-45接頭（俗稱水晶頭）與網(wǎng)卡、交換機(jī)、集線器、路由器等設(shè)備相連。3.3.2雙絞線3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)1991年，美同電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA和電信行業(yè)協(xié)會(huì)TIA聯(lián)合發(fā)布了一個(gè)商用建筑物布線標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-568。下表給出了目前常用的雙絞線的類別、傳輸速率和典型應(yīng)用。3.3.2雙絞線雙絞線類別最高傳輸速率典型應(yīng)用1類2Mbps電話線（模擬信號(hào)）2類4Mbps電話線（模擬信號(hào)）3類16Mbps10Mbps以太網(wǎng)4類20Mbps10或100Mbps以太網(wǎng)5類100Mbps100Mbps以太網(wǎng)超5類（5E）1000Mbps100或1000Mbps以太網(wǎng)6類24Gbps1000Mbps以太網(wǎng)3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)光纜是一種常用的網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)，它能高速傳輸光脈沖信號(hào)。光纜由封裝在隔開(kāi)鞘中的多條光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖）組成。3.3.3光纜3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)從橫截面觀察，每根光纖都被反射包層、加固材料和外保護(hù)套所包圍。光纖可由石英、玻璃和塑料等材質(zhì)制造，分為由內(nèi)核和包層，內(nèi)核折射率很高，而包層折射率很低。這樣在光纖中傳輸?shù)墓鈱⒃趦?nèi)核與包層的交界處形成全反射，這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，光線也就沿著光纖持續(xù)傳輸下去?，F(xiàn)代的生產(chǎn)工藝可以制造出超低損耗的光纖，即做到光線在纖芯中傳輸數(shù)十公里而基本上沒(méi)有什么損耗，這一點(diǎn)是光纖通信得到飛速發(fā)展的關(guān)鍵因素。3.3.3光纜3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)光纖可以分為多模光纖和單模光纖。光纜的主要優(yōu)點(diǎn)有：1）傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。2）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。3）無(wú)串音干擾，保密性好，也不易被竊聽(tīng)或截取數(shù)據(jù)．4）體積小，重量輕。5）傳輸速率高，從l00Mbps到1Gbps（l000Mbp/s），甚至可達(dá)到1Tbps（1000Gbps）。光纜也有一定的缺點(diǎn)，主要是要將兩根光纖精確地連接需要專用設(shè)備，高速光電轉(zhuǎn)換接口的相關(guān)設(shè)備還較貴。3.3.3光纜3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法早期的局域網(wǎng)是“共享”（使用同軸電纜或集線器）式局域網(wǎng)，也就是一對(duì)多的廣播通信方式。在共享式局域網(wǎng)中，局域網(wǎng)中的傳輸介質(zhì)是共享的，所有節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)共享介質(zhì)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。但不允許兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)傳輸是以“半雙工”（即通信的雙方都可以發(fā)送和接收，但是不能雙方同時(shí)發(fā)送和接收，即在一個(gè)時(shí)刻一方只能發(fā)送，另一方只能接收）方式進(jìn)行的。但是，不加控制也有可能出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送、相互干擾的情況。這時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)收到的信息就有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，這就是所謂的“沖突”問(wèn)題。沖突問(wèn)題的產(chǎn)生就如一個(gè)有多人參加的討論會(huì)議，一個(gè)人發(fā)言不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，如果兩個(gè)以上的人同時(shí)發(fā)言，聽(tīng)眾就會(huì)被干擾而無(wú)法聽(tīng)清。3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法每個(gè)網(wǎng)卡上都有一個(gè)全球唯一的編號(hào)，一般稱之為介質(zhì)訪問(wèn)控制地址（MediaAccessControladdress），簡(jiǎn)單稱MAC地址，也可稱之為物理地址或硬件地址。MAC地址屬于數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容。MAC地址是一個(gè)48位的二進(jìn)制數(shù)，一般用12個(gè)十六進(jìn)制數(shù)表示，如：00-E0-4C-C1-61-31。MAC地址分為兩個(gè)部分，前24位表示網(wǎng)卡制造商的識(shí)別碼，由IEEE統(tǒng)一分配；后24位是網(wǎng)卡的編號(hào)，由網(wǎng)卡制造商自行分配。3.4.1MAC地址3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法當(dāng)源主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)帶有目的主機(jī)的MAC地址。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)后，它們檢查數(shù)據(jù)中的目的主機(jī)MAC地址是否與自己MAC地址相符，如果相符，網(wǎng)卡就保留該數(shù)據(jù)；如果不符，網(wǎng)卡就丟棄該數(shù)據(jù)。3.4.1MAC地址3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法局域網(wǎng)的主機(jī)通信時(shí)所發(fā)送的數(shù)據(jù)必須遵循一定的格式，這個(gè)格式稱為“幀”。幀屬于數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容。以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)幀格式如圖所示。在以太網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)是以幀為單位傳送的，一個(gè)幀的長(zhǎng)度至少是64字節(jié)（才能檢測(cè)到?jīng)_突），最長(zhǎng)不超過(guò)1518字節(jié)（幀太大碰撞沖突的幾率也大，在檢測(cè)到有錯(cuò)誤的情況下需重發(fā)，影響了效率）。3.4.2MAC幀3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法一個(gè)幀就相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)生活中的一封信，數(shù)據(jù)部分相當(dāng)于信紙，其他部分相當(dāng)于信封。如果把幀比作一輛卡車，數(shù)據(jù)部分相當(dāng)于貨物，其他部分相當(dāng)于車頭。根據(jù)幀的接收者不同把局域網(wǎng)通信幀分為：1）單播（unicast）幀（一對(duì)一），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上某一臺(tái)主機(jī)。幀的目的MAC地址為接收主機(jī)的MAC地址。2）廣播（broadcast）幀（一對(duì)全體），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上所有主機(jī)。幀的的目的MAC地址為二進(jìn)制的全1（0xFFFFFFFFFFFF）。3）多播（multicast）幀（一對(duì)多），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上一部分站點(diǎn)的幀。幀的目的MAC地址為多播地址。3.4.2MAC幀3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法因?yàn)樵缙诰钟蚓W(wǎng)所采用的傳輸介質(zhì)是共享的，所以必須解決多個(gè)主機(jī)對(duì)傳輸介質(zhì)的“爭(zhēng)用”問(wèn)題。不同類型的局域網(wǎng)采用不同的介質(zhì)訪問(wèn)方法解決“爭(zhēng)用”問(wèn)題，主要有帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA/CD）方法、令牌總線（TokenBus）方法、以及令牌環(huán)（TokenRing）方法。3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法以太網(wǎng)采用帶有沖突監(jiān)測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD）方法實(shí)現(xiàn)對(duì)共享介質(zhì)的訪問(wèn)控制。CSMA/CD是一種典型的分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，它沒(méi)有集中控制中心，網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)具有相同的優(yōu)先級(jí)。多臺(tái)主機(jī)隨機(jī)“競(jìng)爭(zhēng)”使用同一條鏈路。由于發(fā)送采用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，因此發(fā)送等待延遲并不確定，而且在高負(fù)載時(shí)，沖突幾率的增大會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生大幅下降。但是，由于其方法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、組網(wǎng)方便，因此得到了廣泛應(yīng)用。目前，以太網(wǎng)在局域網(wǎng)市場(chǎng)上占有絕對(duì)的主導(dǎo)地位。3.4.3傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法總線上只要有一臺(tái)主機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀，總線的傳輸資源就被占用，所有其他主機(jī)都會(huì)收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀。因此，在同一時(shí)間只能允許一臺(tái)主機(jī)發(fā)送信息，否則各主機(jī)之間就會(huì)相互干擾而產(chǎn)生沖突，總線上傳輸?shù)男盘?hào)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失真，從而無(wú)法從中接收正確的信息，結(jié)果大家都無(wú)法正常傳輸信息。顯然，使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)采用的是廣播通信方式，一臺(tái)主機(jī)不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，即不可能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行半雙工通信。因此，一個(gè)以太網(wǎng)就構(gòu)成了一個(gè)的沖突域（collisiondomain，又稱為碰撞域），在任一時(shí)刻，只能有一個(gè)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。3.4.3傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法3.4傳輸介質(zhì)訪問(wèn)控制方法1.以太網(wǎng)的發(fā)送以太網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)如果要發(fā)送數(shù)據(jù)，它將數(shù)據(jù)送往共享介質(zhì)將數(shù)據(jù)“廣播”出去，因此，連在總線上的所有節(jié)點(diǎn)都能“收聽(tīng)”到發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。由于以太網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)都可以利用總線傳輸，并且沒(méi)有控制中心，因此，沖突的發(fā)生將是不可避免的。為了有效地對(duì)共享信道進(jìn)行控制，CSMA/CD的發(fā)送流程可以概括為“先聽(tīng)后發(fā)，邊聽(tīng)