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　　第三章 局域网基础

　　本单元概览

　　一、局域网与城域网的基本概念

　　二、以太网

　　三、高速局域网的工作原理

　　四、交换式局域网与虚拟局域网

　　五、无线局域网

　　六、局域网互联与网桥的工作原理

　　一、局域网与城域网的基本概念

　　1.决定局域网与城域网的三要素

　　决定局域网与城域网特点的三要数：网络拓扑、传输介质、介质访问控制方法。

　　2. 局域网拓扑结构的类型与特点

　　局域网与广域网的重要区别是覆盖的地理范围不同，因此其基本通信机制与广域网完全不同：局域网采用共享介质与交换方式(分为共享介质局域网与交换式局域网)，广域网采用存储转发。

　　局域网在传输介质、介质访问控制方法上形成了自己的特点。其主要的网络拓扑结构分为：总线型、环型与星型。网络介质主要采用双绞线、同轴电缆与光纤等。

　　A.总线拓扑：

　　介质访问控制方法：共享介质方式。

　　优点：结构简单、容易实现、易于扩展、可靠性好。

　　特点：所有结点都通过网卡连接到公共传输介质总线上，总线通常采用双绞线或同轴电缆，所有结点通过总线发送或接收数据，由于多个结点共享介质，因此会有冲突出现，导致传输失败，必须解决介质访问控制问题

　　B.环型网络拓扑结构

　　环型网络拓扑是结点间通过网卡利用点到点线路连接形成闭合的环型。环中的数据沿着同一个方向逐站传输。环型结构中，多个站点共享一条环通路，为了确定哪个结点可以发送数据，同样需要进行介质访问控制。环型结构通常采用分布式控制方法，环中每个结点都要执行发送和接收的控制逻辑。

　　C.星型网络拓扑结构

　　星型拓扑结构存在中心节点，每个节点通过点-点线路与中心节点连接，任何两节点之间的通信都要通过中心节点转接。优点是：结构简单。

　　3.传输介质类型和介质访问控制方法：

　　局域网介质类型：同轴电缆、双绞线、光纤和无线通道。

　　局域网介质访问控制方法：

　　IEEE802.2标准定义了共享介质局域网有以下3类:

　　带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)----总线网

　　令牌总线(token bus) -------总线网

　　令牌环(token ring)----------环型网

　　4. IEEE802参考模型

　　IEEE802(局域网标准委员会)，专门从事局域网标准化工作。重点是解决局部范围内的计算机组网问题。研究者只需要面对OSI模型中数据链路层和物理层，网络层及以上高层不属于局域网协议的研究范围。

　　局域网领域中有典型的三种技术：以太网、令牌总线和令牌环。

　　数据链路层的功能复杂，设计者将链路层分为两部分：LLC (逻辑链路控制子层)和 MAC(介质访问控制子层)。不同的局域网在LLC中必须使用相同的协议。LLC子层与传输介质和介质访问控制方法无关。在MAC子层和物理层中不同局域网可以采用不同协议。

　　5. IEEE802标准

　　IEEE802标准规定了局域网中不同层次(数据链路层和物理层)中的标准。

　　可简单分为3类：

　　IEEE802.1定义局域网的体系结构、网络互连。

　　IEEE802.2定义逻辑链路控制(LLC)的功能与服务。

　　IEEE802.3定义CSMA/CD总线访问方法与物理层技术规范。

　　IEEE802.4定义令牌总线(Token Passing Bus)访问方法与物理层技术规范。

　　IEEE802.3定义令牌环(Token Passing Ring)访问方法与物理层技术规范。

　　IEEE802.11定义无线局域网技术(MAC层采用CSMA/CD)

　　IEEE802.15定义近距离无线个人局域网访问控制子层与物理层标准

　　IEEE802.16定义宽带无线局域网访问控制子层与物理层标准

　　二、以太网

　　1.以太网的发展

　　1976年7月，Bob在ALOHA网络的基础上，提出总线型局域网的设计思想，并提出冲突检测、载波侦听与随机后退延迟算法，将这种局域网命名为以太网(Ethernet)。

　　以太网的核心技术是：

　　介质访问控制方法CDMA/CD.这种方法解决了多结点共享公用总线的问题。

　　早期以太网的传输介质是同轴电缆，后用双绞线，再后用光纤。

　　2.以太网的帧结构与工作流程

　　(1)以太网数据发送流程

　　冲突：多个站点同时利用总线发送数据，导致数据接收不正确。

　　总线网没有控制中心，如果一个站点发送数据帧，以广播方式通过总线发送，每一个站点都能收到数据帧，其它站点也可以同时发送，因此冲突不可避免。

　　CSMA/CD发送流程可简单概括为：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。

　　实现公共传输介质的控制策略，需要解决的问题是：载波侦听，冲突检测，冲突后的处理方法。

　　(a)载波侦听

　　结点利用总线发送数据时，首先侦听总线是否空闲，以太网规定发送数据采用曼彻斯特编码。判断总线是否空闲可以判断总线上是否有电平跳变。不发生跳变总线空闲。此时如果有结点已准备好发送数据，可以启动发送。

　　(b)冲突检测方法

　　载波侦听不能完全消除冲突，原因是数字信号是以一定的速率传输的。例如：结点A发送数据帧时，离他1000m距离的结点在一定的时间延迟后才能收到数据帧，此时间段内如果B也发送数据，造成冲突。从物理层上看，冲突时多个信号叠加，导致波形不同于任何结点的波形信号。

　　解决方案：结点A发送数据前，先发送侦听信号，如果侦听信号在最大距离传输时间2倍时，没有冲突信号出现，结点A肯定取得总线的访问权。

　　冲突信号的延迟时间=2*D/V。其中：D是结点到最远结点的距离，V表示信号传输速度，信号往返的时间为延迟时间。

　　进行冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例法。

　　比较法：将发送信号波形与从总线上接收的信号比较，如果不同说明有冲突。

　　违例编码法：检查总线上的波形是否符合曼彻斯特编码规则，不符合说明有冲突。

　　(c)冲突解决方案

　　发现冲突，停止发送如果发送数据的过程中检测出冲突，为解决信道争用冲突，发送结点停止发送，随机延迟后重发的流程。

　　随机延迟后重发的第一步：发送冲突加强信号，目的是延续冲突的持续时间，使得网络中的所有结点都能检测出冲突的存在，并立即丢弃冲突帧，提高信道利用率。

　　随机延迟重发。以太网协议规定每帧的最大重发次数不得超过16次，若超过则认为线路故障。为公平解决信道争用问题，需要确定后退延迟算法。典型的CSMA/CD采用二进制指数退避算法，退避延迟时间计算为：t=2k×R×a 。其中：a是冲突窗口大小，R是随机数，k为冲突次数，定义k的最大值，一旦k是最大值时是最后一次发送。每次的延迟时间都会根据公式求出。

　　以太网中任何结点都需要通过CSMA/CD方法争取总线使用权，从准备发送到成功发送时间不确定。因此又称为随机争用介质访问控制方法。简单易实现。

　　(2)以太网帧结构

　　前导码(7B)与帧前定界符字段：用于接收同步阶段。

　　目的地址与源地址(6B)：分别表示帧的接收节点地址与发送节点的硬件地址。

　　类型字段：表示网络层使用的协议类型。

　　数据字段(46B—15000B)：是高层待发送的数据部分。

　　帧校验字段：采用32位的循环冗余校验。校验范围：目的地址、源地址、长度、LLC数据。

　　(3)以太网接收流程

　　如果一个结点利用总线成功发送数据，其它结点都应该处于接收状态。所有结点只要不发送数据，就应该处于接收状态。一个结点接收帧，首先判断帧的长度。(规定了最小长度，若小与最小长度，冲突，丢弃该帧，结点重新进入接收状态)。如果没有冲突，结点接收帧后首先检查帧的目的地址。(目的地址单一地址或组地址或广播地址，属于自己则保留，否则丢弃)。地址匹配后确认是自己应该接收的帧，进一步进行CRC校验。 如果校验正确，则进一步检测LLC数据长度是否正确。出错则报告”帧长度错“，否则报告”成功接收”，进入结束状态。如果检验出错，首先判断该帧是否是8为的整数倍，是，表示没有丢失位，则记录”帧检验错“，否则报告”帧位错“，进入结束状态。

　　以太网协议将接收出错分为3类：帧检验错、帧长度错与帧位错。

　　3.以太网的实现方法

　　每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据

　　为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点

　　目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧

　　4.以网的物理地址

　　IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。即MAC地址(物理地址)，MAC地址为6字节(48位)。MAC地址的前3个字节(高24位)由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。

　　三、高速局域网工作原理

　　1.高速局域网的研究方法

　　传统局域网技术建立在”共享介质“的基础上，网中所有结点共享一条公共传输介质，典型的控制方法有：CSMA/CD、令牌环和令牌总线。

　　介质访问控制方法使得每个节点都能够”公平“使用公共传输介质，如果网络中结点数目增多，每个结点分配的带宽将越来越少，冲突和重发现象将大量增加，网络效率急剧下降，数据传输的延迟增长，网络服务质量下降。

　　解决方案：

　　(1)增加公共线路的带宽。优点：仍然是局域网保护用户已有的投资。

　　(2)将大型局域网划分成若干个用网桥或路由连接的子网。优点：每个子网作为小型局域网，隔离子网间的通信量，提高网络的安全性。

　　(3)将共享介质改为交换介质。优点：交换式局域网的设备是交换机，可以在多个端口之间建立多个并发连接。交换方式出现后，局域网分为：共享式和交换式局域网。

　　2.快速以太网(标准IEEE802.3u)

　　以太网采用相同的帧格式，同样的介质访问控制与组网方法，将速率从10Mbps提高10倍到100Mbps。解决方法只要在MAC子层使用CSMA/CD，在物理层进行必要调整，定义新的物理层标准。形成快速以太网标准IEEE802.3u。

　　100base-T标准定义了介质独立接口，它将MAC子层与物理层隔开，传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。

　　100BASE-T的有关传输介质标准主要有3种：

　　(1)100base-TX：支持2对5类非屏蔽双绞线或2对1类屏蔽双绞线;其中1对用来发送，1对用来接收，是全双工系统，每个结点可同时以100Mbps发送和接收数据。

　　(2)100base-T4：支持4对3类非屏蔽双绞线，其中3对用于数据传输，1对用于冲突检测。

　　(3)100base-FX：支持2芯的单模或多模光纤，主要用于高速主干网，从结点到集线器的距离可达2km。是全双工系统。

　　3.千兆以太网(标准IEEE802.3z)

　　在电视会议、三维图形与高清晰图像应用中，需要使用更高带宽的局域网。

　　设想方案：

　　(1)桌面10M,部门采用快速以太网100M，企业级采用1G的千兆以太网。

　　(2)将现有网络连入到ATM网上，异构网络连接。

　　IEEE802.3z标准定义了千兆网标准。

　　方法：

　　在物理层做一些必要调整，定义了1000BASE-T标准。支持多种传输介质。

　　4种标准：

　　(1)1000base-T:5类非屏蔽双绞线，距离100m。

　　(2)1000base-CX：屏蔽双绞线，长可到25m。

　　(3)1000base-LX：使用波长1300nm的单模光纤，长可3000m。

　　(4)1000base-SX：波长850nm的多模光纤，长可300～550m。

　　3.万兆以太网

　　万兆以太网，使用光纤做传输介质。不存在争用问题，不再使用CSMA/CD协议。

　　四、交换式局域网与虚拟局域网

　　1.交换式局域网的基本结构(交换式局域网的核心设备是局域网交换机。交换机需要建立“端口号/MAC地址映射表”，利用“地质学习”的方法来动态建立和维护 “端口号/MAC地址映射表”。)

　　(1)交换机的基本概念。交换机可以有多个端口，每个端口可以连接一个结点，也可连接共享介质的集线器(HUB);实现多个端口的并发连接和多个节点的并发传输。交换机通常针对某种局域网设计，交换式局域网的核心设备是局域网交换机。

　　(2)交换机的特点：低交换延迟,支持不同传输速率和工作模式(交换机端口支持不同的传输速率—半双工和全双工模式，交换机可完成不同端口速率之间转换)，支持虚拟局域网服务(交换式局域网是虚拟局域网的基础)。

　　2.局域网交换机的工作原理

　　交换机需要建立“端口号/MAC地址映射表”，利用“地质学习”的方法来动态建立和维护 “端口号/MAC地址映射表”。

　　3.交换机的帧转发方式

　　以太网交换机的帧转发方式包含3类：直接交换方式、存储转发交换方式、改进的直接交换方式

　　• 直接交换方式

　　交换机只要接收帧并检测目的地址，就立即将该帧转发出去，不用判断是否出错。帧出错检测由结点完成。优点：交换延迟短;缺点：缺乏检错，不支持不同速率端口之间的帧转发。

　　• 存储转发交换方式

　　交换机需要完整接收帧并进行差错检测。优点：具有差错检测能力，并支持不同速率端口间的帧转发;缺点：交换延迟将会延长。

　　• 改进的直接交换方式

　　结合上述两种方式，接收到前64B后，判断帧头是否正确，正确转发。对短帧而言，交换延迟同直通交换延迟;对长帧而言，因为只对帧头(地址和控制字段)检测，交换延迟将会减少。

　　4.虚拟局域网的工作原理

　　(1)虚拟网络概念：建立在交换机技术基础上，将局域网上的结点按工作性质与需要划分成若干个“逻辑工作组”，一个逻辑工作组就是一个虚拟网络。

　　虚拟网络以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理，工作组的结点不受物理位置的限制(相同工作组的结点不一定在相同的物理网段上，只要能够通过交换机互联)。从一个工作组到另一个工作组时，只要通过软件设定，无需改变结点在网络中的物理位置。

　　(2)组网方法：(4种)

　　A.利用交换机端口号定义虚拟局域网：逻辑上将交换机端口划分为不同的虚拟子网，当某一端口属于一个虚拟网时，就不能属于另外一个虚拟子网。缺点：当将结点从一个端口转移到另一个端口时，管理者需要重新配置虚拟网成员。

　　B.用MAC地址定义虚拟网络：利用MAC地址定义虚拟局域网，因为MAC地址是与物理相关的地址，因此称为基于用户的虚拟网;缺点：所有用户初始时必须配置到至少一个虚拟网，初始配置人工完成，随后可自动跟踪用户。

　　C.用网络层地址定义虚拟网络：利用IP地址定义虚拟网。优点：用户可按协议类型组成虚拟网，可随意移动不需要重新配置。缺点：性能比较差，原因是检查网络层地址比检查MAC地址更费时。

　　D.用IP广播组的虚拟网络：基于IP广播组动态建立虚拟网。广播包发送时，动态建立虚拟网，广播组中的所有成员属于一个虚拟网。它们只是特定时间内特定广播组成员。优点：可根据服务灵活建立，可跨越路由器与广域网。

　　5.虚拟局域网优点

　　(1)方便网络用户管理，减少网络管理开销。通过虚拟局域网的设置可以在调整用户涉及结点位置变化时，不需要重新布线。

　　(2)提供更好的安全性。针对不同的用户可以设置 不同的权限和要求，虚拟网是一种简单、经济和安全的方法。

　　(3)改善网络服务质量。虚拟网可以隔离不同的用户组，将同类的用户控制在一个虚拟局域网中，减少广播风暴的危害，有利于改善网络服务质量。

　　五、无线局域网

　　1、无线局域网的应用

　　体现在4个方面：

　　• 扩充传统局域网：某些特殊环境局域网起不到作用，利用无线解决。

　　• 建筑物之间的互联：邻近的建筑物之间可采用点到点的无线链路。

　　• 漫游访问：移动设备与无线集线器之间实现漫游访问。

　　• 特殊网络Ad hoc：无线自组网采用一种不需要基站的“对等结构”移动通信模式，网络中的所有用户都可能移动，每个系统都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。

　　2、红外无线局域网

　　按视距方式传播，发送点必须能直接看到接收点，中间没有阻挡。数据传输技术主要有三种：定向光束红外传输、全方位红外传输与漫反射红外传输。

　　3、扩频无线局域网

　　扩频通信是将数据基带信号频谱扩展几倍或几十倍，以牺牲通信宽度为代价达到提高无线通信系统的抗干扰性与安全性。

　　扩频技术主要有2种：跳频扩频、直接序列扩频。

　　• 跳频扩频通信

　　特点：将利用的频带分为多个子频带，子频 带称为信道。

　　每个信道带宽相同，中心频率有伪随机数发生器的随机数确定，变化频率叫跳跃系列。

　　发送端和接收端采用相同的跳跃系列。

　　• 直接序列扩频通信

　　特点：将发送数据经过伪随机数发生器产生的伪随机码进行异或操作，再将异或操作的结果调制后发送,所有接收结点使用相同频段,发送端与接收端使用相同的伪随机码

　　4、无线局域网标准IEEE802.11

　　标准规定物理层定义红外、跳频扩频与直接序列扩频的数据传输。

　　MAC层分为：分布式协调功能(DCF)和点协调功能子层(PCF)。

　　MAC层的主要功能是对无线环境的访问控制、提供多个接入点的漫游支持，同时提供数据验证与保密服务。

　　MAC层支持两种访问方式：无争用服务和争用服务。

　　无争用服务：系统中存在中心控制结点。中心控制结点的具有 点协调功能。

　　争用服务：类似以太网的随机争用访问控制方式，称为分布协调功能。

　　六、局域网互联与网桥的工作原理

　　物理层互连用中继器，数据链路层互连用网桥，网络层互连用路由器，高层互连用网关。

　　1、网桥的工作原理(透明网桥与源路由网桥)

　　当多个局域网互联时需要数据链路层的设备--------网桥。

　　作用是：数据接收、地址过滤与数据转发的作用。

　　网桥的特点：

　　A.互联两个采用不同链路层协议、传输介质与传输速率的网络

　　B.接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互联网络的通信

　　C.需要在链路层以上采用相同协议

　　D.分隔两个网络之间的广播通信，有利于改善网络的性能与安全性

　　常见的情况下是网桥连接两个局域网。

　　注意： 来源:考试大网

　　A.网桥不更改接收帧的内容与格式，要求在MAC子层以上使用相同协议。

　　B.网桥连接的两个局域网的数据链路层和物理层的协议可不相同

　　C.衡量网桥性能指标是每秒钟接收与转发的帧数

　　D.网桥必须具有寻址能力和路由选择能力

　　2、网桥的路由选择策略

　　网桥通过路由表来实现不同网段之间的帧转发。网桥的中工作是构建和维护路由表。路由表是用于记录不同结点的物理地址与网桥转发端口的关系。

　　按路由表建立方法分为两类：透明网桥与源路由网桥。

　　透明网桥：透明网桥的路由表记录3个信息：站地址、端口与时间。

　　路由表建立过程：网桥初始连入局域网时，路由表为空;当透明网桥收到一个帧时，它将记录源MAC地址、帧进入网桥的端口号和时间，然后将帧向所有其它端口转发，网桥在转发的过程中，逐渐建立路由表。

　　源路由网桥：源路由网桥由发送帧的源结点负责路由选择。

　　路由表过程：为发现合适的路由，源结点以广播方式向目的结点发送一个用于探测的发现帧，发现帧在通过网桥连接的各个局域网中沿着所有可能的路由传送。传送过程中每个发现帧记录路由，到达目的地后，沿着各自的路由返回源结点。源结点从所有路由中选择一个最佳路由。

　　3、网桥与广播风暴

　　广播风暴：当网桥的端口—结点地址表中没有结点地址信息时，网桥无法决定从哪个端口转发数据，简单方法是广播传输，但“盲目”广播使无用的通信量剧增，造成“广播风暴”。

　　网桥工作在链路层，网桥根据源地址与目的地址决定是否将接收和转发数据帧。网桥如果要转发必需存储一张端口—结点地址表。

　　当结点在表中不存在时，容易形成广播风暴。

　　4、多端口网桥与第二层交换

　　以太网交换机通过提供在多个端口之间的并发连接提高局域网性能。

　　从工作角度看，以太网网桥与以太网交换机都工作在链路层，交换机可以看作是一个多端口的网桥。

　　网桥一般采用接收、存储、地址过滤与帧转发

　　交换机完成帧的转发

　　交换机可以直接与计算机连接

　　网桥不是直接连接计算机而是连接局域网

　　由于交换机负责完成帧一级的交换，并工作在链路层，因此又被称为第二层交换机。

　　目前很多交换机具有网桥和路由器的基本功能。

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