第三章 局域网基础
几个问题：1、局域网技术要素：网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。2、注意几个网间连接器（用于网络之间互连的中继设备）也称中继器：网桥（提供链路层间的协议转换，在局域网之间存储和转发桢）、路由器（提供网络层间的协议转换，在不同网络之间存储和转发分组）、网关（提供运输层及运输层以上各层间的协议转换）。约12个选择题和3个填空题约18分。
3．1基本概念
一、特点：1．局域网覆盖有限的地理范围； 2．有较高的传输效率；3．一般一个单位所有，比较便于建立、维护和扩展。
决定局域网的主要技术要素是：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法；
局域网从介质访问控制方法分为：共享介质局域网与交换式局域网
二、局域网拓扑构型
1．在通信机制上局域网选择了与广域网不同的方式，从“存储转发”方式改变为“共享介质方式和“交换方式”。
2．局域网在网络拓扑上主要采用了总线型、环型、星型。在网络传输介质上主要采用双绞线、同轴电缆和光纤。
3．总线型拓扑结构的特点：⑴所有的节点都连接到一条公共传输介质上的总线上。⑵用同轴电缆和双绞线为传输介质。 ⑶所有结点都可以发送数据，在同一个时期内只允许一个节点发送信息。⑷当有两个节点同时发送信息时冲突。 ⑸必须解决⑷的介质访问控制（MAC）
优点：结构简单 实现容易 易于扩展 可靠性较好
总线型局域网的介质访问控制方式采用的是“共享介质”方式。介质访问控制方法是控制多个节点利用公共传输介质发送和接受数据的方法。
4．环型拓扑结构：结点之间通过网卡利用点到点线路连接构成闭合的环形。环中的数据沿着一个方向逐站传输。也要有MAC
优点：结构简单 实现容易 传输延迟确定 适应传输负荷较严重时性要求较高的应用环境
5．星型拓扑结构
⑴星型拓扑中存在中心结点，每个结点通过点与点之间的线路与中心结点连接，任何两结点之间的通信都要通过中心结点转接。
⑵普通的共享介质方式的局域网中不存在星型拓扑。但是以交换分机CBX为中心的局域网系统可以归为星型局域网拓扑结构。
三、局域网的传输介质类型与特点
1．同轴电缆
2．双绞线：3类线带宽为16MHz，适合与10MHz以下的数据；4类20MHz，语音；5类100MHz，甚至可以支持155MHz。
3．光纤：单模和多模
3．2局域网介质访问控制方法
1．种类：⑴带有冲突检测的载波帧听多路访问CSMA/CD方法。 ⑵令牌总线方法（TOKEN BUS） ⑶令牌环方法（TOKEN RING）
一、 IEEE802模型与协议标准
IEEE802参考模型是美国电气电子工程师协会在1980年2月制订的，称为IEEE802标准，这个标准对应于OSI参考模型的物理层和数据链路层，但它的数据链路层又划分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。
a.802.1标准：包含了局域网体系结构、网络互连、以及网络管理与性能测试。
b.802.2标准：定义了逻辑链路控制（LLC）子层功能及其服务。
c.802.3标准：定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层和物理层规范。
d.802.4标准：定义了令牌总线（Token Bus）介质访问控制子层与物理层的规范。
e.802.5标准：定义了令牌环（Token Ring）介质访问控制子层与物理层的规范。
f.802.6标准：城域网，定义了城域网的介质访问控制子层和物理层的规范。
g.802.7标准：宽带技术。
h.802.8标准：光纤技术。
i.802.9标准：综合语音数据局域网。
j.802.10标准：可互操作的局域网的安全机制。
k.802.11标准：无线局域网。
L．802.11b标准：无线局域网。
m.802．15标准：定义近距离无线个人局域网访问控制子层与物理层标准。
n.802.16标准：定义快带无线局域网访问控制子层与物理层标准。
1．IEE802.2模型与协议标准
IEEE802.2标准定义的共享局域网有三类：
⑴采用CSMA/CD介质访问控制方法的总线型局域网。802.3标准
⑵采用TOKEN BUS介质访问控制方法的总线型局域网。802.4标准
⑶采用TOKEN RING介质访问控制方法的环型局域网。802.5标准
2．IEEE802.3标准与ETHERNET（以太网）
⑴以太网的核心技术是它的随机争用型介质访问控制方法即CSMA/CD介质访问控制方法。起源于无线分组网
⑵最早使用随机争用技术的是夏威夷大学的校园网。
⑶CSMA/CD的发送流程可概括为：①先听后发②边听边发③冲突停止④随机延迟后重发。
特点：可以有效控制多结点对共享总线的访问，简单易实现。
⑷冲突检测是发送结点在发送的同时，将其发送信号波形与接受到的波形相比较。冲突检测的两种方法：比较法和编码违例判决法。
3．IEEE802.4标准与TONKEN BUS
⑴TOKEN BUS（令牌总线方法）是一种在总线拓扑中利用“令牌”作为控制结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。结点只有取得令牌后才能发送数据。令牌是一种特殊结构的控制帧，用来控制结点对总线的访问权。其特点主要有：介质访问延迟时间有确定值；通过令牌协调各结点的通信关系，各结点之间无冲突，重负载下信道利用率高；支持优先级服务。
⑵所谓正常稳态操作是网络已经完成初始化，各结点进入正常传递令牌与数据，并且没有结点要加入与撤除，没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。令牌传递规定由高地址向低地址，最后由低地址向高地址传递。令牌总线网在物理上是总线网，而在逻辑上是环网。
⑸交出令牌的条件：①该结点没有数据帧等待发送。②该结点已经发完 ③令牌持有最大时间到
⑹环维护工作：①环初始化 ②新接点加入环 ③接点从环中撤出 ④环恢复 ⑤优先级
4．IEEE802.5标准与TOKEN RING
在令牌环中，结点通过环接口连接成物理环型。令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位标志令牌的忙/闲。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单相逐站传送，传送顺序与节点在环中排列的顺序相同。其特点是与BUS相似，环中结点访问延迟确定；适用重负载环境；支持优先级服务。其缺点是维护复杂且实现困难。
IEEE802.5针对上述技术的改进是：单令牌协议，优先级位，监控站，预约指示器，且定义25种MAC帧，用以对环进行维护。
5．CSMA/CD与TOKEN BUS、TOKEN RING的比较
CSMA/CD | 针对总线型拓扑结构的局域网设计 | 随机型介质访问控制：适用负荷较低、实时性不高，算法简单易实现 |
Token Ring Token Bus | 针对环型拓扑结构局域网设计的 | 确定型介质访问控制方法：适用负荷较高、实时性高，复杂、实现较困难 |
6．以太网物理地址的基本概念
局域网通过为网卡分配一个硬件地址来标识一个联网计算机或其他设备。硬件地址固化在网卡EPROM里，局域网的MAC层是由硬件来处理的，因此叫物理地址或硬件地址。典型的以太网物理地址长度是48位（六个字节），12位的十六进制、 48位的二进制。IEEE注册管理委员会（RAC）为厂商分配前3B保证每一个Ethernet网卡在全球唯一。
一、高速局域网研究基本方法
1．对局域网的改革方法：⑴提高数据传输率 ⑵将大型局域网划分成多个用网桥或路由器互联的子网 ⑶将共享介质方式改变为交换方式
2．共享介质局域网可分为Ethernet，Token Bus，Token Ring与FDDI以及在此基础上发展起来的100Mbps Fast Ethernet、1Gbps与10Gbps Gigabit Ethernet。
3．交换式局域网可分为Switch Ethernet与ATM LAN，以及在此基础上发展起来的虚拟局域网。
二、光纤分布式数据接口FDDI。是一种以光纤作为传输介质的高速主干网。其技术特点：
(1)使用基于IEEE802.5的令牌环网介质访问控制协议。 (2)使用IEEE802.2协议。 (3)数据传输速率为100Mbps,连网的结点数小于等于1000,环路长度为100km (4)可以使用双环结构,具有容错能力。 ( 5)可以使用多模或单模光纤 (6)具有动态分配带宽的能力,能支持同步和异步数据传输。
三、100Mbps Fast Ethernet，802.3u。 100Base-T采用介质独立接口(MII)，将MAC与物理层分开。
特点：与以太网相同之处：保留了传统10M以太网一样的“帧”格式、介质访问控制方法CSMA/CD、接口和组网方法。
与以太网不同之处：⑴数据发送时间提高了10倍，数据发送延迟时间降低10倍，由100ns降低到10ns.⑵不再使用同轴电缆作为传输介质，而使用双绞线和光纤作为传输介质⑶在物理层和数据链路层之间加入介质独立性接口MII，链路层独立⑷使用IEEE802.3μ协议。
100BaseTX→物理层 两对5类非屏蔽双绞线或1对屏蔽双绞线，全双工传输，每个结点可以同时传输100Mbps。
100BaseT4 4对3类非屏蔽双绞线，其中一对用于冲突检测。
100BaseFX：支持2芯的多模或单模光纤，从结点的到集线器的距离2KM，全双工系统。
四、1Gbps Gigabit Ethernet，502.3z。发送间隔时间：1 ns ,提高100倍。在LLC层用802.2，采用千兆介质独立接口(GMII)，将MAC与物理层分开。在MAC使用CSMA/CD，在物理层作更改
1000BaseT:5类非屏蔽双绞线 传输距离：100米
1000BaseCX:屏蔽类双绞线 传输距离：25米
1000BaseSX:波长为850nm的多模光纤，传输距离：300米～550米
1000BaseLX：波长为1300nm的单模光钎， 传输距离：3公里
五、10Gbps Gigabit Ethernet。802.3ae
特点：帧格式与以前以太网相同；保留802.3对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定；传输介质只使用光纤；只工作在全双工方式。传输距离不受冲突检测的限制
物理层协议有两种不同的物理层：局域网物理层标准和广域网物理层标准。
光传输数据标准：光钎同步网络和同步数字体系
六、交换式局域网：交换式局域网从根本上改变了“共享介质”的工作方式，它可以通过以太网交换机支持交换机端口结点之间的多个并发连接，实现多结点之间数据的并发传输。
1．是在多个交换机的接口之间建立并发连接的网络，核心部件是局域网交换机，典型的局域网为交换式以太网，它的核心部件是以太网交换机。
2.以太网交换机是利用“端口/MAC地址映射表”进行数据交换的，交换机的“地址学习”是通过读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口号进行的。
3．交换机的帧转发方法，交换机可以分为3类：
⑴直接交换方式，只要接收并检测到目的字段就立即转发。优点是交换延迟时间短；缺点是缺乏差错检测能力
⑵存储转发交换方式，完整接收并进行差错校验；
⑶改进直接交换方式，只接收帧的前64字节，如果正确就转发，交换延迟时间将会减少。
4．局域网交换机的特性：⑴低交换传输延迟（仅几十us，网桥为几百us，路由器为几千us） ⑵高传输带宽（3）允许10/100Mbps共存 ⑷可以支持虚拟局域网
七、虚拟局域网
1．虚拟网络（VLAN）是建立在交换技术基础上（局域网交换机或ATM交换机）的。它以软件的形式来实现逻辑组的划分与管理，逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制。
3．对虚拟网络成员的定义方法上，有以下4种：
⑴ 用交换机端口号定义虚拟局域网。（最通用的办法）
⑵ 用MAC地址。基于用户的虚拟局域网。缺点：所有用户在初始阶段配置至少一个虚拟局域网，初始值人工完成，随后就可以自动追踪。
⑶ 用网络层地址（IP地址），优点：利于组成基于服务和应用的虚拟局域网、可以随意移动节点而无须重新配置网络。但性能差、速度慢
⑷ IP广播组。这种虚拟局域网的建立是动态的，它代表一组IP地址。优点：可根据服务灵活地组建，可以跨越路由器实现与广域网互联
4．虚拟局域网的优点：方便用户管理，减少网络管理开销；提供更好的安全性；改善网络服务质量。
八．无线局域网 IEEE802.11
1．应用：作为传统局域网的扩充、建筑物之间的互联、漫游访问；特殊网络AD HOC。
2．按采用的传输技术分类：⑴红外线局域网 基本技术：定向光束红外线传输、全方位外线传输、漫反射红外线传输 特点：按视距方式传播；不易被入侵，提高了安全性；每个房子的红外线网络互不干扰；设备相对简单和便宜。
⑵窄带微波局域网
⑶扩频无线局域网:目前使用的扩展频谱技术有①跳频扩频(FHSS，2.4GHz，传输速率：1、2、5.5、11Mbps)
②直接序列扩频(DSSS，2.4GHz，传输速率：1Mbps或2Mbps)
4．IEEE802.11协议的介质访问控制MAC层分为两个子层：分布式协调功能(DCF)和点协调功能（PCF）层，传输速率：1、2Mbps。 5．IEEE802.11b定义跳频扩频技术：传输速率：1M,2M,5.5M,11M。并开发介质访问MAC子层协议和物理介质标准。
3．4局域网组网设备
1．网卡是网络接口卡NIC的简称，它是构成网络的基本部件。网卡分类：
⑴按计算机种类：①标准以太网卡 ②PCMCIA网卡（用于便携式计算机）。
⑵按传输速率分类：①普通的10Mbps ②高速的100Mbps网卡③10/100Mbps自适应网卡④1000Mbps网卡。
③按传输介质类型分类：双绞线网卡(RJ-45)、粗缆网卡(AUI)、细缆网卡(BNC)、光纤网卡(F/O)。
3．集线器在传统的局域网中，连网的节点通过非屏蔽双绞线与集线器连接，构成物理上的星型结构。
普通的集线器两类端口：①一类是用于连接接点的RJ-45端口，这类端口数可以是8，12，16，24等。
②另一类端口可以是用于连接粗缆的AUI端口，用于连接细缆的BNC端口，也可以是光纤连接端口，这类端口称为向上连接端口。
⑴按传输速率分类：①10Mbps集线器 ②100Mbps集线器 ③10Mbps/100Mbps自适应集线器
⑵按集线器是否能够堆叠分类：①普通集线器 ②可堆叠式集线器
⑶按集线器是否支持网管功能：①简单集线器 ②带网管功能的集线器
4、局域网交换机（Switch）交换式局域网从根本上改变了“共享介质”的工作方式，通过在端口节点间建立多个并发连接，实现多个节点间的并发传输，增加网络带宽、改善局域网性能与质量；对于10M端口，半双工端口带宽为10M，全双工带宽为20M。
局域网交换机可以分为：1、简单的10Mbps交换机。2、10Mbps/100Mbps自适应的局域网交换机。3、大型局域网交换机。
5．网络互连设备：网桥、路由器、网关
网桥是在数据链路层上实现不同网络互连的设备。网桥的基本特征：网桥在局域网中经常被用来将一个大型局域网分成既独立又能互相通信的多个子网的互连结构，从而可以改善各个子网的性能与安全性。网桥利用物理地址MAC转发帧；数据链路层以上协议必须相同；容易产生“广播风暴”问题
基于这两种标准（IEEE802.1，802.5）的网桥分别是：⑴透明网桥（以太网） ⑵源路由网桥（令牌网）
6．路由器的功能：建立维护路由表、负责路由选择、对分组的存储转发、拥塞控制
路由器是在网络层上实现多个网络互连的设备。 需要每个局域网网络层以上高层协议相同，数据链路层与物理层协议可以不同。
路由器可以隔离各个子网的广播通信；利用目的的IP地址转发分组
7．网关可以完成不同网络协议之间的转换。网关实现协议转换的方法是：⑴直接将网络信息包格式转化成输出网络信息包格式 N(N-1)。⑵将输入网络信息包的格式转化成一种统一的标准网间信息包的格式2N。一个网关可以由两个半网关构成。
3.5局域网的组网方法。(最长连接：双绞线100m，单模光纤3000m，多模光纤300-550m)
1．双绞线的组网方法：⑴带RJ-45端口的以太网网卡 ⑵Hub集线器 ⑶3类或5类的非屏蔽双绞线 ⑷RJ-45头
2．双绞线组网的基本结构方式：①单一的集线器结构 ②多集线器级联结构
级联：集线器与集线器之间的连接，普通的端口连接或向上的端口连接。
堆叠式集线器：一个基础集线器和若干个扩展集线器构成。
3. 100Mbps以太网组网方法：100BASE-T集线器/交换机、100BASE-T网卡、双绞线或光缆。主干部分使用100Mbps交换机
4．1000Mbps以太网组网方法：基本设备1000Mbps交换机、10Mbps集线器/交换机、10/100Mbps以太网卡、双绞线与光缆。
3.6局域网结构化布线
结构化布线系统是指在一座办公大楼或楼群中安装的传输线路。这种传输线路能连接所有的语音数字设备，并将它们与电话交换系统连接起来。包括布置在楼群中所有电缆线及各种配件，但不包括各种交换设备。
1．结构化布线系统与传统的布线系统最大的区别在于：结构化布线系统的结构与当前所连接的设备位置无关。主要介质是双绞线。
2．结构化布线系统先预先按建筑物的结构，将建筑物中所有可能放置计算机及其外部设备的位置都布好了线，然后再根据实际所连接的设备情况，通过调整内部跳线装置，将所有计算机设备以及外部设备连接起来。
3．一个完善的智能大楼系统除了结构化布线系统以外，还应该包含以下几种系统：
1 办公自动化系统。2 通信自动化系统。3 楼宇自动化系统。4 计算机网络。
结构化布线系统的应用环境：1建筑物综合布线系统2智能大楼布线系统3工业布线系统
4．建筑物综合布线系统的主要特点是：
1 由于建筑物综合布线系统支持各种系统与设备的集成，能与现在所有的语音，数据系统一起工作，从而可以保护用户在硬件，软件，培训方面的投资。
2 建筑物综合布线系统有助于将分散的布线系统，合并成一组统一的，标准的布线系统中。
3 建筑物综合布线系统的结构化设计，使用户自己能够容易的排除故障，增强了系统安全性，便于管理。
4 采用高性能的非屏蔽双绞线与光纤的建筑物综合布线系统，能够支持高达100Mbps，甚至更高的数据传输速率。
6．智能大楼布线系统：采用开放式、模块化结构。具有很高的灵活性
7．工业布线系统是专为工业环境设计的布线标准与设备。一般采用双层网络结构来提高系统运行的稳定性。特点：采用光纤和模块结构
3.7网络互联技术。网络互连：都可以向下兼容，但不能向上兼容：上层协议必须一致，本层和下层协议可以不同。
1．局域网→局域网，用网桥互联。ATM局域网与传统共享介质局域网互连必须解决局域网仿真问题。
局域网→广域网， 广域网→广域网，局域网→广域网→局域网 ，采用 网桥、路由器或网关。
2．所谓网络互连，是将分布在不同地理位置的网络，设备相连接，以构成更大规模的互联网络系统，实现互联系统网络资源的共享。网络互连的功能有以下两类：1 基本功能。2 扩展功能。
3．网络互联的层次：
⑴数据链路层互连的设备是网桥。网桥在网络互连中起到数据接收，地址过渡与数据转发的作用，它是实现多个网络系统之间的数据交换。基于这两种标准的网桥分别是：透明网桥（网桥自己决定路由选择）、源路选网桥（详细的路由信息放在帧的首部）
⑵网络层互连的设备是路由器。如果网络层协议不同，采用多协议路由器
⑶传输层及其以上各层协议不同的网络之间的互连属于高层互连。实现高层互连的设备是网关。高层互连的网关很多是应用层网关，通常简称为应用网关。