计算机网络技术局域网技术

计算机网络技术计算机网络技术第三章 局域网技术本章内容本章内容局域网的定义局域网的定义局域网的分类局域网的分类局域网的参考模型局域网的参考模型局域网的控制方法局域网的控制方法(以太网以太网,令牌环网令牌环网,无线局域网无线局域网) 内容简介：内容简介：3.1.1局域网的定义 典型的局域网由一台或多台服务器和若干典型的局域网由一台或多台服务器和若干个工作站组成。个工作站组成。 局域网有着较高的数据传输速率，误码率局域网有着较高的数据传输速率，误码率也很低，但是对传输距离有一定的限制。也很低，但是对传输距离有一定的限制。而且同一个局域网中能够连接的结点数量而且同一个局域网中能够连接的结点数量也有一定的要求。局域网有很多种类，不也有一定的要求。局域网有很多种类，不同的局域网有着不同的特点和应用领域。同的局域网有着不同的特点和应用领域。 局域网与广域网的比较 广域网是一种跨地区的数据通信网络。用户可以通过电信广域网是一种跨地区的数据通信网络。用户可以通过电信运营商提供的设备平台、租赁的专用线路或者专用卫星等运营商提供的设备平台、租赁的专用线路或者专用卫星等方式来接入广域网。多个局域网联接在一起可构成广域网。方式来接入广域网。多个局域网联接在一起可构成广域网。就目前来看，最大的广域网就是国际互连网就目前来看，最大的广域网就是国际互连网（Internet）。相比广域网而言，局域网主要具有以下）。相比广域网而言，局域网主要具有以下特点：特点：(1) 地理分布范围较小。地理分布范围较小。(2) 数据传输速率高。数据传输速率高。(3) 误码率低。误码率低。(4) 与广域网相比，局域网协议简单、结构灵活、建与广域网相比，局域网协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。网成本低、周期短、便于管理和扩充。局域网的基本组成 局域网由网络硬件和网络软件两部分组成。网络硬局域网由网络硬件和网络软件两部分组成。网络硬件主要有：服务器、工作站、传输介质和网络连接件主要有：服务器、工作站、传输介质和网络连接部件等。网络软件包括网络操作系统、控制信息传部件等。网络软件包括网络操作系统、控制信息传输的网络协议及相应的协议软件、大量的网络应用输的网络协议及相应的协议软件、大量的网络应用软件等。软件等。 服务器可分为文件服务器、打印服务器、通信服务器可分为文件服务器、打印服务器、通信服务器、数据库服务器等。文件服务器是局域服务器、数据库服务器等。文件服务器是局域网上最基本的服务器，用来管理局域网内的文网上最基本的服务器，用来管理局域网内的文件资源；打印服务器则为用户提供网络共享打件资源；打印服务器则为用户提供网络共享打印服务；通信服务器主要负责本地局域网与其印服务；通信服务器主要负责本地局域网与其它局域网、主机系统或远程工作站的通信；而它局域网、主机系统或远程工作站的通信；而数据库服务器则是为用户提供数据库检索、更数据库服务器则是为用户提供数据库检索、更新等服务。新等服务。 工作站（工作站（Workstation）也称为客户机）也称为客户机（Clients），可以是一般的个人计算机，也可），可以是一般的个人计算机，也可以是专用电脑，如图形工作站等。工作站可以以是专用电脑，如图形工作站等。工作站可以有自己的操作系统，独立工作；通过运行工作有自己的操作系统，独立工作；通过运行工作站的网络软件可以访问服务器的共享资源，目站的网络软件可以访问服务器的共享资源，目前常见的工作站有前常见的工作站有Windows2000工作站和工作站和Linux工作站。工作站。 工作站和服务器之间的连接通过传输介质和网工作站和服务器之间的连接通过传输介质和网络连接部件来实现。络连接部件来实现。 网络连接部件主要包括网卡、中继器、集线器和交换网络连接部件主要包括网卡、中继器、集线器和交换机等。机等。 网卡是工作站与网络的接口部件。它除了作为工作站连接入网的物理接口外，还控制数据帧的发送和接收（相当于物理层和数据链路层功能）。集线器又叫HUB，能够将多条线路的端点集中连接在一起。集线器可分为无源和有源两种。无源集线器只负责将多条线路连接在一起，不对信号作任何处理。有源集线器具有信号处理和信号放大功能。 交换机采用交换方式进行工作，能够将多条线路交换机采用交换方式进行工作，能够将多条线路的端点集中连接在一起，并支持端口工作站之间的端点集中连接在一起，并支持端口工作站之间的多个并发连接，实现多个工作站之间数据的并的多个并发连接，实现多个工作站之间数据的并发传输，可以增加局域网带宽，改善局域网的性发传输，可以增加局域网带宽，改善局域网的性能和服务质量。能和服务质量。 除了网络硬件外，网络软件也是局域网的一个重除了网络硬件外，网络软件也是局域网的一个重要组成部分。目前常见的网络操作系统主要有要组成部分。目前常见的网络操作系统主要有Netware、Unix、linux和和Windows NT几几种种 3.1.2 局域网的分类 可从下面几个方面对局域网进行划分：可从下面几个方面对局域网进行划分： (1) 拓扑结构：根据局域网采用的拓扑结构，可分为总线型局域网、环型拓扑结构：根据局域网采用的拓扑结构，可分为总线型局域网、环型局域网、星型局域网和混合型局域网等。这种分类方法比较常用。局域网、星型局域网和混合型局域网等。这种分类方法比较常用。 (2) (2) 传输介质：局域网上常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆等，传输介质：局域网上常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆等，因此可以将局域网分为同轴电缆局域网、双绞线局域网和光缆局域网。如因此可以将局域网分为同轴电缆局域网、双绞线局域网和光缆局域网。如果采用的是无线电波，微波，则可称为无线局域网。果采用的是无线电波，微波，则可称为无线局域网。 (3) (3) 访问传输介质的方法：传输介质提供了二台或多台计算机互连并进行访问传输介质的方法：传输介质提供了二台或多台计算机互连并进行信息传输的通道。在局域网上，经常是在一条传输介质上连有多台计算机信息传输的通道。在局域网上，经常是在一条传输介质上连有多台计算机（如总线型和环型局域网），即大家共享同一传输介质。而一条传输介质（如总线型和环型局域网），即大家共享同一传输介质。而一条传输介质在某一时间内只能被一台计算机所使用，那么在某一时刻到底谁能使用或在某一时间内只能被一台计算机所使用，那么在某一时刻到底谁能使用或访问传输介质呢？这就需要有一个共同遵守的准则来控制、协调各计算机访问传输介质呢？这就需要有一个共同遵守的准则来控制、协调各计算机对传输介质的同时访问，这种准则就是协议或称为媒体访问控制方法。据对传输介质的同时访问，这种准则就是协议或称为媒体访问控制方法。据此可以将局域网分为以太网、令牌环网等。此可以将局域网分为以太网、令牌环网等。局域网的分类局域网的分类 (4) 此外，还可以按数据的传输速度分为此外，还可以按数据的传输速度分为10Mbps局域网、局域网、100Mbps局域网、千局域网、千兆局域网等；兆局域网等；局域网的分类 按照服务方式进行划分可以分为以下几种：按照服务方式进行划分可以分为以下几种： 专用服务器局域网专用服务器局域网 C/S局域网局域网 对等式局域网对等式局域网3.1.2 局域网的技术特点 局域网设计中主要考虑的因素是能够在较小局域网设计中主要考虑的因素是能够在较小的地理范围内更好的运行、资源得到更好的的地理范围内更好的运行、资源得到更好的利用、传输的信息更加安全以及网络的操作利用、传输的信息更加安全以及网络的操作和维护更加简便等。和维护更加简便等。 局域网的技术特点，即拓扑结构、传输媒体局域网的技术特点，即拓扑结构、传输媒体和媒体（介质）访问控制方法在很大程度上和媒体（介质）访问控制方法在很大程度上共同确定了传输信息的形式、通信速度和效共同确定了传输信息的形式、通信速度和效率、信道容量以及网络所支持的应用服务类率、信道容量以及网络所支持的应用服务类型，大致有：型，大致有： 按拓扑结构按拓扑结构星形星形总线总线环形环形树形树形按传输媒体按传输媒体双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆光纤光纤无线电无线电激光激光红外线红外线卫星卫星按媒体访问按媒体访问控制控制CSMACSMATokenTokenRingRingToken Token BusBusFDDIFDDI传输媒体 典型的传输媒体有双绞线、基带同轴电缆、宽带同典型的传输媒体有双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光导纤维、电磁波等。轴电缆和光导纤维、电磁波等。 媒体访问控制媒体访问控制媒体访问控制方法是指将传输介质的频带有效媒体访问控制方法是指将传输介质的频带有效地分配给网上各站点的方法，就是控制网上各工作地分配给网上各站点的方法，就是控制网上各工作站在什么情况下才可以发送数据，在发送数据过程站在什么情况下才可以发送数据，在发送数据过程中，如何发现问题及出现问题后如何处理等。目前中，如何发现问题及出现问题后如何处理等。目前比较常用的媒体访问控制方法有比较常用的媒体访问控制方法有CSMA/CD、Token Bus和和Token Ring等。等。 3.1.3局域网的拓扑结构 计算机网络拓扑结构包括计算机网络拓扑结构包括 逻辑拓扑结构逻辑拓扑结构 物理拓扑结构。物理拓扑结构。星形拓扑结构 在星形拓扑结构中，每个节点通过点到点通信在星形拓扑结构中，每个节点通过点到点通信线路与中心节点连接，节点间的通信都通过中心节线路与中心节点连接，节点间的通信都通过中心节点进行。点进行。 拓扑结构见下图拓扑结构见下图 星形拓扑结构(1) (1) 优点优点 结构简单、控制简单。因为任何一个节点只与中心节点相连接，所以结构简单、控制简单。因为任何一个节点只与中心节点相连接，所以媒体访问控制方法很简单，访问协议也简单，因此组网容易、便于管理。媒体访问控制方法很简单，访问协议也简单，因此组网容易、便于管理。 故障诊断和隔离容易。中心节点对连接线路可以逐一地隔离开来进行故障诊断和隔离容易。中心节点对连接线路可以逐一地隔离开来进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。 方便服务、扩展性好。由于各节点是独立的，所以中心节点可以方便方便服务、扩展性好。由于各节点是独立的，所以中心节点可以方便地对各个节点提供服务，增加或减少节点也不需要中断网络。地对各个节点提供服务，增加或减少节点也不需要中断网络。(2) (2) 缺点缺点 传输介质需求较大。因为每个节点都要与中心节点直接相连，需要耗传输介质需求较大。因为每个节点都要与中心节点直接相连，需要耗费大量的传输介质，安装、维护的工作量大增。此外，通信线路的利用率也费大量的传输介质，安装、维护的工作量大增。此外，通信线路的利用率也较低。较低。 中心节点是全网可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成全网瘫痪。中心节点是全网可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成全网瘫痪。 各节点的分布处理能力较差。各节点的分布处理能力较差。总线形拓扑结构 在总线形拓扑结构中，所有节点都直接连接到一条公共在总线形拓扑结构中，所有节点都直接连接到一条公共传输媒体上（总线），任何一个节点发送的信号都沿着传输媒体上（总线），任何一个节点发送的信号都沿着总线进行传播，而且能被所有其它节点接收。总线进行传播，而且能被所有其它节点接收。 拓扑结构见下图拓扑结构见下图 总线形拓扑结构(1) 优点优点 结构简单，所需要的传输介质最少。结构简单，所需要的传输介质最少。 无中心节点，任何节点的故障都不会造成全网的瘫痪，有较高的无中心节点，任何节点的故障都不会造成全网的瘫痪，有较高的可靠性。可靠性。 易于扩充，但增加节点时需中断网络。易于扩充，但增加节点时需中断网络。(2) 缺点缺点 信号随传输距离的增加而衰减，因此总线的长度有限。信号随传输距离的增加而衰减，因此总线的长度有限。 故障诊断和隔离较困难。一个链路故障，将会破坏网络上所有节故障诊断和隔离较困难。一个链路故障，将会破坏网络上所有节点的通信。探测电缆故障时，需要涉及整个网络。点的通信。探测电缆故障时，需要涉及整个网络。 分布式协议（争用技术）使访问控制复杂，并不能保证信息的及分布式协议（争用技术）使访问控制复杂，并不能保证信息的及时传送时传送环形拓扑结构 在环形拓扑结构中，所有节在环形拓扑结构中，所有节点通过点到点通信线路连接点通过点到点通信线路连接成闭合环路，每个节点能够成闭合环路，每个节点能够接收同一条链路传来的数据，接收同一条链路传来的数据，并以同样的速率串行地将该并以同样的速率串行地将该数据沿环送到另一端链路上。数据沿环送到另一端链路上。 拓扑结构见下图拓扑结构见下图 环形拓扑结构 (1) (1) 优点优点 没有路径选择问题（两个节点之间只有唯一点通路），没有路径选择问题（两个节点之间只有唯一点通路），控制协议简单。控制协议简单。 结构简单，增加或减少节点时，仅需简单的连接操作。结构简单，增加或减少节点时，仅需简单的连接操作。 所需的传输介质少于星形拓扑网络。所需的传输介质少于星形拓扑网络。 传输时间固定，适用于数据传输实时性要求较高的场传输时间固定，适用于数据传输实时性要求较高的场合。合。 适合使用光纤。光纤的传输速率很高，十分适合于环适合使用光纤。光纤的传输速率很高，十分适合于环形拓扑的单向传输形拓扑的单向传输 (2) (2) 缺点缺点 可靠性差。因为环上的数据传输要通过接在环上可靠性差。因为环上的数据传输要通过接在环上得每一个节点，所以任何节点的故障都会导致环路不能得每一个节点，所以任何节点的故障都会导致环路不能正常工作，甚至瘫痪。正常工作，甚至瘫痪。 故障检测困难。与总线拓扑类似，因为不是集中故障检测困难。与总线拓扑类似，因为不是集中控制，故障检测需要网上各个节点参与进行，因此实现控制，故障检测需要网上各个节点参与进行，因此实现困难。困难。 传输效率低。由于信号串行通过各个节点，因此传输效率低。由于信号串行通过各个节点，因此节点过多时，网络响应时间将相应变长。节点过多时，网络响应时间将相应变长。 2. 2. 典型标准典型标准 IEEE802.5IEEE802.5（Token-RongToken-Rong）、）、IEEE802.8IEEE802.8（FDDIFDDI）3.2.13.2.1局域网的参考模型 局域网参考模型只对应于局域网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路参考模型的数据链路层和物理层，它将数据链路层划分为：逻辑链路控层和物理层，它将数据链路层划分为：逻辑链路控制（制（LLC）子层和介质访问控制（）子层和介质访问控制（MAC）子层。）子层。 局域网对局域网对LLC子层是透明的，只有下到子层是透明的，只有下到MAC子层才子层才看见具体局域网，如总线网、令牌总线网或令牌环看见具体局域网，如总线网、令牌总线网或令牌环形网等。高层的协议数据单元传到形网等。高层的协议数据单元传到LLC子层，加上子层，加上适当的首部就构成了适当的首部就构成了LLC子层的协议数据单元子层的协议数据单元（LLC PDU）。）。LLC PDU再向下传到再向下传到MAC子层子层时，加上适当的首部和尾部，就构成了时，加上适当的首部和尾部，就构成了MAC子层子层的协议数据单元的协议数据单元MAC帧。帧。LLCPDU和MAC帧的关系LANLAN的底层核心技术包括：的底层核心技术包括：1).1).传输媒体的选择传输媒体的选择 传统传统LANLAN中经常使用同轴电缆；目前中经常使用同轴电缆；目前LANLAN中常使中常使用双绞线、光纤，且无线用双绞线、光纤，且无线LANLAN越来越重要越来越重要2).2).接入控制接入控制 在共享媒体或共享交换机情况下，需要有一些在共享媒体或共享交换机情况下，需要有一些手段对接入进行规范，使接入高效而公平，目前常手段对接入进行规范，使接入高效而公平，目前常见的接入控制模式包括：见的接入控制模式包括：CSMA/CDCSMA/CD、令牌环、令牌环3).3).拓扑结构拓扑结构 经常使用规则的拓扑结构：总线形、环形、星形经常使用规则的拓扑结构：总线形、环形、星形 典型典型LAN系统系统以太网（以太网（10Mbps, 100Mbps, 1Gbps）令牌环令牌环无线局域网无线局域网局域网体系结构局域网体系结构 物理层功能 对信号的编码对信号的编码/解码；解码； 前同步序列生成前同步序列生成/去除；去除； 比特传送比特传送/接收；接收； 传输媒体与拓扑规范。传输媒体与拓扑规范。 MAC子层子层 的功能的功能 由于所有的由于所有的LAN都由一组必须共享网络传都由一组必须共享网络传输带宽的设备组成输带宽的设备组成,所以需要一些手段来控所以需要一些手段来控制对传输媒体的访问制对传输媒体的访问,以保证有序且有效地以保证有序且有效地使用网络传输带宽。该功能由使用网络传输带宽。该功能由MAC层提供。层提供。 MAC的具体功能如下：的具体功能如下： 发送方：将数据、地址及差错检测字段成帧；发送方：将数据、地址及差错检测字段成帧； 接收方：分解帧，完成地址识别和差错检测；接收方：分解帧，完成地址识别和差错检测； 对接入对接入LAN共享传输媒体的管理（介质访共享传输媒体的管理（介质访问控制策略）问控制策略） LLC子层子层 的功能的功能 与大多数数据链路层一样，主要功能是：向与大多数数据链路层一样，主要功能是：向高层提供接口并完成流控与差控。高层提供接口并完成流控与差控。 3.2.2 IEEE802标准 1. IEEE 802 参考模型参考模型 IEEE 802标准的局域网参考模型与标准的局域网参考模型与OSI/RM的对应关系如图所示，该模型包的对应关系如图所示，该模型包括了括了OSI/RM最低两层（物理层和链路层）最低两层（物理层和链路层）的功能，也包括网际互连的高层功能和管理的功能，也包括网际互连的高层功能和管理功能。功能。IEEE802LAN参考模型 对于局域网来说，物理层规定了所使用的信号、编码和对于局域网来说，物理层规定了所使用的信号、编码和传输介质；数据链路层采用差错控制和帧确认技术，传传输介质；数据链路层采用差错控制和帧确认技术，传送带有校验的数据帧。为了使数据帧的传送独立于所采送带有校验的数据帧。为了使数据帧的传送独立于所采用的物理媒体和媒体访问控制方法，用的物理媒体和媒体访问控制方法，IEEE 802标准标标准标准特意把准特意把LLC独立出来形成一个单独子层，使得独立出来形成一个单独子层，使得LLC子子层与媒体无关，仅让层与媒体无关，仅让MAC子层依赖于物理介质和介质子层依赖于物理介质和介质访问控制方法。访问控制方法。LLC子层向高层提供一个或多个逻辑接口，这些接子层向高层提供一个或多个逻辑接口，这些接口被称为服务访问点（口被称为服务访问点（SAP）。）。SAP具有帧的接收、具有帧的接收、发送功能。发送时将要发送的数据加上地址和循环冗余发送功能。发送时将要发送的数据加上地址和循环冗余校验校验CRC字段等构成字段等构成LLC帧；接收时将帧拆封，进行地帧；接收时将帧拆封，进行地址识别和址识别和CRC校验。校验。 MAC子层在支持子层在支持LLC层完成介质访问控制功能层完成介质访问控制功能时，可以提供多个可供选择的媒体访问控制方时，可以提供多个可供选择的媒体访问控制方式。为此，式。为此，IEEE802标准制定了多种媒体访问标准制定了多种媒体访问控制方式，如控制方式，如CSMA/CD，Token Ring，Token Bus等。同一个等。同一个LLC子层能与其中任何子层能与其中任何一种访问方式接口。一种访问方式接口。IEEE 802 IEEE 802 标准标准 IEEE在在1980年年2月成立了局域网标准化委员会月成立了局域网标准化委员会（简称（简称IEEE 802委员会），专门从事局域网的协委员会），专门从事局域网的协议制订，形成了一系列的标准，称为议制订，形成了一系列的标准，称为IEEE 802标标准。准。IEEE802标准系列含以下部分标准系列含以下部分 IEEE802标准间的关系标准间的关系 IEEE802.1IEEE802.1：概述、体系结构和网络互连，以及网络管理：概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测试和性能测试 IEEE802.2IEEE802.2：逻辑链路扩展协议，定义：逻辑链路扩展协议，定义LLCLLC功能和服务功能和服务 IEEE802.3IEEE802.3：载波监听多路访问：载波监听多路访问/ /冲突检测（冲突检测（CSMA/CDCSMA/CD）控）控制方法，以及制方法，以及MACMAC子层和物理层的规范子层和物理层的规范 IEEE802.4IEEE802.4：令牌总线网的访问控制方法，以及：令牌总线网的访问控制方法，以及MACMAC子层子层和物理层的规范和物理层的规范 IEEE802.5IEEE802.5：令牌网的访问控制方法，以及：令牌网的访问控制方法，以及MACMAC子层和物理子层和物理层的规范层的规范 IEEE802.6IEEE802.6：城域网：城域网 IEEE802.7IEEE802.7：宽带技术：宽带技术 IEEE802.8IEEE802.8：光纤技术：光纤技术 IEEE802.9IEEE802.9：综合语音与数据局域网：综合语音与数据局域网 LANLAN技术技术 IEEE802.10IEEE802.10：可互操作的局域网安全性规范：可互操作的局域网安全性规范SILSSILS IEEE802.11IEEE802.11：无线局域网技术：无线局域网技术 IEEE802.12IEEE802.12：优先级高速局域网（：优先级高速局域网（100Mbps100Mbps） IEEE802.14IEEE802.14：电缆电视（：电缆电视（Cable-TVCable-TV）IEEE 802.3IEEE 802.3标准简介标准简介 IEEE802.3LAN标准对应于标准对应于OSI/RM的的最低两层，详细描述了总线拓扑结构的最低两层，详细描述了总线拓扑结构的CSMA/CD介质访问控制方法，物理收发介质访问控制方法，物理收发信号（信号（PLS）子层的服务规范以及物理层的）子层的服务规范以及物理层的逻辑、电气和机械特性等逻辑、电气和机械特性等. IEEE802.3定义了基带传输和宽带传输两大类标定义了基带传输和宽带传输两大类标准，如图所示准，如图所示 信息在以太网中传输的最小单位叫做信息在以太网中传输的最小单位叫做“帧帧”。IEEE802.3规定帧规定帧由由7个字段构成：前导码（个字段构成：前导码（Preamble）、）、SFD、DA、SA、长、长度、度、LLC数据和数据和CRC。如图所示。如图所示。 3.2.3 CSMA/CD3.2.3 CSMA/CD原理原理 总线争用技术可分为载波监听多路访问总线争用技术可分为载波监听多路访问CSMACSMA（Carrier Sense Multiple AccessCarrier Sense Multiple Access）和具有冲突）和具有冲突检测的载波监听多路访问检测的载波监听多路访问CSMA/CDCSMA/CD（Carrier Sense Carrier Sense Multiple Access with Collision DetectMultiple Access with Collision Detect）两大）两大类。类。 (1) CSMA(1) CSMA CSMACSMA技术，也称做先听后说技术。技术，也称做先听后说技术。 (2) CSMA/CD(2) CSMA/CD CSMA/CDCSMA/CD是在是在CSMACSMA基础上发展起来的一种随机访问基础上发展起来的一种随机访问控制技术。简言之，控制技术。简言之，CSMA/CDCSMA/CD可以概括为：先听后可以概括为：先听后发、边听边发、冲突停止、延时重发发、边听边发、冲突停止、延时重发CSMA/CD原理 当检测到冲突时，站点需要等待一段时间再当检测到冲突时，站点需要等待一段时间再重新监听信道，等待的时间需要有一种算法重新监听信道，等待的时间需要有一种算法来决定，我们称这种算法为冲突控制算法，来决定，我们称这种算法为冲突控制算法，也叫后退算法。也叫后退算法。CSMA/CD与CSMA的比较 与与CSMA相比，相比，CSMA/CD不同的是：发送信息后，站点继续不同的是：发送信息后，站点继续对通道进行冲突检测，若在冲突窗口时间（对通道进行冲突检测，若在冲突窗口时间（2t）内监测到冲突，）内监测到冲突，则马上停止发送信息包，并发出一简短的阻塞信号，以确保所则马上停止发送信息包，并发出一简短的阻塞信号，以确保所有站点都能知道信道已发生冲突；在发出阻塞信号后，站点再有站点都能知道信道已发生冲突；在发出阻塞信号后，站点再按一定的后退算法等待一随机时间，然后重发信息包。按一定的后退算法等待一随机时间，然后重发信息包。 在在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使总线上两个站点中，由于信道传播时延的存在，即使总线上两个站点没有监听到载波信号而发送数据帧时，仍可能会发生冲突。由没有监听到载波信号而发送数据帧时，仍可能会发生冲突。由于于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突已发生，仍然将已算法没有冲突检测功能，即使冲突已发生，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。 IEEE802.3标准适用逻辑拓扑结构为总线标准适用逻辑拓扑结构为总线（物理拓扑结构可以是总线、星形等）的局域网（物理拓扑结构可以是总线、星形等）的局域网 3.2.4 IEEE 802.5标准 IEEE802.5标准规定了令牌环的媒体访问控制子层和物标准规定了令牌环的媒体访问控制子层和物理层所使用的协议数据单元格式和协议，规定了相邻实理层所使用的协议数据单元格式和协议，规定了相邻实体间的服务及连接令牌环物理媒体的方法。体间的服务及连接令牌环物理媒体的方法。IEEE802.5令牌环参考模型如图所示令牌环参考模型如图所示 令牌环原理（令牌环原理（Token RingToken Ring） 令牌环的基本工作原理是：当环启动时，一个令牌环的基本工作原理是：当环启动时，一个“自自由由”或空令牌沿环信息流方向转圈，想要发送信息或空令牌沿环信息流方向转圈，想要发送信息的站点接收到此空令牌后，将它变成忙令牌（将令的站点接收到此空令牌后，将它变成忙令牌（将令牌包中的令牌位置牌包中的令牌位置1）即可将信息包尾随在忙令牌）即可将信息包尾随在忙令牌后面进行发送。该信息包被环中的每个站点接收和后面进行发送。该信息包被环中的每个站点接收和转发，目的站点接收到信息包后经过差错检测后将转发，目的站点接收到信息包后经过差错检测后将它拷贝传送给站主机，并将帧中的地址识别位和帧它拷贝传送给站主机，并将帧中的地址识别位和帧拷贝位置为拷贝位置为1后再转发。当原信息包绕环一周返回后再转发。当原信息包绕环一周返回发送站点后，发送站检测地址识别位和帧拷贝位是发送站点后，发送站检测地址识别位和帧拷贝位是否已经为否已经为1，如是则将该数据帧从环上撤消，并向，如是则将该数据帧从环上撤消，并向环插入一个新的空令牌，以继续重复上述过程。环插入一个新的空令牌，以继续重复上述过程。 令牌总线网的介质访问控制方法 令牌总线最早于令牌总线最早于1977由美国由美国Datapoint公司的公司的ARCNET采用，进入采用，进入80年代后，令年代后，令牌总线被列入牌总线被列入IEEE 802.4标准。随后也被标准。随后也被ISO确立为国际局域网标准。确立为国际局域网标准。 IEEE 802.4标准标准 IEEE 802.4标准详细说明了标准详细说明了MAC子层子层的服务规范、帧结构形式、控制方式的功能，的服务规范、帧结构形式、控制方式的功能，物理层服务规范和相应的逻辑、电气以及机物理层服务规范和相应的逻辑、电气以及机械特性，其参考模型如图所示械特性，其参考模型如图所示 令牌总线（令牌总线（Token BusToken Bus） 在物理上令牌总线是一根线形或树形的电缆，其上在物理上令牌总线是一根线形或树形的电缆，其上连接各个站点；在逻辑上，所有站点构成一个环，连接各个站点；在逻辑上，所有站点构成一个环，每个站点知道自己左边和右边的站点的地址。逻辑每个站点知道自己左边和右边的站点的地址。逻辑环初始化后，站号最大的站点可以发送第一帧。此环初始化后，站号最大的站点可以发送第一帧。此后，该站点通过发送令牌（一种特殊的控制帧）给后，该站点通过发送令牌（一种特殊的控制帧）给紧接其后的邻站，把发送权转给它。令牌绕逻辑环紧接其后的邻站，把发送权转给它。令牌绕逻辑环传送，只有令牌持有者才能够发送帧。因为任一时传送，只有令牌持有者才能够发送帧。因为任一时刻只有一个站点拥有令牌，所以不会产生冲突。刻只有一个站点拥有令牌，所以不会产生冲突。 无线网的介质访问控制方法无线局域网（无线局域网（WLAN）的传输介质采用无线媒体，包括无线）的传输介质采用无线媒体，包括无线电波、激光和红外线等。电波、激光和红外线等。WLAN在有线局域网的基础上通过在有线局域网的基础上通过无线无线HUB、无线访问接入点（、无线访问接入点（AP）、无线网桥、无线网卡）、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。等设备使无线通信得以实现。1. IEEE 802.11标准标准 无线局域网和普通有线网络一样，也采用无线局域网和普通有线网络一样，也采用ISO/RM七层网七层网络模型，只是在其模型的最低两层，即物理层和数据链路层络模型，只是在其模型的最低两层，即物理层和数据链路层中使用了无线传输方式。虽然早在中使用了无线传输方式。虽然早在1990年美国就有无线网络年美国就有无线网络设备出现，但是直到设备出现，但是直到1997年年IEEE 802.11无线网络标准颁无线网络标准颁布，无线网络技术的发展才步入正轨。此后，无线网络标准布，无线网络技术的发展才步入正轨。此后，无线网络标准进一步完善，进一步完善，IEEE802.11定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常是通过一台PC机加上一块无线网络接口卡构成的；另一个称为接入点（AccessPoint，AP），它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口（802.3接口）构成。接入点就象是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。IEEE802.11标准定义了物理层和媒体访问控制（MAC）协议的规范，其中对MAC层的规定是重点CSMA/CA 无线网的无线网的MAC层采用避免冲突层采用避免冲突(CA)方法，而不是冲突检方法，而不是冲突检测（测（CD），即以），即以CSMA/CA的方式共享无线媒体。的方式共享无线媒体。 CSMA/CA的运行机制为：的运行机制为： (1) 要发送数据前，会检测信道上有没有数据在传送，检测持续要发送数据前，会检测信道上有没有数据在传送，检测持续时间同时间同CSMA/CD类似，如果信道没有被占用就转到第类似，如果信道没有被占用就转到第3步；如果步；如果信道忙就转到第信道忙就转到第2步；步； (2) 站点等待一段随机时间后，转到第站点等待一段随机时间后，转到第1步；步； (3) 站点发送数据之前，先发送一个站点发送数据之前，先发送一个RTS帧，接收端收到后回复帧，接收端收到后回复CTS帧作为响应；帧作为响应； (4) 站点收到站点收到CTS帧后开始发送数据报；帧后开始发送数据报； (5) 一段时间后，站点没有收到回应则认为发生了冲突，再转到一段时间后，站点没有收到回应则认为发生了冲突，再转到第第1步。步。3.3 交换式局域网 交换式局域网 交换式局域网的核心部件是局域网交换机，它可以使每个站点都能独享网络速率。 局域网交换机的工作原理是：从端口接收数据帧，并判断数据帧的目的地址，将其转发到目的站点所在的端口。 虚拟局域网 虚拟局域网并不是一种新型局域网，它是在交换式网络的基础上，通过管理软件将网络中的节点按工作性质与需要划分成若干个“逻辑工作组”，每个逻辑工作组就是一个虚拟网络。 虚拟局域网可以在网络的不同层次上实现：基于端口的虚拟局域网、基于MAC地址的虚拟局域网、基于第三层协议（网络层）的虚拟局域网和基于应用的虚拟局域网共享式以太网和交换式以太网共享式以太网和交换式以太网 以太网交换技术是在多端口网桥的基础上于以太网交换技术是在多端口网桥的基础上于90年代年代初发展起来的。交换式局域网的核心是交换式集线初发展起来的。交换式局域网的核心是交换式集线器（交换机，器（交换机，Switch），其主要特点是：所有端），其主要特点是：所有端口平时都不连通；当站点需要通信时，交换机才同口平时都不连通；当站点需要通信时，交换机才同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的站点都时连通许多对的端口，使每一对相互通信的站点都能像独占通信信道那样，进行无冲突地传输数据，能像独占通信信道那样，进行无冲突地传输数据，即每个站点都能独享信道速率；通信完成后就断开即每个站点都能独享信道速率；通信完成后就断开连接。因此，交换式网络技术是提高网络效率、减连接。因此，交换式网络技术是提高网络效率、减少拥塞的有效方案之一。少拥塞的有效方案之一。 与共享介质的传统局域网相比，交换式以太与共享介质的传统局域网相比，交换式以太网具有以下优点网具有以下优点(1) (1) 它保留现有以太网的基础设施，只需将共享式它保留现有以太网的基础设施，只需将共享式HUBHUB改为交换机，大大节省改为交换机，大大节省了升级网络的费用。了升级网络的费用。(2) (2) 交换式以太网使用大多数或全部的现有基础设施，当需要时还可追加更多交换式以太网使用大多数或全部的现有基础设施，当需要时还可追加更多的性能。的性能。(3) (3) 在维持现有设备不变的情况下，以太网交换机有着各类广泛的应用，可以在维持现有设备不变的情况下，以太网交换机有着各类广泛的应用，可以将超载的网络分段，或者加入网络交换机后建立新的主干网等；将超载的网络分段，或者加入网络交换机后建立新的主干网等；(4) (4) 可在高速与低速网络间转换，实现不同网络的协同。目前大多数交换式以可在高速与低速网络间转换，实现不同网络的协同。目前大多数交换式以太网都具有太网都具有100Mbps100Mbps的端口，通过与之相对应的的端口，通过与之相对应的100Mbps100Mbps的网卡接入到服务器上，的网卡接入到服务器上，暂时解决了暂时解决了10Mbps10Mbps的瓶颈，成为网络局域网升级时首选的方案。的瓶颈，成为网络局域网升级时首选的方案。(5) (5) 交换以太网是基于以太网的，只需了解以太网这种常规技术和一些少量的交换以太网是基于以太网的，只需了解以太网这种常规技术和一些少量的交换技术就可以很方便的被工程技术人员掌握和使用。交换技术就可以很方便的被工程技术人员掌握和使用。与共享介质的传统局域网相比，交换式以太网具有以下优点(6) 交换式局域网可以工作在全双工模式下，实现无冲突域的通信，交换式局域网可以工作在全双工模式下，实现无冲突域的通信，大大提高了传统网络的连接速度，可以达到原来的大大提高了传统网络的连接速度，可以达到原来的200%200%。(7) (7) 交换式局域提供多个通道，比传统的共享式集线器提供更多的带交换式局域提供多个通道，比传统的共享式集线器提供更多的带宽。传统的共享式宽。传统的共享式10Mbps/100Mbps10Mbps/100Mbps以太网采用广播式通信方式，每次以太网采用广播式通信方式，每次只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞还得重试，而交换式以太只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞还得重试，而交换式以太网允许不同用户间进行传送，比如，一个网允许不同用户间进行传送，比如，一个1616端口的以太网交换机允许端口的以太网交换机允许1616个站点在个站点在8 8条链路间通信。条链路间通信。(8) (8) 在共享以太网中，网络性能会因为通信量和用户数的增加而降低。在共享以太网中，网络性能会因为通信量和用户数的增加而降低。交换式以太网进行的是独占通道，无冲突的数据传输，网络性能不会交换式以太网进行的是独占通道，无冲突的数据传输，网络性能不会因为通信量和用户数的增加而降低。交换式以太网可提供最广泛的媒因为通信量和用户数的增加而降低。交换式以太网可提供最广泛的媒体支持，因为交换式以太网也是以太网，它可以在第体支持，因为交换式以太网也是以太网，它可以在第3 3类双绞线、光纤类双绞线、光纤以及同轴电缆上运行，尤其是光纤以太网使得交换式以太网非常适合以及同轴电缆上运行，尤其是光纤以太网使得交换式以太网非常适合于作主干网。于作主干网。局域网交换机局域网交换机 交换式以太网的核心是交换机，是工作在交换式以太网的核心是交换机，是工作在OSI/RM第二层（数据链路层）的物理设备。目第二层（数据链路层）的物理设备。目前，交换技术已经延伸到前，交换技术已经延伸到OSI第三层的部分功能，第三层的部分功能，有一些交换机实现了路由器的路由选择功能，即现有一些交换机实现了路由器的路由选择功能，即现在的第三层交换技术。在的第三层交换技术。 工作在工作在OSI第二层的交换机可以理解为一个多端口第二层的交换机可以理解为一个多端口网桥；第三层交换技术可以不将广播封包扩散，直网桥；第三层交换技术可以不将广播封包扩散，直接利用动态建立的接利用动态建立的MAC地址来通信。地址来通信。 冲突域冲突域 广播域广播域 交换机的交换技术简介交换机的交换技术简介 基于基于MAC地址来进行数据帧的转发地址来进行数据帧的转发 交换机端口的状态交换机端口的状态 阻塞阻塞:所有端口为阻塞状态启动以防止回路所有端口为阻塞状态启动以防止回路 监听：不发送接收数据，接收并发送监听：不发送接收数据，接收并发送bpdu，不进，不进 行地址学习行地址学习 （临时状态）。（临时状态）。 学习：不接收或转发数据，接收并发送学习：不接收或转发数据，接收并发送bpdu，开，开始地址学习始地址学习MAC地址表（临时状态）。地址表（临时状态）。 转发：端口能转送和接受数据转发：端口能转送和接受数据 。 禁用：禁用：shutdown状态。状态。对称和不对称的交换机 对称交换机：根据交换机每个端口的带宽来描述对称交换机：根据交换机每个端口的带宽来描述LAN交换方法，它用相同的带宽在端口之间提供交交换方法，它用相同的带宽在端口之间提供交换连接，例如全部为换连接，例如全部为10Mbps端口或全部为端口或全部为100Mbps端口。交换机的实际吞吐量为端口数与端口。交换机的实际吞吐量为端口数与带宽的乘积。带宽的乘积。 不对称交换机：大多应用于不对称交换机：大多应用于Client/Server网络网络中，在不同带宽的端口间提供了交换连接，例如中，在不同带宽的端口间提供了交换连接，例如10Mbps端口与端口与100Mbps端口通信。它可以为服端口通信。它可以为服务器分配更多的带宽满足网络需求，防止在服务器务器分配更多的带宽满足网络需求，防止在服务器端产生流量瓶颈。端产生流量瓶颈。交换方式 目前比较主流的有直通方式和存储目前比较主流的有直通方式和存储- -转发方式。转发方式。 直通方式的交换机可以理解为在各端口间是纵横交直通方式的交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、口，实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点；它的缺点是：因为数交换非常快，这是它的优点；它的缺点是：因为数据包的内容并没有被交换机保存下来，所以无法检据包的内容并没有被交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入力，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/ /输出端口直接接通，而且，当交换机的端口增加时，输出端口直接接通，而且，当交换机的端口增加时，交换矩阵变的越来越复杂，实现起来相当困难。交换矩阵变的越来越复杂，实现起来相当困难。 存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式，它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，尤其重要的是它可以支持不同速度的输入输出端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。交换式以太网交换式以太网 下图的以太网采用交换式集线器（局域网交换下图的以太网采用交换式集线器（局域网交换机），数据速率为机），数据速率为10Mbps 虚拟局域网 (VLAN)(VLAN)虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。IEEEIEEE于于19991999年颁布了用以标准化年颁布了用以标准化VLANVLAN实现方案的实现方案的802.1Q802.1Q协议协议标准草案。标准草案。 VLANVLAN技术允许网络管理者将一个物理的技术允许网络管理者将一个物理的LANLAN逻辑地划分成逻辑地划分成不同的广播域（或称虚拟不同的广播域（或称虚拟LANLAN，即，即VLANVLAN），每一个），每一个VLANVLAN都包含都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的LANLAN有着有着相同的属性。但由于它是逻辑地而不是物理地划分，所以同相同的属性。但由于它是逻辑地而不是物理地划分，所以同一个一个VLANVLAN内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里，内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里，即这些工作站不一定属于同一个物理即这些工作站不一定属于同一个物理LANLAN网段。一个网段。一个VLANVLAN内部内部的广播和单播流量都不会转发到其他的广播和单播流量都不会转发到其他VLANVLAN中，从而有助于控中，从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。 VLANVLAN原理及实现方法原理及实现方法 VLAN是以交换以太网为基础的，它在以太是以交换以太网为基础的，它在以太网帧的基础上增加了网帧的基础上增加了VLAN头，用头，用VLAN ID将用户划分为更小的工作组，每个工作将用户划分为更小的工作组，每个工作组就是一个虚拟局域网。组就是一个虚拟局域网。 目前，虚拟局域网有四种实现技术：基于端目前，虚拟局域网有四种实现技术：基于端口的虚拟局域网、基于口的虚拟局域网、基于MAC地址的虚拟局地址的虚拟局域网、基于第三层协议的虚拟局域网和基于域网、基于第三层协议的虚拟局域网和基于策略的虚拟局域网。策略的虚拟局域网。基于端口实现的VLAN 基于端口的基于端口的VLAN是划分虚拟局域网最简单是划分虚拟局域网最简单也是最有效的方法，这实际上是某些交换端也是最有效的方法，这实际上是某些交换端口的集合，网络管理员只需要管理和配置交口的集合，网络管理员只需要管理和配置交换端口，而不管交换端口连接什么设备。属换端口，而不管交换端口连接什么设备。属于同一于同一VLAN的端口可以不连续，同时一个的端口可以不连续，同时一个VALN可以跨越多个以太网交换机。由于端可以跨越多个以太网交换机。由于端口划分是目前定义口划分是目前定义VLAN的最广泛的方法，的最广泛的方法，IEEE802.1Q规定了依据以太网交换机端规定了依据以太网交换机端口来划分口来划分VLAN的国际标准。的国际标准。 基于基于MACMAC地址的地址的VLANVLAN 这种实现方式是根据每个主机的这种实现方式是根据每个主机的MAC地址来划分地址来划分VLAN。这种划分方法的最大优点就是当用户物理。这种划分方法的最大优点就是当用户物理位置移动或端口改变时，不用重新配置位置移动或端口改变时，不用重新配置VLAN。 基于第三层协议的基于第三层协议的VLAN 基于第三层的基于第三层的VLAN是采用路由器中常用的方法，是采用路由器中常用的方法，即根据每个主机的网络层地址或协议类型来划分。即根据每个主机的网络层地址或协议类型来划分。尽管这种划分是根据网络地址，但它不是路由，与尽管这种划分是根据网络地址，但它不是路由，与网络层的路由毫无关系，所以没有网络层的路由毫无关系，所以没有RIP、OSPF等等路由协议，而是根据生成树算法进行桥交换。路由协议，而是根据生成树算法进行桥交换。基于策略的基于策略的VLANVLAN 基于策略的基于策略的VLAN是一种比较灵活有效的是一种比较灵活有效的VLAN划分方法。该方法的核心是采用什么划分方法。该方法的核心是采用什么样的策略。目前，常用的策略有：按样的策略。目前，常用的策略有：按MAC地址、按地址、按IP地址、按以太网协议类型、按地址、按以太网协议类型、按网络应用等。网络应用等。VLANVLAN具有的优点具有的优点VLANVLAN具有以下优点：具有以下优点： 1.1.控制网络的广播风暴控制网络的广播风暴 采用采用VLANVLAN技术，可将某个交换端口划到某个技术，可将某个交换端口划到某个VLANVLAN中，而一个中，而一个VLANVLAN的广播的广播风暴不会影响其它风暴不会影响其它VLANVLAN的性能。的性能。 2.2.确保网络安全确保网络安全 共享式局域网之所以很难保证网络的安全性，是因为只要用户插入一个共享式局域网之所以很难保证网络的安全性，是因为只要用户插入一个活动端口，就能访问网络。而活动端口，就能访问网络。而VLANVLAN能限制个别用户的访问，控制广播组的大能限制个别用户的访问，控制广播组的大小和位置，甚至能锁定某台设备的小和位置，甚至能锁定某台设备的MACMAC地址，因此地址，因此VLANVLAN能确保网络的安全性。能确保网络的安全性。 3.3.简化网络管理简化网络管理 网络管理员能借助于网络管理员能借助于VLANVLAN技术轻松管理整个网络。例如需要为完成某个技术轻松管理整个网络。例如需要为完成某个项目建立一个工作组网络，其成员可能遍及全国或全世界，此时，网络管理项目建立一个工作组网络，其成员可能遍及全国或全世界，此时，网络管理员只需设置几条命令，就能在几分钟内建立该项目的员只需设置几条命令，就能在几分钟内建立该项目的VLANVLAN网络，其成员使用网络，其成员使用VLANVLAN网络，就像在本地使用局域网一样网络，就像在本地使用局域网一样 以太网标准 在在IEEE 802标准中，有关以太网的标准中，有关以太网的IEEE802.3组组网标准见表网标准见表4.3 10M以太网组网技术 1. 10Base5组网技术组网技术 10Base5是是IEEE802.3中最早定义的以太网标准，也叫粗中最早定义的以太网标准，也叫粗缆以太网，因使用比较粗的同轴电缆而得名。缆以太网，因使用比较粗的同轴电缆而得名。10Base5的拓的拓扑结构为总线形，采用基带传输的方式，无中继器的情况下扑结构为总线形，采用基带传输的方式，无中继器的情况下最远的传输距离可以达到最远的传输距离可以达到500米。在粗缆以太网中，我们可米。在粗缆以太网中，我们可以通过中继设备将网络分为几段，如图以通过中继设备将网络分为几段，如图4-6-1所示。为了减所示。为了减少冲突，保证网络性能，少冲突，保证网络性能，IEEE802.3规定了规定了“5-4-3”原则：原则：即最多使用即最多使用4个转发器连接个转发器连接5个网段，其中只有个网段，其中只有3个网段可以个网段可