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第二章 局域网的技术和应用
刘杰
主要内容
v 局域网概述
v 局域网参考模型和协议
v 常见局域网
v 局域网的组成和接口配置

局域网概述
v 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限.
v 局域网具有如下的一些主要优点：
§ 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
§ 便于系统的扩展和逐渐地演变,各设备的位置可灵活调整和改变.
§ 提高了系统的可靠性、可用性和残存性.
局域网的拓扑结构
局域网的拓扑结构
局域网的拓扑结构
局域网的拓扑结构
局域网的拓扑结构
局域网参考模型
v IEEE的802委员会针对局域网的特征并参照OSI参考模型，制定了有关局域网的参考模型（IEEE 802模型）。
v IEEE802模型仅包含OSI参考模型的物理层和数据链路层。IEEE802模型与OSI模型的对应关系如图所示。
IEEE802 标准
v 美国电气电子工程师学会（IEEE)于1980年2月成立了局域网技术标准委员会，简称IEEE 802委员会,专门负责制定局域网的协议。IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准,统称为IEEE 802协议（标准）。
v IEEE 802为局域网制定了一系列标准,主要有如下几种。
v （1）IEEE 802。1：描述局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连协议。
v （2)IEEE 802.2：定义了逻辑链路控制子层的功能与服务。
v (3）IEEE 802。3：描述带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）的访问方法和物理层规范.
v （4）IEEE 802.4:描述令牌总线网（Token Bus）访问控制方法和物理层技术规范。
v （5）IEEE 802.5:描述令牌环网（Token Ring）访问控制方法和物理层技术规范。
IEEE802 标准
v （6）IEEE 802。6:描述城域网（MAN）访问控制方法和物理层技术规范。
v （7)IEEE 802.7：描述宽带网访问控制方法和物理层技术规范。
v （8）IEEE 802。8：描述FDDI访问控制方法和物理层技术规范。
v （9）IEEE 802.9：描述综合语音和数据局域网技术。
v （10）IEEE 802。10:描述局域网网络安全标准。
v （11）IEEE 802.11：描述无线局域网访问控制方法和物理层技术规范。
v （12）IEEE 802.12:描述100VG—AnyLAN访问控制方法和物理层技术规范。
v （13）IEEE 802.14：描述利用CATV宽带通信的标准。
IEEE802 标准
v (14）IEEE 802.15：描述无线私人网(Wireless Personal
Area Network,WPAN）.
v （15)IEEE 802。16:描述宽带无线访问标准(Broadband
Wireless Access Standards）。
v （16)IEEE 802.17：弹性分组环（RPR）可靠个人接入技术。
v （17）IEEE 802.18：正在制定的宽带无线局域网标准规范。
v (18）IEEE 802.19：共存技术咨询组.
v （19）IEEE 802.20：移动宽带无线访问。
v （20）IEEE 802.21：符合802标准的网络与非802网络之间的互通.
v （21）IEEE 802。22:无线地域性区域网络工作组（WRANs）。
IEEE802 标准
常见的局域网- 以太网
v 以太网（Ethernet）是一种产生较早且应用相当广泛的的局域网，它是美国施乐(Xerox)公司的Palo Alto研究中心（PARC)于1975年研制成功的。
v 开始以无源的电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太（Ether）来命名。
常见的以太网
v 以太网/802。3帧格式
帧格式中字段含义（1/3 ）
v 前导符（ Preamble ）: 7个字节的10101010
§ 接收方通过该字段提取同步时钟。
v 起始符：10101011
§ 标志着一帧的开始。
v 目的地址：6字节
§ 单播地址（ Unicast Address ）
§ 组播地址(Multicast Address）：01:00：5e:＊＊:**:**
§ 广播地址（Broadcast Address）：48位全“ 1”
帧格式中字段含义(2/3 )
v 源地址： 6字节
§ 单播地址，唯一地址
§ Cisco是00-00-0c-＊＊—**-＊*,
IBM是 08—00-5A— ＊＊-＊*—＊*
v 类型/长度（Type/Length ）：2字节
§ 以太网：类型
• IP，0x0800（十进制为2048）
• ARP，0x0806（十进制为2054）
§ IEEE802.3：长度

帧格式中字段含义（3/3 ）
v Data（用户数据）:0~1500 Bytes
v PAD(填充字段)：0～46 Bytes
§ 保证最小帧长度为64字节
v CRC校验码： 32位
§ 生成多项式为：G(X）=X32+X26+X23+X22+X16 +X11+X10 +X8+X7 +X5+X4+X2+X+1
§ 校验范围为：目的地址、源地址、长度、数据和PAD

以太网概述
带冲突检测的载波监听多路访问
v 带冲突检测的载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,CSMA/CD）是一种介质访问控制方法，适用于总线结构及星形结构的局域网络，传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。
v CSMA/CD的工作过程可以简单地概括为4点:先听后发,边听边发,冲突停止，随机重发。
带冲突检测的载波监听多路访问
v CSMA/CD的具体工作过程：
v （1）当一个站点想要发送数据时，首先检测网络，查看是否有其他站点正在利用线路发送数据,即监听线路的忙闲状态。如果线路上已有数据在传输,则为线路忙，如果线路上没有数据在传输，称为线路空闲。
v （2)如果线路忙,则等待,直到线路空闲。
v （3)如果线路空闲，站点就发送数据。
v （4)在发送数据的同时，站点继续监听网络以确保没有冲突。即将其发送信号的波形与从线路上接收到的信号波形进行比较.如果相等不产生冲突，该站点在发送完数据后正常结束。如果不等,说明该站点发送数据时，其他站点也在发送数据，即产生冲突。
v （5）若检测到冲突发生，则冲突各方立即停止发送，并发出一串固定格式的阻塞信号以强化冲突，让其他的站点都能发现，然后过一段时间再重发.
带冲突检测的载波监听多路访问
带冲突检测的载波监听多路访问
v 实现冲突检测的几种方法:
v (1）通过硬件检查.以信号迭加引起的接收信号电平摆动变大是否超过某一阀值，来判断是否有冲突发生。
v （2）通过检查曼彻斯特编码信号的每位中间有无过零点(零点是否偏移）来判断是否发生冲突。
v （3）边发边收，将发送的信号与接收的信号相比较，若不一致则说明有冲突存在。
10BASE5 及10BASE2 网络
v 10BASE5及10BASE2网络是较早的Ethernet网络，其拓扑结构为总线形。
v 10BASE5即粗缆以太网，采用50W粗同轴电缆作为传输介质.
v 10BASE2即细缆以太网，采用50W细同轴电缆作为传输介质.
10BASE—T 网络
v 10BASE—T中的T表示双绞线，采用曼彻斯特编码方式.
10BASE—T以太网的拓扑结构大多为星形，可以采用以10Mb/s集线器或10Mb/s交换机为中心的星形拓扑结构。
100BASE 网络
v (1）100BASE-TX：使用5类UTP或STP双绞线(网段长度100m)，实际使用线缆中的2对。
v （2）100BASE—T4：使用3~5类UTP双绞线（网段长度100m)，实际使用线缆中的4对。
v (3）100BASE—FX：使用S/MMF型光纤(网段长度400～2 000m，全双工时的传输速率达
200Mb/s)，实际使用两条多状态光纤，一条用于发送数据，一条用于接收数据.
千兆以太网和万兆以太网
v （1）1 000BASE-SX：采用芯径为62.5mm和50mm的多模光纤，传输距离为260m和525m。数据编码方法为8B/10B，适用于作为大楼网络系统的主干通路。
v （2）1 000BASE-LX：采用多模光纤或单模光纤,传输距离超过550m，数据编码方法为8B/10B，适用于作为大楼网络系统的主干通路或校园及城域主干网.
v （3）1 000BASE—CX:采用150W平衡屏蔽双绞线（STP)，传输距离为25m,传输速率为1。25Gb/s，数据编码方法采用8B/10B，适用于网络设备的互联，例如机房内连接网络服务器。
v (4)1 000BASE—T:采用4对5类UTP双绞线，传输距离为100m,传输速率为1Gb/s，主要用于结构化布线中同一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网中已铺设的UTP电缆，也可被用做大楼内的网络主干。
802.4 标准
v IEEE 802。4标准用于处理令牌传送总线访问方式以及与之相关的物理信令和介质技术。访问功能可以用于调节连接在共享介质之上的各站点之间对于共享介质的使用。共享介质可以分成两个主要类型：广播型和顺序型。
v IEEE标准只处理广播型共享介质。广播型介质上的每个站点都可以收到传输的所有信号，并且广播型介质通常以物理总线的形式构成.802.4标准定义的就是一种广播型的总线结构。802.4标准规定了传输介质的电气和物理特性，采用电气信号的收发方式、传送帧的格式、站点收到数据帧的动作以及介质访问控制子层与位于其上的逻辑链路控制子层之间的接口。
Token Bus 网络
v Token Bus(令牌总线）网络采用了IEEE 802。4标准，它是一种在总线形拓扑中利用“令牌（Token)"作为控制节点访问公共传输介质的介质访问控制方法。在该网络系统中，每个站点都可以收到传输的所有信号，正如在CSMA/CD LAN中所见到的一样。但是任何一个站点只有在取得令牌后才能使用共享总线发送数据.虽然处理的是一个广播型LAN，然而令牌访问方式在逻辑上却总是顺序的。在正常的、稳定的状态操作期间，对介质的访问权从一个站点传送到另一个站点，物理上的连接可以与逻辑环的顺序无关.
Token Ring 网络
v 4。6。1 802。5标准
v 4.6。2 Token Ring网络工作原理
802。5 标准
v IEEE 802.5标准没有802.3和802.4那么详细,它定义了1Mb/s和4Mb/s屏蔽双绞线在客户机和介质之间的连接,用于处理令牌环传送访问方式以及与之相关的物理信令和介质技术。令牌环标准与前面讨论过的其他标准一样，在概念上也包括4个部分,即逻辑链路控制(LLC）、介质访问控制(MAC)、物理层（PHY）和传输介质。LLC和MAC两个子层等效于OSI的第2层（数据链路控制），PHY相当于OSI的第1层（物理层)，而介质本身并不包含在物理层之内。
802.5 标准
v IEEE 802.5标准规定了以下技术：
v （1）单令牌协议，环中只能存在一个令牌，这样可以简化优先级与环出错恢复功能的实现。
v （2）优先级位，令牌环支持多优先级方案,它通过优先级位来设定令牌的优先级.
v (3)监控站，环中设置一个中央监控站,通过令牌监控位执行环维护功能.
v （4）预约指示器，通过令牌预约,控制每个站点利用空闲令牌发送不同优先级的数据帧所占用的时间.
802。5 标准
v IEEE 802.5标准定义了25种MAC帧,用于完成环维护功能，这些功能主要是：环监控器竞争、环恢复、环查询、新站点入环、令牌丢失处理、多令牌处理、站点撤出、优先级控制等.
Token Ring 网络工作原理
v Token Ring（令牌环)网络采用802。5标准，在令牌环中，站点通过环接口连接成物理环形.
v 令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位令牌忙/闲的标志位。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与站点在环中排列的顺序相同，如图所示。
Token Ring 网络工作原理
v 如果站点A有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来.
v 当站点A获得空闲令牌后，它将令牌忙/闲标志位由“闲"置为“忙",然后传送数据帧。
v 站点B、C、D将依次接收到数据帧。如该数据帧的目的地址是C站点，则C站点在正确接收该数据帧后，在帧中标志出帧已被正确接收和复制.
v 当A站点重新接收到自己发出的、并已被目的站点正确接收的数据帧时，它将回收已发送的数据帧，并将忙令牌改成空闲令牌,再将空闲令牌向它的下一站点传送。
虚拟局域网概述
v 虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN)是以局域网交换机为基础，通过交换机软件实现的.根据功能、部门、应用等因素将设备或用户组成虚拟工作组或逻辑网段，其最大的特点是在组成逻辑网时无需考虑用户或设备在网络中的物理位置。VLAN可以在一个交换机或者跨交换机实现。
v 虚拟局域网是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组,而这些网段具有某些共同的需求
虚拟局域网概述－示意图
虚拟局域网概述－特点
v 提高管理效率
§ 站点的物理位置改变无需重新布线和配置；
§ 用户性质改变后很容易通过软件将其从一个VLAN划分到另一个VLAN；
v 控制广播数据
§ 交换机端口只在物理上隔离冲突域，而VLAN能够提供隔离广播和多播（多点传送)的逻辑冲突域;
v 提高网络性能
§ 屏蔽了某些网络流量，减少了广播数据；
v 增强了网络的安全性
§ 不同VLAN的设备将不能互相访问，对于某些敏感应用来讲非常重要；
v 实现虚拟工作组
§ 用户的工作地点不必在同一个物理地点；
§ 可在企业内建立灵活的、动态化的组织结构。
虚拟局域网中的帧格式
v IEEE802.3ac标准定义了虚拟局域网的以太网帧格式。
v 在传统的以太网的帧格式中插入如图所示的一个4字节的标识符，插在以太网MAC帧的源地址字段和长度（或类型）字段之间，称为VLAN标记,用来指明发送该帧的工作站属于哪一个VLAN。
VLAN 的类型
v 1．基于交换端口的VLAN
这种方式的VLAN的特点是将交换机按照端口进行分组,每一分组定义为一个虚拟局域网。分组中的交换机端口可以在一台交换机上也可以跨越多个交换机。
v 2．基于硬件MAC的VLAN
这种方式的VLAN要求交换机对站点的MAC地址和交换机端口进行跟踪,在新站点入网时，根据需要将其划归至某一个VLAN。
v 3．基于网络层的VLAN
基于网络层的VLAN划分也叫做基于策略的划分，是这几种划分方式中最高级也是最为复杂的。
VLAN 的应用
v 1．局域网内部的局域网
v 在一个单位的局域网内部，各业务部门独立成为一个（逻辑）局域网，即VLAN。
v 2．共享访问——访问共同的接入点和服务器
v 在一个共享的网络环境下（如，大型写字楼），解决不同单位对网络的需求的同时，保证各单位间信息的独立性，就可以把各个单位划分为VLAN。
v 3．交叠虚拟局域网
v 交叠虚拟局域网允许一个交换机端口同时属于多个VLAN。

无线局域网
v 无线局域网是指以无线信道作传输介质的计算机局域网络（Wireless Local Area Network，简称WLAN）。
v WLAN是在有线网的基础上发展起来的，使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信道的连通问题。
无线局域网的组网模式
v 无线局域网（Wireless Local Area Network， WLAN）的组网模式有两种，对等网络和结构化网络.
§ 对等网络（Ad-hoc)是指网络中的用户通过无线网卡直接连接，不必使用接入点设备。几台计算机装上无线网卡，即可达到相互连接，资源共享的目的。但是，当用户数量较多时网络性能较差,并且用户之间的有效通信距离约为100m。该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。
§ 在结构化网络（Infrastructure)中，无线客户机是通过一个集中接入设备（Access Point,AP，接入点）进行网络通信的。AP作为无线局域网的中心,负责信号的接收和转发.不仅如此，AP同时还可以作为一个桥梁，实现无线网络和以太网的有机结合，使得接入无线网络的客户机可以和以太网中的计算机互相通信、进行数据共享。一个AP的覆盖范围大约为90～150m.
802.11 标准
v 参照OSI参考模型,IEEE 802.11标准覆盖了无线局域网的物理层和MAC子层。物理层标准规定了无线传输信号等基础规范，如IEEE 802。11a、802.11b、802.11d、802.11g、802。11h，而MAC层标准是在物理层上的一些应用要求规范，如802.11e、802。11f、802.11i。
v 在IEEE 802.11标准中，定义了3个可选的物理层实现方式：红外线（IR）基带物理层和两种无线频率(RF)物理层。两种无线频率物理层指工作在2。4 GHz频段上的跳频扩展频谱（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）方式与直接序列式扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)方式.目前IEEE 802.11规范的实际应用以使用DSSS 方式为主流。
v IEEE 802.11标准（包括802。11b、802。11a和802.11g）在MAC子层采用带冲突避免的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）方法。
802。11 标准
v 1．IEEE 802。11b
v 802。11b也称做Wi-Fi，采用2。4GHz直接序列扩频，最高数据传输速率为11Mb/s。
v 2．IEEE 802。11a
v 802。11a标准是802。11b无线联网标准的后续标准,其工作在5。1~5。8GHz频率范围，最高数据传输速率可达54Mb/s.
v 3．IEEE 802.11g
v 802。11g其实是一种混合标准，它既能适应传统的802.11b标准,在2。4GHz频率下提供11Mb/s的数据传输率，也符合802。11a标准在5GHz频率下提供56Mb/s的数据传输率。

局域网组成及接口配置
v 局域网组成
§ 网络服务器:主要由大容量存储单元且性能稳定的专用服务器担任，主要功能：
• 管理网络文件系统
• 提供网络打印服务
• 处理网络通信
• 响应工作站上的网络请求

局域网组成及接口配置
§ 用户工作站：一台满足运行的基本配置的计算机

§ 网络适配器：网卡或网络接口卡
§ 传输介质：双绞线、同轴电缆、光导纤维

局域网组成及接口配置
v 网卡

局域网组成及接口配置
v 传输介质
§ 双绞线、光导纤维、无线介质

局域网组成及接口配置
局域网组成及接口配置
局域网组成及接口配置
局域网的组成及接口配置
局域网组成及接口配置
局域网组成及接口配置
v 局域网协议
§ NETBEUI
§ IPX/SPX
§ TCP/IP
v 实训：构建双绞线局域网
v 实操：局域网常见故障判断