第十一章局域网技术.doc

第十一章 局域网技术
局域网定义：是将较小的地理区域内的各种数据通信设备连接在一起的通信网络
局域网特点：（1） 网络覆盖地理范围有限
（2） 传输速率高，延迟小
（3） 误码率低
（4） 网络的管理权限属单一组织所有。如某一校园网，某银行局域网等
局域网应用：用于连接企业，工厂和学校内的一个楼群，一栋楼和一个办公室里的数据通信设备，以便共享资源和交换信息
局域网的三个属性
（1） 局域网是一个通信网络，它仅提供通信的功能。从前面讲过的ISO网络体系结构来看，它仅包括低两层（物理层和数据链路层）的功能，所以连到局域网的数据通信设备必须加上高层协议和网络软件才能组成计算机网络。
（2） 局域网连接的是数据通信设备。包括微型计算机，高档工作站，服务器等大，中，小型计算机，终端设备和各种计算机外围设备
（3） 局域网传输距离有限，网络覆盖范围小
11、1 局域网的发展和分类
1969年诞生了第一个计算机网络——远程分组交换网ARPANET。随着计算机技术的飞速发展，微型计算机和小型计算机被广泛应用，一个单位和一个部门可能拥有为数众多的微机和工作站，于是产生了资源共享和远程高速通信的要求，这就是局域网产生的背景。
1972年Bell（贝尔）公司提出两种环型局域网技术，1972年诞生了以太网，其最初的实现与应用是在Xerox（美国施乐）公司的研究环境中，这时的网络传输速率仅为3Mbps到20世纪70年代末，以太网还没有统一标准，互不兼容，限制了以太网的发展。
1979年开始了以太网的标准化研究工作，终于在1980年由DEC，Intel和Xerox（施乐）共同制定了10Mbps以太网物理层和链路层标准规范。即Ethernet V1.0，之后又产生了第二版以太网规范并提交IEEE（国际电气和电子工程师协会）。
1983年IEEE以Ethernet2.0为基础，正式指定并颁布了IEEE802.3以太网标准，这个标准被称为标准以太网（10 Base-5）。
为满足应用对网络高带宽的要求，1983年美国国家标准委员会ANSI X3T9.5委员会提出了光纤高速网标准，使局域网的传输速度提高到100Mbps
1985年在IBM公司推出的令牌环网的基础上，IEEE802委员会又制定了令牌环标准IEEE802.5
1990年，为提高以太网传输速率，在10Mbps以太网的基础上。开发了快速以太网技术，并在1995年6月通过了10 Base-T快速以太网标准IEEE802.3u其带宽比以太网提高了10倍。
从1993年开始，在开发以太网的同时，提出了交换式网络技术，如交换以太网，交换令牌环网和交换FDDI。使局域网的发展进入了一个崭新的交换网络阶段。相继推出了异步传输模式ATM和千兆以太网，其网络带宽最高已达1Gbps
11、2 局域网硬件配置
局域网的组成：网络硬件和网络软件
网络硬件：计算机系统和通信系统
计算机系统：具有访问网络，数据处理和提供共享资源的能力。包括网络服务器和网络工作站
通信系统：是连接网络基本单元的硬件系统，其主要作用是通过通信电缆，网络设备等硬件系统将计算机连接在一起，为网络提供通信功能
总体来讲，局域网硬件包括：网络服务器，网络工作站，网络接口卡（网卡），网络设备，传输介质，介质连接器和各种适配器。
网络软件：网络系统软件和网络应用软件。控制信息传递的网络协议及相应的协议软件，网络操作系统，通信控制软件等。
当要把两台以上的计算机连成局域网时，不仅需要为每台连网计算机安装网络接口卡，还需要一个通信电缆和介质连接器等附属部件，根据不同的连网技术，有时还需要使用集线器，交换机，路由器等网络设备，以实现局域网的物理连接。
例如“用10Base-T以太网技术建立一个局域网，其硬件设备包括计算机系统，网络接口卡，集线器，非屏蔽双绞线及标准接口部件RJ-45
如下图所示
图：P34
（1） 网络服务器：网络服务器是连在局域网上的一台计算机，即一个网络服务器拥有大量的可共享的硬件资源（如大容量的磁盘，高速打印机，高性能绘图仪等外围设备）和软件资源（如数据库，信息，文件系统，应用软件等）并具有管理这些资源和协调用户访问这些资源的能力。
其主要功能如下：
A、 提供网络通信功能
B、 为网络用户提供各种软硬件资源，并能管理和分配这些资源，协调用户对资源的访问
C、 提供文件管理功能：如文件存储和访问，数据库管理和访问等
D、 提供各种Internet信息服务：如文件服务，文件打印，电子邮件服务等。
E、 提供各种网络应用服务：如信息管理系统，远程教学，IP电话，电子商务等。
F、 提供网络管理功能：如监控网络运行，配置管理，设备管理等。
网络服务器按其所提供的服务进行分类：文件服务器，通信服务器，打印服务器，终端服务器，数据库服务器，邮件服务器等。
如果一台服务器上提供多种服务，就称为综合服务器。
网络服务器可以是一台高档个人计算机或是一台大、中、小型计算机，也可以是一台专用网络服务器。它应具有高速，大容量磁盘和内存以及高速的网络接口卡，高档外部设备和多线程，多进程，多用户的系统管理功能。不同类型的网络服务器，对计算机系统配置的具体要求不同，这需要根据服务器类型及所使用的服务器软件系统而定。
在每台服务器上必须至少安装一块网络接口卡，使用传输介质和介质连接设备，把网络服务器与网络设备连接起来，使其成为一个网络节点，同时在网络服务器上安装并运行网络协议软件和相应的网络服务应用软件或网络操作系统。
高性能的计算机系统，高速网卡和网络软件构成网络服务器的三大基本要素
（2） 网络工作站

网络工作站是指用户能在网络环境中工作、访问网络共享资源的计算机系统，又称为客户机，是连接在局域网上的一台计算机
主要作用是；为网络用户提供一个访问网络服务器，共享网络资源，与网上的其它节点交流信息的操作台和前端窗口。
在网络工作站上，必须安装一块网络接口卡，并通过传输介质的介质连接设备和网络设备把它连接到网络上，成为局域网上的一个站点。
在网络工作站上，除运行自己的操作系统（如DOS、Windows、Unix等）外，还必须运行有关网络软件，包括网络协议软件（如TCP/IP协议软件），网络应用软件或网络操作系统客户端软件（如NetWare软件）。
当网络工作站不在网上操作时，仍可以做为一台独立的计算机使用。
（3） 网络接口卡
网络接口卡（NIC—Network Interface Card）又称网络适配器（NIA—Network Interface Adapter）简称网关。网卡是安装在计算机中的一块电路板，作为计算机的外部设备插在扩展槽中。
作用：用于实现计算机和传输介质之间的物理连接，为计算机之间相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。
在局域网中每台连网计算机都需要安装一块或多块网卡，通过介质连接器将计算机接入网络电缆系统。
功能：完成物理层和数据链路层的大部分功能
网卡是局域网通信接口的关键设备，是决定计算机网络性能指标的重要因素之一
网卡的种类：不同的网卡支持不同的网络协议，不同的传输介质，不同的介质连接器等
按网卡支持的网络协议分类：以太网卡、快速以太网卡、、千兆以太网卡、ATM网卡等。这些网卡可以提供RJ-45、AUI等不同介质连接器。
按网卡提供的总线接口分类：有ISA总线网、PCI总线网、EISA总线网等。
网卡的选用，需要根据实际的网络环境（如局域网标准、协议、传输介质和计算机的总线类型等）而定。
（4） 网络设备
网络设备是集线器、中继器、交换机等网络连接设备和网桥、路由器等网间连接设备的统称。通过这些设备可以把计算机连接起来组成局域网，或将局域网与局域网互联起来，组成更大规模的互联网，网络设备是组建计算机网络的关键设备。
（5） 传输介质
传输介质通信双方交流信息的物理通道，用于两个网络站点之间原始比特流的实际传输。每一种介质在带宽、延迟、信号衰减、抗干扰能力、传输距离、安装维护难度等方面都不相同。在局域网中，常用的是有线传输介质，主要有：非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、同轴电缆和光缆
11、3 局域网基本技术
11、3、1 局域网参考模型
局域网参考模型参照了ISO/OSI参考模型，按照IEEE802标准，局域网体系结构由物理层、介质访问控制子层（MAC—Media Access Control）和逻辑链路子层（LLC—Logical link Control）的协议组成。如下图所示
图：P39
这三层仅对应OSI参考模型的最低两层，物理层和数据链路层。在局域网中，为了实现多个设备共享单一信道资源（即传输介质）要求数据链路层首先解决多个用户竞争信道使用权的问题。也就是如何访问介质，由于局域网所采用 传输4、网络拓扑结构和介质访问控制方法不同，在数据链路层不可能定义一种与介质无关的，统一的介质访问控制方法，因此局域网参考模型将数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC。由LLC子层完成与介质无关的数据链路层功能，而由MAC子层完成依赖于介质的介质访问控制功能。
（1） 物理层
物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流，它的主要作用是确保二进制信号的正确传输。
（2） MAC子层
MAC子层构成了数据链路层的下半部，它直接与物理层相邻。
MAC子层主要管理和分配信道的协议规范，即用来决定广播信道中信道分配的协议属于MAC子层。它的主要功能是进行合理的信道分配，解决信道竞争的问题。
（3） LLC子层
LLC子层构成了数据链路层的上半部。
LLC子层的作用是在MAC子层提供的介质访问控制和物理层提供的比特服务的基础上，将不可靠的信道处理为可靠的信道，确保数据帧的正确传输。
11、3、2 介质访问控制技术
在本节中主要介绍令牌环的工作原理
令牌环技术最初是在1969年提出的，1985年IEEE802委员会以IBM令牌环网为模型制定了IEEE802.5环网标准。目前，令牌环技术已成为流行的环访问技术。这种介质访问方法的基础是令牌（Token）。令牌是一种特殊的帧（3字节），用于控制网络站点的发送权，只有抓住令牌的网络站点才能发送数据。由于只有一个令牌。一次只能有一个站点发送。因此，令牌环技术，是一种无争用型介质访问控制技术，其工作原理如下：
（1） 环网是许多环接口通过点到点线路连接起来，每个环接口有两种操作模式，侦听和发送。在环网中，如果没有站点发送信息时，3字节令牌单向绕环传递，任何要发送的站点必须等待令牌传递到本站。
（2） 如果一个站点，没有信息发送，它就简单地把令牌传给下一站点
3） 当站点想发送信息时，它就抓住这个令牌帧。只有令牌的拥有者才能发送信息
（4） 这时网络上没有了令牌（因为令牌已被占用），只有数据帧绕环传递。当数据绕环通过每一个在环上的站点到达目的站点时，每个站点都接收帧，然后再把帧转发到环上。此时，其它希望发送信息的站点必须等令牌释放后才能发送数据，因此在令牌环中不会发生冲突。
（5） 数据帧沿环经过各站接口时，各环还要检查识别帧中的目的地址。看是否指向本站，如果不是就直接转发到下一站
（6） 一旦数据到达了目的站点。帧被拷贝到目的站的缓冲区中，并将信息链连同接收状态，地址识别指令位和帧拷贝指示位等信息，一并重发到环上。以确定目的站是否正确接收了该帧。
（7） 帧继续绕环传递。当信息返回到原发送站点时，发送站会将它们从环中移去，并与发送前的数据进行比较，以检验环的可靠性。当发送站发送完最后一帧的最后一个比特时，便重新产生令牌。将3字节令牌中令牌标志从“1”变为“0”，并将这个自由令牌重发到环上。
11、3、3 令牌环网组成
（1） 令牌环网基本组成
20世纪80年代中期，令牌环网产品刚刚问世，要组成一个网络，其基本组成如下图所示。
图P43
其中包括节点上安装的令牌环网网卡，环路插入器，插入器电缆及环路电缆。当环网正常工作时，环路始终处于闭合回路状态，即使环路中某些节点处于关电状态。环路插入器总能保证环路处于闭合状态。如上图A，B，C，D4个节点组成一个令牌环网，当4个节点加电后均通过环路插入器接入环网，形成闭合回路（如下图）
图：P43
运行了一段时间后，B和D两个节点关电，就自动退出环网，此时回路上仅剩A，C两个节点，在环路插入器具有灵敏的继电开关，实现节点对环路的插入和退出
图：P44
虽然B，D两个节点关电，但由于环路插入器的作用，环网仍为一闭环系统。
当节点插入环路时，网卡作为环路的一部分连入环路中，实现俘获令牌，发送帧，接收帧，转发帧的功能
环状拓扑结构比公共总线要复杂，要实现各个节点连成环路，在工程上要复杂，如图所示
图：P44
实现每个环路插入器中包括两个方向上的媒体段。这种网络拓扑结构在物理上看似一种公共总线，而逻辑上仍然是一个环状拓扑结构，网络的基本组成仍为令牌环网网卡，环路插入器，插入器电缆和环路电缆段
（2） 星-环状组网结构
20世纪80年代后期，星状拓扑结构逐渐成为局域网组网主流结构，而后形成了基于星形结构，双绞线和光缆的局域网综合布线系统标准，对于令牌环网的工程实现也必须纳入综合布线系统标准，即令牌环网工程物理实现必须是星形结构。一种星-环状工程组网拓扑结构应运而生，如图所示
图：P45
以集中器为星形结构中心的组网结构实现了星-环状拓扑结构。一个集中器集成了多个环路插入器连接多个节点。通过集中器互联，构成整个令牌环网，即满足了足够数量节点连网也满足了网络覆盖范围的要求。并使令牌环网工程布线纳入综合布线标准。这种星-环状组网结构由集中器、网卡、网卡连线以及环路电缆段组成
11、3、4 以太网（Ethernet）
一、 以太网的技术特性
以太网是基于总线型的广播式网络，在已有的局域网标准中，它是最成功的局域网技术，也是当前应用最广泛的一种局域网。
以太网有以下一些技术标准
1、 以太网是基带网，采用基带传输技术。在同一时间。只能有一个设备占用信道发送数据。
2、 以太网标准是IEEE802.3,对单一信道访问进行控制，以保证同一时刻只有一对网络站点使用信道
3、 以太网是广播式网络，仅有一条通信信道。该信道由网络上的所有站点共享。数据分组（数据包）可以被任何一台计算机发送，并被其它所有计算机接收。在数据分组的地址字段中，给出目的地址，每台连在网上的计算机收到数据包后，都要打开数据包，检查目的地址字段，查看是不是发给自己的，如果是，则处理分组，否则将分组丢弃。
4、 以太网是一种共享型网络，网络上的所有站点共享传输媒体和带宽，网络上的站点越多，每个站点所获带宽就越少
5、 以太网数字信号采用曼彻斯特编码方案
6、 以太网所支持的传输介质类型有50欧姆基带同轴电缆，非屏蔽双绞线和光纤。
7、 以太网所构成的拓扑结构主要是总线型和星形
8、 以太网支持不同的传输速率（10Mbps、100Mbps、1000Mbps）最高可达1Gbps。
二、 10Mbps以太网
10Mbps以太网主要包括10Base-5、10Base-2、10Base-T和10Base-F以太网标准。另外还有宽带以太网技术10Broad-36。这里主要介绍基带以太网
1、 10Base-5
10Base-5是总线型粗同轴电缆以太网（标准以太网）的简略标识符。它是基于粗同轴电缆介质的原始以太网系统。
10Base-5的含义：
10：传输速率为10Mbps；
Base：baseband（基带）的缩写，即使用基带传输技术；
5：最大电缆段的长度是500M
目前，由于10Base-T技术的广泛应用，在新建的局域网中10Base-5已很少采用
2、 10Base-2
10Base-2是总线型细同轴电缆以太网的简略标识符。10Base-2使用细同轴电缆传输介质，组成总线型以太网。
10Base-2的含义与10Base-5的含义相同。2：指最大电缆段的长度为185M

3、 10Base-T（应用最广泛的以太网）
（1）、主要特点：
A传输介质：直径：0.4~0.6mm的2对非屏蔽双绞线
B 插头：RJ-45
C最大传输距离为：100m
D信号频率范围：10~20Mhz
E典型产品：10Base-T网卡和
F两个工作站之间最多允许4个中继器和5个电缆段，即UTP电缆的最大长度为500M
（2）网卡
A、网卡分类：按计算机类型可分为16位ISA总线网卡， 32位EISA 总线网卡，32位PCI总线网卡，MCA总线网卡和PCMCIA总线网卡等
B、10Base-T网卡连接器：RJ-45 ，用于连接UTP双绞线
C、网卡与计算机之间的数据传送方式：主要有计算机总线，存储器直接存区和共享内存等
D典型10Base-T网卡产品：较知名的有3COM、Intel、Accton和D—Link
（3） 10Base-T集线器
集线器是局域网技术的核心，10Base-T集线器是一个具有中继器功能的有源多口转发器。其原理是接收某一端口信号，经再发、整形和放大后，再转发给其它端口。集线器的另一功能是网络故障的自动隔离。目前，以集线器为中心的星型网络结构已成为工作组级局域网的最流行选择