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　　第三章 局域網基礎

　　本單元概覽

　　一、局域網與城域網的基本概念

　　二、以太網

　　三、高速局域網的工作原理

　　四、交換式局域網與虛擬局域網

　　五、無線局域網

　　六、局域網互聯與網橋的工作原理

　　一、局域網與城域網的基本概念

　　1.決定局域網與城域網的三要素

　　決定局域網與城域網特點的三要數：網絡拓撲、傳輸介質、介質訪問控制方法。

　　2. 局域網拓撲結構的類型與特點

　　局域網與廣域網的重要區別是覆蓋的地理范圍不同，因此其基本通信機制與廣域網完全不同：局域網采用共享介質與交換方式(分為共享介質局域網與交換式局域網)，廣域網采用存儲轉發。

　　局域網在傳輸介質、介質訪問控制方法上形成了自己的特點。其主要的網絡拓撲結構分為：總線型、環型與星型。網絡介質主要采用雙絞線、同軸電纜與光纖等。

　　A.總線拓撲：

　　介質訪問控制方法：共享介質方式。

　　優點：結構簡單、容易實現、易于擴展、可靠性好。

　　特點：所有結點都通過網卡連接到公共傳輸介質總線上，總線通常采用雙絞線或同軸電纜，所有結點通過總線發送或接收數據，由于多個結點共享介質，因此會有沖突出現，導致傳輸失敗，必須解決介質訪問控制問題

　　B.環型網絡拓撲結構

　　環型網絡拓撲是結點間通過網卡利用點到點線路連接形成閉合的環型。環中的數據沿著同一個方向逐站傳輸。環型結構中，多個站點共享一條環通路，為了確定哪個結點可以發送數據，同樣需要進行介質訪問控制。環型結構通常采用分布式控制方法，環中每個結點都要執行發送和接收的控制邏輯。

　　C.星型網絡拓撲結構

　　星型拓撲結構存在中心節點，每個節點通過點-點線路與中心節點連接，任何兩節點之間的通信都要通過中心節點轉接。優點是：結構簡單。

　　3.傳輸介質類型和介質訪問控制方法：

　　局域網介質類型：同軸電纜、雙絞線、光纖和無線通道。

　　局域網介質訪問控制方法：

　　IEEE802.2標準定義了共享介質局域網有以下3類:

　　帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)----總線網

　　令牌總線(token bus) -------總線網

　　令牌環(token ring)----------環型網

　　4. IEEE802參考模型

　　IEEE802(局域網標準委員會)，專門從事局域網標準化工作。重點是解決局部范圍內的計算機組網問題。研究者只需要面對OSI模型中數據鏈路層和物理層，網絡層及以上高層不屬于局域網協議的研究范圍。

　　局域網領域中有典型的三種技術：以太網、令牌總線和令牌環。

　　數據鏈路層的功能復雜，設計者將鏈路層分為兩部分：LLC (邏輯鏈路控制子層)和 MAC(介質訪問控制子層)。不同的局域網在LLC中必須使用相同的協議。LLC子層與傳輸介質和介質訪問控制方法無關。在MAC子層和物理層中不同局域網可以采用不同協議。

　　5. IEEE802標準

　　IEEE802標準規定了局域網中不同層次(數據鏈路層和物理層)中的標準。

　　可簡單分為3類：

　　IEEE802.1定義局域網的體系結構、網絡互連。

　　IEEE802.2定義邏輯鏈路控制(LLC)的功能與服務。

　　IEEE802.3定義CSMA/CD總線訪問方法與物理層技術規范。

　　IEEE802.4定義令牌總線(Token Passing Bus)訪問方法與物理層技術規范。

　　IEEE802.3定義令牌環(Token Passing Ring)訪問方法與物理層技術規范。

　　IEEE802.11定義無線局域網技術(MAC層采用CSMA/CD)

　　IEEE802.15定義近距離無線個人局域網訪問控制子層與物理層標準

　　IEEE802.16定義寬帶無線局域網訪問控制子層與物理層標準

　　二、以太網

　　1.以太網的發展

　　1976年7月，Bob在ALOHA網絡的基礎上，提出總線型局域網的設計思想，并提出沖突檢測、載波偵聽與隨機后退延遲算法，將這種局域網命名為以太網(Ethernet)。

　　以太網的核心技術是：

　　介質訪問控制方法CDMA/CD.這種方法解決了多結點共享公用總線的問題。

　　早期以太網的傳輸介質是同軸電纜，后用雙絞線，再后用光纖。

　　2.以太網的幀結構與工作流程

　　(1)以太網數據發送流程

　　沖突：多個站點同時利用總線發送數據，導致數據接收不正確。

　　總線網沒有控制中心，如果一個站點發送數據幀，以廣播方式通過總線發送，每一個站點都能收到數據幀，其它站點也可以同時發送，因此沖突不可避免。

　　CSMA/CD發送流程可簡單概括為：先聽后發，邊聽邊發，沖突停止，延遲重發。

　　實現公共傳輸介質的控制策略，需要解決的問題是：載波偵聽，沖突檢測，沖突后的處理方法。

　　(a)載波偵聽

　　結點利用總線發送數據時，首先偵聽總線是否空閑，以太網規定發送數據采用曼徹斯特編碼。判斷總線是否空閑可以判斷總線上是否有電平跳變。不發生跳變總線空閑。此時如果有結點已準備好發送數據，可以啟動發送。

　　(b)沖突檢測方法

　　載波偵聽不能完全消除沖突，原因是數字信號是以一定的速率傳輸的。例如：結點A發送數據幀時，離他1000m距離的結點在一定的時間延遲后才能收到數據幀，此時間段內如果B也發送數據，造成沖突。從物理層上看，沖突時多個信號疊加，導致波形不同于任何結點的波形信號。

　　解決方案：結點A發送數據前，先發送偵聽信號，如果偵聽信號在最大距離傳輸時間2倍時，沒有沖突信號出現，結點A肯定取得總線的訪問權。

　　沖突信號的延遲時間=2*D/V。其中：D是結點到最遠結點的距離，V表示信號傳輸速度，信號往返的時間為延遲時間。

　　進行沖突檢測的方法有兩種：比較法和編碼違例法。

　　比較法：將發送信號波形與從總線上接收的信號比較，如果不同說明有沖突。

　　違例編碼法：檢查總線上的波形是否符合曼徹斯特編碼規則，不符合說明有沖突。

　　(c)沖突解決方案

　　發現沖突，停止發送如果發送數據的過程中檢測出沖突，為解決信道爭用沖突，發送結點停止發送，隨機延遲后重發的流程。

　　隨機延遲后重發的第一步：發送沖突加強信號，目的是延續沖突的持續時間，使得網絡中的所有結點都能檢測出沖突的存在，并立即丟棄沖突幀，提高信道利用率。

　　隨機延遲重發。以太網協議規定每幀的最大重發次數不得超過16次，若超過則認為線路故障。為公平解決信道爭用問題，需要確定后退延遲算法。典型的CSMA/CD采用二進制指數退避算法，退避延遲時間計算為：t=2k×R×a 。其中：a是沖突窗口大小，R是隨機數，k為沖突次數，定義k的最大值，一旦k是最大值時是最后一次發送。每次的延遲時間都會根據公式求出。

　　以太網中任何結點都需要通過CSMA/CD方法爭取總線使用權，從準備發送到成功發送時間不確定。因此又稱為隨機爭用介質訪問控制方法。簡單易實現。

　　(2)以太網幀結構

　　前導碼(7B)與幀前定界符字段：用于接收同步階段。

　　目的地址與源地址(6B)：分別表示幀的接收節點地址與發送節點的硬件地址。

　　類型字段：表示網絡層使用的協議類型。

　　數據字段(46B—15000B)：是高層待發送的數據部分。

　　幀校驗字段：采用32位的循環冗余校驗。校驗范圍：目的地址、源地址、長度、LLC數據。

　　(3)以太網接收流程

　　如果一個結點利用總線成功發送數據，其它結點都應該處于接收狀態。所有結點只要不發送數據，就應該處于接收狀態。一個結點接收幀，首先判斷幀的長度。(規定了最小長度，若小與最小長度，沖突，丟棄該幀，結點重新進入接收狀態)。如果沒有沖突，結點接收幀后首先檢查幀的目的地址。(目的地址單一地址或組地址或廣播地址，屬于自己則保留，否則丟棄)。地址匹配后確認是自己應該接收的幀，進一步進行CRC校驗。 如果校驗正確，則進一步檢測LLC數據長度是否正確。出錯則報告”幀長度錯“，否則報告”成功接收”，進入結束狀態。如果檢驗出錯，首先判斷該幀是否是8為的整數倍，是，表示沒有丟失位，則記錄”幀檢驗錯“，否則報告”幀位錯“，進入結束狀態。

　　以太網協議將接收出錯分為3類：幀檢驗錯、幀長度錯與幀位錯。

　　3.以太網的實現方法

　　每個站點都可以接收到所有來自其他站點的數據

　　為決定那個站點接收，需要尋址機制來標識目的站點

　　目的站點將該幀復制，其他站點則丟棄該幀

　　4.以網的物理地址

　　IEEE802標準為每個DTE規定了一個48位的全局地址，它是站點的全球唯一的標識符，與其物理位置無關。即MAC地址(物理地址)，MAC地址為6字節(48位)。MAC地址的前3個字節(高24位)由IEEE統一分配給廠商，低24位由廠商分配給每一塊網卡。網卡的MAC地址可以認為就是該網卡所在站點的MAC地址。

　　三、高速局域網工作原理

　　1.高速局域網的研究方法

　　傳統局域網技術建立在”共享介質“的基礎上，網中所有結點共享一條公共傳輸介質，典型的控制方法有：CSMA/CD、令牌環和令牌總線。

　　介質訪問控制方法使得每個節點都能夠”公平“使用公共傳輸介質，如果網絡中結點數目增多，每個結點分配的帶寬將越來越少，沖突和重發現象將大量增加，網絡效率急劇下降，數據傳輸的延遲增長，網絡服務質量下降。

　　解決方案：

　　(1)增加公共線路的帶寬。優點：仍然是局域網保護用戶已有的投資。

　　(2)將大型局域網劃分成若干個用網橋或路由連接的子網。優點：每個子網作為小型局域網，隔離子網間的通信量，提高網絡的安全性。

　　(3)將共享介質改為交換介質。優點：交換式局域網的設備是交換機，可以在多個端口之間建立多個并發連接。交換方式出現后，局域網分為：共享式和交換式局域網。

　　2.快速以太網(標準IEEE802.3u)

　　以太網采用相同的幀格式，同樣的介質訪問控制與組網方法，將速率從10Mbps提高10倍到100Mbps。解決方法只要在MAC子層使用CSMA/CD，在物理層進行必要調整，定義新的物理層標準。形成快速以太網標準IEEE802.3u。

　　100base-T標準定義了介質獨立接口，它將MAC子層與物理層隔開，傳輸介質和信號編碼方式的變化不會影響MAC子層。

　　100BASE-T的有關傳輸介質標準主要有3種：

　　(1)100base-TX：支持2對5類非屏蔽雙絞線或2對1類屏蔽雙絞線;其中1對用來發送，1對用來接收，是全雙工系統，每個結點可同時以100Mbps發送和接收數據。

　　(2)100base-T4：支持4對3類非屏蔽雙絞線，其中3對用于數據傳輸，1對用于沖突檢測。

　　(3)100base-FX：支持2芯的單模或多模光纖，主要用于高速主干網，從結點到集線器的距離可達2km。是全雙工系統。

　　3.千兆以太網(標準IEEE802.3z)

　　在電視會議、三維圖形與高清晰圖像應用中，需要使用更高帶寬的局域網。

　　設想方案：

　　(1)桌面10M,部門采用快速以太網100M，企業級采用1G的千兆以太網。

　　(2)將現有網絡連入到ATM網上，異構網絡連接。

　　IEEE802.3z標準定義了千兆網標準。

　　方法：

　　在物理層做一些必要調整，定義了1000BASE-T標準。支持多種傳輸介質。

　　4種標準：

　　(1)1000base-T:5類非屏蔽雙絞線，距離100m。

　　(2)1000base-CX：屏蔽雙絞線，長可到25m。

　　(3)1000base-LX：使用波長1300nm的單模光纖，長可3000m。

　　(4)1000base-SX：波長850nm的多模光纖，長可300～550m。

　　3.萬兆以太網

　　萬兆以太網，使用光纖做傳輸介質。不存在爭用問題，不再使用CSMA/CD協議。

　　四、交換式局域網與虛擬局域網

　　1.交換式局域網的基本結構(交換式局域網的核心設備是局域網交換機。交換機需要建立“端口號/MAC地址映射表”，利用“地質學習”的方法來動態建立和維護 “端口號/MAC地址映射表”。)

　　(1)交換機的基本概念。交換機可以有多個端口，每個端口可以連接一個結點，也可連接共享介質的集線器(HUB);實現多個端口的并發連接和多個節點的并發傳輸。交換機通常針對某種局域網設計，交換式局域網的核心設備是局域網交換機。

　　(2)交換機的特點：低交換延遲,支持不同傳輸速率和工作模式(交換機端口支持不同的傳輸速率—半雙工和全雙工模式，交換機可完成不同端口速率之間轉換)，支持虛擬局域網服務(交換式局域網是虛擬局域網的基礎)。

　　2.局域網交換機的工作原理

　　交換機需要建立“端口號/MAC地址映射表”，利用“地質學習”的方法來動態建立和維護 “端口號/MAC地址映射表”。

　　3.交換機的幀轉發方式

　　以太網交換機的幀轉發方式包含3類：直接交換方式、存儲轉發交換方式、改進的直接交換方式

　　• 直接交換方式

　　交換機只要接收幀并檢測目的地址，就立即將該幀轉發出去，不用判斷是否出錯。幀出錯檢測由結點完成。優點：交換延遲短;缺點：缺乏檢錯，不支持不同速率端口之間的幀轉發。

　　• 存儲轉發交換方式

　　交換機需要完整接收幀并進行差錯檢測。優點：具有差錯檢測能力，并支持不同速率端口間的幀轉發;缺點：交換延遲將會延長。

　　• 改進的直接交換方式

　　結合上述兩種方式，接收到前64B后，判斷幀頭是否正確，正確轉發。對短幀而言，交換延遲同直通交換延遲;對長幀而言，因為只對幀頭(地址和控制字段)檢測，交換延遲將會減少。

　　4.虛擬局域網的工作原理

　　(1)虛擬網絡概念：建立在交換機技術基礎上，將局域網上的結點按工作性質與需要劃分成若干個“邏輯工作組”，一個邏輯工作組就是一個虛擬網絡。

　　虛擬網絡以軟件方式實現邏輯工作組的劃分與管理，工作組的結點不受物理位置的限制(相同工作組的結點不一定在相同的物理網段上，只要能夠通過交換機互聯)。從一個工作組到另一個工作組時，只要通過軟件設定，無需改變結點在網絡中的物理位置。

　　(2)組網方法：(4種)

　　A.利用交換機端口號定義虛擬局域網：邏輯上將交換機端口劃分為不同的虛擬子網，當某一端口屬于一個虛擬網時，就不能屬于另外一個虛擬子網。缺點：當將結點從一個端口轉移到另一個端口時，管理者需要重新配置虛擬網成員。

　　B.用MAC地址定義虛擬網絡：利用MAC地址定義虛擬局域網，因為MAC地址是與物理相關的地址，因此稱為基于用戶的虛擬網;缺點：所有用戶初始時必須配置到至少一個虛擬網，初始配置人工完成，隨后可自動跟蹤用戶。

　　C.用網絡層地址定義虛擬網絡：利用IP地址定義虛擬網。優點：用戶可按協議類型組成虛擬網，可隨意移動不需要重新配置。缺點：性能比較差，原因是檢查網絡層地址比檢查MAC地址更費時。

　　D.用IP廣播組的虛擬網絡：基于IP廣播組動態建立虛擬網。廣播包發送時，動態建立虛擬網，廣播組中的所有成員屬于一個虛擬網。它們只是特定時間內特定廣播組成員。優點：可根據服務靈活建立，可跨越路由器與廣域網。

　　5.虛擬局域網優點

　　(1)方便網絡用戶管理，減少網絡管理開銷。通過虛擬局域網的設置可以在調整用戶涉及結點位置變化時，不需要重新布線。

　　(2)提供更好的安全性。針對不同的用戶可以設置 不同的權限和要求，虛擬網是一種簡單、經濟和安全的方法。

　　(3)改善網絡服務質量。虛擬網可以隔離不同的用戶組，將同類的用戶控制在一個虛擬局域網中，減少廣播風暴的危害，有利于改善網絡服務質量。

　　五、無線局域網

　　1、無線局域網的應用

　　體現在4個方面：

　　• 擴充傳統局域網：某些特殊環境局域網起不到作用，利用無線解決。

　　• 建筑物之間的互聯：鄰近的建筑物之間可采用點到點的無線鏈路。

　　• 漫游訪問：移動設備與無線集線器之間實現漫游訪問。

　　• 特殊網絡Ad hoc：無線自組網采用一種不需要基站的“對等結構”移動通信模式，網絡中的所有用戶都可能移動，每個系統都具備動態搜索、定位和恢復連接的能力。

　　2、紅外無線局域網

　　按視距方式傳播，發送點必須能直接看到接收點，中間沒有阻擋。數據傳輸技術主要有三種：定向光束紅外傳輸、全方位紅外傳輸與漫反射紅外傳輸。

　　3、擴頻無線局域網

　　擴頻通信是將數據基帶信號頻譜擴展幾倍或幾十倍，以犧牲通信寬度為代價達到提高無線通信系統的抗干擾性與安全性。

　　擴頻技術主要有2種：跳頻擴頻、直接序列擴頻。

　　• 跳頻擴頻通信

　　特點：將利用的頻帶分為多個子頻帶，子頻 帶稱為信道。

　　每個信道帶寬相同，中心頻率有偽隨機數發生器的隨機數確定，變化頻率叫跳躍系列。

　　發送端和接收端采用相同的跳躍系列。

　　• 直接序列擴頻通信

　　特點：將發送數據經過偽隨機數發生器產生的偽隨機碼進行異或操作，再將異或操作的結果調制后發送,所有接收結點使用相同頻段,發送端與接收端使用相同的偽隨機碼

　　4、無線局域網標準IEEE802.11

　　標準規定物理層定義紅外、跳頻擴頻與直接序列擴頻的數據傳輸。

　　MAC層分為：分布式協調功能(DCF)和點協調功能子層(PCF)。

　　MAC層的主要功能是對無線環境的訪問控制、提供多個接入點的漫游支持，同時提供數據驗證與保密服務。

　　MAC層支持兩種訪問方式：無爭用服務和爭用服務。

　　無爭用服務：系統中存在中心控制結點。中心控制結點的具有 點協調功能。

　　爭用服務：類似以太網的隨機爭用訪問控制方式，稱為分布協調功能。

　　六、局域網互聯與網橋的工作原理

　　物理層互連用中繼器，數據鏈路層互連用網橋，網絡層互連用路由器，高層互連用網關。

　　1、網橋的工作原理(透明網橋與源路由網橋)

　　當多個局域網互聯時需要數據鏈路層的設備--------網橋。

　　作用是：數據接收、地址過濾與數據轉發的作用。

　　網橋的特點：

　　A.互聯兩個采用不同鏈路層協議、傳輸介質與傳輸速率的網絡

　　B.接收、存儲、地址過濾與轉發的方式實現互聯網絡的通信

　　C.需要在鏈路層以上采用相同協議

　　D.分隔兩個網絡之間的廣播通信，有利于改善網絡的性能與安全性

　　常見的情況下是網橋連接兩個局域網。

　　注意： 來源:考試大網

　　A.網橋不更改接收幀的內容與格式，要求在MAC子層以上使用相同協議。

　　B.網橋連接的兩個局域網的數據鏈路層和物理層的協議可不相同

　　C.衡量網橋性能指標是每秒鐘接收與轉發的幀數

　　D.網橋必須具有尋址能力和路由選擇能力

　　2、網橋的路由選擇策略

　　網橋通過路由表來實現不同網段之間的幀轉發。網橋的中工作是構建和維護路由表。路由表是用于記錄不同結點的物理地址與網橋轉發端口的關系。

　　按路由表建立方法分為兩類：透明網橋與源路由網橋。

　　透明網橋：透明網橋的路由表記錄3個信息：站地址、端口與時間。

　　路由表建立過程：網橋初始連入局域網時，路由表為空;當透明網橋收到一個幀時，它將記錄源MAC地址、幀進入網橋的端口號和時間，然后將幀向所有其它端口轉發，網橋在轉發的過程中，逐漸建立路由表。

　　源路由網橋：源路由網橋由發送幀的源結點負責路由選擇。

　　路由表過程：為發現合適的路由，源結點以廣播方式向目的結點發送一個用于探測的發現幀，發現幀在通過網橋連接的各個局域網中沿著所有可能的路由傳送。傳送過程中每個發現幀記錄路由，到達目的地后，沿著各自的路由返回源結點。源結點從所有路由中選擇一個最佳路由。

　　3、網橋與廣播風暴

　　廣播風暴：當網橋的端口—結點地址表中沒有結點地址信息時，網橋無法決定從哪個端口轉發數據，簡單方法是廣播傳輸，但“盲目”廣播使無用的通信量劇增，造成“廣播風暴”。

　　網橋工作在鏈路層，網橋根據源地址與目的地址決定是否將接收和轉發數據幀。網橋如果要轉發必需存儲一張端口—結點地址表。

　　當結點在表中不存在時，容易形成廣播風暴。

　　4、多端口網橋與第二層交換

　　以太網交換機通過提供在多個端口之間的并發連接提高局域網性能。

　　從工作角度看，以太網網橋與以太網交換機都工作在鏈路層，交換機可以看作是一個多端口的網橋。

　　網橋一般采用接收、存儲、地址過濾與幀轉發

　　交換機完成幀的轉發

　　交換機可以直接與計算機連接

　　網橋不是直接連接計算機而是連接局域網

　　由于交換機負責完成幀一級的交換，并工作在鏈路層，因此又被稱為第二層交換機。

　　目前很多交換機具有網橋和路由器的基本功能。

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