第四章 局域网工作原理与组网技术

1. 第四章 局域网工作原理与组网技术

2. 第四章 局域网工作原理与组网技术 4.1 局域网概述 4.2 局域网体系结构 4.3 传统以太网 4.4 高速局域网 4.5 交换机与交换式局域网 4.6 虚拟局域网VLAN 4.7 无线局域网 4.8 综合布线系统简介

3. 本章学习要求： • 了解：局域网的主要特点和功能 • 掌握：局域网的主要技术特征 • 掌握：局域网的拓扑构型 • 掌握：IEEE802标准 • 了解：高速局域网技术 • 掌握：以太网交换机的工作原理 • 掌握：虚拟局域网的划分方法 • 了解：无线局域网标准 • 掌握：综合布线系统的设计

4. 4.1 局域网概述 4.1.1 局域网的定义 4.1.2 决定局域网特征的主要技术

5. 4.1.1 局域网的定义 • 功能性定义： • 一组台式计算机和其它设备，在地理范围上彼此相隔不远，以允许用户相互通信和共享诸如打印机和存储设备之类的计算资源的方式互连在一起的系统。 • 技术性定义： • 由特定类型的传输媒体(如电缆、光缆和无线媒体)和网络适配器(亦称为网卡)互连在一起的计算机，并受网络操作系统监控的网络系统。

6. 局域网的主要特点和功能 局域网的主要特点 较小的地域范围 。 高传输速率和低误码率 。 局域网一般是采用同轴电缆、双绞线等建立单位内部专用线 。 侧重共享信息的处理 。

7. 局域网的功能 资源共享：主要包括软件、硬件和数据库等数据资源的共享。 通信交往：数据、文件的传输；电子邮件；视频会议。

8. 4.1.2 决定局域网特征的主要技术 • 拓扑结构 • 传输介质与传输形式 • 介质访问控制方式

9. 局域网技术的三个要素： 拓扑结构 传输介质 介质访问控制协议

10. 拓扑结构 • 总线型结构： • 总线型结构是指工作站和服务器均连接在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制 。 图4.1总线型拓扑结构

11. 环型结构： • 环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环 。 图4.2环型拓扑结构

12. 星型结构： • 星型结构中存在着中央节点（小型网络中一般是HUB或者交换机），其他节点（工作站、服务器）通过点点链路与中心节点直接连接 。 图4.3星型拓扑结构

13. 传输介质与传输形式 传输介质 双绞线： 所谓双绞线就是把两根绝缘铜线拧成有规则的螺旋形的线缆。 把多个线对扭在一块可以使各线对之间或其他电子噪声源的电磁干扰最小； 双绞线主要分为两类，即非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted-Pair）和屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted-Pair）； EIA/TIA为非屏蔽双绞线制定了布线标准，该标准包括5类UTP； 双绞线使用RJ-45接头连接计算机的网卡或集线器等通信设备。

14. 同轴电缆： 同轴电缆是由一根空心的外圆柱形的导体围绕着单根内导体构成的。 同轴电缆可以用于长距离的电话网络，有线电视信号的传输通道以及计算机局域网络； 50Ω的同轴电缆可用于数字信号发送，称为基带； 75Ω的同轴电缆可用于频分多路转换的模拟信号发送，称为宽带。

15. 光缆： 它是采用超纯的熔凝石英玻璃拉成的比人头发丝还细的芯线。 光纤通信就是通过光导纤维传递光脉冲进行通信的。 光导纤维可以分为多模和单模两种； 发光二极管当电流通过时产生可见光，价格便宜，多模光纤采用这种光源； 注入式激光二极管产生的激光定向性好，用于单模光纤，价格昂贵很多； 光缆通常用于高速的主干网络。

16. 传输形式 局域网的传输形式有两种：基带传输与宽带传输。 基带传输（数字传输）： 在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是一种矩形电脉冲，我们把这种矩形电脉冲信号的固有频率称为基本频带，简称基带。这种矩形电脉冲信号就叫做基带信号。能通过这种矩形电脉冲信号的通信信道叫做数字通信信道。在信道上直接传输基带信号的方式就被称为基带传输。 宽带传输（频带传输、模拟传输）： 宽带传输又叫频带传输或模拟传输。将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号称为频带信号或宽带信号，在信道上传输宽带信号的方式就称为宽带传输。

17. 介质访问控制方式 介质访问控制方法决定着局域网的主要性能。 带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）： CSMA/CD是采用争用技术的一种介质访问控制方法 。可将CSMA/CD形象地概括为用先听后发/边听边发的方法来共享传输介质。 令牌环（Token Ring）访问控制 ： 令牌环介质访问控制方法，是通过在环型网上传递令牌的方式来实现对介质的访问控制的。 令牌总线（Token Bus）访问控制 ： 令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环，令牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环相同。

18. 4.2 局域网体系结构 4.2.1 局域网参考模型 4.2.2 IEEE 802 标准

19. 4.2.1 局域网参考模型 • 局域网的体系结构与OSI参考模型相比，局域网的参考模型就只相当于OSI的最低的两层。为了使局域网中的数据链路层不致过于复杂，还应当将局域网链路层划分为两个子层，即介质访问控制（MAC，Medium Access Control）子层和逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）子层。 • MAC子层的主要功能是： • 将上层交下来的数据封装成帧进行发送（接收时进行相反 的过程，将帧拆卸）； • 实现和维护MAC协议； • 比特差错检测； • 寻址。

20. LLC子层的主要功能是： • 建立和释放数据链路层的逻辑连接； • 提供与高层的接口 ； • 差错控制 ； • 给帧加上序号 。 • 下图是局域网参考模型与OSI参考模型对应关系

21. 4.2.2 IEEE 802 标准 IEEE 802 标准系列包含12个部分，如图4.5所示是各标准间的关系。

22. 4.3 传统以太网 4.3.1 以太网的产生和发展 4.3.2 粗缆Ethernet（10Base-5） 4.3.3 细缆Ethernet（10Base-2） 4.3.4 双绞线Ethernet（10Base-T）

23. 4.3.1 以太网的产生和发展 1980年DEC，Intel和Xerox三家公司公布了以太网兰皮书，也称为DIX（三家公司名字的首字母）版以太网1.0规范。 1981年6月，IEEE 802工程决定组成802.3分委员会，以产生基于DIX工作成果的国际公认标准。 1982年12 月19日，19个公司宣布了新的IEEE 802.3草稿标准。 以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道。 交换式及快速型以太网将确保以太网保持旺盛的生命力。 下面介绍10BASE-5，10BASE-2，10BASE-T三种常见的传统以太网的网络构成。

24. 4.3.2 粗缆Ethernet（10Base-5） • 粗电缆Ethernet干线上的每个站点使用一个收发器和收发器电缆连接。如图4.6所示，即为一个粗电缆Ethernet布线方案 • 10BASE-5这种记号的含义如下： • 10表示信号在电缆上的传输速率为10Mbps； • BASE表示电缆上的信号是基带信号 ； • 5表示每一段电缆的最大长度为500m 。

25. 4.3.3 细缆Ethernet（10Base-2） • 细电缆Ethernet的电缆在物理上较粗Ethernet电缆容易处理，它不需要站点使用收发器。如图4.7所示。 • 10BASE-2这种记号的含义如下： • 10表示信号在电缆上的传输速率为10Mbps； • BASE表示电缆上的信号是基带信号 ； • 2表示每一段电缆的最大长度小于200m 。

26. 4.3.4 双绞线Ethernet（10Base-T） IEEE10Mbps 基带双绞线的标准称为10BASE-T 。一个基本的10BASE-T连接如图4.8所示。工作站连至一个中心集线器（Central Hub）或集中器（Concentrator），其作用相当于一个转发器。工作站能够用一根长度不超过100m的非屏蔽双绞线与集成器相连，当来自工作站的信号到达时，该集线器将在它的所有输出线路上广播。

27. 10BASE-T规格参数列出如下： • 使用非屏蔽双绞线（ UTP）； • 通常使用RJ-45连接器。针1和2针用于传输，针3和针6用于接收； • 从收发器到集线器的距离不能超过100m； • 一个集线器能够连接多达24个工作站； • 一个中心集线器能够连接多达12个以上集线器以扩展网络工作站的数目； • 集线器能与同轴电缆或光纤相连，以成为较大Ethernet网络的一部分； • 无须使用网桥在网络上连接多达1023个工作站。

28. 4.4 高速局域网 4.4.1 快速以太网（Fast Ethernet） 4.4.2 千兆位以太网（Gigabit Ethernet） 4.4.3 光纤分布式数据接口（FDDI） 4.4.4 万兆位以太网（10 Gigabit Ethernet）

29. 4.4.1 快速以太网（Fast Ethernet） • IEEE正式通过100BASE-T为802.3u标准，它是一个很像标准以太网，但比它快10倍的以太网，故称为快速以太网（Fast Ethernet）。也是一种共享介质技术（共享100Mbps），但也可以工作在交换环境下，为每端口提供 100Mbps的带宽。 • 100BASE-T标准定义了三种OSI物理层规范以支持不同的物理介质，它们分别是 ： • 100BASE-TX，用于两对 5 类 UTP 电缆。 • 100BASE-T4，用于四对 3，4 或 5 类 UTP 电缆。 • 100 BASE-FX，用于光缆。 在使用标准的半双工100BASE-FX的情况下，使用450m 长的光纤是允许的。非标准双工的100BASE-FX 允许网络互联设备在2000m 以上的距离进行连接。

30. 快速以太网（Fast Ethernet）协议结构

31. 4.4.2 千兆位以太网（Gigabit Ethernet） IEEE正式通过的1000BASE-T为802.3z标准。 千兆位以太网将显著增加纯带宽，并通过与现有的10/100Mbps 以太网标准的向后兼容能力，提供卓越的投资保护。 实现最长550m的多模式光纤链接；最长3km的单模式光纤链接 。 目前，IEEE正积极探索可在5类非屏蔽双绞线（UTP）上支持至少100m连接距离的技术。 应用在大型校园网骨干网中心的布署 。

32. 千兆位以太网（Gigabit Ethernet）协议结构

33. 标准名称 使用的介质 传输的距离 1000Base-SX 62.5m多模光纤 50m多模光纤 260m 525m 1000Base-LX 62.5m多模光纤 50m多模光纤 单模光纤 550m 525m 3000m 1000Base-CX 同轴电缆 25m 千兆位以太网（Gigabit Ethernet）技术介绍

34. 4.4.3 光纤分布式数据接口（FDDI） FDDI（光纤分布式数据接口）是100Mbps的光纤主干网 。 FDDI使用定时的、早释放的令牌传送方案。 FDDI主要用于提供不同建筑物之间网络互联能力，如校园网主干。可采用多模光纤或单模光纤。采用多模光纤时，两个节点之间最大距离为2km，支持500站点，整个环长达200km，若使用双环，每个环最大100km，但可用于故障自修复；采用单模光纤时两站之间距离可超过20km，全网光纤总长数千公里。

35. 光纤分布式数据接口（FDDI）主干网拓扑

36. FDDI的双环结构与故障自修复

37. 4.4.4 万兆位以太网（10 Gigabit Ethernet） • 10G以太网标准定名为IEEE 802.3ae。 • 10G以太网特别工作组所定义的基本技术满足以下一些设计目标： • 在媒体存取控制层(MAC)客户服务器接口保留802.3以太网帧格式； • 保留802.3标准最小和最大帧长度； • 只支持全双工； • 采用点到点连接和结构化电缆附设技术，支持星形局域网拓扑； • 在MAC/PLS(专线业务)接口支持10Gbps 的传输速率； • 定义局域网和广域网两个物理层装置(PHY)系列，并定义MAC/PLS数据传输速率适应广域网物理层装置数据传输速率的机制； • 提供支持多膜和单模光纤连接距离的物理层技术规范。

38. 4.5 交换机与交换式局域网 4.5.1 局域网连接设备 4.5.2 交换式以太网 （Switching Ethernet） 4.5.3 局域网交换机的工作原理

39. 4.5.1 局域网连接设备 • 网络适配器 • 中继器 • 集线器 • 以太网交换机

40. 网络适配器 • 网络适配器又称网卡，全称为网络接口卡（NIC，Network Interface Card）,网卡是工作站与网络之间的逻辑和物理链路，其作用是为工作站与网络间提供数据传输的功能。在OSI模型中，网卡属于数据链路层的设备。 • 网卡的基本功能有：数据转换、数据缓存、通信服务 。 • 可从不同的角度对网卡进行分类 ： • 按总线类型分类，网卡分为 ISA、EISA、PCI、PCMCIA 等。 • 按媒体访问协议分类，网卡分为 Ethernet、TokenRing、FDDI、ATM、FastEthernet 等。

41. 中继器 中继器又称重发器，是一种低层设备，它在物理层实现互连。它主要完成放大、再生物理信号的功能。中继器最典型的应用是连接两个以上的以太网电缆段，其目的是为了延长网络的长度。

42. 集线器 • 集线器（HUB）是一种特殊的中继器，它是一种多端口中继器，用于连接双绞线介质或光纤介质以太网系统，是组成 10Base-T、100Base-T 或 10Base-F、100Base-F 以太网的核心设备。 • 从功能上分，HUB可分为下面4种类型： • 基本型集线器（Dumb HUB） • 智能型 HUB（Intelligent HUB） • 机架式HUB（Chaise Concentrator HUB） • 堆栈式HUB（Stackable HUB）

43. 以太网交换机 以太网交换机有两个主要功能，一是在发送节点和接收节点之间建立一条虚连接，二是转发数据帧。 局域网交换机工作在OSI参考模型的第二层，通常把基于数据链路层的交换称为第2层交换。 随着网络技术突飞猛进的发展，目前又开发出三层、四层以至多层交换技术和产品，这样的交换设备能完成更高层的交换功能，它们把路由功能和交换功能有机地结合起来，使网络具有更好的性能，更快的速度和更高的带宽。

44. 4.5.2 交换式以太网（Switching Ethernet） • 传统共享式局域网的缺点 • 传统局域网技术建立在“共享介质”基础上，典型的介质访问控制方法是CSMS/CD、Token Ring、Token Bus； • 介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质； • 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少； • 网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。

45. 高速局域网的研究 • 推动局域网技术发展的因素： • 在过去二十年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍； • 基于Web的Internet/Intranet应用要求更高的带宽； • 在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们需要有更高带宽的局域网。

46. 高速局域网的研究方法： • 第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率：10Mbps→100Mbps→10Gbps ； • 第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，导致局域网互连技术的发展； • 第三种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致“交换式局域网”技术的发展。

47. 交换式以太网（Switching Ethernet） 以太网用户的广播式信道，使整个网络的信道始终处于大家“分享”和“共享”的状态。在这种方式下网络上各节点共享信道的带宽，如以太网带宽为10Mbps，则对于100个节点的以太网，理论上每个节点分享的带宽只有0.1Mbps。 利用交换式网络技术的以太网交换机（Switch），拥有一个共享内存交换矩阵，用来将LAN分成多个独立冲突段并以全线速度提供这些段间互连。数据帧直接从一个物理端口送到另一个物理端口，在用户间提供并行通信，允许不同用户对同时进行传送，这就称为交换式以太网（Switching Ethernet）。

48. 交换式以太网（Switching Ethernet）拓扑结构

49. 4.5.3 局域网交换机的工作原理 典型的局域网交换机是以太网交换机。以太网交换机可以通过交换机端口之间的多个并发连接，实现多节点之间数据的并发传输。这种并发数据传输方式与共享式以太网在某一时刻只允许一个节点占用共享信道的方式完全不同。

50. 以太网交换机的工作过程 典型的交换机结构与工作过程如图所示。图中的交换机有6个端口，其中端口1、4、5、6分别连接了节点A、节点B、节点C和节点D。于是，交换机“端口/MAC地址映射表”就可以根据以上端口与节点MAC地址的对应关系建立起来。