第 4 章 局域网工作原理

1. 第4章 局域网工作原理 • 局域网的技术特点 • 局域网的拓扑结构 • 局域网与IEEE802参考模型 • 以太网的工作原理 • 高速局域网的工作原理 • 交换式局域网工作原理 • 虚拟局域网的工作原理 • 无线局域网的工作原理

2. 本章学习要求： • 了解：局域网的基本概念、技术特点和功能 • 理解并掌握局域网的体系结构、与OSI的对应关系和常见标准； • 了解：局域网拓扑结构的类型与特点 • 了解：IEEE 802参考模型与协议的基本概念 • 掌握：局域网介质访问控制的概念和常见工作机制； • 掌握：高速局域网的工作原理 • 掌握：交换式局域网的工作原理 • 了解：虚拟局域网的工作原理 • 了解：无线局域网的的分类、基本结构和常见标准及工作原理

3. 本章知识结构

4. 4.1 局域网的技术特点 • 局域网，是在一个局部的地理范围内，将各种计算机及其外围设备互相连接起来组成的计算机通信网，简称LAN（Local Area Network）。 • 在局域网中可以实现文件共享、应用软件共享、打印机共享、通信服务共享等功能 • 局域网的典型特性： • 覆盖范围小。通常不超过几十千米，甚至只在一个园区、一幢建筑或一个房间内。 • 高传输速率。传输速率一般为10Mbps～1000Mbps，甚至10Gbps以上。 • 低误码率。其误码率一般在10-8~10-11之间。 • 单位专用。其经营权和管理权通常属于某个单位所有。 • 便于安装、维护和扩充。其建网的成本低、周期短。 • 通信协议比较简单，拓扑结构比较灵活

5. 局域网特点(续) • 决定局域网特性的主要技术要素为: • 网络拓扑 • 传输介质 • 介质访问控制方法； • 从介质访问控制方法的角度，局域网可分为两类： • 共享介质式局域网 • 典型的有：总线CSMA/CD、令牌环（Token Ring）、令牌总线（Token Bus) • 交换式局域网 • 千兆以太网，虚拟局域网。

6. 局域网的主要技术问题 • 传输媒体 • 双绞线、同轴电缆、光纤、 • 拓扑结构 • 总线型、星型、环型 • 无线 • 信号技术 • 基带传输、宽带（频带）传输 • 媒体访问技术 • 按协议实现信道共享

7. 4.2 局域网拓扑结构 • 按照数据的传输速度分类 • 10Mbps局域网 • 100Mbps局域网 • 1000Mbps局域网 • 按操作系统进行分类 • Netware网（Novell公司） • 3+OPEN网（3COM公司） • Windows NT网（Microsoft公司） • LAN Manager网（IBM公司） • VINES网（BANYAN公司） • 按照信息的交换方式分类 • 交换式局域网 • 共享式局域网等 • 局域网的分类 • 按拓扑结构分类 • 星型局域网 • 环型局域网 • 总线型局域网 • 树型局域网 • 按传输介质分类 • 同轴电缆局域网 • 双绞线局域 • 光纤局域网 • 无线局域网 • 按访问传输介质的方法分类 • 以太网（Ethernet) • 令牌网（Token Ring) • ATM网

8. 局域网的组成 • 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部件等。 • 网络连接部件主要包括： • 网卡、中继器、集线器和交换机等

9. 局域网的必备设备——适配器 • 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 • 适配器的重要功能： • 进行串行/并行转换。 • 对数据进行缓存。 • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 • 实现以太网协议。

10. 集线器的一些特点 • 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 • 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。 • 集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。

11. 局域网的组成(续) • 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，改善局域网的性能和服务质量 • 接到同一交换机的所有工作站都独享其端口速率

12. 局域网的组成(续) • 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 • 大量的网络应用软件等

13. 4.2.1 总线型拓扑结构 1、总线型局域网的拓扑结构 (a)总线拓扑物理结构

14. 4.2.1 总线型拓扑结构 2、总线局域网的主要特点 • 所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上 • 信息的传输以“共享介质”方式进行。即总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式； • 总线的传输介质通常采用同轴电缆或双绞线； • 所有结点可以通过总线以“广播”方式发送数据，因此出现“冲突”不可避免，“冲突”会造成传输失败；一结点发送，其他结点只能经“收听”方式接收数据。 • 必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC， Medium Access Control）问题。

15. 总线型的优越性 • 一个节点失效不影响其他节点的工作 • 节点的增删不影响全网的运行 • 结构简单 • 接入灵活 • 扩展容易 • 可靠性高

16. 3、介质访问控制方法（1） • 问题的提出 • 传统的局域网是“共享”式局域网 • 共享式局域网的传输介质是共享的 • 数据传输应该按照“半双工”方式进行 • 两个或多个节点同时发送将产生“冲突”

17. 3、介质访问控制方法（2） • 主要任务 • 尽量避免“冲突”的发生 • 解决“冲突”发生时产生的问题 • 对传输介质进行控制通常采用分散方式 • 网络中的所有节点都参与对共享介质的访问控制 • 常用的介质存取方法 • 带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方法 • 令牌总线（Token Bus）方法 • 令牌环（Token Ring）方法

18. 4.2.2 环型拓扑结构 • 特点：以共享介质方式进行数据传输 • 每个节点都与两个相邻的节点相连 • 节点之间采用点到点的链路 • 网络中的所有节点构成一个闭合的环 • 环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输 (b) 拓扑结构 (a) 物理结构

19. 环型的主要问题 • 环中某一位置的断开将导致整个网络瘫痪

20. 4.2.3 星型拓扑结构 • 特点 • 存在一个中心节点 • 每个节点通过点到点个的链路与中心节点连接 • 所有通信都通过中心节点进行 • 交换局域网是一种典型的星型拓扑结构

21. 局域网传输介质（回顾） • 传输介质 • 传输信号经过的各种物理环境 • 物理上将计算机相互连接起来的介质 • 传输介质的种类 • 同轴电缆 • 非屏蔽双绞线UTP • 屏蔽双绞线STP • 光缆

22. 同轴电缆的特点 • 优点 • 传输距离较远，覆盖的地域范围较大 • 技术非常成熟 • 缺点 • 电缆硬，折曲困难，重量重 • 局域网常用同轴电缆 • 粗同轴电缆：特征阻抗50Ω ，直径1cm • 细同轴电缆：特征阻抗50Ω，直径0.5cm。 • 同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线

23. 非屏蔽双绞线的特点 • 优点 • 尺寸小、重量轻、容易弯曲 • 价格便宜 • 容易安装和维护 • RJ-45连接器牢固、可靠 • 缺点 • 抗干扰能力较弱 • 传输距离比较短 • UTP分为：3类线、4类线、5类线和超5类线、6类(共7类,1和2类不用) • UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线

24. 屏蔽双绞线 • 优点 • 传输质量较高 • 电缆尺寸和重量与UTP相当 • 缺点 • 安装不合适反而有可能引入外界干扰

25. (3)光缆的特点 • 优点 • 传输速率高 • 传输距离远 • 传输损耗低 • 抗干扰能力强 • 缺点 • 价格相对较高 • 安装比较困难 • 光纤的分类 • 多模光纤 • 单模光纤（传输质量比多模光纤好） • 光缆适合于楼宇内部的结构化布线

26. 4.3 局域网与IEEE 802参考模型

27. 4.3.1 局域网的发展历史 • 以太网（Ethernet） • 令牌总线网（Token Bus） • 令牌环网（ Token Ring）

28. 4.3.2 IEEE 802参考模型的演变 • IEEE 802标准概述 • 随着局域网的广泛使用、局域网制造商的增多、局域网产品的激增，标准化的问题愈加显得重要。 • 美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronic Engineering，IEEE）成立了局域网标准化委员会（简称IEEE 802委员会），研究并制定关于局域网的IEEE 802系列标准。 • 1985年，IEEE公布了IEEE 802标准的五项标准文本。同年，被美国国家标准局（ANSI）采纳为美国国家标准。国际标准化组织（ISO）建议将802标准定为局域网国际标准。 • 局域网的拓扑结构简单不需要路由选择协议 • 第三层以上的高层不再涉及 • 实质上是个通信子网

29. IEEE 802与OSI参考模型的对应关系 • 在IEEE 802局域网参考模型中主要涉及OSI参考模型的下两层： • 物理层：和OSI七层模型的物理层功能相当 • 规定了所使用的信号、编码和传输介质

30. IEEE 802与OSI参考模型的对应关系 • 在IEEE 802局域网参考模型中主要涉及OSI参考模型的下两层： • 数据链路层：IEEE 802模型中将数据链路层分解为两个子层： • 逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）：数据链路层的功能与硬件无关的部分，即与介质访问控制方法和传输介质无关 • LLC子层负责屏蔽掉MAC子层的不同实现，将其变成统一的LLC界面，从而向网络层提供一致的服务。 • LLC子层向网络层提供的服务通过其与网络层之间的逻辑接口实现，这些逻辑接口又被称为服务访问点（Service Access Point，SAP）。 • 介质访问控制（Medium Access Control，MAC） 与硬件有关的部分。负责介质访问控制机制的实现。另外，MAC子层还涉及局域网中的物理寻址。在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址 • LLC和MAC两个子层均参与数据的封装和拆封过程

31. LLC和MAC两个子层数据的封装和拆封过程

32. LLC协议负责局域网数据链路控制 • 寻址、排序、差错控制和流量控制 • MAC子层负责物理寻址和介质访问控制 • 主要集中了与接入媒体有关的部分，负责在物理层的基础上进行无差错通信，并且管理多个源链路与目的链路。同一个LLC子层能与其中任何一种访问方式接口 • 局域网的高层功能： • 由具体的局域网操作系统来实现

33. IEEE 802标准体系 • IEEE 802.1标准： • 定义局域网体系结构与网络互联等基本功能； • IEEE 802.2标准： • 定义逻辑链路控制（LLC）子层功能与服务； • IEEE 802.3～IEEE 802.16标准： • 定义不同介质访问控制技术的相关标准。

34. 目前，应用最多与正在发展的IEEE 802标准 • IEEE 802.3标准： • 定义Ethernet的CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层标准； • IEEE 802.11标准： • 定义无线局域网访问控制子层与物理层标准； • IEEE 802.15标准： • 定义近距离个人无线网络访问控制子层与物理层标准； • IEEE 802.16标准： • 定义宽带无线网络访问控制子层与物理层标准。

36. IEEE802标准体系

37. 4.4 以太网的工作原理

38. 以太网概述 • 什么是以太网 • 以太网（Ethernet）是在 20 世纪 70 年代研制开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测（ CSMA/CD ）机制，数据传输速率达到 10MBPS 。 • 最初的以太网采用同轴电缆作为传输介质，网络拓扑结构为总线型 • 1990年推出了以双绞线为传输介质的10BASE-T标准，其拓扑结构为星形结构 • 在星型配置结构中，集线器/交换机通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。

39. 以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道进行数据传输。其采用方法是由一个被称为ALOHA的协议发展而来的。以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道进行数据传输。其采用方法是由一个被称为ALOHA的协议发展而来的。 • 以太网的机制访问控制方法的发展经历了4各阶段 • 第一阶段叫ALOHA • ALOHA使用一条无线电信道作为共享公共信道。 • 每台接入的计算机随机地向该信道发送信息，其他站点可以同时接收信息。 • 信道上所有计算机站点享有同等的权限。 • ALOHA协议又分为纯ALOHA和分槽ALOHA两种。 • 第二阶段叫时隙ALOHA • 第三阶段增加了载波侦听功能，叫载波侦听多路访问（CSMA） • 第四阶段在CSMA基础上增加了冲突检测和冲突后就立即停止发送的机制，叫带冲突检测的载波侦听、多路访问（CSMA/CD）

40. 以太网概述 (1)纯ALOHA协议 • 纯ALOHA协议的中，每个站只要有数据要发送，就可以随时将数据发送出去。 • 信道具有反馈性，发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，检测数据帧是否遭到破坏。 • 如果一个站在整个发送过程中，没有其他站发送数据，发送便成功。 • 如果一个站在发送期间，同时有其他站正在发送数据，或者在发送过程中有另一站开始发送数据，就会产生冲突。 • 采用这种方法，当负载增加时，由于使用网络传送数据的站点增多，发送数据量大，冲突率就会变得很高。

41. 以太网概述 (2)时隙ALOHA • 时隙将信道按照发送一帧所需的时间为单位划分为片（slot），并且提供中心时钟，用时钟来统一用户的数据发送以使其同步。 • 时隙ALOHA要求用户在发送数据帧时，必须等到下一个时间片的开始时刻才开始传输。 • 如果在一个时间片内有两个以上的帧发送，则会完全重叠而产生冲突。 • 计算分析表明，时隙ALOHA的最大信道利用率是纯ALOHA的2倍，即0.368。

42. 以太网概述 (3)CSMA协议 • 载波侦听多路访问（CSMA）是对AHOHA协议的一种改进协议。载波监听多路访问控制方法CSMA又称“先听后说”方法 • CSMA对随机发送进一步加以约束。每个站在发送帧之前监听信道上是否有其他站点正在发送数据。如果信道忙，就暂不发送，否则就发送。根据监听后的策略，CSMA协议有三种不同的类型，即： • 1-坚持型 • 非坚持型 • P-非坚持型。

43. (3)CSMA协议 • 1-坚持CSMA协议工作过程：听到信道忙，仍坚持听，直至信道空闲。一听到空闲即发数据。若有冲突，等待一段随机时间后再监听。

44. (3)CSMA协议 • 非坚持CSMA协议工作过程：一听到信道忙就不再坚持听下去，延迟一随机时间后再重新监听。若听到信道闲，即发送数据

45. (3)CSMA协议 • P-坚持CSMA协议工作过程：听到信道忙，仍坚持听，直至信道空闲。一听到空闲以P概率发送，以（1-P）的概率延迟时间单位τ =最大的传播延迟的2倍。

46. (3)CSMA协议 • CSMA中侦听的空闲可能是不可靠的，仍然可能出现冲突

47. (4) 载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD） • 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻 只有 D 接受 B 发送的数据 E A B D C B向D 发送数据 不接受 不接受 不接受 接受

48. 4. 载波侦听多路访问/冲突检测 • CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 • “多路访问”一是表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。二是表示一个节点发送的数据可以被其他多个节点所接收. • “载波侦听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 • 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

49. 重要特性 • 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 • 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 • 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

50. CSMA/CD工作流程 • 某站点要发送数据先监听总线，如果总线忙，就等待，如果总线空闲就立即发送，一边发送一边将刚发送的信号接收回来，与刚发送的信号做比较，如果一致说明没有冲突，继续发送，如果不一致，立即停止发送，并发出一串阻塞信号，瞬间加强冲突，使全网都知道网上出现了冲突，经过随机等待后，在重新尝试，直到某站点发送数据成功。