第1章局域网础知识

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1、课程形式 教师讲解 教师演示 学生实际操作 习题、讨论学习要求 按时上课、认真听讲 课前预习、阅读教材 积极动手 积极思考、大胆提问 踊跃讨论课程目标 了解局域网的协议和标准； 掌握局域网的组建与配置技术； 能自己动手设计、组建与配置局域网； 能解决局域网管理中出现的问题。课程安排授课时间：115周，每周4课时，共计60课时。授课方式：边讲边练、讲练结合。复习与考试：复习：2课时，考试：18周。考试：理论考试：40%；实训与作业：50%；考勤：10%第1章 局域网基础知识1.1 局域网的概念与标准 1.1.1 局域网概述 1.1.2 局域网体系结构 1.1.3 IEEE 802参考模型与协议1

2、.2 局域网拓扑结构1.3 局域网技术基础1.1.1 局域网概述1. 局域网的定义和组成美国IEEE局域网络标准委员会定义为“局域网络中的通信被限制在中等规模的地理范围内，例如一幢办公楼、一座工厂或一所学校，能够使用具有中等或较高数据速率的物理信道，且具有较低的误码率；局域网络是专用的，由单一组织机构所使用。”1.1.1 局域网概述2. 局域网的分类高速局域网、PBX局域网、普通局域网 (LAN)。按拓朴结构分有总线型、树型、环型、星型。按传输介质分有线局域网：双绞线、同轴电缆：基带网（ 50同轴电缆 、双绞线 ），宽带网（ 75同轴电缆）光纤网无线局域网：红外线、无线电波作为传输介质从协议角

3、度分有以太网、令牌环网。1.1.2 局域网体系结构1. 物理层 主要处理物理链路上发送、传递和接收非结构化的比特流，包括对带宽的频道分配和对基带的信号调制，建立、维持、撤消物理链路等，并要实现电气、机械、功能和规程四大特性的匹配。该层规定了所使用的信号、编码、传输媒体、拓扑结构和传输速率。 2. 逻辑链路控制子层LLC LLC向高层提供一个或多个逻辑接口，或称为服务访问点(Service Access Point)逻辑接口，它具有帧接收和发送功能。该子层还包括多种网络层功能，如数据报、虚电路和多路复用。LLC子层提供了两种链路服务： 一是无连接LLC(类型1) 二是面向连接LLC(类型2)在任

4、何信息帧交换前，在一对LLC实体间必须建立逻辑链路，在数据传输过程中，信息帧依次发送，并提供差错恢复和流量控制功能。1.1.2 局域网体系结构媒体访问控制子层MAC的主要功能是控制对传输媒体的访问，负责管理多个源链路和多个目的链路。IEEE 802标准制定了几种媒体访问控制方法，同一个LLC子层能与其中任何一种媒体访问方法(如CSMA/CD，Token Ring，Token Bus等)接口。MAC实现对不同拓扑结构、不同传输媒体的访问控制。IEEE 802.3、802.4、802.5、系列标准就是针对不同类型的局域网而制定的，实现不同媒体、不同拓扑结构访问控制的细节处理。媒体访问控制子层MAC

5、局域网的参考模型1.1.2 局域网体系结构1.1.3 IEEE 802参考模型与协议IEEE 802参考模型802802参考模型与参考模型与OSIOSI参考模型的关系参考模型的关系1.1.3 IEEE 802参考模型与协议开展局域网标准化工作的机构主要有： 美国电气与电子工程师学会IEEE(Institute of Electrica1 and Electronics Engineers)802委员会(该委员会于1980年2月成立，专门制定局域网标准，简称IEEE 802委员会)； 欧洲计算机制造厂商协会ECMA(European Computer Manufacturers Associat

6、ion)； 美国国家标准局NBS(National Bureau of Standards)； 美国电子工业协会EIA； 美国国家标准化协会ANSI。 IEEE 802标准主要包括以下几种：IEEE 802.1标准定义了局域网体系结构、网络互连以及网络管理与性能测试。IEEE 802.2标准定义了逻辑链路控制子层功能与服务。IEEE 802.3标准定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范。IEEE 802.4标准定义了令牌总线介质访问控制子层与物理层规范。IEEE 802.5标准定义了令牌环介质访问控制子层与物理层规范。IEEE 802.6标准定义了城域网介质访问控制子层与物理层规

7、范。IEEE 802.7标准定义了宽带网络技术。IEEE 802.8标准定义了光纤传输技术。IEEE 802.9标准定义了综合语音与数据局域网(IVD-LAN)技术。IEEE 802.10标准定义了可互操作的局域网安全性规范(SILS)。IEEE 802.11标准定义了无线局域网技术。1.1.3 IEEE 802参考模型与协议1.1.3 IEEE 802参考模型与协议1.2局域网拓扑结构1.2.1 拓扑结构的概述1.2.2 总线型拓扑结构1.2.3 环形拓扑结构1.2.4 星形拓扑结构1.2.5 其他拓扑1.2.6 局域网拓扑结构的选择1.2.2 总线型拓扑结构1.2.2 总线型拓扑结构1.

8、信息传输方式总线型局域网中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。信息在总线上的传输过程是：信息沿总线进行“广播式”传输，总线上的计算机都是对等的。假如某台计算机发出了一条信息要传送到另一台计算机，这条信息就像是一个在广播站里发出的通知一样，全总线上的计算机都会接收到这个通知，但是只有通知到达了该接受信息的计算机的时候，才接收下来这条信息。因此，当总线上的每台计算机接到这个信息后，首先判断是不是自己正要接收的信息，如果判断的不是就让它继续在总线上广播，如果是，则接收下来。1.2.2 总线型拓扑结构2. 总线型网络的特点 总线拓扑结构的主要优点 布线容易。

9、 增删容易。 节约线缆。 可靠性高。由于总线型网络存在这些独特的优点，所以它是网络上最常见的一种拓扑结构。2. 总线型网络的特点 总线拓扑结构的主要缺点 总线的传输距离有限，通信范围受到限制； 故障诊断和隔离较困难。 分布式协议不能保证信息的及时传送，不具备实时功能。节点必须是智能的，要有媒体访问控制功能，从而增加了节点的硬件和软件开销。 当计算机节点多时，网络容易产生信息堵塞。好比一个独木桥，每次只允许一个人过，如果想要过桥的人很多的时，就会产生堵塞。1.2.2 总线型拓扑结构1.2.3 环形拓扑结构1.2.3 环形拓扑结构2. 环形拓扑结构的特点 环形拓扑结构的主要优点 电缆长度短。环形拓

10、扑结构的网络所需的电缆长度与总线拓扑结构网络相似，电缆长度比较短，比星形拓扑结构网络短得多。 增加或减少工作站时，仅需作简单连接，便可进入工作。 可使用光纤作传输媒体。光纤的传输速率很高，既适合环形拓扑的单方向传输，更适合于双环的两个方向传输。1.2.3 环形拓扑结构1.2.4 星形拓扑结构1. 信息传输方式星形拓扑结构是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个节点组成。中央节点执行集中式通信控制策略，因此，星形又称集中形，其中央节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小。星形拓扑网采用的交换方式有电路交换和报文交换，其中，尤以电路交换更为普遍。这种结构一旦建立了通道连接，就可以无延

11、迟地在连通的两个节点之间传送数据。也就是说，一台计算机想要和另一台计算机通信的时候，必须先把信息传递给中央节点，然后由中央节点转发给那台计算机。1.2.4 星形拓扑结构2. 星形拓扑结构的特点 星形拓扑结构的主要优点 控制简单。 故障诊断和隔离容易， 可扩展性好，配置灵活。 星形拓扑结构的主要缺点 电缆长度和安装工作量可观。 中央节点的负担较重，形成瓶颈效应。因此，对中央节点的可靠性和冗余度方面的要求很高。 局域网依赖于中央节点。1.2.5 其他拓扑结构1. 网状拓扑结构2. 树形拓扑结构3. 混合拓扑结构1.2.6 局域网拓扑结构的选择局域网的拓扑结构选择，需要考虑诸多因素： 局域网既要易于

12、安装，又要易于扩展。 局域网的可靠性是考虑选择的重要因素。要易于故障诊断和隔离，以使局域网的主体在局部发生故障时仍能正常运行。 局域网拓扑结构的选择还会影响传输媒体的选择和媒体访问控制方法的确定，这些因素又会影响各个节点的运行速度和局域网软、硬件接口的复杂性。总之，一个局域网拓扑结构应根据需求，综合诸因素，做出合适选择。要整体磨合，不能顾此失彼。1.3 局域网技术基础1.3.1 访问控制方式1.3.2 共享式以太网与交换式以太网1.3.3 快速以太网1.3.4 千兆以太网1.3.5 虚拟局域网1.3.6 无线局域网1.3.1 访问控制方式1. 带有冲突检测的载波侦听多路访问方法2. 令牌环网3

13、. 令牌总线网带有冲突检测的载波侦听多路访问方法CSMA/CD协议的工作过程 发前先听 边发边听 冲突退避1.3.1 访问控制方式2. 令牌环网定义：令牌环网是环形网络，其上有一个“令牌”沿单方向循环，所以不象总线形以太网会发生碰撞。这就好像大操场的环形跑道，大家都顺着同一方向跑不会发生碰撞。令牌的状态空令牌：当各节点都没有帧(数据包)发送，令牌的形式为01111111，称空令牌 忙令牌：当一个节点要发送帧时，需等待空令牌到达，然后将它改为忙令牌，即011111102. 令牌环网出让令牌有两种方式：常规释放 （低速操作时只有收到响应比特才释放 ）早期释放 （工作站发出帧的最后一比特后释放 ）1

14、.3.1 访问控制方式3. 令牌总线网定义：令牌总线网又称为逻辑环网，是将数据发送权按类似物理环路顺序形成闭合环路，而数据信包的传送仍在两节点间进行，环路中令牌的传送按虚线逻辑环路传送。当一个节点要发送信包时，必须持有令牌。持有令牌的节点发送完信包或者发送的数据信包达到一定的个数，必须将发送控制权移给下一个节点(称为下游节点)。这样网上各节点都有平等的发送数据信包的权力，网上只有一个令牌，完全消除了发送数据的竞争现象，彻底避免了冲突。1.3.1 访问控制方式1.3.1 访问控制方式以太网概述 以太网简介以太网(Ethernet)是由美国Xerox公司和Stanford大学联合开发并于1975年

15、提出的，后来经Xerox公司、Intel公司及DEC公司合作联合研制，于1980年9月正式联合公布了Ethernet的物理层和数据链路层的详细技术规范。1983年IEEE802委员会公布的802.3局域网络协议(CSMA/CD)，基本上和Ethernet技术规范一致，于是，Ethernet技术规范成为世界上第一个局域网的工业标准。1.3.2 共享式与交换式以太网以太网工作特点：以太网在轻载时效率高，负载增加时，性能急剧下降；重载时，几乎不能工作1.3.2 共享式与交换式以太网 以太网的拓扑结构和传输介质 以太网的拓扑结构早期用同轴电缆作传输介质，采用总线型拓扑结构，现在常用集线器或交换机连接成

16、星型拓扑或树型拓扑结构，双绞线或光纤作为传输介质，其工作原理与总线型网络是完全一致的。通信时，双方站点的计算机独占信道，采用相同的通信协议，相当于两台计算机通过一条线路直接相连；即使用集线器和双绞线的物理拓扑为星型的以太网在逻辑上仍是一个总线网。1.3.2 共享式与交换式以太网 以太网的拓扑结构和传输介质 以太网的传输介质以太网Ethernet通常使用四种传输介质：粗缆、细缆、双绞线和光纤。这四种不同介质构成了四种不同的以太网系统。采用同轴电缆作为传输介质，传输速率达到10Mbps；采用双绞线作为传输介质，传输速率达到100Mbps，称为快速以太网；采用光纤或双绞线作为传输介质，传输速率达到1

17、000Mbps，称为千兆以太网。1.3.2 共享式与交换式以太网2. 共享介质到交换式的过渡 共享式以太网 交换式以太网 共享式以太网 所谓共享式以太网是所有节点共享一条公共通信传输介质，不可避免将会有冲突发生。虽然可以集线器为中心进行星型连接，但实际上还是总线型的拓扑结构。随着局域网规模的扩大，网中节点数的不断增加，每个节点平均能分配到的带宽越来越少。因此，当网络通信负荷加重时，冲突与重发现象将大量发生，网络效率将会急剧下降。为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出将共享介质方式改为交换方式，即使用局域网交换机，将“共享介质局域网”改为“交换式局域网”。1.3.2 共享式与交换式以太网

18、1.3.2 共享式与交换式以太网 交换式以太网交换式以太网(Switched Ethernet)的核心设备是以太网交换机(Ethernet Switch)，它可以有多个端口，每个端口可以单独与一个节点连接，也可以与一个以太网集线器连接。对于传统的共享介质以太网来说，当连接到集线器中的一个节点发送数据时，它将用广播方式将数据传送到集线器的每个端口。1.3.3 快速以太网1. 快速以太网(100BASE-T)简介2. 快速以太网的拓扑结构1.3.3 快速以太网1. 快速以太网(100BASE-T)简介快速以太网(100BASE-T)保持以太帧格式、以太网的CSMA/CD介质访问控制方式。快速以太网

19、的速率比普通以太网提高了10倍。目前正式的100BASE-T标准定义了三种物理层规范以支持不同的物理介质，分别为： 100BASE-TX用于两对5类UTP或1类STP 100BAST-T4用于四对3，4或5类UTP 100BASE-FX用于光纤2. 快速以太网的拓扑结构快速以太网(100BASE-T)除了在传输介质、网卡、工作站、集线器以及服务器硬件组成上与10BASE-T相同外，还保持了10BASE-T的网络拓扑结构，即所有节点都连接到集线器或交换机上，而集线器与节点间的最大距离仍为100m。由于100BASE-T对MAC层的接口有所拓展，因此快速以太网的拓扑结构形式也有相应的发展。1.3.

20、3 快速以太网 最大UTP电缆长度为100m。 在一条链路上，对于I类中继器，最多只能使用1个。对于类中继器，最多使用2个，可有每段长100m的两段链路和5m长的中继器间链路。 对于光纤作为垂直布线的拓扑结构，纵向只能连接一个中继器，各节点到集线器的最大距离为100m，而集线器到交换机的垂直向下链路可采用225m光纤，节点到交换机的最大距离为325m。 利用全双工光纤的拓扑结构，通过非标准的100BASE-FX接口连接，可以使节点或集线器到路由器或交换机的距离达到2km。100BASE-T拓扑规则1.3.5 千兆以太网1. 千兆以太网的发展2. 1000M以太网的标准3. 1000M以太网中的

21、双绞线4. 万兆以太网1.3.6 虚拟局域网1. 虚拟局域网概述2. 虚拟局域网的实现3. 虚拟局域网的构建虚拟局域网概述 什么是虚拟局域网 如果将局域网上的节点按工作性质与需要，划分成若干个“逻辑工作组”，那么一个逻辑工作组就是一个虚拟局域网。在传统的局域网中，通常一个工作组是在同一个网段上，每个网段可以是一个逻辑工作组或子网。多个逻辑工作组之间通过实现互连的网桥或路由器来交换数据。如果一个逻辑工作组的节点要转移到另一个逻辑工作组时，就需要将节点计算机从一个网段撤出，连接到另一个网段上，甚至需要重新进行布线。因此，逻辑工作组的组成就要受节点所在网段的物理位置限制。虚拟局域网概述虚拟局域网建立

22、在局域网交换机之上，它以软件方式来实现逻辑工作组的划分，节点组成不受物理位置的限制。同一逻辑工作组的成员不一定要连接在同一个物理网段上，它们可以连接在同一个局域网交换机上，也可以连接在不同的局域网交换机上，只要这些交换机是互连的就可以。当一个节点从一个逻辑工作组转移到另一个逻辑工作组时，只需要简单地通过软件设定，而不需要改变它在网络中的物理位置。同一个逻辑工作组的节点可以分布在不同的物理网段上，它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。 VLAN使用的技术标准1996年3月发布的IEEE 802.1Q标准就是VLAN的标准，目前已得到众多厂商的支持。 VLAN的分类与技术基础由于交换技术可以有

23、“目的”地转发数据，这就为灵活地划分逻辑子网提供了可能性和技术支持。 VLAN的适用场合在几百台乃至上千台计算机构成的大中型局域网中，划分和建立虚拟局域网，应当说是十分必要的。虚拟局域网概述VLAN的一组节点并不局限于某一个物理网络或范围内，VLAN的成员节点和用户可以位于一个城市内的不同物理区域，甚至是位于不同的国家。使用VLAN技术能够简化网络管理，使得网络管理简单而且直观；能够控制广播风暴；能够提高网络的整体安全性。虚拟局域网的功能特点建立虚拟局域网的技术条件VLAN是建立在物理网络基础上的种逻辑子网，建立VLAN的硬件条件是构建虚拟局域网的节点必须连接到具有VLAN功能的局域网交换机的

24、端口上。建立VLAN的软件条件是交换机还应当具有相应管理软件的支持。虚拟局域网实现的基本原则 考虑到交换机软件的兼容性，在整个局域网中应当尽量使用同一厂家的支持VLAN的交换机。 为了实现网络的统一管理，在可以使用交换机的场合尽量使用交换机。 在整个网络中，应尽量使用第3层以上的交换机来取代传统的路由器。这是由于实现路由功能，既可以采用路由器，也可以采用第三层交换机。 尽可能地使整个网络成为树型结构，以保证整个网络的层次性，以及VLAN的物理连通性。VLAN的实现方式有两种：静态和动态。静态实现是网络管理员将交换机端口分配给某一个VLAN，这是一种最经常使用的配置方式，容易实现和监视，而且比较

25、安全。动态实现方式中，管理员必须先建立一个较复杂的数据库，例如输入要连接的网络设备的MAC地址及相应的VLAN号，这样当网络设备接到交换机端口时交换机自动把这个网络设备所连接的端口分配给相应的VLAN。动态VLAN的配置可以基于网络设备的MAC地址、IP地址、应用或者所使用的协议。实现动态VLAN时一般使用管理软件来进行管理。 虚拟局域网的物理结构与逻辑结构虚拟局域网的概念是从传统局域网引申出来的。虚拟局域网在功能、操作上与传统局域网基本相同，它们的主要区别在于“虚拟”二字上，即虚拟局域网的组网方法与传统局域网不同。虚拟局域网的一组节点可以位于不同的物理网段上，但是它们并不受节点所在物理位置的

26、束缚，相互之间通信就好像在同一个局域网中一样。虚拟局域网可以跟踪节点位置的变化，当节点的物理位置改变时，无需人工进行重新配置。因此，虚拟局域网的组网方法十分灵活。交换技术本身就涉及到网络的多个层次，因此虚拟网络也可以在网络的不同层次上实现。不同虚拟局域网组网方法的区别，主要表现在对虚拟局域网成员的定义方法上，通常有以下四种： 用交换机端口号定义虚拟局域网 用MAC地址定义虚拟局域网 用网络层地址定义虚拟局域网 IP广播组虚拟局域网1.3.7 无线局域网1. 无线局域网的概念2. 无线局域网的传输方式3. 无线局域网的应用与发展无线局域网的概念无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它

27、以无线信道作为传输媒介，能实现宽带业务的无线接入、远距离无线传输及认证计费等功能。从专业角度讲，无线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。通俗地说，无线局域网是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能。无线局域网可以提供传统有线局域网的所有功能，并具有有线局域网无法相比的无线接入、移动、漫游等特性，能够真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。传输方式涉及无线网采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。目前无线网采用的传输媒体主要有两种，即无线电波与红外线。采用无线电波作为传输媒体的无线网根据调制方式不同，又可分为扩

28、展频谱方式与窄带调制方式。无线局域网的传输方式现阶段，无线局域网主要是应用于公众服务、企业内部网、校园网，以及地理位置较特殊的组织机构。从发展趋势来看，随着产品价格和技术方面日渐成熟，人们对无线局域网应用会增长迅速，尤其是高等教育和科研机构对无线局域网的需求不断增加，将为无线局域网创造广阔的空间。无线局域网虽然不能取代有线局域网，但它有着有线局域网无法比拟的优势，也正是这样的优势，使无线局域网市场的增长是无庸置疑的。本书将在第8章详细介绍无线局域网。无线局域网的应用与发展本章详细地介绍了局域网基础知识，通过学习我们需要掌握局域网的定义、特点、分类、拓扑结构及体系结构、局域网中通信协议(IEEE

29、 802系列技术标准)，以及局域网技术基础，如共享式局域网、交换式局域网、千兆以太网、虚拟局域网、无线局域网等，并将理解它们之间的结构、功能、差异。本章习题1. 选择题 标准定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范。A. IEEE 802.3 B. IEEE 802.4 C. IEEE 802.5 D. IEEE 802.6 在共享介质的以太网中，采用的介质访问控制方法是 。A. 并发连接 B. Token Ring C. Token Bus D. CSMA/CD 以太网的核心技术是 。A. 随机争用型介质访问方法 B. 令牌总线方法 C. 令牌环方法 D. 载波侦听方法 交换式局

30、域网的核心是 。A. 路由器 B. 服务器 C. 局域网交换机 D. 带宽 在下列那个拓扑结构中，中心结点的故障可能造成全网瘫痪的是 。A. 星型拓扑结构 B. 环形拓扑结构 C. 树型拓扑结构 D. 网状拓扑结构 可以通过交换机多端口间的并发连接实现多结点间数据并发传输。A. 以太网 B. 交换式网络 C. 令牌环网 D. 令牌总线网2. 填空题 最基本的网络拓扑结构有三种，他们是_、_和_。 CSMA/CD是载波监听多路访问/冲突检测的英文缩写，这是在目前以太网类的局域网产品中广泛采用的广播式信道中解决冲突问题的主要方法。其主要思想可以概括为：_、_、_、_、_。 100BASE-T标准定

31、义了三种物理层规范，它们是_、_和_。 无线局域网可以提供有线局域网的所有功能，并具有有线局域网无法相比的_、_、_等特性，能够真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。 如果将局域网上的节点按工作性质与需要，划分成若干个_，那么一个_就是一个虚拟局域网。 3. 简答题 什么是局域网?它具有哪些主要特点？ 局域网基本拓扑构型主要分为哪三类？各有什么优缺点？ 决定局域网特性的技术要素是什么？ 局域网参考模型(LAN/RM)结构如何?与ISO/OSI参考模型 相比有哪些不同？ 共享式局域网和交换式局域网的区别是什么？区分不同以太网的标准是什么？ IEEE802委员会针对哪一类网络制定了哪些通信标准？ 简述CSMA/CD的工作原理? 如何把普通以太网10BASE-T升级成快速以太网或交换式以大网？