第4章 局域网工作原理

本章学习要求： 了解：局域网的技术特点 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：共享介质局域网的工作原理 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：无线局域网的工作原理

4.1 局域网的技术特点

局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园等有限范围内的计算机连网的需求； 局域网提供高传输速率（10～1Gbps）、低误码率的传输环境，传输速率达10Gbps的局域网在发展中； 决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法； 从介质访问控制方法的角度，局域网可分为两类：共享介质式局域网与交换式局域网。

4.2 局域网拓扑结构类型 与特点

4.2.1 总线型拓扑结构 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； 所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上； 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； 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。

总线型局域网的拓扑结构

介质访问控制方法需要解决： 该哪个结点发送数据？ 发送时会不会出现冲突？ 出现冲突怎么办？ 总线型拓扑的优点： 结构简单，实现容易； 易于扩展，可靠性较好。

4.2.2 环型拓扑结构

4.2.3 星型拓扑结构

4.3 局域网与IEEE 802 参考模型

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）

4.3.2 IEEE 802参考模型的演变 IEEE 802委员会为局域网制定一系列标准，它们统称为IEEE 802标准 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。

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。

IEEE 802与OSI参考模型的对应关系

4.4 以太网的工作原理

4.4.1 以太网的介质访问控制方法 以太网的核心技术是随机争用型的介质访问控制方法 带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）方法 CSMA/CD发送流程可简单概括为：先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟后重发。

CSMA/CD的工作原理

4.4.2 以太网帧的基本结构 帧（Frame）是以太网中数据传输的基本单位，通常称为以太网MAC帧； 发送结点在数据的前后添加特殊字符构成帧，这些特殊字符是帧头与帧尾。

以太网的MAC地址

4.5 高速局域网的工作原理

4.5.1 高速局域网的研究方法 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与Token； 介质访问控制方法用来保证每个结点能“公平”地使用公共传输介质； 每个结点平均能分配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，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。

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，促进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”，促进“交换式局域网”技术的发展。

共享介质与交换局域网工作原理的区别

局域网产品类型与相互之间的关系

4.5.2 光纤分布式数据接口

FDDI主要技术特点 使用 IEEE 802.5的单令牌环网介质访问控制协议； 使用 IEEE 802.2协议，与符合IEEE 802标准的局域网兼容； 数据传输速率为100Mbps，连网结点数最大为1000，环路长度为100km ； 可以使用双环结构，具有容错能力； 可以使用多模或单模光纤； 具有动态分配带宽的能力，能够支持同步和异步数据传输。

FDDI主要应用环境 计算机机房网 办公室或建筑物群的主干网 校园网的主干网 多校园的主干网

4.5.3 快速以太网 快速以太网又称为Fast Ethernet，传输速率比普通Ethernet快10倍，可以达到100Mbps； Fast Ethernet保留传统的帧格式、介质访问控制方法与组网方法； 1995年9月，IEEE 802委员会正式批准Fast Ethernet标准IEEE 802.3u。

Fast Ethernet的协议结构

4.5.4 千兆位以太网 千兆位以太网又称为Gigabit Ethernet，传输速率比Fast Ethernet快10倍，可以达到1Gbps； Gigabit Ethernet保留传统的帧格式、介质访问控制方法与组网方法； 1998年2月，IEEE 802委员会正式批准Gigabit Ethernet标准IEEE 802.3z。

Gigabit Ethernet

Ethernet组建企业网的全面解决方案 桌面系统采用传输速率为10Mbps的Ethernet； 部门级网络系统采用传输速率为100Mbps的Fast Ethernet； 企业级网络系统采用传输速率为1000Mbps的Gigabit Ethernet。

4.6 交换式局域网的 工作原理

4.6.1 交换式局域网的基本结构

局域网交换机的结构

4.6.2 局域网交换机的工作原理

4.6.3 局域网交换机的技术特点 低交换延迟 支持不同的传输速率和工作模式 支持虚拟局域网服务

4.7 虚拟局域网的工作原理

4.7.1 虚拟网络的概念 虚拟网络建立在局域网交换机之上; 以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理; 逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制; 一个逻辑工作组的结点可以分布在不同物理网段上，它们之间通信就像在同一物理网段上一样。

4.7.2 虚拟局域网的实现技术

虚拟局域网的组网方法 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

用交换机端口号定 义虚拟局域网成员

4.8 无线局域网的工作原理

4.8.1 无线局域网的应用 作为传统局域网的扩充 建筑物之间的互连 漫游访问 特殊网络

典型的无线局域网结构

4.8.2 无线局域网的主要类型 红外线局域网：定向光束红外传输、全方位红外传输、漫反射红外传输 扩频局域网：跳频通信、直接序列扩频 窄带微波局域网：申请执照的窄带RF、免申请执照的窄带RF

4.8.3 无线局域网标准 IEEE 802.11标准

4.9 小结

局域网的设计目标是覆盖有限的地理范围，在基本通信机制上选择与广域网不同的方式，从存储转发方式改变为共享介质与交换方式； 局域网在拓扑结构上分为总线型、环型与星型结构；在网络传输介质上主要采用双绞线、同轴电缆与光纤，目前无线局域网的发展很快； 从介质访问控制方法的角度，局域网可以分为两类：共享介质式局域网与交换式局域网； 目前应用最广泛的局域网是以太网Ethernet，它的核心技术是随机争用共享介质的访问控制方法，即CSMA/CD方法；

随着各种应用对局域网带宽有更高要求，传输速率为100Mbps与1Gbps的快速以太网与千兆以太网出现，并成为高速局域网方案的首选技术； 交换式局域网改变共享介质的工作方式，可以通过局域网交换机实现多结点之间数据的并发传输； 交换技术为虚拟局域网的实现提供技术基础 ； 无线局域网作为传统局域网的补充，已成为局域网应用的一个热点问题。无线局域网使用的是无线传输介质，按采用的传输技术可分为红外线局域网、扩频局域网和窄带微波局域网。目前，较成熟的无线局域网标准是IEEE 802.11。