计算机网络技术基础 任课老师: 田家华

第4章 计算机局域网 本章要点 4.1 局域网概述 4.2 局域网体系结构 4.3 局域网介质访问控制方式 4.4 局域网组网技术 第4章 计算机局域网 本章要点 4.1 局域网概述 4.2 局域网体系结构 4.3 局域网介质访问控制方式 4.4 局域网组网技术 4.5 局域网操作系统 4.6 虚拟局域网 4.7 结构化布线技术

本章要点： 局域网概述 局域网介质访问控制方式 局域网体系结构 局域网组网技术 局域网操作系统 虚拟局域网 结构化布线的特点

4.1局域网概述 4.1.1局域网的定义与组成 局域网是在一个集中区域内各种通信设备互联在一起的通信网络,其协议主要是物理层、数据链路层和网络层低3层的通信协议。

局域网主要的特点有以下3个方面: ①局域网覆盖有限的地理范围; ②局域网具有高数据传输速率(10 Mb／s～1000 Mb／s）、低误码率和高质量的数据传输环境; ③决定局域网特性的主要技术要素是：网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。

4.1.2 局域网的分类 到目前为止，对局域网分类还没有一个太好的方法，曾经有人把局域网分成3类：一是高速局域网，它是一种高速宽带网，主要用于实验室内主机与外部设备之间的连接与通信；二是PBX局域网，它属于采用线路交换技术的星型局域网，速度较低，但能同时传输语音和数据，可用于拥有用户程控交换机设备的部门连网，并在综合业务数据网ISDN中发挥很大作用；三是普通意义上的局域网(LAN)。

1.按媒体访问控制方式分类 以太网采用了总线竞争法的基本原理，是局域网中使用最多的一种网络。 令牌总线网采用了令牌传递法的基本原理，在物理上是一种总线结构，网上各站点共享总线传输介质；在逻辑上接在总线上的各站点构成一个逻辑环。 令牌环网也采用了令牌传递法的基本原理。由一段段的点到点链路连接起来的环形网。 光纤分布式数据接口是一种光纤高速的、双环结构的令牌环网。 100VG-AnyLAN采用优先请求访问的方法，是一种高速局域网。

2.按通信方式分类 (1)对等局域网 如果局域网中每台计算机的地位平等，都允许访问其他计算机内部的资源 (2)客户端/服务器局域网 客户端/服务器局域网又称为服务器局域网。在这种网络中，计算机被划分为服务器和客户端。 (3)无盘工作站网络 无盘工作站是指无软驱、无硬盘的工作站，所有接入局域网的计算机的操作系统和应用软件都存储在局域网的文件服务器中，并利用网卡上的启动芯片与服务器连接。

3.按网络工作方式分类 (1)共享介质局域网是网络中的所有节点共享一条传输介质，每个节点都可以平均分配到相同的带宽。如以太网传输介质的带宽为10 Mb/s，如果网络中有n个节点，则每个节点可以平均分配到10/n Mb/s的带宽。以太网、令牌总线网及令牌环网等都属于共享介质局域网。 (2)交换式局域网的核心是交换机，交换机有多个端口，数据可以在多个节点并发传输，每个站点独享网络传输介质带宽。如果网络中有n个节点，网络传输介质的带宽为10 Mb/s，整个局域网总的可用带宽是n×10 Mb/s。交换式以太网和虚拟局域网都属于交换式局域网。

4.按拓扑结构分类 局域网经常采用总线型、星型、环型和混合型拓扑结构，因此可以把局域网分为总线型局域网、环型局域网、星型局域网和混合型局域网等类型。这种分类方法反映的是网络采用哪种拓扑结构，是最常用的分类方法。

5.按传输介质分类 局域网常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤等，因此可以将局域网分为同轴电缆局域网、双绞线局域网和光纤局域网。若采用无线电波或微波，则可以称为无线局域网。

6.按网络信道类型分类 (1)基带局域网采用数字信号的基带传输，基带信号占满整个网络传输介质的带宽，在一条传输介质上只能提供一条单工或半双工的通信信道。在基带传输中，任一节点的信号在传输介质上沿着两个方向传输到总线的两端，在总线的两端点各装置一个防反射的终结器，以吸收传到端点的信号。 (2)宽带局域网采用模拟信号的频分多路复用技术，将传输介质按频谱分成多个子信道，每个子信道传输一路模拟信号，由多路信号覆盖网络传输介质的带宽，有利于传输语音数据、图像和视频等信息。

7.按网络操作系统分类 局域网的工作是在局域网操作系统的控制之下进行的，与单机上有DOS、Windows、OS/2、Linux等不同的操作系统一样，局域网中也有多种网络操作系统。不同的网络操作系统决定了网络的功能、服务性能等，因此可以把局域网按其所使用的网络操作系统进行分类，如Novell公司的NetWare网、3COM公司的3+OPEN网、Microsoft公司的Windows NT/2000/Server 2003网等。

8.其他分类方法 划分局域网还有其他方法，例如，按数据的传输速度，可分为十兆局域网、百兆局域网、千兆局域网等；按信息的交换方式划分，可分为交换式局域网、共享式局域网等。

4.1.3局域网的拓扑结构 局域网拓扑结构指各站点在网上互联的形式。局域网都采用规则的拓扑结构。一般可分为总线型、星型和环型等

星型拓扑结构 星状拓扑结构的优点是：利用中心结点可以方便地提供服务和配置网络，便于建网；单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，故障也比较容易检测和隔离，便于维护；任何一个连接只涉及到中心结点和一个站点，因此控制介质访问的方法很简单，从而访问协议也很简单，数据的安全性和优先级容易控制，易实现网络监控。此外，星型结构中数据传输的延时比较短，网络实时性较强。 星状拓扑的缺点是：每个站点直接与中心结点相连，需要大量电缆，因此费用较高；如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中心结点的可靠性和冗余度要求很高。此外，星型结构的通信电缆是各结点专用的，利用率不高。

总线型结构 总线型局域网的特点如下： (1)所有结点都通过网卡直接与总线连接。 (2)总线结构的传输介质可以是双绞线或同轴电缆。 (3)总线两端都有终结器，即电阻，用于接收任何信号，并将其移出总线。 (4)所有结点无主从关系，可能同时会有多个结点发送数据，所以容易产生“冲突”。

环形拓扑结构 环状拓扑结构的优点是：信息在环型网络中按一个特定的方向流动，每两台计算机之间只有一个通路，简化了路径的选择；环网络中所需的电缆总长度与总线型网络相当；由于避免了冲突，网络的实时性比总线型拓扑网络好；环型网络非常适合于光纤，光纤的传输速度快，而且可以避免同轴电缆的电磁干扰的问题。 环状拓扑结构的缺点是：对环接口的要求很高，如果一个环接口出现故障，整个网络就会瘫痪；由于任何结点的故障都会对网络造成影响，从而为故障的诊断增加了难度；此外，当网络的结点增多时，令牌在环中传递的周期就会加长，势必对网络的实时性和传输性能产生负面影响。

4.2局域网体系结构 4.2.1局域网的参考模型 局域网是一个通信子网，由于内部大多采用共享信道的技术，所以通常不单独设立网络层。局域网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，并将数据链路层划分为逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。局域网的高层功能由具体的局域网操作系统来实现

4.2.2IEEE 802标准 IEEE是“Institute of Electrical and Electronic Engineers”的缩写，即电气和电子工程师学会(美国)，它是定义网络标准的专业组织。它制定的IEEE 802标准，是目前主要的局域网标准，它包括一组类似于或实际上相当于以太网或令牌环网的协议

4.3 局域网介质访问控制方式 局域网介质访问控制的内容主要有两个方面： 一是要确定网络上每一个节点能够将信息发送到介质上去的特定时刻； 二是要解决如何对共享传输介质访问和利用加以控制。常用的介质访问控制方式有三种：载波侦听多路访问/冲突检测法(CSMA／CD)，令牌环访问控制(Token-Ring)和令牌总线访问控制(Token-Bus)。

4.3.1IEEE802.3标准简介 IEEE 802.3作为一种局域网标准最早被Xerox公司提出，后来被不断扩充逐渐成为现在的以太网标准。IEEE 802.3 LAN标准对应于OSI RM的最低两层，详细描述了总线拓扑结构的CSMA／CD介质访问控制方法，物理收发信号(PLS)子层的服务规范以及物理层的逻辑、电气和机械特性等. IEEE802.3定义了基带传输和宽带传输两大类标准.基带传输标准有10Base5、10Base-T、1Base5和100Base-T等。在这种表示方法中，前面的数字表示数据的传输速率(Mb／s)，后面的数字则表示最大的电缆长度(百米)或电缆类型，中间则表示信号传输方式。宽带传输标准只有一个10Broad36。

4.3.2CSMA/CD方法 CSMA／CD是英文Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection的缩写，意为带有冲突检测的载波侦听多路访问。它是网络中各结点在竞争基础上访问传输介质的随机方法，是一种分布式控制技术。控制原则是各结点抢占传输介质，即彼此之间采用竞争方法取得发送信息的权利。 CSMA／CD访问方式大多用于总线型局域网络。其工作过程可分为两个部分，即监听总线(载波侦听多路访问，CSMA)和碰撞检测(冲突检测，CD)。

4.3.3令牌环访问控制方式 令牌环(Token-Ring)介质访问控制技术是环状拓扑结构中广泛使用的介质访问方法，最早是在1969年由IBM公司提出的。1985年，IEEE 802委员会制定的IEEE 802.5标准，定义了令牌环介质访问控制子层和物理层规范。

1.IEEE 802.5标准 IEEE 802.5标准规定了令牌环的媒体访问控制子层和物理层所使用的协议数据单元格式和协议，规定了相邻实体间的服务及连接令牌环物理媒体的方法。 IEEE 802.5标准规定了MAC子层向LLC子层提供的服务以及MAC子层向站管理SMT提供的服务。IEEE 802.5物理层规范包括数据符号编码、解码、符号定时和可靠性，规定了连网的主干电缆，以及这些介质的功能、电气、机械等性能。

2.令牌环原理 令牌法的基本思想是：一个独特的称为令牌的标志信息，依次给每个节点在接收到这个令牌时发送数据的机会。 令牌有“空闲”和“忙”两种状态。“空闲”表明没有发送信息，发送数据的节点可以捕获；“忙”表明已有发送的数据，其他节点不可捕获。 一个有数据要发送的节点能捕获这个空闲令牌，使令牌状态变成“忙”状态，并开始数据传输。启动数据传送的节点，在接收到物理头部时必须把那些数据从传输线路上除去，并发出一个空闲令牌使其他节点也有发送的机会。

4.4局域网组网技术 以太网 快速以太网 千兆位以太网 万兆以太网 常用的环形网旧网技术

以太网 以太网(Ethernet)是由美国Xerox公司和stanford大学联合开发并于1975年提出的，目的是为了把办公室工作站与昂贵的计算机资源连接起来，以便能从工作站上分享计算机资源和其他硬件设备。 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。

快速以太网 为了解决速度方面的制约，网络用户面临两种选择， 1.设计一种新的局域网体系结构与介质访问方法，取代传统的共享介质访问方式的局域网； 2.在优质传统的局域网体系结构与介质控制方法不变的前提下，提高原有局域网传输速率。 3.快速以太网很好地解决了速度与成本之间的矛盾，保证了广大传统以太网用户在保留原有的网络设备投资的同时，获得了较高的网络速度。

千兆位以太网 千兆以太网标准包括：1000Base-LX、1000Base-SX、1000Base-CX和1000Base-T。千兆位以太网具有以太网的易移植、易管理特性，它提供了1000Mb／s(1Gb／s)的数据带宽。这使得千兆位以太网成为高速、宽带网络应用的战略性选择。

万兆以太网 万兆以太网技术的研究始于1999年底，当时成立了IEEE802．3ae工作组，并于2002年6月正式发布802．3ae 10GE标准，万兆以太网技术标准的体系结构有以下几层： 物理层 传输介质层 数据链路层

4.4.5常用的环形网组网技术 1.令牌环网 令牌环网络采用了802.5标准，在令牌环中，站点通过环接口连接成物理环形。令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位令牌忙/闲的标志位。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与站点在环中排列的顺序相同

2. FDDI网络 光纤分布式数据接口是ANSI的X379.5委员会为满足用户对网络高速和高可靠性传输的需求，在20世纪80年代中期制定的网络标准。FDDI所支持的数据传输速率可以达到100 Mb/s，并使用光纤作为传输介质。FDDI的另一版本是铜线分布式数据接口，它采用铜质的STP或UTP。

(1)FDDI的双环结构 为了实现网络的容错机制，FDDI采用的是双环结构，一个称为主环，一个称为辅环.正常情况下，主环用来传输数据，辅环则作为主环的备份，数据流方向与主环相反。连接到环上的站点必须相应地提供两个连接端口，分别连接主环和辅环。如果主环发生故障，检测到故障的站点就会将数据转移到辅环上，这样主环和辅环可重新构成一个环。

(2)FDDI的分层结构 FDDI标准将传输功能分为四层：物理介质依赖层(PMD)、物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。它们与OSI/RM的数据链路层和物理层相对应FDDI的物理层被分为两个子层：介质依赖层和物理层。介质依赖层在FDDI网络的节点之间提供点对点的数字基带通信；而物理层则提供PMD与数据链路层之间的连接。

（3）FDDI的主要应用 ①用于主机互连的后端网络。如用于计算机房与高速外设之间的连接，以及对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境 ②用于多个低速局域网互连的主干网。如用于连接分布在校园中多个建筑物中的小型机、服务器、工作站和个人计算机以及多个局域网

4.4.5常用的环形网旧网技术 (3)FDDI的主要应用 ①用于主机互联的后端网络。如用于计算机房与高速外设之间的连接，以及对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境. ②用于多个低速局域网互联的主干网。如用于连接分布在校园中多个建筑物中的小型机、服务器、工作站和个人计算机以及多个局域网.

4.5局域网操作系统 网络操作系统 局域网操作系统的分类 局域网操作系统的基本功能 几种典型的局域网操作系统

4.5.1网络操作系统概述 网络操作系统是管理计算机网络资源的系统软件，是网络用户与计算机网络之间的接口。 网络操作系统既有单机操作系统的处理机管理、内存管理、文件管理、设备管理和作业管理等功能，还具有对整个网络的资源进行协调管理，实现计算机之间高效可靠的通信，提供各种网络服务和为网上用户提供便利的操作与管理平台等网络管理功能。

4.5.2局域网操作系统的分类 目前的局域网操作系统按其功能可分为下列三种常见的模式： 对等(Peer to Peer)模式 对等网中不需要专用的服务器，网络中的每一台计算机担负着服务器和工作站的双重作用。因此，对等网中的每台计算机不但有单独的操作权限，而且可以共享网络中其他计算机上的资源，并可将本地计算机上的资源共享给其他计算机。

4.5.2局域网操作系统的分类 文件服务器模式 在这种模式中，应用程序和数据都存放在一台指定的计算机中，这台计算机称为文件服务器，一般均由专业服务器或性能较高的微机担任。网络上的其他站点被称为工作站。在文件服务器模式中，所有的工作站都以文件服务器为中心，网络上的各个工作站彼此间无法直接传输信息，必须通过服务器做媒介，即所有的文件读取、传送等都在文件服务器的控制中。

客户机／服务器模式 有的计算机专门提供数据存储和各种各样的服务，称为服务器；有的则只能共享其他计算机所提供的资源，称为工作站。在服务器／客户端网络中，服务器运行专用的网络操作系统。服务器一般使用高性能的计算机，安装了大型数据库，用来存储大量的用户数据，在网络中承担着数据的存储、转发、发布等关键任务。

4.6虚拟局域网 4.6.1虚拟局域网概述 VLAN是由位于不同的物理局域网段的设备组成的，虽然VLAN所连接的设备来自不同的局域网，但设备相互之间可以像在同一局域网中那样通信，对于用户来说就好像处在同一个局域网中，由此得名虚拟局域网。 VLAN建立在局域网交换机的基础上，它是以软件的方法将网络中的节点按工作性质与需要划分成若干个“逻辑工作组”，每个逻辑工作组就是一个虚拟网络

4.6.2虚拟局域网的实现 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。

4.6.3虚拟局域网的划分方法 虚拟局域网技术允许网络管理者将一个物理LAN逻辑地划分成不同的广播域，即VLAN。每个VLAN都包含一组有着相同需求或特性的计算机工作站，与物理上形成的局域网有着相同的属性。由于它是逻辑的而不是物理的划分，所以同一VLAN内的各个工作站节点无须局限在同一物理空间下，一个VLAN内部的广播和组播都不会发到其他VLAN中。

虚拟局域网的实现技术 1.基于交换机端口实现的VLAN 这种划分是把一个或多个交换机上的几个端口划分一个逻辑组,只需网络管理员对网络设备的交换端口进行分配和设置。按交换机端口定义虚拟网成员的技术分类如下： （1）第一代端口VLAN技术：把同一个交换机的各个端口分成若干组，每组构成一个VLAN，被设定的端口都在同一个广播域内，每一组就相当于一个独立的交换机。 （2）第二代端口VLAN技术：允许跨越多个交换机的多个不同端口划分VLAN，不同交换机上的若干个端口可以组成同一个虚拟网。

2.基于MAC地址实现的VLAN 用MAC地址定义的虚拟局域网，允许节点移动到网络其他物理网段。由于它的MAC地址不变，所以该节点将自动保持原来的虚拟局域网成员的地位。 要求所有的用户在初始阶段必须配置到至少一个虚拟局域网中，初始配置由人工完成，随后就可以自动跟踪用户。但在大规模网络中，初始化时把上千个用户配置到某个虚拟局域网显然很麻烦。

3.基于IP广播组实现的VLAN 基于IP广播组划分的VLAN是以动态的方式建立的多点广播组来确定虚拟网。每一节点通过对标识不同虚拟网的广播信息的确认来决定是否加入某一虚拟网。根据IP广播组划分的VLAN是利用了一种被称为代理的设备对虚拟网络的成员进行管理。以这种方式定义VLAN时，任何属于同一IP广播组的计算机都属于同一虚拟网。

4.基于网络层地址实现VLAN 使用节点的网络层地址，如用IP地址来定义虚拟局域网。它具有自己的优点：首先，它允许按照协议类型来组成虚拟局域网，这种方法有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网。同时，用户可以随意移动工作站而无需重新配置网络地址，这对于TCP/IP协议的用户是特别有利的。 它的缺点是性能较差。检查网络层地址比检查MAC地址要花费更多的时间，因此用网络层地址定义虚拟局域网的速度比较慢。

5.基于策略划分的VLAN 基于策略的VLAN划分是一种比较有效而且直接的方式。这主要取决于在VLAN划分中所采用的策略。前边所述的任何一种方法都可以算作是一种策略，利用上述这些策略还可以组合为新的策略。当一种策略被定义到交换机上时，该策略就会应用到整个网络上。 VLAN充分体现了现代网络技术的特征，即高速、灵活、管理方便、扩展和使用容易，因此是未来网络发展的潮流和趋势。VLAN技术正处在不断的发展和完善之中。

4.7结构化布线技术简介 结构化布线的概念 布线又称为布缆，是指与各种信息设备互相连接的通信电缆、光缆及各种接插软线等线缆所组成的系统。结构化布线是指建筑群内标准的信息传输媒质系统，既与话音、数据和视频等信息设备互相连接，又与公用电话网、有线电视网、公用数据交换网、光缆及各种接插软线等线缆所组成的系统。

接续设备按使用功能分类 配线设备：配线架(箱、柜)等。 交接设备：配线盘、接线箱等。 分线设备：电缆分线盒、光纤分线盒及信息插座等。

4.7.2结构化布线的特点 1.兼容性 所谓兼容性是指它自身是完全独立的而与应用系统相对无关，可以适用于多种应用系统。 2.灵活性 结构化布线系统的灵活性主要表现在3个方面：灵活组网、灵活变位和应用类型的灵活变化。

4.7.3结构化布线系统 1.美国标准 建筑群子系统 垂直子系统 水平子系统 设备间子系统 管理子系统 工作区子系统

2.中国标准 《大楼通信综合布线系统》(YD/T 926.1-3)标准规定，综合布线系统由建筑群主干布线子系统、建筑物主干布线子系统和水平布线子系统3个布线子系统组成。因工作区一般采用非永久性的布线方式，在工程设计和安装施工中不列在内，所以不包括在综合布线系统工程中。这种系统结构不仅体现了通信线路的系统性和整体性，而且与我国的习惯做法一致。通信线路和接续设备是组合在一个子系统中的，在划分界限时也极为明确。