第4章 局域网技术基础 4.1 局域网的技术特点 4.2 局域网的拓扑结构 4.3 IEEE 802参考模型与协议 　第4章　局域网技术基础 4.1　局域网的技术特点 4.2　局域网的拓扑结构 4.3　IEEE 802参考模型与协议 4.4　共享介质局域网的工作原理 4.5　高速局域网技术 4.6　交换式局域网技术 4.7　虚拟局域网技术

4.8　主要的城域网技术 4.9　本章总结

目前，局域网技术的发展极为迅速。它已在信息管理与信息服务领域中得到了广泛的应用，因此是读者应该重点学习与掌握的内容。本章介绍局域网的技术特点、局域网的拓扑结构、共享介质局域网的工作原理、交换局域网的工作原理、高速局域网的工作原理、虚拟局域网的工作原理，以及主要的城域网技术。 4.1　局域网的技术特点 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前技术发展最快的领域之一。早期，人们将局域网的主要特点归纳为以下几点：

局域网是一种数据通信网络。 连入局域网的数据通信设备是广义的，包括计算机、终端与各种外部设备。 局域网覆盖一个较小的地理范围，从一个办公室、一幢大楼到几平方公里的区域。 随着局域网体系结构、协议标准研究的进展，操作系统的发展，光纤技术的引入，以及高速局域网技术的发展，局域网技术特征与性能参数发生了很大的变化，早期对局域网的定义与分类已发生了很大的变化。从局域网应用的角度看，局域网的技术特点主要表现在以下几个方面： 局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机

　关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求。 局域网提供高数据传输速率（10M～1000Mbps）、低误码率的高质量数据传输环境。 局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。 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，局域网可分为共享介质局域网与交换局域网两类。

4.2　局域网的拓扑结构 局域网与广域网一个重要的区别是它们覆盖的地理范围。由于局域网设计的主要目标是覆盖一个公司、一所大学、一幢办公大楼的"有限的地理范围"，因此它从基本通信机制上选择了与广域网完全不同的方式，从"存储转发"方式改变为"共享介质"方式与"交换方式"。 局域网在传输介质、介质存取控制方法上形成了自己的特点。局域网在网络拓扑结构上主要分为总线型、环型与星型结构三种，在网络传输介质上主要采用双绞线、同轴电缆与光纤等。

4.2.1　总线型拓扑结构 1. 总线型拓扑结构 总线型拓扑结构是局域网主要的拓扑结构之一。总线型局域网的拓扑结构如图4-1所示。其中，图4.1（a）给出了实际的总线型局域网的计算机连接情况，图4.1（b）给出了总线型拓扑结构。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。总线型拓扑结构的优点是：结构简单，实现容易，易于扩展，可靠性较好。

图 4.1

2. 总线型拓扑结构的特点 总线型局域网的主要特点是： 所有结点都通过网卡直接连接到一条作为公共传输介质的总线上。 总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。 所有结点都可以通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。当一个结点通过总线传输介质以"广播"方式发送数据时，其他的结点只能以"收听"方式接收数据。 由于总线作为公共传输介质为多个结点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点通过总线发送数据的情况，因此会出现"冲突"（collision）

　导致传输失败。冲突现象如图4.2所示。　 图 4.2

在"共享介质"方式的总线型局域网实现技术中，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。 4.2.2　环型拓扑结构 环型拓扑结构是共享介质局域网主要的拓扑结构之一。环型局域网的拓扑结构如图3.3所示。其中，图4.3（a）给出了实际的环型局域网中计算机连接方式；图4.3（b）给出了环型拓扑结构。在环型拓扑结构中，结点通过相应的网卡，使用点-点线路连接，构成闭合的环型。环中数据沿着一个方向绕环逐站传输。

图 4.3

在环形拓扑中，多个结点共享一条环通路，为了确定环中的结点在什么时候可以插入传送数据帧，同样要进行介质访问控制。因此，环形拓扑的实现技术中也要解决介质访问控制方法问题。与总线型拓扑一样，环型拓扑也一般采用某种分布式控制方法，环中每个结点都要执行发送与接收控制逻辑。 4.2.3　星型拓扑结构 在学习星型拓扑结构时，应该注意逻辑结构与物理结构的关系问题。逻辑结构是指局域网的结点间相互关系，而物理结构是指局域网外部连接形式。逻辑结构属于总线型与环型的局域网，在物理结构上

　可以看成星型的，最典型的是总线型的以太网。 在出现交换局域网（switched LAN）后， 才真正出现了物理结构与逻辑结构统一的星型拓扑结构。交换局域网的中心结点是一种局域网交换机。在典型的交换局域网中，结点可以通过点-点线路与局域网交换机连接。局域网交换机可以在多对通信结点之间建立并发的逻辑连接。典型的星型局域网的拓扑结构如图4.4所示。

图 4.4

需要指出的是：以上是从局域网基本技术分类，以及构成局域网的基本组成单元的角度介绍了局域网的拓扑结构问题。任何实际应用的局域网可能是一种或几种基本拓扑的扩展与组合。 4.3　IEEE 802参考模型与协议 局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道。早期应用最多的是同轴电缆。随着技术发展，双绞线与光纤的应用发展十分迅速。尤其是双绞线的发展，目前已能用于数据传输速率为100Mbps、1Gbps的高速局域网中，因此引起了人们普遍的关注。在局部范围内的中、高速局域网

　中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势已经越来越明朗化。 传统的局域网采用了共享介质的工作方式。为了实现对多结点使用共享介质发送和接收数据的控制，经过多年的研究，人们提出了很多种介质访问控制方法。但是，目前被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法主要有以下三种：带有冲突检测的载波侦听多路访问图4.5IEEE 802参考模型与OSI参考模型的对应关系方法、令牌总线（token bus）方法与令牌环（token ring）方法。

在1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会（简 称IEEE 802委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE 802标准。 IEEE 802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系如图3.5所示。IEEE 802参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路控制（LLC，logical link control）子层与介质访问控制（MAC，media access control）子层。

图 4.5

2. IEEE 802标准 IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE 802标准。IEEE 802标准之间的关系如图4.6所示。 图 4.6

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。

4.4 共享介质局域网的工作原理 从采用的介质访问控制方法角度来看，局域网可以分为共享介质局域网与交换式局域网两种。 4.4　共享介质局域网的工作原理 从采用的介质访问控制方法角度来看，局域网可以分为共享介质局域网与交换式局域网两种。 4.4.1　以太网的工作原理 目前应用最广的一类局域网是总线型局域网，即以太网（Ethernet）。它的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，carrier sense multiple access with collision detection）方法。 1. CSMA/CD的定义 CSMA/CD 方法用来解决多结点如何共享公用总线

　的问题。在以太网中，任何结点都没有可预约的发送时间，它们的发送都是随机的，并且网中不存在集中控制的结点，网中结点都必须平等地争用发送时间，这种介质访问控制属于随机争用型方法。IEEE 802.3标准是在以太网规范的基础上制定的。 最早采用随机争用技术的是美国夏威夷大学校园网，即地面无线分组广播网（Aloha）。在研究局域网介质访问控制方法时，人们吸收了Aloha方法的基本思想，增加了载波侦听功能，首先设计出数据传输速率为10Mbps的Ethernet实验系统。在此基础上，Xerox 、DEC 与Intel等三家公司合作，在1980年9月第一次公布了Ethernet的物理层、数据链路层规范；1981年11月公布了Ethernet V 2.0规范。IEEE

802. 3标准是在Ethernet V 2. 0规范的基础上制定的，它的制定推动了以太网技术的发展与广泛应用。90年代，IEEE 802 802.3标准是在Ethernet V 2.0规范的基础上制定的，它的制定推动了以太网技术的发展与广泛应用。90年代，IEEE 802.3标准中的物理层标准10Base-T的推出，使得以太网性能价格比大大提高，并在各种局域网产品的竞争中占有明显的优势。快速以太网标准100BASE-T的推出，更进一步增强了以太网的竞争优势。目前，有的国家正在研究传输速率可达1Gbps的以太网。 2. CSMA/CD 的工作原理 在Ethernet中，如果一个结点要发送数据，就以"广播"方式把数据通过作为公共传输介质的总线发送出去，连在总线上的所有结点都能"收听"到这个数据信号。由于网中所有结点都可以利用总线发送数

　据，并且网中没有控制中心，因此冲突的发生将是不可避免的。为了有效地实现分布式多结点访问公共传输介质的控制策略，CSMA/CD的发送流程可以简单地概括为四点：先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟后重发。 在采用CSMA/CD方法的局域网中，每个结点利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙闲状态。如果总线上已经有数据信号传输，则为总线忙；如果总线上没有数据传输，则为总线空闲。如果一个结点准备好发送的数据帧，并且此时总线处于空闲状态，那么它就可以开始发送。但是，同时还存在着一种可能，那就是在几乎相同的时刻，有两个或两个以上结点发送了数据，那么就会产生冲突，因

此结点在发送数据时应该进行冲突检测。图4.7显示了采用CSMA/CD方法的总线型局域网的工作过程。 图 4.7

所谓冲突检测，就是发送结点在发送数据的同时，将它发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，那么它们叠加后的信号波形将不等于任何结点发送的信号波形。当发送结点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时，表示总线上有多个结点在同时发送数据，冲突已经产生。如果在发送数据过程中没有检测出冲突，结点将在发送结束后进入正常结束状态；如果在发送数据过程中检测出冲突，为了解决信道争用冲突，结点将停止发送数据，并在随机延迟后重发。

4.4.2　令牌环与令牌总线的工作原理 1. 令牌总线的工作原理 IEEE 802.4标准定义了总线拓扑的令牌总线介质访问控制方法与相应的物理规范。令牌总线是一种在总线拓扑中利用"令牌"作为控制结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。 在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。令牌是一种特殊结构的控制帧，用来控制结点对总线的访问权。图4.8给出了正常的稳态操作时令牌总线的工作过程。

图 4.8

所谓正常的稳态操作，是指在网络已完成初始化之后，各结点进入正常传递令牌与数据，并且没有结点要加入或撤出，没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。此时，每个结点有本站地址（TS），并知道上一结点地址（PS）与下一结点地址（NS）。令牌传递规定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。环中令牌传递顺序与结点在总线上的物理位置无关。因此，令牌总线网在物理上是总线网，而在逻辑上是环网。令牌帧含有一个目的地址，接收到令牌帧的结点可以在令牌持有最大时间内发送一个或多个帧。

2. 令牌环的工作原理 令牌环介质访问控制技术最早开始于1969年贝尔研究室的Newhall环网，最有影响的令牌环网是IBM公司的令牌环。IEEE 802.5标准是在IBM公司的令牌环协议基础上发展与形成的。 在令牌环中，结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。令牌帧中有一位标志令牌的忙/闲。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排列的顺序相同。图4.9给出了令牌环的基本工作过程。

图 4.9

如果结点A有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。当结点A获得空闲令牌之后，它将令牌标志位由"闲"变为"忙"，然后传送数据帧。结点B、C、D将依次接收到数据帧。如该数据帧的目的地址是结点C，则结点C在正确接收该数据帧后，在帧中标志出帧已被正确接收和复制。当结点A重新接收到自己发出的、已被目的结点正确接收的数据帧时，它将回收已发送的数据帧，并将忙令牌改成空闲令牌，再将空闲令牌向它的下一结点传送。 令牌环控制方式具有与令牌总线方式相似的特点：环中结点访问延迟确定，适用于重负载环境，支持优先级服务。令牌环控制方式的缺点主要是：环维护复杂，实现较困难。