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第4章 局域网工作原理
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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
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4.1 局域网的技术特点
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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。
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4.2 局域网拓扑结构类型 与特点
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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。
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总线型局域网的拓扑结构
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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。
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环型拓扑结构
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星型拓扑结构
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4.3 局域网与IEEE 802 参考模型
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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）
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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 标准：定义不同介质访问控制技术的相关标准。
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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 标准：定义无线局域网访问控制子层与物理层标准； IEEE 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 标准：定义宽带无线网络访问控制子层与物理层标准。
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IEEE 802与OSI参考模型的对应关系
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4.4 以太网的工作原理
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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。
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CSMA/CD的工作原理
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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。
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以太网的MAC地址
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4.5 高速局域网的工作原理
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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。
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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。
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共享介质与交换局域网工作原理的区别
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局域网产品类型与相互之间的关系
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光纤分布式数据接口
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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 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。
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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
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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。
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Fast Ethernet的协议结构
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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。
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Gigabit Ethernet
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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。
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4.6 交换式局域网的 工作原理
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交换式局域网的基本结构
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局域网交换机的结构
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局域网交换机的工作原理
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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
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4.7 虚拟局域网的工作原理
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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。
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虚拟局域网的实现技术
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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
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用交换机端口号定 义虚拟局域网成员
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4.8 无线局域网的工作原理
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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
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典型的无线局域网结构
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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
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无线局域网标准 IEEE 标准
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4.9 小结
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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；
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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 。
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