局域网讲义

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1、第5章 局域网,5.1 局域网概述局部区域网络(local area network)通常简称为“局域网”,缩写为LAN。局域网是结构复杂程度最低的计算机网络，它是目前应用最广泛的一类网络。通常：在较小的地理范围内，利用通信线路将数目有限个数据设备连接起来，实现彼此之间的数据传输和资源共享的系统称为局域网。局域网的特点:(1) 网络所覆盖的地理范围比较小。通常不超过几十公里，甚至只 在一幢建筑或一个房间。(2) 所有的站共享较高的总带宽(即较高的数据传输速率)；其范围自1Mbps到10Mbps,近来已达到100Mbps、1Gbps、10Gbps 。(3) 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软

2、件、数据，从一个终端可访问全网；,(4) 提高了系统的可靠性、可用性和残存性； (5) 各设备的位置可灵活调整和改变，有利于数据处理和办公自动 化。目前常见的局域网类型包括： (1)以太网（Ethernet） (2)光纤分布式数据接口（FDDI） (3)异步传输模式（ATM） (4)令牌环网（Token Ring） (5)交换局域网(Switching) 它们在拓朴结构、传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同。其中应用最广泛的当属以太网，是目前发展最迅速、也是最经济的局域网。,构成局域网的基本构件： 计算机(一般为PC机)； 传输媒体(可以是同轴电缆、双绞线、光缆或辐射性媒体)； 网

3、络适配器(即网卡)； 网络连接设备(即将计算机与传输媒体相连的各种连接设备,如RJ-45插头座等)； 网络操作系统(NOS是在每个PC机原有操作系统上增加网络 所需的功能)。,局域网的拓扑结构和介质访问控制方法密切相关，一旦拓扑结构确定，就对应着相应的介质访问控制方法。拓扑结构、传输介质和介质询问方式的确定，在很大程度上决定了网络的响应时间、吞吐率和利用率等特性。因此，局域网的特性主要由三个要素决定：即拓扑结构、传输介质和介质询问方式。,媒体共享技术,静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮

4、询。,局域网常用的拓朴结构: 1. 总线(BUS)结构 总线型拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或称总线上。任何一个站点发送的信号都可以沿着介质传播，而且能被其他所有站点接收。,总线拓扑的优点是: (1)电缆长度短，易于布线和维护； (2)结构简单，端用户（站点）入网灵活。总线型结构的缺点是: (1)因为这种结构的网不是集中控制的，所以故障检测需要在网上的各个站点上进行； (2)在扩展总线的干线长度时，需重新配置中继器、剪裁电缆、调整终端器等； (3)一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。使用这种结构必须解决的一个问题是确

5、保端用户使用传输介质发送数据时不能出现冲突，介质访问获取机制较复杂。,2. 环形(Ring)结构环形拓扑结构是由连接成封闭回路的网络结点组成的，每一个结点与它左右相邻的结点连接。环形网络常使用令牌来决定哪个结点可以访问通信系统。在环形网络中信息流只能是单方向的，每个收到信息包的站点都向它的下游站点转发该信息包。当信息包经过目标站时，目标站根据信息包中的目标地址判断出自己是接收站，并把该信息拷贝到自己的接收缓冲区中。为了决定环上的哪个站可以发送信息，平时在环上流通着一个叫令牌的特殊信息包，只有得到令牌的站才可以发送信息，当一个站发送完信息后就把令牌向下传送，以便下游的站点可以得到发送信息的机会。

6、,环形拓扑结构的优点:是它能高速运行，而且避免冲突的结构相当简单。环形拓扑结构的缺点：连接网络中各节点的电缆构成一个封闭的环,信息在环中必须沿每个节点单向传输,因此,环中任何一段的故障都会使各站之间的通信受阻。为克服这种脆弱,每个端点除与一个环相连外，还连接到备用 环上,当主环故障时,自动转到备用环上。,3. 星形(Star)结构星形拓扑结构是由通过点到点链路接到中央结点（又称中央控制器，一般用集线器或交换机作为中央节点）的各站点组成的。星形网络中有一个唯一的转发结点（中央结点），每一台计算机都通过单独的通信线路连接到中央结点。,星形拓扑结构的优点是： (1)利用中央结点可方便地提供服务和重新

7、配置网络； (2)单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障,便于维护；星形拓扑的缺点是： (1)每个站点直接与中央结点相连，需要大量电缆,因此费用较高；(2)如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高。,STP 以铝箔屏蔽以减少干扰和串音,UTP 双绞线外没有任何附加屏蔽,局域网常用的传输介质（连接网络中各个数据设备之间的缆线）： 1.双绞线(Twisted pair )两根互相绝缘绞在一起的铜导线。分为带屏蔽(shielded Twisted pair STP)和不带屏蔽(unshielded Twisted pair UTP)。,2

8、. 同轴电缆(Coaxial cable)：类似有线电视的电缆，有两种:一种是50欧姆电缆，用于数字传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75欧姆电缆，用于模拟传输，也叫宽带同轴电缆。阻抗50欧的基带同轴电缆分成细缆和粗缆，细缆传输最大距离为200米，粗缆为500米。目前，同轴电缆大量被光纤取代，但仍广泛应用于有线电视和某些局域网。,3. 光纤(Fiber optic cable) 光导纤维的简称它由能传导光波的石英玻璃，外加不透光的保护层构成。,光纤传输原理：光从一种介质(高折射率)入射到另一种介质（低折射率）时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。传送方

9、式：在发送端，经转换系统，将电信号转换成光信号，经光纤送至接收端，由光检测器还原成电信号。,优点： 传输速度快 可用达到2Gb/s，是目前传输速率最高的介质。 抗电磁干扰 由于使用光波，不受电磁波的干扰。 传输安全性高 传输中没有光信号散射，不担心从散射的能量被盗取信息。缺点：光纤的接头要用专用设备进行融接，架设不易，分接线路麻烦。上述三种传输媒体的有一个共同的缺点，那便是都需要一根线缆连接电脑，这在很多场合下是不方便的。4. 无线媒体适用于难以布线的场合或远程通信。无线媒体有三种主要类型：无线电、微波及红外线。,（1）无线传输 无线电波可以穿透墙壁，可以到达普通线缆无法到达的地方。,F1,

10、F2, F3 = 使用的频率,GSM(Group Special Mobile) CDMA(code division multiplexing access),（2） 地面微波接力通信,距离：50 -100 km 通信容量大 成本较有线通信小 相邻站间必须无障碍 易受天气干扰 隐蔽、保密性差 维护成本高,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,（3） 卫星通信,与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球 通信容量大 信号干扰小 传输延迟时间长（270ms） 保密性差 成本高,局域网的通信体制是“共享介质”，因此不可避免产生冲突。冲突：如果A传数据给B，同时C也传数据给D，此时两个信号就会交会

11、在一起，使得信号的意义无法识别，这就是所谓的冲突（Collision)。,因此，必须有相应的解决冲突的网络协议。,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,局域网介质访问控制方法： 载波监听多重访问冲突检测” CSMACD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）,B向 D 发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受 B 发送的数据,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到

12、 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧

13、时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没

14、有其他计算机发送的数据信号。,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,电磁波在总线上的 有限传播速率

15、的影响,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,令牌环（token ring）介质访问控制方法：连接在令

16、牌环网上的计算机使用一种叫做令牌的特殊控制帧来协调介质的使用。任何时候环上只有一个令牌。为了发送数据，计算机必须等待令牌到来，然后传输一帧，再向下一台计算机传输令牌。当没有计算机要发送数据时，令牌在环上高速循环。当令牌在环上传输时，每台计算机都有机会使用网络。如果一台特定的计算机在收到令牌时没有数据要发送，接口硬件仅仅是无延迟地传输令牌。在没有计算机要传输数据的极端情况下，令牌不断地循环，每台计算机收到令牌然后立即向下一台计算机传输。,令牌总线（ token bus ）介质访问控制方法：token bus是总线拓扑中利用令牌作为结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制的方法。它要为连入网内的每一个结点分配一个逻辑序号，将逻辑序号按顺序连接，最后首尾相连，从而形成一个逻辑环。逻辑环上的每个结点均知道3个结点的地址：本身地址、上一个结点地址和下一个结点地址。令牌由最高地址开始，按顺序向低地址结点逐结点传递，最后再由最低地址结点传向最高地址结点，依次循环传输。特点：物理上是总线状，逻辑上是环状的。,