第1章局域网基础知识

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2、域网的分类了解局域网的分类 了解局域网标准了解局域网标准 掌握局域网的拓扑结构掌握局域网的拓扑结构 了解典型了解典型局域网局域网1.1 1.1 计算机网络概述计算机网络概述 所谓计算机网络，是指通过数据通信系统把地理上分散的、具有独立功能的多台计算机通过通信媒体连接在一起，并配以相应的网络软件，以达到数据通信和资源共享的目的，计算机网络示意图如图所示。 依据网络的组建规模和延伸范围来划分，可将网络分为局域网、城域网和广域网。 局域网（Local Area Network，LAN）：从广义上讲，它是连网距离有限的数据通信系统，它支持各种通信设备的互联，并以廉价的媒体提供宽频带的通信来完成信息交换

3、和资源共享。 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）：城域网的作用范围比局域网大得多（距离在550km），采用与局域网相同的连网技术。 广域网（Wide Area Network，WAN）：广域网是将远距离的网络和资源连接起来的任何系统。 1.1 1.1 计算机网络概述计算机网络概述1.2.1 局域网的定义和特点局域网的定义和特点1早期局域网的主要特点早期局域网的主要特点 （1）局域网是一种通信网络；（2）连入局域网的数据通信设备种类多样，包括计算机、终端和各种外部设备；（3）局域网覆盖地理范围较小，例如一个教室、一幢办公楼等。1.2 1.2 局域网概述局域网概述

4、1.2.1 局域网的定义和特点2局域网技术的变化局域网技术的变化从局域网应用的角度来看，它的技术特点主要表现在以下方面：（1）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。（2）局域网的数据传输速率高，能够达到10Mbps10Gbps，而且误码率较低。（3）局域网属于数据通信网络中的一种，局域网只能够提供物理层、数据链路层和网络层的通信功能。（4）可以连入局域网中的数据通信设备非常多，如计算机、终端、电话机及传真机等。（5）局域网易于安装、维护以及管理，且可靠性高。 （6）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

5、访问控制方法。（7）局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类：共享介质局域网和交换式局域网。 1.2.2 局域网的组成1 1服务器服务器 服务器是局域网的核心部件，是为网络上的其他计算机提供服务的功能强大的计算机。根据服务器在网络中的作用不同，服务器通常分为文件服务器、打印服务器、通信服务器、数据库服务器、WWW服务器和E-mail服务器等。2 2客户机客户机 客户机就是我们通常所说的工作站，客户机通常是一台PC机。与服务器相反，客户机使用服务器提供的各种服务，如文件服务、数据库服务、打印服务和通信服务等。每台客户机都可以在自己的操作系统下使用服务器资源，好像这些资源就在客户机一样。3通信介

6、质 通信介质是网络数据流动的载体。局域网使用的有限通信介质有双绞线、同轴电缆和光纤等。 局域网使用的无线通信介质主要有无线电波、微波、蓝牙和红外线4 4连接部件连接部件1）通信介质连接部件细同轴电缆使用T形连接器和BNC连接器，粗同轴电缆使用外接收器和N系列连接器，双绞线使用RJ-45连接器。2）网络适配器网络适配器是站点与网络的接口部件，俗称网卡。它除了作为网络站点连接入网的物理接口外，还控制数据帧的发送和接收。3）中继器数据信号在通信介质传输时，随着传输距离增加会使信号衰减加剧。当实际传输距离超出最大段距离时，中间需中继器进行信号放大。4）集线器集线器是局域网中的连接设备，它具有多个端口，

7、可连接多台计算机，实现计算机之间的通信。1.2.2 局域网的组成5）交换机交换机也是局域网中的连接设备，是集线器的升级换代产品，交换机可以作为整个网络的中心结点，负责连接其他网络设备和用户计算机，实现网络的连接与扩展。交换机可分为许多种类，分别具有不同的功能特点和应用范围，应当根据具体的使用环境和实际需求进行选择。6）路由器路由器是一种多端口的网络设备，它能够连接多个不同的网络或网段，并能将不同网络或网段之间的数据信息进行传输，从而构成一个更大的网络。5 5网络操作系统网络操作系统 网络操作系统是网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊 的操作系统，它在计算机操作系统下工作，使计算机操作

8、系统增加了 网络操作所需要的能力。1.2.3 1.2.3 局域网的分类局域网的分类1 1按照网络转接方式分类按照网络转接方式分类 按照网络转接方式来划分，局域网可分为共享介质局域网和交换局域网两种，其连接示意图分别如图所示。2 2按照介质访问控制方法分类按照介质访问控制方法分类将局域网按照介质访问控制方法进行分类，最常见的是以太网和令牌环网。（1）以太网采用载波监听多路访问冲突检测（CSMACD）介质访问控制方法，通过“监听”和“重传”来解决数据发送和接收中的冲突问题。（2）令牌环网则是通过“令牌”来让各个结点获得数据发送权，避免数据传输的冲突。3按照网络资源管理方式分类按照网络资源管理方式分

9、类按照网络资源管理方式的不同，局域网可分为对等式和非对等式两种。（1）在对等式局域网中，所有结点地位平等。任何结点之间都可以直接通信和资源共享，而且各个结点都拥有自主权。（2）在非对等式网络中，所有结点的地位都不同，如服务器与工作站是两种地位不同的结点。服务器通过集中控制的方式管理网络资源，并为工作站提供服务。“客户机/服务器”网络是非对等式网络的典型代表。4 4按照网络传输介质分类按照网络传输介质分类 按照传输介质的不同，局域网可划分为有线局域网和无线局域网两种。（1）有线局域网是指采用同轴电缆、双绞线、光纤等有线介质来连接的计算机网络。采用双绞线连网是目前最常用的连网方式，具有价格便宜、安

10、装方便等优点，但同时又有易受干扰、传输速率较低等缺点。（2）无线局域网是指采用无线电波、微波等技术构成的计算机网络。无线局域网绝不是用来取代有线局域网的，而是用来弥补有线局域网的不足，以达到网络延伸的目的。1.2.4 1.2.4 局域网标准局域网标准IEEE 802主要标准有：IEEE 802.1：概述体系结构和网络互联，以及网络管理和性能测试。IEEE 802.2：表示了逻辑链路控制子层LLC功能。IEEE 802.3：表示CSMA/CD介质访问控制方法和物理层技术规范。IEEE 802.4：表示令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范。IEEE 802.5：表示令牌环介质访问控制方法和物理

11、层技术规范。IEEE 802.6：表示城域网介质访问控制方法和物理层技术规范。IEEE 802.7：表示宽带技术。IEEE 802.8：表示光纤技术。IEEE 802.9：表示综合语音与数据局域网技术。IEEE 802.10：表示可互操作的局域网的安全规范。IEEE 802.11：表示无线局域网技术。IEEE 802.12：定义了100VG AnyLAN规范。IEEE 802.14：定义了电缆调制解调器（cable modem）标准。IEEE 802.3z：千兆以太网。IEEE 802.3ab：1000Base-T（铜质千兆以太网）。IEEE 802.3ac：虚拟局域网中的标签交换。IEEE

12、802.3ad：链路集成。IEEE 802.3ae：10千兆以太网。1.3 局域网的拓扑结构1.3.1 1.3.1 总线型拓扑结构总线型拓扑结构 总线型拓扑结构如图所示。1.3 局域网的拓扑结构1.3.1 1.3.1 总线型拓扑结构总线型拓扑结构 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。它的主要特点是：（1）所有的结点都通过相应的网卡直接连接到一条作为公共传输介质的 总线上；（2）总线通常采用同轴电缆或双绞线作为传输介质；（3）所有结点都可以通过总线传输介质发送或接收数据，但一段时间内 只允许一个结点利用总线发送数据，当一个结点利用总线传输介质 以广播方式发送数据时，其他结点可

13、以用收听方式接收数据；（4）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利用总线发送数据的情况，因此会出现 “冲突”（collision）；（5）在共享介质方式的总线型局域网实现技术中，必须解决多结点访问 总线的介质访问控制（MAC，Medium Access Control）问题。 总线型拓扑的优点：结构简单，实现容易，便于扩展，可靠性好。1.3.2 1.3.2 环型拓扑结构环型拓扑结构环型拓扑的优点是结构简单，实现容易，传输延迟确定，适应传输负荷较重和实时性要求较高的应用环境。但是环中每个结点与连接结点之间的通信线路都是网络可靠性的瓶颈。环中任何一个结

14、点或线路出现故障，都会造成网络瘫痪。环结点的加入和撤出过程都较复杂。为保证环的正常工作，需要较复杂的环维护处理。 环型拓扑结构如图所示。1.4 1.4 典型局域网典型局域网1.4.1 1.4.1 以太网以太网 以太网的主要技术与标准以太网的主要技术与标准:类型类型速度速度技术技术IEEEIEEE标准标准传统以太网10Mbps10Base-5802.310Base-2802.3a10Base-T802.3i10Base-F802.3j快速以太网100Mbps100Base-FX802.3u100Base-TX100Base-T4100Base-T2千兆以太网1000Mbps1000Base-CX

15、802.3z1000Base-LX1000Base-SX1000Base-TX802.3ab万兆以太网10000Mbps10GBase-X802.3ae1.1.传统以太网传统以太网1）10Base-5（粗缆以太网）10Base-5具有如下的特性:（1）拓扑结构：10Base-5的网络结构，一般是总线型拓扑结构。（2）传输媒体：10Base-5使用粗同轴电缆，电缆必须用50的终端电阻器进行端接。（3）传输距离：电缆最大总长度（即所有网段的总长度）为2500m，网段的最大长度为500m。（4）传输速率：10Base-5的传输速率为10Mbps。1.1.传统以太网传统以太网2）10Base-2（细缆

16、以太网） 10Base-2具有如下的特性： （1）拓扑结构：10base-2的网络结构，一般是总线型拓扑结构。（2）传输媒体：10base-2使用细同轴电缆。（3）传输距离：电缆最大总长度（即所有网段的总长度）为925m，网段的最大长度为185m，最大网段数为5。（4）传输速率：10base-2的传输速率为10Mbps。1.1.传统以太网传统以太网2）10Base-2（细缆以太网） 10Base-2具有如下的特性： （1）拓扑结构：10base-2的网络结构，一般是总线型拓扑结构。（2）传输媒体：10base-2使用细同轴电缆。（3）传输距离：电缆最大总长度（即所有网段的总长度）为925m，网

17、段的最大长度为185m，最大网段数为5。（4）传输速率：10base-2的传输速率为10Mbps。1.1.传统以太网传统以太网3）10Base-T（双绞线以太网）10Base-T具有如下的特性：（1）连接方式：系统中各工作站均通过Hub连入网络中。（2）传输媒体：传输线介质采用非屏蔽双绞线。（3）传输速率：数据传输速率可达10Mbps。（4）接口标准：双绞线与网络接口及Hub之间采用RJ-45标准接口。（5）传输距离：工作站与Hub之间的最大距离为100m。（6）中继连接：系统中Hub与Hub之间可实现连接，一条通路最多可以串连4个Hub，Hub与Hub之间的最大距离为100m。系统中任何一条

18、线路不能形成环路。1.1.传统以太网传统以太网4）10Base-F（光纤以太网） 光纤以太网10Base-F于1992年由IEEE给予批准，它基于光缆互联中继器链路规范，对扩展距离采用光缆链路建立互联中继器。10Base-F具有传输距离远（可达2000m），抗干扰能力强和安全保密等特点，非常适合楼宇间的网络连接。基本特征基本特征速率速率最大网段长度最大网段长度最大长度最大长度传输媒体传输媒体拓扑结构拓扑结构10Base-510Base-510Mbps10Mbps500m500m2500m2500m5050粗缆粗缆总线型总线型10Base-210Base-210Mbps10Mbps185m185

19、m925m925m5050细缆细缆总线型总线型10Base-T10Base-T10Mbps10Mbps100m100m500m500mUTPUTP星型星型10Base-F10Base-F10Mbps10Mbps2000m2000m多模光缆多模光缆星型星型2 2快速以太网快速以太网1）100Base-TX（使用双绞线的快速以太网）100Base-TX是一种利用双绞线实现100Mbps以太网的IEEE标准。100Base-TX以非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线为传输介质。使用时电缆通过与电话线接头相似的RJ-45连接器与网卡、集线器或交换机相连。在100Base-TX中，一条网线的最大长度为100米。10

20、0Base-TX使用星型拓扑结构，所有工作站均通过双绞线与集线器交换机相连。在适当设备的支持下，100Base-TX既可工作在半双工方式下，也可工作在全双工方式下。2）100Base-FX（使用光纤的快速以太网）100Base-FX是一种利用光纤实现100Mbps以太网的IEEE标准。100Base-FX以多模（直径为62.5m/125m）光纤或单模光纤为传输介质。使用时光纤通过连接器与网卡、光纤集线器或交换机相连。在100Base-FX中，多、单模光纤的最大传输距离分别为2千米和10千米。3）100Base-T4（使用4对3类UTP的快速以太网）100Base-T4是一种利用双绞线实现100

21、Mbps以太网的IEEE标准。100Base-T4以3类或3类以上非屏蔽双绞线为传输介质。与100Base-TX不同的是，100Base-T4要求使用标准非屏蔽双绞线中的所有线对进行数据传输。100Base-T4存在着两个明显的缺陷：首先它要求使用4对3类或3类以上的非屏蔽双绞线，而早期的一些3类UTP却只提供了2对线；其次是不支持全双工通信。4）100Base-T2（使用2对3类UTP的快速以太网）100Base-T2允许利用2对3类或3类以上的非屏蔽双绞线实现100Mbps的传输速度。100Base-T2具有如下特点:（1）与10Base-T和100Base-TX一样，100Base-T2

22、标准规定使用非屏蔽双绞线中的2个线对，其中：一对线用于发送数据，另一对线用于接收数据，因而可支持全双工通信。（2）用于10Base-T和100Base-TX的RJ-45连接器同样适用于100Base-T2。（3）100Base-T2中每段网线的最大长度为100米，只能使用2个中继器，网络的最大覆盖范围为205米。3 3千兆以太网千兆以太网1）1000Base-SX（使用1对短波长光光纤的千兆以太网） 1000Base-SX使用1对短波长（850mm）光光纤通信。当使用62.5m多模光纤时，最大无中继传输距离为250米；当使用50m多模光纤时，最大无中继传输距离为500米。2）1000Base-

23、LX（使用1对长波长光光纤的千兆以太网） 1000Base-LX是一种利用光纤实现1000Mbps以太网的IEEE标准。 1000Base-LX使用1对长波长（1300mm）光光纤通信。当使用62.5m多模光纤时，最大无中继传输距离为440米；当使用50m多模光纤时，最大无中继传输距离为550米；当使用10m单模光纤时，最大传输距离为3000米。3）1000Base-TX（使用4对5类UTP的千兆以太网） 1000Base-TX是一种利用非屏蔽双绞线实现1000Mbps以太网的IEEE标准。在1000Base-TX中，每段网线允许的最大长度为100米。1000Base-TX为100Base-T

24、X网络提供了最简单的升级方案，但需要注意的是，与100Base-TX不同，1000Base-TX要求使用标准非屏蔽双绞线中的所有线对进行数据传输。4）1000Base-CX（使用屏蔽双绞线的千兆以太网）1000Base-CX是一种利用屏蔽双绞线实现1000Mbps以太网的IEEE标准。1000Base-CX以屏蔽双绞线为传输介质。在1000Base-CX中，一条网线的最大长度为25米。主要用于连接近距离设备。4 4万兆以太网万兆以太网 10000M以太网又称10GbE（10 Gigabit Ethernet），是一种可实现10G带宽的以太网技术。其技术标准为IEEE 802.3ae。而铜质10

25、000M以太网标准802.3ak也于2004年2月推出。单核心10000M以太网技术在局域网中的使用方式如图所示。1.4.2 1.4.2 交换局域网交换局域网1交换式局域网的基本结构交换式局域网的基本结构如图所示给出了交换式以太网的典型结构。每台以太网交换机都会有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个以太网集线器（Hub）连接。如果一个端口只连接一个结点，这个结点可以独占10Mbps的带宽，这类端口称为专用10Mbps端口；如果一个端口连接一个10Mbps的以太网，这个端口将被以太网中的多个结点共享，这类端口称为共享10Mbps端口。2 2局域网交换机的主要技术特点局域网交换机

26、的主要技术特点1）低交换传输延迟2）支持不同的传输速率和工作模式3）支持虚拟局域网服务1.4.3 虚拟局域网 虚拟局域网（Virtual LAN，VLAN）是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户不受物理网段的限制，可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样，由此得名虚拟局域网。1.VLAN1.VLAN的功能的功能（1）提高管理效率。（2）抑制广播数据。（3）增强网络安全性。（4）实现虚拟工作组。2.2.划分划分VLANVLAN的方法的方法（1）按交换机端口进行划分。这种方法最常用，也最简单和有效。其缺点是：当用户站从一个端口移至另一个端口时，必须

27、对VLAN成员重新配置。 1.4.3 虚拟局域网2.2.划分划分VLANVLAN的方法的方法 （1）按交换机端口进行划分。这种方法最常用，也最简单和有效。其缺点是：当用户站从一个端口移至另一个端口时，必须对VLAN成员重新配置。例如，在图所示的VLAN配置中，以太网交换机端口 1、2、6和7组成VLAN1，端口3、4、5组成 VLAN2。（2）按MAC地址划分。由网管人员指定属于同一个VLAN中的各用户站的MAC地址。这种划分方法的优点是：由于MAC地址是固化在网卡中的，当用户站移至其他位置后，其仍将属于原VLAN，这样定义的VLAN可以看成是基于用户的VLAN。采用这种方法划分VLAN的缺点

28、是：在大型网络中初始配置工作量大。（3）按第三层协议划分。这种划分方法在决定VLAN成员的身份时，主要考虑网络层地址（如TCP/IP网络的子网地址）。当按网络层地址划分VLAN时，要将子网地址映射到VLAN，交换机则根据子网地址将各机器的MAC地址同VLAN联系起来。这种划分方法的优点是：根据第三层协议划分VLAN，当用户的机器移动位置后，不必重新配置网络地址。这种划分方法的缺点是：对报文中的网络地址（IP）进行检查比对帧中MAC地址检查所需的开销大，使交换设备转发速率下降。（4）IP组播VLAN。IP组播组是用一个D类地址表示的，当向一个IP组播组发送一个IP报文时，这个报文会传到该组中每一

29、个站点。即可以把一个IP组播组看成一个VLAN。（5）基于策略的VLAN。允许网络管理员使用前面的任何一种划分VLAN的方法，也可以把不同方法组合成一种新的策略来划分VLAN。当一个策略被指定到一个交换机时，该策略就可以在整个网络上应用。3.VLAN3.VLAN技术存在的问题技术存在的问题（1）标准不一致。（2）站点地址的管理。（3）随着第三层交换机的问世几乎使虚拟网失去了存在的价值。1.4.4 无线局域网1.1.无线局域网的标准无线局域网的标准IEEE 802.11标准具体将局域网结构分为“点到点”（Peer-To-Peer）和“主从”（Master-Slave）两种标准形式。2.2.无线局

30、域网中常用的传输媒体和频段分配无线局域网中常用的传输媒体和频段分配目前无线局域网采用的传输媒体有两种：无线电波和红外线。采用无线电波做传输媒体时又有两种调制方式：扩频方式和窄带调制方式。其中，使用扩频方式通信时其发射功率，基本可避免出现通信信号被偷听或窃取的现象；另一方面不会对人体健康造成伤害。1.4.4 无线局域网3.3.无线局域网的常见拓扑形式无线局域网的常见拓扑形式 无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心或称对等式（Peer-to-Peer）拓扑和有中心拓扑（infrastructure），如图所示。1.4.4 无线局域网3.3.无线局域网的常见拓扑形式无线局域网的常见拓扑形式 1）无中心拓扑（Peer-to-Peer） 无中心拓扑的网络是一个全连通结构，采用这种拓扑的网络一般使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信道接入控制（MAC）协议大多采用CSMA。其特点是：网络抗毁性好、建网容易、费用较低。2）中心拓扑（infrastructure） 这种结构要求有一个无线站充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。其优点是：网络中站点布局受环境的限制较小，但其抗毁性较差，由于中心站的采用增加了网络成本。