计算机网络技术 第5章 局域网技术
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IEEE 于 1985 年公布了 IEEE 802 标准的五项标准文本，同年该标准被美国国家标准局 （ANSI）采纳作为美国国家标准。后来国际标准化组织（ISO）经过讨论，建议将 802 标 准定为局域网国际标准。
IEEE 802 为局域网制定了一系列标准，主要有如下 14 种： 1) IEEE 802.1 概述，局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连。 2) IEEE 802.2 定义了逻辑链路控制（LLC）子层的功能与服务。 3) IEEE 802.3 定义了 CSMA/CD 总线式介质访问控制协议及相应物理层规范。 4) IEEE 802.4 定义了令牌总线（token bus）式介质访问控制协议及相应物理层规范。 5) IEEE 802.5 定义了令牌环（token ring）式介质访问控制协议及相应物理层规范。 6) IEEE 802.6 定义了城域网（MAN）的质访问控制协议及相应物理层规范。 7) IEEE 802.7 定义了宽带时隙环介质访问控制方法及物理层技术规范； 8) IEEE 802.8 定义了光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范；。 9) IEEE 802.9 定义了语音和数据综合局域网技术。
上个世纪 80 年代以后，随着网络技术、通信技术和微型机性能的进一步发展，LAN 技 术得到了迅速的发展和完善，多种类型的局域网技术纷纷出现，越来越多的制造商投入到 局域网络的研制潮流中。其中，比较典型的产品有美国 DEC、Intel 和 Xerox 三家公司联合 研制并推出的 3COM Ethernet 系列产品和 IBM 公司开发的令牌环网，而 NOVELL 公司专门为 局域网开发生产的网络操作系统软件 Novell Netware 系列产品更是使局域网的应用性能得 到了明显提高。与此同时，一些标准化组织也开始致力 LAN 的有关标准和协议。随着 IEEE802.2 局域网标准的颁布，局域网进入了依托国际标准的专业化和商品化生产的成熟阶 段。
表 5.1 第 5 章学习导航
驱动问题
wk.baidu.com涉及的知识点
重要程度
局域网的有哪些特点？这些特点如何影响了它 z 局域网的特点
理解
的技术实现？
z 局域网的技术设计要素
了解
局域网有自己的标准吗？
z IEEE802 标准 z 局域网体系结构
了解 理解
局域网如何解决节点访问共享信道问题？
z 介质访问控制方法
理解
组建一个局域网需要哪些设备，在选择这些设备 z 局域网的组网设备
802.10 可互操作的局域网的安全机制
802.1 体系结构、网络互连
802.2 逻辑链路控制LLC
802.3
802.4
802.5
802.6
CSMA/CD 令牌总线 令牌环网 城域网MAN
802.8 FDDI
图 5.5 IEEE802 标准体系
数据 802.11 链 路 层
无线 局域网
物理层
5.2.2 局域网的体系结构
掌握
时需要考虑哪些技术因素？
为什么以太网会取代所有其他的有线局域网技 z 以太网的特点
掌握
术而成为最为主流的局域网技术？
z 传统以太网
掌握
z 快速以太网
掌握
z 千兆以太网
掌握
z 万兆以太网
掌握
除了介质访问控制机制，还有其他方法可用于减 z 冲突域的概念
理解
少局域网中的冲突吗？
z 第二层网络互连设备(交换机、 掌握
图 5.3 星型局域网
星型拓扑的缺点是：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； 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。
扩展星型拓扑是星型网络拓扑结构的一种扩充，又叫树型网络拓扑结构。图 5.4 给出了 一个树型拓扑结构的局域网例子。在扩展星型拓扑中，一个星型拓扑的末端节点可以是其 他星型拓扑的中央节点，如图 5.4 中的 HUB2 既是 HUB1 的末端节点，同时又是 HUB4 和 PC3 所构成的星型拓扑的中央节点。
5.1.1 局域网的特点和功能
归纳起来，局域网具有如下特点： 1) 网络所覆盖的地理范围较小，通常在几十米到几公里之间； 2) 数据的传输速率比较高，其典型的速率为 10Mbps、100Mbps 和 1000Mbps，目前
最高可达 10Gbps； 3) 具有较低的传输延迟和误码率，其误码率一般为 10-8~10-11； 4) 经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网归服务提供商所有形成鲜明对照； 5) 便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。 应该指出，尽管局域网地理覆盖范围小，但这并不意味着它们必定是小型的或简单的 网络。随着网络互连技术的发展与网络互连设备性能的提高，局域网可以扩展得相当大或 者非常复杂，具有成千上万用户的局域网是很常见的事。 局域网的主要功能是为了实现资源共享，其次是为了更好地实现数据通信、数据交换 和分布式处理。围绕这些功能，局域网在涉及政府、教育、卫生、金融、工业、商业、服 务业与居民生活等领域都得到了广泛的应用，提供了强大的信息管理能力和内容丰富的信 息服务，如办公自动化、网上视频、生产自动化、企事业单位的管理信息化、银行业务处 理、居民社区服务等等。
第 5 章 局域网技术
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第 5 章 局域网技术
在前两章中，我们已经学习了有关物理层和数据链路层的内容。这一章与下一章我们 将分别介绍局域网技术和广域网技术。只所以将这两章内容放在第 7 章网络层之前来介绍， 是因为各类网络技术的差异主要在物理层和数据链路层。
本章我们将围绕局域网这个主题，介绍局域网拓扑结构、局域网标准和局域网中的介 质访问控制机制，并向同学们介绍主流的局域网技术和虚拟局域网技术。本章建议学时数 为 9 学时，本章学习导航参见表 5.1
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计算机网络技术
10) IEEE 802.10 定义了局域网安全与解密问题。 11) IEEE 802.11 定义了无线局域网技术。 12) IEEE 802.12 定义了用于高速局域网的介质访问方法及相应的物理层规范。 13) IEEE 802.15 定义了近距离个人无线网络标准 14) IEEE 802.16 定义了宽带无线局域网标准。 图 5.5 给出了 IEEE802 系列标准的关系与作用。从图中可以看出，IEEE802 标准是一个 由一系列协议共同组成的标准体系。随着局域网技术的发展，该体系还在不断地增加新的 标准与协议。例如，随着以太网技术的发展，802.3 家族就出现了许多新的成员，如 802.3u， 802.3z，802.3ab 等。
局域网的体系结构与 0SI 模型既有一定的对应关系，又存在很大的区别。如图 5.6 所 示，局域网涉及了 OSI 的物理层和数据链路层，并将数据链路层分成了链路控制与介质访 问控制两个子层。
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计算机网络技术
过 LAN 进行网络互连的需求增长。因此，理解和掌握局域网技术的有关知识与技能也就显 得更加实用。
局域网的发展始于上世纪 70 年代，随着个人计算机(PC 机)逐渐普及，推动了以 PC 机 之间的资源共享为主要目标的 LAN 的诞生与发展。早在 1972 年，美国加州大学就研制了被 称为分布计算机系统 (Distributed Computer System) 的 NEWHALL 环网。英国剑桥大学 1974 年研制的剑桥环网(Cambridge Ring)和美国 Xerox 公司 1975 年推出的第一个总线争用结构 的实验性以太网(Ethernet)，则是早期 LAN 产品的典型代表。1977 年，日本京都大学首度 研制成功了以光纤为传输介质的局域网络。
图 5.1 典型的总线型局域网
2. 环型拓扑结构 在环型拓扑结构中，所有的结点通过相应的网卡，使用点对点线路连接，并构成一个 闭合的环，如图 5.2(a)所示。数据在环中沿着一个方向绕环逐站传输。环型拓扑也是一种共 享介质环境，多个结点共享一条环通路。为了确定环中每个结点在什么时候可以传送数据 帧，这种结构同样要提供介质访问控制以解决冲突问题。 由于信息包在封闭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。为了增加环形拓扑可靠性，还引入了双环拓扑。 如图 5.2(b)所示， 双环拓扑在单环拓扑的基础上在各站点之间再连接了一个备用环。这样，当主环发生故障 时，可利用备用环继续工作。 环型拓扑结构的优点是能够较有效地避免冲突，其缺点是环型结构中的网卡等通信部 件比较昂贵且环的管理相对复杂。
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计算机网络技术
双线接站
双线接站
双线接站
双线接站
图 5.2-a 环型局域网
图 5.2-b 双环型局域网
3. 星型拓扑结构 星型拓扑结构是由一个中央节点和一系列通过点到点链路接到中央节点的末端节点组 成的。图 5.3 给出了星型拓扑结构的示例，各节点以中央节点为中心相连接，各节点与中 央节点以点对点方式连接。任何两节点之间的数据通信都要通过中央节点，中央节点集中 执行通信控制策略，完成各节点间通信连接的建立、维护和拆除。 星型拓扑结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。利用中央结点可方便地提供 网络连接和重新配置；且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。
在网络拓扑上，局域网所采用的基本拓扑结构包括总线型、环型与星型： 1. 总线型拓扑结构 总线型拓扑如图 5.1 所示，所有的站点都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和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利用总线发送数据。当一个结点利用总线以“广播”方式发 送信号时，其他结点都可以用“收听”到所发送的信号。 由于总线作为公共传输介质为多个结点所共享，所以在总线型拓扑结构中就有可能出 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，这种现象被称为“冲突” （collision）。冲突会使接收节点无法从所接收的信号中还原出有效的数据从而造成数据传 输的失效，因此需要提供一种机制用于解决冲突问题。 总线拓扑的优点是：结构简单，实现容易，易于安装和维护，可靠性较好，价格低廉。 总线型结构的缺点是：传输介质故障难以排除；并且由于所有节点都直接连接在总线 上，因此主干线上的任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。
网桥)与冲突域的划分
为什么要使用无线局域网？
z 无线局域网及其组网
理解
5. 1 局域网概述
局域网技术是当今计算机网络研究一个热点领域，也是计算机网络技术发展最快、应 用最活跃的领域之一。学校、公司、企业、政府部门和住宅小区内的计算机都在通过 LAN 连接起来，实现了资源共享、信息传递和数据通信。而信息化进程的加快，更是刺激了通
5.2 IEEE802 标准
局域网出现之后，发展迅速，类型繁多，为了促进产品的标准化以实现不同厂商产品 之间的互操作性，1980 年 2 月，美国电气和电子工程师学会（IEEE）成立了局域网标准化 委员会(简称 IEEE802 委员会)，研究并制定了关于局域网的 IEEE 802 标准。
5.2.1 IEEE802 标准概述
第 5 章 局域网技术
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HUB1
HUB2 HUB4
PC1
PC2
PC3
PC4
HUB3 HUB5
PC5
PC6
PC7
PC8
图 5.4 树型局域网
应该指出，不同的局域网拓扑各有优劣。在实际组网时，应根据具体情况，选择一种 合适的拓扑结构或采用混合拓扑结构。顾名思义，混合拓扑结构是由几种基本的局域网拓 扑结构共同组成。
到了上个世纪 90 年代，LAN 更是在速度、带宽等指标方面有了更大进展，并且在 LAN 的访问、服务、管理、安全和保密等方面有了进一步的改善。例如，Ethernet 产品从 10Mbps Ethernet 发展到 100Mbps 速率的快速以太网，并继续发展成为千兆以太网和万兆以太网。
目前，不仅千兆以太网和万兆以太网已经进入主流应用，在实验室中，业界已经在开 发 40G 以上的以太网产品。
第 5 章 局域网技术
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5.1.2 常见的局域网拓扑结构
局域网与广域网的一个重要区别在于它们的地理覆盖范围，并由此两者采用了明显不 同的技术路线。“有限的地理范围”使得局域网在基本通信机制上选择了“共享介质”方式 和“交换”方式，并相应地在传输介质的物理连接方式、介质访问取控制方法上形成了自 己的特点。一般来说，决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑结构、传输介质与介质 访问控制方法。
IEEE 802 为局域网制定了一系列标准，主要有如下 14 种： 1) IEEE 802.1 概述，局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连。 2) IEEE 802.2 定义了逻辑链路控制（LLC）子层的功能与服务。 3) IEEE 802.3 定义了 CSMA/CD 总线式介质访问控制协议及相应物理层规范。 4) IEEE 802.4 定义了令牌总线（token bus）式介质访问控制协议及相应物理层规范。 5) IEEE 802.5 定义了令牌环（token ring）式介质访问控制协议及相应物理层规范。 6) IEEE 802.6 定义了城域网（MAN）的质访问控制协议及相应物理层规范。 7) IEEE 802.7 定义了宽带时隙环介质访问控制方法及物理层技术规范； 8) IEEE 802.8 定义了光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范；。 9) IEEE 802.9 定义了语音和数据综合局域网技术。
上个世纪 80 年代以后，随着网络技术、通信技术和微型机性能的进一步发展，LAN 技 术得到了迅速的发展和完善，多种类型的局域网技术纷纷出现，越来越多的制造商投入到 局域网络的研制潮流中。其中，比较典型的产品有美国 DEC、Intel 和 Xerox 三家公司联合 研制并推出的 3COM Ethernet 系列产品和 IBM 公司开发的令牌环网，而 NOVELL 公司专门为 局域网开发生产的网络操作系统软件 Novell Netware 系列产品更是使局域网的应用性能得 到了明显提高。与此同时，一些标准化组织也开始致力 LAN 的有关标准和协议。随着 IEEE802.2 局域网标准的颁布，局域网进入了依托国际标准的专业化和商品化生产的成熟阶 段。
表 5.1 第 5 章学习导航
驱动问题
wk.baidu.com涉及的知识点
重要程度
局域网的有哪些特点？这些特点如何影响了它 z 局域网的特点
理解
的技术实现？
z 局域网的技术设计要素
了解
局域网有自己的标准吗？
z IEEE802 标准 z 局域网体系结构
了解 理解
局域网如何解决节点访问共享信道问题？
z 介质访问控制方法
理解
组建一个局域网需要哪些设备，在选择这些设备 z 局域网的组网设备
802.10 可互操作的局域网的安全机制
802.1 体系结构、网络互连
802.2 逻辑链路控制LLC
802.3
802.4
802.5
802.6
CSMA/CD 令牌总线 令牌环网 城域网MAN
802.8 FDDI
图 5.5 IEEE802 标准体系
数据 802.11 链 路 层
无线 局域网
物理层
5.2.2 局域网的体系结构
掌握
时需要考虑哪些技术因素？
为什么以太网会取代所有其他的有线局域网技 z 以太网的特点
掌握
术而成为最为主流的局域网技术？
z 传统以太网
掌握
z 快速以太网
掌握
z 千兆以太网
掌握
z 万兆以太网
掌握
除了介质访问控制机制，还有其他方法可用于减 z 冲突域的概念
理解
少局域网中的冲突吗？
z 第二层网络互连设备(交换机、 掌握
图 5.3 星型局域网
星型拓扑的缺点是：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； 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。
扩展星型拓扑是星型网络拓扑结构的一种扩充，又叫树型网络拓扑结构。图 5.4 给出了 一个树型拓扑结构的局域网例子。在扩展星型拓扑中，一个星型拓扑的末端节点可以是其 他星型拓扑的中央节点，如图 5.4 中的 HUB2 既是 HUB1 的末端节点，同时又是 HUB4 和 PC3 所构成的星型拓扑的中央节点。
5.1.1 局域网的特点和功能
归纳起来，局域网具有如下特点： 1) 网络所覆盖的地理范围较小，通常在几十米到几公里之间； 2) 数据的传输速率比较高，其典型的速率为 10Mbps、100Mbps 和 1000Mbps，目前
最高可达 10Gbps； 3) 具有较低的传输延迟和误码率，其误码率一般为 10-8~10-11； 4) 经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网归服务提供商所有形成鲜明对照； 5) 便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。 应该指出，尽管局域网地理覆盖范围小，但这并不意味着它们必定是小型的或简单的 网络。随着网络互连技术的发展与网络互连设备性能的提高，局域网可以扩展得相当大或 者非常复杂，具有成千上万用户的局域网是很常见的事。 局域网的主要功能是为了实现资源共享，其次是为了更好地实现数据通信、数据交换 和分布式处理。围绕这些功能，局域网在涉及政府、教育、卫生、金融、工业、商业、服 务业与居民生活等领域都得到了广泛的应用，提供了强大的信息管理能力和内容丰富的信 息服务，如办公自动化、网上视频、生产自动化、企事业单位的管理信息化、银行业务处 理、居民社区服务等等。
第 5 章 局域网技术
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第 5 章 局域网技术
在前两章中，我们已经学习了有关物理层和数据链路层的内容。这一章与下一章我们 将分别介绍局域网技术和广域网技术。只所以将这两章内容放在第 7 章网络层之前来介绍， 是因为各类网络技术的差异主要在物理层和数据链路层。
本章我们将围绕局域网这个主题，介绍局域网拓扑结构、局域网标准和局域网中的介 质访问控制机制，并向同学们介绍主流的局域网技术和虚拟局域网技术。本章建议学时数 为 9 学时，本章学习导航参见表 5.1
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计算机网络技术
10) IEEE 802.10 定义了局域网安全与解密问题。 11) IEEE 802.11 定义了无线局域网技术。 12) IEEE 802.12 定义了用于高速局域网的介质访问方法及相应的物理层规范。 13) IEEE 802.15 定义了近距离个人无线网络标准 14) IEEE 802.16 定义了宽带无线局域网标准。 图 5.5 给出了 IEEE802 系列标准的关系与作用。从图中可以看出，IEEE802 标准是一个 由一系列协议共同组成的标准体系。随着局域网技术的发展，该体系还在不断地增加新的 标准与协议。例如，随着以太网技术的发展，802.3 家族就出现了许多新的成员，如 802.3u， 802.3z，802.3ab 等。
局域网的体系结构与 0SI 模型既有一定的对应关系，又存在很大的区别。如图 5.6 所 示，局域网涉及了 OSI 的物理层和数据链路层，并将数据链路层分成了链路控制与介质访 问控制两个子层。
98
计算机网络技术
过 LAN 进行网络互连的需求增长。因此，理解和掌握局域网技术的有关知识与技能也就显 得更加实用。
局域网的发展始于上世纪 70 年代，随着个人计算机(PC 机)逐渐普及，推动了以 PC 机 之间的资源共享为主要目标的 LAN 的诞生与发展。早在 1972 年，美国加州大学就研制了被 称为分布计算机系统 (Distributed Computer System) 的 NEWHALL 环网。英国剑桥大学 1974 年研制的剑桥环网(Cambridge Ring)和美国 Xerox 公司 1975 年推出的第一个总线争用结构 的实验性以太网(Ethernet)，则是早期 LAN 产品的典型代表。1977 年，日本京都大学首度 研制成功了以光纤为传输介质的局域网络。
图 5.1 典型的总线型局域网
2. 环型拓扑结构 在环型拓扑结构中，所有的结点通过相应的网卡，使用点对点线路连接，并构成一个 闭合的环，如图 5.2(a)所示。数据在环中沿着一个方向绕环逐站传输。环型拓扑也是一种共 享介质环境，多个结点共享一条环通路。为了确定环中每个结点在什么时候可以传送数据 帧，这种结构同样要提供介质访问控制以解决冲突问题。 由于信息包在封闭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。为了增加环形拓扑可靠性，还引入了双环拓扑。 如图 5.2(b)所示， 双环拓扑在单环拓扑的基础上在各站点之间再连接了一个备用环。这样，当主环发生故障 时，可利用备用环继续工作。 环型拓扑结构的优点是能够较有效地避免冲突，其缺点是环型结构中的网卡等通信部 件比较昂贵且环的管理相对复杂。
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双线接站
双线接站
双线接站
双线接站
图 5.2-a 环型局域网
图 5.2-b 双环型局域网
3. 星型拓扑结构 星型拓扑结构是由一个中央节点和一系列通过点到点链路接到中央节点的末端节点组 成的。图 5.3 给出了星型拓扑结构的示例，各节点以中央节点为中心相连接，各节点与中 央节点以点对点方式连接。任何两节点之间的数据通信都要通过中央节点，中央节点集中 执行通信控制策略，完成各节点间通信连接的建立、维护和拆除。 星型拓扑结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。利用中央结点可方便地提供 网络连接和重新配置；且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。
在网络拓扑上，局域网所采用的基本拓扑结构包括总线型、环型与星型： 1. 总线型拓扑结构 总线型拓扑如图 5.1 所示，所有的站点都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和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利用总线发送数据。当一个结点利用总线以“广播”方式发 送信号时，其他结点都可以用“收听”到所发送的信号。 由于总线作为公共传输介质为多个结点所共享，所以在总线型拓扑结构中就有可能出 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，这种现象被称为“冲突” （collision）。冲突会使接收节点无法从所接收的信号中还原出有效的数据从而造成数据传 输的失效，因此需要提供一种机制用于解决冲突问题。 总线拓扑的优点是：结构简单，实现容易，易于安装和维护，可靠性较好，价格低廉。 总线型结构的缺点是：传输介质故障难以排除；并且由于所有节点都直接连接在总线 上，因此主干线上的任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。
网桥)与冲突域的划分
为什么要使用无线局域网？
z 无线局域网及其组网
理解
5. 1 局域网概述
局域网技术是当今计算机网络研究一个热点领域，也是计算机网络技术发展最快、应 用最活跃的领域之一。学校、公司、企业、政府部门和住宅小区内的计算机都在通过 LAN 连接起来，实现了资源共享、信息传递和数据通信。而信息化进程的加快，更是刺激了通
5.2 IEEE802 标准
局域网出现之后，发展迅速，类型繁多，为了促进产品的标准化以实现不同厂商产品 之间的互操作性，1980 年 2 月，美国电气和电子工程师学会（IEEE）成立了局域网标准化 委员会(简称 IEEE802 委员会)，研究并制定了关于局域网的 IEEE 802 标准。
5.2.1 IEEE802 标准概述
第 5 章 局域网技术
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HUB1
HUB2 HUB4
PC1
PC2
PC3
PC4
HUB3 HUB5
PC5
PC6
PC7
PC8
图 5.4 树型局域网
应该指出，不同的局域网拓扑各有优劣。在实际组网时，应根据具体情况，选择一种 合适的拓扑结构或采用混合拓扑结构。顾名思义，混合拓扑结构是由几种基本的局域网拓 扑结构共同组成。
到了上个世纪 90 年代，LAN 更是在速度、带宽等指标方面有了更大进展，并且在 LAN 的访问、服务、管理、安全和保密等方面有了进一步的改善。例如，Ethernet 产品从 10Mbps Ethernet 发展到 100Mbps 速率的快速以太网，并继续发展成为千兆以太网和万兆以太网。
目前，不仅千兆以太网和万兆以太网已经进入主流应用，在实验室中，业界已经在开 发 40G 以上的以太网产品。
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5.1.2 常见的局域网拓扑结构
局域网与广域网的一个重要区别在于它们的地理覆盖范围，并由此两者采用了明显不 同的技术路线。“有限的地理范围”使得局域网在基本通信机制上选择了“共享介质”方式 和“交换”方式，并相应地在传输介质的物理连接方式、介质访问取控制方法上形成了自 己的特点。一般来说，决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑结构、传输介质与介质 访问控制方法。