局域网基础

3.1局域网的基本概念3.1.1局域网的特点局域网的主要特性是：高数据速率、短距离和低误码率。

一般来说，它有如下主要特点：1. 覆盖的地理范围较小如一幢大楼、一个工厂、一所学校或一个大到几十公里的区域，其范围一般不超过25KM。

2. 以微机为主要联网对象局域网连接的设备可以是计算机、终端和各种外围设备等，但微机是其最主要的联网对象，也可以这样说，局域网是专为微机设计的联网工具。

3. 通常属于某个单位或部门所有局域网是由一个单位或部门负责建立、管理和使用，完全受该单位或部门的控制。

这是局域网与广域网的重要区别之一。

广域网可能分布在一个国家的不同地区，甚至不同的国家之间，由于经济和产权方面的原因，不可能被某一组织所有。

4. 传输速率高局域网由于通讯线路短，数据传输快，目前通讯速率通常在100Mbps以上。

因此局域网是计算机之间高速通信的有效工具。

5. 管理方便由于局域网范围较小，且为单位或部门所有，因而网络的建立、维护、管理、扩充和更新等都十分方便。

6. 价格低廉由于局域网区域有限、通信线路短，且以价格低廉的微机为联网对象，因而局域网的性能价格比相当理想。

7. 实用性强，使用广泛局域网中既可采用双绞线、光纤、同缆电缆等有形介质，也可采用无线、微波等无形信道。

此外，也可采用宽带局域网，实现对数据、语音和图像的综合传输。

在基带上，采用一定的技术，也可实现语音和静态图像的综合传输。

这使得局域网有较强的适应性和综合处理能力。

3.1.2局域网的分类局域网常用的分类方式如下：1. 按拓扑结构分类网络拓扑结构有总线结构、环形结构、星形结构、树形结构。

依拓扑结构的不同，局域网可分为总线形网、环形网、星形网和树形网。

但有实际应用中，以树形网居多。

2. 按传输的信号分类按传输介质上所传输的信号方式不同，局域网可分为基带网和宽带网。

基带网传送数字信号，信号占用整个频道，但传输范围较小。

宽带网传输模拟信号，同一信道上可传输多路信号，它的传输范围较大。

目前局域网中绝大多数采用基带传输方式。

3. 按网络使用的传输介质分类局域网使用的传输介质有双绞线、光纤、同轴电缆、无线电波、微波等。

因此对应的局域网有双绞线网、光纤网、同轴电缆网、无线局域网、微波网。

目前小型局域网大都是双绞线网，而较大型局域网则采用光纤和双绞线传输介质的混合型网络。

近年来，无线网络技术发展迅速，它将成为未来局域网的一个重要发展方向。

4. 按介质访问控制方式分类从局域网介质访问控制方式的角度可以把局域网分为共享介质局域网和交换局域网。

目前在实际应用中大都采用交换局域网。

3.1.3局域网的组成局域网由网络硬件和网络软件两部分组成。

网络硬件用于实现局域网的物理连接，为连接在局域网上的计算机之间的通信提供一条物理信道和实现局域网间的资源共享。

网络软件则主要用于控制并具体实现信息的传送和网络资源的分配与共享。

这两部分互相依赖、共同完成局域网的通信功能。

局域网硬件应包括网络服务器、网络工作站、网卡、网络设备、传输介质及介质连接部件、以及各种适配器。

其中网络设备是指计算机接入网络和网络与网络之间互连时所必须的设备，如集线器（Hub）、中继器、交换机等。

网络软件是在网络环境下运行和使用、或者控制和管理网络运行和通信双方交流信息的一种计算机软件。

它包括网络系统软件和网络应用软件。

网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通讯和网络资源分配与共享功能的网络软件，为用户提供访问网络和操作网络的友好界面。

网络系统软件主要包括网络操作系统、网络协议和网络通信软件等。

网络应用是为某一应用目的而开发的网络软件，它为用户提供一些实际应用。

3.1.4局域网传输介质类型与特点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。

但随着技术的发展，双绞线与光纤的应用发展十分迅速。

尤其是双绞线，目前已能用于数据传输率为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通信信道的趋势已经越来越明朗化。

局域网产品中使用的双绞线可以分为两类：屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair）与非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）。

屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层、与多对双绞线组成，非屏蔽双绞线由外部保护层与多对双绞线组成。

屏蔽双绞线的抗干扰能力优于非屏蔽双绞线。

常用的非屏蔽双绞线根据其通信质量一般分为7类。

在局域网中一般使用第3类、第4类和第5类和第6类非屏蔽双绞线，常简称为3类线、4类线、5类线和6类线。

其中，3类线带宽为16MHz，适用于语音及10Mbps以下的数据传输；4类线带宽为20MHz，适用于语音及16Mbps以下的数据传输；5类线带宽为100MHz，适用于语音及100Mbps的高速数据传输，甚至可以支持155Mbps的异步传输模式ATM的数据传输。

6类线适用于1000Mbps的数据传输，通常用于1000BASE-T以太网。

3.2局域网介质访问控制方式局域网介质访问控制方式主要解决介质使用权或机构问题，从而实现对网络传输信道的合理分配。

局域网介质访问控制是局域网重要的一项基本任务，对局域网体系结构、工作过程和网络性能产生决定性的影响。

局域网介质访问控制包括：确定网络结点能够将数据发送到介质上去的特定时刻和解决如何对公用传输介质访问和利用并加以控制。

传统的局域网介质访问控制方式有三种：带有冲突碰撞检测的载波监听多路访问（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）、令牌环和令牌总线。

3.2.1载波监听多路访问/冲突检测法（CSMA/CD）CSMA/CD是一种适用于总线结构的分布式介质访问控制方法，是IEEE 802.3的核心协议，是一种典型的随机访问的争用型技术。

它的工作过程分两部分：1. 载波监听总线，即先听后发使用CSMA/CD方式时，总线上各结点都在监听总线，即检测总线上是否有别的结点发送数据。

如果发现总线是空闲的，即没有检测到有信号正在传送，则可立即发送数据。

如果监听到总线忙，即检测到总线上有数据正在传送，这时结点要持续等待直到监听到总线空闲时才能将数据发送出去，或等待一个随机时间，再重新监听总线，一直到总线空闲再发送数据。

2. 总线冲突检测，即边发边听当两个或两个以上结点同时监听到总线空闲，开始发送数据时，就会发会碰撞，产生冲突。

另外，传输延迟可能会使第一个结点发送的数据未到达目的结点，另一个要发送数据的结点就已监听到总线空闲，并开始发送数据，这也会导致冲突的产生。

发生冲突时，两个传输的数据都会被破坏，产生碎片，使数据无法到达正确的目的结点。

为确保数据的正确传输，每一结点在发送数据时要边发送边检测冲突。

当检测到总线上发生冲突时，就立即取消传输数据，随后发送一个短的干扰信号JAM（阻塞信号），以加强冲突信号，保证网络上所有结点都知道总线上已经发生了。

在阻塞信号发送后，等待一个随机时间，然后再将要发送的数据发送一次。

如果还有冲突发生，则重复监听、等待和重传的操作。

图3.1显示了采用CSMA/CD方法的流程图。

CSMA/CD是一种争用协议，每一结点处于平等地位去传输介质，算法较简单，技术上易实现。

但它不能提供优先级控制，即不能提供急需数据的优先处理能力。

此外，不确定的等待时间和延迟难以满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。

为克服CSMA/CD的不足，产生了许多CSMA/CD的改进方式，如带优先权的CSMA/CD。

由于CSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机竞争总线的方法，所以它适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格和通信负荷较轻的应用环境中。

图3.1CSMA/CD流程图3.2.2令牌环访问控制（Token-Ring）令牌环技术是1969年由IBM提出来的。

它适用于环形网络，并已成为流行的环访问技术。

这种介质访问技术的基础是令牌。

令牌是一种特殊的帧，用于控制网络结点的发送权，只有持有令牌的结点才能发送数据。

由于发送结点在获得发送权后就将令牌删除，在环路上不会再有令牌出现，其它结点也不可能再得到令牌，保证环路上某一时刻只有一个结点发送数据，因此令牌环技术不存在争用现象，它是一种典型的无争用型介质访问控制方式。

令牌有“忙”和“闲”两种状态。

当环正常工作时，令牌总是沿着物理环路单向逐结点传送，传送顺序与结点在环路中的排列顺序相同。

当某一个结点要发送数据时，它须等待空闲令牌的到来。

它获得空令牌后，将令牌置“忙”，并以帧为单位发送数据。

如果下一结点是目的结点，则将帧拷贝到接收缓冲区，在帧中标志出帧已被正确接收和复制，同时将帧送回环上，否则只是简单地将帧送回环上。

帧绕行一周后到达源结点后，源结点回收已发送的帧，并将令牌置“闲”状态，再将令牌向下一个结点传送。

图3.2给出了令牌环的基本工作过程。

当令牌在环路上绕行时，可能会产生令牌的丢失，此时，应在环路中插入一个空令牌。

令牌的丢失将降低环路的利用率，而令牌的重复也会破坏网络的正常运行，因此必须设置一个监控结点，以保证环路中只有一个令牌绕行。

当令牌丢失，则插入一个空闲令牌。

当令牌重复时，则删除多余的令牌。

令牌环的主要优点在于其访问方式具有可调整性和确定性，且每个结点具有同等的介质访问权。

同时，还提供优先权服务，具有很强的适用性。

它的主要缺点是环维护复杂，实现较困难。

图3.2 令牌环的基本过程3.2.3令牌总线访问控制（Token-Bus）CSMA/CD采用用户访问总线时间不确定的随机竞争方式，有结构简单、轻负载时时延小等特点，但当网络通讯负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延时增加，性能明显下降。

令牌环在重负荷下利用率高，网络性能对传输距离不敏感。

但令牌环网控制复杂，并存在可靠性保证等问题。

令牌总线综合CSMA/CD与令牌环两种介质访问方式的优点的基础上而形成的一种介质访问控制方式。

令牌总线主要适用于总线形或树形网络。

采用此种方式时，各结点共享的传输介质是总线形的，每一结点都有一个本站地址，并知道上一个结点地址和下一个结点地址，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。

图3.3给出了正常的稳态操作时令牌总线的工作原理。

图3.3 令牌总线的工作过程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。