第5章局域网技术 第5章局域网技术 本章基本要求：掌握主要的局域网组网设备的功能与选择，掌握常见的局域网拓扑结构， 掌握以太网技术：理解局域网的特点和功能，理解EEE802标准，理解两类介质访问控制 的原理，理解无线局域网的工作原理和基本的组网方式：了解令牌环网、FDD1技术，了解 VLAN的概念与实现方式。 本章难点：CSMA/CD,以太网技术系列，无线局域网 教学时数与实验：9学时，建议另外开设2学时的“局域网组网入门”实验 在前面的两章中，我们讨论和学习了关于OS1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风别主要在于物理厚和数据链路层。 本章，我们先要介绍局域网拓扑结构，然后要讨论局域网标准和局域网中的介质访问 控制机制，最后向同学们介绍各种主流的局域网技术。 5.1局域网概述 局域网LA)是当今计算机网络技术应用与发展非常活跃的一个领域。公司、企业、政 府部门及至住宅小区内的计算机机都在通过LN连接起来，以达到资源共享、信息传递和 数据通信的目的。而信息化进程的加快，更是刺激了通过LAN进行网络互连需求的剧增。 因此，对同学们来说，理解和掌握局域网技术也就显得更加实用。 局域网的发展始于70年代，至今仍是网络发展中的一个活跃领域。由于70年代初， 国际上推出了个人计算机(P℃机)并逐渐使其走入市场，PC机在计算机中所占比例越来越大， 由此也推动了LN的发展。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。I974年英国剑桥大学研制的剑桥环网 (Cambridge Ring)和975年美国Xerox公司推出的第一个总线争用结构的实验性以太网 (Ethernet)则成为最初LAN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。 80年代以后，随着网络技术、通信技术和微型机的发展，LAW技术得到了迅速的发展 和完善，多种类型的局域网络纷纷出现，越来越多的制造商投入到局域网络的研制流中， 一些标准化组织也致力LAN的有关标准和协议。同时，包括传输介质和转接器件在内的网 络组件的发展，连同高性能的微机一起构成了局域网的基本硬件基础，并使局域网被赋予 更强的功能和生命力。到了上个世纪80年代后期，LAN的产品就已经进入专业化生产和商
第 5 章 局域网技术 1 第 5 章 局域网技术 本章基本要求：掌握主要的局域网组网设备的功能与选择，掌握常见的局域网拓扑结构， 掌握以太网技术；理解局域网的特点和功能，理解 IEEE802 标准，理解两类介质访问控制 的原理，理解无线局域网的工作原理和基本的组网方式；了解令牌环网、FDDI 技术，了解 VLAN 的概念与实现方式。 本章难点：CSMA/CD，以太网技术系列，无线局域网 教学时数与实验：9 学时，建议另外开设 2 学时的“局域网组网入门”实验 在前面的两章中，我们讨论和学习了关于 OSI 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区别主要在于物理层和数据链路层。 本章，我们先要介绍局域网拓扑结构，然后要讨论局域网标准和局域网中的介质访问 控制机制，最后向同学们介绍各种主流的局域网技术。 5. 1 局域网概述 局域网(LAN)是当今计算机网络技术应用与发展非常活跃的一个领域。公司、企业、政 府部门及至住宅小区内的计算机机都在通过 LAN 连接起来，以达到资源共享、信息传递和 数据通信的目的。而信息化进程的加快，更是刺激了通过 LAN 进行网络互连需求的剧增。 因此，对同学们来说，理解和掌握局域网技术也就显得更加实用。 局域网的发展始于 70 年代，至今仍是网络发展中的一个活跃领域。由于 70 年代初， 国际上推出了个人计算机(PC 机)并逐渐使其走入市场，PC 机在计算机中所占比例越来越大， 由此也推动了 LAN 的发展。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。1974 年英国剑桥大学研制的剑桥环网 (Cambridge Ring)和 1975 年美国 Xerox 公司推出的第一个总线争用结构的实验性以太网 (Ethernet)则成为最初 LAN 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。 80 年代以后，随着网络技术、通信技术和微型机的发展，LAN 技术得到了迅速的发展 和完善，多种类型的局域网络纷纷出现，越来越多的制造商投入到局域网络的研制潮流中， 一些标准化组织也致力 LAN 的有关标准和协议。同时，包括传输介质和转接器件在内的网 络组件的发展，连同高性能的微机一起构成了局域网的基本硬件基础，并使局域网被赋予 更强的功能和生命力。到了上个世纪 80 年代后期，LAN 的产品就已经进入专业化生产和商
计算机网络技术 品化的成熟阶段。这个期间LAN的典型产品有美国DEC、Intel和Xerox三家公司联合研制 并推出的3 COM Ethernet系列产品和IBW公司开发的令牌环，与此同时，NOVELL公司设计 并生产出了Novell Netware系列局域网网络操作系统产品。 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LAW 的访问、服务、管理、安全和保密等方面部有了进一步的改善。例如，Ethernet产品从传 输速率为1 OMbps的Ethernet发展到10 OMbps的高速以太网，并继续提高至千兆(100 OMbps)) 以太网。至2002年，IEEE还颁布了关于万兆以太网标准。 本章下面将分若干小节分别介绍局域网的特点和功能、介质访问控制方式、相关标准， 局域网主要组网设备，最后还将介绍几种典型的局域网技术。 5.1.1局域网的特点和功能 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前技术发展最快的 领域之一。局域网具有如下特点： ()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 间间内。 (2)数据的传输速率比较高，从最初的1Mbps到后来的1 DMbps、10 DMbps,近年来已 达到1000Mbps、10000Mbps, (3)具有较低的延迟和误码率，其误码率一般为1010"。 (④)局域网络的经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网通常由服务提供商提供形 成鲜明对照。 (⑤)便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短 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。局域 网可以扩展得相当大或者非常复杂，配有成千上万用户的局域网也是很常见的事。 局域网的应用范围极广，可应用于办公自动化、生密自动化、企事业单位的管理、银 行业务处理、军事指挥控制、商业管理等方面。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与交换以及数据的分布处理。 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。 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覆盖的地理范围。由于局域网设计的主要目 标是覆盖一个公司、一所大学、或一幢甚至几幢大楼的“有限的地理范围”，因此它的基本 通信机制上选择了“共享介质”方式和“交换”方式。因此，局域网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，在网络拓扑上主要采用总线型、环型 与星型结构。 1.总线型拓扑结构 总线型拓扑是局域网最主要的拓扑结构之一，如图5.1所示。所有的站点都直接连接到
2 计算机网络技术 品化的成熟阶段。这个期间 LAN 的典型产品有美国 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，与此同时，NOVELL 公司设计 并生产出了 Novell Netware 系列局域网网络操作系统产品。 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、安全和保密等方面部有了进一步的改善。例如，Ethernet 产品从传 输速率为 10Mbps 的 Ethernet 发展到 100Mbps 的高速以太网，并继续提高至千兆(1000Mbps) 以太网。至 2002 年，IEEE 还颁布了关于万兆以太网标准。 本章下面将分若干小节分别介绍局域网的特点和功能、介质访问控制方式、相关标准、 局域网主要组网设备，最后还将介绍几种典型的局域网技术。 5.1.1 局域网的特点和功能 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前技术发展最快的 领域之一。局域网具有如下特点： (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 间内。 (2) 数据的传输速率比较高，从最初的 1Mbps 到后来的 10Mbps、100Mbps ，近年来已 达到 1000Mbps、10000Mbps。 (3) 具有较低的延迟和误码率，其误码率一般为 10-8~10-11。 (4) 局域网络的经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网通常由服务提供商提供形 成鲜明对照。 (5) 便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。 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。局域 网可以扩展得相当大或者非常复杂，配有成千上万用户的局域网也是很常见的事。 局域网的应用范围极广，可应用于办公自动化、生产自动化、企事业单位的管理、银 行业务处理、军事指挥控制、商业管理等方面。 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与交换以及数据的分布处理。 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。 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覆盖的地理范围。由于局域网设计的主要目 标是覆盖一个公司、一所大学、或一幢甚至几幢大楼的“有限的地理范围”，因此它的基本 通信机制上选择了“共享介质”方式和“交换”方式。因此，局域网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，在网络拓扑上主要采用总线型、环型 与星型结构。 1. 总线型拓扑结构 总线型拓扑是局域网最主要的拓扑结构之一，如图 5.1 所示。所有的站点都直接连接到
第5章局域网技术 3 一条作为公共传输介质的总线上，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” 方式发送信号时时，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 介质是为多个结点所共享，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),冲突会造成数据 传输的失效，因为接收节点无法从所接收的信号中还原出有效的数据。需要提供一种机制 用于解决冲突问。 总线拓扑的优点是：结构简单，实现容易：易于安装和维护：价格低廉，用户站点入 网灵活。 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，因此任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。 图5.1典型的总线型拓扑结构 2.环型拓扑结构 在环型拓扑结构中，所有的结点通过通信线路连接成一个闭合的环。在环中，数据沿 着一个方向绕环逐站传输，如图52所示。环型拓扑结构也是一种共享介质结构，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，同样要提供旨在解 决冲突问题介质访问控制。 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。所谓双环拓扑就是 在单环的基础上在各站点之间再连接一个备用环，从而当主环发生故障时，由备用环继续 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 件出较品贵目管理复杂得多。 图5.2环型拓扑结构 3.星型拓扑结构 星型拓扑结构是由一个被称为中央节点的节点和一系列通过点到点链路接到中央节点 的节点组成的。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
第 5 章 局域网技术 3 一条作为公共传输介质的总线上，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” 方式发送信号时时，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 介质是为多个结点所共享，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），冲突会造成数据 传输的失效，因为接收节点无法从所接收的信号中还原出有效的数据。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；价格低廉，用户站点入 网灵活。 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，因此任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。 图 5.1 典型的总线型拓扑结构 2. 环型拓扑结构 在环型拓扑结构中，所有的结点通过通信线路连接成一个闭合的环。在环中，数据沿 着一个方向绕环逐站传输，如图 5.2 所示。环型拓扑结构也是一种共享介质结构，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，同样要提供旨在解 决冲突问题介质访问控制。 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。所谓双环拓扑就是 在单环的基础上在各站点之间再连接一个备用环，从而当主环发生故障时，由备用环继续 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 件比较昂贵且管理复杂得多。 图 5.2 环型拓扑结构 3. 星型拓扑结构 星型拓扑结构是由一个被称为中央节点的节点和一系列通过点到点链路接到中央节点 的节点组成的。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
计算机网络技术 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，主要完成节点间通信时物理连接的建立、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。 图5.3星型拓扑结构 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即为树 型拓扑结构的一个例子。所谓扩展星型拓扑是指一个星型拓扑的末端节点又是其他星型拓 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。 B PC5 PC6 PC PC8 图5.4树型网络拓扑结构 注意，上面所介绍的是几种典型的局域网拓扑。在实际建网时，可根据实际情况，选 择一种单一的拓扑结构或采用混合拓扑结构。顾名思义，混合拓扑结构是指几种不同拓扑 结构的混合，而不仅仅是其中的某一种类型
4 计算机网络技术 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，主要完成节点间通信时物理连接的建立、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。 图 5.3 星型拓扑结构 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 即为树 型拓扑结构的一个例子。所谓扩展星型拓扑是指一个星型拓扑的末端节点又是其他星型拓 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。 HUB1 HUB2 HUB3 HUB4 HUB5 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PC8 图 5.4 树型网络拓扑结构 注意，上面所介绍的是几种典型的局域网拓扑。在实际建网时，可根据实际情况，选 择一种单一的拓扑结构或采用混合拓扑结构。顾名思义，混合拓扑结构是指几种不同拓扑 结构的混合，而不仅仅是其中的某一种类型
第5章局域网技术 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增加产品的互操作 性，1980年2月，美国电气和电子工程师学会(EEE)成立了局域网标准化委员会（简称 EEE802委员会)，研究并制定了关于局域网的EEE802标准。 5.2.1 IEEE802标准概述 1985年于EEE公布了IEEE802标准的五项标准文本，同年为美国国家标准局(ANSI) 采纳作为美国国家标准。后来，国际标准化组织(IS0)经过讨论，建议将802标准定为局 域网国际标准。 IEEE802为局域网制定了一系列标准，主要有如下12种。 1）IEEE802.1概述，局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连 2)IEEE802.2定义了逻辑链路控制(LLC)子层的功能与服务。 3) IEEE802.3描述CSMA/CD总线式介质访问控制协议及相应物理层规范 4)IEEE802.4描述令牌总线(token bus)式介质访问控制协议及相应物理层规范。 5) IEEE802.5描述令牌环(token ring)式介质访问控制协议及相应物理层规范 6)IEEE8O2.6描述城域网(MAN)的质访问控制协议及相应物理层规范。 7) IEEE802.7描述宽带时隙环介质访问控制方法及物理层技术规范： 8)IEEE802.8描述光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范：。 9)IEEE802.9描述语音和数据综合局域网技术。 10)IEEE802.10描述局域网安全与解密问题。 11)IEEE802.11描述无线局域网技术。 12)IEEE802.12描述用于高速局域网的介质访问方法及相应的物理层规范。 802.10 可互操作的局域网的安全机制 休系结冈络互 802.2 逻辑链路控制C 802.3 802.4 802.5 802.6 802.7 802.11 令牌总线 牌环网 城域网 FDDI 物理层 图5.5 EEE802委员会的结构图
第 5 章 局域网技术 5 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增加产品的互操作 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 1985 年于 IEEE 公布了 IEEE 802 标准的五项标准文本，同年为美国国家标准局（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 12 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 描述 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 描述令牌总线（token bus)式介质访问控制协议及相应物理层规范。 5) IEEE 802.5 描述令牌环（token ring）式介质访问控制协议及相应物理层规范。 6) IEEE 802.6 描述城域网（MAN）的质访问控制协议及相应物理层规范。 7) IEEE 802.7 描述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 描述光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范；。 9) IEEE 802.9 描述语音和数据综合局域网技术。 10) IEEE 802.10 描述局域网安全与解密问题。 11) IEEE 802.11 描述无线局域网技术。 12) IEEE 802.12 描述用于高速局域网的介质访问方法及相应的物理层规范。 令牌总线 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 802.3 802.4 802.5 802.11 802.6 CSMA/CD 令牌环网 城域网MAN 无线 局域网 802.7 FDDI 数 据 链路层 物理层 图 5.5 IEEE802 委员会的结构图