第三章计算机局域网组网技术 局域网相对于广域网来说,是一种用于小范围短距离计算机之间进行数据通信和资源共 享的小型网络系统。局域网技术目前发展最迅速,是计算机领域研究和应用的热点,它在机 关、企业的信息管理和服务等方面都有广泛的应用,如 Intranet就是 Internet技术在局域 网中的应用,且已成为当前计算机网络技术领域中最活跃的一个分支。 3.1局域网概述 从协议层次的观点来看,局域网的体系结构由0SI参考模型中的低二层组成。决定局域 网特性的三个主要技术是:传输介质、拓扑结构和信道访问协议,在这三种技术中最为重要 的是信道访问协议,它对网络的吞吐量、响应时间、传输效率等网络特性起着十分重要的作 用 3.1.1局域网的特点 计算机局域网除了具有一般计算机网络的特点外,由于其连接距离较近,又具有一定的 特殊性。概括起来计算机局域网具有以下几个主要特点: 1.局域网的通信传输速率高,一般为10Mh/s至100Mb/s,光纤局域网可以达到1000b/s 2.局域网覆盖的地理范围较小,一般在几公里的范围内,适用于一座大楼或一个小院 范围的机关、学校、公司等 3.局域网具有较好的传输质量,误码率低,通常在10-7至10-12。 4.局域网可以支持多种传输介质,如同轴电缆、双绞线和光纤等。 5.局域网一般为一个部门或单位所有,建网、维护以及扩展等较容易,系统灵活性高 6.在局域网中,通信处理功能一般都被固化在一块称为网络适配器(网卡)的电路板 综上所述,局域网是一种小范围内实现资源共享的计算机网络,它具有结构简单、投资 少、数据传输速率高和可靠性高等优点。近年来,局域网在我国得到飞速发展,许多企业 机关和学校都先后建立了自己的计算机局域网 3.1.2局域网的拓扑结构 从网络通信布线方式的观点来看,将节点(即连到网络上的任何设备,如服务器、工作 站以及其他外围设备)用通信链路(即传输介质)在物理上或逻辑上连接在一起的布线结构, 就是通常所说的局域网的拓扑结构。现在局域网最常用、最基本的拓扑结构有总线型拓扑、 环型拓扑和星型拓扑三种 1.总线型拓扑
第三章 计算机局域网组网技术 局域网相对于广域网来说，是一种用于小范围短距离计算机之间进行数据通信和资源共 享的小型网络系统。局域网技术目前发展最迅速，是计算机领域研究和应用的热点，它在机 关、企业的信息管理和服务等方面都有广泛的应用，如 Intranet 就是 Internet 技术在局域 网中的应用，且已成为当前计算机网络技术领域中最活跃的一个分支。 3.1 局域网概述 从协议层次的观点来看，局域网的体系结构由 OSI 参考模型中的低二层组成。决定局域 网特性的三个主要技术是：传输介质、拓扑结构和信道访问协议，在这三种技术中最为重要 的是信道访问协议，它对网络的吞吐量、响应时间、传输效率等网络特性起着十分重要的作 用。 3.1.1 局域网的特点 计算机局域网除了具有一般计算机网络的特点外，由于其连接距离较近，又具有一定的 特殊性。概括起来计算机局域网具有以下几个主要特点： 1．局域网的通信传输速率高，一般为 10Mb/s 至 100Mb/s，光纤局域网可以达到 1000Mb/s。 2．局域网覆盖的地理范围较小，一般在几公里的范围内，适用于一座大楼或一个小院 范围的机关、学校、公司等。 3．局域网具有较好的传输质量，误码率低，通常在10−7 至10−12 。 4．局域网可以支持多种传输介质，如同轴电缆、双绞线和光纤等。 5．局域网一般为一个部门或单位所有，建网、维护以及扩展等较容易，系统灵活性高。 6．在局域网中，通信处理功能一般都被固化在一块称为网络适配器（网卡）的电路板 上。 综上所述，局域网是一种小范围内实现资源共享的计算机网络，它具有结构简单、投资 少、数据传输速率高和可靠性高等优点。近年来，局域网在我国得到飞速发展，许多企业、 机关和学校都先后建立了自己的计算机局域网。 3.1.2 局域网的拓扑结构 从网络通信布线方式的观点来看，将节点（即连到网络上的任何设备，如服务器、工作 站以及其他外围设备）用通信链路（即传输介质）在物理上或逻辑上连接在一起的布线结构， 就是通常所说的局域网的拓扑结构。现在局域网最常用、最基本的拓扑结构有总线型拓扑、 环型拓扑和星型拓扑三种。 1．总线型拓扑 ３０
第三章计算机局域网组网技术 总线型拓扑( Bus Topology)是将服务器和工作站都连到一条公共的电缆线上,如图3-1 所示。网络所有节点共享这条公用通信线路。工作时,每当有计算机将信息发送到公共总线 上时,所有的工作站均可以同时收到此信息,每个工作站收到信息后都会核对信息中的目的 地址是否与本工作站的地址相符,如果相符就接收这个信息。由于网络上的信息是向各部分 传递的,与广播电台的信号传输方式十分类似,因此,总线结构的网络又被称为广播式网络 服务器 作站 工作站 工作站作站 图3-1总线型拓扑 总线型拓扑结构具有下列一些特点: (1)优点 结构简单灵活,可靠性较高。 硬件设备少,组网成本较低。 ·安装、使用和维护方便,可扩充性好。 共享能力强,适合于一点发送,多点接收的场合。 (2)缺点 由于网络所有节点共享总线,在信息传输量较大的场合容易出现网络的瓶颈,如果出现 电缆故障,则会导致系统的瘫痪 (3)适用范围 此类结构适用于小型办公自动化系统、实验室及小型信息管理系统等低负荷和输出的实 时性要求不高的环境。 (4)典型标准: Ethernet。 (5)网络范例:10BASE-5和10BASE-2。 (6)信道访问协议:IEE802.3, CSMA/CD。 2.环型拓扑 顾名思义,环型拓扑( Ring Topology)是“环状”的,如图3-2所示。它是一种所有 的节点通过环路接口分别连接到它相邻的两个节点上,从而形成的一种首尾相接的闭环通信 网络 环型结构网络的具体工作过程是:网络环路上任一节点发送的数据按物理环路沿一个方 向(通常是逆时针)逐站穿越所有的节点,当传输数据中的目的地址与环路上某节点的地址 相同时,传输数据被该节点接收,然后,数据继续按物理环路向下一节点传输,直到回到发 送数据的节点为止。网络上的各节点依次使用环路发送数据
第三章 计算机局域网组网技术 总线型拓扑（Bus Topology）是将服务器和工作站都连到一条公共的电缆线上，如图 3-1 所示。网络所有节点共享这条公用通信线路。工作时，每当有计算机将信息发送到公共总线 上时，所有的工作站均可以同时收到此信息，每个工作站收到信息后都会核对信息中的目的 地址是否与本工作站的地址相符，如果相符就接收这个信息。由于网络上的信息是向各部分 传递的，与广播电台的信号传输方式十分类似，因此，总线结构的网络又被称为广播式网络。 服务器 □ □ 工作站 工作站 工作站 工作站 图 3-1 总线型拓扑 总线型拓扑结构具有下列一些特点： ⑴优点 ·结构简单灵活，可靠性较高。 ·硬件设备少，组网成本较低。 ·安装、使用和维护方便，可扩充性好。 ·共享能力强，适合于一点发送，多点接收的场合。 ⑵缺点 由于网络所有节点共享总线，在信息传输量较大的场合容易出现网络的瓶颈，如果出现 电缆故障，则会导致系统的瘫痪。 ⑶适用范围 此类结构适用于小型办公自动化系统、实验室及小型信息管理系统等低负荷和输出的实 时性要求不高的环境。 ⑷典型标准：Ethernet。 ⑸网络范例：10 BASE-5 和 10 BASE-2。 ⑹信道访问协议：IEEE802.3，CSMA/CD。 2．环型拓扑 顾名思义，环型拓扑（Ring Topology）是“环状”的，如图 3-2 所示。它是一种所有 的节点通过环路接口分别连接到它相邻的两个节点上，从而形成的一种首尾相接的闭环通信 网络。 环型结构网络的具体工作过程是：网络环路上任一节点发送的数据按物理环路沿一个方 向（通常是逆时针）逐站穿越所有的节点，当传输数据中的目的地址与环路上某节点的地址 相同时，传输数据被该节点接收，然后，数据继续按物理环路向下一节点传输，直到回到发 送数据的节点为止。网络上的各节点依次使用环路发送数据。 ３１
计算机网络技术及应用 图3-2环型拓扑 综上所述,环型拓扑结构具有下列一些特点: (1)优点 信息单向传输,不需路由选择,无冲突 当有旁路电路时,某个节点发生故障时可自动旁路,可靠性较高。 ·网络传输延时固定,适用于对数据传输实时性要求较高的应用场合 (2)缺点 随着节点数目的增加,传输效率会降低,网络响应时间变长。 ·灵活性差。单环时,由于环路封闭,因此扩展不便 (3)适用范围:这种结构适用于企业的自动化系统和小型信息管理系统 (4)典型标准: Token-Ring,FDI (5)网络范例: IBM Token-Ring (6)信道访问协议:IEE802.5,令牌传送。 3.星型拓扑 星型拓扑( Star Topology)是网络上所有节点都和中心节点进行点对点的连接,中心 节点可以是服务器,也可以是连接器等设备,如图3-3所示。 在这种结构中,网络中的任何两个节点的通信都要通过中心节点转发。 星型结构的网络属于集中控制型网络,具有下列特点: (1)优点 ·网络结构简单,组建、维护和管理网络容易。通常可以利用HB上的LED灯的状况判 断计算机网络是否出现故障 ·网络有较好的扩充能力。在HUB上增加节点不需要中断网络,也可以在不影响网络运 行的情况下取出节点 网络传输延时较短,误码率较低
计算机网络技术及应用 ３２ 图 3-2 环型拓扑 综上所述，环型拓扑结构具有下列一些特点： ⑴优点 ·信息单向传输，不需路由选择，无冲突。 ·当有旁路电路时，某个节点发生故障时可自动旁路，可靠性较高。 ·网络传输延时固定，适用于对数据传输实时性要求较高的应用场合。 ⑵缺点 ·随着节点数目的增加，传输效率会降低，网络响应时间变长。 ·灵活性差。单环时，由于环路封闭，因此扩展不便。 ⑶适用范围：这种结构适用于企业的自动化系统和小型信息管理系统。 ⑷典型标准：Token-Ring，FDDI。 ⑸网络范例：IBM Token-Ring。 ⑹信道访问协议：IEEE802.5，令牌传送。 3．星型拓扑 星型拓扑（Star Topology）是网络上所有节点都和中心节点进行点对点的连接，中心 节点可以是服务器，也可以是连接器等设备，如图 3-3 所示。 在这种结构中，网络中的任何两个节点的通信都要通过中心节点转发。 星型结构的网络属于集中控制型网络，具有下列特点： ⑴优点 ·网络结构简单，组建、维护和管理网络容易。通常可以利用 HUB 上的 LED 灯的状况判 断计算机网络是否出现故障。 ·网络有较好的扩充能力。在 HUB 上增加节点不需要中断网络，也可以在不影响网络运 行的情况下取出节点。 ·网络传输延时较短，误码率较低
第三章计算机局域网组网技术 集线器 四口口口口口 站工作站工作站 图3-3星型拓扑 (2)缺点 ·这种结构的最大缺点是中央节点的负荷过重,当HB故障时导致整个网络瘫痪。 网络资源共享能力差,通信线路利用率低 (3适用范围:用于企业的办公自动化系统,数据处理系统,语音通信系统和中、小型信 息管理系统。 (4)典型标准: Ethernet, Token-Ring (5)网络范例:10BASE-T,100BASE-T (6)信道访问协议:IEEE8O2.3,IEEE802.12,CSMA/CD 3.1.3局域网的信道访问协议 局域网设计中有许多问题,如拓扑结构设计、体系结构设计等等。但最根本的问题是信 道访问协议的选择。有些教材将信道访问协议称为介质访问控制方式 的局域网都是广播型网络,网上站点共享信道,一站点发出的数据,其他站点都能 收到。从宏观上看,任何一个站点在任何时候都能向共享信道发送数据,但是从微观上看, 任何一部分物理信道在一个时间段内只能被一个站点占用。于是,就产生了一个信道争用的 问题。所以,广播型网络就要解决信道合理分配的问题,换句话说,要决定当前该谁使用信 道,这个问题解决不了,不论是何种拓扑的局域网,无论使用何种设备,都无法实现信息的 正常发送和接受,其他问题就更无从谈起。所以说,信道访问协议的选择是局域网设计的根 本问题。 1.信道访问协议的分类 (1)信道存取控制的含义 存取:主机(网卡)或节点向信道发送信息称为“存”:主机或节点从信道接收信息称 为“取 控制:宏观上指信道(介质)的分配:微观上指从哪一时刻起到哪一时刻止,介质由哪 站点占用以及不同站点之间如何协调对介质的占用 (2)按常用的三种不同网络拓扑结构分类 IEEE802. 3: CSMA/CD IEEE802. 4: Token bus IEEE802. 5: Token Ring
第三章 计算机局域网组网技术 ３３ 集线器 服务器 工作站 工作站 工作站 图 3-3 星型拓扑 □□□□□□□□ □□□□□□□□ ⑵缺点 ·这种结构的最大缺点是中央节点的负荷过重，当 HUB 故障时导致整个网络瘫痪。 ·网络资源共享能力差，通信线路利用率低。 ⑶适用范围：用于企业的办公自动化系统，数据处理系统，语音通信系统和中、小型信 息管理系统。 ⑷典型标准：Ethernet，Token-Ring。 ⑸网络范例：10 BASE-T，100 BASE-T。 ⑹信道访问协议：IEEE802.3，IEEE802.12，CSMA/CD。 3.1.3 局域网的信道访问协议 局域网设计中有许多问题，如拓扑结构设计、体系结构设计等等。但最根本的问题是信 道访问协议的选择。有些教材将信道访问协议称为介质访问控制方式。 一般的局域网都是广播型网络，网上站点共享信道，一站点发出的数据，其他站点都能 收到。从宏观上看，任何一个站点在任何时候都能向共享信道发送数据，但是从微观上看， 任何一部分物理信道在一个时间段内只能被一个站点占用。于是，就产生了一个信道争用的 问题。所以，广播型网络就要解决信道合理分配的问题，换句话说，要决定当前该谁使用信 道，这个问题解决不了，不论是何种拓扑的局域网，无论使用何种设备，都无法实现信息的 正常发送和接受，其他问题就更无从谈起。所以说，信道访问协议的选择是局域网设计的根 本问题。 1．信道访问协议的分类 ⑴信道存取控制的含义 存取：主机（网卡）或节点向信道发送信息称为“存”；主机或节点从信道接收信息称 为“取”。 控制：宏观上指信道（介质）的分配；微观上指从哪一时刻起到哪一时刻止，介质由哪 一站点占用以及不同站点之间如何协调对介质的占用。 ⑵按常用的三种不同网络拓扑结构分类 IEEE802.3：CSMA/CD IEEE802.4：Token Bus IEEE802.5：Token Ring
计算机网络技术及应用 其中CSMA/CD、 Token bus用于总线拓扑的局域网; Token Ring用于环型拓扑的局域网。 目前应用最为广泛的局域网是基带总线局域网,也称为以太网( Ethernet),它的核心技术就 是它的随机争用型的信道访问协议,即CSMA/CD。令牌环访问控制方式则主要用在IBM的环 型局域网上,而令牌总线访问控制方式用在工业控制中 (3)按使用通信线路的访问方式分类 可分为争用型和定时型两种 争用型 以太网是争用型访问方式的典型示例。它使用的 CSMA/CD访问方式是基于争用的存取方 ·定时型 令牌环( Token Ring)是定时访问方式的示例。令牌循环一周的时间是可以确定的,这 种访问方式分配给每个站点一个可采用的带宽,并确保当时间到来时对局域网进行存取。 2.CSMA/CD访问控制方式 CSMA/(CD( Carrier Sense Multiple access with Collision Detection),即载波监听 多路访问/冲突检测,是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于美国夏威夷大学开发的 ALOHA网所采用的争用型协议,并进行了改进,使之具有比 ALOHA更高的介质利用率 CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议,网中各节点都能独立地决定数据帧的发送与 接收。每个站点在发送数据帧之前,首先要进行载波监听,只有介质空闲时,才允许发送帧。 这时,如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧,则会产生冲突现象,这使发送的帧 成为无效帧,发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生,一旦发生冲突 则应停止发送,以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费。然后随机延时一段时间后,再重 新争用介质,重发该帧 (1)载波监听多路访问(CSMA) 这里所提到的“载波”并非传统意义上的高频正弦信号,而是一种术语上的借用,其含 义为,判断线路上有无数据信号正在传输。我们把检查信道上有无数据信号传输称为“载波 监听”,而把同时有多个节点在监听信道是否空闲和发送数据,称为“多路访问”。载波监听 的功能是由分布在各个节点的控制器各自独立进行的,它的实现方法是通过硬件检测信道上 信号的有无。事实上,由于基带传输传送的是脉冲信号二进制的0或1,采用曼彻斯特编码 时,每一位都有一个跳变,因此检测很方便 (2)冲突检测(CD) 冲突发生在以下两种情况,一种是监听到信道某一瞬时处于空闲状态时,两个以上的节 点同时向信道发送数据,在信道上就会产生两个以上的信号重叠干扰,使数据不能正确地传 输和接收。另一种是节点A监听到信道是空闲的,但是这种空闲状态可能是信道上节点B已 经发送了数据,由于在传输介质上信号传播的延迟,数据信号还未到达节点A,如果此时 节点A又发送数据,则将发生冲突。 (3CSMA/CD的数据帧发送过程 ①一个站要发送数据帧,首先要监听总线,以确定介质上是否有其他站点正在发送信息。 ②如果介质是空闲的,则可以发送;如果介质是忙碌的,则要继续监听,一直等到介质 空闲时方可发送
计算机网络技术及应用 其中 CSMA/CD、Token Bus 用于总线拓扑的局域网；Token Ring 用于环型拓扑的局域网。 目前应用最为广泛的局域网是基带总线局域网，也称为以太网（Ethernet），它的核心技术就 是它的随机争用型的信道访问协议，即 CSMA/CD。令牌环访问控制方式则主要用在 IBM 的环 型局域网上，而令牌总线访问控制方式用在工业控制中。 ⑶按使用通信线路的访问方式分类 可分为争用型和定时型两种： ·争用型 以太网是争用型访问方式的典型示例。它使用的 CSMA/CD 访问方式是基于争用的存取方 法。 ·定时型 令牌环（Token Ring）是定时访问方式的示例。令牌循环一周的时间是可以确定的，这 种访问方式分配给每个站点一个可采用的带宽，并确保当时间到来时对局域网进行存取。 2．CSMA/CD 访问控制方式 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），即载波监听 多路访问/冲突检测，是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于美国夏威夷大学开发的 ALOHA 网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比 ALOHA 更高的介质利用率。 CSMA/CD 是一种分布式介质访问控制协议，网中各节点都能独立地决定数据帧的发送与 接收。每个站点在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。 这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧 成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突， 则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费。然后随机延时一段时间后，再重 新争用介质，重发该帧。 ⑴载波监听多路访问（CSMA） 这里所提到的“载波”并非传统意义上的高频正弦信号，而是一种术语上的借用，其含 义为，判断线路上有无数据信号正在传输。我们把检查信道上有无数据信号传输称为“载波 监听”，而把同时有多个节点在监听信道是否空闲和发送数据，称为“多路访问”。 载波监听 的功能是由分布在各个节点的控制器各自独立进行的，它的实现方法是通过硬件检测信道上 信号的有无。事实上，由于基带传输传送的是脉冲信号二进制的 0 或 1，采用曼彻斯特编码 时，每一位都有一个跳变，因此检测很方便。 ⑵冲突检测（CD） 冲突发生在以下两种情况，一种是监听到信道某一瞬时处于空闲状态时，两个以上的节 点同时向信道发送数据，在信道上就会产生两个以上的信号重叠干扰，使数据不能正确地传 输和接收。另一种是节点 A 监听到信道是空闲的，但是这种空闲状态可能是信道上节点 B 已 经发送了数据，由于在传输介质上信号传播的延迟，数据信号还未到达节点 A，如果此时， 节点 A 又发送数据，则将发生冲突。 ⑶CSMA/CD 的数据帧发送过程 ①一个站要发送数据帧，首先要监听总线，以确定介质上是否有其他站点正在发送信息。 ②如果介质是空闲的，则可以发送；如果介质是忙碌的，则要继续监听，一直等到介质 空闲时方可发送。 ３４