網絡技術基礎(四)局域網

零.簡介

1.局域網是一種在有限的地理範圍內將大量計算機及各類設備互聯在一塊兒以實現數據傳輸和資源共享的計算機網絡。

 

一.局域網概述

1.局域網：局域網是計算機網絡的一種，在計算機網絡中佔有很是重要的地位。局域網既有具備通常計算機網絡的特色，又有本身的特徵。局域網是在一個較小的範圍，利用通訊線路將衆多的計算機及外部設備鏈接起來，以達到資源共享、信息傳遞和遠程數據通訊的目的。

2.局域網的發展：60年代末至70年代初是局域網發展的萌芽階段。70年代中期是局域網發展的一個重要階段，美國Xerox公司推出的實驗性以太網和英國劍橋大學研製的劍橋環網成爲最初局域網的典型表明。80年代初期是局域網走向大發展的時期，一些標準化組織開始致力於局域網的有關協議和標準的制定。90年代之後，局域網步入了更高的發展階段，使用已至關廣泛。利用光導纖維做爲通訊介質構成的高速主幹網，是目前許多局域網系統廣泛採用的一種結構形式。

 

二.局域網的特色及其基本組成

1.局域網的特色：(1).覆蓋的地理範圍比較小；(2).信息傳輸速率高、時延小、誤碼率低；(3).通常爲一個單位所建，並負責管理和維護；(4).便於安裝、維護和擴充；(5).通常側重於共享信息的處理。

2.局域網的基本組成：(1).網絡硬件：服務器、工做站、外部設備、網卡、傳輸介質；(2).網絡軟件：協議軟件、通訊軟件、管理軟件、網絡操做系統、網絡應用軟件。

 

三.局域網的主要技術

1.局域網的主要技術：局域網所涉及的技術不少，但決定局域網性能但技術有：(1).傳輸介質；(2).拓撲結構；(3).介質訪問控制方法。

(1).傳輸介質：局域⽹常⽤的傳輸介質有同軸電纜、雙絞線、光纜和⽆線電波。早期的傳統以太⽹(10Base-5，10Base-2等)使⽤最多的是同軸電纜。隨着技術的發展和價格的不斷下降，雙絞線和光纖的應⽤⽇益普及。雙絞線依靠其低成本和⾼可靠性，在快速局域⽹中贏得了⼴泛地使⽤。光纖主要應⽤在遠距離、⾼速傳輸數據的⽹絡環境中。光纖的可靠性很⾼，具備許多雙絞線和同軸電纜⽆法⽐擬的優勢，隨着光纖成本的不斷下降，從此還將愈來愈⼴泛地應⽤於局域⽹。

(2).拓撲結構：⽹絡拓撲結構是指⽤傳輸媒體互連各類設備的物理佈局，它對整個⽹絡的設計、功能、可靠性和成本等⽅⾯有着重要的影響。⽬前局域⽹使⽤的拓撲結構主要有如下3種：

(3).介質訪問控制方法：介質訪問控制，是指控制⽹上各⼯做站在適當的狀況下發送數據，並在發送數據的過程當中，及時發現問題以及出現問題後妥善處理問題的⼀整套管理⽅法。介質訪問控制技術的優劣將對局域⽹的整體性能產⽣決定性的影響。

2.經常使用的介質訪問控制方法：(1).CSMA/CD(帶有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問)；(2).Token Ring(令牌環)；(3).Token Bus(令牌總線)。

 

四.局域網體系結構與IEEE802標準

1.局域網參考模型：IEEE 802標準遵循ISO/OSI參考模型的原則，主要解決最低兩層(即物理層和數據鏈路層)的功能以及與⽹絡層的接⼝服務。IEEE802參考模型中再也不設⽴⽹絡層，IEEE 802局域⽹參考模型中的物理層的功能是：在物理介質上實現⽐特流的傳輸和接收、同步前序的產⽣與刪除，規定了所使⽤的信號、編碼、傳輸介質以及有關的拓撲結構和傳輸速率等。數據鏈路層⼜分爲邏輯鏈路控制(LLC)和介質訪問控制(MAC)兩個功能⼦層。MAC⼦層的主要功能是控制對傳輸媒體的訪問。LLC⼦層的主要功能是向⾼層提供⼀個或多個邏輯接⼝，具備幀的發送和接收功能。

2.IEEE 802局域網標準：

IEEE 802.1：局域⽹概述、體系結構、⽹絡管理和⽹絡互聯
IEEE 802.2：邏輯鏈路控制 LLC
IEEE 802.3：CSMA/CD介質訪問控制標準和物理層技術規範
IEEE 802.4：令牌總線介質訪問控制標準和物理層技術規範
IEEE 802.5：令牌環⽹介質訪問控制⽅法和物理層技術規範
IEEE 802.6：城域⽹介質訪問控制⽅法和物理層技術規範
IEEE 802.7：寬帶技術
IEEE 802.8：光纖技術（光纖分佈數據接⼝FDDI）
IEEE 802.9：綜合業務數字⽹（ ISDN）技術
IEEE 802.10：局域⽹安全技術
IEEE 802.11：⽆線局域⽹媒體訪問控制⽅法和物理層技術規範

 

五.局域網組網技術

1.局域網產品類型及相互關係

2.傳統以太網

3.以太網的工做原理：以太⽹的核⼼技術是CSMA/CD，即帶有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問⽅法。這種⽅法主要⽤來解決多結點如何共享公共總線的問題。CSMA/CD屬於隨機爭⽤型介質訪問控制⽅法，這種⽅法的特色能夠簡單地歸納爲4點：先聽後發，邊聽邊發，衝突停⽌，隨機延遲後重發。

4.傳統以太網組網技術：

(1).粗纜以太網10Base-5

(2).細纜以太網10Base-2

(3).雙絞線以太網10Base-T

5.IBM令牌環網：令牌環⽹是由IBM公司在20世紀70年代初開發的⼀種⽹絡技術，⽬前已經發展成爲除Ethernet IEEE 802.3之外最爲流⾏的局域⽹組⽹技術。IEEE 802.5規範與IBM公司開發的令牌環⽹⼏乎徹底相同，而且相互兼容。事實上， IEEE 802.5規範制定之初正是選取了IBM的令牌環⽹絡做爲參考模型，並在隨後的過程當中根據IBM令牌環⽹的發展不斷地進⾏了調整。

6.令牌環網的結構和組成：

7.令牌環網的工做原理：

8.交換式以太網：共享式以太⽹採⽤了以HUB爲中⼼的星型鏈接⽅式，但其實際上仍是總線型拓撲結構。當⽹絡規模不斷擴⼤時，⽹絡中的衝突就會⼤⼤增長，⽽數據通過屢次重發後，延時也至關⼤，形成⽹絡總體性能降低。在⽹絡⽤戶數較多時，以太⽹的帶寬使⽤效率只有30%～40%。爲了從根本上解決⽹絡帶寬，克服⽹絡規模和⽹絡性能之間的⽭盾，⼈們提出了將共享式以太⽹改成交換式以太⽹，這就致使了交換式以太⽹的產⽣。

9.共享式以太網的結構：交換式以太⽹的核⼼設備是交換機(Switch)。交換機有多個端⼝，能同時提供多個通道，容許多個⽤戶之間同時進⾏數據傳輸。

10.交換式以太網的特色：在交換式以太⽹中，各⽤戶結點獨佔通道，獨享帶寬，從根本上解決了⽹絡帶寬問題。交換式以太⽹則容許接⼊的多個結點間同時建⽴多條通訊鏈路，同時進⾏數據通訊，從⽽⼤⼤提⾼了⽹絡的利⽤率。交換式以太⽹能夠構造「虛擬⽹絡」(VLAN)，並經過軟件的⽅式來實現邏輯⼯做組的劃分和管理。以太⽹交換技術是基於以太⽹的，它最⼤限度地保留了現有以太⽹的基礎設施，從⽽這樣有效地保護了⽤戶的現有投資，節省了資⾦。

11.以太網的幀結構：

12.以太⽹交換機的⼯做原理：以太⽹交換機監測發送到每一個端⼝的數據包，經過數據包中的有關信息(源結點的MAC地址、⽬的結點的MAC地址)，在交換機的內部建⽴⼀張「端⼝——MAC地址」的映射表。當某個端⼝接收到數據包後，交換機會取出該包中⽬的結點的MAC地址，並經過該映射表迅速地將數據包轉發到相應的輸出端⼝。

13.以太⽹交換機的數據交換⽅式：(1).直接交換(Cut Through)：交換機只要接收到數據包，便⽴即獲取包的⽬的地址，轉換成相應的交換機端⼝，將該數據包轉發出去。(2).存儲轉發(Store and Forward)：交換機把數據包所有接收到內部緩衝區中，並進⾏校驗，⼀旦發現錯誤就通知源結點從新發送該包。(3).⽆碎⽚轉發(Fragment-free)：在接收到數據幀的前64字節後判斷該幀的幀頭字段是否正確，若是正確則轉發出去。

 

六.快速組網技術

1.快速⽹絡技術：局域⽹技術發展的直接推進⼒是計算機的⻜速發展以及數據庫、多媒體技術的⼴泛應⽤。在過去的⼏⼗年中，計算機的速度提⾼了數百萬倍，⽽⽹絡的速度只提⾼了⼏千倍。今天，⼈們對計算機⽹絡的傳輸速率及其它性能的要求愈來愈⾼，若是Ethernet仍然保持之前10Mb/s的數據傳輸速率，顯然是遠遠不能滿⾜須要的。⽬前，提⾼⾼速傳輸的⽹絡有快速以太⽹、吉⽐特以太⽹、 ATM⽹絡等等，它們都能實現100Mb/s以上的傳輸速率。

2.快速以太⽹組⽹技術：隨着⼈們對局域⽹傳輸速率要求的不斷提⾼，IEEE 802.3委員會決定製定⼀個快速的局域⽹協議。但他們內部出現了兩種不一樣的觀點，⼀種是建議採⽤⼀種具備優先級、集中控制的MAC協議，但它不能兼容原先的以太⽹；另⼀種則建議保留原來以太⽹的體系結構和MAC協議不變，設法提⾼局域⽹的速度。後來IEEE 802.3委員會決定保持傳統以太⽹的原狀，並於1995年6⽉正式發佈了快速以太⽹協議標準——802.3u。

3.IEEE 802.3u：802.3u是802.3標準的延伸，所以被稱爲快速以太⽹。它保留了802.3的幀格式、接⼝、軟件算法規則以及CSMA/CD協議，只是將數據傳輸速率從10Mbit/s提⾼到100Mbit/s。快速以太⽹是徹底基於10BASE-T⽽設計的，它仍然使⽤HUB進⾏組⽹，但再也不使⽤BNC鏈接器和同軸電纜。

4.快速以太網的協議結構

5.快速以太⽹的物理層標準：100BASE-TX⽀持2對5類UTP或2對1類STP。每一個結點能夠同時以100Mbit/s的速率發送與接收數據。結點與集線器的最⼤距離爲100⽶。100BASE-T4⽀持4對3類、4類和5類UTP。⽹絡結點與集線器的最⼤距離也是100⽶。100Base-FX的標準電纜類型是內徑爲62.5微⽶、外徑爲125微⽶的多模光纜。100Base-FX可將⽹絡節點與服務器的最⼤距離增長到200m，⽽使⽤單模光纖時可達2km。

6.吉⽐特以太⽹組⽹技術：吉⽐特以太⽹是近⼏年推出的⾼速局域⽹技術，它在保持了與以太⽹和快速以太⽹設備兼容的同時，提供1000Mbit/s的數據帶寬。IEEE 802.3委員會於1996年8⽉成⽴了802.3z⼯做組。1997年初⼜成⽴了802.3ab⼯做組。1998年IEEE 802.3z正式成爲了吉⽐特以太⽹的標準。吉⽐特以太⽹保留了傳統100Base-T的全部特徵，並可從現有的傳統以太⽹和快速以太⽹的基礎上平滑地過渡獲得。吉⽐特以太⽹的關鍵是利⽤交換式全雙⼯操做部件構建主⼲⽹絡，鏈接超級服務器和⼯做站。

7. 吉⽐特以太⽹的協議結構

8.吉⽐特以太⽹的技術特色：(1).技術的簡易性：吉⽐特以太⽹保持了傳統以太⽹的技術原理、安裝實施和管理維護的簡易性。(2).技術過渡的平滑性：吉⽐特以太⽹保持了傳統以太⽹的技術原理、主要技術特徵，確保傳統以太⽹到吉⽐特以太⽹的平滑過渡。(3).技術⼿段的⾼可靠性：吉⽐特以太⽹保持了傳統以太⽹的安裝、管理和維護的⽅法，確保了其⾼可靠性。(4).技術的低成本性：因爲繼承了傳統以太⽹的技術，使吉⽐特以太⽹的總體成本降低。

9.萬兆(10G)以太⽹：10G以太⽹於2002年7⽉在IEEE經過。10G以太⽹包括10GBASE－X、10GBASE－R、10GBASE－W以及基於銅纜的10GBASE－T等(2006年經過)。

10.ATM技術：ATM——Asynchronous Transfer Mode(ATM)異步傳輸模式的縮寫ATM是⼀項數據傳輸技術，是實現B-ISDN的業務的核⼼技術之⼀。ATM是以信元爲基礎的⼀種分組交換和復⽤技術，它是⼀種爲了多種業務設計的通⽤的⾯向鏈接的傳輸模式。它適⽤於局域⽹和⼴域⽹，它具備⾼速數據傳輸率和⽀持許多種類型如聲⾳、數據、傳真、實時視頻、CD質量⾳頻和圖像的通訊。

11.ATM的⼯做原理：ATM把信息分割成⼀個個⻓度固定的信元(Cell)來加以傳送，信元包括信元頭和⽤戶數據兩部分，信元共53個字節⻓。ATM是採⽤虛電路⽅式來進⾏數據傳遞的。發送⽅主機⾸先將根據對⽹絡帶寬的需求，發出鏈接建⽴請示。ATM交換機接收到該請求後，將根據當前⽹絡情況選擇從發送⽅主機到接收⽅主機的路徑，並構造出相應的路由表。僅當有⾜夠的可⽤帶寬時，ATM交換機才容許鏈接。信元到達交換機後，將根據信元頭部分的虛擬路徑標識符(VPI)從路由表中找到相應的輸出端⼝，而後信元傳⾄下⼀交換機。

12.ATM的特色：(1).極端靈活和可變的帶寬；(2).具備很⾼的數據傳輸速率，可⽀持不一樣速率的各類業務；(3).對傳輸距離的依賴⼩；(4).可在局域⽹和⼴域⽹中提供⼀種單⼀的⽹絡技術，實現完美的⽹絡集成。

 

七.虛擬局域網VLAN

1.VLAN概述：VLAN實質上就是指⽹絡上的節點按⼯做性質與須要所劃分的若⼲個「邏輯⼯做組」，其節點組成不受物理位置的限制。同⼀邏輯⼯做組的成員不⼀定要鏈接在同⼀個物理⽹段上，當⼀個節點從⼀個邏輯⼯做組轉移到另⼀個邏輯⼯做組時，只須要簡單地經過軟件設定，⽽不須要改變其在⽹絡中的物理位置。

2.VLAN的標準：1996年3⽉，IEEE 802委員會發布了IEEE 803.1Q VLAN標準。該標準包括3個⽅⾯：(1).VLAN的體系結構說明；(2).爲在不一樣設備⼚商⽣產的不一樣設備之間交流VLAN信息⽽制定的局域⽹物理幀的改進標準；(3).VLAN標準的將來發展展望。

(1).IEEE 802.1Q標準提供了對VLAN明確的定義及其在交換式⽹絡中的應⽤。該標準的發佈確保了不一樣⼚商產品的互操做能⼒，並在業界得到了⼴泛的推⼴，成爲了VLAN發展史上的重要⾥程碑。IEEE 802.1Q的出現打破了VLAN依賴於單⼀⼚商的僵局，從⼀個側⾯推進了VLAN的迅速發展。⽬前，該標準已獲得全世界主要⽹絡⼚商的⼴泛⽀持。

3.VLAN的優勢：(1).控制⽹絡的⼴播⻛暴：採⽤VLAN技術，可將交換機的某個交換端⼝劃分到某個VLAN中，⼀個VLAN的⼴播⻛暴不會影響到其餘VLAN的性能。(2).確保⽹絡的安全性：VLAN能限制個別⽤戶的訪問以及控制⼴播組的⼤⼩和位置，甚⾄鎖定某臺設備的MAC地址。(3).簡化⽹絡的管理：⽹絡管理員能借助VLAN技術輕鬆地管理整個⽹絡。⽹絡管理員只需設置⼏條命令就能很快地建⽴⼀個VLAN，並將分佈在不一樣地⽅的⽤戶設置到VLAN中。

4.VLAN的組網方法：

(1).⽤交換機端⼝號定義VLAN：許多早期的VLAN都是根據局域⽹交換機的端⼝號來定義VLAN成員的。VLAN從邏輯上把局域⽹交換機的端⼝號劃分紅不一樣的虛擬⼦⽹，各虛擬⼦⽹相對獨⽴。⽤局域⽹交換機端⼝號劃分VLAN成員是最通⽤的⽅法，可是，純粹⽤端⼝號定義VLAN時，不容許不一樣的VLAN包含相同的物理⽹段或交換機端⼝號。

(2).⽤MAC地址定義VLAN：採⽤節點的MAC地址來定義VLAN的優勢是，容許節點移動到⽹絡的其它物理⽹段，⽽⾃動保持該節點原來的VLAN成員地位。⽤MAC地址定義VLAN的缺點是，要求全部⽤戶在初始階段必須配置到⾄少⼀個VLAN中，這在⼤規模的⽹絡中，顯然是很麻煩的。

(3).⽤⽹絡層地址定義VLAN：採⽤節點的⽹絡層地址來定義VLAN具備獨特的優勢。⾸先，容許按照協議類型來組成VLAN，這有利於組成基於服務或應⽤的VLAN。其次，⽤戶能夠隨意移動⼯做站⽽⽆需從新配置⽹絡地址。這種⽅法最⼤的缺點是⽹絡性能較差，由於檢查⽹絡層地址⽐檢查MAC地址要花費更多的時間。

 

八.無線局域網WLAN

1.WLAN概述：

(1).⽆線局域⽹(英⽂：Wireless LAN，縮寫WLAN)是不使⽤任何導線或傳輸電纜鏈接的局域⽹，⽽使⽤⽆線電波做爲數據傳送的媒介，傳送距離⼀般只有⼏⼗⽶。⽆線局域⽹的主⼲⽹路一般使⽤有線電纜，⽆線局域⽹⽤戶經過⼀個或多個⽆線接⼊點接⼊⽆線局域⽹。⽆線局域⽹如今已經⼴泛的應⽤在商務區，⼤學，機場，及其餘公共區域。

(2).⽆線局域⽹最通⽤的標準是IEEE定義的802.11系列標準。——維基百科

2.WLAN標準：

802.11，1997年，原始標準(2Mbit/s⼯做在2.4GHz)
802.11a，1999年，物理層補充(54Mbit/s⼯做在5GHz)
802.11b，1999年，物理層補充(11Mbit/s⼯做在2.4GHz)
802.11c，符合802.1D的媒體接⼊控制層(MAC)橋接(MAC Layer Bridging)
802.11d，根據各國⽆線電規定作的調整
802.11e，對服務等級(Quality of Service, QoS)的⽀持
802.11f，基站的互連性(Interoperability)
802.11g，物理層補充(54Mbit/s⼯做在2.4GHz)
802.11h，⽆線覆蓋半徑的調整，室內(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz頻段)
802.11i，安全和鑑權(Authentification)⽅⾯的補充。
802.11n，導⼊多重輸⼊輸出(MIMO)和40Mbit通道寬度(HT40)技術，基本上是802.11a/g的延伸版

3.WLAN的實現