第4章 局域網(wǎng)技術(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用

第4章局域網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解局域網(wǎng)的工作模式和體系結(jié)構(gòu)掌握以太網(wǎng)的工作原理學(xué)會(huì)組建對(duì)等局域網(wǎng)會(huì)配置網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)能夠設(shè)置虛擬局域網(wǎng)搭建自己的無線局域網(wǎng)第4章局域網(wǎng)技術(shù)

4.1 局域網(wǎng)

4.1.1局域網(wǎng)概述局域網(wǎng)LAN（LocalAreaNetwork）是指在有限的地理范圍內(nèi)，利用各種網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和通信線路將計(jì)算機(jī)互連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和資源共享的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)的特點(diǎn)：局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍小，一般為幾十米至幾千米；數(shù)據(jù)傳輸效率高，通常帶寬在10Mb/s~1000Mb/s；局域網(wǎng)歸屬單一；1．局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常見的局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型、星型、環(huán)型，以及它們所派生出的樹型、網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？偩€型結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)1．局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1．局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的比較拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)總線型安裝容易使用電纜少，易于擴(kuò)充結(jié)點(diǎn)隔離性好檢測故障定位困難系統(tǒng)范圍受限制星型便于管理檢測故障定位容易單個(gè)站點(diǎn)發(fā)生故障不會(huì)影影響全網(wǎng)集線器出現(xiàn)問題會(huì)影響全網(wǎng)增加工作站時(shí)要增加集線器的連線環(huán)型檢測故障定位容易需要電纜長度短網(wǎng)絡(luò)的性能依賴于性能最差的結(jié)點(diǎn)單項(xiàng)環(huán)的容錯(cuò)性差樹型組網(wǎng)容易，易于擴(kuò)展檢測故障定位容易各個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)根結(jié)點(diǎn)依賴性太大網(wǎng)狀型檢測故障定位容易容錯(cuò)能力強(qiáng)、可靠性高消耗電纜多、成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于安裝、建設(shè)2．局域網(wǎng)的工作模式（1）對(duì)等模式（peer-to-peer）（2）專用服務(wù)器模式（server-based）（3）客戶/服務(wù)器模式（client/server）工作模式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

對(duì)等模式組建和維護(hù)容易，使用簡單。不需要專用的服務(wù)器?？衫孟到y(tǒng)內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)低價(jià)建網(wǎng)。由于每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都可能承擔(dān)雙重角色，數(shù)據(jù)的保密性差。

專用服務(wù)器模式專用的服務(wù)器保障了數(shù)據(jù)的保密性、可靠性。能夠?qū)γ恳粋€(gè)工作站進(jìn)行嚴(yán)格的用戶設(shè)置訪問權(quán)限。各工作站之間的互通性差，網(wǎng)絡(luò)工作效率低。各工作站上軟硬件資源無法實(shí)現(xiàn)共享。

客戶/服務(wù)器模式減少了服務(wù)器的工作量。有效地利用了各工作站的共享資源。網(wǎng)絡(luò)的工作效率較高。網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，對(duì)各工作站的管理比較困難。數(shù)據(jù)的保密性低于專用服務(wù)器模式。4.1.2局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1．局域網(wǎng)參考模型局域網(wǎng)參考模型和OSI模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系MAC子層可提供的功能有：幀封裝與解封裝和介質(zhì)訪問控制比特的差錯(cuò)檢測物理尋址實(shí)現(xiàn)和維護(hù)MAC協(xié)議LLC子層的主要功能有：建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接提供與高層的接口差錯(cuò)控制為幀添加序號(hào)MAC與LLC子層幀關(guān)系4.1.2局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

2.局域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE802

IEEE802協(xié)議結(jié)構(gòu)DSAPSSAP

控制字節(jié)C數(shù)據(jù)Data1位0：單地址1：組地址

7位

1位0：命令1：響應(yīng)

7位信息幀

N字節(jié)數(shù)據(jù)監(jiān)督幀無編號(hào)幀頭標(biāo)數(shù)據(jù)Data尾標(biāo)7字節(jié)1字節(jié)6字節(jié)6字節(jié)2字節(jié)46~1500字節(jié)4字節(jié)

前導(dǎo)碼SFD幀定界符DA目的地址SA源地址L幀長度I數(shù)據(jù)域PAD字節(jié)填充

FCS幀檢驗(yàn)序列

4.1.2以太網(wǎng)

以太網(wǎng)（Ethernet）是最早的局域網(wǎng)技術(shù)，是一種基于總線型的廣播式網(wǎng)絡(luò)，以高速、低成本的巨大優(yōu)勢受到歡迎，在現(xiàn)有的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中是最成功的局域網(wǎng)技術(shù)，也是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種局域網(wǎng)。1.以太網(wǎng)的幾種標(biāo)準(zhǔn)：(1)10Base5（粗纜以太網(wǎng)）(2)10Base2（細(xì)纜以太網(wǎng)）(3)10Base-T(4)1Base5(5)10Broad36(6)10Base-F

(7)10Base-FP(8)10Base-FL(9)10Base-FB2．以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)3．以太網(wǎng)媒體接入控制方式CSMA/CD以太網(wǎng)CSMA/CD協(xié)議的發(fā)送過程：一個(gè)站點(diǎn)如果想使用傳輸介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)，必須首先監(jiān)聽線路是否有其他它站點(diǎn)正在發(fā)送。如果沒有被占用，則可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)；傳輸過程中，發(fā)送站點(diǎn)還必須繼續(xù)監(jiān)聽是否有其它站點(diǎn)開始了發(fā)送。如果有，該發(fā)送站則中斷發(fā)送，等待一定的隨機(jī)時(shí)間后再進(jìn)行監(jiān)聽、發(fā)送，直到所有的數(shù)據(jù)全部被成功的發(fā)送出去，并且沒有被其它站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)破壞。前導(dǎo)碼幀首定界符(SFD)目的地址(DA)源地址(SA)類型(TYPE)數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)幀校驗(yàn)序列（FCS）7byte1byte6byte6byte2byte46-1500byte4byteCSMA/CD工作流程圖4．CSMA/CD協(xié)議的實(shí)現(xiàn)（1）載波監(jiān)聽

（2）沖突檢測（3）隨機(jī)延遲重發(fā)綜上所述，運(yùn)用媒體訪問控制方式CSMA/CD有效地控制了以太網(wǎng)中結(jié)點(diǎn)對(duì)共享總線的訪問權(quán)的秩序，而二進(jìn)制指數(shù)延遲算法又可以動(dòng)態(tài)地適應(yīng)需要訪問總線的結(jié)點(diǎn)數(shù)的變化，在少數(shù)結(jié)點(diǎn)沖突時(shí)等待延遲時(shí)間短，很多結(jié)點(diǎn)沖突時(shí)也可以合理的解決沖突。因此CSMA/CD又稱為隨機(jī)競爭型媒體訪問控制方式。4.3高速以太網(wǎng)高速以太網(wǎng)（FastEthernet）也就是我們常說的百兆以上的以太網(wǎng)。高速以太網(wǎng)包括快速以太網(wǎng)、吉比特以太網(wǎng)和10吉比特以太網(wǎng)三種技術(shù)。1．快速以太網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)快速以太網(wǎng)的工作模式4.3高速以太網(wǎng)2．吉比特以太網(wǎng)吉比特以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3z的特點(diǎn)吉比特以太網(wǎng)的物理層協(xié)議

根據(jù)其物理層的不同，可以將吉比特以太網(wǎng)劃分為1000Base-LX、

1000Base-SX、1000Base-CX與1000Base-T，其中，1000Base-SX、

1000Base-LX、1000Base-CX統(tǒng)稱為1000Base-X。CSMA/CD和幀突發(fā)機(jī)制吉比特以太網(wǎng)載波擴(kuò)展的幀結(jié)構(gòu)圖載波擴(kuò)展技術(shù)用于半雙工的CSMA/CD方式，實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)MAC幀長小于512字節(jié)的幀進(jìn)行載波擴(kuò)展，就是用比特序列填充在幀后面，使其長度增大到512字節(jié)，這樣所占用的時(shí)間等同于長度為512字節(jié)的幀所占用的時(shí)間。接收端結(jié)點(diǎn)在收到以太網(wǎng)的MAC幀后首先對(duì)其進(jìn)行處理，對(duì)于大于512字節(jié)的幀，接收端認(rèn)為該幀是正確的幀，并將所填充的比特序列刪除后遞交給上一層。若幀長度小于512字節(jié)，則認(rèn)為該幀是沖突碎片并將其丟棄。當(dāng)發(fā)送多個(gè)長度小于512字節(jié)的連續(xù)數(shù)據(jù)幀時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行載波擴(kuò)展，而所填充的448字節(jié)比特序列造成了很大開銷，這就需要考慮為吉比特以太網(wǎng)增加一種“分組突發(fā)”的功能，即幀突發(fā)機(jī)制，如圖當(dāng)發(fā)送方發(fā)送多個(gè)幀時(shí)，第一幀按CSMA/CD規(guī)則發(fā)送，但如果第一幀是短幀，則采用載波擴(kuò)展的方法進(jìn)行填充。一旦第一幀發(fā)送成功，則說明發(fā)送信道已打通，發(fā)送方為了連續(xù)占用信道，用96bit載波擴(kuò)展填充IFG，其他主機(jī)結(jié)點(diǎn)在IFG期間會(huì)監(jiān)聽到載波，這樣發(fā)送方就不會(huì)再遇到?jīng)_突，其后續(xù)幀不必再進(jìn)行載波擴(kuò)展而連續(xù)發(fā)送，這樣就形成了一串分組突發(fā)。顯然在采用幀分組突發(fā)后，半雙工模式吉比特以太網(wǎng)的信道利用率大幅度提高了，而在全雙工方式不存在沖突問題，所以不適用載波擴(kuò)展和分組突發(fā)3.10吉比特以太網(wǎng)(1)10吉比特以太網(wǎng)特點(diǎn)(2)10吉比特以太網(wǎng)物理層特點(diǎn)

①局域網(wǎng)物理層（LANPHY）

②廣域網(wǎng)物理層（WANPHY）3.10吉比特以太網(wǎng)(3)MAC幀格式的修改其過程是當(dāng)發(fā)送端開始發(fā)送幀時(shí)，幀從MAC層傳送到物理層，物理層再封裝到OC-192幀，如果各幀之間需要標(biāo)識(shí)則修改原MAC幀的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行傳送。當(dāng)接收端物理層接收到OC-192幀后，對(duì)其進(jìn)行拆分并還原出原MAC幀，然后提交給MAC層處理。3.10吉比特以太網(wǎng)(4)10吉比特以太網(wǎng)應(yīng)用10吉比特以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)主要應(yīng)用在企業(yè)網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)和城域網(wǎng)中，可以省略主干網(wǎng)中的ATM或SDH/SONET鏈路，簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。不可替代的優(yōu)勢：可擴(kuò)展的（從10Mb/s到10Gb/s）靈活的（多種媒體、全/半雙工、共享/交換）易于安裝穩(wěn)健性較好4.4 虛擬局域網(wǎng)4.4.1虛擬局域網(wǎng)的基本概念虛擬局域網(wǎng)(VLAN)是指建立在物理局域網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)上，利用交換機(jī)和路由器的功能來配置網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)不拘泥于所處的物理位置，并且能夠根據(jù)需要靈活地加入不同的邏輯子網(wǎng)的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)劃分虛擬局域網(wǎng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面第一：抑制網(wǎng)絡(luò)上的廣播風(fēng)暴。第二：增加了網(wǎng)絡(luò)的安全性。第三：集中化的管理控制。4.4.2虛擬局域網(wǎng)的組網(wǎng)方法VLAN（虛擬局域網(wǎng)）主要有四種劃分方式(1)基于端口劃分的VLAN(2)基于MAC地址劃分VLAN(3)基于網(wǎng)絡(luò)層地址劃分VLAN(4)基于IP廣播組劃分VLAN以上四種虛擬局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，基于IP廣播組的虛擬局域網(wǎng)智能化程度最高，實(shí)現(xiàn)起來也最復(fù)雜。具體采用哪一種方式建立VLAN，各單位可根據(jù)自己的需要選擇合適的方式進(jìn)行管理配置。4.5 無線網(wǎng)絡(luò)4.5.1概述1.無線網(wǎng)絡(luò)的元素?zé)o線主機(jī)基站網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施無線鏈路一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境幾種流行的無線鏈路標(biāo)準(zhǔn)4.5.1概述2.無線接入網(wǎng)分類移動(dòng)通信網(wǎng)接入：GSM、CDMA、GPRS、WCDMA、TD-SCDMA。衛(wèi)星通信接入：DBS、VSAT無線局域網(wǎng)接入：IEEE802.11、藍(lán)牙、HomeRF。無線本地環(huán)路的微波一點(diǎn)多址、LMDS、IEEE802.16紅外線無線接入：FSO等4.5.1概述3.無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議模型4.5.2無線局域網(wǎng)1.無線局域網(wǎng)的分類2.無線局域網(wǎng)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1)移動(dòng)性(2)靈活性(3)可伸縮性(4)經(jīng)濟(jì)性無線局域網(wǎng)也存在一些問題，包括可靠性低、帶寬與系統(tǒng)容量小、不同廠家的無線局域網(wǎng)產(chǎn)品間的兼容性有待提高、抗干擾和安全問題要解決等。4.5.2無線局域網(wǎng)3.IEEE802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議體系4.5.2無線局域網(wǎng)

IEEE802.11媒體接入的控制邏輯圖4.5.2無線局域網(wǎng)

CSMA/CA的工作原理4.5.2無線局域網(wǎng)

MAC幀的格式802.11幀的常用情況下地址字段的值發(fā)到DS來自DS地址1地址2地址3地址401目的地址AP地址源地址-10AP地址源地址目的地址-4.5.3無線個(gè)域網(wǎng)無線個(gè)域網(wǎng)是當(dāng)前發(fā)展迅速的領(lǐng)域之一，相應(yīng)的新技術(shù)層出不窮，主要包括藍(lán)牙、IrDA、HomeRF、超寬帶（UWB）和ZigBee等技術(shù)，IEEE802.15工作組是針對(duì)無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）而成立的，制定出有關(guān)短距離范圍的WPAN標(biāo)準(zhǔn)。WPAN工作在2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段。4.5.4無線城域網(wǎng)無線城域網(wǎng)（WMAN）的推出是為了滿足日益增長的寬帶無線接入的市場需求，1999年，IEEE802委員會(huì)成立了802.16工作組，專門研究寬帶無線接入標(biāo)準(zhǔn)，主要任務(wù)是制定本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（LMDS）的網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，建立全球統(tǒng)一的寬帶無線接入標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)說明空中接口標(biāo)準(zhǔn)802.1610～66GHz固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口802.16a2～11GHz固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口802.16c10～66GHz固定寬帶無線接入系統(tǒng)的兼容性802.16d對(duì)802.16，802.16a，802.16c的修訂802.16e2～66GHz固定和移動(dòng)寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口管理信息庫802.16f固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口管理信息庫要求802.16g固定和移動(dòng)寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口管理平面流程和服務(wù)要求共存問題標(biāo)準(zhǔn)802.16.2IEEE局域網(wǎng)和城域網(wǎng)操作規(guī)程建議固定寬帶無線接入系統(tǒng)的共存802.16.2a對(duì)802.16.2的修正一致性標(biāo)準(zhǔn)1802.16.110～66GHz無線MAN-SC空中接口的實(shí)現(xiàn)一致性說明。1802.16.210～66GHz無線MAN-SC空中接口的測試集結(jié)構(gòu)和測試目的IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)4.5.5無線網(wǎng)絡(luò)的連接無線局域網(wǎng)的組建過程不太復(fù)雜，對(duì)于對(duì)等無線網(wǎng)絡(luò)，只需要在無線站點(diǎn)上安裝無線網(wǎng)卡，然后設(shè)置網(wǎng)絡(luò)工作模式為對(duì)等模式，使用相同的無線通信協(xié)議。1.組建ad-hoc網(wǎng)絡(luò)安裝無線網(wǎng)卡，單擊【網(wǎng)絡(luò)】的屬性窗口，彈出【網(wǎng)絡(luò)和共享中心】窗口，如圖4-23。圖4-23網(wǎng)絡(luò)和共享中心窗口單擊【管理無線網(wǎng)絡(luò)】，彈出【管理無線網(wǎng)絡(luò)】的窗口，如圖4-24。在管理無線網(wǎng)絡(luò)窗口中選擇【適配器屬性】中配置本無線網(wǎng)絡(luò)的IP地址，如圖4-25。圖4-24管理無線網(wǎng)絡(luò)圖4-25設(shè)置網(wǎng)卡的IP地址確定返回后，再在管理無線網(wǎng)絡(luò)窗口中選擇【添加】，會(huì)出現(xiàn)添加無線網(wǎng)絡(luò)的界面，如圖4-26，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)名，網(wǎng)絡(luò)安全類型和安全密鑰，【下一步】彈出home無線網(wǎng)絡(luò)添加成功。如圖4-27。圖4-26設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)名圖4-27手動(dòng)連接無線網(wǎng)絡(luò)【關(guān)閉】窗口，在管理無線網(wǎng)絡(luò)界面中可以看到新添加的home無線網(wǎng)絡(luò)，如圖4-28。在另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝無線網(wǎng)卡，將網(wǎng)卡的IP地址設(shè)置為192.168.1.2子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，在管理無線網(wǎng)絡(luò)或者查看無線網(wǎng)絡(luò)按鈕，就可以看到已經(jīng)建立的無線網(wǎng)絡(luò)home，單擊【連接】按鈕即可接入該無線網(wǎng)絡(luò)。圖4-28在管理無線網(wǎng)絡(luò)界面中瀏覽4.6 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)4.6.1構(gòu)建虛擬局域網(wǎng)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）了解交換機(jī)的基本工作原理和VLAN概念。2）學(xué)會(huì)交換機(jī)的基本配置命令。

3）學(xué)會(huì)交換機(jī)的VLAN配置方法。2.實(shí)驗(yàn)環(huán)境1）硬件：電腦2臺(tái)，可網(wǎng)管的CISCO交換機(jī)1臺(tái)（本書實(shí)驗(yàn)用CISCO3550一臺(tái)），CISCO配置命令線纜1條，直連標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線2條。2）軟件：電腦中已裝好windowsxp操作系統(tǒng)。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容搭建圖4-29所示的虛擬局域網(wǎng)4.相關(guān)知識(shí)二層交換機(jī)是網(wǎng)絡(luò)連接的基本設(shè)備，工作在OSI參考模型第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），它的基本功能就是在多臺(tái)電腦之間交換數(shù)據(jù)；而路由交換機(jī)（也叫三層交換機(jī)）則除了具有二層交換功能，還具有三層路由功能，因此還可在網(wǎng)段之間交換數(shù)據(jù)。一般所說的交換機(jī)均指二層交換機(jī)。VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）虛擬局域網(wǎng)，是一種通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地而不是物理地劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)段從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的技術(shù)。IEEE于1999年頒布了用以標(biāo)準(zhǔn)化VLAN實(shí)現(xiàn)方案的IEEE802.1Q協(xié)議