第五章計算機局域網5.1局域網的特點及類型5.2局域網的層次結構5.3以太網及介質訪問控制方法5.4令牌環網及介質訪問控制方法5.5局域網資源共享模式5.6虛擬局域網5.7無線局域網5.1局域網概述局域網的概念局域網(LocalAreaNetwork)是在一個局部的地理范圍內(如一個學校、工廠和機關內)，將各種計算機、外部設備和數據庫等互相聯接起來組成的計算機通信網，簡稱LAN。5.1局域網的特點及類型20世紀80年代微型計算機出現1972年Xerox公司發明以太網使微機局域網得到了快速的發展結合局域網形成與發展：回憶：局域網的快速發展由哪兩個因素促成的？90年代局域網發展更加迅速。辦公室簡單局域網5.1局域網的特點及類型hubhubhubSwitchServerfarmstationstationsstations特點覆蓋范圍小房間、建筑物、園區范圍距離≤25km高傳輸速率10Mb/s～1000Mb/s低誤碼率10-8

～10-11拓撲：總線型、星形、環形介質：UTP、Fiber、COAX私有性：自建、自管、自用5.1局域網的特點及類型5.1.1局域網的優點具有較高的數據通信速率。現在常見的以太網的數據傳輸速率為100Mbps或1000Mbps。從一個站點可以訪問全網，從而方便地共享昂貴的外部設備、主機以及軟件、數據等資源。構建局域網時一般不使用公用通信線路，而是自行布設專用線路。系統易于擴展和演變，各類設備的位置可以靈活調整。系統具有可靠性和開放性，局域網的體系結構符合ISO的OSI標準，能與任何符合OSI標準的系統進行通信。（1）總線拓撲將所有站點通過適配器連接到單根傳輸介質——共享總線上。總線末端都有一個50歐姆的電阻，稱為終結器。作用：阻止信號發射基本特性優點與星型拓撲相比，所需電纜長度較短；結構簡單，可靠性高；擴充(如增加站點、延長電纜等)較容易。缺點故障檢測不很容易，如總線有故障需分段查找，如站點有故障需一個一個查；容錯能力差，產生沖突。5.1局域網的特點及類型（2）環型拓撲由一些中繼器通過點到點鏈路連成的一個閉合環。入網設備連到中繼器上。它從一條鏈路上接收數據,以相同速率在另一條鏈路上輸出。數據在環上是單向傳輸的。基本特性缺點某段鏈路或某個中繼器有故障會使全網不能工作；站點離網、入網都較困難。（3）星型拓撲每一個站點通過點-點鏈路連至中心節點，所有的通信都由中心節點控制，一般采用線路交換。基本特性優點建網容易，配置方便；每個連接的故障容易排除，不影響全網；控制協議相對簡單。缺點對中心節點要求非常高，一旦中心節點產生故障,全網將不能工作。5.1局域網的特點及類型（4）混合型拓撲為總線型變形，或者可以看做多級星形結構，是一種使用廣播的信道。5.2局域網的層次結構局域網的標準：IEEE802（ISO8802）IEEE802是一個標準系列：IEEE802.X,IEEE802.1～IEEE802.14其體系結構只包含了兩個層次：數據鏈路層、物理層數據鏈路層又分為邏輯鏈路控制和介質訪問控制兩個子層網絡層數據鏈路層物理層邏輯鏈路控制LLC介質訪問控制MAC

高層

OSI

IEEE802物理層PHY由TCP/IP和NOS實現IEEE802描述了最低兩層的功能以及它們為網絡層提供的服務和接口5.2局域網的層次結構5.2.1局域網的層次模型數據鏈路層協議結構IEEE802體系結構示意圖數據鏈路層在不同的子標準中定義分別對應于LLC子層和MAC子層……802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing802.6DQDB802.8FDDI802.2LLC數據鏈路層物理層LLCMAC802.1DBridge802

體系結構PHY網際互聯局域網的數據鏈路層按功能劃分為兩個子層：LLC和MAC功能分解的目的：將功能中與硬件相關的部分和與硬件無關的部分分開，以適應不同的傳輸介質。解決共享信道(如總線)的介質訪問控制問題，使幀的傳輸獨立于傳輸介質和介質訪問控制方法。LLC：與介質、拓撲無關；MAC：與介質、拓撲相關。5.2局域網的層次結構5.2.1局域網的層次模型1．LLC子層LLC(LogicLinkControl)邏輯鏈路控制子層，即IEEE802.2標準

作用：流量控制、差錯控制等軟件中實現5.2局域網的層次結構LLC子層的作用由于不同的網絡類型有不同的介質訪問子層與之對應，而邏輯鏈路控制子層LLC則掩蓋了不同物理網絡之間的差別，以統一的格式為網絡層提供服務LLC子層把網絡層的分組（在TCP/IP中即IP數據包）加上LLC頭，交給MAC子層組成相應的802.X幀發送5.2局域網的層次結構LLC提供的三種服務不可靠的數據報服務可靠的數據報服務面向連接的服務對于不同的數據幀和控制幀有不同的格式有確認的數據報服務和面向連接的服務，在幀格式中包含源地址、目的地址、序列號、確認號等無確認的數據包服務的幀格式中不包含序列號和確認號5.2局域網的層次結構5.2.1局域網的層次模型2．MAC子層MAC（MediaAccessControl）介質訪問控制子層

作用：介質訪問控制等

主要由硬件（網卡）實現

提供了LLC子層與物理層之間的接口5.2局域網的層次結構功能：位流的傳輸；同步前序的產生與識別；信號編碼和譯碼。IEEE802定義了多種物理層，以適應不同的網絡介質和不同的介質訪問控制方法。兩個接口：連接單元接口（AUI）－可選，僅用于粗同軸電纜介質相關接口（MDI）屏蔽不同介質的特性，使之不影響MAC子層的操作3.物理層5.2局域網的層次結構5.2.2IEEE802標準體系---LMSC5.3以太網及介質訪問控制方法LAN的結構類型LAN的結構主要有三種類型：以太網（Ethernet）令牌環（TokenRing）令牌總線(TokenBus）另外還包括：作為這三種網的骨干網－光纖分布數據接口（FDDI）5.3以太網及介質訪問控制方法一、以太網（Ethernet）局域網經過了近三十年的發展，尤其是在快速以太網（100Mbps）和吉比特以太網，10吉比特以太網進入市場后，以太網已經在局域網市場中占據絕對的優勢。以至于很多人將局域網和以太網視為同一個概念。以太網在邏輯上是總線型的，其中心設備相當于一根總線，因此每個站點發送數據是通過“廣播”方式將數據送往共享介質。任何站點都沒有預約發送時間，發送是隨機的。這樣就有可能會出現兩個或多個站點同時發送數據，而信號在總線上相互干擾的情況，即發生“沖突”。介質訪問控制方法局域網使用廣播信道（多點訪問、隨機訪問），多個站點共享同一信道。提出問題：各站點如何訪問共享信道？如何解決同時訪問造成的沖突（信道爭用）？解決以上問題的方法稱為介質訪問控制方法。兩類介質共享技術：靜態分配（FDM、WDM、TDM、CDM）不適用于局域網動態分配（隨機接入、受控接入）CSMA/CD、Token-Passing5.3以太網及介質訪問控制方法5.3.1CSMA/CD介質訪問控制方法一、信道分配方法分析：在多個競爭用戶之間分配單個信道傳統方法為頻分多路復用（FDM）。FDM適用于用戶數量比較少而且固定不變，并且每個用戶都有繁重的流量負擔的時候。對于發送方數量非常多且經常不斷變化，或者流量突發性大的，如果同樣使用頻分N等分：第一種情況只有很少的用戶需要進行通信，則大量寶貴的頻譜被浪費掉。第二種情況如果希望進行通信的用戶數超過了N個，則有些用戶將被拒絕；第三種情況即使有些已經被分配了頻段的用戶并不發送或者接收數據，他們也無法將自己的頻段轉給其他用戶。既然傳統的靜態信道分配方法不能適應突發性流量，以太網使用動態分配方法:CSMA/CD5.3.1CSMA/CD介質訪問控制方法多個站點如何安全地使用共享信道？最簡單的思路：發送前先檢測一下其它站點是否正在發送（即信道忙否）。若信道空閑，是否可以立即發送？若有多個站點都在等待發送，必然沖突！解決：等待一段隨機時間后再發（降低了沖突概率）若信道忙，如何處理？繼續監聽：等到信道空閑后立即發送等到信道空閑后等待隨機時間后再發送等待一段隨機時間后再重新檢測信道一旦出現兩個站點同時發送的情況，如何處理？以上方法均無法處理！載波監聽多路訪問協議CSMA載波監聽協議（CarrierSenseProtocol）持續和非持續CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，載波監聽多路訪問）它檢測其他站的活動情況，據此調整自己的行為1、1-持續CSMA(1-persistentCSMA）2、非持續CSMA(NonpersistentCSMA)3、p-持續CSMA(p-persistentCSMA)

1-持續CSMA每個站在發送前，先偵聽信道，當信道忙或發生沖突時，要發送幀的站，則等待并持續偵聽，一旦信道空閑，便立即發送，即發送的概率為1；如沖突，則延時一隨機時隙數后，重新發送。其中，長的傳播延遲和同時發送幀，會導致多次沖突，降低系統性能。非持續CSMA

（NonpersistentCSMA）每個站在發送前，先偵聽信道，如信道正忙或發生沖突時，則不再繼續偵聽，它并不持續偵聽信道，而是在沖突時，延時一隨機的時隙數后，再偵聽信道它有更好的信道利用率，但導致更長延遲。p-持續CSMA

（p-persistentCSMA）它應用于分槽信道每個站在發送前，先偵聽信道，如信道正忙，則等到下一時隙；如信道空閑，則以概率p發送幀，即信道空閑時，這個時槽，按照欲發送的站P概率發送，而以概率q=1-p不發送，把本次發送延至下一時隙。若不發送，下一時槽仍空閑，同理進行發送。若信道忙，則等待下一時槽，若沖突，則等待隨機的一段時間，重新開始……5.3以太網及介質訪問控制方法以太網采用IEEE802.3定義的載波監聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）技術來避免沖突的發生，使多個站點能夠共享信道。CSMA/CD—帶沖突檢測的載波監聽多路訪問MA（MultipleAccess）總線型特點：多點接入CS(CarrierSense)載波監聽：發送前監聽線路CD(CollisionDetection)碰撞檢測核心5.3以太網及介質訪問控制方法用于IEEE802.3以太網工作原理：發送前先監聽信道是否空閑，若空閑則立即發送；如果信道忙，則繼續監聽，一旦空閑就立即發送；在發送過程中，仍需繼續監聽。若監聽到沖突，則立即停止發送數據，然后發送沖突強化信號（Jam）；發送Jam信號的目的是使所有的站點都能檢測到沖突等待一段隨機時間（稱為退避）以后，再重新嘗試。CSMA/CD的工作流程可以概況為“先聽后發，邊發邊聽，沖突停止，延遲重發”。載波監聽碰撞檢測JAM阻塞信號：特殊字節來強化沖突，以便讓總線上所有設備都知道發生沖突回退算法：將所有設備停止發送一段隨機時間，然后嘗試發送數據最先發送數據幀的站，在發送數據幀后最多經過時間2（兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。以太網的端到端往返時延2稱為爭用期，或碰撞窗口。經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次成功發送數據。5.3以太網及介質訪問控制方法站點1站點2距離L傳播時延tCSMA/CD協議的時間槽時間槽——能夠檢測到沖突的時間區間（也稱為爭用時隙或碰撞窗口）若兩站點之間傳播時延為a，則時間槽＝2a。如下圖所示：站點2發送幀碰撞站點1在t＝0時發送幀站點2停止發送當δ→0時，將不會再發生沖突。這時，時間槽→2a。5.3以太網及介質訪問控制方法總結CSMA/CD:顯然，在使用CSMA/CD協議時，一個站不能同時進行發送和接收。因此，使用CSMA/CD協議的以太網只能進行半雙工通信。每個站在發送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據率。CSMA/CD的優缺點控制簡單，易于實現；網絡負載輕（40％以內）時，有較好的性能延遲較小網絡負載重時，性能急劇下降沖突數量增加各工作站需要頻繁執行重發操作大量的重發操作反過來又使沖突率進一步增加網絡延遲增大延遲時間不可預計（非確定性延遲）5.3以太網及介質訪問控制方法5.3.2典型的以太網5.3.2典型的以太網主機箱收發器電纜網卡AUI保護外層外導體屏蔽層內導體收發器RJ-45連接器1、10BASE5（粗纜以太網）同軸電纜以太網粗纜以太網（10BASE5）粗同軸電纜，可靠性好，抗干擾能力強收發器:發送/接收,沖突檢測,電氣隔離總線型拓撲

粗纜收發器AUI電纜NICVampiretap最大段長度500m每段最多站點數100≥2.5m網絡最大跨度2.5km

網絡最多5個段

終端匹配器5.3.2典型的以太網2、10BASE2（細纜以太網）主機箱BNCT型接頭BNC連接器插口BNC網卡BNC插頭細纜BNC接頭NIC細纜以太網（10Base2

）細同軸電纜，可靠性稍差無外置收發器輕便、靈活、成本較低總線型拓撲每段最大長度185m每段最多站點數30≥0.5m網絡最大跨度

925m網絡最多5個段

終端匹配器

5.3.2典型的以太網3、10BASE-T（以太網）主機箱雙絞線集線器RJ-45插頭5.3.2典型的以太網雙絞線（UTP），兩頭壓接RJ45連接器；所有站點都與HUB（集線器）相連接；

HUB的作用：信號放大與整形星形拓撲，但邏輯拓撲結構仍然是總線。輕便、安裝密度高、便于維護NICHUB每段最大長度100m多臺HUB級連可以支持更多站點雙絞線以太網（10Base-T）在雙絞線上傳送100Mb/s基帶信號的星型拓撲以太網，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD協議。100BASE-T以太網又稱為快速以太網(FastEthernet)。5.3.2典型的以太網3、100BASE-T（快速以太網）100BASE-T以太網的特點100Base-T沿用了IEEE802.3規范所采用的CSMA/CD技術。無論是幀的結構、長度還是錯誤檢測機制等都沒有做任何的改動。此外，100Base-T支持所有能夠在IEEE802.3網絡環境下運行的軟件和應用。100Base-T提供了10Mbps和100Mbps兩種網絡傳輸速率的自適應功能，網絡設備之間可以通過發送快速鏈路脈沖（FLP）進行自動協商，從而實現10Base-T和100Base-T兩種不同網絡環境的共存和平滑過度。三種不同的物理層標準根據使用的傳輸介質的不同，定義了三種不同的物理層標準：100BASE-TX使用2對UTP5類線（超5類）或屏蔽雙絞線STP。

100BASE-FX使用2對光纖。

100BASE-T4使用4對UTP3類線或5類線。

吉比特以太網允許在1Gb/s下全雙工和半雙工兩種方式工作。使用802.3協議規定的幀格式。在半雙工方式下使用CSMA/CD協議（全雙工方式不需要使用CSMA/CD協議）。與10BASE-T和100BASE-T技術向后兼容。吉比特以太網的物理層1000BASE-X基于光纖通道的物理層：1000BASE-SXSX表示短波長1000BASE-LXLX表示長波長1000BASE-CXCX表示銅線1000BASE-T使用4對5類線UTP

5.3.3以太網的MAC層源地址廣播通信方式目的地址MAC地址又稱作“物理地址”或者“硬件地址”，作用：在網絡中標識計算機身份。MAC地址又稱為物理地址，它是網絡站點的全球唯一的標識符，與其物理位置無關。注意：MAC地址是在數據鏈路層進行處理，而不是在物理層。網絡站點的每一個網絡接口都有一個MAC地址。MAC地址大多固化在網絡站點的硬件中一個站點允許有多個MAC地址，個數取決于該站點網絡接口的個數。例如安裝有多塊網卡的計算機；有多個以太網接口的路由器。網絡接口的MAC地址可以認為就是宿主設備的網絡地址IEEE802.3標準規定：MAC地址的長度為6個字節，共48位；可表示246≈70萬億個地址（有2位用于特殊用途）高24位稱為機構惟一標識符OUI

，由IEEE統一分配給設備生產廠商；如3COM公司的OUI=02608C低24位稱為擴展標識符EI，由廠商自行分配給所生產的每一塊網卡或設備的網絡接口。也可以是2個字節，但2字節的地址很少使用5.3以太網及介質訪問控制方法Ethernet幀結構-mac幀MAC幀物理層1010101010101010101010101010101011前同步碼幀開始定界符7字節1字節…8字節插入IP層以太網V2MAC幀目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報0x800IP數據報MAC幀物理層MAC層IP層以太網V2MAC幀目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式目的地址字段6字節MAC幀物理層MAC層IP層以太網V2MAC幀目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式源地址字段6字節MAC幀物理層MAC層IP層以太網V2MAC幀目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式類型字段2字節類型字段用來標志上一層使用的是什么協議，以便把收到的MAC幀的數據上交給上一層的這個協議。MAC幀物理層MAC層IP層以太網V2MAC幀目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式數據字段46~1500

字節數據字段的正式名稱是MAC

客戶數據字段最小長度64字節

18字節的首部和尾部=數據字段的最小長度

MAC幀物理層MAC層IP層以太網V2MAC幀目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式FCS字段4

字節當傳輸媒體的誤碼率為1106

時，MAC子層可使未檢測到的差錯小于11014。當數據字段的長度小于46字節時，應在數據字段的后面加入整數字節的填充字段，以保證以太網的MAC幀長不小于64字節。MAC幀物理層MAC層IP層以太網V2MAC幀目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式1010101010101010101010101010101011前同步碼幀開始定界符7字節1字節…8字節插入在幀的前面插入的8字節中的第一個字段共7個字節，是前同步碼，用來迅速實現MAC幀的比特同步。第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC幀。為了達到比特同步，在傳輸媒體上實際傳送的要比MAC幀還多8個字節5.4令牌環網及介質訪問控制方法5.4.1令牌環網令牌環網最初是由IBM公司在20世紀80年代開發的一種網絡傳輸系統。在20世紀90年代初，令牌環網體系結構與以太網進行了激烈的競爭并成為最流行的連網技術。但是后來以太網不斷改進它的實用性、速度和可靠性，并最終超過了令牌環網。IEEE802.5描述了令牌環網技術的規范。令牌網通過屏蔽或非屏蔽雙絞線以4Mbps或16Mbps速率傳輸數據，使用令牌傳遞機制和星型環狀混合物理結構，通常令牌環網比以太網實現起來更昂貴。2.令牌傳遞（TokenPassing）ABDC站點干線耦合器單向環點到點鏈路主要用于IEEE802.5令牌環網

拓撲結構：點到點鏈路連接，構成閉合環TokenRing/802.5的操作哪個站點可以發送幀，是由一個沿著環旋轉的稱為“令牌”（Token）的特殊幀來控制的。只有持有令牌的站可以發送幀，而沒有拿到令牌的站只能等待；拿到令牌的站將令牌轉換成數據幀頭，后面加掛上自己的數據進行發送；目的站點從環上復制該幀，幀則沿環繼續往下循環；數據幀循環一周后由源站點回收，并送出一個空令牌，使其余的站點能獲得幀的發送權。TokenRing/802.5的操作舉例AT=0T（c）幀循環一圈后,A將數據幀回收并放出空令牌AT=0TData（a）A有數據要發送,它抓住空令牌（b）AT=1A將令牌修改為數據幀頭,并加掛數據發送TDataCData目的站點從環上拷貝數據TDataCTDataCTDataCIEEE802.5的幀結構令牌幀數據幀/控制幀起始訪問控制幀控制目的地址源地址數據FCS結束幀狀態1112/62/6≥

04

1

1PPP

T

M

RRR優先級位令牌位監督位預約位起始訪問控制結束111訪問控制字段包括：優先級位與優先級預約位。令牌位：幀類型標識。

0：令牌幀；

1：信息/控制幀監督位：防止無效幀無限循環。令牌環網的實際結構——星形環路ABCDE集線器5.4令牌環網及介質訪問控制方法5.4.3FDDIFDDI的拓撲結構類似于環形網。它使用令牌環網所采用的令牌傳遞方式。在這種方式下，令牌沿著網絡傳遞，當一個設備需要傳送數據時，它就截取令牌并把它所要發送的數據添加進令牌，這樣就形成了一個幀。該幀沿著網絡循環傳播，直到它的目標站點接受它。與令牌環技術不一樣的是：FDDI將它的令牌環網設計成雙環結構，在兩個完整的環上運行。主環承載數據，次環作為備份，而且雙環是逆向旋轉的。當所有器件都正常時，使用主環發送數據，具有自恢復功能，如圖所示，當線路或站點出現故障時，可以將主環和次環連接起來使用。這種冗余措施使得采用了FDDI的網絡非常可靠。5.4令牌環網及介質訪問控制方法5.4.3FDDIFDDI（FiberDistributedDataInterface）傳輸速率為100Mb/s；網絡由光纖介質的雙環構成，可靠性高；介質訪問控制方法采用TokenPassing；網絡覆蓋范圍較大（幾十km～幾百km）。集中器集中器服務器主環次環FDDIDASSASSAS: