组网技术与网络管理（第二版） 第4章 局域网组网技术

组网技术与网络管理 本章要点： 局域网的技术特点 局域网的技术标准 局域网拓扑结构和组网模式 虚拟局域网技术 无线局域网技术 第 4章 局域网组网技术 组网技术与网络管理 域网简介 要构建局域网，首先要有其基本组成部件。 然少不了计算机，包括大型机、小型机或个人计算机 (要将计算机互联在一起，当然也不可能没有传输介质，这种介质可以是同轴电缆、双绞线、光缆或辐射性媒体等。 还有一个部件是任何一台独立计算机通常都不配备的网卡，也称为网络适配器，但在构建 是不可少的部件。 最后一个部件是将计算机与传输媒体相连的各种连接设备，例如： 局域网的基本组成 组网技术与网络管理 域网简介 局域网的基本组成 P C P 工 作 站服 务 器具备了上述 4种网络构件后，即可构建一个基本的 下图所示： 组网技术与网络管理 组成局域网必不可少的 5个组成要素如下： 域网简介 局域网的基本组成 计算机 (特别是 传输媒体 网络适配器 网络连接设备 网络操作系统 组网技术与网络管理 范围有限 ， 用户个数有限 ， 仅用于作为办公室 、 工厂 、 学校等的内部网络；通信距离通常为 25 高传输速率 ， 一般为 1100光纤高速网的传输速率可高达100010 传输质量好 ， 误码率低 ， 一般可达 1010 传输介质较多 ， 既可使用通信线路 (如电话线 )， 又可使用专门的线路(例如同轴电缆 、 光纤 、 双绞线等 )。 局域网侧重于共享信息的处理 ， 而广域网侧重于共享位置准确无误及传输的安全性 。 易于安装和维护 。 局域网的技术特点 域网简介 局域网是短距离工作的网络 ， 其主要特点包括如下几个方面： 组网技术与网络管理 局域网的出现，使计算机网络的优势获得更充分地发挥，在很短的时间内计算机网络就深入到各个领域。因此，局域网技术是目前非常活跃的技术领域，各种局域网层出不穷，并得到广泛地应用，极大地推进了信息化社会的发展。 尽管局域网是最简单的网络，但这并不意味着它们必定是小型的或简单的，局域网可以变得相当庞大或复杂，具有成百上千个用户的局域网也是很常见的。 域网简介 局域网的技术特点 组网技术与网络管理 域网的拓扑结构 总线型拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或总线上。任何一个站点发送的信号都可以沿着传输介质进行传播，而且能被其他所有站点接收 。 总线型拓扑结构的优点是：电缆长度短，易于布线和维护；结构简单，传输介质又是无源元件，从硬件的角度看，十分可靠。总线型拓扑结构的缺点是：由于所有节点都在同一线路上进行通信，因此任何一处故障都会导致所有的节点无法完成数据的发送和接收；这种结构的网络不是集中控制的，所以需要在网上的各个站点上进行故障检测；另一个缺点是，网络信息流通量使得总线异常拥挤，因此需要添加网桥和其他设备来控制信息流量。 总线拓扑图如下图所示： 总线拓扑结构 组网技术与网络管理 环型拓扑结构是由连接成封闭回路的网络节点组成的 ， 每一个节点与它左右相邻的节点相连接 。 环型网络通常使用令牌环来决定哪个节点可以访问通信系统 。 在环型网络中信息流向为单向 ， 每个收到信息包的站点都要向它的下游站点转发该信息包 。 信息包在环网中 “ 旅行 ” 一圈 ， 最后由发送站进行回收 。 当信息包经过目标站时 ， 目标站根据信息包中的目标地址判断出自己是接收站后 ， 把该信息包复制到自己的接收缓冲区中 。 为了决定环网上的哪个站可以发送信息 ， 通常在环上流通着一个叫做令牌的特殊信息包 ， 只有得到令牌的站才可以发送信息 ， 当一个站发送完信息后就把令牌向下传送 ， 以便下游的站点可以得到发送信息的机会 。 环型拓扑结构 域网的拓扑结构 组网技术与网络管理 环型拓扑结构的优点在于它能高速运行，而且用于避免冲突的结构相当简单。因为用于创建环型拓扑结构的设备能轻易地定位出故障的节点或电缆问题，所以环型拓扑结构管理起来比总线拓扑结构容易。这种结构非常适用于在 处理高容量的网络信息流通量时要优于总线拓扑结构。 然而，环型拓扑结构在实施时的费用比总线拓扑结构要昂贵。一般情况下，它在实施时需要的电缆和网络设备就比较多，而且环型结构中的网卡等通信部件比较昂贵且管理复杂得多。环型拓扑结构在小型办公环境中并不常见，这与总线拓扑结构不同。环型结构在以下两种环境中比较常见：一是在工厂环境中，因为环网的抗干扰能力比较强；二是在有许多大型机的环境中，采用环型结构易于将局域网用于大型机网络中。 域网的拓扑结构 环型拓扑结构 组网技术与网络管理 星型拓扑结构是由通过点到点线路连接到中央节点的各站点的集合。在星型网络中有一个惟一的转发节点 (中央节点 )，每一台计算机都通过单独的通信线路连接到中央节点。星型拓扑结构是应用时间最长的一种通信设计方法，但在先进的网络技术的推动下，星型拓扑结构仍是现代网络的比较好的选择。 星型拓扑结构的物理布局由与中央集线器相连的多个节点组成。集线器是一种将各个单独的电缆段或单独的 些集线器也被称为集中器或存取装置。单一的通信电缆段像星星一样从集线器处向外辐射。 星型拓扑结构 域网的拓扑结构 组网技术与网络管理 星形拓扑结构的优点是：利用中央节点可方便地提供服务和重新配置网络；单个连接点的故障只影响到一个设备，可以通过网络设备轻易地将出故障的站点进行隔离，不会影响到全网，因此容易检测和隔离故障，便于维护；任何一个连接只涉及到中央节点和一个站点，因此，控制介质访问的方法很简单，访问协议也十分简单。星型拓扑结构的缺点是：每个站点直接与中央节点相连，需要大量的电缆，因此费用较高； 如果中央节点产生故障，则全网都不能工作，所以对中央节点的可靠性和冗余度要求很高 。 在星型拓扑结构中，网络中的各节点都连接到一个中心设备上，由该中心设备向目的节点传送信息。星型拓扑结构方便了对大型网络的维护和调试，对电缆的安装检验也比较容易。由于所有的工作站都与中心节点相连，所以，在星型拓扑结构中移动某个工作站十分简单。 域网的拓扑结构 星型拓扑结构 组网技术与网络管理 在网状拓扑结构中，网络的每台设备之间均有点到点的链路连接，通常情况下，每台设备通过单独的缆线连接到其他设备，提供了通过网络的冗余途径。如果某一条链路出现故障时，数据可以通过另外一条链路继续通信，大大地提高了网络的可靠性，如图 4 网状结构的主要优点在于：各个节点之间互相直接建立连接，即使网络中的局部出现故障，也不会影响到全网的操作，具有很高的可靠性；网络中的路径选择使用最短路径算法，因此网上延迟时间少、传输速率高、信息流程短。其主要不足在于：网络链路复杂、费用高，管理维护也很复杂。因此网状拓扑通常不适用于一般的局域网，而主要用于骨干网络。 网状拓扑结构 域网的拓扑结构 组网技术与网络管理 现代网络综合了总线拓扑结构的逻辑通信和星型拓扑结构的物理布局。在这种网络设计中，从星的中央辐射的分支就像是单独的逻辑总线的段，但是只连接一台或两台计算机。 段仍然在两端终止，其优点是在这里没有暴露终结器。在每一段上，一端在集线器内终止，另一端在网络设备上终止。总线 星形网络设计的 另一个优点是，只要遵循 线器数目和被连接设备的数目等网络规范，用户可以通过连接多个集线器向许多方向扩展网络。集线器之间的连接是一个主干，主干通常允许二者间的高速通信。有些集线器是具有内建智能的，可以协助检测故障。同时，集线器还为实施高速网络互联提供了许多扩展的机会。由于这是一种非常流行的网络设计，所以有大量的设备可供使用。 星型物理布局中的总线网络 域网的拓扑结构 组网技术与网络管理 02为局域网制定了一系列的标准，主要有如下几种标准： (1)域网体系结构以及网络互联。 (2) (3)介质访问控制协议及相应物理层的规范。 (4)介质访问控制协议及相应物理层的规范。 其中， 能稳定、实时性强、成本较低等优势，成为目前应用最广泛的局域网技术，本节将重点介绍以太网的技术标准，其他标准只作简要介绍。 组网技术与网络管理 种争用协议只适用于逻辑上属于总线拓扑结构的网络。在总线拓扑结构的网络中，每个站点都能独立地决定帧的发送，若两个或多个站点同时发送帧，就会产生冲突，导致所发送的帧都出错。一个用户发送信息成功与否，在很大程度上取决于监测总线是否空闲的算法，以及当两个不同节点同时发送的分组发生冲突后所使用的中断传输的方法。总线争用技术可分为载波监听多路访问 近几年来，以太网技术不断得到改进，新的标准也不断涌现，从一步发展为 00 最新的快速以太网可以 10 以太网： 组网技术与网络管理 以太网的媒体访问控制方法是带有冲突检测的载波侦听多路存取(D)。 计算机逻辑 )。 它对应于 从逻辑上可以将它划分为两大部分：一部分由 实现 另一部分实现物理层功能 。 把依赖于媒体的特性从物理层中分离出来的目的 ， 是使得 1. 以太网简介 以太网： 组网技术与网络管理 在物理层内定义了两个兼容接口：依赖于媒体的媒体相关接口 有的站点都必须遵循这个物理媒体接口完全兼容。由于大多数站点都设在离电缆连接处有一段距离的地方，在与电缆靠近的 大部分硬件和全部的软件都在站点中， 供高一层差错恢复规程使用。 供包括成帧、载波监听、启动传输和解决争用、在两层间传送串行比特流的设施及用于定时等待等功能。 以太网： 组网技术与网络管理 在以太网中，发送节点使用 络上需要传输帧的所有节点都与另外的节点竞争资源，没有哪个节点的优先级比其他节点高。节点在电缆上监听所有包的传输，如果检测到一个包，非发送节点就进入 “ 延迟 ” 状态。以太网协议要求每次只能有一个节点进行传输。通过发送一个载波信号来完成传输。为了检测传输中是否有载着数据的信号，需要检测通信电缆中特定的电压级别，这个过程就是载波侦听 (当节点在给定时间内没有从通信介质中检测到信号流量时，所有的节点便都具备了传输的资格。 在少数情况下，会出现多个节点同时传输的现象，这就会引起冲突(传输节点是通过测量信号长度来检测冲突的：如果信号至少有正常长度的两倍长，就说明发生了冲突。 以太网： 组网技术与网络管理 传输节点应用冲突检测软件算法从包冲突中恢复，这种算法会给已经传输了的数据分配一段时间，让它们得以继续传输。继续传输的数据是全部为二进制 1的停发信号，用于通知所有的节点出现了冲突。然后在每个节点上的软件生成随机的数字，作为传输前需要等待的时间值。这样即可保证不会有两个节点试图同时再次传输。 帧按照物理编址查找其特定的目标。网络接口卡 (将工作站或服务器连接到网络通信电缆上，每一台工作站和服务器都有一个与其网络接口卡相关的惟一的第 2层地址。这个地址嵌在 片中。 执行这些功能的计算机逻辑被编译到程序和相关的文档中，这些文档被称为网络驱动程序。每个 据封装格式和编址方法相适应的网络驱动程序。驱动程序被安装在计算机中。 以太网： 组网技术与网络管理 当数据在以太网中传输时 ， 它被封装在帧中 ， 如图 4 帧起始定界符 目的地址 源地址表示数据字段字节数长度的字段 要发送的数据字段 、 填充字段个字段 。 这 8个字段中除了数据字段和填充字段外 ， 其他字段的长度都是固定的 ， 其帧格式如下所示： 2. 以太网帧结构 以太网： 前 同 步 信 号 帧 定 界 符 开 始 目 的 地 址 源 地 址 数 据 字 段 长 度 数 据 帧 校 验7 1 2 或 6 2 或 6 2 4 6 - 1 5 0 0 4组网技术与网络管理 其内容主要有数据封装和媒体访问管理两个方面 。 数据封装 (发送和接收数据封装 )包括成帧 (帧同步和帧定界 )、 编址 (源地址及目的地址的处理 )和差错检测 (物理媒体传输差错的检测 )等；媒体访问管理包括媒体分配和竞争处理 ， 其功能模块如下图所示： 3. 以太网： L L C 子 层M A C 子 层发 送 数 据 封 装发 送 媒 体 访 问 管 理接 收 数 据 解 封 装接 收 媒 体 访 问 管 理物 理 收 发 信 号发 送 数 据 编 码 接 收 数 据 解 码对 L L C 的 访 问对 物 理 层 的 访 问组网技术与网络管理 在以太网中 ， 收发器通过一个安装在 接到 该网络接口卡包含缓存数据以及在收发器电缆和 收发器也进行错误检测 、 生成帧 、 确定在冲突发生后何时重传以及确认发往其 简而言之 ， 它执行与 4. 以太网数据传输 以太网： 组网技术与网络管理 令牌环在物理上是由一系列环接口和这些接口间的点 各站点通过环接口连接到网上 。 对媒体具有访问权的某个发送站点 ， 通过环接口出径链路将数据帧串行发送到环上；其余各站点便从各自的环接口入径链路逐位接收数据帧 ， 同时通过环接口出径链路再生 、 转发出去 ， 使数据帧在环上从一个站点到下一个站点环行 ， 所寻址的目的站点在数据帧经过时读取其中的信息；最后 ， 数据帧绕环一周返回到发送站点 ， 并由它从环上撤除所发的数据帧 ， 其拓扑如下图所示： 令牌环： 1. 令牌环简介 工 作 站工 作 站工 作 站工 作 站工 作 站工 作 站工 作 站工 作 站组网技术与网络管理 (1) 网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行。令牌是一个特殊的比特模式，其中包含一位 “ 令牌 /数据帧 ” 标志位，标志位为 0时表示该令牌为可用的空令牌，标志位为 1时表示有站点正占用令牌在发送数据帧。 (2) 当一个站点需要发送数据时，必须等待并获得一个令牌，将令牌的标志位置改为 1，随后便可发送数据。 (3) 环路中的每个站点边转发数据，边检查数据帧中的目的地址，如果是本站点的地址，立即读取其中所携带的数据。 (4) 数据帧环绕一周返回时，发送站将其从环路上撤销。同时根据返回的有关信息确定所传数据有无出错，若有错则重发存储在缓冲区中的待确认帧，否则释放缓冲区中的待确认帧。 (5) 发送站点完成数据发送后，重新产生一个令牌传到下一个站点，以便使其他站点获得发送数据帧的许可权。 2. 令牌环的操作过程 令牌环： 组网技术与网络管理 令牌环的故障处理功能主要体现在对令牌和数据帧的维护上。令牌本身就是比特串，它在绕环传递的过程中也可能受干扰而出错，以至造成环路上无令牌循环的差错；另外，当某站点发送数据帧后，由于故障而无法将所发的数据帧从网上撤销时，又会造成网上数据帧持续循环的差错。令牌丢失和数据帧无法撤销，是环网上最严重的两种差错，可以通过在环路上指定一个站点作为主动令牌管理站，以此来解决这些问题。 3. 令牌环的维护 令牌环： 组网技术与网络管理 主动令牌管理站通过一种超时机制来检测令牌丢失的情况，该超时值比最长的帧为完全遍历环路所需的时间还要长一些。如果在超时值规定的时间内没有检测到令牌，管理站便认为令牌已经丢失，然后清除环路上的数据碎片并发出一个令牌。 为了检测到一个持续循环的数据帧，管理站在经过的每一个数据帧上，将数据帧的监控位设置为 1，如果管理站检测到某个数据帧的监控位为 1，便知道有某个站未能清除自己发出的数据帧，管理站将清除环路上的这些数据帧，并发出一个令牌。 令牌环： 组网技术与网络管理 令牌环网在轻负荷时，由于存在等待令牌的时间，故效率较低；但在重负荷时，对各站公平访问且效率高。 考虑到帧内数据的比特模式可能会与帧的首尾定界符形式相同，可以在数据段采用比特插入法或违法码法，以确保数据的透明传输。采用发送站点从环上收回帧的策略，具有对发送站点自动应答的功能，并具有广播特性，即存在多个站点接收同一数据帧。 令牌环的通信量可以调节，一种方法是通过允许各个站点在收到令牌时传输不同量的数据，另一种方法是通过对站点设置优先权，使具有较高优先权的站点先得到令牌。 4. 令牌环的特点 令牌环： 组网技术与网络管理 载波监听多路访问 /冲突检测 (D)媒体访问控制利用总线争用方式控制数据传输，具有结构简单、在轻负载下延迟小等优点，但是随着负载的增加，导致冲突概率增加，它的性能将明显下降。利用令牌环(体访问控制方式，具有重负载下利用率高、网络性能对距离不敏感以及具有公平访问等优点，但是环型网结构复杂，存在检错和可靠性等问题。令牌总线 (体访问控制综合了以上两种媒体访问控制的优点， 令牌总线媒体访问控制方法将局域网物理总线的站点构成一个逻辑环，每一个站点都在一个有序序列中被指定一个逻辑位置，在序列中，最后一个站点的后面跟随的是第一个站点。每个站点都知道在自己前面的前趋站和在自己后面的后继站的标识 。 令牌环： 组网技术与网络管理 光纤分布式数据接口 (准于 80 年代中期得到发展，它提供的高速数据通信能力要高于以太网(10令牌环网 (4或 16 重负荷网络的高容量输入输出提供了一种访问方法。 当数据以 1000牌环网相比，有很大的进步；但是随着快速以太网的发展， 常见的应用就是提供对网络服务器的快速访问。 组网技术与网络管理 对等网络是非结构化的访问网络资源的方式，对等网中的每一台设备可以同时作为客户机和服务器。每一台网络计算机与其他联网的计算机是对等 (，它们没有层次的区别。网络中的所有设备可以直接访问数据、软件或其他网络资源。 对等网具有构架简单、价格低廉、维护方便和可扩充性好等优点。对等网主要用于一些小型企业，因为它不需要服务器，所以成本较低，但是对等网只是局域网中最基本的一种，许多管理功能难以实现。 对等网 组网技术与网络管理 客户机 /服务器网络又叫服务器网络，在客户机 /服务器网络中，计算机被划分为服务器和客户机。基于服务器的网络引进了层次结构，是为了适应网络规模增大所需的各种支持功能而设计的。通常将基于服务器的网络称为客户机 /服务器网络。 客户机 /服务器网络应用于大中型企业，用于实现数据共享，进行网络化管理和开网络化会议等功能。还提供了强大的 中包括 乎是一种近乎完美的局域网架构方案，但是它需要配备一台或多台高档服务器，所以成本较高，但是对于企业而言，它的功能对企业的工作效率及业务工作带来了极大的方便，远远超过了对它的投资。 客户机 /服务器网 组网技术与网络管理 无盘工作站，顾名思义，就是没有硬盘，基于服务器网络的一种结构，无盘工作站利用网卡上的启动芯片与服务器相连接，使用服务器的硬盘空间进行资源共享。 无盘工作站网络可以实现客户机 /服务器网络所具有的所有功能，在它的工作站上，没有磁盘驱动器，因为每台工作站都需要从远程服务器启动，所以对服务器、工作站以及网络组建的要求较高，因而它的成本并不比 “ 客户机 /服务器网络 ” 成本低，但是它的稳定性、安全性一直为大众所看好，特别是被一些安全系数要求较高的企业所看中。 无盘工作站网 组网技术与网络管理 拟局域网 虚拟局域网 的是在物理网络基础架构上，利用交换机和路由器的功能，配置网络的逻辑拓扑结构，从而允许网络管理员任意地将一个局域网内的任何数量网段聚合成一个用户组，使得这些网段好像同在一个单独的局域网中。 虚拟网在逻辑上等于 层的广播域，与具体的物理网和地理位置无关。虚拟工作组可以包含不同位置的部门和工作组，不必在物理上重新配置任何端口，真正实现了网络用户与它们的物理位置无关性。 根据功能、应用等因素将用户在逻辑上划分为一个个功能相对独立的工作组，每个用户主机都连接在一个支持 同属于一个 组网技术与网络管理 拟局域网 V L A N 1V L A N 2V L A N 3V L A N 1V L A N 2V L A N 3V L A 组网技术与网络管理 灵活的、软定义的、边界独立于物理媒质的设备群。 交换机承担了网络的分段工作，而不再使用路由器来完成。通过使用够将原来一个物理上的局域网划分成许多个逻辑意义上的子网，而不必考虑具体的物理位置，每一个 如部门、车间和项目组等。 高了网络的安全性。由于在相同的 此减少了数据窃听的可能性，极大地增强了网络的安全性。 在同一个虚拟局域网的成员之间提供低延迟、线速的通信。 网络上传送的包只能与位于同一个 善网络环境，尤其是在支持广播 /多播协议和应用程序的局域网环境中，会遭遇到如潮水般涌来的包；而在 以轻松地拒绝其他 而减少网络流量。 拟局域网 组网技术与网络管理 1. 基于端口 2. 基于硬件 3. 基于网络层 拟局域网 组网技术与网络管理 链路聚合 (一种封装技术 ， 它是一条点到点的链路 ， 链路的两端可以都是交换机 ， 也可以是交换机和路由器 ， 还可以是主机和交换机或路由器