小型计算机局域网的构建

1、第1章 小型计算机局域网的构建本章提示从计算机网络的覆盖面积来分类，计算机网络可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN），城域网和广域网可认为是局域网在空间上的扩展，也可认为是由多个局域网互联组成的。所以计算机网络的建设需要从小型局域网的构建开始。建设计算机局域网的目的是通信和资源共享，用户往往对网络的构建有着各自不同的需求，各种需求下局域网的构建是不相同的。因此，计算机局域网的规划设计，必须充分考虑用户的需求，然后从实际出发，设计出合理而又能保证未来扩展需求的局域网。本章将按照考试大纲的要求，全面介绍小型计算机局域网的构建过程，并对需求分析、技术选择、设备选择和部署、设备的配

2、置，以及VLAN的划分等各步骤的重点做具体阐述。如图1-1所示是本章的知识结构图。图1-1 小型计算机局域网的构建知识结构图1.1 组网设计网络是计算机技术和通信技术合成的产物，其规划和设计是一项复杂的系统工程，需要专门的网络系统设计人员按照系统工程的方法进行统一的规划设计。作为网络管理员，应该具备能够设计小型计算机局域网的能力。网络技术现在正处于高速发展时期，各种技术标准层出不穷，相应于不同技术标准的不同设备也在被不断研发出来。网络管理员在设计小型局域网的时候，需要根据需求分析，找出其中最适合的技术标准、最适合的设备，并充分发挥现有设备的潜力，组成一个能够满足需要，又能够保证有进一步扩展空间

3、的网络。一个好的网络应保证网络系统具有完善的功能、较高的可靠性和安全性，并能扩大新的应用范围，发挥更大的潜力，而且具有先进的技术支持，有足够的扩充能力和灵活的升级能力，使先进性能保持最长的时间。本小节将系统全面地介绍局域网设计的相关知识，包括局域网的基础知识、组网设计的基本原则、设计方法和基本步骤等，并对需求分析等难点进行着重说明，本小节的最后将给出一些例题进行讲解分析。局域网是指在较小的地理范围内，将有限的通信设备互连起来的计算机网络。它是一种通信网，其覆盖地域处于广域网和多处理机系统之间。1考点提炼（1）局域网的特点从功能上讲，局域网有以下特点： 共享传输信道。在局域网中，各系统设备连接到

4、共享的通信设备中。 范围有限。小的为一个房间或数个房间，如学生宿舍中搭建的局域网，大的也不过在几千米或十几千米范围内，如学校或公司的局域网。 传输速率高。电话数字线路最大传输速率仅为56Kbps，局域网采用的是基带传输，传输速率从最初的10Mbps，经过100Mbps，到目前的1000Mbps，速率为万兆的局域网技术也已经问世。 工作可靠，误码率低。局域网多采用分布式控制和广播通信方式，通信误码率可低于甚至。从网络体系结构和传输控制规程来看，计算机局域网的特点是： 底层协议简单，由于局域网距离短、时延小、传输速率高、误码率低，相对而言信道的利用率不再是考虑的主要问题，因而底层协议比较简单，允许

5、报文有较大的报头尺寸。 小型的计算机局域网不需要中间转接，不单独设置网络层，但是如果局域网通过交换机、路由器等连接起来，并需要提供各种服务，则需要网络层，一般局域网的体系结构相当于OSI模型中的最低两层。 采用多种访问控制方式。由于可以采用的传输介质多样化，局域网有多种媒体访问控制方式，包括载波监听多路访问/冲突检测技术、令牌环控制技术、令牌总线控制技术、光纤分布式数据接口技术等。（2）局域网参考模型1982年2月，电器和电子工程师协会（IEEE）成立了IEEE 802委员会，之后该委员会制定了一系列局域网标准，称为IEEE 802标准。1983年，该标准被美国国家标准局（ANSI）接受为美国

6、国家标准，1984年3月，ISO将该标准定为国际标准。按照IEEE 802标准，局域网体系结构由物理层、媒体访问控制子层（MAC，Media Access Control）和逻辑链路控制子层（LLC，Logical Link Control）组成。如图1-2所示是IEEE 802的参考模型。图1-2 IEEE 802参考模型在局域网中采用了两级寻址，用MAC地址标识局域网的一个站，LLC提供了服务访问点（SAP）地址，SAP指定了运行在一台计算机或网络设备上的一个或多个应用进程 地址。（3）局域网拓扑结构网络拓扑结构是指一个网络中各计算机节点之间互联的几何形状。任意一种局域网的访问控制方式都规

7、定了它们各自的网络拓扑结构。局域网的网络拓扑结构通常分为3种，分别是总线状拓扑结构、星状拓扑结构和环状拓扑结构。 总线状拓扑结构。所有节点都通过相应硬件接口连接到一条无源公共总线上，任何一个节点发出的信息都可沿着总线传输，并被总线上其他任何一个节点接收，它的传输方向是从发送点向两端扩散传送，是一种广播式结构。在LAN中，采用带有碰撞检测的载波侦听多路访问，即CSMA/CD方式。每个节点的网卡上有一个收发器，当发送节点发送的目的地址与某一节点的接口地址相符，该节点即接收该信息。总线结构的优点是安装简单、易于扩充、可靠性高，一个节点损坏，不会影响整个网络工作。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其他

8、端用户必须等到获得发送权，媒体访问获取机制较复杂。如图1-3所示是总线状拓扑结构。图1-3 总线状拓扑结构 星状拓扑结构。也称为辐射网，它将一个点作为中心节点，该点与其他节点均有线路连接。具有N个节点的星状网至少需要N1条传输链路。星状网的中心节点就是转接交换中心，其余N1个节点间相互通信都要经过中心节点来转接，在数据网络中，这种设备是主机或集线器。因而该设备的交换能力和可靠性会影响网内所有用户。星状拓扑结构的优点是：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一个设备，不会影响全网，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

9、方法很简单，从而访问协议也十分简单。星状拓扑结构的缺点是：每个站点直接与中央节点相连，需要大量电缆，因此费用较高；如果中央节点产生故障，则全网不能工作，所以对中央节点的可靠性和冗余度要求很高，中心系统通常采用双机热备份来提高系统的可靠性。如图1-4所示是星状拓扑结构。图1-4 星状拓扑结构 环状网络拓扑结构。环状结构中的各节点通过有源接口连接在一条闭合的环状通信线路中，是点点式结构。环状网中每个节点发送的信息流按环路设计的流向流动。为了提高可靠性，可采用双环或多环等冗余措施来解决。目前的环状结构中采用了一种多路访问部件MAU，当某个节点发生故障时，可以自动旁路，隔离故障点，这也使可靠性得到了提

10、高。环状结构的优点是实时性好，信息吞吐量大，网的周长可达200km，节点可达几百个。但因环路是封闭的，所以扩充不便。这种结构在IBM于1985年推出令牌环网后，已被人们接受。目前推出的FDDI网就是使用这种双环结构。如图1-5所示是环状网络拓扑结构。图1-5 环状网络拓扑结构2难点解析（1）IEEE 802各层的作用IEEE 802参考模型的最低层对应于OSI模型中的物理层，包括以下功能： 信号的编解码； 用于接收同步码元的生成和去除； 比特流的发送/接收。IEEE 802参考模型的MAC层和LLC层合并起来对应OSI模型中的数据链路层，MAC子层完成的功能如下： 在发送的时候将要发送的数据组

11、装成带有地址和差错校验段的帧； 在接收时，对帧进行拆卸，进行地址识别和差错检测； 管理和控制对于局域网内传输媒体的访问。LLC子层完成的功能如下： 为高层协议提供一个或多个服务访问点（SAP），通过SAP支持面向连接的服务和复用能力； 端到端的差错控制和确认，保证无差错传输； 端到端的流量控制。（2）网络设计的基本原则网络设计的目标是选择合适的技术和设备，进行合适的配置，但怎样才能做到“合适”呢？这取决于每个人对客户及其需求的了解程度。网络建设者可以用不同的方式实现组网设计，但成功的网络设计都要遵循一些最基本的原则。 实用性。建设局域网的目的是满足用户的需求，用户的需求是规划的基础。在没有充分

12、理解用户需求的情况下进行网络设计，最终必然不能达到建设要求。网络往往需要满足各个用户的不同需求，从而满足整个组织机构的所有业务需求。实用性也就是组网设计以人为本。 可扩充性。组网设计的时候，应该关注未来的技术发展方向，不采用限制新技术发展的技术标准。比如多播是未来的发展趋势，组网设计者应该保证在新技术得到普及的时候，所设计的局域网无须将现有设备全部撤换，而只需要具有网络扩展和升级选项的硬件和软件就可实现新的功能。 开放性。组网设计应采用当前最新国际标准的软硬件以及开放的技术、开放的结构、开放的系统组件和用户接口，使网络系统具备与多种协议计算机通信网络互联的特性，为未来的横向扩展提供必要的条件。

13、 成本有效性。充分考虑资金投入能力，应该以最好的性价比去构建网络系统，组网设计并非是一味追求高性能，因为高性能往往意味着高投资，如果网络系统的投入超出该系统带来的利润，这显然是不合适的，另外该高性能网络系统未必得到充分利用。所以组网设计应该根据用户的应用需求，在满足系统性能以及考虑到在可预见期间不失先进性的前提下，尽量使整个系统投资合理且实用性强。 可管理性。计算机网络具有一定的复杂性，随着网络的发展，其管理必然越来越繁重。所以网络设计者应该建立一套完善的网络管理解决方案。通过先进的管理策略、管理工具提高网络运行的可管理性和可靠性，简化网络维护工作。 安全可靠性。为了保证各项应用的实现，所设计

14、的网络必须具有高可靠性。应该尽量避免系统的单点故障，应提供冗余措施，并采用先进的网络管理技术，对网络信息流量进行实时监控，并对数据进行处理，及时查出并排除故障。同时采取合适的安全措施，如设置防火墙等等。3典型例题【例题1-1】局域网络标准对应OSI模型的 层。A下2层 B下3层 C下4层 D上3层【答案】B【解析】对于小型局域网来说，物理层和数据链路层都是必要的，但是网络层是不必要的。因为局域网的拓扑结构非常简单，多个站点共享传输信道，在任何两点之间只有惟一的一条链路，不需要机械路由选择和流量控制。但从OSI的观点来看，网络设备应连接到网络层的服务访问点SAP上，这样看来，网络层必不可少。局域

15、网采用的方法是：不设置网络层，但将网络层的服务访问点SAP设在数据链路层的上面。这样局域网的参考模型只相当于OSI的下3层。可参看图1-2 IEEE 802参考模型。【例题1-2】局域网总线/树拓扑的多点介质传输系统中，要使多个站点共享单个数据通道，需要特别考虑解决 （1） 和 （2） 这两个问题。例如采用50同轴电缆作为传输介质并构成总线拓扑的网络系统，可使用基带技术传输数字信号，总线上 （3） ，总线两端加上终端匹配器用以 （4） 。（1） A数据帧格式B介质访问控制方法C通信协议类型D信道分配方案（2） A信号平衡B站点之间性能匹配C数据编码方案D介质传输性能（3） A整个带宽由单个信号

16、占用B整个带宽被分成多路数据信道C可传输视频或音频信号D数据只能单向传输（4） A防止信号衰减B增强抗干扰能力C降低介质损耗D阻止信号反射【答案】（1）B （2）A （3）A （4）D【解析】总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式，也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，在同一时间只能由一个信号独占物理媒体。因此需要特别考虑介质访问控制方式。同时，因为总线结构末端的非密封性，应特别考虑信号的平衡，如采用同轴电缆作为传输介质，两端应采用终端匹配器以防止信号反射。【例题1-3】1980年2月，电器和电子工程协会成立了IEEE 802委员会，当时个人计算机联网刚刚兴起，该委员会针

17、对局域网提出了一系列标准，称做IEEE 802标准，该标准很快成为国际标准，现在局域网的连接都是采用该标准。问题1：按照IEEE 802标准，局域网体系结构分成哪几部分？问题2：在哪个部分进行地址识别？问题3：局域网一般采用哪两种访问控制方式？这两种访问控制方式一般选用什么样的拓扑结构？【答案】问题1：物理层、媒体访问控制子层和逻辑链路控制子层。问题2：媒体访问控制子层。问题3：CSMA/CD和令牌环，其中CSMA/CD多是采用星状拓扑结构，而令牌环则是采用环状拓扑结构。【解析】 IEEE 802参考模型的MAC层和LLC层合并起来对应OSI模型中的数据链路层，MAC层完成的功能主要有：在发送

18、的时候将要发送的数据组装成带有地址和差错校验段的帧；在接收的时候对帧进行拆卸，执行地址识别和差错检测；管理和控制对于局域网传输媒体的访问。局域网对传输媒体的访问主要有两种，一种是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD），一般使用星状拓扑结构，集线器作为中间节点；另一种是令牌环，是环状拓扑结构。1考点提炼同所有的开发技术一样，当设计一个局域网时，必须遵循一定的设计过程。任何局域网的设计时间都不可能是无限期的，限期往往或长或短。正是由于时间的限制，一些设计者往往不按照正规的设计过程进行设计，而是急着直接开始设计后期工作，最后往往不能很好地完成工作，反而浪费了时间。好的正规的设计过程不但不会成为

19、设计者的工作负担，反而会使设计过程更加高效、简单。一般把组网设计分为如下步骤：需求分析，现有网络分析，逻辑网络设计，物理网络设计，周边服务设施支持。（1）需求分析网络设计的最终目的是为了使用，所以设计者设计出来的网络必须符合实际需求，需求分析就是对各方面的实际需求进行调研，保证后面设计有法可依。需求分析是开发过程中最关键的阶段。设计者必须对需求提供网络设计应达到的目标，需求分析是一项很费时间和精力的工作，而且最终所得到的结果未必确切，但是需求分析可以使设计者更好地评价现有网络，更客观地做出决策，给所有用户提供合适的资源。不同的用户有不同的需求，一个公司的各个部门都会有各自的不同需求，所要考虑的

20、需求包括5种，分别是组织整体需求、用户需求、应用需求、计算机平台需求和网络需求。这5种需求分析具有层次性，每一层都有各自相应的服务和需求，如图1-6所示是需求分析层状结构。 组织整体需求所谓组织整体需求是指所要设计网络整体上的需求，包括该网的最终业务类型、公司的投资计划、公司未来发展对该网的要求、安全性等。搜集组织整体需求应该贯穿于需求分析的始终，要充分考虑网内各用户的需求，但是要优先考虑组织整体的需求。只有了解所要设计网络的用途，网络设计者才能设计出最适合其商业运作模式的网络。 用户需求除了了解组织整体的需求外，还需了解网内每个用户的需求，或者说是每个用户的关注点。为了设计符合用户需求的网络

21、，必须知道哪些服务或功能对用户的工作是重要的，哪些是不重要的。这些服务有可能需要网络，也可能只需要本地计算机就可以实现。需要注意的是，用户叙述的需求总是主观而且可变的，与用户的环境有关。所有这些信息在这个阶段都应该记录下来，最后要用这些线索来指导参数的量化。例如销售部门总会抱怨网速太慢，但是设计部门就不会有这种抱怨，这条线索应该被记录下来，并应该根据这条线索进行进一步的调查和分析。图1-6 需求分析层状结构 应用需求应用需求指的是网络在应用层面的需求。在ISO七层模型中，应用层是最高层，提供面向最终网络用户的大量通信服务，高层的独立于系统的应用实体均在这一层实现。而应用需求指的就是这些高层应用

22、实体对网络资源的需求情况，既包括办公活动（字处理或财务）、图像处理、声频和视频输出、数据库支持等的网络需求，也包括多用户资源，如打印机、传真服务器的使用等。每一种应用对网络服务都有其自身的需求。搜集的时候，应该弄清楚同一活动是在整个网络中发生，还是不同用户群体完成不同的任务。如果应用程序的用户集中于网络的某个区域，最好把该应用程序安装在附近的某个服务器上，这样可以将网络数据流量控制在这个区域内。 计算机平台需求计算机平台需求可以帮助设计者了解很多问题的真相，比如用户抱怨网速太慢，但这未必是网络性能的因素影响，也可能是计算机的处理器、内存、网卡带宽等平台性能的因素影响。计算机平台包括硬件平台和软

23、件平台，硬件平台包括个人计算机、工作站、服务器等，软件平台指的是建立在硬件平台上的操作系统。分析硬件平台需求应该着重注意微处理器、内存、输入输出等。现在流行的操作系统包括Windows 95/98/2000/2003、Windows NT、Windows XP、Linux、OS/2、MAC OS、Solaris等。 网络需求网络需求指的是网络本身和将要对其进行管理的网络管理员对网络的需求。依照网络本身的需求可以保证设计出的网络符合局域网的基本要求。设计出的网络最终要交付给该网络的网络管理员去管理，这就要保证设计出来的网络易于管理和维护，包括能够尽早发现网络故障，增删用户等实际操作更简便易行。需求分析最终要编写出需求说明书，该说明书有3个作用：一是更便于网络设计者通盘考虑，编写需求分析的过程也就是网络设计者整体把握的过程；二是可将其作为小组内协作设计的依据；三是能够向决策层提供决策所用的信息。需求分析应包括5部分：综述、需求分析阶段总结、需求分析数据总结、需求清单、申请批准部分。（2）现有网络分析现有网络包括已有的网络组件和硬件平台，已有的网络组件包括Hub、交换机、路由器等，并应该对其现阶段的利用率进行分析，测试其网络性能，检查其能否满足设计要求，能否继续使用。硬件平台是指当前阶段个人计算机、工作站、服务器等的本身参数、网