计算机组网技术 课件 项目3 局域网组网技术

项目三

局域网组网技术任务1局域网简介任务2局域网的拓扑结构任务3局域网的标准任务4扩展的局域网任务5无线局域网任务1局域网简介任务引入小东学校机房一个屋子电脑组成一个局域网，宿舍几台笔记本也组成了局域网，老师不同的办公室之间也可以组成局域网，那么常见的局域网有哪些？局域网的基本组成及技术特点都是什么呢？知识准备一、局域网的基本组成计算机网络是由通信电缆或无线电波连接的计算机、打印设备、网络设备和计算机软件的集合。根据其距离和复杂性，计算机网络可以分成3类：局域网、城域网和广域网。局域网（LocalAreaNetwork，简称LAN）是一组计算机和其他硬件设备，在物理地址上彼此相隔不远，以允许用户以相互通信和共享诸如打印机和存储设备之类的计算资源的方式互联在一起的计算机系统。局域网提供了物理距离几千米以内网站（计算机）的性价比理想的连通性，这个范围足以覆盖一座办公大楼、一个公司驻地或一座大学校园。传统局域网（LocalAreaNetworks，LAN）是分组广播式网络，这是与分组交换式的广域网的主要区别。按局域网的体系结构可以分为工作站/文件服务器结构、客户机/服务器结构和对等网结构。（1）局域网传输介质常见的网络传输介质可分为两类：一类是有线传输介质；一类是无线传输介质。（2）网络适配器网络适配器即网络接口卡（NetworkInterfaceCard，NIC），简称网卡，网卡是实现计算机互联的重要设备，在局域网系统中，互联起来的每个端设备上都有网卡，其作用是为工作站与网络间提供数据传输的功能，为工作站与网络建立逻辑和物理链路。（3）网络服务器在网络系统中，网络服务器负责管理系统的共享设备，同时负责提供数据和文件管理、打印、通信等标准化服务。服务器是局域网中的核心设备，负责部分或全部网络的运行和数据的控制管理。（4）用户工作站工作站也叫客户机，是网络的前端窗口，是局域网上的各种用户和终端设备的通称，用户通过运行前端的应用程序来获得网络服务器的服务，并访问网络服务器中的共享资源。二、局域网的技术特点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。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0.1～25km。高传输速率，一般为1～100Mb/s，光纤高速网的传输速率可高达1000Mb/s～10Gb/s。传输质量好，误码率低，一般可达10-8～10-11。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。任务2局域网的拓扑结构任务引入小东了解了局域网的基本组成及局域网的技术特点，局域网的体系结构都是什么呢？总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑及网状拓扑都是什么结构？知识准备一、总线拓扑结构总线（如图（a）所示）是一种多点广播介质，所有的站点都通过接口硬件连接到总线上。工作站发出的数据组织成帧，数据帧沿着总线向两端传播，到达末端的信号被终端匹配器吸收。数据帧中含有源地址和目标地址，每个工作站都监视总线上的信号，并复制发给自己的数据帧。由于总线是共享介质，多个站点同时发送数据时会发生冲突，因而需要一种分解冲突的介质访问控制协议。传统的轮询方式不适合分布式控制，总线网的研究者开发了一种分布式竞争发送的访问控制方法，本章将介绍这种协议。适用于总线型拓扑的传输介质主要是同轴电缆，分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆，这两种传输介质的比较如表所示。局域网的拓扑结构（1）基带系统（2）宽带系统宽带系统的两种配置二、环型拓扑结构环型拓扑由一系列首尾相接的中继器组成，每个中继器连接一个工作站（如图（b）所示）。中继器是一种简单的设备，它能从一端接收数据，然后在另一端发出数据。整个环路是单向传输的。工作站发出的数据组织成帧。在数据顿的帧头部分含有源地址和目的地址字段，以及其他控制信息。数据帧在环上循环传播时被目标站复制，返回发送站后被回收。由于多个站共享环上的传输介质，所以需要某种访问逻辑来控制各个站的发送顺序。例如，用一种特殊的控制帧-令牌来代表发送的权利，令牌在网上循环流动，谁得到令牌就可以发送数据帧。由于环网是一系列点对点链路串接起来的，所以可使用任何传输介质。最常用的介质是双绞线，因为它们价格较低。使用同轴电缆可得到较高的带宽，而光纤则能提供更大的数据速率。三、星型拓扑结构星型拓扑中有一个中心节点，所有站点都连接到中心节点上。电话系统就采用了这种拓扑结构，多终端联机通信系统也是星型结构的例子。中心节点在星型网络中起到了控制和交换的作用，是网络中的关键设备。星型拓扑的网络布局如图（c）所示。用星型拓扑结构也可以构成分组广播式的局域网。在这种网络中，每个站都用两对专线连接到中心节点上，一对用于发送，一对用于接收。Hub有两种形式，一种是有源Hub，另一种是无源Hub，有源Hub中配置了信号再生逻辑，这种电路可以接收输入链路上的信号，经再生后向所有输出链路发送。如果多个输出链路同时有信号输入，则向所有输出链路发送冲突信号。无源Hub中没有信号再生电路，这种Hub只是把输入链路上的信号分配到所有的输出链路上。如果使用的介质是光纤，则可以把所有的输入光纤熔焊到玻璃柱的两端，如图所示。四、网状拓扑结构网状拓扑结构，这种拓扑结构主要指各节点通过传输线互联连接起来，并且每一个节点至少与其他两个节点相连·网状拓扑结构具有较高的可靠性，但其结构复杂，实现起来费用较高，不易管理和维护，不常用于局域网。将多个子网或多个网络连接起来构成网际拓扑结构。在一个子网中,集线器、中继器将多个设备连接起来，而桥接器、路由器及网关则将子网连接起来。根据组网硬件不同,主要有三种网际拓扑：网状网：在一个大的区域内，用无线电通信链路连接一个大型网络时，网状网是最好的拓扑结构。主干网：通过桥接器与路由器把不同的子网或LAN连接起来形成单个总线或环型拓扑结构，这种网通常采用光纤做主干线。星状相连网：利用一些叫做超级集线器的设备将网络连接起来，由于星型结构的特点，网络中任一处的故障都可容易查找并修复。网状拓扑的优点（1）网络可靠性高，一般通信子网中任意两个节点交换机之间，存在着两条或两条以上的通信路径，这样，当一条路径发生故障时，还可以通过另一条路径把信息送至节点交换机。（2）网络可组建成各种形状，采用多种通信信道，多种传输速率。（3）网内节点共享资源容易。（4）可改善线路的信息流量分配。（5）可选择最佳路径，传输延迟小。网状拓扑的缺点（1）控制复杂，软件复杂。（2）线路费用高，不易扩充。（3）在以太网中，如果设置不当，会造成广播风暴，严重时可以使网络完全瘫痪。任务3局域网的标准任务引入小东现在知道了局域网的各种拓扑结构，知道了总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑及网状拓扑都是什么结构，但是这些结构都是如何运作的，它们都要遵循什么标准呢？知识准备局域网出现之后，发展迅速且类型繁多。1980年2月，美国电气和电子工程师学会（IEEE）成立802课题组，研究并制定了局域网标准IEEE802，后来，国际标准化组织（ISO）经过讨论，建议将802标准定为局域网国际标准。IEEE802为局域网制定了一系列的标准，主要有如下几种标准。IEEE802.1概述，局域网体系结构以及网络互联IEEE802.3描述CSMA/CD总线式介质访问控制协议及相应物理层规范。IEEE802.4描述令牌总线（tokenbus）式介质访问控制协议及相应物理层的规范。IEEE802.5描述令牌环（tokenring）式介质访问控制协议及相应物理层的规范。一、以太网：IEEE802.3标准IEEE802.3规范中定义了CSMA/CD总线式介质访问控制协议及相应的物理层规范。CSMA/CD是一种以争用的方法来决定对媒体访问权的协议，这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，导致所发送的帧出错。IEEE802.3通常被称为以太网标准，以太网传输综合利用了总线和星型拓扑结构的优点。1.以太网简介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（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，简称CSMA/CD），CSMA/CD是对格式化了的数据帧进行传输和解码的算法（计算机逻辑），CSMA/CD总线的实现模型如图所示，它对应于OSIRM的最低两层。二、令牌环：IEEE802.5标准令牌环网访问方法是IBM公司于20世纪70年代开发的，如今仍然是一种主要的LAN技术。在传统的令牌环网中，数据传输速度为4Mb/s或16Mbls，新型的快速令牌环网速度可达100Mb/s，目前令牌环网已经标准化。1.令牌环简介令牌环在物理上是由一系列环接口和这些接口间的点-点链路构成的一个闭合环路，各站点通过环接口连接到网上，如图所示。2.令牌环的操作过程（1）网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行。（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。（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。3.令牌环的维护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。4.令牌环的特点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。三、令牌总线：IEEE802.4标准载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）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，冲突概率也会随之增加，从而导致其性能明显下降。利用令牌环（TokenRing）媒体访问控制方式，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（TokenBus）媒体访问控制综合了以上两种媒体访问控制的优点，IEEE802.4提出的就是令牌总线媒体访问控制方法的标准。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，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，如图所示。令牌环总线网令牌总线访问控制还提供了不同的服务级别，即不同的优先级。令牌总线的主要操作如下。（1）环初始化：即生成一个顺序访问的次序。启动网络时，如果所有站点不活动的时间超过规定的时间，就需要对逻辑环进行初始化。初始化的过程是一个争用的过程，争用的结果是只有一个站点能取得令牌，其他的站点用站插入算法进行插入。（2）令牌传递算法：逻辑环按递减的站地址次序组成，刚发送完帧的站点将令牌传递到后继站，后继站立即发送数据或令牌帧，原来释放令牌的站点监听到总线上的信号，便可确认后继站已获得令牌。（3）站插入环算法：必须周期性地给未加入环的站点以机会，以便将它们插入到逻辑环的适当位置。如果同时有若干个站需要插入时，可采用带有响应窗口的争用处理算法。（4）站退出环算法：可以通过将不活动站点的前趋站和后继站连接到一起，使不活动站点退出逻辑环，并修正逻辑环递减的站地址次序。（5）故障处理：网络有时会出现错误，这包括令牌丢失引起断环、重复地址、产生多个令牌等问题。网络需对这些故障做相应的处理。任务4扩展的局域网任务引入小东学校有三个校区，有的系在两个或三个校区都有分布，小东发现校区距离这么远同一个系也在一个局域网内，还有不同系的局域网上还能够跨系传输等等。远超他对局域网的理解，那么这些种情况是怎么实现的呢？知识准备在许多情况下，我们希望对局域网的覆盖范围进行扩展。本节先讨论在物理层对局域网扩展，然后讨论在数据链路层对局域网扩展。这种扩展的局域网在网络层看来仍然是一个网络。一、在物理层扩展局域网局域网上的主机之间的距离不能太远（例如，10BASE-T局域网的两台主机之间的距离不超过200米），否则主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常工作。在过去广泛使用粗缆或细缆局域网时，常使用工作在物理层的转发器来扩展局域网的地理覆盖范围。那时，两个网段可用一个转发器连接起来。IEEE802.3标准还规定，任意两个站之间最多可以经过三个电缆网段。现在，扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法就是使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器，如图所示。主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器例如，一个学院的三个系各有一个10BASE-T局域网（图（a）），可通过一个主干集线器把各系的局域网连接起来，成为一个更大的局域网（图（b））。二、数据链路层扩展局域网扩展局域网更常用的方法是在数据链路层进行。最初人们使用的时网桥，网桥对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是根据此帧的MAC地址，查找网桥中的地址表，然后确定讲该帧转发到那个接口或把它丢弃（过滤）。局域网交换机的每个接口都直接与一个单台主机或另一个局域网交换机相连，并且一般都工作在全双工状态。局域网交换机换具有并行性，技能同时连同多对接口，使得多对主机能够同时通信（而网桥只能一次分析和转发一个帧）。相互通信的主机都是独占传播媒体，无碰撞的传播数据。局域网交换机的接口还有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。因此，如果连接在以太交换机上的两台主机，同时向另一台主机发送帧，那么当这台主机繁忙时，发送帧的这两台主机的接口会吧收到的帧缓存一下，然后再发送出去。局域网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（地址表）是通过自学习算法主动地逐渐建立起来的。（a）三个独立的以太网

（b）一个扩展的以太网

用多个集线器连成更大的以太网三、局域网的自学习功能假定在图中的局域网交换机由4个接口，各连接一台计算机，MAC地址分别为ABCD、在一开始，局域网交换表是空的。四、局域网接入宽带以局域网接入的一个重要特点是它可以提供双向的宽带通信，并且可以根据用户对宽带的需求灵活地进行宽带升级。当城域网和广域网都采用吉比特局域网或10吉比特局域网时，采用局域网接入可以实现端到端的局域网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率且降低了传输的成本。然而局域网的帧格式标准中，在地址字段部分并没有用户名字段，也没有让用户键入密码来鉴别用户身份的过程。如果网络运营商要利用局域网接入到互联网，就必须解决这个问题。PPP协议中的PPP帧再封装到局域网中来传输。这就是1999年公布的PPPoE（PPPoverEthernet），意思是“在局域网上运行PPP［RFC2516］。五、虚拟局域网利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN（VirtualLAN）。在IEEE802.1Q标准中，对虚拟局域网VLAN是这样定义的：虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。虚拟局域网起始只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。1．虚拟局域网的优点网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少；可以控制广播风暴（在一个单一的物理局域网中，不管是通过交换机还是路由器连接起来的，广播域是整个全网。2．虚拟局域网的划分方法（1）基于端口的划分：单交换机端口定义（只适用于小规模网络）多交换机端口定义（交换机之间有虚拟局域网交互协议，这样多个交换机之间才能互相了解哪一台交换机的哪个端口属于哪个虚拟局域网）虚拟局域网是必须手动配置的，不像网桥那样只要物理线路正常连通通电之后就能正常传数据。如果有哪个端口有变化也要及时进行手动更改基于MAC地址的划分（用网卡地址进行划分）（2）基于网络层的划分网络层协议比如有IP协议，IPX协议，AppleTalk协议。（3）基于IP组播的划分IP组播的用户可以散播在互联网中的任何角落。如图所示，当B1向VLAN2发送广播时，B2和B3将会收到，A1-A4与C1-C3不会收到，避免了广播风暴。虚拟局域网内部可以通过MAC层的屏蔽进行通信，但是虚拟局域网之间通信则要通过IP路由才可以实现。VLAN示意图任务5无线局域网任务引入小东学校可以实现无线办公，所有笔记本、手机都可以接入到学校的局域网中，小东决定好好研究一下无线局域网。看什么是无线局域网，无线局域网的应用有哪些，无线局域网如何传输的及无线局域网的调制方式有哪些。知识准备在局域网刚刚问世后的一段时间，无线局域网的发展比较缓慢，原因是价格贵、数据传输速率低、安全性较差，以及使用登记手续复杂（使用无线电频率必须得到有关部门的批准）。但自20世纪80年代末以来，由于人们工作和生活节奏的加快以及移动通信技术的飞速发展，无线局域网也就逐步进入市场。无线局域网提供了移动接入的功能，这就给许多需要发送数据但又不能坐在办公室的工作人员提供了方便。当一个工厂跨越的面积很大时，若要将各个部门都用电缆连接成网，其费用可能很高；但若使用无线局域网，不仅节省了投资，而且建网的速度也会较快。另外，当大量持有便携式计算机的用户在一个地方同时要求上网时（如在图书馆或购买股票的大厅里），若用电缆连网，恐怕连铺设电缆的位置都很难找到。而用无线局域网则比较容易。由于手机普及率日益增高，通过无线局域网接入到互联网已成为当今上网的最常用的方式。无线局域网常简写为WLAN（WirelessLocalAreaNetwork）。一、认识无线局域网无线局域网可分为两大类。第一类是有固定基础设施的，第二类是无固定基础设施的。所谓“固定基础设施”是指预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。大家经常使用的蜂窝移动电话就是利用电信公司预先建立的、覆盖全国的大量固定基站来接通用户手机拨打的电话。1．IEEE802.11对于第一类有固定基础设施的无线局域网，1997年IEEE制定出无线局域网的协议标准802.11[W-IEEE802.11]系列标准。

扩展的服务集ESS2．移动自组网络另一类无线局域网是无固定基础设施的无线局域网，它又叫做自组网络（adhocnetwork）。二、无线局域网的应用无线局域网利用空中的电磁波代替传统的缆线进行信息传输，可以作为传统有线网络的延伸，补充或替代。相比较而言，无线局域网具有以下许多优点：安装便捷：一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络布线施工工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域网最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点AP（accesspoint）设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。1．无线局域网特点使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦无线局域网建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。

由处于平等状态的一些便携机构成的自组网络2．无线网络的适用场合（1）移动办公和移动工作；（2）会议系统；（3）布线困难的场所；（4）需要经常改变布线的场所。3．无线网络的低成本特性（1）硬件投入低；（2）增加了可靠性；（3）缩短布线时间；（4）提高工作效率。三、无线局域网的传输介质与有线网络一样，无线局域网同样需要传输介质。通常适用红外线或者无线电波。1．红外线系统红外线局域网采用小于1μm波长的红外线作为传输媒体。2．无线电波采用无线电波作为传输介质是目前无线局域网的主流。3．蓝牙系统最早使用的WPAN是1994年爱立信公司推出的蓝牙（Bluetooth）系统，其标准是IEEE802.15.1[W-BLUE]。蓝牙的数据率为720kbit/s，通信范围在10米左右。4．低速WPAN低速WPAN主要用于工业监控组网、办公自动化与控制等领域，其速率是2~250kbits。低速WPAN的标准是IEEE802.15.4，最近新修订的标准是1EEE802.15.4-2006，在低速WPAN中最重要的就是ZigBee.ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。5．高速WPAN高速WPAN的标准是IEEE802.15.3，是专为在便携式多媒体装置之间传送数据而制定的。这个标准支持11~55Mbit/s的数据率。这在个人使用的数码设备日益增多的情况下特别方便。四、无线局域网传输的调制方式无线局域网传输的调制方式主要有两种调制方式：扩展频谱方式和窄带调制方式。通常使用前者，这里主要讨论扩展频谱方式。1．扩展频谱方式扩展频谱（SpreadSpectrum，ss）技术简称为扩频技术。（1）提高抗干扰能力（2）进行码分多址通信（3）安全保密2．扩频通信的几种工作方式按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：（1）直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式，简称直扩（DS）方式。（2）跳变频率（FrequencyHopping）工作方式，简称跳频（FH）方式另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频（FH-FrequencyHopping）。（3）跳变时间（TimeHopping）工作方式，简称跳时（TH）方式与跳频相似，跳时（TH-TimeHopping）是使发射信号在时间轴上跳变。（4）宽带线性调频（ChirpModulation）工作方式，简称Chirp方式如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。项目总结项目实战实战一构建简单的局域网（对等网）1．制作UTP电缆取一段适当长度的双绞线，两端用剪刀剪齐，用压线钳剥去一端的塑料包皮约10-13厘米，要小心，切勿剥得太长及及划伤内部细线，如表所示。将每对绞线拆开，8根线排成一排，可按A或B线序进行排列。网线R-45按头（水晶头）排线示意图如图所示。网线R-45按头（水晶头）排线示意图2．安装以太网卡在打开计算机机箱前，一定要切断计算机的电源。在将设置好的网卡插入计算机扩展槽中后，拧上固定网卡的螺丝，再重新装好机箱。3．将计算机接入网络（1）两台计算机直接联接（2）两台计算机通过交换机联接两台计算机直联示意图两台计算机通过交换机联接4．网络软件的安装与配置（1）网卡驱动程序的安装和配置（2）TCP/IP模块的安装和配置1）启动Windows，通过“开始”-“设置”-“网络和Internet”-"更改适配器选项”-“以太网”-“更改此连接的设置””进入“以太网属性”对话框，如图所示。2）如果"Internet协议（TCP/IP）”已经显示在“此连接使用下列选定的组件”列表中，说明本机的TCP/IP模块已经安装。3）TCP/IP模块安装完成后，选中“此连接使用下列选定的组件”列表中的"Internet协议（TCP/IP）"，单击“属性”按钮，进行TCP/IP配置，如图所示；4）在"Internet协议（TCP/IP）属性”界面中，选中“使用下面的IP地址”。以太网属性对话框

Internet协议（TCP/IP）属性5．网络连通性测试（PING命令应用）（1）开始一运行，输入：IPCONFIG，获取本机IP地址（2）“开始一程序一MS-DOS方式”，进入提示符窗口