第4章局域网技术
本章主要掌握的内容是：IEEE802标准系列，介质访问控制方法（CSMA/CD、令牌环、令牌总线），以太网技术。数据链路层的基本概念和协议。千兆位以太网，万兆位以太网，虚拟局域网VLAN，无线局域网的标准和特点。
1．局域网概述
（1）局域网的定义
局域网是将范围较小的计算机及其控制的外部设备，通过通信设备和线路连接起来，在网络操作系统的控制下，按照通信协议进行信息交换，实现资源共享的系统化的计算机网络。
（2）局域网的主要技术特点
局域网覆盖有限的地理范围。通常覆盖范围在几十米到几千米的范围内，它适合机关、学校、企业等有限范围内的计算机、终端等设备连网的需要。
●局域网具有高数据传输速率
●误码率低，局域网是一个高质量的数据传输环境。
●延迟小。
●局域网通常采用共享介质、广播通信的方式传输数据。
●局域网建设价格低廉，结构简单，便于维护，容易实现
（3）局域网的分类
常用的分类方法有如下几种：
●按网络的拓扑结构划分。局域网可分为星型、总线型和环型局域网。目前常用的是星型和总线型局域网。
●按线路中传输的信号形式划分。局域网可分为基带局域网和宽带局域网。基带局域网传输基带信号，传输距离较短；宽带局域网可传输模拟信号，传输距离较远，可达几千米以上。目前局域网常用的是基带传输方式的局域网。
●按网络的传输介质划分。局域网可分为双绞线局域网、同轴电缆局域网、光纤局域网和无线局域网等。目前最常用的是双绞线局域网。
●按网络的传输是介质访问控制方式划分。局域网可分为以太网、令牌环网和令牌总线网等。目前常用的是以太网。
2．局域网的层次结构及模型
局域网的IEEE 802标准所描述的局域网参考模型遵循ISO/OSI参考模型的原则，并根据局域网共享信道的特性，在IEEE 802局域网参考模型中只对应OSI参考模型的物理层和数据链路层两层的功能。由于在局域网中，多个站点共享传输介质和传输介质的多样性，以及在节点间传输数据之前必须首先解决由哪些设备占用传输介质等问题，所以局域网的数据链路层要有介质访问控制功能。因此，在局域网又将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。
（1）IEEE 802局域网的物理层
IEEE 802局域网参考模型中物理层的功能与OSI参考模型中的物理层的功能相同，主要实现比特流的传输与接收以及数据的同步控制等。标准还规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。具体包括：
●采用基带信号的传输
●数据编码采用曼彻斯特编码。
●传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤。
●拓扑结构可以是总线型、星型、环形和树型。
●传输速率有10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s等。
（2）IEEE802局域网的介质访问控制子层（MAC）
介质访问控制子层（MAC）构成了数据链路层的下半部分，直接与物理层相邻。MAC子层是数据链路层的一个与传输介质有关的功能子层，它对LLC子层提供支持和服务。MAC子层的主要功能是进行合理的信道分配，解决信道的竞争问题，完成介质访问控制功能，为竞争的用户分配信道使用权；以及数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，比特的差错控制等。MAC子层为不同的物理介质定义了不同的介质访问控制标准。目前，在IEEE 802标准中，制定了多个MAC子层的介质访问控制标准，如IEEE 802.3的带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、IEEE802.4的令牌总线（Token Bus）、IEEE 802.5的令牌环（Token Ring）、IEEE 802.11无线局域网的介质访问控制协议等。介质访问控制标准决定了局域网的主要性能，它对局域网的响应时间、吞吐量和网络利用率都有十分重要的影响。
（3）IEEE 802局域网的逻辑链路控制子层（LLC）
逻辑链路控制子层（LLC）构成了数据链路层的上半部分，与局域网的网络层和MAC子层相邻。LLC子层在MAC子层的支持下向网络高层提供服务。LLC子层与传输介质无关，它独立于介质访问控制方法，隐藏了各种IEEE 802.x局域网之间的差异，向局域网高层提供一个统一的格式和接口。LLC子层的作用是在MAC子层提供的介质访问控制方法和物理层提供的比特服务的基础上，将不可靠的信道处理为可靠的信道，确保数据帧的正确传输。LLC子层的具体功能包括：建立和释放数据链路层的逻辑连接，屏蔽MAC子层的差异，提供与网络高层的接口，实现差错控制和确认，数据流量控制和发送顺序控制等功能，并为网络高层提供两种类型的服务：面向连接的服务和无连接的服务。
3．局域网的连接设备
局域网的设备包括：
●网络适配器（网卡），物理层与数据链路层的大部分功能也是通过网卡完成的。
●中继器（Repeater），属于物理层互连设备。
●集线器（HUB），属于物理层层互连设备。
●交换机（Switch Hub），交换机工作在数据链路层。
4．决定局域网特征的主要技术
局域网与广域网的一个重要区别是它们覆盖的地理范围不同。由于局域网设计的主要目标是覆盖一个有限的地理范围，因此它从基本通信机制上选择了与广域网完全不同的方式，即从“存储转发”方式改变为“共享介质”方式，在传输介质、介质访问控制方式上形成了自己的特点。
（1）拓扑结构：总线拓扑（Bus Topology）、星型拓扑、环型拓扑
（2）传输形式与传输介质
局域网的传输形式有两种：基带传输和宽带传输。
局域网可以使用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、电磁波等。
（3）介质访问控制方法
介质访问控制方法，是指控制多个节点利用公共传输介质发送和接收数据的方法，是局域网最重要的一项基本技术。局域网中最常用的介质访问控制方法：载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）、令牌环和令牌总线。
（4）CSMA/CD协议(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)
CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，数据发送具有广播的特点，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波侦听，只有介质空闲时，才允许发送帧。如果发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突则停止发送。随机延时一段时间后，再重新争用介质，重新发送帧。CSMA/CD协议简单、可靠，因此它在网络系玄参（如以太网）得到广泛应用。
5．以太网技术
概括起来，以太网具有以下一些技术特点：
●以太网采用基带传输技术。
●以太网的标准是IEEE 802.3，使用CSMA/CD介质访问控制方法。
●以太网是基于总线型的广播式网络，网络上的所有站点共享传输介质和带宽。
●以太网所支持的传输介质类型有同轴电缆、双绞线和光纤。
●以太网的拓扑结构主要是总线型和星型。
●以太网有多种标准，它们支持不同的传输速率。
●以太网的数据帧长度可变，长度为64~1514字节。
●以太网技术成熟，价格低廉，易构建、易扩展、易维护、易管理。
6．无线局域网
20世纪80年代末以来，由于移动通信技术的发展，无线局域网开始进入市场。无线局域网可提供移动接入功能，这种接入方式不仅可以节省铺设线缆的投资，而且组网快捷、灵活、节省空间。无线局域网的协议标准是802.11。
与有线局域网相比，无线局域网主要有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展的特点。无线局域网的应用领域主要有：作为传统局域网的扩充、建筑物之间的互联、漫游访问、临时需要的对等网络几个方面。
组建无线局域网的硬件主要有：无线网卡、接入点AP和无线通信传输介质等设备。
无线局域网的组网方式分为：点到点方式和集中控制方式两种。
7．虚拟局域网VLAN
虚拟局域网VLAN是指在交换局域网的基础上，通过网络管理软件划分的可跨越不同网段、不同网络端到端的逻辑网络。一个VLAN组成一个逻辑子网，即一个逻辑广播域，它可以覆盖多个网络设备，允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中。
在交换式以太网中，各站点可以分别属于不同的虚拟局域网。构成虚拟局域网的站点不拘泥于所处的物理位置，它们既可以挂接在同一个交换机中，也可以挂接在不同的交换机中。虚拟局域网技术使得网络的拓扑结构变得非常灵活，VLAN涉及到多种网络技术，如虚拟网络技术、分布式路由技术、高速交换技术及网络管理技术等。采用VLAN技术，不但可以满足用户对网络灵活性和扩展性方面的要求，而且有助于隔离网络故障和分配网络带宽。
本章练习题
一、是非题（请在括号内，正确的划，错误的划）
1．在数据链路层，数据的传送单位是帧。（ ）
√
2．ARP协议和CSMA/CD协议都是数据链路层协议。（ ）
×
3．局域网的协议结构一般包括物理层、数据链路层、介质访问控制层和网络层。（ ）
√
4．在载波侦听和总线访问方法上，CSMA/CD类似CSMA协议是一种p-坚持式协议。（ ）
√
5．HUB又称中继器。（ ）
×
6．决定使用哪条途径通过子网，应属于OSI参考模型的数据链路层问题。（ ）
×
7．以太网10Base-T代表的含义是10Mbps基带传输的双绞线以太网。（ ）
√
8．在以太网中，冲突是一种正常现象。（ ）
√
9．网络接口卡的功能是实现调制与解调。（ ）
×
二、选择题
1．在令牌环中，令牌是（ ）、（ ）。
A．由要发送分组的站产生
B．在环上流动的特殊位串
C．由接收站将忙令牌变成空令牌的
D．由网络监控站维护的
B D
2．在传输量比较大的局域网中，采用（ ）协议效率高。
A．以太协议
B．竞争协议
C．P坚持协议
D．令牌协议
D
3．无论是SLIP还是PPP协议都是（ ）协议。
A．物理层
B．数据链路层
C．网络层
D．运输层
B
4．下面属于物理层的设备是（ ）。
A．网桥
B．网关
C．中继器
D．以太网交换
C
5．关于HUB以下说法正确的是（ ）。
A．HUB可以用来构建局域网
B．一般HUB都具有路由功能
C．HUB通常也叫集线器，一般可以作为地址翻译设备
D．利用HUB可以无限制的扩充以太网的规模
A
6．以太网是以（ ）标准的实现。
A．IEEE 802.1
B．IEEE 802.2
C．IEEE 802.5
D．IEEE 802.3
D
7．局域网常用的网络拓扑结构是（ ）。
A．星型和环型
B．总线型、星型和树型
C．总线型和树型
D．总线型、星型和环型
D
三、填空题
1．以太网MAC地址是___________位。
48
2．IEEE 802标准将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和___________。
介质访问控制子层（MAC）
五、论述题
1．试论述CSMA/CD机制
（1）名词解释
CSMA/CD是“带有冲突检测的载波侦听多路访问”的英文缩写。所谓载波侦听，意思是网络上各个工作站在发送数据前都要看总线上有没有数据传输。若有数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。所谓多路访问意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。所谓冲突，意思是，若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的冲突，从而使发送的数据称为无效数据，这种情况称数据冲突又称碰撞。为了避免冲突发生后又的影响，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其它工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测。
（2）CSMA/CD媒体访问控制方法的工作原理
CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，数据发送具有广播的特点，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。在发送数据前，先监听总线是否空闲。若总线忙，则不发送。若总线空闲，则把准备好的数据发送到总线上。在发送数据的过程中，工作站边发送边检测总线，是否与自己发送的数据有冲突。若无冲突则继续发送直到发完全部数据；若有冲突，则立即停止发送数据，但是要发送一个阻塞信号的信号，以便使网络上所有工作站都知道网上发生了冲突，然后，等待一个预定的随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。
（3）CSMA/CD的访问控制步骤
1）如果网络上共享的传输介质空闲，就发送信息，否则就等待；
2）在发送开始后的一段时间T内，监听总线，判断是否有冲突；
3）如果在T时间内没有检测到冲突，就获得对信道的使用权，停止监听，继续发送信息，直到传输结束；
4）如果检测到冲突，则停止发送，并发出一个阻塞信号。经过一个随机长度的时间段后，再从新开始步骤（1）。
简答题
简述交换机与集线器有什么区别。
（1）OSI体系结构上的区别：集线器属于OSI的第一层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数据链路层设备。
（2）数据传输方式上的区别：利用集线器连接的局域网叫共享式局域网，局域网中的所有用户以共享方式使网络带宽，数据在信道之间的传输是无序的。利用交换机连接的局域网叫交换式局域网。局域网中的数据包是根据所传递的目的地址独立地从发送端口送至目的端口，数据传输是有序的。
（3）工作机理不同：集线器的工作机理是广播(broadcast)，容易产生广播风暴。交换机的工作机理是通过查找交换机中存储的地址对照表(MAC)将数据包送到相对应目的端口，因此有效的抑制广播风暴的产生。
（4）带宽占用方式上的区别
集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有二个端口传送数据，其他端口只能等待，因此集线器只能工作在半双工模式下；而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，对于每个端口都保障了其传输的速率。当二个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下运行而且可以工作在全双工模式下。
