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1、第4章 计算机局域网,内容提要本章主要介绍计算机局域网的基本知识。通过本章的学习读者应该能够：了解局域网的一些关键技术熟悉局域网协议及IEEE802标准、三种介质访问控制方法掌握以太网与交换式以太网的基本工作原理了解虚拟局域网的基本概念熟悉高速局域网技术了解局域网操作系统的类型及常用的局域网操作系统,4.1 局域网概述,局域网LAN(Local Area Network),是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备互连在一起，实现数据传输和资源共享的计算机网络。社会对信息资源的广泛需求及计算机技术的广泛普及，促进了局域网技术的迅猛发展。在当今的计算机网络技术中，局域网技术已经占据了十分重要
2、的地位。,4.1.1 局域网的主要特点,（1）网络所覆盖的地理范围比较小（2）高传输速率和低误码率（3）局域网一般为一个单位所建，网络的经营权和管理权属于某个单位（4）局域网与广域网侧重点不完全一样，局域网侧重共享信息的处理，而广域网一般侧重共享位置准确无误及传输的安全性。在LAN和WAN之间的是城市区域网MAN(Metropolitan Area Network)简称城域网。MAN是一个覆盖整个城市的网络，但它使用LAN的技术。,4.1.2 局域网的关键技术,决定局域网的主要技术涉及拓扑结构、传输媒体和介质访问控制(Medium Access Control,MAC)等三项技术问题，其中最重
3、要的是介质访问控制方法。,1拓扑结构,局域网具有几种典型的拓扑结构：星型环型总线型树型,2传输形式,局域网的传输形式有两种：基带传输宽带传输典型的传输介质有:双绞线基带同轴电缆宽带同轴电缆光导纤维电磁波等,3介质访问控制方法,介质访问控制方法即信道访问控制方法主要有五类：固定分配、需要分配、适应分配、探询访问和随机访问。设计一个好的介质访问控制协议有三个基本目标：协议要简单，获得有效的通道利用率，对网上各站点的用户公平合理。,4.2 局域网协议,局域网出现之后，发展迅速，类型繁多，用户为了能实现不同类型局域网之间的通信，迫切希望尽快产生局域网标准。1980年2月，美国电气和电子工程师学会（即I
4、EEE）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标准确定为局域网标准。,4.2.1 局域网协议与IEEE802系列标准,1局域网体系结构 局域网的通信子网只包括物理层和数据链路层。局域网的物理层实际上由两个子层组成，其中，较低的子层描述与传输介质有关的特性，较高的子层集中描述与介质无关的物理层特性。局域网的数据链路层由两个子层组成：介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。不同的局域网采用不同的MAC子层，而所有局域网的LLC子层均是一致的。局域网的低两层一般由硬件实现，这就是我们平常所说的网络适配器（简称网卡）
5、，高层由软件实现，网络操作系统是高层的具体实现。,OSI参考模型与局域网体系结构比较,2IEEE802标准,（1）IEEE802.1：包括局域网体系结构、网络互连以及网络管理；（2）IEEE802.2：逻辑链路控制LLC子层的功能与服务。（3）IEEE802.3：描述CSMA/CD总线介质访问控制方法与物理层规范；（4）IEEE802.4：定义令牌总线（Token Bus）介质访问控制方法与物理层规范；（5）IEEE802.5：定义令牌环（Token Ring）介质访问控制方法与物理层规范；（6）IEEE802.6：定义城市网介质访问控制方法与物理层规范,2IEEE802标准,（7）IEEE8
6、02.7：定义了宽带技术；（8）IEEE802.8：定义了光纤技术；（9）IEEE802.9：定义了语音与数据综合局域网（ISDN）技术；（10）IEEE802.10：定义了局域网的安全机制；（11）IEEE802.11：定义了无线局域网技术；（12）IEEE802.12：定义了按需优先的介质访问方法，用于快速以太网。,局域网IEEE802标准,4.2.2 介质访问控制方法,1带有碰撞检测的载波侦听多点访问法(CSMA/CD)CSMA/CD是英文Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection 的缩写,含有两方面的内容:即载波侦听（C
7、SMA）和碰撞检测（CD）。CSMA/CD访问控制方式主要用于总线形和树形网络拓扑结构，基带传输系统。信息传输是以“包”为单位，简称信包，发展为IEEE 802.3基带CSMA/CD局域网标准。,CSMA/CD的设计思想,（1）侦听（监听）总线 用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息（也称为载波识别）（2）冲突检测（碰撞检测）结点在发送数据的同时应该进行冲突检测。冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例判决法。任何一个结点发送数据都要通过CSMA/CD方法去争取总线使用权，从它准备发送到成功发送的发送等待延迟时间是不确定的。因此人们将Ethernet所使用的CSMA/CD方法定义为一种随机争用
8、型介质访问控制方法。,CSMA/CD方式的主要特点,原理比较简单，技术上较易实现，网络中各工作站处于同等地位，不要集中控制，网络负载轻时效率较高。但这种方式不能提供优先级控制，各结点争用总线，不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。此方式效率高，但当负载增大时，发送信息的等待时间较长。为了克服以上特点，产生了CSMA/CD的改进方式，如带优先权的CSMA/CD访问方式，带回答包的CSMA/CD访问方式，避免冲突的CSMA/CD访问方式等。,2令牌环访问控制法(Token Ring),Token Ring是令牌通行环(Token Passing Ring)的简写。其主要技术指标是：网
9、络拓扑为环形布局，基带网，采用单个令牌（或双令牌）的令牌传递方法。环形网络的主要特点是：只有一条环路，信息单向沿环流动，无路径选择问题；网络中的节点只有获得令牌才可以发送数据。因而，在令牌环网中不会发生冲突。,令牌环工作原理,（c）数据循环一周后，节点A将其收回（d）产生新的令牌发送到环路中,（a）节点A截获令牌并准备发送数据（b）节点A将数据发送到节点C,令牌环访问控制法的特点,令牌方式在轻负载时，由于发送信息之前必须等待令牌，加上规定由源站收回信息，大约有50%的环路在传送无用信息，所以效率较低。然而在重负载环路中，令牌以“循环”方式工作，故效率较高，各站机会均等。令牌环的主要优点在于它提
10、供的访问方式的可调整性，它可提供优先权服务，具有很强的实时性。其主要缺点是需有令牌维护要求，避免令牌丢失或令牌重复，故这种方式控制电路较复杂。,3令牌总线访问控制法(Token Bus),Token Bus是令牌通行总线(Token Passing Bus)的简写。这种方式主要用于总线型或树型网络结构中。1976年美国Data Point公司研制成功的ARCnet(Attached Resource Computer)网络，它综合了令牌传递方式和总线网络的优点，在物理总线结构中实现令牌传递控制方法从而构成一个逻辑环路。此方式也是目前微机局域中的主流介质访问控制方式。,令牌总线结构,令牌总线访问
11、控制法的特点,Token Bus方式的最大优点是具有极好的吞吐能力，且吞吐量随数据传输速率的增高而增加并随介质的饱和而稳定下来但并不下降；各工作站不需要检测冲突，故信号电压容许较大的动态范围，联网距离较远；有一定实时性，在工业控制中得到了广泛应用,4.3 以太网与交换式以太网,4.3.1 IEEE802.3与以太网 目前应用最广泛的一类局域网是以太网Ethernet。它是由美国施乐（Xerox）公司于1975年研制成功并获得专利。此后，Xerox公司与DEC公司、Intel公司合作，提出了Ethernet规范，成为第一个局域网产品规范，这个规范后来成为IEEE802.3标准的基础。,Ether
12、net,典型的总线型局域网，其连接情况如图所示，它的传输速率为10Mbps。Ethernet的核心技术是它的随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）方法。,以太网的介质访问控制方法CSMA/CD的基本工作原理可以从MAC帧结构、发送流程及接收流程三方面结合进行讨论,1MAC帧结构,以太网的帧结构如图所示,前导码：前导码由7个字节的“10101010”比特串组成，其作用是使发送方和接收方同步。帧定界符：帧定界符包括一个字节，其位组合是10101011。其作用是标志着
13、一帧的开始。目的地址：为发送帧的目的接收站地址，由2或6个字节（48位）组成，对10Mbps的标准规定为6字节。如果目的地址是全1，目的站为网络上的所有站，即为广播地址。源地址：标志发送站的地址，也由2或6个字节组成.。长度：长度字段由两个字节组成，用来指示数据有多少个字节。数据：真正在收发两站之间要传递的数据块。标准规定数据块最多只能包括1500个字节，最少也不能少于46个字节，如果实际数据长度小于46个字节，则必须加以填充。校验位：帧校验采用32位CRC校验，校验范围是目的地址、源地址、长度及数据块。,2帧的发送流程,3帧的接收过程,在以太网中，节点要送数据需要通过竞争才能取得总线的使用权
14、。不发送的节点应该一直处于接收状态。一个节点收完一帧后。首先检查帧长度，如果帧长度小于规定的最小长度，说明一定是发生冲突后废弃的帧，接收节点丢弃已收到的帧，重新进入等待接收状态。如果帧长度正常，则接收节点接着检查帧的目的地址，如果目的地址是本节点地址，则接收该帧。如果目的地址不是本节点地址，则丢弃该帧。,4.3.2 交换式以太网,1共享式以太网,带双卡服务器的共享式以太网,交换式以太网,共享式交换以太网,4.4 虚拟局域网,4.4.1 虚拟网络的概念和作用,虚拟网络(Virtual Network)的概念是由于工作组(Workgroup)的需要而产生，伴随高速网络的发展而实现的。它将逻辑的网络
15、拓扑与物理的网络设施相分离，将网络上的节点按照工作性质与需要划分为若干个“逻辑工作组”，一个逻辑工作组就被称为一个虚拟局域网(VLAN，Virtual LAN)。在大型局域网和校园、企业网的建设过程中，VLAN的规划和划分是网络是否可以安全、方便地管理和运行的重要保证条件。,划分为不同VLAN的计算机,4.4.2 虚拟局域网的划分方法,1基于交换机端口的虚拟局域网,2基于MAC地址的虚拟局域网,MAC地址是连接在网络中的每个设备网卡的物理地址.由于MAC地址属于数据链路层，以此作为划分VLAN的依据能很好地独立于网络层上的各种应用。当某一用户节点从一物理网段移动到虚拟网络的其它物理网段时，由于
16、它的MAC地址不变，所以该节点将自动保持原来的VLAN成员的地位，对用户端无需作任何改动，真正做到了基于用户的虚拟局域网。,3基于网络层的虚拟局域网,基于网络层的虚拟局域网也称为隐性标志(ImplicitlyTagged)的方法，主要通过第3层的协议信息来区别不同的虚拟局域网。划分的依据则主要是协议类型或地址信息等，这非常有利于组成基于具体应用或服务的虚拟局域网；同时，用户成员可以随意移动工作站而无需重新配置网络地址，这对于了TCPIP协议的用户是特别有利的。,4IP广播组虚拟局域网,这种虚拟局域网的建立是动态的，它代表一组IP地址。由虚拟局域网中叫做代理的设备对虚拟局域网中的成员进行管理。当
17、IP广播包要送达多个目的节点时，就动态建立虚拟局域网代理；这个代理和多个IP节点组成IP广播组虚拟局域网。网络用广播信息通知各IP站，表明网络中存在IP广播组，节点如果响应信息，就可以加入IP广播组，成为虚拟局域网中的一员，与虚拟局域网中的其他成员通信。IP广播中的所有节点属于同一个虚拟局域网，但它们只是特定时间段内特定IP广播组的成员。IP广播组虚拟局域网的动态特性提供了很高的灵活性，可以根据服务灵活地组建，而且它可以跨越路由器形成与广域网的互连。,4.4.3 虚拟网络的优点,使用VLAN技术，通过合理地划分VLAN来管理网络具有许多优点 1控制网络广播风暴 2增加网络的安全性 3提高了网络
18、的性能 4易于网络管理,4.5 高速局域网技术,4.5.1 快速以太网 随着通信技术的发展以及用户网络带宽需求的增加，原有的10Mbps传输速率的LAN已难以满足通信要求，为了提高网络速率，加大网络带宽，出现了快速以太网，或者说100M传输速率的以太网。快速以太网有两种，一种叫100Base-T，另一种是100VG-AnyLAN。下面分别加以介绍。,1100Base-T,100Base-T是10Base-T的扩展，其物理布局如图所示，拓扑结构为星形。MAC层仍采用CSMA/CD介质访问控制方式。100Base-T目前被IEEE定为正式的国际标准，其代号为IEEE802.3U,100Base-T
19、物理层规范,（1）100Base-Tx用于2对五类非屏蔽双绞线（UTP）或2对一类屏蔽双绞线（STP）（2）100Base-T4用于4对三类非屏蔽双绞线UTP（3）100Base-FX用于2芯的多模或单模光纤,2.100VG-AnyLAN,100VG-AnyLAN是一种新的网络技术，被IEEE公司正式确认为IEEE802.12标准。该标准提供100Mbps的数据传输，支持100Base-T以太网及令牌环网的拓扑结构。100VG-AnyLAN与100Base-T之间技术上最大的区别在于介质访问控制方法的不同。100Base-T采用了用于10Mbps以太网的CSMA/CD方式，而100VG-Any
20、LAN采用一种新的介质访问方式请求优先（demand priority）。,请求优先（demand priority）,在这种方式中，集线器Hub担任网络通信管理员的角色。集线器顺序扫描每个端口，寻找要传送的数据，这样就消除了冲突。对于每一个站点来讲，当有传送请求时就向Hub提出请求，当网络空闲的时候，Hub将允许该站点进行传送；当网络忙的时候，Hub便通知该站点等待发送。一旦网络空闲，Hub首先处理具有高优先权的请求，然后处理一般请求。一般请求等待到达一定时间后，便会升为高优先权请求。这种方法避免了在基于竞争的局域网中，负载重的站点占用大部分带宽的问题，而且在重负载情况下，网络性能也不会受到
21、较大影响。,100VG-AnyLAN网络拓扑,100VG-AnyLAN具有如下特点,请求优先技术，对那些延时敏感的应用，如多媒体、电视会议等，特别有效。具有较好的带宽利用率，信道上几乎不存在冲突，因此比较适合于重负载应用。可以在3类非屏蔽双绞线上传输，这就意味着，用户不需要更换原来的双较线就可以实现从10Mpbs向100Mpbs的升级。,快速交换以太网,4.5.3 千兆以太网,千兆以太网使用原有以太网的帧结构、帧长及CSMA/CD协议，只是在低层将数据速率提高到了1Gbps。因此，它与标准以太网（10Mbps）及快速以太网（100Mbps）兼容。用户能在保留原有操作系统、协议结构、应用程序及网
22、络管理平台与工具的同时、通过简单的修改，使现有的网络工作站廉价地升级到千兆位速率。,1千兆以太网的物理层协议,（1）1000BASE-SX。（2）1000BASE-LX。（3）1000BASE-CX。（4）1000BASE-T。,2千兆以太网的MAC子层,MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/御载、帧的寻址与识别,帧的接收与发送,链路的管理、帧的差错控制及MAC协议的维护。千兆以太网的帧结构与标准以太网的帧结构相同，其最大帧长为1518字节，最小帧长为64字节。,载波扩展和数据报分组技术,为了确保最小帧长为64字节，同时维持网段的最大长度为100m，千兆以太网采用了载波扩展和数据报分组两种技术
23、。载波扩展技术用于半双工的CSMA/CD方式，实现方法是对小于512字节的帧进行载波扩展，使这种帧所占用的时间等同与长度为512字节的帧所占用的时间。数据包分组技术允许站点每次发送多帧，而不是一次发送一帧。若多个连续的数据帧短于512字节，仅其中的第一帧需要添加载波扩展信号。一旦第一帧发送成功，则说明发送信道已打通，其后续帧就可不加载波扩展连续发送，只需帧间保持12字节的间期即可。,3.千兆以太网的特点,（1）简易性。（2）技术过渡的平滑性。（3）网络可靠性。（4）可管理性和可维护性。（5）网络成本降低。（6）支持新应用与新数据类型。,4.6 局域网操作系统,网络操作系统（NOS）是网络用户和
24、计算机网络的接口，它管理计算机的硬件和软件资源，如网卡、网络打印机、大容量外设等，为用户提供文件共享、打印共享等各种网络服务及电子邮件、WWW等专项服务。,4.6.1网络操作系统的类型,依处理信息的方式不同，局域网发展进程中的三种网络类型分别为：（1）基于服务器系统结构，又分为专用服务器结构和客户机/服务器系统结构。（2）对等网络系统结构。（3）集中式处理的主机/终端机系统结构。,1基于服务器的网络结构,（1）专用服务器结构,在基于服务器的网络结构的发展历程上出现了以下两种典型的结构，即专用服务器结构和客户/服务器结构。专用服务器结构又称为工作站/文件服务器结构 结构特点 将若干台微机工作站与
25、一台或多台文件服务器通过通信线路连接起来，组成一个网络系统就称为专用服务器系统 其中的文件服务器就是我们所说的专用服务器。它的目的是让各工作站可以共享文件服务器上的文件和设备，并且实现相互通信，它还是网络中的安全卫士。,适用的网络操作系统,NetWare V3.X及V4.X通常作为这种结构的操作系统。在专用服务器的网络中，一台文件服务器能服务多少台工作站完全取决于网络操作系统。例如，在NetWare V3.1x中，一台文件服务器能同时服务250个工作站。随着局域网技术的发展，这种单纯文件和设备共享的方式暴露出不少弱点，所以正在被客户机/服务器结构所替代。,优缺点,优点：数据保密性极其严格，且可
26、以按不同的需要给予使用者相应的权限，从而达到资源共享的目的。文件的安全管理较好。可靠性较大。缺点：效率可能较低。工作站上的资源无法直接共享。安装与维护比对等网困难。,（2）客户机/服务器结构（client/server）,客户机/服务器结构（以下简称为C/S结构）是在专用服务器结构的基础上发展起来的 这里的C/S结构是指将局域网中需要处理的工作任务分配给客户机端和服务器端共同来完成。其实，客户机和服务器并没有一定的限制，必要时两者的角色可以交换，一般的定义是：提出服务请求的一方，称为客户机，而提供服务的一方称为服务器。,客户机/服务器系统组成和结构特点,在主从式结构中，除了专门的文件服务器外，
27、一般根据需要加装若干个应用程序服务器。客户机端（Client）可能是一台PC或工作站，它上面存储着自己所需要运行的应用程序，可以负责与使用者沟通，所以可能利用命令或图形界面Windows98、Windows 2000 Professional或Windows XP等。在服务器（Server）端可能是一台Windows 2000 Server或NetWare的服务器，且正在其操作系统上运行着多人使用的SQL数据库服务器。服务器的一方在不断倾听着客户机端是否有任何请求，如果有则解释此消息，并且在服务器上运行，最后将结果与错误提示送回给客户机端。客户机端接到后再通过界面呈现给使用者。,适用的网络操作
28、系统,目前，流行的各种网络操作系统，如Windows 2000 Server、Windows Server 2003、NetWare3.1以上的版本和V1.3以上的OS/2等网络操作系统都支持客户机/服务器系统结构。一般来说，C/S结构都可以由异种机（使用不同操作系统的计算机）构成。在客户机上除了标准的计算机硬件外，还要安装操作系统、用户界面、网卡及其驱动程序、数据库访问工具等和应用程序。在服务上除了安装网络操作系统（如，NetWare4.1或Windows 2000 Server）、网卡及其驱动程序外，还要安装数据库管理系统、容错装置、网络和数据库管理工具等。,客户机/服务器系统特点,优点：
29、集中式管理和分布式处理模式。系统可扩充性好。抗灾难性能好，提高了可靠性。安全性好。用户界面友好。缺点：管理较为困难。开发环境较为困难。,（3）专用服务器与客户机/服务器结构的主要区别,C/S结构与专用服务器结构在硬件组成、网络拓扑、通信连接等方面基本相同，两者的最大区别在于，在C/S结构中，服务器中对原有应用程序中控制管理数据的方式进行了改进，从原来的文件管理方式上升为数据库管理方式。因此，人们有时把C/S结构中的服务器称为数据库服务器（或DBMS server），以区别于专用服务器结构中的文件服务器（File Server）。事实上，C/S结构是数据库技术的发展和普遍应用与局域网技术发展相结合的成果。,
