第1章 局域网技术基础
本章主要内容
局域网体系结构与标准
局域网的拓扑结构
局域网的传输媒体
局域网的互连
1.1 概 述
1.1.1 局域网的普及
一个微机系统应用于学校、办公楼、工厂、企业等场合，这些系统互连起来，实现系统之间交换数据和共享昂贵的的资源。
（1）主要包括与其它用户交换报文、共同访问公共文件和数据资源；
（2）实现硬件资源的共享，例如共享大容量存储器和高性能激光打印机等。
1.1.2 局域网的定义
在一个小区范围内，将分散的微机系统互连起来，实现资源的共享合同型，便构成了局域网（LAN）。几点说明：
（1）局域网终端设备：又称为数据通信设备。主要包括：微机、服务器、终端、外围设备、传感 器（如温度、湿度、安全报警传感器等），数字电话、数字电视发送和接收机以及传真机等。
当然不是所有的LAN都能配置上述设备。
（2）局域网的地理覆盖一般可达几十公里范围；
（3）局域网在传输媒体上的数据传输速率为10Mbps、100Mbps及1000Mbps.
1.1.3 局域网的技术要素
体系结构与标准
传输媒体
拓扑结构
数据编码
媒体访问控制 MAC
逻辑链路控制 LAC
1.2 局域网体系结构与标准
1.2.1 局域网参考模型
LAN参考模型是以IEEE802（国际电工电子工程师协会）标准的工作文件为基础，并且采用参考模型来分析这一问题。
1.局域网存在的四个特征
（1）它用带地址的帧来传送数据；
（2）不存在中间交换，所以不要求路由选择。
（3）数据传输各层的对应内容：
第一层： 物理层，比特传输；
第二层： 数据连路层，组成帧，并进行一定的控制，主要包括：寻址、排序、流量控制、差错控制等。
第三层： 网络层，完成路由选择。
（4）层二和层三的区别
层二是通过单个链路完成其功能，层三是通过数个链路完成的。
2.域网体系结构
3.局域网数据的传递（二层和三层）
（1）最上层接收来自所连接的站的发送信息；
（2）通过服务访问点（SAP）向下层交换信息，SAP是相邻层的逻辑接口；
（3）发送时将数据组装带有地址的差错检测字段的帧；
（4）接收时拆卸帧，完成地址识别和差错检测；
（5）管理链路上的通信。
4.物理层的主要功能
（1）信号的编码和译码；
（2）前导码的生成和除去（前导码用于帧同步）；
（3）比特的发送和接收。
1.2.2 局域网媒体访问控制
1.么是MAC？
所有局域网均由共享该网络传输能力的多个设备组成。需要有某些方法控制对传输媒体的访问，以便两个特定的设备在需要时可以交换数据。
2.体访问技术中的“方法”
“方法”分为两种，指控制是在集中方式下还是在分布方式下来实现。
（1）集中方式：
某个控制器被指定拥有访问网络的控制权，此时，希望发送的某个站必须等待，直到他收到该控制器的准许，该站才允许发送。
（2）分布方式：
由各个站集体地完成媒体访问控制功能，动态地确定站的发送顺序。
（3）集中方式方案的优点和缺点：
优点a.可提供诸如优先权、保证带宽，具有较大的控制访问能力。
b.允许每个站有尽可能简单的逻辑；
c.避免了协调问题。
缺点：a.会出现影响全网的单点故障；
b.会发生瓶颈作用，时效率降低。
分布方式方案的优点和缺点：正好与集中式相反。
3.访问控制技术的分类
主要按同步和异步进行划分。
（1）同步技术：
每个连接均被分配一个专用规定的传输容量。这种方式在局域网中不是最佳的，因为每个站发送数据是随机的。
（2）异步技术：
根据各站的发送情况分配传输容量，异步技术可进一步划分为：循环、预约、竞争三种情况。
1.异步技术三种方法
（1）循环：
给每个站轮流发送的机会，在此机会里，某站可以谢绝发送，或发送一定限度的信息。此限度为每个站每次发送的最大数据量或最大时间量来表示。
（2）预约：
对于平稳流式的业务，预约技术是相当合适的。即将媒体（介质）上的时间划分为许多时隙，当某站需要发送信息时，提前预约时隙。
（3）竞争：
对于突发式业务，竞争技术通常是合适的，各个站采取简单的竞争方式进行竞争发送数据。常用的方式为循环和竞争方式。
1.2.3 局域网数据链路控制LLC
1.LAN的LLC与传统链路层的区别：
（1）它必须支持链路的多路访问特性；
（2）它可利用MAC子层来实现链路访问中的某些功能；
（3）它必须提供某些属于三层的功能。
2.LLC的主要功能：
（1）端到端的差错控制功能；
（2）端到端的流量控制功能；
（3）完成无连接服务功能；
（4）完成面向连接服务功能；
（5）能进行复用，即多个不同的端点的数据在同一信道上传输。
3.服务访问点（SAP）
SAP在每层中有若干个点，分别用SAP1、SAP2……SAPn表示，每个SAP属于某站，但它又在LLC层有若干个SAP，每个SAP均由一个自己的地址，例如A点LLC层的SAP，可简单表示为：（A，1），如下图。下面来看各站的SAP之间是如何通信的。
如上图，假设站A内有一个应用X，希望将电文发送给站C内的一个进程，（A为某PC内的报告生成程序，C为一台打印机和一个简单的打印机驱动器）
（1）站A的链路发送一个“连接请求”，的若干控制比特的帧，该帧内含源地址（A，1—X），目的地址（C，1—M），及其它的控制比特。
（2）LAN将该帧传递给C站；
（3）如果“C”站空闲，就返回一个“接受连接”帧，（如果不空闲，这需要等待）；
（4）当A站与C站建立连接后，就可以利用站A的LLC将来自X的全部数据组装成帧，每帧均含源地址和目的地址；
（5）在此段时间，所有寻找（A，1）的帧均被拒绝，除非是来自（C，1）的帧。同样（C，1）的寻找帧也被（C，1）拒绝，字节收（A，1）的帧。
（6）以上方式被称为面向连接服务。
在以上进行数据交换的同时，各站的其它SAP之间可以同时传递消息，例如，进程Y可以连接到
（A，2），并与（B，1）交换数据，这就是一个复用的例子。
1.2.4 寻址
1.信涉及三个因素：进程、主机、网络
（1）进程是进行通信的基本实体，（也就是指软件程序）。我们举例说明两个站之间的进程是如何传递的。（例如A站和B站）
A站的进程通过PC机，然后通过网络与B站进程进行连接，并交换数据。进程在PC机上进行。
（2）主机
（3）网络
2.通信（含寻址）的过程
MH：必须包含一个用来唯一地标识局域网上某个站的目的地址，因为对于每一个可接收的站必须读出“目的地址”，如果和本站地址不同，则向下一站传送；如果和本站地址相同，则MAC实体标剥除MH和MT，并且将剩余的LLC—PDU向上传递，LLC子层的标头LH中必须包含SAP地址，以便LLC可将该数据交付给哪个SAP.
MAC地址：表识局域网中的一个站；
LLC地址：表识LLC上的某个SAP（某个用户）。
3.SAP的分布
（1）在每两层之间均有SAP（服务访问点），物理层上没有SAP.
（2）在网络接口单元（NIU）上的每个终端接口都具有一个唯一的SAP；
（3）组地址：
某用户希望将数据发送给特定NIU上的所有终端用户，或者给整个局域网上的所有终端用户，这就需要组地址。
a.广播方式；
b.多址方式。
4.局域网寻址的多种方式
MAC地址LLC用户地址（服务访问点）
单个单个
单个多址
单个广播
多址广播
广播广播
多址单个
多址多址
广播单个
广播多址
1.2.5 局域网标准
1.3 局域网的拓扑结构
1.3.1星型拓扑结构
特点：
（1）每个站由点到点链路连接到公共中心；
（2）任意两站之间的通信均要通过中心点；
（3）中心点可以是一个中继器，也可以是一个局域网的交换机；
（4）发送数据的站以帧的形式进入中心点，以帧中的目的地址到达目的站点。
（5）目前局域网系统中均采用星型拓扑结构。
1.3.2 环形
特点：
（1）由一组转发器（又称为中继器）通过点到点链路连接成封闭的环所构成。
（2）以帧的方式传输数据，循环一周，在起始位除去。
（3）有令牌的站才可以发送帧。
1.3.3 总线和树型
树型特点：传输媒体是不构成闭合环路的分支电缆，也即在树型网络中，任意两个终端之间只有唯一的一条路径。
总线型特点：只有传输媒体，没有交换机，也没有转发器。
1.4 局域网的传输媒体
传输媒体主要有双绞线、同轴电缆和光纤。
1.4.1 双绞线
1.物理描述
2.传输特性
（1）对模拟信号，约每5~6Km需要一个放大器；
（2）对低频数字信号，每2~3Km需用一个转发器。
1.4.2 同轴电缆
分类：
（1）CATV系统中使用75Ω电缆，主要用于宽带FDM模拟信号及高速数据。
（2）基带数字信号使用50Ω电缆，对于模拟信号可达300MHz~400MHz，每个电视信道分配6MHz的带宽。
（3）带宽和速率的关系：
对于5Mbps或更高的速率可设定1Hz/1bps，如6MHzTV信道——5Mbp速率。
对于较低速率可设计 2 Hz/1bps；
目前用整条同轴电缆（75Ω）传送数据，可达50Mbps，距离一般为1Km左右。
1.4.3 光缆
传输特性：1014Hz~1015Hz范围起波导作用。
多模：小角度的入射光纤被反射并沿光纤传播，其余光纤被周围媒体所吸收。
单模：纤芯半径降低到波长的量级时，只有单个角度或单个模，即只有轴向光束能通过。
1.4.4 无线传输媒体
分类：
（1）射频（RF）：900MHz、2.4GHz、5.8GHz（无需申请的频率）
（2）红外线（IR）800mm~900mm波段，地域范围可达数十米，可获得10Mbps的数据传输率。
散射IR（DFIR）：范围较小，但收发之间可有障碍物；
直射 IR（DBIR） ：范围较大，但收发之间不能有障碍物。
1.5 局域网的互连
局域网的互连主要通过以下设备实现：
（1）中继器（又称转发器，在物理层实现互连）；
（2）网桥（又称桥接器，在数据链路层实现互连）；
（3）路由器（在网络层实现互连）；
（4）网关（又称网间连接器，在传输层及以上实现互连）。
1.5.1 中继器
中继器，又称重发器，主要是将信号再生放大，主要作用为：
（1）将冲突域延长、扩大；
（2）但不能将电路形成环路；中继的个数有限，主要为时延及负荷情况；
（3）多口中继器又称为集线器，可分为电缆中继器（双绞线、同轴电缆）和光缆中继器。
1.5.2 集线器
集线器又称为集中器，用它作为一个中心节点，可连接多个传输媒体。集线器分为有源集线器，无源集线器和智能集线器。
1.5.3 网桥
用于连接两个或两个以上具有相同通信协议、传输媒体及寻址结构的局域网网间的互连设备。
（1）网桥有它的软件和硬件。网桥需要有足够大的RAM（存储器）缓冲区，用于扩展网络距离和转发数据到另一个目的网工作站。
（2）网桥具有寻址和路径选择功能；网桥对广播信息不能识别，也不能过滤；
（3）网桥又分为本地网桥和远程网桥。
本地网桥：指所连接的两个LAN间的距离在所允许的最大传输媒体长度之内的网桥。连接两个LAN只需一个网桥。
远程网桥：必须加上调制解调器，而且连接两个LAN时需要两个网桥。
1.5.4 路由器
1.主要功能：
（1）选择最佳的转发数据的路径，建立非常灵活的连接，均衡网络负载。
（2）利用通信协议本身的流控来控制数据传输，解决拥挤问题；
（3）具有判断需要转发的数据分组的功能，判定某数据是否需转发。
2.路由器分为：
（1）单协议路由器：对具有相同网络层协议的网络互连；
（2）多协议路由器：对具有多种网络层协议的网络互连。
1.5.5 网关（又称高层协议转发器）
用途：用于不同类型且差别较大的网络系统间的互联。