第3章局域網(wǎng)基礎(chǔ)3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識3.2局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法3.5實訓(xùn)：捕獲并觀察MAC幀教學(xué)目標與教學(xué)要求本章的主要介紹局域網(wǎng)的基本知識。通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握局域網(wǎng)的特點，理解三種基本拓撲結(jié)構(gòu)，掌握傳輸介質(zhì)及介質(zhì)訪問控制方法，最后通過實訓(xùn)，應(yīng)理解局域網(wǎng)的基本運作方式，為后續(xù)組網(wǎng)技能訓(xùn)練做準備。教學(xué)目標:教學(xué)要求:知識要點能力要求相關(guān)知識局域網(wǎng)特點理解局域網(wǎng)的基本特點及應(yīng)用范圍覆蓋范圍、傳輸速率、3個技術(shù)要素拓撲結(jié)構(gòu)掌握局域網(wǎng)的三種基本拓撲結(jié)構(gòu)總線型、環(huán)型、星型及混合型拓撲結(jié)構(gòu)傳輸介質(zhì)掌握局域網(wǎng)的主要傳輸介質(zhì)及其特性同軸電纜、雙絞線、光纜介質(zhì)訪問控制方法理解局域網(wǎng)的基本工作過程MAC地址、MAC幀3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識局域網(wǎng)標準是由IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，電子與電氣工程師協(xié)會）下屬的IEEE802委員會制定的。IEEE802委員會制訂了多種的局域網(wǎng)標準，其中包括著名的以太網(wǎng)（Ethernet）、令牌環(huán)網(wǎng)（TokenRing）、光纖分布式接口網(wǎng)（FDDI）、異步傳輸模式網(wǎng)（ATM）及無線局域網(wǎng)（WLAN）等。3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識局域網(wǎng)工作在OSI體系結(jié)構(gòu)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，也即TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接口層。3.1.1局域網(wǎng)工作的網(wǎng)絡(luò)層次3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識通信信道的有以下兩種使用方式：1）廣播通信方式。一對多的通信方式，存在信道爭用（沖突）問題，相對復(fù)雜，必須使用專門的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)各個主機的發(fā)送和接收。如共享式（使用同軸電纜或集線器）以太網(wǎng)。2）點對點通信方式。一對一的通信方式。不存在信道爭用問題。如交換式（使用交換機）以太網(wǎng)。3.1.1局域網(wǎng)工作的網(wǎng)絡(luò)層次3.1局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識局域網(wǎng)的主要特點有：1）局域網(wǎng)覆蓋有限的地理范圍，一般不超過幾千米。2）局域網(wǎng)傳輸速率高（10Mbps~100Gbps）、誤碼率低（通常低于10-11）。3）通信延遲時間短，可靠性較高。4）局域價格便宜，網(wǎng)組建容易，易于管理和維護。決定局域網(wǎng)特性的技術(shù)要素有3個方面：拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)和介質(zhì)訪問控制方法。3.1.2局域網(wǎng)主要特點3.2局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)拓撲就是使用一些簡單的幾何圖形來表示復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一種方法。網(wǎng)絡(luò)中的計算機等設(shè)備要實現(xiàn)互聯(lián)，就需要以一定的幾何結(jié)構(gòu)方式進行連接，這種連接方式就叫做“拓撲結(jié)構(gòu)”，簡單地講就是這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是如何連接在一起的。把網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點以及節(jié)點之間的通信線路的幾何關(guān)系畫成拓撲圖，可反映局域網(wǎng)中各個實體的組成關(guān)系及通信特性。局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有總線型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)3種基本類型，這三種基本類型還可以組成混合型拓撲結(jié)構(gòu)。3.2局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)在總線型拓撲結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)中，所有的節(jié)點都通過自己的網(wǎng)絡(luò)接口卡（簡稱網(wǎng)卡）連接到一條作為公共傳輸介質(zhì)的總線上，因此每次只能由一個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸通常以“共享介質(zhì)”方式進行，也就是數(shù)據(jù)在總線上以“廣播”的方式傳播，其他節(jié)點都會收到發(fā)送節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但只有真正的接收者才會收下數(shù)據(jù)。這種模式類似于生活中的廣播找人。3.2.1總線型拓撲結(jié)構(gòu)3.2局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的特點是每個節(jié)點都與兩個相鄰的節(jié)點相連，節(jié)點之間采用點到點的鏈路，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點構(gòu)成一個閉合的環(huán)，環(huán)中的數(shù)據(jù)沿著一個方向繞環(huán)逐站傳輸。在單環(huán)結(jié)構(gòu)中，斷開環(huán)中的一個節(jié)點，意味著整個網(wǎng)絡(luò)的通信終止，這是環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的一個主要缺點。后來發(fā)展的雙環(huán)結(jié)構(gòu)（FDDI）可彌補此缺點。3.2.2環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)3.2局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)星型拓撲結(jié)構(gòu)是由中央節(jié)點通過“點到點”通信鏈路連接到其他節(jié)點組成的。中央節(jié)點執(zhí)行集中式通信控制。在星型拓撲結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一臺計算機要和另外一臺計算機通信的時候，必須先把信息傳遞給中央節(jié)點，然后由中央節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給目的計算機。中心節(jié)點通常是交換機。3.2.3星型拓撲結(jié)構(gòu)3.2局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)星型拓撲結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點有：1）控制簡單。在星型網(wǎng)絡(luò)中，任何一節(jié)點只和中央節(jié)點相連接就能通信。2）故障診斷和隔離非常容易，網(wǎng)絡(luò)易于管理和維護。在星型網(wǎng)絡(luò)中，中央節(jié)點和線路可以逐一分開進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個節(jié)點，不會影響全網(wǎng)，因為傳輸信息時靠的是中央節(jié)點而不是計算機本身。3）可擴展性好，配置靈活。中央節(jié)點可以方便地對各個節(jié)點提供服務(wù)和對網(wǎng)絡(luò)重新配置。4）網(wǎng)絡(luò)延遲時間短。由于各個節(jié)點計算機之間的通信必須通過中央節(jié)點，而點到點之間計算機的通信只需要一步轉(zhuǎn)發(fā)（中央節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)）即可。星型拓撲結(jié)構(gòu)主要缺點是：中央節(jié)點的通信負擔(dān)重，容易形成瓶頸效應(yīng)；在可靠性方面要求較高。因為星型局域網(wǎng)依賴于中央節(jié)點，如果中央節(jié)點出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。3.2.3星型拓撲結(jié)構(gòu)3.2局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的總線型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)這三種基本拓撲結(jié)構(gòu)類型，在理論上可以任意組合，成為混合型拓撲結(jié)構(gòu)。但最目前常見的組合是多個星型結(jié)構(gòu)組成的樹形結(jié)構(gòu)。3.2.4混合型拓撲結(jié)構(gòu)3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)同軸電纜由中心銅線、絕緣層、金屬屏蔽網(wǎng)以及塑料外套所組成，如圖3-6所示。由于金屬屏蔽網(wǎng)的作用，同軸電纜具有良好的抗干擾特性，被廣泛用于較高速率數(shù)據(jù)的傳輸。在局域網(wǎng)發(fā)展早期曾廣泛地使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)。3.3.1同軸電纜3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)雙絞線是現(xiàn)在的局域網(wǎng)中采用最多的一種傳輸介質(zhì)，由8根絕緣銅線組成。為了減少信號傳輸中的相互串?dāng)_及外界電磁干擾，通常每兩根相互絞在一起形成4對，外部再套上一個塑料保護管。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（UTP，UnshieldedTwistedPair）和屏蔽雙絞線（STP，ShieldedTwistedPair）。3.3.2雙絞線3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)雙絞線特別適合于短距離的信息高速傳輸，傳輸距離一般為100米左右。由于非屏蔽雙絞線成本低于屏蔽雙絞線，所以非屏蔽雙絞線使用更廣泛。雙絞線電纜主要用于星型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，需要通過RJ-45接頭（俗稱水晶頭）與網(wǎng)卡、交換機、集線器、路由器等設(shè)備相連。3.3.2雙絞線3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)1991年，美同電子工業(yè)協(xié)會EIA和電信行業(yè)協(xié)會TIA聯(lián)合發(fā)布了一個商用建筑物布線標準EIA/TIA-568。下表給出了目前常用的雙絞線的類別、傳輸速率和典型應(yīng)用。3.3.2雙絞線雙絞線類別最高傳輸速率典型應(yīng)用1類2Mbps電話線（模擬信號）2類4Mbps電話線（模擬信號）3類16Mbps10Mbps以太網(wǎng)4類20Mbps10或100Mbps以太網(wǎng)5類100Mbps100Mbps以太網(wǎng)超5類（5E）1000Mbps100或1000Mbps以太網(wǎng)6類24Gbps1000Mbps以太網(wǎng)3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)光纜是一種常用的網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)，它能高速傳輸光脈沖信號。光纜由封裝在隔開鞘中的多條光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）組成。3.3.3光纜3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)從橫截面觀察，每根光纖都被反射包層、加固材料和外保護套所包圍。光纖可由石英、玻璃和塑料等材質(zhì)制造，分為由內(nèi)核和包層，內(nèi)核折射率很高，而包層折射率很低。這樣在光纖中傳輸?shù)墓鈱⒃趦?nèi)核與包層的交界處形成全反射，這個過程不斷重復(fù)，光線也就沿著光纖持續(xù)傳輸下去?，F(xiàn)代的生產(chǎn)工藝可以制造出超低損耗的光纖，即做到光線在纖芯中傳輸數(shù)十公里而基本上沒有什么損耗，這一點是光纖通信得到飛速發(fā)展的關(guān)鍵因素。3.3.3光纜3.3局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)光纖可以分為多模光纖和單模光纖。光纜的主要優(yōu)點有：1）傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經(jīng)濟。2）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。3）無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)．4）體積小，重量輕。5）傳輸速率高，從l00Mbps到1Gbps（l000Mbp/s），甚至可達到1Tbps（1000Gbps）。光纜也有一定的缺點，主要是要將兩根光纖精確地連接需要專用設(shè)備，高速光電轉(zhuǎn)換接口的相關(guān)設(shè)備還較貴。3.3.3光纜3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法早期的局域網(wǎng)是“共享”（使用同軸電纜或集線器）式局域網(wǎng)，也就是一對多的廣播通信方式。在共享式局域網(wǎng)中，局域網(wǎng)中的傳輸介質(zhì)是共享的，所有節(jié)點都可以通過共享介質(zhì)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。但不允許兩個或多個節(jié)點在同一時刻同時發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是說數(shù)據(jù)傳輸是以“半雙工”（即通信的雙方都可以發(fā)送和接收，但是不能雙方同時發(fā)送和接收，即在一個時刻一方只能發(fā)送，另一方只能接收）方式進行的。但是，不加控制也有可能出現(xiàn)兩個或多個節(jié)點同時發(fā)送、相互干擾的情況。這時，接收節(jié)點收到的信息就有可能出現(xiàn)錯誤，這就是所謂的“沖突”問題。沖突問題的產(chǎn)生就如一個有多人參加的討論會議，一個人發(fā)言不會產(chǎn)生問題，如果兩個以上的人同時發(fā)言，聽眾就會被干擾而無法聽清。3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法每個網(wǎng)卡上都有一個全球唯一的編號，一般稱之為介質(zhì)訪問控制地址（MediaAccessControladdress），簡單稱MAC地址，也可稱之為物理地址或硬件地址。MAC地址屬于數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容。MAC地址是一個48位的二進制數(shù)，一般用12個十六進制數(shù)表示，如：00-E0-4C-C1-61-31。MAC地址分為兩個部分，前24位表示網(wǎng)卡制造商的識別碼，由IEEE統(tǒng)一分配；后24位是網(wǎng)卡的編號，由網(wǎng)卡制造商自行分配。3.4.1MAC地址3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法當(dāng)源主機向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)帶有目的主機的MAC地址。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)后，它們檢查數(shù)據(jù)中的目的主機MAC地址是否與自己MAC地址相符，如果相符，網(wǎng)卡就保留該數(shù)據(jù)；如果不符，網(wǎng)卡就丟棄該數(shù)據(jù)。3.4.1MAC地址3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法局域網(wǎng)的主機通信時所發(fā)送的數(shù)據(jù)必須遵循一定的格式，這個格式稱為“幀”。幀屬于數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容。以太網(wǎng)的標準幀格式如圖所示。在以太網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)是以幀為單位傳送的，一個幀的長度至少是64字節(jié)（才能檢測到?jīng)_突），最長不超過1518字節(jié)（幀太大碰撞沖突的幾率也大，在檢測到有錯誤的情況下需重發(fā)，影響了效率）。3.4.2MAC幀3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法一個幀就相當(dāng)于現(xiàn)實生活中的一封信，數(shù)據(jù)部分相當(dāng)于信紙，其他部分相當(dāng)于信封。如果把幀比作一輛卡車，數(shù)據(jù)部分相當(dāng)于貨物，其他部分相當(dāng)于車頭。根據(jù)幀的接收者不同把局域網(wǎng)通信幀分為：1）單播（unicast）幀（一對一），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上某一臺主機。幀的目的MAC地址為接收主機的MAC地址。2）廣播（broadcast）幀（一對全體），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上所有主機。幀的的目的MAC地址為二進制的全1（0xFFFFFFFFFFFF）。3）多播（multicast）幀（一對多），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上一部分站點的幀。幀的目的MAC地址為多播地址。3.4.2MAC幀3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法因為早期局域網(wǎng)所采用的傳輸介質(zhì)是共享的，所以必須解決多個主機對傳輸介質(zhì)的“爭用”問題。不同類型的局域網(wǎng)采用不同的介質(zhì)訪問方法解決“爭用”問題，主要有帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）方法、令牌總線（TokenBus）方法、以及令牌環(huán)（TokenRing）方法。3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法以太網(wǎng)采用帶有沖突監(jiān)測的載波偵聽多路訪問（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD）方法實現(xiàn)對共享介質(zhì)的訪問控制。CSMA/CD是一種典型的分布式介質(zhì)訪問控制方法，它沒有集中控制中心，網(wǎng)中的所有節(jié)點具有相同的優(yōu)先級。多臺主機隨機“競爭”使用同一條鏈路。由于發(fā)送采用競爭機制，因此發(fā)送等待延遲并不確定，而且在高負載時，沖突幾率的增大會使網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生大幅下降。但是，由于其方法簡單、實現(xiàn)容易、組網(wǎng)方便，因此得到了廣泛應(yīng)用。目前，以太網(wǎng)在局域網(wǎng)市場上占有絕對的主導(dǎo)地位。3.4.3傳輸介質(zhì)訪問控制方法3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法總線上只要有一臺主機在發(fā)送數(shù)據(jù)幀，總線的傳輸資源就被占用，所有其他主機都會收到這個數(shù)據(jù)幀。因此，在同一時間只能允許一臺主機發(fā)送信息，否則各主機之間就會相互干擾而產(chǎn)生沖突，總線上傳輸?shù)男盘柧蜁霈F(xiàn)嚴重的失真，從而無法從中接收正確的信息，結(jié)果大家都無法正常傳輸信息。顯然，使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)采用的是廣播通信方式，一臺主機不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，即不可能進行全雙工通信而只能進行半雙工通信。因此，一個以太網(wǎng)就構(gòu)成了一個的沖突域（collisiondomain，又稱為碰撞域），在任一時刻，只能有一個主機發(fā)送數(shù)據(jù)。3.4.3傳輸介質(zhì)訪問控制方法3.4傳輸介質(zhì)訪問控制方法1.以太網(wǎng)的發(fā)送以太網(wǎng)中的一個節(jié)點如果要發(fā)送數(shù)據(jù)，它將數(shù)據(jù)送往共享介質(zhì)將數(shù)據(jù)“廣播”出去，因此，連在總線上的所有節(jié)點都能“收聽”到發(fā)送節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。由于以太網(wǎng)中所有節(jié)點都可以利用總線傳輸，并且沒有控制中心，因此，沖突的發(fā)生將是不可避免的。為了有效地對共享信道進行控制，CSMA/CD的發(fā)送流程可以概括為“先聽后發(fā)，邊聽