第3章局域网技术
局域网（Local Area Network，LAN）是一个地理范围有限，将各种通信设备和计算机互联在一起，实现资源共享和信息交换的计算机通信系统。局域网具有传输速率高、地理范围覆盖较小、误码率低等特点。本章主要对局域网的基本概念、与局域网相关的IEEE 802系列标准、交换式局域网、虚拟局域网、无线局域网、AD Hoc网络进行详细描述。
2017全明星本章学习要求：
u掌握：局域网的基本概念和特点，以及局域网的分类；
u掌握：IEEE 802.3和IEEE 802.5标准的特点；
u了解：IEEE 802.4标准的特点；
u掌握：交换式以太网的特点以及工作原理；
u掌握：虚拟局域网的基本概念和实现方法；
u了解：掌握IEEE 802.11系列标准规范；
是你 tfboys
u了解：Ad Hoc网络的基本特点。
3.1 局域网概述
局域网(Local Area Network，简称LAN)是指地理范围在几十米到几千米内的办公楼或校园内计算机相互连接所构成的计算机网络。一个局域网可以容纳几台至几千台计算机。按局域网的特性看，局域网可被广泛应用于校园、工厂及企事业单位的个人计算机或工作站的组网。
局域网一般具有如下特点：
1.覆盖的地理范围有限。一般可是一间办公室、一栋楼或一个校园区域等；
2.数据传输率较高。一般在1~100Mbps，光纤构建的局域网甚至可以达到1000Mbps；
3.数据传输误码率较低。误码率一般在10-8之间；
4.易于组建和维护，且各站点间关系平等，非从属关系；
5.相关网络技术易于理解。如：拓扑结构、传输介质以及介质访问控制方法等。
对于局域网网络的分类，我们可以有着多种参照标准进行实施。如：
按照拓扑结构分为：总线型、星型、环形、树形等结构；
按照工作模式分为：对等网模式、客户机/服务器模式；
按照传输介质分为：有线局域网（同轴电缆、双绞线、光纤等）、无线局域网（电波、微波、红外线等）；
按照信息交换方式分为：共享式局域网、交换式局域网等；
按照访问控制方法分为：以太网的CSMA/CD、令牌环网、FDDI网、ATM网等。
3.2IEEE 802标准
IEEE 802标准实际上是IEEE对于局域网技术制定的一系列标准的集合（参见表3-1），它主
要包括IEEE 802.3、IEEE 802.4、IEEE 802.5三个局域网标准，这些标准分别描述了CSMA/CD、令牌总线和令牌环网络类型（参见表3-2）。
IEEE是英文Institute of Electrical and Electronics Engineers的简称，中文译名是电气和电子工程师协会(美国)。该协会主要开发数据通信标准。其中IEEE 802委员会负责起草局域网草案，IEEE 802规范
定义了网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线网络等），以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除连接的途径。
表3-1 IEEE 802系列标准
标准主要功能描述
IEEE 802.1A------局域网体系结构
IEEE 802.1
IEEE 802.1B------寻址、网络互连与网络管理
IEEE 802.2 逻辑链路控制子层(LLC)
IEEE 802.3 CSMA/CD及100BASE X
IEEE 802.4 令牌总线网
IEEE 802.5 令牌环网
IEEE 802.6 城域网（MAN）
IEEE 802.7 宽带网
IEEE 802.8 FDDI访问控制方法与物理层规范
IEEE 802.9 综合数据话音网络
IEEE 802.10 LAN的安全与保密技术
IEEE 802.11 无线局域网访问控制方法
IEEE 802.12 100VG-AnyLAN访问控制方法与物理层规范
IEEE 802.13 100BASE-T
IEEE 802.14 交互式电视网（Cable Modem）
表3-2 OSI与IEEE 802标准的比较
电脑怎样设置开机密码OSI IEEE 802
IEEE 802.10 客户在LAN中的安全与保密技术
高层协议
IEEE 802.1系统结构与网络互连
IEEE 802.2逻辑链路控制子层LLC
数据链路层
介质访问控制子层
802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 物理层CSMA/CD介质Token Bus介质Token Ring介质
3.2.1 IEEE 802.3类型的网络
1．IEEE 802.3相关技术规范
饥饿站台评价在表3-1中我们可以看到IEEE 802.3标准是针对CSMA/CD访问方法和物理规范。采用此技术的典型网络是以太网（Ethernet）。它是美国施乐公司（Xerox）于20世纪70年代开发的。这种网络最初采用总线型拓扑结构进行实现，现在以太网也采用星型拓扑结构，使数据传输速率最高可达到1000Mbps。
IEEE 802.3类型网络采用的介质访问控制方法即CSMA/CD（Carries Sense Multiple Access/Collision Detect），其中文解释为：带有冲突检测的载波侦听多路访问（方法）。主要用来控制设备对共享传输介质的访问策略。
IEEE 802.3的特点如下：
优点：使用最为广泛；算法简单；站点可以在网络运行中安装；使用无源电缆；轻负载时，延迟为0。
缺点：使用模拟设备，每个站点在发送的同时要检测冲突；最短帧长64字节，对于短数据来讲开销太大；无优先级，何时发送是非确定性的，不适合于实时工作；电缆最长2500米（使用中继器）；重负载时，冲突严重。
表3-3 IEEE 802.3 10Mbps项目
项目10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-F
传输介质粗同轴电缆
（50Ω）
粗同轴电缆
（50Ω）
UTP
光纤对
（850mm）
编码技术
基带/
曼彻斯特
基带/
曼彻斯特
基带/
曼彻斯特
曼彻斯特
/(on-off)
物理拓扑总线总线星型星型
最大段长度（m）500 185 100 500 结点数100 30 --- 33
ios14快捷指令充电提示音介质直径10mm 5mm 0.4~0.6mm 62.5~125μm
互联设备中继器、网桥中继器、网桥集线器、网桥、
交换机
---
表3-4 IEEE 802.3μ 100Mbps项目地板十大品
项目100Base-TX 100Base-FX 100Base-T4 传输介质UTP5、STP 多模光纤UTP3
编码技术4B/5B NRZ1 8B6T
物理拓扑星型星型星型
最大段长度（m）100 100 100 结点数--- --- ---
介质直径0.4~0.6mm 62.5~125μm 0.4~0.6mm 互联设备网桥、交换机、路由器网桥、交换机、路由器网桥、交换机、路由器
2.CSMA/CD介质访问控制方法
以太网一般采用总线型拓扑结构。虽然在组建以太网的过程中其物理拓扑结构使用星型拓扑，但是其逻辑上任然是总线型结构（如图3-1所示）。
在以太网中，由于它是共享总线介质的访问控制方法，因而任何节点都没有可预约的发送时间，他们的数据发送是随机的。所有节点都是平等的争用发送时间。所以CSMA/CD技术是一种随机争用的方法。
CSMA/CD的工作原理可以概述为“先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”这段话。它不仅体现在以太网中数据的发送过程中，同时也体现在数据的接收过程中。
（a）物理与逻辑统一的总线结构（b）物理上的星型结构与逻辑上的总线结构
图3-1以太网中物理结构和逻辑结构的理解
下面就数据的发送过程对此原理进行具体分析：首先需要将发送的数据组织到一起，然后侦听总线的工作状态，如果总线上已经有数据信号传输，那么它必须等待，直到总线空闲下来，节点便再次启动发送过程。当然，在以太网中会存在两个甚至多个节点在同一时刻发送数据的可能性，一旦发生这种情况，冲突就会产生。所以，CSMA/CD在发送的过程中，一直需要检测信道的状态，当冲突发生时，立即停止发送，并且在随机的下一个时间点，再次进行发送尝试。
3.2.2IEEE 802.4类型的网络
IEEE 802.4标准定义了令牌总线（Token Bus）介质访问控制方法与相应的物理规范。
令牌总线网络采用了在一个广播总线网上传递令牌，并以此来控制节点访问公共传输介质的方法。令
牌从一个站点传到网络上的下一个站点，并且只有拥有令牌的站才能发送数据。令牌是以基于节点地址的逻辑顺序传递的，这个顺序可能与节点的物理地址相关，类似令牌环网的规则。
这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定逻辑位置，末站的后站就是首站（即首尾相连），每站都了解其先行站和后继站的地址, 总线上各站的物理位置与逻辑位置无关，如下图所示：
图3-2 令牌总线网的逻辑运行图
令牌总线网的主要操作过程如下：
1.环初始化，即生成一个顺序访问的次序。网络开始启动时，或由于某种原因，在运行中所有站点不
活动的时间超过规定的时间，都需要进行逻辑环的初始化。初始化的过程是一个争用的过程，争用结果只有一个站能取得令牌，其它的站点用“站插入算法”插入。
2.令牌传递算法。逻辑环按递减的站地址次序组成，刚发完帧的站点将令牌传递给后继站，后继站应立即发送数据或令牌帧，原先释放令牌的站监听到总线上的信号，便可确认后继站已获得令牌。
3.插队入环算法。必须周期性地给未加入环的站点以机会，将它们插入到逻辑环的适当位置中。如果同时有几个站要插入时，可采用带有响应窗口的争用处理算法。
4.退出环算法。可以通过将其前趋站和后继站连到一起的办法，使不活动的站退出逻辑环，并修正逻辑环递减的站地址次序。
5.故障处理。网络可能出现错误，这包括令牌丢失引起断环，重复地址、产生多个令牌等。网络需对这些故障做出相应的处理。
IEEE 802.4的特点如下：
优点：发送具有确定性，支持优先级，可处理短帧；使用宽带电缆，支持多信道；重负载时，吞吐量和效率较高。
缺点：使用大量的模拟装置；协议复杂；轻负载时，延迟大；很难用光纤实现。
3.2.3IEEE 802.5类型的网络
1.IEEE 80
2.5相关技术规范
IEEE 802.5 标准通常指令牌环网。它规定了物理层和数据链路层的MAC子层的信息传递过程。IEEE 802.5采用传递令牌的方法在STP或UTP电缆以及光纤上以较高速率进行存取，其在功能和运行上与IBM令牌环网相同。
令牌环网基本工作原理如下：网上传输一个称为令牌的传输比特模型。当网上所有站点都处于空闲时，令牌就沿环绕行。当某一个站点要求发送数据时，必须等待，直到捕获到经过该站的令牌为止。这时，该站点可以改变令牌中一个特殊字段，把令牌标记成已被使用，并把令牌作为数据帧的帧头和数据帧一起发送到环上。与此同时，环上不再有令牌，因此有发送要求的站点必须等待。环上每一个站点检测并转发环上的数据帧，比较目的地址是否与自身站点地址相符，从而决定是否拷贝该数据帧。数据帧在环上绕行一周后，由发送站点将其删除。当发送站点发送完所有信息帧后，将令牌再次初始化，并将新令牌发送到环上供其它有数据待发送的站点继续使用。
整个过程可总结为：捕获令牌、数据帧发送、接受数据帧、删除数据帧（初始化令牌）这4个部分。
IEEE 802.5的特点如下：
优点：使用点到点连接，设备完全数字化；自动检测和消除电缆故障；支持优先级，允许短帧，但受令牌持有时间限制，不允许任意长的帧；重负载时，吞吐量和效率较高。
缺点：须有监控令牌的中央设备；轻负载时，延迟大。
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