网络基础知识二(局域网的结构及特点)

1局域网的相关知识1.什么是局域网为了完整地给出LAN的定义，必须使用两种方式:一种是功能性定义,另一种是技术性定义。前一种将LAN定义为一组台式计算机和其他设备,在物理地址上彼此相隔不远，以允许用户相互通信和共享诸如打印机和存储设备之类的计算资源的方式互连在一起的系统。这种定义适用于办公环境下的LAN、工厂和研究机构中使用的LAN。就LAN的技术性定义而言,它定义为由特定类型的传输媒体(如电缆、光缆和无线媒体)和网络适配器(亦称为网卡)互连在一起的计算机,并受网络操作系统监控的网络系统。功能性和技术性定义之间的差别是很明显的,功能性定义强调的是外界行为和服务；技术性定义强调的则是构成LAN所需的物质基础和构成的方法。局域网(LAN)的名字本身就隐含了这种网络地理范围的局域性。由于较小的地理范围的局限性。由于较小的地理范围,LAN通常要比广域网(WAN)具有高的多的传输速率,例如，目前LAN的传输速率为10Mbit/s,FDDI的传输速率为100Mbit/s,而WAN的主干线速率国内目前仅为128kbit/s或4096Kbit/s,最终用户的上线速率通常为56.6kbit/s。LAN的拓扑结构目前常用的是总线型和环行。这是由于有限地理范围决定的。这两种结构很少在广域网环境下使用。LAN还有诸如高可靠性、易扩缩和易于管理及安全等多种特性。局域网的分类按网络结构的不同，局域网一般可分为令牌网和以太网两种。（1）令牌网令牌网主要用于广域网和城域网及大型局域网的主干部分，其操作系统大多使用大家都不熟悉的Unix，组建的管理非常繁琐，只有专业人员才能胜任，普通用户一般很少问津。（2）以太网以太网（Ethernet）是当今世界上应用范围最广的一技术。它最早起源于美国夏威夷大学，后来不断发展完善，其相关技术已进行了标准化。以太网标准一经推出，许多大公司如3COM、AT&T等就相继推出了以太网产品，为以太网技术的发展和应用起到了推动作用。如今，以太网产品已遍布世界各地，它对计算机网络技术的发展起到了举足轻重的作用。以太网组建较为容易，各设备之间的兼容性较好，同时目前的主流操作系统WindowsNT、Netware和Windows95/98/2000都支持它，所以现在80%以上的局域网都是以太网，而且其比例还在不断上升。3.局域网的工作方式了解并掌握局域网的工作方式，对我们在网络选型、设备选购、性能和故障分析等方面都有很大的帮助。以太网采用的是CSMA/CD（载波兼听多路访问/冲突检测）控制协议工作方式，网络中的所有用户共享传输介质，信息通过广播方式发送到所有端口。网络中的工作站对接收到的信息进行确认，如果是发给自己的便接收，否则不予理睬。再从发送端的情况来看，当发送端要发送一个数据信息时，它首先要进行网络工作状况的检测，如果此时线路正好有空，便立即发送，否则继续进行检测，直到线路空闲时再发送。这样的一种工作机制，导致网络在工作中存在以下两个问题：一个是针对发送端的。发送端在发送一个数据信息时都要不断的进行监测，另外不是一个数据信息发送出去就算结束了，它还要对已发送出去的信息进行确认，确认端是否已经接到，如收到则说明发送成功，否则还要继续发送。如果网络连接质量不好或线路忙时，要成功的发送一条数据信息要进行很多次的监测、发送和确认过程，在一定程度上影响了网络速度的提高。另一个是针对接收端的。从局域网的工作过程来看，每个工作站都可能每时每刻都要接收网上传来的信息，但是所接收的信息并不一定是发送给自己的，如果是给自己的才能接收。这就像一个信件收发员，他每天都要接收到邮局转来的大量信件，然而这些信件中只有很少的几封是发给自己的，甚至一封都没有。如此一来，一方面工作站端不断的接收分辨认网络中发送的信息，占用一定的处理时间；另一方面广播信号占用着大量的网络线路，使实际可用的网络带宽得不到提高。.网络中的共享和交换共享和交换是网络中两个不同的概念，也代表了两种不同的工作机制。我们可以打个比方：同样是10个车道的道路，如果没有给道路标清行车线，那么车辆就只能在无序的状态下抢道、占道通行，这样就容易发生交通堵塞和交通事故，使通行能力大大降低。为了避免上述情况的发生，就需要在道路上标清行车线，保证各种车辆各行其道，互不干扰。共享式网络就相当于前面的无序状态，当数据的传输量和用户数量超过一定的限量时，就会造成碰撞冲突，使网络性能衰退。而交换式网络避免了共享式网络的不足。交换技术的作用便是根据所传信息包的目的地址，将每一信息独立地从源端口发送到目的端口，避免了和其他端口发送碰撞。所以，当不同的源端口向不同的目的端口发送信息时，交换机就可以互不影响地传送这些信息包，并防止发生传输碰撞，提高了网络的传输速率和数据吞吐量。利用共享式连接设备所建立的局域网称为共享式局域网，利交换式连接设备建立的局域网称为交换式局域网。5.局域网中的单工、双工和半双工（1）单工单工即单向通信虽指在一条线路上只能存在单个方向的通信，反向无法进行。单工通信多用于无线广播，有线广播和电视广播，在局域网中并不采用。（2）半双工半双工即双向交替通信。是指在同一时间内，通信双方中只能有一方发送或接收信息。当一方不管是发送还是接收信息时，另一方都只能处于等待状态。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。局域网中最早使用的就是这种半双工的工作方式。对共享式局域网来说，所有的用户都依赖于单条的共享通道，在技术上无法实现同一时刻数据的双向通行，所以常规的共享式网络只能工作台在半双工方式下。（3）全双工全双工即双向同时通信。是指同一时间内，通信双方即可以发送信息，也可以接收信息。全双工工作模式在局域网中应用，提高网络的通信能力。与半双工模式相继较，全双工可以在两对电缆上同时发送和接收信息，不会发生冲突，在理论上可以使传输速率加倍。目前大量的局域网交换机和网卡都采用了全双工这一技术，使网络速度在交换式的基础上又提升了一倍。6.局域网的访问控制方式局域网一般为广播型网络，一个节点发出的数据，其他节点都能收到，网络上的各个节点共享信道，但是，信道在一段时间内只能为一个节点提供服务，如果多个工作站同时工作，必然会引发信信道争用问题。如何对信道的使用进行合理的分配，保证各节点充分利用信道的空闲时间传送信息，又不至于使各节点所发这的信息在信道中发生冲突是一个很重要的课题。研究传输介质的访问控制方式就是为了合理地解决信道的分配问题，使多个工作站或网络设备同时利用一个信道传输数据时不会发生冲突。下面介绍几种常见的介质访问控制方工。（1）CSMA/CD访问控制CSMA/CD访问控制CSMA/CD是由XEROX（施乐）公司于1972年提出和开发的，当时被称为以太网络（Ethernet）。CSMA/CD方式的最大功能是能够进行碰撞检测，但并不中断碰撞的发生，也没有更正错误的能力。CSMA/CD方式经常用于总线和树状网络中。（2）载波侦听与多路访问（CSMA）我们把查看信道上有无数字信号传输称为“载波侦听”，而把同时有多个节点在侦听信道是否空闲和发送数据，称为“多路访问”。载波侦听由分布在各个节点的控制器各自独立进行的，它的实现方法是通过硬件测试信道上信号的有无。这里有一个问题，当一个节点检测到共享信道忙时，它是继续不断地侦听还是等待，如果等待，那么等待的时间如何确定？XEROX公司提出了两种办法来解决这个问题：a.继续侦听下去，一直到发现信道空闲，然后立即发送数据。这种方法称为“坚持型”的载波侦听多路访问；b.延迟一个随机时间，然后再检测，不断重复上述过程，直到发现信道空闲，发送数据。这种方法称为“非坚持型”的载波侦听多路访问。（3）冲突检测（CD）冲突有两种情况，一种是两个以上的节点同时侦听到信道某一瞬时处于空闲状态时，这些节点都开始向信道上发送数据，在信道上就会产生两个以上的信号重叠干扰，使数据不能正确地传输和接收。另一种是节点甲侦听到信道是空闲的，但是这种空闲状态可能是信道上节点乙已经发送了数据，由于在传输介质上信号传送的延迟，数据信号还未到达节点甲的比缘故。如果此时，节点甲又发送数据，则将发生冲突。如何消除冲突是一个重要问题。实际上，发现和处理冲突一般由节点上的检测器来完成。各个节点上的冲突检测器检测到冲突发生后，便停止发送数据，然后延迟一段时间以后再去抢占信道。为了尽量减少冲突，各节点延迟时间采用“随机数”控制的办法，延迟时间最小的那个节点先抢占信道，如果再次发生冲突则重复照此办法处理，总有一次会抢占成功。这种延迟竞争法称为“冲突控制算法”或“延迟退避算法”。（4）CSMA/CD方法如前所述，CSMA的基本原理是计算机在传送数据前会先去检测网络上的介质是否有数据正在传送，然后决定是否将数据发送到网络中。如果没有任何数据在传送，此时计算机开始传送数据；反之，计算机会等待一段时间，然后再重复检测传输介质的状态。然而，CSMA方法有一个最主要的缺点，那就是如果两台计算机都检测出传输介质空闲的状态，就会几乎同时都开始传送数据，于是“碰撞”（Collision）就发生了。因而出现了CSMA/CD方法。网络发生“碰撞”时，网络的电压会升高，此时网络的电压值大于同时传送数据时计算机上的电压值，因此可得知发生了碰撞。总之，CSMA/CD包含两方面的内容，即载波侦听多路访问（CSMA）和冲突检测（CD）。在总线型局域网中，当某一个节点要发送数据时，它首先要侦听信道有无其他节点正在发送数据，若没有则立即抢占信道发送数据；如果信道正忙，则需要等待直至信道空闲再发送数据，但往往同时可能有多个节点侦听到信道空闲并发送数据，这就可能发生冲突。如CSMA/CD在发送数据的同时，进行冲突检测，一旦发现冲突，立刻停止发送，并等待冲突平息以后，再进行冲突检测，一旦发现冲突，立刻停止发送，并等待冲突平息以后，再进行CSMA/CD，直至将数据成功地发送出去为止。CSMA/CD方法可以简单地概括为以下四点：1先听后发。2边听边发。3冲突停止。4随机延迟后重发。注意，CSMA/CD方法只是检测碰撞的发生，它并没有能力将已经发生碰撞的数据更正成原始的正确数据。另外，CSMA/CD方法由网卡直接实现。因此只要在工作站上安装了以太网卡，该工作站就具备了冲突监测功能，不必再进行专门的设置。（5）令牌环访问控制在令牌环（TokenPassingRing）访问控制方式下，网络上传送数据的权限由令牌（Token）控制。当网络节点收到表示网络“空闲”的令牌后才有权限传送数据。令牌环访问控制方式主要用于令牌环型拓扑结构的网络。令牌作为一种“通行证”在环路上经各个节点进行传递，哪一个节点获取了它，就有权向环路发送数据帧。在令牌帧格式中，令牌是一个8位的二进制数，并用F标志作为帧开始和帧结束，循环冗余检验码CRC，控制字段C，如图5所示，当环型网中无任何节点要发送数据时，令牌帧将在环上以一定方向沿着环传送。图5令牌环访问控制方式例如，当节点A想要发送数据时：第一步：节点A必须等待令牌的到来，并检测该令牌是否为空闲状态。若是空闲状态则进行下一步，否则还需要继续等待。第二步：将得到的令牌的空闲改为忙碌状态。第三步：构成一个信息帧，该信息帧中包含了数据和表示忙碌的“令牌”，然后将这个帧发送到信道上去。当这个住处帧沿着环型网经过每一个节点时，每个节点首先会先检查数据单元中的目的地址。如果目的地址与本节点地址相符，则由本节点将数据接收下来，进行拷贝操作，并以应答报文的形式做出回答，然后再传送给下一个节点。当“令牌”与数据单元回到原来发送节点时，该节点将会除去数据单元，并将表示忙碌的“令牌”改为空闲状态。接着检查目的节点送来的应答信息，如果为“确认”，则说明目的节点接收正确，已完成了一次数据传送。否则，需要等待再次得到令牌时进行重发。从上述运行过程可以看出，由于只有原发送节点才有权将令牌子的忙碌改为空闲状态。因此，在一个时间片上令牌环路中只能传送一条数据。（6）令牌传递总线访问控制令牌传递总线访问控制（TokenBus）方式主要应用于总线型网络，在该方式下各节点均以总线