第三章 局域网

第三章局域网局域网的定义计算机局域网（LAN，LocalAreaNetwork），是一种在小区域范围内利用通信线路和通信设备将各种计算机和数据设备互连起来，实现数据通信和资源共享的计算机网络；它是计算机网络发展的一个重要分支，在广域网迅速发展的同时也得到了迅速的发展和变化。因为局域网为小区域所有，所以局域网的技术特性就必须符合一个单位使用的需要。小区域，可以是一个建筑物内、一个校园或者大至几十公里直径的一个区域。早期，一个局域网的地理范围仅为约1千米。后来由于光纤的使用，局域网的范围逐渐扩大到10千米。局域网最基本的任务是将连接在网上的所有计算机或其他设备之间提供一条传输速率高、误码率低、价格低廉的通信信道，从而实现相互通信及资源共享。局域网的主要技术特性网络覆盖范围小，通常为一个单位所有，覆盖比较小的地理范围（1km～10km），以处理内部信息作为主要工作目标，易于建立、维护和扩展。数据传输速率高，LAN相对于WAN（广域网）而言，传输速率较高，其传输速率一般在Mbps数量级，高速LAN可达数百Mbps或更高。误码率低，由于LAN通信距离短，信道干扰小，数据设备传输质量高，因此误码率较低，它的误码率在百万分之一以下。局域网的分类按拓扑结构分，局域网可以分成总线型、树型、环型和星型。按使用的传输介质分，可以分为有线网和无线网两类。有线网中包括双绞线、同轴电缆和光纤网，而无线网指使用红外线、微波作为传输介质的局域网。在有线网中，又可以分为基带网和宽带网，基带网一般采用同轴电缆（50Ω）或双绞线作为传输介质。而宽带网一般采用70Ω同轴电缆作为传输介质，这样可以同时传输文本、声音、图形和图像，比较适合于办公自动化方面的应用。按协议不同划分，局域网主要有以太网和令牌环网。局域网的发展20世纪70年代，短距离高速度计算机通信网络应运而生，是局域网发展的开始20世纪80年代，IEEE（电气电子工程师协会）成立802委员会20世纪90年代，10Mbps传输速率的10BASE-T以太网问世，1995年应用FDDI技术使光缆LAN传输速率达到100Mbps。以铜质五类双绞线为传输介质能达到100Mbps传输速率的快速以太网100BASE-T以太网也已问世，从而进入快速以太网时代。目前，以100Mbps传输速率全速运行的交换式以太网和千兆（1Gbps）以太网已经问世，传输速率能达到几十个Gbps计算机局域网系统局域网一般由服务器、用户工作站与通信设备组成网卡即网络适配器，NetworkInterfaceCard网卡的参数和技术资料如下：数据传输速率：由于存在多种规范的以太网，所以网卡也存在多种传输速率，以适应它所兼容的以太网。网卡在标准以太网中速度为10Mbps，在快速以太网中速度为100Mbps，在千兆以太网中速度为1000Mbps。总线方式：网卡目前主要有PCI、ISA、和USB三种总线方式。芯片：网卡的主控芯片是网卡的核心元件，它决定着网卡性能的好坏。目前网卡的主控芯片一般采用3.3V的低耗能设计、0.35μm的芯片工艺，这使得它能快速计算流经网卡的数据，从而减轻CPU的负担。特色技术：网卡起着向网络发送数据、控制数据、接受并转换数据的作用，它有两个主要功能：一是读入由网络设备传输过来的数据包，经过拆包，将它变为计算机可以识别的数据，并将数据传输到所需设备中；二是将计算机发送的数据，打包后输送至其它网络设备。简单地说，就是把网卡插在计算机的主板扩展槽中，通过网线去高速访问其它的计算机和互联网，以达到共享资源、交换数据的目的。中继器用于延伸同型局域网，在物理层连接两个网，在网络间传递信息，中继器在网络间传递信息起信号放大、整形和传输作用。当局域网物理距离超过了允许的范围时，可用中继器将该局域网的范围进行延伸。中继器通常是连接同类网络的两个网段、具有两个端口的设备，当信号由一个端口进入被放大和整形后由另一端口发送出去，扩大网络的规模。但中继器不能用来联接不同网络类型的网段，不能用于将网络中的通信分段、以减少阻塞。集线器HUB对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上，工作于数据链路层集线器按其功能强弱分为以下几种：低档集线器（非智能集线器）将分散的、用于连接网络设备的线路集中在一起，称集线器或集中器。中档集线器（低档智能集线器）连接各个同构的LAN，具网桥功能。高档集线器（智能集线器）一般用于企业级。这种集线器一般支持多协议、可堆叠、网络管理，还有一定的容错功能。网桥工作在数据链路层实现局域网互联的设备，用来将两个相同类型的局域网连接在一起，有选择地将信号从一段媒介传向另一段媒介。在数据链路层连接两个局域网络段，网间通信从网桥传送，网内通信被网桥隔离。网桥在延长网络跨度上的功能类似于中继器，然而它能提供智能化连接服务，即根据帧的终点地址处于哪一网段来进行转发和滤除。网桥对站点所处网段的了解是靠“自学习”实现的。网桥在一定条件下具有增加网络带宽的作用。通过网桥将两个物理网络（段）连接成一个逻辑网络，使这个逻辑网络的行为就像一个单独的物理网络一样。交换机交换技术是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制。目前一些高档交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有路由和防火墙的功能。交换机的工作原理交换机是数据链路层设备，它可将多个物理LAN网段连接到一个大型网络上，传输和溢出也是基于MAC地址的传输。交换技术允许共享型和专用型的局域网段进行带宽调整，以减轻局域网之间信息流通出现的瓶颈问题。交换机的联合使用局域网交换机根据使用的网络技术可以分为：10Mbps交换机、10/100Mbps自适应交换机、100Mbps交换机和千兆位交换机等交换机和集线器的区别集线器和交换机都能给终端提供独占带宽，都能自动建立维护站表，并根据站表内容在输入和输出端口间建立交换通路。采用了以共享集线器为中心的星型连接方式，当网络规模不断扩大时，网络中的冲突就会大大增加，而数据经过多次重发后，延时也相当大，造成网络整体性能下降。在网络节点较多时，局域网的带宽使用率只有30%～40%。而拥有交换技术的局域网可以减少冲突并改善带宽，交换机利用其MAC地址表来确定哪个端口接收特定的数据，由于每个端口都通过唯一的一个结点与一个段相连，并没有其他的结点，所以结点和段享有完全的10Mbps（或100Mbps或1Gbps）的带宽，这样就减少了发生冲突的可能。集线器是连接多台计算机的设备，只能起到信号放大和传输的作用，不能对信号中的碎片进行处理，所以在传输过程中容易出错；而交换机则可以看作是一种智能型的集线器，除了具有集线器的所有特性外，还具有自动寻址、交换、处理的功能，可以防止数据丢失和提高数据吞吐量。交换机和集线器的区别（2）交换机的前面板上通常有3排或6排灯，而集线器的前面板只有一排或两排灯。当进行数据交换时，交换机的LNK/ACT灯闪烁，10/100Mb/s灯亮时代表工作在100Mb/s速率上，否则代表工作在10Mb/s速率上；DOP/COL灯亮时代表交换机以双工模式工作，否则代表以半双工模式工作。由于集线器只能以半双工模式工作，所以它没有DOP/COL灯。从OSI体系结构来看，集线器属于OSI的第一层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数据链路层设备。这就意味着集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用，对数据传输中的短帧、碎片等无法进行有效的处理，不能保证数据传输的完整性和正确性；而交换机还可以过滤短帧和碎片等。从工作方式来看，集线器是一种广播模式。即集线器的某个端口工作时，其他所有端口都能够收听到信息，容易产生广播风暴，当网络较大时网络性能会受到很大的影响；而交换机工作时，只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应，不影响其他端口，因此，交换机能够隔离冲突域和有效地抑制广播风暴的产生。从带宽来看，集线器的所有端口共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待，并且只能工作在半双工模式下；而交换机的每个端口都有一条独占的带宽，两个端口工作时不会影响其他端口工作，同时交换机可以工作在全双工模式下，大大提高网络性能。路由器用于连接网络层、数据层、物理层中执行不同协议的网络，协议的转换由路由器完成，从而消除了协议之间的差别。路由器的互连能力强，可以执行复杂的路由选择算法，处理的信息量比网桥多，但处理速度比网桥慢。路由器能实现LAN之间、LAN与WAN之间的互连，在不同的网络之间存储转发分组。因此，它实现的是OSI参考模型下的功能：选择最佳传输路由。当一个报文分组到达时，能将此分组以最佳的由向前转发出去。支持多种协议的路由选择，可连接异构型LAN。能识别多种网络协议，因此能连接多种形式的LAN，使得大中型的网络组建起来更加地方便。流控，分片和重装。流控指路由器能控制信源和信宿的数据流量，使两者的速率更好地匹配。分片和重装则适应数据单元大小不同的网络之间的信息传输。网络管理。路由器往往是多个网络的汇集点，因此，可利用路由器监视网络的数据流动、网络设备的工作情况，同时，也经常在它上面采取一些安全措施，以防止外界对内部LAN的侵入。路由器的工作原理每个局域网都由一个网络地址，如图3-14中LAN1、LAN2、LAN3、LAN4的网络地址分别是1000、2000、3000、4000。局域网内每台主机也有一个地址，如1、2、3等。而一个完整的主机地址就是由主机所在的网络地址和主机本身地址组合而成，如LAN1上的1001、1002等。现在，假如主机1001要发送一个信息给主机2002，当主机1001准备好信息包后，首先比较源网络地址（1000）和目标网络地址（2000）是否相同，若不同则说明接收主机和发送主机不在同一个LAN上，而必须经过路由器转发到2000的网络上。路由器是通过使用路由选择协议完成信息交换的，常用的路由选择协议有RIP（RoutingInformationProtocol）、OSPF（OpenShortestPathFirst）等。网关用于连接网络层之上执行不同协议的子网，组成异构的网络，能实现异构设备之间的通信，对不同的传输层、会话层、表示层、应用层协议进行翻译和变换；它具有对不兼容的高层协议进行转换的功能，提供了不同体系间互连接口，用于实现不同体系结构网络之间的互连，例如网关可以使NetWare的PC工作站和SUN网络互连；它工作在OSI参考模型的传输层及其以上的层次，是网络层以上的互联设备的总称，它支持不同的协议之间的转换，实现不同协议网络之间的通信和信息共享。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备，在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器；网关也可以提供过滤和安全功能；大多数网关运行在OSI的顶层―应用层。网关的使用网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址，例如有网络A和网络B，网络A的IP地址范围为“192.168.1.1~192.168.1.254”，子网掩码为255.255.255.0；网络B的IP地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”，子网掩码为255.255.255.0。在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP/IP协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）判定两个网络中的主机处在不同的网络里。而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机,网络B向网络A转发数据包的过程也是如此。IEEE802.X体系模