第2章 局域网基础- 副本

第2章 局域网基础

课 型： 新课 课时安排：10课时 教学目标：

知识目标：1)了解局域网(LAN)的特点

2)掌握局域网的组成

3)掌握传输介质的种类和选择。 4)掌握局域网的层次结构 5)了解IEEE 802标准系列 6)掌握以太网寻址方法 7)局域网的连接设备及应用

8)熟练掌握568A标准及568B标准水晶头制作的技能 9)熟练掌握局域网资源共享的配置的技能。 10）了解局域网的介质访问方法

技能目标：培养学生运用所学知识与技能，主动探究，形成使用及组建局域网的技能 德育目标：培养大家养成勇于探究新知识，不断地提高自身的审美意识，树立正确的人生观和价值。 教学重难点：局域网的参考模型与标准、局域网介质访问控制方法、局域网的连接设备与工作原理 安全教育：培养学生校园安全意识 教学方法：讲授 教学过程：

局域网技术是当前网络技术领域中一重要分支。人们对信息交流、资源共享和宽带网的需求，推动着局域网的高速发展。其中,以太网是最典型的代表,它的发展最为迅速，应用最为广泛,是学习的重点。

第1，2课时 2.1 局域网的基本概念

一、局域网的主要特点

? 地域范围小：局域网用于办公室、机关、工厂、学校等内部联网,其范围没有严格的定义，但一般认为距离为0.1～25km。10 km

-8

? 误码率低：局域网具有较高的数据传输速率，传输速率一般为100M～1000Mbit/s，误码率在10～-11

10之间。

-11-8

? 传输延时小：局域网中的传输延时很小，一般在10-10之间。涉及低三层功能

? 传输速率高：一般在10～100Mbps之间，随着网络技术的发展，目前的传输速率可以达到1000Mbps。 ? 支持多种传输介质：可根据不同的性能需要选用价格低廉的双绞线、同轴电缆或价格较贵的光纤,以及无线传输介质。

(5)大多采用总 线、星状、环状结构

(6)以计算机为主体，包括终端及各种外设。不设中央主机系统。 (7)网络归单一组织管理 二、局域网的分类

局域网有多种类型,如果按照网络转接方式不同,可分为共享式局域网和交换式局域网两种

1、共享介质局域网

共享式局域网是指所有结点共享一条公共通信传输介质的局域网技术。共享介质局域网可分为以太网、令牌总线、令牌环、FDDI以及在此基础上发展起来的高速以太网和FDDIⅡ等。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，同有线局域网一样，可采用共享方式。 2、交换式局域网

交换式局域网是指以数据链路层的帧或更小的数据单元为数据交换单位，以以太网交换机（Ethernet Switch）为核心的交换式局域网技术。交换式局域网可分为交换以太网、ATM网以及在此基础上发展起来的虚拟局域网，但近年来已很少用ATM技术组建局域网。

三、局域网的组成

局域网由网络硬件和网络软件两大部分组成。 1、网络硬件

局域网硬件应包括：网络服务器、网络工作站、网卡、网络设备、传输介质、介质连接器和各种适配器。

(1) 网络服务器

? 指能够向网络用户提供特定服务的计算机。 ? 服务器是局域网中资源子网的核心。

? 其类型可以是专用的服务器、小型机、高档微机等。 服务器按用途可以分为以下类型

? 文件打印服务器(File&Print Server)。 ? 数据库服务器(Database Server)。

? 应用服务器(Application Server)：因其用途不同又可分为WWW服务器、电子邮件服务器、

FTP服务器等。 (2)工作站

工作站(Workstation)，也叫客户机(Client)，是连入网络，并且接受网络服务器控制和管理的，共享网络资源的计算机。

工作站分别运行独立的操作系统，操作系统必须为服务器所认可。各种类型的微机均可以成为网络工作站。

工作站可分为有盘工作站和无盘工作站。

有盘工作站，是指工作站本身配置磁盘驱动器。工作时，既可以使用本地硬盘，也可以使用服务器的硬盘。

无盘工作站是指工作站本身并不配置磁盘驱动器，只使用服务器上的硬盘。好处在于降低了网络成本，便于网络管理。

(3)网络适配器NIC

简称为网卡，它是计算机网络中最基本和最重要的连接设备之一，计算机主要通过网卡接入网络。

双重的：一方面负责接收网络上传过来的数据包，解包后将数据通过主板上的总线传输给本地计算机；另一方面它将本地计算机上的数据经过打包后送入网络。

(4)传输介质

传输媒体是网络通信的物质基础之一。 2、局域网软件

可大致分为网络系统软件和网络应用软件。

网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信和网络资源分配与共享功能的网络软件，它为用户提供了访问网络和操作网络的友好界面。目前使用比较广泛的网络操作系统nos有四大系列：UNIX、Linux、NetWare和Windows SERVER操作系统。

网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件，它为用户提供一些实际的应用。 四、局域网的层次结构与标准化模型

国际上开展局域网计算机网络标准化研究和制定的机构有美国电气与电子工程师协会(IEEE 802)委员会、欧洲计算机制造厂商协会(ECMA)和国际电工委员会(IEC)等，其中IEEE802与ECMA主要致力于办公自动化与轻工业局域网的标准化研究，而重工业、工业生产过程分布控制方面的局域网标准化工作主要由IEC进行。 1、局域网参考模型

局域网的体系结构只包含了数据链路层和物理层,其中，数据链路层又分为逻辑链路控制子层（Logical Link Control, LLC）和介质访问控制子层（Media Access Control, MAC），如图所示。

(1)物理层

IEEE还规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。具体包括： 1）用基带信号传输。

2）数据编码采用曼彻斯特编码。

3）传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤。 4）拓扑结构可以是总线型、星型、环形和树型。 5）传输速率有10Mbps、100Mbps、1000Mbps等。

(2)数据链路层

? 按功能划分为两个子层：LLC和MAC ? 功能分解的目的：

– 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。

– 解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控

制方法。

? LLC： 与介质、拓扑无关； ? MAC：与介质、拓扑相关。

MAC子层的主要功能是进行合理的信道分配，解决信道的竞争问题，完成介质访问控制功能，为竞争的用户分配信道使用权；以及数据帧的封装/拆装，帧的寻址和识别，比特的差错控制等。

MAC地址：物理地址 48位。MAC地址的前3个字节(高24位)由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。具体到局域网设备中，MAC地址被固化在网络适配器(网卡)中

查看本机MAC地址的方法:

方法一：“开始”→“运行”→输入“cmd”→回车,在出现的命令提示符界面中输“ipconfig/all”→回车，可以得到计算机的MAC地址。其中Physical Address就是计算机的MAC地址。

方法二：网络连接图标（小电脑），点选“状态”→“支持”选项卡下的“详细信息”，其中的实际地址即为您网卡的MAC地址。

逻辑链路控制子层（LLC）构成了数据链路层的上半部分，与局域网的高层和MAC子层相邻。LLC子层MAC子层的支持下向网络高层提供服务。LLC子层与传输介质无关，它独立于介质访问控制方法，隐藏了各种802局域网之间的差异，向局域网高层提供一个统一的格式和接口。

附 以太网帧结构 (P19) 2．局域网的标准 (含义参见P20)

1980年2月，电器和电子工程师协会(IEEE)成立了局域网标准委员会,专门从事局域网标准化工作,并制订了IEEE 802标准。IEEE 802系列标准之间的内部关系

IEEE 802ISO/OSI802.10 局域网安全8021802.1B 综述及体系结构802.2 逻辑链路控制LLC802.3CSMA/CDMAC物理层802.4令牌总线MAC物理层802.5令牌环MAC物理层802.6MANMAC物理层802.9语音数据综合ISDN802.11无线局域网网络层数据链路层物理层.A管理802.7宽带技术802.8光纤技术

第3，4课时

2.2 局域网的主要技术

决定局域网特征的主要技术：拓朴结构、传输介质与传输形式、介质访问控制方法 一、拓朴结构

按网络的拓扑结构来分类，局域网有星型、总线型、环型及混合结构等类型。

1．总线拓扑（Bus Topolopy）结构

总线型局域网的主要特点是：

?总线通常采用同轴电缆作为传输介质； ?所有的节点都通过网卡直接连接到总线上； ?共享型局域网；

?在一定时间内只允许一个节点利用总线发送数据；

?节点在发送数据时采用广播方式，即其它节点都可以接收到数据；

?由于总线作为公共传输介质为多个节点共享，会出现冲突，造成传输失败。 总线型拓扑的优点是：结构简单，实现容易，易于扩展，可靠性 2．环状结构

环型结构采用分布式控制，控制简单，结构对称性好，传输速率高。

结构中各计算机地位相等，网络中通信设备和线路比较节省。信息流是定向的，传输延迟也是确定的。这种结构主要用于令牌网（Token Ring），令牌在环中依次传递，拿到令牌就可以发送消息。 令牌网的主要好处就是传输速度较快，同时它的运行性能、效率也远比以太网优越。

3．星状结构

星型拓扑中存在着中心节点，每个节点通过点到点线路与中心节点连接，任何两个节点之间的通信都要通过中心节点。

如果中心节点是集线器，从外部结构看其物理结构是星型的，实质上它的逻辑结构依然是总线型的。局域网中所有节点共享传输介质，在一定时间内只允许一个节点通过集线器送数据。

如果中心节点是交换机，交换机可以在多对通信节点之间建立并发的连接。才是真正的星型拓扑结构

知识拓展：局域网的网络模式

网络模式（Network Model）也称计算模式或应用模式,它是计算机网络处理信息的方式。不同的网络模式具有不同的工作特点和服务方式。目前，局域网最常用的计算模式有客户机/服务器模式、浏览器/服务器模式和对等服务器模式。

1、客户机/服务器模式（Client/Server，C/S）

是一种开放式结构、集中式管理、协作式处理的主从式网络应用模式。C/S模式把计算任务分成服务器部分和客户机部分,分别由服务器和客户机完成。

优点：

①安全级别高 ②更好的性能 ③可靠性高

2．对等服务器网络模式

对等服务器网络模式中没有专用服务器,每一台计算机的地位平等，在网上的每一台计算机既可以充当服务器,又可以充当客户机,彼此之间进行互相访问,平等地进行通信。典型对等局域网结构

3．浏览器/服务器模式

随着Internet的广泛应用，基于局域网的企业网开始采用Web技术构筑和改建自己的企业网（Intranet）。于是，浏览器/服务器（B/S）新型结构模式应运而生

二、传输介质与传输形式

局域网的传输形式有两种：基带传输和宽带传输。

局域网可以使用的传输介质：有线(双绞线、同轴电缆、光纤)与无线(电磁波、红外线)等。 1．传输速率和误码率 2．传输介质分类

10Mb/s、10/100Mb/s自适应和100Mb/s 3种。

? 半双工

由于集线器采取“广播”的方式传输信息，因此集线器传送数据时只能工作在半双工状态下，比如计算机1与计算机8需要相互传送一些数据，当计算机1在发送数据时，计算机8只能接收计算机1发过来的数据，等计算机1停止发送并做好了接收准备，它才能将自己的信息发送给计算机1或其他计算机。

? 广播方式，易造成网络风暴。

集线器是一个共享设备，它的主要功能只是一个信号放大和中转的设备，不具备自动寻址能力，即不具备交换作用，所有传到集线器的数据均被广播到与之相连的各个端口，容易形成网络风暴，造成网络堵塞

(2) 分类

? 按照传输速率：10MB/s(传统); 10/100MB/s(自适应)；100MB/s(快速以太网) ? 按照配置形式：

独立型Hub：固定端口配置，扩充时用级连的方法。

? 模块化Hub：固定配置，用堆叠方法进行扩充——堆叠连接在一起的HUB在逻辑相当于一台单独的HUB，可统一管理。

? 堆叠式Hub：又称机箱式，由一台带有底板、电源的机箱和若干块多端口的接口卡（线卡）组成。可灵活按需配置，通过插入不同的插卡满足需求（如插入交换卡、路由卡、加密卡等）。 注：1. 堆叠：使用专门的连接线，通过专门的端口将若干集线器堆叠在一起 2. 级联：使用“uplink”或“MDI”等标志的级联口

? 按照是否进行网络管理方式：

智能HUB：允许用网管软件对其进行管理的集线器，它内部包含有CPU等智能控制部件。 非智能（普通） HUB：不能用网管软件进行管理的集线器。一般使用普通集线器。 ? 按照端口数目：5口、8口中、16口中、24口

四、网桥

网桥作用于物理层和数据链路层，用于网络中节点的物理地址过滤、网络分段以及跨网段数据帧的转发。它既可以延伸局域网的距离，扩充节点数，还可以将负荷过重的网络划分为较小的网络，缩小冲突域。但不能隔离广播、也不能控制广播风暴

存储转发设备，工作在数据链路层

工作原理：当A工作站向B站发送数据时(A→B),网桥端口1也同时收到A站的帧信息(在总线上是广播式发布)因为A.B都在网桥的同一端口1.(通过查表) 网桥丢弃此帧(称过滤作用)；当A向C发送数据(A→C).通过查表,发现A.C分别在网桥的流口1和端口2,网桥将A帧数据暂停并转发给C帧

网桥的站表是通过”自学习”过程建立起来的就上说,当每次收到 MAC地址后,并将端口地址一一记录下来,逐步形成一个站表. 因此：网桥的三大功能是: 1)自学习——形成网桥站表 2)过滤——减轻局域网的负荷

3)转发——使不同的局域网互连扩大网络的物理范围

五、交换机

交换机又称为交换式集线器（Switch Hub），它是一种基于MAC地址(网卡的硬件地址)识别，能够在通信系统中完成信息交换功能的设备。是交换式局域网的核心设备。

? 拥有一条很高带宽的背板总线和内部交换矩阵

背板带宽：指通过交换机所有通信的最大值。

? 所有的端口都挂接在这条背板总线上

交换机的端口速率：每秒通过的比特数。10Mbps、100Mbps、1000Mbps、10000Mbps 交换机工作在OSI参考模型的第二层，即数据链路层。 1、 交换机的基本功能

五大功能:地址学习、刷新、过滤、转发、泛洪

? 地址学习(Address learning)交换机可以记住在一个接口上所收到的每个数据帧的源 MAC 地

址，并存储到“端口-MAC地址”映射表，如图2-20。

? 转发/过滤决定(Forward/filter decision)当交换机某个接口上收到数据帧，就会查看目的

MAC，并检查“端口-MAC地址”映射表，从指定的端口转发数据帧，如果为广播帧或未知端口的 MAC 目的地址，则所有端口发送,如图2-21。

交换机的数据传递工作原理可以简单地这样

来说明：

当交换机从某一节点收到一个以太网帧后，将立即在其内存中的地址表（端口

号－MAC 地址）进行查找，以确认该目的MAC 的网卡连接在哪一个节点上，然后将该帧转发至该节点。如果在地址表中没有找到该MAC 地址，也就是说，该目的MAC 地址是首次出现，交换机就将数据包广播到所有节点。拥有该MAC 地址的网卡在接收到该广播帧后，将立即做出应答，从而使交换机将其节点的“MAC 地址”添加到MAC 地址表中。换言之，当交换机从某一节点收到一个帧时（广播帧除外），将对地址表执行两个动作，一是检查该帧的源MAC 地址是否已在地址表中，如果没有，则将该MAC 地址加到地址表中，这样以后就知道该MAC 地址在哪一个节点；二是检查该帧的目的MAC 地址是否已在地址表中，如果该MAC 地址已在地址表中，则将该帧发送到对应的节点即可，而不必像集线器那样将该帧发送到所有节点，只须将该帧发送到对应的节点，从而使那些既非源节点又非目的节点的节点间仍然可以进行相互间的通信，从而提供了比集线器更高的传输速率。如果该MAC 地址不在地址表中，则将该帧发送到所有其它节点（源节点除外），相当于该帧是一个广播帧。

2、交换机的交换模式

交换机将数据从一个端口转发至到另一个端口的处理方式称为交换模式。

类型：

? 存储转发（Store and Forward ）

特点：交换机接收到数据包后，首先将数据包存储到缓冲器中，进行CRC循环冗余校验,如果这个数据包有CRC错误，则该包将被丢弃；如果数据包完整，交换机查询地址映射表将其转发至相应的端口。

优点：没有残缺数据包转发，减少不必要的数据转发 缺点：转发速率比直接转发方式慢。

适用环境：存储转发技术适用于普通链路质量或质量较为恶劣的网络环境。

? 直通交换（Cut—Through ） 特点：交换机只读出数据帧的前6个字节(目的地址)，查找转发表，将数据帧传送到相应的端口上。直通交换能够实现较少的延迟。

优点：转发速率快、减少延时和提高整体吞吐率 缺点：会给整个交换网络带来许多垃圾通信包

适用环境：网络链路质量较好、错误数据包较少的网络环境，延迟时间跟帧的大小无关。

? 碎片丢弃（Fragmentfree）改进的直接交换方式

特点：这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64个字节，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于等于64字节，则发送该包。

优点：数据处理速度比存储转发方式快 缺点：比直通式慢

适用环境：一般的通讯链路

3、交换机的分类

①从应用区域划分：广域网交换机和局域网交换机

? 广域网交换机: 主要应用于电信领域，提供通信基础平台。 ? 局域网交换机: 应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。

②按组建园区网的网络拓扑结构层次，可划分为：接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机。

? 核心层交换机: 一般采用机箱式模块化设计，机箱中可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等，具有很高的背板容量；

? 汇聚层交换机: 可以是机箱式模块化交换机，也可以是固定配置的交换机，具有较高的接入能力和带宽，一般会包含光端口、高速电口等端口；

? 接入层交换机: 一般是固定配置的交换机，端口密度较大，具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口。 ③根据传输介质、传输速度以及发展历史上看，局域网交换机有这样一些类型：

? 以太网交换机 ? 快速以太网交换机 ? 千兆以太网交换机 ? 万兆以太网交换机 ? FDDI交换机 ? ATM交换机 ? 令牌环交换机 ? ??

④根据交换机端口速率的不同，以太网交换又分为10Mbit/s交换机、100Mbit/s交换机和1000Mbit/s的吉比特交换机

⑤根据架构特点，将局域网交换机分为

? 机架式

? 带扩展槽固定配置式 ? 不带扩展槽固定配置式

注明：模块化交换机：有很强的扩展性，可提供一系列扩展模块，如千兆位以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网模块等，价格比较昂贵。一般作为骨干交换机来使用。

固定配置交换机：一般具有固定端口配置。可扩展性不如模块化交换机，但价格低。

⑥按照OSI的七层网络模型，交换机又可以分为：

? 第二层交换机 ? 第三层交换机 ? 第四层交换机 ? 第七层交换机

⑦按照交换机的可管理性，可分为：

? 可管理型交换机 ? 不可管理型交换机

两者区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。可管理型交换机便于网络监控、流量分析，但成本也相对较高。大中型网络在汇聚层应该选择可管理型交换机，在接入层视应用需要而定，核心层交换机则全部是可管理型交换机。

⑧从应用的角度划分，交换机又可分为：

? 电话交换机（PBX）：主要应用于电信领域，提供语音通讯。 ? 数据交换机（Switch）： 应用于计算机网络。

⑨按其应用的网络规模层次可划分为桌面级交换机、工作级交换机、部门级交换机、骨干级交换机和企业级交换机。

(1)桌面级交换机

桌面交换机属于低端的交换机，支持的MAC地址的数量非常少，通常是每端口支持1至4个MAC地址。作用是直接提供到桌面的连接，即将节点计算机直接连接到桌面交换机。

(2)工作组交换机：一般为固定配置，10/100Mbps自适应，通常支持的信息点少于100个。

(3)部门交换机：一般为千兆位第三层交换机，固定配置或模块配置，通常能支持300～500个信息点。

(4)骨干交换机：所有端口完全支持全双工线路，支持远程监测功能，而且具有强大的管理功能。为了提供系统的可靠性，通常采用双冗余电源。 （校园网交换机）

(5)企业交换机：一般采用模块配置，属于第三层或第四层千兆位（或以上）交换机，通常能支持500个信息点以上。

⑩按结构形式划分: 独立式交换机,堆叠式交换机和模块式交换机 (1)独立式交换机

独立式交换机(Standalone Switch)是最简单的一种交换机，带有多个(8个、12个、16个、24个或48个)RJ-45接口(端口)。适用于小型独立的工作小组、部门或办公室。

(2)堆叠式交换机

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