网络管理员考试知识点：局域网技术基础

局域网是一种在相对有限的地理范围内，通过一些网络设备将许多原本相对孤立的计算机资源(如PC机)及其他各种终端设备(如打印机)互联在一起，实现一个高速而稳定的数据传输和资源共享的计算机网络系统。

1.IEEE 802参考结构

自1980年以来，许多国家和国际标准化机构都在积极进行局域网的标准化工作，其中最有影响力的是IEEE制定的局域网的802标准，包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等，它被ANSI吸收为美国国家标准，被ISO作为国际标准。按照IEEE 802标准，局域网体系结构由物理层、媒体访问控制子层MAC和逻辑链路控制子层LLC组成，如图3-8所示。

图3-8 IEEE 802标准的局域网参考模型与OSI/RM的对应关系

2.IEEE 802标准

目前IEEE已经制定局域网标准有10多个，主要的标准如下：

IEEE 802.1标准，定义了局域网标准概述、体系结构以及网络互联、网络管理等;

IEEE 802.2标准，定义了逻辑链路控制LLC的功能与服务;

IEEE 802.3标准，定义了带冲突检测的载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD)的总线介质访问控制方法和物理层规范;

IEEE 802.4标准，定义了令牌总线(Token Bus)方式的介质访问控制方法和物理层规范;

IEEE 802.5标准，定义了令牌环(Token Ring)方式的介质访问控制方法和物理层规范;

IEEE 802.6标准，定义了城域网(MAN)介质访问控制方法和物理层规范;

IEEE 802.7标准，定义了宽带技术;

IEEE 802.8标准，定义了光纤技术;

IEEE 802.9标准，定义了在MAC和物理层上的语音和数据综合局域网技术;

IEEE 802.10标准，定义了可操作的局域网安全标准规范;

IEEE 802.11标准，定义了无线局域网的MAC和物理层规范;

IEEE802.12标准，定义了100Mb/s高速以太网按需优先的介质访问控制协议100VG-Any LAN;

IEEE 802.15标准，定义了无线个人网WPAN(Wireles Personal Area Network);

IEEE 802.16标准，定义了宽带无线访问标准。

3.局域网拓扑结构

计算机网络拓扑结构主要是指通信子网的物理拓扑结构。它通过网络中节点与通信线路之间的集合关系表示网络结构概况，反映出网络中各个实体间的结构关系。

(1)总线型拓扑结构：

总线型拓扑结构的最大特点就是结构简单，易于组网，而且只需要一条共享的通信线路，所以网络建设的成本相对比较低廉。当然总线型拓扑结构的网络也有一些缺点，如线路某一处损坏，能引起多个节点通信故障，也即就是我们通常所说的一点失效，会引起多点失效的现象;还有就是由于采用一条共享的通信线路，所以当网络系统负载比较大的情况下，所有的节点都会同时且不断地去竞争这条惟一的共享线路，导致系统的性能大幅下降。

总线拓扑结构是我们目前最常见的，也最有代表性的。例如说我们现在使用最广泛的以太网(Ethernet)就是属于总线型拓扑结构。

(2)环型拓扑结构：

一个环型拓扑结构方式的网络，与总线形类似，也是由一条共享的通信线路把所有节点连接在一起，不过稍有不同的是，环型拓扑结构中的共享线路是闭合的，即它把所有的站点最终排列成了一个环，每个站点只与其两个邻居直接相连。若一个站点想要给另一个发送信息，该报文必须经过它们之间的所有站点。

(3)星型拓扑结构：

一个星型拓扑结构方式的网络在直观上就很容易理解，就像是一张蜘蛛网，中间是一个枢纽(网络交换设备)，所有的节点都被连接到这个枢纽上，最终组成一个星形的拓扑结构的网络。目前一般单位的局域网都是采用星型拓扑结构的网络，这当中我们熟悉的交换机就是处于中间枢纽位置上的网络交换设备。换言之，通过交换机(或集线器)来进行连接的网络都可以称为星型拓扑结构的网络。不过这里需要提醒大家注意的是：通过集线器来连接的这种网络只是在物理连线上属于星型拓扑结构，而在逻辑拓扑结构上来说，它仍然有可能是属于总线型拓扑结构的网络，因为网络中采取的媒体访问控制协议仍然可能是以太网协议(即CSMA/CD协议)。

4.局域网媒体访问控制技术

局域网媒体访问控制技术有多种方法，如总线型的以太网采用载波监听多路访问/冲突监测(CSMA/CD)介质访问控制方法，令牌环网采用令牌传送的控制方法等。

(1)CSMA/CD协议：

IEEE 802.3标准所采用的CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)协议对于总线、星型和树形拓扑结构是最合适的介质访问控制协议，它属于竞争式介质访问控制协议。

CSMA/CD的基本原理是：每个节点都共享网络传输信道，在每个站要发送数据之前，都会检测信道是否空闲，如果空闲则发送，否则就等待;在发送出信息后，则对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。

载波监听：

冲突虽然没有办法避免，但是可以通过精心设计的监听算法来缓解，各种算法如表3-9所示。

表3-9 载波监听算法

注：非坚持型监听算法的N可取任意随机值，在P-坚持型监听算法中，信道空闲将以概率(1-P)延迟一个时间单位(该时间单位为网络传输时延期)。

冲突检测：

载波监听只能够减少冲突的概率，但无法完全避免冲突。为了能够高效地实现冲突检测，在CSMA/CD中采用了边发边听的冲突检测方法。也就是由发送者一边发，一边自己接收回来，如果发现结果一旦出现不同，马上停止发送，并发出冲突信号，这时所有的站都会收到阻塞信息，并都等待一段时间之后再重新监听。而等待的这段时间的长度对网络的稳定工作有很大影响，常用的策略是“二进制指数后退算法”，算法如下：

对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参量为L=2;

退避间隔取1～L个时间片中的一个随机数，1个时间片等于2a(双向传播时间=2a，即：a=0.5);

当帧重复一次冲突时，则将参量L加倍;

设置一个最大重传次数，超过这个次数，则不再重传，并报告出错。

而正是因为采用了边发边听的检测方法，因此检测冲突所需要花的最长时间是网络传播延迟的两倍(最大段长/信号传播速度，这是对于基带系统而言，有些宽带系统需要网络传播延迟的四倍时间才够)，这称之为冲突窗口。因此，为了保证在信息发送完成之前能够检测到冲突，发送的时间应该大于等于冲突窗口，这也就规定了最小的帧长=2(网络数据速率×最大段长/信号传播速度)。

(2)令牌环访问控制法：

首先，令牌环网在网络中传递一个很小的帧，称为“令牌”，只有拥有令牌的工作站才有权力发送信息。

令牌在网络上依次序传递。

当工作站要发送数据时，等待捕获一个空令牌，然后将要发送的信息附加到后边，发往下一站，如此直到目标站。然后将令牌释放。

如果工作站要发送数据时，经过的令牌不是空的，则等待令牌释放。

从上面的介绍当中，令牌环访问控制法的缺点，就是协议过于复杂，所以造成了不必要的带宽开支，使得在低负载情况下令牌环网的速度比以太网慢得多。

5.以太网技术基础知识

以太网(Ethernet)最早是由Xerox公司在20世纪70年代提出的一个基带局域网标准。

在此基础上，IEEE 802委员会的802.3工作组于1983年制定了第一个IEEE得以太网标准IEEE 802.3.数据速率为10Mb/s。802.3局域网对以太网标准中的帧格式作了一点很小的变动，但允许基于这两种技术的硬件实现在同一个局域网上互操作。

由于有关厂商在商业上的激烈竞争，IEEE 802委员会制定了几个不同的局域网标准，例如：IEEE 802.4、IEEE 802.5等等。直到20世纪90年代，激烈竞争的局域网市场初见明朗。以太网由于其低成本、高度灵活，相对简单、高可靠性以及高数据传输率等特点，使其成为应用最为广泛、最重要的局域网建设首选技术标准和最通用的通信协议标准。虽然其他网络新技术也曾经被认为很可能取代以太网的首选地位，但是仍然一直没有动摇和改变网络建设的技术设计人员对以太网的青睐。并且以太网也一直在不断地快速发展，不断地完善自己。

(1)以太网技术基础：

前面章节介绍以太网采用的是CSMA/CD媒体访问机制协议。另外以太网采用广播机制，所有与网络连接的工作站都可以收到其他站点发送到网络上的数据帧。每个工作站都要通过检测包含在数据帧中的目标地址字段来确认该数据帧是不是发送给自己的，如果已经确认数据帧是发给自己的，就将它交给高一层的协议层来处理。

(2)以太网帧结构：

以太网定义的帧结构和IEEE 802.3定义的帧结构是不同的，以太网帧的格式如图3-9所示，包含的字段有前导码(P)、目的地址(DA)、源地址(SA)、数据类型(TYPE)、发送的数据及帧校验序列(FCS)等。这些字段中除了数据字段是变长以外，其余字段的长度都是固定的。

图3-9 以太网的帧结构

(3)IEEE 802.3帧结构：

IEEE 802.3 MAC帧的格式如图3-10所示，包含的字段有前导码(P)、帧起始定界符(SFD)、目的地址(DA)、源地址(SA)、长度(LEN)、发送的数据及帧校验序列(FCS)等。这些字段中除了地址字段和数据字段是变长的以外，其余字段的长度都是固定的。

图3-10 IEEE 802.3 MAC帧的格式

(4)以太网物理层规范：

以太网比较常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线、光纤三种，常以类似于10Base-T的形式来命名传输介质，如图3-11所示。

图3-11 以太网传输介质标识

(5)百兆、千兆、万兆交换型以太网：

百兆(快速)以太网

随着计算机技术的不断发展，10Mbps的网络传输速度实在无法满足日益增大的需求，人们就开始寻求更高的网络传输速度。但是由于802.3已被广泛应用于实际中去，为了能够在它的基础上进行轻松升级，802.3u充分考虑到了向下兼容性：它采用了非屏蔽双绞线(或屏蔽双绞线、光纤)作为传输介质，采用与802.3一样的介质访问控制层——CSMA/CD。802.3u常被称为快速以太网。

根据实现的介质不同，快速以太网可以分为100Base-TX、100Base-FX和100Base-T4三种

千兆以太网

20世纪90年代中期，随着各种新的网络技术的推出，仅有100Mbps传偷速度的以太网似乎已经发展到了极限，“以太网被淘汰了”的说法让以太网技术一度低靡。然而，1000Mbps的千兆以太网的推出，给以太网技术注射了一针“强心针”，以太网技术迅速重新崛起。

802.3z在780nm光纤上或超5类非屏蔽双绞线上运行。值得一提的是，为了给千兆以太网提供更好的传输介质，非屏蔽双绞线也推陈出新，不断地发展。首先是在5类双绞线的基础上进行改进，以适应千兆以太网的需要，接着又发展到了超5类和6类线。

万兆以太网

2002年6月，IEEE 802.ae 10Gbps以太网标准的发布，使得以太网的发展势头又得到了一次增强。确定万兆以太网标准的目的是将IEEE 802.3协议扩展到10Gbps的工作速度，并扩展以太网的应用空间，使之能够包括WAN链接。

(6)全双工以太网：

全双工以太网最大的特点是：交换设备工作时不同的逻辑数据通道之间已不再受到CSMA/CD的约束。全双工技术可以提供双倍于半双工操作的带宽，即每个方向都支持10Mb/s，这样就可以得到20Mb/s的以太网带宽。当然这还与网络流量的对称度有关。