局域网

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局域网（Local Area Network，LAN）

　　局域网是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备互连一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。社会对信息资源的广泛需求及计算机技术的广泛普及，促进了局域网技术的迅猛发展。在当今的计算机网络技术中，局域网技术已经占据了十分重要的地位。

　　通俗地说，局域网就是当一个计算机网络联系的地区范围不大，辟如说在一座办公大楼中，一个工矿企业的一群建筑物和现场中，或者一所大学的校园中，其范围在几公里或十几公里以内。如果简要些，也可以这样来表述，局域网就是在小范围内将各种数据通信设备互连起来，进行数据通信和资源共享的计算机网络。

　　局域网可分成三大类：

　　1、平时常说的局域网LAN。

　　2、另一类是采用电路交换技术的局域网，称计算机交换机CBX(Computer Branch eXchange)或PBX(Private Branch eXchange)。

　　3、还有一类是新发展的高速局域网HSLN(High Speed Local Network)。

　　区别于一般的广域网(WAN),局域网(LAN)具有以下特点：

　　1、地理分布范较小，一般为数百米至数公里。可覆盖一幢大楼、一所校园或一个企业。

　　2、数据传输速率高，一般为0.1-100Mbps，目前已出现速率高达1000Mbps的局域网。可交换各类数字和非数字(如语音、图象、视频等)信息。

　　3、误码率低，一般在10 ^{− 11}—10 ^{− 8}以下。这是因为局域网通常采用短距离基带传输，可以使用高质量的传输媒体，从而提高了数据传输质量。

　　4、以PC机为主体，包括终端及各种外设，网中一般不设中央主机系统。

　　5、一般包含OSI参考模型中的低三层功能，即涉及通信子网的内容。

　　6、协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。

　　网络中的计算机等设备要实现互联，就需要以一定的结构方式进行连接，这种连接方式就叫做“拓扑结构”，通俗地讲就是这些网络设备是如何连接在一起的。目前常见的网络拓扑结构主要有以下四大类：

　　1、星型结构

　　这种结构是目前在局域网中应用得最为普遍的一种，在企业网络中几乎都是采用这一方式。星型网络几乎是Ethernet（以太网）网络专用，它是因网络中的各工作站节点设备通过一个网络集中设备（如集线器或者交换机）连接在一起，各节点呈星状分布而得名。这类网络目前用的最多的传输介质是双绞线，如常见的五类线、超五类双绞线等。

　　这种拓扑结构网络的基本特点主要有如下几点：

　　1）容易实现：它所采用的传输介质一般都是采用通用的双绞线，这种传输介质相对来说比较便宜。这种拓扑结构主要应用于IEEE 802.2、IEEE 802.3标准的以太局域网中。

　　2）节点扩展、移动方便：节点扩展时只需要从集线器或交换机等集中设备中拉一条线即可，而要移动一个节点只需要把相应节点设备移到新节点即可，而不会像环型网络那样“牵其一而动全局”。

　　3）维护容易；一个节点出现故障不会影响其它节点的连接，可任意拆走故障节点。

　　4）采用广播信息传送方式：任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到，这在网络方面存在一定的隐患，但这在局域网中使用影响不大。

　　5）网络传输数据快：这一点可以从目前最新的1000Mbps到10G以太网接入速度可以看出。

　　其实它的主要特点远不止这些，但因为后面我们还要具体讲一下各类网络接入设备，而网络的特点主要是受这些设备的特点来制约的，所以其它一些方面的特点等我们在后面讲到相应网络设备时再补充。

　　2、环型结构

　　这种结构的网络形式主要应用于令牌网中，在这种网络结构中各设备是直接通过电缆来串接的，最后形成一个闭环，整个网络发送的信息就是在这个环中传递，通常把这类网络称之为“令牌环网”。实际上大多数情况下这种拓扑结构的网络不会是所有计算机真的要连接成物理上的环型，一般情况下，环的两端是通过一个阻抗匹配器来实现环的封闭的，因为在实际组网过程中因地理位置的限制不方便真的做到环的两端物理连接。

　　这种拓扑结构的网络主要有如下几个特点：

　　1）这种网络结构一般仅适用于IEEE 802.5的令牌网（Token ring network），在这种网络中，“令牌”是在环型连接中依次传递。所用的传输介质一般是同轴电缆。

　　2）这种网络实现也非常简单，投资最小。可以从其网络结构示意图中看出，组成这个网络除了各工作站就是传输介质--同轴电缆，以及一些连接器材，没有价格昂贵的节点集中设备，如集线器和交换机。但也正因为这样，所以这种网络所能实现的功能最为简单，仅能当作一般的文件服务模式。

　　3）传输速度较快：在令牌网中允许有16Mbps的传输速度，它比普通的10Mbps以太网要快许多。当然随着以太网的广泛应用和以太网技术的发展，以太网的速度也得到了极大提高，目前普遍都能提供100Mbps的网速，远比16Mbps要高。

　　4）维护困难：从其网络结构可以看到，整个网络各节点间是直接串联，这样任何一个节点出了故障都会造成整个网络的中断、瘫痪，维护起来非常不便。另一方面因为同轴电缆所采用的是插针式的接触方式，所以非常容易造成接触不良，网络中断，而且这样查找起来非常困难，这一点相信维护过这种网络的人都会深有体会。

　　5）扩展性能差：也是因为它的环型结构，决定了它的扩展性能远不如星型结构的好，如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器才能连接。

　　3、总线型结构

　　这种网络拓扑结构中所有设备都直接与总线相连，它所采用的介质一般也是同轴电缆（包括粗缆和细缆），不过现在也有采用光缆作为总线型传输介质的。

　　这种结构具有以下几个方面的特点：

　　1）组网费用低：从示意图可以这样的结构根本不需要另外的互联设备，是直接通过一条总线进行连接，所以组网费用较低。

　　2）这种网络因为各节点是共用总线带宽的，所以在传输速度上会随着接入网络的用户的增多而下降。

　　3）网络用户扩展较灵活：需要扩展用户时只需要添加一个接线器即可，但所能连接的用户数量有限。

　　4）维护较容易：单个节点失效不影响整个网络的正常通信。但是如果总线一断，则整个网络或者相应主干网段就断了。

　　5）这种网络拓扑结构的缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。

　　4、混合型拓扑结构

　　这种网络拓扑结构是由星型结构和总线型结构的网络结合在一起的网络结构，这样的拓扑结构更能满足较大网络的拓展，解决星型网络在传输距离上的局限，而同时又解决了总线型网络在连接用户数量的限制。这种网络拓扑结构同时兼顾了星型网与总线型网络的优点，在缺点方面得到了一定的弥补。

　　LAN中使用的传输方式有基带和宽带两种。基带用于数字信号传输,常用的传输媒体有双绞线或同轴电缆。宽带用于无线电频率范围内的模拟信号的传输,常用同轴电缆。表1给出了这两种传输方式的比较。

　　表1　　基带、宽带传输方式比较

　　1、基带系统

　　使用数字信号传输的LAN定义为基带LAN。数字信号通常采用曼彻斯特编码传输，媒体的整个带宽用于单信道的信号传输，不采用频分多路复用技术。数字信号传输要求用总线形拓扑，因为数字信号不易通过树形拓扑所要求的分裂器和连接器。基带系统只能延伸数公里的距离，这是由于信号的衰减会引起脉冲减弱和模糊，以致无法实现更大距离上的通信。基带传输是双向的，媒体上任意一点加入的信号沿两个方向传输到两端的端接器(即终端接收阻抗器)，并在那里被吸收，如图1所示（双向基带系统）。

　　总线LAN常采用50Ω的基带同轴电缆。对于数字信号来说,50Ω电缆受到来自接头插入容抗的反射不那么强,而且对低频电磁噪声有较好的抗干扰性。最简单的基带同轴电缆LAN由一段无分枝的同轴电缆构成，两端接有防反射的端接器,推荐的最大长度为500米。站点通过接头接入主电缆，任何两接头间的距离为2.5米的整倍数,这是为了保证来自相邻接头的反射在相位上不致于叠加。推荐的最多接头数目为100个，每个接头包括一个收发器,其中包含发送和接收用的电子线路。

　　为了延伸网络的长度，可以采用中继器。中继器由组合在一起的两个收发器组成，连到不同的两段同轴电缆上。中继器在两段电缆间向两个方向传送数字信号，在信号通过时将信号放大和复原。因而，中继器对于系统的其余部分来说是透明的。由于中继器不做缓冲存贮操作，所以并没有将两段电缆隔开，因此如果不同段上的两个站同时发送的话，它们的分组将互相干扰(冲突)。为了避免多路径的干扰，在任何两个站之间只允许有一条包含分段和中继器的路径。802标准中，在任何两个站之间的路径中最多只允许有4个中继器，这就将有效的电缆长度延伸到2.5公里。图2（带中继器的基带系统）是一个具有3个分段和两个分段和两个中继器的基带系统例子。

　　双绞线基带LAN用于低成本、低性能要求的场合，比绞线安装容易，但往往限制在1公里以内，数据速率为1Mbps-10Mbps。

　　2、宽带系统

　　在LAN范围内，宽带一般用于传输模拟信号，这些模拟载波信号工作在高频范围(通常为10～400MHz)，因而可用FDM技术把宽带电缆的带宽分成功经验多个信道或频段。宽带系统采用总线/树形拓扑结构，可以达到比基带大得多的传输距离(达数十公里),这是因为携带数字数据的模拟信号，在噪声和和衰减损失数据之前，可以传播较长的距离。

　　宽带同基带一样，系统中的站点是通过搠头接入电缆的。但是，与基带不同的是宽带本质上是一种单方向传输的媒体，加到媒体上的信号只能沿一个方向传播。这种单向性质，意味着只有处于发送站“下游”的站点才能疏到发送站的信号。因此需有两条数据路径，这些路径在网络的端头处接在一起。对于总线拓扑，端头就是总线的一端；对于树形拓扑，端头具有分枝的树根。所有站沿一条路径(入径)向端头传输，在端头接疏到的信号,再沿另一条数据路径(出径)离开端头传输，所有的站点都在出径上接收。

　　在物理上，可用双电缆和中分(Midsplit)两种不同的结构来实现输入和输出的通路，如图4.3所示。在双电费结构中，入径和出径是分开的两根电缆,两者间的端头只是一个无源联接装置，每个站点以相同的频率发送和接收。在中分构造中,入径和出径是同一电缆上的不同频率，双向放大器传送较低频率(5～116MHz)的入径和较高频率(168～300MHz)的出径。端头饱含一个称为频率转换器的装置，将入径频率转换为出径频率。频率转换器可以是模拟装置也可以是数字装置，模拟装置只要把信号转换成一个新的频率并重发就可以了，而数字装置则先要在端头恢复数字数据，然后再在新的频率上重发净化了的数据。

　　环形或总线拓扑中，由于只有一条物理传输通道连接所有的设备，因此，连到网络上的所有设备必须遵循一定的规则，才能确保传输媒体的正常访问和使用。常用的媒体访问控制方法有：具有冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)、控制令牌(Control Token)及时槽环(Slotted Ring)三种技术。

　　1、具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD

　　具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD采用随机访问和竞争技术，这种技术只用于总线拓扑结构网络。CSMA/CD结构将所有的设备都直接连到同一条物理信道上,该信道负责任何两个设备之间的全部数据传送，因此称信道是以“多路访问”方式进行操作的。站点以帧的形式发送数据，帧的头部含有目的和源点的地址。帧在信道上以广播方式传输，所有连接在信道上的设备随时都能检测到该帧。当目的地站点检测到目的地址为本站地址的帧时，就接收帧中所携带的数据，并按规定的链路协议给源站点返回一个响应。

　　采用这种操作方法时，在信道上可能有两个或更多的设备在同一瞬间都会发送帧，从而在信道上千万帧的重叠而出现并有差错，这种现象称为冲突。为减少这种冲突，源站点在发送帧之前，首先要监听信道上是否有其它站点发送的载波信号(即进行“载波监听”)，若监听到信道上有载波信号则推迟发送，直到信道恢复到安静(空闲)为止。另外，还要采用边发送边监听的技术(即“冲突检测”)，若监听到干扰信号，就表示检测到冲突，于是就要立即停止发送。为了确保冲突的其它站点知道发生了冲突，首先在短时间里持续发送一串阻塞(Jam)码,卷入冲突的站点则等待一随机时间，然后准备重发受到冲突影响的帧。这种技术对发生冲突的传输能迅速发现并立即停止发送,因此能明显减少冲突次数和冲突时间。

　　2、控制令牌

　　控制令牌是另一种传输媒体访问控制方法。它是按照所有站点共同理解和遵守的规则，从一个站点到另一个站点传递控制令牌，一个站点只有当它占有令牌时，才能发送数据端帧，发完帧后，即把令牌传递下一个站点。其操作次序如下：

　　1)首先建立一个逻辑环，将所有站点同物理媒体相连，然后产生一个控制令牌。

　　2)控制令牌由一个站点沿着逻辑环顺序向下一个站点传递。

　　3)等待发送帧的站点接收到控制令牌后，把要发送的帧利用物理媒体发送出去，然后再将控制令牌沿逻辑环传递给下一站点。

　　控制令牌方法除了用于环形网拓扑结构(即令牌环)之外,也可以用于总线网拓扑结构(即令牌总线)，这两类结构建立的逻辑环分别如图4(a)、(b)所示。

　　对于一个物理环，令牌传递的逻辑结构和物理环的结构是相同的，令牌传递的次序和站点连接的物理次序也是一致的；百对于总线网，逻辑环次序则不必和电缆上的站点连接次序相对应，所有站点没有必要抱着按逻辑环连接。例如图 4(b)中,H站并不是逻辑环的一总部分，这意味着H站永远拿不到令牌,因此只能以接收方式工作。

　　3、时槽环

　　时槽环只用于环形网的媒体控制访问，这种方法对每个节点预先安排一个特定的时间内段(即时槽段)，每个节点只能在时槽内传输数据。若数据较长，可用多个时槽来传输。

　　时槽环采用集中控制方式，这种方法首先由环中被称为监控的站的特定节点起动环，并产生若干个固定长度的比特串，这种比特串即称为时槽。时槽子不停地绕环从一个站点传递到另一个站点。当一个站点收到时槽子时，由该站点的接口阅读后再将其转发到下一个站点，如此一直循环下去。监控站确保总有一个固定数目的时槽绕环传送，而不考虑组成环的站点数目。每个时槽能携带一个固定尺寸的停息帧，时槽帧的格式如图5(a)所示。

　　时槽环初始化时，由监控站将每个时槽开头的满/空位置为空状态。某个站点要发送数据前，首先要得到一个空时槽，然后将该时槽的满/空位置为空状态，将数据的内容插入时槽中，同时在帧的头部未填入目的地地址和源地址，并将帧尾部的两个响应位全置为1,然后发送该时槽，使它绕物理环从一个站点至另一个站点传送。

　　环中每个站对任何置满的时槽头部的目的地址进行检测，如果检测到是自己的地址，便从时槽中阅读所携带的数据内容，并修改时槽尾部的一对响应位，然后通过环再将它转发也去。如果目的地站点忙或者拒收，则响应位做相应的标记或保留不做改变。

　　源站点在起动一个帧发送之后，要等到该帧绕环一周。由于每个站均知道环上时槽的总数，由环接口对时槽转发计数可知道所发时槽的到来。此后，源站点将所用时槽重新标记为空状态，并阅读时槽尾部的响应位，以确定是否应舍弃已被发送的该帧备份，或者重发该帧。由于采用了响应位，就不需要设置独立的响应帧。

　　监控站传递位由监控站用于监测各个站点发送的帧是否有差错或站点有无故障，该位由源站点在发送帧时置“0”。当满时槽在环接口上转发时，由监控站对每一个满时槽的该位置“1”。如果监控站在其转发某个满时槽时，测得监控站传递位已被置为1，就认为源站点有故障，便可将该帧的满/空位置为空，并释放空时槽。时槽尾部的两个控制位是提供给DTE高层协议使用的，在媒体访问控制层中没有意义。

　　需要特别指出的是，在时槽环媒体访问控制方法中，每个站点每次只能传送一个帧，若想要传送另一个帧，则首先必须释放传输前一帧所用的时槽。这种对环的访问方法体现了公平性，并被各个互连的站点所共享。

　　时槽环的优点是结构简单,节点间相互干扰少、可靠性高。但是,时槽环为保持基本环结构需要一个特定的监控站节点；由于绕环一周时间内，每个站点只能占用一个时槽，若某站点发送的数据较长要占用多个时槽，而此时环上只有该站有数据要发送，则许多时槽都是空循环；另外，每个40位长的时槽只能携带16位有效数据，开销大、效率低。相比之下，令牌环中的某个站点得到控制令牌后，就可将包括多个字节的信息帧作为一个整体进行发送，所以效率比时槽环高。

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