區域網

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區域網（Local Area Network，LAN）

　　區域網是一種在有限的地理範圍內將大量PC機及各種設備互連一起實現數據傳輸和資源共用的電腦網路。社會對信息資源的廣泛需求及電腦技術的廣泛普及，促進了區域網技術的迅猛發展。在當今的電腦網路技術中，區域網技術已經占據了十分重要的地位。

　　通俗地說，區域網就是當一個電腦網路聯繫的地區範圍不大，闢如說在一座辦公大樓中，一個工礦企業的一群建築物和現場中，或者一所大學的校園中，其範圍在幾公裡或十幾公裡以內。如果簡要些，也可以這樣來表述，區域網就是在小範圍內將各種數據通信設備互連起來，進行數據通信和資源共用的電腦網路。

　　區域網可分成三大類：

　　1、平時常說的區域網LAN。

　　2、另一類是採用電路交換技術的區域網，稱電腦交換機CBX(Computer Branch eXchange)或PBX(Private Branch eXchange)。

　　3、還有一類是新發展的高速區域網HSLN(High Speed Local Network)。

　　區別於一般的廣域網(WAN),區域網(LAN)具有以下特點：

　　1、地理分佈範較小，一般為數百米至數公裡。可覆蓋一幢大樓、一所校園或一個企業。

　　2、數據傳輸速率高，一般為0.1-100Mbps，目前已出現速率高達1000Mbps的區域網。可交換各類數字和非數字(如語音、圖象、視頻等)信息。

　　3、誤碼率低，一般在10 ^{− 11}—10 ^{− 8}以下。這是因為區域網通常採用短距離基帶傳輸，可以使用高質量的傳輸媒體，從而提高了數據傳輸質量。

　　4、以PC機為主體，包括終端及各種外設，網中一般不設中央主機系統。

　　5、一般包含OSI參考模型中的低三層功能，即涉及通信子網的內容。

　　6、協議簡單、結構靈活、建網成本低、周期短、便於管理和擴充。

　　網路中的電腦等設備要實現互聯，就需要以一定的結構方式進行連接，這種連接方式就叫做“拓撲結構”，通俗地講就是這些網路設備是如何連接在一起的。目前常見的網路拓撲結構主要有以下四大類：

　　1、星型結構

　　這種結構是目前在區域網中應用得最為普遍的一種，在企業網路中幾乎都是採用這一方式。星型網路幾乎是Ethernet（乙太網）網路專用，它是因網路中的各工作站節點設備通過一個網路集中設備（如集線器或者交換機）連接在一起，各節點呈星狀分佈而得名。這類網路目前用的最多的傳輸介質是雙絞線，如常見的五類線、超五類雙絞線等。

　　這種拓撲結構網路的基本特點主要有如下幾點：

　　1）容易實現：它所採用的傳輸介質一般都是採用通用的雙絞線，這種傳輸介質相對來說比較便宜。這種拓撲結構主要應用於IEEE 802.2、IEEE 802.3標準的以太區域網中。

　　2）節點擴展、移動方便：節點擴展時只需要從集線器或交換機等集中設備中拉一條線即可，而要移動一個節點只需要把相應節點設備移到新節點即可，而不會像環型網路那樣“牽其一而動全局”。

　　3）維護容易；一個節點出現故障不會影響其它節點的連接，可任意拆走故障節點。

　　4）採用廣播信息傳送方式：任何一個節點發送信息在整個網中的節點都可以收到，這在網路方面存在一定的隱患，但這在區域網中使用影響不大。

　　5）網路傳輸數據快：這一點可以從目前最新的1000Mbps到10G乙太網接入速度可以看出。

　　其實它的主要特點遠不止這些，但因為後面我們還要具體講一下各類網路接入設備，而網路的特點主要是受這些設備的特點來制約的，所以其它一些方面的特點等我們在後面講到相應網路設備時再補充。

　　2、環型結構

　　這種結構的網路形式主要應用於令牌網中，在這種網路結構中各設備是直接通過電纜來串接的，最後形成一個閉環，整個網路發送的信息就是在這個環中傳遞，通常把這類網路稱之為“令牌環網”。實際上大多數情況下這種拓撲結構的網路不會是所有電腦真的要連接成物理上的環型，一般情況下，環的兩端是通過一個阻抗匹配器來實現環的封閉的，因為在實際組網過程中因地理位置的限制不方便真的做到環的兩端物理連接。

　　這種拓撲結構的網路主要有如下幾個特點：

　　1）這種網路結構一般僅適用於IEEE 802.5的令牌網（Token ring network），在這種網路中，“令牌”是在環型連接中依次傳遞。所用的傳輸介質一般是同軸電纜。

　　2）這種網路實現也非常簡單，投資最小。可以從其網路結構示意圖中看出，組成這個網路除了各工作站就是傳輸介質--同軸電纜，以及一些連接器材，沒有價格昂貴的節點集中設備，如集線器和交換機。但也正因為這樣，所以這種網路所能實現的功能最為簡單，僅能當作一般的文件服務模式。

　　3）傳輸速度較快：在令牌網中允許有16Mbps的傳輸速度，它比普通的10Mbps乙太網要快許多。當然隨著乙太網的廣泛應用和乙太網技術的發展，乙太網的速度也得到了極大提高，目前普遍都能提供100Mbps的網速，遠比16Mbps要高。

　　4）維護困難：從其網路結構可以看到，整個網路各節點間是直接串聯，這樣任何一個節點出了故障都會造成整個網路的中斷、癱瘓，維護起來非常不便。另一方面因為同軸電纜所採用的是插針式的接觸方式，所以非常容易造成接觸不良，網路中斷，而且這樣查找起來非常困難，這一點相信維護過這種網路的人都會深有體會。

　　5）擴展性能差：也是因為它的環型結構，決定了它的擴展性能遠不如星型結構的好，如果要新添加或移動節點，就必須中斷整個網路，在環的兩端作好連接器才能連接。

　　3、匯流排型結構

　　這種網路拓撲結構中所有設備都直接與匯流排相連，它所採用的介質一般也是同軸電纜（包括粗纜和細纜），不過現在也有採用光纜作為匯流排型傳輸介質的。

　　這種結構具有以下幾個方面的特點：

　　1）組網費用低：從示意圖可以這樣的結構根本不需要另外的互聯設備，是直接通過一條匯流排進行連接，所以組網費用較低。

　　2）這種網路因為各節點是共用匯流排帶寬的，所以在傳輸速度上會隨著接入網路的用戶的增多而下降。

　　3）網路用戶擴展較靈活：需要擴展用戶時只需要添加一個接線器即可，但所能連接的用戶數量有限。

　　4）維護較容易：單個節點失效不影響整個網路的正常通信。但是如果匯流排一斷，則整個網路或者相應主幹網段就斷了。

　　5）這種網路拓撲結構的缺點是一次僅能一個端用戶發送數據，其它端用戶必須等待到獲得發送權。

　　4、混合型拓撲結構

　　這種網路拓撲結構是由星型結構和匯流排型結構的網路結合在一起的網路結構，這樣的拓撲結構更能滿足較大網路的拓展，解決星型網路在傳輸距離上的局限，而同時又解決了匯流排型網路在連接用戶數量的限制。這種網路拓撲結構同時兼顧了星型網與匯流排型網路的優點，在缺點方面得到了一定的彌補。

　　LAN中使用的傳輸方式有基帶和寬頻兩種。基帶用於數字信號傳輸,常用的傳輸媒體有雙絞線或同軸電纜。寬頻用於無線電頻率範圍內的模擬信號的傳輸,常用同軸電纜。表1給出了這兩種傳輸方式的比較。

　　表1　　基帶、寬頻傳輸方式比較

　　1、基帶系統

　　使用數字信號傳輸的LAN定義為基帶LAN。數字信號通常採用曼徹斯特編碼傳輸，媒體的整個帶寬用於單通道的信號傳輸，不採用頻分多路復用技術。數字信號傳輸要求用匯流排形拓撲，因為數字信號不易通過樹形拓撲所要求的分裂器和連接器。基帶系統只能延伸數公裡的距離，這是由於信號的衰減會引起脈衝減弱和模糊，以致無法實現更大距離上的通信。基帶傳輸是雙向的，媒體上任意一點加入的信號沿兩個方向傳輸到兩端的端接器(即終端接收阻抗器)，併在那裡被吸收，如圖1所示（雙向基帶系統）。

　　匯流排LAN常採用50Ω的基帶同軸電纜。對於數字信號來說,50Ω電纜受到來自接頭插入容抗的反射不那麼強,而且對低頻電磁雜訊有較好的抗干擾性。最簡單的基帶同軸電纜LAN由一段無分枝的同軸電纜構成，兩端接有防反射的端接器,推薦的最大長度為500米。站點通過接頭接入主電纜，任何兩接頭間的距離為2.5米的整倍數,這是為了保證來自相鄰接頭的反射在相位上不致於疊加。推薦的最多接頭數目為100個，每個接頭包括一個收發器,其中包含發送和接收用的電子線路。

　　為了延伸網路的長度，可以採用中繼器。中繼器由組合在一起的兩個收發器組成，連到不同的兩段同軸電纜上。中繼器在兩段電纜間向兩個方向傳送數字信號，在信號通過時將信號放大和複原。因而，中繼器對於系統的其餘部分來說是透明的。由於中繼器不做緩衝存貯操作，所以並沒有將兩段電纜隔開，因此如果不同段上的兩個站同時發送的話，它們的分組將互相干擾(衝突)。為了避免多路徑的干擾，在任何兩個站之間只允許有一條包含分段和中繼器的路徑。802標準中，在任何兩個站之間的路徑中最多只允許有4個中繼器，這就將有效的電纜長度延伸到2.5公裡。圖2（帶中繼器的基帶系統）是一個具有3個分段和兩個分段和兩個中繼器的基帶系統例子。

　　雙絞線基帶LAN用於低成本、低性能要求的場合，比絞線安裝容易，但往往限制在1公裡以內，數據速率為1Mbps-10Mbps。

　　2、寬頻系統

　　在LAN範圍內，寬頻一般用於傳輸模擬信號，這些模擬載波信號工作在高頻範圍(通常為10～400MHz)，因而可用FDM技術把寬頻電纜的帶寬分成功經驗多個通道或頻段。寬頻系統採用匯流排/樹形拓撲結構，可以達到比基帶大得多的傳輸距離(達數十公裡),這是因為攜帶數字數據的模擬信號，在雜訊和和衰減損失數據之前，可以傳播較長的距離。

　　寬頻同基帶一樣，系統中的站點是通過搠頭接入電纜的。但是，與基帶不同的是寬頻本質上是一種單方向傳輸的媒體，加到媒體上的信號只能沿一個方向傳播。這種單向性質，意味著只有處於發送站“下游”的站點才能疏到發送站的信號。因此需有兩條數據路徑，這些路徑在網路的端頭處接在一起。對於匯流排拓撲，端頭就是匯流排的一端；對於樹形拓撲，端頭具有分枝的樹根。所有站沿一條路徑(入徑)向端頭傳輸，在端頭接疏到的信號,再沿另一條數據路徑(出徑)離開端頭傳輸，所有的站點都在出徑上接收。

　　在物理上，可用雙電纜和中分(Midsplit)兩種不同的結構來實現輸入和輸出的通路，如圖4.3所示。在雙電費結構中，入徑和出徑是分開的兩根電纜,兩者間的端頭只是一個無源聯接裝置，每個站點以相同的頻率發送和接收。在中分構造中,入徑和出徑是同一電纜上的不同頻率，雙向放大器傳送較低頻率(5～116MHz)的入徑和較高頻率(168～300MHz)的出徑。端頭飽含一個稱為頻率轉換器的裝置，將入徑頻率轉換為出徑頻率。頻率轉換器可以是模擬裝置也可以是數字裝置，模擬裝置只要把信號轉換成一個新的頻率並重發就可以了，而數字裝置則先要在端頭恢複數字數據，然後再在新的頻率上重發凈化了的數據。

　　環形或匯流排拓撲中，由於只有一條物理傳輸通道連接所有的設備，因此，連到網路上的所有設備必須遵循一定的規則，才能確保傳輸媒體的正常訪問和使用。常用的媒體訪問控制方法有：具有衝突檢測的載波監聽多路訪問 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)、控制令牌(Control Token)及時槽環(Slotted Ring)三種技術。

　　1、具有衝突檢測的載波監聽多路訪問CSMA/CD

　　具有衝突檢測的載波監聽多路訪問CSMA/CD採用隨機訪問和競爭技術，這種技術只用於匯流排拓撲結構網路。CSMA/CD結構將所有的設備都直接連到同一條物理通道上,該通道負責任何兩個設備之間的全部數據傳送，因此稱通道是以“多路訪問”方式進行操作的。站點以幀的形式發送數據，幀的頭部含有目的和源點的地址。幀在通道上以廣播方式傳輸，所有連接在通道上的設備隨時都能檢測到該幀。當目的地站點檢測到目的地址為本站地址的幀時，就接收幀中所攜帶的數據，並按規定的鏈路協議給源站點返回一個響應。

　　採用這種操作方法時，在通道上可能有兩個或更多的設備在同一瞬間都會發送幀，從而在通道上千萬幀的重疊而出現並有差錯，這種現象稱為衝突。為減少這種衝突，源站點在發送幀之前，首先要監聽通道上是否有其它站點發送的載波信號(即進行“載波監聽”)，若監聽到通道上有載波信號則推遲發送，直到通道恢復到安靜(空閑)為止。另外，還要採用邊發送邊監聽的技術(即“衝突檢測”)，若監聽到干擾信號，就表示檢測到衝突，於是就要立即停止發送。為了確保衝突的其它站點知道發生了衝突，首先在短時間里持續發送一串阻塞(Jam)碼,卷入衝突的站點則等待一隨機時間，然後準備重發受到衝突影響的幀。這種技術對發生衝突的傳輸能迅速發現並立即停止發送,因此能明顯減少衝突次數和衝突時間。

　　2、控制令牌

　　控制令牌是另一種傳輸媒體訪問控制方法。它是按照所有站點共同理解和遵守的規則，從一個站點到另一個站點傳遞控制令牌，一個站點只有當它占有令牌時，才能發送數據端幀，發完幀後，即把令牌傳遞下一個站點。其操作次序如下：

　　1)首先建立一個邏輯環，將所有站點同物理媒體相連，然後產生一個控制令牌。

　　2)控制令牌由一個站點沿著邏輯環順序向下一個站點傳遞。

　　3)等待發送幀的站點接收到控制令牌後，把要發送的幀利用物理媒體發送出去，然後再將控制令牌沿邏輯環傳遞給下一站點。

　　控制令牌方法除了用於環形網拓撲結構(即令牌環)之外,也可以用於匯流排網拓撲結構(即令牌匯流排)，這兩類結構建立的邏輯環分別如圖4(a)、(b)所示。

　　對於一個物理環，令牌傳遞的邏輯結構和物理環的結構是相同的，令牌傳遞的次序和站點連接的物理次序也是一致的；百對於匯流排網，邏輯環次序則不必和電纜上的站點連接次序相對應，所有站點沒有必要抱著按邏輯環連接。例如圖 4(b)中,H站並不是邏輯環的一總部分，這意味著H站永遠拿不到令牌,因此只能以接收方式工作。

　　3、時槽環

　　時槽環只用於環形網的媒體控制訪問，這種方法對每個節點預先安排一個特定的時間內段(即時槽段)，每個節點只能在時槽內傳輸數據。若數據較長，可用多個時槽來傳輸。

　　時槽環採用集中控制方式，這種方法首先由環中被稱為監控的站的特定節點起動環，並產生若幹個固定長度的比特串，這種比特串即稱為時槽。時槽子不停地繞環從一個站點傳遞到另一個站點。當一個站點收到時槽子時，由該站點的介面閱讀後再將其轉發到下一個站點，如此一直迴圈下去。監控站確保總有一個固定數目的時槽繞環傳送，而不考慮組成環的站點數目。每個時槽能攜帶一個固定尺寸的停息幀，時槽幀的格式如圖5(a)所示。

　　時槽環初始化時，由監控站將每個時槽開頭的滿/空位置為空狀態。某個站點要發送數據前，首先要得到一個空時槽，然後將該時槽的滿/空位置為空狀態，將數據的內容插入時槽中，同時在幀的頭部未填入目的地地址和源地址，並將幀尾部的兩個響應位全置為1,然後發送該時槽，使它繞物理環從一個站點至另一個站點傳送。

　　環中每個站對任何置滿的時槽頭部的目的地址進行檢測，如果檢測到是自己的地址，便從時槽中閱讀所攜帶的數據內容，並修改時槽尾部的一對響應位，然後通過環再將它轉發也去。如果目的地站點忙或者拒收，則響應位做相應的標記或保留不做改變。

　　源站點在起動一個幀發送之後，要等到該幀繞環一周。由於每個站均知道環上時槽的總數，由環介面對時槽轉發計數可知道所發時槽的到來。此後，源站點將所用時槽重新標記為空狀態，並閱讀時槽尾部的響應位，以確定是否應捨棄已被髮送的該幀備份，或者重發該幀。由於採用了響應位，就不需要設置獨立的響應幀。

　　監控站傳遞位由監控站用於監測各個站點發送的幀是否有差錯或站點有無故障，該位由源站點在發送幀時置“0”。當滿時槽在環介面上轉發時，由監控站對每一個滿時槽的該位置“1”。如果監控站在其轉發某個滿時槽時，測得監控站傳遞位已被置為1，就認為源站點有故障，便可將該幀的滿/空位置為空，並釋放空時槽。時槽尾部的兩個控制位是提供給DTE高層協議使用的，在媒體訪問控制層中沒有意義。

　　需要特別指出的是，在時槽環媒體訪問控制方法中，每個站點每次只能傳送一個幀，若想要傳送另一個幀，則首先必須釋放傳輸前一幀所用的時槽。這種對環的訪問方法體現了公平性，並被各個互連的站點所共用。

　　時槽環的優點是結構簡單,節點間相互干擾少、可靠性高。但是,時槽環為保持基本環結構需要一個特定的監控站節點；由於繞環一周時間內，每個站點只能占用一個時槽，若某站點發送的數據較長要占用多個時槽，而此時環上只有該站有數據要發送，則許多時槽都是空迴圈；另外，每個40位長的時槽只能攜帶16位有效數據，開銷大、效率低。相比之下，令牌環中的某個站點得到控制令牌後，就可將包括多個位元組的信息幀作為一個整體進行發送，所以效率比時槽環高。

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