第三章 计算机局域网组网技术 局域网相对于广域网来说，是一种用于小范围短距离计算机之间进行数据通信和资源共 享的小型网络系统。局域网技术目前发展最迅速，是计算机领域研究和应用的热点，它在机 关、企业的信息管理和服务等方面都有广泛的应用，如Intranet就是Internet技术在局域 网中的应用，且已成为当前计算机网络技术领域中最活跃的一个分支。 3.1 局域网概述 从协议层次的观点来看，局域网的体系结构由OSI参考模型中的低二层组成。决定局域 网特性的三个主要技术是：传输介质、拓扑结构和信道访问协议，在这三种技术中最为重要 的是信道访问协议，它对网络的吞吐量、响应时间、传输效率等网络特性起着十分重要的作 用。 3.1.1 局域网的特点 计算机局域网除了具有一般计算机网络的特点外，由于其连接距离较近，又具有一定的 特殊性。概括起来计算机局域网具有以下几个主要特点： 1．局域网的通信传输速率高，一般为10Mb/s至100Mb/s，光纤局域网可以达到1000Mb/s。 2．局域网覆盖的地理范围较小，一般在几公里的范围内，适用于一座大楼或一个小院 范围的机关、学校、公司等。 3．局域网具有较好的传输质量，误码率低，通常在10。 127 10 ?? 至 4．局域网可以支持多种传输介质，如同轴电缆、双绞线和光纤等。 5．局域网一般为一个部门或单位所有，建网、维护以及扩展等较容易，系统灵活性高。 6．在局域网中，通信处理功能一般都被固化在一块称为网络适配器（网卡）的电路板 上。 综上所述，局域网是一种小范围内实现资源共享的计算机网络，它具有结构简单、投资 少、数据传输速率高和可靠性高等优点。近年来，局域网在我国得到飞速发展，许多企业、 机关和学校都先后建立了自己的计算机局域网。 3.1.2 局域网的拓扑结构 从网络通信布线方式的观点来看，将节点（即连到网络上的任何设备，如服务器、工作 站以及其他外围设备）用通信链路（即传输介质）在物理上或逻辑上连接在一起的布线结构， 就是通常所说的局域网的拓扑结构。现在局域网最常用、最基本的拓扑结构有总线型拓扑、 环型拓扑和星型拓扑三种。 1．总线型拓扑 ３０ 第三章 计算机局域网组网技术 总线型拓扑（Bus Topology）是将服务器和工作站都连到一条公共的电缆线上，如图3-1 所示。网络所有节点共享这条公用通信线路。工作时，每当有计算机将信息发送到公共总线 上时，所有的工作站均可以同时收到此信息，每个工作站收到信息后都会核对信息中的目的 地址是否与本工作站的地址相符，如果相符就接收这个信息。由于网络上的信息是向各部分 传递的，与广播电台的信号传输方式十分类似，因此，总线结构的网络又被称为广播式网络。 服务器 □ □ 工作站 工作站 工作站 工作站 图3-1 总线型拓扑 总线型拓扑结构具有下列一些特点： ⑴优点 ·结构简单灵活，可靠性较高。 ·硬件设备少，组网成本较低。 ·安装、使用和维护方便，可扩充性好。 ·共享能力强，适合于一点发送，多点接收的场合。 ⑵缺点 由于网络所有节点共享总线，在信息传输量较大的场合容易出现网络的瓶颈，如果出现 电缆故障，则会导致系统的瘫痪。 ⑶适用范围 此类结构适用于小型办公自动化系统、实验室及小型信息管理系统等低负荷和输出的实 时性要求不高的环境。 ⑷典型标准：Ethernet。 ⑸网络范例：10 BASE-5和10 BASE-2。 ⑹信道访问协议：IEEE802.3，CSMA/CD。 2．环型拓扑 顾名思义，环型拓扑（Ring Topology）是“环状”的，如图3-2所示。它是一种所有 的节点通过环路接口分别连接到它相邻的两个节点上，从而形成的一种首尾相接的闭环通信 网络。 环型结构网络的具体工作过程是：网络环路上任一节点发送的数据按物理环路沿一个方 向（通常是逆时针）逐站穿越所有的节点，当传输数据中的目的地址与环路上某节点的地址 相同时，传输数据被该节点接收，然后，数据继续按物理环路向下一节点传输，直到回到发 送数据的节点为止。网络上的各节点依次使用环路发送数据。 ３１ 计算机网络技术及应用 ３２ 图3-2 环型拓扑 综上所述，环型拓扑结构具有下列一些特点： ⑴优点 ·信息单向传输，不需路由选择，无冲突。 ·当有旁路电路时，某个节点发生故障时可自动旁路，可靠性较高。 ·网络传输延时固定，适用于对数据传输实时性要求较高的应用场合。 ⑵缺点 ·随着节点数目的增加，传输效率会降低，网络响应时间变长。 ·灵活性差。单环时，由于环路封闭，因此扩展不便。 ⑶适用范围：这种结构适用于企业的自动化系统和小型信息管理系统。 ⑷典型标准：Token-Ring，FDDI。 ⑸网络范例：IBM Token-Ring。 ⑹信道访问协议：IEEE802.5，令牌传送。 3．星型拓扑 星型拓扑（Star Topology）是网络上所有节点都和中心节点进行点对点的连接，中心 节点可以是服务器，也可以是连接器等设备，如图3-3所示。 在这种结构中，网络中的任何两个节点的通信都要通过中心节点转发。 星型结构的网络属于集中控制型网络，具有下列特点： ⑴优点 ·网络结构简单，组建、维护和管理网络容易。通常可以利用HUB上的LED灯的状况判 断计算机网络是否出现故障。 ·网络有较好的扩充能力。在HUB上增加节点不需要中断网络，也可以在不影响网络运 行的情况下取出节点。 ·网络传输延时较短，误码率较低。 第三章 计算机局域网组网技术 ３３ 集线器 服务器 工作站 工作站 工作站 图3-3 星型拓扑 □ □□□□□□□ □□□□□□□□ ⑵缺点 ·这种结构的最大缺点是中央节点的负荷过重，当HUB故障时导致整个网络瘫痪。 ·网络资源共享能力差，通信线路利用率低。 ⑶适用范围：用于企业的办公自动化系统，数据处理系统，语音通信系统和中、小型信 息管理系统。 ⑷典型标准：Ethernet，Token-Ring。 ⑸网络范例：10 BASE-T，100 BASE-T。 ⑹信道访问协议：IEEE802.3，IEEE802.12，CSMA/CD。 3.1.3 局域网的信道访问协议 局域网设计中有许多问题，如拓扑结构设计、体系结构设计等等。但最根本的问题是信 道访问协议的选择。有些教材将信道访问协议称为介质访问控制方式。 一般的局域网都是广播型网络，网上站点共享信道，一站点发出的数据，其他站点都能 收到。从宏观上看，任何一个站点在任何时候都能向共享信道发送数据，但是从微观上看， 任何一部分物理信道在一个时间段内只能被一个站点占用。于是，就产生了一个信道争用的 问题。所以，广播型网络就要解决信道合理分配的问题，换句话说，要决定当前该谁使用信 道，这个问题解决不了，不论是何种拓扑的局域网，无论使用何种设备，都无法实现信息的 正常发送和接受，其他问题就更无从谈起。所以说，信道访问协议的选择是局域网设计的根 本问题。 1．信道访问协议的分类 ⑴信道存取控制的含义 存取：主机（网卡）或节点向信道发送信息称为“存”；主机或节点从信道接收信息称 为“取”。 控制：宏观上指信道（介质）的分配；微观上指从哪一时刻起到哪一时刻止，介质由哪 一站点占用以及不同站点之间如何协调对介质的占用。 ⑵按常用的三种不同网络拓扑结构分类 IEEE802.3：CSMA/CD IEEE802.4：Token Bus IEEE802.5：Token Ring 计算机网络技术及应用 其中CSMA/CD、Token Bus用于总线拓扑的局域网；Token Ring用于环型拓扑的局域网。 目前应用最为广泛的局域网是基带总线局域网，也称为以太网（Ethernet），它的核心技术就 是它的随机争用型的信道访问协议，即CSMA/CD。令牌环访问控制方式则主要用在IBM的环 型局域网上，而令牌总线访问控制方式用在工业控制中。 ⑶按使用通信线路的访问方式分类 可分为争用型和定时型两种： ·争用型 以太网是争用型访问方式的典型示例。它使用的CSMA/CD访问方式是基于争用的存取方 法。 ·定时型 令牌环（Token Ring）是定时访问方式的示例。令牌循环一周的时间是可以确定的，这 种访问方式分配给每个站点一个可采用的带宽，并确保当时间到来时对局域网进行存取。 2．CSMA/CD访问控制方式 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），即载波监听 多路访问/冲突检测，是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于美国夏威夷大学开发的 ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA更高的介质利用率。 CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网中各节点都能独立地决定数据帧的发送与 接收。每个站点在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。 这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧 成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突， 则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费。然后随机延时一段时间后，再重 新争用介质，重发该帧。 ⑴载波监听多路访问（CSMA） 这里所提到的“载波”并非传统意义上的高频正弦信号，而是一种术语上的借用，其含 义为，判断线路上有无数据信号正在传输。我们把检查信道上有无数据信号传输称为“载波 监听”，而把同时有多个节点在监听信道是否空闲和发送数据，称为“多路访问”。 载波监听 的功能是由分布在各个节点的控制器各自独立进行的，它的实现方法是通过硬件检测信道上 信号的有无。事实上，由于基带传输传送的是脉冲信号二进制的0或1，采用曼彻斯特编码 时，每一位都有一个跳变，因此检测很方便。 ⑵冲突检测（CD） 冲突发生在以下两种情况，一种是监听到信道某一瞬时处于空闲状态时，两个以上的节 点同时向信道发送数据，在信道上就会产生两个以上的信号重叠干扰，使数据不能正确地传 输和接收。另一种是节点A监听到信道是空闲的，但是这种空闲状态可能是信道上节点B已 经发送了数据，由于在传输介质上信号传播的延迟，数据信号还未到达节点A，如果此时， 节点A又发送数据，则将发生冲突。 ⑶CSMA/CD的数据帧发送过程 ①一个站要发送数据帧，首先要监听总线，以确定介质上是否有其他站点正在发送信息。 ②如果介质是空闲的，则可以发送；如果介质是忙碌的，则要继续监听，一直等到介质 空闲时方可发送。 ３４ 第三章 计算机局域网组网技术 ③在发送数据帧的同时，还要继续监听总线。一旦监听到冲突发生，便立即停止发送， 并向总线发出一串阻塞信号来加强冲突，以便通知总线上其他各个站点已发生冲突。 ④冲突发生后，应随机延迟一个时间段，再去争用总线。通常采用的延迟算法是二进制 指数退避算法，其公式是： N ARt 2??= 式中的N为冲突次数，R为随机数，A为计时单位（可取信号从始端传播到末端所需时 间的2倍）。 ⑷CSMA/CD的数据帧接收过程 ①滤除因冲突而产生的“帧碎片”，即当接收的帧长度小于最小帧长限制时，则认为是 不完整的帧而将它丢弃掉。 ②检查帧的目的地址是否与本站地址相符。如果不相符，则说明不是发送给本站的而将 它丢弃掉。 ③进行帧长度检验。接收到的帧长必须是8的整数倍，否则丢弃掉。 ④进行帧的CRC校验。如果CRC校验有错，则丢弃该帧。 ⑤最后将有效的帧提交给LLC子层。 3．令牌环访问控制方式 ⑴令牌的含义 令牌是一种特殊的控制帧，如图3-4所示。其特点是：①一个环只有一个令牌；②令牌 是站点能进行数据发送的凭证，只有获得令牌的站点才能进入数据发送工作方式；③令牌绕 环行驶。 8 8 8 SD AC ED 3 1 1 3 PPP T M RRR 图3-4 IBM 令牌帧格式 令牌帧中，SD为起始定界符，表示每一个帧开始的特殊的8位二进制位。 AC为控制段，长度8位，其中PPP表示令牌优先级（用3个二进制位表示的八个优先等 级，000优先级最低，111优先级最高）；RRR是预约优先级位；T=0表明令牌空闲，T=1表明 令牌忙；M为监控位，用来防止忙令牌在环上无限循环而设置的。发送站发送一忙令牌帧时， 将M置为0，当该令牌第一次经过环上监视站时，监视站将该令牌帧的M置为1，当监视站检 测到M=1的帧就认为该帧已经绕环一周而没有释放，就将该帧去掉。 ED是令牌帧的结束定界符。 ⑵Token-Ring基本原理 Token-Ring是一种适用于环型拓扑的分布式介质访问控制方法。这种介质访问技术使用 一种称为令牌的特殊帧沿着环网循环。当一个站要发送数据时，必须等待空令牌通过本站， 然后将空令牌改为忙令牌，紧跟着忙令牌之后，把数据帧发送到环网上。由于令牌是忙状态， ３５ 计算机网络技术及应用 其他站必须等待而不能发送数据。因此，也就不可能产生任何冲突。 数据帧在环上循环一周后再回到发送站，由发送站将该帧从环上移去，同时将忙令牌改 为空令牌，传给下一站，使之获得发送帧的机会。 当数据帧绕环通过各站时，各站都要将帧的目的地址与本站地址相比较。如果地址符合， 说明是发送给本站的则将帧拷贝到本站的接收缓冲区中，同时将帧送回到环上，使帧继续沿 环传送；如果地址不符合，则简单地将数据帧重新送到环上即可。 ⑶Token-Ring优先级访问控制 Token-Ring协议使用3个二进制位提供八级优先级，并允许进行优先级预约，以保证高 优先级的站点能够尽早地获得空令牌来发送数据。 ①在令牌帧中，若PM为令牌优先级，PR是预约优先级，它们是用3个二进制位表示的 八个优先级。每个站由上层协议设置该站点的优先级RM。 ②当一个站接收一个空令牌时，并不立即发送数据帧，而是先比较本站优先级RM和令 牌优先级PM： ·如果PM≤RM，则表示本站优先级大于当前令牌优先级，允许截获令牌来发送数据帧； ·如果PM>RM，则说明网上有高优先级的站点在等待令牌，该站不能截获令牌，应当立 即将令牌发送出去。 ③当一个站接收或转发数据帧时，则可以进行优先级预约，如果PR<RM，则用该站的RM 值设置令牌的预约优先级PR：即PR=RM。 4. 令牌总线访问控制方式 令牌总线是令牌控制方式在总线结构上的应用。其特点是：物理上是总线结构，逻辑上 是令牌环。在令牌总线中，总线上的站不能像CSMA/CD那样随机地访问总线，而只有令牌持 有者才能访问总线。令牌的传递不是按站的物理顺序，而是按逻辑顺序。如图3-5所示。 A B □ □ C D E 图3-5 令牌总线逻辑环 站点A→B→E→D→A构成一逻辑环。另外，称逻辑环外的站点为非活动站，这些站由于 处在逻辑环外，尽管也物理地连接在总线上，但并不能参与令牌的传递，也就不能访问介质。 ３６ 第三章 计算机局域网组网技术 3.2 100兆局域网组网技术 3.2.1 以太网组网技术概述 以太网组网非常灵活和简便，可使用多种物理介质，以不同拓扑结构组网，并且在轻载 情况下具有较高的网络传输速率，是目前国内外应用最为广泛的一种网络，已成为网络技术 的主流。以太网技术标准的发展参见表3-1。 表3-1 以太网主要技术发展 年代 以太网标准 IEEE标准 传输介质 1982 10 BASE-5 802.3粗同轴电缆 1985 10 BASE-2 802.3a 细同轴电缆 1990 10 BASE-T 802.3i双绞线 1993 10 BASE-F 802.3j 光纤 1995 100 BASE-T 802.3u 双绞线、光纤 1997 全双工以太网 802.3x 1998 1000 BASE-X 802.3z 光纤、STP 1999 1000 BASE-T 802.3ab UTP 以太网按其传输速率又分成10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。作为引入，本节先介绍10M 以太网组网技术。典型的10Mb/s以太网产品有：10 BASE-2、10 BASE-5和10 BASE-T三种， 其中这里的10是指网络传输速率为10Mb/s ；BASE指基带传输；2指细同轴电缆；5指粗同 轴电缆；T指双绞线。 1．细缆以太网10 BASE-2 10 BASE-2以太网是采用IEEE802.3标准，它是一种典型的总线型结构，如图3-6所示。 采用细缆为传输介质，通过T型接头与网卡上的BNC接口相连的总线型网络。 终结器 ■ ■ ■ ■ 细缆 BNC T型连接头 图3-6 10 BASE-2网络组成 中继器 10 BASE-2以太网的基本硬件设备有： ⑴带有BNC接口的Ethernet网卡 ⑵Φ5mm/50Ω细同轴电缆 ⑶BNC T型连接头 ３７ 计算机网络技术及应用 这是一个三通插头，两端插头用于连接细同轴电缆，中间插头用于连接网卡。 ⑷BNC连接头 安装在细同轴电缆的两端，用于细同轴电缆与BNC T型连接头之间的连接。 ⑸50Ω BNC终结器 电缆两端各接一个，防止信号的反射，其中之一要接地。 ⑹中继器 一个细缆以太网电缆段长度超过185米或工作站个数多于30个时，应采用支持BNC接 口的中继器来延长距离，或增加节点个数。使用4个中继器的细缆以太网的最大长度可达到 925米。 10 BASE-2以太网的主要技术指标有: ⑴若不使用中继器，单网段细缆的最大长度为185米 ⑵若不使用中继器，单网段连接的节点最多为30个 ⑶最多使用4个中继器，因此细缆组网的最大长度为925米 ⑷最多有5个网段，其中只有3个网段可以连接工作站，其他网段用于扩展距离 ⑸两个相邻的BNC T型连接头（即相邻节点）的最小距离为0.5米。 2．双绞线以太网10 BASE-T 10 BASE-T是采用无屏蔽双绞线（UTP）作为传输介质的以太网，其标准为IEEE802.3i， 是IEEE802.3标准的直接扩展。在网络拓扑结构中增加了集线器（HUB），采用RJ45连接头实 现网络连接，如图3-7所示。 RJ45接口 双绞线 图3-7 10 BASE-T网络结构 □ HUB □□ □□□□□□□□ 10 BASE-T以太网的基本配置是： ⑴集线器（HUB） 集线器是10 BASE-T网络技术的核心，它是一个具有中继器特性的有源多口转发器，其 功能是接收从某一端口发送来的信号，经过重新整形后再转发给其他的端口。HUB还具有故 障自动隔离功能，当网络出现异常情况时，例如冲突次数过多或某个网络分支发生故障时， HUB将会自动阻塞相应的端口，删除特定的网络分支，使网络的其他分支不受其影响，仍能 正常工作。 集线器有8口、12口、16口及24口等多种型号，HUB除了提供RJ45端口外，还提供 ３８ 第三章 计算机局域网组网技术 BNC和AUI接口，以支持UTP、细缆及粗缆的混合网络连接，参见图3-9。 ⑵3类或5类UTP，电缆两端各压接一个RJ45插头 ⑶带有RJ45接口的Ethernet网卡 ⑷RJ45连接头（水晶头） 10 BASE-T以太网的结构： ⑴单集线器结构 如图3-7所示。10 BASE-T以太网络结构十分简单，所有节点均通过HUB连入网络中， 传输介质采用UTP，物理拓扑结构为星型。节点到HUB之间的最大距离为100米。单集线器 结构适合小型工作组规模的局域网，一般支持4、8、12、16及24个RJ45端口。 ⑵多集线器级联结构 对于规模较大或节点数超过单集线器的端口数目时，通常采用多集线器级联或堆叠结 构。集线器之间可以使用双绞线通过专门的RJ45级联口（uplink端口）级联，如图3-8所 示。也可以使用同轴电缆、光纤，通过集线器提供的向上连接的端口实现级联，如图3-9所 示。 双绞线 双绞线 图3-8 通过双绞线级联的10 BASE-T 细缆 ■ ■ 图3-9 通过细缆线级联的10 BASE-T □ HUB1 □ □□□□□□ □ HUB2 □□□□□□□ □ HUB □ □□□□□□□ □ HUB □ □□□□□□□ 使用细缆连接两个集线器，网中两节点的最大距离可达到385（185+100+100）米。 综上所述，10Mb/s以太网产品由于采用不同的传输介质，当前常用的标准有10 BASE-2 和10 BASE-T，它们的主要技术参数见表3-2。 ３９ 计算机网络技术及应用 表3-2 常用以太网的技术参数 标准 传输介质拓扑结构 最多网段 数 网段最多 工作站数 最大网段 长度 IEEE标准 标准 接口 10 BASE-2 50Ω细缆总线 5个 30 185米 802.3a BNC 10 BASE-T UTP 星型 不限 不限 100米 802.3i RJ45 3.2.2 100 BASE-T组网技术 进入20世纪90年代后，随着多媒体信息技术的成熟和发展，对网络的传输速率提出了 更高的要求，10Mb/s网络所能提供的网络带宽已难以满足人们的要求。为了保证所有网络上 的工作站能以足够快的存取速度访问服务器，应当大幅度地提高局域网的传输速率，100M局 域网正是在这种背景下出现的。 目前，具有代表性的100M局域网技术有：①100 BASE-T技术，它的MAC层仍采用CSMA/CD 协议，而在物理层则提供100Mb/s的传输速率；②100 VG-AnyLAN技术，它在MAC层采用的 是一种优先级访问协议，但仍支持802.3帧格式（还可支持802.5帧格式），在物理层提供 100Mb/s的传输速率；③FDDI快速光纤网技术，该网是一个双光纤环，其数据传输速率为 100Mb/s，最大网段长度为2公里，但由于光纤器件价格高，安装较困难，近年来，逐渐被价 格性能比低的100 BASE-T以太网技术取代。 1．100 BASE-T技术标准 100 BASE-T是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3 的CSMA/CD协议，它又称为快速以太网（Fast Ethernet）。用户只要更换一张网卡，再配上 一个100Mb/s的集线器，就可方便地由10 BASE-T以太网直接升级到100 Mb/s，而不必改变 网络的拓扑结构，二者对比参见表3-3。1所有在10 BASE-T上的应用软件和网络软件都可保 持不变，100 BASE-T的网卡有很强的自适应性，能够自动识别10Mb/s和100Mb/s。 表3-3 10 BASE-T与 100 BASE-T的比较 以太网类型 10 BASE-T 100 BASE-T 数据传输速率10Mb/s 100Mb/s IEEE标准 802.3i 802.3u 介质访问协议CSMA/CD CSMA/CD 网络拓扑结构 星型 星型 支持的介质类型UTP或光纤UTP、STP或光纤 集线器到节点的最大距离 100米 100米 1995年6月IEEE已将100 BASE-T定为一种正式局域网国际标准，其代号为IEEE802.3u， 是对802.3标准的补充。 100 BASE-T快速以太网标准保留了10 BASE-T在介质访问控制CSMA/CD协议与数据帧格 ４０ 第三章 计算机局域网组网技术 式。100 BASE-T技术在介质访问控制层（物理层）上支持100 BASE-TX、100 BASE-T4和100 BASE-FX三种介质协议。传输介质可以是3、5类UTP或光纤，表3-4列出了三种快速以太网 标准的特点。 表3-4 三种快速以太网标准的特点 名称 传输介质 最大分段长度 优点 100 BASE-TX 双绞线 100m 100Mb/s全双工；5类UTP 100 BASE-T4 双绞线 100m 使用3类UTP 100 BASE-FX 光纤2000m 100Mb/s全双工；长距离 2．100 BASE-TX 100 BASE-TX使用5类非屏蔽双绞线（UTP）或1类屏蔽双绞线（STP）作为传输介质。5 类UTP是目前使用最为广泛的介质，100 BASE-TX使用其中的两对，连接方法和10 BASE-T 完全相同，这意味着不必改变布线格局便可直接将10 BASE-T的布线系统移植到100 BASE-TX 上。100 BASE-TX是全双工系统，站点可以在以100Mb/s的速率发送的同时，以100Mb/s的 速率进行接收。100 BASE-TX规定5类UTP电缆采用RJ45连接头，而1类STP电缆采用9芯 D型（DB-9）连接器。 3．100 BASE-T4 100 BASE-T4使用4对UTP 3类线，这是为已使用UTP 3类线的大量用户而设计的。它 是一项新的信号发送技术，采用8B6T编码技术，即把8位二进制码组编码成6位三进制码组， 再经过不归零（NRZ）编码后输出到3对数据线上。每对线的传输速率为33.3Mb/s，三对线 的总传输速率为100Mb/s，即在音频级的3类UTP电缆上实现了100Mb/s的传输速率。在4 对线中，3对线用于数据传输，1对线用于冲突检测。这样就使得用户在现有3类UTP电缆系 统基础上，由10 BASE-T升级到100 BASE-T，保护了用户的投资。 4．100 BASE-FX 100 BASE-FX是多模光纤系统，它使用两束62.5/125μm光纤，每束都可用于两个方向， 因此它也是全双工的，并且在每个方向上速率均为100Mb/s。100 BASE-FX特别适用于长距离 或易受电磁波干扰的环境，站点与集线器之间的最大距离可达2km。 3.3 1000兆局域网组网技术 3.3.1 千兆位以太网技术 千兆位以太网技术主要包括技术标准和相应的网络设备两部分。这里主要介绍千兆以太 网的技术标准，第9章将介绍千兆以太网组网设备——千兆以太网交换机。 在100Mb/s的快速以太网基础上，IEEE802委员会又制定了支持多种传输介质的千兆以 太网标准，具体情况参见表3-5。 表3-5 千兆位以太网技术标准 千兆以太网标准 传输介质类型 传输距离 （m） ４１ 计算机网络技术及应用 1000 BASE-LX （802.3z） 62.5μm多模光纤 50μm多模光纤 10μm单模光纤 550 550 5000 1000 BASE-SX （802.3z） 62.5μm多模光纤 50μm多模光纤 275 550 1000 BASE-CX （802.3z） 屏蔽铜缆25 1000 BASE-T （802.3ab） 4对5类UTP 100 从表中可以看出，在光纤上传输千兆以太网有两个物理层标准：1000 BASE-SX和1000 BASE-LX，它们都由IEEE802.3z工作小组制定。1000 BASE-SX通常采用多模光纤，它支持较 短的传输距离，通常用作较短距离（如在楼宇水平方向布线）的多模光纤传输主干。1000 BASE-LX通常采用支持长距离传输的多模光纤和单模光纤，比如用作距离较长的建筑物之间 的光纤主干或范围较大的园区主干。 1000 BASE-LX使用的收发器上配置了波长为1300nm的光纤激光传输器，它可以驱动多 模光纤，也可以驱动单模光纤。在1000 BASE-SX使用的收发器上配置了850nm的光纤激光传 输器，它只支持多模光纤。在1000 BASE-LX和1000 BASE-SX千兆以太网中连接光缆与交换 机端口的连接器可以是SC型光纤连接器，也可以是MT-RJ型光纤连接器。 虽然表中显示千兆以太网支持的最大地理范围是5公里，但实际上许多厂商实现的千兆 以太网技术对光纤支持的物理距离远大于上述标准，对多模光纤已经可以支持十几公里的范 围，而对单模光纤已经可以支持高达几十公里的距离。世界著名的网络设备提供商3COM公司 推出的核心交换机Switch 4007上可以配备长距离GBIC（千兆接口连接器）千兆以太网模块， 该模块可以提供长达70公里的光纤支持能力。 千兆以太网除了支持光纤介质外，还有两个面向铜线的传输标准： 第一个是1000 BASE-CX，此标准支持网络设备之间的短距离铜线连接，距离是25米。 这种屏蔽电缆不是标准的STP，而是一种特殊规格高质量平衡双绞线对的TW型带屏蔽的铜缆， 其特性阻抗为150Ω。连接这种电缆的端口上配置9芯D型连接器。该种接口的千兆以太网 技术主要用于设备间控制柜内部各个设备之间的接线或计算机房跳线连接。 第二个是1000 BASE-T，它是10 BASE-T和100 BASE-T的升级。该标准充分利用现有的 UTP，用于楼宇内水平方向布线，仍使用RJ45连接头，它需要4对UTP线缆一起支持1000Mb/s 的速度，每对线缆分摊250Mb/s速率。 目前，千兆以太网技术是网络界公认的网络技术发展方向之一，是对高度成功的10Mb/s 和100Mb/sIEEE802.3以太网标准的扩展，千兆以太网具有下列优点： ①高传输速率和速率提升潜力 千兆以太网可提供1Gb/s的数据传输速率。目前标准化组织正在积极研究和推广10Gb/s 以太网技术，包括Cisco在内的一些厂商也正在积极开发相应的网络模块，预计很快就可以 在主干网中采用高达10Gb/s的传输速率。 ②高性能价格比 千兆以太网体现了快速以太网带给以太网网络的性价比优点，它以2至3倍于当今的快 ４２ 第三章 计算机局域网组网技术 速以太网的成本提供10倍于它的性能；相对于其它一些组网技术，千兆以太网是最经济和快 捷的一种组网技术。 ③兼容性好 千兆以太网采用了IEEE802.3和以太网标准帧格式以及802.3管理的对象规格，与以太 网、快速以太网向下兼容。因此，客户能够在保留现有应用程序、操作系统、IP、IPX及 AppleTalk等协议以及网络管理平台与工具的同时，方便地升级至千兆以太网。 ④网络设计灵活 千兆以太网几乎对网络结构没有限制；现在正在应用的网络互连技术，如IP协议和L3 三层交换技术都与千兆以太网完全兼容。 ⑤组网方式灵活 千兆以太网组网方式可以通过共享集线器（价格便宜）、交换机或路由器相互连接来实 现。千兆以太网支持交换机与交换机或交换机与工作站之间的全双工的连接模式，也支持半 双工连接模式以便与共享集线器连接。千兆以太网使用的传输介质有光纤、5类非屏蔽双绞 线（UTP）。 ⑥简化的管理 相对于其它一些主干组网技术，千兆以太网网络的管理将是最简单方便的。 3.3.2 ATM组网技术 ATM组网技术目前被认为是从桌面网、局域网到广域网的统一网络技术，也是除千兆以 太网之外的另一个可选的千兆组网技术。 1．ATM的基本概念 异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一种快速分组交换技术，它是以信 元为信息传输和交换的基本单位，是一种面向连接的交换技术。为了简化信元的传输控制， 在ATM中采用了固定长度的信元，规定为53字节，其中信元头5个字节，信息段48个字节， 如图3－10所示。这样，在传输过程中每个信元都花费同样的传输时间，因而可以将信道的 时间划分为一个时间片序列，每个时间片用来传输一个信元。当交换设备有信元发送时，便 逐个时间片地把信元投入信道；接收时，若信道不空，也将逐个时间片地取得信元，时间片 和信元一一对应。有这种对应关系，可大大简化对信元的传输控制，可采用高速硬件对信元 头进行识别和处理。 5字节 48字节 图3-10 信元格式 信元头 信息段 2．ATM局域网组网技术 以ATM交换机为中心连接计算机所构成的局域网络叫ATM局域网。ATM交换机和ATM网 卡支持的速率一般为155Mb/s～24Gb/s，满足不同用户的需要，标准ATM的组网速率是622 Mb/s。图3－11是ATM局域网组网示意图。 ４３ 计算机网络技术及应用 ATM交换机 ATM用户机 ATM用户机 ATM用户机 ATM用户机 100M 155M 622M 1000M 图－3 11 ATM组网示意图 ATM是将分组交换与电路交换优点相结合的网络技术，可以工作在任何一种不同的速度、 不同的介质和使用不同的传送技术，适用于广域网、局域网场合，可在局域网/广域网中提供 一种单一的网络技术，实现完美的网络集成。 ATM组网技术的不足之处是协议过于复杂和设备昂贵带来的相对较高的建网成本。 3.4 交换局域网和虚拟局域网 3.4.1 交换局域网 交换局域网的核心部件是局域网交换机。局域网交换机一般有多个端口，每个端口可以 直接和网络中的一般节点连接，也可以和集线器连接。 交换机中有个地址映射表，在映射表中，每个端口号和节点的MAC地址有对应关系。若 同时有两个节点要发送数据，交换机通过两个发送数据中的目的地址，通过地址映射表，交 换机分别将数据发送到相应的端口。 局域网交换机主要是针对Ethernet设计的。可以分为只支持10Mb/s端口的Ethernet 交换机、只支持100Mb/s端口的Ethernet交换机和同时支持10Mb/s和100Mb/s端口的 Ethernet交换机。 交换局域网与传统上使用的共享式局域网对比如下。 1．“共享式”局域网 共享式集线器是10 BASE-T网络上使用的中心控制设备。它的工作原理是建立在“共享 介质”基础上的，相应的介质访问控制方法是CSMA/CD、Token Ring和Token Bus。这些访 问控制的方法保证了各节点能够公平地使用传输介质。如某共享式以太网上的数据传输速率 为10Mb/s，当10个节点同时使用时，每个节点平均分配的带宽就只有1Mb/s。如果节点数目 继续增加，网络的传输速率和质量将进一步下降。 一个16口100 BASE-T共享式HUB只能提供100Mb/s的数据流通量。 2．“交换式”局域网 交换机是交换式局域网上使用的中心控制设备。在交换式局域网中，可以通过交换机为 所有节点建立并行、独立和专用带宽的连接。不管有多少工作站，各工作站均可以得到并行、 独立的带宽。如某交换式以太网上，使用一个16口的100Mb/s的交换机，当16个节点同时 使用时，网络的总流量为1600Mb/s。 ４４ 第三章 计算机局域网组网技术 3．利用100Mb/s交换机组网实例 图3-12是某学院校园网拓扑结构图。网管中心、办公区和家属区构成校园网的主干， 其数据传输量大、工作频繁，因此，这三个节点采用100Mb/s交换机互连，再下层采用100Mb/s 共享式集线器。 网管中心 光纤 光纤 办公区 家属区 ····· 5类UTP ···· 5类UTP 5类UTP 5类UTP 5类UTP 5类UTP ······ ······ 图3-12 交换机组网实例 100 Mb/s交换机 100 Mb/s交换机 100 Mb/s交换机 服务器 100 Mb/s共享HUB 100 Mb/s共享HUB 100 Mb/s共享HUB PC PC PC PCPC 服务器 3.4.2 虚拟局域网 近年来，随着交换局域网技术的快速发展，在交换局域网的基础上又出现了虚拟局域网 （VLAN）技术。 虚拟局域网是建立在局域网交换机或ATM交换机的基础上的，以软件方式来实现逻辑工 作组的划分与管理，逻辑工作组的节点组成不受物理位置的限制。同一逻辑组的成员不一定 连接在同一个物理网段上，它们可以处于一个局域网交换机，也可以不在同一个局域网交换 机，只要这些交换机是互连的。逻辑组的节点之间的通信就好像是在一个局域网中一样。 逻辑工作组将网络上的节点按工作性质与需要划分而得到，一个逻辑工作组就是一个虚 拟网络。图3-13是一个VLAN应用实例。 ４５ 计算机网络技术及应用 ４６ ——客户部VLAN ——生产部VLAN ——销售部VLAN 图3-13 VLAN应用实例 HUB HUB HUB 交换机交换机 构成VLAN的条件是：所有用户终端都要连接到支持虚拟局域网的交换机端口上。 在这个实例中，客户部、生产部、销售部等各自可以处在不同的地方，它们可以形成各 自的VLAN，这些VLAN之间互不干扰，可以运行各自的网络协议。如果需要互连，则可以通 过路由器、服务器等实现资源共享。 3.5 局域网组网设备 3.5.1 常用的组网设备 1． 网络适配器（网卡） （1）网卡的功能 网卡（NIC：Network Interface Card）也叫网络适配器。在网络中网卡的工作是双重的： 一方面它负责接收网络上传过来的数据包，解包后将数据传输给本地计算机；另一方面它将 本地计算机上的数据打包后送入网络。网卡的基本功能主要有以下3个方面： ①数据转换。由于数据在计算机内是并行传输的，而在计算机之间却是串行传输的，这 样，网卡就要有对数据进行并/串和串/并转换的功能。 ②数据缓存。为了防止数据在传输过程中丢失并实现传输控制，网卡内必须设置数据缓 存功能。 ③通信服务。网卡实现的通信服务主要是网络体系结构中物理层和数据链路层的功能， 通过协议软件被固化在网卡内的只读存储器中实现。 （2）网卡的分类 目前，市场上常见的网卡种类繁多。按所支持的带宽分有10Mb/s网卡、100Mb/s网卡、 10/100Mb/s自适应网卡和1000Mb/s网卡；按总线类型分有PCI网卡、ISA网卡、EISA网卡 及其他总线网卡；按网卡提供的网络接口分有RJ45接口（双绞线接口）、BNC接口（细缆接 口）、AUI接口（粗缆接口）及它们的组合。按组网类型网卡又分为以太网卡、令牌环网卡、 第三章 计算机局域网组网技术 FDDI网卡和ATM网卡等。我们在采购网卡之前应搞清楚自己的网络需要什么样的网卡，以免 买回来无法使用。图3-14是RJ45接口以太网网卡的实物图。 图3-14 网卡实物图 正确选用和安装网卡，往往是能否正确连通网络的前提和必要条件。 2．集线器（HUB） 集线器的基本功能是信息分发，它把一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去。一 些集线器在分发之前将弱信号重新生成，一些集线器整理信号的时序以提供所有端口间的同 步数据通信。集线器在星型拓扑的网络中起着重要作用。集线器有多种，具有各自特定功能， 提供不同等级的服务。 多数集线器有指示多种状态的LED指示灯，常见的两种指示灯是电源和端口状态指示 灯，有的集线器还有监视端口通信状态和冲突的指示灯。 早期的10M HUB一般具有RJ45、BNC和AUI三种接口。100M HUB和10/100M HUB 一般只有RJ45接口，有些还有光纤接口。图3-15是一款集线器的实物图。 图3-15 集线器 3．交换机 交换机（Switch）是一种高性能的集线设备。用交换机组成的交换式网络，传输速率可 以高达吉比特每秒。随着交换机价格的不断降低，它已经逐渐取代集线器，成为组网网络设 备的新宠。 具有堆叠功能的交换机可以堆叠，两台交换机堆叠在一起，需要通过堆叠线缆连接交换 机，图3-16是交换机堆叠的连接图。 ４７ 计算机网络技术及应用 图3-16 交换机堆叠的连接图 4．网线 目前，局域网组网使用的传输介质主要是双绞线和光纤，有时也使用同轴电缆和微波。 3.5.2 网络的物理连接 1．使用同轴电缆的物理连接步骤 ⑴分别在服务器和工作站的主机内选择合适的扩展槽，插入网卡（插入网卡时，严禁带 电），并正确设置网卡参数。 ⑵用制作好的带BNC T型连接头的细同轴电缆连接服务器和工作站，如图3-17所示。 终结器 ■ ■ 细缆 BNC T型连接头 图3-17 用细缆连接服务器与工作站 ⑶将50Ω的终结器分别安装在细缆两端的BNC T型连接头上。 2．使用双绞线的物理连接步骤 ⑴分别在服务器和工作站的主机内选择合适的扩展槽，插入网卡（插入网卡时，严禁带 电），并正确设置网卡参数。 ⑵用制作好的双绞线级连交换机或集线器。 ⑶用制作好的双绞线连接服务器和交换机或集线器。 ⑷用制作好的双绞线连接工作站和交换机或集线器，如图3-18所示。 ４８ 第三章 计算机局域网组网技术 图3-18 用双绞线连接的局域网 习题三 一、填空题 1．10 BASE-5网络中的“10”表示_____________。 2．10 BASE-T网络中工作站到HUB之间的最大距离是__________米。 3．10 BASE-2网络中使用的传输介质是___________。 4．Ethernet的中文含义是____________。 5．CSMA/CD的中文含义是________________，一般它应用在 _______拓扑结构网络环境 下。 6．决定局域网性能的有三个主要技术，它们分别是：____________、_____________和 _______________。 7．制作双绞线，需要_________类型的连接头。 8．10 BASE-2网络结构中，每一网段的最大传输距离是_________米。 9．写出三种具有代表性的高速局域网技术：___________、___________和___________。 10．使用双绞线连接两个HUB，网中两个工作站之间的最大距离是_______米。 二、简答题 1．简述局域网有哪些主要特点？ 2．局域网常用哪几种拓扑结构？它们各有什么优缺点？ 3．何谓信道访问协议？局域网常用的信道访问协议有哪几种？ 4．什么是CSMA/CD？其工作的基本原理是什么？ 5．简述Token-Ring是如何实现优先级访问控制的？ 6．简述网卡的功能和分类？ 7．100 BASE-T以太网组网需要哪些设备？并画出它的结构示意图。 8．目前，具有代表性的高速局域网技术有哪些？ 9．交换式局域网与共享式局域网有何区别？ 10．100 BASE-T和10 BASE-T网络可以混合连接吗？并举例说明。 ４９ 计算机网络技术及应用 11．选购网卡时，应注意哪些方面？ 三、实训题 1．网线的制作及硬件的物理连接。 2．通过市场调研，根据以下条件，规划一个局域网的建设方案（包括网络拓扑结构， 各种硬件的型号、数量、价格等）。 ⑴资金40万元。 ⑵50个节点的局域网。 ５０