第四章　局域网

　　1、局域网是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备互连在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。如NOVELL网、IBM TOKEN RING网、3COM ETHER网、WINDOWS NT等。

　　相对于广域网，局域网的特点：①地理范围小；②数据传输速率高；③传输时延小、误码率低；4）以PC机为主体；⑤只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。

　　局域网可分为三类：①平时的局域网（LAN）

　　②计算机交换机CBX（采用电路交换技术的局域网）

　　③高速局域网（HSLN）。

　　2、局域网的特性主要取决于拓扑结构、传输媒体、媒体访问控制三类，其中最重要的是媒体访问控制方法。

　　3、网络拓扑结构对网络性能影响很大，选择网络的拓扑结构时，首先要考虑采用何种媒体访问控制方法，其次是性能、可靠性、成本、扩充灵活性、实现的难易程度以及传输媒体的长度等因素。

　　4、局域网采用的拓扑结构有总线、环形、星型三种。

　　总线网：采用分布式媒体访问控制方法。总线网的缺点：主干故障会造成全网瘫痪，站点较多时，数据冲突增多造成低效率。总线网是用来实现局域网的最常用的拓扑结构，以太网就是它的最典型实例。总线拓扑网可采用两种协议，一种是以太网采用的CSMA/CD，另一种是总线拓扑网与令牌环相结合的变形，在物理上是总线拓扑，逻辑上采用令牌环，兼有总线网和令牌环的优点。

　　环形网：采用分布式媒体访问控制方法。优点：控制简单、信道利用率高、通信电缆长度短、不存在数据冲突（相比较于总线网）、局域网应用比较广泛。缺点是对节点接口和传输线路的要求比较高。典型实例：IBM令牌环网和剑桥环网，还有一种FDDI结构（采用光纤的高速令牌环网）。

　　星型网：采用集中式媒体访问控制方法。优点：结构简单、实现容易、信息延迟确定。缺点：通信电缆长、传输媒体不能共享。典型实例是计算机交换机CBX.

　　5、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，常用传输介质是双绞线和同轴电缆。宽带用于无线电频率范围内的模拟信号传输，常用同轴电缆。

　　6、基带系统中，数字信号通常采用曼彻斯特编码传输。

　　7、宽带系统用于传输模拟信号，可用频分多路复用技术（FDM），宽带系统采用总线/树形网拓扑结构，宽带本质上是一种单方向传输的媒体，在物理上可用双电缆和中分两种不同的结构来实现输入和输出的通路。

　　8、常用的媒体访问控制方法有三种：具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD、控制令牌、时槽环。

　　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，这种技术适用于总线拓扑结构网络；控制令牌方法除了用于环形网拓扑结构之外，也可用于总线网拓扑结构。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，才能发送数据帧，发送完帧之后，再把令牌传递给下一个站点。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个节点。对于一个物理环，令牌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。而对于总线网，逻辑环的次序不必和电缆上的站点连接次序相对应，所有站点没有必要按照逻辑环连接。

　　时槽环只适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段，每个节点只能在时槽内传输数据。时槽环采用集中控制方式。

　　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，则首先必须释放前一帧所用的时槽，这种对环的访问方法体现了公平性。时槽环的优点是：①结构简单②节点间相互干扰少③可靠性高。时槽环的缺点是：①需要一个特定的监控站节点②由于绕环一周时间内每个站点只能占有一个时槽环，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点有数据要发送，则许多时槽都是空时槽③40位的时槽只能携带16位的数据，开销大、效率较低。

　　9、局域网的参考模型。

　　局域网是一个通信网，只涉及到相当于OSI/RM通信子网的功能。由于内部大多采用共享信道的技术，所以局域网通常不单独设立网络层。

　　OSI/RM的数据链路层的功能，在局域网参考模型中被分成：媒体访问控制MAC、逻辑链路控制LLC两个子层。

　　LLC子层中规定了无确认无连接、有确认无连接和面向连接三种类型的链路服务。

　　10、IEEE802标准。

　　IEEE802在1980年二月成立了局域网标准化与委员会（简称IEEE802委员会），专门从事局域网的协议制定，形成了一系列的标准，称为IEEE802标准。

　　IEEE802.1是局域网的体系结构、网络管理和网络互连协议。

　　IEEE802.2集中了数据链路层中与媒体无关的LLC协议。主要的MAC协议有：①IEEE802.3载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD访问方法和物理层协议；IEEE802.4令牌总线访问方法和物理层协议；IEEE802.5令牌环访问方法和物理协议；④IEEE802.6关于城域网的分布式队列双总线DQDB的标准等。

　　IEEE802标准定义了LLC子层和MAC子层的帧格式。

　　LLC的链路只有异步平衡方式（ABM），而不用正常响应方式（NRM）和异步响应方式（ARM）。IEEE802.2标准定义的LLC帧格式也分为信息帧、监控帧和编号帧三类。

　　11、CSMA/CD是一种用争用的方法来决定对媒体的访问权的协议，它只适用于逻辑上属于总线拓扑结构的网络。总线争用技术可分为载波监听多路访问CSMA和具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD两大类。载波监听多路访问CSMA的技术也称作先听后说LBT（Listen Before Talk），如媒体空闲，该站点便可传输数据，否则，该站点将避让一段时间后再作尝试。

　　常用的退避算法有：非坚持算法、1-坚持算法、P-坚持算法。

　　1）非坚持算法：①如空闲，立即发送②如忙，等待一个随机重发延迟后，再重复①步骤。缺点：利用率低。

　　2）1-坚持算法：①如空闲，立即发送②如忙，继续监听，直至空闲，立即发送③如有冲突（一段时间内未收到肯定的回复），则等待随机量时间后，重复①②步骤。优点：避免了媒体利用率损失，缺点：两个及两个以上的站要发送，则冲突不可避免。

　　3）P-坚持算法：①如空闲，则以P的概率发送，而以1-P的概率延迟一个时间单位，一个时间单位通常等于最大传播时延的两倍②延迟一个时间单位后，再重复A步骤③如忙，继续监听直至媒体空闲并重复A步骤。P-坚持算法是一种既能象非坚持算法那样减少冲突，又能象1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案，问题在于如何选择P的有效值，这考虑到避免重负载下系统处于的不稳定状态。N个站，选择适当的P值使NP<1，当P值选的过小时，媒体利用率就会大大降低。

　　12、如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。

　　13、从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，即载波信号从一端传播到另一端所需要的时间，称为信号传播时延。

　　信号传播时延（μs）=两站点间的距离（m）÷信号传播速度（200m/μs）

　　在最坏的情况下，对于基带这CSMA/CD来说，检测出一个冲突的时间等于任意两站之间最大传播时延的两倍。

　　14、数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间称为数据传输时延，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。

　　数据传输时延（s）=数据帧长度（bit）÷数据传输速率（bps）

　　不考虑中继器引入的延时，数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧被另一个站点全部接收所需的总时间，等于数据传输时延与信号传播时延之和。

　　15、数据帧的传输时延至少要两倍与传输时延。

　　因为：信号传播时延（μs）= 两站点间的距离（m）÷信号传播速度（200m/μs），并且：数据传输时延 （s）=数据帧长度（bit）÷数据传输速率（bps）。所以：CSMA/CD总线网中最短帧长的计算公式为：最短数据帧长（bit）/数据传输速率（Mbps）=2*（两站点间的最大距离（m）/200m/μs）注意单位要统一。

　　16、因为宽带CSMA/CD是单向传输，所以其数据帧的传输时延至少四倍于传输时延。

　　17、CSMA/CD算法中，检测冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再用CSMA方法试图传输。它采用一种称为二进制指数退避的算法，二进制指数退避算法是按照后进先出LIFO的次序控制的。

　　18、IEEE802.3就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD媒体访问控制方法，这种方法的优点是低负荷时，要发送数据帧的站点能立即发送，重负荷时，仍然能保持系统稳定运行。由于信号的衰减，为了保证检测到冲突信号，CSMA/CD总线网限制一般无分支电缆的最大长度为500米。

　　19、IEEE802.3是一个使用CSMA/CD媒体访问控制方法的局域网标准，它对应于OSI/RM的最低两层（物理层和数据链路层）。它从逻辑上可分为两大部分：一部分由LLC子层和MAC子层组成；另一部分实现物理层的功能。

　　20、IEEE802.3MAC子层的功能说明内容有数据封装、介质访问管理。

　　21、令牌环的结构。令牌环在物理上是由一系列接口和这些接口间的点-点链路构成的闭合环，各站点通过环接口连到网上。

　　令牌环的操作过程：①网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行；②当一个站点要发送数据时，必须等待并获得一个令牌，将令牌的标志位置为“1”，随后便发送数据；③环路中的每个站点边转发数据，边检查数据帧中的目的地址，如果是本站点的地址，便读取其中所携带的数据；④数据帧绕环一周返回时，发送站将其从环路上撤销，同时根据返回的有关信息确定数据有无差错。如果有错则重发存于缓冲区的待确认帧，否则释放缓冲区中的待确认帧；⑤发送站点完成数据发送后，重新产生一个令牌传至下一个站点，以使其他站点获得发送数据帧的许可权。

　　22、环长的比特度量。环的长度往往折算成比特数来度量。以比特度量的环长反映环上能容纳的比特容量。

　　环的比特长度=信号传播时延×数据传输速率+接口延迟位数因为：信号传播时延=站点距离/信号传播速度（200m/μs），所以：环的比特长度=环长×（1/200m/μs）×数据传输速率+接口延迟位数=环长×0.005μs/m×数据传输速率+接口延迟位数=环长×5μs/Km×数据传输速率+接口延迟位数。

　　举例：令牌环媒体长度10Km，数据传输速率4Mbps，环路共有50个站点，则：环的比特长度=10Km×5μs/Km×4Mbps+50×1=10Km×0.000005s/Km×4×1000000bps+50×1=10×5×4+50×1=250（bit）

　　23、令牌丢失和数据帧无法撤销是环网上最严重的两种差错，解决方法可以指定一个站点作为主动令牌管理站。令牌丢失处理方法：超时机制，超时值比最长的帧完全遍历环路的时间长一些，当超时的时候，便认为令牌丢失。数据帧无法撤销处理方法：管理站在经过的任何一个数据帧上设其监控位为“1”，如果发现经过的帧的监控为已经被置为“1”，则认为站点未能清除自己所发出的数据帧。

　　24、令牌环的特点：①令牌环网在轻负荷时，由于存在等待令牌时间，故效率较低，但在重负荷时，对各站公平访问而且效率较高；②为确保数据的透明传输，可在数据段采用比特插入法和违法编码法；③采用发送站点从环上收回帧的策略，具有对发送站点自动应答的功能，同时具有广播特性，即多站点接收同一数据帧；④令牌环的通信量可以加以调节，方法一：允许收到令牌时传输不同量数据，方法二：设置优先权使优先权高的先得到令牌。

　　25、IEEE802.5令牌环的MAC帧有两种格式：令牌帧和数据帧。这两种帧都有起始定界符SD和结束定界符ED，他们中各有四位采用曼彻斯特编码中的违法码（高-高，低-低），实现数据的透明传输。

　　26、令牌环局域网协议包括四部分：逻辑链路控制（LLC）、媒体访问控制（MAC）、物理层（PHY）、传输媒体。IEEE802.5规定了后面三个部分的标准。

　　27、令牌环的媒体访问控制功能包括：帧发送、令牌发送、帧接收、优先操作权

　　28、FDDI以光纤作为传输体，它的逻辑拓扑结构是一个逻辑计数循环环，它的物理拓扑结构可以是环形、带树形的环或带星形的环。

　　FDDI数据传输速率达100Mbps，采用4B/5B编码，要求信道媒体的信号传输速率达到125Mbaud.FDDI网最大环路长度为200KM，最多可有1，000个物理连接。

　　FDDI的数据编码。FDDI采用了一种新的编码技术（称为4B/5B编码），这种编码技术的效率为80%.为了得到信号同步，采用二级编码的方法，即先按4B/5B编码，然后再按倒相的不归零制（NRZI）编码。

　　FDDI的组成。1982年ANSI的X3T9.5委员会提出并在以后陆续制定了由物理层（PHY）、物理层媒体依赖（PMD）、媒体访问控制（MAC）三部分组成的基本FDDI.FDDI的物理层分为两个子层：①物理媒体依赖（PMD），它在FDDI网络的节点之间提供点到点的数字基带通信；②物理层协议（PHY），它提供PMD与数据链路层之间的连接。

　　29、局域网操作系统的定义：在局域网低层所提供的数据传输能力的基础上，为高层网络用户提供共享资源管理和其它网络服务功能的局域网系统软件。

　　局域网操作系统可以分为两类：面向任务型局域网操作系统和通用型局域网操作系统。通用型局网操作系统又分为变形系统和基础型系统两类。面向任务型局域网操作系统是为某一种特殊网络应用要求而设计的，通用型局域网操作系统的提供基本的网络和功能，以支持各个领域应用的要求。变形系统是以原单机操作系统为基础，通过增加网络服务功能构成的局域网操作系统，基础级系统是以计算机裸机的硬件为基础，根据网络服务的特殊要求，直接利用计算机硬件和少量软件资源进行设计的局域网操作系统。

　　局域网操作系统经历了从对等结构向非对等结构演变的过程。

　　①对等结构局域网操作系统的优点是：结构简单，网络中任意两个节点均可直接通信，其缺点是：每台联网计算机既是服务器又是工作站，节点要承担较重的通信管理、网络资源管理和网络服务管理等工作。对等结构局域网操作系统支持的网络系统一般规模都比较小。②非对等结构局域网操作系统的设计思想是将节点计算机分为网络服务器和网络工作站两类。典型实例是：Novell Netware，（Microsoft）Windows NT Server，（Microsoft）LAN Manger，（IBM）LAN Server.局域网操作系统的基本服务功能：①文件服务。文件服务是局域网操作系统中最重要、最基本的网络服务功能；②打印服务。

　　③数据库服务。

　　④通信服务。

　　⑤信息服务。

　　⑥分布式服务。

　　30、Novell公司开发的Novell Netware网络操作系统是一个可使PC机网络取代小型机系统的多任务网络操作系统，它开创了“工作站/服务器”的结构。

　　Novell Netware 由文件服务器软件、工作站软件、网桥软件等组成。其中文件服务器软件和工作站软件是建网必不可少的软件。

　　另外还有UNIX、WINDOWS NT、WINDOWS XP