8.2 局域网技术
8.2.1 体系结构与协议
美国IEEE于1980年2月专门成立了局域网课题研究组，对局域网制定了美国国家标准，并把它提交国际标准化组织作为国际标准的草案，1984年3月得到ISO的采纳。
IEEE802模型与OSI参考模型对应关系见图8-2。IEEE主要对第一、二两层制定了规程，所以局域网的IEEE802模型是在OSI的物理层和数据链路层实现基本通信功能的。IEEE802局域网参考模型对应于OSI参考模型物理层的功能，主要是：信号的编码、译码、前导码的生成和清除、比特的发送和接收。
图 8 2 IEEE802模型与OSI参考模型对应关系
IEEE802对应于OSI的数据链路层，分为逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层。
(1) 逻辑链路控制（LLC）子层
它向高层提供一个或多个访问点SAP，用于同网络层通信的逻辑接口。LLC子层主要执行OSI 基本数据链路协议的大部分功能和网络层的部分功能，如具有帧的收发功能，在发送时，帧由发送的数据加上地址和CRC校验等构成，接收时，将帧拆开，执行地址识别、CRC校验，并具有帧顺序控制、差错控制、流量控制等功能。此外，它还执行数据报、虚电路、多路复用等部分网络层的功能。
(2) 介质访问控制(MAC)子层
本子层主要提供如CSMA/CD、令牌环等多种访问控制方式的有关协议。它还具有管理多个源、多个目的链路的功能。它向LLC子层提供单个MSAP服务访问点，由于有不同的访问控制方法，所以它与LLC子层有各种访问控制方法的接口，它与物理层则有PSAP访问点。
8.2.2 传输介质
选择传输介质首先要考虑的因素是带宽。要考虑带宽一方面要估算局域网需要的传输能力，即客户机和服务器各自的通信量大小的需求，通常服务器的传输数据量较大，但当客户机上的应用需要传输大量多媒体信息时，往往也需要较大的带宽。另一方面还需要考虑工作组内的流量和工作组之间骨干上的流量。
其次要考虑的因素是连接的成本和难易程度，具体而言就是安装、移动、变化时所需要的成本和难易程度。例如当一个局域网需要经常变化重组时，则无线局域网是支持这种动态环境的最合适的方案。
第三要考虑的因素是抗干扰的能力。局域网工作的环境不同，对传输介质抗干扰能力的需求也不同。当局域网工作在强干扰的恶劣环境时，就应该选择抗干扰能力强的传输介质，比如光纤或同轴电缆，而不能选择双绞线或无线介质。
第四要考虑的因素是安全性。不同场合的局域网对安全性有不同的要求，当使用在对安全性要求高的场合时，就不能使用无线介质，而应该考虑难以入侵的光纤等有线介质。
目前，多数局域网标准都支持多种介质类型，但使用不同介质类型，网络的特性有所不同（如所允许连接的设备数、数据传输速率、设备之间的最大距离等），因此需要考虑多种因素选择合适的传输介质以达到尽量高的性价比。
8.2.3 网络拓扑结构
局域网的拓扑结构指网络中节点和通信线路的几何排序，它对整个网络的设计、功能、经济性、可靠性都有影响，对局域网一般有五种结构：星形、总线形、环形、树形、网状等，如图8-3所示。
图 8 3 局域网拓扑结构
总线型、星型和环型一般用在基带LAN中，而树型结构通常用于宽带LAN。现在的局域网，最常用的物理拓扑结构是星型，最常用的逻辑拓扑结构是总线型（逻辑拓扑是指站点之间是如何交换信号的）。
(1) 总线型拓扑
总线型拓扑的所有节点都通过相应硬件接口连接到一条无源公共总线上，任何一个节点发出的信息都可沿着总线传输，并被总线上其它任何一个节点接收，它的传输方向是从发送点向两端扩散传送，是一种广播式结构，如图8-4 所示。每个节点的网卡上有一个收发器，当发送节点发送的目的地址与某一节点的接口地址相符，该节点即接收该信息。
图8-4 总线型局域网
每一个站点都可以按照访问控制原则在总线上侦听和发送信号。但在某一时刻，只能有一台计算机在总线上发送信号。信号从接入点开始在总线上向两个方向传播。网络上的其他站点都能收到发送站点发出的信号。因为数据是发送到整个网络的，它可以从总线的一端传送到另一端。如果传送信号不被中止而是允许继续传播的话，它将在总线上来来回回地反复传送，从而将阻碍其他计算机发送信号。因此，在信号到达目的地后就必须被中止。总线的两端装有端接器（即端接电阻），用来吸收无用信号，从而使得其他计算机能够发送信号。
总线结构的优点是安装简单、易于扩充、可靠性高，一个节点损坏，不会影响整个网络工作，但由于共用一条总线，所以要解决两个节点同时向一个节点发送信息的碰撞问题，这对实时性要求较高的场合不太适用。另外，电缆的故障更是会影响到很多用户，并且在流量很大时网络速率将会下降。
(2 )树型拓扑
树型拓扑中，树的根是头端，或者称作频率转换设备。与树根相连的是干线电缆，各种分枝电缆连接到干线电缆上，而用户设备电缆则连接在分枝电缆上，如图8-5所示。
图8-5 树型局域网
尽管大部分的宽带网络使用单根电缆，但有些则使用双电缆系统，其中一根电缆负责发送信息，而另一根负责接收信息。所有的数据传送都必须经过头端，这是因为每个设备发送和接收信号所使用的频率不一样。头端负责将设备的发送频率转换成接收设备的接收频率，这种频率转换称为“再调制”。
树形结构是总线形的延伸，它是一个分层分支的结构。一个分支或节点故障不影响其他分支和节点的正常工作。像总线结构一样，它也是一种广播式网络。任何一个节点发送的信息，其它节点都能接收。但树型结构的缺点是线路利用率不如总线形结构高。
(3) 环型拓扑
环型拓扑结构中，各节点以点到点的方式连接，形成一个封闭的环结构，如图8-6所示。信号在每个站点接收、再生，并传送到环上的下一个节点，并且数据在环上的传送是朝着一个方向进行的。
环型拓扑结构的一个优点是能够将信号传送到较远的距离，这是因为每个站点都可以再生信号。这种结构还易于实现分布式控制而且所有的计算机都拥有平等的访问权。环形结构的另一个优点是实时性好、信息吞吐量大、网的周长可达200km，节点可达几百个。但因环路是封闭的，所以扩充不便。
环型拓扑的缺点是对站点的故障比较敏感（即一个站点的故障可能会破坏整个环）。此外，环型网络不易隔离故障，而且网络的局部变动将影响整个网络的操作。为了提高可靠性，可在环形网中采用双环或多环等冗余措施。目前的环形结构中还采用了一种多路访问部件MAU，当某个节点发生故障时，可以自动旁路，隔离故障点，这也使可靠性得到了提高。
图8-6 环形局域网
(4) 星型结构
星型结构以中央节点为中心，一个节点向另一个节点发送数据，必须向中央节点发出请求，一旦建立连接，这两个节点之间就是一条专用连接线路，信息传输通过中央节点的存储－转接来完成，星型结构提供集中化的资源分配和管理，如图8-7所示。
图8-7 星形局域网
星型结构的优点是易于故障隔离、易于旁路和修复故障点，而且性价比较高。此外，和其他拓扑结构相比，星型拓扑的网络在变更或增加新的计算机方面较为容易。它的缺点是需要大量的电缆来连接所有的站点，而且当集线器发生故障时，整个网络将面临崩溃。
8.2.4 介质访问控制技术
由于局域网是由一组共享网络传输带宽的设备组成，因此就需要某种手段来控制对传输介质的访问，以保证有序、有效且公平合理地使用网络传输带宽。介质访问控制技术就是控制网络中各个节点之间信息的合理传输，对信道进行合理分配的方法。
介质访问控制技术根据控制分为：集中式控制和分布式控制。在集中模式中，要指定一个有权决定接入网络的控制器，一个站必需一直等到收到控制器发来的许可。在分布模式中，由各站共同完成媒体接入控制功能，动态决定站发送的顺序。
介质访问控制技术还可以根据控制方法不同分为：静态信道化方式和动态介质访问方式。其中，静态信道化方式是将介质划分为彼此独立的信道后由特定的用户专用这些信道。信道化技术适用于站点产生稳定的信息流，从而能够有效利用专用信道的场合。动态介质方式能较好地适应用户业务量突发的情况，适合局域网使用。动态介质访问技术有三种基本方式：循环、预约和争用。图8-8是各种介质访问控制方式。
图8-8 介质访问控制方式
1．循环
在循环方式中，每个站轮流有发送机会。在轮到某个站发送时，它最少可以不发送，最多可以发送事先规定的最大上限。一旦该站完成当前一轮的发送，它将取消自己的发送资格，而把发送权传送到逻辑序列上的下一个站。发送次序的控制既可以是集中式的（如轮询法），也可以是分布式的（如令牌法）。
当很多站都有需要延续一段时间发送的数据或需要发送数据的站是可以预测的时候，循环发送技术很有效。但当仅有少数站需要发送数据或发送数据的站是不可以预测的时候，循环接入方式就会造成大量不必要的开销。在这种情况下，就需要应用其他技术。根据数据量特征是以流通信为基础还是以突发通信为基础的不同而使用不同的技术。其中，流通信的持续时间长，通信量大，如话音通信、大批文件传输；突发通信则是以短的、零星的传输方式为特征。
2．预约
预约技术适用于流通信，类似同步时分复用方法把占用媒体的时间细分为时隙。需要发送数据的站首先要预约未来的时隙，申请后续传输的时间片。预约控制既可以是集中式的，也可以是分布式的。
3．争用
争用技术通常适于突发通信。在争用方式下，不事先确定站占用媒体的机会，而是让所有站以同样的方式竞争占用媒体。其主要优点是实现简单，网络负荷小的情况下比较适用。表8-1列出了一些在局域网和城域网标准中定义的介质访问控制技术。
8.2.5 网络互联
根据OSI的分层模式，计算机局部网之间的互连分为4个层次，即物理层、数据链路层、网络层和传输层。实现这些不同层次上互连的硬件分别有中继器、网桥、路由器和网关。
8.2.5.1 中继器
中继器工作在OSI的最低层－物理层，如图8-9所示。中继器的作用是放大通过网络传输的数据信号，用于扩展局部网的作用范围。由于中继器工作在物理层，所以它对于高层协议是完全透明的，即无论高层采用什么协议都与中继器无关。
图 8-9中继器在OSI中的层次结构
采用中继器所连接的网络，在逻辑功能方面是同一个网络。在图8-10所示的同轴电缆以太网中，两段电缆其实相当于一段。中继器仅仅起了扩展距离的作用，但它不能提供隔离功能。中继器的主要优点是安装简单，使用方便，几乎不需要维护。集线器也可以看成是一种中继器。
图8-10 用中继器扩展局域网
8.2.5.2 集线器
集线器将接到工作站的线缆集中起来，它是大多数网络中不可缺少的组件。集线器主要有3种类型。
（1）有源集线器：也叫共享媒体集线器，可以再生和转发信号，就像中继器一样，如图8-11所示。因为集线器一般有多个连接计算机的端口，因此有时也把集线器称作“多端口中继器”。这种集线器需要电源。
（2）无源集线器：无源集线器只是作为一个连接点，它不会再生信号，信号仅仅经过集线器。这种集线器不需要电源。配线板和分线盒都属于集线器。
（3）智能集线器：也叫交换集线器，通常提供综合管理网络互联功能以及基于SNMP的网络管理功能，还提供桥接、选路和交换的功能，如图8-12所示。智能集线器能提供一组工作站之间的连接。这些智能集线器又可以通过一个骨干网连接起来，以便实现不同的工作组之间的通信。智能集线器还与骨干路由器相连，通过骨干路由器实现广域的连接。
可以将集线器级联起来，从而扩展集线器网络的规模。集线器的优点是容易改变或扩展布线系统，它们使用不同的端口来适应不同类型的线缆，并且对网络的运行和流量进行集中监控。集线器有时也称为集中器，使用了它就不需要在每个节点或计算机的网络接口卡(NIC)上配置收发器了。
图8-11共享媒体集线器
图8-12 智能集线器
8.2.5.3 网桥
网桥是数据链路层的网络互联设备，如图8-13所示。当一个信息包通过网桥时，网桥检查它的源地址和目的地址。如果这两个地址分别属于不同的网络，则网桥把该信息包转发到另一个网络上，反之则不转发，所以网桥具有过滤和转发功能，因此能起到网络的隔离作用，这样提高了网络的整体效率。
网桥对高层协议也是透明的。网桥还有一个重要特点；它能连接各种不同传输介质的网络。
图8-13 网桥在OSI中的层次结构
网桥的最简单形式是互连两个局部网的两端口网桥，如图8-14(a)所示。由于网桥具有隔离作用，所以网络的运行效率高。当两个网络上的节点访问各自的服务器时，它们同时工作，互不干扰。还有多端口网桥，将多个局部网互连，称为多路网桥。网桥还可以分近程网桥和远程网桥。近程网桥直接把网络的传输介质连入网桥。远程网桥则通过长途线路连接网络。两个局部网通过远程网桥互连时，每个网络上都要安装一个网桥，如图8-14(b)所示。
图8-14 用网桥扩展网络
在网络互联设备中，网桥比路由器出现得早。网桥用于连接网段(例如，通过连接5～10个单独的工作组可以形成一个逻辑的VLAN)。网桥也可以用来增加网络上计算机的数量，或者延伸某个网段的距离，使其超出规范规定的范围。同样，网桥也可用于网络分段，从而降低业务瓶颈或控制网络业务流。网桥连接的网络可以是相同类型的，也可以是不同类型的。网桥有以下几个重要功能：
(1) 地址学习：当网桥首次接入网络时，它发出通知：“喂，我是你的新网桥。你们的地址是什么?”所有其他设备对它做出响应：“喂，欢迎你!”，并附带送出自己的地址。网桥根据获知的地址建立一个本地地址表，称作介质访问控制子层地址。这个MAC子层(对应于OSI参考模型的第二层)控制对共享传输介质的访问。它负责生成数据帧，并将比特置于有特定意义的字段中
(2) 执行分组路由功能：网桥过滤分组、丢弃分组或者转发分组。
(3) 使用扩展树算法：网桥使用生成树算法来选择最有效的网络路径，同时屏蔽所有其他可能的路径。
网桥不提供路由能力，即它不能寻址某个目的网络。它所能做的只是判断目的地址是否和它在同一个网段上，如果目标地址是其他网段的，网桥将向它所知道的每一个其他网段发送消息。网桥可以用于本地和远端，但现在它们主要还是用于本地环境。它主要用来隔离本地的业务，由于不具备智能化的路由功能，因此网桥比传统的路由器处理速度快，价格也便宜。
8.2.5.4 路由器
路由器是网络层的网络互联设备，如8-15所示。路由器中存放着一个路由表，根据它决定用户数据的流向。路由器可以用于连接多个网络和多种传输介质，适用于复杂和大型的网络互连。由于路由器工作在网络层，所以网络层以下的低层协议不能使用。
图8-15 路由器在OSI-RM中的层次结构
路由器具有以下特点：
(1) 在多个网络和不同传输介质之间提供网络互连，例如，一台路由器可以互连若干个以太网和一个X.25网。
(2) 不需要相互通信的网络之间保持永久连接，路由器能够根据需要建立新的连接，提供动态带宽，拆除闲置的连接。
(3) 能够提供可靠传输、优先服务，还能按路由配置提供最便宜和最快速的服务。
(4) 使用路由器可使互连的网络保持自己的管理控制范围，保证网的安全。
由于路由器具有上述特点，除了用于局部网之间的互连外，也用于实现局部网和广域网的互连。如8-16所示。
图8-16 用路由器连接网络
路由器可以用于网络分段和连接，也就是说，你可以用路由器将大的网络分割成小的子网，也可以用路由器将小的网络连接成一个大的虚拟网络。而且因为它是个三层设备，它知道如何读取网络地址，以及如何选择目的地或目标网络，所以能够阻止广播风暴．路由器的这个功能使它可以充当在LAN网段之间的防火墙。路由器还可以用来过滤和隔离业务流。此外，它还能知道使用的网络协议和传输协议，因此可以做出转发决定。
路由器可以在网络变化时，做出变更路由的决定。因此，它可以为单个分组从多个通信路径选择适宜的路由。网桥选择一条路径时，抑制其他可能的路径，而路由器是在许多路径中进行动态选择。路由器根据用户的要求选路，包括成本、速度和优先等级等。
路由器是基于具体协议的，它可以支持多种协议，比如TCP/IP或Novell的IPX/SPX。问题的关键在于，路由器所支持的每个网络互联协议都需要有自己单独的路由。因此，路由器支持的协议越多就越复杂，这就需要更大的内存，当然价格也越高。
路由器的功能如下：
(1) 学习：路由器可以获知与它相连的网络设备的地址，并据此建立地址表。
(2) 过滤：路由器根据地址信息来过滤分组。
(3) 选路和交换：路由器根据网络地址、距离、成本以及可达性来为分组选择最佳路 径。
(4) 适应网络状况：路由器可以根据网络流量，通过改变它所选择的最佳路径，来适应网络状况的变化。
路由器是如何工作的呢?下面来回答这个问题。路由器有输入端口和输出端口，前者用来接收分组，后者用来向分组的目的地发送分组。当分组到达输入端口时，路由器检查分组报头，获取目的地址，并根据目的地址查找“路由表”。根据路由表中的信息，分组被送到某个特定的输出端口，然后输出端口将分组发送到下一个路由器，这个路由器离分组的目的地址更近了一步。分组是逐节点传送的（即路由器到路由器），这是因为，路由器在每一个节点把目的MAC地址变为下一个节点的MAC地址。当然，目的网络地址保持不变，而目的MAC地址则在每个节点处发生改变，只有这样分组才能从一个节点传到下一个节点。
如果分组到达输入端口的速度超过路由器的处理速度，分组就被送到一个“输入队列” 中。路由器随后根据接收分组的先后顺序处理队列中的分组。如果接收到的分组数目超过了队列的长度，分组可能被丢弃。这时，可以通过收发端计算机上的差错控制机制来重发分组。
有两种类型的路由表，它们分别是：
(1) 静态路由表：静态路由表相对简单。在静态路由表中，指定了数据通往其他网络的专门路径，并且只能使用这些路径。静态路由表中也可以添加新的路径，但必须手工加入。静态选路不能随着网络流量的变化调节路由，因此，对于现在的很多应用来说，它并不是最佳选择。静态路由器只知道自己的路由表，而不与任何相邻路由器交流路径信息。
(2) 动态路由表：动态选路比静态选路有用得多。它允许分组经过多个路径到达最终的目的地。路由器可以根据路径上流量的大小来改变选路的方式。此外，路由表也是动态的，它随着网络状况的变化而变化。动态路由器会和其他路由器交流选路信息，从而及时更新它们的路由表，以适应网络的变化。
8.2.5.5网关
网关用于两个完全不同的网络互连。网关工作在OSI的高三层，即会话层、表示层和应用层，如图8-17所示。网关的重要特点是具有协议转换功能，也就是把一种网络协议转换到另一种协议，并且还保留原有的功能。所以网关也称为协议转换器。网关主要用于通用的网络系统，如电子邮件等。
图8-17 网关在OSI-RM中的层次结构
由于网关提供一种协议到另一种协议的转换功能，因此它的效率比较低，透明性不好，而且更具有针对性。网关的管理比网桥和路由器更加复杂。
