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1 目 录 模块 1 局域网组网技术 第 1 章局域网技术知识 计算机网络概述 计算机网络的定义 计算机网络的分类 计算机网络的功能和应用 计算机网络的组成 计算机网络的拓扑结构 计算机网络协议 计算机网络体系结构 计算机网络体系结构概述 ISO/OSI 网络参考模型 TCP/IP 模型 OSI 模型和 TCP/IP 模型的区别与联系 网络物理层技术 数据通信基础 传输介质 多路复用技术 常见的物理层标准 常见物理层设备与组件 网络数据链路层技术 数据链路层概述 数据帧 差错控制技术 流量控制技术 数据链路层的服务 数据链路层的设备与组件 局域网组网技术 局域网概述 局域网的技术标准及 体系结构 介质访问控制方式 局域网组网设备 以太网技术 令牌环网与 FDDI 技术 无线局域网技术 虚拟局域网技术 47 思考与练习 50 第 2 章局域网组网实训 双绞线制作实训 二层交换机配置实训 交换机的基本配置实训 VLAN 的初级配置实训 局域网设备 组件的安装 与测试实训 局域网资源共享实训 对等网模式资源共享实训 主从网模式资源共享实训 72 思考与练习 74 科学出版社职教技术中心 模块 2 广域网组网技术 第 3 章广域网技术知识 网络层技术 网络层技术概述 TCP/IP 的网络层技术 路由与路由协议 网络层的设备与组件 92

2 iv 计算机网络技术与实训 3.2 网络传输层技术 传输层技术概述 传输层的功能与作用 TCP 技术 UDP 技术 广域网技术 广域网技术概述 PPP 与 PPPoE 技术 ISDN 技术 xdsl 技术 ATM 技术 帧中继技术 SDH 技术 移动互联网技术 120 思考与练习 123 第 4 章广域网组网实训 三层交换机配置实训 路由器配置实训 路由器的基本配置实训 静态路由的配置与管理实训 动态路由的配置与管理实训 广域网接入技术实训 PPP 的基本配置与管理实训 ADSL 的配置与管理实训 142 思考与练习 144 模块 3 Internet 应用技术 第 5 章 Internet 技术知识 网络高层技术 会话层技术 表示层技术 应用层技术 网页制作技术 HTML 技术 网页设计与制作技术 主页发布技术 Internet 技术 Internet 概述 DNS 技术 Web 技术 技术 FTP 技术 Internet 接入技术 Intranet 技术 179 思考与练习 181 第 6 章 Internet 应用实训 Internet 服务器配置实训 DNS 配置实训 DHCP 配置实训 万维网服务器配置实训 FTP 的配置实训 网页制作实训 219 思考与练习 225 模块 4 网络管理与维护技术 第 7 章网络管理与维护技术知识 网络管理技术 网络管理技术概述 网络管理的功能 网络管理协议 网络管理系统 网络维护技术 网络维护的方法 244

3 目 录 v 网络维护的工具 网络安全维护 253 思考与练习 257 第 8 章网络管理与维护实训 网络操作系统安全管理策略 配置实训 网络测试命令应用实训 263 思考与练习 268 主要参考文献 269 科学出版社职教技术中心

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5 局 域网是最基本的计算机网络, 本模块 将进行局域网技术知识的学习和局 域网组网技术的实训操作 第 1 章主要介绍 计算机网络的基本概念 网络的体系结构 局域网所涉及的网络物理层和数据链路层的 相关知识 局域网组网技术基础知识 ; 第 2 章 主要进行局域网组网技术中常用的网络线 缆制作 主从网络配置 用户管理及网络资 源共享的设置等实训 通过对本模块的学习 和训练, 读者可以掌握局域网的相关知识和 组网技术, 胜任局域网的组网 管理与维护 等工作 科学出版社职教技术中心

6 第 1 章 学习指导 学习目标 要点内容 学前要求 掌握计算机网络的基本概念 掌握 OSI 七层模型和 TCP/IP 网络模型的划分及作用 掌握网络物理层及数据链路层组网规范 理解计算机网络协议的定义及应用 理解数据通信的相关知识 网络体系结构的概念 开放系统参考模型及其意义 数据帧 介质访问控制方式 无线局域网与虚拟局域网技术 具有操作应用计算机的能力 掌握学习计算机网络所需要的英语 数学和物理等基础知识 对计算机网络有基本的感性认识 1.1 计算机网络概述 计算机网络在 20 世纪 60 年代诞生, 随着计算机技术与通信技术的发展与融合, 经过从无到有 从小到大 从低速到高速 从专用到普及的发展历程, 今天的计算机网络已经成为信息社会的主要载体, 对现代人类的生产 经济 生活等各个方面都产生了巨大的影响 计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备, 通过通

7 第 1 章局域网技术知识 3 信线路及通信设备连接起来, 在网络操作系统 网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下, 实现信息传递和资源共享的计算机通信系统 组建计算机网络的根本目的是为了实现资源共享 这里的资源既包括计算机网络中的硬件资源, 如磁盘空间 打印机 绘图仪等, 也包括软件资源, 如程序 数据等 计算机网络从技术层面分析研究是较为复杂的, 并且其应用的领域和种类很多 按地理覆盖范围, 将网络划分为广域网 (wide area network,wan) 城域网(metropolitan area network,man) 和局域网 (local area network,lan) 按地理覆盖范围对网络类型进行划分是我们目前最为常见的一种计算机网络分类方法 之所以如此, 是因为地理覆盖范围的不同直接影响网络技术的实现与选择 也就是说, 局域网 城域网和广域网由于地理覆盖范围不同而具有明显不同的网络特性, 并在技术实现和选择上存在明显差异 1. 局域网局域网的覆盖范围大约是几千米以内, 如一幢大楼内或一个校园内 局域网通常为使用单位所有 学校的实验室或中 小型公司的网络通常都属于局域网 2. 城域网 城域网的覆盖范围大约是几千米到几十千米, 它主要是满足城市 郊区的连网需求 例如, 将某个城市中所有中小学互连起来所构成的网络就可以称为教育城域网 3. 广域网 广域网的覆盖范围一般是几十千米到几千千米, 它能够在很大的范围内实现资源共享 和信息传递 大家所熟悉的 Internet 就是广域网中最典型的例子 1. 计算机网络的功能 计算机网络可归纳为资源共享 数据传送 负载均衡 信息处理等 4 项功能 资源共 享是网络的基本功能之一, 计算机网络的资源主要包括硬件资源和软件资源 数据传送是 网络用户之间 各处理器之间及用户与处理器间的数据通信 负载均衡是指当网络的某个 节点系统的负荷过重时, 新的作业可以通过网络传送到网中其他较为空闲的计算机系统去 处理 信息处理以网络为基础, 可以将不同计算机终端得到的各种数据收集起来, 并进行 整理和分析等综合处理 科学出版社职教技术中心 2. 计算机网络的应用 随着计算机网络的发展与普及, 网络上的应用也越来越多样化 典型的网络应用包括 信息检索 电子邮件 办公自动化 企业信息化 电子商务与电子政务 远程医疗与教育

8 4 计算机网络技术与实训 娱乐和消遣等 从资源构成的角度讲, 计算机网络是由硬件和软件组成的 这里的硬件包括各种主机 终端等用户端设备, 以及交换机 路由器等通信控制处理设备, 而软件则由各种系统程序和应用程序及大量的数据资源组成 但是, 从计算机网络的设计与实现角度看, 我们更多的是从功能角度去看待计算机网络的组成, 并从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网, 如图 1.1 所示 资源子网 CCP 终端设备 CCP 通信子网 CCP CCP CCP 图 1.1 资源子网与通信子网资源子网负责全网的数据处理业务, 并向网络用户提供各种网络资源和网络服务 资源子网主要由主机 终端及相应的 I/O 设备 各种软件资源和数据资源构成 主机 (host) 可以是大型机 中型机 小型机 工作站或微型机, 它通过高速通信线路与通信控制处理机相连 主机系统拥有各种终端用户要访问的资源, 它负担着数据处理的任务 终端 (terminal) 是用户进行网络操作时所使用的末端设备, 它是用户访问网络的界面 终端设备的种类很多, 如电传打字机 CRT 监视器加键盘, 还有网络打印机 传真机等 终端设备可以直接或者通过通信控制处理机和主机相连 通信子网的作用则是为资源子网提供传输 交换数据信息的能力 通信子网主要由通信控制处理机 (CCP) 通信链路及其他设备如调制解调器等组成 通信控制处理机是一种处理通信控制功能的专用计算机, 按照它的功能和用途, 可以分为存储转发处理机 网络协议变换器 报文分组组装 / 拆卸设备等 1. 计算机网络拓扑结构的概念在计算机网络中, 我们把计算机 终端 通信处理机等设备抽象成点, 把连接这些设备的通信线路抽象成线, 并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构 网络拓扑结构反映出网络的结构关系, 它对于网络的性能 可靠性及建设管理成本等都有着重要的影响, 因此网络拓扑结构的设计在整个网络设计中占有十分重要的地位, 在网络构建时, 网

9 第 1 章局域网技术知识 5 络拓扑结构往往是首先要考虑的因素之一 2. 常见的网络拓扑结构 在计算机网络中常见的拓扑结构有总线型 星状 环状 树状和网状, 如图 1.2 所示 (a) 总线型 (b) 星状 (c) 环状 (d) 树状 (e) 网状 图 1.2 常见计算机网络拓扑结构 (1) 总线型拓扑 如图 1.2(a) 所示, 总线型拓扑中采用单根传输线路作为传输介质, 所有站点通过专 门的连接器连到这个公共信道上, 这个公共信道称为总线 任何一个站点发送的数据都能 通过总线传播, 同时能被总线上的所有其他站点接收到 可见, 总线型结构的计算机网络 是一种广播式网络 总线型拓扑结构形式简单, 节点易于扩充, 是基本的局域网拓扑形式 之一 (2) 星状拓扑 如图 1.2(b) 所示, 星状拓扑结构中有一个中心节点, 其他各节点通过各自的线路与 中心节点相连, 形成辐射状结构 各节点间的通信必须通过中心节点转发 星状拓扑的网 络具有结构简单 易于建网和易于管理等特点 但这种结构要耗费大量的电缆, 同时中心 节点的故障会直接造成整个网络的瘫痪 星状拓扑也经常应用于局域网中 (3) 环状拓扑 如图 1.2(c) 所示, 在环状拓扑中, 各节点和通信线路连接形成的是一个闭合的环 在环路中, 数据按照一个方向传输 发送端发出的数据, 沿环绕行一周后, 回到发送端, 由发送端将其从环上删除 我们可以看到任何一个节点发出的数据都可以被环上的其他节 点接收到 环状拓扑具有结构简单 容易实现 传输时延确定及路径选择简单等优点, 但 是, 网络中的每一个节点或连接节点的通信线路都有可能成为网络可靠性的瓶颈 当网络 中的任何一个节点出现故障都可能会造成全网络的瘫痪 另外, 在这种拓扑结构中, 节点 的加入和拆除过程比较复杂 环状拓扑也是局域网中常用的一种拓扑形式 为提高环状网 络的可靠性, 可采用双环拓扑结构 科学出版社职教技术中心

10 6 计算机网络技术与实训 (4) 树状拓扑如图 1.2(d) 所示, 树状拓扑结构中有一个根节点为全网的控制节点, 以根节点为起点派生出若干子节点, 子节点再派生出若干孙节点, 以此类推扩展网络规模 树状拓扑结构可以看成星状拓扑的一种扩展, 也称扩展星状拓扑 树状拓扑网络层次分明 管理方便, 特别适合具有分级管理需求的局域网建网采用, 缺点是根节点负载重, 越到底层的子节点通信效率越低 (5) 网状拓扑如图 1.2(e) 所示, 在网状拓扑结构中, 节点之间的连接是任意的, 每个节点都有多条线路与其他节点相连, 这样使得节点之间存在多条路径可选, 在传输数据时可以灵活的选用空闲路径或者避开故障线路 可见网状拓扑可以充分 合理地使用网络资源, 并且具有可靠性高的优点 在广域网中, 为了提高网络的可靠性, 通常采用网状拓扑结构 1. 网络协议的概念网络协议就是网络中传递 管理信息的一些规范, 协议代表着标准化, 这是一组规则的集合 如同人与人之间相互交流时需要遵循一定的规矩一样, 在网络系统中, 为了保证数据通信能正确而自动地进行, 制定了一整套的规则 标准或约定, 这就是网络系统的通信协议, 简称为网络协议 网络协议是一套语义和语法规则, 用来规定有关功能部件在通信过程中的操作 2. 网络协议的组成网络协议主要由语义 语法和规则 3 个要素组成 网络协议的语义是指需要发出何种控制信息 完成何种操作及作出何种应答 网络协议的语法是指数据和控制信息的结构和格式 网络协议的规则规定了事件的执行顺序 网络协议实质上是网络实体间通信时所使用的一种语言 1.2 计算机网络体系结构 计算机网络由多个互连的节点组成, 节点之间要不断地交换数据和控制信息, 要做到有条不紊地交换数据, 每个节点就必须遵守一整套合理而严谨的结构化管理体系, 计算机网络就是按照高度结构化设计方法, 采用功能分层原理来实现的, 即计算机网络体系结构的内容 1. 网络体系结构的定义计算机网络系统是一个十分复杂的系统 将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统, 然后 分而治之, 这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段 分层是系统分解比较好的方法之一 层次结构的好处在于各层相对独立 功能简单 层内的变化互不影响, 即适应性强, 易于实现和维护, 分层结构还有利于交流 理解和标准化

11 第 1 章局域网技术知识 7 所谓网络体系就是为了完成计算机间的通信合作, 把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次, 规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务, 将这些同层进程通信的协议及相邻层接口统称为网络体系结构 2. 计算机网络层次结构层次结构一般以垂直分层模型来表示, 如图 1.3 所示 虚通信 n+1/n 层接口处 n 层提供服务 n/n-1 层接口处 n-1 层提供服务. n+1 层 n 层 n-1 层 (n+1 层协议 ) (n 层协议 ) (n-1 层协议 ). n+1 层 n 层 n-1 层. 虚通信. 物理媒体 实通信 图 1.3 计算机网络的层次模型 (1) 层次结构的要点 1) 除了在物理媒体上进行的是实通信之外, 其余各对等实体间进行的都是虚通信 2) 对等层的虚通信必须遵循该层的协议 3)n 层的虚通信是通过 n 与 n-1 层间接口处调用 n-1 层提供的服务及 n-1 层的通信 ( 通常也是虚通信 ) 来实现的 (2) 层次结构划分的原则 1) 每层的功能应是明确的, 并且是相互独立的 当更新某一层的具体实现方法时, 只 要保持上 下层的接口不变, 便不会对邻近层产生影响 2) 层间接口必须清晰, 跨越接口的信息量应尽可能少 3) 层数应适中 若层数太少, 则造成每一层的协议太复杂 ; 若层数太多, 则体系结构 过于复杂, 使描述和实现各层功能变得困难 (3) 网络体系结构的特点 1) 以功能作为划分层次的基础 2) 第 n 层的实体在实现自身定义的功能时, 只能使用第 n -1 层提供的服务 3) 第 n 层在向第 n +1 层提供的服务时, 此服务不仅包含第 n 层本身的功能, 还包含 由下层服务提供的功能 4) 仅在相邻层间有接口, 且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽 科学出版社职教技术中心 1. 开放系统理念 在人们的日常工作中, 不同年代 不同厂家 不同类型的计算机系统千差万别, 将这

12 8 计算机网络技术与实训 些系统互连起来就需要它们之间彼此开放 所谓开放系统, 就是遵守互连标准协议的实系统 实系统是一台或多台计算机 有关软件 终端 操作员 物理过程和信息处理手段等的集合 对实系统的研究, 就会涉及具体的计算机和技术细节 采用抽取实系统中涉及互连的公共特性构成模型系统, 然后研究这些模型系统即开放系统互连的标准, 这样就避免了涉及具体机型和技术上的实现细节, 也避免了技术的进步对互连标准的影响 所谓模型化的方法, 是用功能上等价的开放系统模型代替实开放系统的方法 2. OSI 七层模型 (1)OSI 网络分层参考模型 OSI(open system interconnection, 开放系统互连 ) 基本参考模型是由国际标准化组织 (International Organization for Standards,ISO) 制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型, 又称 OSI 参考模型 开放 这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连 OSI 包括了体系结构 服务定义和协议规范三级抽象 OSI 的体系结构定义了一个七层模型, 用以描述进程间的通信, 并作为一个框架来协调各层标准的制定 ;OSI 的服务定义描述了各层所提供的服务, 以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语 ; OSI 各层的协议规范, 精确地定义了应当发送何种控制信息及使用何种过程来解释该控制信息 OSI 七层模型从下到上分别为物理层 (physical layer) 数据链路层(data link layer) 网络层 (network layer) 传输层(transport layer) 会话层(session layer) 表示层 (presentation layer) 和应用层 (application layer), 如图 1.4 所示 从图中可见, 整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理媒体连接构成 这里的端开放系统和中继开放系统, 都是国际标准 OSI 7498 中使用的术语 通俗地说, 它们相当于资源子网中的主机和通信子网中的节点机 (IMP) 只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能, 而在通信子网中的 IMP 一般只需要最低三层甚至只要最低两层的功能就可以了 端开放系统应用层 A 表示层 P 会话层 S 传输层 T 网络层 N 数据链路层 DL 物理层 PH 主机 A 层协议 P 层协议 S 层协议 T 层协议 中继开放系统 通信子网 中继开放系统 N 中继开放系统 N DL DL DL PH PH PH IMP IMP IMP 端开放系统 A 应用层 P 表示层 S 会话层 T 传输层 N 网络层 DL 数据链路层 PH 物理层主机 图 1.4 OSI 参考模型 (2) 各层功能简要介绍 1) 物理层负责将信息编码成电流脉冲或其他信号用于网上传输 它由计算机和网络

13 第 1 章局域网技术知识 9 介质之间的实际界面组成, 可定义电气信号 符号 线的状态和时钟要求 数据编码和数据传输用的连接器 最常用的 RS-232 规范 10Base-T 的曼彻斯特编码及 RJ-45 就属于物理层 所有比物理层高的层都通过事先定义好的接口与它通话 2) 数据链路层通过物理网络链路提供可靠的数据传输 不同的数据链路层定义了不同的网络和协议特征, 其中包括物理编址 网络拓扑结构 错误校验 帧序列及流控 数据链路层实际上由两个独立的部分组成, 即介质存取控制层 (media access control,mac) 和逻辑链路控制层 (logical link control,llc) MAC 描述在共享介质环境中如何进行站的调度 发生和接收数据 MAC 确保信息跨链路的可靠传输, 对数据传输进行同步, 识别错误和控制数据的流向 一般地讲,MAC 在共享介质环境中是十分重要的, 只有在共享介质环境中, 多个节点才能连接到同一传输介质上 IEEE MAC 规则定义了地址, 以标识数据链路层中的多个设备 LLC 管理单一网络链路上的设备间的通信,IEEE 标准定义了 LLC LLC 支持无连接服务和面向连接的服务 在数据链路层的信息帧中定义了许多域 这些域使得多种高层协议可以共享一个物理数据链路 3) 网络层负责在源点和终点之间建立连接 它一般包括网络寻径, 还可能包括流量控制 错误检查等 相同 MAC 标准的不同网段之间的数据传输一般只涉及数据链路层, 而不同的 MAC 标准之间的数据传输都涉及网络层, 例如,IP 路由器工作在网络层, 因而可以实现多种网络间的互连 4) 传输层向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务 传输层的功能一般包括流控 多路传输 虚电路管理 差错校验和差错恢复 流控管理设备之间的数据传输, 确保传输设备不发送比接收设备处理能力大的数据 ; 多路传输使得多个应用程序的数据可以传输到一个物理链路上 ; 虚电路由传输层建立 维护和终止 ; 差错校验包括为检测传输错误而建立的各种不同结构 ; 而差错恢复包括所采取的行动 ( 如请求数据重发 ), 以便解决发生的任何错误 传输控制协议 (TCP) 是提供可靠数据传输的 TCP/IP 协议族中的传输层协议 5) 会话层建立 管理和终止表示层与实体之间的通信会话 通信会话包括发生在不同网络应用层之间的服务请求和服务应答, 这些请求与应答通过会话层的协议实现 它还包括创建检查点, 使通信发生中断的时候可以返回以前的一个状态 6) 表示层提供多种功能用于应用层数据编码和转化, 以确保以一个系统应用层发送的信息可以被另一个系统应用层识别 表示层的编码和转化模式包括公用数据表示格式 性能转化表示格式 公用数据压缩模式和公用数据加密模式 7) 应用层是最接近终端用户的 OSI 层, 这就意味着 OSI 应用层与用户之间是通过应用软件直接相互作用的 注意, 应用层并非由计算机上运行的实际应用软件组成, 而是由向应用程序提供访问网络资源的应用程序接口 (application program interface,api) 组成, 这类应用软件程序超出了 OSI 模型的范畴 应用层的功能一般包括标识通信伙伴 定义资源的可用性和同步通信 因为可能丢失通信伙伴, 应用层必须为传输数据的应用子程序定义通信伙伴的标识和可用性 定义资源可用性时, 应用层为了请求通信而必须判定是否有足够的网络资源 在同步通信中, 所有应用程序之间的通信都需要应用层的协同操作 OSI 的应用层协议包括文件的传输 访问及管理协议 (FTAM), 以及文件虚拟终端协议 (VIP) 和公用管理系统信息 (CMIP) 等 科学出版社职教技术中心

14 10 计算机网络技术与实训 (3) 对等通信不同系统同等层之间按相应协议进行通信, 同一系统不同层之间通过接口进行通信 只有最底层物理层完成物理数据传递, 其他同等层之间的通信称为逻辑通信, 其通信过程为将通信数据交给下一层处理, 下一层对数据加上若干控制位后再交给它的下一层处理, 最终由物理层传递到对方系统物理层, 再逐层向上传递, 从而实现对等层之间的逻辑通信 层次结构模型中数据的实际传送过程如图 1.5 所示 图中发送进程发送给接收进程数据, 实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体, 通过物理媒体传输到接收方后, 再经过从下到上各层的传递, 最后到达接收进程 发送进程 数据 接收进程 H1 H7 H6 H5 H4 H3 H 数据实际传送通路 物理媒体 图 1.5 数据的实际传递过程 在发送方从上到下逐层传递的过程中, 每层都要加上适当的控制信息, 即图 1.5 中的 H7 H6 H1, 统称为报头, 到最底层成为由 0 和 1 组成的数据比特流, 然后再转换为电信号在物理媒体上传输至接收方 接收方在向上传递时过程正好相反, 要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息 因接收方的某一层不会收到底下各层的控制信息, 而高层的控制信息对于它来说又只是透明的数据, 所以它只阅读和去除本层的控制信息, 并进行相应的协议操作 发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的, 就好像这些信息通过虚通信直接给了对方一样 TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol) 模型是由美国国防部创建的, 所以有时又称 DoD(department of defense) 模型 TCP/IP 模型分为 4 层, 由下而上分别为网络接口层 网际层 传输层和应用层, 如图 1.6 所示 应该指出,TCP/IP 是 OSI 模型之前的产物, 所以两者间不存在严格的层对应关系 在 TCP/IP 模型中并不存在与 OSI 中的物理层与数据链路层相对应的部分 ; 相反, 由于 TCP/IP 的主要目标是致力于异构网络的互连, 所以在 OSI 中的物理层与数据链路层相对应的部分没有做任何限定 应用层 FTP Telnet HTTP SNMP TFTP NTP 传输层 TCP UDP 网际层 网络接口层以太网令牌环网 IP EIA/TIA-232 V HDLCPPP 图 1.6 TCP/IP 模型

15 第 1 章局域网技术知识 11 网络接口层是 TCP/IP 模型的最底层, 负责接收从网际层交来的 IP 数据报并将 IP 数据报通过底层物理网络发送出去, 或者从底层物理网络上接收物理帧, 抽出 IP 数据报, 交给网际层 网络访问层使采用不同技术和网络硬件的网络之间能够互连, 它包括属于操作系统的设备驱动器和计算机网络接口卡, 以处理具体的硬件物理接口 网际层负责独立地将分组从源主机送往目标主机, 涉及为分组提供最佳路径的选择和交换功能, 并使这一过程与它们所经过的路径和网络无关 这好比你寄信时, 并不需要知道它是如何到达目的地的, 而只关心它是否到达了 TCP/IP 模型的网际层在功能上非常类似于 OSI 参考模型中的网络层 传输层的作用与 OSI 参考模型中传输层的作用是类似的, 即在源节点和目的节点的两个对等实体间提供可靠的端到端的数据通信 为保证数据传输的可靠性, 传输层协议也提供了确认 差错控制和流量控制等机制 另外, 由于在一般的计算机中, 常常是多个应用程序同时访问网络, 所以传输层还要提供不同应用程序的标识 应用层涉及为用户提供网络应用, 并为这些应用提供网络支撑服务 由于 TCP/IP 将所有与应用相关的内容都有归为一层, 所以在应用层要处理高层协议 数据表达和对话控制等任务 ISO/OSI 模型和 TCP/IP 模型有许多相似之处 具体表现在 : 两者都采用了层次结构并存在可比的传输层和网络层 ; 两者都有应用层, 虽然所提供的服务有所不同 ; 均是一种基于协议数据单元的包交换网络, 而且分别作为概念上的模型和事实上的标准, 具有同等 的重要性 但是 ISO/OSI 模型和 TCP/IP 模型还是有许多不同之处 下面我们讨论两种模 型的不同之处 OSI 模型包括了 7 层, 而 TCP/IP 模型只有 4 层 虽然它们具有功能相当的网络层 传输层和应用层, 但其他层并不相同, 如图 1.7 所示 应用层 应用层 表示层 数据段 会话层 传输层 传输层 数据包 网络层网际层数据帧 数据链路层物理层 网络接口层 图 1.7 OSI 模型和 TCP/IP 模型的比较 TCP/IP 模型中没有专门的表示层和会话层, 它将与这两层相关的表达 编码和会话控制等功能包含到了应用层中去完成 另外,TCP/IP 模型还将 OSI 的数据链路层和物理层包括到了一个网络接口层中 OSI 模型在网络层支持无连接和面向连接的两种服务, 而在传输层仅支持面向连接的服务 TCP/IP 模型在网际层则只支持无连接的 IP 服务, 但在传输层支持面向连接的 TCP 和面向无连接的 UDP 两种服务 比特 科学出版社职教技术中心

16 12 计算机网络技术与实训 TCP/IP 由于有较少的层次, 因而显得更简单, 并且作为从 Internet 上发展起来的协议, 已经成了网络互连的事实标准 但是, 目前还没有实际网络是建立在 OSI 七层模型基础上的,OSI 仅仅作为理论的参考模型被广泛使用 1.3 网络物理层技术 物理层是 OSI 参考模型中的第一层, 它虽然处于最底层, 却是整个开放系统的基础, 它是唯一直接提供原始比特流传输的层 物理层必须解决好与比特流的物理传输有关的一系列问题, 包括传输介质 信道类型 数据与信号之间的转换 信号传输中的衰减和噪声及设备之间的物理接口等 从某种意义上讲, 计算机网络是建立在数据通信系统之上的资源共享系统 因为计算机网络的主要功能是为了实现信息资源的共享与交换, 而信息是以数据形式来表达的, 所以计算机网络必须要解决数据通信的问题 1. 信息 数据和带宽信息是指有用的知识或消息, 计算机网络通信的目的就是为了交换信息 数据则是信息的表达方式, 它可以是数字 文字 声音 图形和图像等多种不同形式 在计算机系统中, 统一以二进制代码表示数据的不同形式 而当这些二进制代码表示的数据要通过物理介质和器件进行传输时, 还需要将其转变成物理信号, 信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式 作为数据的电磁波表示形式, 信号一般以时间为自变量, 以表示数据的某个参量如振幅 频率或相位为因变量 并且按其因变量对时间的取值是否连续被分为模拟信号和数字信号 模拟信号是指信号的因变量随时间连续变化的信号, 如电视图像信号 语音信号 温度压力传感器的输出信号及许多遥感遥测信号都是模拟信号 数字信号是指信号的因变量不随时间连续变化的信号, 通常表现为离散的脉冲形式, 如计算机数据 数字电话和数字电视等都可看成是数字信号 虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别, 但二者之间并不存在不可逾越的鸿沟, 在一定条件下它们是可以相互转化的 模拟信号可以通过采样 编码等步骤变成数字信号, 而数字信号也可以通过解码 平滑等步骤转变为模拟信号 发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传送到数据接收方的过程就称为数据通信 由于信号可以是离散变化的数字信号, 也可以是连续变化的模拟信号, 所以与之相对应, 数据通信被分为模拟数据通信和数字数据通信 所谓模拟数据通信, 是指在模拟信道上以模拟信号形式来传输数据 ; 而数字数据通信则是指利用数字信道以数字信号方式来传递数据 在数据通信中, 我们通常将数据的发送方称为信源, 而将数据的接收方称为信宿 信源和信宿一般是计算机或其他一些数据终端设备 为了在信源和信宿之间实现有效的数据传输, 必须在信源和信宿之间建立一条传送信号的物理通道, 这条通道被称为物理信道, 简称信道 信道建立在传输介质之上, 但包括了传输介质和附属的通信设备 通

17 第 1 章局域网技术知识 13 常, 同一传输介质上可提供多条信道, 一条信道允许一路信号通过 按传输介质的类型, 信道分为有线信道和无线信道 ; 按信道中所传输的信号类型, 信道可分为模拟信道和数字信道 信道带宽是指信道的频率宽度, 即信道所能传输信号的频率范围 数据传输速率是指单位时间内信道上所能传输的数据量, 通常以每秒比特 b/s(bit per second) 作为数据传输速率的基本单位 由于信道带宽越大, 则数据传输速率就可以越高, 所以常常将这两个概念等同起来, 本书就不再对两者加以区分 2. 基带传输 在计算机系统中, 通常用二进制比特来表示各类数据 而脉冲信号是二进制比特的典型表达方式 在脉冲信号的整个频谱中, 从零开始有一段能量相对集中的频率范围被称为基本频带 (base band), 简称基频或基带, 基频等于脉冲信号的固有频率 与基频对应的数字信号称为基带信号 当我们在数字信道上使用数字信号传输数据时, 通常不会将与脉冲信号有关的所有直流 基频 低频和高频分量全部放在数字信道上传输, 因为那要占据很大的信道带宽 更合适的做法是将占据脉冲信号大部分能量的基带信号传送出去 这种在数字信道中利用基带信号直接传输的方式被称为基带传输 基带信号的能量在传输过程中很容易衰减, 其在没有信号再放大的情况下一般不大于 2.5km, 因此基带传输多用于短距离的数据传输, 如局域网中的数据传输 采用基带信号进行传输的数字通信系统要解决的关键问题是数据的编解码问题 即在发送端, 要解决如何将二进制数据序列通过某种编码 (encoding) 方式转化为可直接传送的基带信号 ; 而在接收端, 则要解决如何将收到的基带信号通过解码 (decoding) 恢复为与发送端相同的二进制数据序列 下面着重介绍 3 种常见的数据编码方法 ( 见图 1.8) 图 1.8 数字信号的 3 种编码方式 (a) 非归零编码 (b) 曼彻斯特编码 (c) 差分曼彻斯特编码 脉冲时钟信号 科学出版社职教技术中心 (1) 非归零编码非归零编码,(non-return zero,nrz) 分别采用两种高低不同的电平来表示二进制中的 0 和 1 例如, 用高电平表示 1, 低电平表示 0, 如图 1.8(a) 所示 NRZ 编码虽然简单, 但其抗干扰能力较差 另外, 由于接收方不能正确判断位的开始与结束, 从而收发双方不能保持同步, 需要采取另外的措施来保证发送时钟与接收时钟的

18 14 计算机网络技术与实训 同步, 如需要用另一个信道同时传送同步时钟信号 (2) 曼彻斯特编码曼彻斯特编码将每比特信号周期 T 分为前 T/2 和后 T/2, 用前 T/2 传送该比特的反 ( 原 ) 码, 用后 T/2 传送该比特的原 ( 反 ) 码 所以在这种编码方式中, 每一位电信号的中点 ( 即 T/2 处 ) 都存在一个电平跳变, 如图 1.8(b) 所示 由于任何两次电平跳变的时间间隔是 T/2 或 T, 所以提取电平跳变信号就可作为收发双方的同步信号, 而不需要另外的同步信号, 故曼彻斯特编码又被称为 自含时钟编码 另外, 曼彻斯特编码采用跳变方式表达数据较 NRZ 中以简单的幅度变化来表示数据具有更强的抗干扰能力 (3) 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的一种改进 其保留了曼彻斯特编码作为 自含时钟编码 的优点, 仍将每比特中间的跳变作为同步之用, 但是每比特的取值则根据其开始处是否出现电平的跳变来决定 通常规定有跳变者代表二进制 0, 无跳变者代表二进制 1, 如图 1.8(c) 所示 之所以采用位边界的跳变方式来决定二进制的取值是因为跳变更易于检测 3. 频带传输因为基带传输受到距离限制, 所以在远距离传输中通常采用模拟通信 利用模拟信道传输二进制数据的方式称为频带传输 频带传输的关键问题是如何将计算机中的二进制数据转化为适合模拟信道传输的模拟信号 为了将数字化的二进制数据转化为适合模拟信道传输的模拟信号, 需要选取某一频率范围的正 ( 余 ) 弦模拟信号作为载波, 然后将要传送的数字数据 寄载 在载波上, 利用数字数据对载波的某些特性 ( 如振幅 频率 相位 ) 进行控制, 使载波特性发生变化, 然后将变化了的载波送往线路进行传输 也就是说, 在发送端, 需要将二进制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模拟信号, 即所谓的调制 (modulation); 而在接收端, 则需要将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据, 即所谓的解调 (demodulation) 通常将在发送端承担调制功能的设备称为调制器(modulator), 而将在接收端承担解调功能的设备称为解调器 (demodulator) 由于数据通信是双向的, 所以实际上在数据通信的任何一方都要同时具备调制和解调功能, 我们将同时具备这两种功能的设备称为调制解调器 (modem) 由于正弦交流信号的载波可以用 Asin(2πƒt+φ) 表示, 即参数振幅 A 频率 ƒ 和相位 φ 的变化均会影响信号波形, 故振幅 频率和相位都可作为控制载波特性的参数, 又称为调制参数, 并由此产生出 3 种基本的调制形式 ( 见图 1.9) (1) 幅度调制幅度调制又叫振幅键控 (ASK), 在幅度调制中, 频率和相位为常量, 幅度随发送的数字数据而变化 当发送的数据为 1 时, 振幅调制信号的振幅保持某个电平不变, 即有载波信号发射 ; 当发送的数据为 0 时, 振幅调制信号的振幅为零, 即没有载波信号发射 如图 1.9(a) 所示, 不难看出, 振幅调制实际上相当于用一个受数字基带信号控制的开关来开启和关闭正弦载波 幅度调制方式易受突发性干扰的影响, 不是一种理想的调制方式 (2) 频率调制频率调制也叫频率键控 (FSK), 在频率调制中, 振幅和相位为常量, 频率为变量 如图 1.9(b) 所示, 数字信号 0 和 1 分别用两种不同频率的波形表示, 当传输的数据

19 第 1 章局域网技术知识 15 为 0 时, 频率调制信号的角频率为 2πƒ 1 ; 当传输的数据为 1 时, 频率调制信号的角 频率为 2πƒ 2 频率调制不仅实现简单, 而且比调幅技术有较高的抗干扰性, 所以是一种常 用的调制方法 数据位流 (a) 幅度调制 (b) 频率调制 (c) 绝对调相 (d) 相对调相 图 种调制方式的波形 (3) 相位调制 相位调制也叫相位键控 (PSK) 在相位调制中, 振幅和频率为常量, 但通过控制或改 变正弦载波信号的相位来表示二进制数据 按照使用相位的绝对值还是相位的相对偏移来 表示二进制数据将相位调制分为绝对调相和相对调相 ; 按照对一个完整周期的相位等分方 式将相位调制分为二相制 四相制 八相制等 绝对调相是指将一个完整载波周期的相位按相制要求进行划分, 然后按划分后的相位 绝对值来表示不同的二进制数据 以二相制为例, 我们将一个完整周期的相位进行二等分, 从 而得到关于相位的绝对值 0 和 180, 然后, 分别用 Ф=0 代表 0 Ф=180 代表 1, 或者反过来分别用 Ф=0 代表 1 Ф=180 代表 0 若为四相制, 则需要对一个完 整周期的相位进行四等分, 使输出相位有 4 种变化状态, 如为 和 270, 从而可以用这 4 种相位角变化分别代表二进制数据 显然, 在四相调制情 况下, 由于每个载波周期可包含 2 个比特 ( 位 ) 的信息, 从而数据传输效率比二相调制增 加一倍, 如图 1.9(c) 所示 相对相位调制则是利用前后码元信号相位的相对偏移来表示不同的二进制数据的, 相 对偏移量的大小与采用的相制有关 以两相调制为例, 相对偏移取 0 和 180 两个值, 若 所要传输的数据为二进制 1 时, 则载波相位要发生 180 的跳变 ; 若当传输的为二进制 0 时, 则载波相位不发生跳变, 即跳变为 0, 如图 1.9(d) 所示 从理论上讲, 多相相位调制中的制数是不受限制的, 但在实际实现中, 我们必须考虑对微小相位变化的检测能力 可以看出, 相位调制方法较幅度调相和频率调相在实现技术 上要复杂得多, 但其具有很强的抗干扰能力和较高的编码效率 科学出版社职教技术中心 传输介质泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体, 特指用来连接各个通信

20 16 计算机网络技术与实训 处理设备的物理介质 传输介质是构成物理信道的重要组成部分, 计算机网络中使用各种传输介质来组成物理信道 1. 传输介质的分类 传输介质包括有线传输介质和无线传输介质两大类 有线介质将信号约束在一个物理 导体之内, 如双绞线 同轴电缆和光纤等, 故又被称为有界介质 ; 而无线传输介质如无线电波 红外线 激光等由于不能将信号约束在某个空间范围之内, 故又被称为无界介质 2. 有线传输介质 (1) 双绞线双绞线 (twisted pair,tp) 是目前使用最广泛 价格最低廉的一种有线传输介质 Twisted 源于双绞线电缆的内部结构 在内部由若干对两两绞在一起的相互绝缘的铜导线组成, 导线的典型直径为 1mm( 在 0.4mm 与 1.4mm 之间 ) 之所以采用这种两两相绞的绞线技术, 是为了抵消相邻线对之间的电磁干扰和减少近端串扰 双绞线既可以传输模拟信号, 又能传输数字信号 用双绞线传输数字信号时, 其数据传输率与电缆的长度有关 距离短时, 数据传输率可以高一些 典型的数据传输率为 10Mb/s 和 100Mb/s, 也可高达 1000Mb/s, 其制成品如图 1.10(a) 所示 双绞线按照是否有屏蔽层 又可以分为非屏蔽双绞线 (unshielded twisted pair,utp) 和屏蔽双绞线 (shielded twisted pair, STP) 图 1.10(b) 和图 1.10(c) 给出了 UTP 和 STP 的示意图 STP 由于采用了良好的 屏蔽层, 所以抗干扰性较好, 但由于价格较贵, 因此在实际组网中使用不是很多 (a) 双绞线制成品 (b)utp 非屏蔽双绞线 (c)stp 屏蔽双绞线 图 1.10 双绞线 UTP 和 STP 示意 关于双绞线标准主要来自电子工业协会 (EIA) 的远程通信工业分会 (TIA), 即通常 所说的 EIA / TIA 到目前为止,EIA / TIA 已颁布了 6 类线缆的标准, 计算机网络综合布 线使用第 类 (2) 同轴电缆 同轴电缆由绕在同一轴线上的两种导体组成, 其制成品如图 1.11(a) 所示 同轴电缆 中央是一根比较硬的铜导线或多股导线, 外面由一层绝缘材料包裹, 这一层绝缘材料又被 第二层导体包住, 第二层导体可以是网状的导体 ( 有时是导电的铝箔 ), 主要用来屏蔽电磁干扰, 最外面由坚硬的绝缘塑料包住, 如图 1.11(b) 和图 1.11(c) 所示 同轴电缆通常使用的有 50Ω 和 75Ω 两种类型 50Ω 同轴电缆又称基带同轴电缆, 仅用于数字信号传输 75Ω 同轴电缆又称为宽带同轴电缆, 既可以传输模拟信号, 又可以传输数字信号 为了确保导线传输信号的良好的电气特性, 电缆必须接地, 接地是为了构成一

21 第 1 章局域网技术知识 17 个必要的电气回路 另外, 还要对电缆的端头进行处理, 通常要在端头连接终端匹配负载以起到削弱信号反射的作用 铜导体 聚乙烯 (a) 同轴电缆制成品 (b) 同轴电缆外观 (c) 同轴电缆结构 塑料外护铜网编织外护 图 1.11 同轴电缆 同轴电缆的价格随直径及导体的不同而不同, 通常介于双绞线与光纤之间, 且细缆相 对粗缆便宜一些 同轴电缆抗电磁干扰能力比双绞线强, 但其安装较双绞线复杂, 其典型的传输速率通常为 10Mb/s 当双绞线与光纤作为两大类主流的有线传输介质被广泛使用 时, 目前最新的计算机网络布线标准中已不再推荐使用同轴电缆 (3) 光纤 光纤是光导纤维缆的简称, 又称光缆 光纤不能像其他铜线介质那样传输电信号, 它 只能传输光信号, 其制成品如图 1.12(a) 所示 光纤从横截面看, 每根光纤都由内芯和反 射包层构成, 内芯由纯度非常高的玻璃纤维制成, 其折射率较高, 而反射包层则是一层薄 薄的玻璃或塑料, 其折射率较低 基于光的全反射, 光会被限制在光导纤维中传输 光纤 的外形与结构如图 1.12(b) 和图 1.12(c) 所示 外壳 强度成分涂层覆层芯线 (a) 光纤制成品 (b) 光纤的外观 (c) 光纤的结构 图 1.12 光纤示意 由于光纤通信不受电磁干扰, 可以防止内外的噪声, 所以光纤中的信号可以比其他有 线传输介质传得更远 光纤本身只能传输光信号, 为了使光纤能传输电信号, 光纤两端必 须配有光发射机和光接收机, 光发射机完成从电信号到光信号的转换, 光接收机则完成从 光信号到电信号的转换 光电转换通常采用载波调制方式, 光纤中传输的是经过了调制的 光信号 根据使用的光源和传输模式, 光纤可分为多模光纤和单模光纤两种 多模光纤采用发 光二极管 (LED) 作为光源, 定向性较差 当光纤芯线的直径比光波波长大很多时, 由于 光束进入芯线中的角度不同, 传播路径也不同, 这时光束是以多种模式在芯线内不断反射 科学出版社职教技术中心

22 18 计算机网络技术与实训 而向前传播 多模光纤的传输距离一般在 2km 以内 单模光纤采用注入式激光二极管 (ILD) 作为光源, 激光的定向性强 单模光纤的芯线直径一般为几个光波的波长, 当激光束进入芯线中的角度差别很小时, 能以单一的模式无反射地沿轴向传播 单程光纤的传输率较高, 但比多模光纤更难制造, 价格更高 通常在室内采用多模光纤, 而在室外采用单模光纤 光纤的主要优点是支持极高的频带宽度, 数据传输速率高 ( 大于 100Mb/s), 衰减极低, 传输距离远, 且抗干扰能力和保密性能强 但是光纤的线缆成本高并且连接比较复杂 光缆目前主要用于长距离的数据传输和网络的主干线, 或被用于有危险的 高压的或容易泄漏信号的恶劣环境 但随着光纤的价格不断降低, 其使用范围也越来越广 3. 无线传输介质如果不使用有线介质, 则可以在空间利用电磁波直接发送和接收信号 实际上, 地球上的大气层为大部分无线传输提供了物理通道 下面介绍常用的微波 红外线 蓝牙与激光等 4 种无线通信传输介质 (1) 微波微波是指频率为 300MHz~300GHz 的电波, 微波通信是用微波作为载波信号, 用被传输的模拟信号或数字信号来调制该载波信号, 它可用于传输模拟信号又可传输数字信号 由于微波段的频率很高, 故信道的容量很大, 另一方面由于微波能穿透电离层而不反射到地面, 因此其传播距离受到限制, 一般为 50km, 但可以通过地面微波中继站或卫星通信来延长其通信距离 卫星通信的最大特点是通信远, 通信费用与通信无关, 同时具有频带宽 容量大 信号所受到的干扰小 通信稳定的特点, 但卫星通信的延时大, 如图 1.13 所示 F1 低噪声放大器 F2 微波发射机 微波接收机 微波发射机 低噪声放大器 微波接收机 终继器 图 1.13 微波网络通信模式 (2) 红外线红外线 (infrared rays) 也是一种光线, 由于它的波长比红色光 (750nm) 还长, 超出了人眼可以识别的 ( 可见光 ) 范围, 所以我们看不见它, 又称为红外热辐射 (infrared radiation), 通常把波长为 0.75~1000μm 的光都称为红外线 利用红外线来传输信号, 在收 发端分别接有红外线的发送器和接收器, 但二者必须在可视范围内, 中间不允许有障碍物 红外线信道有一定的带宽, 当传输速率为 100kb/s 时, 通信距离可大于 16km; 传输速率为 1.5Mb/s 时, 其通信距离则降为 1.6km 红外线有很强的方向性, 很难被窃听 插入和干扰 但缺点是传输距离有限, 易受环境的干扰, 如雨 雾等

23 第 1 章局域网技术知识 19 (3) 蓝牙蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范, 它以低成本的近距离无线连接为基础, 为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接 蓝牙工作在全球通用的 2.4GHz ISM( 即工业 科学 医学 ) 频段 蓝牙的数据传输速率为 1Mb/s, 时分双工传输方案被用来实现全双工传输 (4) 激光激光通信是利用激光束来传输信号, 即将激光束调制成光脉冲以传输数据, 它与红外线一样不能传输模拟信号 激光通信必须配置一对激光收发器, 且安装在视线范围内 激光具有高度的方向性, 因而很难被窃听 插入数据和进行干扰 但缺点是传输距离有限, 易受环境的干扰, 如雨 雾等 为了提高通信线路传送信息的效率, 通常采用在一条物理线路上建立多条通信信道的多路复用 (multiplexing) 技术, 多路复用技术使得在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号, 从而可充分利用通信线路的传输容量, 提高传输介质的利用率, 如图 1.14 所示 多个输入 多路复用器 物理通信线路 多路复用器 多个输出 图 1.14 多路复用原理 图 1.14 给出了多路复用的数据传输系统的工作原理 在输入端, 多路复用器将若干个彼此无关的输入信号合并为在一条物理线路上传输的复合信号, 从而多个数据源共享同一个传输介质, 就像每个数据源都有自己的信道一样 而在输出端, 则由多路解复用器将复合信号按通道号分离出来 目前采用的多路复用技术主要有频分多路复用 (frequency division multiplexing, FDM) 时分多路复用(time division multiplexing,tdm) 和波分多路复用 (wavelength division multiplexing,wdm) 等 3 种方式 1. 频分多路复用 科学出版社职教技术中心 频分多路复用就是将线路的带宽划分成若干较小的带宽来达到多路复用的目的 实现频分多路复用的前提是任何信号只占据一个宽度有限的频段, 而信道可以被利用的带宽比一个信号的频率宽得多, 因而可以利用频率分隔的方式来实现多路复用 当有多路信号输入时, 发送端分别将各路信号调制到各自所分配的频带范围内的载波上, 传输到接收端以后, 利用接收滤波器再把各路信号区分开来并恢复成原来信号的波形 为了防止相邻两个信号频率覆盖造成干扰, 在相邻两个信号的频率段之间通常要留有一定的频率间隔

24 20 计算机网络技术与实训 频分多路复用系统又称为多路载波系统 在目前的有线或无线模拟通信网中, 使用了大量的频分多路复用载波系统, 频分模拟话路是当前主要的长距离数据传输信道, 其每个话路最高数据传输率可达 56kb/s 2. 时分多路复用当物理线路的上限数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时, 就不能采用频分多路复用方式, 但是可以考虑将该物理线路传输时间分成一个个的时间片, 按一定规则将这些时间片分配给各路信号, 每一路信号在分配给自己的时间片内独占信道进行传输 这种通过划分线路传输时间所形成的复用方式被称为时分多路复用 如果我们将频分多路复用看成是频率空间的划分, 则时分多路复用相当于是在时间坐标上的划分 时分多路复用器将线路的传输时间分为若干个等长的时间隙 (time slot), 多路信号采用轮转方式使用这些时隙, 即使在某个时隙内某个信源没有信号发送, 该时隙也不能被其他信源所使用 这种固定时隙的时分多路复用系统又被称作同步时分多路复用 显然, 当时分复用系统中的某些信源没有数据要发送或发送的数据量太少时, 则这种固定时隙的方式会造成很大的带宽浪费 为了改进上述同步时分多路复用的缺点, 我们采用一种被称为统计时分多路复用 (STDM) 的技术 它不给每个信源分配固定的时隙, 而是根据信源的需要, 动态地按需分配时隙 即有数据要发送的信源才分得时隙, 没有数据发送的信源则不分配时隙 ; 若占有时隙的信源提前发送完数据, 则其他有数据要发送的信源可提前使用自己的时隙 这种时分复用方式可以大大提高信道的带宽利用率 通常模拟信号持续时间长, 但占用的信道带宽通常较小 ; 而数字信号虽然需要占用整个信道带宽, 但其作为离散量持续时间很短, 所以基带传输多采用时分多路复用技术, 而在频带传输中则一般采用频分多路复用技术 3. 波分多路复用波分多路复用是频分多路复用在光纤信道上使用的一个变种 波分多路复用系统的核心器件是棱柱或衍射光栅 多根光纤发出的光信号到达同一个棱柱或衍射光栅, 每根光纤里的光波处于不同的波段上, 多束光信号通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上, 到达目的地后, 再由一个棱柱或衍射光栅将光重新分解为多路光信号 作为频分多路复用的一个变种, 波分多路复用与频分多路复用的唯一区别就是 : 在波分多路复用中使用的衍射光栅是无源的, 因此可靠性非常高 由于受到目前电 / 光和光 / 电转换的速度的限制, 因此对于带宽可达 GHz 的光纤来说, 目前一般可以利用的数据传输率可达 10Gb/s 如采用密集波分多路复用技术, 在一根光纤上可以发送 8 个波长的光波, 假设每个波长可以支持 10Gb/s 的数据传输率, 则一根光纤所能支持的最大数据传输率可达到 80Gb/s 以上 物理层的作用归根结底就是提供在物理传输介质上传送和接收比特流的能力, 并且向上对数据链路层屏蔽掉因为物理组件及传输介质的多样性所产生的物理传输上的差异 为此, 物理层必须解决好各种物理组件或设备之间的接口问题

25 第 1 章局域网技术知识 21 在数据通信系统中, 设备被分为两类, 即数据终端设备 (data terminal equipment,dte) 和数据线路端接设备 (data circuit-terminating equipment,dce) 例如, 连网的计算机就属于 DTE 设备, 而用于提供数字信号和模拟信号转换的调制解调器则属于 DCE 设备 DTE 设备需要通过 DCE 设备才能连入通信子网中, 所以从这个意义上讲, 物理层标准主要任务就是要规定 DCE 设备和 DTE 设备的接口, 包括接口的机械特性 电气特性 功能特性和规程特性 1. 机械特性机械特性一般指硬件连接的接口 ( 连接器 ) 的大小尺寸和几何形状, 即合适的电缆 插头或插座 通信电缆可以是圆形的, 也可以是扁平带状的 连接器各个引脚的分配, 具体地说, 就是插头 ( 或插座 ) 的线 ( 芯 ) 数及线的排列, 两设备间接线的数目 连接器一般都是插接式的 2. 电气特性电气特性主要考虑确定信号码型结构 电压电平和电压变化的规则及信号的同步等 例如, 位信号 1 和 0 电压的大小和一比特占多少微秒 电气特性决定了传送速率和传输距离 3. 功能特性 功能特性定义接口电路的功能 接口信号大体上可以分为数据信号 控制信号和时钟 信号 功能特性要对各信号分配确定的信号含义, 即定义 DTE 与 DCE 之间各电路的功能 和操作要求 4. 规程特性 规程特性是在功能特性的基础上, 说明利用接口传送比特流的过程和顺序, 它涉及 DTE 与 DCE 双方在各线路上的动作规程及执行的先后顺序, 如怎样建立和拆除物理线路 的连接, 信号的传输采用单工 半双工还是全双工方式等 单工 (simplex) 是指数据只能 单向传输的通信方式 ; 半双工 (half duplex) 是指数据能进行双向传输但一个时刻只能进 行一个方向传输的通信方式 ; 全双工 (duplex) 是指数据可以同时进行双向传输通信方式 只有符合相同特性标准的设备之间才能有效地进行物理连接的建立 维持和拆除操作 计算机网络组网的设备及线路的种类繁多, 不同厂商 不同品牌的设备要实现互连就 必须使用相同的接口标准 下面以 EIA RS-232C 接口标准为例加以介绍 EIA RS-232C 是由美国电子工业协会 (EIA) 在 1969 年颁布的一种串行物理接口, RS-232C 中的 RS 是 recommended standard 的缩写, 意为 推荐标准 ;232 是标识号码 ; 而后缀 C 是版本号, 表示该推荐标准已被修改过的次数 RS-232C 接口标准与国际电报 电话咨询委员会 (CCITT) 的 V.24 标准兼容, 是一种非常实用的异步串行通信接口 RS-232 标准提供了一个利用公用电话网络作为传输媒体, 并通过调制解调器将远程设 备连接起来的技术规定 远程电话网相连接时, 通过调制解调器将数字转换成相应的模拟 信号, 以使其能与电话网相容 ; 在通信线路的另一端, 另一个调制解调器将模拟信号逆转 科学出版社职教技术中心

26 22 计算机网络技术与实训 换成相应的数字数据, 从而实现比特流的传输 图 1.15 给出了两台远程计算机通过电话网 相连的结构图 RS-232C 标准接口只控制 DTE 与 DCE 之间的通信, 与连接在两个 DCE 之 间的电话网没有直接的关系 主机 Modem Modem 主机 电话网 DTE RS-232C DCE DCE RS-232C DTE 图 1.15 RS-232C 的远程连接 RS-232C 的机械特性建议使用 25 针的 D 型连接器 DB-25, 但也可使用其他形式的连接器, 如在微型计算机的 RS-232C 串行端口上, 大多使用 9 针连接器 DB-9 目前, 许多终端和计算机都采用 RS-232C 接口标准 但 RS-232C 只适于短距离使用, 一般规定终端设备的连接电线不超过 15m, 即两端总长 30m 以内, 距离过长, 其可靠性下降 另外, 局域网的物理层协议不使用这种 DTE-DCE 模型 物理层设备与组件为计算机网络的比特流传送不仅要提供物理介质 通信信道及通信方式的选择 数据与信号的转换等, 还要解决信号传输过程中的信号衰减 (attenuation) 与噪声 (noise) 干扰 1. 常见物理层组件常见的物理层组件除了前面所介绍的物理线缆外, 还包括连接头 连接插座 转换器等 连接头和连接插座是配对使用的组件, 其基本作用是为网络线缆连接提供良好的端接, 就好像在日常生活中所用的电插头和插座一样 当采用不同的物理线缆时, 连接头和连接插座的机械 电气 功能和规程特性都会有所区别, 所以用于 UTP 线缆的 RJ-45 头和 RJ-45 插座是不能被用于同轴电缆或光纤的, 同样单模光纤使用的连接组件也不能被用于多模光纤或其他有线传输介质中 转换器则用于在不同的接口或介质之间进行信号转换的器件, 如 DB-25 到 DB-9 的转换器 光纤到 UTP 的转换器等 图 1.16 图 1.16 物理层组件举例给出了一些物理层组件的实物示意 2. 常见物理层设备为了解决信号远距离传输所产生的衰减和变形问题, 我们需要一种能在信号传输过程中对信号进行放大和整形的设备以拓展信号的传输距离 增加网络的覆盖范围 我们将这种具备物理上拓展网络覆盖范围功能的设备称为网络互连设备 在物理层通常提供两种类型的网络互连设备, 即中继器 (repeater) 和集线器 (hub) (1) 中继器中继器具有对物理信号进行放大和再生的功能, 其将从输入接口接收的物理信号通过

27 第 1 章局域网技术知识 23 放大和整形再从输出接口输出, 如图 1.17(a) 所示 中继器具有典型的单进单出结构, 所 以当网络规模增加时, 可能会需要许许多多的单进单出结构的中继器作为信号放大之用 在这种需求背景下, 集线器应运而生 (a) 中继器 (b) 集线器 图 1.17 中继器和集线器 (2) 集线器集线器在物理上被设计成集中式的多端口中继器, 其多个端口可为多路信号提供放大 整形和转发功能 集线器常见的端口规格有 4 端口 8 端口 16 端口和 24 端口等, 图 1.17(b) 为 16 端口 10Mb/s 的以太网集线器 多端口的集线器除了中继器的功能外, 相当于提供了网络线缆连接的一个集中点, 并可增加网络连接的可靠性 1.4 网络数据链路层技术 数据链路层位于 OSI 参考模型中的第二层, 实现数据位流在物理链路上的可靠传输, 主要解决局域网中的数据通信问题 数据链路层的主要任务是在两个相邻节点间的线路上实现无差错的以 帧 为单位的 数据传输, 使之对其上的网络层表现为一条可靠的传输链路, 加强和弥补物理层传输 比 特流 的可靠性 数据链路层是为网络层提供数据传输服务的, 这种服务要依靠数据链路 层本身所具有的功能及物理层提供的服务来实现 数据链路层完成了网络上的差错控制与 流量控制等功能 为了实现差错控制 物理寻址和流量控制等一系列功能, 数据链路层必须要使自己所 看到的数据是有意义的, 其中除了要传送的用户数据外, 还要提供关于寻址 差错控制和 流量控制所必需的信息, 而不再是物理层所谓的原始比特流 为此, 数据链路层采用了被 称为帧 (frame) 的协议数据单元 (protocol data unit,pdu) 作为数据链路层的数据传送逻 辑单元 不同的数据链路层协议的核心任务就是根据所要实现的数据链路层功能来规定帧 的格式 科学出版社职教技术中心 1. 帧的基本格式 尽管不同的数据链路层协议给出的帧格式都存在一定的差异, 但它们的基本格式还是大同

28 24 计算机网络技术与实训 小异的 图 1.18 给出了帧的基本格式, 组成帧的那些具有特定意义的部分被称为域或字段 帧首部标识地址 ( 长度 / 类型 ) 控制数据帧检验序列帧尾部标识 图 1.18 帧的基本格式第一字段 : 帧首部标识字段 用来表明一帧数据或数据流的传输开始信息 第二字段 : 地址字段 用来标识该数据帧的发送节点的源物理地址和接收该数据帧的目的物理地址信息 物理地址可以是局域网网卡地址, 也可以是广域网中的数据链路标识, 地址字段用于设备或机器的物理寻址 第三字段 : 控制信息字段 提供有关帧的长度或类型等信息, 也可能是其他一些控制帧传输的信息 第四字段 : 数据字段 这一字段的信息才是数据链路层要传输的真正数据, 数据字段承载的是来自高层即网络层的数据分组 (packet) 第五字段 : 帧检验序列 (frame check sequence,fcs) 字段 帧检验序列字段提供与差错检测有关的信息 第六字段 : 帧尾部标识字段 用来表明一帧数据传输的结束标志信息 2. 数据帧的封装从帧的基本格式可以看出, 帧提供了与数据链路层功能实现相关的各种机制, 如寻址 差错控制 数据流定界等 可以说数据链路层协议将其要实现的数据链路层功能集中体现在其所规定的帧格式中 引入帧机制不仅可以实现相邻节点之间的可靠传输, 还有助于提高数据传输的效率 例如, 若发现接收到的某一个 ( 或几个 ) 比特出错时, 可以只对相应的帧进行特殊处理 ( 如请求重发等 ), 而不需要对其他未出错的帧进行这种处理 ; 如果发现某一帧被丢失, 也只要请求发送方重传所丢失的帧, 从而大大提高了数据处理和传输的效率 但是, 引入帧机制后, 发送方的数据链路层必须提供将从网络层接收的分组封装 (packet) 成帧的功能, 即为来自上层的分组加上必要的帧头和帧尾部分, 通常称此为成帧 ; 而接收方数据链路层则必须提供将帧重新拆装成分组的拆帧功能, 即去掉发送端数据链路层所加的帧头和帧尾部分, 从中分离出网络层所需的分组 在成帧过程中, 如果上层的分组大小超出下层帧的大小限制, 则上层的分组还要被划分成若干个帧才能被传输 图 1.19 所示为 OSI 参考模型中的数据封装过程, 当一台主机需要传送用户的数据时, 数据首先通过应用层的接口进入应用层 在应用层, 用户的数据被加上应用层的报头 (application header,ah), 形成应用层协议数据单元 (protocol data unit,pdu), 然后被递交到下一层 表示层 表示层并不 关心 上层 应用层的数据格式而是把整个应用层递交的数据包看成是一个整体 ( 应用层数据 ) 进行封装, 即加上表示层的报头 (presentation header,ph) 然后, 递交到下层 会话层 同样, 会话层 传输层 网络层 数据链路层也都要分别给上层递交下来的数据加上自己的报头, 会话层的报头 (session header,sh) 传输层的报头(transport header,th) 网络层的报头 (network header,nh) 和数据链路层的报头 (data link header,dh) 其中, 数据链路层还要给网络层递交的数据加上数据链路层的报尾 (data link termination,dt)

29 第 1 章局域网技术知识 25 形成最终的一帧数据 接收端 数据 发送端 应用层 AH 数据 应用层 表示层 会话层 传输层 PH AH 数据 SH PH AH 数据 TH SH PH AH 数据 帧封装过程 表示层 会话层 传输层 网络层 包 NH TH SH PH AH 数据 网络层 数据链路层 帧 DH NH TH SH PH AH 数据 DT 数据链路层 物理层 比特流 物理层 图 1.19 OSI 参考模型中的数据封装过程 发送端和接收端数据链路层所发生的帧发送和接收过程大致如下 : 发送端的数据链路层接收到网络层的发送请求之后, 便从网络层与数据链路层之间的接口处取下待发送的分组, 并封装成帧, 然后经过其下层物理层送入传输信道 ; 这样不断地将帧送入传输信道就形成了连续的比特流 ; 接收端的数据链路层从来自其物理层的比特流中识别出一个一个的独立帧, 然后利用帧中的 FCS 字段对每一个帧进行校验, 判断是否有错误 如果有错误, 就采取收发双方约定的差错控制方法进行处理 如果没有错误, 就对帧实施拆封, 并将其中的数据部分即分组通过数据链路层与网络层之间的接口上交给网络层, 从而完成了相邻节点的数据链路层关于该帧的传输任务 数据链路层要解决网络传输过程中可能因为干扰 噪声等引起的数据变化错误, 确保接收端得到的数据与发送端发送的数据保持一致 1. 差错原因与类型 所谓差错, 是指接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象 之所以产生差错, 主要是因为在通信线路上噪声干扰的结果 根据噪声类型不同, 可将差错分为随机错和突发错 热噪声所产生的差错称为随机错, 冲击噪声所产生的错误称为突发错, 电磁干扰 无线电干扰等都属于冲击噪声 差错的严重程度由误码率来衡量, 误码率等于错误接收的码元数与所接收的码元总数之比 显然, 误码率越低, 信道的传输质量越高, 但是由于信道中的噪声是客观存在的, 所以不管信道质量多高, 都要进行差错控制 科学出版社职教技术中心 2. 差错控制的作用与机制差错控制的主要作用是通过发现数据传输中的错误, 以便采取相应的措施减少数据传输错误 差错控制的核心是对传送的数据信息加上与其满足一定关系的冗余码, 形成一个加强的 符合一定规律的发送序列 所加入的冗余码称为校验码 (frame check sequence,fcs)

30 26 计算机网络技术与实训 校验码按功能的不同被分为纠错码和检错码 纠错码不仅能发现传输中的错误, 还能利用纠错码中的信息自动纠正错误, 其对应的差错控制措施为自动前向纠错 汉明编码 (hamming code) 为典型的纠错码, 具有很高的纠错能力 检错码只能用来发现传输中的错误, 但不能自动纠正所发现的错误, 需要通过错误重传来纠错 3. 错误重传机制由于检错码本身不提供自动的错误纠正能力, 所以需要提供一种与之相配套的错误纠正机制, 即错误重传 通常当接收方检出错误的帧时, 首先将该帧丢弃, 然后给发送方反馈信息请求发送方重发相应的帧 错误重传又被称为自动请求重传 (automatic repeatrequest, ARQ) 错误重传有两种常见的实现方法, 即停止等待方式和连续 ARQ 方式 (1) 停止等待方式在停止等待方式 ( 简称停 等方式 ) 中, 发送端在发出一帧之后必须停下来等待接收端的确认帧, 若确认帧提示正确收到, 则发送方继续发送下一个帧 ; 否则, 发送方就重发那个帧 停 - 等协议虽然实现简单, 但这种发送一帧等待一个确认的方式使得通信效率很低 为此, 人们提出了连续 ARQ 协议 (2) 连续 ARQ 方式连续 ARQ 协议的特点是发送端在发送一个帧后, 不是停下来等待确认帧的到来, 而是可以连续再发送 N 个帧 (N 的大小取决于发送方的发送能力和接收端的接收能力 ) 对于连续 ARQ 方式, 必须要为帧编上序列号以作为帧的标识 在连续发送的多个帧中, 可能会有一个或多个帧出现传输差错 针对这种情况, 连续 ARQ 分别采用了两种不同的处理方式, 即拉回 (back to n) 方式和选择重传 (selective) 方式 在拉回方式中, 假定发送方连续发送了 m 帧, 而接收方在对收到的数据帧进行校验后发现第 n 帧出错 (n m), 则接收方给发送方发送出错信息并要求发送方重发第 n 帧及第 n 帧以后的所有帧 换言之, 一旦接收方发现第 n 帧出错, 则丢弃第 n 帧及第 n 帧以后的所有帧 显然这种方式对信道带宽有很大的需求 而在选择重传方式中, 假定发送方连续发送了 m 帧, 而接收方在对收到的数据帧进行校验后发现第 n 帧出错 (n m), 则接收方给发送方出错信息并只要求发送方重发第 n 帧 换言之, 一旦接收方发现第 n 帧出错, 则丢弃第 n 帧, 但缓存第 n 帧以后的所有正确帧 也就是说, 这种方式需要在接收方提供足够大的存储缓冲来暂时保存那些已经被正确接收的帧 (3) 超时重发机制细心的读者会发现, 在上面的讨论中并没有考虑到帧在传输途中丢失的情况 丢失有两种可能 : 一是发送端所发送的数据帧在传输过程中被丢失 ; 二是接收端发送给发送方的确认帧被丢失 因此, 要在发送端设置一个计时器, 当计时器的值达到一定值时确认帧还未到达, 则发送端就认为它所发送的数据帧已经丢失, 将重发此数据帧, 这种机制被称为超时重发 但是, 简单的超时重发会带来帧被重复接收的问题 若数据帧已经被接收端正确接收, 而接收端反馈的确认帧却丢失了, 从而发送端通过超时重发机制又重新发送了相同的帧 解决帧重复接收的一个简单方法就是采用帧编号, 接收端一旦收到两个序列号相同的帧, 就可以判断出是重复帧, 从而丢弃多余的帧

31 第 1 章局域网技术知识 27 数据链路层要解决网络节点间数据传输的另外一个问题就是如何确保发送方发送的数据都能被接收方全部接收而不出现数据溢出丢失错误, 保持收发同步 1. 流量控制的作用由于系统性能的不同, 如硬件能力 ( 包括 CPU 存储器等) 和软件功能的差异, 会导致发送方与接收方处理数据的速度有所不同 若一个发送能力较强的发送方给一个接收能力相对较弱的接收方发送数据, 则接收方会因无能力处理所有收到的帧而不得不丢弃一些帧 如果发送方持续高速地发送, 则接收方最终还会被 淹没 也就是说, 在数据链路层只有差错控制机制还是不够的, 其不能解决因发送方和接收方速率不匹配所造成帧丢失的问题 为此, 在数据链路层引入了流量控制机制 流量控制的作用就是使发送方所发出的数据流量不要超过接收方所能接收的速率 流量控制的关键是需要有一种信息反馈机制, 使发送方能了解接收方是否具备足够的接收及处理能力 如上面所提到的简单停止等待协议就可以实现流量控制功能, 但其实现效率太低 下面所介绍的滑动窗口协议则可以将确认机制与流量控制机制巧妙地结合在一起 2. 滑动窗口协议 滑动窗口协议是指一种采用滑动窗口机制进行流量控制的方法 通过限制已经发送但 还未得到确认收到的数据帧的数量, 滑动窗口协议可以调整发送方的发送速度 许多使用 位填充技术的数据链路层协议都使用滑动窗口协议进行流量控制 下面简单介绍滑动窗口 协议的工作原理 在滑动窗口协议中, 每一个要发送的帧都要被赋予一个先后顺序的编号 ( 序列号 ), 其 编号取值范围从 0 到某一个数值 如果在帧中用以表达序列号的字段长度为 n, 则序列号 的最大值为 2n-1 例如, 若在帧中序列号为 3 个比特长度, 即 n=3, 则编号可以从 0~7 中进行选择 序 列号是循环使用的, 若当前帧的序号已达到最大编号 ( 即 2n-1) 时, 则下一个待发送的帧 序列号将重新为 0, 此后再依次递增 科学出版社职教技术中心 在发送方, 要维持一个发送窗口, 利用窗口的大小来限制即将要发送的数据帧的数量 如果发送窗口的大小为 W s, 则表明已经发送出去但仍未得到确认的帧的总数不能超过 W s 在发送窗口内所保持着的一组序列号, 对应于允许发送的帧, 我们形象地称这些帧落在发 送窗口内 显然, 在初始状态下, 发送窗口内允许发送的帧的个数为 W s, 而每发出一个帧, 允许发送的帧数就减 1 一般情况下, 窗口的下限对应当前已经发送出去但未被确认的最 后一帧, 一旦这个帧的确认帧到达后, 发送窗口的下限和上限各加 1, 相当于窗口向前滑 动一个位置, 同时当前允许发送的帧数加 1 若发送窗口内已经有 W s 个没有得到确认的帧, 则不允许再发送新帧, 需要发送的帧必须等待接收方传来的确认帧并使窗口向前滑动, 直 至其序列号落入发送窗口内才能被发送 在接收节点, 则要维持一个接收窗口 在接收窗口中也保持着一组序列号, 但其对应

32 28 计算机网络技术与实训 于允许接收的帧, 只有发送序列号落在窗口内的帧才能被接收, 落在窗口之外的帧将被丢弃 若到达帧的序列号落在接收窗口内, 则接收该帧 若帧被正确接收, 则接收窗口向前滑动一个位置, 即窗口的上下限各加 1, 使一个新序列号落入窗口内, 同时给发送方返回一个确认信息 由于发送方与接收方的数据处理能力有所不同, 接收窗口和发送窗口可以不具有相同的窗口大小, 甚至两者可以不具有相同的窗口上限与下限 在滑动窗口协议中, 当发送窗口和接收窗口的宽度都为 1 时, 就变成简单的停止等待协议 图 1.20 给出了一个 3 位长度的序列号, 发送与接收窗口大小均为 4 的滑动窗口协议的工作实例 从上面例子中不难看出, 只有在接收窗口向前滑动时, 发送窗口才有可能向前滑动 发送窗口 接收窗口 状态 1: 发送方等待发送帧, 可以发送帧 0 帧 1 帧 2 和帧 3; 接收方等待接帧, 可以接收帧 0 帧 1 帧 2 和帧 状态 2: 发送方发送帧 0 和帧 1, 接收方等待接收帧 状态 3: 接收方正确接收了帧 0 和帧 1, 并给发送方确认消息 接收窗口向前滑动, 表明可以接收帧 2 帧 3 帧 4 和帧 状态 4: 发送方收到了关于帧 0 和帧 1 的确认消息, 发送窗口向前滑动, 表明可以发送帧 2 帧 3 帧 4 和帧 图 1.20 滑动窗口协议的工作实例 发送窗口如果不向前滑动, 发送方就不能发送更多的帧 ( 最多只能发送 W s 个帧 ) 就像图 1.20 中那样, 只有收到 0 号和 1 号帧的确认信息之后, 发送窗口才能发送 4 号和 5 号帧, 从而达到了流量控制的目的 显然, 滑动窗口协议在提供流量控制机制的同时, 还可以同时实现帧的确认和差错控制 正是滑动窗口协议这种集帧确认 差错控制 流量控制等功能为一体的良好特性才使得该协议不仅被广泛地应用于数据链路层中, 还被作为传输层实现相应功能的重要机制 数据链路层的功能及其复杂的实现机制可以通过数据链路层所提供各种不同服务来体现 1. 数据链路层的服务方式通常, 数据链路层在实现时有 3 种基本服务方式可供选择, 即无确认的无连接服务 (unacknowledged connectionless service) 有确认的无连接服务(acknowledged connectionless

33 第 1 章局域网技术知识 29 service) 有确认的面向连接服务(acknowledged connection-oriented service) 在无确认的无连接服务方式下, 两个相邻节点之间在发送数据帧之前, 事先不建立连接, 从而事后也不存在释放连接 ; 源节点向目标节点发送独立的数据帧, 而目的节点不对收到的帧作确认 ; 由于线路上的噪声而造成的帧丢失, 数据链路层将不作努力去恢复, 而是将该工作留给上层 ( 通常为传输层 ) 去完成 这类服务通常适用于误码率很低的信道, 如大多数局域网都使用这种无确认的无连接服务方式 在有确认的无连接服务方式下, 仍然不需要建立连接, 源节点向目标节点发送独立的数据帧, 但是接收站点要对收到的每一帧作确认, 即在收到数据帧之后回送一个确认帧, 而发送站点在收到确认帧之后才会发送下一帧 当在一个确定的时间段内没有收到确认帧时, 发送方就认为所发送的数据帧丢失并自动重发此帧 自动重发可能会产生接收站点收到重复的数据帧的问题 有确认的无连接服务方式适用于像无线网之类的不可靠信道 在有确认的面向连接服务方式下, 发送数据之前, 需要首先建立连接, 然后才会启动帧的传送 在发送数据阶段, 要为所传送的每一帧都要编上号, 数据链路层提供相应的确认和流量控制机制来保证每一帧都只被正确地接收一次, 并保证所有帧都按正确的顺序被接收 当数据传输完成之后, 还需要拆除或释放所建立的连接 也就是说, 面向连接的服务方式分 3 个阶段, 即链路建立阶段 数据传输阶段和链路拆除阶段 可以这么说, 只有有确认的面向连接的服务方式才真正为网络层提供了可靠的无差错传输服务 这类服务实现复杂度及代价很高, 通常被用于误码率较高的不可靠信道, 如某些广域网链路 2. 数据链路层协议举例 以典型的数据链路层协议 (high-level data link control,hdlc) 为例来进一步理解数据链路层协议如何通过帧来实现相邻节点之间的可靠数据传输 HDLC 的帧格式和所有的数据链路层协议一样,HDLC 的功能集中体现在了 HDLC 帧格式中 HDLC 的帧格式如图 1.21 所示 A C DATA FCS 长度 ( 字节 ) > 信息帧监控帧无编号帧比特序号 0 N(S) P N(R) 1 0 S P N(R) 1 1 M P M 图 1.21 HDLC 的帧格式及控制字段的结构 科学出版社职教技术中心 其中, 帧头和帧尾的位模式串 为帧的开始和结束标记 (flag) 可以看出, HDLC 协议在帧定界上采用的是带位填充技术首尾界符法 A 是地址字段 (address), 由 8 位组成 对于命令帧, 存放接收站的地址 ; 对于响应帧, 存放发送响应帧的站点地址 C 是控制字段 (control), 由 8 位组成, 该字段是 HDLC 协议的关键部分 它标志了 HDLC 的 3 种类型帧, 即信息 (information) 帧 监控 (supervisory) 帧和无序号 (unnumbered) 帧

34 30 计算机网络技术与实训 DATA 是数据字段, 可以包含任意信息且可以是任意长的, 但实际上受多种条件的制约, 如帧校验效率就会随着数据长度的增加而下降 FCS 是校验序列字段, 采用 16 位的 CRC 校验, 校验的内容包括 A 字段 C 字段和 DATA 字段 数据链路层的设备与组件是指那些同时具有物理层和数据链路层功能的设备或组件 数据链路层的设备与组件主要有网卡 网桥和交换机, 下面介绍一下网卡和交换机 1. 数据链路层中封装帧的设备 网卡网卡是局域网中提供各种网络设备与网络通信介质相连的接口, 全名是网络接口卡 (network interface card,nic), 也叫网络适配器, 其品种和质量的好坏直接影响网络的性能和网上所运行软件的效果 网卡作为一种 I/O 接口卡插在主机板的扩展槽上, 其基本结构包括接口控制电路 数据缓冲器 数据链路控制器 编码解码电路 内收发器 介质接口装置等 6 大部分, 如图 1.22 所示 网卡主要实现数据的发送与接收 帧的封装与拆封 编码与解码 介质访问控制和数据缓存等功能 (a)pci 有线网卡 (b) 无线网卡 图 1.22 网卡的基本结构网卡用于物理层和数据链路层 在数据链路层, 网卡包含设备的物理地址用于执行特定网络系统结构所要求的数据格式化操作和介质接入操作的组件 作为操作系统和网卡之间接口的设备驱动器也是数据链路层的一部分 (1) 网卡的类型各种网卡从外形上看都差不多, 但不同类型的网卡其性能差别很大, 甚至不能相互替代和兼容 必须保证网卡的类型和所使用的网络类型相匹配, 这是一条基本的要求 按照网络技术分类网卡可分为以太网卡 令牌环网卡 FDDI 网卡等, 按照传输速率分类网卡可分为 10Mb/s 100Mb/s 1000Mb/s 和 10Gb/s 等多种速率的网卡 (2) 网卡的驱动程序驱动程序是连接操作系统和硬件设备的一套软件系统 网卡驱动程序是数据链路层上的组成部分, 可以在网络控制面板上找到, 并实现对网卡的控制 大部分数据链路层的工作由网卡或交换机内部的芯片来完成 然而, 设备驱动程序作为数据链路层的一部分, 主要用于充当网卡和网络层之间的接口 因而, 网卡驱动程序为网络中的操作而进行的正确

35 第 1 章局域网技术知识 31 配置和优化措施就显得尤为重要 (3) 网卡的工作模式图 1.23 给出了和网卡工作模式相关的 Windows 系统网络控制面板 在这个对话框中给出的信息包括生产厂商和操作系统信息, 因此和用户的系统在外观上可能有些不同 注意, 如果网卡不支持多种模式, 那么网络控制面板就不能给出这些信息 图 1.23 网卡的工作模式 一些网卡能够工作在很多模式下 这种网卡可以被设计成依据所连接的设备自动选择最佳工作模式 网卡通常能够兼容的工作模式有如下几种 :10Mb/s 半双工 10Mb/s 全双工 100Mb/s 半双工 100Mb/s 全双工 (4) 网卡 MAC 地址每一网卡在出厂时都被分配了一个全球唯一的地址标识, 该标识被称为网卡地址或媒体访问控制 (media access control,mac) 地址, 由于该地址是固化在网卡上的, 所以又被称为物理地址或硬件地址 网卡地址由 48bit 长度的二进制数组成 其中, 前 24bit 表示生产厂商, 后 24bit 为生产厂商所分配的产品序列号 若采用 12 位的十六进制数表示, 则前 6 个十六进制数表示厂商, 后 6 个十六进制数表示该厂商网卡产品的序列号 如网卡地址 cc, 其中前 6 个十六进制表示该网卡由 Intel 公司生产, 相应的网卡序列号为 cc 网卡地址主要用于设备的物理寻址, 与后面介绍的 IP 地址所具有的逻辑寻址作用截然不同 2. 数据链路层中接收和转发帧的设备 交换机 交换机 (switch) 也是工作在数据链路层的网络互连设备, 是局域网组网中最常用也是最主要的网络设备之一 交换机的种类很多, 如以太网交换机 FDDI 交换机 帧中继交换机 ATM 交换机和令牌环交换机等, 图 1.24 为以太网交换机的产品示例 交换机由网桥发展而来, 是一种多端口的网桥, 其通过在其内部配备大容量的交换式背板实现了高速数据交换 一般的网桥端口数很少 (2~4 个 ), 而交换机通常具有较高的端口密度 交换机的每个端口都可以连入一个网段, 也可以直接连入用户主机 与网桥类似, 在图 1.24 以太网交换机产品示例交换机内部也保存了一张关于 端口号 /MAC 地址映射 关系的交换表 当交换机收到数据帧时, 将首先提取帧首部的目的 MAC 地址, 由交换机控制部件根据交换表找出目的 MAC 地址对应的输出端口号, 然后在输入端口和输出 科学出版社职教技术中心

36 32 计算机网络技术与实训 端口之间建立一条连接, 并将帧从输入端口经过输出端口转发出去, 数据传送完毕撤消连接 若交换机同时收到多个数据帧, 但它们的输出端口不同, 交换机则会建立多条连接, 在这些连接上同时转发各自的帧, 从而实现了数据的并发传输 因此, 交换机是并行工作的, 它可以同时支持多个信源和信宿端口之间的通信, 从而大大提高了数据转发的速度 (1) 交换机的功能所有交换机的基本功能都是相同的, 即接收帧 寻找通向目的地址的端口 发送帧 交换机保存一个 MAC 地址表和端口数 当交换机刚启动时, 地址表是空的 当工作站发出一个帧时, 交换机读出帧的源地址和目的地址, 记下收到该帧的端口 源地址和端口数用于建立交换表, 保存在 CAM( 按内容寻址的存储器 ) 中 如果交换机在地址表中已经保存了源 MAC 地址, 则它只对计时器进行简单的更新 计时器记录在源计算机发送出帧以后, 该源地址在地址表中所存储的时间 该帧的目的地址和表中的地址进行核对, 然后从选定的相应端口输出 以太网中的交换机能够完成各种各样的功能 它可以作为网络的高速中枢, 通过这个中枢, 成百上千的业务数据通过, 大量的工作站和服务器相连 它也能用来分割冲突域 另外, 它也可以代替集线器, 使每个工作站都拥有各自的冲突域 很多机构, 在将它们的网络从传统的共享介质环境升级时, 通常都会逐步在网络中引入交换机, 直到交换机完成所有这些功能 (2) 交换机的工作方式一些交换机在发送帧前, 可以帮助网络检查更多的帧信息, 而不仅仅是检查源地址和目的地址 正是基于这些区别, 交换机有 4 种工作方式 1) 直通 (cut-through) 交换 该方式是 4 种交换方式中最快的一种, 它不提供附加的防止帧出错的保护措施 一旦交换机查到相应的目的地址和相关的端口, 马上就向目的端口发送该帧 至于广播帧, 则发送给所有的端口, 而不作进一步的校验 2) 无碎片帧交换 正如这种交换的字面意思, 无碎片交换最大限度地降低了超短帧和帧碎片 ( 帧的长度小于 64 字节 ) 的影响 如果一台工作在无碎片模式的交换机接收到短于 64 字节的帧, 那它将丢弃该帧 这有利于防止错误帧的发送 3) 存储转发交换 由于在发送到目的地以前, 全部的帧都存在内存里而且可读, 因而存储转发交换机提供了最大程度的错误校验, 同时允许附加的帧校验和帧操作, 这种方法最主要的好处是可以将发送帧包含的错误帧数量降低到零 另外, 由于全部的帧都会被存入缓冲器, 因此提供给交换机一个对帧做 CRC 校验的机会 如果存在 CRC 校验错误, 该对应的帧被丢弃 当然, 这就意味着如果帧过长, 也将被丢弃 4) 自适应交换 自适应 (adaptive) 交换机通常情况下工作在直通模式, 但如果在一个端口有大量错误发生时, 交换机将把端口的工作模式改为存储转发模式 另外, 一些交换机总是在存储转发模式下处理广播帧, 因此最大限度地降低了错误广播帧引起的网络故障 (3) 交换机和集线器的比较交换机和集线器在物理外观及使用上都非常相似, 但其工作方式和网络性质却完全不同 集线器能够从一个端口提取位信号 整理信号 放大信号, 然后从其他端口发送

37 第 1 章局域网技术知识 33 出去, 集线器并不知道信号所代表的数据的内容 相反, 交换机则对它所收到的帧进行处理, 检查核对目的地地址, 确定到达目的地地址所需通过的端口 因此, 帧只向能够到达目的地的端口发送, 这就意味着减少了每个网段上的通信量和冲突的次数, 然而, 这些附加的功能是以时延为代价的 和集线器相比, 如果和设备相连的是交换机, 则帧从源地址到目的地址需要花费更长的时间, 当然这些是以使用集线器的网络不会因冲突而降低网速为前提条件的 1.5 局域网组网技术 局域网是计算机网络最基本的组成部分, 其组网技术包括局域网的技术标准 网络的拓扑 介质的访问控制方式和局域网的组网设备等 目前, 应用最多的局域网组网类型为以太网 FDDI 光纤链路环网及无线局域网 随着网络技术 通信技术和微型机的发展,LAN 技术得到了迅速的发展和完善, 多种类型的局域网络纷纷出现 1. 局域网的特点和功能 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题, 也是目前技术发展最快的领域之一, 局域网具有如下特点 1) 网络所覆盖的地理范围比较小 通常不超过几十公里, 甚至只在一幢建筑或一个房间内 2) 数据的传输速率比较高 从最初的 1Mb/s 到后来的 10Mb/s 100Mb/s, 近年来已达到 1000Mb/s 10000Mb/s 3) 具有较低的延迟和误码率, 其误码率一般为 ~10-8 4) 局域网络的经营权和管理权属于某个单位所有, 与广域网通常由服务提供商提供形成鲜明对照 5) 便于安装 维护和扩充, 建网成本低 周期短 尽管局域网地理覆盖范围小, 但这并不意味着它们必定是小型的或简单的网络 局域网可以扩展得相当大或者非常复杂, 配有成千上万用户的局域网也是很常见的事 局域网的应用范围极广, 可应用于办公自动化 生产自动化 企事业单位的管理 银行业务处理 军事指挥控制 商业管理等方面 局域网的主要功能是为了实现资源共享, 还为了更好地实现数据通信与交换及数据的分布处理 一般来说, 决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑结构 传输介质与介质访问控制方法 科学出版社职教技术中心 2. 常见的局域网拓扑结构局域网与广域网的一个重要区别在于它们覆盖的地理范围 由于局域网设计的主要目标是覆盖一个公司 一所大学或一幢甚至几幢大楼的 有限的地理范围, 因此它在基本通信机制上选择了 共享介质 方式和 交换 方式 因此, 局域网在传输介质的物理连接

38 34 计算机网络技术与实训 方式 介质访问取控制方法上形成了自己的特点, 在网络拓扑上主要采用总线型 环状与 星状结构 1. 局域网的技术标准局域网出现之后, 发展迅速, 类型繁多, 为了促进产品的标准化, 以增加产品的互操作性,1980 年 2 月, 美国电气和电子工程师学会 (IEEE) 成立了局域网标准化委员会 ( 简称 IEEE 802 委员会 ), 研究并制定了关于局域网的 IEEE 802 标准 IEEE 802 为局域网制定了一系列标准, 主要有以下 12 种 1)IEEE 概述局域网体系结构及寻址 网络管理和网络互连 2)IEEE 定义了逻辑链路控制 (LLC) 子层的功能与服务 3)IEEE 描述 CSMA/CD 总线式介质访问控制协议及相应物理层规范 4)IEEE 描述令牌总线 (token bus) 式介质访问控制协议及相应物理层规范 5)IEEE 描述令牌环 (token ring) 式介质访问控制协议及相应物理层规范 6)IEEE 描述城域网 (MAN) 的介质访问控制协议及相应物理层规范 7)IEEE 描述宽带时隙环介质访问控制方法及物理层技术规范 8)IEEE 描述光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范 9)IEEE 描述语音和数据综合局域网技术 10)IEEE 描述局域网安全与解密问题 11)IEEE 描述无线局域网技术 12)IEEE 描述用于高速局域网的介质访问方法及相应的物理层规范 IEEE 802 标准实际上是一个由一系列协议组成的标准体系 随着局域网技术的发展, 该体系在不断地增加新的标准和协议, 如关于 家族就随着以太网技术的发展出现了许多新的成员 2. 局域网的体系结构局域网的体系结构与 OSI 模型有相当大的区别, 局域网通信只涉及 OSI 的物理层和数据链路层 那么为什么没有网络层及网络层以上的各层呢? 首先,LAN 是一种通信网, 只涉及有关的通信功能, 所以至多与 OSI 七层模型中的下三层有关 其次, 由于 LAN 基本上采用共享信道的技术, 所以也可以不设立单独的网络层 也就是说, 不同局域网技术的区别主要在物理层和数据链路层, 当这些不同的 LAN 需要在网络层实现互连时, 可以借助其他已有的通用网络层协议如 IP 协议 如图 1.25 所示, 局域网的物理层是和 OSI 七层模型的物理层功能相当的, 主要涉及局域网物理链路上原始比特流的传送, 定义局域网物理层的机械 电气 规程和功能特性, 如信号的传输与接收 同步序列的产生和删除等, 物理连接的建立 维护 撤销等 物理层还规定了局域网所使用的信号 编码 传输介质 拓扑结构和传输速率 例如, 信号编码可以采用曼彻斯特编码, 传输介质可采用双绞线 同轴电缆 光缆甚至是无线传输介质 ; 拓扑结构则支持总线型 星状 环状和混合型等, 可提供多种不同的数据传输率

39 第 1 章局域网技术知识 35 ISO 模型 IEEE 802 应用层 表示层 会话层 局域网高层协议 传输层 网络层 数据链路层 物理层 LLC 子层 MAC 子层 物理层 图 1.25 IEEE 802 的 LAN 参考模型与 OSI 参考模型的对应关系 那为什么要将局域网的数据链路层分为逻辑链路控制 (logical link control,llc) 和介 质访问控制 (medium access control,mac) 两个功能子层呢? 前面提到, 局域网基本上采 用的是共享介质环境, 共享介质环境中的多个节点同时发送数据时就会产生冲突, 从而需 要提供控制冲突的介质访问控制机制, 显然, 介质访问控制机制与物理介质 物理设备和 物理拓扑等涉及硬件实现的部分直接有关, 也就是说, 不同的局域网技术在介质访问控制 上会有不同的处理方法 而这种结果显然与计算机网络分层模型所要求的下层为上层提供 服务, 但必须屏蔽掉服务实现细节 ( 即透明性 ) 是相违背的 所以, 考虑将局域网的数据 链路层分为 MAC 和 LLC 两个子层 其中,MAC 子层负责介质访问控制机制的实现, 即 处理局域网中各站点对共享通信介质的争用问题, 不同类型的局域网通常使用不同的介质 访问控制协议, 另外,MAC 子层还涉及局域网中的物理寻址 ; 而 LLC 子层负责屏蔽掉 MAC 子层的不同实现, 将其变成统一的 LLC 界面, 从而向网络层提供一致的服务,LLC 子层向网络层提供的服务通过其与网络层之间的逻辑接口实现, 这些逻辑接口又被称为服 务访问点 (service access point,sap) 这样的局域网体系结构不仅使得 IEEE 802 标准更具有可扩充性, 有利于其将来接纳 新的介质访问控制方法和新的局域网技术, 同时也不会使局域网技术的发展或变革影响到 网络层 尽管将局域网的数据链路层分成了 LLC 和 MAC 两个子层, 但这两个子层是都要 参与数据的封装和拆封过程的, 而不是只由其中某一个子层来完成数据链路层帧的封装及 拆封 在发送方, 网络层下来的数据分组首先要加上目的服务访问点 (destination service access point,dsap) 源服务访问点 (source service access point,ssap) 等控制信息在 LLC 子层被封装成 LLC 帧, 然后由 LLC 子层将其交给 MAC 子层, 加上 MAC 子层相关 的控制信息后被封装成 MAC 帧, 最后由 MAC 子层交局域网的物理层完成物理传输 ; 在接 收方, 则首先将物理的原始比特流还原成 MAC 帧, 在 MAC 子层完成帧检测和拆封后变成 LLC 帧交给 LLC 子层,LLC 子层完成相应的帧检验和拆封工作将其还原成网络层的分组 上交给网络层 总之,LAN 的 LLC 子层和 MAC 子层共同完成类似于 OSI 参考模型中的数据链路层 科学出版社职教技术中心

40 36 计算机网络技术与实训 功能, 无非是考虑到局域网的共享介质环境, 在数据链路层的实现上增加了介质访问控制机制 所谓介质访问控制, 就是解决当局域网中共用信道的使用产生竞争时, 如何分配信道的使用权的问题 局域网中目前广泛采用的两种介质访问控制方法分别是 : 争用型介质访问控制协议, 又称随机型的介质访问控制协议, 如 CSMA/CD 方式 ; 确定型介质访问控制协议, 又称有序的访问控制协议, 如 ( 令牌 )Token 方式 1. CSMA/CD 方式 CSMA/CD(carrier sense multiple access/collision detection) 是带冲突检测的载波侦听多址访问的英文缩写 载波侦听 (CS) 主要是指网络中的各个站点都具备一种对总线上所传输的信号或载波进行监测的功能 多址 (MA) 则是指当总线上的一个站点占用总线发送信号时, 所有连接到同一总线上的其他站点都可以通过各自的接收器收听, 只不过目标节点会对所接收的信号进行进一步的处理, 而非目标节点则忽略所收到的信号 冲突检测 (CD) 是指一种检测或识别冲突的机制, 这是实现冲突退避的前提 在总线环境中, 冲突的发生有两种可能的原因 : 一是总线上两个或两个以上的节点同时发送信息 ; 另一种可能就是一个较远的节点已经发送了数据, 但由于信号在传输介质上的延时, 使得信号在未到达目的地时, 另一个节点刚好发送了信息 CSMA/CD 通常用于总线型拓扑结构和星状拓扑结构的局域网中 CSMA/CD 的工作原理可概括成 4 句话, 即先听后发, 边发边听, 冲突停止, 随机延时后重发, 具体过程如下 1) 当一个站点想要发送数据的时候, 它检测网络中是否有其他站点正在传输, 即侦听信道是否空闲 2) 如果信道忙, 则等待, 直到信道空闲 3) 如果信道闲, 站点就传输数据 4) 在发送数据的同时, 站点继续侦听网络确信没有其他站点在同时传输数据 因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲, 然后几乎在同一时刻开始传输数据 如果两个或多个站点同时发送数据, 就会产生冲突 5) 当一个传输节点识别出一个冲突, 它就发送一个拥塞信号, 这个信号使得冲突的时间足够长, 让其他的节点都有发现冲突的时间 6) 其他节点收到拥塞信号后, 都停止传输, 等待一个随机产生的时间间隙 ( 回退时间, back off time) 后重发 从上述工作原理中可以看出, 对信道中的载波进行侦听对于 CSMA/CD 的实现是非常重要的, 其既可判断信道的忙与空闲, 也可识别是否有冲突存在 以差分曼彻斯特编码为例, 若节点侦听到信道中存在电平跳变, 则可判断信道为 忙, 否则为 空闲 关于如何识别侦听到的信号是否存在冲突可以采用两种方法 : 一为比较法 ; 二为编码违例判决法 所谓比较法就是将侦听信号与原始的发送信号进行比较以判断是否发生冲突 ; 而编码违例判决法则通过分析侦听到的信号是否符合原始的编码规律, 如从差分曼彻斯特编码规律来判断是否发生了冲突

41 第 1 章局域网技术知识 37 总之,CSMA/CD 采用的是一种 有空就发 的竞争型访问策略, 因而不可避免会出现信道空闲时多个站点同时争发的现象, 无法完全消除冲突, 只能是采取一些措施减少冲突, 并对产生的冲突进行处理 因此, 采用这种协议的局域网环境不适合于对实时性要求较强的网络应用 2. 令牌访问控制方式 令牌访问控制方法又可分为令牌环 (token ring) 访问控制和令牌总线 (token bus) 访 问控制两类 由于目前已较少采用令牌总线访问控制, 因此本文只介绍令牌环访问控制的 工作原理 token ring 是令牌传送环 (token passing ring) 的简写 令牌环属于典型的环状网络拓 扑结构, 其只有一条环路, 信息沿环单向流动, 不存在路径选择问题 在令牌环网中, 为了保证在共享环上数据传送的有效性, 任何时刻也只允许一个节点 发送数据 为此, 在环中引入了令牌传递机制 任何时候, 在环中有一个特殊格式的帧在 物理环中沿固定方向逐站传送, 这个特殊帧称为令牌 令牌是用来控制各个节点介质访问 权限的控制帧 当一个站点想发送帧时, 必须获得空闲令牌, 并在启动数据帧的传送前将 令牌帧中的忙 / 闲状态位置于 忙, 然后附在信息尾部向下一站发送, 数据帧沿与令牌相 同的方向传送, 此时由于环中已没有空闲令牌, 因此其他希望发送的工作站必须等待, 也 就是说, 任何时候, 环中只能有一个节点发送数据, 而其余站点只能允许接收帧 当数据 帧沿途经过各站的环接口时, 各站将该帧的目的地址与本站地址进行比较, 若不相符, 则 转发该帧 ; 若相符, 则一方面复制全部帧信息放入接收缓冲以送入本站的高层, 另一方面 修改环上帧的接收状态位, 修改后的帧在环上继续流动直到循环一周后回到发送站, 由发 送站将帧移去 按这种方式工作, 发送权一直在源站点控制之下, 只有发送信息的源站点 放弃发送权, 或拥有令牌的时间到, 其才会释放令牌, 即将令牌帧中的状态位置 空 后, 再放到环上去传送, 从而其他站点才有机会得到空令牌以发送自己的信息 归纳起来, 在令牌环中主要有以下 3 种操作 1) 截获令牌并且发送数据帧 如果没有节点需要发送数据, 令牌就由各个节点沿固定 的顺序逐个传递 ; 如果某个节点需要发送数据, 它要等待令牌的到来, 当空闲令牌传到这个节点时, 该节点修改令牌帧中的标志, 使其变为 忙 的状态, 然后去掉令牌的尾部, 加上数据, 成为数据帧, 发送到下一个节点 2) 接收与转发数据帧 数据帧每经过一个节点, 该节点就比较数据帧中的目的地址, 如果不属于本节点, 则转发出去 ; 如果属于本节点, 则复制到本节点的计算机中, 同时在帧中设置已经复制的标志, 然后向下一节点转发 3) 取消数据帧并且重发令牌 由于环网在物理上是个闭环, 一个帧可能在环中不停地流动, 所以必须清除 当数据帧通过闭环重新传到发送节点时, 发送节点不再转发, 而是检查发送是否成功 如果发现数据帧没有被复制 ( 传输失败 ), 则重发该数据帧 ; 如果发现传输成功, 则清除该数据帧, 并且产生一个新的空闲令牌发送到环上 科学出版社职教技术中心 不论采用哪种局域网技术来组建局域网时, 都要涉及局域网组件的选择, 包括硬件

42 38 计算机网络技术与实训 和软件 其中, 软件组件主要是指以网络操作系统为核心的软件系统, 硬件组件则主要指计算机及各种组网设备, 包括服务器和工作站 网卡 网络传输介质 网络连接部件与设备等 1. 服务器和工作站组建局域网的主要目的是为了在不同的计算机之间实现资源共享 局域网中的计算机根据其功能和作用的不同被分为两大类 : 一类计算机主要是为其他计算机提供服务, 称为服务器 (server); 另一类计算机则使用服务器所提供的服务, 称为工作站 (workstation) 或客户机 (client) 图 1.26 所示为服务器 / 工作站局域网拓扑示例 路由器防火墙核心交换机 Internet 服务器 汇聚交换机 无线 AP 图 1.26 服务器 / 工作站局域网拓扑 2. 网卡网卡的全名是网络接口卡 (network interface card,nic), 也叫网络适配器 这是一种工作在数据链路层的网络组件, 是局域网中连接计算机和传输介质的接口, 不仅能实现计算机与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配, 还涉及帧的发送与接收 帧的封装与拆封 介质访问控制 数据的编码与解码及数据缓存的功能 3. 中继器与集线器中继器和集线器在局域网中主要被用于物理上扩展网络规模, 但是由于不具备数据隔离或过滤功能, 所以由中继器或集线器互连的网络仍然属于一个大的共享介质环境, 当共享互连环境中的主机数目不断增加时, 收发数据产生冲突的可能性也随之增大, 即中继器或集线器互连的主机处在同一个冲突域中 冲突域是对一组可能会彼此发生冲突的主机设备及其互连的网络环境 ( 包括传输介质 连接部件和一些互连设备 ) 的总称 当网络的物理距离增大时, 会影响冲突检测的有效性, 因为一个远端节点的信号由于在过长的传输介质上的较长时延会导致冲突无法检测 出于上述两个原因, 将中继器或集线器用于局域网中进行网络扩展时, 其数量就有了一定的限制 这种限制被称为中继器或集线器的 规则 其中 5 表示 5 个网段, 4

43 第 1 章局域网技术知识 39 表示 4 个中继器或集线器, 3 表示 3 个网段为主机段, 2 表示 2 个网段为连接段, 1 表示都位于一个冲突域 也就是说在一个由中继器或集线器互连的网络中, 任意发送端到 接收端之间最多只能经过 4 个中继器 5 个网段 图 1.27 给出了一个由集线器互连的网络 多台工作站 集线器 集线器 多台工作站 集线器 集线器 集线器 多台工作站 多台工作站 图 1.27 由集线器互连的网络属于一个冲突域 随着集线器的问世, 目前中继器已极少使用 集线器作为多端口的中继器, 通常可构 成星状拓扑的中央节点, 局域网中的计算机通过双绞线连接到集线器上 但需要注意, 由 于集线器组网的所有节点是一种共享介质访问方式, 从逻辑上看, 集线器网络是一种总线 型网络 4. 网桥与交换机 当使用中继器或集线器进行网络物理扩展时, 其会同时扩展网络的冲突域 用的中继 器或集线器越多, 则冲突域就越大, 主机之间数据发送时可能发生冲突的概率也就越大, 网络的传输效率也就越低, 每个用户实际得到的可用带宽也就越小, 实际表现为网络的速 度急剧下降 因此, 在使用中继器或集线器进行网络扩展是以冲突域的增加和因此造成的网络性能下降为代价的 那么是否存在一种既能提供在物理上扩展网络的功能, 同时又不会使冲突域增大的网络互连设备呢? 数据链路层网络互连设备网桥和交换机就具备这种能力 网桥又叫桥接器, 是一种数据链路层的存储 / 转发设备 交换机则是一个具有流量控制能力的多端口网桥 网桥和交换机都具有依据数据链路层 MAC 地址进行数据帧过滤的能力, 即源和目标物理 MAC 地址在同一网段中的数据帧是不会被网桥或交换机转发到与其相连的其他网段中去的 如图 1.28 所示, 位于各个集线器内部的工作站之间发送的数据帧不会被交换机转发到其他集线器网段去, 而只在本网段内传递, 只有位于不同集线器的工作站之间要发送数据时交换机才根据数据帧的目的 MAC 地址转发到目的网段, 从而中心交换机就将 4 台集线器的冲突域进行了有效的隔离, 也就是说 4 台集线器各自内部进行数据发送时是互不干涉的, 没有任何冲突 因为交换机是根据数据帧的目标 MAC 地址进行选择性存储 / 转发的, 如果数据帧的目标地址是一个广播地址 ( 局域网中所有的节点都能接收的地址, 是一个二进制为全 1 或者十六进制为全 F 的地址 ), 则交换机将把这个广播 科学出版社职教技术中心

44 40 计算机网络技术与实训 数据帧转发给 4 台集线器的所有工作站, 也就是说交换机组网连接的所有站点处在同一个 广播域中 多台工作站 集线器 集线器 多台工作站 交换机 集线器 集线器 多台工作站 多台工作站 图 1.28 由交换机隔离的 4 个冲突域和 1 个广播域广播域就是一个广播数据帧能传递到的最大的网络范围 显然一个广播数据帧会传给所有的站点, 当网络中的广播数据达到一定的数量的时候, 将耗费大量的网络带宽, 同样会使网络的性能急剧下降, 网速变慢 所谓广播风暴, 简单地讲, 当广播数据充斥网络无法处理, 并占用大量网络带宽, 导致正常业务不能运行, 甚至彻底瘫痪, 这就发生了广播风暴 具体来讲就是, 一个数据帧被传输到本地网段 ( 由广播域定义 ) 上的每个节点就是广播 ; 由于网络拓扑的设计和连接问题, 或其他原因导致广播在网段内大量复制, 传播数据帧, 导致网络性能下降, 甚至网络瘫痪, 这就是广播风暴 也就是说, 由网桥或交换机的不同端口所连的网段属于不同的冲突域 所以我们说网桥和交换机不仅能在物理上扩展网络, 还能在逻辑上划分冲突域, 显然其功能要优于中继器或集线器 局域网发展到今天, 在实际应用中已相当普及 局域网的发展也遵循 优胜劣汰 的规律, 即好的网络技术被保留下来, 而且发展得更好 ; 而不好的技术则应用范围逐渐萎缩, 最后面临的是退出网络竞争舞台 现在保留下来的几种局域网技术也是最常见 最普及的局域网技术, 都可以在 IEEE 标准体系中找到与它们相对应的特定标准, 其中包括以太网 (Ethernet) 系列 令牌环网和光纤链路环网 (fiber distributed data interface,fddi) 等 1. 以太网组网技术标准通常将遵循 IEEE 规范生产的以太网产品组建的计算机网络称为以太网 以太网在物理层可以使用粗同轴电缆 细同轴电缆 非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线 光纤等多种传输介质, 并且在 IEEE 标准中, 为不同的传输介质制定了不同的物理层标准 下面对其中的 10BASE-5 10BASE-2 和 10BASE-T 分别进行介绍

45 第 1 章局域网技术知识 41 (1)10BASE-5 10BASE-5 也称为粗缆以太网, 其中, 10 表示信号的传输速率为 10Mb/s, BASE 表示信道上传输的是基带信号, 5 表示每段电缆的最大长度为 500m 10BASE-5 采用曼彻斯特编码方式, 采用直径为 0.4in(1in=2.52cm) 阻抗为 50Ω 的粗同轴电缆作为传输介质 10BASE-5 的组网主要由网卡 中继器 收发器 收发器电缆 粗缆 端接器等设备组成 在粗缆以太网中, 所有的工作站必须先通过屏蔽电缆与收发器相连, 再通过收发器与干线电缆相连, 如图 1.29 所示 粗缆以太网的一个网段中最多容纳 100 个工作站, 工作站到收发器最大距离为 50m, 收发器之间最小间距为 2.5m 网段最大长度为 500m, 每段最多节点数为 100 个 终端电阻 中继器 收发器 收发器电缆 两节点间最小距离为 2.5m 粗缆 网络最大长度为 2.5km 图 1.29 粗缆以太网 10BASE-5 连接示意 10BASE-5 在使用中继器进行扩展时也必须遵循 规则 因此 10BASE-5 网络的最大长度可达 2500m, 最大主机规模为 300 台 粗缆网中的粗铜缆较贵, 同时要求 每一个工作站都配置一个收发器和收发器电缆, 因此组网成本较高 (2)10BASE-2 10BASE-2 又称为细缆以太网, 其中, 10 表示信号的传输速率为 10Mb/s, BASE 表示信道上传输的是基带信号, 2 表示每段电缆的最大长度接近 200m 编码仍采用曼彻 斯特编码方式 细缆以太网采用直径为 0.2in 阻抗为 50Ω 的同轴电缆作为传输介质 10BASE-2 组网由网卡 T 状连接器 细缆 端结器 中继器等设备组成,10BASE-2 网 卡提供 BNC 接口, 采用 T 状连接器将两段同轴电缆和网卡的 BNC 接口连接起来 (T 状连接器 与网卡上的 BNC 接口之间是直接连接, 中间没有接任何电缆 ) 在网段的两端安装上终结器 如图 1.30 所示 每一个网段的最远距离为 185m, 每一干线段中最多能安装 30 个工作 站, 工作站之间的最小距离为 0.5m 网段最大长度为 185m, 每段最多节点数为 30 个 终端电阻 中继器 科学出版社职教技术中心 两节点间最小距离为 0.5m 细缆 网络最大长度为 925m 图 1.30 细缆以太网 10BASE-2 连接示意

46 42 计算机网络技术与实训 当用中继器进行网络扩展时, 由于也同样要遵循 规则, 所以扩展后的细缆以太网的最大网络长度为 925m 细缆以太网价格便宜, 连接方便, 但其可靠性较差, 尤其是 BNC 及 T 状接头的连接处很容易由于接触不良而出现故障, 而且某一站点的接头故障都可能导致整个网络瘫痪, 不便于维护 (3)10BASE-T 10BASE-T 是以太网中最常用的一种标准, 10 表示信号的传输速率为 10Mb/s, BASE 表示信道上传输的是基带信号, T 是英文 twisted-pair( 双绞线电缆 ) 的缩写, 说明是使用双绞线电缆作为传输介质 编码也采用曼彻斯特编码方式 但其在网络拓扑结构上采用了以 10Mb/s 集线器或 10Mb/s 交换机为中心的星状拓扑结构 10BASE-T 的组网由网卡 集线器 交换机 双绞线等设备组成 图 1.31 给出了一个以集线器为星状拓扑中央节点的 10BASE-T 网络示例, 所有的工作站都通过双绞线连接到集线器上, 工作站与集线器之间的双绞线最大距离为 100m, 网络扩展可以采用多个集线器来实现, 在使用时遵守 规则 但是集线器之间的连接可以使用双绞线 同轴细缆或粗缆 10BASE-T 以太网一经出现就得到了广泛 工作站 集线器 集线器 工作站 集线器 工作站 集线器 集线器 工作站 工作站 集线器 集线器 工作站 集线器 工作站 集线器 集线器 工作站 图 1.31 以集线器组建的 10BASE-T 网络示意 的认可和应用, 与 10BASE-5 和 10BASE-2 相比,10BASE-T 以太网有如下特点 1) 安装简单 扩展方便 网络的建立灵活 方便, 可以根据网络的大小选择不同规格的集线器或交换机连接在一起, 形成所需要的网络拓扑结构 2) 网络的可扩展性强 因为扩充与减少工作站都不会影响或中断整个网络的工作 3) 集线器或交换机具有很好的故障隔离作用 当某个工作站与中央节点之间的连接出现故障时, 也不会影响其他节点的正常运行 ; 甚至当网络中某一个集线器或交换机出现故障时, 也只会影响到与该集线器或交换机直接相连的节点 2. 快速以太网技术快速以太网技术 100BASE-X 是由 10BASE-T 标准以太网发展而来, 主要解决网络带宽在局域网络应用中的瓶颈问题 其协议标准为 1995 年颁布的 IEEE 802.3u, 可支持 100Mb/s 的数据传输速率, 并且与 10BASE-T 一样可支持共享式与交换式两种使用环境, 在交换式以太网环境中可以实现全双工通信 IEEE 802.3u 在 MAC 子层仍采用 CSMA/CD 作为介质访问控制协议, 并保留了 IEEE 的帧格式 但是, 为了实现 100Mb/s 的传输速率, 在物理层做了一些重要的改进 例如, 在编码上, 采用了效率更高的编码方式 传统以太网采用曼彻斯特编码, 其优点是具有自带时钟特性, 能够将数据和时钟编码在一起, 但其编码效率只能达到 1/2, 即在具有 20Mb/s 传送能力的介质中, 只能传送 10Mb/s 的信号

47 第 1 章局域网技术知识 43 所以快速以太网没有采用曼彻斯特编码, 而采用 4B/5B 编码 快速以太网先后推出了 100BASE-T4 100BASE-TX 和 100BASE-FX 这 3 种组网技术标准, 比较如表 1.1 所示 项目 以太网类型 100BASE-T4 100BASE-TX 100BASE-FX 传输介质 3/4/5 类 UTP 5 类 UTP 光纤 线缆对数 4 对 2 对 2 对 最大网段长度 100m 100m 2000m 编码方式 8B/6T 4B/5B 4B/5B 为了屏蔽下层不同的物理细节, 为 MAC 和高层协议提供了一个 100Mb/s 传输速率的公共透明接口, 快速以太网在物理层和 MAC 子层之间还定义了一种独立于介质种类的接口 (medium independent interface,mii), 该接口可以支持上面 3 种不同的物理层介质标准 图 1.32 给出了一个采用 100Mb/s 交换机进行组网的快速以太网的例子 由于快速以太网是从 10BASE-T 发展而来的, 并且保留了 IEEE 的帧格式, 所以 10Mb/s 以太网可以非常平滑地过渡到 100Mb/s 的快速以太网 快速以太网的最大优点是结构简单 实用 成本低并易于普及 目前其主要用于快速桌面系统, 也少量被用于小型园区网络的主干 10Mb/s 10Mb/s 10Mb/s 10Mb/s 10Mb/s 100Mb/s 图 Mb/s 以太网向 100Mb/s 以太网升级的例子 虽然以太网以其诸多的优越性在当今的局域网组网中被广泛采用, 但并不是所有环境 和条件下都适合, 在某些特定的条件下令牌环网和 FDDI 反而更具优势 1. 令牌环技术 令牌环网最早起源于 IBM 于 1985 年推出的环形基带网络 IEEE 标准定义了令 牌环网的国际规范 100Mb/s 100Mb/s 令牌环网在物理层提供 4Mb/s 和 16Mb/s 两种传输速率 ; 支持 STP/UTP 双绞线和光纤 作为传输介质, 但较多采用 STP, 使用 STP 时计算机和集线器的最大距离可达 100m, 使 用 UTP 时这个距离为 45m 构建令牌环网时, 需要令牌环网卡 令牌环集线器和传输介质 等 图 1.33 给出了一个令牌环组网的示例 其物理拓扑在外表上为星状结构, 星状拓扑的 中心是一个被称为介质访问单元 (media access unit,mau) 的集线装置,MAU 有增强信 号的功能, 它可以将前一个节点的信号增强后再送至下一个节点, 以稳定信号在网络中的 科学出版社职教技术中心

48 44 计算机网络技术与实训 内部线路令牌网端口图 1.33 令牌环集线器的内部结构 传输 从图 1.33 中也可以看出, 从 MAU 的内部看, 令牌环网集线器上的每个端口实际上是用电缆连在一起的, 即当各节点与令牌环网集线器连接起来后, 就形成了一个电气网环 所以我们认为令牌环网采用的仍是一个物理环的结构 集线器可以拥有 或 16 个连接端口, 另外还加上两个名为入环 (ring-in,ri) 和出环 (ring-out,ro) 的专用端口 如果要建立的环网节点数大于集线器的端口数, 则使用集线器上的 RI 和 RO 端口进行集线器的互连以扩大网络规模 有些集线器如 MSAU (multi-station access units) 具有容错功能, 即当某个网卡出现故障时, 这种集线器可以从环中将该故障节点删除, 并仍维护原来的环路, 从而可以隔离故障节点 令牌环网在 MAC 子层采用令牌传送的介质访问控制方法 所以在令牌环网中有两种 MAC 层的帧, 即令牌帧和数据 / 命令帧, 其格式如表 1.2 和表 1.3 所示 1.2 帧结构 开始标志 访问控制 结束标志 字段 / 字节 帧结构开始标志访问控制开始标志帧控制目的地址源地址数据 FCS 结束标志帧状态 字段 / 字节 > 采用确定型介质访问控制机制的令牌环网适合于传输距离远 负载重和实时要求严格的应用环境 但其缺点是令牌传送方法实现较复杂, 而且所需硬件设备也较为昂贵, 网络维护与管理也较复杂 2. FDDI 技术 FDDI(fiber distributed data interface, 光纤分布式数据接口 ) 是一个高性能的光纤令牌环网标准, 该标准于 1989 年由美国国家标准局 (ANSI) 制定 FDDI 的 IEEE 协议标准为 IEEE FDDI 以光纤为传输介质, 传输速率可达 100Mb/s, 采用单环和双环两种拓扑结构 但为了提高网的健壮性, 大多采用双环结构 每一个 FDDI 环可以连接 500 台工作站, 工作站间的距离可达 2km, 从而 FDDI 的单环网络范围可达 100km, 若以双环结构来看则可达 200km FDDI 的物理层被分成 PHY 子层和 PMD 子层两部分 其中, 较低的 PMD 子层是整个网络中唯一真正与物理介质打交道的层次, 它定义了光纤和连接器的规格型号及光传输的接口特性要求等内容 较高的子层是 PHY, 它规定了线路的状态 时钟处理和编码技术等方面的细节 FDDI 采用的是 4B/5B 编码方案, 每组 4 个 MAC 符号在介质上被编成 5 位组 32 种组合中的 16 种用于表示数据,3 种用作分隔符,2 种用于控制,3 种作为硬件信号, 余下 8 种未用, 用以提高介质编码效率

49 第 1 章局域网技术知识 45 图 1.34(a) 给出了一个双环结构的 FDDI 网络 其中, 两个环分别采用顺时针和逆时针方向传送 环上的站点可分为两类 :A 类站点同时接在两个环上,B 类站点仅接在一个网上 在双环结构中, 通常一个是主环, 另一个为副环 在正常状态下, 由主环负责节点之间的数据传输工作, 而副环是为了提高网络容错能力和可靠性而准备的备用环路, 若主环某一点出现故障或断线, 则会立即启动备用的副环, 自动形成一个新的逻辑环路, 从而能有效隔离故障点, 使数据传送不受影响, 起到自愈的作用, 如图 1.34(b) 所示 (a) 双环结构的 FDDI (b) 自愈逻辑环 图 1.34 两个反向环组成的 FDDI 及双环在一点故障时组成单个长环 FDDI 在 MAC 子层采用与 IEEE 类似的令牌传送方式作为介质访问控制机制, 但在令牌释放上采用了早期令牌释放 ETR 技术, 即只要某站完成了数据传送, 就将令牌释放, 而不是像 IEEE 中那样, 直到帧被正确接收后才释放令牌, 从而大大提高了信道的带宽利用率 另外,FDDI 的帧格式也类似于 IEEE 的帧, 虽然两者之间有一些细小的区别 FDDI 主要作为主干网使用, 曾经是最成熟的主干网技术, 但随着高速以太网的出现和发展,FDDI 已经退出了局域网络的历史舞台 无线局域网 (wireless local area network,wlan) 就是指采用无线传输介质的局域网 在某些环境中采用无线传输介质组网具有明显的优势, 近年来无线局域网技术发展迅速, 逐渐成为局域网组网中的主流技术 1. 无线局域网标准 科学出版社职教技术中心 目前支持无线局域网的技术标准主要有蓝牙技术 HomeRF 技术及 IEEE 系列 其中,HomeRF 主要用于家庭无线网络, 其通信速度比较慢 ; 蓝牙技术是在 1994 年爱立信为寻找蜂窝电话和 PDA 那样的辅助设备进行通信的廉价无线接口时创立的, 是按 标准的补充技术来设计的 ;IEEE 是由 IEEE 802 委员会制订的无线局域网系列标准, 在 1997 年,IEEE 发布了 协议, 这也是在无线局域网 (WLAN) 领域内的第一个国际上被广泛认可的协议 随后,802.11a b d 标准相继完成 目前, 正在制订的一系列标准有 e f g h i 等, 它推动着 WLAN 走向 安全 高速 互连 标准在 MAC 子层采用 CSMA/CA 协议 该协议与我们在 标准中讨论的 CSMA/CD 协议类似, 为了减小无线设备之间在同一时刻同时发送数据导致冲突的风险,

50 46 计算机网络技术与实训 引入了称为请求发送 / 清除发送 (RTS/CTS) 的机制, 即如果发送目的地是无线节点, 数据到达基站, 该基站将会向无线节点发送一个 RTS 帧, 请求一段用来发送数据的专用时 间 接收到 RTS 请求帧的无线节点将回应一个 CTS 帧, 表示它将中断其他所有的通信直 到该基站传送数据结束 其他设备可监听到传输事件的发生, 同时将在此时间段的传输任务向后推迟 这样, 节点间传送数据时发生冲突的概率就会大大地减小 2. 无线局域网的设备与组件 无线局域网组网设备主要包括无线用户的接入点设备 无线网卡 无线路由器 无线 网桥 蓝牙设备 红外适配器等 (1) 无线访问节点 无线访问节点 (access point,ap) 是一个包含很广的名称, 它不仅包含单纯性无线接 入点 ( 无线 AP), 也同样是无线路由器 ( 含无线网关 无线网桥 ) 等类设备的统称 (2) 无线路由器 无线路由器 (wireless router) 就是带有无线覆盖功能的路由器, 它主要应用于用户 上网和无线覆盖 市场上流行的无线路由器一般都支持专线 xdsl 专线 Cable 动态 xdsl 和 PPTP 几种接入方式 它还具有其他一些网络管理的功能, 如 DHCP 服务 NAT 防火墙及 MAC 地址过滤等功能 图 1.35 所示为一款无线路由器产品 图 1.35 D-Link 无线路 由器产品 (3) 无线网卡 无线网卡是无线网络的终端设备, 是无线局域网的无线覆盖 下通过无线连接网络进行上网使用的无线终端设备 无线网卡按 照接口的不同可以分为多种, 主要有 : 台式机专用的 PCI 接口无 线网卡, 笔记本电脑专用的 PCMICA 接口网卡,USB 无线网卡, 如图 1.36(a)~(c) 所示 除此以外, 还有笔记本电脑中应用 比较广泛的 MINI-PCI 无线网卡, 如图 1.36(d) 所示 其优点 是无需占用 PC 卡或 USB 插槽, 并且免去了随身携带 PC 卡或 USB 卡的麻烦 (a)pci 接口无线网卡 (b)pcmica 接口网卡 (c)usb 无线网卡 (d)mini-pci 无线网卡图 1.36 无线网卡 (4) 蓝牙设备蓝牙是一种短距离的无线通信技术, 电子装置彼此可以通过蓝牙而连接起来, 传统的电线在这里就毫无用武之地了 通过芯片上的无线接收器, 配有蓝牙技术的电子产品能够在 10m 的距离内彼此相通, 传输速度可以达到 10Mb/s 蓝牙应用范围广泛, 图 1.37 所示为蓝牙无线连接设备示例 (5) 红外适配器 IrDA 是红外数据组织 Infrared Data Association 的简称, 目前 IrDA1.1 的最高速度标准为 4Mb/s, 同时在点对点通信时要求接口对准角度不能超过 30 不过尽管 IrDA 技术

51 第 1 章局域网技术知识 47 蓝牙耳机 蓝牙打印机蓝牙 PDA 蓝牙 笔记本电脑 / 蓝牙局域网 传真机 普通 / 立体声蓝牙耳机 数据机 蓝牙键盘 / 鼠标 蓝牙相机 / 蓝牙数码相册 蓝牙 AP 图 1.37 蓝牙无线连接设备 国际网络 外网 免去了线缆, 但使用起来仍然有许多不便, 不仅通信距离短, 而且还要求必须在视线上直接对准, 中间不能有任何阻挡 另外,IrDA 技术只限于在两个设备之间进行连接, 不能同时连接多个设备 常见红外适配器如图 1.38 所示 (6) 无线网桥无线网桥是为使用无线微波进行远距离数据传输的点对点网间互连而设计的 它是一种在链路层实现局域网互连的存储转发设备, 可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离 ( 可达 20km) 高速( 可达 11Mb/s) 无线组网 无线网桥有 3 种工作方式, 即点对点 点对多点和中继连接 特别适用于城市中的远距离高层建筑之间的网络连接 常见无线网桥如图 1.39 所示 从作用上来理解无线网桥, 它可以用于连接两个或多个独立的网络段, 这些独立的网络段通常位于不同的建筑内, 相距几百米到几十千米 同时, 根据协议不同, 无线网桥又可以分为 2.4GHz 频段的 IEEE b 或 IEEE g 及采用 5.8GHz 频段的 IEEE a 无线网桥 3. 无线网络拓扑 图 1.38 红外适配器 图 1.39 无线网桥 无线网络的拓扑结构可分为 3 种, 即无中心的分布对等方式 有中心的集中控制方式及混合方式 常见小型园区无线网络拓扑结构如图 1.40 所示 科学出版社职教技术中心 组建局域网的主要目的是为了实现通信与资源共享, 但事实上不同部门间或者不同用户间对网络资源的使用方式 范围和权限也不一样, 虚拟局域网技术就可以从逻辑上把这

52 48 计算机网络技术与实训 些用户进行分类隔离 SDX-300 Service Provider Network Internet DSL User Policy PWLAN Access Point (Hostpots) E1/T1 Metro Ethernet 图 1.40 小型园区无线网络拓扑结构 1. 虚拟局域网概述随着以太网技术的普及, 以太网的规模也越来越大, 从小型的办公环境到大型的园区网络, 网络管理变得越来越复杂 首先, 在采用共享介质的以太网中, 所有节点位于同一冲突域中, 同时也位于同一广播域中, 即一个节点向网络中某些节点的广播会被网络中所有的节点所接收, 造成很大的带宽资源和主机处理能力的浪费 为了解决传统以太网的冲突域问题, 我们采用了交换机来对网段进行逻辑划分 但是, 交换机虽然能解决冲突域问题, 却不能克服广播域问题 例如, 一个 ARP(address resolution protocol) 广播就会被交换机转发到与其相连的所有网段中, 当网络上有大量这样的情况存在时, 不仅是对带宽的浪费, 还会因过量的广播产生广播风暴, 当交换网络规模增加时, 网络广播风暴问题还会更加严重, 并可能因此导致网络瘫痪 另外, 在传统的以太网中, 同一个物理网段中的节点也就是一个逻辑工作组, 不同物理网段中的节点是不能直接相互通信的 这样, 当用户 主机 7 主机 4 主机 1 交换机 1 主机 8 主机 5 主机 2 交换机 2 主机 9 主机 6 交换机 3 主机 3 VLAN 1 VLAN 2 VLAN 3 图 1.41 虚拟局域网 VLAN 的示例 由于某种原因在网络中移动但同时还要继续原来的逻辑工作组时, 就必然会需要进行新的网络连接乃至重新布线 那么是否存在一种跨越物理位置而划分逻辑工作组的方法来解决这个问题呢? 为了解决上述问题, 虚拟局域网 (virtual local area network,vlan) 应运而生 虚拟局域网是以局域网交换机为基础, 通过交换机软件实现根据功能 部门 应用等因素将设备或用户组成虚拟工作组或逻辑网段的技术, 其最大的特点是在组成逻辑网时无需考虑用户或设备在网络中的物理位置 VLAN 可以在一个交换机或者跨交换机实现 图 1.41 给出一个关于 VLAN 划分的示例 应

53 第 1 章局域网技术知识 49 用 VLAN 技术我们将位于不同物理网段 连在不同交换机端口的节点纳入同一 VLAN 中 经过这样的划分, 位于同一交换机中的节点之间不一定能直接相互通信, 如图 1.41 中的主机 1 和主机 4 及主机 7; 而位于不同交换机中但属于同一 VLAN 中的节点却可以直接相互通信, 如图 1.41 中的主机 1 主机 2 和主机 3 2. 虚拟局域网的优点 采用 VLAN 后, 在不增加设备投资的前提下, 可在许多方面提高网络的性能, 并简化 网络的管理, 具体表现在如下 (1) 提供了一种控制网络广播的方法 基于交换机组成的网络的优势在于可提供低时延 高吞吐量的传输性能, 但其会将广 播包发送到所有互连的交换机 所有的交换机端口 干线连接及用户, 从而引起网络中广 播流量的增加, 甚至产生广播风暴 通过将交换机划分到不同的 VLAN 中, 一个 VLAN 的 广播不会影响到其他 VLAN 的性能 即使是同一交换机上的两个相邻端口, 只要它们不在 同一 VLAN 中, 则相互之间也不会渗透广播流量 这种配置方式大大地减少了广播流量, 提高了用户的可用带宽, 弥补了网络易受广播风暴影响的弱点 同时, 也是一种比传统的 采用路由器在共享集线器间进行网络广播阻隔更灵活 有效的方法 (2) 提高了网络的安全性 VLAN 的数目及每个 VLAN 中的用户和主机是由网络管理员决定的 网络管理员通过 将可以相互通信的网络节点放在一个 VLAN 内, 或将受限制的应用和资源放在一个安全 VLAN 内, 并提供基于应用类型 协议类型 访问权限等不同策略的访问控制表, 就可以 有效限制广播组或共享域的大小 (3) 简化了网络管理 一方面, 可以不受网络用户的物理位置限制而根据用户需求进行网络逻辑划分, 如同 一项目或部门中的协作者, 功能上有交叉的工作组, 共享相同网络应用或软件的不同用户 群 另一方面, 由于 VLAN 可以在单独的交换设备或跨多个交换设备实现, 也会大大减少 在网络中增加 删除或移动用户时的管理开销 增加用户时只要将其所连接的交换机端口 指定到其所属于的 VLAN 中即可 ; 而在删除用户时只要将其 VLAN 配置撤消或删除即可 ; 在用户移动时, 只要他们还能连接到任何交换机的端口, 则无需重新布线 (4) 提供了基于第二层的通信优先级服务 在最新的以太网技术如千兆位以太网中, 基于与 VLAN 相关的 IEEE 802.1P 标准, 可 以在交换机上为不同的应用提供不同的服务, 如传输优先级等 总之,VLAN 是交换式网络的灵魂, 其不仅从逻辑上对网络用户和资源进行有效 灵 活 简便管理提供了手段, 同时提供了极高的网络扩展和移动性 但是应该注意, 尽管 VLAN 具有众多的优越性, 但是它并不是一种新型的局域网技术, 而是一种基于现有交换 机设备的网络管理技术或方法, 是提供给用户的一种服务 科学出版社职教技术中心 3. 虚拟局域网的实现 从实现的方式上看, 所有 VLAN 均是通过交换机软件实现的 从实现的机制或策略分, VLAN 分为静态 VLAN 和动态 VLAN

54 50 计算机网络技术与实训 (1) 静态 VLAN 在静态 VLAN 中, 由网络管理员根据交换机端口进行静态的 VALN 分配, 当在交换机上将其某一个端口分配给一个 VLAN 时, 其将一直保持不变直到网络管理员改变这种配置, 所以又被称为基于端口的 VLAN 基于端口的 VLAN 配置简单, 网络的可监控性强 但缺乏足够的灵活性, 当用户在网络中的位置发生变化时, 必须由网络管理员将交换机端口重新进行配置 所以, 静态 VLAN 比较适合用户或设备位置相对稳定的网络环境 (2) 动态 VLAN 动态 VLAN 是指交换机上以连网用户的 MAC 地址 逻辑地址 ( 如 IP 地址 ) 或数据包协议等信息为基础将交换机端口动态分配给 VLAN 的方式 当用户的主机连入交换机端口时, 交换机通过检查 VLAN 管理数据库中相应的关于 MAC 地址 逻辑地址 ( 如 IP 地址 ) 或数据包协议的表项, 以相应的数据库表项内容动态地配置相应的交换机端口 以基于 MAC 地址的动态 VLAN 为例, 网络管理员首先需要在 VLAN 策略服务器上配置一个关于 MAC 地址与 VLAN 划分映射关系的数据库, 当交换机初始化时其将从 VLAN 策略服务器上下载关于 MAC 地址与 VLAN 划分关系的数据库文件, 此时, 若有一台主机连接到交换机的某个端口时, 交换机将会检测该主机的 MAC 地址信息, 然后查找 VLAN 管理数据库中的 MAC 地址表项, 用相应的 VLAN 配置内容来配置这个端口 这种机制的好处在于只要用户的应用性质不变, 并且其所使用的主机不变, 则用户在网络中移动时, 并不需要对网络进行额外配置或管理 但是, 使用 VLAN 管理软件建立 VLAN 管理数据库和维护该数据库需要做大量的管理工作 总之, 不管以何种机制实现, 分配给同一个 VLAN 的所有主机共享一个广播域, 而分配给不同 VLAN 的主机将不会共享广播域 也就是说, 只有位于同一 VLAN 中的主机才能直接相互通信, 而位于不同 VLAN 中的主机之间是不能直接相互通信的 如果不同 VLAN 中的主机要相互通信是否可能呢? 不同 VLAN 之间的通信是完全可能的, 但必须要通过第三层的网络互连设备路由器或路由模块来实现 一 选择题 1. 计算机网络可分为 3 类, 它们是 ( ) A. Internet Intranet Extranet B. 广播式网络 移动式网络 点对点式网络 C. X.25 ATM ISDN D. LAN MAN WAN 2. 组建计算机网络的目的是实现连网计算机系统的 ( ) A. 硬件共享 B. 软件共享 C. 数据共享 D. 资源共享 3. 在 OSI 的 ( ) 使用的互连设备是交换机 A. 物理层 B. 数据链路层 C. 网络层 D. 传输层 4. 计算机网络中可以共享的资源包括 ( ) A. 硬件 软件 数据 通信信道

55 第 1 章局域网技术知识 51 B. 主机 外设 软件 通信信道 C. 硬件 程序 数据 通信信道 D. 主机 程序 数据 通信信道 5. 在星状局域网结构中, 连接文件服务器与工作站的设备是 ( ) A. 调制解调器 B. 交换机 C. 路由器 D. 集线器 6. 管理计算机通信的规则称为 ( ) A. 协议 B. 介质 C. 服务 D. 网络操作系统 7.( ) 因素在整个网络的设计 功能 可靠性和费用等方面有着重要影响 A. 网络距离 B. 拓扑结构 C. 网络传输速率 D. 误码率 8. Ethernet 局域网采用的媒体访问控制方式为 ( ) A. CSMA B. CSMA/CD C. CDMA D. CSMA/CA 9. 对局域网来说, 网络控制的核心是 ( ) A. 工作站 B. 网卡 C. 网络服务器 D. 网络互连设备 10. 数据链路层在 OSI 模型中位于第 ( ) 层 二 填空题 A. 1 B. 2 C. 3 D 光纤的规格有和两种 2. 计算机网络是主要由子网和子网组成 3. 双绞线有和两种 4. 局域网常用的拓扑结构有 和 3 种 5. CSMA/CD 指的是和 三 简答题 1. 什么是计算机网络体系结构? 2. OSI 模型分为哪几层? 3. 什么是集线器组网的 规则? 4. 交换机与集线器的区别是什么? 5. 什么是以太网及其标准? 科学出版社职教技术中心

56 第 2 章 学习指导 学习目标 要点内容 学前要求 掌握 EIA/TIA568 标准下的各种 UTP 线缆的制作技术 掌握交换机基于端口的静态 VLAN 的配置方法 掌握局域网设备间的互连技术 掌握局域网中软硬件资源共享的方法 综合布线实训 交换机配置实训 局域网组件与设备的安装实训 局域网资源共享设置实训 学习理解第 1 章关于局域网的技术知识并以此为理论基础 准备数量充足的实训设备 器材 耗材及专用工具和测试仪器 注意人身及设备的安全 2.1 双绞线制作实训 实训目标 1) 掌握使用网线钳制作具有 RJ-45 接头的双绞线跳线的技能 2) 能够使用网线测试仪测试双绞线跳线的正确性 3) 培养初步的协同工作能力 实训设备 1) 每个实训小组各一把 RJ-45 压线钳 2) 超 5 类双绞线若干 3) 每个实训小组各一个测线仪 4) 水晶头若干

57 第 2 章局域网组网实训 53 实训任务 任务一 : 制作一条超 5 类双绞线的直通线 任务二 : 制作一条超 5 类双绞线的交叉线 实训步骤 1. 制作标准与跳线类型 每条双绞线中都有 8 根导线, 导线的排列顺序必须遵循一定的规律, 否则就会导致链 路的连通性故障, 或影响网络传输速率 (1)EIA/TIA T568-A 与 EIA/TIA T568-B 标准目前, 最常用的布线标准有两个, 分别是 EIA/TIA T568A 和 EIA/TIA T568B 两种 在一个综合布线工程中, 可采用任何一种标准, 但所有的布线设备及布线施工必须采用同一 标准 通常情况下, 在布线工程中采用 EIA/TIA T568B 标准 1) 按照 T568B 标准布线水晶头的 8 针 ( 也称插针 ) 与线对的分配如图 2.1(a) 所示 线序从左到右依次为 :1 白橙 2 橙 3 白绿 4 蓝 5 白蓝 6 绿 7 白棕 8 棕 4 对双绞线电缆的线对 2 插入水晶头的 1 2 针, 线对 3 插入水晶头的 3 6 针 图 2.1 EIA/TIA T568A 与 EIA/TIA T568B 线对 2) 按照 EIA/TIA T568A 标准布线水晶头的 8 针与线对的分配如图 2.1(b) 所示 线序从左到右依次为 :1 白绿 2 绿 3 白橙 4 蓝 5 白蓝 6 橙 7 白棕 8 棕 4 对双绞线对称电缆的 线对 2 接信息插座的 3 6 针, 线对 3 接信息插座的 1 2 针 (2) 判断跳线线序只有搞清楚如何确定水晶头针脚的顺序, 才能正确判断跳线的线序 将水晶头有塑料 弹簧片的一面朝下, 有针脚的一方向上, 使有针脚的一端指向远离自己的方向, 有方型孔 的一端对着自己, 此时, 最左边的是第 1 脚, 最右边的是第 8 脚, 其余依次顺序排列 (3) 划分跳线的类型 按照双绞线两端线序的不同, 通常划分两类双绞线 1) 直通线 根据 EIA/TIA T568B 标准, 两端线序排列一致, 一一对应, 即不改变线的排列, 称为直通线 直通线线序如表 2.1 所示 当然, 也可以按照 EIA/TIA T568A 标准 制作直通线, 此时跳线的两端的线序依次为 :1 白绿 2 绿 3 白橙 4 蓝 5 白蓝 6 橙 7 白棕 8 棕 线对 2 (a)eia/tia T568A 线对 3 线对 3 线对 1 线对 4 线对 2 线对 1 线对 4 (b)eia/tia T568B 科学出版社职教技术中心 端 1 白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕 端 2 白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕 2) 交叉线 根据 EIA/TIA T568B 标准, 改变线的排列顺序, 采用 1-3,2-6 的交叉

58 54 计算机网络技术与实训 原则排列, 称为交叉网线 交叉线线序如表 2.2 所示 2.2 端 1 白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕 端 2 白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕 在进行设备连接时, 需要正确地选择线缆 通常将设备的 RJ-45 接口分为 MDI 和 MDIX 两类 当同种类型的接口通过双绞线互连时 ( 两个接口都是 MDI 或都是 MDIX), 使用交叉线 ; 当不同类型的接口 ( 一个接口是 MDI, 一个接口是 MDIX) 通过双绞线互连时, 使用直通线 通常主机和路由器的接口属于 MDI, 交换机和集线器的接口属于 MDIX 例如, 交换机与主机相连采用直通线, 路由器和主机相连则采用交叉线 表 2.3 列出了设备间的连线,N/A 表示不可连接 2.3 设备类型 计算机 路由器 交换机 MDIX 交换机 MDI 集线器 计算机 交叉 交叉 直通 N/A 直通 路由器 交叉 交叉 直通 N/A 直通 交换机 MDIX 直通 直通 交叉 直通 交叉 交换机 MDI N/A N/A 直通 交叉 直通 集线器 直通 直通 交叉 直通 交叉 注意 随着网络技术的发展, 目前一些新的网络设备可以自动识别连接的网线类型, 用户不管采用直通网线还是采用交叉网线均可以正确连接设备 2. 任务一 : 直通双绞线的制作在动手制作双绞线跳线时, 还应该准备好以下材料 (1) 双绞线在将双绞线剪断前一定要计算好所需的长度, 如果剪断的比实际长度还短, 将不能再接长了 (2)RJ-45 水晶接头 RJ-45 即水晶头, 每条网线的两端各需要一个水晶头 水晶头质量的优劣不仅是网线能够制作成功的关键之一, 也在很大程度上影响着网络的传输速率, 推荐选择真的 AMP 水晶头 假的水晶头的铜片容易生锈, 对网络传输速率影响特别大 制作过程可分为 4 个关键环节, 简单归纳为 剥 理 插 和 压 4 个字 步骤 1: 准备好 5 类双绞线 RJ-45 插头和一把专用的压线钳, 如图 2.2 所示 步骤 2: 用压线钳的剥线刀口将 5 类双绞线的外保护套管划开 ( 小心不要将里面的双绞线的绝缘层划破 ), 刀口距 5 类双绞线的端头至少 2cm, 如图 2.3 所示

59 第 2 章局域网组网实训 55 剥线刀口 压线钳 5 类线 RJ-45 插头 图 2.2 准备工具 图 2.3 划开 5 类双绞线的保护外套 步骤 3: 将划开的外保护套管剥去 ( 旋转 向外抽 ), 如图 2.4 所示 步骤 4: 露出 5 类线电缆中的 4 对双绞线, 如图 2.5 所示 图 2.4 剥去外保护管 图 对双绞线 步骤 5: 按照 EIA/TIA T568B 标准 ( 橙白 白 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 ) 和 导线颜色将导线按规定的序号排好, 如图 2.6 所示 步骤 6: 将 8 根导线平坦 整齐地平行排列, 导线间不留空隙, 如图 2.7 所示 步骤 7: 准备用压线钳的剪线刀口将 8 根导线剪断, 如图 2.8 所示 步骤 8: 剪断电缆线 一定要剪得很整齐 ; 剥开的导线长度不可太短, 可以先留长一些 ; 不要剥开每根导线的绝缘外层, 如图 2.9 所示 图 2.6 排好导线 剪线刀口 步骤 8 图 2.7 将导线排列好 科学出版社职教技术中心 图 2.8 剪断导线 图 2.9 剪断电缆线 步骤 9: 将剪断的电缆线放入 RJ-45 插头试试长短 ( 要插到底 ), 电缆线的外保护层最

60 56 计算机网络技术与实训 后应能够在 RJ-45 插头内的凹陷处被压实 反复进行调整, 如图 2.10 所示 步骤 10: 在确认一切都正确后 ( 特别要注意不要将导线的顺序排列反了 ), 将 RJ-45 插 头放入压线钳的压头槽内, 准备最后的压实, 如图 2.11 所示 压头槽 图 2.10 测试长短 图 2.11 将 RJ-45 插头放入压头槽 步骤 11: 双手紧握压线钳的手柄, 用力压紧, 如图 2.12 所示 在这一步骤完成后, 插头的 8 个针脚接触点就穿过导线的绝缘外层, 分别和 8 根导线紧紧地压接在一起 步骤 12: 完成, 如图 2.13 所示 现在已经完成了线缆一端的水晶头的制作 下面需要按照 EIA/TIA T568B 标准和前面介绍的步骤来制作另一端的水晶头 图 2.12 压紧 图 2.13 完成 3. 任务二 : 交叉双绞线的制作制作双绞线交叉线的步骤和操作要领与制作直通线一样, 只是交叉线两端一端按 EIA/TIA T568B 标准, 另一端按 EIA/TIA T568A 标准 4. 跳线的测试制作完成双绞线后, 下一步需要检测它的连通性, 以确定是否有连接故障 通常使用电缆测试仪进行检测, 建议使用专门的测试工具 ( 如 Fluke DSP4000 等 ) 进行测试, 也可以购买普通的网线测试仪, 如常用的上海三北的 能手 网络电缆测试仪, 如图 2.14 所示

61 第 2 章局域网组网实训 57 测试时将双绞线两端的水晶头分别插入主测试仪和远程测试端的 RJ-45 端口, 将开关开至 ON(S 为慢速挡 ), 主机指示灯从 1~8 逐个顺序闪亮 若连接不正常, 则会按下述情况显示 1) 当有一根导线断路, 则主测试仪和远程测试端对应线号的灯都不亮 2) 当有几条导线断路, 则相对应的几条线都不亮, 图 2.14 NS-468AT 网络电缆测试仪当导线少于 2 根线连通时, 灯都不亮 3) 当两头网线乱序, 则与主测试仪端连通的远程测试端的线号亮 4) 当导线有 2 根短路时, 则主测试器显示不变, 而远程测试端显示短路的两根线灯都亮 若有 3 根以上 ( 含 3 根 ) 线短路时, 则所有短路的几条线对应的灯都不亮 5) 如果出现红灯或黄灯, 就说明存在接触不良等现象, 此时最好先用压线钳压制两端水晶头一次, 再测, 如果故障依旧存在, 就得检查一下芯线的排列顺序是否正确 如果芯线顺序错误, 那么就应重新制作 提示 如果测试的线缆为直通线缆的话, 测试仪上的 8 个指示灯应该依次闪烁 如果线缆 为交叉线缆的话, 其中一侧同样是依次闪烁, 而另一侧则会按 这样的顺序闪烁 如果芯线顺序一样, 但测试仪仍显示红色灯或黄色灯, 则表明其中肯 定存在对应芯线接触不好的情况, 此时就需要重做水晶头了 实训目标 2.2 二层交换机配置实训 1) 掌握通过超级终端登录交换机的技能 2) 掌握配置交换机设备名称 地址及登录口令等基本配置技术 3) 掌握交换机 MAC 端口的配置及查看交换机信息的技能 实训设备 1) 各实训小组有以太网交换机 Cisco 3550 一台 2) 连网 PC 每人一台 3) 交换机配置线各一根 4) 局域网络环境 实训任务 通过交换机的 Console 口配置以太网交换机的主机名 Console 口令 远程登录口令 超级密码, 配置以太网交换机接口的 IP 地址 速率等, 完成交换机的基本配置 科学出版社职教技术中心

62 58 计算机网络技术与实训 实训步骤 1. 交换机的命令行工作模式 Cisco 交换机的配置命令是分级的, 不同级别的管理员可以使用不同的命令集 在命令 行状态下,Cisco 交换机主要有以下几种工作模式 (1) 用户模式 (User EXEC) 用户模式用于查看交换机的基本信息 从 Console 接口或 Telnet 及 AUX 进入交换机时, 首先要进入一般用户模式 在用户模式下, 用户只能允许少数的命令, 且不能对交换机进 行配置 在没有进行任何配置的情况下, 默认的交换机的提示符为 :switch > 如果配置了 交换机的名字, 则提示符为 : 交换机的名字 > 用 logout 命令退出用户模式 (2) 特权模式 (Privileged EXEC) 交换机未作任何配置时, 在 router> 提示符下输入 enable 命令, 交换机进入特权模式 如果配置了口令, 则需要输入口令 默认的特权模式的提示符为 :switch# 特权模式用于 查看交换机的各种状态, 绝大多数命令用于测试网络 检查系统等, 但不能对端口及网络 协议进行配置 如果配置了交换机的名字, 则提示符为 : 交换机的名字 # 用 exit 或 disable 命令退出到用户模式 (3) 全局配置模式全局配置模式中可以配置一些全局性的参数 要进入全局配置模式, 必须首先进入特 权模式 在进入特权模式前, 必须指定是通过终端 NVRAM 或是网络服务器进行配置 如果通过终端进行配置, 在特权模式下输入 Configure Terminal 命令, 进入全局配置模式 全局配置模式的提示符为 :switch(config)# 如果配置了交换机的名字, 则提示符为 : 交换机的名字 (config)# 用 Exit 或 End 及 Ctrl+Z 命令退出到特权模式 在全局配置模式下可进入各种子模式配置 ( 如端口配置等 ), 要进入配置子模式, 首先 必须进入全局配置模式 1) 端口配置模式 (interface configuration) 进入方式 : 在全局模式下用 interface 命令进入具体的端口 switch(config)#interface interface-type interface-number 提示符为 :switch(config-if)# 例如, 配置端口 fastethernet0/0: switch(config)#interface fastethernet0/0 2) 子端口配置模式 (subinterface configuration) 进入方式 : 在端口配置模式下用 interface 命令进入指定子端口 switch(config-if)#interface interface-type interface-number.number 提示符为 :switch(config-subif)# 3) 线路配置子模式 (line configuration) 进入方式 : 在全局配置模式下, 用 line 命令指定具体的 line 端口 switch(config)#line number 或 {vty aux con}number 提示符为 :switch(config-line)#

63 第 2 章局域网组网实训 终端控制台的连接和配置 这是交换机第一次配置时必须使用的方法 对交换机设置管理 IP 地址后, 也就可采用 Telnet 登录方式来配置交换机 对于可管理的交换机, 一般都提供有一个名 为 Console 的控制台端口 ( 或称配置口 ), 该端口 采用 RJ-45 接口, 是一个符合 EIA/TIA-232 异步 交换机 Console console 端口 串行规范的配置口 通过该控制端口, 可实现对交换机的本地配置, 其连接如图 2.15 所示 交换机一般都随机配送了一根控制线, 它的图 2.15 交换机配置口与超级终端的连接一端是 RJ-45 水晶头, 用于连接交换机的控制台端口, 另一端提供了 DB-9( 针 ) 和 DB-25( 针 ) 串行接口插头, 用于连接 PC 的 COM1 或 COM2 串行接口 华为交换机配送的是该类控制线 Cisco 的控制线两端均是 RJ-45 水晶头接口, 但配送有 RJ-45 到 DB-9 和 RJ-45 到 DB-25 的转接头 通过该控制线将交换机与 PC 相连, 并在 PC 上运行超级终端程序, 即可实现将 PC 仿真成交换机的一个终端, 从而实现对交换机的访问和配置 1) 将计算机的串行接口通过配置电缆与以太网交换机 Cisco 3550 的 Console 口连接, 从而建立本地配置环境 2) 运行 PC 超级终端 Windows 系统一般都默认安装了超级终端程序, 启动 Windows 操作系统, 选择 开始 程序 附件 通信 命令, 下面有 超级终端, 若没有, 可利用控制 面板的 添加 / 删除程序 来安装 单击 通讯 群组下的 超级终端 即可启动超级终端 首次启动超级终端时, 会要求输入所在地区的电话区号, 输入后将显示如图 2.16 所示的连接创建对话框, 在 名称 文本框中输入该连接的名称, 并选择所使用的示意图标, 然后单击 确定 按钮, 此时将弹出对话框, 要求选择连接使用的 COM 端口, 根据实际连接使用的端口进行选择, 如 COM1, 然后单击 确定 按钮, 此时将弹出如图 2.17 所示的对话框, 要求设置 COM 端口的属性 交换机控制台端口默认的通信波特率为 9600b/s 8 位数据位 1 位停止位 无校验和无流量控制 科学出版社职教技术中心 图 2.16 建立超级终端连接 图 2.17 设置超级终端的通信参数 3) 此时如果交换机已经启动, 按 Enter 键, 将进入交换机的用户模式并出现标识符