9.1.1　局域网概述和分类

局域网是将分散在有限地理范围内（如一栋大楼，一个部门）的多台计算机通过传输介质连接起来的通信网络，通过功能完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和资源共享。

1．局域网基本概念

局域网标准由美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的802委员会负责制定，这些标准都以802开头，目前与局域网有关的标准包括如下几种。

（1）802.1

局域网概念、体系结构、网络管理和性能测量等。

·IEEE 802.1d：生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）。

·IEEE 802.1q：虚拟局域网（Virtual LANs，VLAN），该规范确定了包含32位标签报头，所有32位均插入在分组的报头的正常目的地址与源地址之后。

·IEEE 802.1x：基于端口的访问控制（Port Based Network Access Control）

（2）802.2

逻辑链路控制协议（LLC）。

（3）802.3

以太网的介质访问控制协议（CSMA/CD）及物理层技术规范。

·IEEE 802.3ab：IEEE继超高速以太网络标准（802.3z）公布之后于1999年6月通过的规范，为针对实体媒介部分指定的1000Base-T规格。由于这项标准的通过，所以使得超高速以太网络不再只限制于光纤的传输环境。

·IEEE 802.1u：快速以太网（Fast Ethernet，FE）。

·IEEE 802.1z：千兆以太网（Gigabit Ethernet，GE）。

·IEEE 802.1ae：万兆以太网（10 Gigabit Ethernet，10GE）。

（4）802.4

令牌总线网介质访问控制协议及其物理层技术规范。

（5）802.5

令牌环网访问控制协议及其物理层技术规范。

（6）802.6

城域网介质访问控制协议DQDB及其物理层技术规范。

（7）802.7

宽带技术咨询组。

（8）802.8

光纤技术咨询组。

（9）802.9

综合话音/数据的局域网（Local Area Network Integrated Voice/Data，IVDLAN）介质访问控制协议以及物理层技术规范。

（10）802.10

局域网安全技术标准。

（11）802.11

无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）的介质访问控制协议及其物理层技术规范。

（12）802.12

100VG-AnyLAN的介质访问控制方法及物理层技术规范。

（13）802.16

无线城域网（World Interoperability for Microwave Access，WiMax）。

IEEE802系列标准关系如图9-1所示。

图9-1　IEEE802系列标准关系图

如图9-1所示，IEEE802的局域网标准包含了OSI参考模型中物理层和数据链路层的功能。其中，物理层负责体现机械、电气、功能和规程方面的特性，以建立、维持和拆除物理链路。数据链路层负责把不可靠的传输信道转换成可靠的传输信道，采用差错控制和帧确认技术实现相邻节点间数据的可靠传输。对局域网来说，这两层的功能都是必不可少的。OSI参考模型的网络层主要负责提供路由选择以及排序、流量控制、差错控制功能。而在局域网中不需要设立路由选择和流量控制功能，其他的网络层功能都可以放在数据链路层实现，因此局域网中可以不单独设置网络层。

从图9-1中还可以看出，在局域网标准中，数据链路层被进一步划分成介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层两个子层。这样划分的目的是将数据链路层功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分进行区分，降低研究和实现的复杂度。其中，MAC子层主要负责实现共享信道的动态分配，控制和管理信道的使用，即保证多个用户能向共享信道发送数据，并能从共享信道中识别并正确接收到发送给自己的数据。LLC子层具有差错控制、流量控制等功能，负责实现数据帧的可靠传输。各种不同的LAN标准体现在物理层和MAC层上，传输介质的区别对LLC来说是透明的。

2．局域网的组成和特点

要实现一个网络的正常运行，需要硬件和软件两方面条件的保证。从硬件角度来看，局域网的组成首先需要有能够正常运行的机器，包括个人计算机和各种服务器，而将这些独立的机器连接起来需要用到各种传输介质以及实现计算机和传输介质间互连功能的网卡。从软件角度来看，除了保证独立计算机正常运行的操作系统和各种应用软件之外，还需要有网络操作系统来控制和管理局域网的正常运行。由此看来，一个局域网主要由计算机（包括个人计算机和服务器）、传输介质、网络适配器（网卡）、网络操作系统这几部分构成。

由于局域网分布范围较小，配置较简单，它的主要技术特点表现在以下几方面。

·网络覆盖范围较小，适合于校园、机关、公司、企业等机构和组织内部使用。

·数据传输速率较高，一般为10~100Mbit/s，光纤高速网可达10Gbit/s。

·传输质量好，误码率低（通常低于10-8）。

·介质访问控制方法相对简单。

3．局域网拓扑结构

局域网的主要特征由网络的拓扑结构、所采用的协议类型及介质访问控制方法决定。本节介绍局域网使用的拓扑结构形式。局域网的拓扑结构是指连接网络设备的传输介质的铺设形式，局域网的拓扑结构主要有星形、总线型、环形和混合型。

（1）星形结构

星形结构由中心节点和分支节点构成。各个分支节点与中心节点间均具有点到点的物理连接，分支节点之间没有直接的物理通路。如果分支节点间需要传输信息，必须通过中心节点进行转发。或者由中心节点周期性地询问各分支节点，协助分支节点进行信息的转发。星形结构可以通过级联的方式很方便地将网络扩展到很大的规模。星形结构的网络拓扑结构图9-2所示。

由于在这种结构的网络系统中，中心节点是控制中心，任意两个分支节点间的通信最多只需两步，所以传输速度很快，而且星形网络结构简单、建网方便、便于控制和管理。但是，这种网络系统的可靠性很大程度上取决于中心节点的可靠性，对中心节点的可靠性和冗余度要求很高。一旦中心节点出现故障，则会导致全网瘫痪。

（2）环形拓扑

环形结构是指网络中各节点通过一条首尾相连的通信链路连接起来，形成的一个闭合的环，拓扑结构如图9-3所示。工作站通过环接口设备（如中继器）接入环路。当某个节点有数据发送时，首先将数据发送到对应的环接口设备，并沿环路发往其下行的环接口设备，该设备对其进行转发或者递交给设备附接的节点。环接口设备通常从一端接收数据，从另一端发出数据。因此整个环路中的数据是单向流动的。

环形结构中各工作站地位相等，相互独立。如果某个工作站节点出现故障，此工作站节点就会自动旁路，不影响全网的工作，可靠性较高。两个工作站节点之间仅有—条通路，系统中无信道选择问题。但在传输路径过长、传输经过的节点数过多的情况下，将导致数据的端到端传送时延过大。因此，环形网络在短距离、拓扑结构简单时具有较大的优势，但不适用于大规模的长途骨干网。

由于环形网络是一系列点对点链路串接起来的，所以可以使用任何传输介质。最常用的是价格较低廉的双绞线，使用同轴电缆则可获得较高的带宽，而光纤则能提供更大的数据传输速率。

环形网络的典型代表是令牌环局域网。在令牌环网络中，拥有“令牌”的设备才能在网络中传输数据，以此来保证在某一时间内网络中只有一台设备可以传送信息。

（3）总线型网

总线型结构网络是将各个节点设备和一根总线相连。网络中所有节点的工作站都是通过总线进行信息传输的。总线型拓扑结构如图9-4所示。工作站发出的数据组成帧，数据帧沿着总线向两端传播，每个数据帧中都含有源地址和目标地址，工作站监视总线上的信号，并将发送给自己的数据复制下来。由于总线是共享介质，多个站同时发送数据时会发生冲突，因此需要采用介质访问控制协议来防止冲突的发生，如带有冲突检测的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）技术。

图9-2　星形结构示意图

图9-3　环形结构示意图

图9-4　总线型结构示意图

总线型结构可使用的通信介质包括同轴电缆、双绞线及光纤。双绞线价格便宜，便于安装。同轴电缆和光纤则能提供更高的数据速率，连接更多的设备，传输的距离也更远。在总线型结构中，总线的负载能力是有限的，这是由通信介质本身的物理性能决定的。因此总线网络中工作站节点的数量是有限的。如果工作站节点的数最超出了总线的负载能力，就需要延长总线的长度，并加入相当数量的附加转接部件，使总线负载达到容量要求。

总线型结构易于布线和维护，结构简单，传输介质是无源元件。从硬件的角度看，总线型结构十分可靠，可扩充性好，节点设备的插入与拆除都非常方便。另外，总线结构网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便。当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统影响较小。因此，总线型结构网络是使用最普遍的一种网络。但是，由于所有工作站间的通信均通过一条共用的总线，所以实时性较差。而且总线拓扑网络不是集中控制的，所以故障检测功能要在网络的各个站点上进行。在扩展总线的干线长度时，需重新配置中继器、剪裁电缆、调整终端器等。总线上的站点需要具备介质访问控制功能，增加了站点的硬件和软件费用。

（4）混合型结构

混合型结构就是将上述各种拓扑混合起来的结构，常见的有树形（总线型结构的演变或者总线和星形的混合）、环星形（星形和环形拓扑的混合）等。