计算机网络局域网技术及应用

2022-11-26

1 局域网的基本概念

局域网 (LAN——Local Area Networ k) 是指覆盖范围仅限于有限区域的通信子网, 有时也被称为区域网络。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媒体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共享资源。

局域网定义为:允许中等地域内的众多独立设备, 通过中等速率的物理信道, 直接互连通信的数据通信系统。

2 局域网的逻辑结构及相关标准

局域网是一类通信子网, 主要支持结点之间的信息传输, 其工作主要集中在ISO OSI/RM中物理层、数据链路层和网络层。由于局域网具有许多不同的类型, 不同类型的局域网在传输媒体使用及访问控制方法等方面具有各自的特点, 具有不同的应用背景。为了规范LAN的设计, IEEE的802委员会针对各种局域网的特点, 并且参照ISO/OSI参考模型, 制定了有关局域网的标准 (称为IEEE 802系列标准) , 该组标准中的一部分已被ISO所采纳, 对应的ISO标准为ISO 8802系列标准。

由于局域网采用广播方式发送信息 (这种方式有时也称为媒体共享) , 一个结点发出的信息可为网中所有结点所接收, 不需要路由功能, 因此局域网中可以省略独立的网络层功能, 而将排序、流量控制等部分功能归并到数据链路层解决。由于局域网中存在多种传输媒体类型, 以及多种解决媒体共享的控制方法, 所以将局域网的数据链路层分为两个子层加以考虑, 分别为逻辑链路控制子层 (LLC) 和媒体访问控制子层 (MAC) 。

3 常用的局域网技术

3.1 载波侦听多路方向/冲突检测 (CSMA/CD)

载波侦听多路访问/冲突检测 (CSMA/CD) 是目前占据市场份额最大的局域网技术。CSMA/CD是一种总线结构的网络。CS-MA/CD采用分布式控制方法, 附接总线的各个结点通过竞争的方式, 获得总线的使用权。只有获得使用权的结点才可以向总线发送信息帧, 该信息帧将被附接总线的所有结点感知。

载波侦听:发送结点在发送信息帧之前, 必须侦听媒体是否处于空闲状态。多路访问:多个结点可以同时访问媒体, 通过竞争确定占用媒体的结点。一个结点发送的信息帧可以被多个结点所接收, 通过地址 (单地址访问、组地址访问和广播地址访问) 来确定信息帧的接收者。

冲突检测:发送结点在发出信息帧的同时, 还必须监听媒体, 判断是否发生冲突 (同一时刻, 其它结点是否也在发送信息, 此时, 信息在媒体上的重叠将使得接收结点无法获得正确的接收结果) 。IEEE802.3或者ISO 8802/3定义了CSMA/CD的标准。

CSMA/CD的特点如下。

(1) 各结点采用竞争的方法抢占对共享媒体的访问权利。

(2) 网络维护方便, 增/删结点容易。

(3) 轻负载 (结点少, 或者信息发送不频繁) 时, 效率较高;重负载时, 冲突概率增加, 难以估计最坏情况下的发送延迟 (抢占到媒体访问权利的时间) 。统计表明, 如果负载超过信息容量的70%时, 网络性能将急剧下降。

(4) 重负载时难以估计最坏情况下的发送延迟的特点, 使得CSMA/CD方式不适合对实时性要求较高的应用环境。

3.2 以太网 (Ethernet)

以太网是以CSMA/CD方式工作的典型网络, 最初的以太网采用无源传输媒体——同轴电缆作为总线传输信息, 并以历史上用于表示传播电磁波的物质 (以太——Ether) 来命名。

因为DIX仅涉及OSI的低二层, 因此, 凡是低二层设计遵循DIX规范的LAN都被称为以太网。

以太网技术发展很快, 已经出现了多种形式的以太网。不同的以太网采用不同的传输媒体、具有不同的数据传输速率, 支持不同的最大网段距离, 并且具有不同的物理拓扑结构。以太网可以分成基于共享式集线器 (HUB) 的以太网, 基于交换式集线器 (Switch) 的以太网, 基于全双工交换器的以太网, 快速以太网, 千兆以太网。

3.3 基于共享式集线器 (HUB) 的以太网

集线器 (HUB) 最初是一种无源耦合器, 类似于整个总线“浓缩”到HUB中的一点。由于HUB是总线的“浓缩”, 因此, 附接HUB端口的结点共享HUB的带宽。HUB在支持结点接入的同时, 也提供信号整形、放大的功能。HUB一般具有8个或16个8针RJ-45端口。结点则通过网卡上的RJ45插口经双绞线接入HUB, 形成星形拓扑结构。多个集线器可以串接在一起, 形成较多结点的共享网络。

共享式集线器虽然在布线、稳定性和可维护性等方面解决了总线式的缺点, 但它毕竟是一种共享媒体的网络, 附接到HUB (包括串接的HUB) 的所有结点仍然属于同一个冲突域。当其中一个结点发送信息时, 其它的结点只能等待倾听和等待信道空闲。随着网络结点的增加和网络上负载的增加, 利用HUB (包括HUB串接) 形成的网络会因冲突的概率增加, 导致整个网络的性能大幅度降低。

3.4 基于交换式集线器 (Switch) 的以太网

针对共享式以太网的缺点, 人们设计了基于交换的以太网, 用专用的基于交换的集线器——以太网交换机 (Switch) 连接各计算机结点。以太网交换机在外观上类似于HUB, 但在内部采用了电路交换的原理将一个端口的输入交换到另一个指定的端口。交换器同时采用了交换和缓存机制相融合的技术, 使得附接每个端口的结点的数据的收发, 可以不受其它结点的限制。多个端口可同时进行数据交换, 从而真正地确保了每个端口可以独享带宽, 并使得整个交换器的吞吐能力得到大幅度的提高, 提高的倍数等同于端口的个数。例如:对于一个8端口的交换器, 每个端口具有10Mbps的输入/输出能力, 交换器的总吞吐能力将达到80Mbps。

交换器也可以串接或者堆叠, 堆叠是利用专门的高速背板将多个交换器级联在一起, 以增加交换器的端口数。此外, 交换器可以和HUB配合使用, 也是目前为节省投资而常用的方式。

3.5 快速以太网

快速以太网提供100Mbps的网络带宽, 采用IEEE 802.3u规范, 其特点是继承了原有的802.3的MAC访问控制技术 (CSMA/C D) , 帧格式, 接口, 以及退避算法, 将传输速率提高了10倍 (从10Mbps提高到100Mbps) ;此外, 它也可以直接利用原有的线缆设施, 从而支持10Mbps至100Mbps的无缝连接和自然过渡。由于IEEE 802.3u几乎原封不动的套用了原来的协议, 因此并不比10BASE-T存在太多的技术成分。需要指出的是, 所有的快速以太网都采用具有共享式或者交换式集线器的星形结构。对应不同的传输媒体, 具有多种基于CSMA/CD的100Mb ps快速以太网。

100BASE-TX是使用2对5类UTP的快速以太网, 一对双绞线用于发送, 另一对双绞线用于接收。使用5类UTP, 可以在100m的距离上支持高达100Mpbs的数据传输速率。

100BASE-FX是使用2芯光缆 (分别用于发送和接收信号) 的快速以太网。使用的媒体可以是单模或者多模光纤, 单段光纤的长度分别可达10km或者2km。

3.6 千兆以太网

在百兆以太网 (100Mbps) 问世不久的1996年初, IEEE 802.3委员会成立了802.3z千兆网工作组, 开始致力于更高速的千兆 (100Mbps或者1Gbps) 以太网的研究。

类似于100Mbps以太网, 千兆以太网仍然采用CSMA/CD的媒体访问控制技术, 并支持共享式、交换式、全双工和半双工的操作。目前, 世界上一些著名的网络设备厂商都推出了各自的千兆交换以太网设备, 在一些企业也已将千兆交换机作为企业局域网的主干设备, 以支持千兆的主干速率。

企业在组建局域网时, 一般将几种以太网技术结合使用, 如用千兆交换机作为局域网主干设备, 通过光纤下连100M交换机, 或企业主服务器, 构成企业的千兆主干网;用100M交换机中间级的网络设备, 上连千兆交换机, 下连10M交换机;用10M交换机作为用户的网络设备, 使得10M交换到用户桌面, 从而构成了合理的有层次结构的企业网。

4 企业局域网的组建

在进行网络规划和设备选型时, 应具有一定的技术前瞻性, 选用能够进一步发展的网络技术和具有升级能力的网络设备。设备选型应遵循的原则是:首先设备应能满足企业的应用需求, 实用性好, 性价比高。第二开放性要好, 以便于与企业网和国内外其他网络连接, 能方便地升级。第三要有良好的安全性和可靠性。第四, 在实用性的前提下应尽量采用先进的技术和设备。

4.1 服务器

网络服务器的功能和性能对局域网的应用能力有很大的影响, 尤其是当今计算机网络基本上采用客户机/服务器 (C/S) 或浏览器/服务器 (B/S) 分布处理方式, 选择合适的网络服务器变得更加重要。域名服务器和数据库服务器是网络的中心环节。在企业局域网中, 可以把一台服务器作为域名服务器并兼做Exchange服务器, 或使用一台专用服务器使得数据库操作运算在服务器上进行。一般来说服务器应选择具有双CPU, 多个SCSI硬盘接口和128M以上的内存等结构, 同时, 系统应具有可扩充性。

4.2 集线器和交换机

企业局域网用可升级的10/100Mbps自适应交换机做骨干是比较好的选择。作为最终用户接入端, 用10/100Mbps以太网/快速以太网双速集线器是最佳选择。选择8端口和16端口集线器进行组合是较灵活的解决方案。多个集线器的组合主要有2种方式, 一是堆叠, 即使用多叠电缆将多个集线器的背板通讯线路连接起来, 等效于延长背板线路, 最多可达6～7个集线器堆叠, 集线器堆叠组合的优点是集线器之间的通讯可以接近背板速率, 速度快, 延时小, 缺点是堆叠电缆长度有限, 一般不超过2m, 布线局限性较大。集线器的另一种组合方式是使用上链端口将集线器级联起来, 级联用电缆就是普通的5类非屏蔽双绞线电缆 (UTP) , 级联长度可高达10m。

企业每个楼层用2台10/100Mbps自适应双速集线器为骨干, 采用星形总线连接, 然后将中心机房交换机与每个楼层的集线器上链端口连接起来。对于数据传输量不大的部门采用10M适配器, 而对于数据传输量大的部门采用100M适配器。集线器虽然分布于不同的楼层, 但统一由计算中心供电, 电源线和网络缆线采用结构化布线。可以通过由计算中心控制的1～2台调制解调器和防火墙等安全措施上Internet网。

企业网络建设是一个循序渐进的过程, 建设企业网络必须要有一个良好的规划。通过利用Internet/In-tranet的网络优势来解决企业各系统间的数据交换和资源共享是一种有效途径。

4.3 VLAN在企业网络中的应用

VLAN (Virtual Local Area Network) 又称虚拟局域网, 是指在交换局域网的基础上, 采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。

4.3.1 建立虚拟工作组

组建局域网中的“部门网”、“业务网”等。在企业中采用VLAN技术, 在添加、删除和移动网络成员时, 不用重新布线, 可以在不改动网络物理连接的情况下, 任意调整计算机终端的网络划分, 选择企业局域网络内部业务相近或相通的计算机终端构成局域网中的逻辑子网, 建立虚拟工作组。若采用传统局域网技术, 当网络达到一定规模时, 此类改变、添加、删除网络成员的开销往往会成为网络管理员的沉重负担。

4.3.2 实现企业网络的动态管理

针对企业网络内部一些特殊工种 (如网管中心技术人员) 或企业高级管理人员需要移动办公时, 可用按MAC地址或基于网络层划分VLAN的方式, 当上述网络用户的物理位置改变时, 毋须任何改动, 仍可访问其原来所在的VLAN, 获取所需要的信息资料, 减少企业网络用户移动和改变的代价。

4.3.3 共享访问

在企业网络设计阶段, 出于网络安全的考虑, 企业网络常会选择一个共同的出口访问互联网, 便于加强企业内部网络的安全管理和控制。对于这种情况, VLAN提供了很好的的解决方案, 企业内网通过划分VLAN实现各个VLAN间的相互访问和相对独立, 利用中继技术, 对提供接入服务的服务器或路由器配置中继, 实现共享接入。网络管理者通过设置中继的访问许可, 可以灵活地控制企业网中各个VLAN对外网的访问。

4.3.4 控制广播风暴, 增强企业网络的安全性

在大型企业中, 由于局域网中计算机的数量很多, 大量的广播信息必然会消耗带宽, 导致网络速度迟缓甚至网络瘫痪。通过划分VLAN, 网络被逻辑地分割成广播域, 由VLAN成员所发送的信息帧或数据包仅在VLAN内的成员之间传送, 而不是向网上的所有工作站发送, 与传统局域网相比, VLAN减少了主干网的流量, 能够更加有效地利用带宽, 控制广播风暴, 提高网络速度。

配置VLAN后, 由于不同VLAN间的数据包不互相发送, 可以减少或避免局域网病毒在网络中的传播、防止网络窃听;通过路由访问列表、MAC地址分配等VLAN划分原则, 可以控制企业网络内部I P地址的盗用, 控制用户的访问权限和逻辑子网的大小, 提高网络的整体安全性。

5 结语

企业在组建局域网时需要从实际应用需求出发, 要考虑网络标准化, 以支持今后网络扩展和互联;对于访问控制方法, 网络应满足应用系统对吞吐量和响应时间的要求, 尤其要考虑负载峰值和平均吞吐量;网络传输距离和拓扑结构, 应满足用户的现场环境和介质访问的要求;传输介质应满足网络带宽、抗干扰和易安装等要求;网络管理软件应支持多种服务、管理功能及兼容性要求。随着计算机科学、信息技术的发展, 局域网技术会更加先进, 局域网的应用会更加广泛。

摘要：本文介绍了局域网的基本概念以及局域网使用的传输媒体, 目前企业组建局域网常用的局域网技术及其应用, 包括CSMA/CD媒体访问控制、共享以太网、交换以太网、快速以太网、千兆以太网, 对企业组建局域网提出了一些建议。

关键词：局域网,CSMA/CD,以太网,企业网