局域网技术与综合布线

局域网即在物理地址上彼此相隔不远的一组计算机和其他设备，以允许用户相互通信和共享诸如打印机和存储设备之类的计算资源的方式互连在一起的系统，它由特定类型的传输媒体(如电缆、光缆和无线媒体)和网络适配器(亦称为网卡)将计算机互连在一起，并受网络操作系统监控。电器和电子工程师协会802委员会，制定了一系列局域网标准--IEEE 802标准。按IEEE 802标准，局域网体系结构由物理层、媒体访问控制子层和逻辑链路控制子层LLC组成。
局域网技术与综合布线是网络工程中的重要组成部分，也是考试的重点部分。这一章要求考生既掌握丰富的基础知识，又具有工程的实际工作能力和业务水平。
★通过本章的学习，应该达到如下要求：
(1) 掌握LAN拓扑结构(包括总线型、星型、令牌总线等)。
(2) 掌握访问控制系统的基础知识(CSMA／CD、令牌环、令牌总线)。
(3) 熟悉LAN间的连接、LAN-WAN连接、对等连接、点对点连接。
(4) 熟悉高速LAN技术(千兆以太网)。
(5) 熟悉无线LAN。
(6) 掌握以太网交换机的部署及实际设置。
(7) 掌握VLAN的基础知识及实际配置。
(8) 掌握综合布线的概念及工程安装。
(9) 了解三层交换技术。


2．1 局域网基础

本节的主要内容包括局域网的特性和类型、局域网的组成、局域网的应用以及局域网的协议及标准。
1．局域网体系结构
局域网体系由物理层、媒体访问控制子层MAC(Media Access Control)和逻辑链路控制子层LLC(Logical Link Control)组成。
IEEE 802参考模型的最低层对应于OSI模型中的物理层，包括信号的编码／解码、前导码的生成／去除以及比特的发送／接收功能。
IEEE 802参考模型的MAC和LLC合起来对应于OSI模型中的数据链路层。
MAC子层完成的功能如下：
(1) 在发送时将要发送的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错检测等字段。
(2) 在接收时，将接收到的帧解包进行地址识别和差错检测。
(3) 管理和控制对于局域网传输媒体的访问。
LLC子层完成的功能如下：
(1) 为高层协议提供相应的接口，即一个或多个服务访问点(Service Access Point，SAP)，通过SAP支持面向连接的服务和复用能力。
(2) 端到端的差错控制和确认，保证无差错传输。
(3) 端到端的流量控制。
在局域网中采用了两级寻址，用MAC地址标识局域网中的一个站，LLC提供了服务访问点(SAP)地址，SAP指定了运行于一台计算机或网络设备上的一个或多个应用进程地址。
2．局域网拓扑结构
局域网拓扑结构通常分为三种，分别是总线型拓扑结构、星型拓扑结构和环型拓扑结构。
总线型拓扑结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式，连接端用户的物理媒体由所有设备共享。
星型拓扑结构存在着中心结点，每个结点通过点对点的方式与中心结点相连，任何两个结点之间的通信都要通过中心结点来转接。
环型拓扑结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有端用户连成环型。
3．局域网媒体访问控制方法
目前，计算机局域网常用的访问控制方式有三种，分别是载波侦听多路访问／冲突检测(CSMA／CD)、令牌环访问控制法(Token Ring)和令牌总线访问控制法(Token Bus)。
CSMA／CD是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection的缩写，含有两方面的内容：载波侦听(CSMA)和冲突检测(CD)。CSMA／CD访问控制方式主要用于总线型网络拓扑结构，是IEEE 802.3局域网标准的主要内容。
Token Ring是Token Passing Ring的简写，即令牌通行环。其主要技术指标是：网络拓扑为环型布局，基带网，数据传送速率为4 Mb／s，采用单个令牌(或双令牌)的令牌传递方法。环型网络的主要特点是：只有一条环路，信息单向沿环流动，无路径选择问题。
Token Bus是Token Passing Bus的简写，即令牌通行总线。这种方式主要用于总线型或树型网络结构中。1976年由美国Data Point公司研制成功的ARCnet(Attached Resource Computer)网络，综合了令牌传递方式和总线网络的优点，在物理总线结构中实现令牌传递控制方法，从而构成一个逻辑环路。此方式也是目前计算机局域网中的主流介质访问控制方式。
4．无线局域网简介
1) 无线数据网络种类
无线数据网络解决方案包括无线个人网、无线局域网、无线城域网和无线广域网。
无线个人网主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访问本地外围设备(如打印机)等。WPAN通常形象描述为“最后10米”的通信需求，目前主要技术为蓝牙(Bluetooth)技术。
无线局域网是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段。WLAN可提供传统有线局域网的所有功能，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。目前，WLAN领域主要是IEEE 802.11x系列。
无线城域网是一种有效作用距离比WLAN更远的宽带无线接入网络，通常用于城市范围内的业务点和信息汇聚点之间的信息交流和网际接入。有效覆盖区域为2～10 km，最大可达30 km，数据传输速率最快可高达70 Mb／s。目前，主要技术为IEEE 802.16系列。
无线广域网WWAN(Wireless WAN)主要是解决超出一个城市范围的信息交流无线接入需求的。IEEE 802.20和3G蜂窝移动通信系统构成了WWAN的标准。
2) 无线局域网扩频技术
无线局域网采用电磁波作为载体传送数据信息。目前，无线局域网的数据传输通常采用无线扩频技术SST(Spread Spectrum)。常见的扩频技术包括两种：跳频扩频和直接序列扩频，它们工作在2.4～2.4835 GHz范围内。跳频技术将83.5 MHz的频带划分成79个子频道，每个频道带宽为1 MHz。信号传输时在79个子频道间跳变，因此发送方与接收方必须同步，获得相同的跳变格式，否则，接收方无法恢复正确的信息。
3) 无线局域网拓扑结构
无线局域网拓扑结构有两种：对等网络和结构化网络。
对等网络(Peer to Peer)用于一台计算机(无线工作站)和另一台或多台计算机(其他无线工作站)的直接通信，该网络无法接人有线网络中，只能独立使用。对等网络中的一个结点必须能“看”到网络中的其他结点，否则就认为网络中断，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4～8个用户，并且他们要离得足够近。
结构化网络(Infrastructure)由无线访问点AP(Access Point)、无线工作站STA (Station)以及分布式系统(DSS)构成，覆盖的区域分基本服务区BSS(Basic Service Set)和扩展服务区ESS(Extended Service Set)。
4) 无线局域网的几个主要工作过程
无线局域网的主要工作过程包括扫频、关联、重关联、漫游。
5) 无线局域网的访问控制方式
IEEE 802.11b标准的无线局域网使用的是带冲突避免的载波侦听多路访问方法(CSMA/CA)。

2．2 以太网

1．以太网简介
1977年底，CSMA／CD的出现宣告了以太网的正式诞生。
1980年9月，以太网蓝皮书公布。
1983年，以太网技术(802.3)、令牌总线(802.4)和令牌环(802.5)共同成为局域网领域的三大标准。
1995年，IEEE正式通过了802.3u快速以太网标准，以太网技术实现了第一次飞跃。
1998年，802.3z千兆以太网标准正式发布。
2002年7月18日，万兆以太网标准802.3ae正式通过。
以太网具有如下几个特点：
(1) 开放标准，获得众多厂商的支持。
(2) 易于移植和升级，可最大限度地保护用户投资。
(3) 价格便宜，管理成本低。
(4) 结构简单，组网方便。
2．以太网综述
1) 10M以太网
10M以太网根据传输介质的不同，大致有4个标准，各个标准的MAC子层媒体访问控制方法和帧结构，以及物理层的编码译码方法(曼彻斯特编码)均是相同的，不同的是传输媒体和物理层的收发器及媒体连接方式，依照技术出现的时间顺序，这4个标准依次是：
10Base-5：工作速率为10 Mb／s，采用基带信号，每一个网段最长为500 m，整个网络的最大跨距为2500 m。采用“5-4-3”法则：5个电缆段、4个中继器、3个共享网段。
10Base-2：工作速率为10 Mb／s，采用基带信号，每一个网段最长约为200 m，整个网络的最大跨距为925 m。
10Base-T：工作速率为10 Mb／s，采用基带信号，T表示的是传输媒体双绞线(Twisted Pair)，整个网络的最大跨距为500 m。
10Base-F：工作速率为10 Mb／s，采用基带信号，F表示的是传输媒体光纤(Fiber)，整个网络的最大跨距为4000 m。
2) 百兆以太网
100Base-T4：传输载体使用3类UTP，信号速率为25 MHz，需要4对双绞线，使用三元信号(不是曼彻斯特编码)，每个周期发送4 bit，这样就获得了所要求的100 Mb／s，还有一个33.3 Mb／s的保留信道。
100Base-TX：传输载体使用5类100 Ω UTP，采用了一种运行在125 MHz下的被称为4B／5B的编码方案，该编码方案将每4 bit的数据编成5 bit的数据，挑选时每组数据中不允许多于3个“0”出现，然后再将4B／5B码进一步编成NRZI码进行传输。这样获得100 Mb／s的数据传输速率，只需要125 MHz的信号速率。
100Base-FX：既可以选用多模光纤，也可以选用单模光纤。在全双工情况下，多模光纤传输距离可达2 km，单模光纤传输距离可达40 km。
3) 千兆以太网
1000Base-LX：使用长波激光作为信号源的网络介质，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。光纤规格如下：62.5μm多模光纤、50μm多模光纤和9μm单模光纤。使用多模光纤时，在全双工模式下，最长传输距离可以达到550 m；使用单模光纤时，全双工模式下的最长有效距离为5 km。系统采用8B／10B编码方案，连接光纤所使用的SC型光纤连接器与快速以太网100Base-FX所使用的连接器的型号相同。
1000Base-SX：使用短波激光作为信号源的网络介质，不支持单模光纤，只能驱动多模光纤。具体包括以下两种：62.5μm多模光纤和50 μm多模光纤。使用62.5μm多模光纤，全双工模式下的最长传输距离为275 m；使用50μm多模光纤，全双工模式下的最长有效距离为550 m。系统采用8B／10B编码方案，1000Base-SX所使用的光纤连接器与1000Base-LX一样，也是SC型连接器。
1000Base-CX：使用铜缆作为网络介质的千兆以太网，使用的是一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽铜缆，最长有效距离为25 m，使用9芯D型连接器连接电缆，系统采用8B／10B编码方案。1000Base-CX适用于交换机之间的短距离连接，尤其适合于千兆主干交换机和主服务器之间的短距离连接。以上连接往往可以在机房配线架上以跨线方式实现，不需要再使用长距离的铜缆或光纤。
1000Base-T：使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网，最长有效距离与100Base-TX一样，可以达到100 m。用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100 Mb／s到1000 Mb／s的平滑升级。与我们在前面所介绍的其他三种网络介质不同，1000Base-T不支持8B／10B编码方案，需要采用专门的更加先进的编码／译码机制。
4) 万兆以太网
(1) 10GE以太网。
物理层：802.3ae大体分为两种类型，一种是与传统以太网连接，速率为10 Gb／s的“LAN PHY”；另一种是连接SDH／SONET，速率为9.584 64 Gb／s的“WAN PHY”。
传输介质层：802.3ae目前支持9μm单模光纤、50 μm多模光纤和62.5μm多模光纤。
数据链路层：802.3ae继承了802.3以太网的帧格式和最大／最小帧长度，支持多层星型连接、点到点连接及其组合，充分兼容已有应用，不影响上层应用，进而降低了升级风险。与传统的以太网不同，802.3ae仅仅支持全双工方式，而不支持单工和半双工方式，不采用CSMA／CD机制。802.3ae不支持自协商，可简化故障定位，并提供广域网物理层接口。
(2) 40GE以太网。未来两年内，以太网最高数据传输速率将可望提高至40 Gb／s。Cafiero称，业内将40G而非lOOG确定为以太网下一步发展目标的重要原因在于，与lOOG以太网相比，研发40G以太网在技术上面临的挑战相对较小，更为切实可行。与此同时，Cafiero还指出，实际上，借助新发布的Supervisor Engine 720引擎，思科公司的Catalyst 6500旗舰级企业交换平台目前已可以为每一接口卡提供40 Gb／s的数据传输速率支持。他还指出，新型以太网技术成功的关键在于能够推动单位数据传输成本的下降。
3．以太网技术基础
1) IEEE 802.3帧的结构
媒体访问控制子层(MAC)的功能是以太网的核心技术，它决定了以太网的主要网络性能。MAC子层通常又分成帧的封装／解封和媒体访问控制两个功能模块。
2) 以太网的跨距
系统的跨距表示了系统中任意两个站点间的最大距离范围，媒体访问控制方式CSMA／CD约束了整个共享型快速以太网系统的跨距。
碰撞槽时间为(Slot time)为
Slot time ≈ 2S / 0.7c + 2tPHY
如果考虑一段媒体上配置了中继器，且中继器的数量为N，设一个中继器的延时为tr，则
Slot time ≈ 2S／0.7c + 2tPHY + 2Ntr
如果Slot time = Lmin／R，Lmin称为最小帧长度，R为传输速率，则系统跨距S的表达式为
S ≈ 0.35c(Lmin／R - 2tPHY - 2Ntr)
通过前面的学习可知，Lmin = 64B = 512 bit，c = 3×108m／s，所以在10 Mb／s以太网环境中，R = 10×106b／s，在100 Mb／s以太网环境中，R = 100×106b／s。
3) 交换型以太网
在整个共享型以太网系统中，受到CSMA／CD媒体访问控制方式的制约，整个系统处在一个碰撞域范围中，系统中每个站都可能在往媒体上发送帧，那么每个站要占用媒体的机率就是10(Mb／s)／n，n为站数。
为了解决共享型以太网的问题，于是产生了交换型以太网。交换型以太网的特点是使用交换机代替Hub，交换机可以使多个用户同时使用此网络。这样一来，如果用户选用的是快速交换型以太网或者千兆交换型以太网的话，那么一个用户就可以独享100 Mb／s，甚至是1000 Mb／s的数据传输率，而不用去考虑其他用户的使用情况，因此网络的实际带宽得到大幅度提高，可以实现高速的数据传输，任何应用都不会为带宽而担忧了。
4) 全双工以太网
传统的共享介质以太网只以半双工模式工作，网络在同一时间要么发送数据，要么接收数据，而不能同时发送和接收数据。对所有的用户，共享以太网都依赖单条共享介质，因此在技术上不可能同时发送和接收。
全双工以太网与传统半双工以太网技术的区别在于：每个端口和交换机背板之间都存在两条逻辑通路。这样，每一个端口就可以同时接收和发送帧，不再受到CSMA／CD的约束，在端口发送帧时不再会发生帧的碰撞，已无碰撞域的存在。全双工的优点是很明显的：同时发送和接收，在理论上这可以使传输速度翻一番。
4．以太网交换机的部署
以太网交换机的部署包括级联(Uplink)模式、堆叠(Stack)模式和混合模式。
1) 级联模式
级联模式是最常规、最直接的一种扩展方式。级联模式是通过双绞线或光纤级联的，一般在交换机的前面板上有专门的级联口，如果没有，也可以用交叉接法来级联。级联是通过端口进行的，级联后两台交换机是上下级的关系。
级联模式起源于早期的共享型集线器(Hub)，共享型集线器的物理拓扑结构是星型的，而逻辑拓扑结构是总线型的。集线器仅仅相当于一条浓缩了的总线，在集线器的某一个端口级联另一台集线器，只是相当于把浓缩的总线又加长了一些，但其仍然是一条总线，所有端口都要在一个碰撞域里受到CSMA／CD的约束。
2) 堆叠模式
堆叠模式通常是扩充带宽时用的，通常用专门的堆叠卡插在交换机的后面，用专门的堆叠电缆连接几台交换机，堆叠后这几台交换机相当于一台交换机。堆叠是采用交换机背板的叠加，使多个工作组交换机形成一个工作组堆，从而提供高密度的交换机端口的。堆叠中的交换机就像一个交换机一样，配制一个IP地址即可。
级联是通过交换机的某个端口与其他交换机相连的，而堆叠是通过集线器的背板连接起来的，它是一种建立在芯片级上的连接，如两个24口交换机堆叠起来的效果就像是一个48口的交换机。
3) 混合模式
在实际的应用中，由于网络的复杂性和用户需求的多重性，通常同时使用两种模式进行交换机的部署，即混合模式。
5．以太网交换机的设置
这一知识点主要考察考生的实际动手能力。必须熟练掌握：
(1) 通过仿真终端进行IP地址设置。
(2) 通过浏览器进行管理。
6．在以太网中划分VLAN
VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性问题而提出的一种协议，它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLAN ID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。虚拟局域网的好处是可以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态地管理网络。
VLAN可分为以下几类：
(1) 基于端口划分的VLAN。
(2) 基于MAC地址划分的VLAN。
(3) 基于网络层协议划分的VLAN。
(4) 根据IP组播划分的VLAN。
7．三层交换
三层交换，又称多层交换或IP交换，是将传统交换器与传统路由器结合起来的网络设备，它既可以完成传统交换机的端口交换功能，又可以完成部分路由器的路由功能。三层交换技术就是“二层交换 + 三层转发”。
几种广泛应用的三层交换技术有：
(1) 3Com的Fast IP。
(2) 3Com的FIRE。
(3) Cisco的NetFlow。
(4) Cisco的标记交换

媒体访问控制子层(MAC)的功能是以太网的核心技术，它决定了以太网的主要网络性能。MAC子层通常又分成帧的封装／解封和媒体访问控制两个功能模块。