局域网组成与实践.ppt
第5章局域网组成与实践,5.1局域网使用的传输介质5.2局域网组网需要的设备5.3局域网的组网方法5.4局域网结构化布线技术5.5本章总结,在学习局域网的基本工作原理后，就可以开始学习局域网组网技术了，这是读者需要掌握的基本内容。本章介绍局域网的传输介质、局域网组网需要的设备、局域网组网方法，以及局域网结构化布线技术。5.1 局域网使用的传输介质 1.IEEE 802.3标准支持的传输介质IEEE 802.3标准为了能支持多种传输介质，在物理层为每种传输介质确定了相应的物理层标准。这些标准主要有以下几种：10 BASE5（粗缆）；10 BASE2（细缆）；,10 BASET（非屏蔽双绞线）；10 BASEFP、10 BASEFB与10 BASEFL（光缆）。IEEE 802.3u标准为了能支持多种传输介质，在物理层为每种传输介质确定了相应的物理层标准。这些标准主要有以下几种：100 BASETX（5类非屏蔽双绞线）；100 BASET4（3类非屏蔽双绞线）；100 BASEFX（光缆）。2.IEEE 802.3物理层标准类型IEEE 802.3与IEEE 802.3u的物理层标准与802.3的MAC子层、LLC子层的关系如图5.1所示。从图,中可以看出，Ethernet在逻辑链路控制LLC子层采用802.2标准，在介质访问控制MAC 子层采用CSMA/CD方法。在物理层可以任意选用以上5类标准中的一种或多种的组合，这就构成了Ethernet的物理结构。IEEE 802.3物理层标准类型有以下几种：(1)10 BASE5是IEEE 802.3物理层标准中最基本的一种。它采用的传输介质是阻抗为50欧姆的基带粗同轴电缆。粗缆的最大长度为500 m，数据传输速率为10 Mbps。网卡与收发器采用标准的15针AUI连接器，收发器与网卡之间采用收发器电缆（或称AUI电缆）连接。,图 5.1,(2)10 BASE2是IEEE 802.3补充的第一个物理层标准。它采用的传输介质是阻抗为50欧姆的基带细同轴电缆。细缆的最大长度为185 m，数据传输速率为10 Mbps。网卡上提供BNC 连接插头，细同轴电缆通过BNCT型连接器与网卡连接。(3)10 BASET是1990年补充的另一个物理层标准。10 BASET采用以集线器（hub）为中心的物理星型拓扑结构，使用标准的RJ45接插件与3类或5类非屏蔽双绞线UTP连接网卡与集线器。网卡与集线器之间的双绞线长度最大为100 m。(4)10 BASEFP、10 BASEFL与10 BASEFB是IEEE 802.3物理层标准中新补充的三种光纤传输介质标准，传输速率为10 Mbps。10 BASEFP 标准,定义了利用无源集线器（passive hub）连接光纤的以太网，其基本结构与10 BASET类似，采用物理星型拓扑结构，网卡与无源集线器之间用光纤连接起来，最大距离为500 m。10 BASEFB标准将网卡与有源集线器（active hub）之间用光纤连接起来，最大距离可以达到2000m。10 BASEFL标准将以太网中继器的数目由最多4个扩展到6个，以便增加Ethernet主干电缆的长度。(5)100 BASETX支持5类非屏蔽双绞线UTP与1 类屏蔽双绞线STP，100 BASET4支持3类非屏蔽双绞线UTP，而100 BASEFX支持2芯的多模或单模光纤。在千兆以太网出现之后，802.3物理层又相应增加了,支持5类非屏蔽双绞线的1000 BASET标准以及支持单模和多模光纤的1000 BASEX与1000 BASESX标准。5.2局域网组网需要的设备 5.2.1 网卡 1.网卡的基本概念网络接口卡（NIC，network interface card）又称为网卡，它是构成网络的基本部件。网卡一方面连接局域网中的计算机，另一方面连接局域网中的传输介质。典型的网卡结构如图5.2所示。,2.网卡的分类方法根据网卡所支持的物理层标准与主机接口的不同，网卡可以分为不同的类型。(1)按照网卡支持的计算机种类分类，主要分为以下两类：标准以太网卡；PCMCIA网卡。标准以太网卡用于台式计算机连网，而PCMCIA网卡用于便携式计算机连网。图5.2网卡结构示意图PCMCIA是个人计算机内存卡国际协会（Personal Computer Memory Card International Association）制定的一种便携机插卡,图 5.2,标准，符合这种标准的网卡和信用卡大小相似，它仅适用于将便携机连入局域网。(2)按照网卡支持的传输速率分类，主要分为以下四类：10 Mbps网卡；100 Mbps网卡；10/100 Mbps自适应网卡；1000 Mbps网卡。根据传输速率的要求，网卡可以仅支持10 Mbps或100 Mbps传输速率，也可以同时支持10 Mbps与100 Mbps的传输速率，并能自动侦测出网络的传输速率。随着千兆以太网交换机的使用，1000 Mbps网卡也开始出现。,(3)按网卡所支持的传输介质类型分类，主要分为以下四类：双绞线网卡；粗缆网卡；细缆网卡；光纤网卡。针对不同的传输介质，网卡提供了相应的接口。适用粗缆的网卡应提供AUI接口，适用细缆的网卡应提供BNC接口，适用于非屏蔽双绞线的网卡应提供RJ45接口，适用于光纤的网卡应提供光纤的F/O接口。,目前，多数以太网卡通常是将几种类型的接口集成在一块网卡上，如AUI/BNC、AUI/RJ45、BNC/RJ45等二合一网卡，以及AUI/BNC/RJ45的三合一网卡。这些具有多种接口的网卡，一方面可以适用不同类型传输介质的连接要求；另一方面也为冗余连接提供条件，以提高网络连接的可靠性。同时，也有些简易以太网卡只提供AUI、BNC、RJ45接口中的一种。例如，只支持提供RJ45接口的10 BASET以太网卡。(4)按网卡所支持的总线类型分类，主要分为以下两类：ISA网卡；PCI网卡。,网卡必须与它所连接的计算机总线类型相适应。目前，典型的微型机总线主要有16位的ISA总线与32位的PCI总线。因此，网卡也应设计成能适应不同总线类型的ISA网卡与PCI网卡。同时，不同厂家生产的以太网卡，在集成度、处理芯片、数据缓冲区及配置方法上都有较大的区别。5.2.2集线器 1.集线器(hub)的定义集线器是以太网中的中心连接设备，它是对“共享介质”总线型局域网结构的一种改进。用集线器作为以太网中的中心连接设备时，所有的结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。这样的以太网在物理结,构看是星型结构，但它在逻辑上仍然是总线型结构，并且在MAC层仍然采用CSMA/CD介质访问控制方法。当集线器接收到某个结点发送的帧时，它立即将数据帧通过广播方式转发到其他的连接端口。一般来说，普通的集线器都提供两类端口：一类是用于连接结点的RJ45端口，这类端口数可以是8、12、16、24等；另一类端口可以是用于连接粗缆的AUI端口，用于连接细缆的BNC端口，也可以是光纤连接端口，这类端口称为向上连接端口。从结点到集线器的非屏蔽双绞线最大长度为100 m，利用集线器向上连接端口级联可以扩大局域网覆盖范围。单一集线器结构适宜于小型工作组规模的局域网。如果需要连网的结点数超过单一集线器的端,口数时，通常需要采用多集线器的级联结构，或者是采用可堆叠式集线器。2.集线器的分类方法按照不同的分类方法，集线器可以分为不同的类型。(1)按照集线器支持的传输速率，可以分为以下三类：10 Mbps集线器；100 Mbps集线器；10/100 Mbps自适应集线器。最简单的集线器是支持10 BASET的以太网集线器，它的每个端口的传输速率都是10 Mbps；目前，大多数的集线器开始支持100 BASET标准，也就是说端口的传输速率可以达到100 Mbps；而10/100 Mbps自适应集线器能自动侦测出网络的传输速率。,(2)按照集线器是否能够堆叠，可以分为以下两类：普通集线器与可堆叠式集线器。普通集线器不具备堆叠功能，当连网结点数超过单一集线器的端口数时，只能采用多集线器的级联方法来扩充；堆叠式集线器由一个基础集线器与多个扩展集线器组成，通过在基础集线器上堆叠多个扩展集线器，可以很方便地扩充连网的结点数。(3)按照集线器是否支持网管功能，可以分为以下两类：简单集线器；带网管功能的智能集线器。简单集线器不支持网管功能，无法从远程工作站进行管理；带网管功能的智能集线器支持网管功能，,可以通过SNMP协议来远程监控与管理。3.组网时集线器的选型在设计局域网时，首先需要对集线器进行选型。集线器选型时应该注意以下几个问题：是普通集线器，还是堆叠式集线器？是非智能集线器，还是智能集线器？是否支持网管功能？端口数量是多少?端口支持哪几种接口类型？普通集线器只能连接有限的端口数，一旦系统需要扩展时，就只能采取多集线器级联的方法解决；堆叠式集线器具有很好的系统开展性。普通集线器只能支持小型局域网，堆叠式集线器可以支持规模较,大的局域网。非智能集线器不具备内部的CPU，不能进行网络工作状态的监测与管理，不能支持网络管理软件，因此不能用于大型的局域网系统。以太网传输介质可以是非屏蔽双绞线、粗同轴电缆与细同轴电缆，因此设计局域网结构与所使用的传输介质类型时，一定要考虑到集线器所提供的端口类型，看它是否支持RJ45、AUI或BNC接口。在对堆叠式集线器进行选型时，需要注意以下几个问题：支持堆叠的集线器数量最多是多少？集线器的背板带宽是多少？,是否支持网络管理功能？最多可支持的端口数量是多少？支持哪几种局域网协议？堆叠式集线器的背板带宽是指多个集线器之间交换数据的内部总线数据传输速率。它决定了堆叠式集线器对数据帧的过滤与转发能力。背板带宽较宽的堆叠式集线器对减少通信拥塞与数据丢失有利。堆叠式集线器是否支持多种局域网协议，例如10 BASET、100 BASET、100 BASEFL、1000 BASET与FDDI等，是用户在选型时要注意的一个重要问题。,4.典型的集线器产品目前，应用比较广泛的集线器产品主要有：Cisco公司的FastHub 400系列与Cisco 1528系列集线器、3Com公司的Office Connect系列与SuperStack 系列集线器、Accton公司的EtherHub系列与Fast EtherHub系列集线器、Nortel公司的Netgear DS508系列与BayStack 250系列集线器、Intel公司的InBusiness系列与Express 10/100系列集线器，以及DLink公司的DE800TP系列集线器。,5.2.3局域网交换机 1.局域网交换机的定义交换式局域网的核心是局域网交换机，也有人把它叫做交换式集线器。典型的交换机结构如图5.3所示。目前，使用最广泛的是以太网交换机。对于传统的以太网来说，当连接在集线器中的一个结点发送数据时，它将用广播方式将数据传送到集线器的每个端口。因此，以太网的每个时间片内只允许有一个结点占用公用通信信道。图5.3交换机结构示意图交换式局域网从根本上改变了“共享介质”的工作方式，它可以通过局域网交换机支持交换机端口结点之间的多个并发连接，实现多结点之间数据的并发传输。因此，交换式局域网可以增加网络带宽，改善局域网的性能与服务质量。,图 5.3,以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个以太网集线器连接。例如，如果一个10 Mbps端口只连接一个结点，这个结点就可以独占10 Mbps的带宽，这类端口通常被称为专用端口；如果一个10 Mbps端口连接一个以太网，那么这个端口将被以太网中的多个结点所共享，这类端口就被称为共享端口。交换机的端口类型也可以分为两类：半双工端口与全双工端口。对于10 Mbps的端口，半双工端口带宽为10 Mbps，而全双工端口带宽为20 Mbps；对于100 Mbps的端口，半双工端口带宽为100 Mbps，而全双工端口带宽为200 Mbps。所谓全双工端口，是指该端口允许连接的计算机同,时发送与接收数据。传统的局域网只能工作在半双工状态，因为在总线结构中采用CSMA/CD介质访问控制方法，连网的计算机要么处于发送状态，要么处于数据接收状态，二者只能居其一。普通的以太网卡是半双工的网卡。如果一台计算机选用了全双工网卡，并且连接到支持全双工工作的交换机端口，那么这台计算机就能够同时发送与接收数据。在网络结构与网络连线不变的情况，采用全双工工作方式，可以使网络结点的数据吞吐量增大一倍。对于局域网服务器之类的应用来说，采用全双工技术是很有价值的。2.局域网交换机的分类方法局域网交换机一般可以分为以下三类：,(1)简单的10 Mbps局域网交换机简单的10 Mbps局域网交换机只能提供固定数量的端口，用来连接专用的10 Mbps以太网结点或10 Mbps以太网集线器。值得注意的是，如果一台服务器连接到一个专用的10 Mbps以太网端口，它可以独占这个端口，但是当其他多个端口的计算机同时与服务器通信时，仍然会出现冲突的现象。(2)10/100 Mbps自适应的局域网交换机10/100 Mbps自适应的局域网交换机是一种小型以太网交换机，由于采用了10/100 Mbps自动检测技术，它可以自动检测端口连接设备的传输速率与工作方式，并自动做出调整以保证10 Mbps与100 Mbps结点工作在同一网络中。,(3)大型局域网交换机大型局域网交换机是一种箱式结构，在机箱中可以灵活地插入各种模块，例如10 Mbps以太网模块、快速以太网模块、千兆以太网模块、路由器模块、网桥模块、中继器模块、ATM模块以及FDDI模块，通过它可以构成大型局域网的主干网。3.典型的局域网交换机随着快速以太网与千兆以太网对带宽需求的增加，用户对局域网交换机的需求量越来越大，对其性能要求也越来越高。很多网络硬件制造商都能提供系列的局域网交换机产品。目前，应用最广泛的局域网交换机主要有：Cisco公司的Catalyst系列交换机、3 Com公司的SuperStack 系列交换机、Nortel公,司的BayStack 300系列与EtherSpeed系列交换机、Intel公司的Express系列交换机，以及Accton公司的Cheetack Switch Workgroup系列交换机等。5.3局域网的组网方法在了解了局域网基本工作原理的基础上，下面将以以太网为例，进一步介绍局域网物理结构设计与局域网组网方法。5.3.1同轴电缆组网方法使用同轴电缆组建以太网是最传统的组网方式，它到目前为止仍在广泛应用。目前，我们使用的同轴,电缆有两种：粗同轴电缆与细同轴电缆。因此，使用同轴电缆组建以太网主要有以下三种方式：粗缆方式、细缆方式与粗缆与细缆混用方式。1.粗缆方式在使用粗缆组建以太网时，需要使用以下基本硬件设备：带有AUI接口的以太网卡；粗缆的外部收发器；收发器电缆；粗同轴电缆。中继器（repeater）用来扩展作为总线的同轴电缆的长度。中继器作为物理层连接设备，能起到接收、,放大、整形与转发同轴电缆中的数据信号的作用。中继器可以分为以下三类：两端口相同介质中继器；两端口不同介质中继器；多端口多介质集中式中继器。在典型的粗缆以太网中，常用的是提供AUI接口的两端口相同介质中继器。如果不使用中继器，最大粗缆长度不能超过500 m；如果要使用中继器，一个以太网中最多只允许使用4个中继器，连接5条最大长度为500 m的粗缆缆段，那么用中继器连接后的粗缆缆段最大长度不能超过2500 m。在每个粗缆以太网中，最多只能连入100个结点。两个相邻,收发器之间的最小距离为2.5 m，收发器电缆的最大长度为50 m。2.细缆方式使用细缆组建以太网时，需要使用以下基本硬件设备：带有BNC接口的Ethernet网卡；BNC T型连接器；细同轴电缆。在典型的细缆以太网中，如果不使用中继器，则最大细缆长度不能超过185 m。如果实际需要的细缆长度超过185 m后，则可以使用支持BNC接口的中继器。在细缆以太网中，最多允许使用4个中继器，,连接5条最大长度为185 m的细缆缆段，因此细缆缆段的最大长度为925 m。两个相邻的BNC T型连接器之间的距离应是0.5 m的整数倍，并且最小距离为0.5 m。与粗缆方式相比，细缆方式具有造价低、安装容易等优点。但是，由于缆段中连入多个BNC T型连接器，存在多个BNC连接头与BNC T型连接器的连接点，因而同轴电缆连接的故障率较高，使系统的可靠性受到了影响。因此，细缆以太网多用于小规模网络或实验室环境中。3.粗缆与细缆混用方式在使用粗缆与细缆共同组建以太网时，除了需要使用与构成粗缆、细缆以太网相同的基本硬件设备外，,还必须使用粗缆与细缆之间的连接器件。粗缆与细缆混合结构的电缆缆段最大长度为500 m。如果粗缆长度为L、细缆长度为t，则L、t之间的关系为：L+3.28t500粗缆与细缆混用方式的优点是造价合理，粗缆段用于室外，细缆段用于室内；缺点是结构复杂，维护困难。5.3.2 双绞线组网方法使用双绞线组建以太网是目前流行的组网方式，由于使用非屏蔽双绞线组建局域网有易于安装与管理，,造价低，系统可靠性好等优点，这种方式得到了广泛的应用。1.基本的硬件设备在使用非屏蔽双绞线组建符合10 BASET标准的以太网时，需要使用以下基本硬件设备：带有RJ45接口的以太网卡；集线器；3类或5类非屏蔽双绞线；RJ45连接头。在双绞线组网方式中，集线器是以太网的中心连接设备，它是对“共享介质”的总线型局域网结构的一种“变革”。通过非屏蔽双绞线与集线器，可以很容,易地将多台计算机连接成一个计算机网络，这是目前应用最广泛的一种基本局域网组网方法。2.双绞线组网方法按照使用集线器的方式，双绞线组网方法可以分为以下几种：单一集线器结构；多集线器级联结构；堆叠式集线器结构。(1)单一集线器结构使用单一集线器的以太网结构很简单，其结构如图5.4所示。所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接，构成物理上的星型拓扑。从结点到集线器的非屏蔽,双绞线最大长度为100 m。,图 5.4,单一集线器结构适宜于小型工作组规模的局域网，典型的单一集线器一般支持824个RJ45端口与一个BNC、AUI或光纤连接端口。(2)多集线器级联结构当需要连网的结点数超过单一集线器的端口数时，通常需要采用多集线器的级联结构。普通的集线器一般都提供两类端口：一类是用于连接结点的RJ45端口；另一类端口是向上连接端口，包括连接粗缆的AUI端口、连接细缆的BNC端口或光纤连接端口。利用集线器向上连接端口级联可以扩大局域网覆盖范围。例如，如果使用粗缆连接两个集线器，粗缆单根缆段最大距离为500 m，那么网中两结点最大,距离可达500 m。如果在同轴电缆中使用中继器，那么集线器级联系统覆盖的范围还可以更大。在实际使用中，人们常将使用双绞线级联与使用向上连接端口级联的方法结合起来。近距离使用双绞线实现集线器互连，远距离通过向上连接的端口实现集线器级联。在采用多集线器的级联结构时，通常采用以下两种方法：使用双绞线，通过集线器的RJ45端口实现级联。使用同轴电缆或光纤，通过集线器提供的向上连接端口实现级联。图5.5（a）给出了两个集线器通过RJ45端口的级,联结构。两个集线器通过非屏蔽双绞线直接连接，非屏蔽双绞线的最大距离为100 m。图5.5（b）给出了使用集线器向上连接端口实现级联的结构。,图 5.5,(3)堆叠式集线器结构堆叠式集线器（stackable hub）适用于中、小型企业网环境。堆叠式集线器由一个基础集线器与多个扩展集线器组成。基础集线器是一种具有网络管理功能的独立集线器。通过在基础集线器上堆叠多个扩展集线器，一方面可以增加Ethernet的结点数，另一方面可以实现对网中结点的网络管理功能。图5.6给出了典型的使用堆叠式集线器的以太网结构。在实际应用中，人们常常将堆叠式集线器结构与多集线器结构结合起来，以适应不同网络结构的要求。,图 5.6,
