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1 局域网的相关知识

1.  什么是局域网

为了完整地给出LAN的定义，必须使用两种方式:一种是功能性定义,另一种是技术性定义。前一种将LAN定义为一组台式计算机和其他设备,在物理地址上彼此相隔不远，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。这种定义适用于办公环境下的LAN、工厂和研究机构中使用的LAN。

就LAN的技术性定义而言,它定义为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)互连在一起的计算机,并受网络操作系统监控的网络系统。

功能性和技术性定义之间的差别是很明显的,功能性定义强调的是外界行为和服务；技术性定义强调的则是构成LAN所需的物质基础和构成的方法。

局域网(LAN)的名字本身就隐含了这种网络地理范围的局域性。由于较小的地理范围的局限性。由于较小的地理范围,LAN通常要比广域网(WAN)具有高的多的传输速率,例如，目前LAN的传输速率为10Mbit/s,FDDI的传输速率为100Mbit/s,而WAN的主干线速率国内目前仅为128kbit/s或4096Kbit/s,最终用户的上线速率通常为56.6kbit/s。

LAN的拓扑结构目前常用的是总线型和环行。这是由于有限地理范围决定的。这两种结构很少在广域网环境下使用。

LAN还有诸如高可靠性、易扩缩和易于管理及安全等多种特性。

  局域网的分类

按网络结构的不同，局域网一般可分为令牌网和以太网两种。

（1）   令牌网

令牌网主要用于广域网和城域网及大型局域网的主干部分，其操作系统大多使用大家都不熟悉的Unix，组建的管理非常繁琐，只有专业人员才能胜任，普通用户一般很少问津。

（2）   以太网

以太网（Ethernet）是当今世界上应用范围最广的一技术。它最早起源于美国夏威夷大学，后来不断发展完善，其相关技术已进行了标准化。以太网标准一经推出，许多大公司如3COM、AT&T等就相继推出了以太网产品，为以太网技术的发展和应用起到了推动作用。如今，以太网产品已遍布世界各地，它对计算机网络技术的发展起到了举足轻重的作用。以太网组建较为容易，各设备之间的兼容性较好，同时目前的主流操作系统Windows NT、Netware 和Windows 95/98/2000都支持它，所以现在80%以上的局域网都是以太网，而且其比例还在不断上升。

3.  局域网的工作方式

了解并掌握局域网的工作方式，对我们在网络选型、设备选购、性能和故障分析等方面都有很大的帮助。以太网采用的是CSMA/CD（载波兼听多路访问/冲突检测）控制协议工作方式，网络中的所有用户共享传输介质，信息通过广播方式发送到所有端口。网络中的工作站对接收到的信息进行确认，如果是发给自己的便接收，否则不予理睬。再从发送端的情况来看，当发送端要发送一个数据信息时，它首先要进行网络工作状况的检测，如果此时线路正好有空，便立即发送，否则继续进行检测，直到线路空闲时再发送。这样的一种工作机制，导致网络在工作中存在以下两个问题：

一个是针对发送端的。发送端在发送一个数据信息时都要不断的进行监测，另外不是一个数据信息发送出去就算结束了，它还要对已发送出去的信息进行确认，确认端是否已经接到，如收到则说明发送成功，否则还要继续发送。如果网络连接质量不好或线路忙时，要成功的发送一条数据信息要进行很多次的监测、发送和确认过程，在一定程度上影响了网络速度的提高。

另一个是针对接收端的。从局域网的工作过程来看，每个工作站都可能每时每刻都要接收网上传来的信息，但是所接收的信息并不一定是发送给自己的，如果是给自己的才能接收。这就像一个信件收发员，他每天都要接收到邮局转来的大量信件，然而这些信件中只有很少的几封是发给自己的，甚至一封都没有。如此一来，一方面工作站端不断的接收分辨认网络中发送的信息，占用一定的处理时间；另一方面广播信号占用着大量的网络线路，使实际可用的网络带宽得不到提高。

.  网络中的共享和交换

共享和交换是网络中两个不同的概念，也代表了两种不同的工作机制。我们可以打个比方：同样是10个车道的道路，如果没有给道路标清行车线，那么车辆就只能在无序的状态下抢道、占道通行，这样就容易发生交通堵塞和交通事故，使通行能力大大降低。为了避免上述情况的发生，就需要在道路上标清行车线，保证各种车辆各行其道，互不干扰。共享式网络就相当于前面的无序状态，当数据的传输量和用户数量超过一定的限量时，就会造成碰撞冲突，使网络性能衰退。而交换式网络避免了共享式网络的不足。交换技术的作用便是根据所传信息包的目的地址，将每一信息独立地从源端口发送到目的端口，避免了和其他端口发送碰撞。所以，当不同的源端口向不同的目的端口发送信息时，交换机就可以互不影响地传送这些信息包，并防止发生传输碰撞，提高了网络的传输速率和数据吞吐量。

利用共享式连接设备所建立的局域网称为共享式局域网，利交换式连接设备建立的局域网称为交换式局域网。

5.  局域网中的单工、双工和半双工

（1）   单工

单工即单向通信虽指在一条线路上只能存在单个方向的通信，反向无法进行。单工通信多用于无线广播，有线广播和电视广播，在局域网中并不采用。

（2）   半双工

半双工即双向交替通信。是指在同一时间内，通信双方中只能有一方发送或接收信息。当一方不管是发送还是接收信息时，另一方都只能处于等待状态。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。局域网中最早使用的就是这种半双工的工作方式。对共享式局域网来说，所有的用户都依赖于单条的共享通道，在技术上无法实现同一时刻数据的双向通行，所以常规的共享式网络只能工作台在半双工方式下。

（3）   全双工

全双工即双向同时通信。是指同一时间内，通信双方即可以发送信息，也可以接收信息。全双工工作模式在局域网中应用，提高网络的通信能力。与半双工模式相继较，全双工可以在两对电缆上同时发送和接收信息，不会发生冲突，在理论上可以使传输速率加倍。目前大量的局域网交换机和网卡都采用了全双工这一技术，使网络速度在交换式的基础上又提升了一倍。

6.  局域网的访问控制方式

局域网一般为广播型网络，一个节点发出的数据，其他节点都能收到，网络上的各个节点共享信道，但是，信道在一段时间内只能为一个节点提供服务，如果多个工作站同时工作，必然会引发信信道争用问题。如何对信道的使用进行合理的分配，保证各节点充分利用信道的空闲时间传送信息，又不至于使各节点所发这的信息在信道中发生冲突是一个很重要的课题。研究传输介质的访问控制方式就是为了合理地解决信道的分配问题，使多个工作站或网络设备同时利用一个信道传输数据时不会发生冲突。下面介绍几种常见的介质访问控制方工。

（1）   CSMA/CD 访问控制

CSMA/CD访问控制 CSMA/CD是由XEROX（施乐）公司于1972年提出和开发的，当时被称为以太网络（Ethernet）。CSMA/CD方式的最大功能是能够进行碰撞检测，但并不中断碰撞的发生，也没有更正错误的能力。CSMA/CD方式经常用于总线和树状网络中。

（2）   载波侦听与多路访问（CSMA）

我们把查看信道上有无数字信号传输称为“载波侦听”，而把同时有多个节点在侦听信道是否空闲和发送数据，称为“多路访问”。载波侦听由分布在各个节点的控制器各自独立进行的，它的实现方法是通过硬件测试信道上信号的有无。这里有一个问题，当一个节点检测到共享信道忙时，它是继续不断地侦听还是等待，如果等待，那么等待的时间如何确定？XEROX公司提出了两种办法来解决这个问题：a.继续侦听下去，一直到发现信道空闲，然后立即发送数据。这种方法称为“坚持型”的载波侦听多路访问；b.延迟一个随机时间，然后再检测，不断重复上述过程，直到发现信道空闲，发送数据。这种方法称为“非坚持型”的载波侦听多路访问。

（3）   冲突检测（CD）

冲突有两种情况，一种是两个以上的节点同时侦听到信道某一瞬时处于空闲状态时，这些节点都开始向信道上发送数据，在信道上就会产生两个以上的信号重叠干扰，使数据不能正确地传输和接收。另一种是节点甲侦听到信道是空闲的，但是这种空闲状态可能是信道上节点乙已经发送了数据，由于在传输介质上信号传送的延迟，数据信号还未到达节点甲的比缘故。如果此时，节点甲又发送数据，则将发生冲突。如何消除冲突是一个重要问题。

实际上，发现和处理冲突一般由节点上的检测器来完成。各个节点上的冲突检测器检测到冲突发生后，便停止发送数据，然后延迟一段时间以后再去抢占信道。为了尽量减少冲突，各节点延迟时间采用“随机数”控制的办法，延迟时间最小的那个节点先抢占信道，如果再次发生冲突则重复照此办法处理，总有一次会抢占成功。这种延迟竞争法称为“冲突控制算法”或“延迟退避算法”。

（4）   CSMA/CD 方法

如前所述，CSMA的基本原理是计算机在传送数据前会先去检测网络上的介质是否有数据正在传送，然后决定是否将数据发送到网络中。如果没有任何数据在传送，此时计算机开始传送数据；反之，计算机会等待一段时间，然后再重复检测传输介质的状态。

然而，CSMA方法有一个最主要的缺点，那就是如果两台计算机都检测出传输介质空闲的状态，就会几乎同时都开始传送数据，于是“碰撞”（Collision）就发生了。因而出现了CSMA/CD方法。网络发生“碰撞”时，网络的电压会升高，此时网络的电压值大于同时传送数据时计算机上的电压值，因此可得知发生了碰撞。总之，CSMA/CD包含两方面的内容，即载波侦听多路访问（CSMA）和冲突检测（CD）。在总线型局域网中，当某一个节点要发送数据时，它首先要侦听信道有无其他节点正在发送数据，若没有则立即抢占信道发送数据；如果信道正忙，则需要等待直至信道空闲再发送数据，但往往同时可能有多个节点侦听到信道空闲并发送数据，这就可能发生冲突。如CSMA/CD在发送数据的同时，进行冲突检测，一旦发现冲突，立刻停止发送，并等待冲突平息以后，再进行冲突检测，一旦发现冲突，立刻停止发送，并等待冲突平息以后，再进行CSMA/CD，直至将数据成功地发送出去为止。CSMA/CD方法可以简单地概括为以下四点：1先听后发。2边听边发。3冲突停止。4随机延迟后重发。注意，CSMA/CD方法只是检测碰撞的发生，它并没有能力将已经发生碰撞的数据更正成原始的正确数据。另外，CSMA/CD方法由网卡直接实现。因此只要在工作站上安装了以太网卡，该工作站就具备了冲突监测功能，不必再进行专门的设置。

（5）   令牌环访问控制

在令牌环（Token Passing Ring）访问控制方式下，网络上传送数据的权限由令牌（Token）控制。当网络节点收到表示网络“空闲”的令牌后才有权限传送数据。令牌环访问控制方式主要用于令牌环型拓扑结构的网络。

令牌作为一种“通行证”在环路上经各个节点进行传递，哪一个节点获取了它，就有权向环路发送数据帧。在令牌帧格式中，令牌是一个8位的二进制数，并用F标志作为帧开始和帧结束，循环冗余检验码CRC，控制字段C，如图5所示，当环型网中无任何节点要发送数据时，令牌帧将在环上以一定方向沿着环传送。

图5  令牌环访问控制方式

例如，当节点A想要发送数据时：

第一步：节点A必须等待令牌的到来，并检测该令牌是否为空闲状态。若是空闲状态则进行下一步，否则还需要继续等待。

第二步：将得到的令牌的空闲改为忙碌状态。

第三步：构成一个信息帧，该信息帧中包含了数据和表示忙碌的“令牌”，然后将这个帧发送到信道上去。

当这个住处帧沿着环型网经过每一个节点时，每个节点首先会先检查数据单元中的目的地址。如果目的地址与本节点地址相符，则由本节点将数据接收下来，进行拷贝操作，并以应答报文的形式做出回答，然后再传送给下一个节点。当“令牌”与数据单元回到原来发送节点时，该节点将会除去数据单元，并将表示忙碌的“令牌”改为空闲状态。接着检查目的节点送来的应答信息，如果为“确认”，则说明目的节点接收正确，已完成了一次数据传送。否则，需要等待再次得到令牌时进行重发。从上述运行过程可以看出，由于只有原发送节点才有权将令牌子的忙碌改为空闲状态。因此，在一个时间片上令牌环路中只能传送一条数据。

（6）   令牌传递总线访问控制

令牌传递总线访问控制（Token Bus）方式主要应用于总线型网络，在该方式下各节点均以总线为媒体进行连接，信息也通过总线进行传输，但信息传递的次序是按节点顺序进行传递的，整个传递过程形成了一个逻辑环，其访问控制方法类似于令牌环访问控制方式。

在令牌子传递总线方式中，虽然信息在传递时都加上了目的节点在接收到信息后均保持“沉默”，只有它们收到表示空闲的令牌以后，这些节点才开始发送数据。所以，令牌传递总线的拓朴结构虽然是总线型的，但却可以避免冲突的发生。

2  局域网的组成

局域网作为计算机网络中的一个重要成员，和其他计算机网络一样，也是由服务器、工作站、外围设备和网络协议四部分组成的，下面将分别进行介绍。

1．局域网中的服务器

局域网中的服务器一般提供文件和打印两服务，而且在大多数情况下，将文件和打印服务集中到一台计算机上进行，如图6所示。所有工作站通过连接设备与服务器连接在一起，并且共享服务器上的软、硬件资源，如共享服务器上的文件、光驱和打印机等。

图6  局域网中的服务器

目前的局域网中一般使用性能较高的PC作为服务器，这里所提到的性能较高也是相对的，也就是说，当您要将一个部门或家庭的多台计算机联网时，服务器一般是由其中一台配置较高的PC来担任。当然，在条件许可的情况下，应尽量配置一台较高档次的PC作为服务器。

2．局域网中的工作站

工作站有时也称为“用户机”或“客户机”。局域网中工作站实际上是一台普通的PC，当它与文服务连接并登录服务器后，可到文件服务器上存取文件，得到所需文件后可直接在工作站上运行。从功能上看，工作站比单独的一台PC具有更大的操作范围，它除了可对本身的文件和设备进行存取、调用和管理外，还可存取服务器上的文件，并可将自己打印作业通过网络服务打印输出。从网络构成的角度来看，只要是一台PC，不管是286、386，还是PIII、PIV，都可以作为一台工作站接入网络。

3．服务器对工作站数量的限制

一个局域网中一般可连接几百台甚至上千台的工作站，但是在许多情况下一台文件服务器上可连接的工作站的数量是有限的，它主要由服务器上安装的网络操作系统所决定。例如，当您选择的是50用户的Netware 3.12操作系统时，接入该服务器的工作站的数量最多为50个，否则网络就会出错。

4．工作站与终端机的比较

在谈到局域网中的“工作站”时，我们不得不提一下它与多用系统中“终端机”的区别。广义上地讲，局域网也是一个多用户系统，但它又不上传统意义上的多用户系统。原因有以下三点：

¨         一是传统的多用户系统一般是由中央处理机、几个联机终端和一个可为多用户提供服务的操作系统所组成。每个终端因没有CPU和RAM，所以一般不具有单独的数据处理能力，靠主机的CPU给终端用户分配资源及访问时间。与此相反，在局域网中每个用户使用的工作站都具有独立的处理能力，能够执行用户自己的应用系统。

¨         二是两者在物理上也有区别。多用户终端通过独立的I/O串行口连接到中心计算机上。而网络系统中的工作站是通过网卡与公用的通信线路相连，通信线路再通过HUB等外部设备与网络服务器相连。

¨         三是局域网上的工作站都是智能型的工作站，用户程序的执行、数据处理都是在本地工作站上执行不像多用户系统那样必须在中央处理机上进行处理。所以我们将局域网也称之为“分散处理系统”。

5．局域网中的外围设备

在局域网中，因为连接的范围很小，所以使用到的外围设备也较为单一。联网中网卡是必不可少的设备，除此之外，局域网中使用的外围设备主要还有集线器（HUB）、交换机（Switch HUB），在需要接入因特网或进行计算机之间的远程互联时，一般还要使用调制解调器。在外围设备中，除连接设备外还有网线。局域网中常用的网线主要有同轴电缆和双绞线，同时随着局域连接速度的不断提升以及光纤成本的下降，目前在一些小型局域网中也开始使用光纤，光纤到桌面也逐渐成为现实。

6．局域网中常用的通信协议

组建网络时，必须选择一种或一种以上的网络通信协议，使得用户之间能够相互进行“交流”。协议（Protocol）是网络设备用来通信的一套规则，这套规则可以理解为一种彼此都能听得懂的公用语言。在局域网中使用较多的通信协议主要有NetBEUI、TCP/IP、IPX/SPX等。

3 局域网的系统结构及其特点

网络系统结构是指网络服务器与工作站之间协同工作时的相互关系。在局域网络的发展过程中，存在着四种不同的系统结构：主机系统、工作站/文件服务器系统、客户机/服务器系统和对等网络系统，这四种系统结构各有所长，直至目前在社会各个领域中仍然发挥着不可替代的作用。

1．主机系统

主机系统也叫主机/终端系统，是20世纪60年代后期形成的以一台主要机器（大、中、小型机）为中心的多用户系统。在这种系统结构中用户通过与主机相连的字符终端在主机操作系统的管理下共享主机的内存、外存、中央处理器、输入/输出设备

经过几十年的发展，主机系统已经相当成熟，在可靠性、容错能力、系统安全和系统管理、开发手段、数据库和应用程序各方面，都形成了自己十分完整的体系。应该承认，到目前为止，主机系统工程仍然是大型和重要业务部门的支柱。虽然它在很多明显的缺点，如终端的功能过于简单，对主机过于依赖，主机负担过重。一旦主机出现故障，则整个网络将不可避免地全面瘫痪。另外，由于主机系统生产规模不宜扩大，其购置价格过高。

在我国，主机系统也很常见。例如VAX-11小型机以及UNIX多用户系统等，主要应用于银行或某些国家部委的内部网络。

2．工作站/文件服务器结构

局域网是从工作站/文件服务器系统结构为基本工作方式而兴起的，这曾是局域网的主流系统结构，该种结构的典型代表是3COM公司和Novell 公司各种类型的局域网。

在工作站/文件服务器结构的局域网中，通常由一台安装有网卡的PC机作为文件服务器，在文件服务器上运行着特定的网络操作系统，工作站是一般也是一台PC机，当它安装上网卡，并通过网线与文件服务器连接，运行网络登录程序并输入有效的用户名和口令后，就可以到文件服务器上存取文件了。在“工作站/服务器”结构中，文件服务器不进行任何有关网络应用程序的运算处理，而由每一台工作站从服务器获取文件后直接运算处理，因此这种系统结构的最大特点是集中管理、分散处理。这里的工作站与一台孤立的PC机相比，其功能被增强了—它除了可以存取本身的文件之外，还可以存取文件服务器硬盘上的文件夹，大大提高了数据容量。

工作站/文件服务器结构的特点：

¨  数据的保密性十分严格，可以按不同的需要授予各个使用者一定的访问权限，从而达到资源共享的目的。

¨  文件的安全管理较好。

¨  可靠性较高。

工作站/文件服务器结构的缺点：

¨  效率较低。当应用程序和数据都保存在文件服务器上时，由于许多工作站的使用者都需频繁地从文件服务器上读取和写入程序、数据等，同一时间内可能会有大量的程序和数据在网络上传递，很容易造成整个网络负荷过大和网络效率降低。

¨  各工作站上的资源不能直接共享。

¨  安装与维护比对等网困难。

¨  需要至少一部的专用服务器，且服务器的运算能力不能充分发挥。

目前，工作站/文件服务器结构正在逐步被子客户机/服务器结构所替代，但由于历史的原因，我国的证券、邮电行业仍主要采用这种系统

3．客户机/服务器结构

随着局域网的不断扩大和改进，局域网中共享文件、共享设备仅仅是其应用中很小的一部分，人们迫切要求服务器端能够完成一部分应用折数据处理工作，即将需要处理的工作任务分配给客户端和服务器共同来完成，由此提出了客户机/服务器（Client/Server）的概念。客户机/服务器结构是的在工作站/文件服务器结构的基础上发展起来的、目前最为流行的一种计算机网络系统结构。客户机/服务器结构价格相对便宜、灵活性好、容易扩充，已成为90年代、并将成为21世纪最为重要的一种局域网技术。

在客户机/服务器结构中，客户端（Client）可以是一台PC机或一台工作站，一般运行DOS或Windows 3.x/95/98 操作系统；在服务器（Server）端可以是一台Windows NT 或NetWare服务器，并运行SQL 数据库服务器软件。服务器端时刻侦听着工作站端是否发出了服务请求，如果有则解释此请求，并且在服务器上进行数据查询与处理，最后将结果或错误提示返回给工作站，由工作站将结晶呈现给使用者查看或打印。

客户机/服务器系统构成。目前流行的各种网络操作系统，如Windows NT 4.0/5.0、NetWare 3.1以上版本、LAN Manager和OS/2V3.1以上版本均支持客户机/服务器系统结构。客户机/服务器结构可以由异种机（使用不同操作系统的计算机）构成，在客户机上需安装操作系统（NetWare 4.1 或Windows NT）、网卡及驱动程序外，还要数据库管理系统、网络和数据库管理工具等。

客户机/服务器系统的特点：

¨  分布式处理模式。应用任务由客户机和服务器共同承担，因此响应速度快，对计算

机档次要求较低，性能价格比较优。

¨  系统可扩充性好。当系统规模扩大时，可以不重新设计整个系统，而是简单地加挂

服务器和客户机就可以提高整个系统的性能，可有效一利用现有的系统资源。

¨  抗灾性能好，提高了可靠性。当某一台服务器发生故障时，另一台服务器可以迅速

地支持必要的信息传递。

¨  数据安全性好。由于在客户机/服务器体系中对关键数据的管理仍是集中式、多用户

的，因而数据库的完整性、数据安全保护和封锁机制较易实现。

¨  用户介面友好。由于客户机自身有很强的功能和丰富的软件资源，因此具有友好的

界面。

客户机/服务器系统的缺点：

¨  管理较为困难。主从式结构仍属分散式管理的网络，不易对用户实现完全的控制。

¨  开发环境较为困难。因为主从式结构采取开放方式，允许不同厂商之间的用户使用，

因此开发环境较为复杂。

文件服务器与客户机/服务器结构的主要区别：客户机/服务器结构与文件服务器结构在硬件组成、网络拓朴、通信连接等方面基本相同，两者最大的区别在于：在客户机/服务器结构中，服务器控制管理数据的能力已由文件管理方式上升为数据库管理方式。因此，人们把客户机/服务器结构中的服务器称为“数据库服务器”，以区别“工作站/文件服务器”结构中的文件服务器。

4．对等式网络结构

几乎在客户机/服务器结构出现的同时，另一种令人瞩目的新型网络系统结构—“对等式”网络结构也脱颖而出，成为计算机网络体系结构中的一员。

对等式网络结构（Peer-to- Peer）的系统构成。对等式网络结构使用的硬件与客户机/服务器结构几乎完全相同，例如，都可以使用以太网或令牌环网的网卡、同轴电缆或双绞线等。它们之间的差别在于网络资源的逻辑编排和网络操作系统不同。在对等式网络结构中，没有专用的服务器，每一个工作站既起客户机又起服务器作用，每一台PC机在运行应用程序的同时，其他用户可以访问这台PC机硬盘上的文件，同时该PC机还可以作为局域网其他PC机的打印服务器，只要该PC机运行能支持对等网结构的操作系统，例如，都运行Windows 95/98操作系统。相比较而言，在客户机/服务器结构中服务专用于文件管理、打印和通信等功能，不能同时作为客户机使用，因此，对等网络结构有它得天独厚的“特长”。当然，这种灵活性也有其缺点—此类结构在文件管理、存储器管理和多任务处理等方面比较差，因此，这种系统结构主要应用于小弄办公室的工作组等对安全性要求不是很高的环境中。

支持对等式系统结构的操作系统主要有：MicroSoft 公司的LAN Manager、Windows 95/98 及Novell 公司的NetWare Lite等。

对等式网络系统结构特点：

¨         使用容易，各工作站上的资源可直接共享。

¨         容易安装与维护。

¨         价格大众化。

¨         不需要专门的服务器。

对等式网络系统结构缺点：

¨         文件管理分散，数据的保密性差。