局域网技术

一、网络的定义

1、网络的基本概念：

2、不同类型的网络：

二、局域网发展

1、对局域网的研究是从20世纪60年代开始的：

2、英国剑桥大学计算机研究室：剑桥环局域网：

3、DatePoint公司推出用于办公系统的：ARCnet局域网：

4、1980年美国的Xerox、DEC、Intel三大公司联合公布了局域网的DIX标准（Ethernet I）,成为局域网的典型代表：

5、1980年2月，IEEE下属的802局域网标准委员会成立，相继推出一系列局域网标准：

6、DIX 2.0（Ethernet II）：Xerox与DEC、Intel在1982年制定的以太网标准：

7、IEEE 802.3标准：

三、IEEE 802局域网标准

1、IEEE 802.1 - 网络管理

2、IEEE 802.3 - 以太网

3、IEEE 802.11 - 无线局域网（Wi-Fi）

4、IEEE 802.15 - 无线个人区域网（WPAN）

5、IEEE 802.16 - 宽带无线接入（WiMAX）

6、其他相关标准

四、局域网的分类

1. 根据技术和协议分类

2. 根据传输介质分类

3. 根据拓扑结构分类

4. 根据管理方式分类

5. 根据覆盖范围分类

五、以太网的发展

1、早期发展

2、标准化和普及

3、技术进步

4、进一步发展

六、以太网

1、10Base2以太网

2、10Base5以太网

3、10BaseT以太网

4、快速以太网（Fast Ethernet）：100BaseX快速以太网

5、交换式以太网

6、千兆以太网

一、网络的定义

1、网络的基本概念：

网络是由多个计算机和其他设备通过通信介质（如电缆、无线信号）相连，共享资源（如打印机、文件）和数据交换的系统。

2、不同类型的网络：

局域网（LAN）：覆盖小范围内（如一个办公室、一栋楼）的网络。

广域网（WAN）：覆盖广泛地区（如跨城市、国家）的网络。

城域网（MAN）：介于LAN和WAN之间，通常覆盖一个城市。

个人区域网（PAN）：非常小的网络，用于个人设备间的连接，如手机、笔记本电脑、蓝牙设备。

二、局域网发展

1、对局域网的研究是从20世纪60年代开始的：

局域网（LAN）的概念和研究确实起源于20世纪60年代末到70年代初。这个时期，计算机网络的概念开始形成，研究者们探索如何让计算机在较短的距离内（如一个建筑物或校园内）有效通信。

2、英国剑桥大学计算机研究室：剑桥环局域网：

剑桥环（Cambridge Ring）是1974年左右由英国剑桥大学的计算机实验室开发的一种早期网络技术，是局域网技术发展的重要里程碑之一。

3、DatePoint公司推出用于办公系统的：ARCnet局域网：

Datapoint公司在1977年推出了ARCnet（Attached Resource Computer Network），这是一个早期的商业局域网技术，主要用于连接小型计算机和共享资源，如打印机。

4、1980年美国的Xerox、DEC、Intel三大公司联合公布了局域网的DIX标准（Ethernet I）,成为局域网的典型代表：

1980年，Xerox、DEC和Intel确实联合发布了一种名为Ethernet的网络技术标准，这个版本后来被称为Ethernet I或DIX标准。它定义了10 Mbps的传输速率和一系列网络通信协议，为以太网的广泛采用奠定了基础。

5、1980年2月，IEEE下属的802局域网标准委员会成立，相继推出一系列局域网标准：

IEEE 802委员会确实在1980年成立，目的是为了制定和维护局域网和城域网的标准。该委员会发布了一系列标准，包括IEEE 802.3（以太网）、IEEE 802.11（无线局域网，即Wi-Fi）等，对网络技术的发展产生了深远影响。

6、DIX 2.0（Ethernet II）：Xerox与DEC、Intel在1982年制定的以太网标准：

Ethernet II标准，也称为DIX v2.0，确实是在1982年由Xerox、DEC和Intel进一步发展的。这个版本对原始的Ethernet标准进行了改进，包括引入了更详细的帧格式。

7、IEEE 802.3标准：

1983年，IEEE发布了802.3标准，它基于Xerox原始的以太网技术。IEEE 802.3和DIX标准的主要区别在于帧格式和服务类型，但它们在物理层和数据链路层的MAC子层基本兼容。随着时间的推移，这两种标准逐渐融合，共同促进了以太网技术的发展和普及。

局域网的发展历程显示了从早期的实验性设计到成为当今世界上最广泛使用的网络技术之一的转变，涉及了众多技术创新和标准化努力。

三、IEEE 802局域网标准

IEEE 802是由IEEE（电气和电子工程师协会）制定的一系列局域网（LAN）和城域网（MAN）标准。这套标准涵盖了物理层和数据链路层的技术规范，对现代网络通信具有重要意义。下面是几个主要的IEEE 802局域网和城域网标准及其概要：

1、IEEE 802.1 - 网络管理

IEEE 802.1Q：定义了虚拟局域网（VLAN）的实现方式，允许在同一物理网络上运行多个逻辑子网，提高了网络的灵活性和安全性。

IEEE 802.1X：提供了一种网络访问控制机制，主要用于通过认证用户或设备来控制其对网络的访问权限。

2、IEEE 802.3 - 以太网

IEEE 802.3：是定义以太网标准的一系列文档，它包括了有关物理层的电缆和信号规范以及数据链路层的MAC（媒体访问控制）地址和帧格式。以太网是目前最普遍使用的有线局域网技术。

3、IEEE 802.11 - 无线局域网（Wi-Fi）

IEEE 802.11：涵盖了无线局域网通信的标准，广泛被称为Wi-Fi。这个标准包括多个子标准，如802.11a/b/g/n/ac/ax，分别支持不同的速度、频段和技术特性，用于家庭、办公室和公共热点的无线接入。

4、IEEE 802.15 - 无线个人区域网（WPAN）

IEEE 802.15.1：定义了基础的蓝牙通信标准。

IEEE 802.15.4：是为低速率无线个人区域网（如ZigBee和Thread网络）提供的技术规范，适用于需要低功耗和长电池寿命的应用场景。

5、IEEE 802.16 - 宽带无线接入（WiMAX）

IEEE 802.16：被称为WiMAX，它定义了宽带无线接入的标准，旨在提供“最后一公里”宽带接入的无线替代方案，特别是在难以布线的地区。

6、其他相关标准

IEEE 802.22：利用电视广播频段中的空白频道（“白空间”）提供无线区域网（WRAN）服务，主要目标是提升偏远地区的宽带接入能力。

IEEE 802标准集合为不同规模和类型的网络提供了底层到高层的技术规范，保证了设备和应用间的互操作性和兼容性。随着技术进步，这些标准不断更新和扩展，以支持更高速度、更好的安全性和更广泛的应用需求。

四、局域网的分类

局域网（LAN）可以根据多种标准进行分类，包括技术、传输介质、拓扑结构、管理方式和覆盖范围等。以下是几种常见的局域网分类方法：

1. 根据技术和协议分类

以太网（Ethernet）：最常见的局域网技术，使用CSMA/CD（载波侦听多址/碰撞检测）协议来管理数据传输。

令牌环（Token Ring）：使用令牌传递机制控制网络访问，每个设备传递一个令牌来获得发送数据的权利。

无线局域网（Wireless LAN, WLAN）：使用IEEE 802.11标准（Wi-Fi）的技术，允许设备通过无线通信进行连接。

2. 根据传输介质分类

有线局域网：使用双绞线、同轴电缆或光纤等物理介质进行数据传输。

无线局域网：使用无线电波作为传输介质，如Wi-Fi网络。

3. 根据拓扑结构分类

星形拓扑：所有的节点都直接连接到一个中央交换机或集线器，数据通过中心节点进行转发。

环形拓扑：每个节点只与两个其他节点直接连接，形成一个闭环，数据在环中按照一个方向传输。

总线形拓扑：所有的节点都连接到一个共享的通信线路（总线），数据沿着总线传输，任何节点都可以接收。

网状拓扑：节点间存在多条路径，提高了网络的容错能力和灵活性。

4. 根据管理方式分类

客户端-服务器网络：网络服务和资源集中在一个或多个服务器上，客户端向服务器请求服务。

对等网络（Peer-to-Peer, P2P）：网络中的每台计算机既可以是资源的提供者也可以是资源的请求者，没有明确的服务器角色和客户端角色。

5. 根据覆盖范围分类

传统局域网：通常覆盖一个房间、一个建筑或一个校园区域。

家庭局域网（Home LAN）：专为家庭环境设计，连接家庭内的多个设备，如电脑、打印机、智能电视等。

企业局域网：用于连接一个企业内部的所有网络设备，可能包括多个建筑物内的局域网通过高速链接互连。

局域网的这些分类提供了不同的网络设计和实施方案，以满足特定环境和应用场景的需求。

五、以太网的发展

以太网的发展历程是计算机网络技术进步的一个典型例子，它从早期的实验性设计发展成为今天全球最广泛使用的局域网技术。以下是以太网发展历程的一个补充和完整概述：

1、早期发展

Xerox 创建第一个实验性的以太网 (1972-1977)：在罗伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）的领导下，帕洛阿尔托研究中心（PARC）的研究人员发明了以太网。这是为了连接Xerox Alto计算机，实现局域网通信。

DEC、Intel和Xerox将以太网标准化 (1979-1983)：这三家公司合作制定了以太网的第一个标准化规范，称为"DIX标准"。这标志着以太网技术的商业化步伐。

2、标准化和普及

IEEE 802.3标准问世（1983年）：IEEE发布了802.3标准，这是对DIX原有标准的扩展，定义了10BASE-5（粗同轴电缆）技术，标志着以太网技术的正式标准化。

10BASE-T结构化布线的历史 (1986-1990)：随着10BASE-T的推出，以太网开始使用双绞线作为传输介质，极大地简化了网络部署，促进了以太网在办公环境中的普及。

3、技术进步

交换式和全双工制以太网的出现 (1990-1994)：引入了交换机和全双工技术，提高了以太网的效率和数据传输速率，允许同时双向通信，减少了碰撞和网络拥堵。

快速以太网的出现 (1995)：IEEE 802.3u标准定义了100BASE-TX（快速以太网），将以太网的速度提高到了100 Mbps，满足了增长的带宽需求。

千兆以太网的出现 (1998)：IEEE 802.3z标准定义了1000BASE-X（千兆以太网），使网络速度进一步增加到1 Gbps，适用于核心网络和高速连接。

4、进一步发展

万兆以太网（2002年起）：IEEE 802.3ae标准引入了10 Gbps的以太网速度，主要用于网络的骨干连接。

更高速度的以太网：随后，IEEE继续推出更高速度的以太网标准，包括40 Gbps和100 Gbps的以太网，以及最近的200 Gbps和400 Gbps标准，以满足数据中心和高性能计算环境的需求。

以太网技术的不断发展和标准化，确保了其在全球范围内的广泛应用和互操作性，成为当今世界上最成功的网络技术之一。

六、以太网

1、10Base2以太网

采用总线拓扑，使用RG58A/U型同轴电缆连接

遵循5-4-3规则

两端有端接器

传输距离为185米

2、10Base5以太网

分插头 :插入电缆

收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离，超长控制;

AUI : 连接件单元接口；

终接器

3、10BaseT以太网

采用星型拓扑，使用双绞线连接

网段的长度为100米

集线器的作用相当于一个多端口的中继器（转发器），数据从集线器的一个端口进入后，集线器会将这些数据从其他所有端口广播出去（扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减）

传统以太网中的一些问题

传统以太网使用共享介质，虽然总线带宽为10Mbps，但网络节点增多时，网络的负荷加重，冲突和重发增加，网络效率下降、传输延时增加，造成总线带宽为30~40%.

解决方案

升级到高速网络，如100BASE-T(快速以太网)、 FDDI 、1000BASE-T(千兆位以太网)、万兆以太网。

发挥现有网络技术，采用网络分段、优化服务器、增加路由器，提高子网的网络性能。

使用局域网交换机，将“共享介质局域网”改为“交换式局域网”。

4、快速以太网（Fast Ethernet）：100BaseX快速以太网

采用星型拓扑

网段的长度为100米

可采用多种标准的线缆连接

100BaseTX

100BaseT4

100BaseFx

100BASE-T快速以太网，是标准以太网的100Mbps版本。

100BASE-T的标准为802.3u，作为802.3的补充；

100BASE-T MAC的速度相当于10倍的BASE-T的MAC；

与10BASE-T相同，100BASE-T要求有中央集线器的星型布线结构；

Fast Ethernet的协议结构；

快速以太网的四种标准

100 Base-TX：

支持2对五类非屏蔽双绞线（UTP）或2对五类屏蔽双绞线（STP）。其中1对用于发送，另1对用于接收，因此100Base-TX可以全双工方式工作，每个节点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。使用五类UTP的最大距离为100米。

100 Base-FX

支持2芯的多模或单模光纤。100Base-FX主要是用作高速主干网

100 Base-T4

支持4对三类非屏蔽双绞线UTP，其中有3对用于数据传输，1对用于冲突检测。

100 Base-T2

优点：

具有较高的性能，适合网络结点多或者对网络带宽要求较高的应用环境；
基于以太网的技术，与现有10BASE-T的兼容可以容易的移植到高速网络上；
最大地利用了已有的设备、电缆布线和网络管理技术；
众多的厂商支持；

缺点：

仍然是一种共享式以太网网络，采用CSMA/CD作为介质存取方式，网络结点增加时，网络性能会下降；
CSMA/CD方式使得网络延时变化较大,不适合实时性应用；
速率较高，中继器间距较小，100BASE-TX不适合做主干；

5、交换式以太网

交换式以太网是一种使用交换技术的以太网，其实质是采用交

换机来实现多个端口之间的信息帧转发和交换

实现了由共享方式到独占方式的转变

工作原理

交换机对数据的转发是以网络节点计算机的MAC地址为基础的。

交换机会监测发送到每个端口的数据帧，通过数据帧中的有关信息（源节点的MAC地址、目的节点的MAC地址），就会得到与每个端口所连接的节点MAC地址，并在交换机的内部建立一个“端口-MAC地址”映射表。建立映射表后，当某个端口接收到数据帧后，交换机会读取出该帧中的目的节点MAC地址，并通过“端口-MAC地址”的对照关系，迅速的将数据帧转发到相应的端口。

共享方式

采用了以共享集线器为中心的星型连接方式，但其实际上是总线型的拓扑结构；

当网络规模不断扩大时，网络中的冲突就会大大增加，而数据经过多次重发后，延时也相当大，造成网络整体性能下降。在网络节点较多时，以太网的带宽使用效率只有30%～40%。

独占（交换）方式

采用交换机作为中央设备的以太网成为交换式以太网；

交换机提供了多个通道，允许多个用户之间同时进行数据传输；

以太网交换机工作方式：

1、直通方式

以太网交换机内保存有一个MAC地址和交换机端口之间的对照表。交换机收到信息帧的帧头后，取出目的地址，查询地址-端口对照表，找出相应的输出接口，直接将该信息帧转发到相应的接口。

优点：延时短；转发速度快；

缺点：可靠性差，因为帧还没接收完，就开始转发，无法对帧进行差错检测控制。

2、存储转发方式

以太网交换机接收到信息帧后，先将信息帧暂时保存在存储器中，然后再进行差错检测和取出目的地址，交换机只转发正确的信息帧。

优点：可靠性高；

缺点：延迟较大。

3、混合（不分片转发）方式

综合了上述两种交换方式的优点，当差错率小于某一门限值时，按直通方式工作；当差错率大于某一门限值时，按存储转发方式工作。

4、交换式以太网拓扑结构

6、千兆以太网

使用线缆

1000BaseCX

1000BaseSX

1000BaseLX

1000BaseT

千兆位以太网产生的背景；

千兆位以太网同样保留着传统的100Base-T的所有特征。

Gigabit Ethernet标准的工作是从1995年开始的，1995年11月 IEEE 802.3委员会成立了高速网研究组；1996年8月成立了802.3z工作组，主要研究使用光纤与短距离屏蔽双绞线的Gigabit Ethernet物理层标准；1997年初成立了802.3ab工作组，主要研究使用长距离光纤与非屏蔽双绞线的Gigabit Ethernet物理层标准