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计算机网络技术基础
第5章
05
局域网技术
章节导读
局域网是20世纪70年代后迅速发展起来的计算机网络，是指较小地理范围内（如校园、家庭、办公室）的各种通信设备互连在一起的通信网络。
本章主要介绍局域网的相关知识，包括局域网的特点、体系结构、IEEE 802标准、组网模式，局域网的介质访问控制方法，以太网技术，快速网络技术，虚拟局域网技术和无线局域网技术等。
学
习
目
标
熟悉局域网的特征、体系结构、802标准和组网模式。
理解并掌握局域网的介质访问控制方法。
理解并掌握以太网技术。
掌握以太网交换机设备。
理解并掌握快速网络技术。
掌握虚拟局域网和无线局域网技术。
5.6 无线局域网技术
无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是一种以空气（或真空）为传输介质，以电磁波为载体的局域网，是有线局域网的一种延伸，能快速方便地解决有线方式不容易实现的网络连通问题。
5.6.1 无线局域网标准
WLAN使用的协议标准是IEEE 802.11系列标准，它定义了WLAN所使用的无线频段及调制方式。下面介绍其中几种主要的标准。
IEEE 802.11标准于1997年6月公布，是第一代无线局域网标准。它工作在2.4 GHz开放频段，支持1 Mbps和2 Mbps的数据传输速率。
1）IEEE 802.11
5.6 无线局域网技术
IEEE 802.11a扩充了标准的物理层，工作在5 GHz频段，其数据传输速率高达54 Mbps，传输距离为10 m～100 m。
2）IEEE 802.11a
1999年9月通过的IEEE 802.11b工作在2.4 GHz频段，数据传输速率可以为11 Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps、1 Mbps或更低，可以根据噪音状况自动调整速率。
3）IEEE 802.11b
为了解决IEEE 802.11a与802.11b的产品因为频段与物理层调制方式不同而无法兼容的问题，IEEE又在2001年11月批准了新的802.11g标准。802.11g既适应传统的802.11b标准，在2.4 GHz频率下提供每秒11 Mbps的传输速率；也符合802.11a标准，在5 GHz频率下提供54 Mbps的传输速率。IEEE 802.11g标准已普遍应用。
4）IEEE 802.11g
5.6 无线局域网技术
IEEE 802.11n采用MIMO（多入多出，多重天线进行同步传送）与OFDM（正交频分复用）技术，提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。802.11n可以将WLAN的数据传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54 Mbps，提高到理论速率，最高可达600 Mbps。802.11n还具有覆盖范围广，兼容性好，可工作在2.4 GHz和5 GHz两个频段，支持向前后兼容，并可以实现WLAN与无线广域网的结合等特点。
5）IEEE 802.11m
5.6 无线局域网技术
5.6.2 无线局域网的产品和组件
无线网卡是无线信号的接收设备，是无线网络中的重要组成部分。常见的无线网卡有PCMCIA无线网卡、PCI接口无线网卡和USB接口无线网卡3类产品。
PCMCIA无线网卡：仅适用于笔记本电脑，支持热插拔，如图5-16所示。
无线网卡
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图5-16 PCMCIA无线网卡
5.6 无线局域网技术
PCI接口无线网卡：适用于具有PCI接口的台式电脑，如图5-17所示。
图5-17 PCI接口无线网卡
USB接口无线网卡：适用于笔记本电脑和台式电脑，支持热插拔，如图5-18所示。
图5-18 USB接口无线网卡
5.6 无线局域网技术
无线接入点
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无线接入点（Access Point，AP）（见图5-19）是有线局域网络与无线局域网络的桥梁，用于IEEE 802.11系列无线网络设备组网或接入有线局域网。
AP主要分为普通路由AP和带路由AP两种。普通AP仅提供一个无线信号发射的功能；路由AP除了发射无线信号，还可以实现为ADSL等宽带上网方式提供自动拨号功能。
图5-19 Linksys WPSM54G无线AP
5.6 无线局域网技术
无线路由器
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常见的无线路由器（见图5-20）包含了一个广域网（WAM）端口，可以用于ASDL接入、有线或无线网络连接等，允许企业、办公室或家庭中多台PC共享1条ADSL线路，通过一个公共的Internet ISP账户接入互联网。
无线路由器一般内置多个交换端口，可以用有线方式直接连接多台计算机。无线路由器还包括了DHCP服务器、虚拟服务器、DMZ主机、静态路由表、DDNS、端口映射等网络服务功能，通过Web配置界面进行管理。
图5-20 TP-LINK无线路由器
5.6 无线局域网技术
5.6.3 无线局域网的组网方式
在无线局域网组网时，一般有两种方式可供选择，分别为无中心分布对等方式无线局域网（Ad-hoc Wireless LAN）和有中心的集中控制方式无线局域网（Infrastructure Wireless LAN）。另外，还有一种混合方式的无线组网方式在特殊场合使用。
无中心分布对等方式
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对等网络用于一台无线工作站和另一台或多台无线工作站的直接通信，它覆盖的服务区称为独立基本服务区。对等网络中的一个节点必须能侦测到网络中的其他节点，否则它就会认为网络是不可用的。对于无中心分布对等方式的无线局域网，只能界定为一种非正式的临时组建的网络。它可以用于几个移动设备之间互相拷贝文件，或者在小型会议时临时组建的一个局域网，数据传输结束后又可以迅速撤销这个网络。
5.6.3 无线局域网的组网方式
5.6 无线局域网技术
5.6 无线局域网技术
如图5-21所示为一个简单的无中心分布对等式网络，圆圈代表以每台工作站无线网卡为中心的信号覆盖区域，工作站A和工作站C之间的信号不能相互到达，工作站B的信号同时覆盖了工作站A和工作站C。当工作站A需要与工作站C通信时，工作站B就充当了中继器的作用，促成工作站A与工作站C的通信。可以看出，这种网络中的每个成员都互相依赖，一旦工作站B关闭，工作站A和工作站C都成了网络孤岛。
图5-21 无中心分布对等方式
无中心分布对等方式的应用范围非常有限，实际应用中很少采用这种组网方式。如果工作站分布位置比较分散，就更不适合使用这种方式来组网了。
5.6 无线局域网技术
有中心的集中控制方式
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有中心的集中控制方式无线局域网的英文原译名为结构化无线局域网。在集中控制方式情况下，无线局域网中设置一个中心控制站，称为“接入点”（AP），如图5-22所示。集中控制方式网络要求所有无线网卡通过AP接入局域网，因此可以把AP看作无线局域网的集线器，客户机之间传递信息必须通过AP才能完成。AP主要完成对信道资源的分配、集中控制MAC等功能，使信道利用率大大提高，使无线局域网更易于管理，同时提升了网络安全性。
图5-22 有中心集中控制方式
5.6 无线局域网技术
混合方式
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混合方式可以分为无线网桥方式和无线中继方式两类。无线网桥方式是利用一对AP连接两个有线或者无线局域网，这种方式需要AP支持无线网桥功能，并且具有较强的发射功率，如图5-23所示。
图5-23 无线网桥方式
5.6 无线局域网技术
无线中继方式是在无线网桥的基础上增设无线中继器，从而延长网络之间的无线传输距离，如图5-24所示。这种方式适用于解决布线成本较高或传输距离较长的有线或无线局域网之间的通信问题。
图5-24 无线中继方式
5.6 无线局域网技术
5.6.4 无线网络和有线网络的差异
无线网络和有线网络存在很多重要的差异，具体包含以下几个方面：
（1）路径损耗。
无线网络电磁波在穿过固体时强度会迅速减弱，即使在空气里传送，信号也将扩散，随着距离的增大，电磁波信号将急剧减弱。我们称之为路径损耗（Path Loss）。
（2）信号的抗干扰性差。
实际应用中，无法避免自然环境中的电磁噪声（如电动机、微波等），也无法避免同一频段的电磁波相互干扰（如同一区域的无线设备之间形成干扰），这样导致无线网络通信的错误率高、稳定性欠佳。
5.6 无线局域网技术
（3）多路径传播问题。
由于电磁波经过固体或地面反射后也能到达接收方，使接收方可能通过不同的长度路径收到同一信号，造成收到的信号变得模糊，这就是多路径传播带来的影响。
（4）隐藏终端问题。
如图5-25所示，工作站C正在发送数据给工作站B，但此时如果工作站A想向工作站B发送数据，在监听信道时会认为信道闲置，就会开始向工作站B发送数据，从而造成冲突。
图5-25 隐藏终端问题
5.6 无线局域网技术
（5）暴露终端问题。
在图5-26中，工作站A正向工作站D传送数据，工作站B希望向工作站C发送数据，此时工作站B听到监听信道会认为信道正忙，此时将不能向工作站C发送数据。而事实上，工作站C此时正处于闲置状态。
由于有线链路与无线链路的以上差异，无线链路中的数据错误率将比有线链路中更加普遍。为了解决这些问题，802.11采用了具有冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）媒体访问机制，与以太网的CSMA/CD很相似，其不同之处在于两点：802.11采用CSMA/CA冲突避免而非冲突检测；802.11采用了链路层确认/重传（ARQ）机制。相关内容本书不作详细介绍，请读者参阅相关书籍。
图5-26 暴露终端问题
小结
局域网是一种将较小地理范围内的各种数据通信设备互连在一起的通信网络。IEEE 802委员会制定了一系列局域网标准，称为IEEE 802标准。目前，大多数局域网使用的拓扑结构主要有星型、环型和总线型3种。从目前的发展情况来看，局域网可以分为共享式局域网和交换式局域网两大类。对于共享式局域网中，采用的介质访问控制方法有CSMA/CD介质访问控制、令牌环（Token Ring）介质访问控制和令牌总线（Token Bus）介质访问控制。
局域网技术
小结
由于在局域网技术中，以太网的应用最为广泛，因此本章重点介绍了以太网技术，包括传统以太网，以及快速以太网、千兆以太网和万兆以太网等目前比较流行的高速局域网。其中，快速以太网已大量使用在桌面系统，而千兆以太网则被广泛用于校园网、园区网或企业网的主干网上，它们各有优缺点。
交换技术可以说是局域网技术的一场革命，它已成为网络的主导技术，因此本章对交换式局域网从本质上进行了分析并说明了它与共享式局域网的根本区别。交换式网络具有独享带宽、独占通信链路的特征，因此它能提供足够的带宽。交换式网络还支持先进的虚拟网络技术，通过软硬件的配置，能根据业务性质、网络应用或组织机构等自定的原则，灵活地划分子网。
局域网技术
小结
本章还介绍了虚拟局域网（IEEE 802.1q）技术和无线局域网（IEEE 802.11）技术。虚拟局域网（VLAN）是指在交换式局域网的基础上，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。而无线局域网（WLAN）是采用无线传输介质的局域网，是有线局域网的延伸。
局域网技术
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