《计算机网络应用基础》课件第4章

第4章局域网基本工作原理4.1局域网的特点和拓扑结构 4.2

IEEE802参考模型 4.3共享介质局域网的工作原理4.4无线局域网

4.5本章小结 14.1局域网的特点和拓扑结构

4.1.1局域网的技术特点在计算机网络研究的早期，人们将局域网的主要技术特点归纳为以下三点：(1)局域网是一种数据通信网络；(2)连入局域网的数据通信设备范围较广，包括计算机、终端以及各种外部网络设备；(3)局域网往往覆盖一个比较小的地理范围，例如一个办公室、一幢楼房或者几千米范围内的一个区域。与广域网相比，局域网最显著的特点在于它能提供更高的数据传输速率，覆盖的地理范围非常有限，而且无需租用通信线路进行数据通信。随着计算机网络相关理论研究的不断深入以及高速局域网技术的迅速发展，目前传输速率为100Mb/s的以太网已经得到广泛应用，传输速率为1Gb/s的高速以太网也已进入实用阶段。2局域网的技术特点已经发生了巨大的变化，从局域网应用角度看，当前局域网的主要技术特点表现在以下五个方面：(1)局域网覆盖有限的地理范围，适用于机关、校园、公司、工厂等有限地域范围内的计算机、终端以及各种信息处理设备进行网络互连。(2)局域网具有较高的数据传输速率(从10Mb/s到10Gb/s)，局域网数据传输的误码率较低，能够提供一个高质量的数据传输环境。(3)局域网通常归属于某一个单位，这易于网络的构建、维护与扩展。(4)局域网的技术特性主要由网络拓扑结构、物理传输介质和介质访问控制方法三个方面的问题决定。(5)局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类：共享介质式局域网与交换式局域网。局域网设计的主要考虑因素是如何使网络能够在有限的地理范围内更好的运行，如何使网络资源得到更高效的利用，如何确保传输的信息更加安全，以及如何使网络的操作与维护更加简单便捷。这些设计要求决定了局域网的主要技术特点。局域网的网络拓扑结构、物理传输介质以及介质访问控制方法这三方面共同确定了局域网传输信息的形式、数据传输的速率与效率、通信信道的容量以及网络所支持的应用服务类型等方面。34.1.2局域网的拓扑结构计算机网络的拓扑结构对网络性能有很大影响。选择网络拓扑结构，首先应考虑采用何种介质访问控制方法，因为特定的介质访问控制方法通常仅用于特定的网络拓扑结构。其次，在选择网络拓扑结构时还应综合考虑网络性能、数据传输可靠性、成本、系统可扩展性、实现的难易程度及传输介质的长度等因素。局域网常见的拓扑结构有星型、环型、总线型及混合型等。下面分别介绍这几种常见的局域网拓扑结构。41.星型(star)拓扑结构目前在局域网中应用最广的是星型拓扑结构。一般企业的局域网中几乎都采用星型拓扑结构。星型网络拓扑结构因网络中的各个结点通过一个网络集中设备(如集线器或交换机)连接在一起，各结点呈星形分布而得名。采用星型拓扑结构的网络最常用的传输介质是双绞线，如三类双绞线、五类双绞线等。典型的星型网络拓扑结构如图4.1所示。5采用星型网络拓扑结构的网络有以下几个主要特点：(1)造价低、易于构建网络。星型拓扑结构的网络所采用的传输介质一般是比较通用的双绞线。相对于同轴电缆与光纤，双绞线价格较低，易于构建网络。(2)易于扩展、结点移动方便。对网络中的结点进行扩展时只需从集线器(或交换机)中引出一条线路即可；移动一个结点时只需把相应结点移到新的位置即可，不必像环型拓扑结构网络那样进行比较复杂的环维护工作。(3)容易维护。网络一个结点出现故障不会影响其他结点的连接与正常工作，可以很容易地拆走故障结点进行维修。(4)采用广播式数据传输。任何一个结点发出的数据整个网络中的其他结点都可以接收。(5)数据传输速率快。目前最新的以太网的数据传输速率已经达到1Gb/s～10Gb/s的等级。62.环型(ring)拓扑结构环型拓扑结构的网络主要用于令牌网络中。采用环型拓扑结构的网络中各个结点是通过通信线路以点到点的串接形式构成的，最后形成一个闭合环路，整个网络发送的数据在闭合环路中传递，通常把此类网络称为“令牌环网”(tokenringnetwork)。典型的环型网络拓扑结构如图4.2所示。7采用环型拓扑结构的网络主要有以下几个技术特点：(1)一般仅适用于IEEE802.5的令牌环网。在令牌环网中，令牌(token)是一个特殊的控制帧，系统通过令牌在闭合环路中的依次传递，控制网络中各个结点对公共通信信道的使用权。采用环型拓扑结构的网络使用的传输介质一般是同轴电缆。(2)网络实现简单，造价比较低。从图4.2中可以看出，组成这样的环型网络只需要计算机结点、传输介质(同轴电缆)以及一些简单的连接器材，没有价格昂贵的网络集中设备(如集线器与交换机)。(3)网络维护比较困难。首先，整个环型网络中的各个结点是相互串行连接在一起的，环中任何一个节点出现故障都会造成整个网络运转的中断，甚至导致整个网络的瘫痪，非常不便于网络的维护。其次，同轴电缆采用的是插针式的接触方式，容易因接触不良导致网络中断，由此带来的故障查找与定位比较困难。(4)系统扩展性较差。相对于星型拓扑结构，环型拓扑结构网络的扩展性较差，无论是向网络中添加新结点还是从网络中移除旧结点，都必须进行相对比较复杂的环维护工作，导致整个网络系统的可扩展性较差。83.总线型(bus)拓扑结构采用总线型拓扑结构的网络中，所有结点都直接与一条公共的数据传输通道(即总线)相连。总线型网络采用的传输介质通常是同轴电缆，目前也有一些总线型网络采用光纤作为传输介质。典型的总线型网络拓扑结构如图4.3所示。9采用总线型拓扑结构的网络主要有以下几个技术特点：(1)组网成本较低。由于采用总线型拓扑结构的网络不需要其他的网络设备，各个结点直接与总线进行连接，因此构建网络的成本比较低。(2)在采用总线型拓扑结构的网络中，由于各个结点是共享公共总线的带宽，因此每个结点的数据传输速率会随着接入网络结点的增多而下降。(3)网络具有较强的可扩展性。当需要在网络中添加新结点时，只需增加级联集线器。(4)网络易于维护。网络中单个结点的故障并不会影响整个网络的正常运转与通信。(5)总线型拓扑结构的缺点是系统一次仅能允许一个结点发送数据，其他结点必须等待，直到获得总线的使用权。104.混合型(hybrid)拓扑结构混合型拓扑结构是由星型拓扑结构和总线型拓扑结构相结合而形成的一种网络结构。该结构主要针对网络规模的扩展问题，综合了星型拓扑结构与总线型拓扑结构的优点，既解决了星型网络在传输距离上的限制，又解决了总线型网络在连接结点数量上的限制。混合型拓扑结构主要适用于规模较大的局域网中。例如，某单位有若干栋在地理位置上分布较远的办公楼，如果只用星型拓扑结构组建整个单位的局域网，由于受到星型网络传输介质(双绞线)单段传输距离上限为100m的限制，无法满足要求。如果单纯采用总线型拓扑结构组建整个单位的局域网，单个总线上很难承受全单位所有计算机的数据通信速度的要求。综合星型与总线型两种拓扑结构的优点，在同一栋楼的每一层内采用星型结构，在同一栋楼的不同楼层之间采用总线型结构，进而在楼与楼之间也采用总线型结构，形成一种混合型网络拓扑结构。当然，具体采用哪种传输介质还要根据传输距离而定。如果传输距离较近(在185m以内)，可以采用细同轴电缆作为传输介质；如果传输距离更远一些(在500m以内)，则可采用粗同轴电缆作为传输介质；如果传输距离超过500m，可以考虑采用光纤或者粗缆加中继器来实现。11采用混合型拓扑结构的网络主要有以下几个技术特点：(1)网络应用非常广泛。 这种结构的网络克服了单纯的星型拓扑结构与总线型拓扑结构的不足，能够满足较大规模局域网的实际组网需求。(2)网络具有较强的可扩展性。这一特点主要源于星型拓扑结构的优点。(3)源于总线型结构的特性，采用混合型拓扑结构的网络具有网络传输速率随网络结点数的增加而下降的缺点。(4)网络不容易维护。首先，总线型网络拓扑结构决定了一旦总线出现故障，整个网络就会瘫痪；其次，整个网络结构较为复杂，不便于维护。(5)由于其骨干传输介质一般采用同轴电缆或光纤， 采用混合型拓扑结构的网络数据传输速率通常比较快。124.2

IEEE802参考模型4.2.1局域网的传输介质传输介质是网络中信息传输的载体，是网络通信的物质基础之一。传输介质的特性对数据传输速率、通信距离、网络结点数以及数据传输的可靠性等方面都有很大的影响。因此，应根据不同的通信要求合理选择传输介质。目前，在局域网中常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道。在计算机网络早期的应用中使用较多的传输介质是同轴电缆。同轴电缆分为粗缆和细缆两种。粗缆接头的制作与安装比较复杂，在中小型局域网中很少使用。细缆由于数据传输速率较低，其数据传输的稳定性与可维护性较差，因此在局域网中也很少使用。随着网络技术的发展，双绞线在局域网中得到了广泛的应用。由于价格相对比较便宜，安装与维护较为简单，目前双绞线已经成为局域网传输介质的主流。光纤具有传输频带宽、通信容量大、传输距离长、抗干扰能力强、误码率低、抗化学腐蚀能力强等优点。当前光缆主要用于长距离数据传输与组建大型局域网的主干线路。由于价格比较昂贵，目前常见的中小型局域网选择光纤作为传输介质的比较少。但是，光纤所具有的众多优点决定了它无疑是未来传输介质发展的方向。随着成本的不断降低，在不远的将来，光纤到楼、到户，甚至到桌面都会成为现实，光纤将给人们带来全新的高速网络体验。随着技术的进步与各种新型应用的出现，越来越多的移动结点出现在各种局域网应用中。结点的移动性使无线通信信道成为一种必要的传输介质。

134.2.2局域网的介质访问控制方法对于广播式网络，OSI参考模型中数据链路层的一个重要的任务是解决介质访问控制方法问题，即如何控制网络中多个结点对公共通信信道的访问。常见的共享物理传输介质的网络类型有：总线型网络、环型网络、星型网络以及无线网络。目前，常见的局域网介质访问控制方法有以下三种：(1)带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)方法；(2)令牌总线(TokenBus)方法；(3)令牌环(TokenRing)方法。在4.3节将结合IEEE802参考模型与标准详细介绍这三种局域网介质访问控制方法。144.2.3IEEE802参考模型1980年初，IEEE成立了局域网/城域网标准委员会(LAN/MANStandardsCommittee，LMSC)，又称为IEEE802委员会，该委员会致力于研究局域网与城域网的物理层和介质访问控制子层中定义的服务与协议。IEEE802委员会负责起草局域网与城域网相关标准的草案，并将其提交给美国国家标准协会(ANSI)批准，成为美国国内标准。此外，IEEE还把IEEE802委员会起草的标准提交给国际标准化组织(ISO)，ISO把IEEE802制定的一系列规范称为ISO802标准。因此，许多IEEE标准也是ISO标准，例如IEEE802.3标准也是ISO802.3标准。IEEE802委员会制定的服务与协议标准对应于OSI七层参考模型的最低两层：物理层与数据链路层。事实上，IEEE802模型将OSI模型的数据链路层进一步划分成两个子层：逻辑链路控制(LogicalLinkControl，LLC)子层与介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)子层。逻辑链路控制LLC子层集中了与介质访问无关的功能，其主要功能包括建立与释放数据链路层的逻辑连接，作为其上层(网络层)与其下层(MAC子层)之间的接口，进行流量控制以及差错控制等。介质访问控制子层提供了编址与信道访问控制机制，使多个终端或网络结点能够在包含共享介质的多路访问网络(如以太网)中进行通信。IEEE802参考模型与OSI参考模型的对应关系如图4.4所示。1516IEEE802委员会制定了一系列的标准，其中应用最广泛的标准有：以太网(IEEE802.3标准)、令牌环网(IEEE802.5标准)、无线局域网(IEEE802.11标准)等。IEEE802系列标准中的每一个标准都由IEEE802委员会中的一个专门工作组负责。表4.1列出了IEEE802系列标准中主要标准的名称与主要功能。174.3共享介质局域网的工作原理局域网根据其采用的介质访问控制方法可以分为两类：交换式局域网与共享介质局域网。在IEEE802系列标准中制定了三个共享介质局域网的标准，它们分别是：（1）IEEE802.3标准，即以太网，定义了CSMA/CD介质访问控制方法；（2）IEEE802.4标准，定义了令牌总线介质访问控制方法；（3）IEEE802.5标准，定义了令牌环介质访问控制方法。下面分别介绍这三种共享介质局域网的基本工作原理。4.3.1以太网工作原理1.以太网基础以太网(Ethernet)是起源于20世纪80年代的一系列计算机局域网技术的统称。以太网标准对应于OSI参考模型中的数据链路层。以太网的基本思想起源于ALOHA网络。ALOHA网络是在NormanAbramson的带领下于美国夏威夷大学开发的人类第一个无线分组数据计算机网络，该网络于1971年6月开始实际运转。在ALOHA网络的研究者中，有一位在哈佛大学攻读博士学位研究生叫做RobertMetcalfe，他对ALOHA的技术非常感兴趣并将其作为博士论文的研究内容。从哈佛大学毕业后，RobertMetcalfe来到施乐公司工作。在这里研究人员正在设计和建造日后被称为个人电脑(personalcomputer，PC)的计算机。在当时，这些计算机是相互孤立的。利用他在ALOHA网络研究中学到的知识，RobertMetcalfe与其同事DavidBoggs一起设计并实现了人类第一个局域网，他们把这个计算机网络系统叫做以太网。最初的以太网使用一根很长的粗同轴电缆作为网线，网络传输速率为3Mb/s。18很快，以太网获得了很大的成功。在1978年，RobertMetcalfe促使DEC(DigitalEquipmentCorporation)、Intel与Xerox三家公司共同推动将以太网作为局域网的标准。于是，这三家公司共同起草了一个10Mb/s以太网的标准，该标准也被称为DIX标准(代表DEC/Intel/Xerox)。该标准于1980年9月正式发布，其全称为“局域网以太网的数据链路层和物理层规范”。DIX标准分别针对数据链路层与物理层对以太网的主要技术特征进行了定义。例如，在数据链路层DIX标准规定以太网的数据传输速率为10Mb/s；网络中两个结点之间的距离上限为2.5km；网络结点数的上限为1024；采用带有屏蔽层的同轴电缆作为传输介质进行基带信号传输等。在物理层，DIX标准规定以太网的介质访问控制方法采用CSMA/CD方法；消息传递协议采用可变长的数据帧，并且提供BE传输服务。1983年，在DIX标准的基础上稍加改动形成了IEEE802.3标准。遗憾的是，施乐公司除了帮助RobertMetcalfe制定以太网标准之外，对以太网的技术前景并不感兴趣。于是，在1979年RobertMetcalfe离开施乐公司，成立了在计算机网络发展历史上著名的3Com公司，该公司致力于对包括以太网在内的计算机网络技术进行开发与产品转化。20世纪80年代初期，RobertMetcalfe将以太网技术与当时深受用户欢迎的PC结合起来，3Com公司为IBM的个人电脑开发了以太网网卡。事实证明，以太网技术与PC的嫁接取得了双赢的结果。截止2000年1月，3Com公司的市场总资本已达150亿美元，拥有员工一万三千余人。19以太网分为两类：传统以太网(classicEthernet)与交换式以太网(switchedEthernet)。传统以太网采用本节稍后介绍的CSMA/CD介质访问控制方法解决多路访问问题。交换式以太网以集线器(hub)或交换机(switch)为中心连接不同的计算机，实际上是一种星型拓扑结构网络。值得注意的是，虽然这两种网络都被称为以太网，但是它们之间存在很大的差别。传统以太网是以太网技术最初的形式，其网络传输速率在3Mb/s～10Mb/s之间。交换式以太网是传统以太网经过不断的技术改革与完善最终形成的，其网络传输速率可以达到100Mb/s、1000Mb/s，甚至高达10Gb/s。交换式以太网有多种不同的称谓，例如快速以太网(fastEthernet)、千兆以太网(gigabitEthernet)以及10G以太网等。目前，实际使用的以太网只有交换式以太网。以太网的拓扑结构主要有总线型与星型两种。传统以太网多使用总线型拓扑结构，连接简单，所需的电缆较少，价格便宜，但是管理成本高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。这种以太网采用同轴电缆作为传输介质，通常在小规模的网络中不需要专用的网络设备，但由于其固有缺陷，目前已经逐渐被以集线器与交换机为核心的星型结构以太网所取代。交换式以太网采用专用的网络设备(如集线器或交换机)作为中心结点，通过双绞线将局域网中的各台计算机连接到中心结点上，形成星型拓扑结构。20星型结构的以太网管理方便、容易扩展，但是需要专用的网络设备作为网络的中心结点，因此需要更多的网线，而且对中心设备的可靠性要求高。与总线型以太网相比，星型结构以太网虽然需要更多的线缆，但其布线成本与连接器价格比总线型以太网便宜。此外，星型拓扑结构可以通过级联方式很方便地对网络规模进行扩展，因此得到了广泛的应用，目前绝大部分以太网都采用星型拓扑结构。以太网可以采用多种物理传输介质，包括同轴电缆、双绞线与光纤等。其中双绞线多用于从主机到集线器或交换机的连接，而光纤则主要用于交换机之间的级联以及交换机到路由器之间点到点的连接。同轴电缆作为以太网早期的主要传输介质目前已经逐渐趋于淘汰。今天，以太网已经成为局域网市场的主流技术。早在20世纪80年代和90年代初期，以太网曾经受到其他一些局域网技术的挑战，例如令牌总线网络、令牌环网络、FDDI以及ATM等，而且这些局域网技术中的某些技术在一段时间内确实成功地获得了部分局域网市场的份额。但是，自从20世纪70年代中期以太网诞生之后，就不断发展与成长，始终占据局域网领域的主导地位。随着IEEE802.3标准的制定，以太网毫无疑问是当今使用最广泛的局域网技术，而且在可预见的将来仍然会是局域网领域的主流技术。可以这么说，以太网在局域网领域的主导地位相当于Internet在全球网络领域的主导地位。212. CSMA/CD基本工作过程传统以太网的网络结构如图4.5所示，是一种总线型结构的网络，网络中所有的计算机都连到一根长长的线缆上。传统以太网最初采用的传输介质是粗同轴电缆(粗缆)，后来逐渐被细同轴电缆(细缆)所取代，因为细缆直径较细，弯曲灵活，更易于布线。相对于粗缆，细缆价格更低，更易于安装，但是每段网线最长只能达到185m，而且每段网线上最多只能连接30台计算机。如果使用粗缆作为传输介质，每段网线最长可以达到500m，每段网线上最多能够连接100台计算机。22传统以太网采用CSMA/CD介质访问控制方法。在详细介绍CSMA/CD方法的基本原理与具体工作过程之前，先以人类对话交流为例分析通信的一些基本规则。在日常的人类交谈过程中，除了基于礼貌的考虑，为了减少对话双方的冲突，进而增加信息交流的总量，人们通常遵守以下两条重要的通信协议：(1)先听后说。如果对方正在说话，一般要等待对方说完之后再说。在计算机网络中，把这一过程称为载波侦听(carriersensing)，即一个结点在使用信道传输数据之前先对信道进行侦听。如果此时其他结点正在利用信道传输数据，该结点应该等待一段时间，然后再次对信道进行侦听。如果侦听到信道处于空闲状态，结点开始数据传输，否则该结点应继续等待，重复此等待过程，直到信道变为空闲状态。(2)如果在交谈中双方同时开始说话，那么自己应立即停止说话。在计算机网络中，把这一过程称为冲突检测(collisiondetection)，即一个结点在使用信道传输数据的同时还要对信道进行侦听。如果该结点检测到其他结点正在向信道上发送干扰数据帧，它应立即停止当前的数据传输，并根据某种协议的规定决定何时再次进行数据传输。CSMA/CD方法包含了上述的两个基本规则，是传统以太网的基础与核心，其基本原理是：网络中所有欲发送数据帧的结点都侦听传输介质的忙闲状态；一旦传输介质为闲立即发送数据；结点在发送数据的同时还要监测信道是否产生冲突；如果检测到冲突则立即中止数据传输，等待随机长度的时间后再次进行数据传输。23CSMA/CD方法的具体工作过程比较复杂，但是可以简单概括为以下几个步骤：(1)当某个结点要发送数据时，首先需要侦听是否有其他结点正在使用总线传输数据。如果某个其他结点正在使用总线传输数据，总线为忙(busy)；否则总线为闲(idle)。(2)如果侦听得到的结果是总线当前为闲，该结点通过总线把数据发送出去。此时，所有连接到总线的结点都能够收听到该数据信号。(3)如果侦听得到的结果是总线为忙，该结点进入等待状态，一直等到总线变为闲状态，然后使用总线发送数据。(4)假定在同一时刻，多个结点同时使用总线发送数据，多个数据帧同时被发送到物理传输介质上并且完全或部分重叠时，就发生了冲突(collision)。当冲突发生时，物理传输介质上的数据都不再有效。如果检测到发生了冲突，冲突结点将停止当前的数据发送工作，然后等待一段时间(此时间长度为随机值)，之后再次尝试发送数据。值得注意的是，检测到冲突之后结点等待时间的长度必须为一个随机值。如果等待时间是固定值的话，冲突双方(或多方)在等待时间过后同时开始发送数据，又会产生新的冲突，如此循环往复，陷入死循环。24上述CSMA/CD工作过程第(4)步中的冲突检测是一个模拟过程，可以通过将接收信号的强度(或脉冲宽度)与发送信号进行比较来实现。发送结点的硬件在传输数据时必须时刻侦听传输信道上的信号。如果读入的信号与其发出的信号不同，那么可以判定发生了冲突。冲突检测过程的基本原理对信号与编码提出两点要求：第一，相对于发送信号，接收信号的强度不能太小，这一点对于无线传输信道很难实现，因为无线传输中接收信号的强度往往只有发送信号强度的百万分之一；第二，必须选择特殊的编码(调制)方案，使得系统能够区分不同的发送与接收信号。与其他许多局域网协议一样，CSMA/CD采用如图4.6所示的概念模型。25图4.6中的t0表示网络中某结点刚刚结束其数据帧的传输，在t0时刻之后，网络中其他准备发送数据帧的结点开始尝试使用总线发送数据。如果两个(或多个)结点同时发送数据，网络中将会产生冲突。当某个结点检测到冲突时，它立即中止当前的数据传输，然后等待一段随机长度的时间，如果在这段等待时间内没有其他结点发送数据的话，该结点在等待时间结束之后再次尝试发送数据。因此，沿时间轴观察，按照CSMA/CD方法工作的以太网其总线在任何时刻只能处于三种可能的状态之一：传输状态、争用状态与空闲状态。以太网总线在时间轴上交替出现传输期、争用期与空闲期。传输期表示某个结点正在占用总线进行数据传输；争用期表示多个结点竞争总线的使用权；空闲期表示当前网络中所有结点都没有数据传输的任务。CSMA/CD是一个非常重要的介质访问控制层协议，而IEEE802.3是一个国际标准，两者之间有一些区别，但是由于基本内容大体相似，因此在许多场合人们往往将这两个名称等同起来。264.3.2令牌总线工作原理IEEE802.4标准定义了令牌总线(tokenbus)介质访问控制方法以及相应的物理层规范。令牌总线是一种利用“令牌”(token)作为控制多个结点访问公共通信信道的介质访问控制方法。在采用令牌总线介质访问控制方法的局域网中，任何一个结点只有在获得令牌后才能使用总线发送数据。每当一个站点获得令牌之后，它可以在一定的时间范围内向环上发送数据帧，在此之后它必须依次将令牌传递下去。典型的令牌总线网络的结构如图4.7所示。顾名思义，令牌总线网络采用的是总线型拓扑结构，网络中每个计算机结点称为一个站点(station)。从图4.7(a)可以看出，令牌总线网络在物理上是将多个站点连接到一个线型(或树型)的线缆上，是一种典型的总线型拓扑结构。但是，从图4.7(b)可以看出，令牌总线网络在逻辑上是一个由多个站点首尾相连构成的闭合回路，是环型结构。当环进行初始化时，各个站点按照站点地址由高到低的顺序依次加入环中。在构成环的过程中，每个站点都要记住其左邻站点和右邻站点的地址。环中令牌的传递顺序按照站点地址从高到低的顺序依次进行。当令牌到达地址最低的站点之后，令牌再传递给地址最高的站点，通过如此循环往复，令牌在环中不断循环传递。2728以图4.7中所示的令牌总线网络为例，假定结点A的地址为22，结点B的地址为20，结点F的地址为18，结点C的地址为16，结点E的地址为15，结点D的地址为5，该令牌总线网络中令牌传递的顺序如图4.8所示。在初始化完成之后，首先由地址最高的结点A(站点地址为22)最先开始发送数据。在结点A发送完数据之后，向与其相邻的下一个站点(即结点B，其站点地址为20)发送一个特殊的控制帧，即令牌。该令牌依次在逻辑环路中循环传递，只有持有令牌的站点才能向环上发送数据帧。由于任一时刻整个环中仅有一个站点持有令牌，所以系统中不会出现冲突。29令牌总线网络具有以下优点：(1)相对于CSMA/CD方法，由于只有持有令牌的结点才能使用总线发送数据，因此令牌总线网络不会产生冲突。(2)由于没有冲突，令牌总线的数据帧长度只需根据所要传输数据的长度来确定，因此没有最短帧的要求。而对于CSMA/CD方法，为了使最远距离的结点能够检测到冲突，需要在实际数据长度之后添加填充位，以满足最短数据帧长度的要求。(3)令牌总线网络中的结点具有公平的总线使用权。取得令牌的结点若有数据需要发送则使用总线进行数据发送，之后将令牌传递给下一个结点；如果取得令牌的结点没有数据发送，则立刻把令牌传递给下一结点。由于结点得到令牌的过程是顺序依次进行的，因此网络内的所有结点都有公平的总线使用权。(4)在令牌总线网络中每个结点传输之前的等待时间是确定的。由于每个结点发送数据帧的最大长度可以加以限制，因此当所有站点都有报文要发送时(即最坏情况)，结点等待取得令牌与发送数据帧的时间等于全部令牌与数据帧传送时间的总和。根据应用的需求，设定网中的结点数以及最大报文长度，就可以确保任一结点都能够在限定的等待时间内获得令牌。对于某些面向控制过程的网络应用，结点所具有的等待时间上限是一个非常关键的指标。(5)令牌总线方法还提供了不同的服务级别，即不同的优先级。与CSMA/CD方法相比，令牌总线比较复杂，需要完成大量的环维护工作，包括环初始化、新结点加入环、结点从环中撤出、环恢复与优先级服务等等。304.3.3令牌环工作原理为了与以太网的DIX标准相抗衡，IBM公司推出了令牌环(TokenRing)技术。令牌环技术同时也是IBM公司对其之前推出的令牌总线技术的进一步发展与完善。IEEE802.5标准是在IBM公司TokenRing协议的基础上发展和形成的。在令牌环网中，站点通过环接口首尾相连构成物理上的一个闭合环路。与前述的令牌总线网络不同，令牌环网在物理上就是一个环形结构。令牌环网络的基本结构如图4.9所示。31从本质上讲，令牌是一种特殊的MAC控制帧，帧中有一位用来标志令牌是忙还是闲。令牌总是沿物理环路单向逐站传送，令牌的传送顺序与站点在环中的排列顺序相同。如图4.9(b)所示，令牌传输(tokenpassing)的过程由两个简单的动作构成：首先，站点从令牌传来的方向接收令牌；然后，站点将令牌按顺序传输出去。在令牌环网中，数据帧的传输方向与令牌的传输方向相同。如此令牌与数据帧可以沿环路流动，并且可以到达环中任何一个站点。为了避免数据帧在环路中无限循环流动，必须有站点负责将其从环中删除。扮演这一角色的站点既可以是数据帧的发送站点，也可以是数据帧的目的站点。如果某站点有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌到来。当此站点获得空闲令牌之后，首先将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后使用环路发送数据。32以图4.9为例，假定结点B要给结点E发送数据，令牌环网的基本工作过程如下：(1)开始的时候，网络中有一个闲令牌在环中逐站循环流动。为了能够使用网络进行数据传输，站点必须先等待闲令牌的到来并获得该令牌。(2)结点B要给结点E发送数据，那么结点B首先要等待闲令牌到来。结点B获得闲令牌后，将令牌的状态由“闲”置为“忙”，然后附上所要发送的数据以及接收站点的地址。(3)结点B将数据沿环路依次发送给结点C，结点C通过比较数据的目的地址发现自己并非数据的目的站点，因此将数据依次向下传递给结点D。(4)结点D与结点C一样，将数据依次向下传递给结点E。(5)结点E通过比较数据的目的地址发现自己就是数据的目的站点，因此它将数据接收下来。但是，此时结点E并不能向环上释放一个闲令牌。结点E必须向数据的发送者(即结点B)返回一个确认消息，表示它已接收到数据。(6)该消息沿环路依次向下传递给结点F，结点F在收到该消息后通过检查目的地址发现自己并不是该消息的目的站点，因此它将消息依次传递给环中的下一个站点—结点A。(7)结点A与结点F一样，将消息依次向下传递给结点B，而结点B正是此次数据传输的发送者。(8)结点B识别确认消息的目的地址，进而读取从结点E发来的确认消息，得知此次数据传输工作已经完成。之后，结点B向环路上释放一个闲令牌，下一个站点可以获取该令牌进行数据传输。33从本质上分析，令牌环网络并不是采用广播式的共享传输介质，而是通过中继器(repeater)把多个点到点的线路连接起来，构成首尾相连的闭合环路。由于数据帧沿环路传播时能够到达所有的站点，因此可以起到广播发送的作用。中继器是连接环型网络的主要设备，其主要功能是把本站点的数据发送到输出链路上，同时也负责把发送给本站点的数据复制到站点中。一般情况下，环上的数据帧由发送站点负责回收，这种方案具有以下优点：(1)可以实现组播功能。当数据帧在环上循环流动一周时，多个站点都可以复制数据帧。(2)可以实现自动应答功能。当数据帧经过目的站点时，目的站点可以改变数据帧中的应答字段，从而不需向发送站点返回专门的应答帧。IEEE802.5标准在物理层规定令牌环网使用屏蔽双绞线(STP)与非屏蔽双绞线(UTP)两种传输介质。采用这两种传输介质时，环中最大站点数均为250个站点。采用STP的令牌环网数据传输速率较高，可达16Mb/s；采用UTP的令牌环网数据传输速率较低，一般为4Mb/s。令牌环网络的组网造价比较高，这是因为令牌环网的硬件比较复杂，生产成本较高。除了网络构建费用较高之外，令牌环网16Mb/s的网络传输速率与目前千兆以上的以太网标准相比有着很大的差距。作为一种网络技术，令牌环网正在渐渐淡出局域网的应用市场。344.4无线局域网随着计算机网络技术的飞速发展，无线局域网正在越来越快地走入人们生活的各个方面，无论是办公场所、家庭，还是餐厅、图书馆、商场、火车站、飞机场等公共场所，越来越多的地方已经配备了无线局域网，能够方便地将台式计算机、笔记本电脑、PDA以及智能手机等连入Internet。无线局域网深受广大用户的喜爱，在人们的工作、学习和生活中扮演着重要的角色。本节通过以下几个方面介绍无线局域网的相关概念和基本原理：（1）无线局域网和IEEE802.11；（2）无线局域网的频段和结构模式；（3）多径衰落；（4）无线局域网的介质访问控制方法；（5）无线局域网的优缺点。354.4.1无线局域网和IEEE802.11在便携式笔记本电脑出现之后不久，许多计算机网络用户开始考虑是否有朝一日能够在家里和办公室里使用笔记本电脑接入Internet。为了实现这一目的，许多机构和组织对此展开了相关研究工作。为了实现无线网络互连的目标，最切实可行的方法就是在办公室里（或者家里）和笔记本电脑上配备短距离的无线电发射器和接收器，使这些笔记本电脑之间能够相互通信。许多公司很快推出了自己研发的无线局域网产品，但是这些无线局域网技术各自遵循自己的标准，相互之间不兼容，这意味着配备了A公司的无线电收发器的计算机无法与B公司的基站进行互联互通。在20世纪90年代中期，学术界和业界一致认为应该制定无线局域网的技术标准，这个任务由IEEE曾经制定有线局域网标准的专门委员会负责完成。制定无线局域网标准首先要解决的问题是：这个标准的名称应该叫什么？在此之前，已经制定出的局域网标准的名称分别是：IEEE802.1和IEEE802.2等等，一直到IEEE802.10，因此，无线局域网的标准被命名为IEEE802.11。IEEE802.11通常也被称为WiFi，但是IEEE802.11是无线局域网标准更为正式和规范的称谓。364.4.2无线局域网的频段和结构模式无线局域网首先面临的一个技术层面的问题是找到一个全球范围内可用的适合无线局域网通信的无线电频段。对于这个问题，无线局域网的解决方案与移动电话网络所采用的方案截然相反。移动电话网络使用的是授权频谱（licensedspectrum），需要有关电信主管部门授权，成本较高。无线局域网使用的是非授权频带（unlicensedband），无需授权，成本相对较低。IEEE802.11网络工作在国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R:InternationalTelecommunicationUnion-RadiocommunicationSector）定义的ISM（Industrial,Scientific,andMedical）频带。ISM频带是各国分配出某些无线电频段，开放给工业、科学和医学机构使用。ISM频带在各国的具体规定不太统一，大体分布在以下三个频段：902~928MHz、2.4~2.4835GHz和5.725~5.850GHz，如图4.10所示。在图4.10中，SH表示超高频（SuperHigh），UH表示特高频（UltraHigh）。从图4.10中可以看出，ISM频带主要集中在超高频和特高频这两个频段。使用ISM频带不需要授权许可，没有使用费用，但是发射设备要控制其发射功率，避免不同设备之间的相互干扰。这意味着遵循IEEE802.11标准的无线电设备要和其他工作在相同频段的电子设备（比如微波炉、车库门遥控开关、无绳电话等等）共享这些频段，需要避免冲突和相互干扰。37总体而言，IEEE802.11网络是由客户端（client）和基础设施（infrastructure）两部分构成的。客户端包括台式计算机、笔记本电脑和移动电话等。IEEE802.11网络的基础设施是指接入点（AP:accesspoint），也被称为基站（basestation），通常安装在家庭或办公场所的楼宇内。接入点的功能类似传统有线网络中的集线器，是组建小型无线局域网最常用的设备。接入点是连接有线网络和无线网络的桥梁，其主要作用是连接无线局域网内的各个客户端，并且将无线网络接入到有线网络。接入点与有线网络相连，无线局域网中所有客户端之间的通信都要经过接入点，这种结构模式称为带有AP的无线局域网模式，如图4.11(a)所示。除此之外，无线局域网中的各个客户端相互之间也可以直接通信，无需间接地通过接入点进行通信，这种结构模式称为“自组织网络”（adhocnetwork），如图4.11(b)所示。38在图4.11所示的两种结构模式中，最常见的是图4.11(a)所示的带有AP的无线局域网结构模式，图4.11(b)所示的自组织网络结构模式相对比较少见一些。大多数AP支持多用户接入、数据加密以及多速率传输等功能，有些AP还能够提供一定的无线网络管理功能。AP的室内无线电覆盖范围一般在30米到100米之间，有些AP产品具有互联功能，无线局域网的客户端可以在不同的AP之间漫游，从而扩大无线局域网的覆盖范围。对于办公室和家庭等小范围的无线局域网，通常只需要一台AP即可实现无线局域网内所有客户端的无线接入。394.4.3多径衰落在无线局域网中的数据传输会受到无线传输环境的影响，这使得IEEE802.11网络的数据传输过程更加复杂。在IEEE802.11网络所使用的频段，由于无线电频率较高，波长很短，原始无线电信号经多个物体表面反射后所产生的回波（echo）会经过多条不同的传输路径到达同一个接收端，这些回波之间会相互抵消或者加强，从而造成接收信号的剧烈波动，这种现象称为“多径衰落”（multipathfading），如图4.12所示。40克服无线环境对信号传输影响的主要方法是采用路径分集（pathdiversity）技术，即通过多个独立的传输路径发送数据。通过使用路径分集技术，即使某一个传输路径因为衰落导致接收信号质量差，原始信号也会通过其他路径成功传输。在路径分集技术中，这些独立传输路径通常内建在物理层的数字调制方案中，具体方法包括：在可用频段中使用不同的频率、在多个天线对之间采用不同的空间传输路径、在不同的时间段重复发送数据。在IEEE802.11网络的发展过程中，不同版本的IEEE802.11标准分别使用了上述的各种路径分集技术。1997年，最初的IEEE802.11标准定义的无线局域网在允许的频段内使用跳频或者扩频技术，其数据传输速率为1Mbps或2Mbps。该标准推出之后，用户普遍认为其网络数据传输速率太低，于是人们继续研究数据传输速率更快的无线局域网标准。1999年，人们在原有标准的基础上对其扩频设计进行了扩展，推出了IEEE802.11b标准，其网络数据传输速率提升到11Mbps。1999年的IEEE802.11a标准和2003年的IEEE802.11g标准采用一种被称为“正交频分复用”（OFDM:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）的调制方案，将较宽的频带划分成多个较窄的子频带，在这些子频带上并行发送数据。通过这种改进的调制方案，IEEE802.11a标准和IEEE802.11g标准的网络数据传输速率提升到54Mbps。尽管网络数据传输速率已经明显提高，但是人们仍然希望获得更高的网络数据传输速率以支持更多更广的应用。目前，最新的无线局域网标准是2009年推出的IEEE802.11n标准，它使用更宽的频带，可以使用多个发射和接收天线，其传输距离更远，最大网络数据传输速率的理论值达到600Mbps，与之前IEEE802.11标准的54Mbps相比有了大幅提升。414.4.4无线局域网的介质访问控制方法介质访问控制（MAC:mediumaccesscontrol）方法是指当网络中对共享信道的使用出现竞争或者产生冲突时如何分配和控制信道的使用权。由于无线局域网本质上使用的是无线电广播信道，因此IEEE802.11网络需要处理同时进行的数据传输可能导致的冲突及其对数据接收产生干扰的问题。为了解决这个问题，IEEE802.11网络使用的是一个称为“带有冲突避免的载波侦听多路访问”（CSMA/CA:CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）的方法。CSMA/CA的思想方法源于传统以太网的CSMA/CD方法，而CSMA/CD的基本思想源自于早期在美国夏威夷开发的无线网络ALOHA。CSMA/CA方法的基本思想包括两个方面。第一，当无线局域网中的某个结点通过侦听得知目前有其他结点正在使用共享信道传输数据时，将会延迟进行数据传输。第二，无线局域网中的结点在发送数据之前首先要等待一段时间，这个等待时间很短，时间长度是随机的。采用CSMA/CA方法，无线局域网中在同一时刻出现两个（或多个）结点使用共享信道发送数据的可能性大幅减少。42CSMA/CA方法与传统以太网使用的CSMA/CD方法在概念上比较相似，但是两者也存在一些区别。在CSMA/CD方法中，当网络中的某个结点要通过共享信道发送数据时，首先要侦听是否有其他结点正在使用信道传输数据，如果检测到冲突，发送结点停止当前的数据发送，等待一段时间（长度为随机值），之后再尝试发送数据。在CSMA/CA方法中，当网络中的某个结点要发送数据时，它首先等待一段随机时间（除非该结点最近没有使用信道而且信道当前是处于空闲状态）。此时数据发送结点并不是在等待信道冲突，等待的时间长度是随机的。发送结点在等待的同时，侦听信道是否变为空闲状态（即在一段时间内没有信号在该信道上进行传输）。当发送结点侦听到信道变为空闲状态时，开始一段随机等待时间，即开始对随机延迟等待时间进行倒计时。注意，如果在随机延迟等待时间倒计时过程中遇到其他结点使用信道传输数据，则暂停倒计时过程。当随机延迟等待时间倒计时结束时，发送结点开始使用信道发送数据。如果数据帧成功到达接收结点，接收结点立刻向发送结点返回一个确认（Ack:acknowledgement）消息。如果发送结点在发出数据帧之后，在指定时间内没有收到接收结点的Ack消息，这意味着数据传输过程出现了错误，可能是信道冲突或其他原因造成的。在这种情况下，发送结点将随机延迟等待时间长度倍增，然后重新尝试传输该数据帧，直到数据帧成功传输或者达到规定的重传次数上限值。43下面，我们通过一个例子说明CSMA/CA方法的相关概念和基本执行过程，如图4.13所示。44在图4.13所示的例子中，无线局域网内的结点A首先占用共享信道向节点D发送数据帧。在结点A给结点D发送数据的过程中，结点B和结点C分别先后准备好发送数据，由于此时结点A正在使用信道发送数据，因此信道处于忙状态，于是结点B和结点C分别开始等待，等待共享信道变为空闲状态。在结点A向结点D成功发送数据之后，结点A收到节点D返回的确认消息Ack，此时共享信道从忙状态变为空闲状态。虽然此时共享信道已经变成空闲状态，但是结点B和结点C并不是立刻就开始发送数据，而是各自开始一段延迟等待，时间长度为随机值。在图4.13所示的例子中，由于结点C的随机延迟等待时间（t3）较短，因此结点C首先占用信道发送数据。当结点C开始发送数据时，结点B侦听到此时信道正在被结点C使用，因此它暂停其随机延迟等待时间的倒计时，开始等待共享信道变为空闲状态。当结点C完成数据发送并且从结点D收到Ack确认消息之后，结点B继续先前暂停的随机延迟等待时间的倒计时。如图4.13所示，当结点B完成其剩余随机延迟等待时间（t2）的倒计时之后，开始使用共享信道向结点D发送数据。在图4.13中，结点B总的随机延迟等待时间为t1+t2，结点C的随机延迟等待时间为t3，而且t1=t3。45作为两种不同的介质访问控制方法，CSMA/CD和CSMA/CA之间存在明显的区别，可以概括为以下三个方面：（1）CSMA/CD是在信道冲突发生后起作用，而CSMA/CA作用于信道冲突发生之前。（2）CSMA/CD无法避免信道冲突的出现，它只能减少信道冲突发生之后的恢复时间；而CSMA/CA可以通过等待和随机延迟等机制尽量避免发生信道冲突。（3）CSMA/CD通常用于有线网络，而CSMA/CA通常用于无线网络。相对于CSMA/CD，CSMA/CA有以下两个方面的优点：（1）可以尽量避免出现信道冲突；（2）采用数据接收确认机制，避免出现不必要的数据丢失。相对于CSMA/CD，CSMA/CA也存在一些缺点，主要表现在以下两个方面：（1）需要更长的延迟等待时间；（2）需要增加更多的通信量，因此能耗更高。46虽然CSMA/CA方法可以通过发送数据前等待和等到信道空闲状态后随机延迟等机制尽量避免信道冲突的产生，但是它的实际工作效果不如在有线网络中那么好。以图4.14为例，假设在无线局域网中结点A正在给结点B发送数据，由于结点A发射的无线电波覆盖范围有限，可以覆盖结点B，但是无法覆盖结点C。此时，如果结点C要给结点B发送数据，按照上述CSMA/CA的工作原理，结点C在开始传输数据之前首先要侦听信道。问题在于，即使此时结点C侦听到信道上没有其他结点在传输数据，这并不意味着它的数据传输就一定能够成功。由于结点C在结点A发射的无线电波覆盖范围之外，因此结点C在数据传输之前不能侦听到结点A对信道的使用情况，由此可能会产生信道冲突。一旦发生信道冲突，数据的发送方必须在重新等待更长的随机延迟时间后进行数据重发。除了由上述原因所导致的信道冲突而引发的数据重发问题，CSMA/CA方法在无线局域网的实际使用中效果还是不错的。474.4.5无线局域网的优缺点无线局域网的飞速发展和广泛应用源于它所具有的优点，主要表现在以下几个方面：（1）灵活性高、移动性强。在有线网络中，网络终端的位置通常受网络空间布局和物理位置的各种限制。在无线局域网中，只要是在局域网无线信号覆盖的范围之内，网络终端可以在任何一个地方接入网络。此外，无线局域网的另一个显著优点是网络终端具有较高的移动性，连接到无线局域网的网络终端可以在移动中保持与网络的连接状态，这一功能是有线网络无法实现的。（2）易于安装、便于调整。使用无线局域网可以极大地减少传统有线网络繁琐的网络布线工作，通常只需安装