《计算机网络技术》-第三章 局域网

局域网概述局域网体系结构局域网介质访问控制策略

本章主要内容以太网技术一、局域网概述

局域网LAN(LocalAreaNetwork),是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备互连一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。公司、企业、政府部门乃至住宅小区内的计算机都在通过局域网连接起来已达到资源共享、信息传递和数据通信的目的。1.局域网的特点（1）地理分布范围,一般为数百米至数公里。（2）数据传输速率高，一般为10Mbps～100Mbps，目前局域网传输速率已经达1000Mbps，可交换各类数字和非数字(如语音、图象、视频等)信息。（3）误码率低，一般在10-11-10-8以下。（4）以PC机为主体，包括终端及各种外设，网中一般不设中央主机系统。（5）面向的用户比较集中，局域网一般为一个单位所建，在单位或部门内部控制管理和使用，服务于本单位的用户，经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网通常由服务提供商提供形成鲜明对照。（6）协议简单、结构灵活。便于安装、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。2.局域网的拓扑结构总线网一般采用分布式媒体访问控制方法。总线网可靠性高、扩充性能好、通信电缆长度短、成本低，是用来实现局域网的最通用的拓扑结构，著名的以太网的CSMA/CD。环形网也采用分布式媒体访问控制方法。环形网控制简单、信道利用率高、通信电缆长度短、不存在数据冲突问题,在局域网中应用较广泛，典型实例有IBM令牌环(TokenRing)网和剑桥环(CambrigeRing)网。星形网往往采用集中式媒体访问控制方法。星形网结构简单、实现容易、信息延迟确定。其缺点是通信电缆总长度长、传输媒体不能共享。星形网广泛应用于网络中智能集中于中央节点的场合。

一、局域网概述3.局域网的传输方式LAN中使用的传输方式有基带和宽带两种。基带用于数字信号传输,常用的传输媒体有双绞线或同轴电缆。宽带用于无线电频率范围内的模拟信号的传输,常用同轴电缆。（1）基带系统

使用数字信号传输的LAN定义为基带LAN。数字信号通常采用曼彻斯特编码传输，媒体的整个带宽用于单信道的信号传输，不采用频分多路复用技术。数字信号传输要求用总线形拓扑，因为数字信号不易通过树形拓扑所要求的分裂器和连接器。基带系统只能延伸数公里的距离，这是由于信号的衰减会引起脉冲减弱和模糊，以致无法实现更大距离上的通信。基带传输是双向的，媒体上任意一点加入的信号沿两个方向传输到两端的端接器(即终端接收阻抗器)，并在那里被吸收。

为了延伸网络的长度，可以采用中继器。中继器由组合在一起的两个收发器组成，连到不同的两段同轴电缆上。

一、局域网概述（2）宽带系统

在LAN范围内，宽带一般用于传输模拟信号，这些模拟载波信号工作在高频范围(通常为10～400MHz)，因而可用FDM技术把宽带电缆的带宽分成功经验多个信道或频段。宽带系统采用总线/树形拓扑结构，可以达到比基带大得多的传输距离(达数十公里),这是因为携带数字数据的模拟信号，在噪声和和衰减损失数据之前，可以传播较长的距离。

与基带不同的是宽带本质上是一种单方向传输的媒体，加到媒体上的信号只能沿一个方向传播。这种单向性质，意味着只有处于发送站“下游”的站点才能疏到发送站的信号。因此需有两条数据路径，这些路径在网络的端头处接在一起。对于总线拓扑，端头就是总线的一端；对于树形拓扑，端头具有分枝的树根。所有站沿一条路径(入径)向端头传输，在端头接疏到的信号,再沿另一条数据路径(出径)离开端头传输，所有的站点都在出径上接收。一、局域网概述二、局域网体系结构1.局域网参考模型IEEE（美国电气与电子工程师学会）在1980年成立了局域网标准化委员会（简称IEEE802委员会），制定了一系列局域网的协议标准，称为IEEE802标准。该标准已经被国际标准化组织ISO采纳，称为局域网的国际标准系列。IEEE802标准的局域网参考模型对应体系结构中的最低两层（物理层和数据链路层）的功能，也包括网间互连的高层功能和管理功能。从图中可见，数据链路层功能，在局域网参考模型中被被分成媒体访问控制MAC（MediumAccessControl)和逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl)两个子层

物理层、数据链路层和网络层使计算机网络具有报文分组转接的功能。对于局域网来说，物理层是必需的，它负责体现机械、电气和过程方面的特性，以建立、维持和拆除物理链路；数据链路层也是必需的，它负责把不可靠的传输信道转换成可靠的传输信道，传送带有校验的数据帧，采用差错控制和帧确认技术。

局域网中的多个设备一般共享公共传输媒体，在设备之间传输数据时，首先要解决由哪些设备占有介质（媒体）的问题。所以局域网的数据链路层必须设置介质访问控制功能（MAC子层）。也就是MAC子层处理局域网中各站点对通信介质的争用问题，不同类型的局域网使用不同的介质访问控制协议；MAC子层还产生帧检验序列和完成帧检验等功能。由于局域网采用的媒体有多种，对应的媒体访问控制方法也有多种，为了使数据帧的传送独立于所采用的物理媒体和媒体访问控制方法，IEEE802标准特意把LLC独立出来形成一具单独子层，使LLC子层与媒体无关，仅让MAC子层依赖于物理媒体和媒体访问控制方法。也就是LLC子层屏蔽MAC子层的具体实现，将其变成统一的LLC界面，从而向网络层提供一致的服务。二、局域网体系结构2.IEEE802标准IEEE802为局域网制定了一系列标准，主要有如下12种。802.1：概述、体系结构、网络互连、网络管理、性能测量。802.2：逻辑链路控制。定义LLC子层的功能。802.3：以太网（CSMA/CD），定义了CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。802.4：令牌总线网。定义了令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。802.5：令牌环网。定义了令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规范。802.6：城域网。定义了城域网的MAC子层和物理层的规范。802.7：宽带技术。802.8：光纤技术。802.9：ISDN综合业务数字网。802.10：局域网安全。802.11：无线局域网。802.12：100VG-AnyLAN访问控制方法和物理层技术规范。二、局域网体系结构IEEE802标准系列二、局域网体系结构三、局域网介质访问控制策略

所谓介质访问控制策略就是解决当“局域网中共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权”的问题。常用的介质访问控制方法有3种：总线结构的带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD方法、环形结构的令牌环（TokenRing）访问控制方法和令牌总线（TokenBus）访问控制方法。1.具有冲突检测的载波监听多路访问

CSMA/CD是一种常用争用的方法来决定对媒体访问权的协议，这种争用协议只适用于总线和星形拓扑结构的网络。在总线网络中，每个站点都能独立地决定帧的发送，若两个或多个站同时发送帧，就会产生冲突，导致所发送的帧都出错。因此，一个用户发送信息成功与否，在很大程度上取决于监测总线是否空闲的算法，以及当两个不同节点同时发送的分组发生冲突后所使用的中断传输的方法。CSMA/CD的工作原理可概括成四句话，即先听后发，边发边听，冲突停止，随机延迟后重发。具体过程如下：（1）当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络察看是否有其他站点正在传输，即侦听信道是否空闲。（2）如果信道忙，则等待，直到信道空闲。（3）如果信道闲，站点就传输数据。（4）在发送数据的同时，站点继续侦听网络确信没有其他站点在同时传输数据。（5）当一个传输节点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号（6）其它节点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时间BackoffTime）后重发。三、局域网介质访问控制策略2.令牌环访问控制（TokenRing）

令牌环介质访问控制方法，是通过在环形网上传输令牌的方式来实现对介质的访问控制。令牌是一种特殊的控制帧，令牌在网络中传送，只有获得令牌的节点才能启动帧的发送。当环线上各站点都没有帧发送时，令牌标记为01111111，称为空标记。当一个站点要发送帧时，需等待令牌通过，并将空标记置换为忙标记01111110，紧跟着令牌，用户站点把数据帧发送至环上。由于是忙标记，所以其他站点不能发送帧，必须等待。

令牌环网的优点：网络节点访问延迟确定，能够较有效地避免冲突，适用于重负载环境，在重负荷时，对各站公平访问且效率高。并且支持优先级。令牌帧格式中的访问控制字段中的优先权和预约位配合工作，使环路服务优先权与环上准备发送的PDU最高优先级匹配。缺点：令牌环网在轻负荷时，由于存在等待令牌的时间，故效率较低。另外，环形结构中的通信部件比较昂贵，其格价是同类以太网产品价格的5至10倍，并且，管理维护比较复杂，实现困难。因此，尽管令牌环网技术要比以太网技术先进，但是它还是没有以太网产品盛行。三、局域网介质访问控制策略令牌环的主要工作过程如下：（1）网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行。令牌是一个特殊的比特模式，其中包含一位“令牌/数据帧”标志位，标志位为“0”表示该令牌为可用的空令牌，标志位为“1”表示有站点正占用令牌在发送数据帧。（2）当一个站点要发送数据时，必须等待并获得一个令牌，将令牌的标志位置为“1”，随后便可发送数据。（3）环路中的每个站点边转发数据，边检查数据帧中的目的地址，若为本站点的地址，便读取其中所携带的数据。（4）数据帧绕环一周返回时，发送站将其从环路上撤消。同时根据返回的有关信息确定所传数据有无出错。若有错则重发存于缓冲区中的待确认帧，否则释放缓冲区中的待确认帧。（5）发送站点完成数据发送后，重新产生一个令牌传至下一个站点，以使其它站点获得发送数据帧的许可权。三、局域网介质访问控制策略3.令牌总线访问控制（TokenRing）

令牌总线介质访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环。从物理上看，它是一种总线拓扑结构的局域网，和总线网一样，各结点以总线为共享的传输介质。但是，从逻辑上看，它是一种环型拓扑结构的局域网，接在总线上的结点组成一个逻辑环。逻辑环是由总线上要求进行信息传输的结点组成，并按结点地址递减的顺序排列。和令牌环一样，令牌总线局域网上的各结点只有获得令牌后，才能发送数据帧。而其余未获得令牌的结点，只能监听总线或从总线上接收数据信息。所以同令牌环一样，也不会产生冲突。三、局域网介质访问控制策略四、以太网技术1.以太网技术概述

以太网（Ethernet）是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于七十年代。传统以太网是一种传输速率为10Mbps的常用局域网（LAN）标准。在传统以太网中，所有计算机被连接一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。基本上，以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、交换机构成。在星型或总线型配置结构中，集线器、交换机通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。以太网具有的一般特征概述如下：（1）共享媒体：所有网络设备依次使用同一通信媒体。（2）广播域：需要传输的帧被发送到所有节点，但只有寻址到的节点才会接收到帧。（3）CSMA/CD：以太网中利用载波监听多路访问/冲突检测方法（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）以防止twp或更多节点同时发送。（4）MAC地址：媒体访问控制层的所有Ethernet网络接口卡（NIC）都采用48位网络地址。这种地址全球唯一。

当前以太网支持光纤和双绞线媒体支持下的四种传输速率：传统以太网10Mbps：10Base-TEthernet（802.3）高速以太网100Mbps：FastEthernet（802.3u）千兆位以太网1000Mbps：GigabitEthernet（802.3z、802.3ab)）万兆位以太网（10GigabitEthernet）：IEEE802.3ae四、以太网技术2.以太网帧格式（1）先导字段：为7个字节，每个字节的内容为10101010，从接收方与发送方的时钟同步。（2）帧开始标志：1个字节，内容为10101011（3）目的地址和源地址：均为6字节。该地址又称为MAC地址或物理地址或网络适配器地址。目的地址为全1时，表示将传送至网上的所有站点。（4）长度（IEEE802.3）：2字节，指明数据字段中的字节数，其值为0~1500。（5）数据：数据的长度可以从46~1500字节。必须保证数据部分长度不得小于46个字节，否则就要填入填充字节。（6）校验和：占用4个字节，采用循环冗余码，用于校验帧传输中的差错。字节716先导字段帧开始标识目的地址长度源地址数据246~150046校验和四、以太网技术3.共享式以太网和交换式以太网（1）共享式以太网

所谓传统的共享式以太网是以集线器为中心的一种最简单、最便宜、最常用的组网方式。当连网的计算机数目增长时，每个主机获得的带宽急剧地减少，不能满足某些带宽要求较高的应用。在网络应用和组网过程中，暴露出以下主要缺点：1）覆盖的地理范围有限2）网络总带宽容量固定3）不能支持多种速率四、以太网技术（2）交换式以太网

交换式以太网以以太网交换机为中心进行组网，既可以将计算机直连到交换机的端口上，也可以将它们连入一个网段，然后将这个网段连到交换机的端口。如果将计算机直接连到交换机的端口，那么它将独享该端口提供的带宽，即每个端口可提供指定带宽，可以提供全双工通信(如，24口/100M交换机，每个端口带宽100M)；如果计算机通过以太网连入交换机，那么该以太网上的所有计算机共享交换机端口提供的带宽。交换式以太网的主要特点如下：1）交换机的每个端口具有专用的带宽，常见的端口数有16，24，48或更多。2）支持星形拓朴或扩展星形拓朴3）改变了集线器的半双工工作模式，既可支持半双工，也可支持全双工传送。四、以太网技术4.快速以太网

（1）100Base-T标准快速以太网技术100Base-T是由10Base-T标准以太网发展而来的。其协议标准为1995年颁布的IEEE802.3u，可支持100Mbps的数据传输速率，并且与10Base-T一样可支持共享式与交换式两种使用环境，在交换式以太网环境中可以实现全双工通信。100BASE-T采用中央集线器的星型布线结构。IEEE802.3u在MAC子层仍采用CSMA/CD作为介质访问控制协议，并保留了IEEE802.3的帧格式。在物理层作了一些重要的改进，如编码方式不再采用曼彻斯特编码，而是采用4B/5B编码方式。

（2）100BASE-T主要特点1）采用与10BASE-T相似的层次协议结构，其中LLC子层完全相同。2）帧格式与10BASE-T相同，包括最小帧长为64个字节，最大帧长为1518个字节，帧间最小间隙为12个字节。3）MAC子层与物理层之间采用介质无关接口MII。4）介质访问控制方法为CSMA/CD。5）拓扑为以100BASE-T集线器/交换机为中心的星型拓扑结构。6）传输速率为100Mbps。四、以太网技术5.千兆以太网

千兆以太网使用原有以太网的帧结构、帧长及CSMA/CD协议，只是在低层将数据速率提高到了1Gbps。因此，它与标准以太网（10Mbps）及快速以太网（100Mbps）兼容。用户能在保留原有操作系统、协议结构、应用程序及网络管理平台与工具的同时、通过简单的修改，使现有的网络工作站廉价地升级到千兆位速率。千兆位以太网与快速以太网的区别在于：千兆位以太网同样保留着传统的100BASE-T的所有特征,即相同的数据格式、相同的介质访问控制方法CSMA/CD和相同的组网方法，而只是把Ethernet每个比特的发送时间由10ns降低到1ns。基于光纤的千兆位以太网标准是IEEE802.3z;基于5类UTP的千兆位以太网标准是IEEE802.3ab。四、以太网技术（1）千兆以太网的物理层协议千兆以太网的物理层协议包括1000BASE－SX、1000BASE-LX、1000BASE-CE、和1000BASE-T等标准。

物理层协议传输介质类型最大传输距离编码方式适用场合1000BASE-SX62.5/50μm多模光纤260M/525M8B/10B大楼网络系统的主干1000BASE-LX62.5/50μm多模光纤9μm单模光纤550M3000M8B/10B大楼网络系统的主干园区网络的主干1000BASE-CX150平衡STP25M8B/10B集群网络设备的互连1000BASE-T6类或超5类双绞线100M5级PAM制编码方式大楼网络系统的主干（2）千兆以太网的MAC子层千兆以太网的帧结构与传统以太网的帧结构相同。MAC子层的主要功能包括数据帧的封装／御载、帧的寻址与识别,帧的解收与发