第 4 章局域网

第 4 章局域网

4.1 局域网概述4.2 传统以太网4.3 以太网的 MAC 层4.4 扩展的局域网4.5 虚拟局域网4.6 高速以太网4.7 其他种类的高速局域网4.8 无线局域网

2

第 4 章局域网

网络可分为两大类：使用点对点连接的网络（ PPP,HDLC ）

使用广播信道的网络 (MAC)关键问题：如何解决对信道争用

3

第 4 章局域网

局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

4

媒体共享技术静态划分信道

频分复用时分复用波分复用码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）受控接入，如多点线路探询 (polling) ，或

轮询。随机接入

4.1 局域网概述

5

4.2.1 以太网的工作原理

1. 两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产

品（以太网）的规约。 IEEE 的 802.3 标准。

严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 , 即是局域网技术的一种。

4.2 传统以太网

6

802 标准在网络体系结构中的位置4.2.1 以太网的工作原理

7

数据链路层的两个子层为了使数据链路层能更好地适应多种局域

网标准， 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)

子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在 MA

C 子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关。


8

局域网对 LLC 子层是透明的

局域网

网络层

物理层

站点 1

网络层

物理层

逻辑链路控制 LLC LLC

媒体接入控制 MAC MAC

数据链路层

站点 2

LLC LLC 子层看不见子层看不见下面的局域网下面的局域网


当前很多网卡上仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

9

2. 网卡的作用网卡的重要功能：

进行串行 / 并行转换，对数据进行缓存。数据的封装与解封。链路管理，实现以太网协议 (CSMA/CD) 。曼彻斯特的编码与译码


网卡的驱动程序：主要是告诉网卡上的存储器应当如何发送和接收数据。

10

计算机通过网卡和局域网进行通信

CPUCPU

高速缓存

高速缓存

存储器存储器

I/O 总线

计算机

至局域网网络接口卡（网卡）

网络接口卡（网卡）串行通信

并行通信


11

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。

3. CSMA/CD 协议

B 向 D发送数据

C D A E

匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻

不接受不接受不接受接受B

只有 D 接受B 发送的数据


12

以太网的广播方式发送总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发

送的数据信号。由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的

地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。其他所有的计算机（ A, C 和 E ）都检测到不是

发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。


13

为了通信的简便以太网采取的两种措施采用无连接的工作方式 , 尽最大努力的交付。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。

这样做的理由是局域网信道的质量很好，信道产生差错的概率很小。


14

高层负责纠错

当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做，差错的纠正由高层来决定。

如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。


15

载波监听多点接入 / 碰撞检测 CSMA/CD

“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不发送数据，以免发生碰撞。


16

碰撞检测 “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检

测信道上的信号电压大小。当一个站检测到信号电压超过一定的门限值

时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。


17

检测到碰撞后在发生碰撞时，总线上传输的信号产生

了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。

每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，然后等待一段随机时间后再次发送。


18

电磁波的有限传播速率的影响当某个站监听到总线是空闲时，也可能

总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B 。

B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧 ( 因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息 ) ，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。


1 kmA B

t

碰撞碰撞

t = 2

A 检测到发生碰撞

t =

B 发送数据

B 检测到发生碰撞

t =

t = 0

单程端到端传播时延记为

1 kmA B

t

碰撞碰撞

t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞

t = 2

A 检测到发生碰撞

t =

B 发送数据

B 检测到发生碰撞

t =

A

B

A B

A B

t = 0 A 检测到信道空闲发送数据

A B

t = 0

t = B 检测到发生碰撞停止发送STOP

t = 2 A 检测到发生碰撞

STOP

A

B

单程端到端传播时延记为

21

重要特性使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。

这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。


22

4. 争用期最先发送数据帧的站，在发送数据帧后最

多经过时间 2 ，就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。

以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。

经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。


23

二进制指数类型退避算法

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。

1. 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2 。2. 定义重传次数 k ， k 10 ，即 k = Min[ 重传次数 , 10]

3. 从整数集合 [0,1,…, (2k 1)] 中随机地取出一个数，记为 r 。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。

4. 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。


24


捕获效应引起某些站不能公平的”捕获“到总线。

目前使用的局域网已经大部分是利用交换机实现的全双工以太网，不需使用 CSMA/CD 。

25

争用期的长度以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit ，即 64 字节。

以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。

以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。对于 1Gb/s 速率的 LAN 来说，最小帧长为6400字节。


26

确定最短有效帧长的两个原因


1.区分有效帧和无效帧。2.避免出现以下情况：当一个短帧在到达

接收方之前，发送方已经完成了短帧的发送，导致发送方误认为该帧已经成功发送并没有冲突。

27

4.2.2 传统以太网的连接方法

传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆

这样，以太网就有四种不同的物理层。

10BASE5粗缆

10BASE5粗缆

10BASE2细缆

10BASE2细缆

10BASE-T双绞线

10BASE-T双绞线

10BASE-F光缆

10BASE-F光缆

以太网媒体接入控制 MAC以太网媒体接入控制 MAC

以太网的最大作用距离

250 m

750 m

500 m

500 m

500 m

50 m

50 m

50 m

网段 1

转发器

网段 2

网段 3

转发器

转发器转发器

考虑到电缆的衰减和时延，传统以太网的最大长度是 500m ，可以利用转发器加长距离，最长也不超过 2800m 。

29

4.2.3 以太网的信道利用率

我们假定：总线上共有 N 个站，每个站发送帧的概率

都是 p 。争用期长度为 2 ，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。

帧长为 L (bit) ，数据发送速率为 C (b/s) ，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s) 。

30

一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发送成功且信道转为空闲时为止，共需平均时间为 Tav 。

发送成功争用期争用期争用期

τ2 T0τ

t

占用期争用期的平均个数 NR

发送一帧所需的平均时间 Tav

…


τ2 τ2

31

令 A 为某个站发送成功的概率，则 A = P[某个站发送成功 ] = Np(1 – p)N – 1 (4-1)

显然，某个站发送失败的概率为 1 A 。因此， P[ 争用期为 j 个 ] = P[ 发送 j 次失败但下一次成

功 ]

= (1 – A)jA (4-2)

争用期的平均个数等于帧重发的次数 NR ：

0

1)1(

j

jR A

AAAjN (4-3)


32

求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为：

这里

参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。

(4-4))12(1

1

2 10

00

AaTN

T

T

TS

Rav

0Ta

(4-5)


注意与 83 页的（ 3-17 ）式做比较，一个从时间的角度，一个从数据传输的有效性。

33

最大信道利用率

若设法使 A 为最大，则可获得最大的信道利用率。将 (4-4)式对 p 求极大值，得出当 p = 1/N 时可使 A等于其极大值 Amax：

当 N→∞ 时，Amax = 1/e 0.368。

(4-6)1

max

11

N

NA


34

将 (4-6)式中的 Amax 值代入 (4-4)式，即得出信道利用率的最大值 Smax。取 A = Amax = e1 0.368 时， (4-4)式可简化为：

若 a→0，则信道利用率的最大值可达到 100%。

信道利用率的最大值 Smax

N→ (4-7)a

S44.41

1max


35

a > 1 时的信道利用情况（ a = 4 ）

A B

A B

t = T0

A B

A B

t = 3T0

t = 4T0

t = 2T0

A Bt = 5T0

参数 a = 4 使得信道利用率很低。


36

考虑到 T0 是帧长 L 与数据的发送速率 C之比，于是参数 a 可写为：

(4-9) 式的分子正是时延带宽积。

参数 a 和时延带宽积联系起来

L

C

CLTa

/0

(4-9)


帧长 L 越大， a 越小， Smax 越大（图 4-12 所示）电缆的距离越长， τ 越大， a 越大， Smax 越小。

37

4.3 以太网的 MAC 层

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

主要由两大部分组成： OUI+EUI ，共 48位

4.3.1 MAC 层的硬件地址

第 1

最高位最先发送

最低位最高位最低位最后发送

00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001

最低位最先发送

最高位最低位最高位最后发送

机构唯一标志符 OUI 扩展标志符

高位在前

低位在前

十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80

二进制表示的 EUI-48 地址：

第 1 字节第 6 字节

I/G 比特

I/G 比特

字节顺序第 2 第 3 第 4 第 5 第 6

第 1字节顺序第 2 第 3 第 4 第 5 第 6

10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6

802.3802.4

39

网卡检查 MAC 地址

局域网中，存在三种帧：单播 (unicast) 帧（一对一）广播 (broadcast) 帧（一对全体）多播 (multicast) 帧（一对多）

4.3.1 MAC 层的硬件地址

40

4.3.2 两种不同的 MAC 帧格式

常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准： DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准

最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

MAC 帧

字节 6 6 2 4

IP 层

物理层

目的地址源地址长度 / 类型 FCS

MAC 层

10101010101010 10101010101010101011

前同步码帧开始定界符

7 字节 1 字节

…

8 字节

插入

数据 MAC 子层

IP 层

LLC 子层802.2LLC 帧

当长度 / 类型字段表示长度时

802.3MAC 帧

以太网 V2 MAC 帧

这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用

目的地址源地址类型数据 FCS

6 6 2 4字节 46 ~ 1500

43 ~ 14971 1 1

DSAP SSAP

1 1 1

控制数据字节

DSAP SSAP

控制

IP 数据报

IP 数据报IP 数据报

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层

以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS

6 6 2 4字节 46 ~ 1500


以太网 V2 的 MAC 帧格式

目的地址字段 6 字节

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



源地址字段 6 字节

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



类型字段 2 字节

类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



数据字段 46 ~ 1500 字节

数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



FCS 字段 4 字节

当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014 。

当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



10101010101010 10101010101010101011

前同步码帧开始定界符

7 字节 1 字节

…

8 字节

插入

在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。

为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的

要比 MAC 帧还多 8 个字节

48

数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以

太网不负责重传丢弃的帧。

无效的 MAC 帧

4.3.2 两种不同的 MAC 帧格式

49

网络设备在 OSI 体系中的位置

OSI 层次地址类型设备

传输层及以上应用程序进程地址（端口）

网关（协议转换器）

网络层网络地址

（ IP 地址）路由器

（三层交换机）

数据链路层物理地址

（ MAC 地址）网桥、交换机

（网卡）

物理层无中继器、集线器、（网卡）

4.4 扩展的局域网

50

转发器（中继器）

应用层传输层

互连网层数据链路层

物理层

应用层传输层

互连网层数据链路层

物理层PHY

中继器

主机2主机1

4.4.1 在物理层扩展局域网

51

集线器（ HUB ）集线器是一个多端口的转发器使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总

线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。


52

具有三个端口的集线器

集线器

网卡工作站

网卡工作站

网卡工作站

双绞线


53

组成一个更大的局域网。一个更大的冲突域


一系二系三系

集线器集线器集线器

集线器主干集线器

54

优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进

行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。

缺点碰撞域增大了，碰撞的概率增大。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能

用集线器将它们互连起来。

用集线器扩展局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网

解决方案：1.网络分段2.识别所传数据

55

4.4.2 在数据链路层扩展局域网

在数据链路层或更高层扩展网络。

实现网络分段的设备：网桥、路由器

网络分段示意

HUB HUB

广播域

独立的冲突域独立的冲突域

网桥

HUB冲突域 / 广播

域

网段2

网段1

总带宽 : BW*2

结点带宽 : BW/4

总带宽 : BW

结点带宽 : BW/8

57

目前使用得最多的网桥是透明网桥 (transparent bridge) 。

“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

2. 透明网桥


网桥的内部结构

站表

端口管理软件

网桥协议实体

端口 1端口 1 端口 2端口 2缓存

① ② ③

网段 B网段 A

1

1

12

①

③

⑤ 2

②

④

⑥ 2

站地址端口网桥

网桥

④ ⑤ ⑥

(1) 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站 MAC 地址。

(2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d ，然后进行 (3) ，否则转到 (5) 。

(3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x ，则丢弃此帧。否则从端口 d 转发此帧。

(4) 转到 (6) 。(5) 向网桥除 x 以外的所有端口广播此帧。(6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到 (8) 。如源站在转发表中，则执行 (7) 。

(7) 更新计时器。(8) 等待新的数据帧。转到 (1) 。

透明网桥的工作原理

透明网桥工作原理：基于转发表的过滤、转发和广播。

1

2

3

4

6

7

8

5

60

在刚开始，转发表为空。若收到报文的源MAC 地址不在转发表中，则插入

到表中，登记入端口、地址、时间。在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。每个表项的生存期都是有限的，在一段时间内未收

到以同一 MAC 地址为源地址的报文时，该表项被删除，以适应网络拓扑的变化。

如何建立转发表 (逆向学习算法 )

2. 透明网桥

用户层IP

MAC

站 1

用户层IP

MAC

站 2

物理层

网桥 1 网桥 2

A B

①②③ ④

⑤

⑥ ⑦⑧⑨

用户数据

IP-H

MAC-H MAC-T

DL-H DL-T

①⑨

②⑧

③④⑥⑦

⑤

物理层DL

RMAC

物理层物理层DLRMAC

物理层物理层LAN LAN

两个网桥之间还可使用一段点到点链路，可使用 HDLC协议

62

这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。

透明网桥使用了支撑树算法

局域网 2

局域网 1

网桥 2网桥 1

A

F

F2

④

F1

③

不停地兜圈子

①

②

A 发出的帧

⑤网桥 1 转发的帧

⑥网桥 2 转发的帧

网络资源白白消耗了

2. 透明网桥

63

3. 源路由网桥 CSMA/CD 和令牌总线使用透明网桥，令牌环

使用源路由网桥。

比较的项目透明网桥源路由网桥发起方式无连接连接是否透明是否是否最佳路由否是建立转发表被动逆向学习主动发现

两种网桥的比较

64

以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。网桥面向 LAN ，交换机面向用户。

以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式，无需 CSMA/CD 。

交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。

以太网交换机的特点

4. 多端口网桥——以太网交换机

65

交换机的交换示意图


A

B

C

D

66

用以太网交换机扩展局域网

集线器集线器集线器一系

三系二系10BASE-T

至因特网100 Mb/s

100 Mb/s

100 Mb/s万维网服务器

电子邮件服务器

以太网交换机

路由器


67

集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测，而是靠主机执行 CSMA/CD 来防止冲突。

网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。在这一点上网桥的接口很像网卡。但网桥却没有网

卡。由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发

的帧的源地址。

网桥和集线器（或转发器）不同


68

网桥只适合于用户数不太多 (不超过几百个 )和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

网桥的缺点


解决方法：使用网络层的设备：路由器

69

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。

每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN 。

虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

4.5.1 虚拟局域网的概念

4.5 虚拟局域网

以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3

C2B2以太网交换机

以太网交换机

三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2

和 VLAN3 的构成

以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


和 VLAN3 的构成当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，

工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。

以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


和 VLAN3 的构成 B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1

都不会收到 B1 发出的广播信息。

以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


和 VLAN3 的构成虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络

不会因传播过多的广播信息 (即“广播风暴” )而引起性能恶化。

74

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记 (tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

4.5.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式

802.3MAC 帧

字节 6 6 2 46 ~ 1500 4

MAC 帧目地地址源地址长度 / 类型数据 FCS

长度 / 类型 = 802.1Q 标记类型标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID

2 字节 2 字节

插入 4 字节的 VLAN 标记

插入 4 字节的 VLAN 标记

4

用户优先级 CFI

75

4.6 高速以太网

提高以太网速度的困难：

L

C

CLTa

/0

为了保持信道利用率不变，就需保持 a不变，在 C增大的同时，则只能减少，或者增大 L。限制速度提高的另一个因素：当一个帧在到达接收方之前，发送方已经完成了帧的发送，导致发送方误认为该帧已经成功发送并没有冲突。导致：线路距离不能太长发送速率不能太快但是在全双工模式下，线路距离只受信号衰减的限制。

76

4.6.1 100BASE-T 以太网

保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m 。在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑

以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。在全双工方式下 , 不使用 CSMA/CD 协议。

4.6 高速以太网

77

载波延伸 (carrier extension)

吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。

吉比特以太网为了保持最大长度 100 m ，采取的方法：

“载波延伸”：将争用时间增大为 512 字节，如果不够 512字节则填充。

“分组突发”：将很多的短帧组成 1500字节。

4.6.2 吉比特以太网

78

在短 MAC 帧后面加上载波延伸凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。

接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。

目地地址源地址数据长度数据 FCS

MAC 帧的最小值 = 64 字节

载波延伸前同步码

加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度 512 字节在以太网上实际传输的帧长


79

分组突发当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。

随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就可形成一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。

发送的数据分组 #1 RRRRRRRR 分组 #2 RRRR 分组 #3 RRR 分组 #4

争用期 512 字节将突发计时器设定为 1500 字节

载波延伸

载波监听


80

全双工方式

当吉比特以太网工作在全双工方式时不使用载波延伸和分组突发。


81

4.6.3 10 吉比特以太网

10 吉比特以太网与 10 Mb/s ， 100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。

10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。

10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。

10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

82

4.8.1 无线局域网的分类

有固定基础设施的无线局域网（本节讨论的内容）有一批建好的固定基站。无固定基础设施的无线局域网自组网络 (ad hoc network) ，由一些处于平等状态的移动站之间组成的临时通信网络。

4.8 无线局域网

83

自组网络 (ad hoc network)

自组网络

A

E

DCB

F

源结点

目的结点

转发结点

转发结点转发结点

4.6.3 10 吉比特以太网

有固定基础设施的无线局域网

基本服务集BSS

扩展的服务集 ESS

基本服务集BSSA B

接入点 AP 接入点 AP

分配系统 DS分配系统 DS

802.x局域网因特网

一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，

但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。

Portal Portal

有固定基础设施的无线局域网

基本服务集BSS




分配系统 DS分配系统 DS

802.x局域网因特网

基本服务集中的基站叫做接入点 AP (Access Point) 其作用和网桥相似。

Portal Portal


基本服务集BSS



分配系统 DS分配系统 DS802.x

局域网因特网

一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System) ，

然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集 ESS (Extended Service Set) 。

Portal Portal


基本服务集BSS




局域网因特网

ESS 还可通过 Portal 为无线用户提供到非 802.11 无线局域网的接入。 Portal 的作用就相当于网桥。

Portal Portal


基本服务集BSS




局域网因特网

移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。

Portal Portal

89

4.8.2 802.11 标准中的物理层

IEEE 制订出无线局域网的协议标准： 802.11 ， 802.11a ， 802.11b ， 802.11g 。

上面各层

LLC

MAC

802.11红外线

802.11FHSS

802.11DSSS

802.11aOFDM

802.11bHR-DSSS

802.11gOFDM

90

无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因：

1. CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。

2. 由于无线信道的特点，存在隐蔽站和暴露站的问题，导致信道检测结果错误。

4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层

A 的作用范围 C 的作用范围

A B C D

当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。

这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题

无线局域网的特殊问题

B 的作用范围

无线局域网的特殊问题

C 的作用范围

A DCB

？

B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。

其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据

这就是暴露站问题

93

4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层

为了解决上述问题， 802.11 采用两种模式：1.DCF (Distributed Coordination Function);使用 CSMA/CA

2.PCF (Point Coordination Function)利用基站控制单元内的活动

802.11 的 MAC 层

MAC 层

无争用服务

争用服务

分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)

(CSMA/CA)

点协调功能 PCF(Point Coordination Function)

物理层

2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s

2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s

IR1 Mb/s2 Mb/s

5 GHzOFDM

6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s

2.4 GHzDSSS

5.5 Mb/s11 Mb/s

802.11b802.11aIEEE 802.11

MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。

802.11 的 MAC 层在物理层之上包括两个子层

MAC 层

无争用服务

争用服务

分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)

(CSMA/CA)

点协调功能 PCF(Point Coordination Function)

物理层



IR1 Mb/s2 Mb/s

5 GHzOFDM

6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s

2.4 GHzDSSS

5.5 Mb/s11 Mb/s

802.11b802.11aIEEE 802.11

DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。

MAC 层

无争用服务

争用服务

分布协调功能 DCF(CSMA/CA)

点协调功能 PCF

物理层



IR1 Mb/s2 Mb/s

5 GHzOFDM

6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s

2.4 GHzDSSS

5.5 Mb/s11 Mb/s

802.11b802.11aIEEE 802.11

PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生

MAC 层

无争用服务

争用服务

物理层



IR1 Mb/s2 Mb/s

5 GHzOFDM

6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s

2.4 GHzDSSS

5.5 Mb/s11 Mb/s

802.11b802.11aIEEE 802.11

分布协调功能 DCF(CSMA/CA)

点协调功能 PCF

98

改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免 (Collision Avoidance) 功能。

802.11 使用 CSMA/CA 协议，而在使用 CSMA/CA 的同时还增加确认机制。

CSMA/CA 协议的原理

99

CSMA/CA 的两种操作方法：1. 首先载波监听，如果空闲，直接发送，

如果忙，则使用二进制退避算法等待。2. 当 A 站决定向 B 发送数据时，首先发

送 RTS 控制帧，当 B 收到 RTS后送回CTS ，表示允许。 B 在正确收到数据帧后，用 ACK 作为应答。


A 的作用范围 B 的作用范围

发送数据的站对信道进行预约。

AC B D

E

RTSRTSRTSRTS

源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS ，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。

解决暴露站的问题

A 的作用范围 B 的作用范围

发送数据的站对信道进行预约。

CTSCTS

AC B D

E

CTSCTS

若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS ，它包括这次通信所需的持续时间。 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。

解决隐蔽站的问题

102

RTS 帧、 CTS 帧、数据帧和 ACK 帧的传输时间关系

时间DIFS

RTS

SIFS

时间NAV （ RTS ）

DIFS争用窗口

推迟接入

源站

时间目的站

ACK

其他站

CTS

SIFS SIFS

数据

NAV （ CTS ）NAV （数据）


103

虚拟载波监听 “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。

这种效果好像是其他站都监听了信道。

4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层

104

基站对其它移动站利用探询的方法将发送数据权轮流交给各个站，从而避免碰撞。

对于时间敏感的业务，如分组语音，应采用 PCF模式。

PCF模式

105

为什么信道空闲还要再等待

这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有，就要让高优先级帧先发送。

共有 3 种常用的帧间间隔： SIFS、 PIFS、 DIFS

4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层

106时间

SIFS

控制帧和下一分片在这里发送

PCF 模式

DCF 模式

ACK

802.11 中各种帧间间隔关系

PIFS

DIFS

4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层

在一个单元内， PCF 和 DCF 都存在， 802.11利用帧间的时间间隔来安排两者的共存。

作业讲解 (3-11)

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

发送窗口

不允许发送这些帧已经发送 6 个帧

0 1 2 3 4 6 7 0 1 2

接收窗口

允许接收 3 个帧

WR

5

已收到

WT

TR

RT

ww

2ww

n

结论：2

2w R

n

A B

DATA

ACK 8

传播时延 tp

时间

发送时延 7 tf

传播时延 tp

DATA

ACK 15

传播时延 tp

传播时延 tp

7

27

27

pf

pfav

t

n

tn

nttt

从一个长周期来看：

250

77000

)7

2(

2000

1

max

p

pf

dav

d

tC

t

n

tC

C

lt

C

l

C

Du

7

8

1

14

A B

ACK 2

传播时延 tp

时间

发送时延 250 tf

ACK 501

ACK 251

传播时延 tp

n

ntt p

av

250

)1(2

11

250

)1(22000

1

max

n

n

n

ntC

C

lt

C

lu

p

davd

从一个长周期来看：1

250

500

750

ACK 751

作业讲解 (3-22)数据传送需要的次数：

333210242

102464

x

误帧率：01625.0)101(1)1(1 820486 fl

f pP

一次成功传送的时间：

02075.001625.01

1021000

225.1282

1

2

1

520

10

f

pf

f

Tav p

tt

p

tt

总的传送的时间： 3695.1332 avtt

111

作业讲解 (3-22)

直接向链路发送 64KB 数据需要的时间：

A C2000Km

030919.001625.01

1022000

225.1282

1

2

1

520

10

f

pf

f

Tav p

tt

p

tt

总的传送的时间： 02033.133 avtt

一次成功传送的时间：

112

第四章作业

4-10

4-14

4-23

4-24

第 4 章 局域网

Documents

第 4 章局域网