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第 5 章 IEEE 802 模型与局域网

IEEE （ Institute of Electrical and Electronic Engineers ，美国电子与电气工程师协会）于 1980 年 2 月成立了局域网标准委员会，简称 IEEE 802 委员会，专门从事局域网的标准化工作，该委员会为局域网制定了一系列标准，统称为 IEEE 802 标准。

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局域网概 述

地理范围有限，故早期不需考虑和其它局域网相连的问题。所以 在其内部只需考虑通过何种通信手段完成有效传递信息即可 拓扑结构简单，早期的局域网参考模型和 OSI 七层模型相比，

它只包含物理层和数据链路层两层 ★ 物 理 层：完成通信的物理连接及传输媒质上的比特传送 ★ 数据链路层：对信息帧进行传送和控制 随着局域网应用的不断深入以及和广域网相连要求的不断增加， 再加上虚拟局域网的出现等原因，使局域网参考模型发生了变 化，网络层的功能随之出现

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局域网技术 决定局域网的主要技术要素： — 网络拓扑、传输介质、介质访问控制方法　

介质访问控制方法： — 如何控制多个结点利用公共传输介质发送和接收数据的方法 介质访问控制方法需解决的问题： 。哪个结点有权发送数据 ? 。发送数据时是否出现冲突 ? 。出现冲突怎么办 ?

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介质访问控制方法

信道共享技术

TDM

FDM

STDM ATDM

随机访问 受控访问

CSMA CSMA/CD 集中控制 分散控制

轮询 令牌

静态分配

动态分配

以太网 令牌环网

WDM CDM

5.1 局域网模型

5.2 令牌网

5.3 以太网

5.4 交换式局域网

5.5 无线局域网 WLAN

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5.1 局域网模型 5.1.1 IEEE 802 模型

5.1.2 IEEE 802 协议标准

5.1.3 信道的多点共享访问控制

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5.1.1 IEEE 802 模型 IEEE 802 模型的特点 :介质访问控制 MAC 子层来进行传输介

质访问控制，逻辑链路控制 LLC 子层处理逻辑上的链路。

LLC 子层与具体局域网使用的介质访问方式无关，主要为高层协议与局域网介质访问控制 MAC 子层之间提供统一的接口。

拓扑结构比较简单 , 只具备 OSI/RM 低两层

802.1网际互连

802.2逻辑链路控制

802.3

CSMA/CD

802.4

Token Bus

802.16

BBWA

……

802.1A体系结构

802.1B管理、寻址

物理层

MAC层

LLC层

网际互连

IEEE 802 模型及其与 OSI/RM 的比较

网络层

数据链路层

物理层

逻辑链路控制 LLC

介质访问控制 MAC

高层

OSI IEEE 802

物理层 PHY

由 TCP/IP 和 NOS 实现

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MAC 子层的主要功能

将上层交下来的数据封装成帧进行发送

按 MAC 地址（即帧地址）寻址

进行差错检测

MAC 层的维护和管理

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LLC 子层的主要功能

提供与高层的接口

实现数据链路层的差错控制

给帧加上序号

为高层提供数据链路层逻辑连接的建立和释放服务

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5.1.2 IEEE 802 协议标准 IEEE 802 是一个标准系列，经不断增加新的标准，现有的标准有 :IEEE 802.1A ，概述和体系结构 ; IEEE 802.1B，寻址、网际互联及网络管理 .

IEEE 802.2 ， LLC 协议 ;IEEE 802.3 ， CSMA/CD访问方法及物理层规

范； IEEE 802.3i， 10 BASE-T标准； IEEE 802.3u， 100 BASE-T标准 ;

IEEE 802.4 ，令牌传送总线访问方法及物理层规范；

IEEE 802.5 ，令牌传送环访问方法及物理层规范； IEEE 802.6，城域网（ MAN ）标准； IEEE 802.7，宽带局域网标准； IEEE 802.8 ，光纤局域网标准； IEEE 802.9，综合数据 /语音网络标准； IEEE 802.10 ，网络安全与保密标准； IEEE 802.11 ，无线局域网标准； IEEE 802.12 ， 100BASE-VG标准； ……

IEEE 802.14 ，有线电视网（ CATV Broadband）标准；

IEEE 802.15 ，无线个人网络（ WPAN ）标准； IEEE 802.16，无线宽带局域网（ BBWA ）标准；

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IEEE802 标准之间关系

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5.1.3 信道的多点共享访问控制 多点共享技术是在某一时刻只允许传送一个用户

数据的情况下，为解决多个用户争使用引起的信道冲突而采用的介质访问控制方案。

无竞争（受控）方式，各个节点必须在某一控制原则下接入，形成一种无冲突的访问控制方式。

竞争方式，各节点以竞争方式来取得介质的使用权。

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5.2 令牌网 令牌传递是一种受控访问控制方法，按照网络拓扑结构可以分为令牌环和令牌总线两种方法。

5.2.1 令牌环网与 IEEE802.5 标准

5.2.2 令牌总线网与 IEEE 802.4 标准

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5.2.1 令牌环网与 IEEE802.5 标准

令牌环的工作原理

IEEE 802.5 的 MAC 帧

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令牌环的工作原理1. 令牌有“闲”和“忙”两个状态，开始时为闲（如将状态寄存器置“ 1”）。

2. 一个节点有数据要发送，必须等空闲令牌到来；检测到空闲令牌到来，便将之截获下来，置令牌的状态为“忙” ，并把要传送的数据等字段加上去，令其继续往前传送；

3. 每到一个站点，该站点的转发器便将帧内的目的地与本站的地址进行比较，如果两地址复合，则复制该帧，并在帧中置入“已收到”标志，然后让帧继续传送；

4. 当传送回源站点时，若没有检查到“已收到”标志则继续发送当前帧，若检查到“已收到”的标志时就停止传送，撤消所发送的数据帧并立即生成一个新的令牌发送到环上。

B计算机

C计算机

D计算机

A计算机

令牌

转发器

令牌流动方向

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IEEE 802.5 的 MAC 帧 IEEE 802.5 是令牌环网的访问方法和物

理层的标准，它定义了令牌环网 MAC 子层的两个基本帧：令牌帧和非令牌帧。

起始字段和结束字段中，各有两对“ JK”的特殊比特，用于起始和结束的识别标志。

起始 访问控制 结束

起始 访问控制 帧控制 目的地址 源地址 帧校验序列结束帧状态数据

1 4 1 2 或 6 2 或 60~ 任意

4 1 1

F F ZZZZZZ

1 8765432

J K EIIKJ0 A C rrCArr

J K 000KJ0

1 8765432

P P RRRMTP

比特

字节

令牌帧

比特

非令牌帧字节

（ a ）令牌帧结构 （ b ）非令牌帧结构

令牌环的帧结构

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访问控制字段优先级比特 PPP （占 3位），将优先级分为 8级，使优先级高的站点可以通过预约取得下一次的发送权。

预约比特 RRR （占 3位），用于按优先权预约下次发送权。一个站要发送数据时，可以在经过本站点的数据帧的 RRR字段中进行预约，以取得下一次的发送权，当然，必须是本站的优先权高于当前数据帧中 RRR字段的优先权。

令牌比特 T（占 1位），用于表示令牌的“闲”和“忙”。

监督比特 M （占 1位），为防止忙令牌的无限循环而设置。

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帧控制字段 帧控制字段中前 2位 FF表示帧的类型，根据 FF的取值，

帧字段分以下三种类型： FF=00 ，为 MAC 控制帧，无数据字段 FF=01 ，为一般信息帧，只发送数据给地址字段指定

的目的站点 FF=11或 FF=10未定义。

对于数据帧来说，在结束字段中，要用 1位 I 作为后继比特，当 I=1 时，表示还有数据要发送， I=0表示最后一帧数据。

用 1位 E 作为差错比特，开始时发送站将 E置 0 ，环上所有的经过站点都要对经过的帧进行校验，检测到错误，即将 E置 1 。

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5.2.2 令牌总线网与 IEEE 802.4 标准 令牌总线网（ Token Bus）的物理拓扑为总

线，其基本原理是：让令牌一站接着一站地在总线上传递，到最后一个站点时反绕到第一个站点，形成逻辑上的环。

1 3 5 7

2 4 6 8

令牌总线网的物理和逻辑结构

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5.3 以太网 5.3.1 CSMA/CD协议

5.3.2 IEEE 802.3 与 10Mbps以太网

5.3.3 100Mbps以太网

5.3.4 IEEE 802.3z与千兆位以太网

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5.3.1 CSMA/CD协议 以最初的 10Mbps速率的以太网为基础探讨其

工作原理 .

传统以太网采用的媒体接入协调方法是 CSMA/CD （ Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection ）

多点接入

载波监听

碰撞检测

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载波侦听载波侦听 CS 是欲发送数据的节点进行

的第一件工作，即在数据发送之前先要检测线路上有无信号正在传送。

坚持与不坚持算法 当监听到信道上有信号时，可以有坚持

和不坚持两种算法进行处理，具体又演化为如下三种 CSMA 方法。

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1_ 坚持型 CSMA （节约信道空闲时间） 。信道空闲发送：忙则继续侦听，直到发现空闲则立即发送 。如信道有冲突，等待并继续侦听，空闲立即发送

P_ 坚持型 CSMA 。信道闲 , 以 P 的概率发送，以 1-P 的概率推迟一个时隙； 。信道忙 ,则等待一个时隙后重发，若冲突，则随机延迟一 段时间后重复上述过程

非坚持型 CSMA （减少冲突） 。信道空闲 , 立即发送；信道忙 , 随机延迟 , 时间一到 , 立即发送 。虽降低了冲突概率，但随机延迟降低了信道的利用率

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冲突检测

就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，由信号电压摆动值的大小来判断是否发生了碰撞。

1 ）比较法 — 利用波形叠加方式对接收信号波形与发送信号波形进行比较

2 ）编码违例判决法 — 通过检测从总线上接收到的信号波形是否符合规定的编码来判定是否有冲突现象发生

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冲突产生的情形

每个站点都是在监听到信道“空闲”时才发送数据的，为什么还会发生碰撞？

有如下两种：两个以上节点都准备发送信号，并同时进行载波侦听又在侦听到线路空闲后都把信号发送到线路上，因而造成冲突。

一个节点先检测到线路空闲后发送了信号，但由于信号传输延迟，另一个节点没有检测到并发送了数据因而造成冲突。

为什么会发生碰撞？

碰 撞第二种情形的根本原因是因为电磁波在媒体上的传播速度总是有限的。

假设局域网两端的站 A 和站 B 相距 1km （电磁波在 1km 电缆上的传播时延约为 5μs ），单程传播时延记为 τ 。

A B

A

A

A

B

B

B

A

t = 0 A 发送数据

Bt = 2τ－ δ A检测到 发生碰撞

t = τ－ δ B检测到信道空闲发送数据

t = τ－ δ/2 发生碰撞

t = τ B检测到碰撞停止发送

A 和 B 发送数据均失败，它们都要推迟一段时间

后再重新发送

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争用期最先发送数据帧的站点，在发送数据帧后至多经过 2 τ就可以知道该帧是否发生了碰撞。

以太网的端到端往返时延 2 τ 称为争用期，又称为碰撞窗口或时间槽。

一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突

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检 测 条 件

要使冲突的两端都能检测出，就应当使两端都满足发送时间大于传输延迟时间的条件，并且越大传输效果越好。

为了考虑传输延迟的影响，倾听时间要考虑两个因素：一是信号在线路上最远两点间来回传输所需的时间，二是以太网时隙时间（ Slot Time）—— 512位（以太帧格式所规定的最小帧长度）的发送时间。

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后退等待 一旦检测出冲突，应立即停止发送，同时

发出一个干扰信号（ Jamming Signal），清除（丢弃）已发出帧，并通知所有站点“冲突已经发生” 。这个等待停滞称为退让（ Backoff），其中发出的干扰信号是一串 32~48位的“ 1”。

最常用的后退算法是截断二进制后退算法

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退避算法1. 令基本退避时间 T=2τ（即时间槽长度）；2. k=min （重传次数， 10 ）；3. r= 在 [0, 1, …, (2k-1)] 中随机取一个数；4. 退避时间 =rT 。

限定最大重传次数＝ 16 ，若发送 16次仍不成功，则发送失败。

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接收处理接收处理主要有两项工作：接收校验和本地处理。接收校验包括碎片校验、目的地址校验和完整性校验：碎片校验，长度小于 512位的帧是冲突碎片。

目的地址校验用于判断是否是本地地址。

完整性校验包括校验是否是畸形帧（长度 >1518字节）、 CRC校验和定界符（长度必须是 8位的整数倍）。

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5.3.2 IEEE 802.3 与 10Mbps以太网 以太网与 802 .3

以太网的组成

10Mb/s以太网的物理层标准

IEEE 802.3 以太网体系结构

以太网历史 1968 年 夏威夷大学的 Norman Abramson研制了一个名为 ALOHA 系统

的无线电网络。系统将位于 Oahu岛上校园内的 IBM360 主机与分布在其它岛上和海洋船舶上的读卡机和终端连接起来。

1972 年，施乐的帕洛阿尔托研究中心 (PARC) 的计算机科学实验室的网络专家Metcalfe设计了一套网络，该网络是以 ALOHA 系统为基础，世界上第一个个人计算机局域网络，该网络名为以太网 (Ethernet) ，其灵感来自于“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的这一想法”。最初的实验型 PARC 以太网以 2.94Mbps(每秒兆位 ) 的速度运行。

1977 年底，多点传输系统被称为 CSMA／ CD(载波监听多路存取 / 冲突检测 ) 。 1979 年， DEC 、 Intel 和施乐共同将此网络标准化。

在上个世纪 70 年代末，涌现出数十种局域网技术。除了以太网外，还有： MCA 、 Hyperchannel 、 ARCnet 和 Omninet 。使以太网最终坐上局域网宝座的不是技术优势和速度，而是 Metcalfe版本的以太网已成为产业标准。

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以太网和 802.3

1980 年 9 月 30日， DEC 、 Intel 和施乐公布了第三稿的 “以太网规范，”，这就是著名的以太网蓝皮书，也称为 DIX版以太网 1． 0规范。

在 DIX开展以太网标准化工作的同时， IEEE组成一个定义与促进工业 LAN 标准的委员会，并以办公室环境为主要目标，该委员会名叫 802 工程。在 1981 年 6 月，IEEE802 工程决定组成 802.3 分委员会，以产生基于 DIX 工作成果的公认标准，针对整个 CSMA/CD 网络。

今天的以太网是 TCP/IP采用的主要局域网技术，以太网一词更多的被用来指各种采用 CSMA/CD 技术的局域网。以太网和 802.3 可以认为是同义词。但是两者在帧格式上存在一定区别。

帧结构上差别 802.3 帧数据字段的数据是 LLC 子层的协议数据单元

,而以太帧的数据 字段是网络层的分组 802.3采用“填充”字符来保证最小 46 字节数据长度；

以太由上层软件来保证 802.3 使用“长度”字段来表明 数据字节数目； 以太用“类型”来 指明数据协议类型

6 6 2 46-1500 4 字节

FCSSA TypeDA Data Pad Ethernet

PR SFD

7 1

PR SFD

7 1

IEEE 802.3

2/6 2/6 2 46-1500 4 字节FCSSA LENDA LLC-PDU Pad

校验区间64-1518 字节

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以太网帧结构 802.3 MAC 子层帧的结构。 前同步码由 7字节的前导码（ 1010…10 ） ,1字节的同步码 SFD（ 1010101 ）组成，用于接收站点进行帧同步。

源地址是指发送站的网卡地址；目的地址是指接收以太网帧的网卡地址。

类型：以太网封装的消息协议类型。 长度：帧的长度。 CRC ：帧的循环冗余校验序列。

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IEEE 802 .3 的特点 IEEE 802.3 标准规定了 CSMA/CD访问方法和物理层技术规范。该规范的特点是：采用 1坚持 CSMA/CD协议 规定 MAC 帧的长度范围为 64~1518字节任何站点发送数据时都要遵循 CSMA/CD 协议每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧

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以太网的组成 传输介质

收发器

网卡

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10Mb/s以太网的物理层标准 10Mb/s以太网可以有多种物理层标准。目前有 5 种

: 10 Base-5 标准，也称标准以太网（原始的 IEEE802.3 ）或粗缆以太网，采用粗同轴电缆总线连接

10 Base-2 标准—— IEEE802.3a，也称便宜以太网或细缆以太网，采用细同轴电缆总线连接

10 Base-T标准—— IEEE802.3i，也称双绞线以太网，采用无屏蔽双绞线、星型方式连接

10 Base-F标准—— IEEE802.3i，也称光缆以太网，星型方式连接

10 Broad36标准，宽带传输以太网。

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同轴电缆以太网粗缆以太网（ 10BASE5 ） 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送 / 接收 , 冲突检测 , 电气隔离

总线型拓扑 粗缆收发器

AUI 电缆

NIC

Vampire tap

最大段长度 500m每段最多站点数 100

≥2.5m

网络最大跨度 2.5km

网络最多 5 个段 终端匹配器

细缆

BNC 接头

NIC

细缆以太网（ 10Base2 ） 细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器 轻便、灵活、成本较低 总线型拓扑

每段最大长度 185m每段最多站点数 30

≥0.5 m

网络最大跨度 925 m

网络最多 5 个段 终端匹配器

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收发器 收发器具有如下功能： 接收或发送数据 检测在总线上发生的数据帧的冲突 在总线和总线接口的电子设备间进行电

气隔离

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网卡 网卡是实现工作站之间通信的关键部件。网卡主要实现下列功能： 数据的封装和解封 链路管理：实现 CSMA/CD协议 编码和解码：对送到收发器上的信号进

行曼彻斯特编码，对从收发器收到的信号进行曼彻斯特解码。

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传输介质为非屏蔽双纹线 UTP ，传输速率为 10 Mb/s 以集线器 (HUB) 为中心的星状结构 ,利用 RJ45 接插件和非屏蔽 双纹线与站点网卡连接

1．基本硬件配置 。集线器（分独立式和可叠加式两类）

。带有 RJ-45 接口的以太网卡 。 3类 /5 类非屏蔽双绞线

2 、说 明 。集线器是以太的中心连接设备，起 转发器的作用（不提供帧过滤和存储） 。介质访问控制方法仍采用 CSMA/CD 。是对“共亨介质”总线网结构的一种“变革”，构成物理上的“星 状”，逻辑上的“总线状”

10Base-T 标准 Ethernet

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IEEE 802.3 以太网体系结构 为了便于物理层功能的实现， 802.3 进一步将物理层分为两个子层：PLS 子层

PMA 子层

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PLS

PLS 子层负责：

向MAC 层提供服务

曼彻斯特码的编码和解码

载波侦听

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PMA

PMA 子层负责： 向 PLS 层提供服务 冲突检测 超长控制 发送 / 接收串行比特

逻辑链路控制 LLC

媒体访问控制 MAC

物理信令 PLS

物理媒体附件 PMA

LLC

MAC

PLS

PMA

高层 高层

MAU

AUI

MDI

MDI

传输介质

802.3 以太网的两种体系结构

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5.3.3 百兆以太网 快速以太网是在传统以太网基础上发展的

，在传输介质上传送 100Mb/s 的星型拓朴以太网 ,保持相同的以太网帧格式，以及CSMA/CD 介质访问控制方式。

100Base-T与 IEEE802.3u 国际标准

100BASE-VG 802.12

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三种物理层标准

100BASE-TX ：采用两对链路； 5类非屏蔽双绞线 100BASE-FX ：采用两对链路；使用光纤 100BADE-T4 ：为在低质量要求实现 100Mbps 数据速率

而设计的 ,可使用 3类或 5类非屏蔽双绞线

数据速率提高了 10倍，故相应的冲突检测时间缩短为 10BASE-T 的 1/10

提供了 10/100Mb/s自适应功能

应用层

会话层

表示层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

OSI 7 层参考模型

PLS

PMA MDI

逻辑链路控制层（ LLC ）介质存取控制层（ MAC ）

RS

MDI

自动协商PMD

PMA

PCS

IEEE 802.3 CSMA / CD 模型

AUI

MAU

PHY

MII

更高层

介质 介质

10 Mbps 100 Mbps

IEEE 802.3u 10/100MbpsDTE 的层次模型

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100BASE-VG

100BASE-VG 原名 100VG-AnyLAN ，由HP、 IBM和 AT&T三家公司共同推出，目的是解决冲突型以太网中因争夺总线产生的瓶颈问题。

它采用新的“按需优先轮询（ Demand priority polling）”方法来解决网络请求，以免冲突。它同时支持 3类、 4类和 5类三种非屏蔽双绞线。

并没有真正采用 CSMA/CD 802.12 标准

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5.3.4 千兆位以太网 也称吉比特以太网。物理层标准1.IEEE802.3z（ 1000BASE-X ） 1000BASE-SX SX 表示短波长（使用 850nm 激光

器）， 1000BASE-LX LX 表示长波（使用 1300nm 激光器）， 1000BASE-CX CX 表示铜线，使用 2对屏蔽双绞线，传输距离为 25m 。

2.802.3ab 标准1000BASE-T 使用 4 对 5类 UTP双绞线，传送距离 100m。

1000Base-X 信号编码与解码 1000Base-T信号编码与解码

1000Base-CX短铜缆收发器

1000Base-LX1300nm

长波光纤收发器

1000Base-SX850nm

短波光纤收发器1000Base-TUTP 收发器

25 米2 对

短屏蔽铜缆

5000 米9μm

单模光纤

550/220 米50/62.5 μm多模光纤

100 米4 对

5 类 UTP

MAC 子层（全双工 / 半双工）

更高层

千兆位介质无关接口（ GMII ）

千兆以太网的物理层技术

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千兆位以太网的特征• 1000Mb/s ，全双工或半双工• 沿用 10Mb/s 传统以太网帧格式• 半双工仍使用 CSMS/CD 协议• 兼容 10Base-T 和 100Base-T

• 节点能力的自动协商

链路两端的节点必须各自向对方通告自己的能力（速度、物理层类型、半 / 全双工）并自动选择合适的工作模式。

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半双工的问 题速率提高到 1000Mb/s 时的网络跨距问题：

• 为保持兼容，半双工时的最小帧长度仍规定为 64字节，导致网络跨距缩短为不足 20米，实用价值大大降低！

解决方法：• 1. 将时间槽扩展为 512字节；• 2. “载波扩展”技术：帧长不足 512字节时，在

其后填充特殊的符号至 512字节；

“帧突发”技术：允许站点连续发送多个短帧

• 解决短帧较多时网络传输效率低的问题

千兆位以太网的拓扑结构

百兆或千兆交换机

千兆交换机

中央服务器100 Mb/s 链路

1Gb/s 链路

万兆以太网标准代号 IEEE802.3ae

技术要点：

帧的格式和 10Mb/s 、 100Mb/s 、 1Gb/s 完全一样。

只使用光纤作为传输媒体。使用单模光纤传输距离超过 40km ，多模光纤为 65~300m 。

只工作在全双工方式，不需要 CSMA/CD 协议。

物理层：采用全新的物理层技术。

局域网物理层 LAN PHY ，数据率为 10.000Gb/s 。

可选的广域网物理层 WAN PHY ，数据率为 9.95328Gb/s ，目的为了与 SONET/SDH 相连接 。

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10G 以后，以太网路在何方？

IEEE 关于 10G铜缆标准已经在今年获得了通过

以太网的发明者 Bob Metcalfe 在其演讲中说：“以太网以后将怎样发展？以太网的传统就是以 10倍速向前发展。每前进一步，人们总是说不需要再往前走了，但我们仍然继续前进，我们将向 100G 进军。”

朗讯科技贝尔实验室今年在苏格兰宣布了在业内首次实现 100Gbps光以太网传输

40G 以太网更为切实可行

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5.4 交换式局域网 传统局域网特点1. 采用共享介质技术 (传输介质对所有结点共享 )是一种广播式网

络2. 网络上每一瞬间只能有一个结点发送数据，其余处于接收3. 结点采取争用的方式取得介质的访问权，结点越多 ,各结点平

均享有速率越少，共享介质的缺点

交换式局域网特点1. 为网中每个结点提供专用连接通道，使竞争式的共享型信道转

变为独立型信道2. 采用交换机作为核心设备，提供多端口连接3. 在多个结点间同时建立多个并行的通信链路

COL-ACT-STA-

1 2 3 4 5 6 7 8 9101112HS1 HS2 OK1 OK2 PS

CONSOLE

服务器工作站 工作站 工作站工作站

10Mbi t/ s共享 端口

10Mbi t/ s专用 端口 100Mbi t/ s专用 端口

交换式以太网结构

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5.4.1 局域网的分段

网段微化 将网络分割成一些网段，使网络中的一部分站点能够并行地发送数据。

网 段— 由多个结点构成一个共享介质的集合体，结点处于同一个 冲突域范围内

把一个网络分割成子网的设备称为网桥（ Bridge），也称桥接器。

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网络分段示意

HUB HUB

广播域

独立的冲突域 独立的冲突域

网桥或网络交换机

交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域

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

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网桥的主要用途

1.用于同构型（第 3～ 7层完全相同） LAN 间的连接

2.扩展工作站的平均占有频带 3.扩展 LAN 的地址范围 4.进行网段微化，将局域网分段成几个子网，以提

高信息流量和网络性能

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两种网桥根据路径选择方法，有两种网桥：

透明网桥（ Transparency Bridge）•由网桥负责路由选择，网桥和路由对站点透明• 以太网中最常用

源选径网桥（ Source Routing Bridge）•由源站点负责路由选择，网桥和路由对站点不透明

71

透明网桥工作原理 网桥有寻址和路由选择能力，路由选择采用查表法：

• 网桥内的转发表描述了到达每个站点的路由；• 转发表主要由端口号和站点 MAC 地址组成。

工作原理• 对于从端口收到的每个报文，查看其目的 MAC 地址，并与转发表对照：

若目的 MAC 地址在接收端口的表项中，则丢弃报文——过滤；若目的 MAC 地址在某一端口的表项中，则把报文转发到与该端口连接

的网段——交换（转发）；若目的 MAC 地址不在表中，则向接收端口外的其他所有端口广播该报文——广播。

透明网桥工作原理归纳为：基于转发表的过滤、转发和广播。

72

转发表

C

网桥转发的例子： A→B ， A→C

B

A

73

转发表的建立

刚加电时转发表为空；在转发过程中逆向自学习路由；

逆向学习——检查收到的报文的源MAC 地址：• 若收到的报文的源MAC 地址不在转发表中，则插入到表中。

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。

想一想：如前图，当刚打开电源时，若站点 A向站点 C发送了一个报文，网桥是如何转发该报文的？

74

透明网桥需要解决的问题循环连接，造成：

转发表振荡，报文无限循环，包丢失

LAN1 LAN2

B1

B2

A B

1 2

1 2

接口 2又收到 A 发出的帧

接口 1 收到 A 发出的帧

接口 1 收到 A 发出的帧

接口 2又收到 A 发出的帧

假定主机 A向主机 B发送一个数据包，两个网桥同时接收到这个数据包，并且都正确地知道主机 A位于LAN1 中 。但是不幸的是，在主机 B同时收到两份一样的主机 A 的数据包后，两个网桥又一次从对 LAN2 的端口上接收到主机 A 的数据包，于是它们又认为主机 A位于 LAN2 中 。

发往主机 B的数据包会被两个网桥无休止地转发，这样会占用所有可能获取的网络带宽，导致网络阻塞。

当透明网桥将改变各自的路由表以指明主机 A 在 LAN2 中时，恰巧主机 B向主机 A发送数据包，两个网桥接收到此数据包后，会将其丢弃，因为它们的转发表中指明主机 A位于 LAN2 中。这样发给主机 A 的数据将会丢失。

网桥的种类(1)内桥 通过文件服务器中的不同网卡连接起来的局域网(2)外桥 安装在工作站上，连接两个相似或不同的局域网(3)远程桥 连接的距离超过网络的常规范围时使用，成对出现

服务器集线器工作站

工作站

本地网桥

文件服务器工作站

工作站

PSTN

工作站

文件服务器

工作站

远程网桥

远程网桥

76

5.4.2 交换式局域网工作原理 交换设备的基本操作 交换模式 交换机与集线器间的区别 交换机与网桥的比较 交换机和路由器的比较 局域网交换机的类型

77

交换设备的基本操作 交换式局域网从根本上改变了“共享介质”的工

作方式，通过交换机的端口之间的数据交换，形成多个并发连接，从一个端口进入的数据被送到相应的目的端口，不影响其他端口，因而不会发生碰撞。

• 学习功能 : 如果收到包的目的 MAC 不存在 ,则广播到所有的端口，接收端口回应后 , 交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。

交换地址表

端口 地址

nodeA1

2

3

4

5

nodeB

nodeC

6 nodeC

转发器

2DA

MAC 帧DA=nodeC

DA

MAC 帧DA=nodeB

nodeA nodeB nodeC nodeD

1 3 4 5 6

端口

缓冲器

图 5.17 一个交换式局域网的工作过程

79

3 种交换模式

• 直通交换 在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。交叉结构 背板结构

优点 : 由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快。缺点 : 因为数据包内容并没有被以太网交换机保存

下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入 / 输出端口直接接通，而且容易丢包。

存储转发模式 输入端口的数据包先存储起来，然后进行验错检查，

在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。保证准确性，适合大型局域网。端口缓存

无碎片方式 介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够 64 个字节，如果小于 64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于 64字节，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。

81

交换机与集线器间的区别 1. 从 OSI 体系结构看，集线器工作在 OSI/RM 的第一

层，因而它只对数据的传输起同步、放大和整形处理，不能对数据传输的短帧、碎片等进行有效处理，不进行差错处理，不能保证数据的完整性和正确性。交换机工作在 OSI 的第二层，，不但可以对数据的传输进行同步、放大和整形，还提供完整性和正确性的保证。

2. 从工作方式和带宽看，集线器是一种广播模式，一个端口发送信息，所有的端口都可以接收到，容易发生广播风暴；交换机是一种交换方式，一个端口发送信息，只有目的端口可以接收到，能够有效地隔离冲突域；同时每个端口都有自己的独立带宽，两个端口间通信不影响其他端口间的通信。

82

交换机与网桥的比较 1. 网桥一般用于连接各个网段，而局域网

交换机既能连接网段又能连接单机，并且多是连接单机的。

2. 交换机的端口数多3. 交换机可以同时处理多个帧

83

交换机和路由器的比较 1. 交换机的主要功能是将 LAN 的碰撞域分段成

一些较小的碰撞域。路由器将网络分解成多个广播域，它的数据包过滤作用，只允许特定的数据包通过，限制了广播风暴扩散的可能性，限制了不支持协议的数据包的发送，控制网络间的数据传输流量。

2. 路由器是位于第 3 层网际的互联设备，可用于不同网络的互联联。

84

局域网交换机的类型 目前， Ethernet的物理层协议主要对应

于 10Mbps、 100Mbps、 1000Mbps三种传输速率，所以 Ethernet Switch有以下几种：

10M 交换机——只支持 10Mbps 端口。 100M 交换机——只支持 100Mbps 端口。 10M+100M 交换机—— 100M+1000M 交换机—— 10M+100M+1000M 交换机——

85

交换机的分类1．根据应用的规模分为桌面交换机、骨干交换机和中心交换机三类。2．根据结构结构的不同，可以将交换机分为固定端口交换机和模块

化交换机。3．根据工作的协议层分为第 2 层交换机、第 3 层交换机和第 4 层交换机。4. 根据交换方式根据交换机在源和目的端口间传送数据包时所采用的交换方式的不同，可以将交换机分为直通式交换机、存储转发式交换机和无碎片直通式交换机。

86

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）

87

是一种逻辑上的子网，作用是把分布在不同地点 ,不同交换机端口上的若干机器进行逻辑组合 ,形成一种逻辑上的工作组，以方便用户对带宽的需求和灵活管理与连接

。虚拟网络也是由一个个物理网络组成，称“虚”是因为网内用户不一定都连接在同一个物理段上

。任一个站点都可以同时分属于不同的工作组（ VLAN ）

。不属于同一工作组 (VLAN) 的各站点无法参与本工作组内的事物

。 VLAN 是由网络管理人员配置的，是靠软件实现的 ,即网管人员利用软件进行逻辑工作组的划分和管理

5.4.3 虚拟局域网 VLAN

VLAN 示意

交换机

交换机

交换机

路由器

3楼层

2楼层

1楼层

技术VLAN3

市场VLAN2

工程VLAN1

VLAN 能够隔离（限制）广播域VLAN划分前，整个网络都在一个广播域中

广播域

S1S2 S3

VLAN 能够隔离（限制）广播域VLAN划分后，网络被分割成几个较小的广播域

1广播域 2广播域

S3S1S2

VLAN1 VLAN2

91

VLAN 的优点提高管理效率

站点的物理位置改变无需重新布线和配置用户性质改变后很容易通过软件将其从一个 VLAN划

分到另一个 VLAN

控制广播数据增强了网络的安全性实现虚拟工作组

用户的工作地点不必在同一个物理地点可在企业内建立灵活的、动态化的组织结构

92

VLAN 划分的方法基于端口（静态划分）

根据端口号划分 VLAN

基于 MAC 地址（动态划分）根据用户计算机的 MAC 地址划分 VLAN

基于网络地址或网络协议类型（动态）根据用户计算机的 IP 地址划分 VLAN

93

— 就是把交换机的端口分成若干个组，每组相当一独立交换机，无须了解各端口连接的是何设备 (最简单、常用 )特 点： 。不能使广播跨越多个交换机 。网络成员根据所连的端口确定优 点： 。易配置和理解，增加了安全性 。可限制广播的扩展和广播风暴缺 点： 。用户在端口上移动时，管理员 须对其重新配置

按交换机端口划分

94

— 划分依赖设备的 MAC 地址，即与硬件相关的地址（网卡 MAC ）

特 点： 。按 MAC 地址划分的工作站可在网 中移动，无需重新配置 (基于用户 ) 优 点： 。同一网段上用户可分属不同虚网 。同一网段上的成员个数不受交换 机端口的限制 缺 点： 。配置烦琐 (需 MAC 地址 )、维护困难 （更换网卡时地址更换）

按 MAC 地址划分

95

特 点： 划分时，为决定成员身分 , 需考虑协议类型 ( 支持多协议 )或 网络层地址 (TCP/IP 的子网地址 )

优 点： 。有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网 。用户可以随意移动机器而无需对网络地址进行重新配置 缺 点： 。性能较差；检查网络地址将比检查MAC 地址需花费时间 。网速较慢

按第 3 层协议划分

96

主干 (Trunk) 的概念 主干用于实现跨交换机的 VLAN ，它是指交换机之间

用于传输多个 VLAN 信息的链路 主干上传输的数据包加上特殊标签（通常是 802.1q 和

Cisco 的 ISL 等）——称为贴标签（ Tagging ）

VLAN 的 Tagging 操作

交换机

交换机

交换机3楼层

2楼层

1楼层

技术VLAN3

市场VLAN2

工程VLAN1

交换机

主干

贴了标签的帧

主干端口

主干端口

VLAN 间通信不同 VLAN 间的计算机即使连在同一台

交换机上也不能互相通信VLAN 间通信只能通过第三层设备实现

路由器三层交换机

路由器

交换机

VLAN2

VLAN1

99

5.5 无线局域网 WLAN

局域网中电缆连接的复杂性 办公室成为信息社会信息网络系统的末梢，各种网络系统共存，布线繁琐，办公室电缆线泛滥

从移动体中访问局域网的需要

100

5.5.1 WLAN 传输方式和频段范围传输方式基本上有三种：扩频方式 在扩频方式中，数据基带信号的频谱被扩展几倍到几十倍后被射频

发射出去。这种方式以牺牲带宽为代价 窄带调制方式 窄带调频方式的信号频谱不作任何扩展地直接发射出去。

红外线方式用红外线作为 WLAN 的传输方式最大的优点是不受其他

无线电信号的干扰

频 段

亚微米 (1GHz~3GHz)

亚毫米 (10GHz~30GHz)

红 外

传输技术

窄带调制

扩展频谱 窄带调制 定向波束红外线 (DB/IR) 方式

扩散红外线（ DF/IR ）方 式

点对点方式

反射方式

传输速度

数百 kbps~10Mbps >100Mbps 可达 50Mbps

可达 10Mbps

几十 kbps~10Mbps

通信距离

100m( 无须视距 ) 几十米 ( 无须视距 )

>50 米( 视距 )

—( 无须视距 )

数米 ~20 米( 无须视距 )

移动支持 一般 好 一般 不支持 不支持 差

成 本

低 高 高 高 高 低

使用许可

需要 ISM 频段不需要

需要 不需要 不需要 不需要

102

5.5.2 无线局域网的结构 有中心拓扑 Hub-Based

HUB接入型 基站接入型 采用移动蜂窝通信网接入方式

网桥接入型 可用于实现不同的局域网之间的互连。

无中心（对等式）拓扑 Peer to Peer允许网中任意两个站点间可以直接通信

103

有中心拓扑 Hub-Based

104

无中心（对等式）拓扑 Peer to Peer

AB

105

5.5.3 IEEE 802.11 系列协议目前 80.211 系列中常用的协议有 802.11a,802.11b,802.11g. 802.11 是最初的无线局域网标准，速率最高只能达到 2Mbps。 802.11b物理层支持 5.5 Mbps 和 11 Mbps两个新速率，可因

环境变化使用动态速率切换。 802.11a工作在 5GHzU-NII频带，物理层速率可达 54 Mbps，

提供 25Mbps的无线 ATM 接口和 10Mbps的以太网无线帧结构接口

802.11g混合标准，它既能适应 802.11b标准，在 2.4GHz频率下 11Mbps，也符合 802.11a标准在 5GHz频率下提供 54Mbps。

高性能的 802.11n 标准 ; 对于无线 VoIP 以及其它对延迟敏感的服务非常重要的 802.11r 标准 ; 和定义了不同种类的无线网络之间的网络互连功能的 802.11u 标准

基于 802.16 协议的 Wimax 无线城域网无线城域网接入技术

无线局域网中的隐蔽站问题隐蔽站 : A, C 两个站点不能互相“听见”

障碍物 , 信号衰减在 B站点发生冲突

802.11MAC 的设计目标 : 避免可能在 B站发生的冲突 CSMA/CA: 带有冲突避免（ Collision Avoidance ）策略的 CSMA

107

802.11 MAC 层 : CSMA/CA

802.11 CSMA: 发送方- 如果检测到信道闲置了 DI

FS 秒 . 然后传输整个帧 ( 无冲突检测 )

- 如果检测到信道忙 然后 进行二进制避退（ binary bakeoff ）

802.11 CSMA 接收方 :如果接收 OK 等待 SIFS 后返回 ACK

108

IEEE 802.11 MAC 协议802.11 CSMA 协议 : 其他方NAV: 网络分配向量（ Net

work Allocation Vector ）

802.11 帧具有传输时间字段

其他站点 (听见有传输时 ) 必须推迟若干 NAV时间单位再对信道进行访问

109

冲突避免 : RTS-CTS 交换CSMA/CA: 进行显式

的信道预留发送方 : 发送简短的

RTS: request to send接收方 : 使用简短的

CTS: clear to send回应

CTS 为发送方预留了信道 , 并通知了其他 ( 可能是隐蔽的 ) 站点

避免了隐蔽站点的冲突

110

冲突避免 : RTS-CTS 交换 由于 RTS / CTS 比较短 :

发送时间短，发生冲突的可能小

最终的结果同冲突检测基本一致

IEEE 802.11 允许 :

1. CSMA

2. CSMA/CA: 信道预留3. 从 AP 进行轮询

111

5.5.3 IEEE 802.11 协议 IEEE 802.11规定 WLAN 的最小构件是基本服务集 BSS （ Basic Service Set）。

在一个 BSS 内，所有的站均运行同样的MAC 协议并且以争用方式共享同一媒体。

一个 BSS 可以是独立的系统；也可以通过接入点（ Access Pointer）连接到主干网上，与其他 BSS 连接或与有线网络连接，组成扩展服务集 ESS 。

主干网 服务器

移动站 移动站移动站

基本服务集 A

接入点

移动站 移动站基本服务集 B

接入点

扩展服务单元

图 5.19 IEEE 802.11 结构

113

物理层 下面是 WLAN 的三种主要的物理层实现方法：

跳频扩频（ FHSS ） 跳频扩频使用 2.4GHz的 ISM频带，共有 79

个信道频道可供跳频使用 直接序列扩频（ DSSS ） 直接序列扩频使用 2.4GHz的 ISM频带，接入速率为 1Mbps或 2Mbps。

红外（ IR ） 红外方式使用波长 850~950nm的红外线传送

数据，速率为 1~2Mbps。

114

MAC 层 IEEE 802.11 的 MAC 层结构，称作为 DF

WMAC （分布式基础无线网 MAC ）。它可以为本地链路控制层提供两种服务：

竞争服务 无竞争服务

本地链路控制层

点协调功能层（ PFC ）

分布式协调功能层（ DCF ） 2.4GHz

跳频扩频频带 2.4GHz

速率 1Mbps 或 2Mbps

直接序列扩频2.4GHz 的频带

速率 1Mbps 或 2Mbps

红外线速率 1Mbps 或 2

Mbps

2.4GHz频率扩展

FH>3MbpsDS>8Mbps

5GHz频率扩展 >20Mb

ps5GHz

频率扩展 >20Mbps

竞争服务无竞争服务

MAC 层

图 5.20 IEEE 802.11 协议结构

116

竞争服务 WLAN采用了带有冲突避免的载波多路侦听

协议 CSMA/CA （ Collision Avoidance）作

为 MAC 层的协议。规则如下： 任何一个站点在发送数据之前，还是要先监听载波，确认信道空闲时，发送探询帧，若信道空闲一个 IFS （帧间隙）的间隙时间后仍然空闲，才发送数据；

数据

应答

发送监听

应答监听

发送监听

推迟访问其他站点

目的

源

等待信道

数据

图 5.21 发送站点使用 IFS 的 CSMA 访问规则

118

无竞争服务 无竞争服务采用集中访问控制，包括集中轮询主管的轮询，由一个中央的决定者协调访问请求，实现可以选择的访问——点协调功能 PCF。这种机制适合于下列情形： 几个互连的 WLAN 一个与有线主干网相连的基站 实时性强的点 高优先级的站点