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第 6 章 计算机局域网络 本章主要内容

• 局域网（ LAN ）概述• 介质访问控制方法• 传统以太网（ Ethernet ）• 局域网扩展• * 高速局域网• * 无线局域网（ WLAN ）

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6.1 局域网（ LAN ）概述hubhub

hubhub

hubhub

SwitchSwitch

ServerServerfarmfarm

stationstation

stationsstations

stationsstations 1. LAN 的特点• 覆盖范围小

房间、建筑物、园区范围 距离≤ 25km

• 高传输速率 10Mb/s ～ 1000Mb/s

• 低误码率 10-8 ～ 10-11

• 拓扑：总线型、星形、环形• 介质： UTP 、 Fiber 、 COAX• 私有性：自建、自管、自用

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2. LAN 的技术特征

• 拓扑结构（逻辑、物理） 总线型、星形、环形、树形

• 介质访问方法 CSMA/CD 、 Token-passing

• 信号传输形式 基带、宽带

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3. 局域网体系结构 局域网的标准： IEEE802 （ ISO8802 ）

• IEEE802 是一个标准系列： IEEE802, IEEE802.1 ～ IEEE802.14 其体系结构只包含了两个层次：数据链路层、物理层

• 数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层

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IEEE802 描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务

和接口

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IEEE802 系列中的主要标准 802.2 – 逻辑链路控制 802.3 – CSMA/CDCSMA/CD （以太网）（以太网） 802.4 – Token Bus Token Bus （令牌总线）（令牌总线） 802.5 – Token RingToken Ring （令牌环）（令牌环） 802.6 – 分布队列双总线分布队列双总线 DQDB -- MANDQDB -- MAN 标准标准 802.8 – FDDIFDDI （光纤分布数据接口）（光纤分布数据接口） 802.11 – WLAN （无线局域网）

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IEEE802 体系结构示意图

数据链路层在不同的子标准中定义• 分别对应于 LLC 子层和 MAC 子层

… …802.3

CSMA/CD

802.4Token

Bus

802.5Token Ring

802.6DQDB

802.8FDDI

802.2 LLC

数据链路层

物理层

LLC

MAC

802.1D Bridge8 0 2

体系结构

PHY

网际互联

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局域网的物理层 功能：

• 位流的传输；• 同步前序的产生与识别；• 信号编码和译码。

IEEE802 定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。

两个接口：• 连接单元接口（ AUI ）－可选，仅用于粗同轴电缆• 介质相关接口（ MDI ）

屏蔽不同介质的特性，使之不影响 MAC 子层的操作

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局域网的数据链路层 按功能划分为两个子层： LLC 和 MAC 功能分解的目的：

• 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。

• 解决共享信道 ( 如总线 ) 的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。 LLC ： 与介质、拓扑无关； MAC ：与介质、拓扑相关。

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局域网的数据链路层的特点：• 局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播；• 支持介质访问控制功能；• 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点 (SAP) 、多

路复用、流量控制、差错控制…… MAC 子层功能：实现、维护 MAC 协议，差错检测，

寻址。 LLC 子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，

组帧 / 拆帧、建立 / 释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。• 对不同的 LAN 标准，它们的 LLC 子层都是一样的，区别

仅在 MAC 子层（和物理层）。

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PA

LLC 的帧结构DSAP

SSAP 控制域 数据

1 1 1/2 长度可变 单位：字节

高层 PDU

LLC 首部 LLC 数据

IEEE802 LAN 的封装过程：

LLC帧

MAC帧

MAC 数据

分组

介质上传输的帧

MAC 首部 MAC尾部

MAC尾部MAC 数据MAC 首部

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局域网的网络层和高层 IEEE 802 标准没有定义网络层和更高层：

• 没有路由选择功能 局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接

• 流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成

网络层和更高层通常由协议软件（如 TCP/IP协议、 IPX/SPX 协议）和网络操作系统来实现。

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6.2 介质访问控制方法 局域网使用广播信道（多点访问、随机访问），多

个站点共享同一信道。问题：• 各站点如何访问共享信道？• 如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？

解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。 两类介质共享技术：

• 静态分配（ FDM 、 WDM 、 TDM 、 CDM ） 不适用于局域网

• 动态分配（随机接入、受控接入） CSMA/CD 、 Token-Passing

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局域网中的介质访问控制方法 常见的有两种：

• 载波检测多路访问 /冲突检测（ CSMA/CD ） Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法

• 令牌传递（ Token Passing ）• Token Ring

• Token Bus

• FDDI

采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法

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1. CSMA/CD 多个站点如何安全地使用共享信道？

• 最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否可以立即发送？

• 若有多个站点都在等待发送，必然冲突！• 解决：等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率）

若信道忙，如何处理？• 继续监听：

等到信道空闲后立即发送 等到信道空闲后等待随机时间后再发送

• 等待一段随机时间后再重新检测信道• 一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？

以上方法均无法处理！

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CSMA/CD— 带冲突检测的载波监听多路访问

• 用于 IEEE802.3 以太网• 工作原理：

发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送； 如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送； 在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送冲突强化信号（ Jam ）；

• 发送 Jam 信号的目的是使所有的站点都能检测到冲突等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。

• 归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。

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CSMA/CD 操作的流程图

媒体忙？

发送帧

碰撞？发送完？

发送 Jam

N≥16?

Yes

NoNo

Yes

发送成功

Yes

发送失败

No

延迟随机时间

No

Yes

发送

碰撞次数 N+1

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站点1

站点2

距离L

t a

0t

2t a

传播时延t

CSMA/CD 协议的时间槽 时间槽——能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）

若两站点之间传播时延为 a ，则时间槽＝ 2a 。如下图所示：

t a

站点 2发送帧

碰撞站点 1 在 t ＝ 0 时发送帧

2t a

站点 2停止发送

当 δ→0 时，将不会再发生冲突。这时，时间槽→ 2a 。

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时间槽的意义：• 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

• 时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系 以太网中，时间槽＝ 51.2µs

• 传输速率为 10Mb/s时，一个时间槽内可发送 512bits ，即 64 字节（所以也称一个时间槽长度为 64 字节） 。

• 由此可知： 1. 冲突只可能在一帧的前 64 字节内发生； 2. 帧长度小于 64 字节时，将无法检测出冲突；

• 所以，以太网规定的最小帧长度为 64 字节 3. 长度小于 64 字节的帧（碎片帧）都是无效帧。

• 想一想：什么情况下会产生碎片帧？

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与时间槽相关的几个网络参数 采用 CSMA/CD 的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率 R 、网络跨距 S 、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：

Fmin＝ kSR k: 系数• 可以看出：

最小帧长度不变时，传输速率与网络跨距成反比； 传输率固定时，网络跨距与最小帧长度成正比； 网络跨距固定时，传输率与最小帧长度成正比。

• 非常重要的结论！

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退避时间的确定（退避算法） CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法 算法如下：

• 1. 令基本退避时间 T=2a （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 。

最大重传次数限定为 16 ，若发送 16 次仍不成功，则发送失败。

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CSMA/CD 的优缺点 控制简单，易于实现； 网络负载轻（ 40％以内）时，有较好的性能

• 延迟较小 网络负载重时，性能急剧下降

• 冲突数量增加各工作站需要频繁执行重发操作大量的重发操作反过来又使冲突率进一步增加

• 网络延迟增大• 延迟时间不可预计（非确定性延迟）

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2. 令牌传递（ Token Passing ）

A

B

D

C

站点

干线耦合器

单向环

点到点链路

主要用于 IEEE802.5 令牌环网 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环

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Token Ring/802.5 的操作 哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（ Token ）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待；

拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；

目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环； 数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令

牌，使其余的站点能获得帧的发送权。

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Token Ring/802.5 的操作举例

A T = 0T = 0

T

（ c ）帧循环一圈后 ,A 将数据帧回收并放出空令牌

A T = 0T = 0T

Data

（ a ）

A 有数据要发送 , 它抓住空令牌

（ b ）

A T = 1T = 1

A 将令牌修改为数据帧头 , 并加挂数据发送

T DataC

Data 目的站点从环上拷贝数据

T DataC

T DataCT DataC

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IEEE802.5 的帧结构令牌帧

数据帧 /控制帧 起始 访问控制 帧控制 目的地址 源地址 数据 FCS 结束帧状态1 1 1 2/6 2/6 ≥ 0 4 1 1

P P P T M R R R

优先级位

令牌位

监督位

预约位

起始 访问控制 结束1 1 1

访问控制字段包括： 优先级位与优先级预约位。 令牌位：帧类型标识。 0 ：令牌帧； 1：信息 /控制帧 监督位：防止无效帧无限循环。

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令牌环网的实际结构——星形环路

AB C

D E

集线器

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6.3 传统以太网 以太网的产生与发展以太网的产生与发展

• 20世纪 70年代中期由施乐公司（ Bob Metcalfe ）提出，数据率为 2.94Mb/s ，称为 Ethernet （以太网） 最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的

• 经 DEC, Intel 和 Xerox公司改进为 10Mb/s 标准（ DIX 标准） DIX V1DIX V1 （（ 19801980 ）、）、 DIX V2DIX V2 （（ 19821982 ）－）－ Ethernet IIEthernet II 特征：基带传输、总线拓扑、 CSMA/CD 、同轴电缆、同轴电缆

• 19851985年被采纳为年被采纳为 IEEE 802.3 ，支持多种传输媒体。 “带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”

• Ethernet II 和 IEEE 802.3二者区别很小 仅是帧格式和支持的传输介质略有不同

• 目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展 …

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IEEE 802.3 IEEE 802.3 以太网标准（主要的）以太网标准（主要的） 传统以太网： 10Mb/s

• 802.3 —— 粗同轴电缆• 802.3a —— 细同轴电缆• 802.3i —— 双绞线• 802.3j —— 光纤

快速以太网（ FE ）： 100Mb/s• 802.3u —— 双绞线，光纤

千兆以太网（ GbE ）： 1000Mb/s （ 1Gb/s ）• 802.3z —— 屏蔽短双绞线、光纤• 802.3ab —— 双绞线

万兆以太网： 10Gb/s• 802.3ae —— 光纤

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以太网的物理层选项与标识方法• 速率、信号方式、介质类型

速率（ Mb/s ） 基带或宽带Base ， Broad

每段最大长度（单位 :百米）或介质类型（ T ， F ， X ）

10 Base 5

传统以太网• 10Base5 粗同轴• 10Base2 细同轴• 10Base-T UTP • 10Base-F MMF

快速以太网和千兆以太网• 100Base-T UTP• 100Base-F MMF/SMF• 1000Base-X STP/MMF/SMF• 1000Base-T UTP

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Ethernet/802.3 操作 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（广播信道）； 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。

A B C

A

C 发送帧，目的地址为 A

A B C

A 复制该帧A

信号由终端电阻吸收

A B C

C 发现网络空闲

终端电阻

A B C

B 忽略该帧

A

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Ethernet / IEEE802.3 帧格式

PR ： 前导码 - 10101010 序列，用于使接收方与发送方同步SFD ： 帧首定界符 – 10101011 ，表示一帧的开始DA/SA ：目的 /源MAC 地址LEN ： 数据长度（数据部分的字节数），取值范围： 0-1500

Type ： 类型，高层协议标识LLC-PDU （ Data ）：数据，最少 46 字节 , 最多 1500 字节，不够时以 Pad填充 Pad ： 填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于 64 字节FCS ： 帧校验序列（ CRC-32 ）

6 6 2 46-1500 4 字节

FCSSA TypeDA Data Pad Ethernet

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

PR SFD

7 1

PR SFD

7 1

用途：保证帧长≥ 64字节

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MAC 地址 又称为物理地址，它是网络站点的全球唯一的标识符，

与其物理位置无关。• 注意：MAC 地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理

层。 网络站点的每一个网络接口都有一个MAC 地址。

• MAC 地址大多固化在网络站点的硬件中 一个站点允许有多个MAC 地址，个数取决于该站点

网络接口的个数。例如• 安装有多块网卡的计算机；• 有多个以太网接口的路由器。

网络接口的MAC 地址可以认为就是宿主设备的网络地址。

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IEEE802.3标准规定：•MAC 地址的长度为 6 个字节，共 48 位；

可表示 246≈70万亿个地址（有 2 位用于特殊用途）• 高 24位称为机构惟一标识符OUI ，由 IEEE 统

一分配给设备生产厂商； 如 3COM公司的 OUI=02608C

• 低 24位称为扩展标识符 EI ，由厂商自行分配给所生产的每一块网卡或设备的网络接口。

也可以是 2个字节，但 2字节的地址很少使用。

I/G OUI （ 22 位）G/L EI （ 24 位）

0=全局管理地址1= 本地管理地址（一般不用）0= 单播地址1= 组播地址

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MAC 地址的三种类型：• 单播地址：（ I/G ＝ 0 ）

拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点。——点对点传输

• 多播地址：（ I/G ＝ 1 ） 拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的

一组站点。——点对多点传输• 广播地址：（全 1 地址， FF-FF-FF-FF-FF-F

F ） 拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。——

广播传输 注意，以上分类只适用于目的地址。

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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

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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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双绞线（ UTP ），两头压接 RJ45 连接器； 所有站点都与 HUB （集线器）相连接；

• HUB 的作用：信号放大与整形 星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。 轻便、安装密度高、便于维护

NIC

HUB

每段最大长度 100m

多台 HUB级连可以支持更多站点

双绞线以太网（ 10Base-T ）

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双绞线的连接标准• 在以太网的标准中， 10Mb/s 与 100Mb/s 双绞

线系统采用相同的线序： 1 、 2 两根线为一对，3 、 6 两根线为另一对。

色标 Pin# Signal白橙 1 TD+橙 2 TD-白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用

1 2 3 4 5 6 7 8

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当两个 HUB 连接时，要使用交叉连接方法。• 两台微机直接连接时，也可参考此接法。

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光纤以太网 使用光纤介质；

• 两根 62.5/125μm 多模光纤，收发各一根 星形拓扑结构； 通常用于远距离网络连接； 主要类型：

• FOIRL （光纤中继器间链路） 用于连接两个 HUB （或中继器） 链路间最大距离 1 km

• 10Base-FL （用以替代 FOIRL ） 链路间最大距离 2 km 任意两节点间的中继器数≤ 6 个

光纤与其他介质可使用介质转换器进行转换介质转换器是可连接不同介质的中继器

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全双工以太网 收、发使用不同的物理信道 不再使用 CSMA/CD 机制，因此传输距离不

受时间槽的限制；• 但要受到信号衰减的影响

全双工操作的条件：• 使用双绞线或光纤；• 链路两端的设备都必须支持全双工操作；

支持全双工的设备包括全双工网卡、网络交换机。

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6.4 局域网扩展 什么情况下需要扩展？

• 网络范围扩大• 更多的站点加入网络• 多个独立的局域网进行互联

如何扩展？• 主要在三个层次上

物理层 数据链路层 网络层

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在物理层上进行局域网扩展• 设备：

总线网：中继器 星形 / 环形网：集线器

• 特点： 一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个网段； 扩展后的网络仍是一个冲突域。

• 优缺点： 简单、成本低 网络规模不能太大

• 站点数量：冲突随站点数量的增多而变得越来越严重• 地域范围：时间槽的限制

只能互联相同类型的网络

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例：从分离的部门网络到统一的企业网络

集线器 集线器 集线器 集线器

人力资源部 市场部 技术开发部 财务部

主干集线器

集线器

人力资源部

集线器

市场部

集线器

技术开发部

集线器

财务部

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在数据链路层上进行局域网扩展• 设备：

网桥、交换机• 特点：

一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段； 扩展后的网络被网桥 / 交换机隔离成多个冲突域； 扩展后的网络仍是一个广播域。

• 优缺点： 冲突被限制在小范围内，甚至可被消除； 地域范围不再受时间槽的限制；

• 远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上转发速度有所降低； 不能隔离广播帧。

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在链路层上扩展局域网

网桥 /交换机

独立的冲突域

网段1

HUB

网段2

HUB

广播域

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在网络层上进行局域网扩展• 设备：

路由器• 特点：

一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络； 扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。

• 优缺点：隔离广播域，限制了广播帧的泛滥； 地域范围可以任意扩展； 能根据最佳路由转发分组； 可以互联不同类型的网络；转发速度低，成本较高，维护复杂。

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财务部

集线器

技术开发部

集线器

市场部

集线器

人力资源部

集线器

在网络层上扩展局域网

技术开发部

路由器

集线器

财务部

路由器

集线器

市场部

路由器

集线器

路由器

人力资源部

集线器

企业网 / 广域网

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6.5 6.5 高速局域网高速局域网 10Mb/s满足应用要求吗？ 从 10Mb/s向 100Mb/s 、 1000Mb/s迁移

• 起因：对主干带宽的需求• 20世纪 80年代末开始，直到今天仍未停止• 主要产品

FDDI快速以太网 100VG-AnyLAN千兆以太网、万兆以太网

• 最终胜利者是谁？关键：兼容 (保护投资 ) 、灵活、简易、技术成熟

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1. 快速以太网（ Fast Ethernet ， FE ） 传输速率为 100Mb/s 的以太网，比传统以太网快 10倍

• 标准为 IEEE802.3u• 拓扑结构为基于集线器的星形结构；• 传输介质只支持双绞线和光纤；• 帧结构和介质访问控制方式沿用 IEEE802.3 标准。

提供了 10/100Mb/s 自适应功能； IEEE802.3u定义了 4 种不同的物理层标准

• 100Base-TX ：使用两对 5类双绞线（最常用）• 100Base-FX ：使用 62.5/125μm多模光纤• 100Base-T4 ：使用四对 3类双绞线• 100Base-T2 ：使用两对 3类双绞线

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100Base-TX 的拓扑结构

max. 5mHUB HUB

任意两个站点间最多允许 3

个链路段

工作站 工作站

max. 100m

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快速以太网的应用• 主干连接• 需要高带宽的服务器和高性能工作站

网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站• 向桌面系统普及

10Mb/s

10M HUB

企业网

100Mb/s100M HUB

100Mb/s

服务器

100Mb/s

小型机

100Mb/s

100M HUB

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2.千兆位以太网和万兆位以太网 千兆位以太网（ Gigabit Ethernet ， GbE ）

• 为什么需要千兆以太网 新的应用

• 网络分布计算、计算机视频、网络存储 快速以太网的迅速普及

• 要求主干有更高的带宽• 两个主要标准

IEEE 802.3z ， 1998.6正式公布• 1000Base-SX ， MMF/550m

• 1000Base-LX ， SMF/5000m

• 1000Base-CX ，屏蔽短铜缆 /25m

IEEE 802.3ab ， 1999.6正式公布• 1000Base-T ， UTP/100m

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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

• 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（是以前的 8倍）； 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；（想一想，是否完美？）

• “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

短帧较多时将使网络传输效率大大降低。极端情况下，只有正常时的 12%。使用“帧突发”技术后，效率可提高到 72%，达到快速以太网的 95％。

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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千兆以太网的工作参数

2/6 2/6 2 46-1500 4 0-448 字节

≥64 字节

≥512 字节

FCSSA LEN/TypeDA LLC-PDU/Data Pad 载波扩展

参数 千兆以太网 快速以太网 传统以太网 时间槽 ( 载波扩展 ) 512 字节时间 64 字节时间 64 字节时间

帧间间隔 0.096μs 0.96μs 9.6μs

重发上限 16 16 16

回退上限 10 10 10

拥塞序列长度 32位 32位 32位 最大帧长度 1518字节 1518字节 1518字节 最小帧长度 64字节 64字节 64字节

突发长度上限 8192 字节 － －

当帧长小于 512字节时，需填充“载波扩展”符

号

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• 千兆以太网的物理层技术

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）

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• 千兆以太网的拓扑结构 在半双工方式时，网络跨距减小很多：

• 任意两个站点间最多只能有一个中继器 在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器的特性

有关：• 站点间允许有多台千兆设备，可以构造较大范围的网络

千兆位路由器

千兆位交换机 千兆位交换机

10/100Mbps交换机

10/100Mbps交换机

千兆位交换机 千兆位交换机

千兆位路由器

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• 千兆以太网的应用 交换机到交换机的主干连接；

•将网络交换机之间的 10/100M 链路用 1000M 链路代替，可以显著地提高网络的整体性能。

具有高带宽需求的服务器集群或某些高性能工作站与网络主干之间的连接；•通过网络服务器中配置的千兆以太网卡，可以建立与交换机之间的 1000M 连接，极大地提高了服务器的传输带宽。

企业网络或园区网络的主干；•千兆位以太网交换机能同时支持多台 100Mb/s 交换机、路由

器、集线器和服务器等设备。同时，以千兆位以太网交换机为核心的主干网络能支撑更多的网段，每个网段有更多的节点及更高的带宽。

多机系统主机之间的互联。

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万兆位以太网• 万兆位以太网的特征

传输速率为 10Gb/s ； 保留了 802.3 的帧格式、最大帧长度和最小帧长度； 不再使用 CSMA/CD协议； 只能工作在全双工方式； 只使用光纤（多模或单模）作为传输介质； 支持两种类型的物理层： 10Gb/s 局域网物理层和 10Gb/s 广域网

物理层：• 多个万兆位以太网可以通过 SONET/SDH 网络实现广域连接，使用

单模光纤时端到端的传输距离可达上百公里。 • 标准： IEEE 802.3ae ， 2002年公布

局域网物理层：• 10GBase-X 和 10GBase-R ， MMF:300m ， SMF: 几十 km ；

广域网物理层：• 10GBase-W ， SMF: 几百 km 以上。

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• 速度提高到 10Gb/s所遇到的问题 不采用特殊措施，网络跨距将只有 2米 若使用“载波扩展”（帧长至少 4096 字节），短帧

的传输效率将降低到 1.5 ％•同时使用“帧突发”，最大效率也只能达到 30％•“载波扩展”的额外开销使吞吐率下降，冲突概率增大

• 解决方法前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本抛弃 CSMA/CD ，只工作在全双工方式 只使用光纤介质（双绞线成本太高）

• 万兆位以太网的应用 主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与

端用户的直接连接。

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3. FDDI （ Fiber Distributed Data Interface ） 传输速率为 100Mb/s ； 网络由光纤介质的双环构成，可靠性高； 介质访问控制方法采用 Token Passing ； 网络覆盖范围较大（几十 km ～几百 km ）。 FDDI 的拓扑结构

集中器 集中器

服务器

主环 次环

FDDI

DAS

SAS

SAS: 双连站DAS: 双连站

FDDI 环的连接方式DAS

DAS

DAS

DAC

SAS

SAC

SAS SAS

次环

主环

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FDDI 的自修复功能• 正常情况下，仅主环工作，次环用于备份。当主环出现故障时， FDDI 在能够自动重新配置，使网络流量绕过主环中的故障点从备份环中通过。

FDDIA C

B

D

正常情况下数据通过主环传输

FDDIA C

B

D

主环故障时数据从次环绕过

FDDIA C

B

D

站点故障时数据从次环绕过

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FDDI 的优缺点• 主要优点：

令牌传递协议消除了数据冲突； 双环结构提供了优秀的容错能力； 内建的网络管理能力； 令牌传递协议能保证预知的、确定的时延； 在现有的 100Mb/s 的网络技术中，其网络覆盖范围最大，适用于

大型 LAN 和 MAN 。• 主要缺点：

协议比较复杂； 安装和管理相对困难； 价格昂贵，与快速以太网和千兆以太网相比，性能价格比低； 与广泛使用的以太网之间进行互联比较困难。

• 目前正逐渐被快速以太网和千兆以太网所替代。

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为什么需要无线网络 ?• 有线网络的缺点

临时组网不方便• 如运动会、军事演习

网络互联要跨越公共场合时布线很麻烦难于解决移动站点问题

• 无线网络可以很好地解决以上问题• 无线网络类型很多，如电信移动网络、无线局域

网（ WLAN ）等

6.6 6.6 无线局域网无线局域网

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无线网络的应用 在布线不方便或者不可能的情况组建网络 漫游访问 不同建筑物中的局域网之间的无线互联 电视机、机顶盒、笔记本电脑 / 台式电脑和

大容量存储设备之间的数据 /视频流传输 家庭网络

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无线局域网标准 WLAN ，采用无线传输技术的局域网 IEEE802.11 标准， 1997年发布

• 工作频带 2.4GHz ，最大传输速率 2Mb/s 1999年 9月， 802.11a 和 802.11b

• 802.11a ：工作频带 5.8GHz ，最大传输速率 54Mb/s• 802.11b ：工作频带 2.4GHz ，最大传输速率 11Mb/s

2003年 6月， 802.11g• 工作频带 2.4GHz ，最大传输速率 54Mb/s

2007年 3月， 802.11n （草案 2.0版本）• 工作频带 2.4GHz/5GHz ，最大传输速率约为 300Mb/s

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无线局域网的物理层 拓扑结构

• 有基础结构的拓扑依赖于一个服务访问点（ AP ）或一个有线网络适合于免布线的办公室环境和家庭无线网络

• 无基础结构的拓扑 又称为临时结构网络（ Ad Hoc Network ） 不依赖于服务访问点或有线网络，由无线站点通过相

互关联临时组成一个网络适合于需要临时搭建网络的场合

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WLAN 中的 AP 与 BSS

AP （无线接入点， Access Point ）• 是 WLAN 中的“无线基站”，类似有线网络中的 HUB• AP 的功能：

站点之间的信息转发 WLAN 与有线局域网之间的“桥接器”

BSS （基本服务集， Basic Service Set ） • 是一个地理区域，类似于移动电话系统中的蜂窝结构。• 每一个 BSS 都有唯一的 BSSID （也称为 SSID ），只有

设置了正确的 BSSID ，站点才能访问 BSS 。

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WLAN 的拓扑结构

BSS

Ad hoc 网络

AP

BSS

以 AP 为核心的基础结构网络

AP AP漫游

通过 AP 与有线网络连接的基础结构网络

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WLAN 的物理介质 跳频扩展频谱（ FHSS ）

• FHSS 将工作频带分成 83 个 1MHz带宽的信道。 FHSS使用其中的 79 个信道，数据载波频率可在这 79 个频率之间随机跳动。

频率

时间

f13

f16f18

f27

f74

f41

f7

f37

f71

f2

f14

f67

f26

f42

f54

f4

1第 个8位组 2第 个8位组

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WLAN 的物理介质（续） 直接序列扩展频谱（ DSSS ）

• 使用一个具有更高比特率的片码（ chipping code ）对发送的数字信号（ 1 和 0 ）进行调制。 802.11 标准中，片码为 11位。

• DSSS 将 2.4GHz 的工作频带划分成 14 个 22MHz 的频道（频道之间有重叠）。数据可从任何一个频道进行传送（无需跳频）。

红外线• 波长 850 到 950nm ，传输范围较小，仅限于室内

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无线局域网的数据链路层 LLC 子层与 IEEE 802.3完全相同，所不同的仅是 MAC 子层

MAC 子层采用 CSMA/CA （载波检测多路访问 / 冲突避免）协议• 不是在发送过程中去监听是否发生了冲突，而是

发送前设法避免冲突的发生• “冲突避免”采用了三种机制来实现：预约信道、正向确认（ Acknowledgement ）和 RTS/CTS

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冲突避免的措施 预约信道

• 发送站点向所有其他无线站点通告本站点将要占用信道多长时间，以便让其它站在这段时间内不要发送数据，起到了避免冲突的效果。

正向确认• 接收站点正确收到数据帧时，就向发送站点发送一个 AC

K 帧作为接收成功的肯定回答，否则将不采取任何动作。发送站点根据是否收到 ACK 帧决定重发与否。

• 用于冲突的恢复。 RTS/CTS

• 通过 RTS/CTS 帧预约信道，以避免隐蔽站冲突问题。• 例如：有 A 、 B 、 C 三个站点， B 在 A 和 C之间。 A

和 C 都能与 B通信，但 A 和 C却因为相距较远而彼此无法了解对方的存在，若它们都向 B 发送数据就会发生冲突。

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802.11n 无线局域网 新一代WLAN 标准 达 300Mbit/s 的传输速率 采用 Spatial Multiplexing MIMO （空间多路复用多

入多出）技术• MIMO 是一种智能天线技术，它通过多组独立天线组成的天线阵列系统，通过创建多个并行空间信道，将要传输的数据分割成多个部分进行并行独立传输。

• MIMO带来的优点 数据传输率高、传输信号稳定、噪音干扰小、传输距离远。

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不同标准的 WLAN比较802.11a 802.11b 802.11g 802.11n

最大传输速率 54Mb/s 11Mb/s 54Mb/s 600Mb/s

兼容性 与 b不兼容 - 与 b兼容 与 b/g兼容安全性 好 较好 好 好

穿越障碍能力 一般 强 强 很强

抗干扰能力 强 较强 较强 很强

传输距离（室外） 300m 300m 300m 500m

价格 高 低 低 高

支持业务 数据 /语音 /图像 同左 同左 同左，视频

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本章小结 局域网的体系结构：物理层和数据链路层 ( 及两

个子层 ) 局域网的特点以及局域网具有的技术特征 介质访问控制方法： CSMA/CD 、 Token Passing 以太网的工作原理， MAC 地址 局域网的扩展：在不同层次上实现的优缺点？ 高速局域网技术：快速以太网、千兆 /万兆以太

网。速度提升需要解决哪些问题？如何解决？ 无线局域网：技术及应用