第5章 局域网 5.1 局域网概况 5.2 传统以太网 5.3 以太网的MAC层 5.4 扩展的局域网 5.5 虚拟局域网 5.6 高速以太网 6.7 其它种类的高速局域网 5.8 无线局域网5.1 局域网概况1.定义局域网（LAN，Local Area Network）是在一 个较小的范围内利用通信线路将众多计算机 及外设连接起来，达到数据通信和资源共享 的目的。2.特点（优点） 网络为一个单位所拥有，且地理范围和站 点数目均有限。高传输率（10 1000 Mbps）和低误码率（10-8 10-11） 。 主要优点： （1）能方便地共享昂贵的外设、主机以 及数据。从一个站点可以访问全网。 （2）便于系统的扩展和逐渐的演变，各 设备的位置可以灵活的调整和改变。 （3）提高了系统的可靠性、可用性、残 存性。匹配电阻（b）环形网集线器（a）星形网（c）总线网（d）树形网干线藕 合器局域网拓扑结构由于集线器（HUB）的出现和双绞线大量的 使用，星形以太网以及多级星形结构的以太 网获得了非常广泛的应用，是目前局域网的 主流。 环形网最典型的是令牌环网（Token Ring）。对于总线网，各站直接连接在总线上，有两种 协议。一种是传统以太网，使用CSMA/CD 协议，现在已经演变成星形网；另一种是令 牌总线网（物理上总线网，逻辑上令牌环网 ）。 树形网是总线网的变形。传输媒体双绞线，双绞线已经成为主流传输媒体。 其传输速率为100M，今后可达1G。 同轴电缆，50，基带同轴电缆， 10Mbit/s；光纤，抗电磁干扰性好，很宽的频带，其 传输速率可达1G。媒体共享技术静态划分信道： 频分复用、时分复用、码分复用、波分复用。主要 用于广域网中。 动态媒体接入控制： 随机接入：可随机地发送信息，但如果恰巧有两个 或更多用户同时发送信息，会在共享媒体上产生 碰撞（冲突），使得用户的发送都失败。目前以 太网中采用的方式。 受控接入：服从一定的控制来发送信息。如令牌环 网，集中控制的多点线路控询（轮询）。5.2 传统以太网以太网（Ethernet）是由美国施乐（Xerox） 公司研制成攻的一种基带总线局域网。当 时认为电磁波的传播单位是以太（Ether） ，于是命名为以太网。两个标准：DIX V2和IEEE 802。两者差 别很小。DIX V2是由DEC公司、Intel公司、Xerox 公司联合推出的一个规约。IEEE 802是由IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers，电气电子工程师 学会）802委员会的802工作组制定的一个 标准。1. 以太网的两个标准IEEE802 LAN体系结构IEEE802将局域网的数据链路层拆分成两个子层 ，即逻辑链路控制子层LLC和媒体接入控制子层 MAC（又称介质访问控制子层）。MAC子层的功能是解决与接入媒体有关的 内容，由于不同种类的局域网采用不同 的介质访问控制方式，因此，不同种类 的局域网标准，其MAC子层的标准各不 相同，如802.3为以太网的标准，802.4 为令牌总线网的标准,802.5为令牌环网 的标准。 LLC子层的功能是处理与传输媒体无关的 内容，解决局域网的共性问题。不同种 类的局域网其LLC子层都是相同的。网络适配器（Network Adapter）、网络接口卡（ Network Interface Card）。 作用：（1）数据传输的串行/并行转换； （2） 由于网络上的传输速率和计算机总线上的 数据率不相同，因此对数据需要进行缓存； （3）实现相关的网络协议，如以太网的 CSMA/CD。工作：接收数据（错误帧，则丢弃；正确帧，通 知计算机接收处理）； 发送数据（计算机将数据交给网卡，网卡组装成 帧后发送，并解决总线的竞争问题）。2. 网卡的作用3. CSMA/CD协议 总线网工作特点： （1）广播通信，节点发送数据前先将数据封装成帧 ，帧分为帧头和数据两部分，帧头包含有发送方和 接收方的网卡地址、差错控制信息等，然后采用广 播通信方式进行传输，即节点发出的信号在总线上 沿两个方向同时传送，其它所有节点都能接收到总 线上传输的帧。 （2）检查地址，每个数据帧在发送时加入接收 站的地址，仅当数据帧中的目的地址与计算 机的地址一致时，该计算机才能接收这个数 据帧，否则，丢弃。 工作过程演示以太网采用了无确认无连接工作方式。 无连接：不必事先建立连接就可以直接发 送数据。 无确认：收到数据帧的目的站不必发回确 认帧（因为局域网误码率较低）。当目 的站收到有差错的帧时（CRC校验）， 就丢失，其他什么也不做。差错的纠正 由上层来处理。例如，高层在经过一定 的时间后，没有收到对方的确认，就重 新发送这个帧。以太网采用CSMA/CD协议解决公用总线的竞争问题。CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）载波监听多点接入/碰撞检测。 多点接入：许多计算机连接在一根总线上。 载波监听：（1）一个站要发送，首先需要监听总线， 以确定介质上是否存在其它站的发送信号。 （2）如果介质是空闲的，则可以发送。 （3）如果介质是忙的，则等待一定时间间隔后重试。 碰撞检测：计算机边发送数据边检测总线上信号电压的 大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的 信号电压摆动值就会增大。当一个站检测到的信号电 压摆动值超过了一定的门限值时，就认为总线上出现 了至少两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。此 时每一个正在发送数据的站都要停止发送，然后等待 一段时间后再次发送。既然每一个站在发送数据之前已经监听到 信道为“空闲”，那么为什么还会出现数 据在总线上的碰撞呢？ （1）电磁波在总线上传播的速率是有限 的。将总线上的单程端到端的传播时延记为，A 发送数据后最迟要经过多长时间才能知道 自己发送的数据和其他站发送的数据有没 有发生碰撞？时间为：2 。 使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双 工通信而只能进行半双工通信。 一些重要的时刻：4.争用期 A在发送了数据帧后最多经过2 的时间就可知道 是否遭受了碰撞。因此以太网的端到端的往返 时延2 为争用期。 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了。 现在考虑一种情况：当某个站正在发送数据时， 有另外两个站有数据要发送。这两个站进行载 波监听，发现总线忙，于是就等待。当它们发 现总线变为空闲时，就立即发送自己的数据。 这必然会产生冲突，就停止发送。然后再重新 发送。这样下去一直发送不成功。 解决这个问题的方法是采用截断二进制指数类型 的退避算法：不同的站等待不同的时间之后， 再发送，这样就将冲突的几率减少。截断二进制指数类型的退避算法： TBEB（i）r2 ，r 0,1, ，（2i1），iMin重传次数，10 （1）让发生碰撞的站停止发送数据后，不是立即再 发送数据，而是推迟一个随机的时间。这样做是为 了推迟重传而再次发生冲突的概率减少。 （2）确定基本退避时间，一般取争用期2。 （3）定义一个参数i，它等于重传的次数，但不能超 过10。即iMin重传次数，10。 （4）从离散的整数集合0,1, ，（2i1）中随机取 一个数，记为r。重传需要推迟的时间就是r倍的基 本退避时间。 （5）当重传达16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并 向高层报告。以太网取512微秒为争用期，对于10M的以太 网来说，在争用期内可发送512位的数据， 即64字节。因此，以太网规定，凡长度小于 64字节的帧都是无效帧。为了使每个站都能尽可能地知道是否发生了 碰撞，以太网还采取一种叫做强化碰撞的措 施。这就是当发送数据的站一旦发现发生了 碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要继 续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所 有的用户都知道现在已经发生了碰撞。 见书P101，图5-65.2.2 传统以太网的连接方法以太网有四种不同的物理层标准： 10BASE5(粗缆)、 10BASE2(细缆)、 10BASE-T(双绞线)、 10BASE-F(光缆)。 对10BASE5 而言： BASE表示电缆上传送的是基带信号，采 用曼彻斯特编码。 10表示数据率为10M 5表示每一段电缆的最大长度为500m。收发器的功能（1）从计算机经收发器电缆得到数据向 同轴电缆发送，或反过来，从同轴电缆 接收数据经收发器电缆送给计算机。 （2）检测在同轴电缆上发生的数据帧的 碰撞。 （3）在同轴电缆和电缆接口的电子设备 之间进行电气隔离。 （4）超长控制（jabber control）：当收 发器或所连接的计算机出故障时，保护 同轴电缆不受影响。以太网最大作用距离由于信号在传输的过程中会逐渐衰减，若总线 太长，则经总线传播的信号将会衰减变得很 弱，以致影响载波监听和碰撞检测的正常工 作。因此必须限定线缆的最大长度。粗同轴 电缆最大长度为500m。通过中继器（转发器 ）可以实现网段的扩展。 中继器的作用：将信号放大整形后再转发出去 ，消除失真和衰减。工作在物理层。50m500m转发器转发器转发器转发器500m50m500m50m250m网段1网段2网段3750m802.3规定： 1.最多只能连四个转发器，转发器到转发 器之间的点到点的链路长度不超过1KM 2.有三个网段可用来连接计算机，网络的 总长度不超过2.5KM. 3.一个网络的最大站数为1024，每个网段 最多连100个站。10BASE5价格贵且安装不便。1985年 10BASE2标准问世。细缆BNC 接头NIC BNC TBNC T型接头型接头 无需插入电缆无需插入电缆最大长度最大长度 185 185mm两站点间最短距离两站点间最短距离 0.5 0.5 mm网络最大跨度网络最大跨度 925 925 m m 10BASE2总线拓扑、基带传输、CSMA/CD 特点：1) 2最大长度为200m（实际为185m）， 传输介质细同轴电缆 2)没有专门的收发器，将收发器内置在网卡中。取 消了收发器电缆，将T型头直接连接到网卡上的 BNC连接器上。 网卡的功能： 1）数据的封装与解封。 2）链路管理：实现CSMA/CD 3）编码与译码：曼氏编码 缺点：若总线上某个电缆接头处发生短路或开路时 ，则整个网络将停止工作，且确定故障点很难。 且布线仍不方便。 人们考虑到非屏蔽双绞线的使用。NICNICHUBHUB段最大长度段最大长度 100100mm10BASET集线器的特点： 1）表面上是星型网，逻辑上仍是总线网 ，采用CSMA/CD协议。在一个特定的 时间仍只能有一台计算机发送。2）一个集线器有很多端口，8个,16个 。 每个端口相当于一个转发器。每个端口 采用RJ-45插座，4对线中实际上只使用 了两对线，即发送和接收各一对线。1 、2一组，3、6一组。 3）集线器和转发器都工作在物理层。 当接入的计算机比较多时，可以用几个 集线器进行级联。 所有使用HUB级联的计算机共享一个接 入带宽和所谓的“碰撞域”三种以太网比较表粗缆以 太网细缆以太 网非屏蔽双绞 线以太网 最大网段长度500m185m100m每网段上的最大 MAU数10030最大网络长度（ 用中继器）2500m1000m（ 925m）2500m连接器类型DB 15BNC接头RJ45拓扑结构总线总线星形每个网段的最大 站数1024102410241010BaseFBaseF 使用光纤长距离连接，最适于建筑物间的连接。使用光纤长距离连接，最适于建筑物间的连接。 星形拓扑结构星形拓扑结构 最常见的布线标准：最常见的布线标准：10 10BaseFL - BaseFL - 异步点到点链路，链路最长异步点到点链路，链路最长2 2 kmkm 使用使用7575电缆连接，拓扑结构为树形电缆连接，拓