局域网技术是当前计算机网络技术领域中非常重要的一个分支。局域网的研究 始于 20 世纪 70 年代，随着微型计算机的发展、计算机网络的广泛应用，以及人们 对信息交流、资源共享和宽带网的需求，推动着局域网的高速发展。其中，以太网 是其典型代表，以太网技术发展最为迅速，应用最为广泛。因此，也是我们学习的 重点。 本章重点讨论局域网的参考模型与标准、局域网介质访问控制方法、局域网的 连接设备及其工作原理、局域网组网方法、高速局域网、无线局域网等。 熟悉各种局域网技术，了解最新局域网技术的发展，掌握局域网的组网技术， 基本具备独立设计和组建局域网的能力。
§4.1 局域网概述
计算机局域网（Local Area Network，LAN）是一种小范围内（一般为几公里），以实现资 源共享、数据传递和彼此通信为基本目的，由计算机、网络连接设备和通信线路，按照某种 网络结构连接而成的，配有相应软件的计算机网络。局域网涉及到许多重要概念和关键技术， 例如决定局域网性能的主要因素、局域网的性能特点、局域网的基本类型、局域网参考模型 和协议标准，以及局域网介质访问控制方法等。 4.1.1 局域网的产生与发展 1．局域网的产生 局域网技术是在远程分组交换通信网络基础上发展起来的。局域网的结构和协议最初来源 于分组交换通信，而硬件技术来自计算机和远程网络。从 1969 年第一个计算机网络——远程通 信交换网 ARPANet 诞生到 20 世纪 70 年代后期，分组交换通信网络得到很大发展，并积累了 很多经验。与此同时，计算机硬件技术的飞速发展，硬件价格急剧下降，硬件功能却不断增强， 微型计算机和小型计算机被广泛应用。在一个单位，甚至一栋楼内，除了拥有少量的大、中型
计算机外，还拥有为数众多的微型机、工作站和小型机。为了共享软、硬件资源和相互之间传 递数据和文件，于是产生了近距离高速通信的要求，这就是局域网产生的背景。 1972年 Bell 公司提出了两种环型局域网技术，1973 年以太网（Ethernet）问世。以太网 的核心技术是以太网协议，即数据链路层协议，它是今天运行的大多数局域网所使用的协议。 以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道，这一思想来源于夏威夷大学。20 世纪 60 年 代末，该校的 Norman Abramson 及其同事为了在夏威夷的各个岛屿之间能够进行网络通信， 研制了一个名为“AltoAloha”的无线电网络系统。20 世纪 70 年代初，美国施乐（Xerox）公 司的工程师 Bob Metcalfe 和 David Boggs 开发出了一个实验性网络系统，称为“AltoAloha 网 络”，以便与 Xerox 公司的一种具有图形用户界面的个人计算机 Alto 互连起来。1973 年，Bob Metcalfe和 David Boggs 将“AltoAloha”改名为“以太网”，由此，以太网便诞生了。
2．局域网的发展
20 世纪 70 年代末，局域网技术已多达数十种，但由于没有统一的标准，各种网络技术 互不兼容，极大地限制了局域网的推广与应用。1979 年，Bob Metcalfe 开始了以太网标准化 的研制工作。1980 年，DEC、Intel 和 Xerox 公布了以 3 家公司名字的首字母命名的 10M“以 太网”标准规范，即 Ethernet V1.0。后经进一步修改，产生了第二版以太网标准规范 Ethernet V2.0。在 DIX 开展 Ethernet 标准化工作的同时，国际电气和电子工程师协会（IEEE）组成了 一个定义与促进工业 LAN 标准的委员会，该委员会名为 IEEE 802。 1981年 6 月，IEEE 802 决定组成 802.3 分委员会，以办公室环境为主要目标产生基于 DIX 工作成果的国际公认标准。1983 年 IEEE 802.3 委员会以 Ethernet V2.0 为基础，正式制定并颁 布了以太网 802.3 标准，这个标准被称为标准以太网（IEEE 10Base-5），从此，局域网开始进 入标准化进程，它极大地促进了局域网的应用与发展。 随着高性能快速处理器计算机的出现和计算机网络应用的不断扩大与深入，对网络传输 速率的要求越来越高，而且对网络带宽也提出了更高的要求，这些要求已远远超出了当时局 域网所提供的技术。为了满足应用对网络高带宽的要求，人们开始研究高速局域网技术。1983 年，美国国家标准化委员会 ANSI X3T9.5 委员会提出了光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）标准，使局域网的传输速率提高到 100Mb/s。1985 年在 IBM 公司推出 的著名令牌环网的基础上，IEEE802 委员会又制定了令牌环标准 IEEE802.5。 进入 90 年代以后，愈来愈多的个人计算机加入到网络之中，导致了网络流量快速增加以 及市场上个人计算机的销量愈来愈大，速度和性能也在迅速提高，这使人们对网络的需求以 及对网络的容量、传输数据速度的要求大大提高。1990 年，为了提高以太网的传输速率，在 10M以太网的基础上，开发了快速以太网技术，并在 1995 年 6 月通过了 100 Base-T 快速以 太网标准 IEEE802.3u，其带宽比标准以太网提高了 10 倍。这一阶段的网络技术是共享传输通 道和共享传输带宽的共享式局域网技术。 然而，随着网络规模的不断扩大，共享式局域网无法提供足够的带宽来满足网络应用对 带宽日益增长的需求。于是从 1993 年开始，在开发快速以太网的同时，开始研究交换式网络 技术，并先后推出了交换以太网、交换令牌环和交换 FDDI 技术。随着交换式网络技术的研 究与发展，又相继推出了异步传输模式（ATM）、千兆位以太网和万兆位以太网。目前局域网 的带宽已达到 10Gb/s。随着全球信息化进程的迅速发展，局域网的发展将会更加迅猛，在不 久的将来，会有 1Tb/s 的传输技术面世。
4.1.2 局域网的性能特点 1．局域网的性能 决定局域网性能的主要因素有 3 个：连接各种设备的传输介质、设备构成的网络拓扑结 构和控制数据传输的介质访问控制方法。这 3 个因素在很大程度上决定了传输数据的类型、 网络的响应时间、吞吐量、利用率以及网络应用等各种网络特性。 （1）拓扑结构：局域网以及城域网的典型拓扑结构为星（Star）型、环（Ring）型、 总线（Bus）型和树（Tree）型结构等。在局域网中，由于使用中央设备的不同，局域网的 物理拓扑结构和逻辑拓扑结构也将不同，比如，使用集线器连接所有的计算机时，其结构 只能是一种具有星型物理连接的总线型拓扑结构，而只有使用交换机时，才是真正的星型 拓扑结构。 （2）传输介质：局域网的传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤、电磁波。同轴电缆是一 种较好的传输介质，它既可用于基带系统又可用于宽带系统，并具有吞吐量大、可连接设备 多、性能价格比较高、安装和维护较方便等优点，所以在传统局域网中应用比较广泛，但随 着双绞线的广泛应用，同轴电缆正在逐步退出市场。双绞线是局域网中最廉价的传输介质， 重量轻、安装简便，最高传输速率已达 l000Mb/s，在局域网中被广泛使用。光纤是局域网中 最有前途的一种传输介质，它的传输速率可达 1000Mb/s 以上，抗干扰性强，误码率极低（小 于 10-9），传输延迟可忽略不计，并且不受任何强电磁场的影响，也不会泄漏信息，所以不仅 广泛用于广域网，而且也适用于局域网。对于不便使用有线介质的场合，可以采用微波、卫 星、红外线等作为局域网的传输介质，已获得广泛应用的无线局域网就是其典型例子。 （3）介质访问控制方法：也称为网络的访问控制方式，是指网络中各结点之间的信息通 过介质传输时如何控制、如何合理完成对传输信道的分配、如何避免冲突，同时，又使网络 有最高的工作效率及高可靠性等。 2．局域网的特点 局域网是应用最广泛的一类网络，它既具有一般计算机网络的特点，也具有自己的特征。 局域网的主要特点有以下几个方面。 （1）地域范围小：局域网用于办公室、机关、工厂、学校等内部联网，其范围没有严格 的定义，但一般认为距离为 0.1～25km。由于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，不受公用网络当局的约束，因而其网络易于建立、 维护和扩展。 （2）误码率低：局域网具有较高的数据传输速率，目前局域网传输速率一般为 10～ 100Mb/s，最高可以达到 1000Mb/s，其误码率一般在 10-8～10-11之间。 （3）传输延时小：局域网中的传输延时很小，一般在几毫秒到几十毫秒之间。 （4）传输速率高：局域网通信传输速率从 5Mb/s、10Mb/s 到 100Mb/s。随着局域网技术 的不断进步，目前正朝着更高的速度发展，如 155Mb/s、655Mb/s、1Gb/s、10Gb/s 等。 （5）支持多种传输介质：局域网可以根据不同的性能需要选用价格低廉的双绞线、 同轴电缆或价格较贵的光纤，以及无线传输介质。在局域网中，通常将多个计算机和网络 设备连接到一条共享的传输介质上，因此，其传输信道由连入的多个计算机结点和网络设 备共享。
4.1.3 局域网的基本类型
局域网有多种类型，其分类的方式也有多种，如果按照网络转接方式不同，可分为共享 式局域网（Shared LAN）和交换式局域网（Switched LAN）两种，如图 4-1 所示。
图 4-1 局域网分类 1．共享式局域网 共享式局域网是指所有结点共享一条公共通信传输介质的局域网技术。共享介质局域网 可分为以太网、令牌总线、令牌环、FDDI，以及在此基础上发展起来的高速以太网和 FDDI Ⅱ 等。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，同有线局域网一样，可采用共 享方式。 2．交换式局域网 交换式局域网是指以数据链路层的帧或更小的数据单元（信元）为数据交换单位，以以 太网交换机（Ethernet Switch）为核心的交换式局域网技术。交换式局域网可分为交换以太网、 ATM网以及在此基础上发展起来的虚拟局域网，但近年来已很少用 ATM 技术组建局域网。 4.1.4 局域网的参考模型与标准 1．局域网参考模型 在第 3 章中，曾经介绍了计算机网络的体系结构和国际标准化组织（ISO）提出的开放系 统互连参考模型（OSI/RM）。由于该模型已得到广泛认同，并提供了一个便于理解、易于开 发和加强标准化的计算机体系结构，因此局域网参考模型也参照了 OSI 参考模型。由于局域 网是通信子网，只涉及到有关的通信功能，所以局域网体系结构仅包含 OSI 参考模型中的最 低两层，即物理层和数据链路层。 在局域网中，为了实现多个设备共享单一信道资源，数据链路层首先需要解决多个用户 争用信道的问题。也就是在某一时刻控制信道应该由谁占用，哪一个结点可以使用传输信道 进行通信，我们称其为介质访问控制。由于不同的局域网技术、不同的传输介质和不同的网 络拓扑结构其介质访问控制方法不尽相同，所以在数据链路层不可能定义一种与介质无关的、 统一的介质访问方法。为了简化协议设计的复杂性，局域网参考模型将数据链路层分为两个 功能子层，即逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）子层和介质访问控制（Media Access
传统以太网 高速以太网 FDDI Ⅱ 以太网 令牌总线 令牌环网 FDDI 局域网 虚拟局域网 交换以太网 ATM 局域网 交换式 局域网 共享式 局域网 无线局域网
Control，MAC）子层。LLC 子层完成与介质无关的功能，而 MAC 子层完成依赖于介质的数 据链路层功能，这两个子层共同完成类似 OSI 数据链路层的全部功能。局域网参考模型与 ISO/OSI参考模型的对应关系如图 4-2 所示。 图 4-2 OSI 与 IEEE 802 的对应关系 （1）物理层：其功能与 OSI 参考模型中物理层的功能相同，即实现比特流的传送、接收 以及数据的同步控制，确保二进制位信号的正确传输，包括比特流的正确传送与正确接收。 物理层制定的标准规范的主要内容如下： 拓扑结构有总线型、星型、树型和环型。 局域网所支持的传输介质与传输距离。传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤等。 错误校验码及同步信号的产生与删除。 传输速率有 10Mb/s、16Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。 物理接口的机械特性、电气特性、性能特性和规程特性。 编码方案有曼彻斯特、差分曼彻斯特等。 物理层向介质访问控制子层提供的服务原语，包括请求、证实、指示原语。 （2）介质访问控制子层：集中了与传输介质有关的部分，它的主要功能是： 负责在发送方把 LLC 数据帧组装成 MAC 数据帧。MAC 数据帧随介质访问控制方法 不同而稍有差异，但都包含源 MAC 地址和目的 MAC 地址以及差错校验字段。 负责在接收方对 MAC 数据帧进行拆卸、地址识别和差错校验。 实现物理层的数据编码和比特流传输。 在计算机网络通信中，所有的计算机必须使用各自的物理地址。在 MAC 子层形成 的地址被称为物理地址。MAC 地址被固化在网卡中，所有生产网卡的计算机网络厂 商都会根据某种规则使网卡中的 MAC 地址各不相同。 （3）逻辑链路控制子层：集中了与传输无关的部分，它的主要功能是： 负责向高层提供一个或多个进程的逻辑接口，具有发送和接收数据帧的功能。 对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控制，使不可靠的物理链路变为可靠的链路。 对于面向连接的服务，负责建立、维持和释放数据链路层的逻辑连接，提供流量控制。 由局域网参考模型可知，数据链路层的功能是由 MAC 和 LLC 共同完成的。IEEE 802 模 型中之所以将数据链路层分解为两个子层，主要目的是使数据链路层的功能与硬件有关的部 分和与硬件无关的部分分开。通过分层使得 IEEE 802 标准具有很好的可扩充性，有利于将来 使用新的介质访问控制方法。
MAC 数据帧是由 LLC 数据帧作为数据字段，加上相关的控制信息（如目的地址、源地 址、控制信息、帧校验系列 FCS）而构成的。而 LLC 数据帧则又是由 LLC 子层把高层数据 加上 LLC 控制信息封装而成的。MAC 数据帧继续向下传送给物理层，即进行位流传输。
2．IEEE 802 标准
1980年 2 月，电器和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE） 成立了局域网标准委员会（简称 IEEE 802 委员会），专门从事局域网标准化工作，并制订了 IEEE 802标准，并被国际标准化组织（ISO）采纳，作为局域网的国际标准。1985 年公布了 IEEE 802标准的 5 项标准文本，同年 ANSI 作为美国国家标准，ISO 也将其作为局域网的国 际标准即 ISO 802 标准。后来又扩充了多项标准文本，其中使用最广泛的标准是以太网、令 牌环、令牌总线、无线局域网、虚拟网等。IEEE 802 系列标准之间的内部关系如图 4-3 所示。 图 4-3 IEEE 802 标准系列的内部关系 IEEE 802为局域网制定了一系列标准，目前常用的有以下 11 种标准。 （1）IEEE 802.1：A 定义了局域网体系结构；B 定义了网络互连、网络管理与性能测 试等。 （2）IEEE 802.2：定义了局域网逻辑链路控制（LLC）子层的功能与服务。 （3）IEEE 802.3：定义了局域网 CSMA/CD 总线介质访问控制子层及物理层规范。 （4）IEEE 802.4：定义了局域网令牌总线（Token Bus）介质访问控制子层及物理层规范。 （5）IEEE 802.5：定义了局域网令牌环（Token Ring）介质访问控制子层及物理层规范。 （6）IEEE 802.6：定义了城域网（MAN）介质访问控制子层及物理层规范。 （7）IEEE 802.7：定义了局域网宽带技术（咨询和物理层课题与建议实施）。 （8）IEEE 802.8：定义了局域网光纤传输技术（咨询和物理层课题）。 （9）IEEE 802.9：定义了局域网综合语音/数据服务的访问方法和物理规范。 （10）IEEE 802.10：定义了局域网安全与加密访问方法和物理层规范。 （11）IEEE 802.11：定义了无线局域网访问方法和物理层规范。 4.1.5 局域网介质访问控制方法 1．介质访问控制方法概念 将传输介质的频带有效地分配给网络上各结点的方法称为介质访问控制方法。介质访问 控制方法是分配介质使用权限的机理、策略和算法，也是一项关键技术，它对局域网的体系 结构、工作过程和网络性能产生决定性的影响。例如，对于总线型网络，连接在总线上的各 结点彼此之间如何共享总线介质、通路如何分配、各结点之间如何传递信息（如 A 结点与 C 结点通信时，B 结点能否与 C 结点通信）等，都必须制定一个控制策略，以决定在某一段时
间内允许哪个结点占用总线发送信息，确保各结点之间能正常发送和接收信息，这就是介质 访问控制方法要解决的问题，它主要有以下两个方面： 一是要确定网络上每一个结点能够将信息发送到介质上去的特定时刻；二是要解决如何 对共享介质访问和控制。IEEE 802.11 考虑了两种介质访问控制方式，即集中式控制和分布式 控制。其中：集中式控制是指网络中有一个单独的集中控制器或有一个具有控制整个网络能 力的结点，由它控制各点的通信；分布式控制是指网络中既没有专门的集中控制器，也没有 控制整个网络能力的结点，网络中所有结点都处于均等地位，结点之间的通信是由各结点自 身控制的。在这两种控制方式中，后者应用更为广泛。目前，在总线型和环型局域网中大都 采用分布式控制方法。基于分布式的介质访问控制方法有 3 种： 适合总线结构的带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）方法。 适合环型结构的令牌总线（Token Bus）方法。 适合环型结构的令牌环（Token Ring）方法。 评价一个介质访问控制方法的好坏有 3 个基本要素：协议是否简单；信道利用率 （Utilization）是否高效；对网络上各结点是否公平（Fairness）。 2．带冲突检测的载波监听多路访问 目前，应用最为广泛的一类局域网是基带总线型局域网（Ethernet）。在以太网中，如果 一个结点要发送数据，它将以“广播”方式把数据送到总线上去，连在总线上的所有结点都 能“收听”到数据信息。由于网络上的所有结点都可以向总线发送数据信息，而网络中没有 控制中心，必然会发生冲突。因此，局域网的核心技术就是随机争用的介质访问控制机制。 带冲突检测的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection， CSMA/CD）就是一种随机争用的介质访问控制方法，它的控制过程包括 4 个步骤。 （1）载波侦听：在通信系统中，为了便于音频信号的发送、监测和接收，用一较高频率 的信号携带音频信号在线路上传输，我们称该高频信号为“载波”。载波侦听是指用电子技术 检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号，以免发生碰撞。 （2）冲突检测：在每个站发送帧期间，同时具有检测首先冲突的能力。一旦遇到冲突， 则立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通报总线上各站点已发生冲突。 （3）多路访问：当检测到冲突并在发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等 待一个随机时间（冲突的各站可不相等），然后再用 CSMA 的算法重新发送。 （4）争用方式：连在总线上的每个结点都能随时发送信息，但在同一时刻只允许一对结 点可以通信，若两个或多个结点同时发送，就会导致信号相互叠加，造成数据错误，这就是 线路争用带来的问题。 CSMA/CD 对总线拓扑结构各结点间的数据传送过程可概括为“先听后发、边听边发、 冲突停发、随机重发”，其工作流程如图 4-4 所示。 1）先听后发。各结点在发送数据前都要先侦听线路是否空闲，若空闲则立即发送数据， 否则，等待直到线路空闲时再发送。 2）边听边发。在结点开始发送以后，仍需继续监听至少一个往返传输数据的时间，以便 判断是否发生冲突。 3）冲突停发。若发送过程中检测到冲突发生，则告知各结点立即停止发送，并且发出阻 塞信号来强化冲突。
图 4-4 CSMA/CD 的工作流程 4）随机重发。发送一串阻塞信号后，等待一段随机时间再重新尝试发送。 注意：为了避免无限次的冲突检测下去，通常对各站点设置冲突检测次数，Ethernet 设备 的冲突次数为 16。若达到设定次数，则被视为线路故障，结束发送。 CSMA/CD 的主要优点是算法简单，应用广泛，提供了公平的访问机制，具有相当好的 延时和吞吐能力，长帧传递和负载轻时效率较高。主要缺点是：需要冲突检测，存在错误判 断和最小帧长度限制，在重载情况下性能较差。因此，CSMA/CD 在现在的网络中并不采用， 但 CSMA/CD 作为多点接入的共享介质传输的解决方案，对于以太网技术却是非常重要的。 【例 4-1】设计一个 CSMA/CD（非 IEEE 802.3 标准）网络，数据传输速率为 100Mb/s， 网络最大长度为 10km，电缆中信号传播速度为 1km/5μs，网络设备的处理时延为 10μs，要保 证网络正常进行冲突检测，最小帧长度应该为多少？ 解：信号在总线上往返的最大时间 2τ=2×(10km÷1km/5µs+10µs)=120µs 100Mb/s×120µs=12000b=1500B 因此，当数据速率为 100Mb/s 时，最小帧长度应该为 1500B。 （5）退让重发算法：发送结点检测到冲突后，必须退让一段时间再重新发送信息，退 让时间的长度往往与冲突发生的次数有关，发送一个信息时冲突的次数越多，说明当前网 络的负载越重，因而应相应地退后较长时间重发。退让算法就是合理地选择退让时间，以 保证退让后能避免冲突或减少冲突的可能性。二进制指数退让算法是比较典型的一种，算 法过程如下： 1）对每个结点，当第一次发生冲突时，设置参数 L=2。 2）退让时间间隔取 1 到 L 个时间片中的一个随机数，一个时间片等于网络中端到端往返 的传播延迟。 3）当该结点重复发生一次冲突，则将参数 L 加倍。 4）设置一个最大重发次数，超过这个次数，则不再重发，并报告出错。 由上可知，未发生冲突或很少冲突的帧成功发送的概率大；反之，发生多次冲突的帧成 功发送的概率小。 【例 4-2】以太网的退让算法中，假设总线上有 2 个站（包括冲突后退让时的和新加入
的）要发送数据。试问第 2 次冲突后，发生冲突和发送成功的概率是多少？第 3 次和第 i 次冲突之后呢？ 解：第 2 次冲突后，每个站的重试时机有 2i=22=4个，因此，每个站在某个重试时刻发送 的概率是 1/4，2 个站在同一重试时刻发送的概率是 1/4×1/4=1/16。那么，4 个重试时刻发生 冲突的总概率为 4×1/16=1/4。 第 3 次冲突后，发生冲突的总概率为 8×（1/8×1/8）=1/8。 第 i 次冲突后，发生冲突的总概率为 2i×（1/2i×1/2i）=1/2i。 3．令牌总线访问控制 令牌总线（Token Bus）访问控制也属于共享介质的局域网，所有计算机都连接在总线上， 在物理总线上建立一个逻辑环，令牌在逻辑环路中依次传递，其工作原理与令牌环相同。它 同时具有上述两种方法的优点，既具有总线网的接入方便和可靠性较高的优点，也具有令牌 环网的无冲突和发送时延有确定的上限值的优点。因此，它是一种简单、公平、性能良好的 介质访问控制方法，令牌总线的工作流程如图 4-5 所示。其中，图 4-5（a）是各结点的物理 连接，图 4-5（b）是各结点形成的逻辑环，在图中结点 G 没有加入到逻辑环中。 图 4-5 令牌总线的工作原理 由此可见，令牌总线的物理结构是总线结构，总线上的各个结点按一定顺序形成一个逻辑 环，逻辑环中结点的顺序与结点在总线上连接的位置无关，每个结点上都要保存它的上一个结 点和下一个结点的逻辑地址或序号，并且可以动态地设置。为了保证总线上不会出现多个结点 同时试图发送信息而产生冲突的情况，令牌总线访问控制的工作流程可概括为 3 个步骤： （1）截获令牌。当逻辑环中的一个结点要发送数据时，必须等待令牌的到来。 （2）地址转载。当环中的上一个结点（例如 D）在传出令牌时，把下一个结点 A 的地址 加到令牌中。令牌在总线上广播，只有地址相符的结点 A 才接受令牌，其他结点不予理睬。 （3）令牌转发。如果 A 结点没有数据需要发送，就发出一个含有下一结点 F 地址的令 牌。如果 A 结点有数据要发送，这时就可使用总线发送一个或多个数据帧，数据发送完毕或 到达规定的时间，就发出含有下一结点地址的令牌。 此外，允许令牌总线上的结点不一定都在逻辑环中，如图 4-5（a）中的结点 G 不在逻辑 环中也可以接收数据，但无法获得令牌，不能主动发送数据。一个结点可以动态地插入逻辑 环，也可以动态地退出逻辑环。 令牌总线与令牌环有很多相似的优点，例如，适用于重负载的网络环境、数据发送延迟 时间确定，以及适合实时性的数据传输等。其缺点是网络管理较复杂，网络必须具有初始化
的功能，方能生成一个顺序访问次序。此外，若网络中的令牌丢失，则会导致控制混乱。 4．令牌环访问控制 令牌环（Token Ring）网的拓扑结构是环型，网络中的计算机通过传输线路连成一个闭环， 所有结点共享一条环路，属于共享介质的局域网。令牌环网是通过在环型网上传递令牌的方 式来实现对介质访问控制的。令牌环网的工作流程如图 4-6 所示。 图 4-6 令牌环工作示意图 在令牌环网中，在某一时刻也只允许一个结点发送数据。为了不产生冲突，在环中有一 个特殊格式的帧沿固定方向不停地流动，这个帧称为令牌，是用来控制各个结点介质访问权 限的控制帧。如果某个结点需要发送数据，需先截获令牌，然后方可发送一个数据帧。数据 帧中含有目的地址和源地址，数据帧沿与令牌相同的方向传送，只有地址与帧中的目的地址 相同的结点才接收这个数据帧，其他结点则转发这个数据帧。当数据帧发送完毕，令牌继续 流动。具体工作流程可概括为 3 个步骤： （1）截获令牌并且发送数据帧：网络空闲时，各结点都没有帧发送，只有一个令牌在环 路上绕行，此时令牌标记为 00000000，称为空标记。如果某个结点需要发送数据，需要等待 令牌的到来。当空闲令牌传到这个结点时，将空标记换为 11111111，称为忙标记，然后去掉 令牌的尾部，加上数据，成为数据帧，发送到下一个结点。 （2）接收与转发数据：数据帧每经过一个结点，该结点就比较数据帧中的目的地址，如 果不属于本结点，则转发出去；如果属于本结点，则复制到本结点的计算机中，同时在帧中 设置已经复制的标志，然后向下一结点转发。 （3）取消数据帧并且重发令牌：由于环网在物理上是个闭环，一个帧可能在环中不停地 流动，所以必须清除。当数据帧通过闭环重新传到发送结点时，发送结点不再转发，而是检 查发送是否成功。如果发现数据帧没有被复制（传输失败），则重发该数据帧；如果发现传输 成功，则清除该数据帧，并且产生一个新的空闲令牌发送到环上。 由此可以看出，使用令牌环介质访问控制方法的网络需要有维护帧和令牌的功能。例如， 可能会出现因帧未被正确移去而始终在环上循环传输的情况；也可能出现令牌丢失、或只允 许一个令牌的网络中出现了多个令牌等异常情况。解决这类问题的常用办法是在环中设置监 控器，对异常情况进行检测并消除。 使用令牌环的主要优点是：令牌环网上的各个结点可以设置成不同的优先级，允许具有 较高优先权的结点申请获得下个令牌权。当系统负载较重时，各结点可公平共享介质，效率 较高。主要缺点是：当系统负载较轻时，由于结点需等待令牌到达才能发送或接收数据，因 此效率不高。
【例 4-3】一个长 1km 的重负载 10Mb/s 令牌环网，令牌是 8 位。传播速率为 200m/µs， 50个站点均匀绕环分布，数据帧 256 位，其中包括 32 位开销，确认应答捎带在数据帧上， 包括在数据帧内备用的位中，而不占用额外的时间。请问：这个环的有效数据速率是多少？ 解：把一个数据帧从发送站传到下一站需要经过 3 个步骤： 1）发送 8 位的令牌帧，发送时延 T1=8b÷10Mb/s=0.8µs。 2）发送 256 位的数据帧，发送时延 T2=256b÷10Mb/s=25.6µs。 3）从发送站传到下一站，站间的距离 L=1km÷50=20m，因此站间的传播时延 T3=20m ÷200m/µs=0.1µs。 所以，把一个数据帧从发送站传到下一站总共占用的时间 T： T=T1+T2+T3=0.8µs+25.6µs+0.1µs=26.5µs 256 位中的有效数据位 N=256–32=224，因此令牌网的有效数据速率 c=N/Ｔ=224/256 =8.45（Mb/s）。 4.1.6 局域网的网络模式 网络模式（Network Model）也称计算模式或应用模式，它是计算机网络处理信息的方式。 不同的网络模式具有不同的工作特点和服务方式。目前局域网最常用的计算模式主要有客户 机/服务器模式、浏览器/服务器模式和对等服务器模式。 1．客户机/服务器模式 客户机/服务器（Client/Server，C/S）模式是一种开放式结构、集中式管理、协作式处理 的主从式网络应用模式。在 C/S 模式中，客户机是一台能独立工作的计算机，服务器是高档 微机或专用服务器。C/S 模式把计算任务分成服务器部分和客户机部分，分别由服务器和客 户机完成，数据库在服务器上。客户机接收用户请求，进行适当处理后，把请求发送给服务 器，服务器完成相应的数据处理功能后，把结果返回给客户机，客户机以方便用户的方式把 结果提供给用户。 C/S 模式的优点是：能充分发挥服务器和客户机各自的计算能力，具有比较高的效率， 系统可扩充性好，安全性也比较高。不足之处是需要为每个客户机安装应用程序，程序维护 比较困难。C/S 模式如图 4-7 所示。 图 4-7 C/S 模式逻辑结构示意图
2．浏览器/服务器模式 随着 Internet 的广泛应用，基于局域网的企业网开始采用 Web 技术构筑和改建自己的企 业网（Intranet）。于是，浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）这种新型结构模式应运而生。 B/S 模式是 1996 年开始形成与发展并迅速流行的新型结构模式，它是一个简单、低廉、以 Web技术为基础的模式。 B/S是一种三层结构的分布式计算模式，B/S 模式的客户机上采用了人们普遍使用的浏览 器，服务器端除原有的服务器外，通常增添了高效的 WWW 服务器，与 C/S 相比，只是多一 个 WWW（Web）服务器。在 B/S 模式中，一般可分为表示层、功能层、数据层等 3 个相对 独立的单元。B/S 三层模式的体系结构如图 4-8 所示。 图 4-8 B/S 模式逻辑结构示意图 在 B/S 模式中，客户机上只需要安装一个 Web 浏览器软件，用户通过 Web 页面实现与应 用系统的交互；Web 服务器充当应用服务器的角色，专门处理业务逻辑，它接收来自 Web 浏 览器的访问请求，访问数据库服务器进行相应的逻辑处理，并将结果返回给浏览器；数据库 服务器则负责数据的存储、访问和优化。由于所有的业务处理逻辑都集中到应用服务器实现 和执行，从而大大降低了客户机的负担，因此，B/S 模式又称为瘦客户机（thin client）模式。 B/S 模式的优点是：应用程序只安装在服务器上，无需在客户机上安装应用程序，程序 维护和升级比较简单；简化了用户操作，用户只需会熟练使用简单易学的浏览器软件即可； 系统的扩展性好，增加客户比较容易。不足之处是效率不如 C/S 模式高。 3．对等服务器网络模式 几乎在出现 C/S 模式的同时，又发展了另一种新的网络应用模式，即“对等服务器网络 模式”，也称为“对等网络（Peer to Peer，P2P）”应用模式或“点对点”应用模式。 对等服务器网络模式中没有专用服务器，每一台计算机的地位平等，在网上的每一台计 算机既可以充当服务器，又可以充当客户机，彼此之间进行互相访问，平等地进行通信。计 算机之间都有各自的自主权。在对等服务器网络模式中，每一台计算机都负责提供自己的资 源，供网络上的其他计算机使用。可共享的资源可以 是文件、目录、应用程序等，也可以是打印机、调制 解调器或传真卡等硬件设备。另外，每一台计算机还 负责维护自己资源的安全性。图 4-9 是典型对等结构 局域网的结构。 4．三种模式的比较 对等服务器网络模式所使用的拓扑结构、通信连 接等方面与 C/S 和 B/S 结构基本相同，但在硬件、软件、组织和管理方面有以下区别。 （1）硬件结构的区别：与基于服务器网络的主要硬件差别是，对等服务器网络模式不需 图 4-9 对等结构局域网
要功能强大的专用服务器，对网络硬件的要求较低，因此，极大地降低了网络成本。 （2）软件的区别：对等服务器网络模式无须购置专门的网络操作系统，仅使用各台计算 机桌面操作系统中内置的联网功能即可组建成对等服务器网络模式。 （3）组织和管理的区别：与 C/S 或 B/S 等基于服务器的网络结构之间的最主要的差别在 于网络账户的管理、资源的管理以及管理的难易程度的不同。在对等服务器网络模式中，由 于每一台计算机都有绝对的自主权（每台计算机的管理员自行管理自己的资源和账产），因此 其管理模式是分散的，每一个计算机既可以起客户机作用也可以起服务器作用。 从技术发展趋势上看，可以认为 B/S 模式最终将取代 C/S 模式，但在目前一段时间内， 将是一种 B/S 模式和 C/S 模式同时存在、混合使用的情况。C/S 模式比较适合数据处理，B/S 模式比较适合数据发布。由于 B/S 模式具有系统维护更容易、更高的开发效率、分布计算的 基础结构、信息共享度高、扩展性好、广域网支持等优点，目前已成为企业网中首选的应用 模式。
§4.2 局域网的连接设备及其工作原理
局域网是通过传输介质将一个或多个建筑物内的计算机和通信结点设备连接在一起，并 具有相应的软件支持的局部网络系统。局域网中的常用通信结点设备有网络接口卡、集线器 和交换机，这三种设备是数据链路层的主要设备，并且具有物理层和数据链路层的功能。 4.2.1 网络接口卡网络接口卡（Network Interface Card，NIC）也称网络接口适配器（Network Interface Adapter，NIA），简称为网卡。网卡是插在计算机总线插槽内或某个外部接口上的扩展卡，在 局域网中是计算机连网必不可少的基本器件（设备）。 1．网卡的主要功能 网卡的主要功能是充当计算机和网络缆线之间的物理接口，将计算机连接到网络中，完 成网络互连的物理层连接，并负责将计算机的数字信号转换成电信号或光信号在媒体中传输。 同时，还负责与网络操作系统配合工作，将要发送的数据转换为网络上其他设备能够识别的 格式，通过介质传输，或从网络介质接收信息，并经过一系列的信息处理，转换成网络程序 能够识别的格式，提交给网络操作系统。网卡的基本功能如图 4-10 所示。 图 4-10 网卡的基本功能示意图 2．网卡的工作原理 网卡是针对具体的局域网类型设计的，目前使用最广泛的网卡是以太网网卡。以太网网 PC 总线 数 据 转 换 拆 装 数 据 帧 数 据 缓 冲 访 问 控 制 编 码 与 译 码 收 发 器 连 接 器 网 络 电 缆
卡采用可以实现介质访问控制、CRC 校验、曼彻斯特编码与解码、收发器与冲突检测功能的 专用 VLSI 芯片组成，这就使以太网网卡的结构简捷、造价低廉。例如，利用 Intel 的以太网 控制器 82588，配合以太网收发器 82502 芯片，就可以很方便地构成以太网网卡。以太网网 卡的结构如图 4-11 所示。 图 4-11 以太网网卡的结构 网卡接口端插入主机的 I/O 总线通道，主机与网卡通过控制总线来传输控制命令与响应， 通过数据总线来发送与接收数据。主机通过地址总线和控制总线，根据地址与中断号 INT 识 别网卡和其中的寄存器写入或读出命令或响应。网卡的工作过程如下： （1）发送数据时，网卡首先侦听介质上是否有载波信息，如果有，则认为其他站点正在 传送信息，继续侦听介质。一旦通信介质在一定时间段内（称为帧间缝隙 IFG=9.6μs）是安静 的，即没有被其他站点占用，则开始进行数据帧发送（即先听后发），同时继续侦听通信介质， 以检测冲突（即边听边发）。 （2）在发送数据期间，如果检测到冲突，则立即停止该次发送，并向介质发送一个“阻 塞”信号，告知其他站点已经发生冲突，从而丢弃那些可能一直在接收的受到损坏的数据帧， 在等待一段随机时间后，再进行新的发送（即冲突后随机等待一个时间后再发）。如果重传多 次后（大于 16 次）仍发生冲突，就放弃发送。 （3）接收时，网卡浏览介质上传输的每个帧，如果其长度小于 64 字节，则认为是冲突 碎片；如果接收到的帧不是冲突碎片，且目的地址是本地地址，则对帧进行完整性校验；如 果帧长度大于 1518 字节（称为超长帧，可能由错误的局域网驱动程序或干扰造成）或未能通 过 CRC 校验，则认为该帧发生了畸变。而最后通过校验确认的帧才被认为是有效的，网卡将 它接收下来交给上一层去处理。 3．网卡的基本类型 如果按以太网网卡所支持的总线类型，可以分为 3 种类型： （1）16 位：适用于符合工业总线标准 ISA 的网卡。 （2）32 位：适用于符合扩展的工业总线标准 EISA、MAC、VL-BUS、PCI 的网卡。 （3）特殊总线：适用于符合 PCMCIA、并行口、USB 标准的网卡。
4.2.2 集线器 集线器（Hub）是局域网中重要的部件之一，其实质是一个多端口的中继器。中继器通 常带有两个端口，用于连接一对同轴电缆，而随着双绞线以太网的出现，中继器被做成具有 多个端口的装置，用在星型布线系统中，并称其为集线器。因此，集线器有时也被称为中继 集线器或多端口集线器，有些文献上也将中继器和集线器统称为中继器。因此，与中继器一 样，集线器也是工作在 OSI 模型中的物理层设备。 1．集线器的主要功能 随着 10Base-T 的以太网协议的出现，使用廉价的非屏蔽双绞线与 RJ-45 接口就可以实现 10Mb/s的传输速率，该技术大大推动了以太网的广泛应用。在使用 10Base-T 的以太网协议组 网时，集线器的作用就显得十分重要，它主要有以下 5 个方面的功能。 （1）放大和整形功能：集线器把双绞线上传输过来已经衰减和失真的信号放大和整形， 然后重新转发到另一个传输介质上去。 （2）检测冲突功能：由集线器连接的各个站点在物理上组成了星型结构的以太网系统， 但从逻辑上看，仍似一条公共总线，因此，任何一站发送，能使所有其他站点接收；当任意 两个站点同时发送，即出现冲突时，集线器具有检测冲突功能。 （3）端口扩展功能：集线器实际上就是一个多端口的中继器，一般有 4、8、16、24 等 数量的 RJ-45 接口，每个接口可以通过双绞线连接一台计算机。因此，可以通过集线器将多 台计算机连接成一个星型网络，集线器处在“中心”位置，而英文 Hub 有“中心”的含义， 所以把集线器称为 Hub。 （4）数据转发功能：在集线器中，数据帧从一个结点被发送到集线器的某个端口上，然 后又被转发到集线器的其他所有端口上。虽然每一个结点都使用一条双绞线连接到集线器上， 但基于集线器的网络仍属于共享介质的局域网络。 （5）介质互连功能：使用集线器可以实现不同传输介质网络互连，即混合连接多个 LAN。 以集线器为中心的网络结构是一种比较常用的选择，也是一种流行的实用组网技术。 2．集线器的工作原理 集线器（Hub）是以太网的中心连接设备，它是对“共享介质”总线型局域网结构的改 进。集线器作为以太网的中心连接设备时，所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。这样 的以太网在物理结构看是星型结构，但在逻辑上仍然是总线型结构，并且在 MAC 层仍然使 用 CSMA/CD 介质访问控制方法。当集线器接收到某个结点发送的帧时，它立即将数据帧通 过广播方式转发到其他的连接端口。集线器的基本结构如图 4-12 所示。 图 4-12 集线器的基本结构
集线器的每个端口通过 RJ-45 插头与网卡连接。在 10Mb/s 的传输速率下，集线器与结点 之间使用非屏蔽双绞线连接。标准的非屏蔽双绞线内有 4 对线，在网络连接中实际使用了两 对，其中一对用于发送，另一对用于接收。当一个结点需要发送数据时，集线器将执行 CSMA/CD 介质访问控制方法，在获得发送数据的权利后，利用一对发送线将数据通过集线 器内部的总线广播出去，连接在集线器的所有结点都能接收，因此集线器工作在物理层。 普通的集线器都会提供两类端口：一类是用于连接结点的 RJ-45 端口；另一类端口用来 扩展集线器的连接距离，可以是 RJ-45、AUI、BNC 或光纤连接端口，这类端口称为向上连接 端口。从结点到集线器的非屏蔽双绞线最大长度为 100m，利用集线器向上连接端口可以扩大 局域网覆盖范围。单一集线器结构适宜于小型工作组规模的局域网。如果需要联网的结点数 超过单一集线器的端口数时，通常需要采用多个集线器的级联结构，或者是采用可堆叠式集 线器。目前，使用非屏蔽双绞线组网是很普遍的情况，以太网交换机多是在提供 RJ-45 接口 的基础上，再提供少量的其他网络接口（如 AUI 与 BNC）。 3．集线器的基本类型 集线器有多种类型，如果按集线器支持的传输速率不同，可将其分为 3 类。 （1）10Mb/s 集线器：支持 10Base-T 以太网。 （2）100Mb/s 集线器：支持 100Base-T 以太网。 （3）10/100Mb/s 集线器：自适应，能自动侦测出网络的传输速率。 4.2.3 交换机 交换机（Switch）也称为交换器或交换式集线器（Switching Hub），是专门为计算机之间 能够相互通信且独享带宽而设计的一种包交换设备。交换机具有维护 MAC 地址表的能力 （Hub 没有），MAC 表中保存着交换机端口与所连主机 MAC 的对应关系，是交换机实现高 速转发的核心，目前交换机已取代传统集线器在网络连接中的霸主地位，成为组建和升级以 太局域网的首选设备。 1．交换机的主要功能 交换机大多工作在 OSI 七层模型的第二层，即数据链路层，其功能是对封装数据进行转 发，在端口之间建立并行连接，以缩小冲突域，并隔离广播风暴（Broadcast Storm）。 交换机的最大特点是可以将一个局域网划分成多个端口，每个端口可以构成一个网段， 扮演着一个网桥的角色，而且每一个连接到交换机上的设备都可以享用自己的专用带宽。交 换机与各网段的连接如图 4-13 所示。 2．交换机的工作原理 交换机之所以比集线器的性能优越，其关键是交换机中的 MAC 地址表，并有先进的转 发方式。集线器虽然也能组网，但仅起到物理层的电信号放大作用，需要通过网络上层的帮 助才能完成将数据帧转发到目的计算机，这样会降低数据传输的效率。交换机通过专用集成 电路（ASIC）能够完成一定智能的功能，通过查看每个端口接收的帧的源地址，迅速建立一 个端口和 MAC 地址的映射关系，并存储在内容关联存储器（CAM）里，形成一个端口和 MAC 地址的对应表，即 MAC 地址表，然后根据这个表转发数据帧。
（1）MAC 地址表：交换机是依靠自学习 MAC 地址来进行数据转发的。交换机中的 MAC 地址表用于存放 MAC 地址与其端口地址。当交换机开机后，它的 MAC 地址是空的，交换机
学到一个地址后，它便将 MAC 地址存放到 MAC 表。下面，我们以如图 4-14 所示实例说明 交换机 MAC 地址表的建立过程。 图 4-13 用交换机连接各网段示意图 图 4-14 交换机的 MAC 地址表为空表 1）假设有一台交换机的 4 个端口分别连到 4 台用户终端，它们有不同的 MAC 地址，开 始交换机的 MAC 地址表是空的。 2）当终端 A 第一次向终端 C 发送数据帧时，交换机读取这个帧，并将连接终端 A 的交 换机 E0 端口和帧的源地址（即终端 A 的 MAC 地址）写入 MAC 表中。由于首次发送时不知 道终端 C 在何处，所以向其他各端口复制转发这个数据帧，这个过程被称为泛洪，如图 4-15 所示。 此时其他各端口都收到了这个数据帧，检查其目的 MAC 地址，终端 C 发现与自己的 MAC 地址相同，收下这个帧，而其他终端检查后，将这个帧丢掉。 3）当终端 D 第一次向终端 C 发送数据帧时，交换机将 E3 端口和帧的源地址（即终端 D 的 MAC 地址）写入表中。由于不知道终端 C 在何处，所以向其他各端口复制转发。在交换 机的其他端口也重复这样的过程之后，交换机获得到了所有终端的 MAC 地址，并建立了对 应关系表，如图 4-16 所示。 4）当下一次终端 A 向终端 C 发送数据帧时，交换机查看帧的目的地址，并查找 MAC 地址表，找到对应 E2 端口，直接将这个数据帧转发到 E2 端口，即终端 C，不再向其他端口 复制转发数据帧，如图 4-17 所示。
图 4-15 A 的 MAC 地址写入地址表中 图 4-16 B 的 MAC 地址写入地址表中 图 4-17 通过 MAC 地址表转发数据 这样，交换机通过已建立的 MAC 地址表转发数据，不必每次都向所有的端口发送数据 帧，从而大大提高了传送数据帧的效率。 事实上，终端的位置不是完全固定的，一旦变化，数据传送就会发生错误。因此，交换 机对将每一个获得的 MAC 地址赋予 300 秒的失效期，如果交换机在这个时间内没有再收到 这个 MAC 地址的帧，将刷新 MAC 表，下次再重新补入。 （2）交换机的帧转发方式：早期的交换机采用静态交换方式，即端口连接通道是不变的，
它由人工预先进行配置。现在各厂家的以太网交换机产品几乎全部采用动态交换方式，目前 常用的动态交换方式可分为 3 类：直接交换方式、存储转发方式、改进的直接交换方式。
1）直接交换方式（Cut Through）。交换机内保存着一个 MAC 地址和交换机端口对照表。 当交换机接收到数据帧时，不对数据帧进行差错校验，而直接从数据帧中取出目的地址，查 询地址－端口对照表，找出相应的输出端口，数据帧的差错检测任务由各结点计算机完成。 直接交换方式的优点是速度快（交换过程的等待时间短）、交换延迟时间小；缺点是不具备差 错检测能力，且不支持具有不同速率端口之间的数据帧转发。
2）存储转发方式（Store and Forward）。在这种方式中，交换机每个端口具有一定的缓存 空间，当它接收到数据帧后，先将数据存储在缓冲区中，然后进行差错检测。若接收到的数 据帧是正确的，则根据数据帧中目的地址确定相应的输出端口，并将数据帧转发出去，否则， 丢弃该帧。存储转发方式的优点是具有数据帧的差错检测能力，并支持不同速率的端口之间 的数据帧转发；缺点是交换延迟时间将会增加。
3）改进的直接交换方式（Modified Cut Through）。将直接交换方式和存储转发方式两者 结合起来，交换机在接收到数据帧的前 64B 之后开始判断帧头的数据（地址与控制信息）是 否正确，如果正确则转发，否则不转发。改进的直接交换方式对于短的以太网帧来说其交换 延迟时间与直接交换方式比较接近，而对于长的以太网帧来说，由于它只对帧头进行了差错 检测，因此交换延迟时间将会减少。 3．交换机的基本类型 自 1993 年局域网交换机出现后，随着交换机技术的发展，其产品的类型也越来越多，通 常分类方法有 3 种。 （1）按应用领域划分：可分为广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于 电信领域，提供通信基础平台；局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备。 （2）按传输速率划分：可分为以太网交换机、100M 交换机和 1000M 交换机、FDDI 交 换机、ATM 交换机和令牌环交换机。 （3）按结构形式划分：可分为独立式交换机、堆叠式交换机和模块式交换机。 总之，各种类型的交换机都支持不同速率的以太网、令牌环网、FDDI 等不同局域网。 4．交换机与集线器的比较 交换机与集线器的外形和连接方式是相似的，它们之间的区别主要体现在以下 3 个方面。 （1）OSI 体系结构：集线器属于 OSI 的第 1 层物理层设备，而交换机属于 OSI 的第 2 层数据链路层设备。这就意味着集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用，对 数据传输中的短帧、碎片等无法进行有效处理，不能保证数据传输的完整性和正确性；而交 换机不但可以对数据的传输做到同步、放大和整形，而且可以过滤短帧、碎片等。 （2）工作方式：集线器是一种广播模式，即集线器的某个端口在工作的时侯，其他所有 端口都能够收到信息，人们称之为“广播风暴”。交换机工作的时侯，只有发出请求的端口和 目的端口之间相互响应，而不会影响其他端口。因此，交换机能够隔离冲突域和有效地抑制 “广播风暴”的产生。 （3）工作带宽：集线器不论有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只 能有 2 个端口传送数据，其他端口只能等待，同时集线器只能工作在半双工模式下；而对于 交换机而言，每个端口都有 1 条独占的带宽，当 2 个端口工作时并不影响其他端口的工作，
同时交换机不但可以工作在半双工模式下，而且可以工作在全双工模式下。它的任意两个端 口之间都可以进行通信而不影响其他端口，每对端口都可以并发地进行通信而独占带宽，从 而突破了共享式集线器同时只能有一对端口工作的限制，提高了整个网络的带宽。
§4.3 局域网组网方法
4.3.1 传统以太网 以太网（Ethernet）是基于总线型的广播式网络，在现有的局域网标准中，它是最早标准 化的局域网，也是目前最成熟、最成功、应用最广泛的一种局域网技术。目前世界上正在运 行的局域网中，90%以上都是以太网。我们把使用 CSMA/CD 访问控制方法、采用 IEEE 802.3 协议标准、运行在 10Mb/s 速率的以太网称为传统以太网，也称为标准以太网。 IEEE 802.3对其定义了 4 种规范，即粗缆以太网（10Base-5）、细缆以太网（10Base-2）、 双绞线以太网（10Base-T）和光纤以太网（10Base-F）。4 种不同的物理层结构如图 4-18 所示。 图 4-18 IEEE 802.3 物理层的 4 种标准类型 4种不同规范的以太网的指标和参数如表 4-1 所示。 表 4-1 4 种不同规范的以太网的指标和参数 不同规范的以太网 参 数10Base-2 10Base-5 10Base-T 10Base-F 网段最大长度 185m 500m 100m 200m 网络最大长度 925m 2500m 可接 4 个集线器 可接 2 个光集线器 网站间最小距离 0.5m 2.5m 没有具体规定 没有具体规定 网段的最多结点数 30 100 没有具体规定 没有具体规定 拓扑结构 总线型 总线型 星型 星型 传输介质 细同轴电缆 粗同轴电缆 3 类 UTP 多模光纤 连接器 BNC-T AUI RJ-45 ST 或 SC 最多网段数 5 5 5 3 虽然现在使用的已是高速率的网络，但其基本原理都是从传统以太网演化而来。因此， 了解并熟悉传统以太网是学习其他新型网络技术的基础。 1．粗缆以太网（10Base-5） 10Base-5 是总线型粗同轴电缆以太网的简略标示符，它是最早出现的以太网。10Base-5 介质访问控制子层 802.3 MAC 10Base-5
粗同轴电缆 细同轴电缆 10Base-2 10Base-T 双绞线 10Base-F 光纤 MAC 子层
的具体含义是：“10”表示信号在电缆上的传输速率为 10Mb/s；“Base”表示电缆上的信号是 基带信号；“5”表示网络中最大电缆段的长度为“5×100m”。粗缆以太网（10Base-5）由 5 部分组成，其结构如图 4-19 所示。
图 4-19 粗缆以太网的结构组成
（1）粗同轴电缆（Coaxial Thick Cable）：是阻抗特性为 50Ω、直径为 100mm 的同轴电缆。 （2）收发器（Transceiver）：是粗缆以太网上的一个连接器件，它一端连接计算机网卡， 另一端连接收发器分接器（Transceiver Tap）。收发器的作用一方面是通过收发器分接器从传 输介质上接收数据，并将数据传送到网卡上，反之亦然。另一方面，收发器要执行 CSMA/CD 的冲突检测和强化冲突的功能。收发器分接器的作用就是要建立收发器与同轴电缆的物理连 接和电气连接。 （3）收发器电缆（Transceiver Cable）：是连接网卡和收发器的多芯电缆，即连接单元接 口（Attachment Unit Interface，AUI），它是一个 DB-15 针的接口，用于与网卡连接。
（4）网络适配卡（Network Interface Card，NIC）：也称网络适配器或网卡。支持粗缆以 太网的网卡上都带有一个 AUI 接口，以便和收发器电缆连接。 （5）终接器（Terminal Connector）：每条电缆必须在两端接上 50Ω 的终接器（也称终端 匹配器或终端电阻）。当信号到达电缆两端时，把信号全部吸收，以避免信号反射造成干扰。 2．细缆以太网（10Base-2） 10Base-2是总线型细同轴电缆以太网的简略标示符。10Base-2 的具体含义是：“2”表示 网络中最大电缆段的长度为“2×100m”。由于组建粗缆以太网的价格昂贵且安装不便，因此 IEEE 802委员会于 1985 年发布了细同轴电缆组建以太网的标准。相对粗缆以太网而言，细缆 以太网有 3 个优点：一是比较轻便、灵活，安装简单；二是将 MAU 和 MDI 都做到了网卡上， 因此不再需要使用额外的 AUI 电缆，而是直接将同轴电缆连接到网卡上；三是细缆比较便宜， 建网成本较低。10Base-2 的网络结构如图 4-20 所示，它主要由以下 3 个组成部分。
（1）细同轴电缆（Coaxial Thin Cable）：它是阻抗特性为 50Ω、直径为 5mm 的同轴 电缆。
（2）网络适配卡（Network Interface Card）：支持细缆以太网的网卡已经与收发器集成在 一起，因此，细缆以太网无须使用外部收发器。
（3）BNC 电缆连接器：一条很长的同轴电缆通常要被截取成若干段后才能使用，因而 需要使用 BNC 连接器来固定。
图 4-20 细缆以太网的结构组成
3．双绞线以太网（10Base-T）
10Base-T是 IEEE 802 委员会于 1990 年 9 月正式建立的非屏蔽双绞线（Unshielded Twist Pair，UTP）传输 10Mb/s 的基带以太网标准，每个网络站点都需要使用 UTP 接到中心集线器 （Central Hub）上。10Base-T 逻辑上为总线型拓扑的网络，称为共享式集线器。但实际上， 双绞线以太网是一个物理上的星型拓扑结构，所以当一条电缆出现故障时只影响它所连接的 那台计算机，这也是 10Base-T 网络的又一个优点。与粗/细同轴电缆以太网相比，10Base-T 的优点是轻巧，安装密度高，特别适用于建筑物内的网络布线系统，其连接如图 4-21 所示。
图 4-21 双绞线以太网的基本组成
（1）双绞线连接器（Twisted Pair Connector，TPC）：采用标准的 RJ-45 连接器，是一个 8针的接口，俗称为“RJ-45 头”。
（2）双绞线（Twisted Pair）：10Base-T 通常使用非屏蔽双绞线，在双绞线两端各使用一 个 RJ-45 连接器。
（3）网络适配卡（Network Interface Card）：在 10Base-T 网卡上集成了收发器，而且网 卡上带有一个 RJ-45 的接口。 （4）集线器：是 10Base-T 以太网的核心，具有多个端口，且每个端口通常为 RJ-45 接口。 4．光纤以太网（10Base-F） 10Base-F是 10Mb/s 光纤以太网，它使用多模光纤传输介质，在介质上传输的是光信号而 不是电信号。因此，10Base-F 具有传输距离长、安全可靠、可避免电击等优点。由于光纤介 质适宜连接相距较远的站点，所以 10Base-F 常用于建筑物之间的连接，构建园区主干网。 光纤的一端与光收发器（光 Hub）连接，另一端与网卡连接。由于光信号传输的特点是 单方向，适合于端－端式通信，因此 10Base-F 以太网呈星型结构，如图 4-22 所示。
图 4-22 10Base-F 光纤以太网 4.3.2 局域网的扩展 构建网络的目的之一是为了实现资源共享，当资源需要在更大规模范围内共享时，就需 要把多个网络互联起来。网络互联可在四个层次上实现：物理层、链路层、网络层和更高层。 就局域网而言，其扩展主要在物理层和数据链路层，并且通常利用集线器和交换机来实现。 1．利用集线器进行扩展 在物理层利用集线器对小型局域网的连接，其连接方法有多集线器级联结构和堆叠式级 联结构。常用的多集线器级联结构如图 4-23 所示。 图 4-23 用集线器扩展局域网 在物理层上扩展局域网非常简单，基本上可以做到即插即用，但也存在严重的缺点： 随着网络规模的扩展，网络中的站点增多，冲突变得更加严重，响应速度变慢。 不能互联不同类型（例如速度不同或介质访问控制方法不同）的局域网。 受到争用时隙限制，扩展范围极为有限，因而无法实现远距离的互联。 不具备交换能力，传到集线器的数据均被广播到与之相连的端口，容易造成网络 堵塞。 2．利用交换机进行扩展 在链路层上扩展局域网通常使用交换机或网桥，使用交换机的基本结构如图 4-24 所示。 图 4-24 用交换机扩展局域网 人力资源部 技术开发部 市场营销部 集线器 集线器 主干集线器 集线器 带光缆网 卡的微机 光缆 光 Hub 光 Hub 光 Hub
利用交换机扩展局域网时，同集线器一样，交换机可以与交换机互联（实现网段互联）， 也可以直接与终端机相连。同时，还可以通过交换机连接集线器的方式来扩展局域网。 3．关于生成树协议 利用交换机可以扩展局域网，但是也带来了“广播风暴问题”。当网络中存在环路时，交 换机可能会再次接收到同一数据帧，由于交换机中没有该数据帧的转发记录，因此继续转发 该数据帧，下面以图 4-25 所示结构中数据的转发为例进行说明。 图 4-25 环路网络广播风暴产生示意图 该拓扑结构表示一个存在环路的局域网络，当 PCA 还没有发送过任何数据时，则 B1、 B2和 B3 都不会有学习到 PCA 的 MAC 地址；当 PCA 发送了一个到 LAN2 的数据帧时，此 时三个网桥都接收这个数据帧，并将 PCA 的地址记录在 LAN1 上，排队等待将这个数据帧转 发到 LAN2 上。假设网桥 B1 首先成功地发送数据帧到 LAN2 上，那么 B2 和 B3 将再次收到 这个数据帧。因为 B1 对 B2 和 B3 来说是透明的，这个数据帧就好像是 PCA 在 LAN2 上发送 的一样。于是，B2 和 B3 记录 PCA 在 LAN2 上，排队等待将这个新接收到的数据帧转发到 LAN1。假设这时网桥 B2 成功将最初的数据帧转发到 LAN1，那么 B1 和 B3 都接收到这个数 据帧，排队等待转发这个数据帧到 LAN2。 这种重复转发，使数据帧在环路中不断循环。更为糟糕的是每次成功的转发都会导致网 络中出现两个新的数据帧，从而形成严重的“广播风暴”，导致网络流量增大，网络性能下降。 为了解决由于网络环路导致的广播风暴问题，IEEE 802.1D 协议标准中规定了生成树协议 （Spanning Tree Protocol，STP）。它在逻辑上通过阻断网络中的冗余链路来消除网络中的路径 环路，当活动路径发生故障时，则激活被阻断的冗余链路，从而有效解决交换机之间的环路 现象，保障了网络的不间断运行。关于生成树协议的具体使用在实训教材中进行介绍。 4．传统局域网技术的不足 传统局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，网络中的所有结点共享一条公共通信 传输介质，随着局域网的迅速普及，上网用户越来越多，因而必然存在以下问题： 大量用于办公自动化与信息处理的 PC 机都需要连网，会造成局域网规模的不断增 大，网络通信量大大增加，因此，局域网网络带宽与性能已不能适应要求。 当网络结点数增大时，网络通信负载加重，冲突和重发现象大量发生，网络效率急 剧下降，网络传输延迟增大，网络服务质量下降。
基于 Web 的 Internet/Intranet 应用也要求更高的通信带宽，如果以太网仍保持数据传 输率为 10Mb/s，显然是不能适应的，必须寻求新的技术途经。 这些因素促使人们研究高速局域网技术，希望通过提高局域网带宽改善局域网性能，以 适应各种新的应用环境的要求。
§4.4 高速局域网
我们把数据传输速率在 100Mb/s 以上的局域网称为高速局域网。为了提高局域网的带宽， 克服网络规模与网络性能之间的矛盾，改善局域网的性能以适应新的应用环境的要求，人们 开展了对高速网络技术的研究，提出了以下几种解决方案。 第一种方案：提高以太网数据传输速率，增加绝对带宽。例如，从传统的 10Mb/s 以太网 升级为 100Mb/s 快速以太网、千兆以太网和万兆以太网。这一方案推动了高速局域网的研究 与产品的开发。需要说明的是，这些高速以太网的数据传输速率虽然提高了，但介质访问控 制采用的仍然是 CSMA/CD 方法。 第二种方案：采用网络分段、缆段细化的方法，将一个大型局域网络划分成多个子网。 这一方案推动了局域网互联技术的发展。使用网桥、交换机或路由器等进行互联和隔离子网 之间的通信量，减少各个子网内部的结点数，从而使网络性能得到改善。其中，各个子网的 介质访问控制还是采用 CSMA/CD 方法。 第三种方案：使用交换机替代集线器，将“共享介质方式”改为“交换方式”。例如，使 用 100Mb/s 交换机替代 100Mb/s 的集线器，从而将快速共享式以太网变换为快速交换式以太 网。这一方案推动了“交换式局域网”技术的发展，它以组网灵活、方便、流通量大、传输 冲突少、造价低，以及能充分利用原有投资等优点而成为目前高速局域网的主流技术。 第四种方案：采用先进的网络技术。随着信息技术的发展，新的网络技术层出不穷。例 如采用 ATM 交换技术，网络响应时间能够降低到 20～30ms，因此更适合于交互式多媒体信 息的处理。 在上述 4 种方案中，由于 ATM 技术复杂等原因，近年来新建的局域网已经很少使用，目 前使用最多的是前 3 项技术方案。今天的以太网已发展到快速以太网、千兆以太网、万兆以 太网、乃至 10 万兆以太网。高速局域网的发展历程如图 4-26 所示。 1985 1989 1994 1995 1998 2002 （年） 10Mb/s 100Mb/s 100Mb/s 100Mb/s 1000Mb/s 10000Mb/s IEEE 802 局域网 FDDI 100VG FE GE 10GE图 4-26 高速局域网的发展历程
4.4.1 光纤分布式数据接口（FDDI）主干网 1．光纤分布式数据接口的概念
光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）是计算机网络技术发展到 调整通信阶段的第一个高速局域网技术，是一种以光纤作为传输介质、传输速率为 100Mb/s 的高速主干网。用以连接不同的局域网，如以太网、令牌环网等。FDDI 网络覆盖的最大距离
可达 200km，最多可连接 1000 个结点。 2．协议标准
FDDI基于 IEEE 802.5 单令牌的令牌环网 MAC 协议，为了获得高度的可靠性和容错能力， 采用了两个信息流向相反的双环结构，分别称为主环和副环。正常情况下，数据在主环上传 送，副环用于备份。当某个结点或某段线路出现故障时，主环与副环形成一个新环，使网络 流量绕过主环中的故障点从备份环中通过，把产生故障的结点或线路排除在外，保证网络继 续正常工作。
FDDI的标准是 20 世纪 80 年代由美国国家标准协会（ANSI）制定的 ANSI X3T9.5，并 且获得 ISO 的批准，成为国际标准。FDDI 最初是为传输数据而设计的，但是为了适应传输 语音、图像与视频等高带宽、实时性业务，因而提出了 FDDI-II 标准，它使用了不同的 MAC 层协议，提供定时服务以支持对时间敏感的视频和多媒体信息的传输。1991 年，ANSI 制定 FDDI-H标准，解决了多媒体数据在 FDDI 上的传输问题。为了能够使用人们习惯使用的铜 质电缆，1993 年 ANSI 又推出 CDDI 标准。CDDI 是 FDDI 在铜质电缆上的应用，与 FDDI 保持高度兼容。FFOL（FDDI FOLLOW-ON LAN）是 FDDI 的最新标准，主要提供高速主 干网的连接，速率为 150Mb/s～2.4Gb/s。 3．技术特点 FDDI 的主要优点是：双环结构利用令牌传递协议消除了数据冲突，提供了质量服务 （Quality of Service，QoS）和确定的性能；提供了优秀的容错能力和内建的网络管理能力。 在现有的 100Mb/s 网络技术中，其网络直径覆盖范围最大，适用于大型 LAN 和 MAN。 FDDI的主要缺点是：网络协议比较复杂、安装和管理相对困难、价格昂贵，与迅速崛起 的快速以太网和千兆位以太网相比，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。并且，只支持光缆和 5 类电缆，使用环境受到限制。 4．FDDI 的主要应用 1993年以前，对于 10Mb/s 以上的数据流量的局域网应用，只有 FDDI 可供选择。FDDI 作为一种主干网技术，曾经在较大地理范围的园区主干网络领域中获得了广泛的应用，主要 用于以下 4 种应用环境。 （1）机房主干网：也称后端网络，用于计算机机房中大、中型计算机与高速外设之间的 连接，以及对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境。 （2）机群主干网：也称前端网络，用于连接办公室或建筑物群中大量的小型机、工作站、 服务器、个人计算机与各种外设。 （3）校园主干网：用于连接分布在校园各个建筑物中的小型机、服务器、工作站、个人 计算机，以及多个局域网。 （4）区域主干网：用于连接地理位置相距几公里的多个校园网或企业网，成为一个区域 性的主干网。 使用 FDDI 作为主干网连接不同的局域网，其目的是为了保证高速可靠的数据传输。典 型的 FDDI 作为主干网互联多个局域网的结构如图 4-27 所示。 由于 FDDI 具有高速、技术成熟、安全可靠等特点，它曾是主干网的主流技术之一。但 在网络技术日新月异的今天，一些较为简单的高性能网络技术已替代了协议复杂且升级困难 的 FDDI，它已不再是一种主流技术，目前在市场上也很难再见到 FDDI 设备。当然，随着网
络技术的发展，如 FDDI-Ⅱ和交换式 FDDI 技术已投入使用，它们能更好地支持实时性业务。 图 4-27 典型 FDDI 网络的逻辑结构示意图 【例 4-4】信息传输速率 100Mb/s 的 FDDI，1000 字节的帧在 50km 的环上传输，它占用 多少公里的网络长度？忽略中间结点延时，帧从发出到完全收回需要多长时间？ 解：1 帧发送时间 T1：（8b×1000）÷100Mb/s=80µs。 帧占的网络长度=T1 时间的传播距离=200m/µs×80µs=16km。 帧在 50km 环上的传播时间 T2=50km÷200m/µs=250µs。 帧从发出到完全回收需要的时间Ｔ=T1+T2=80µs+250µs=330µs。 4.4.2 快速以太网（Fast Ethernet） 1．快速以太网的概念
传统的共享介质局域网主要有以太网（Ethernet）、Koken Bus 和 Token Ring 这 3 种类型， 而目前应用最广泛的是以太网。20 世纪 90 年代局域网技术的一大突破是使用非屏蔽双绞线 UTP的 10Base-T 标准的出现。10Base-T 标准的广泛应用导致了结构化布线技术的出现，从而 使得使用非屏蔽双绞线 UTP、速率为 10Mb/s 的以太网遍布世界各地。随着局域网应用的深入， 用户对局域网的带宽提出了要求，并且只有两种选择：一是重新设计新的局域网体系结构与 介质访问控制方法，以取代传统的局域网；二是保持传统的局域网体系结构与介质控制方法 不变，设法提高局域网的传输速率。对于目前已大量存在的以太网来说，既要保护用户的已 有投资，又要增加网络带宽，而快速以太网就是符合后一种要求的新一代高速局域网。 快速以太网 100Base-T 数据传输速率为 100Mb/s，主要解决网络带宽在局域网应用中的问 题。100Base-T 是 10Base-T 的扩展，它保留着传统的 10Mb/s 速率以太网的所有特征，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，只是把以太网每个比 特的发送时间由 100ns 降低到 10ns，而将传输速率从 10Mb/s 提高到 100Mb/s。 2．协议标准
1995年 9 月，IEEE 802 委员会正式批准了 Fast 以太网标准 802.3u。802.3u 标准在 LLC 子层仍然使用 IEEE 802.2 标准，仍采用 CSMA/CD 介质访问控制方法，只是在物理层作了一
