第5章局域网技术 第5章局域网技术 本章基本要求：掌握主要的局域网组网设备的功能与选择，掌握常见的局域网拓扑结构， 掌握以太网技术：理解局域网的特点和功能，理解EEE802标准，理解两类介质访问控制 的原理，理解无线局域网的工作原理和基本的组网方式：了解令牌环网、FDD1技术，了解 VLAN的概念与实现方式。 本章难点：CSMA/CD,以太网技术系列，无线局域网 教学时数与实验：9学时，建议另外开设2学时的“局域网组网入门”实验 在前面的两章中，我们讨论和学习了关于OS1物理层和数据链路层的内容。这一章与 下一章我们将分别介绍局域网技术和广域网技术。只所以将这两章内容放在第7章网络层 之前来介绍，是因为各类网络技术的风别主要在于物理厚和数据链路层。 本章，我们先要介绍局域网拓扑结构，然后要讨论局域网标准和局域网中的介质访问 控制机制，最后向同学们介绍各种主流的局域网技术。 5.1局域网概述 局域网LA)是当今计算机网络技术应用与发展非常活跃的一个领域。公司、企业、政 府部门及至住宅小区内的计算机机都在通过LN连接起来，以达到资源共享、信息传递和 数据通信的目的。而信息化进程的加快，更是刺激了通过LAN进行网络互连需求的剧增。 因此，对同学们来说，理解和掌握局域网技术也就显得更加实用。 局域网的发展始于70年代，至今仍是网络发展中的一个活跃领域。由于70年代初， 国际上推出了个人计算机(P℃机)并逐渐使其走入市场，PC机在计算机中所占比例越来越大， 由此也推动了LN的发展。早在1972年，美国加州大学就研制了被称为分布计算机系统 (Distributed Computer System))的NEWHALL环网。I974年英国剑桥大学研制的剑桥环网 (Cambridge Ring)和975年美国Xerox公司推出的第一个总线争用结构的实验性以太网 (Ethernet)则成为最初LAN的典型代表。1977年，日本京都大学首度研制成功了以光纤为 传输介质的局域网络。 80年代以后，随着网络技术、通信技术和微型机的发展，LAW技术得到了迅速的发展 和完善，多种类型的局域网络纷纷出现，越来越多的制造商投入到局域网络的研制流中， 一些标准化组织也致力LAN的有关标准和协议。同时，包括传输介质和转接器件在内的网 络组件的发展，连同高性能的微机一起构成了局域网的基本硬件基础，并使局域网被赋予 更强的功能和生命力。到了上个世纪80年代后期，LAN的产品就已经进入专业化生产和商
第 5 章 局域网技术 1 第 5 章 局域网技术 本章基本要求：掌握主要的局域网组网设备的功能与选择，掌握常见的局域网拓扑结构， 掌握以太网技术；理解局域网的特点和功能，理解 IEEE802 标准，理解两类介质访问控制 的原理，理解无线局域网的工作原理和基本的组网方式；了解令牌环网、FDDI 技术，了解 VLAN 的概念与实现方式。 本章难点：CSMA/CD，以太网技术系列，无线局域网 教学时数与实验：9 学时，建议另外开设 2 学时的“局域网组网入门”实验 在前面的两章中，我们讨论和学习了关于 OSI 物理层和数据链路层的内容。这一章与 下一章我们将分别介绍局域网技术和广域网技术。只所以将这两章内容放在第 7 章网络层 之前来介绍，是因为各类网络技术的区别主要在于物理层和数据链路层。 本章，我们先要介绍局域网拓扑结构，然后要讨论局域网标准和局域网中的介质访问 控制机制，最后向同学们介绍各种主流的局域网技术。 5. 1 局域网概述 局域网(LAN)是当今计算机网络技术应用与发展非常活跃的一个领域。公司、企业、政 府部门及至住宅小区内的计算机机都在通过 LAN 连接起来，以达到资源共享、信息传递和 数据通信的目的。而信息化进程的加快，更是刺激了通过 LAN 进行网络互连需求的剧增。 因此，对同学们来说，理解和掌握局域网技术也就显得更加实用。 局域网的发展始于 70 年代，至今仍是网络发展中的一个活跃领域。由于 70 年代初， 国际上推出了个人计算机(PC 机)并逐渐使其走入市场，PC 机在计算机中所占比例越来越大， 由此也推动了 LAN 的发展。早在 1972 年，美国加州大学就研制了被称为分布计算机系统 (Distributed Computer System) 的 NEWHALL 环网。1974 年英国剑桥大学研制的剑桥环网 (Cambridge Ring)和 1975 年美国 Xerox 公司推出的第一个总线争用结构的实验性以太网 (Ethernet)则成为最初 LAN 的典型代表。1977 年，日本京都大学首度研制成功了以光纤为 传输介质的局域网络。 80 年代以后，随着网络技术、通信技术和微型机的发展，LAN 技术得到了迅速的发展 和完善，多种类型的局域网络纷纷出现，越来越多的制造商投入到局域网络的研制潮流中， 一些标准化组织也致力 LAN 的有关标准和协议。同时，包括传输介质和转接器件在内的网 络组件的发展，连同高性能的微机一起构成了局域网的基本硬件基础，并使局域网被赋予 更强的功能和生命力。到了上个世纪 80 年代后期，LAN 的产品就已经进入专业化生产和商
计算机网络技术 品化的成熟阶段。这个期间LAN的典型产品有美国DEC、Intel和Xerox三家公司联合研制 并推出的3 COM Ethernet系列产品和IBW公司开发的令牌环，与此同时，NOVELL公司设计 并生产出了Novell Netware系列局域网网络操作系统产品。 到了上个世纪90年代，LAN更是在速度、带宽等指标方面有了更大进展，并且在LAW 的访问、服务、管理、安全和保密等方面部有了进一步的改善。例如，Ethernet产品从传 输速率为1 OMbps的Ethernet发展到10 OMbps的高速以太网，并继续提高至千兆(100 OMbps)) 以太网。至2002年，IEEE还颁布了关于万兆以太网标准。 本章下面将分若干小节分别介绍局域网的特点和功能、介质访问控制方式、相关标准， 局域网主要组网设备，最后还将介绍几种典型的局域网技术。 5.1.1局域网的特点和功能 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前技术发展最快的 领域之一。局域网具有如下特点： ()网络所覆盖的地理范围比较小。通常不超过几十公里，甚至只在一幢建筑或一个房 间间内。 (2)数据的传输速率比较高，从最初的1Mbps到后来的1 DMbps、10 DMbps,近年来已 达到1000Mbps、10000Mbps, (3)具有较低的延迟和误码率，其误码率一般为1010"。 (④)局域网络的经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网通常由服务提供商提供形 成鲜明对照。 (⑤)便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短 尽管局域网地理覆盖范围小，但这并不意味着它们必定是小型的或简单的网络。局域 网可以扩展得相当大或者非常复杂，配有成千上万用户的局域网也是很常见的事。 局域网的应用范围极广，可应用于办公自动化、生密自动化、企事业单位的管理、银 行业务处理、军事指挥控制、商业管理等方面。局域网的主要功能是为了实现资源共享， 其次是为了更好地实现数据通信与交换以及数据的分布处理。 一般来说，决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑结构、传输介质与介质访问控 制方法。 5.1.2常见的局域网拓扑结构 局域网与广域网的一个重要区别在于它们覆盖的地理范围。由于局域网设计的主要目 标是覆盖一个公司、一所大学、或一幢甚至几幢大楼的“有限的地理范围”，因此它的基本 通信机制上选择了“共享介质”方式和“交换”方式。因此，局域网在传输介质的物理连 接方式、介质访问取控制方法上形成了自己的特点，在网络拓扑上主要采用总线型、环型 与星型结构。 1.总线型拓扑结构 总线型拓扑是局域网最主要的拓扑结构之一，如图5.1所示。所有的站点都直接连接到
2 计算机网络技术 品化的成熟阶段。这个期间 LAN 的典型产品有美国 DEC、Intel 和 Xerox 三家公司联合研制 并推出的 3COM Ethernet 系列产品和 IBM 公司开发的令牌环，与此同时，NOVELL 公司设计 并生产出了 Novell Netware 系列局域网网络操作系统产品。 到了上个世纪 90 年代，LAN 更是在速度、带宽等指标方面有了更大进展，并且在 LAN 的访问、服务、管理、安全和保密等方面部有了进一步的改善。例如，Ethernet 产品从传 输速率为 10Mbps 的 Ethernet 发展到 100Mbps 的高速以太网，并继续提高至千兆(1000Mbps) 以太网。至 2002 年，IEEE 还颁布了关于万兆以太网标准。 本章下面将分若干小节分别介绍局域网的特点和功能、介质访问控制方式、相关标准、 局域网主要组网设备，最后还将介绍几种典型的局域网技术。 5.1.1 局域网的特点和功能 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前技术发展最快的 领域之一。局域网具有如下特点： (1) 网络所覆盖的地理范围比较小。通常不超过几十公里，甚至只在一幢建筑或一个房 间内。 (2) 数据的传输速率比较高，从最初的 1Mbps 到后来的 10Mbps、100Mbps ，近年来已 达到 1000Mbps、10000Mbps。 (3) 具有较低的延迟和误码率，其误码率一般为 10-8~10-11。 (4) 局域网络的经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网通常由服务提供商提供形 成鲜明对照。 (5) 便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。 尽管局域网地理覆盖范围小，但这并不意味着它们必定是小型的或简单的网络。局域 网可以扩展得相当大或者非常复杂，配有成千上万用户的局域网也是很常见的事。 局域网的应用范围极广，可应用于办公自动化、生产自动化、企事业单位的管理、银 行业务处理、军事指挥控制、商业管理等方面。 局域网的主要功能是为了实现资源共享， 其次是为了更好地实现数据通信与交换以及数据的分布处理。 一般来说，决定局域网特性的主要技术要素是网络拓扑结构、传输介质与介质访问控 制方法。 5.1.2 常见的局域网拓扑结构 局域网与广域网的一个重要区别在于它们覆盖的地理范围。由于局域网设计的主要目 标是覆盖一个公司、一所大学、或一幢甚至几幢大楼的“有限的地理范围”，因此它的基本 通信机制上选择了“共享介质”方式和“交换”方式。因此，局域网在传输介质的物理连 接方式、介质访问取控制方法上形成了自己的特点，在网络拓扑上主要采用总线型、环型 与星型结构。 1. 总线型拓扑结构 总线型拓扑是局域网最主要的拓扑结构之一，如图 5.1 所示。所有的站点都直接连接到
第5章局域网技术 3 一条作为公共传输介质的总线上，所有结点都可以通过总线传输介质发送或接收数据，但 一段时间内只允许一个结点利用总线发送数据。当一个结点利用总线传输介质以“广播” 方式发送信号时时，其他结点都可以用“收听”到所发送的信号。由于总线作为公共传输 介质是为多个结点所共享，所以在总线型拓扑结构中就有可能出现同一时刻有两个或两个 以上结点利用总线发送数据的情况，这种现象被称为“冲突”(collision),冲突会造成数据 传输的失效，因为接收节点无法从所接收的信号中还原出有效的数据。需要提供一种机制 用于解决冲突问。 总线拓扑的优点是：结构简单，实现容易：易于安装和维护：价格低廉，用户站点入 网灵活。 总线型结构的缺点是：传输介质故障难以排除：并且由于所有节点都直接连接在总线 上，因此任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。 图5.1典型的总线型拓扑结构 2.环型拓扑结构 在环型拓扑结构中，所有的结点通过通信线路连接成一个闭合的环。在环中，数据沿 着一个方向绕环逐站传输，如图52所示。环型拓扑结构也是一种共享介质结构，多个结点 共享一条环通路。为了确定环中每个结点在什么时候可以传送数据帧，同样要提供旨在解 决冲突问题介质访问控制。 由于信息包在封闭环中必须沿每个节点单向传输，因此，环中任何一段的故障都会使 各站之间的通信受阻。为了增加环形拓扑可靠性，还引入了双环拓扑。所谓双环拓扑就是 在单环的基础上在各站点之间再连接一个备用环，从而当主环发生故障时，由备用环继续 工作。 环型拓扑结构的优点是能够较有效地避免冲突，其缺点是环型结构中的网卡等通信部 件出较品贵目管理复杂得多。 图5.2环型拓扑结构 3.星型拓扑结构 星型拓扑结构是由一个被称为中央节点的节点和一系列通过点到点链路接到中央节点 的节点组成的。图5.3给出了星型拓扑结构的示例，各节点以中央节点为中心相连接，各
第 5 章 局域网技术 3 一条作为公共传输介质的总线上，所有结点都可以通过总线传输介质发送或接收数据，但 一段时间内只允许一个结点利用总线发送数据。当一个结点利用总线传输介质以“广播” 方式发送信号时时，其他结点都可以用“收听”到所发送的信号。由于总线作为公共传输 介质是为多个结点所共享，所以在总线型拓扑结构中就有可能出现同一时刻有两个或两个 以上结点利用总线发送数据的情况，这种现象被称为“冲突”（collision），冲突会造成数据 传输的失效，因为接收节点无法从所接收的信号中还原出有效的数据。需要提供一种机制 用于解决冲突问题。 总线拓扑的优点是：结构简单，实现容易；易于安装和维护；价格低廉，用户站点入 网灵活。 总线型结构的缺点是：传输介质故障难以排除；并且由于所有节点都直接连接在总线 上，因此任何一处故障都会导致整个网络的瘫痪。 图 5.1 典型的总线型拓扑结构 2. 环型拓扑结构 在环型拓扑结构中，所有的结点通过通信线路连接成一个闭合的环。在环中，数据沿 着一个方向绕环逐站传输，如图 5.2 所示。环型拓扑结构也是一种共享介质结构，多个结点 共享一条环通路。为了确定环中每个结点在什么时候可以传送数据帧，同样要提供旨在解 决冲突问题介质访问控制。 由于信息包在封闭环中必须沿每个节点单向传输，因此，环中任何一段的故障都会使 各站之间的通信受阻。为了增加环形拓扑可靠性，还引入了双环拓扑。所谓双环拓扑就是 在单环的基础上在各站点之间再连接一个备用环，从而当主环发生故障时，由备用环继续 工作。 环型拓扑结构的优点是能够较有效地避免冲突，其缺点是环型结构中的网卡等通信部 件比较昂贵且管理复杂得多。 图 5.2 环型拓扑结构 3. 星型拓扑结构 星型拓扑结构是由一个被称为中央节点的节点和一系列通过点到点链路接到中央节点 的节点组成的。图 5.3 给出了星型拓扑结构的示例，各节点以中央节点为中心相连接，各
计算机网络技术 节点与中央节点以点对点方式连接。任何两节点之间的数据通信都要通过中央节点，中央 节点集中执行通信控制策略，主要完成节点间通信时物理连接的建立、维护和拆除。 星型拓扑结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。利用中央结点可方便地提供 网络连接和重新配置：且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和 隔离故障，便于维护。 图5.3星型拓扑结构 星型拓扑的缺点是：每个站点直接与中央结点相连，需要大量电缆，因此费用较高 如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高。 扩展星型拓扑是星型网络拓扑结构的一种扩充，又叫树型网络拓扑结构，图5.4即为树 型拓扑结构的一个例子。所谓扩展星型拓扑是指一个星型拓扑的末端节点又是其他星型拓 扑的中央节点，如图5.4中的HUB2既是HUB1的末端节点，同时又是HUB4和PC3所构 成的星型拓扑的中央节点。 B PC5 PC6 PC PC8 图5.4树型网络拓扑结构 注意，上面所介绍的是几种典型的局域网拓扑。在实际建网时，可根据实际情况，选 择一种单一的拓扑结构或采用混合拓扑结构。顾名思义，混合拓扑结构是指几种不同拓扑 结构的混合，而不仅仅是其中的某一种类型
4 计算机网络技术 节点与中央节点以点对点方式连接。任何两节点之间的数据通信都要通过中央节点，中央 节点集中执行通信控制策略，主要完成节点间通信时物理连接的建立、维护和拆除。 星型拓扑结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。利用中央结点可方便地提供 网络连接和重新配置；且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和 隔离故障，便于维护。 图 5.3 星型拓扑结构 星型拓扑的缺点是：每个站点直接与中央结点相连，需要大量电缆，因此费用较高； 如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高。 扩展星型拓扑是星型网络拓扑结构的一种扩充，又叫树型网络拓扑结构，图 5.4 即为树 型拓扑结构的一个例子。所谓扩展星型拓扑是指一个星型拓扑的末端节点又是其他星型拓 扑的中央节点，如图 5.4 中的 HUB2 既是 HUB1 的末端节点，同时又是 HUB4 和 PC3 所构 成的星型拓扑的中央节点。 HUB1 HUB2 HUB3 HUB4 HUB5 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PC8 图 5.4 树型网络拓扑结构 注意，上面所介绍的是几种典型的局域网拓扑。在实际建网时，可根据实际情况，选 择一种单一的拓扑结构或采用混合拓扑结构。顾名思义，混合拓扑结构是指几种不同拓扑 结构的混合，而不仅仅是其中的某一种类型
第5章局域网技术 5.2 IEEE802标准 局域网出现之后，发展迅速，类型繁多，为了促进产品的标准化以增加产品的互操作 性，1980年2月，美国电气和电子工程师学会(EEE)成立了局域网标准化委员会（简称 EEE802委员会)，研究并制定了关于局域网的EEE802标准。 5.2.1 IEEE802标准概述 1985年于EEE公布了IEEE802标准的五项标准文本，同年为美国国家标准局(ANSI) 采纳作为美国国家标准。后来，国际标准化组织(IS0)经过讨论，建议将802标准定为局 域网国际标准。 IEEE802为局域网制定了一系列标准，主要有如下12种。 1）IEEE802.1概述，局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连 2)IEEE802.2定义了逻辑链路控制(LLC)子层的功能与服务。 3) IEEE802.3描述CSMA/CD总线式介质访问控制协议及相应物理层规范 4)IEEE802.4描述令牌总线(token bus)式介质访问控制协议及相应物理层规范。 5) IEEE802.5描述令牌环(token ring)式介质访问控制协议及相应物理层规范 6)IEEE8O2.6描述城域网(MAN)的质访问控制协议及相应物理层规范。 7) IEEE802.7描述宽带时隙环介质访问控制方法及物理层技术规范： 8)IEEE802.8描述光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范：。 9)IEEE802.9描述语音和数据综合局域网技术。 10)IEEE802.10描述局域网安全与解密问题。 11)IEEE802.11描述无线局域网技术。 12)IEEE802.12描述用于高速局域网的介质访问方法及相应的物理层规范。 802.10 可互操作的局域网的安全机制 休系结冈络互 802.2 逻辑链路控制C 802.3 802.4 802.5 802.6 802.7 802.11 令牌总线 牌环网 城域网 FDDI 物理层 图5.5 EEE802委员会的结构图
第 5 章 局域网技术 5 5.2 IEEE802 标准 局域网出现之后，发展迅速，类型繁多，为了促进产品的标准化以增加产品的互操作 性，1980 年 2 月，美国电气和电子工程师学会（IEEE）成立了局域网标准化委员会(简称 IEEE802 委员会)，研究并制定了关于局域网的 IEEE 802 标准。 5.2.1 IEEE802 标准概述 1985 年于 IEEE 公布了 IEEE 802 标准的五项标准文本，同年为美国国家标准局（ANSI） 采纳作为美国国家标准。后来，国际标准化组织（ISO）经过讨论，建议将 802 标准定为局 域网国际标准。 IEEE 802 为局域网制定了一系列标准，主要有如下 12 种。 1) IEEE 802.1 概述，局域网体系结构以及寻址、网络管理和网络互连。 2) IEEE 802.2 定义了逻辑链路控制（LLC）子层的功能与服务。 3) IEEE 802.3 描述 CSMA/CD 总线式介质访问控制协议及相应物理层规范。 4) IEEE 802.4 描述令牌总线（token bus)式介质访问控制协议及相应物理层规范。 5) IEEE 802.5 描述令牌环（token ring）式介质访问控制协议及相应物理层规范。 6) IEEE 802.6 描述城域网（MAN）的质访问控制协议及相应物理层规范。 7) IEEE 802.7 描述宽带时隙环介质访问控制方法及物理层技术规范； 8) IEEE 802.8 描述光纤网介质访问控制方法及物理层技术规范；。 9) IEEE 802.9 描述语音和数据综合局域网技术。 10) IEEE 802.10 描述局域网安全与解密问题。 11) IEEE 802.11 描述无线局域网技术。 12) IEEE 802.12 描述用于高速局域网的介质访问方法及相应的物理层规范。 令牌总线 802.10 可互操作的局域网的安全机制 802.1 体系结构、网络互连 802.2 逻辑链路控制LLC 802.3 802.4 802.5 802.11 802.6 CSMA/CD 令牌环网 城域网MAN 无线 局域网 802.7 FDDI 数 据 链路层 物理层 图 5.5 IEEE802 委员会的结构图
6 计算机网络技术 从图5.5可以看出，EEE802标准实际上是一个由一系列协议组成的标准体系。随着局 域网技术的发展，该体系在不断地增加新的标准和协议，如关于802.3家族就随着以太网技 术的发展出现了许多新的成员。 5.2.2 局域网的体系结构 局域网的体系结构与0SI模型合相当大的区别，如图5.6所示，局域网只涉及0SI的 物理层和数据链路层。那么为什么没有网络层及网络层以上的各层呢？首先LAN是一种通 信网，只涉及到有关的通信功能，所以至多与0SI七层模型中的下三层有关。其次，由于 LAN基本上采用共享信道的技术，所以也可以不设立单独的网络层。也就是说，不同局域网 技术的区别主要在物理层和数据链路层，当这些不同的LAW需要在网络层实现互连时，可 以借助其他已有的通用网络层协议如IP协议。 OSI/RM IEEE802 应用层 表示层 高层 会话层 传输层 网络层 山C子层 数据链路层 AC子层 物理层 物理层 图5.61EEE802的LAN参考模型与OS1参考模型的对应关系 从上图中可以看到，局域网的物理层是和OS七层模型的物理层功能相当的，主要涉 及局域网物理链路上原始比特流的传送，定义局域网物理层的机械、电气、规程和功能特 性。如信号的传输与接收、同步序列的产生和删除等，物理连接的建立、维护、撤销等。 物理层还规定了局域网所使用的信号、编码、传输介质、拓扑结构和传输速率。例如，信 号编码可以采用曼彻斯特编码，传输介质可采用双纹线、同轴电缆、光缆甚至是无线传输 介质：拓扑结构则支持总线型、星型、环型和混合型等，可提供多种不同的数据传输率。 那为什么要将局域网的数据链路层分为逻辑链路控制(Logical Link Control LLC)和介 质访问控制(Medium Access Control MAC)两个功能子层呢？前面提到，局域网基本上采 用的是共享介质环境，共享介质环境中的多个节点同时发送数据时就会产生冲突，从而需 要提供控制冲突的介质访问控制机制，显然，介质访问控制机制与物理介质、物理设备和 物理拓扑等涉及硬件实现的部分直接有关，也就是说，不同的局域网技术在介质访问控制 上会有不同的处理方法。而这种结果是然与计算机网络分层模型所要求的下层为上层提供
6 计算机网络技术 从图 5.5 可以看出，IEEE802 标准实际上是一个由一系列协议组成的标准体系。随着局 域网技术的发展，该体系在不断地增加新的标准和协议，如关于 802.3 家族就随着以太网技 术的发展出现了许多新的成员。 5.2.2 局域网的体系结构 局域网的体系结构与 0SI 模型合相当大的区别，如图 5.6 所示，局域网只涉及 OSI 的 物理层和数据链路层。那么为什么没有网络层及网络层以上的各层呢？首先 LAN 是一种通 信网，只涉及到有关的通信功能，所以至多与 OSI 七层模型中的下三层有关。其次，由于 LAN 基本上采用共享信道的技术，所以也可以不设立单独的网络层。也就是说，不同局域网 技术的区别主要在物理层和数据链路层，当这些不同的 LAN 需要在网络层实现互连时，可 以借助其他已有的通用网络层协议如 IP 协议。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 LLC子层 MAC子层 物理层 OSIRM IEEE802 高层 OSI/RM 图 5.6 IEEE802 的 LAN 参考模型与 OSI 参考模型的对应关系 从上图中可以看到，局域网的物理层是和 OSI 七层模型的物理层功能相当的，主要涉 及局域网物理链路上原始比特流的传送，定义局域网物理层的机械、电气、规程和功能特 性。如信号的传输与接收、同步序列的产生和删除等，物理连接的建立、维护、撤销等。 物理层还规定了局域网所使用的信号、编码、传输介质、拓扑结构和传输速率。例如，信 号编码可以采用曼彻斯特编码，传输介质可采用双绞线、同轴电缆、光缆甚至是无线传输 介质；拓扑结构则支持总线型、星型、环型和混合型等，可提供多种不同的数据传输率。 那为什么要将局域网的数据链路层分为逻辑链路控制（Logical Link Control LLC）和介 质访问控制（Medium Access Control MAC）两个功能子层呢？前面提到，局域网基本上采 用的是共享介质环境，共享介质环境中的多个节点同时发送数据时就会产生冲突，从而需 要提供控制冲突的介质访问控制机制，显然，介质访问控制机制与物理介质、物理设备和 物理拓扑等涉及硬件实现的部分直接有关，也就是说，不同的局域网技术在介质访问控制 上会有不同的处理方法。而这种结果显然与计算机网络分层模型所要求的下层为上层提供
第5章局域网技术 服务、但必须屏蔽掉服务实现细节（即透明性）是相违背的。所以考虑将局域网的数据链路层 分为二成为MAC子层和LLC子层 其中，MAC子层负责介质访问控制机制的实现，即处理局域网中各站点对共享通信介 质的争用问题，不同类型的局域网通常使用不同的介质访问控制协议，另外MAC子层还涉 及局域网中的物理寻址：而LLC子层负责屏蔽掉MAC子层的不同实现，将其变成统一的 LLC界面，从而向网络层提供一致的服务，LC子层向网络层提供的服务通过其与网络层之 间的逻辑接口实现，这些逻辑接口又被称为服务访问点(Service Access Point,简称SAP)。 这样的局域网体系结构不仅使得IEE802标准更具有可扩充性，有利于其将来接纳新的介 质访问控制方法和新的局域网技术，同时也不会使局域网技术的发展或变革影响到网络层。 提请同学们注意，尽管我们将局域网的数据链路层分成了LLC和MAC两个子层，但 这两个子层是都要参与数据的封装和拆封过程的，而不是只由其中某一个子层来完成数据 链路层帧的封装及拆封。在发送方，网络层下来的数据分组首先要加上DSAP(Destination Service Access Point),SSAP(Source Service Access Point)等控制信息在LLC子层被封装成 LLC帧，然后由LLC子层将其交给MAC子层，加上MAC子层相关的控制信息后被封装成MAC 帧，最后由MC子层交局域网的物理层完成物理传输：在接收方，则首先将物理的原始比 特流还原成MAC帧，在MAC子层完成顿检测和拆封后变成LLC帧交给LLC子层，LLC子层完 成相应的帧检验和拆封工作将其还原成网络层的分组上交给网络层。 总之，LAN的LLC子层和MAC子层共同完成类似于OSI参考模型中的数据链路层功能， 无非是考虑到局域网的共享介质环境，在数据链路层的实现上增加了介质访问控制机制。 5.3介质访问控制 所谓介质访问控制就是解决当“局域网中共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道 的使用权”的问题。就好比现在教室只有一张讲台，而下面有很多的人都想通过这个唯 的讲台去告诉教室里的另外一个人、一群人、甚至全部人某些信息。显然，如果讲台上只 有一个人在讲话，则大家都可以听得很清楚，但如果讲台上同时有两个人或更多的人在讲 话，就会导致混乱即任何一个发言者的话都不能被接收者正确接收。因此我们必须需要有 一种机制解决这个问颗。怎样解快呢？一种方式我们可以按照某个顺序来解快，比如从第 一排的左边开始往右边，然后第二排，第三排等这样来排序，如果第一个人有话要讲，那 么他就可以先上去，然后第二个人，第三个人，这样就可以避免混乱。除此之外，我们还 可以采有另外一种方式，就是事先不确定任何顺序，任何时候只要台上没有人，想发言者 都可以上去讲，但如果同时上去的有两个人或两个人以上，则大家都退下来，重新等待新 的空闲机会。局域网中目前广泛采用的两种介质访问控制方法与上述例子中解决讲台争用 的方法非常类似，它们分别是： 争用型介质访问控制协议，又称随机型的介质访问控制协议，如CSMA/CD方式。 ●确定型介质访问控制协议，又称有序的访问控制协议，如Token(令牌)方式。 下面我们分别就其工作原理和特点展开介绍
第 5 章 局域网技术 7 服务、但必须屏蔽掉服务实现细节(即透明性)是相违背的。所以考虑将局域网的数据链路层 一分为二成为 MAC 子层和 LLC 子层。 其中，MAC 子层负责介质访问控制机制的实现，即处理局域网中各站点对共享通信介 质的争用问题，不同类型的局域网通常使用不同的介质访问控制协议，另外 MAC 子层还涉 及局域网中的物理寻址；而 LLC 子层负责屏蔽掉 MAC 子层的不同实现，将其变成统一的 LLC 界面，从而向网络层提供一致的服务，LLC 子层向网络层提供的服务通过其与网络层之 间的逻辑接口实现，这些逻辑接口又被称为服务访问点(Service Access Point ，简称 SAP)。 这样的局域网体系结构不仅使得 IEEE802 标准更具有可扩充性，有利于其将来接纳新的介 质访问控制方法和新的局域网技术，同时也不会使局域网技术的发展或变革影响到网络层。 提请同学们注意，尽管我们将局域网的数据链路层分成了 LLC 和 MAC 两个子层，但 这两个子层是都要参与数据的封装和拆封过程的，而不是只由其中某一个子层来完成数据 链路层帧的封装及拆封。在发送方，网络层下来的数据分组首先要加上 DSAP（Destination Service Access Point），SSAP（Source Service Access Point）等控制信息在 LLC 子层被封装成 LLC 帧，然后由 LLC 子层将其交给 MAC 子层，加上 MAC 子层相关的控制信息后被封装成 MAC 帧，最后由 MAC 子层交局域网的物理层完成物理传输；在接收方，则首先将物理的原始比 特流还原成 MAC 帧，在 MAC 子层完成帧检测和拆封后变成 LLC 帧交给 LLC 子层，LLC 子层完 成相应的帧检验和拆封工作将其还原成网络层的分组上交给网络层。 总之，LAN 的 LLC 子层和 MAC 子层共同完成类似于 OSI 参考模型中的数据链路层功能， 无非是考虑到局域网的共享介质环境，在数据链路层的实现上增加了介质访问控制机制。 5.3 介质访问控制 所谓介质访问控制就是解决当“局域网中共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道 的使用权”的问题。就好比现在教室只有一张讲台，而下面有很多的人都想通过这个唯一 的讲台去告诉教室里的另外一个人、一群人、甚至全部人某些信息。显然，如果讲台上只 有一个人在讲话，则大家都可以听得很清楚，但如果讲台上同时有两个人或更多的人在讲 话，就会导致混乱即任何一个发言者的话都不能被接收者正确接收。因此我们必须需要有 一种机制解决这个问题。怎样解决呢？一种方式我们可以按照某个顺序来解决，比如从第 一排的左边开始往右边，然后第二排，第三排等这样来排序，如果第一个人有话要讲，那 么他就可以先上去，然后第二个人，第三个人，这样就可以避免混乱。除此之外，我们还 可以采有另外一种方式，就是事先不确定任何顺序，任何时候只要台上没有人，想发言者 都可以上去讲，但如果同时上去的有两个人或两个人以上，则大家都退下来，重新等待新 的空闲机会。局域网中目前广泛采用的两种介质访问控制方法与上述例子中解决讲台争用 的方法非常类似，它们分别是： z 争用型介质访问控制协议，又称随机型的介质访问控制协议，如 CSMA/CD 方式。 z 确定型介质访问控制协议，又称有序的访问控制协议，如 Token（令牌）方式。 下面我们分别就其工作原理和特点展开介绍
计算机网络技术 5.3.1 CSMA/CD CSMACD是带冲突检测的载波侦听多址访问(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)的英文缩写。这里，载波侦听CS主要是指网络中的各个站点都具备一种对总线 上所传输的信号或载波进行监测的功能。多址MA则是指当总线上的一个站点占用总线发 送信号时，所有连接到同一总线上的其他站点都可以通过各自的接收器收听，只不过目标 节点会对所接收的信号进行进一步的处理，而非目标节点则忽略所收到的信号。冲突检测 CD是指一种检测或识别冲突的机制，这是实现冲突退避的前提。在总线环境中，冲突的发 生有两种可能的原因： 是总线上两个或两个以上的节点同时发送信息：另一种可能就是 一个较远的节点已经发送了数据，但由于信号在传输介质上的延时，使得信号在未到达目 的地时，另一个节点刚好发送了信息。CSMA/CD通常用于总线型拓扑结构和星型拓扑结构 的局域网中。 CSMA/CD的工作原理可概括成四句话，即先听后发，边发边听，冲突停止，随机延时 后重发。具体过程如下： 当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络察看是否有其他站点正在传输，即 侦听信道是否空闲。 如果信道忙，则等待，直到信道空闲。 ●如果信道闲，站点就传输数据。 在发送数据的同时，站点继续侦听网络确信没有其他站点在同时传输数据。因为 有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数 据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。 ·当一个传输节点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号，这个信号使得冲突的 时间足够长，让其他的节点都有能发现。 ●其它节点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时 间Backoff Time)后重发。 从上述工作原理中可以看出，对信道中的载波进行侦听对于CSMA/CD的实现是非常 重要的，其既可判断信道的忙与空闲，也可识别是否有冲突存在。以差分Machester编码为 例，若节点侦听到信道中存在电平跳变，则可判断信道为“忙”，否则为“空闲”。关于如 何识别侦听到的信号是否存在冲突可以采用两种方法，一为比较法，二为编码违例判决法。 所谓比较法就是将侦听信号与原始的发送信号进行比较以判断是否发生冲突：而编码违例 判决法则通过分析侦听到的信号是否符合原始的编码规律，如从差分Manchester编码规律 来判断是否发生了冲突， 总之，CSMA/CD采用的是一种“有空就发”的竞争型访问策略，因而不可避免会出现 信道空闲时多个站点同时争发的现象，无法完全消除冲突，只能是采取一些措施减少冲突， 并对产生的冲突进行处理。因此采用这种协议的局域网环境不适合于对实时性要求较强的 网络应用
8 计算机网络技术 5.3.1 CSMA/CD CSMA/CD 是带冲突检测的载波侦听多址访问（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的英文缩写。这里，载波侦听 CS 主要是指网络中的各个站点都具备一种对总线 上所传输的信号或载波进行监测的功能。多址 MA 则是指当总线上的一个站点占用总线发 送信号时，所有连接到同一总线上的其他站点都可以通过各自的接收器收听，只不过目标 节点会对所接收的信号进行进一步的处理，而非目标节点则忽略所收到的信号。冲突检测 CD 是指一种检测或识别冲突的机制，这是实现冲突退避的前提。在总线环境中，冲突的发 生有两种可能的原因：一是总线上两个或两个以上的节点同时发送信息；另一种可能就是 一个较远的节点已经发送了数据，但由于信号在传输介质上的延时，使得信号在未到达目 的地时，另一个节点刚好发送了信息。CSMA/CD 通常用于总线型拓扑结构和星型拓扑结构 的局域网中。 CSMA/CD 的工作原理可概括成四句话，即先听后发，边发边听，冲突停止，随机延时 后重发。具体过程如下： z 当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络察看是否有其他站点正在传输，即 侦听信道是否空闲。 z 如果信道忙，则等待，直到信道空闲。 z 如果信道闲，站点就传输数据。 z 在发送数据的同时，站点继续侦听网络确信没有其他站点在同时传输数据。因为 有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数 据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。 z 当一个传输节点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号，这个信号使得冲突的 时间足够长，让其他的节点都有能发现。 z 其它节点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时 间 Backoff Time）后重发。 从上述工作原理中可以看出，对信道中的载波进行侦听对于 CSMA/CD 的实现是非常 重要的，其既可判断信道的忙与空闲，也可识别是否有冲突存在。以差分 Machester 编码为 例，若节点侦听到信道中存在电平跳变，则可判断信道为“忙”，否则为“空闲”。关于如 何识别侦听到的信号是否存在冲突可以采用两种方法，一为比较法，二为编码违例判决法。 所谓比较法就是将侦听信号与原始的发送信号进行比较以判断是否发生冲突；而编码违例 判决法则通过分析侦听到的信号是否符合原始的编码规律，如从差分 Manchester 编码规律 来判断是否发生了冲突。 总之，CSMA/CD 采用的是一种“有空就发”的竞争型访问策略，因而不可避免会出现 信道空闲时多个站点同时争发的现象，无法完全消除冲突，只能是采取一些措施减少冲突， 并对产生的冲突进行处理。因此采用这种协议的局域网环境不适合于对实时性要求较强的 网络应用
第5章局域网技术 9 5.3.2令牌访问控制 令牌访问控制方法又可分为令牌环访问控制(Token Ring)和令牌总线访问控制(Token Bus)两类。由于目前已较少采用Token Bus,因此本文只是介绍Token Ring的工作原理。 Token Ring是令牌传送环(Token Passing Ring)的简写。令牌环的结构如图5.7所 示，其只有一条环路，信息沿环单向流动，不存在路径选择问题。 在令牌环网中，为了保证在共享环上数据传送的有效性，任何时刻也只允许一个结点 发送数据。为此，在环中引入了令牌传递机制。任何时候，在环中有一个特殊格式的帧在 物理环中沿固定方向逐站传送，这个特殊帧称为令牌。令牌是用来控制各个结点介质访问 权限的控制帧。当一个站点想发送帧时，必须获得空闲令牌，并在启动数据的传送前将 令牌帧中的忙/闲状态位置于“忙”，然后附在信息尾部向下一站发送，数据帧沿与令牌相同 的方向传送，此时由于环中已没有空闲令牌，因此其它希望发送的工作站必须等待，也就 是说，任何时候，环中只能有一个节点发送数据，而其余站点只能允许接收帧。当数据顿 沿途经过各站的环接口时，各站将该帧的目的地址与本站地址进行比较，若不相符，则转 发该帧：若相符，则一方面复制全部帧信息放入接收缓冲以送入本站的高层，另一方面修 改环上帧的接收状态位，修改后的帧在环上继续流动直到循环一周后回到发送站，由发送 站将帧移去。按这种方式工作，发送权一直在源站点控制之下，只有发送信息的源站点放 弃发送权，或拥有令牌的时间到，其才会释放令牌，即将令牌帧中的状态位置“空“后， 再放到环上去传送，从而其它站点才有机会得到空令牌以发送自己的信息。 归纳起来，在令牌环中主要有下面的三种操作： ·截获令牌并且发送数据帧。如果没有结点需要发送数据，令牌就由各个结点沿固 定的顺序逐个传递：如果某个结点需要发送数据，它要等待令牌的到来，当空闲 令牌传到这个结点时，该结点修改令牌帧中的标志，使其变为“忙”的状态，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。 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。 。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 该数据懒：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
第 5 章 局域网技术 9 5.3.2 令牌访问控制 令牌访问控制方法又可分为令牌环访问控制（Token Ring）和令牌总线访问控制(Token Bus) 两类。由于目前已较少采用 Token Bus，因此本文只是介绍 Token Ring 的工作原理。 Token Ring 是令牌传送环（Token Passing Ring）的简写。令牌环的结构如图 5.7 所 示，其只有一条环路，信息沿环单向流动，不存在路径选择问题。 在令牌环网中，为了保证在共享环上数据传送的有效性，任何时刻也只允许一个结点 发送数据。为此，在环中引入了令牌传递机制。任何时候，在环中有一个特殊格式的帧在 物理环中沿固定方向逐站传送，这个特殊帧称为令牌。令牌是用来控制各个结点介质访问 权限的控制帧。当一个站点想发送帧时，必须获得空闲令牌，并在启动数据帧的传送前将 令牌帧中的忙/闲状态位置于“忙”，然后附在信息尾部向下一站发送，数据帧沿与令牌相同 的方向传送，此时由于环中已没有空闲令牌，因此其它希望发送的工作站必须等待，也就 是说，任何时候，环中只能有一个节点发送数据，而其余站点只能允许接收帧。当数据帧 沿途经过各站的环接口时，各站将该帧的目的地址与本站地址进行比较，若不相符，则转 发该帧；若相符，则一方面复制全部帧信息放入接收缓冲以送入本站的高层，另一方面修 改环上帧的接收状态位，修改后的帧在环上继续流动直到循环一周后回到发送站，由发送 站将帧移去。按这种方式工作，发送权一直在源站点控制之下，只有发送信息的源站点放 弃发送权，或拥有令牌的时间到，其才会释放令牌，即将令牌帧中的状态位置“空“后， 再放到环上去传送，从而其它站点才有机会得到空令牌以发送自己的信息。 归纳起来，在令牌环中主要有下面的三种操作： z 截获令牌并且发送数据帧。如果没有结点需要发送数据，令牌就由各个结点沿固 定的顺序逐个传递；如果某个结点需要发送数据，它要等待令牌的到来，当空闲 令牌传到这个结点时，该结点修改令牌帧中的标志，使其变为“忙”的状态，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。 z 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。 z 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
计算机网络技术 图57令牌环访问控制 5.4局域网组网设备 不论采用哪种局域网技术来组建局域网时，都要涉及局域网组件的选择，包括硬件和软 件。其中，软件组件主要是指以网络操作系统为核心的软件系统，硬件组件则主要指计算 机及各种组网设备，包括服务器和工作站、网卡、网络传输介质、网络连接部件与设备等。 关于网络操作系统在第12章中有专门的介绍，而传输介质在第3章物理层中也己作了 介绍，所以在此不再赘述。本节主要针对局域网的主要组网设备作一些简要的介绍。 5.4.1服务器和工作站 组建局域网的主要目的是为了在不同的计算机之间实现资源共享。局域网中的计算机 机根据其功能和作用的不同被分为两大类。有一类计算机主要是为其它计算机提供服务， 我们将其称为服务器(server):而另一类计算机则使用服务器所提供的服务，我们把它叫 做工作站(workstation)或客户机(client)。 服务器是网络的服务中心。为满足众多用户的大量服务请求，服务器通常由高档计算 机承担，并应满足以下性能和配置要求 ● 响应多用户的请求：网络服务器必须同时为多个用户提供服务，当多个用户的客 户程序同时发出服务请求时，服务器要能及时响应每个客户程序的请求，且能够 对它们分别进行互不干扰的处理。 ● 处理速度快：为了及时响应多个用户的服务请求，服务器要有很强的数据处理利 计算能力，从而对服务器的CPU性能提出了较高的要求，甚至要求在服务器中采 用多CPU来提高其处理能力和速度。 ●存储容量大：网络服务器应能提供尽可能多的共享资源，为满足多用户同时请示 的需要，服务器要配置足够的内存和外存。在许多服务器上，采用硬盘阵列来增 加服务器的硬盘容量。 ● 安全性好：服务器要能够对用户身份的合法性进行验证，并能根据用户权限为用 户提供授权的服务，另外，还要应用一些必要的硬件和软件手段，保证服务器上 资源的完整性和一致性
10 计算机网络技术 图 5.7 令牌环访问控制 5.4 局域网组网设备 不论采用哪种局域网技术来组建局域网时，都要涉及局域网组件的选择，包括硬件和软 件。其中，软件组件主要是指以网络操作系统为核心的软件系统，硬件组件则主要指计算 机及各种组网设备，包括服务器和工作站、网卡、网络传输介质、网络连接部件与设备等。 关于网络操作系统在第 12 章中有专门的介绍，而传输介质在第 3 章物理层中也已作了 介绍，所以在此不再赘述。本节主要针对局域网的主要组网设备作一些简要的介绍。 5.4.1 服务器和工作站 组建局域网的主要目的是为了在不同的计算机之间实现资源共享。局域网中的计算机 机根据其功能和作用的不同被分为两大类。有一类计算机主要是为其它计算机提供服务， 我们将其称为服务器（server）；而另一类计算机则使用服务器所提供的服务，我们把它叫 做工作站（workstation）或客户机(client)。 服务器是网络的服务中心。为满足众多用户的大量服务请求，服务器通常由高档计算 机承担，并应满足以下性能和配置要求： z 响应多用户的请求：网络服务器必须同时为多个用户提供服务，当多个用户的客 户程序同时发出服务请求时，服务器要能及时响应每个客户程序的请求，且能够 对它们分别进行互不干扰的处理。 z 处理速度快：为了及时响应多个用户的服务请求，服务器要有很强的数据处理和 计算能力，从而对服务器的 CPU 性能提出了较高的要求，甚至要求在服务器中采 用多 CPU 来提高其处理能力和速度。 z 存储容量大：网络服务器应能提供尽可能多的共享资源，为满足多用户同时请示 的需要，服务器要配置足够的内存和外存。在许多服务器上，采用硬盘阵列来增 加服务器的硬盘容量。 z 安全性好：服务器要能够对用户身份的合法性进行验证，并能根据用户权限为用 户提供授权的服务，另外，还要应用一些必要的硬件和软件手段，保证服务器上 资源的完整性和一致性
