第4章局域网

4.2 传统以太网
“传统以太网”表示最早进入市场的10 Mbit/s速率 的以太网。 4.2.1 以太网的工作原理
1．以太网的两个标准
局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链 路控制LLC (Logical Link Control)子层和媒体接入 控制MAC (Medium Access Control)子层。与接入 到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局 域网对LLC子层来说是都透明的，如图4-2所示。
（2）一个集线器有许多端口，因此，一个集线 器很像一个多端口的转发器。 （3）集线器和转发器都是工作在物理层，它的 每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集 线器的某个端口接收到工作站发来的比特时， 就简单地将该比特向所有其他端口转发。若两 个端口同时有信号输入(即发生碰撞)，那么所 有的端口都收不到正确的帧。为了说明上述原 理，图4-10给出三个端口的集线器的示意图 （4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应 串音回波抵消。
为了比较这三种以太网布线方案的区别， 图4-11画出了一组办公室用三种不同方案布 线的情况。
上述的三种以太网的主要指标的比较如表5-1所示。
表 5-1 10 M bit/s 粗缆以太网、细缆以太网和无屏蔽双绞线以太网的比较 粗缆以太网 最大网段长度 每网段上的最大 MAU 数 最大网络长度 (用转发器 ) 连接器类型 拓扑 每个网络的最大站数 500 m 100 2500 m DB-15 总线 1024 细缆以太网 185 m 30 1000 m BNC 接头 总线 1024 无屏蔽双绞线以太网 100 m — 2500 m(用粗缆主干 ) RJ-45 星形 1024
本章介绍的以太网主要都是假定数据链路 层只有一个MAC层而不考虑LLC子层。这样 做对以太网工作原理的讨论会更加简洁。
2．网卡的作用
网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络 接口卡NIC (Network Interface Card)，但现在 更多的人愿意使用更为简单的名称“网卡”。网 卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上 的I/O总线以并行传输方式进行的，如图4-3所 示。
因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。 因此当某个站监听到总线是空闲时，也可能总 线并非是空闲的。如图4-5所议时，一个站不可 能同时进行发送和接收。因此使用CSMA/CD 协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进 行双向交替通信(半双工通信)。 每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内， 存在着遭遇碰撞的可能性。以太网的这一特点 称为发送的不确定性。
有的书将上述最低位写为“第一比特”，但这 样有些含糊不清，因为“第一”的定义是不明 确的。这点可从图5-16看出。
图5-17表示用网卡上的硬件地址来标识局域网上的计算机和 路由器。
这里“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧(一对一)，即收到的帧的MAC 地址与本站的硬件地址相同。 广播(broadcast)帧(一对全体)，即发送给所有 站点的帧(全1地址)。 多播(multicast)帧(一对多)，即发送给一部分站 点的帧。
从MAC子层向下传到物理层时还要在帧的前面 插入八个字节(由硬件生成)，它由两个字段构 成。第一个字段共七个字节，称为前同步码(1 和0交替的码)。前同步码的作用是使接收端在 接收MAC帧时能够迅速实现比特同步。第二个 字段是帧开始定界符，定义为10101011，表示 在这后面的信息就是MAC帧了。
为了通信的简便，以太网采取了两种方法。第 一，采用无连接的工作方式，即不必先建立连 接就可以直接发送数据。第二，不要求收到数 据的目的站发回确认。不要确认的理由是局域 网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概 率是很小的。因此，以太网提供的服务是不可 靠的交付，即尽最大努力的交付。
以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议， 即 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 载波监听多点接入/ 碰撞检测。下面是CSMA/CD的要点。 “多点接入” “载波监听” “碰撞检测”
（1）能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、 数据。从一个站点可访问全网。 （2）便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置 可灵活调整和改变。 （3）提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
图4-1(a)是星形网。近年来由于集线器(hub)的出 现和双绞线大量用于局域网中，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。 图4-1(b)是环形网，最典型的就是令牌环形网 (token ring)，它又称为令牌环。图4-1(c)为总线 网，各站直接连在总线上。总线网可使用两种协 议。一种是传统以太网使用的CSMA/CD，另一 种是令牌传递总线网。图4-1(d)是树形网，它是 总线网的变型。
网卡的功能主要有以下三个： （1）数据的封装与解封，发送时将上一层交下 来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。 接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送 交上一层。 （2）链路管理，主要是CSMA/CD协议的实现。 （3）编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。
集线器的一些特点如下： （1）从表面上看，使用集线器的局域网在物理上 是一个星形网，但由于集线器是使用电子器件 来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然 像一个传统的以太网那样运行。也就是说，使 用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网， 各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻 辑上的总线。网络中的各个计算机必须竞争对 传输媒体的控制，并且在一个特定时间至多只 有一台计算机能够发送数据。因此，这种 10BASE-T以太网又称为星型总线(star-shaped bus)或盒中总线(bus in a box)。
802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无 效的MAC帧： （1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值 不一致； （2）帧的长度不是整数个字节； （3）用收到的帧检验序列FCS查出有差错； （4）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在 46 ￣ 1500字节之间。
4.4 扩展的局域网
4.4.1 在物理层扩展局域网 一个学院的三个系各有一个10BASE-T局域网 (如图5-19(a)所示)，可通过一个主干集线器互相 连接起来，成为一个更大的扩展的局域网(如图519(b)所示)。
粗缆以太网是最初使用的以太网，其网卡通过 DB-15型连接器(15针)与收发器电缆(transceiver cable)相连，收发器电缆的正式名称是AUI电缆。 AUI是连接单元接口(Attachment Unit Interface) 的缩写。收发器电缆的另一端连接到收发器 (transceiver)。收发器电缆的长度不能超过50 m。
4．争用期
以太网的端到端往返时延2τ称为争用期 (contention period)。争用期又称为碰撞窗口 (collision window)。以太网争用期为51.2us最 短有效帧长为64字节 为了使每个站都能尽可能早地知道是否发生了 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，还要再继续发送若 干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便 让所有用户都知道现在已经发生了碰撞
媒体共享技术可分为如下两大类： （1）静态划分信道 这种划分信道的方法不够灵活，不适合于局 域网和某些广播信道的网络使用。 （2）动态媒体接入控制 它又称为多点接入(multiple access)，其特 点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。 这里又分为以下两类： · 随机接入，随机接入的特点是所有的用户可随 机地发送信息。 · 受控接入，受控接入的特点是用户不能随机地 发送信息而必须服从一定的控制。
收发器的功能如下： （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）当收发器或所连接的计算机出故障时，保 护同轴电缆不受其影响。 上述最后一个功能叫做超长控制(jabber control)。
4.3.2 两种不同的MAC帧格式 以太网的MAC帧格式有两种标准，一种是 DIX Ethernet V2标准，另一种是IEEE的802.3 标准。图5-18画出了这两种不同的MAC帧格式。
IEEE 802.3标准规定的MAC帧和以太网V2的 MAC帧的区别是： （1）第三个字段是长度/类型字段。根据长度/类 型字段的数值大小，这个字段可以表示MAC客 户数据字段的长度(请注意：不是整个数据帧的 长度)，也可以等同于以太网V2的类型字段。 （2）当长度/类型字段表示类型时，802.3的 MAC帧和以太网V2的MAC帧一样，它的MAC 客户数据字段装的是来自IP层的IP数据报。
4.2.2 传统以太网的连接方法
传统以太网可使用的传输媒体有四种，即粗缆、 细缆、铜线和光缆。 图4-7在MAC层下面给出了对应于这四种传输媒 10BASE-T(双绞线)和10BASE-F (光缆)。 图4-8给出了用铜缆或铜线连接到以太网的示意 图。
体的物理层，即10BASE4(粗缆)、10BASE2(细缆)、
4.3 以太网的MAC层
4.3.1 MAC层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址 或MAC地址。
现在IEEE的注册管理委员会RAC (Registration Authority Committee)是局域网全球地址的法 定管理机构，它负责分配地址字段的六个字节 中的前三个字节(即高位24 bit)。世界上凡要生 产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买由这三 个字节构成的一个号(即地址块)，这个号的正 式 名 称 是 机 构 惟 一 标 识 符 OUI (Organizationally Unique Identifier)，通常也 叫做公司标识符(company_id)。目前的价格是 1250美元买一个地址块。例如，3Com公司生 产的网卡的MAC地址的前六个字节是02-608C①。地址字段中的后三个字节(即低位24 bit) 则是由厂家自行指派，称为扩展标识符 (extended identifier)，只要保证生产出的网卡 没有重复地址即可。
第4章 局 域 网
4.1 局域网概述 4.2 传统以太网 4.3 以太网的MAC层 4.4 扩展的局域网 4.5 虚拟局域网 4.6 高速以太网 4.7 其他种类的高速局域网 4.8 无线局域网
4.1 局域网概述
局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有， 且地理范围和站点数目均有限。 局域网具有如下的一些主要优点：
网卡不是完全自治的单元，通常称为半自治单 元。当网卡收到一个有差错的帧时，它就丢弃 此帧而不必通知它所插入的计算机。当网卡收 到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计 算机并交付给网络层。当计算机要发送一个IP 数据报时，就由协议栈向下交给网卡组装成帧 后发送到局域网。
3．CSMA/CD协议
以太网将许多计算机都连接到一根总线上。当 初认为这样的连接方法既简单又可靠。总线的 特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的 所有计算机都能检测到这个数据。这种通信方 式是广播通信。但我们并不总是希望使用广播 通信。为了在总线上实现一对一的通信，可以 使每一台计算机拥有一个与其他计算机都不同 的地址。在发送数据帧时，在帧的首部写明接 收站的地址。现在的电子技术可以很容易地做 到：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。计算 机对不是发送给自己的数据帧，则一律不接收。 图4-4是上述概念的示意图。