第三章局域网基础

局域网与城域网本章所占分值为8——10分。

一．局域网与城域网决定局域网与城域网特点的三要素是：网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。

1. 局域网拓扑结构的类型与特点局域网的网络拓扑结构主要分为总线型、环型与星型；网络传输介质主要采用双绞线、同轴电缆与光纤等。

（1）总线型拓扑结构总线型局域网的介质访问控制方法采用共享介质方式。

总线型拓扑结构的优点是：结构简单，实现容易，易于扩展，可靠性较好。

总线型局域网的主要特点如下（重点）：●∙所有结点都通过网卡连接到作为公共传输介质的总线上；●∙通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质；●∙所有结点都可以通过总线发送或接收数据，但是一段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。

当一个结点通过总线以“广播”方式发送数据时，其他结点只能以“收听”方式接收数据；●∙由于总线作为公共传输介质为多个结点所共享，就可能出现同一时刻有两个或两个以上结点通过总线发送数据的情况，因此会出现冲突而造成传输失败；●∙在总线型局域网的实现技术中，必须解决多个结点访问总线的介质访问控制(Media Access Control，MAC)问题。

（2）环型拓扑结构在环型拓扑结构中，结点之间通过网卡利用点到点线路连接构成闭合的环型。

环中数据沿着一个方向绕环逐站传输。

2. 传输介质类型与介质访问控制方法（1）局域网的传输介质类型局域网常用的传输介质包括：同轴电缆、双绞线、光缆与无线信道。

（2）局域网的介质访问控制方法IEEE 802.2标准定义的共享介质局域网有以下3类:●∙带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA／CD)方法的总线型局域网；●∙令牌总线(Token Bus)方法的总线型局域网；●∙令牌环(Token Ring)方法的环型局域网。

3. IEEE 802参考模型（重点）IEEE802标准：总结局域网技术应用的实际情况，可以得出以下几个重要的发展趋势：（1）以太网已经占据绝对的优势，成为办公自动化环境组建局域网的首选技术；（2）在大型局域网系统中，桌面系统采用10 Mbps的以太网或100 Mbps的快速以太网，主干网采用l Gbps的千兆以太网技术，核心交换网采用l0 Mbps的10 GE技术成为趋势；（3） 10 Mbps以太网物理层有多种标准，目前基本使用非屏蔽双绞线l0BASE—T标准；（4） IP协议直接将分组封装在以太网帧中，LLC协议已经很少使用；（5）千兆以太网与万兆以太网保留传统的以太网帧结构，但是它们在主干网或核心网中应用时，基本上采用光纤作为传输介质，采用点到点的全双工通信方式，而不是传统的CSMA／CD的随机争用方式；（6）千兆以太网与万兆以太网技术已经发展成熟，并从局域网应用逐步扩大到城域网与广域网中；（7）无线局域网技术将成为下个阶段研究与应用的重点。

例题：（2009年4月）局域网协议标准是________。

试题解析：本道题考察的是局域网标准的相关知识点，属于识记型内容。

根据局域网的参考模型，本题的答案为：IEEE802。

以太网二．以太网1. 以太网的发展在20世纪80年代，以太网、令牌总线、总线环形成三足鼎立局面，目前以太网仍是应用最广泛的局域网。

以太网的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA／CD)方法。

它的核心技术起源于无线分组交换网——ALOHA网。

1977年，Bob Metcalf申请以太网专利。

l978年他们研制的以太网中继器获得专利。

l980年，XEROX、DEC与Intel三家公司合作，第一次公布以太网的物理层、数据链路层规范。

l981年，Ethernet V2．0规范公布。

IEEE 802．3标准是在Ethernet V2．0的基础上制定的，推动了以太网技术的发展和广泛应用。

l990年，IEEE 802．3标准中的物理层标准10 BASE—T推出，使用普通双绞线作为以太网传输介质。

1993年，使用光纤介质的物理层标准10BASE-F和产品推出。

l995年，传输速率为100 Mbps的快速以太网标准和产品推出。

l998年，传输速率为1 Gbps的千兆以太网标准推出。

1999年，万兆以太网的产品问世，并成为局域网主干网的首选方案。

2. 以太网帧结构与工作流程分析CSMA／CD方法描述：在以太网中，如果一个结点要发送数据，它以“广播”方式通过总线发送一个数据帧，连在总线上的所有结点都能“收听”到这个数据帧。

由于网中的所有结点都可以利用总线发送数据，并且网络中没有控制中心，因此冲突的发生将不可避免。

为了有效实现多个结点访问公共传输介质的控制策略，CSMA／CD的发送流程可以简单概括为4点：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。

工作流程如下图所示。

（1）载波侦听每个以太网结点利用总线发送数据时，首先需要侦听总线是否空闲。

以太网的物理层规定发送的数据采用曼彻斯特编码方式。

（2）冲突检测方法有一种极端的情况是结点A向结点B发送数据，在数据信号正好快要到达结点B时，结点B也发送数据，此时冲突发生。

等到冲突的信号传送回结点A时，已经过两倍的传播延迟2r，其中r=D／V，D为总线最大长度，v是电磁波在介质中的传播速率。

如果超过两倍的传播延迟(2r)时间没有检测出冲突，就能肯定该结点已取得总线访问权，因此人们将2D／V定义为冲突窗口。

从电子学的具体实现角度看，进行冲突检测可以有两种方法：比较法和编码违例判决法。

比较法是指发送结点在发送帧的同时，将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。

编码违例判决法是指检查从总线上接收的信号波形。

（3）发现冲突、停止发送如果在发送数据过程中检测出冲突，为了解决信道争用冲突，发送结点要进入停止发送数据、随机延迟后重发的流程。

随机延迟重发的第一步是发送“冲突加强信号”。

发送冲突加强信号的目的是确保有足够的冲突持续时间，使得网中的所有结点都能检测出冲突的存在，并立即丢弃冲突帧，减少由于冲突浪费的时间，提高信道利用率。

（4）随机延迟重发以太网协议规定一个帧的最大重发次数为l6。

如果重发次数超过16，则认为线路故障，进入“冲突过多”结束状态。

如果重发次数n≤16，则允许结点随机延迟再重发。

为了公平地解决信道争用问题，需要确定后退延迟算法。

典型的CSMA／CD后退延迟算法是截止二进制指数后退延迟算法。

3. 以太网帧结构本节按Ethernet V2．0规范的帧结构进行讨论。

DIX帧结构如下：以太网帧结构主要包括以下几个部分（重点、易考点）：（1）前导码与帧前定界符字段以太网物理层的角度来看，接收电路从开始接收位到进入稳定状态需要一定的时间。

（2）目的地址和源地址字段（3）类型字段表示的是网络层使用的协议类型。

（4）数据字段数据字段是高层待发送的数据部分。

数据字段的最小长度为46B。

如果帧的数据字段值小于46B，应该将它填充至46B。

填充字符是任意的，不计入长度字段值中。

数据字段的最大长度为l 500B。

由于帧头部分包括6B长的目的地址、6B长的源地址字段、2B长的长度字段与4B长的帧校验字段，因此帧头部分的长度为l8B。

以太网帧的最小长度为64B，最大长度为l 518B。

（5）帧校验字段帧校验字段(FCS)采用32位的循环冗余校验(CRC)。

CRC校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段。

CRC校验的生成多项式为：例题：（2010年3月）在以太网的帧结构中，表示网络层协议的字段是（）A)前导码B)源地址C)帧校验D)类型试题解析：本题考察的是以太网帧结构的识记型知识点，前导码是为了保证接收电路在帧的目的地址字段到来之前达到正常接收状态。

帧前定界符可以视为前导码的延续。

类型字段表示的是网络层使用的协议类型。

所以本题选D。

4. 以太网帧的接收流程如下图所示：5. 以太网的实现方法从实现的角度来看，构成以太网网络连接的设备包括网卡、收发器和收发器电缆；从功能的角度来看，包括发送与接收信号的收发器、曼彻斯特编码与解码器、以太网数据链路控制、帧装配及与主机的接口；从层次的角度来看，这些功能覆盖了IEEE 802．3标准的MAC子层与物理层。

实际的网卡均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VLSl芯片。

6. 以太网地址（重点）为了统一管理以太网的物理地址，保证每块以太网网卡的地址是唯一的，IEEE注册管理委员会(RAC)为每个网卡生产商分配以太网物理地址的前3B，即公司标识，也称为机构唯一标识符(OUI)。

后面的3B由网卡的厂商自行分配。

当一家网卡生产商获得前3 B地址的分配权后，它可以生产的网卡数量是224。

例如，IEEE分配给3COM公司的前3B地址可能有多个，其中一个是006008。

局域网地址的表示方法为00—60-08，在两个十六进制数之间用一个连字符隔开。

3COM公司可以为生产的每个网卡分配后 3 8的地址值(例如00-A6-38)，则这个网卡的物理地址为00-60-08-00-A6-38。

例题：（2008年9月）以下哪个是正确的Ethemet物理地址?A)00-60-08B)00-60-08-00-A6-38C)00-60-08-00D)00-60-08-00-A6-38-00试题解析：本题考察的是以太网地址的识记型知识点。

MAC地址共由48bit组成，前24bit为公司标识，后24bit由网卡的厂商自行分配。

所以本题选B。

高速局域网三．高速局域网（重点）高速以太网技术的发展过程如图所示：1. 快速以太网快速以太网的传输速率是普通以太网的10倍，数据传输速率达到l00 Mbps，但是它保留着传统10 Mbps 以太网的基本特征，采用相同的帧格式、介质访问控制方法与组网方法，只是将每位的发送时间由100ns 降低到10ns。

1995年9月，IEEE 802委员会正式批准快速以太网标准——IEEE 802．3u。

100BASE—T有关传输介质的标准主要有3种。

（1）100BASE—TX：支持2对5类非屏蔽双绞线或2对1类屏蔽双绞线。

其中，一对双绞线用于发送，另一对双绞线用于接收。

100BASE—TX是一个全双工系统，每个结点可同时以100 Mbps的速率发送与接收数据。

（2）100BASE—T4：支持4对3类非屏蔽双绞线UTP，其中3对用于数据传输，l对用于冲突检测。

（3）100BASE—FX：支持2芯的多模或单模光纤，主要用于高速主干网，从结点到集线器的距离可以达到2 km。

100BASE—FX是一种全双工系统。

2.千兆以太网1998年2月，IEEE 802委员会正式批准千兆以太网标准——IEEE 802．3Z。

千兆以太网的传输速率比快速以太网快10倍，传输速率达到l Gbps。