计算机网络技术基础4.第四章 局域网
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图4-1 Realtek 10/100M自适应网卡
集线器
集线器（HUB）是一种特殊的中继器，如图4-2所示，其主要作用 是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。集线器负 责对多个网络电缆进行中间转接，以便对网络进行集中管理。另外， 集线器还有利于故障的检测和提高网络的可靠性，能自动指示有故障 的工作站，并切除其与网络的通信。
协议软件
协议软件主要用以实现网络协议功能，其种类较多，不同体系结构 的网络系统都有自身的协议软件，不同层次上的协议软件也不尽相同。
通信软件
通信软件就是使用户能方便地对自己的应用程序进行控制，同时 又能与多个工作站进行网络通信，并对通信数据进行加工和管理。
管理软件
管理软件的作用是帮助网络管理者便捷地解决网络中一些棘手的技 术难题，保证整个网络系统的正常运转。
服务器是整个网络系统的核心，它为网络用户提供服务并管理 整个网络。根据服务器在网络中所承担的任务和所提供的功能不 同，服务器可分为文件服务器、打印服务器和通信服务器。通常 我们要求服务器具有较高的性能，包括较快的数据处理速度、较 大的内存和较大容量的磁盘等。
工作站
工作站是网络各用户的工作场所，用户通过它可以与网络交换 信息，共享网络资源。工作站通过网卡、传输介质以及通信设备 连接到网络服务器，且仅对操作该工作站的用户提供服务。
环网的传输速度较快，例如在令牌环网中允许有16Mbit/s的传输速 度，这比传统的10Mbit/s以太网要快。
环网中各结点间是直接串联，这样任何一个结点出了故障都会造成 整个网络的中断、瘫痪，而且故障查找起来也非常困难。另外，如果 要添加或移动结点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器后 才能连接，比较麻烦。
第四章 局域网
本章学习要点：
➢ 局域网概述 ➢ 局域网的特点及其基本组成 ➢ 局域网的主要技术 ➢ 局域网体系结构与IEEE 802标准 ➢ 局域网组网技术 ➢ 快速网络技术 ➢ VLAN ➢ WLAN
4.1 局域网概述
1. 什么是局域网
局域网（LAN）是计算机网络的一种，它是在一个较小的范围 （一个办公室、一幢楼、一个学校等），利用通信线路将众多的 计算机及外设连接起来，以达到资源共享、信息传递和远程数据 通信的系统。
随着技术的发展和价格的不断降低，双绞线和光纤的应用日益普及。 双绞线依靠其低成本和高可靠性，在快速局域网中赢得了广泛地使用。
光纤主要应用在远距离、高速传输数据的网络环境中。光纤的可靠 性很高，具有许多双绞线和同轴电缆无法比拟的优点，随着光纤成本 的不断降低，今后还将越来越广泛地应用于局域网。
4.3.2 局域网的拓扑结构
星型网络中，信息一般采用广播式传送方式，任何一个结点发送的 信息，整个网络中的其它结点都可以收到。
2. 环型（Ring）
环型网络是用一条传输链路（同轴电缆）将一系列结点连成一个封 闭的环路，如图4-6所示。网络中的信息流只能单方向进行传输，每 个收到信息包的结点都向它的下游结点转发该信息包。
图4-6 环型网络结构示意图
2. 局域网的发展历程
60年代末至70年代初是局域网发展的萌芽阶段。
70年代中期是局域网发展的一个重要阶段，美国Xerox公司推出 的实验性以太网（Ethernet）和英国剑桥大学研制的剑桥环网 （Cambridge Ring）成为最初局域网的典型代表。
80年代初期是局域网走向大发展的时期，一些标准化组织开始 致力于局域网的有关协议和标准的制定。到了后期，局域网的产 品进入专业化生产和商品化的成熟阶段，获得了大范围的推广和 普及。 90年代以后，局域网步入了更高速的发展阶段，使用已相当普 遍。利用光导纤维作为通信介质构成的高速主干网，是目前许多 局域网系统普遍采用的一种结构形式。
各标准间的关系如下图4-9所示：
图4-9 IEEE 802各标准之间的关系
注意：在IEEE 802标准中，IEEE 802.3以太网（Ethernet）协议和 IEEE 802.5令牌环（Token—Ring）协议应用最为广泛。
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4.5 局域网组网技术
从目前的发展情况来看，局域网可以分为共享式局域网（Shared LAN）和交换式局域网（Switched LAN）两大类，其产品分类及 其相互间的关系如图4-10所示。
IEEE 802.7 宽带技术； IEEE 802.8 光纤技术（光纤分布数据接口FDDI） ； IEEE 802.9 综合业务数字网（ISDN）技术 ； IEEE 802.10 局域网安全技术 ； IEEE 802.11 无线局域网媒体访问控制方法和物理层技术规范
2. IEEE 802各标准间的关系
便于安装、维护和扩充
局域网一般为一个单位或部门内部控制、管理、使用和维护，因 此，无论从硬件系统还是软件系统来讲，网络的安装成本都较低， 周期短，维护和扩充都十分方便。
侧重于共享信息的处理，通常没有中央主机系统
4.2.2 局域网的基本组成
1. 局域网的硬件组成
局域网硬件包括以下一些主要设备：
服务器
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4.3 局域网的主要技术
局域网所涉及的技术很多，但决定局域网性能的主要技术有传输 介质、拓扑结构和介质访问控制方法。
4.3.1 局域网的传输介质
局域网常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆和无线电波。早 期的传统以太网（10Base-5，10Base-2等）使用最多的是同轴电缆。
4.3.3 介质访问控制方法
1. 什么是介质访问控制
介质访问控制，是指控制网上各工作站在适当的情况下发送数据， 并在发送数据的过程中，及时发现问题以及出现问题后妥善处理问 题的一整套管理方法。介质访问控制技术的优劣将对局域网的总体 性能产生决定性的影响。
2. 常用的媒体访问控制方法 CSMA/CD（带有碰撞检测的载波侦听多路访问） Token Ring（令牌环） Token Bus（令牌总线）
MAC子层的主要功能是控制对传输媒体的访问。IEEE 802标准制 定了多种介质访问控制方法，同一个LLC子层能与其中任一种访问方 法（如CSMA/CD，Token Ring，Token Bus）接口。
LLC子层的主要功能是向高层提供一个或多个逻辑接口，具有帧的 发送和接收功能。另外，它还有差错控制和流量控制等功能，同时还 具备网络层的某些功能。
图4-10 局域网产品类型与相互之间的关系
4.5.1 传统以太网
1. 以太网的标准
以太网发展成熟、基于标准化、传输速率高、系统功能强、安 装维护方便，它是当今国际最流行、最畅销的局域网。
二十多年来，以太网标准的发展情况如下表所示：
以太网标准 批准时间
传输媒体
传输速率 网段长度 拓扑结构
10BASE-5 10BASE-2 10BASE-T 10BROAD-36 10BASE-F
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4.2 局域网的特点及其基本组成
4.2.1 局域网的特点
概括地讲，局域网主要具有以下一些特点：
覆盖的地理范围较小
局域网主要用于单位内部联网，范围在一座办公大楼或集中的建 筑群内，一般在几公里范围内。
传输速率高、时延小且误码率低
局域网的传输速率一般为10～100Mbit/s，时延在几ms～几十ms之 间。并且局域网两个站点间具有专用通信线路传输数据，因此误码 率很低，仅为10-8～10-12。
总线作为公共传输介质为多个结点共享，因而就有可能出现两个或 两个以上的结点在同一时刻利用总线发送数据的“冲突”。总线型网 络必须要解决多个结点访问总线的介质访问控制问题。
由于网络各结点共享总线带宽，因此，数据传输速率会随着接入网 络用户数的增多而下降。另外在总线型网络中，虽然单个结点的故障 不影响整个网络的正常通信，但如果总线一旦发生故障，则整个网络 就断了。
星型网络中结点的扩展和移动都很方便，当加入新的结点时只需要 从集线器或交换机等集中设备中拉一条线即可，而一个结点出现故 障不会影响其它结点的连接，可直接将故障结点拆走，维护起来很 容易。 星型网络对中央结点的可靠性要求很高，若中央结点发生故障，全 网则趋于瘫痪。所以，通常都采用双机热备份，以提高系统的可靠性。
4.4.2 IEEE 802局域网标准
1. IEEE 802标准的内容 IEEE 802.1 局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联； IEEE 802.2 逻辑链路控制 LLC； IEEE 802.3 CSMA/CD介质访问控制标准和物理层技术规范； IEEE 802.4 令牌总线介质访问控制标准和物理层技术规范； IEEE 802.5 令牌环网介质访问控制方法和物理层技术规范； IEEE 802.6 城域网介质访问控制方法和物理层技术规范；
图4-8 IEEE802与ISO/OSI参考模型的对应关系
IEEE 802局域网参考模型中的物理层的功能是：在物理介质上实 现比特流的传输和接收、同步前序的产生与删除，规定了所使用的 信号、编码、传输介质以及有关的拓扑结构和传输速率等。
数据链路层又分为逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC） 两个功能子层。这种功能划分主要是为了将数据链路功能中与硬件 相关和无关的部分分开。
3. 总线型（Bus）
所有的结点都通过网络适配器直接连接到一条作为公共传输介质的 总线上，总线可以是同轴电缆、双绞线，也可以是光纤。如图4-7所 示：
图4-7 总线型网络结构示意图
总线型网络采用广播通信方式，即任何一个结点发送的信号都可以 沿着介质传播，而且能被网络上其他所有结点所接收，但在同一时间 内，只允许一个结点发送数据。
网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，它对整个 网络的设计、功能、可靠性和成本等方面有着重要的影响。目前局域 网使用的拓扑结构主要有以下3种：
1. 星型（Star）
星型拓扑结构中存在一个中央结点（如集线器或交换机） ，其余 每个工作站结点通过点到点线路与中央节点相连。如图4-5所示：
图4-5 星型网络结构示意图
1983 1988 1990 1988 1992
同轴电缆（粗） 同轴电缆（细） 100Ω2对线3类
75Ω同轴电缆 光纤电缆
10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s
500m 185m 100m 1800m 2000m
总线型 总线型
星型 总线型
星型
图4-2 集线器 HUB
传输介质
局域网中常用的传输介质主要有同轴电缆（如图4-3所示）、双绞 线和光纤（如图4-4所示）。
图4-3 同轴电缆
图4-4 光纤
外设
外设主要是指网络上可供网络用户共享的外部设备，包括打印机、 绘图仪、扫描器、MODEM等。
2. 局域网的软件组成
网络软件也是局域网系统中不可缺少的重要资源，根据它们所 起作用的不同，可以将其分为以下五类：
网卡
网卡是局域网中最基本、最重要的连接设备，如图4-1所示，计算机 通过网卡接入局域网络。网卡一方面要和主机交换数据；另一方面还 要保证数据交换以网络物理数据的路径和格式来传送或接收。另外， 为防止数据的丢失，网卡上还需要缓存，以实现不同设备间的数据缓 冲。网卡上的ROM芯片固化有控制通信软件，用来实现上述功能。
网络操作系统
网络操作系统(NOS)是用户和网络之间的接口，它具有处理机管理、 存储管理、设备管理、文件管理以及网络管理等功能。目前较流行的 局域网操作系统Windows 2000 Server、Windows Server 2003，Novell
公司的Netware等。 网络应用软件
网络应用软件是专门为某一个应用领域而开发的软件，能为用户 提供一些实际的网络应用服务。它既可以用于管理和维护网络本身， 也可用于一个业务领域。
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4.4 局域网体系结构与IEEE 802标准
4.4.1 局域网参考模型
IEEE 802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，主要解决最低两层 （即物理层和数据链路层）的功能以及与网络层的接口服务。 IEEE802参考模型中不再设立网络层，它与ISO/OSI参考模型的对应 关系如图4-8所示：
集线器
集线器（HUB）是一种特殊的中继器，如图4-2所示，其主要作用 是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。集线器负 责对多个网络电缆进行中间转接，以便对网络进行集中管理。另外， 集线器还有利于故障的检测和提高网络的可靠性，能自动指示有故障 的工作站，并切除其与网络的通信。
协议软件
协议软件主要用以实现网络协议功能，其种类较多，不同体系结构 的网络系统都有自身的协议软件，不同层次上的协议软件也不尽相同。
通信软件
通信软件就是使用户能方便地对自己的应用程序进行控制，同时 又能与多个工作站进行网络通信，并对通信数据进行加工和管理。
管理软件
管理软件的作用是帮助网络管理者便捷地解决网络中一些棘手的技 术难题，保证整个网络系统的正常运转。
服务器是整个网络系统的核心，它为网络用户提供服务并管理 整个网络。根据服务器在网络中所承担的任务和所提供的功能不 同，服务器可分为文件服务器、打印服务器和通信服务器。通常 我们要求服务器具有较高的性能，包括较快的数据处理速度、较 大的内存和较大容量的磁盘等。
工作站
工作站是网络各用户的工作场所，用户通过它可以与网络交换 信息，共享网络资源。工作站通过网卡、传输介质以及通信设备 连接到网络服务器，且仅对操作该工作站的用户提供服务。
环网的传输速度较快，例如在令牌环网中允许有16Mbit/s的传输速 度，这比传统的10Mbit/s以太网要快。
环网中各结点间是直接串联，这样任何一个结点出了故障都会造成 整个网络的中断、瘫痪，而且故障查找起来也非常困难。另外，如果 要添加或移动结点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器后 才能连接，比较麻烦。
第四章 局域网
本章学习要点：
➢ 局域网概述 ➢ 局域网的特点及其基本组成 ➢ 局域网的主要技术 ➢ 局域网体系结构与IEEE 802标准 ➢ 局域网组网技术 ➢ 快速网络技术 ➢ VLAN ➢ WLAN
4.1 局域网概述
1. 什么是局域网
局域网（LAN）是计算机网络的一种，它是在一个较小的范围 （一个办公室、一幢楼、一个学校等），利用通信线路将众多的 计算机及外设连接起来，以达到资源共享、信息传递和远程数据 通信的系统。
随着技术的发展和价格的不断降低，双绞线和光纤的应用日益普及。 双绞线依靠其低成本和高可靠性，在快速局域网中赢得了广泛地使用。
光纤主要应用在远距离、高速传输数据的网络环境中。光纤的可靠 性很高，具有许多双绞线和同轴电缆无法比拟的优点，随着光纤成本 的不断降低，今后还将越来越广泛地应用于局域网。
4.3.2 局域网的拓扑结构
星型网络中，信息一般采用广播式传送方式，任何一个结点发送的 信息，整个网络中的其它结点都可以收到。
2. 环型（Ring）
环型网络是用一条传输链路（同轴电缆）将一系列结点连成一个封 闭的环路，如图4-6所示。网络中的信息流只能单方向进行传输，每 个收到信息包的结点都向它的下游结点转发该信息包。
图4-6 环型网络结构示意图
2. 局域网的发展历程
60年代末至70年代初是局域网发展的萌芽阶段。
70年代中期是局域网发展的一个重要阶段，美国Xerox公司推出 的实验性以太网（Ethernet）和英国剑桥大学研制的剑桥环网 （Cambridge Ring）成为最初局域网的典型代表。
80年代初期是局域网走向大发展的时期，一些标准化组织开始 致力于局域网的有关协议和标准的制定。到了后期，局域网的产 品进入专业化生产和商品化的成熟阶段，获得了大范围的推广和 普及。 90年代以后，局域网步入了更高速的发展阶段，使用已相当普 遍。利用光导纤维作为通信介质构成的高速主干网，是目前许多 局域网系统普遍采用的一种结构形式。
各标准间的关系如下图4-9所示：
图4-9 IEEE 802各标准之间的关系
注意：在IEEE 802标准中，IEEE 802.3以太网（Ethernet）协议和 IEEE 802.5令牌环（Token—Ring）协议应用最为广泛。
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4.5 局域网组网技术
从目前的发展情况来看，局域网可以分为共享式局域网（Shared LAN）和交换式局域网（Switched LAN）两大类，其产品分类及 其相互间的关系如图4-10所示。
IEEE 802.7 宽带技术； IEEE 802.8 光纤技术（光纤分布数据接口FDDI） ； IEEE 802.9 综合业务数字网（ISDN）技术 ； IEEE 802.10 局域网安全技术 ； IEEE 802.11 无线局域网媒体访问控制方法和物理层技术规范
2. IEEE 802各标准间的关系
便于安装、维护和扩充
局域网一般为一个单位或部门内部控制、管理、使用和维护，因 此，无论从硬件系统还是软件系统来讲，网络的安装成本都较低， 周期短，维护和扩充都十分方便。
侧重于共享信息的处理，通常没有中央主机系统
4.2.2 局域网的基本组成
1. 局域网的硬件组成
局域网硬件包括以下一些主要设备：
服务器
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4.3 局域网的主要技术
局域网所涉及的技术很多，但决定局域网性能的主要技术有传输 介质、拓扑结构和介质访问控制方法。
4.3.1 局域网的传输介质
局域网常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆和无线电波。早 期的传统以太网（10Base-5，10Base-2等）使用最多的是同轴电缆。
4.3.3 介质访问控制方法
1. 什么是介质访问控制
介质访问控制，是指控制网上各工作站在适当的情况下发送数据， 并在发送数据的过程中，及时发现问题以及出现问题后妥善处理问 题的一整套管理方法。介质访问控制技术的优劣将对局域网的总体 性能产生决定性的影响。
2. 常用的媒体访问控制方法 CSMA/CD（带有碰撞检测的载波侦听多路访问） Token Ring（令牌环） Token Bus（令牌总线）
MAC子层的主要功能是控制对传输媒体的访问。IEEE 802标准制 定了多种介质访问控制方法，同一个LLC子层能与其中任一种访问方 法（如CSMA/CD，Token Ring，Token Bus）接口。
LLC子层的主要功能是向高层提供一个或多个逻辑接口，具有帧的 发送和接收功能。另外，它还有差错控制和流量控制等功能，同时还 具备网络层的某些功能。
图4-10 局域网产品类型与相互之间的关系
4.5.1 传统以太网
1. 以太网的标准
以太网发展成熟、基于标准化、传输速率高、系统功能强、安 装维护方便，它是当今国际最流行、最畅销的局域网。
二十多年来，以太网标准的发展情况如下表所示：
以太网标准 批准时间
传输媒体
传输速率 网段长度 拓扑结构
10BASE-5 10BASE-2 10BASE-T 10BROAD-36 10BASE-F
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4.2 局域网的特点及其基本组成
4.2.1 局域网的特点
概括地讲，局域网主要具有以下一些特点：
覆盖的地理范围较小
局域网主要用于单位内部联网，范围在一座办公大楼或集中的建 筑群内，一般在几公里范围内。
传输速率高、时延小且误码率低
局域网的传输速率一般为10～100Mbit/s，时延在几ms～几十ms之 间。并且局域网两个站点间具有专用通信线路传输数据，因此误码 率很低，仅为10-8～10-12。
总线作为公共传输介质为多个结点共享，因而就有可能出现两个或 两个以上的结点在同一时刻利用总线发送数据的“冲突”。总线型网 络必须要解决多个结点访问总线的介质访问控制问题。
由于网络各结点共享总线带宽，因此，数据传输速率会随着接入网 络用户数的增多而下降。另外在总线型网络中，虽然单个结点的故障 不影响整个网络的正常通信，但如果总线一旦发生故障，则整个网络 就断了。
星型网络中结点的扩展和移动都很方便，当加入新的结点时只需要 从集线器或交换机等集中设备中拉一条线即可，而一个结点出现故 障不会影响其它结点的连接，可直接将故障结点拆走，维护起来很 容易。 星型网络对中央结点的可靠性要求很高，若中央结点发生故障，全 网则趋于瘫痪。所以，通常都采用双机热备份，以提高系统的可靠性。
4.4.2 IEEE 802局域网标准
1. IEEE 802标准的内容 IEEE 802.1 局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联； IEEE 802.2 逻辑链路控制 LLC； IEEE 802.3 CSMA/CD介质访问控制标准和物理层技术规范； IEEE 802.4 令牌总线介质访问控制标准和物理层技术规范； IEEE 802.5 令牌环网介质访问控制方法和物理层技术规范； IEEE 802.6 城域网介质访问控制方法和物理层技术规范；
图4-8 IEEE802与ISO/OSI参考模型的对应关系
IEEE 802局域网参考模型中的物理层的功能是：在物理介质上实 现比特流的传输和接收、同步前序的产生与删除，规定了所使用的 信号、编码、传输介质以及有关的拓扑结构和传输速率等。
数据链路层又分为逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC） 两个功能子层。这种功能划分主要是为了将数据链路功能中与硬件 相关和无关的部分分开。
3. 总线型（Bus）
所有的结点都通过网络适配器直接连接到一条作为公共传输介质的 总线上，总线可以是同轴电缆、双绞线，也可以是光纤。如图4-7所 示：
图4-7 总线型网络结构示意图
总线型网络采用广播通信方式，即任何一个结点发送的信号都可以 沿着介质传播，而且能被网络上其他所有结点所接收，但在同一时间 内，只允许一个结点发送数据。
网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，它对整个 网络的设计、功能、可靠性和成本等方面有着重要的影响。目前局域 网使用的拓扑结构主要有以下3种：
1. 星型（Star）
星型拓扑结构中存在一个中央结点（如集线器或交换机） ，其余 每个工作站结点通过点到点线路与中央节点相连。如图4-5所示：
图4-5 星型网络结构示意图
1983 1988 1990 1988 1992
同轴电缆（粗） 同轴电缆（细） 100Ω2对线3类
75Ω同轴电缆 光纤电缆
10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s 10Mbit/s
500m 185m 100m 1800m 2000m
总线型 总线型
星型 总线型
星型
图4-2 集线器 HUB
传输介质
局域网中常用的传输介质主要有同轴电缆（如图4-3所示）、双绞 线和光纤（如图4-4所示）。
图4-3 同轴电缆
图4-4 光纤
外设
外设主要是指网络上可供网络用户共享的外部设备，包括打印机、 绘图仪、扫描器、MODEM等。
2. 局域网的软件组成
网络软件也是局域网系统中不可缺少的重要资源，根据它们所 起作用的不同，可以将其分为以下五类：
网卡
网卡是局域网中最基本、最重要的连接设备，如图4-1所示，计算机 通过网卡接入局域网络。网卡一方面要和主机交换数据；另一方面还 要保证数据交换以网络物理数据的路径和格式来传送或接收。另外， 为防止数据的丢失，网卡上还需要缓存，以实现不同设备间的数据缓 冲。网卡上的ROM芯片固化有控制通信软件，用来实现上述功能。
网络操作系统
网络操作系统(NOS)是用户和网络之间的接口，它具有处理机管理、 存储管理、设备管理、文件管理以及网络管理等功能。目前较流行的 局域网操作系统Windows 2000 Server、Windows Server 2003，Novell
公司的Netware等。 网络应用软件
网络应用软件是专门为某一个应用领域而开发的软件，能为用户 提供一些实际的网络应用服务。它既可以用于管理和维护网络本身， 也可用于一个业务领域。
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4.4 局域网体系结构与IEEE 802标准
4.4.1 局域网参考模型
IEEE 802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，主要解决最低两层 （即物理层和数据链路层）的功能以及与网络层的接口服务。 IEEE802参考模型中不再设立网络层，它与ISO/OSI参考模型的对应 关系如图4-8所示：