计算机网络第4章局域网技术
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31
4.4.2 以太网工作原理 1. 以太网的网络体系结构
32
以太网结构中，数据链路层被分割为两个子层，即介质访问 控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。这是因 为在传统的数据链路控制中缺少对包含多个源地址和多个目 的地址的链路进行访问管理所需的逻辑控制，因此在LLC 不变的情况下，只需改变MAC便能够适应不同的介质和访 问方法，LLC与介质相对无关。
➢目前最流行的局域网—以太网（Ethernet）使用的就是 CSMA/CD介质访问控制方式，而FDDI网则使用令牌环介质 访问控制方式。
21
4.3 局域网介质访问控制方法
采用CSMA／CD介质访问控制方法的总线型局域网中， 每一个结点利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙、闲 状态。如果总线上已经有数据信号传输，则为总线忙；如果 总线上没有数据传输，则为总线空闲。如果一个结点准备好 发送的数据帧，并且此时总线空闲，它就可以启动发送。同 时也存在着这种可能，那就是在几乎相同的时刻，有两个或 两个以上结点发送了数据，那么就会产生冲突，因此结点在 发送数据的同时应该进行冲突检测。采用CSMA／CD介质 访问控制方法的总线型局域网的工作过程如图所示。
1
本章要点
✓局域网的概念 ✓局域网的拓扑结构 ✓IEEE 802局域网标准 ✓以太网技术 ✓局域网介质访问控制方法 ✓交换式局域网 ✓虚拟局域网VLAN
2
4.1.1 局域网的定义和特点 1．早期局域网的主要特点 （1）局域网是一种通信网络； （2）连入局域网的数据通信设备种类多样，包括
计算机、终端和各种外部设备； （3）局域网覆盖地理范围较小，例如一个教室、
总线 (a)共享介质局域网
交换机
（b)交换机局域网 12
4.1 局域网的基本概念
2．按照介质访问控制方法
以太网：以太网采用载波监听多路访问／ 冲突检测（CSMA／CD）介质访问控制方 法，通过“监听”和“重传”来解决数据 发送和接收中的冲突问题。
令牌环网：令牌环网则是通过“令牌”， 以让各个结点获得数据发送权，避免数据 传输的冲突。
17
4.2 局域网参考模型与协议
IEEE 802.1：概述体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测试。 IEEE 802.2：表示了逻辑链路控制子层LLC功能。 IEEE 802.3：表示CSMA/CD介质访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.4：表示令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.5：表示令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.6：表示城域网介质访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.7：代表宽带技术。 IEEE 802.8：代表光纤技术。 IEEE 802.9：表示综合语音与数据局域网技术。 IEEE 802.10：表示可互操作的局域网的安全规范。 IEEE 802.11：表示无线局域网技术。 IEEE 802.12：定义了100VG AnyLAN规范。 IEEE 802.14：定义了电缆调制解调器（cable modem）标准。 IEEE 802.15：定义了近距离个人无线网络标准。 IEEE 802.16：定义了宽带无线局域网标准。
介质访问控制方法。
28
令牌总线局域网如图所示，其技术要点如下： （1）连接在总线上的各结点按地址组成一个逻辑环。 （2）网络中有唯一令牌，并按照确定顺序在逻辑环上移动。 （3）只有持有令牌的结点才有权向总线上发送数据。 （4）不持有令牌的结点只能侦听总线或接收信息和令牌。
29
最初的以太网（Ethernet）是1972年初由美国施乐公司 Xerox在加州的研究中心建立的实验系统，目的是想把办公 室工作站与昂贵的计算机资源连接起来以便能从工作站上共 享计算机资源和其他昂贵的办公设备，后来得到Xerox、 Digital Equipment和Intel 3家公司的支持，最终开发成为局 域网组网规范。
9
4.1 局域网的基本概念
3．星型拓扑构型
结点 中心结点
结点 中心结点
(a)
(b)
10
4.1 局域网的基本概念
3．星型拓扑构型
星型拓扑的优点是结构简单，但是其中 心结点一旦出现故障，整个系统不能工作， 因此中心结点对系统可靠性影响很大。
11
4.1.3 局域网的分类
1．按照网络转接方式
共享介质局域网 交换局域网
30
4.4.1 以太网的标准和分类 1990年，IEEE发布了双绞线介质以太网标准IEEE 802.3i， 即10Base-T。 1993年，IEEE发布了光纤介质以太网标准IEEE 802.3j，即 10Base-F。 1995年，IEEE发布了基于5类双绞线的快速以太网标准 IEEE 802.3u，即100Base-T。 1998年6月，IEEE发布了基于光纤的吉比特以太网标准 IEEE 802.3z，即1000Base-X。接着又发布了基于双绞线的 吉比特以太网标准IEEE 802.3ab（1000Base-T）。
一栋办公楼等。
3
2．局域网技术的变化 （1）局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂 等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求。 （2）局域网的数据传输速率高，能够达到10Mbps～10Gbps，而且其误 码率较低。 （3）局域网属于数据通信网络中的一种，局域网只能够提供物理层、 数据链路层和网络层的通信功能。 （4）可以连入局域网中的数据通信设备非常多，如计算机、终端、电 话机及传真机等。 （5）局域网十分易于安装、维护以及管理，并且局域网的可靠性高。 （6）决定局域网特性的主要技术要素是：网络拓扑、传输介质与介质 访问控制方法。 （7）局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类：共享介质局域 网与交换式局域网。
宽带局域网：采用模拟信号频带信号传输 技术，通过频分多路复用技术，使得一条 信道可同时传输多路模拟信号。由于宽带 传输是单向的，因此在宽带局域网中的信 号只能沿某个方向进行传输。
15
4.2 局域网参考模型与协议
4.2.1 IEEE 802模型与协议标准
IEEE于1980年2月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， 并制定了IEEE 802标准。IEEE 802标准描述了局域网 参考模型与OSI参考模型的关系。
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4.2 局域网参考模型与协议
2．Ethernet的基本工作原理
在Ethernet网中，如果一个结点要发送数据，它将以 “广播”方式把数据通过作为公共传输介质的总线发送 出去，连在总线上的所有结点都能“收听”到发送结点 发送的数据信号。由于网中所有结点都可以利用总线传 输介质发送数据，并且网中没有控制中心，因此冲突的 发生将是不可避免的。为了有效地实现分布式多结点访 问公共传输介质的控制策略，CSMA／CD的发送流程可 以简单地概括为四点：先听后发，边听边发，冲突停止， 随机延迟后重发。
20
4.3局域网介质访问控制方法
➢访问控制方式是指控制网络中各 个节点之间信息的合理传输，对信 道进行合理分配的方法。 ➢在共享式局域网的实现中，可以 采用不同的方式对其共享介质进行 控制。常用的介质访问控制方式有 带有冲突检测的载波监听多点访问/ 冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，CSMA/CD) 方法、令牌总线（Token Bus）方法 总线型局域网中的“冲突”现象示意图 和令牌环（Token Ring）方法。
7
4.1 局域网的基本概念
2．环型拓扑构型
结点
结点
(a)
(b)
8
4.1 局域网的基本概念
2．环型拓扑构型
环形拓扑的优点是结构简单，实现容易，传输 延迟确定，适应传输负荷较重、实时性要求较高的 应用环境。但是环中每个结点与连接结点之间的通 信线路都是网络可靠性的瓶颈。环中任何一个结点 或线路出现故障，都会造成网络瘫痪。环结点的加 入和撤出过程都较复杂。为保证环的正常工作，需 要较复杂的环维护处理。
13
4.1 局域网的基本概念
3．按照网络资源管理方式
对等式：所有结点地位平等。任何结点之 间都可以直接通信和资源共享 。
非对等式：所有结点的地位都不同，如服 务器与工作站是两种地位不同的结点 。
14
4.1 局域网的基本概念
4．按照网络传输技术
基带局域网：采用数字信号基带传输技术， 基带信号占据了传输线路的整个频率范围， 信号具有双向传输的特征。
4
4.1 局域网的基本概念
4.1.2 局域网的拓扑结构
1．总线型拓扑结构 2．环型拓扑构型 3．星型拓扑构型
5
4.1 局域网的基本概念
1．总线型拓扑结构
结点 总线
结点 总线
(a)
(b)
6
4.1 局域网的基本概念
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的是“共享介质”方式。它的主要特 点是：
OSI参考模型 ...
IEEE 802 参考模型
...
逻辑链路层控制子层LLC
数据链路层
介质访问控制子层MAC
物理层
物理层
16
4.2 局域网参考模型与协议
在LLC子层中存放与传输介质无关的信息，用 于完成数据链路层数据帧的传输和控制。
在MAC子层中存放与传输介质有关的信息，解 决共享信道的争用。
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2. 介质访问控制协议 CSMD/CD介质访问控制协议：工作站在发送信号前，首先 监听传输介质是否空闲，如果空闲，站点可发送信息；如果 忙，则继续监听，一旦发现空闲，便立即发送；如果在发送 过程中发生冲突，则立即停止发送信号，转而发送阻塞信号， 通知LAN上所有站点出现了冲突，然后，退避用随机时间， 重新尝试发送。
25
4.3 局域网介质访问控制方法
令牌环的工作原理如图所示
26
4.3 局域网介质访问控制方法
概括起来，令牌环工作主要有如下3个步骤： （1）获取令牌并发送数据帧。 （2）接收和转发数据帧。 （3）撤销数据帧并释放令牌。
27
4.3 局域网介质访问控制方法
4.3.3 令牌总线 总线型以太网的介质争用策略，使得它不适用于实时控制应 用。令牌环中的令牌绕网一周的最大时间延迟虽然有确定值， 但在轻载时性能不太好。而令牌总线介质访问控制方法就是 在综合了前两种介质访问控制方法的优点基础上形成的一种
184Βιβλιοθήκη 2 局域网参考模型与协议4.2.2 IEEE 802.3标准与Ethernet
1.Ethernet（以太网） 局域网从介质访问控制方法的角度可以分为
两类：共享介质局域网与交换式局域网。IEEE 802.3标准定义的共享介质局域网有三类：采用 CSMA/CD介质访问控制方法的总线型局域网、 采用Token Bus介质访问控制方法的总线型局域 网与采用Token Ring介质访问控制方法的环型 局域网。
（1）所有的结点都通过相应的网卡直接连接到一条作为公共传输介质的总 线上；
（2）总线通常采用同轴电缆或双绞线作为传输介质； （3）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 式发送数据时，其他结点可以用“收听”方式接收数据； （4）由于总线作为公共传输介质为多个结点共享，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，因此会出现“冲突”,造成传 输失败; （5）在“共享介质”方式的总线型局域网实现技术中，必须解决多结点访 问总线的介质访问控制（MAC，Medium Access Control）问题。
22
4.3 局域网介质访问控制方法
结点A
结点B
结点C
结点D
以太网
结点E
23
载波侦听多路访问可以用下面的算法来描述： （1）一个结点要发送数据，先侦听总线上是否有其他结点 发送的信号。 （2）如果总线空闲，则发送数据。 （3）如果总线繁忙，则再等待一定时间间隔再去侦听。
24
4.3.2 令牌环 在令牌环网中，所有结点通过接口连接成环形拓扑结构。所 有结点的数据发送都由在环中传递的“令牌”进行控制。令 牌也称为权标，是一种特殊的MAC 控制帧，总是沿着环单 向传递，结点必须持有令牌才能发送数据。当各结点都没有 数据发送时，令牌的形式为01111111，称为空闲令牌。当一 个结点要发送数据时，需要等待令牌的到来并持有它，将其 形式改成01111110，令牌即成为忙令牌，同时将数据附在令 牌后面构成数据帧发送到环上。
4.4.2 以太网工作原理 1. 以太网的网络体系结构
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以太网结构中，数据链路层被分割为两个子层，即介质访问 控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。这是因 为在传统的数据链路控制中缺少对包含多个源地址和多个目 的地址的链路进行访问管理所需的逻辑控制，因此在LLC 不变的情况下，只需改变MAC便能够适应不同的介质和访 问方法，LLC与介质相对无关。
➢目前最流行的局域网—以太网（Ethernet）使用的就是 CSMA/CD介质访问控制方式，而FDDI网则使用令牌环介质 访问控制方式。
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4.3 局域网介质访问控制方法
采用CSMA／CD介质访问控制方法的总线型局域网中， 每一个结点利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙、闲 状态。如果总线上已经有数据信号传输，则为总线忙；如果 总线上没有数据传输，则为总线空闲。如果一个结点准备好 发送的数据帧，并且此时总线空闲，它就可以启动发送。同 时也存在着这种可能，那就是在几乎相同的时刻，有两个或 两个以上结点发送了数据，那么就会产生冲突，因此结点在 发送数据的同时应该进行冲突检测。采用CSMA／CD介质 访问控制方法的总线型局域网的工作过程如图所示。
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本章要点
✓局域网的概念 ✓局域网的拓扑结构 ✓IEEE 802局域网标准 ✓以太网技术 ✓局域网介质访问控制方法 ✓交换式局域网 ✓虚拟局域网VLAN
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4.1.1 局域网的定义和特点 1．早期局域网的主要特点 （1）局域网是一种通信网络； （2）连入局域网的数据通信设备种类多样，包括
计算机、终端和各种外部设备； （3）局域网覆盖地理范围较小，例如一个教室、
总线 (a)共享介质局域网
交换机
（b)交换机局域网 12
4.1 局域网的基本概念
2．按照介质访问控制方法
以太网：以太网采用载波监听多路访问／ 冲突检测（CSMA／CD）介质访问控制方 法，通过“监听”和“重传”来解决数据 发送和接收中的冲突问题。
令牌环网：令牌环网则是通过“令牌”， 以让各个结点获得数据发送权，避免数据 传输的冲突。
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4.2 局域网参考模型与协议
IEEE 802.1：概述体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测试。 IEEE 802.2：表示了逻辑链路控制子层LLC功能。 IEEE 802.3：表示CSMA/CD介质访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.4：表示令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.5：表示令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.6：表示城域网介质访问控制方法和物理层技术规范。 IEEE 802.7：代表宽带技术。 IEEE 802.8：代表光纤技术。 IEEE 802.9：表示综合语音与数据局域网技术。 IEEE 802.10：表示可互操作的局域网的安全规范。 IEEE 802.11：表示无线局域网技术。 IEEE 802.12：定义了100VG AnyLAN规范。 IEEE 802.14：定义了电缆调制解调器（cable modem）标准。 IEEE 802.15：定义了近距离个人无线网络标准。 IEEE 802.16：定义了宽带无线局域网标准。
介质访问控制方法。
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令牌总线局域网如图所示，其技术要点如下： （1）连接在总线上的各结点按地址组成一个逻辑环。 （2）网络中有唯一令牌，并按照确定顺序在逻辑环上移动。 （3）只有持有令牌的结点才有权向总线上发送数据。 （4）不持有令牌的结点只能侦听总线或接收信息和令牌。
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最初的以太网（Ethernet）是1972年初由美国施乐公司 Xerox在加州的研究中心建立的实验系统，目的是想把办公 室工作站与昂贵的计算机资源连接起来以便能从工作站上共 享计算机资源和其他昂贵的办公设备，后来得到Xerox、 Digital Equipment和Intel 3家公司的支持，最终开发成为局 域网组网规范。
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4.1 局域网的基本概念
3．星型拓扑构型
结点 中心结点
结点 中心结点
(a)
(b)
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4.1 局域网的基本概念
3．星型拓扑构型
星型拓扑的优点是结构简单，但是其中 心结点一旦出现故障，整个系统不能工作， 因此中心结点对系统可靠性影响很大。
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4.1.3 局域网的分类
1．按照网络转接方式
共享介质局域网 交换局域网
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4.4.1 以太网的标准和分类 1990年，IEEE发布了双绞线介质以太网标准IEEE 802.3i， 即10Base-T。 1993年，IEEE发布了光纤介质以太网标准IEEE 802.3j，即 10Base-F。 1995年，IEEE发布了基于5类双绞线的快速以太网标准 IEEE 802.3u，即100Base-T。 1998年6月，IEEE发布了基于光纤的吉比特以太网标准 IEEE 802.3z，即1000Base-X。接着又发布了基于双绞线的 吉比特以太网标准IEEE 802.3ab（1000Base-T）。
一栋办公楼等。
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2．局域网技术的变化 （1）局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂 等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求。 （2）局域网的数据传输速率高，能够达到10Mbps～10Gbps，而且其误 码率较低。 （3）局域网属于数据通信网络中的一种，局域网只能够提供物理层、 数据链路层和网络层的通信功能。 （4）可以连入局域网中的数据通信设备非常多，如计算机、终端、电 话机及传真机等。 （5）局域网十分易于安装、维护以及管理，并且局域网的可靠性高。 （6）决定局域网特性的主要技术要素是：网络拓扑、传输介质与介质 访问控制方法。 （7）局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类：共享介质局域 网与交换式局域网。
宽带局域网：采用模拟信号频带信号传输 技术，通过频分多路复用技术，使得一条 信道可同时传输多路模拟信号。由于宽带 传输是单向的，因此在宽带局域网中的信 号只能沿某个方向进行传输。
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4.2 局域网参考模型与协议
4.2.1 IEEE 802模型与协议标准
IEEE于1980年2月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， 并制定了IEEE 802标准。IEEE 802标准描述了局域网 参考模型与OSI参考模型的关系。
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4.2 局域网参考模型与协议
2．Ethernet的基本工作原理
在Ethernet网中，如果一个结点要发送数据，它将以 “广播”方式把数据通过作为公共传输介质的总线发送 出去，连在总线上的所有结点都能“收听”到发送结点 发送的数据信号。由于网中所有结点都可以利用总线传 输介质发送数据，并且网中没有控制中心，因此冲突的 发生将是不可避免的。为了有效地实现分布式多结点访 问公共传输介质的控制策略，CSMA／CD的发送流程可 以简单地概括为四点：先听后发，边听边发，冲突停止， 随机延迟后重发。
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4.3局域网介质访问控制方法
➢访问控制方式是指控制网络中各 个节点之间信息的合理传输，对信 道进行合理分配的方法。 ➢在共享式局域网的实现中，可以 采用不同的方式对其共享介质进行 控制。常用的介质访问控制方式有 带有冲突检测的载波监听多点访问/ 冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，CSMA/CD) 方法、令牌总线（Token Bus）方法 总线型局域网中的“冲突”现象示意图 和令牌环（Token Ring）方法。
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4.1 局域网的基本概念
2．环型拓扑构型
结点
结点
(a)
(b)
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4.1 局域网的基本概念
2．环型拓扑构型
环形拓扑的优点是结构简单，实现容易，传输 延迟确定，适应传输负荷较重、实时性要求较高的 应用环境。但是环中每个结点与连接结点之间的通 信线路都是网络可靠性的瓶颈。环中任何一个结点 或线路出现故障，都会造成网络瘫痪。环结点的加 入和撤出过程都较复杂。为保证环的正常工作，需 要较复杂的环维护处理。
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4.1 局域网的基本概念
3．按照网络资源管理方式
对等式：所有结点地位平等。任何结点之 间都可以直接通信和资源共享 。
非对等式：所有结点的地位都不同，如服 务器与工作站是两种地位不同的结点 。
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4.1 局域网的基本概念
4．按照网络传输技术
基带局域网：采用数字信号基带传输技术， 基带信号占据了传输线路的整个频率范围， 信号具有双向传输的特征。
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4.1 局域网的基本概念
4.1.2 局域网的拓扑结构
1．总线型拓扑结构 2．环型拓扑构型 3．星型拓扑构型
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4.1 局域网的基本概念
1．总线型拓扑结构
结点 总线
结点 总线
(a)
(b)
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4.1 局域网的基本概念
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的是“共享介质”方式。它的主要特 点是：
OSI参考模型 ...
IEEE 802 参考模型
...
逻辑链路层控制子层LLC
数据链路层
介质访问控制子层MAC
物理层
物理层
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4.2 局域网参考模型与协议
在LLC子层中存放与传输介质无关的信息，用 于完成数据链路层数据帧的传输和控制。
在MAC子层中存放与传输介质有关的信息，解 决共享信道的争用。
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2. 介质访问控制协议 CSMD/CD介质访问控制协议：工作站在发送信号前，首先 监听传输介质是否空闲，如果空闲，站点可发送信息；如果 忙，则继续监听，一旦发现空闲，便立即发送；如果在发送 过程中发生冲突，则立即停止发送信号，转而发送阻塞信号， 通知LAN上所有站点出现了冲突，然后，退避用随机时间， 重新尝试发送。
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4.3 局域网介质访问控制方法
令牌环的工作原理如图所示
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4.3 局域网介质访问控制方法
概括起来，令牌环工作主要有如下3个步骤： （1）获取令牌并发送数据帧。 （2）接收和转发数据帧。 （3）撤销数据帧并释放令牌。
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4.3 局域网介质访问控制方法
4.3.3 令牌总线 总线型以太网的介质争用策略，使得它不适用于实时控制应 用。令牌环中的令牌绕网一周的最大时间延迟虽然有确定值， 但在轻载时性能不太好。而令牌总线介质访问控制方法就是 在综合了前两种介质访问控制方法的优点基础上形成的一种
184Βιβλιοθήκη 2 局域网参考模型与协议4.2.2 IEEE 802.3标准与Ethernet
1.Ethernet（以太网） 局域网从介质访问控制方法的角度可以分为
两类：共享介质局域网与交换式局域网。IEEE 802.3标准定义的共享介质局域网有三类：采用 CSMA/CD介质访问控制方法的总线型局域网、 采用Token Bus介质访问控制方法的总线型局域 网与采用Token Ring介质访问控制方法的环型 局域网。
（1）所有的结点都通过相应的网卡直接连接到一条作为公共传输介质的总 线上；
（2）总线通常采用同轴电缆或双绞线作为传输介质； （3）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 式发送数据时，其他结点可以用“收听”方式接收数据； （4）由于总线作为公共传输介质为多个结点共享，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，因此会出现“冲突”,造成传 输失败; （5）在“共享介质”方式的总线型局域网实现技术中，必须解决多结点访 问总线的介质访问控制（MAC，Medium Access Control）问题。
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4.3 局域网介质访问控制方法
结点A
结点B
结点C
结点D
以太网
结点E
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载波侦听多路访问可以用下面的算法来描述： （1）一个结点要发送数据，先侦听总线上是否有其他结点 发送的信号。 （2）如果总线空闲，则发送数据。 （3）如果总线繁忙，则再等待一定时间间隔再去侦听。
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4.3.2 令牌环 在令牌环网中，所有结点通过接口连接成环形拓扑结构。所 有结点的数据发送都由在环中传递的“令牌”进行控制。令 牌也称为权标，是一种特殊的MAC 控制帧，总是沿着环单 向传递，结点必须持有令牌才能发送数据。当各结点都没有 数据发送时，令牌的形式为01111111，称为空闲令牌。当一 个结点要发送数据时，需要等待令牌的到来并持有它，将其 形式改成01111110，令牌即成为忙令牌，同时将数据附在令 牌后面构成数据帧发送到环上。