《计算机网络体系结构》学习笔记之 第八章 局域网
•课前索引
[课前思考]
1. 局域网的主要特点是什么？
2. IEEE802参考模型的特点？
3. 局域网的拓扑结构主要有哪些？各有什么特点？各自的适用场合？
4. 局域网的介质访问控制方法主要有哪些？各自的工作机制是怎样的？
5. 以太网的MAC层和物理层的基本特点？以太网和802.3局域网的差别？
10BASET技术的特点？
6. Novell Netware的结构和特点？
7. 令牌环局域网的MAC层和物理层特点？
8. FDDI的体系结构特点。
9. 交换式局域网的特点。
10. 100M快速以太网的特点。
11. 1G高速以太网的特点。
12. 局域网互联的概念
13. 局域网互联设备有哪些？各自在哪个层次？
[学习目标]
掌握局域网的基本特点和原理，IEEE802局域网体系结构以及几种具体的局域网技术，同时对高速局域网的原理技术作一些了解。
[学习指南]
对照OSI七层模型，比较局域网与OSI七层模型相关层的异同，分析局域网协议中各层各自的功能，及相互的关系。结合具体各层协议，真正掌握局域网的原理。
[难重点]
1. 局域网的逻辑链路控制协议
2. 局域网的介质访问控制协议
3. IEEE802.3局域网和以太网技术
4. IEEE802.5令牌环网技术
5. FDDI、快速以太网、高速以太网技术
•第一节局域网的基本概念和特点
一、局域网概述
局域网的应用范围极广，主要用于办公自动化、生产自动化、企业事业单位的管理、银行业务处理、军事指挥控制、商业管理、校园网等方面。随着网络技术的发展，计算机局域网将更好地实现计算机之间的连接，更好地实现数据通信与交换、资源共享和数据分布处理。
背景资料：
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。1972年，美国加州大学研制了NEWHALL环，称为DCS(Distributed Computer System)分布计算机系统。1975年出现了第一个总线争用结构的实验性Ethernet网络，该网络借鉴了夏威夷大学ALOHA网络的有关技术。1974年，英国剑桥大学计算机实验室建立了剑桥环。1977年，日本京都大学研制成功了以光纤为传输介质的局域网络。到80年代初期，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，其中有Xerox、DEC和Intel公司3家联合研制的第二代Ethernet网络，Zilog公司推出的Z-net网，Corvus公司和Intel公司研制的Omninet网，Cromemco公司研制的C-net网等。美国、日本和西欧一些国家的大学投入了相当大的力量研究局域网络。同时，各种先进的网络组件，如传播介质和转接器件也不断出现，连同高性能的微机一起构成了局域网的基本硬件基础。由于新技术和新器件不断出现。所以局域网也被赋予更强的功能和生命力。
80年代是局域网飞速发展的年代，到了80年代末期，先后推出了3+open、Novell和LAN Manager等性能优异、极具代表性的局域网络。到了90年代，由于集线器(Hub)技术的发展，局域网的发展也上了一个台阶，出现了交换式以太网、高速局域网和虚拟局域网，其性能更优，应用更广。
局域网特点：
局域网是将小范围的通信设备连在一起的通信网。一般说来，局域网有以下特点：
1）为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限；
2）较高的通信速率。局域网的传输速率在每秒10Mbps的数量级以上，可达Gbps；
3）较低的时延和误码率，一般为10-8～10-11；
4）各站点为平等关系而不是主从关系；
5）能支持简单的点对点或多点通信；
6）支持多种传输介质。
与多用户系统相比，局域网有如下一些主要优点：
1）能方便共享昂贵的外设、主机以及软件、数据，从一个站点访问全网；
2）便于系统的扩展和逐渐地演变；
3）提高了系统的可靠性和可用性；
4）响应速度较快；
5）各设备的位置可灵活地调整和改变，有利于数据的处理和办公自动化。
二、局域网的体系结构-IEEE802参考模型
自1980年以来，许多国家和国际标准化机构都在积极进行局域网的标准化工作，其中最有影响力的是IEEE制定的局域网的802标准，包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等，它被ANSI接受为美国国家标准，被ISO作为国际标准（称为ISO8802标准）。这些标准在物理层和MAC子层上有所不同，但在数据链路层上是兼容的。
IEEE 802的LAN标准遵循OSI参考模型的分层原则，描述最低两层--物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务，其中数据链路层又分成两个子层：介质访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。
由于局域网只是一个短距离内的计算机通信网，它并不存在路由选择问题，因而它不涉及网络层，只需考虑最低的两层。然而由于局域网的种类繁多，其介质访问控制方式各不相同，为了使局域网的数据链路层不致于过分复杂，有必要将数据链路层分成两个子层，介质访问控制子层MAC（Medium Access Control）和逻辑链路控制子层LLC（Logical Link Control）。由此来使得数据链路层更容易实现向上提供的服务与介质、拓扑等因素无关的统一特性。
IEEE802参考模型及其与OSI参考模型对比关系如图8.1。
自1980年以来，许多国家和国际标准化机构都在积极进行局域网的标准化工作，其中最有影响力的是IEEE制定的局域网的802标准，包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等，它被ANSI接受为美国国家标准，被ISO作为国际标准（称为ISO8802标准）。这些标准在物理层和MAC子层上有所不同，但在数据链路层上是兼容的。
IEEE 802的LAN标准遵循OSI参考模型的分层原则，描述最低两层--物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务，其中数据链路层又分成两个子层：介质访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。
由于局域网只是一个短距离内的计算机通信网，它并不存在路由选择问题，因而它不涉及网络层，只需考虑最低的两层。然而由于局域网的种类繁多，其介质访问控制方式各不相同，为了使局域网的数据链路层不致于过分复杂，有必要将数据链路层分成两个子层，介质访问控制子层MAC（Medium Access Control）和逻辑链路控制子层LLC（Logical Link Control）。由此来使得数据链路层更容易实现向上提供的服务与介质、拓扑等因素无关的统一特性。
IEEE802参考模型及其与OSI参考模型对比关系如图8.1。
图8.1 IEEE802参考模型
IEEE802.1标准规定局域网的低三层的功能如下：
•物理层：
与OSI/RM的物理层相对应，但所采用的具体协议标准的内容直接与传输介质有关。
•介质访问控制（MAC）层：
具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程。
•逻辑链路控制（LLC）层：
提供一个或多个服务访问点，以复用的形式建立多点--多点之间的数据通信连接，并包括寻址、差错控制、顺序控制和流量控制等功能。这些功能基本上与HDLC规程一致。此外，在LLC层还提供本属于OSI/RM中网络层提供的两项服务，即无连接的数据报服务和面向连接的虚电路服务。
由图8.1可见，MAC子层和LLC子层合并在一起，近似等效于OSI参考模型中的数据链路层。LLC子层协议与局域网的拓扑形式和传输介质的类型无关，它对各种不同类型的局域网都是适用的。然而，MAC子层协议却与网络的拓扑形式及传输介质的类型直接相关，其主要作用是介质访问控制和对信道资源的分配。例如，总线型局域网主要采用竞争式的随机访问控制协议，最典型的是CSMA/CD，还有令牌总线、令牌环等标准。
局域网标准：
目前IEEE已经制定局域网标准有10多个，主要的标准如下：
•IEEE 802.1A：局域网体系结构，并定义接口原语；
•IEEE 802.1B：寻址、网间互连和网络管理；
•IEEE 802.2：描述逻辑链路控制（LLC）协议，提供OSI数据链路层的上部子层功能，以及介质接入控制（MAC）子层与LLC子层协议间的一致接口；
•IEEE 802.3：描述CSMA/CD介质接入控制方法和物理层技术规范；
•IEEE 802.4：描述令牌总线网标准；
•IEEE 802.5：描述令牌环网标准；
•IEEE 802.6：描述城域网DQDB标准；
•IEEE 802.7：描述宽带局域网技术；
•IEEE 802.8：描述光纤局域网技术；
•IEEE 802.9：描述综合话音/数据局域网（IVD LAN）标准；
•IEEE 802.10：描述可互操作局域网安全标准（SILS），定义提供局域网互连的安全机制；
•IEEE 802.11：描述无线局域网标准；
•IEEE 802.12：描述交换式局域网标准，定义100Mb/s高速以太网按需优先的介质接入控制协议100VG-ANYLAN。
•IEEE802.14：描述交互式电视网（包括cable modem）
相互关系：
标准之间的相互关系如图8.2所示。目前ISO的国际标准ISO8802-1至8802-6承认了IEEE802.1至IEEE802.6。
IEEE802.1标准规定局域网的低三层的功能如下：
•物理层：
与OSI/RM的物理层相对应，但所采用的具体协议标准的内容直接与传输介质有关。
•介质访问控制（MAC）层：
具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程。
•逻辑链路控制（LLC）层：
提供一个或多个服务访问点，以复用的形式建立多点--多点之间的数据通信连接，并包括寻址、差错控制、顺序控制和流量控制等功能。这些功能基本上与HDLC规程一致。此外，在LLC层还提供本属于OSI/RM中网络层提供的两项服务，即无连接的数据报服务和面向连接的虚电路服务。
由图8.1可见，MAC子层和LLC子层合并在一起，近似等效于OSI参考模型中的数据链路层。LLC子层协议与局域网的拓扑形式和传输介质的类型无关，它对各种不同类型的局域网都是适用的。然而，MAC子层协议却与网络的拓扑形式及传输介质的类型直接相关，其主要作用是介质访问控制和对信道资源的分配。例如，总线型局域网主要采用竞争式的随机访问控制协议，最典型的是CSMA/CD，还有令牌总线、令牌环等标准。
局域网标准：
目前IEEE已经制定局域网标准有10多个，主要的标准如下：
•IEEE 802.1A：局域网体系结构，并定义接口原语；
•IEEE 802.1B：寻址、网间互连和网络管理；
•IEEE 802.2：描述逻辑链路控制（LLC）协议，提供OSI数据链路层的上部子层功能，以及介质接入控制（MAC）子层与LLC子层协议间的一致接口；
•IEEE 802.3：描述CSMA/CD介质接入控制方法和物理层技术规范；
•IEEE 802.4：描述令牌总线网标准；
•IEEE 802.5：描述令牌环网标准；
•IEEE 802.6：描述城域网DQDB标准；
•IEEE 802.7：描述宽带局域网技术；
•IEEE 802.8：描述光纤局域网技术；
•IEEE 802.9：描述综合话音/数据局域网（IVD LAN）标准；
•IEEE 802.10：描述可互操作局域网安全标准（SILS），定义提供局域网互连的安全机制；
•IEEE 802.11：描述无线局域网标准；
•IEEE 802.12：描述交换式局域网标准，定义100Mb/s高速以太网按需优先的介质接入控制协议100VG-ANYLAN。
•IEEE802.14：描述交互式电视网（包括cable modem）
相互关系：
标准之间的相互关系如图8.2所示。目前ISO的国际标准ISO8802-1至8802-6承认了IEEE802.1至IEEE802.6。
图8.2 IEEE 802标准系列之间的关系
•第二节局域网
一、局域网的拓扑结构
就通信网而言，"拓扑结构"是指连到网络的末端点或站实现互连的方式。局域网的常见的拓扑结构有星型、环型、总线型和树型等。如图8.3所示。
图8.3 局域网的拓扑结构
1．星型拓扑结构
在星型拓扑结构中，每个站由点到点链路连接到公共中心，任意两个站之间的通信均要通过公共中心，星型拓扑结构不允许两个站直接通信。因为所有通信都要通过中央节点，所以中心结点一般都比较复杂，各个站的通信处理负担比较小。中心节点可以是一个中继器，也可以是一个局域网交换器，发送数据的站以帧的形式进人中心节点，以帧中所包含的目的地址到达目的站点，实现了站间链路的简单通信。目前局域网系统中大部分采用星形拓扑结构，几乎取代了环形和总线结构。
2．环型拓扑结构：
在环型拓扑结构中，局域网是由一组转发器（repeater，又称中继器）通过点到点链路连接成封闭的环所构成的。因此，每个转发器连通两条链路。转发器是较简单的设备。它能接一条链路上的数据，并以相同的速度（转发器中无需缓冲）将数据逐比特地发送到另一条链路上去，各条链路都是单向的，即数据仅沿一个方向传送，并且所有链路都顺次向一个方向传送。因此，数据是沿一个方向（顺时针或逆时针）绕环运行的。
每个站在转发器处与网络连接。数据以帧来传送。每一帧包含被发送的数据和一些控制信息，包括所希望到达的目的站地址。对大的数据块，发送站将其分成若干较小的块，并将每一小块用一帧来发送。一个站每当要发送下一帧时，它都要等待到下一个轮次，然后才可发送。由于发送的帧要通过所有其他的站，当此帧经过目的站时，该站就可识别其地址，并在本地缓冲器中复制该帧。此帧将继续环行，直至回到源发站，并在那里被除去。
因为多个站共享一个环，为了确定每个站在什么时候可以插入数据包，就要进行控制。通用采用的是某种分布式控制方式，每个站都包含一定的控制发送和接收用的访问逻辑。
3．总线和树型拓扑结构
就总线拓扑结构来说，通信网络只是传输介质，没有交换机，也没有转发器。所有站通过合适的硬件直接接到一条线状传输介质（即总线）上，任何一个站的发送都在介质上传播并能被所有其他站所接收；
树型拓扑结构是总线拓扑结构的一般化。传输介质是不构成闭合环路的分支电缆。同样，来自任何站的发送也都在介质上传播，并能被所有其他站接收。通常把总线和树形拓扑结构的介质称之为多点式或广播式介质。
因为所有站共享一条公共传输链路，所以在某一时刻只有一个设备能够发送。为了确定下一次哪个站可以发送（即占有传输介质），需要某种访问控制。通常采用某种由所有被连接的站共享的协议来进行这种控制（分布式控制）。有时，也采用集中式控制。
如同环型拓扑结构一样，一般用帧传输来进行通信。发送站将报文分成若干帧，一次一帧地进行发送，但在介质上或许会与来自其他站的帧相交错。当这些帧通过所希望到达的目的站时，该站识别其地址，并进行复制。不存在中间站，因而本质上不涉及交换。
当采用总线或树型拓扑结构时，此种网络免除了全部的通信处理负荷，从通信角度来看，只是一简单的无源传输介质。被连接的站所处理负荷在数量级上差不多与环形连接的相同。
二、局域网的逻辑链路控制LLC
1.逻辑链路控制子层的服务访问点LLC SAP
一个主机中可能有多个进程在运行，它们可能同时与其他一些进程进行通信，因而一个主机的LLC层应设有多个服务访问点（L-SAP），即在网络层与LLC子层的界面上提供多个逻辑接口。来自多个L-SAP的服务在LLC子层中进行复用。
所谓复用是指利用L-SAP在任一对网络节点之间同时建立多条逻辑链路连接，然后经统一的服务访问点M-SAP与MAC子层交互。所以，MAC子层向上只需提供一个服务访问点M-SAP，也即单一的逻辑接口。MAC子层与物理层之间也只需提供单一的服务访问点（P-SAP）。
图8.4 LLC服务访问点
在图8.4中所示的局域网上共有三个站，站A的一个进程x欲向站C中的某个进程发送文件，它必须通过站A的LLC层的一个服务访问点SAP1请求与站C的服务访问点SAP1建立连接，在此过程中，需要有以下两种地址：
•MAC地址
•SAP地址
•MAC地址：
即某站在网络中的物理地址，它由MAC帧进行传送。IEEE为每个站都规定了一个48位的全局地址，当一个站搬移到另一个局域网时，并不改变其全局地址。在48位的地址中，高24位由IEEE分配，世界上凡是生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买这相应的高24位地址。低24位用于不同厂商或网络管理员对不同的网卡进行配置。这样，对于共享同一传输介质的局域网来说，物理地址不仅指明了数据发送和接收的网卡，还可以过滤那些不属于本主机接收但又必须处理的数据帧信息，并且能有效地处理广播方式的数据传输。
•SAP地址：
即进程在站中的地址，由LLC帧负责传送。
由此可见，局域网中的寻址要分两步走，第一步是用MAC帧的地址信息找到网络中的某一个站，第二步是用LLC帧的地址信息找到该站中的某个SAP。这样，从站A发出的连接请求帧的源地址和目的地址分别表示为A(1)和C(1)，其中A和C都是MAC地址，括号中的数字则是相应站中LLC层上的SAP地址。
当站C同意建立连接时，就向站A返回一个接受连接的帧，从此以后，所有由站A的进程x发往站C的帧，都包括源地址A(1)和目的地址C(1)。凡是发给地址C(1)的帧，若其源地址不是A(1)，都将被过滤掉（拒收）。同样，凡不是由地址C(1)发给A(1)的帧也被过滤掉。
现在如果站A上还有一个进程y和SAP2连接上，并且要和站B的SAP1交换数据。这时，从A(2)到B(1)也可以建立一条连接。同理，进程z还可以从地址B(2)与A(3)建立连接。可见，多个SAP是可以复用一条数据链路的。
正是因为有了SAP的概念，才使得LLC层具有复用功能。当一个LLC层有很多的服务访问点时，不同的用户使用不同的SAP就可以请求不同的服务。例如，某些用户通过某些SAP使用互联网协议IP，另外一些用户使用IPX协议，还有的可以使用CLNS，这些不同类型的用户同时使用同一站的LLC服务，在一个局域网上互不干扰地同时工作着。
2.LLC所提供的服务
LLC子层向上可提供以下四种操作类型（Operation Type），实际上就是四种不同类别的服务：
•操作类型1--即LLC1，不确认的无连接服务；
•操作类型2--即LLC2，面向连接服务；
•操作类型3--即LLC3，带确认的无连接服务；
•操作类型4--即LLC4，高速传送服务。
不确认的无连接服务就是数据报服务。数据报不需要确认，实现起来最简单，因而在局域网中得到了最广泛的应用。这时，端到端的差错控制和流量控制由高层（通常是运输层）协议来提供。这种服务可用于点对点通信、对所有用户发送信息的广播和只向部分用户发送信息的多播。我们不必担心这种不要确认的服务将会很不可靠。这是因为局域网的传输差错率比广域网的低很多，所以在链路层不要确认信息并不会引起多大麻烦。对于广播通信和多播通信，若要求收到数据的用户都必须发回确认信息，那么或者在大家同时发送确认信息时将会产生多次的冲突，或者为了使这些确认信息在不同的时间发送而产生了许多的额外开销。因此这种不确认的无连接服务特别适合于广播和多播通信。例如，向网络中的用户定期广播实时时钟或有关网络管理的一些信息，这些都没有必要让用户们及时发回确认信息。此外，周期性地采集网络中的一些数据也特别适合于这种不确认的无连接服务。
面向连接服务相当于虚电路。它的开销较大，因为每次通信都要经过连接建立、数据传送和连接断开这三个阶段。但是当主机是个很简单的终端时，由于没有复杂的高层软件，因此必须依靠LLC子层来提供端到端的控制。这就需要面向连接服务。采用这种方式时，用户和LLC子层商定的某些特性在连接断开以前一直有效。因此这种方式特别适合于传送很长的数据文件。
带确认的无连接服务用于传送某些非常重要且时间性也很强的信息，如在一个过程控制或自动化工厂的环境中的告警信息或控制信号。这时如不要确认则不够可靠，但若先建立连接则又嫌太慢。因此就不必先建立连接而是直接发送数据。这种服务也就是"可靠的数据报"。带确认的无连接服务只用在令牌总线网中。
3.LLC的PDU结构
LLC PDU的结构和HDLC非常像。由于它还要封装在MAC帧中，所以LLC PDU没有标志字段和帧校验序列字段。这样，LLC PDU共有4个字段，即目的服务访问点DSAP字段、源服务访问点SSAP字段、控制字段和数据字段。图8.5是LLC PDU前三个字段的具体结构。
1.逻辑链路控制子层的服务访问点LLC SAP
一个主机中可能有多个进程在运行，它们可能同时与其他一些进程进行通信，因而一个主机的LLC层应设有多个服务访问点（L-SAP），即在网络层与LLC子层的界面上提供多个逻辑接口。来自多个L-SAP的服务在LLC子层中进行复用。
所谓复用是指利用L-SAP在任一对网络节点之间同时建立多条逻辑链路连接，然后经统一的服务访问点M-SAP与MAC子层交互。所以，MAC子层向上只需提供一个服务访问点M-SAP，也即单一的逻辑接口。MAC子层与物理层之间也只需提供单一的服务访问点（P-SAP）。
图8.4 LLC服务访问点
在图8.4中所示的局域网上共有三个站，站A的一个进程x欲向站C中的某个进程发送文件，它必须通过站A的LLC层的一个服务访问点SAP1请求与站C的服务访问点SAP1建立连接，在此过程中，需要有以下两种地址：
•MAC地址
•SAP地址
•MAC地址：
即某站在网络中的物理地址，它由MAC帧进行传送。IEEE为每个站都规定了一个48位的全局地址，当一个站搬移到另一个局域网时，并不改变其全局地址。在48位的地址中，高24位由IEEE分配，世界上凡是生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE购买这相应的高24位地址。低24位用于不同厂商或网络管理员对不同的网卡进行配置。这样，对于共享同一传输介质的局域网来说，物理地址不仅指明了数据发送和接收的网卡，还可以过滤那些不属于本主机接收但又必须处理的数据帧信息，并且能有效地处理广播方式的数据传输。
•SAP地址：
即进程在站中的地址，由LLC帧负责传送。
由此可见，局域网中的寻址要分两步走，第一步是用MAC帧的地址信息找到网络中的某一个站，第二步是用LLC帧的地址信息找到该站中的某个SAP。这样，从站A发出的连接请求帧的源地址和目的地址分别表示为A(1)和C(1)，其中A和C都是MAC地址，括号中的数字则是相应站中LLC层上的SAP地址。
当站C同意建立连接时，就向站A返回一个接受连接的帧，从此以后，所有由站A的进程x发往站C的帧，都包括源地址A(1)和目的地址C(1)。凡是发给地址C(1)的帧，若其源地址不是A(1)，都将被过滤掉（拒收）。同样，凡不是由地址C(1)发给A(1)的帧也被过滤掉。
现在如果站A上还有一个进程y和SAP2连接上，并且要和站B的SAP1交换数据。这时，从A(2)到B(1)也可以建立一条连接。同理，进程z还可以从地址B(2)与A(3)建立连接。可见，多个SAP是可以复用一条数据链路的。
正是因为有了SAP的概念，才使得LLC层具有复用功能。当一个LLC层有很多的服务访问点时，不同的用户使用不同的SAP就可以请求不同的服务。例如，某些用户通过某些SAP使用互联网协议IP，另外一些用户使用IPX协议，还有的可以使用CLNS，这些不同类型的用户同时使用同一站的LLC服务，在一个局域网上互不干扰地同时工作着。
2.LLC所提供的服务
LLC子层向上可提供以下四种操作类型（Operation Type），实际上就是四种不同类别的服务：
•操作类型1--即LLC1，不确认的无连接服务；
•操作类型2--即LLC2，面向连接服务；
•操作类型3--即LLC3，带确认的无连接服务；
•操作类型4--即LLC4，高速传送服务。
不确认的无连接服务就是数据报服务。数据报不需要确认，实现起来最简单，因而在局域网中得到了最广泛的应用。这时，端到端的差错控制和流量控制由高层（通常是运输层）协议来提供。这种服务可用于点对点通信、对所有用户发送信息的广播和只向部分用户发送信息的多播。我们不必担心这种不要确认的服务将会很不可靠。这是因为局域网的传输差错率比广域网的低很多，所以在链路层不要确认信息并不会引起多大麻烦。对于广播通信和多播通信，若要求收到数据的用户都必须发回确认信息，那么或者在大家同时发送确认信息时将会产生多次的冲突，或者为了使这些确认信息在不同的时间发送而产生了许多的额外开销。因此这种不确认的无连接服务特别适合于广播和多播通信。例如，向网络中的用户定期广播实时时钟或有关网络管理的一些信息，这些都没有必要让用户们及时发回确认信息。此外，周期性地采集网络中的一些数据也特别适合于这种不确认的无连接服务。
面向连接服务相当于虚电路。它的开销较大，因为每次通信都要经过连接建立、数据传送和连接断开这三个阶段。但是当主机是个很简单的终端时，由于没有复杂的高层软件，因此必须依靠LLC子层来提供端到端的控制。这就需要面向连接服务。采用这种方式时，用户和LLC子层商定的某些特性在连接断开以前一直有效。因此这种方式特别适合于传送很长的数据文件。
带确认的无连接服务用于传送某些非常重要且时间性也很强的信息，如在一个过程控制或自动化工厂的环境中的告警信息或控制信号。这时如不要确认则不够可靠，但若先建立连接则又嫌太慢。因此就不必先建立连接而是直接发送数据。这种服务也就是"可靠的数据报"。带确认的无连接服务只用在令牌总线网中。
3.LLC的PDU结构
LLC PDU的结构和HDLC非常像。由于它还要封装在MAC帧中，所以LLC PDU没有标志字段和帧校验序列字段。这样，LLC PDU共有4个字段，即目的服务访问点DSAP字段、源服务访问点SSAP字段、控制字段和数据字段。图8.5是LLC PDU前三个字段的具体结构。
图8.5 LLC PDU的结构
三、局域网的介质访问控制方法
介质访问控制方式指如何控制信号在介质上传输,常用的有CSMA/CD，Token Bus，Token Ring等。
1．CSMA/CD
CSMA/CD（Carry sense multiple access/collision detection）是一种总线争用协议，争协议一般用于总线网，每个站都能独立地决定帧的发送。如两个站或多个站同时发送，即产生冲突，同时发送的所有帧都会出错。每个站必须有能力判断冲突是否发生，如冲突发生，则应等待随机时间间隔后重发，以避免再次发生冲突。由ALOHA协议和CSMA协议发展而来，为说明CSMA/CD的机理，先介绍ALOHA和CSMA。
•ALOHA
美国夏威夷大学的纯ALOHA是最早采用争用方式的计算机网络，它最初工作于无线信道。其工作原理很简单：每个站都可发送数据，若发送帧的时间长度内无其他站发送，则发送成功，否则，可能因为每个站同时占用信道产生冲突而使数据帧受损。冲突的结果使冲突双方都检测到数据出错，因而都必须重发。但发生冲突的站不能马上重发，因为这样会继续冲突，而是让各站等待（延缓）一段随机时间再重发。若有冲突，再延缓一段随机时间，直到重发成功为止。由于纯ALOHA的随意性，各站冲突机会很大，导致效率低下，其吞吐量不足18%。
一种改进的方案称为时隙ALOHA（也称分槽ALOHA）。在这种网络中，信道被划分为等长时间片（时隙）。每个站所发送的数据帧到达目的地的最大时延就等于时间片长度。所有站在时间上同步起来，同时规定，不论帧何时产生，它只能在每个时隙的开始点才可以发送。这样改进后，如果2个站发送的信息产生在不同的时隙，不会冲突。若冲突，它们必是同一时刻开始整帧碰撞，避免了2个帧部分碰撞。这样减少了冲突机会，其信道吞吐量提高到37%。
•载波监听多路访问CSMA
CSMA（Carrior Sense Multipte Access）协议是-种带有监听的多路访问系统，是对ALOHA协议的改进。CSMA被通俗地称为"先听后讲"，其工作原理是：每个站在发送数据前先要监听信道上是否有载波，即是否有别的站在传输数据。如果介质空闲，就可发送；如果介质忙，就暂不发送而回避一段时间，这样大大减少了冲突。根据监听到介质状态后采取的回避策略可将CSMA分为3种：
① 坚持型CSMA
又称1-坚持CSMA，当某站要送数据时，先监听信道，若信道忙，就坚持监听，直到信道空闲为止，当空闲时立即发送一帧。若两个站同时监听到信道空闲，立即发送，必定冲突，即冲突概率为1，故称之为1-坚持型。假如有冲突发生，则等待一段时间后再监听信道。
② 非坚持型CSMA
当某站监听到信道忙状态时，不再坚持监听，而是随机后延一段时间再来监听。其缺点是很可能在再次监听之前信道已空闲了，从而产生浪费。
③ P坚持型CSMA
这种方式适合于时隙信道，当某站准备发送信息时，它首先监听信道，若空闲，便以概率P传送信息，而以概率（1-P）推迟发送。如果该站监听到信道为忙，就等到下一个时隙再重复上述过程。P坚持型CSMA可以算是1－坚持型CSMA和非坚持型CSMA的折衷，这两者算是P－坚持算法的特例，即P分别等于1和0时的情形。
对于P坚持型CSMA，如何选择P值，需要考虑如何避免在重负载情况下系统处于不稳定状态。假如当介质忙时，有N个站有数据等待发送，则当前的发送完成时，有NP个站企图发送，如果选择P过大，使NP＞1，则冲突不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为0。所以必须选择P值使NP＜1。如果尸值选得过于小，则通道利用率会大大降低。
•带冲突检测的CSMA：CSMA/CD
CSMA在发送数据之前进行载波监听，所以减少了冲突机会，但由于传播时延的存在，仍然可能冲突。考虑2个站点的模型，其中一个先发送信息，由于传送时延使另-个站点也发现倍道是空闲的，于是也发送信息，结果2个站点的信息在途中冲突，但2个站均不知道，一直要将数据帧余下部分发完，等到有错再重发送。这样明显造成了信道的浪费，加大了通信开销。能否在发送时检测到冲突并在冲突后立即停发？这就是CSMA/CD（Carrior Sense Multiple Access With Collision Detection）的思想。
通俗地讲，CSMA/CD就是"先听后讲，边讲边听"，这种边发边监听的功能称为冲突检测。
源站点在发送数据帧之前，首先监听信道是否忙，如监听到信道上有载波信号，则推迟发送，直到空闲为止，这就是CSMA。对传播时延小的网络，CSMA可降低冲突次数，减少冲突时间，但对传播时延大的网络，CSMA无多大价值。源站点监听到信道空闲后．就发送数据，并边发边监听，若监听到干扰信号，则表示检测到冲突，于是立即停止发送，并发一串阻塞信号增加冲突，以便网中其他站点均可知道冲突，然后准备重发冲突受损的帧。
如何估算所需的冲突检测时间呢？对基带总线而言，此时用于检测冲突的时间不会超过任意2站之间的最大传输延迟的2倍。在CSMA/CD中，通过检测总线上是否存在信号以实现。
载波监听，发送站的收发器同时检测冲突，如果收发器电缆上的信号超过收发器本身发送信号的幅度就判断出冲突。
在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突，需要等待一段随机时间，然后再次使用CSMA方法传输。延迟时间采用一种称为二进制指数的退避算法实现。其算法过程如下：
① 对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参数L＝2。
② 退避重发时间在1～L个时隙中随机抽取。
③ 当帧再次冲突时，L加倍，即L＝2L。
④ 退避重发时间仍在1～L个时隙中随机抽取。
⑤ 当冲突n次，L＝2n。
⑥ 设置一个最大重传次数，超过此值，不再重发，并报告出错。
此算法的效果是，不冲突或少冲突的帧重发的机会大，冲突多的帧重发的机会小。
2.Token Ring
令牌环由一组用传输介质串联成一个环的站组成，环中有一个令牌在循环传送。任何一个站要发送数据，都必须等待循环的令牌通过该站。令牌是一种待殊的位组合，是一种发送权标志，如其形式可为01111111，表示空令牌。希望发送数据帧的站等到空令牌来后，将空令牌改成忙令牌，其形式为01111110，然后紧接着其后传送数据帧。数据信息一个比特接一个比特地附加到环上，环上信息从一站到下一站地环行。所寻址的目的站在信息经过时拷贝此信息，最后由发送该信息的站从环上撤除此信息，并将忙令牌改为空令牌，传至后面的站，使之获得发送权。接受帧的站在帧经过本站时，将帧中的目的地址与本站的地址进行比较，如地址相符合，则将帧放入接收缓冲器，并同时将帧送回环上，如地址不符合，则将帧沿环下传。
环的长度往往折算成比特数来衡量，环上每个中继器可引入一位或几位延时。把环看作一个环缓冲器，则有：
环上的比特数 ＝ 传播延时 × 发送介质长度 × 数据率 ＋ 中继器延迟
例如，1km长的令牌环，其传输速率为1Mbps，上有20个站点，每个中继器引入1位延迟，设传播延迟为5μs/km，则其环的位长度 ＝ 5 × 10-6× 106 ＋ 1 × 20＝25位。
令牌环的故障处理功能主要是对令牌和数据帧的维护。环上至关重要的差错是没有空令牌和持续的忙令牌，为解决此问题，指定1个站为令牌管理站。该管理站通过采用超时机制来检测令牌丢失情况，该超时值比最长的帧完全遍历该环所需要的时间还要长一些，如果在这一段时间里没有检测到令牌，就认为该令牌已经丢失。为恢复令牌，管理站将清除环上的所有残余数据并发出1个空令牌。
为了检测到1个持续循环的忙令牌，管理站可在经过的忙令牌上置其管理比特为1。如果管理站看到1个忙令牌的管理比持已经是1，就知道某个站未能清除自己发出的帧，管理站就将此令牌设为空令牌。
环上其他站都具有被动管理站的功能和作用，它们的主要工作是检测出主动管理站的故障，并承担起主动管理站的职能。
令牌环在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。在重负载时，对各站公平访问且效率高。考虑到数据的位模式可能会和令牌形式相同，此时在数据段使用位插入的办法以确保令牌位模式的唯一性，以区别令牌和数据。采用发送站从环上收回帧的策略，具有广播特性，即可有多个站收同一个数据帧，同时这种策略还具有对发送站自动应答的功能。
3.Token Bus
CSMA/CD介质访问控制采用总线争用方式，具有结构简单、在轻负载下延迟小等优点，随着负载的增加，冲突概率增加，性能明显下降；令牌环访问控制在重负载下利用率高，性能对传输距离不敏感且公平访问，但环形网结构复杂并存在检错能力和可靠性差等问题。令牌总线介质访问控制（Token Bus）是在综合上面2种介质访问控制的优点基础上形成的一种介质访问控制方法。
令牌总线介质访问控制是将物理总线上的站点构成一个逻辑环。或者说，在物理上是一个总线网，而在逻辑上却是一个令牌网。每-个站都在一个有序的序列中被指定-个逻辑位置，而序列中最后一个成员又连着第一个成员，每个站都知道在它之前和在它之后的站的标识，如图8.6：
三、局域网的介质访问控制方法
介质访问控制方式指如何控制信号在介质上传输,常用的有CSMA/CD，Token Bus，Token Ring等。
1．CSMA/CD
CSMA/CD（Carry sense multiple access/collision detection）是一种总线争用协议，争协议一般用于总线网，每个站都能独立地决定帧的发送。如两个站或多个站同时发送，即产生冲突，同时发送的所有帧都会出错。每个站必须有能力判断冲突是否发生，如冲突发生，则应等待随机时间间隔后重发，以避免再次发生冲突。由ALOHA协议和CSMA协议发展而来，为说明CSMA/CD的机理，先介绍ALOHA和CSMA。
•ALOHA
美国夏威夷大学的纯ALOHA是最早采用争用方式的计算机网络，它最初工作于无线信道。其工作原理很简单：每个站都可发送数据，若发送帧的时间长度内无其他站发送，则发送成功，否则，可能因为每个站同时占用信道产生冲突而使数据帧受损。冲突的结果使冲突双方都检测到数据出错，因而都必须重发。但发生冲突的站不能马上重发，因为这样会继续冲突，而是让各站等待（延缓）一段随机时间再重发。若有冲突，再延缓一段随机时间，直到重发成功为止。由于纯ALOHA的随意性，各站冲突机会很大，导致效率低下，其吞吐量不足18%。
一种改进的方案称为时隙ALOHA（也称分槽ALOHA）。在这种网络中，信道被划分为等长时间片（时隙）。每个站所发送的数据帧到达目的地的最大时延就等于时间片长度。所有站在时间上同步起来，同时规定，不论帧何时产生，它只能在每个时隙的开始点才可以发送。这样改进后，如果2个站发送的信息产生在不同的时隙，不会冲突。若冲突，它们必是同一时刻开始整帧碰撞，避免了2个帧部分碰撞。这样减少了冲突机会，其信道吞吐量提高到37%。
•载波监听多路访问CSMA
CSMA（Carrior Sense Multipte Access）协议是-种带有监听的多路访问系统，是对ALOHA协议的改进。CSMA被通俗地称为"先听后讲"，其工作原理是：每个站在发送数据前先要监听信道上是否有载波，即是否有别的站在传输数据。如果介质空闲，就可发送；如果介质忙，就暂不发送而回避一段时间，这样大大减少了冲突。根据监听到介质状态后采取的回避策略可将CSMA分为3种：
① 坚持型CSMA
又称1-坚持CSMA，当某站要送数据时，先监听信道，若信道忙，就坚持监听，直到信道空闲为止，当空闲时立即发送一帧。若两个站同时监听到信道空闲，立即发送，必定冲突，即冲突概率为1，故称之为1-坚持型。假如有冲突发生，则等待一段时间后再监听信道。
② 非坚持型CSMA
当某站监听到信道忙状态时，不再坚持监听，而是随机后延一段时间再来监听。其缺点是很可能在再次监听之前信道已空闲了，从而产生浪费。
③ P坚持型CSMA
这种方式适合于时隙信道，当某站准备发送信息时，它首先监听信道，若空闲，便以概率P传送信息，而以概率（1-P）推迟发送。如果该站监听到信道为忙，就等到下一个时隙再重复上述过程。P坚持型CSMA可以算是1－坚持型CSMA和非坚持型CSMA的折衷，这两者算是P－坚持算法的特例，即P分别等于1和0时的情形。
对于P坚持型CSMA，如何选择P值，需要考虑如何避免在重负载情况下系统处于不稳定状态。假如当介质忙时，有N个站有数据等待发送，则当前的发送完成时，有NP个站企图发送，如果选择P过大，使NP＞1，则冲突不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为0。所以必须选择P值使NP＜1。如果尸值选得过于小，则通道利用率会大大降低。
•带冲突检测的CSMA：CSMA/CD
CSMA在发送数据之前进行载波监听，所以减少了冲突机会，但由于传播时延的存在，仍然可能冲突。考虑2个站点的模型，其中一个先发送信息，由于传送时延使另-个站点也发现倍道是空闲的，于是也发送信息，结果2个站点的信息在途中冲突，但2个站均不知道，一直要将数据帧余下部分发完，等到有错再重发送。这样明显造成了信道的浪费，加大了通信开销。能否在发送时检测到冲突并在冲突后立即停发？这就是CSMA/CD（Carrior Sense Multiple Access With Collision Detection）的思想。
通俗地讲，CSMA/CD就是"先听后讲，边讲边听"，这种边发边监听的功能称为冲突检测。
源站点在发送数据帧之前，首先监听信道是否忙，如监听到信道上有载波信号，则推迟发送，直到空闲为止，这就是CSMA。对传播时延小的网络，CSMA可降低冲突次数，减少冲突时间，但对传播时延大的网络，CSMA无多大价值。源站点监听到信道空闲后．就发送数据，并边发边监听，若监听到干扰信号，则表示检测到冲突，于是立即停止发送，并发一串阻塞信号增加冲突，以便网中其他站点均可知道冲突，然后准备重发冲突受损的帧。
如何估算所需的冲突检测时间呢？对基带总线而言，此时用于检测冲突的时间不会超过任意2站之间的最大传输延迟的2倍。在CSMA/CD中，通过检测总线上是否存在信号以实现。
载波监听，发送站的收发器同时检测冲突，如果收发器电缆上的信号超过收发器本身发送信号的幅度就判断出冲突。
在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突，需要等待一段随机时间，然后再次使用CSMA方法传输。延迟时间采用一种称为二进制指数的退避算法实现。其算法过程如下：
① 对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参数L＝2。
② 退避重发时间在1～L个时隙中随机抽取。
③ 当帧再次冲突时，L加倍，即L＝2L。
④ 退避重发时间仍在1～L个时隙中随机抽取。
⑤ 当冲突n次，L＝2n。
⑥ 设置一个最大重传次数，超过此值，不再重发，并报告出错。
此算法的效果是，不冲突或少冲突的帧重发的机会大，冲突多的帧重发的机会小。
2.Token Ring
令牌环由一组用传输介质串联成一个环的站组成，环中有一个令牌在循环传送。任何一个站要发送数据，都必须等待循环的令牌通过该站。令牌是一种待殊的位组合，是一种发送权标志，如其形式可为01111111，表示空令牌。希望发送数据帧的站等到空令牌来后，将空令牌改成忙令牌，其形式为01111110，然后紧接着其后传送数据帧。数据信息一个比特接一个比特地附加到环上，环上信息从一站到下一站地环行。所寻址的目的站在信息经过时拷贝此信息，最后由发送该信息的站从环上撤除此信息，并将忙令牌改为空令牌，传至后面的站，使之获得发送权。接受帧的站在帧经过本站时，将帧中的目的地址与本站的地址进行比较，如地址相符合，则将帧放入接收缓冲器，并同时将帧送回环上，如地址不符合，则将帧沿环下传。
环的长度往往折算成比特数来衡量，环上每个中继器可引入一位或几位延时。把环看作一个环缓冲器，则有：
环上的比特数 ＝ 传播延时 × 发送介质长度 × 数据率 ＋ 中继器延迟
例如，1km长的令牌环，其传输速率为1Mbps，上有20个站点，每个中继器引入1位延迟，设传播延迟为5μs/km，则其环的位长度 ＝ 5 × 10-6× 106 ＋ 1 × 20＝25位。
令牌环的故障处理功能主要是对令牌和数据帧的维护。环上至关重要的差错是没有空令牌和持续的忙令牌，为解决此问题，指定1个站为令牌管理站。该管理站通过采用超时机制来检测令牌丢失情况，该超时值比最长的帧完全遍历该环所需要的时间还要长一些，如果在这一段时间里没有检测到令牌，就认为该令牌已经丢失。为恢复令牌，管理站将清除环上的所有残余数据并发出1个空令牌。
为了检测到1个持续循环的忙令牌，管理站可在经过的忙令牌上置其管理比特为1。如果管理站看到1个忙令牌的管理比持已经是1，就知道某个站未能清除自己发出的帧，管理站就将此令牌设为空令牌。
环上其他站都具有被动管理站的功能和作用，它们的主要工作是检测出主动管理站的故障，并承担起主动管理站的职能。
令牌环在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。在重负载时，对各站公平访问且效率高。考虑到数据的位模式可能会和令牌形式相同，此时在数据段使用位插入的办法以确保令牌位模式的唯一性，以区别令牌和数据。采用发送站从环上收回帧的策略，具有广播特性，即可有多个站收同一个数据帧，同时这种策略还具有对发送站自动应答的功能。
3.Token Bus
CSMA/CD介质访问控制采用总线争用方式，具有结构简单、在轻负载下延迟小等优点，随着负载的增加，冲突概率增加，性能明显下降；令牌环访问控制在重负载下利用率高，性能对传输距离不敏感且公平访问，但环形网结构复杂并存在检错能力和可靠性差等问题。令牌总线介质访问控制（Token Bus）是在综合上面2种介质访问控制的优点基础上形成的一种介质访问控制方法。
令牌总线介质访问控制是将物理总线上的站点构成一个逻辑环。或者说，在物理上是一个总线网，而在逻辑上却是一个令牌网。每-个站都在一个有序的序列中被指定-个逻辑位置，而序列中最后一个成员又连着第一个成员，每个站都知道在它之前和在它之后的站的标识，如图8.6：
图8.6 令牌总线结构
在图8.6所示的7个站中，站C未工作，剩下的6个站在逻辑上组成了一个令牌网。令牌的传递顺序与站的物理位置无关，在图中是按照A→F→E→B→G→D→A的顺序传递的。
在正常运行时，当站点做完所做的工作或者时间终了时，它将令牌传递给逻辑序列中的下一个站。从逻辑上看，令牌是按地址的递减顺序传递至下一个站点；但从物理上看，带有目的地址的令牌帧广播到总线上所有站点，当目的站识别出符合它的地址的帧，即把该令牌帧接收。
只有收到令牌的站点才能将信息帧送到总线上，因此，不像CSMA/CD访问方式那样，令牌总线不可能产生冲突，因而信息帧的长度只需根据要传送的信息长度来确定，也没有最小分组长度要求。而对于CSMA/CD访问控制，为了使最远距离的站点也能检测到冲突，需要在实际的信息长度后加填充位，以满足最小信息长度的要求。
令牌总线控制的另一特点是站点有公平的访问权。每个站点无论在有数据发送还是无数据发送时，都会将令牌传给下一站点。站点接收令牌的过程是按顺序依次进行的，因此对每一个站也就是公平的。
令牌总线控制也比较复杂，主要有下列管理操作：
•环初始化：
即生成一个顺序访问的次序。网络开始启动时，需要进行逻辑环的初始化，初始化的过程是一个争用的过程，争用的结果只有个站取得令牌，其他的站点用站插入的算法插入。
•令牌传递算法：
逻辑环按递减的站地址次序组成，则发完帧的站点将令牌传递给后继站，后继站应立即发送数据或令牌。原先释放令牌的站监听到总线上的信号，便可确认后继站已取得令牌。
•站插入算法：
必须周期地给未加入环的站点以机会，将它们插入到逻辑环的适当位置中。如果同时有几个站要求插入．可采用带有响应窗口的争用处理算法。
•站退出算法：
可以通过将其前驱站和后继站连在一起的办法，将不活动的站退出逻辑环。并修正逻辑环递减的站地址次序。
•故障处理：
网络可能出现故障，包括令牌的丢失、重复地址、多个令牌等、网络要对这些故障作出相应处理。
四、IEEE 802.3，Ethernet
1.概述
以太网是目前使用最为广泛的局域网，从70年代末期就有了正式的网络产品。在整个80年代中以太网与PC机同步发展，其传输率自80年代初的10Mbps发展到90年代达到100Mbps，而且目前已出现了1Gbps的以太网产品。以太网支持的传输介质从最初的同轴电缆发展到双绞线和光缆。星型拓扑的出现使以太网技术上了一个新台阶，获得更迅速的发展。从共享型以太网发展到交换型以太网，并出现了全双工以太网技术，致使整个以太网系统的带宽成十倍、百倍地增长，并保持足够的系统覆盖范围。
最早试验型以太网由Xerox公司在70年代中期开发的，它是在2.94Mbps传输率的基带粗同轴电缆上工作。当时人们认为"电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的"，故命名为以太网。此后，Xerox得到DEC和Intel公司的支持，三家公司一起参加标准和器件的开发工作。
1980年，以太网1.0版本由三家公司联合发表称DIX80（取3家公司的首字母拼和而成，这就是现代著名的以太网蓝皮书，全称为"以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范，1.0版"）。它与试验型系统主要差别在于采用了10Mbps传输率。以后两年里DIX重新定义该标准，并在1982年公布DIX82即以太网2.0版本作为终结。在DIX开展以太网标准化工作的同时，1981年6月IEEE802 LAN标准委员会成立，其中802.3分委会在DIX工作成果的基础上负责产生国际性标准，1982年年底802.3出台，它与DIX82差别甚微，从此，以太网成为IEEE802标准系列中第一个标准化的局域网标准。到了1985年，IEEE802委员会正式推出IEEE802.3 CSMA/CD局域网标准，它描述了一种基于DIX以太网标准的局域网系统。此后，IEEE802.3标准又被国际标准化组织（ISO）接收成国际标准，成为正式的开放性的世界标准，被全球工业制造商所承认和采纳，以太网的国际标准为ISO/IEC 8802-3。今天的以太网和802.3可以认为是同义词。
从80年代到90年代，近20年的时间中，随着信息技术的发展，以太网产品及其标准不断更新和扩展。90年代随着网络技术及其应用的急剧发展，以太网在拓扑结构、传输率和相应的传输介质方面与原来的DIX标准有了很大的变化，以太网主要技术及其标准发展见图8.7。
图8.7 以太网主要技术发展情况
2 802.3局域网的MAC子层
802.3局域网主要使用CSMA/CD作为其介质访问控制技术，CSMA/CD的机理前面已经介绍，下面介绍一下其MAC层的帧结构。
现在流行的总线局域网的MAC子层的帧结构有两种标准，一种是802.3标准，另一种是DIX Ethernet V2标准。图中画出了这两种标准的MAC帧结构。
图8.8 以太网帧与IEEE802.3帧结构的区别
经过比较发现两种帧大致相似，存在微小的差别。以太网帧结构中各字段的含义如左所示。
•前导码
包含了7个字节的二进制"1"、"0"间隔的代码，即1010……l0共56位。当帧在介质上传输时，接收方就能建立起位同步，因为在使用曼彻斯特编码情况下，这种"1"、"0"间隔的传输波形为一周期性方波。
•帧首定界符（SFD）
它是1字节的10101011二进制序列，此码一过，表示一帧实际开始，以使接收器对实际帧的第一位定位。
•目的地址（DA）
它说明了帧企图发往目的站的地址，共6个字节，可以是一个唯一的地址，即单址--代表单个站，一个多址--代表一组站，或一个全地址--代表局域网上所有的站。当目的地址出现多址时，即表示该帧被一组站同时接收，称"组播"（Multicast）。当目的地址出现全地址时，即表示该帧被局域网上所有站同时接收，称"广播"（Broadcast）。以DA的最高位来判断是否单址，若最高位为"0"则表示单址，"1"表示多址或全地址。且全地址还必须是DA为全"1"代码。
•源地址（SA）
它说明发送该帧站的地址，与DA一样占6个字节。
•类型（TYPE）
共占2个字节。它说明了高层所使用的协议，例如可能是IP协议，也可能是NOVELL的IPX协议。
•数据（DATA）
它的范围处在46字节至1500字节之间。注意到46字节最小帧长度是一个限制，目的是要求局域网上所有的站都能检测到该帧，即保证网络正常工作。如果高层协议的分组使数据段小于46个字，则由有关软件把DATA填充到46字节最小长度。
•帧检验序列（FCS）
它处在帧尾，共占4字节。是32位冗余检验码（CRC），检验范围除前导码、SFD和FCS以外的所有帧的内容，即从DA开始至DATA完毕的CRC检验结果都反映在FCS中。当发送站发出帧时，边发送，边逐位进行CRC检验。最后形成一个32位CRC检验和填在帧尾FCS位置中一起在介质上传输。接收站接收后，从DA开始同样边接收边逐位进行CRC检验。最后接收站形成的检验和若与帧的检验和相同，则表示介质上传输帧未被破坏。反之，接收站认为帧被破坏。则会通过一定的机制要求发送站重发该帧。
对于IEEE802.3帧来说，由于它的高层协议基于逻辑链路控制子层（LLC），即IEEE802.2标准。因此在以太网DATA段的位置中被LLC协议数据单元（LLC-PDU）所取代，而以太网的DATA字段直接为网络层的分组。与之相应的，IEEE802.3中的长度字段（L）代替了以太网帧的类型字段。L表示LLC-PDU的字节数，它的范围也在46字节-1500字节之间。如果LLC-PDU的字节数< 46字节，则发送站的MAC子层自动填"0"代码于填充段PAD中。至于LLC-PDU中的数据由那一个网络层分组来提供则由LLC-PDU某些特征位来表示。
为了使得以太网和IEEE802.3两种帧能兼容，即都能在网上正常发送和接收，怎样处理TYPE和L是关键之一，解决的办法是：认为该段中的值大于最大帧长度（即1518D），则表示为类型段，该段的值仅来说明继后的DATA是何种网络层协议的分组，也就是认为该帧为以太网帧，按以太网帧结构来处理；反之则认为是IEEE802.3帧结构，IEEE802.3帧结构来处理。实际的做法为：取值1536D（既0600H）作为界限，大于或等于0600H，认为是以太网帧，此段按类型处理。例IP为0800H，XNS为0600及IPX为8137H。反之，认为是IEEE802.3帧，该段为长度值。
两种帧结构另外的区别是：以太网帧的DA段上只有最高位才有定义，区分单址还是多址。而IEEE802.3帧却最高两位有定义，次高位"0"表示全局管理地址，"1"表示局部管理地址。一般来说地址总是全局管理，因此该位总设置为"0"。对于广播地址来说，两种帧结构中DA的次高位均设置为"1"。
3.以太网物理层结构和功能
•编码技术
在MAC子层中形成了帧结构后，要通过物理层发送到介质上，介质上传输帧的二进制代码时必须采用特殊的编码，而不是计算机主体中一般的不归"0"制（NRZ）编码，在10BASEX以太网上采用了曼彻斯特编码（Manchester Code）（详见第三章）。
采用曼彻斯特编码在代码中包括了同步时钟信号。还有一个优点是在使用同轴电缆介质的以太网（10BASE5、10BASE2）上能很方便地检测到发生碰撞的现象。由于该编码的帧在正常发送过程中在介质上形成的平均电平是固定的，这是由于以跳变状态来表示代码所致。每一位的平均电平是一样的，如果跳变的低电平为V1，高电平为V2，则平均电平为（V1+V2）/2。如果在介质上发生了碰撞，则平均电平就会改变，只要超过一个规定的门槛电平，发送站就能检测到碰撞。这种碰撞检测效果使用一船的NRZ编码是无法达到的。
•收发器
在以太网物理结构中，另一重要的功能模块称"收发器"。它处在编码/译码功能模块与介质之间，收发器完成如下功能。
1）往介质发送信号：
经过曼彻斯特编码的帧由收发器发送到介质上。在帧正常发送过程中，收发器以一定的脉冲序列信号告诉MAC子层以说明帧发送正常。
2）自介质接收信号：
把介质上接收来的帧转发到译码功能模块上。通过译码后，传至MAC子层。
3）识别介质是否存在信号：
当发送站的帧准备好要发送时，首先要判断介质是"忙"还是"空闲"，即是否其他站正在发送帧而占用了介质，若"忙"，即介质被其它站占用，则帧发送要等待，直至介质空闲，收发器能识别介质上忙还是空闲，并把识别信号传至MAC子层。注意不同的结构，判断介质是否存在信号的机理是不同的。
4）识别碰撞：
收发器能在帧持续发送过程中而不停地检测介质上是行发生碰撞。若检测到碰撞，则发生碰撞的信号会转告MAC子层。注意不同的结构，检测碰撞的机理是不一样的。
•四种10BASE以太网物理性能比较
四种10BASE常用的以太网，它们的MAC子层和物理层中的编码/译码模块均是相同的，而不同的是物理层中的收发器及介质连接方式。图8.9比较了四种10BASE以太网的物理性能。
在图8.6所示的7个站中，站C未工作，剩下的6个站在逻辑上组成了一个令牌网。令牌的传递顺序与站的物理位置无关，在图中是按照A→F→E→B→G→D→A的顺序传递的。
在正常运行时，当站点做完所做的工作或者时间终了时，它将令牌传递给逻辑序列中的下一个站。从逻辑上看，令牌是按地址的递减顺序传递至下一个站点；但从物理上看，带有目的地址的令牌帧广播到总线上所有站点，当目的站识别出符合它的地址的帧，即把该令牌帧接收。
只有收到令牌的站点才能将信息帧送到总线上，因此，不像CSMA/CD访问方式那样，令牌总线不可能产生冲突，因而信息帧的长度只需根据要传送的信息长度来确定，也没有最小分组长度要求。而对于CSMA/CD访问控制，为了使最远距离的站点也能检测到冲突，需要在实际的信息长度后加填充位，以满足最小信息长度的要求。
令牌总线控制的另一特点是站点有公平的访问权。每个站点无论在有数据发送还是无数据发送时，都会将令牌传给下一站点。站点接收令牌的过程是按顺序依次进行的，因此对每一个站也就是公平的。
令牌总线控制也比较复杂，主要有下列管理操作：
•环初始化：
即生成一个顺序访问的次序。网络开始启动时，需要进行逻辑环的初始化，初始化的过程是一个争用的过程，争用的结果只有个站取得令牌，其他的站点用站插入的算法插入。
•令牌传递算法：
逻辑环按递减的站地址次序组成，则发完帧的站点将令牌传递给后继站，后继站应立即发送数据或令牌。原先释放令牌的站监听到总线上的信号，便可确认后继站已取得令牌。
•站插入算法：
必须周期地给未加入环的站点以机会，将它们插入到逻辑环的适当位置中。如果同时有几个站要求插入．可采用带有响应窗口的争用处理算法。
•站退出算法：
可以通过将其前驱站和后继站连在一起的办法，将不活动的站退出逻辑环。并修正逻辑环递减的站地址次序。
•故障处理：
网络可能出现故障，包括令牌的丢失、重复地址、多个令牌等、网络要对这些故障作出相应处理。
四、IEEE 802.3，Ethernet
1.概述
以太网是目前使用最为广泛的局域网，从70年代末期就有了正式的网络产品。在整个80年代中以太网与PC机同步发展，其传输率自80年代初的10Mbps发展到90年代达到100Mbps，而且目前已出现了1Gbps的以太网产品。以太网支持的传输介质从最初的同轴电缆发展到双绞线和光缆。星型拓扑的出现使以太网技术上了一个新台阶，获得更迅速的发展。从共享型以太网发展到交换型以太网，并出现了全双工以太网技术，致使整个以太网系统的带宽成十倍、百倍地增长，并保持足够的系统覆盖范围。
最早试验型以太网由Xerox公司在70年代中期开发的，它是在2.94Mbps传输率的基带粗同轴电缆上工作。当时人们认为"电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的"，故命名为以太网。此后，Xerox得到DEC和Intel公司的支持，三家公司一起参加标准和器件的开发工作。
1980年，以太网1.0版本由三家公司联合发表称DIX80（取3家公司的首字母拼和而成，这就是现代著名的以太网蓝皮书，全称为"以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范，1.0版"）。它与试验型系统主要差别在于采用了10Mbps传输率。以后两年里DIX重新定义该标准，并在1982年公布DIX82即以太网2.0版本作为终结。在DIX开展以太网标准化工作的同时，1981年6月IEEE802 LAN标准委员会成立，其中802.3分委会在DIX工作成果的基础上负责产生国际性标准，1982年年底802.3出台，它与DIX82差别甚微，从此，以太网成为IEEE802标准系列中第一个标准化的局域网标准。到了1985年，IEEE802委员会正式推出IEEE802.3 CSMA/CD局域网标准，它描述了一种基于DIX以太网标准的局域网系统。此后，IEEE802.3标准又被国际标准化组织（ISO）接收成国际标准，成为正式的开放性的世界标准，被全球工业制造商所承认和采纳，以太网的国际标准为ISO/IEC 8802-3。今天的以太网和802.3可以认为是同义词。
从80年代到90年代，近20年的时间中，随着信息技术的发展，以太网产品及其标准不断更新和扩展。90年代随着网络技术及其应用的急剧发展，以太网在拓扑结构、传输率和相应的传输介质方面与原来的DIX标准有了很大的变化，以太网主要技术及其标准发展见图8.7。
图8.7 以太网主要技术发展情况
2 802.3局域网的MAC子层
802.3局域网主要使用CSMA/CD作为其介质访问控制技术，CSMA/CD的机理前面已经介绍，下面介绍一下其MAC层的帧结构。
现在流行的总线局域网的MAC子层的帧结构有两种标准，一种是802.3标准，另一种是DIX Ethernet V2标准。图中画出了这两种标准的MAC帧结构。
图8.8 以太网帧与IEEE802.3帧结构的区别
经过比较发现两种帧大致相似，存在微小的差别。以太网帧结构中各字段的含义如左所示。
•前导码
包含了7个字节的二进制"1"、"0"间隔的代码，即1010……l0共56位。当帧在介质上传输时，接收方就能建立起位同步，因为在使用曼彻斯特编码情况下，这种"1"、"0"间隔的传输波形为一周期性方波。
•帧首定界符（SFD）
它是1字节的10101011二进制序列，此码一过，表示一帧实际开始，以使接收器对实际帧的第一位定位。
•目的地址（DA）
它说明了帧企图发往目的站的地址，共6个字节，可以是一个唯一的地址，即单址--代表单个站，一个多址--代表一组站，或一个全地址--代表局域网上所有的站。当目的地址出现多址时，即表示该帧被一组站同时接收，称"组播"（Multicast）。当目的地址出现全地址时，即表示该帧被局域网上所有站同时接收，称"广播"（Broadcast）。以DA的最高位来判断是否单址，若最高位为"0"则表示单址，"1"表示多址或全地址。且全地址还必须是DA为全"1"代码。
•源地址（SA）
它说明发送该帧站的地址，与DA一样占6个字节。
•类型（TYPE）
共占2个字节。它说明了高层所使用的协议，例如可能是IP协议，也可能是NOVELL的IPX协议。
•数据（DATA）
它的范围处在46字节至1500字节之间。注意到46字节最小帧长度是一个限制，目的是要求局域网上所有的站都能检测到该帧，即保证网络正常工作。如果高层协议的分组使数据段小于46个字，则由有关软件把DATA填充到46字节最小长度。
•帧检验序列（FCS）
它处在帧尾，共占4字节。是32位冗余检验码（CRC），检验范围除前导码、SFD和FCS以外的所有帧的内容，即从DA开始至DATA完毕的CRC检验结果都反映在FCS中。当发送站发出帧时，边发送，边逐位进行CRC检验。最后形成一个32位CRC检验和填在帧尾FCS位置中一起在介质上传输。接收站接收后，从DA开始同样边接收边逐位进行CRC检验。最后接收站形成的检验和若与帧的检验和相同，则表示介质上传输帧未被破坏。反之，接收站认为帧被破坏。则会通过一定的机制要求发送站重发该帧。
对于IEEE802.3帧来说，由于它的高层协议基于逻辑链路控制子层（LLC），即IEEE802.2标准。因此在以太网DATA段的位置中被LLC协议数据单元（LLC-PDU）所取代，而以太网的DATA字段直接为网络层的分组。与之相应的，IEEE802.3中的长度字段（L）代替了以太网帧的类型字段。L表示LLC-PDU的字节数，它的范围也在46字节-1500字节之间。如果LLC-PDU的字节数< 46字节，则发送站的MAC子层自动填"0"代码于填充段PAD中。至于LLC-PDU中的数据由那一个网络层分组来提供则由LLC-PDU某些特征位来表示。
为了使得以太网和IEEE802.3两种帧能兼容，即都能在网上正常发送和接收，怎样处理TYPE和L是关键之一，解决的办法是：认为该段中的值大于最大帧长度（即1518D），则表示为类型段，该段的值仅来说明继后的DATA是何种网络层协议的分组，也就是认为该帧为以太网帧，按以太网帧结构来处理；反之则认为是IEEE802.3帧结构，IEEE802.3帧结构来处理。实际的做法为：取值1536D（既0600H）作为界限，大于或等于0600H，认为是以太网帧，此段按类型处理。例IP为0800H，XNS为0600及IPX为8137H。反之，认为是IEEE802.3帧，该段为长度值。
两种帧结构另外的区别是：以太网帧的DA段上只有最高位才有定义，区分单址还是多址。而IEEE802.3帧却最高两位有定义，次高位"0"表示全局管理地址，"1"表示局部管理地址。一般来说地址总是全局管理，因此该位总设置为"0"。对于广播地址来说，两种帧结构中DA的次高位均设置为"1"。
3.以太网物理层结构和功能
•编码技术
在MAC子层中形成了帧结构后，要通过物理层发送到介质上，介质上传输帧的二进制代码时必须采用特殊的编码，而不是计算机主体中一般的不归"0"制（NRZ）编码，在10BASEX以太网上采用了曼彻斯特编码（Manchester Code）（详见第三章）。
采用曼彻斯特编码在代码中包括了同步时钟信号。还有一个优点是在使用同轴电缆介质的以太网（10BASE5、10BASE2）上能很方便地检测到发生碰撞的现象。由于该编码的帧在正常发送过程中在介质上形成的平均电平是固定的，这是由于以跳变状态来表示代码所致。每一位的平均电平是一样的，如果跳变的低电平为V1，高电平为V2，则平均电平为（V1+V2）/2。如果在介质上发生了碰撞，则平均电平就会改变，只要超过一个规定的门槛电平，发送站就能检测到碰撞。这种碰撞检测效果使用一船的NRZ编码是无法达到的。
•收发器
在以太网物理结构中，另一重要的功能模块称"收发器"。它处在编码/译码功能模块与介质之间，收发器完成如下功能。
1）往介质发送信号：
经过曼彻斯特编码的帧由收发器发送到介质上。在帧正常发送过程中，收发器以一定的脉冲序列信号告诉MAC子层以说明帧发送正常。
2）自介质接收信号：
把介质上接收来的帧转发到译码功能模块上。通过译码后，传至MAC子层。
3）识别介质是否存在信号：
当发送站的帧准备好要发送时，首先要判断介质是"忙"还是"空闲"，即是否其他站正在发送帧而占用了介质，若"忙"，即介质被其它站占用，则帧发送要等待，直至介质空闲，收发器能识别介质上忙还是空闲，并把识别信号传至MAC子层。注意不同的结构，判断介质是否存在信号的机理是不同的。
4）识别碰撞：
收发器能在帧持续发送过程中而不停地检测介质上是行发生碰撞。若检测到碰撞，则发生碰撞的信号会转告MAC子层。注意不同的结构，检测碰撞的机理是不一样的。
•四种10BASE以太网物理性能比较
四种10BASE常用的以太网，它们的MAC子层和物理层中的编码/译码模块均是相同的，而不同的是物理层中的收发器及介质连接方式。图8.9比较了四种10BASE以太网的物理性能。
图8.9 4种10M以太网的物理性能比较
4.10BASE-T以太网系统简介
在LAN发展过程中，10BASE-T技术占着重要的地位，有必要对之做一下介绍。
整个10BASET以大网系统由集线器、网卡（包括在地点上）以及双绞线组成。网卡与集线器之间通过RJ-45连接器连接双绞线，RJ-45接线示意图如图8.10所示。
图8.10 RJ-45连接示意图
一个RJ-45连接器最多可连接四对双绞线，1-2，3-6，4-5，7-8分别连接一根双绞线。在10BASET上仅用了两根双绞线，即1-2及3-6。网卡与集线器双绞线连接如图8.11(a)所示，集线器之间的双绞线连接如图8.11(b)所示。在网卡上1-2双绞线作为发送用，而3-6作为接收用，而集线器却与之相反。因而集线器之间连接则可采用以下两种办法，即双绞线电缆两端RJ-45交叉连接或集线器中用开关控制。
图8.11 双绞线连接示意图
五、IEEE 802.5，令牌环局域网
令牌环网是最早的一种环网技术，FDDI在其基础上发展起来的。IEEE802.5标准定义了令牌环网的介质访问控制（MAC）技术和物理层结构。本节首先讨论令牌环网的MAC层技术，然后讨论论物理层结构。
1．802.5令牌环网的MAC子层
802.5使用令牌环（token ring）作为其介质访问控制技术，关于令牌环的基本工作原理在前面已有说明。令牌环协议中包括了支持优先级和环维护的机制。在讨论这些以前，我们需要先讲述一下令牌环网中使用的帧格式。
图8.12描绘出按IEEE802.5协议生成的令牌格式和帧格式。
图8.12 IEEE802.5令牌格式和帧格式
整个帧格式包含下列一些字段：
•帧首定界符（SD）
•访问控制（AC）
•帧控制（FC）
•目的地址（DA）
•源地址（SA）
•信息
•帧检验序列（FCS）
•帧尾定界符（ED）
•帧状态（FS）
•地址字段
•MAC帧信息字段
•帧首定界符（SD）
指出令牌或帧的开始。组成SD的编码模型总是能够与数据区别开的。它的编码如下：JK0JK000，其中J和K是非数据符号。非数据符号的实际形式取决于介质上信号的编码。
•访问控制（AC）
包含被用于优先机制中的优先级和预留比特以及监控比特，后者被应用于环维护机制中。这一字段还包括令牌比特，该比特指出这是一个令牌还是一个帧。如果它是一个令牌，则其唯一的附加字段是ED（这将在以后述及）。
•帧控制（FC）
它指出该帧是一个LLC的数据帧（FF＝01），还是-个MAC控制帧（FF＝00）。在后者情况时，控制比特（ZZZZZZ）指出的是MAC帧的类型。
•目的地址（DA）
说明该帧想要发往的站（或一些站）。目的地址可以是一个唯一的MAC地址（单个站），也可以是一组地址（一组站）或是一个全地址（环所有的站）。选择16bit，还是48bit的地址由实现来决定，此决定对某个特定LAN上所有的站都必须是一致的。
•源地址（SA）
规定了发送该帧的站。SA地址的位数必须与DA的位数相等。
•信息
包括LLC数据或与MAC协议的控制操作有关的信息。
•帧检验序列（FCS）
是一个32bit的循环冗余检验序列，该序列基于FC，DA，SA和信息字段。
•帧尾定界符（ED）
包括指明帧结束的一些非数据符号。它同时也包含表中的指定含义的I和E比特。
•帧状态（FS）
包括下表中指定含义的A和C比特。由于A和C在FCS的范围以外，因此重复它们一次，以提供冗余检验来检测错误的位置。
图8.13 IEEE802.5 MAC帧的控制比特
•地址字段
地址字段的源地址字段中的第一比特总是"0"。目的地址字段中第一比特置成"0"，表示一个单地址，置成"1"则表示是一组地址。全"1"的组地址是对环上所有工作的站的广播地址。所有其他的组地址都是指定某一逻辑用户群，它们是在配置时或由某个高层约定来定义的。
对于48bit的地址字段，将其源和目的地址字段中的第二个比特置成"0"，表示是一全局管理地址，置成"l"则表示是-局部管理地址。这些地址的性质则不属本标准的范围。全局管理地址可以用来对通过多个网络的每一个站分配一个唯一的地址，并且由IEEE标准机构代表国际标准化组织（ISO）来进行管理。
•MAC帧信息字段
在某些MAC帧中，信息字段被用于携带有关特定控制用的控制信息。控制信息作为维护环路使用。
2．MAC的基本操作
上面已描述了令牌环网的帧结构，现在我们来叙述MAC最基本的操作。
一个站若欲发送，要等到有一个令牌经过。令牌由访问控制（AC）字段中的令牌比特置为"0"来表明。该站将这令牌比特置为"1"就抓住了令牌，并将其余的字段（FC、DA、SA、INFO、FCS、ED、FS）都挂在SD和AC字段之后，以形成一个完整的发送帧，同时，被捕获的令牌的ED字段被该站所吸收和丢弃。该站可以连续地发送直到无数据可发或者到令牌保持计时器计满为止。该站可以用将ED字段中的比特置"1"的方法连续地发送多个帧、但最后一帧除外。
其他站在环上监听，并不断地转发着通过的帧。为了检查、复制或改变一个比特必须有一定的时间，每个站都要对环引进约一比特的时延。每个站都能对通过的帧进行差错检验。如果检验到一个差错就应将比特置位。如果站检测到目的地址是其本身的地址，它就将A比特置成"1"，如果该站有足够的缓存空间，它就复制该帧，并将C比特置成"1"。这样可以使源站能区别三种状况：
•目的站不存在/未被复制；
•目的站存在但帧未被复制；
•帧已被目的站复制。
发出帧的站应该负责将该帧从环上清除。当每个发出去的帧回到源站时，应被吸收掉，并检查帧尾序列中的状态比特（E,A,C）以判定传输的结果。但是，如果报告说有错，MAC协议并不尝试去重传该帧。这是LLC或某些高层协议的职责。
3．优先级机制
在IEEE802.5标准中。对上述方案增加了-个优先级机制。标准提供八级优先级，并在每个数据帧或令牌中提供两个3bit字段来进行此事：一个是优先级字段，另一个是预留字段。
现在我们来描述一下优先级算法。一个具有优先级高于当前帧的优先级的站可以在该帧通过时，在其优先级上预留下一个令牌。在当前发送的站完成其发送时，它就送出一个具有较高的优先级的令牌。具有较低优先级的站不能截住这个令牌，因而令牌就传递到发出请求的站或某个优先级等于或高于该优先级的、有数据要发送的中间站。
这个将优先级进行提升的站，在所有具有较高优先级的站都发送完后负责将其回降到它以前的等级上。当该站看到一个令牌处于该较高的优先级时，它就可假设不再有较高优先级的信息在等待发送，并在令牌传出前将其降级，下图是一个例子。
在下图中，当A已发出一个高优先级的令牌后，任何一个具有高优先级数据的站都可以抓住这令牌。假设除D站外，尚有C站具有高优先级数据要发送，则C将抓住这个令牌，发送其数据帧，并重新发出一个高优先级的令牌。该令牌然后被D抓住。在一个高优先级的令牌到达A时，所有中间介入的具有高优先级数据要发送的站将都已有了发送的机会，所以这该是A将令牌降级的合适时间。
图8.14 令牌环优先级方案
4．物理层编码
标准规定使用的数据速率是4Mbps和16Mbps。采用差分曼彻斯待编码，该编码的规则为："0"为比特时间开始和中间均跳变，"1"只有在比特中间跳变。下图表示了这种编码以及对非数据符号J和K的编码。与数据符号不同，J和K的比特时间的中央没有跃变。对于J，在比特时间开始时也没有跃变；对于K，在比特时间开始时有一个跃变。符号J和K通常是以"J-K"成对方式发送，以避免累积的直流分量。
图8.15 差分曼彻斯特编码
•第三节高速网
过去几十年，计算机的处理速度提高了百万倍，但网络速率只提高了上千倍，因此网络速率成为整个系统的瓶颈，急需提高。从用户的角度来看，新的应用不断提出。例如，分布式计算、多媒体应用等等，这些应用都要求更高的网络带宽与速率。高速局域网的出现从技术上解决这些问题，一般而言速率达到100Mbps或超过100Mbps的局域网称为高速局域网。下面介绍一下几种高速局域网技术。
一、光纤网和FDDI标准
光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，简称FDDI）标准是由ANSI X3T9.5委员会负责制定的。该标准规定了一个100Mbps光纤环型局域网的介质访问控制（MAC）协议和物理层规范。而在MAC层之上采用IEEE802.2的逻辑链路控制（LLC）标准。
1．FDDI概述
与IEEE802.3、802.4和802.5标准一样，FDDI标准包含了MAC子层和物理层。下图是FDDI标准的体系结构及其与IEEE802标准的关系。
图8.16 FDDI体系结构及其与IEEE802标准的关系
MAC层协议是FDDI标准的核心，MAC服务规范从功能上定义了FDDI向LLC或其他较高层用户提供的服务以及MAC帧结构和在MAC实体间所发生的交互作用。与IEEE802.5一样FDDI也采用令牌环协议，但两者也有所不同，具体区别在后面描述。FDDI与802.5的主要区别就在于其物理层介质特性的差别，以及MAC层令牌环的控制。
物理层协议（PHY）是物理层中与介质无关的部分，它包括与MAC子层间的服务接口规范。另外还定义了PHY与PMD、SMT之间的服务接口规范。这一接口规范定义了在MAC与PHY之间传递一对串行比特流所需的设施。PHY还规定了数字数据传输用的编码。PMD子层（物理介质相关子层）是物理层中与介质相关的部分，它对用于光纤的激励器和接收器的特性作了规定，同时还对站到环的连接、环所用的光缆和连接器等与介质相关的特性作了规定。发送器将从PHY发送来的表示数据的电脉冲信号变成调制信号，该信号通过FDDI连接器进入传输介质。经过传输后，调制信号经FDDI连接器进入接收器。接收器负责将调制信号变成表示数据的电脉冲信号，交给PHY。
层管理（LMT）提供了一个站对FDDI各层中正在进行的进程进行管理所必需的控制功能，从而使站在环上能协调地工作。LMT是一种更广泛的，称作站管理（SMT）的概念的一部分，后者包括对LLC子层及更高层中的进程的管理。
2．FDDI令牌环
与IEEE802.5一样，FDDI的MAC协议是-个令牌环协议。令牌环的基本操作（不包含优先级和维护机制），对802.5与FDDI来说是十分相似的。这里我们又重温一下这种基本操作，并指出这两种协议在这方面的一些差别。
FDDI令牌环技术建立在采用小的令牌帧的基础上，当所有的站均空闲时，小令牌帧沿着环运行。某个站想要发送时，必须等到检测到有令牌通过时为止。一旦识别出有用的令牌时，站立即将它吸收。当抓获的令牌完全收到后，站就开始发送-个或多个帧。这时环上没有令牌，因而其他想要发送的站必须等待。环上的帧将绕环运行一圈，而后被发送站清除。当发送站完成其帧的发送后，就在环上插入一新的令牌。如果环的比特长度大于站的发送长度，则新的令牌将出现在当前帧的前沿回到发送站并被清除之前。
FDDI的令牌环和802.5的令牌环有一些区别。首先，一个FDDI站并不是通过改变-个比特来抓住令牌的。因为FDDI的高数据率要求采取这样一种做法是不实际的。其次，在FDDI中，一个站一旦完成其帧的发送后，即使它尚未开始收到它自己发出的帧，也立即送出一新的令牌。对于802.5令牌环，需要接收到自己发出的数据帧后，才能发送新的令牌。同样，这也是由FDDI的高数据率而需要这样做的。令牌的提前发送减少了数据帧传输延迟，使得环上同时可以存在一个以上数据帧，这对于跨度可达200km的FDDI是十分必要的。
3．MAC帧
在讨论FDDI的MAC协议细节之前，有必要先来考察一下它的帧结构。FDDI标准以MAC实体间交换的符号作单位来表示帧结构，每一符号对应4个比特。这样安排是因为在物理层中，其数据是以4bit块来发送的。但是，MAC实体事实上必须处理单个比特，因此下面的讨论有时是指4bit符号，有时是指单个比特。
图8.17 FDDI 令牌格式和帧格式
由FDDI协议所生成的帧格式，它包含下列一些字段：
•前导码（PA）
•帧首定界符（SD）
•帧控制（FC）
•目的地址（DA）
•源地址（SA）
•信息
•帧检验序列（FCS）
•帧尾定界符（ED）
•帧状态（FS）
•地址字段
•帧控制字段
•前导码（PA）
用来使帧与每一站的时钟建立同步。帧的始发站采用16个空闲符号（64bit）的字段作为前导码。后继的转发站可以改变字段的长度，以与时钟要求相一致。空闲符号为一不代表数据的填充用码型。非数据符号的实际形式决定于介质上的信号编码。
•帧首定界符（SD）
它指示一帧的开始，而且总是以与数据相区别的信号码型来组成。它的编码为JK，其中J与K均为非数据符号。
•帧控制（FC）
它的比特格式为CLFFZZZZ。其中C指明这是一个同步帧或异步帧，L指明采用16bit地址或48bit地址。FF指明该帧是一LLC帧或MAC控制帧。在MAC控制帧中，余下的比特指明MAC帧的型式。
•目的地址（DA）
规定了该帧企图发往的站，它可以是一个唯一的物理地址（单个站），也可以是一个多址--组地址（一组站），或是一个广播地址（局域网上所有的站），环上可混合包含16bit地址与48bit地址。
•源地址（SA）
规定了发送该帧的站。
•信息
包含LLC数据或与控制操作有关的信息。
•帧检验序列（FCS）
是一个32bit的循环冗余检验序列，它的生成基于FC、DA、SA与信息字段。
•帧尾定界符（ED）
包括指明帧结束（FS字段除外）的一些非数据符号。对于令牌，这一定界符的长度为8bit（2个非数据T符号），对其他帧则为4bit（1个T符号）。这种差异是为了使帧能有整数个八位位组。
•帧状态（FS）
包括检测到差错（E）、地址被识别（A）、帧已被复制（C）等指示，每一种指示由一个符号来表示，其中R表示"断（off）"或"假（false）"，S表示"通（on）"或"真（true）"。FS字段还可包括附加的控制指示符，它们的使用由实现者来定义。如果附加的符号为奇数个，则FS字段将以一个T符号来结点。
•地址字段
地址字段中，在源地址字段，第一个比特恒为"0"。在目的地址字段中，第一个比特为"0"表示单地址；为"1"表示组地址。一个全"1"的组地址是一对LAN上所有工作着的站的广播地址。所有其他的组地址指明一个逻辑用户组，它是在网络构造时加以指定或由高层约定来定义。在48bit地址字段中，源地址和目的地址中的第二个比特置"0"，表示一全局管理地址；置"1"，表示一局部管理地址。这些地址的性质不在标准规定范围之内。可以这样认为，全局管理地址能用于对跨越多个网络的每一个站分配一个唯一的地址，它可由某个合作机构、或者由一个国家的或国际的标准化组织来管理。
•帧控制字段
帧控制字段指明此帧的类型，并包含一些规定操作细节用的比特。即有四种类型：控制帧，LLC帧，为实现者保留的帧和为将来的标准化保留的帧，它们由FF比特所指明。
4．基本操作
上面已描述了FDDI的帧结构，现在来叙述MAC算法。
一个想要发送的站需等待到一个令牌帧经过，它由FC字段中的S、F比特置为"00"和ZZZZ比特置为"0000"来表明。该站在重复整个FC字段前，将令牌从环上吸收掉，以此来抓住这一令牌。被抓获的令牌完全收到后，站就可开始发送它的帧，并可继续发送直到不再有要发的数据，或者到令牌保持计时器（THT）计满为止。其他的站在环上监听，并重复通过它的帧。每个站将在环内引入的约1bit的时延作为检查、复制或改变一个比特所必需的时间。每个站都能对通过的比特流进行差错检验。如果检测差错就将E指示符置位。如果站检测到其目的地址是其本身的地址，它就将A指示符置位，还可将帧复制下来。复制后将C指示符置位。这样，可使源站能区别下列三种状况：
① 站不存在/未工作；
② 站存在但帧并未被复制；
③ 帧巳被复制。
发出帧的站应负责将该帧从环上清除掉。每个发送帧当其回到源站时都被该站吸收。通过检查帧尾序列中的状态指示符（E、A、C）来确定传输的结果。但是，如果报告说有错，MAC协议并不尝试去重传该帧，这属于LLC或某些高层协议的职责。
5．数据编码
FDDI标准规定采用一种称作4B/5B码的编码方案。在这一方案中，一次对4bit进行编码，每4bit的数据编成一个由5个单元组成的符号，每一单元包含一单独的信号码元（光的有、无）。实质上也就是每一4bit组的数据被编成一个5bit码组。因此，效率提高为80%，即获得100Mbps的数据率只需125Mbaud信号速率。由此带来的节约是相当可观的。需知一个200Mbaud的收发器的成本为一个125Mbaud的收发器的5至10倍。
为了理解4B/5B码是如何获得同步的，需要知道实际上存在一个第二级编码，这就是将4B/5B码流中的每一码元作为一个二进值对待，并采用一种称作不归零反相（NRZI）或不归零-传号（NRZ-M）的编码技术进行编码。在这种码中，二进制"1"用1bit间隔起始处的跃变来表示，二进制"0"则以无跃变来表示，除此就不存在别的跃变。NRZI的优点是它采用了差分编码。在差分编码中，信号是通过比较相邻信号码元的极性，而不是根据其绝对值来进行译码的。这样做的好处是，由于在存在噪声和失真的情况下，检测跃变要比检测绝对值是否超过一门限值更为可靠。这有助于信号从光信号转换到电信号以后的最终译码。
4B/5B编码属于组编码，即是如何用"0""1"的组合来表达一个数据值；而NRZI的编码技术属于位编码，即是如何使用电平的高低或跃变来表达"0""1"。4B/5B编码需要与NRZI等的位编码技术结合使用。
FDDI的编码方案可概括如下：
① 不采用简单的强度调制编码。出为当遇到一串"1"或"0"时将不存在跃变提供同步信息。
② 选用4B/5B码而不用曼彻斯特编码。这是因为前者更为有效。
③ 将4B/5B码进一步编成NRZI码。这样可使所得到的差分码有利于改善接收的可靠性。
④ 选择用于16个4bit数据码组编码有的特定码型是基于这样一个保证：在一行中不出现多于3个"0"的情况，从而能提供适当的同步信息。在32种可能的5bit码型中，为了表示输入数据，只需用到16种，其余的-些码型或者宣布为无效，或者用作控制符号而赋予特殊意义。譬如，有两个这样的码型，它们只用帧首定界符，并永远以成对方式出现。
现在来说明一下4B/5B码以及选择这种码的理由。图8-22示出了在FDDI中所用的符号编码。由于4bit码组编码后成为5bit码组，因此某些5bit码组是不需要的。选择代表16个4bit码组的5bit码型，使其具有这样一个特点：它们中间的每一个都至少存在两个跃变,也就是"1"。当采用NRZI码时，在一行中不允许有超过3个"0"的情况。比如符号"E5"的编码是"1110001011"。这是因为在NRZI码中，不存在跃变，即表示"0"。
图8.18 4B/5B码
用来使帧与每一站的时钟建立同步。帧的始发站采用16个空闲符号（64bit）的字段作为前导码。后继的转发站可以改变字段的长度，以与时钟要求相一致。空闲符号为一不代表数据的填充用码型。非数据符号的实际形式决定于介质上的信号编码。
•帧首定界符（SD）
它指示一帧的开始，而且总是以与数据相区别的信号码型来组成。它的编码为JK，其中J与K均为非数据符号。
•帧控制（FC）
它的比特格式为CLFFZZZZ。其中C指明这是一个同步帧或异步帧，L指明采用16bit地址或48bit地址。FF指明该帧是一LLC帧或MAC控制帧。在MAC控制帧中，余下的比特指明MAC帧的型式。
•目的地址（DA）
规定了该帧企图发往的站，它可以是一个唯一的物理地址（单个站），也可以是一个多址--组地址（一组站），或是一个广播地址（局域网上所有的站），环上可混合包含16bit地址与48bit地址。
•源地址（SA）
规定了发送该帧的站。
•信息
包含LLC数据或与控制操作有关的信息。
•帧检验序列（FCS）
是一个32bit的循环冗余检验序列，它的生成基于FC、DA、SA与信息字段。
•帧尾定界符（ED）
包括指明帧结束（FS字段除外）的一些非数据符号。对于令牌，这一定界符的长度为8bit（2个非数据T符号），对其他帧则为4bit（1个T符号）。这种差异是为了使帧能有整数个八位位组。
•帧状态（FS）
包括检测到差错（E）、地址被识别（A）、帧已被复制（C）等指示，每一种指示由一个符号来表示，其中R表示"断（off）"或"假（false）"，S表示"通（on）"或"真（true）"。FS字段还可包括附加的控制指示符，它们的使用由实现者来定义。如果附加的符号为奇数个，则FS字段将以一个T符号来结点。
•地址字段
地址字段中，在源地址字段，第一个比特恒为"0"。在目的地址字段中，第一个比特为"0"表示单地址；为"1"表示组地址。一个全"1"的组地址是一对LAN上所有工作着的站的广播地址。所有其他的组地址指明一个逻辑用户组，它是在网络构造时加以指定或由高层约定来定义。在48bit地址字段中，源地址和目的地址中的第二个比特置"0"，表示一全局管理地址；置"1"，表示一局部管理地址。这些地址的性质不在标准规定范围之内。可以这样认为，全局管理地址能用于对跨越多个网络的每一个站分配一个唯一的地址，它可由某个合作机构、或者由一个国家的或国际的标准化组织来管理。
•帧控制字段
帧控制字段指明此帧的类型，并包含一些规定操作细节用的比特。即有四种类型：控制帧，LLC帧，为实现者保留的帧和为将来的标准化保留的帧，它们由FF比特所指明。
4．基本操作
上面已描述了FDDI的帧结构，现在来叙述MAC算法。
一个想要发送的站需等待到一个令牌帧经过，它由FC字段中的S、F比特置为"00"和ZZZZ比特置为"0000"来表明。该站在重复整个FC字段前，将令牌从环上吸收掉，以此来抓住这一令牌。被抓获的令牌完全收到后，站就可开始发送它的帧，并可继续发送直到不再有要发的数据，或者到令牌保持计时器（THT）计满为止。其他的站在环上监听，并重复通过它的帧。每个站将在环内引入的约1bit的时延作为检查、复制或改变一个比特所必需的时间。每个站都能对通过的比特流进行差错检验。如果检测差错就将E指示符置位。如果站检测到其目的地址是其本身的地址，它就将A指示符置位，还可将帧复制下来。复制后将C指示符置位。这样，可使源站能区别下列三种状况：
① 站不存在/未工作；
② 站存在但帧并未被复制；
③ 帧巳被复制。
发出帧的站应负责将该帧从环上清除掉。每个发送帧当其回到源站时都被该站吸收。通过检查帧尾序列中的状态指示符（E、A、C）来确定传输的结果。但是，如果报告说有错，MAC协议并不尝试去重传该帧，这属于LLC或某些高层协议的职责。
5．数据编码
FDDI标准规定采用一种称作4B/5B码的编码方案。在这一方案中，一次对4bit进行编码，每4bit的数据编成一个由5个单元组成的符号，每一单元包含一单独的信号码元（光的有、无）。实质上也就是每一4bit组的数据被编成一个5bit码组。因此，效率提高为80%，即获得100Mbps的数据率只需125Mbaud信号速率。由此带来的节约是相当可观的。需知一个200Mbaud的收发器的成本为一个125Mbaud的收发器的5至10倍。
为了理解4B/5B码是如何获得同步的，需要知道实际上存在一个第二级编码，这就是将4B/5B码流中的每一码元作为一个二进值对待，并采用一种称作不归零反相（NRZI）或不归零-传号（NRZ-M）的编码技术进行编码。在这种码中，二进制"1"用1bit间隔起始处的跃变来表示，二进制"0"则以无跃变来表示，除此就不存在别的跃变。NRZI的优点是它采用了差分编码。在差分编码中，信号是通过比较相邻信号码元的极性，而不是根据其绝对值来进行译码的。这样做的好处是，由于在存在噪声和失真的情况下，检测跃变要比检测绝对值是否超过一门限值更为可靠。这有助于信号从光信号转换到电信号以后的最终译码。
4B/5B编码属于组编码，即是如何用"0""1"的组合来表达一个数据值；而NRZI的编码技术属于位编码，即是如何使用电平的高低或跃变来表达"0""1"。4B/5B编码需要与NRZI等的位编码技术结合使用。
FDDI的编码方案可概括如下：
① 不采用简单的强度调制编码。出为当遇到一串"1"或"0"时将不存在跃变提供同步信息。
② 选用4B/5B码而不用曼彻斯特编码。这是因为前者更为有效。
③ 将4B/5B码进一步编成NRZI码。这样可使所得到的差分码有利于改善接收的可靠性。
④ 选择用于16个4bit数据码组编码有的特定码型是基于这样一个保证：在一行中不出现多于3个"0"的情况，从而能提供适当的同步信息。在32种可能的5bit码型中，为了表示输入数据，只需用到16种，其余的-些码型或者宣布为无效，或者用作控制符号而赋予特殊意义。譬如，有两个这样的码型，它们只用帧首定界符，并永远以成对方式出现。
现在来说明一下4B/5B码以及选择这种码的理由。图8-22示出了在FDDI中所用的符号编码。由于4bit码组编码后成为5bit码组，因此某些5bit码组是不需要的。选择代表16个4bit码组的5bit码型，使其具有这样一个特点：它们中间的每一个都至少存在两个跃变,也就是"1"。当采用NRZI码时，在一行中不允许有超过3个"0"的情况。比如符号"E5"的编码是"1110001011"。这是因为在NRZI码中，不存在跃变，即表示"0"。
图8.18 4B/5B码
二、交换式以太网
1．以太网交换技术
在采用CSMA/CD的以大网中，各个站点共享一条10Mbps的总线，10Mbps的数据传输速率对大部分用户来说是够用的。但是在最近的几年，局域网上的用户数明显增加了。多媒体技术广泛使用后，大量图像数据需要在网络上传输。计算机支持的协同工作（CSCW）模式的出现，也要求局域网有更高的数据率。现有局域网的数据传输速率就往往作成为整个系统的瓶颈。以太网交换技术的出现解决了这个问题。
在以太网中使用交换式集线器（switching hub或hub/switch）可明显地提高网络的性能。人们总把交换机和交换式集线器等同起来，区分交换机和交换式集线器不是其工作机制，而是拥有的功能。交换式集线器和交换机都能给终端提供独占带宽，都能自动建立、维护站表，并根据站表内容在输入和输出端口间建立交换通路。但交换机提供更多现代网络所要求的功能：信息流优先级、服务分类、虚拟网、远程监测(RMON)、自动流控制、内嵌网络管理代理等。核心交换机更是能提供动态资源预留、三层交换、基于策略管理等高级功能。
交换式集线器的主要特点是：所有端口平时都不连通。当工作站需要通信时，交换式集线器能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的工作站都能像独占通信介质那样，进行无冲突地传输数据。通信完成用就断开连接。
对于普通10Mbps的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽（10Mbps）的N分之一。在使用交换式集线器时，虽然数据率还是10Mbps，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输介质的带宽，因此，对于拥有N对端口的交换式集线器，其总容量就是N×10Mbps。这点正是交换式集线器的最大优点。
从共享总线以太网或10BASET以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、网卡等都不需要作任何改动。也就是说，所有接入的设备继续使用CSMA/CD协议。此外，只要增加集线器的容量，整个系统的容量是很容易扩充的。下图说明了这几种以太网的区别，这里假定使用的是10Mbps以太网。
1．以太网交换技术
在采用CSMA/CD的以大网中，各个站点共享一条10Mbps的总线，10Mbps的数据传输速率对大部分用户来说是够用的。但是在最近的几年，局域网上的用户数明显增加了。多媒体技术广泛使用后，大量图像数据需要在网络上传输。计算机支持的协同工作（CSCW）模式的出现，也要求局域网有更高的数据率。现有局域网的数据传输速率就往往作成为整个系统的瓶颈。以太网交换技术的出现解决了这个问题。
在以太网中使用交换式集线器（switching hub或hub/switch）可明显地提高网络的性能。人们总把交换机和交换式集线器等同起来，区分交换机和交换式集线器不是其工作机制，而是拥有的功能。交换式集线器和交换机都能给终端提供独占带宽，都能自动建立、维护站表，并根据站表内容在输入和输出端口间建立交换通路。但交换机提供更多现代网络所要求的功能：信息流优先级、服务分类、虚拟网、远程监测(RMON)、自动流控制、内嵌网络管理代理等。核心交换机更是能提供动态资源预留、三层交换、基于策略管理等高级功能。
交换式集线器的主要特点是：所有端口平时都不连通。当工作站需要通信时，交换式集线器能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的工作站都能像独占通信介质那样，进行无冲突地传输数据。通信完成用就断开连接。
对于普通10Mbps的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽（10Mbps）的N分之一。在使用交换式集线器时，虽然数据率还是10Mbps，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输介质的带宽，因此，对于拥有N对端口的交换式集线器，其总容量就是N×10Mbps。这点正是交换式集线器的最大优点。
从共享总线以太网或10BASET以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、网卡等都不需要作任何改动。也就是说，所有接入的设备继续使用CSMA/CD协议。此外，只要增加集线器的容量，整个系统的容量是很容易扩充的。下图说明了这几种以太网的区别，这里假定使用的是10Mbps以太网。
图8.19 三种以太网的主要区别
我们应注意到，对于传统的共享总线以太网，当计算机B向计算机A发送数据时，数据帧是在整个总线广播。计算机C和D都能收到B的数据帧，只不过因目的地址不对，才将这些数据帧丢弃。在一个总线上，在一个特定时刻只能有一个站发送数据。
将总线换成共享媒体集线器，整个情况和上一种情况相似。集线器总的容量仍为10Mbps，而在任一时刻只能有一个站发送数据。
但使用交换式集线器的情况就不同了。当计算机B向A发送数据时，计算机C还可以向D发送数据。每一台计算机独占10Mbps的传输资源，因而交换式以太网总的容量为N×10Mbps，这里N是集线器拥有的端口对数。
交换式集线器的发展与建筑物结构化布线系统的普及应用密切相关。在结构化布线系统中，广泛地使用了交换式集线器。
交换式集线器的交换方式有以下两种：
1）存储转发交换
采用这种方式时，集线器就像一个分组结点交换机。它从一个输入端口收下一个帧，暂存后即根据其目的地址转发到适当的输出端口。
2）直通（cut-through）交换
这种方式利用了目的地址处于MAC帧的最前面这一特点。直通交换不必将整个数据帧先缓存后再进行处理，而是在接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的地址决定该帧的转发端口，这就使得转发速度大大提高。由于在这种交换式集线器的内部采用了基于硬件的交叉矩阵，其交换时延仅为30μs左右。对于多媒体应用，直通式交换是一种很好的方法。直通交换的一个缺点是它不检查CRC就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。现在有的厂商已生产出能支持两种交换方式的交换式集线器。
交换式集线器存在的其他问题是：
1）目前还没有制定一个统一的管理交换式集线器的标准。网络管理员必须使用多个管理控制台才能监控不同厂商生产的交换式集线器。
2）绝大多数交换式集线器在分析交换流量方面都很欠缺。网络管理员需要为每个端口配备测试工具。
2．虚拟局域网（VLAN）
利用交换式集线器可以很方便的实现虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）。虚拟局域网其实只是给用户提供的-种服务，而并不是一种新型局域网。
下图画的是使用了四个交换式集线器的网络拓扑。设有10个工作站分配在三个楼层中，构成了三个局域网，即：
LAN1：（Al，A2，B1，C1）
LAN2：（A3，B2，C2）
LAN3：（A4，B3，C3）
但这10个用户划分为3个工作组，即：A1-A4；B1-B3；Cl-C3。从图中可看出，每一个工作组的工作站都处在不同的局域网中，也不在同一层楼中。
图8.20 虚拟局域网的构成
可以利用交换集线器将这10个工作站划分为三个虚拟局域网：VLAN1、VLAN2和VLAN3。在虚拟局域网上的每一个站都可以听到同一个虚拟局域网上的其他成员所发出的广播。例如，工作站B1～B3同属于虚拟局域网VLAN2。当B1向工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息，虽然它们没有和B1连在向一个集线器上，相反，Bl发送数据时，工作站A1，A2和C1郁不会收到B1发出的广播信息，虽然它们都与BI连接在同一个集线器上。交换式集线器不向虚拟局域网以外的工作站传送B1的广播信息。这样，虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息而引起性能恶化。即所谓的"广播风暴"。在共享传输介质的局域网中，网络总带宽的绝大部分都是由广播帧消耗的。
由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。
目前使用虚拟局域网的最大问题是当网络要跨越三个以上的集线器时，就变得难以维护。此外，不同厂商生产的具有虚拟局域网功能的集线器之间还缺少互操作性。
三、100Mbps快速以太网
100Mbps快速以太网是10BASET和10BASEFL发展的必然结果，快速以太网家族中用得最广泛的是100BASETX和100BASEFX，它们的拓扑结构和介质布局几乎与10BASET和10BASEFL完全一样，就差别在传输率相差10倍，至于帧结构，介质访问控制方式完全沿袭了IEEE802.3的基本标准。
快速以太网技术与产品推出后，迅速获得广泛应用，目前几乎所有的局域网系统中均采用了快速以太网产品。同样，它既有共享型集线器组成的共享型快速以太网系统，又有快速以太网交换器构成交换型以太网系统。在100BASEFX使用光缆作为介质的环境中，又充分发挥了全双工以太网技术的优势。10M/100Mbps自适应的特点保证了10Mbps系统平滑地过渡到100Mbps以太网系统。本节将讨论以上所提及的有关技术。
100Mbps快速以太网（Fast Ethernet）是基于10BASET和10BASEF技术发展的传输率达到100Mbps的局域网。从OSI层次来看，与10Mbps以太网一样仍是占有数据链路层和物理层及物理介质。1995年正式作为IEEE802.3标准的补充即IEEE802.3u标准而公布于世。
100BASETX是继承了10BASET5类不屏蔽双绞线的环境，在布线不变的情况下，从10BASET设备更换成100BASTX的设备即可形成一个100Mbps的以太网系统；同样100BASEFX是继承了10BASEFL的多模光纤的布线环境而直接可以升级成100Mbps光纤以太网系统。
四、1Gbps高速以太网技术
以太网现在已经主导了整个局域网技术和产品市场，当前10Mbps和100Mbps的以太网产品，从共享型、交换型以太全双工的产品大量充塞着局域网的市场，用户应用后，对网络从技术和结构上的升级和迁移需求往往有如下三点：
•要求增加系统的带宽。从主干到站点的带宽的增加反应了用户在网络上业务的急剧增长。随着业务的增长，网络上的设备和传输介质上的数据流量随之增长，因此要求系统不断增加带宽。
•保护已有的投资。当用户升级和迁移时，原来的设备不能舍弃。原来操作人员经过培训后的技能也希望在新的网络系统环境中能够平滑继承。
•系统升级和迁移技术上平滑过渡，费用开销尽可能降低。
1Gbps以太网技术及其产品的出现正是适应局域网从10M/100Mbps升级的潮流。它的优势在于：
•使系统主干或者客户站访问服务器的速度大大提高。
•这是-种平滑过渡的技术，具有很浓的"亲和力"，用户的培训和维护方面的技术投资得到有效的保护。
•升级投资降到最低限度，即花了最少的再投资，能获得高性能的回报。
•不需再花过多的精力去学习新的协议和技术。升级使用户没有感到技术上有难度和风险。
显然，1Gbps以太网与快速以太网很相似，只是传输和访问速度更快，为系统扩展带宽提供有效保证。1Gbps以太网在作为骨干网络时能够在不降低性能的前提下支持更多的网络分段和节点。首先它能够聚集下层交换器，提供超高速交换路径；其次，它能将主服务器资源与各分支设备连接，以解决现存的快速以太网转发的瓶颈问题。
网络主干上有了1Gbps以太网交换器的支持，可以把原来的100BASET系统设备迁移到低层，这样主干上实现了无阻塞，低层又能分享到更多的带宽。
总之，1Gbps以太网是10M/100Mbps以太网的自然"进化"，它不仅仅使系统增加了带宽，而且还带来了服务质量的功能，这一切都是在低开销的条件下实现的，它在未来的成功都不会出人意料。
为了实现1Gbps以太网技术和产品的开发，1996年3月，IEEE成立了802.3z工作组，负责研究lGbps以太网技术并制定相应的标准。
在IEEE802.3z工作组成立不久即告成立千兆位以太网联盟（GEA，Gigabit Ethernet Alliance），GEA是个开放的论坛，其成立的宗旨在于促进千兆位以太网技术发展过程中的工业合作，其基本的盟规包括如下：
•全力支持IEEE802.3z工作组在制定标准进程中的各项活动。
•GEA成员的技术资源应该共享，以利于技术规范的出台。
•保证和完善各成员的干兆位以太网产品的互操作性。
•促进供应商和用户之间的双向交流。
•吸纳新成员并使其行使其职责。
GEA的组织结构主要包括有：执委会，技术子工作组以及市场与信息子工作组。GEA的创始成员包括3COM、Bay、Cisco、Intel等11家公司。GEA成立一个月后，另外28家公司宣布加盟，目前联盟成员已达百余个。
下图描述了1Gbps以太网的体系结构和功能模块，整个结构类似于IEEE802.3标准所描述的体系结构，包括了MAC子层和PHY层两部分内容。MAC子层中实现了CSMA/CD介质访问控制方式和全双工/半双工的处理方式，其帧的格式和长度也与802.3标准所规定的一致。
图8.21 1Gbps以太网体系结构
在PHY层上，与802.3标准有很大的区别，1Gbps以太网的PHY层体现了802.3z与802.3标准最大区别所在，PHY层中包括了编码/译码、收发器以及介质三个主要模块，还包括了MAC子层与PHY层连接的逻辑"与介质无关的接口"。
收发器模块包括长波光纤激光传输器、短波光纤激光传输器、短屏蔽铜缆以及不屏蔽铜缆收发器四种类型。
不同类型的收发器模块分别对应于所驱动的传输介质，传输介质包括单模和多模光缆以及屏蔽和非屏蔽铜缆。
对应不同类型的收发器模块，802.3z标准还规定了两类编码/译码器：8B/10B和专门用于5类UTP的编码/译码方案。
对于光缆介质的1Gbps以太网除支持半双工链路外，还支持全双工链路；而铜缆介质只支持半双工链路。
我们应注意到，对于传统的共享总线以太网，当计算机B向计算机A发送数据时，数据帧是在整个总线广播。计算机C和D都能收到B的数据帧，只不过因目的地址不对，才将这些数据帧丢弃。在一个总线上，在一个特定时刻只能有一个站发送数据。
将总线换成共享媒体集线器，整个情况和上一种情况相似。集线器总的容量仍为10Mbps，而在任一时刻只能有一个站发送数据。
但使用交换式集线器的情况就不同了。当计算机B向A发送数据时，计算机C还可以向D发送数据。每一台计算机独占10Mbps的传输资源，因而交换式以太网总的容量为N×10Mbps，这里N是集线器拥有的端口对数。
交换式集线器的发展与建筑物结构化布线系统的普及应用密切相关。在结构化布线系统中，广泛地使用了交换式集线器。
交换式集线器的交换方式有以下两种：
1）存储转发交换
采用这种方式时，集线器就像一个分组结点交换机。它从一个输入端口收下一个帧，暂存后即根据其目的地址转发到适当的输出端口。
2）直通（cut-through）交换
这种方式利用了目的地址处于MAC帧的最前面这一特点。直通交换不必将整个数据帧先缓存后再进行处理，而是在接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的地址决定该帧的转发端口，这就使得转发速度大大提高。由于在这种交换式集线器的内部采用了基于硬件的交叉矩阵，其交换时延仅为30μs左右。对于多媒体应用，直通式交换是一种很好的方法。直通交换的一个缺点是它不检查CRC就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。现在有的厂商已生产出能支持两种交换方式的交换式集线器。
交换式集线器存在的其他问题是：
1）目前还没有制定一个统一的管理交换式集线器的标准。网络管理员必须使用多个管理控制台才能监控不同厂商生产的交换式集线器。
2）绝大多数交换式集线器在分析交换流量方面都很欠缺。网络管理员需要为每个端口配备测试工具。
2．虚拟局域网（VLAN）
利用交换式集线器可以很方便的实现虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）。虚拟局域网其实只是给用户提供的-种服务，而并不是一种新型局域网。
下图画的是使用了四个交换式集线器的网络拓扑。设有10个工作站分配在三个楼层中，构成了三个局域网，即：
LAN1：（Al，A2，B1，C1）
LAN2：（A3，B2，C2）
LAN3：（A4，B3，C3）
但这10个用户划分为3个工作组，即：A1-A4；B1-B3；Cl-C3。从图中可看出，每一个工作组的工作站都处在不同的局域网中，也不在同一层楼中。
图8.20 虚拟局域网的构成
可以利用交换集线器将这10个工作站划分为三个虚拟局域网：VLAN1、VLAN2和VLAN3。在虚拟局域网上的每一个站都可以听到同一个虚拟局域网上的其他成员所发出的广播。例如，工作站B1～B3同属于虚拟局域网VLAN2。当B1向工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息，虽然它们没有和B1连在向一个集线器上，相反，Bl发送数据时，工作站A1，A2和C1郁不会收到B1发出的广播信息，虽然它们都与BI连接在同一个集线器上。交换式集线器不向虚拟局域网以外的工作站传送B1的广播信息。这样，虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息而引起性能恶化。即所谓的"广播风暴"。在共享传输介质的局域网中，网络总带宽的绝大部分都是由广播帧消耗的。
由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。
目前使用虚拟局域网的最大问题是当网络要跨越三个以上的集线器时，就变得难以维护。此外，不同厂商生产的具有虚拟局域网功能的集线器之间还缺少互操作性。
三、100Mbps快速以太网
100Mbps快速以太网是10BASET和10BASEFL发展的必然结果，快速以太网家族中用得最广泛的是100BASETX和100BASEFX，它们的拓扑结构和介质布局几乎与10BASET和10BASEFL完全一样，就差别在传输率相差10倍，至于帧结构，介质访问控制方式完全沿袭了IEEE802.3的基本标准。
快速以太网技术与产品推出后，迅速获得广泛应用，目前几乎所有的局域网系统中均采用了快速以太网产品。同样，它既有共享型集线器组成的共享型快速以太网系统，又有快速以太网交换器构成交换型以太网系统。在100BASEFX使用光缆作为介质的环境中，又充分发挥了全双工以太网技术的优势。10M/100Mbps自适应的特点保证了10Mbps系统平滑地过渡到100Mbps以太网系统。本节将讨论以上所提及的有关技术。
100Mbps快速以太网（Fast Ethernet）是基于10BASET和10BASEF技术发展的传输率达到100Mbps的局域网。从OSI层次来看，与10Mbps以太网一样仍是占有数据链路层和物理层及物理介质。1995年正式作为IEEE802.3标准的补充即IEEE802.3u标准而公布于世。
100BASETX是继承了10BASET5类不屏蔽双绞线的环境，在布线不变的情况下，从10BASET设备更换成100BASTX的设备即可形成一个100Mbps的以太网系统；同样100BASEFX是继承了10BASEFL的多模光纤的布线环境而直接可以升级成100Mbps光纤以太网系统。
四、1Gbps高速以太网技术
以太网现在已经主导了整个局域网技术和产品市场，当前10Mbps和100Mbps的以太网产品，从共享型、交换型以太全双工的产品大量充塞着局域网的市场，用户应用后，对网络从技术和结构上的升级和迁移需求往往有如下三点：
•要求增加系统的带宽。从主干到站点的带宽的增加反应了用户在网络上业务的急剧增长。随着业务的增长，网络上的设备和传输介质上的数据流量随之增长，因此要求系统不断增加带宽。
•保护已有的投资。当用户升级和迁移时，原来的设备不能舍弃。原来操作人员经过培训后的技能也希望在新的网络系统环境中能够平滑继承。
•系统升级和迁移技术上平滑过渡，费用开销尽可能降低。
1Gbps以太网技术及其产品的出现正是适应局域网从10M/100Mbps升级的潮流。它的优势在于：
•使系统主干或者客户站访问服务器的速度大大提高。
•这是-种平滑过渡的技术，具有很浓的"亲和力"，用户的培训和维护方面的技术投资得到有效的保护。
•升级投资降到最低限度，即花了最少的再投资，能获得高性能的回报。
•不需再花过多的精力去学习新的协议和技术。升级使用户没有感到技术上有难度和风险。
显然，1Gbps以太网与快速以太网很相似，只是传输和访问速度更快，为系统扩展带宽提供有效保证。1Gbps以太网在作为骨干网络时能够在不降低性能的前提下支持更多的网络分段和节点。首先它能够聚集下层交换器，提供超高速交换路径；其次，它能将主服务器资源与各分支设备连接，以解决现存的快速以太网转发的瓶颈问题。
网络主干上有了1Gbps以太网交换器的支持，可以把原来的100BASET系统设备迁移到低层，这样主干上实现了无阻塞，低层又能分享到更多的带宽。
总之，1Gbps以太网是10M/100Mbps以太网的自然"进化"，它不仅仅使系统增加了带宽，而且还带来了服务质量的功能，这一切都是在低开销的条件下实现的，它在未来的成功都不会出人意料。
为了实现1Gbps以太网技术和产品的开发，1996年3月，IEEE成立了802.3z工作组，负责研究lGbps以太网技术并制定相应的标准。
在IEEE802.3z工作组成立不久即告成立千兆位以太网联盟（GEA，Gigabit Ethernet Alliance），GEA是个开放的论坛，其成立的宗旨在于促进千兆位以太网技术发展过程中的工业合作，其基本的盟规包括如下：
•全力支持IEEE802.3z工作组在制定标准进程中的各项活动。
•GEA成员的技术资源应该共享，以利于技术规范的出台。
•保证和完善各成员的干兆位以太网产品的互操作性。
•促进供应商和用户之间的双向交流。
•吸纳新成员并使其行使其职责。
GEA的组织结构主要包括有：执委会，技术子工作组以及市场与信息子工作组。GEA的创始成员包括3COM、Bay、Cisco、Intel等11家公司。GEA成立一个月后，另外28家公司宣布加盟，目前联盟成员已达百余个。
下图描述了1Gbps以太网的体系结构和功能模块，整个结构类似于IEEE802.3标准所描述的体系结构，包括了MAC子层和PHY层两部分内容。MAC子层中实现了CSMA/CD介质访问控制方式和全双工/半双工的处理方式，其帧的格式和长度也与802.3标准所规定的一致。
图8.21 1Gbps以太网体系结构
在PHY层上，与802.3标准有很大的区别，1Gbps以太网的PHY层体现了802.3z与802.3标准最大区别所在，PHY层中包括了编码/译码、收发器以及介质三个主要模块，还包括了MAC子层与PHY层连接的逻辑"与介质无关的接口"。
收发器模块包括长波光纤激光传输器、短波光纤激光传输器、短屏蔽铜缆以及不屏蔽铜缆收发器四种类型。
不同类型的收发器模块分别对应于所驱动的传输介质，传输介质包括单模和多模光缆以及屏蔽和非屏蔽铜缆。
对应不同类型的收发器模块，802.3z标准还规定了两类编码/译码器：8B/10B和专门用于5类UTP的编码/译码方案。
对于光缆介质的1Gbps以太网除支持半双工链路外，还支持全双工链路；而铜缆介质只支持半双工链路。
•第四节网络互连及其设备
局域网技术发展迅速，应用越来越广泛，但它的覆盖范围有限。LAN互连技术的发展，拓展了LAN的地理范围，丰富了LAN资源。LAN上的用户可以共享互连网络上的资源和进行通信。
所谓LAN互连就是LAN之间、LAN和WAN之间、LAN和大型的主机之间设备彼此连接起来，以实现用户对所互连的网络的资源共享及通信。网络互连时，一般要通过中间设备相连，这些设备概括起来主要有：中继器（又称转发器，在物理层实现互连）、网桥（又称桥接器，在数据链路层实现互连）、路由器（在网络层实现互连）、网关（又称网间连接器或连网机，在传输层及以上的层次实现互连）等。
局域网之间互连起来实现透明通信，所谓透明通信，即是指下层对上层隐藏其实现细节，只是提供约定的功能。底层实现的技术细节可以多种多样，而对上层提供统一的接口。互连在哪一级上实现，取决于实际需要和网络之间的兼容程度。
一、中继器
中继器（Repeater）又译成重发器，是最简单的连接设备，工作于网络的物理层。它的作用是对网络电缆上传输的数据信号经过放大和整形后再发送到其他电缆段上。因此，中继器实际上只能算是数字信号的再生放大器。
经过中继器连接的两段电缆上的工作站就像是在一条加长了的电缆上工作一样，在一段电缆上的冲突也将被中继器件传到另一段电缆上。用中继器扩展的网络，不管增加多大的距离范围，该网络在逻辑上和物理上都是同一个网络整体。
使用中继器注意两点：① 不能形成环路；② 考虑到网络的传输延迟和负载情况，不能无限制的连接中继器。例如：以太网用粗同轴电缆连网，电缆段最大距离为500m，细同轴电缆最大距离为185m，采用中继器扩展网络，Ethernet最多可用四个中继器。
中继器按其接口个数可分为：双口中继器和多口中继器。前者有两个接口，一个用于输入，另一个用于输出；后者接口数大于两个，又称为集线器（Hub）。按连接的传输介质可分为：电缆中继器（用于双绞线、同轴电缆）和光缆中继器（用于连接光缆）。
二、集线器
集线器（Hub）又称集中器，是多口的中继器。把它作为一个中心节点，可用它连接多条传输介质。其优点是当某条传输介质发生故障，不会影响到其他的节点。
集线器分为有源集线器（Active Hub）、无源集线器（Passive Hub）和智能集线器。
•无源集线器：
只是把相近地区的多段传输介质集中到一起，对它们所传输的信号不作任何处理，而且对它所集中的传输介质，只允许扩展到最大有效距离的一半。
•有源集线器：
把相近地区的多段传输介质集中到一起，还对每条件输的电信号有整形、放大和转发作用，并具有扩展传输介质长度的功能。
•智能集线器：
具备有源集线器的功能，还具有网络管理、路径选择等功能。随着网络技术的发展．现在集线器发展成为交换集线器（Switching Hub）。交换集线器不但能使网络分段，并增加了线路交换功能，提高了传输带宽。
三、网桥
网桥，是用于连接两个或两个以上具有相同通信协议、传输介质及寻址结构的局域网间的互连设备，它工作于网络的数据链路层。网桥有它的软件和硬件，因此，通过网桥的数据帧，不需要进行网络协议转换及原语连接的转换，只需要附加新的路径信息和全局地址。网桥需要有足够大的RAM缓冲区，用于扩展网络距离和转发数据到另一个目的网工作站。若缓冲区溢出，则会把发送的帧丢掉，不作任何处理，而等待端到端的协议处理。
另一方面网桥具有寻址和路径选择功能，它能对进入网桥数据的源/目的地址进行检测。若目的地址是本地网的工作站的，则删除。若目的地址是另一个网络的，则发送到目的网工作站。这种功能称为筛选/过滤功能，它隔离掉不需要在网间传输的信息，大大减少网络的负载，改善网络的性能。
但是，网桥对广播信息不能识别，也不能过滤。于是容易产生A网络广播给B网络工作站数据，又被重新广播回A网络，这种往返广播，使网上出现大量冗余信息，最终形成广播风暴。
网桥分为本地网桥和远程网桥。本地网桥指所连接的两个LAN间的距离在LAN所允许的最大传输介质长度之内的网桥。远程网桥反之。远程网桥连接两个LAN时，必须使用调制解调器，所以在连接两个远距离的LAN时，需要两个网桥。而本地网桥只需用-个网桥去连接两个LAN或远程工作站。网桥按功能可以分为：透明桥、源路由桥、翻译桥和打包桥四种。
四、路由器
按连接网络的网络层协议，路由器分为：单协议路由器（只能对具有相同网络层协议的网络互连）和多协议路由器（包括多种网络层协议）。按网络互连距离可分为远程路由器和本地路由器等等。
路由器工作于网络层，路由器的主要功能有：
① 选择最佳的转发数据的路径，建立非常灵活的连接，均衡网络负载；
② 利用通信协议本身的流量控制功能来控制数据传输，有效地解决拥挤问题；
③ 具有判断需要转发的数据分组的功能，不仅可根据LAN网络地址和协议类型，而且可根据网间地址、主机地址、数据类型（如文件传输、远程登陆或电子邮件）等，判断分组是否应该转发。对于不该转发的信息（包括错误信息），都过滤掉，从而可避免广播风暴，比网桥外有更强的隔离作用，提高安全保密性能；
④ 把一个大的网络划分为若干个子网。
五、网关
网关（Gateway），又称高层协议转发器。一般用于不同类型且差别较大的网络系统间的互连。又可用于同一个物理网而在逻辑上不同的网络间互连。
例如：各物理上是一个Ethernet网，可用网关把它分割成互连的TCP/IP网和DECnet网。还可用于网络和大型主机系统的互连，网络上的用户从而可享用大型主机的资源。也能实现不同数据库之间的互连、不同的电子邮件系统间的互连等等。网关一般由系统软件或应用软件实现。
•本章小结/课后习题
[章节小结]
局域网是指小范围内的计算机连网，局域网的特点是出错率低、传输速率高。根据网络的拓扑结构和传输介质，局域网有不同的访问控制方法。可以通过IEEE802标准的体系结构图体现出来。局域网只相当于OSI参考模型的最低2层，在局域网的数据链路层，分为2个子层，LLC层是一个统一的对上的层次，屏蔽了低层的不同访问控制方式，同时由于局域网的访问控制方法和拓扑结构使得局域网不存在路由选择问题，因此LLC中还包括了OSI网络层中的部分功能。
介质访问控制子层（MAC）对不同的访问控制方法有不同的标准，其中常用的是IEEE802.3标准，即人们常说的以太网。由于MAC和物理层的紧密联系，IEEE的802.3~802.9以及802.11、802.12等标准包括了MAC层和物理层。
局域网中以太网是应用最广泛的网络技术，其基本原理是CSMA/CD。在此基础上，发展了交换式以太网、快速以太网和千兆以太网。在高速以太网中，网络交换机称为连网的关键设备。而光缆传输技术的成熟，也是推动高速网络发展的基础。
不同网络的互连，可以分成四个层次：物理层用转发器，目的是增大网络的覆盖范围。数据链路层是网桥，在MAC层限制广播风暴并可以连接不同MAC的局域网。在网络层，路由器将不同的子网相连，在高层是被通称为网关的设备连接，用于不同协议的转换。高层互连的设备中，包括了低层互连的设备的功能。
[课后习题]
1．简述局域网的基本特点。
2．描述局域网IEEE802参考模型。
3．局域网为什么要设置介质访问控制（MAC）子层？
4．列出局域网的几种拓扑结构，并说明各自特点。
5．LLC子层是如何向高层提供服务的?LLC是如何实现多条逻辑信道数据帧“复用”传输控制功能的？
6．纯ALOHA与时隙ALOHA在轻负载下，哪一种性能更好？请说明原因。
7．简述CSMA/CD的二进制指数退避算法。
8．设令牌环网的数据传输速率为5Mbps，传播时延为5μs/km，求1bit的时延相当于多长的线路？
9．比较IEEE802.3与Ethernet的不同点。
10．列举10BASE的几种技术，并比较其特点。
11．描述802.5令牌环网的优先机制。
12．Novell Netware的逻辑结构有哪几部分组成?并说明各部分作用。
13．简述FDDI令牌环和基本的令牌环的区别在什么地方？
14．局域网交换方式的种类及其特点？
15．列举局域网的互联设备。并说明各自的功能。
课后习题答案：
1．简述局域网的基本特点。
2．描述局域网IEEE802参考模型。
3．局域网为什么要设置介质访问控制（MAC）子层？
4．列出局域网的几种拓扑结构，并说明各自特点。
5．LLC子层是如何向高层提供服务的?LLC是如何实现多条逻辑信道数据帧“复用”传输控制功能的？
6．纯ALOHA与时隙ALOHA在轻负载下，哪一种性能更好？请说明原因。
7．简述CSMA/CD的二进制指数退避算法。
8．设令牌环网的数据传输速率为5Mbps，传播时延为5μs/km，求1bit的时延相当于多长的线路？
9．比较IEEE802.3与Ethernet的不同点。
10．列举10BASE的几种技术，并比较其特点。
11．描述802.5令牌环网的优先机制。
12．Novell Netware的逻辑结构有哪几部分组成?并说明各部分作用。
13．简述FDDI令牌环和基本的令牌环的区别在什么地方？
14．局域网交换方式的种类及其特点？
15．列举局域网的互联设备。并说明各自的功能。
课后习题答案：
1．解答：
局域网的特点如下：
1）为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限；
2）较高的通信速率。局域网的传输速率在每秒10Mbps的数量级以上，可达Gbps；
3）较低的时延和误码率，一般为10-8～10-11；
4）各站点为平等关系而不是主从关系；
5）能支持简单的点对点或多点通信；
6）支持多种传输介质。
2．解答：
IEEE802标准描述了局域网描述最低两层―物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务。其中数据链路层分为MAC子层和LLC子层。各层功能如下：
（1）物理层：与OSI/RM的物理层相对应，但所采用的具体协议标准的内容直接与传输介质有关。
（2）介质访问控制（MAC）层：具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程。
（3）逻辑链路控制（LLC）层：提供一个或多个服务访问点，以复用的形式建立多点―多点之间的数据通信连接，并包括寻址、差错控制、顺序控制和流量控制等功能。
IEEE已经制定局域网标准有十多个，相互之间的关系如图8－2。
3．解答：
由于局域网采用的拓扑结构与传输介质多种多样，相应的媒体访问控制方法也各不相同，这就使得数据链路层存在与传输媒体有关的与无关的两部分。为了使局域网中的数据链路层不致于过于复杂，降低连接不同类型介质接口设备的费用，就应当将局域网的数据链路功能中与传输媒体有关的部分和无关的部分分开，即应当将数据链路层分为两个子层：一个子层集中与接入各种介质有关的部分，负责在物理层的基础上进行无差错通信，对多个源与多个目进行管理，装拆MAC帧，这就是介质访问控制MAC子层；另一个子层集中与介质接入无关的部分，提供与高层协议的接口，负责逻辑连接的建立与释放，这就是逻辑链路控制LLC子层。
这种将LLC子层和MAC子层的功能分开的方法，使得LLC子层对各种物理介质的访问是完全透明的，即在LLC子层的上面看不到具体的局域网，只有在MAC子层才能看到所连接的局域网采用的是什么标准类型。这样分工明确、实现方便、管理统一。
4．解答：
局域网的主要拓扑结构有：星型、环型、总线型、树型（见图8－3）。
（1）星型：每个站点通过点对点链路连接至一个公共中心，任意两点间要通信必须通过公共中心。
（2）环型：通过中继器形成一个环状的封闭回路，数据绕环延一个方向传输。
（3）总线型：所有站通过合适的硬件连接至一个线状传输介质上，任一站发送的数据都能被总线上的其他站接收。
（4）树型：树型拓扑结构是总线拓扑结构的一般化。
5．解答：
主机的LLC层设有多个服务访问点（L－SAP），L-SAP在任一对网络节点之间同时建立多条逻辑链路连接，然后经统一的服务访问点M-SAP与MAC子层交互。
6．解答：
在轻负载情况下，纯ALOHA的性能要好。因为时隙ALOHA是通过增加延时来达到减少冲突的目的的，在轻负载情况下，发生碰撞的几率较小，因此纯ALOHA的效率高。
7．解答：
(1)对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参数L＝2。
(2)退避重发时间在1～L个时隙中随机抽取。
(3)当帧再次冲突时，L加倍，即L＝2L。
(4)退避重发时间仍在1～L个时隙中随机抽取。
(5)当冲突n次，L＝2n。
(6)设置一个最大重传次数，超过此值，不再重发，并报告出错。
此算法的效果是，不冲突或少冲突的帧重发的机会大，冲突多的帧重发的机会小。
8．解答：
1/(5×106)/(5×10-6) = 0.04km
9．解答：
IEEE802.3与以太网的区别主要在于MAC帧的不同：
帧结构区别见图8－8，以太网帧的数据域直接是网络层分组，其类型字段为网络层协议类型。而802.3帧数据域时LLC PDU，长度字段替代了以太网帧的类型字段，表明LLC PDU的长度。由于长度和类型取值范围的不同，上层协议很容易区分以太网帧和802.3帧。
10．解答：
10BASE5、10BASE2、10BASET、10BASEFL。比较见图4－2。
11．解答：
一个具有优先级高于当前帧的优先级的站可以在该帧通过时，在其优先级上预留下一个令牌。在当前发送的站完成其发送时，它就送出一个具有较高的优先级的令牌。具有较低优先级的站不能截住这个令牌，因而令牌就传递到发出请求的站或某个优先级等于或高于该优先级的、有数据要发送的中间站。
12．解答：
（1）服务器上运行的网络操作系统核心部分
服务器上的操作系统专为网络服务而设计，目录和文件的管理、数据共享与保密等都由它完成。
（2）工作站上的Shell（外壳）软件
工作站Shell驻留于工作站上，与工作站操作系统结合，提供访问NCP的接口和上网工作环境，以便用户访问网上服务资源。
（3）网桥软件三部分
网桥软件用于实现多个网络的互连，它可包含在网络操作系统中，也可专门放置在一个充当网桥的设备中。
13．解答：
首先，一个FDDI站并不是通过改变―个比特来抓住令牌的。因为FDDI的高数据率要求采取这样一种做法是不实际的。其次，在FDDI中，一个站一旦完成其帧的发送后，即使它尚未开始收到它自己发出的帧，也立即送出一新的令牌。同样，这也是由FDDI的高数据率而需要这样做的。
14．解答：
（1）存储转发交换
采用这种方式时，集线器就像―个分组结点交换机。它从一个输入端口收下一个帧，暂存后即根据其目的地址转发到适当的输出端口。
（2）直通(cut－through)交换
这种方式利用了目的地址处于MAC帧的最前面这一特点。直通交换不必将整个数据帧先缓存后再进行处理，而是在接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的地址决定该帧的转发端口。
15．解答：
局域网互联设备有：中继器、网桥、集线器、路由器、网关等。
（1）中继器：
作用是对网络电缆上传输的数据信号经过放大和整形后再发送到其他电缆段上。通过中继器可以扩展网络空间范围。
（2）网桥：
用于连接两个或两个以上具有相同通信协议、传输介质及寻址结构的局域网。
（3）集线器：
是多口的中继器。作为一个中心节点连接多条传输介质。当某条传输介质发生故障，不会影响到其他的节点。
（4）路由器：
主要功能是：①选择最佳的转发数据的路径②控制数据传输，解决拥挤问题；③判断分组是否应该转发。④把―个大的网络划分为若干个子网。
（5）网关：
实现高层协议间的互联功能。
局域网的特点如下：
1）为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限；
2）较高的通信速率。局域网的传输速率在每秒10Mbps的数量级以上，可达Gbps；
3）较低的时延和误码率，一般为10-8～10-11；
4）各站点为平等关系而不是主从关系；
5）能支持简单的点对点或多点通信；
6）支持多种传输介质。
2．解答：
IEEE802标准描述了局域网描述最低两层―物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务。其中数据链路层分为MAC子层和LLC子层。各层功能如下：
（1）物理层：与OSI/RM的物理层相对应，但所采用的具体协议标准的内容直接与传输介质有关。
（2）介质访问控制（MAC）层：具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程。
（3）逻辑链路控制（LLC）层：提供一个或多个服务访问点，以复用的形式建立多点―多点之间的数据通信连接，并包括寻址、差错控制、顺序控制和流量控制等功能。
IEEE已经制定局域网标准有十多个，相互之间的关系如图8－2。
3．解答：
由于局域网采用的拓扑结构与传输介质多种多样，相应的媒体访问控制方法也各不相同，这就使得数据链路层存在与传输媒体有关的与无关的两部分。为了使局域网中的数据链路层不致于过于复杂，降低连接不同类型介质接口设备的费用，就应当将局域网的数据链路功能中与传输媒体有关的部分和无关的部分分开，即应当将数据链路层分为两个子层：一个子层集中与接入各种介质有关的部分，负责在物理层的基础上进行无差错通信，对多个源与多个目进行管理，装拆MAC帧，这就是介质访问控制MAC子层；另一个子层集中与介质接入无关的部分，提供与高层协议的接口，负责逻辑连接的建立与释放，这就是逻辑链路控制LLC子层。
这种将LLC子层和MAC子层的功能分开的方法，使得LLC子层对各种物理介质的访问是完全透明的，即在LLC子层的上面看不到具体的局域网，只有在MAC子层才能看到所连接的局域网采用的是什么标准类型。这样分工明确、实现方便、管理统一。
4．解答：
局域网的主要拓扑结构有：星型、环型、总线型、树型（见图8－3）。
（1）星型：每个站点通过点对点链路连接至一个公共中心，任意两点间要通信必须通过公共中心。
（2）环型：通过中继器形成一个环状的封闭回路，数据绕环延一个方向传输。
（3）总线型：所有站通过合适的硬件连接至一个线状传输介质上，任一站发送的数据都能被总线上的其他站接收。
（4）树型：树型拓扑结构是总线拓扑结构的一般化。
5．解答：
主机的LLC层设有多个服务访问点（L－SAP），L-SAP在任一对网络节点之间同时建立多条逻辑链路连接，然后经统一的服务访问点M-SAP与MAC子层交互。
6．解答：
在轻负载情况下，纯ALOHA的性能要好。因为时隙ALOHA是通过增加延时来达到减少冲突的目的的，在轻负载情况下，发生碰撞的几率较小，因此纯ALOHA的效率高。
7．解答：
(1)对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参数L＝2。
(2)退避重发时间在1～L个时隙中随机抽取。
(3)当帧再次冲突时，L加倍，即L＝2L。
(4)退避重发时间仍在1～L个时隙中随机抽取。
(5)当冲突n次，L＝2n。
(6)设置一个最大重传次数，超过此值，不再重发，并报告出错。
此算法的效果是，不冲突或少冲突的帧重发的机会大，冲突多的帧重发的机会小。
8．解答：
1/(5×106)/(5×10-6) = 0.04km
9．解答：
IEEE802.3与以太网的区别主要在于MAC帧的不同：
帧结构区别见图8－8，以太网帧的数据域直接是网络层分组，其类型字段为网络层协议类型。而802.3帧数据域时LLC PDU，长度字段替代了以太网帧的类型字段，表明LLC PDU的长度。由于长度和类型取值范围的不同，上层协议很容易区分以太网帧和802.3帧。
10．解答：
10BASE5、10BASE2、10BASET、10BASEFL。比较见图4－2。
11．解答：
一个具有优先级高于当前帧的优先级的站可以在该帧通过时，在其优先级上预留下一个令牌。在当前发送的站完成其发送时，它就送出一个具有较高的优先级的令牌。具有较低优先级的站不能截住这个令牌，因而令牌就传递到发出请求的站或某个优先级等于或高于该优先级的、有数据要发送的中间站。
12．解答：
（1）服务器上运行的网络操作系统核心部分
服务器上的操作系统专为网络服务而设计，目录和文件的管理、数据共享与保密等都由它完成。
（2）工作站上的Shell（外壳）软件
工作站Shell驻留于工作站上，与工作站操作系统结合，提供访问NCP的接口和上网工作环境，以便用户访问网上服务资源。
（3）网桥软件三部分
网桥软件用于实现多个网络的互连，它可包含在网络操作系统中，也可专门放置在一个充当网桥的设备中。
13．解答：
首先，一个FDDI站并不是通过改变―个比特来抓住令牌的。因为FDDI的高数据率要求采取这样一种做法是不实际的。其次，在FDDI中，一个站一旦完成其帧的发送后，即使它尚未开始收到它自己发出的帧，也立即送出一新的令牌。同样，这也是由FDDI的高数据率而需要这样做的。
14．解答：
（1）存储转发交换
采用这种方式时，集线器就像―个分组结点交换机。它从一个输入端口收下一个帧，暂存后即根据其目的地址转发到适当的输出端口。
（2）直通(cut－through)交换
这种方式利用了目的地址处于MAC帧的最前面这一特点。直通交换不必将整个数据帧先缓存后再进行处理，而是在接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的地址决定该帧的转发端口。
15．解答：
局域网互联设备有：中继器、网桥、集线器、路由器、网关等。
（1）中继器：
作用是对网络电缆上传输的数据信号经过放大和整形后再发送到其他电缆段上。通过中继器可以扩展网络空间范围。
（2）网桥：
用于连接两个或两个以上具有相同通信协议、传输介质及寻址结构的局域网。
（3）集线器：
是多口的中继器。作为一个中心节点连接多条传输介质。当某条传输介质发生故障，不会影响到其他的节点。
（4）路由器：
主要功能是：①选择最佳的转发数据的路径②控制数据传输，解决拥挤问题；③判断分组是否应该转发。④把―个大的网络划分为若干个子网。
（5）网关：
实现高层协议间的互联功能。