第5章 局域网 本章内容 局域网概述 传统以太网 以太网的MAC层 扩展局域网 高速以太网 无线局域网

第5章 局域网 学习要点 局域网的体系结构 CSMA协议 以太网的帧结构 以太网

第5章 局域网 一般说来，局域网(LAN)有3个主要特征： (1)它们跨越一个物理上有限的距离，一般在10公里以内。 (2)以短的距离获取高数据率。 (3)它们为一个单位或组织拥有。

第5章 局域网 5.1 局域网概述 1. 局域网(LAN)是指传输距离有限,传输速率较快,以共享网络资源为主要目的的网络系统.它的最主要特点是:网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限. 2.局域网的主要优点: (1)能方便地共享昂贵的外部设备,主机以及软件,数据.从一个站可以访问全网. (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.

5.1 局域网概述 4. 局域网的传输介质 (1)一般低速(1～2Mb/s)基带局域网用双绞线(50), 5.1 局域网概述 3. 局域网的拓扑结构 HUB 干线耦合器 匹配电阻 (a) 星型 (b)环型 (c)总线型 (d) 树型 服务器 4. 局域网的传输介质 (1)一般低速(1～2Mb/s)基带局域网用双绞线(50), 现在高速宽带局域网(100M～1Gb/s)也用双绞线(75). (2)环型网中一般使用光纤,其数据速率可达2.5Gb/s.

5.1 局域网概述 5、局域网按网络拓扑的分类 星形网 环形网 典型令牌环网 总线网 树形网

5.1 局域网概述 6、局域网的一个重要问题： 如何合理方便的共享通信媒体资源。 媒体共享技术分为两类： 5.1 局域网概述 6、局域网的一个重要问题： 如何合理方便的共享通信媒体资源。 媒体共享技术分为两类： 静态划分信道：如频分、时分、波分、码分等不会冲突，但代价高。 动态媒体接入控制：又称多点接入。特点信道不是在用户通信时固定分配给用户。分为两类 随机接入：用户随机的发送信息，会产生碰撞。 受控接入：用户不能随机发送信息，受控。如多点线路探询(polling)，或轮询。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 1、 以太网的两个标准 DIX Ethernet V2：1982年9月DEC公司、英特尔公司、施乐公司联合提出10Mb/s以太网规约第二版。 IEEE802委员会的802工作组于1983 年制定第一个IEEE的以太网标准802.3(10Mb/s)。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 说明：由于英特网迅速发展而其使用的局域网是DIX Ethernet V2不是802.3，因此802.3制定的LLC的作用不大，很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议没有LLC协议。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 802协议族

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 2、 局域网体系结构 第一章中我们曾介绍过，在OSI依赖于网络的层次中包括物理层、数据链路层和网络层。现在我们来看一看局域网的运行需要些什么层次。 传统的局域网有两个重要的特征。第一，它用带地址的帧来传送数据。第二，不存在中间交换，所以不要求路由选择。在以后的讨论中，我们将会看到，在环形局域网中使用转发器，在基带局域网中也可以使用中继器或桥接器，但它们都不含路由选择功能。局域网的这两个特征基本上确定了上述问题的答案。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 虽然网络提供了物理层至网络层的3层服务，但由于局域网的特征，却允许在OSI的两个层上实现这些服务。图示出了IEEE 802委员会所描述的局域网体系结构与OSI的对比。局域网的数据链路层提供的功能，与接受来自所连接站的发送信息以及交付所接收的信息给所连接的站有关。这些功能包括： 提供一个或多个服务访问点(SAP)。SAP是两个相邻层之间的逻辑接口。 发送时将数据组装成带有地址和差错检测段的帧。 接收时拆卸帧，执行地址识别和差错检测。 管理链路上的通信。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 局域网只是一个计算 机通信网, 且不存在 路由选择问题, 因此 它不需要网络层. 但 局域网的种类繁多, 介质访问控制方法各 不相同. 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 传输介质 逻辑链路控制LLC 介质访问控制MAC ～ IEEE802 参考模型 的范围 服务访问点 SAP OSI / RM IEEE802 / RM 高层: 提供网络应 用,数据处理. 低层: 提供网络服 务,数据通信. 图 IEEE802参考模型示意图 多个服务访问点主要是为多个进程提供服务

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 物理层的主要功能 (1)信号的编码与解码 (2)为进行同步用的前同步码(preamble)的产生与去除 (3)比特的传输与接收 (4)载波侦听 介质访问控制MAC子层的主要功能 (1)将数据封装成帧发送(接收时将帧拆卸) (2)实现和维护MAC协议 (3)比特差错检测 (4)寻址

只有到了MAC子层才“看见了”所连接的是采用什么标准的局域网 5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 逻辑链路控制LLC子层的主要功能 (1)建立和释放数据链路层的逻辑连接 (2)提供与高层的接口 (3)差错控制 (4)给帧加上序号 只有到了MAC子层才“看见了”所连接的是采用什么标准的局域网 物理层 MAC LLC 高层 局域网 逻辑链路控制 介质访问控制 图 局域网对LLC子层是透明的

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 3、网卡的作用 通信适配器或网络接口卡NIC，简称网卡，装有处理器和存储器。 作用： 串行/并行转换 网卡和局域网之间的通信通过电缆或双绞线以串行传输方式进行。 网卡和计算机之间的通信通过计算机主板上的I/O总线以并行方式进行传输。 对数据进行缓存 网络上的数据率与计算机总线的数据率不同。 实现以太网协议 收发数据

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 计算机通过网卡和局域网进行通信 计算机 高 速 缓 存 网络接口卡 （网卡） CPU 存储器 至局域网 串行通信 I/O 总线 并行通信

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 最初的以太网是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，因为总线上没有有源器件。 匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻 只有 D 接受 B 发送的数据 A B C D E 不接受 B向 D 发送数据 不接受 接受 不接受

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 以太网的广播方式发送 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 这样做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。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 以太网提供的服务 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 如何协调总线上的计算机工作？ 同一时间只有一台计算机发送信息 CSMA/CD 协议

载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD 5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 碰撞检测 “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 检测到碰撞后 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 电磁波在总线上的有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

单程端到端 传播时延记为 1 km A B t = 0 t =    B 发送数据 碰撞 t = 2   A 检测到发生碰撞

单程端到端 传播时延记为 1 km A B t = 0 t =    B 发送数据 碰撞 t = 2   A 检测到发生碰撞 信道空闲 发送数据 A B t =    B 检测到信道空闲 发送数据 A B t =    / 2 发生碰撞 A B t =  B 检测到发生碰撞 停止发送 STOP A B t = 2   A 检测到 发生碰撞 STOP A B

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 4. CSMA/CD 协议 重要特性 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 5、争用期的概念 使用CSMA/CD协议时,在每个站发送数据刚开始的一个很短的时间内,由于电磁波在网络上传播需要时间，因此冲突仍有可能发生,我们将这段可能发生冲突的时间间隔称为“争用期” 。 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.1以太网的工作原理 以太网取51.2μs为争用期长度，对于10Mb/s的以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。如在64字节之前无冲突，则后续的数字就不会发生冲突。 强化冲突：当发送数据的站一旦发现冲突，除了立即停止发送数据外，还继续发送若干比特的人为干扰信号（jam），以便让所有其它用户都知道发生了冲突。

人为干扰信号 B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。 开始冲突 A B 数据帧 干扰信号  TJ 信 道 占 用 时 间 A 检测 到冲突  TB t B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.2 传统以太网的连接方法 对于10Mbps以太网，有4种线缆使用得相当普遍，它们是： * 10BASE5 * 10BASE2 * 10BASE-T * 10BASE-F 10BASE5 粗缆 10BASE2 细缆 10BASE-T 双绞线 10BASE-F 光缆 以太网媒体接入控制 MAC

4.2 传统以太网(10Mb/s) 4.2.2 传统以太网的连接方法 名称 电缆 最大区间长度 节点数/段 优点 10Base5 粗同轴电缆 500m 100 用于主干很好 10Base2 细同轴电缆 185m 30 最便宜的系统 10Base-T 双绞线 100m 1024 易于维护 10Base-F 光纤 2000m 最适于楼间使用 Base：表示基带信号 10：表示数据率为10Mb/s T或F：表示双绞线或光纤

铜缆或铜线连接到以太网 的示意图 主机箱 主机箱 主机箱 网卡 DB-15 连接器 双绞线 收发器电缆 收发器 BNC 连接器 插口 RJ-45 插头 插入式 分接头 内导体 MAU MDI 集线器 BNC T 型接头 外导体屏蔽层 保护外层

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.2 传统以太网的连接方法 802.3标准中的几个规定 (1)任意两个站之间最多可以有三个同轴电缆段; (2)接到转发器的点到点链路的总长度不能超过1000m; (3)任意两个站之间的最大容许往返传播时延为51.2μs,即争用期的长度51.2μs; (4)一个网上的最大站数为1024个,每个同轴电缆段最多只能安装100个站; (5)链路管理通过争用型CSMA/CD协议实现,编码和译码均采用曼彻斯特码.

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.2 传统以太网的连接方法 以太网的最大作用距离 250 m 750 m 500 m 50 m 网段 1 转发器 网段 2 网段 3 500 m

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.2 传统以太网的连接方法 在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。 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。 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。 集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。

5.2 传统以太网(10Mb/s) 5.2.2 传统以太网的连接方法 △ 网卡 工作站 集 线 器 集线器端口 端口数可为 8,16,32 接收或发送 将集线器改为交换机,则 效率更高! 图 具有三个端口的集线器工作原理 基于集线器的以太网在物理上是星型网,但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.网络中的各计算机必须竞争对传输介质的控制,并且在一个特定时间至多只有一台计算机能够发送数据.

复习 局域网特点 局域网体系结构 CSMA/CD协议工作原理 争用期 传统以太网连接方式 集线器

本次课内容 以太网层的MAC层 扩展以太网 虚拟局域网

5.3 以太网的MAC层 本层具有管理多个源、多个目的的链路功能，是传统数据链路层的没有的。用于控制网上工作站对共享介质的访问。 (1)将数据封装成帧发送(接收时将帧拆卸) (2)实现和维护MAC协议 (3)比特差错检测 (4)寻址

5.3 以太网的MAC层 5.3.1 MAC层的硬件地址 硬件地址在局域网中，又称为物理地址或MAC地址 著名文献SHOC78：名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。 严格地讲：名字应当与系统的所在地无关。 但是我们要注意： 802标准为局域网规定了一种48bit的全球地址，是指局域网上的每一台计算机所插入的网卡上固化在ROM中的地址。因此存在有两种情况：

5.3 以太网的MAC层 5.3.1 MAC层的硬件地址 1 连接在局域网上的计算机更换一块新网卡。此时，这台计算机的局域网的“地址”就改变了，虽然物理位置没变，接入的局域网也没变。 2 假定一台笔记本电脑从一个地方移到另外一个地方并接入局域网，其局域网的“地址”没变，物理位置、接入的网络都变了。 总结：802标准所说的“地址”严格的讲应当是每一个站的“名字”或标示符。

5.3 以太网的MAC层 5.3.1 MAC层的硬件地址 关于MAC地址的长度：802标准为6个字节。 局域网全球地址的法定管理机构RAC(Registration Authority Committee)负责分配地址字段6个字节中的前3个字节(高24位)。局域网卡的生产厂家必须购买由这3个字节构成的一个号(即地址块)，其正式名称为OUI(Organizationally Unique Identifier) 。地址字段中的后3个字节(即低24位)则由厂家自行指派，称为扩展的惟一标识符(Extended Unique Identifier)，只要保证生产出的网卡没有重复地址即可，可见一个地址块可以生成224个不同的地址。 说明：MAC地址即硬件地址、物理地址也是网卡地址或网卡标识符EUI-48。

第 1 字节 第 6 字节 十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80 二进制表示的 EUI-48 地址： 机构惟一标志符 OUI 扩展标志符 字节顺序 第 1 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 802.5 802.6 802.5 802.6 高位在前 10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000 最高位 最先发送 最低位 最高位 最低位 最后发送 I/G 比特 字节顺序 第 1 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 802.3 802.4 低位在前 00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001 最低位 最先发送 最高位 最低位 最高位 最后发送 I/G 比特

5.3 以太网的MAC层 5.3.1 MAC层的硬件地址 IEEE规定地址字段的第一字节的最低位I/G (Individual/Group)比特。当I/G比特为0时，地址字段表示一个单个站地址；当I/G比特为1时，表示组地址，用来进行多波。 IEEE制定的二进制EUI-48地址有两种不同的记法（如P109图4-15） 第一种记法是802.5和 802.6采用的标准：每一个字节的高位写在最左边 第二种记法是802.3和 802.4采用的标准：每一个字节的高位写在最右边。 IEEE标准规定：地址字段第1字节的最低第2位为G/L（Global/Local）位。当G/L=1时表示全球管理（保证全球无相同的地址）；当G/L=0时表示本地管理，用户可以任意分配网络上的地址。以太网一般不使用G/L位。

网卡上的硬件地址 路由器由于同时连接到两个网络上， 因此它有两块网卡和两个硬件地址。 1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02 路由器 20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4 20-60-8C-11-D2-F6

5.3 以太网的MAC层 5.3.1 MAC层的硬件地址 网卡从网络上接收帧的过程 网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址. 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧（一对一） 广播(broadcast)帧（一对全体） 多播(multicast)帧（一对多） 注意：所有的网卡都最至少能识别前两种帧。

5.3 以太网的MAC层 5.3.2两种不同的MAC帧格式 局域网中，数据以高度结构化的格式发送的，称为帧或包结构，在IEEE标准中一律称为帧(frame)，而不说包(packet)。 组帧是为了使一些有用的信息（包括目标和源节点的信息、错误检验信息）能够被发送和接收。 用于10Mbps基带以太网的曼彻斯特编码的基准信号频率是10Mbit/s，单个比特的发射时间是0.1μs。人们对于最小帧的长度规定为512比特，在10BASE5中相当于网络传输通道空闲以后各个参与竞争的站所使用的退避时间单位片，即0.1×512=51.2μs。

5.3 以太网的MAC层 5.3.2两种不同的MAC帧格式 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

5.3 以太网的MAC层 5.3.2两种不同的MAC帧格式 现在MAC帧最常用的是以太网V2的格式，含有5个字段： 目的地址（6字节） 源地址（6字节） 类型字段：表示上一层使用的是什么协议，以便接收方能准确地将MAC帧的数据交给上层协议： 0x0800表示上层使用的是IP数据报 0x8137表示该帧由Novell IPX发送过来的 数据字段：即MAC客户数据字段，46——1500字节 帧校验序列FCS（4字节）：采用CRC-32 当数据字段小于46字节时，MAC帧会在数据字段后面整数字节的填充字段。 此外，为实现帧同步，帧前插入8字节的前同步码和帧开始定界符。

以太网 V2 的 MAC 帧格式 目的地址字段 6 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 以太网 V2 MAC 帧 MAC 层 MAC 帧 物理层

以太网 V2 的 MAC 帧格式 源地址字段 6 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 以太网 V2 MAC 帧 MAC 层 MAC 帧 物理层

以太网 V2 的 MAC 帧格式 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 类型字段 2 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 以太网 V2 MAC 帧 MAC 层 MAC 帧 物理层

最小长度 64 字节  18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 以太网 V2 的 MAC 帧格式 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 最小长度 64 字节  18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 数据字段 46 ~ 1500 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 以太网 V2 MAC 帧 MAC 层 MAC 帧 物理层

应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以太网 V2 的 MAC 帧格式 当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 FCS 字段 4 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 以太网 V2 MAC 帧 MAC 层 MAC 帧 物理层 当数据字段的长度小于 46 字节时， 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。

以太网 V2 的 MAC 帧格式 在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 以太网 V2 MAC 帧 MAC 层 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节 1 字节 … 8 字节 插入 MAC 帧 物理层 为了达到比特同步， 在传输媒体上实际传送的 要比 MAC 帧还多 8 个字节

5.3 以太网的MAC层 5.3.2两种不同的MAC帧格式 IEEE 802.3帧格式 目的地址（6字节） 源地址（6字节） 长度/类型（2字节） DSAP（1字节） SSAP （1字节） 控制（1字节） 数据（43——1497字节） 帧校验序列FCS（4字节）：采用CRC-32 此外，802.3帧前也有8字节的同步和定界符。

IEEE 802.3帧格式 … 这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用 IP 数据报 IP 层 802.2 LLC 帧 当长度/类型字段 表示长度时 1 控制 数 据 字节 DSAP SSAP LLC 子层 字节 6 6 2 1 1 1 43 ~ 1497 4 802.3 MAC 帧 目的地址 源地址 长度/类型 DSAP SSAP 控制 数 据 FCS MAC 子层 …

5.3 以太网的MAC层 5.3.2两种不同的MAC帧格式 IEEE 802.3帧和以太网V2的MAC帧的比较 第3个字段不同 当长度/类型值小于1500时，表示帧中数据字段长度。此时MAC必须装入802.2定义的LLC帧（LLC帧首部有三个字段：目的服务访问点DSAP、源服务访问点SSAP和控制字段）。 DSAP指明LLC帧的数据上交给哪个协议 SSAP指明哪一个协议发送过来的 控制字段指明LLC帧的类型 当长度/类型值大于0x0600（即1536）时，表示类型。此时802.3的MAC帧和以太网V2帧一样。

无效的 MAC 帧 数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

帧间最小间隔 帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

5.4 扩展的局域网 很多的局域网之间进行通信是在物理层和数据链路层进行扩展的，这种扩展的局域网从网络层来看仍然是一个网络。通过路由器进行网络互连在网络层，这是网络互连问题(后述)。

5.4 扩展的局域网 本节讨论在物理层和数据连路层将局域网扩展

5.4 扩展的局域网 5.4.1 在物理层扩展局域网 设备：转发器和集线器。

5.4 扩展的局域网 5.4.1 在物理层扩展局域网 用多个集线器可连成更大的局域网 三个独立的碰撞域 一系 二系 三系 集线器 集线器 5.4 扩展的局域网 5.4.1 在物理层扩展局域网 用多个集线器可连成更大的局域网 三个独立的碰撞域 一系 二系 三系 集线器 集线器 集线器

5.4 扩展的局域网 5.4.1 在物理层扩展局域网 用多个集线器可连成更大的局域网 一系 二系 三系 集线器 主干集线器

5.4 扩展的局域网 5.4.1 在物理层扩展局域网 设备：转发器和集线器。 多级结构的集线器局域网的优点： 5.4 扩展的局域网 5.4.1 在物理层扩展局域网 设备：转发器和集线器。 多级结构的集线器局域网的优点： 不同局域网的计算机之间可以通信。 扩大了局域网的地理覆盖范围。 多级结构的集线器局域网的缺点： 通过集线器互连在一起的局域网组成了一个更大的共同的碰撞域，碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 采用不同以太网技术的局域网互连，不易用集线器。因为此时它只是一个多端口的转发器，不能缓存帧。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

5.4 扩展的局域网 5.4.2 在数据链路层扩展局域网 设备：网桥。 5.4 扩展的局域网 5.4.2 在数据链路层扩展局域网 设备：网桥。 网桥的功能根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发；具有过滤帧的功能。 网桥是通过内部端口管理软件和网桥协议实体来完成工作的。 主要介绍以下几类： 透明网桥 源路由网桥 多端口网桥——以太网交换机

5.4 扩展的局域网 5.4.2 在数据链路层扩展局域网 1. 网桥的内部结构 网桥 站地址 端口 站表 ① 1 ② 1 ③ 1 ④ 2 5.4 扩展的局域网 5.4.2 在数据链路层扩展局域网 网桥 站地址 端口 站表 ① 1 1. 网桥的内部结构 ② 1 ③ 1 ④ 2 端口管理 软件 网桥协议 实体 ⑤ 2 ⑥ 2 端口 1 缓存 端口 2 网桥 网段 A 网段 B ① ② ③ ④ ⑤ ⑥

使用网桥带来的好处 过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。

使用网桥带来的缺点 存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

5.4 扩展的局域网 5.4.2 在数据链路层扩展局域网 连接不同的局域网 主机A 主机B 网络 LLC MAC 物理 分组 802.3 5.4 扩展的局域网 5.4.2 在数据链路层扩展局域网 连接不同的局域网 主机A 分组 802.3 802.4 主机B 网络 LLC MAC 物理

网桥和集线器（或转发器）不同 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。 在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。 由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。

2. 透明网桥 透明网桥是指局域网上的站点不知道所发生的帧经过哪几个网桥，是一种即插即用设备，其标准是IEEE802.1D。 工作原理： 网桥工作在混杂（promiscuous）方式，接收所有的帧； 网桥接收到一帧后，通过查询地址/端口对应表来确定是丢弃还是转发； 网桥刚启动时，地址/端口对应表为空，采用扩散算法即洪泛（flooding）方法转发帧：将目的地不明确的帧发送到网桥所连的所有LAN中； 在转发过程中采用逆向学习（backward learning）算法收集MAC地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与端口的对应关系，并写入地址/端口对应表； 网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项； 帧的路由过程 目的LAN与源LAN相同，则丢弃帧； 目的LAN与源LAN不同，则转发帧； 目的LAN未知，则洪泛帧，并逆向学习。

网桥在转发表中登记以下三个信息 站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。 端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。 时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。 转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。 如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A。

2. 透明网桥 网桥学习案例： 假设C站将数据帧发送给D，D作出回答。 网桥发现C在端口1； 3号端口所连的局域网忽略该帧； 帧被端口2所连LAN上的D站接收； D站产生应答，并发送 网桥发现帧来自D站，而且D站在端口2上； 网桥查表知道C站在端口1上，所以选择端口1转发帧。

冗余网络拓扑 冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不通问题 冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和MAC地址表不稳定的问题 服务器/主机 X 路由器 Y 网段 1 Slide 1 of 1 Purpose: Emphasize: Layer 2 has no mechanism (like a TTL) to stop loops. 网段 2 冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不通问题 冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和MAC地址表不稳定的问题

广播风暴 主机 X 发送一广播信息 服务器/主机 X 路由器 Y 网段 1 广播 交换机 A 交换机 B 网段 2 Slide 2 of 3 Purpose: Emphasize: 网段 2 主机 X 发送一广播信息

重复帧 主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 路由器Y会收到同一帧的两个拷贝 路由器 Y 单点帧 网段 1 单点帧 单点帧 交换机 A 交换机 B Slide 2 of 2 Purpose: Emphasize: 网段 2 主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 路由器Y会收到同一帧的两个拷贝

MAC地址表不稳定 主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 网段 1 Unicast 单点帧 端口 0 端口0 交换机 A 交换机 B 端口1 端口1 Slide 2 of 2 Purpose: Emphasize: 网段 2 主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 交换机A和B都学习到主机X的MAC地址对应端口0 到路由器Y的数据帧在交换机A和B上会泛洪处理 交换机A和B都错误学习到主机X的MAC地址对应端口 1

多重回路问题 更复杂的拓扑结构可能导致多重回路 在第2层没有能够防止这种回路的机制 广播 回路 回路 回路 服务器/主机 工作站 Slide 1 of 1 Purpose: Emphasize: 工作站 更复杂的拓扑结构可能导致多重回路 在第2层没有能够防止这种回路的机制

回路的解决办法: 支撑树协议 Spanning-Tree Protocol 阻塞 Slide 1 of 1 Purpose: Emphasize: A looped topology is often desired to provide redundancy, but looped traffic is undesirable. The Spanning Tree protocol was originally designed for bridges. Today, it is also applied to LAN switches and routers operating as a bridge. STP ensures all bridged segments are reachable but any points where loops occur will be blocked. 将某些端口置于阻塞状态就能防止冗余结构的网络拓扑中产生回路

透明网桥使用了支撑树算法 这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。 不停地 兜圈子 网络资源白白消耗了 ⑤ 网桥 1 转发的帧 ⑥ 网桥 2 转发的帧 F1 ③ F2 ④ 局域网 2 不停地 兜圈子 网桥 1 网桥 2 ① ② 网络资源白白消耗了 A 局域网 1 F A 发出的帧

支撑树的得出 每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和它所知道的其他所有在网上的网桥。 支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根(例如，选择一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点。 当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法很花费时间。这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网，然后得出多个支撑树。

3. 源路由网桥 透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。

3. 源路由网桥 源路由网桥的原理 A B B1 C B2 D E F G 网桥 LAN1 LAN2 LAN3 LAN4 如果不在，在发出的帧头内构造一个准确的路由序列，包含要经过的网桥、LAN的编号。并将发出的帧的源地址的最高位置1；下图中A到D的路由为：（L1，B1，L2，B2，L3） 每个LAN有一个12位的编号，每个网桥有一个4位的编号； 网桥只接收源地址的最高位为1的帧，判定是转发还是丢弃； A B B1 C B2 D E F G 网桥 LAN1 LAN2 LAN3 LAN4

3. 源路由网桥 源路由的产生： 每个站点通过广播“发现帧”（discovery frame）来获得到各个站点的最佳路由。 若目的地址未知，源站发送“发现帧”，每个网桥收到后广播，目的站收到后发应答帧，该帧经过网桥时被加上网桥的标识，源站收到后就知道了到目的站的最佳路由。 优点 对带宽进行最优的使用。 缺点 网桥的插入对于网络是不透明的，需要人工干预。站点要知道网络的拓扑结构。 复杂: 存储路由, 发送查找帧, 向帧中复制路由信息

4. 多端口网桥——以太网交换机 多端口网桥----以太网交换机（交换式集线器、第二层交换机）：工作在网络的数据链路层。 以太网交换机的每个端口都直接与一个单个主机或另一个集线器/交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞的传输数据。 以太网交换机采用了专用的交换结构芯片，其交换速率较高。

独占传输媒体的带宽 对于普通 10 Mb/s 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(10 Mb/s)的 N 分之一。 使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是 10 Mb/s，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媒体的带宽，因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。

用以太网交换机扩展局域网 万维网 服务器 100 Mb/s 路由器 至因特网 以太网 交换机 100 Mb/s 100 Mb/s 电子邮件 三系 二系 一系 集线器 集线器 集线器 10BASE-T

5.4.3 虚拟局域网 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。 这些网段具有某些共同的需求。 5.4.3 虚拟局域网 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。 这些网段具有某些共同的需求。 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

5.4.3 虚拟局域网 虚拟局域网的建立： 对虚拟局域网成员的定义方法通常有4种： 用交换机端口号定义虚拟局域网 用MAC地址定义虚拟局域网 5.4.3 虚拟局域网 虚拟局域网的建立： 对虚拟局域网成员的定义方法通常有4种： 用交换机端口号定义虚拟局域网 用MAC地址定义虚拟局域网 用网络层地址定义虚拟局域网 IP广播组虚拟局域网

三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成 以太网 交换机 C3 B3 A4 VLAN1 VLAN2 VLAN3

当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时， 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。 以太网 交换机 C3 B3 A4 VLAN1 VLAN2 VLAN3 以太网 交换机 C2 B2 A3 以太网 交换机 C1 B1 A2 A1 当 B1 向 VLAN2 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。 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成

B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 都不会收到 B1 发出的广播信息。 以太网 交换机 C3 B3 A4 VLAN1 VLAN2 VLAN3 以太网 交换机 C2 B2 A3 以太网 交换机 C1 B1 A2 A1 B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1 都不会收到 B1 发出的广播信息。 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成

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(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 以太网 交换机 C3 B3 A4 VLAN1 VLAN2 VLAN3 以太网 交换机 C2 B2 A3 以太网 交换机 C1 B1 A2 A1 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(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成

虚拟局域网的优点 广播控制： 安全性： 性能： 网络管理

小结 以太网帧格式 扩展以太网

复习 以太网帧格式 扩展以太网

5.5 高速以太网 5.5.1 100BASE-T 以太网 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。

100BASE-T 以太网的特点 可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。

三种不同的物理层标准 100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX 使用 2 对光纤。

5.5 高速以太网 5.5.1 快速以太网100BASE-T 网络组成技术 采用光纤连接时长度≤400m 采用交换机连接可使用多个交换机(交换机工作在链路层,功能相当于网桥),最大电缆长度≤1000m UTP电缆长度≤100m 一个网段最多连接丙个HUB,UTP电缆长度≤5m 100BASE-T集线器(8,12,16和24口) HUB 集线器HUB工作在物理层,功能相当于多口中继器 图 100BASE-T网络组成

5.5 高速以太网 5.5.2吉比特以太网 1997年，IEEE通过802.3Z标准，允许在1Gb/s下实现全双工/半双工通信；。 5.5 高速以太网 5.5.2吉比特以太网 1997年，IEEE通过802.3Z标准，允许在1Gb/s下实现全双工/半双工通信；。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

吉比特以太网的物理层 1000BASE-X (802.3z标准) 基于光纤通道的物理层： 1000BASE-SX SX表示短波长 1000BASE-LX LX表示长波长 1000BASE-CX CX表示铜线 1000BASE-T (802.3ab标准) 使用 4对 5 类线 UTP

5.5 高速以太网 5.5.2吉比特以太网 吉比特以太网在半双工方式下必须进行冲突检测，由于数据率的提高，使一个网段的最大长度保持在100m，采用了“载波延伸”的办法，使最小帧长仍为64字节，将最大争用时间增大为512字节。 吉比特网还增加了分组突发的功能：当很多短帧要发送时，第一个短帧仍需载波延伸进行填充，随后的帧可一个接一个发送，只需相互间留有必要的帧间最小间隔。 前同步码 目的地址 源地址 数据长度 数据 FCS 载波延伸 MAC帧最小值=64字节 加上载波延伸，使MAC帧长度=争用期长度512字节 在以太网上实际传输的帧长

全双工方式 当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。

吉比特以太网的配置举例 中央服务器 吉比特 交换 集线器 100 Mb/s 链路 1 Gb/s 链路 百兆比特或吉比特集线器

5.5 高速以太网 5.5.3 10吉比特以太网 2002年6月，IEEE802.3ae委员会完成万兆以太网标准的制订。 5.5 高速以太网 5.5.3 10吉比特以太网 2002年6月，IEEE802.3ae委员会完成万兆以太网标准的制订。 万兆以太网的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s完全 相同，并保留了802.3标准规定的最帧长和最大帧长，以便能和已有的以太网兼容与升级。 万兆以太网只使用光纤作为传输媒体，使用长距离（超过40Km）的光收发器与单模光纤接口，可在广域网和城域网范围内工作。如使用多模光纤，传输距离为65——300m。 万兆以太网只工作在全双工方式下，不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。

5.5 高速以太网 5.5.3 10吉比特以太网 万兆以太网使用自己物理层标准，共有两种： 5.5 高速以太网 5.5.3 10吉比特以太网 万兆以太网使用自己物理层标准，共有两种： 局域网物理层LAN PHY，数据率精确为10Gb/s； 可选的广域网物理层WAN PHY，以便和所谓的“Gb/s”的SONET/SDH（实际为9.58464Gb/s）相连接。 万兆以太网的工作范围从局域网扩展到广域网，实现端到端的以太网传输，好处如下： 以太网是成熟的技术，需在更大的范围内试验。 以太网的互操作性好 以太网的价格低廉，能适应多种传输媒体 端到端的以太网使用的帧的格式全部是以太网的格式，无需转换就可互连。

以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是： 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。 易于安装。 稳健性好。

5.6 其他种类的高速局域网 4.6.1 100VG-AnyLAN 局域网 使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 5.6 其他种类的高速局域网 4.6.1 100VG-AnyLAN 局域网 使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 4.6.2 光纤分布式数据接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 使用光纤作为传输媒体的令牌环形网 4.6.3 高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interface) 主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存储器、图形工作站等）的高速接口 4.6.4 光纤通道(Fibre Channel)

5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网的组成 5.7.1 无线局域网的组成 无线局域网发展缓慢的原因 价格贵 数据率低 安全性较差 5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网的组成 5.7.1 无线局域网的组成 无线局域网发展缓慢的原因 价格贵 数据率低 安全性较差 使用登记手续复杂 1997年,IEEE制订出无线局域网标准802.11

5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网的组成 无线局域网分类：有固定基础设施的和无固定基础设施的 5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网的组成 无线局域网分类：有固定基础设施的和无固定基础设施的 有固定基础设施的无线局域网:预先建立起来的,能覆盖一定地理范围的一批固定基站,如移动电信基站.

5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网的组成 有固定基础设施的无线局域网 802.x 局域网 门桥 分配系统 DS 门桥 因特网 5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网的组成 有固定基础设施的无线局域网 802.x 局域网 门桥 分配系统 DS 门桥 因特网 接入点 AP 接入点 AP 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B 漫游 扩展的服务集 ESS

一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站， 但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。 有固定基础设施的无线局域网 802.x 局域网 门桥 分配系统 DS 门桥 因特网 接入点 AP 接入点 AP 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B 扩展的服务集 ESS

基本服务集中的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似。 有固定基础设施的无线局域网 802.x 局域网 门桥 分配系统 DS 门桥 因特网 接入点 AP 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B 扩展的服务集 ESS

分配系统 DS 扩展的服务集 ESS 一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到 一个主干分配系统 DS (Distribution System)，然后再接 入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set)。 扩展的服务集 ESS 802.x 局域网 门桥 分配系统 DS 门桥 因特网 接入点 AP 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B

ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802 802.x 局域网 门桥 分配系统 DS 因特网 接入点 AP 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B 扩展的服务集 ESS

分配系统 DS 扩展的服务集 ESS 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集， 而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。 802.x 局域网 门桥 分配系统 DS 因特网 接入点 AP 基本服务集 BSS 基本服务集 BSS A B 扩展的服务集 ESS

5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网的组成 无固定设施的无线局域网（自组网络） 5.7 无线局域网 5.7.1 无线局域网的组成 无固定设施的无线局域网（自组网络） 网络中无接入点AP，而是由平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络 每个网站具有路由功能，能存储转发信息 自组网络中，一些可移动的设备发现在它们附件还有其它可移动设备，并要求和其它移动设备进行通信。

移动自组网络的应用前景 在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。 这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。 当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的，

移动自组网络 和移动 IP 并不相同 移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。 移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。

5.7 无线局域网 5.7.2 802.11标准中的物理层 1997 年 IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分，802.11。在1999年又制订了剩下的两部分，802.11a 和 802.11b。 802.11 的物理层有以下三种实现方法： 跳频扩频 FHSS 直接序列扩频 DSSS 红外线 IR 802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带，采用正交频分复用 OFDM，它也叫做多载波调制技术（载波数可多达 52 个）。可以使用的数据率为 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 和 56 Mb/s。 802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术，数据率为 5.5 或 11 Mb/s。

5.7 无线局域网 5.7.3 802.11标准中的MAC层 1、CSMA/CA协议 无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。

无线局域网的特殊问题 这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题 叫做隐蔽站问题(hidden station problem) A 的作用范围 C 的作用范围 A B C D 当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的， 因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。

无线局域网的特殊问题 ？ 其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据 这就是暴露站问题(exposed station problem) C 的作用范围 B 的作用范围 ？ A B C D B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。 C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。

CSMA/CA 协议 无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。 改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。 802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制。

MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中 的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。 无争用服务 点协调功能 PCF (Point Coordination Function) 争用服务 MAC 层 分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA) 2.4 GHz FHSS 1 Mb/s 2 Mb/s DSSS IR 5 GHz OFDM 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s 5.5 Mb/s 11 Mb/s 物理层 IEEE 802.11 802.11a 802.11b

802.11 的 MAC 层在物理层之上包括两个子层 无争用服务 点协调功能 PCF (Point Coordination Function) 争用服务 MAC 层 分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA) 2.4 GHz FHSS 1 Mb/s 2 Mb/s DSSS IR 5 GHz OFDM 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s 5.5 Mb/s 11 Mb/s 物理层 IEEE 802.11 802.11a 802.11b

DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。 无争用服务 点协调功能 PCF (Point Coordination Function) 争用服务 MAC 层 分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA) 2.4 GHz FHSS 1 Mb/s 2 Mb/s DSSS IR 5 GHz OFDM 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s 5.5 Mb/s 11 Mb/s 物理层 IEEE 802.11 802.11a 802.11b

PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权 轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 无争用服务 点协调功能 PCF (Point Coordination Function) 争用服务 MAC 层 分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA) 2.4 GHz FHSS 1 Mb/s 2 Mb/s DSSS IR 5 GHz OFDM 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s 5.5 Mb/s 11 Mb/s 物理层 IEEE 802.11 802.11a 802.11b

帧间间隔 IFS 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。 分为 短帧间间隔 点协调帧间隔 分布协调帧间隔

SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为 28 s，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。 三种帧间间隔 使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。 DIFS PIFS SIFS 媒体空闲 发送第 1 帧 时间 源站 SIFS 有帧要发送 ACK 时间 目的站 DIFS PIFS 争用窗口 SIFS NAV（媒体忙） 发送下一 帧 时间 其他站 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送

PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIFS 长），是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度（其长度为 50 s），即78 s。 三种帧间间隔 时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。 DIFS PIFS SIFS 媒体空闲 发送第 1 帧 时间 源站 SIFS 有帧要发送 ACK 时间 目的站 DIFS PIFS 争用窗口 SIFS NAV（媒体忙） 发送下一 帧 时间 其他站 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送

三种帧间间隔 DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度，因此 DIFS 的长度为 128 s。 DIFS PIFS SIFS 媒体空闲 发送第 1 帧 时间 源站 SIFS 有帧要发送 ACK 时间 目的站 DIFS PIFS 争用窗口 SIFS NAV（媒体忙） 发送下一 帧 时间 其他站 推迟接入 等待重试时间 有帧要发送

CSMA/CA 协议的原理 欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。 通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。 当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。

为什么信道空闲还要再等待 这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。 如有，就要让高优先级帧先发送。 没有，则 源站发送了自己的数据帧。 目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。 若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送

虚拟载波监听 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。 这样就大大减少了碰撞的机会。 “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。

虚拟载波监听的效果 这种效果好像是其他站都监听了信道。 所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。

网络分配向量 当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。 NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。

2. 对信道进行预约 源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧， 叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括 源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧） 所需的持续时间。 2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 B 的作用范围 A 的作用范围 RTS C A B D E

2. 对信道进行预约 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。 若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧， 叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次 通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间 复制到 CTS 帧中）。 2. 对信道进行预约 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 B 的作用范围 A 的作用范围 CTS CTS C A B D E

5.7.3 其他无线计算机网络 (1) 无线个人区域网（或无线个域网）WPAN 5.7.3 其他无线计算机网络 (1) 无线个人区域网（或无线个域网）WPAN (Wireless Personal Area Network)。 WPAN 就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备（如便携式电脑、掌上电脑以及蜂窝电话等）用无线技术连接起来，整个网络的范围大约在 10 m 左右。WPAN 可以是一个人使用，也可以是若干人共同使用。 WPAN的 IEEE 标准都由 IEEE 的 802.15 工作组制定，而欧洲的 ETSI 标准则把无线个人区域网取名为 HiperPAN。

无线个人区域网 无线个人区域网实际上就是一个低功率、小范围、低速率的电缆替代技术，而前面所讲的 802.11 无线局域网则是一个大功率、中等范围、高速率的接入技术）。 蓝牙(Bluetooth)系统（802.15）就是早期WPAN 的一个例子。蓝牙由爱立信公司与1994 年推出，工作在 2.4 GHz 频段，数据率可达 1 Mbit/s，通信范围在 10 ~ 30 米之间。 802.15.3，也称为超宽带 UWB (Ultra-Wide Band)，可支持高达 400 Mbit/s 的数据率，允许小范围内传送 DVD 质量的多媒体视频。

无线城域网 WMAN (2) 无线城域网 WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)。WMAN提供“最后一英里”的宽带无线接入（固定的、移动的和便携的），可用来代替现有的有线宽带接入（xDLC、HFC或 FTTx）。 WMAN 的标准有 IEEE 的 802.16 和 ETSI 的HiperMAN，可在 10 ~ 66 GHz 频段提供高达134 Mbit/s 的数据率，通信距离可达 50 km 左右。

WiMAX WiMAX 是 Worldwide Interoperability for Microwave Access 的缩写（意思是“全球微波接入的互操作性”。 WiMAX 论坛成立于 2001 年 4 月，现在已有超过 150 家著名IT行业的厂商参加了这个论坛。在许多文献中， WiMAX 常用来表示无线城域网 WMAN，这与Wi-Fi 常用来表示无线局域网 WLAN 是类似的。

本章小结 局域网的拓扑分类 以太网的标准、CSMA/CD协议的工作原理、争用期与最小帧长的计算、网卡的功能、以太网的MAC地址结构 集线器与网桥的结构与功能、透明网桥与源路由网桥的工作思想，支撑树的概念 虚拟局域网的概念、VLAN的定义方法分类 以太网的物理层标准解读，如：10BASE-T、1000BASE-SX、1000BASE-LX、1000BASE-CX 无线局域网的分类、隐藏站问题和暴露站问题