计算机网络教程（第 2 版）

课件制作人：谢希仁

计算机网络教程（第 2 版）

第 5 章局域网


第 5 章局域网5.1 局域网概述5.2 传统以太网

5.2.1 以太网的工作原理5.2.2 使用集线器的星形拓扑5.2.3 以太网的信道利用率

5.3 以太网的 MAC 层5.3.1 MAC 层的硬件地址5.3.2 以太网 V2 的 MAC 帧格式


第 5 章局域网（续）5.4 扩展的局域网

5.4.1 在物理层扩展局域网5.4.2 在数据链路层扩展局域网

5.4.3 虚拟局域网


第 4 章局域网（续）5.5 高速以太网

5.5.1 100BASE-T 以太网5.5.2 吉比特以太网5.5.3 10 吉比特以太网

5.5.4 以太网接入5.6 无线局域网 5.6.1 无线局域网的组成 5.6.2 802.11 标准中的 MAC 层 5.6.3 其他无线计算机网络


5.1 局域网概述局域网最主要的特点是：网络为一个单

位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点：能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数

据。从一个站点可访问全网。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。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

局域网的拓扑

匹配电阻

集线器

干线耦合器

总线网星形网

树形网环形网


媒体共享技术静态划分信道

频分复用时分复用波分复用码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询 (polling) ，

或轮询。


5.2 传统以太网5.2.1 以太网的工作原理

1. 两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产

品（以太网）的规约。 IEEE 的 802.3 标准。 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


数据链路层的两个子层为了使数据链路层能更好地适应多种局域

网标准， 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)

子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC

子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的


局域网对 LLC 子层是透明的

局域网

网络层

物理层

站点 1

网络层

物理层

逻辑链路控制 LLC LLC

媒体接入控制 MAC MAC

数据链路层

站点 2

LLC LLC 子层看不见子层看不见下面的局域网下面的局域网


以后一般不考虑 LLC 子层由于 TCP/IP 体系经常使用的局域

网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC （即 802.2 标准）的作用已经不大了。

很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。


2. 适配器的作用网络接口板又称为通信适配器 (adapter)

或网络接口卡 NIC (Network Interface Card) ，或“网卡”。

适配器的重要功能：进行串行 /并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。


计算机通过适配器和局域网进行通信

硬件地址硬件地址

至局域网适配器（网卡）

适配器（网卡）串行通信

CPU 和存储器

CPU 和存储器

生成发送的数据处理收到的数据

把帧发送到局域网从局域网接收帧

计算机

IP 地址IP 地址

并行通信


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。

3. CSMA/CD 协议

B向 D发送数据

C D A E

匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻

不接受不接受不接受接受B

只有 D 接受B 发送的数据


以太网的广播方式发送总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。

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

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。


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。


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。


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”。


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。


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。

1 kmA B

t

碰撞碰撞

t = 2

A 检测到发生碰撞

t =

B 发送数据

B 检测到发生碰撞

t =

t = 0

单程端到端传播时延记为

1 kmA B

t

碰撞碰撞

t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞

t = 2

A 检测到发生碰撞

t =

B 发送数据

B 检测到发生碰撞

t =

A

B

A B

A B

t = 0 A 检测到信道空闲发送数据

A B

t = 0

t = B 检测到发生碰撞停止发送STOP

t = 2 A 检测到发生碰撞

STOP

A

B

单程端到端传播时延记为


重要特性使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

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。


4. 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。


二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2 。定义参数 k ， k 10 ，即 k = Min[重传次数 , 10] 从整数集合 [0,1,…, (2k 1)] 中随机地取出一个

数，记为 r 。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。

当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。


争用期的长度以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送

512 bit ，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。


最短有效帧长如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。

由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。

以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。


强化碰撞当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号 (jamming signal) ，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

数据帧

干扰信号

TJ

人为干扰信号 A B

TB

t

B 发送数据

A 检测到冲突

开始冲突

信道占用时间

A 发送数据

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。


5.2.2 使用集线器的星形拓扑传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后

来演进到使用细同轴电缆，最后发展为使用双绞线。

这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub) 。


使用集线器的双绞线以太网

集线器

两对双绞线

站点

RJ-45 插头


使用集线器的双绞线以太网双绞线以太网总是和集线器配合使用的。每个站需要用两对无屏蔽双绞线（做在一根电缆内），分别用于发送和接收。双绞线的两端使用 RJ-45 插头。

由于集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性就大大提高了。


10BASE-T 1990 年 IEEE 制订出星形以太网 10BASE-T

的标准 802.3i 。“ 10”代表 10 Mbit/s 的数据率， BASE 表示连接线上的信号是基带信号，T代表双绞线。

实践证明，这比使用具有大量机械接头的无源电缆要可靠得多。

由于使用双绞线电缆的以太网价格便宜和使用方便，因此粗缆和细缆以太网现在都已成为历史，并已从市场上消失了。


以太网在局域网中的统治地位 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线

器的距离不超过 100 m 。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网

的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。


集线器的一些特点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。


具有三个端口的集线器

集线器

适配器工作站

适配器工作站

适配器工作站

双绞线


5.2.3 以太网的信道利用率一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发送成功且信道转为空闲 ( 即再经过时间使得信道上无信号在传播 ) 时为止，是发送一帧的平均时间。

发送成功争用期争用期争用期

2 T0 τ

t

占用期争用期的平均个数 NR

发送一帧所需的平均时间

…

22


提高以太网的信道利用率要提高以太网的信道利用率，就必须减小与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a ，它是以太网单程端到端时延与帧的发送时间 T0 之比：

(5-1)

0Ta


参数 a 当 a→0 时，表示只要一发生碰撞，就立即可

以检测出来，并立即停止发送，因而信道资源不会被浪费。

参数 a 越大，表明争用期所占的比例增大，这就使得信道利用率降低。

以太网的参数 a 的值应当尽可能小些。从 (5-1) 式可看出，这就要求分子的数值要小

些，分母 T0 的数值要大些。这就是说，当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，同时以太网的帧长不能太短。


一种理想化的情况假定以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞，并且总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。

发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，而帧本身的发送时间是 T0 。可计算出极限信道利用率 Smax 为：

(5-2)

(5-2) 式指出了参数 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率。

aT

TS

1

1

0

0max


5.3 以太网的 MAC 层5.3.1 MAC 层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。


平面地址 (flat address) 和层次地址 (hierarchical address)

平面地址也叫作非层次地址，就是在分配地址时按顺序号一个个地挨着分配。

层次地址是将整个地址再划分为几个部分，而每部分按一定的规律分配号码。像我们的电话号码就是一种层次号码。

局域网的 6 字节的地址是一种平面地址。适配器根据全部的 48 位地址决定接收或丢弃所收到的 MAC 帧。


登记管理委员会 RAC(Registration Authority Committee)

IEEE 的登记管理委员会 RAC 是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的 6 个字节中的前三个字节 ( 即高位 24 位 ) 。这三个字节的正式名称是组织唯一标识符 OUI (Organizationally Unique Identifier) ，通常也叫做公司标识符 (company_id) 。

地址字段中的后三个字节 ( 即低位 24 位 ) 则是由厂家自行指派，称为扩展标识符 (extended identifier) ，只要保证生产出的适配器没有重复地址即可。


EUI-48 一个地址块可以生成 224 个不同的地址。

用这种方式得到的 48 位地址称为 MAC-48 ，或 EUI-48 。

在生产适配器时这种 6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM 中。因此 MAC 地址也叫作硬件地址 (hardware address) 或物理地址。

“MAC 地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48 。


I/G 位 IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位

为 I/G 位。 I/G 表示 Individual/Group 。当 I/G 位 = 0 时，地址字段表示一个单

个站地址。当 I/G 位 = 1 时表示组地址，用来进行

多播（以前曾译为组播）。 IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 2

3 位。当 I/G 位分别为 0 和 1 时，一个地址块可分别生成 224 个单个站地址和 224 个组地址。


“ 最低位”与“第一位” 有的书将上述最低位写为“第一位”，但这样有些含糊不清，因为“第一”的定义是不明确的。这是因为在地址记法中有两种标准：第一种记法是把每一字节的最低位写在最左边（这相当于第一位），第二种记法是把每一字节的最高位写在最左边（这相当于第一位）。 802.3 标准采用上面的第一种标准。在发送数据时按照字节的顺序发送，每一个字节先发送其最低位。


G/L 位 IEEE 把地址字段第 1 字节的最低第 2

位规定为 G/L 位，表示 Global/Local 。当 G/L 位 = 1 时是全球管理（保证在

全球没有相同的地址），厂商向 IEEE 购买的 OUI 都属于全球管理。

当 G/L 位 = 0 时是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。

以太网几乎不使用这个 G/L 位。


网卡检查 MAC 地址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）


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。

MAC 帧物理层

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

IP 层

以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS

6 6 2 4字节 46 ~ 1500

IP 数据报IP 数据报

以太网 V2 的 MAC 帧格式

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



目的地址字段 6 字节

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



源地址字段 6 字节

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



类型字段 2 字节

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。

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



数据字段 46 ~ 1500 字节

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

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



FCS 字段 4 字节

当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014 。

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。

MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



10101010101010 10101010101010101011

前同步码帧开始定界符

7 字节 1 字节

…

8 字节

插入

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。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。

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


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。

无效的 MAC 帧


帧间最小间隔为 9.6 s ，相当于 96 bit 的发送时间。

一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。

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。

帧间最小间隔


用多个集线器可连成更大的局域网

5.4 扩展的局域网5.4.1 在物理层扩展局域网

集线器集线器

一系二系

集线器

三系

三个独立的碰撞域


一系二系三系

集线器集线器集线器

集线器主干集线器

用多个集线器可连成更大的局域网

一个更大的碰撞域


优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。

扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点

碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。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。

用集线器扩展局域网


在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目

的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口

5.4.2 在数据链路层扩展局域网

1. 网桥的内部结构站表

端口管理软件

网桥协议实体

端口 1端口 1 端口 2端口 2缓存

H1

网段 B网段 A

1

1

12

MAC1

22

站地址端口网桥

网桥

H2 H3 H4 H5 H6

MAC2

MAC3

MAC4

MAC5

MAC6

MAC5 MAC6MAC4MAC3MAC2MAC1

端口 1端口 1

端口 2

端口 2


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。

使用网桥带来的好处


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。

使用网桥带来的缺点

用户层IP

MAC

站 1

用户层IP

MAC

站 2

物理层

网桥 1 网桥 2

A B

①②③ ④

⑤

⑥ ⑦⑧⑨

用户数据

IP-H

MAC-H MAC-T

PPP-H PPP-T

①⑨

②⑧

③④⑥⑦

⑤

物理层DL

RMAC

物理层物理层DLRMAC

物理层物理层LAN LAN

两个网桥之间还可使用一段点到点链路


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。

网桥和集线器（或转发器）不同


目前使用得最多的网桥是透明网桥 (transparent bridge) 。

“ 透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D 。

2. 透明网桥


(1) 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站 MAC 地址。

(2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d ，然后进行 (3) ，否则转到 (5) 。

(3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x ，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。

(4) 转到 (6) 。(5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。(6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该

帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到 (8) 。如源站在转发表中，则执行 (7) 。

(7) 更新计时器。(8) 等待新的数据帧。转到 (1) 。

网桥应当按照以下算法处理收到的帧和建立转发表


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 。

网桥在转发表中登记以下三个信息


这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。（支撑树也叫做生成树）

透明网桥使用了支撑树算法

局域网 2

局域网 1

网桥 2网桥 1

A

F

F2

④

F1

③

不停地兜圈子

①

②

A 发出的帧

⑤网桥 1 转发的帧

⑥网桥 2 转发的帧

网络资源白白消耗了


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。

支撑树的得出


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


1990 年问世的交换式集线器 (switching hub) ，可明显地提高局域网的性能。

交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。

以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。

4. 多端口网桥——以太网交换机


以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。

交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。

以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。

以太网交换机的特点


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 N10 Mb/s 。这正是交换机的最大优点。

独占传输媒体的带宽


用以太网交换机扩展局域网

集线器集线器集线器一系

三系二系10BASE-T

至因特网100 Mb/s

100 Mb/s

100 Mb/s万维网服务器

电子邮件服务器

以太网交换机

路由器


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

以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3

C2B2以太网交换机

以太网交换机

三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2

和 VLAN3 的构成

以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


和 VLAN3 的构成当 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

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


和 VLAN3 的构成 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

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


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。


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。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最

大电缆长度减小到 100 m 。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。

100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。


5.5.2 吉比特以太网允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种

方式工作。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 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 使用 4 对 5 类线 UTP


载波延伸 (carrier extension) 吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。

由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小的数值。

吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m ，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。


在短 MAC 帧后面加上载波延伸

凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使 MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。

接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。

目地地址源地址数据长度数据 FCS

MAC 帧的最小值 = 64 字节

载波延伸前同步码

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


分组突发当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说

的载波延伸的方法进行填充。随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。

发送的数据分组 #1 RRRRRRRR 分组 #2 RRRR 分组 #3 RRR 分组 #4

争用期 512 字节将突发计时器设定为 1500 字节

载波延伸

载波监听


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

1 Gb/s 链路

吉比特交换

集线器

百兆比特或吉比特集线器

100 Mb/s 链路中央服务器


5.5.3 10 吉比特以太网 10 吉比特以太网与 10 Mb/s ， 100 Mb/s

和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定

的以太网最小和最大帧长，便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。

10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。


吉比特以太网的物理层局域网物理层 LAN PHY 。局域网物理层的

数据率是 10.000 Gb/s 。可选的广域网物理层 WAN PHY 。广域网物

理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“ Gb/s” 的 SONET/SDH （即 OC-192/STM-64 ）相连接。为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-1

92/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s 。


端到端的以太网传输 10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范

围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。

这种工作方式的好处是：成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜。统一的帧格式简化了操作和管理。


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：

可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s ）。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。


5.5.4 以太网接入以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。

以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。

采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。


5.6 无线局域网5.6.1 无线局域网的组成

有固定基础设施的无线局域网

基本服务集 BSS

扩展的服务集ESS

AB

漫游

AP1 AP2

因特网分配系统 DS

A'

基本服务集 BSS


几个术语一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。

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。

一个基本服务集通过接入点 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) 。


漫游移动站 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。


无固定基础设施的无线局域网自组网络 (ad hoc network)

自组网络

A

E

DCB

F

源结点

目的结点

转发结点

转发结点转发结点

自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。


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 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。

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。


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


802.11 标准中的物理层（续） 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 。


5.6.2 802.11 标准中的 MAC 层

1. CSMA/CA 协议无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协

议。这里主要有两个原因。 CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据

的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。

即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。


无线局域网的特殊问题

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。

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

A B C D

C 的作用范围


无线局域网的特殊问题

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。

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)

A DCB

？B 的作用范围 C 的作用范围


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。

下面先介绍 802.11 的 MAC 层。

802.11 的 MAC 层

MAC 层

无争用服务

争用服务

分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)

(CSMA/CA)

点协调功能 PCF(Point Coordination Function)

物理层

2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s

2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s

IR1 Mb/s2 Mb/s

5 GHzOFDM

6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s

2.4 GHzDSSS

5.5 Mb/s11 Mb/s

802.11b802.11aIEEE 802.11

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。

802.11 的 MAC 层在物理层之上包括两个子层

MAC 层

无争用服务

争用服务


(CSMA/CA)


物理层



IR1 Mb/s2 Mb/s

5 GHzOFDM

6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s

2.4 GHzDSSS

5.5 Mb/s11 Mb/s

802.11b802.11aIEEE 802.11

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。

MAC 层

无争用服务

争用服务


(CSMA/CA)


物理层



IR1 Mb/s2 Mb/s

5 GHzOFDM

6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s

2.4 GHzDSSS

5.5 Mb/s11 Mb/s

802.11b802.11aIEEE 802.11

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

MAC 层

无争用服务

争用服务


(CSMA/CA)


物理层



IR1 Mb/s2 Mb/s

5 GHzOFDM

6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s

2.4 GHzDSSS

5.5 Mb/s11 Mb/s

802.11b802.11aIEEE 802.11


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) 。

帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。

若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。

三种帧间间隔

时间SIFS

PIFS

DIFS

媒体空闲

发送第 1 帧SIFS

PIFS

时间NAV （媒体忙）

DIFS争用窗口

发送下一帧

推迟接入等待重试时间

有帧要发送源站

时间目的站

ACK

SIFS

其他站有帧要发送

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。

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。

三种帧间间隔

时间SIFS

PIFS

DIFS

媒体空闲

发送第 1 帧SIFS

PIFS


DIFS争用窗口

发送下一帧



时间目的站

ACK

SIFS


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 。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。

三种帧间间隔

时间SIFS

PIFS

DIFS

媒体空闲

发送第 1 帧SIFS

PIFS


DIFS争用窗口

发送下一帧



时间目的站

ACK

SIFS


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 。


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。


假定没有高优先级帧要发送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 AC

K （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。


争用窗口信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。

在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。

802.11 使用二进制指数退避算法。


二进制指数退避算法第 i 次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择

一个。第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2

个）中随机选择一个。第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4

个）中随机选择一个。


使用退避算法仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。

除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：

在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在每一次的重传后。在每一次的成功发送后。


A 的作用范围 B 的作用范围

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。

AC B D

E

RTSRTSRTSRTS

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。


A 的作用范围 B 的作用范围

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。

CTSCTS

AC B D

E

CTSCTS

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）。

A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。


RTS 和 CTS 帧以及数据帧和 ACK 帧的传输时间关系

时间DIFS

RTS

SIFS

时间NAV （ RTS ）

DIFS争用窗口

推迟接入

源站

时间目的站

ACK

其他站

CTS

SIFS SIFS

数据

NAV （ CTS ）NAV （数据）


5.6.3 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 Metropolita

n 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 Mic

rowave 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。

计算机网络教程（第 2 版）

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