现代网络技术第4章传统局域网

第4章传统局域网

4.1局域网概述

4.2局域网的体系结构

4.3以太网和IEEE802.3标准

4.4令牌环网和IEEE802.5标准现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第1页!

4.1局域网概述

一般来说，局域网有以下主要特点：

为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限；

所有的站共享较高的总带宽（即有较高的数据传输速率）；较低的时延和较低的误码率；各站为平等关系而不是主从关系；能进行广播（一站向其他所有站发送）或多播（一站向多个站发送，又称为组播）。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第2页!两者相比，局域网更具备如下的主要优点：(1)能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个终端可访问全网；(2)便于系统的扩展和逐渐地演变；(3)提高了系统的可靠性、可用性和残存性；(4)响应速度较快；(5)各设备的位置可灵活调整和改变。有利于数据处理和办公自动化。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第3页!

图4-1局域网拓扑结构(a)星形网；(b)环形网；(c)总线网（a）（c）（b）

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图4-2局域网802参考模型与OSI/RM的对比逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC物理层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层OSI参考模型服务访问点SAP

IEEE802参考模型的范围传输介质现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第5页!有关接入各种传输介质的问题都属于MAC子层，其主要功能：负责物理层基础上的无差错的通信；

将上层传递下来的数据封装成帧进行发送，接收时进行相反的过程，即将帧拆卸；

实现和维护MAC协议；比特差错检测；寻址。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第6页!图4-3局域网对LLC子层是透明的高层LLCMAC物理层高层LLCMAC物理层局域网

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802.1(A)—概述、体系结构。

802.1(B)—寻址、网络管理、网间互连及高层接口。

802.2—逻辑链路控制(LLC)。这是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。

802.3—CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。

802.4—令牌总线网(TokenBus)。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。

802.5—令牌环形网(TokenRing)。定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规范。

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图4-5LLCPDU和MAC帧的关系网络层及以上LLC子层MAC子层高层数据LLC首部LLC数据MAC数据MAC首部MAC帧LLCPDU

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第9页!图4-6MAC地址与SAP地址现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第10页!2. LLC子层提供的服务LLC子层向上可提供四种不同类型服务：(1)操作类型1服务（LLC1）。(2)操作类型2服务（LLC2）。(3)操作类型3服务（LLC3）。(4)操作类型4服务（LLC4）。这是一种高速传送服务。

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第11页!图4-7LLC帧结构I/GC/R地址字段DSAPSSAP控制数据1B1B1或2B可变BLLCPDU0N(S)P/FN(R)信息PDU10SP/FN(R)监督PDU11MP/FM无编号PDUDSAP—目的服务访问点；SSAP—源服务访问点；L/G=0—单个DSAPL/G=1—组DSAP；C/R=0—命令帧；C/R=1—响应帧

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第12页!对于接收的数据帧，有三种不同的帧类型：

单播帧（unicate）：接收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。

广播帧（broadcast）：发送给所有站点的帧（全1地址）。

组播帧（multicase）：发送给一部分站点的帧。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第13页!4.3.2物理层标准IEEE802.3支持不同的物理层标准，这些不同的标准意味着IEEE802.3可以使用不同的传输介质和物理层接口，如表4-1所示。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第14页!4.3.3MAC子层和帧结构1.帧格式图4-8表示了两种标准的MAC帧结构，它们都是由7个字段组成。前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）类型（TYPE）数据（DATA）帧检验序列（FCS）现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第15页!2.性能分析为应用方便，一般不限制最大帧长度，将用户数据报一次性发送完，既节省软件开销，又可提高网络利用率。特别是802.3这种争用型网络，帧越短，为发送一次数据所需的竞争次数就越多，发生冲突的几率就大，冲突碎片也要占用一定的网络带宽。因此理论分析和实际检测都表明：数据帧长，网络的有效利用率就高。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第16页!从上面的公式可以知道，U和α成反比，随着α的增大，802.3网络的利用率U将下降。为了提高吞吐率和利用率U，应尽量减小α，这可以通过适当增加帧的长度来实现。U与α的关系如图4-9所示。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第17页!4.3.4交换式以太网交换式集线器的交换方式有两种：存储转发交换。直通交换。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第18页!图4-11给出了使用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：（A1，A2，B1，C1），LAN2：（A3，B2，C2），LAN3：（A4，B3，C3）现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第19页!

4.4令牌环网和IEEE802.5标准

4.4.1令牌环概述令牌环（TokenRing）是环形网的一种（如图4-12(a)所示），其技术的核心是使用了一个称之为“令牌”（也叫“通行证”）的特殊比特串，当环上所有的站点都处于空闲时，令牌沿着环不停绕行。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第20页!图4-12令牌环网和IEEE802.5的拓扑结构(a)计算机环接口环接口1比特延迟输入输出输入输出(b)(c)

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第21页!图4-13令牌环的工作原理ABCDABCDABCDTABCDT现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第22页!图4-14802.5的MAC帧结构现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第23页!数据字段：从环结构和协议本身来说，令牌环对数据字段的长度没有限制。

FCS字段：4个字节的FCS字段的作用范围是从帧控制字段起到FCS字段止。帧状态：MAC帧的最后一个字段为帧状态字段。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第24页!4.4.3管理与维护对于IEEE802.5环形网来说，管理和维护十分重要。因为环容易出现物理故障导致环的中断或令牌的丢失，使环网不能正常工作。在环形网中，每个站点都可能成为监控站，监控站是通过竞争产生的。竞争监控站的过程是环中任意一个站点在接收到其上游站点发送或转发的声明帧时，将本站地址与声明帧中的源地址进行比较。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第25页!当环中出现破损帧时，监控站可以从其无效格式或校验码中检测到，然后监控站断开环，取走破损帧，并产生一个新的令牌。监控站对无主帧的检测是通过在访问控制字段AC中设置监控位来实现的。若监控站发现某帧中的监控位已被置成1，则意味着该帧经过监控站两次而未被取走，说明该帧可能是无主帧，所以监控站将其从环中取走。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第26页!同时我们仍然假定R为局域网的数据传输率，d为任意两个站点间的最大距离，V为信号在介质上的传播速度，L为帧的平均数据长度，那么根据前面的计算结果可知，在理想的情况下，802.5网络的的利用率U为：其中α是网络传播时延与数据发送时间之比，其值为：现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第27页!图4-15表示了令牌总线网的两个主要特点：

令牌总线网在物理上是一个总线网，在逻辑上却是一个令牌网。例如图中所示的7个站中，站C有故障而G站未工作。剩下的5个站在逻辑上组成了一个令牌网。

令牌传递的顺序与站的物理位置无关。在图中设令牌按照A→D→B→E→F→A→…的顺序传递。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第28页!在令牌总线网中，令牌传递的顺序不是按照站的物理顺序，因此必须有一个有效MAC子层协议来管理网络的令牌。这就使得令牌总线网的MAC子层协议非常复杂。802.4的MAC子层四个主要功能（如图4-16所示）。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第29页!(1)接入控制机（AccessControlMachine）。接入控制机是令牌总线网的核心，它决定一个站什么时候可以向总线发送一个帧，并且负责整个逻辑环路的管理。环路管理的主要功能是环路的初始化、工作站的入网（即加入到环路中）、工作站的退网（即从环路中删除）、差错恢复和优先级设置。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第30页!4.5.3三种局域网的比较毫无疑问，总线网的应用最为广泛。整个电缆是无源的，站点的接入与安装很方便。在低负载时网络基本上没有时延，因为每个站随时可以发送信息。802.3协议最大的缺点就是发送时延的不确定性，这对某些实时应用是非常不利的。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第31页!有不少人对这三种局域网的性能进行过定量分析。从这些分析得出最主要的结论如下：

在重负载下，802.3局域网完全不能用，而基于令牌的局域网则可达到接近于100％的效率。若负载范围从轻到中等，则三种局域网都能胜任。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第32页!

4.6局域网的扩展

4.6.1中继器中继器（Repeater）又叫重发器，它是最简单的扩展设备。中继器的根本作用是对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的网段上。因此，中继器实质上只能算是数字信号的再生放大器。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第33页!4.6.2集线器集线器（HUB）又称集中器，它属于一种多口的中继器。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。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第34页!4.6.3网桥的基本原理使用网桥进行不同局域网之间存储及转发数据，对网站用户来说是透明的，就像在一个网络上使用一样。网桥的功能主要有：(1)在相互连接的两个局域网之间起到帧转发作用。

(2)实现存储转发和数据帧过滤。

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第35页!图4-18给出了网桥的内部结构。最简单的网桥有两个端口，复杂的网桥可以有更多的端口，网桥的每个端口与一个局域网的网段相连。在图中所示的网桥中，其端口1与网段A相连，端口2与网段B相连。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第36页!使用网桥可以带来以下好处：(1)过滤通信量。网桥可以使局域网的一个网段上各工作站之间的通信量局限在本网段的范围内，而不会经过网桥流到其他的网段去。(2)扩大了物理范围，也增加了整个局域网上工作站的最大数目。(3)可使用不同的物理层。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第37页!图4-19不同MAC子层的网桥的连接网桥1网桥2网桥2802.3802.3802.5802.4DEABCFGHIJKLM

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第38页!4.6.4透明网桥透明网桥是针对以太网提出的桥接技术，它的基本思想是网桥自动选择每个端口所连接网段的MAC地址，建立和维护一个地址映像表（站表），网桥每次转发帧时，先查站表，如查到，则向相应的端口转发。如查不到，则向除接收端口外的所有端口转发（广播）。这个过程对各网站来说是透明的，透明网桥的标准是IEEE802.1d。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第39页!4.6.6透明网桥和源站选路网桥的对比透明网桥是无连接的，每一个帧独立地选择路由。而源站选路网桥则是面向连接的。透明网桥对主机完全是透明的。源站选路网桥对主机则不是透明的，主机必须知道网桥的标识以及连接到哪一个网段上。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第40页!通常局域网按网络拓扑进行分类，主要有：

星形网（图4-1(a)）。它是集中式控制。近年来由于集线器（HUB）的出现和双绞线大量用于局域网中，星形网以及多级结构的星形网获得了非常广泛的应用。

环形网（图4-1(b)）。最典型的就是令牌环形网（TokenRing）。总线形网（图4-1(c)）。各站直接连在总线上。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第41页!

4.2局域网的体系结构

4.2.1IEEE802参考模型局域网的体系结构与广域网相比有很大的区别。由于局域网只是一个计算机通信网，它用带地址的帧来传送数据，而且网络中不存在中间交换，所以不要求有路由选择问题，因此它不需要网络层，而只有最低的两个层次。另一方面，不同的网络拓扑结构，其访问控制的方法也各不相同，远不像广域网那么简单。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第42页!物理层的主要功能：

信号的编码与译码；

为进行同步用的前同步码的产生与去除；

比特的传输与接收。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第43页!与介质访问无关的部分都集中在逻辑链路控制LLC子层，其主要功能：

建立和释放数据链路层的逻辑连接；

提供与高层的接口；

差错控制；给帧加上序号。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第44页!图4-4IEEE802体系结构802.1网际互连（B）802.2逻辑链路控制802.3CSMA/CD介质访问802.3物理802.4TokenBus介质访问802.4物理802.5TokenRing介质访问802.5物理802.6MAN介质访问802.6物理管理寻址802．1B结构体系802．1A网际互连LLC逻辑链路MAC介质访问物理

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802.6—城域网MAN。定义城域网的MAC子层和物理层的规范。

802.7—宽带技术。

802.8—光纤技术。

802.9—综合话音数据局域网接口(LAN-ISDN)。

802.10 —可互操作的局域网安全规范(SILS)

802.11—无线局域网(WirelessLAN)。

802.12 —优先级高速局域网(100VGANYLAN)。802.14—电缆电视(Cable-TV)。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第46页!4.2.2逻辑链路控制LLC子层1.逻辑链路控制子层的服务访问点LLCSAP

一个主机中可能有多个进程在运行，它们可能同时与其他的一些进程（在一个主机或多个主机中）进行通信。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第47页!可见在网络中的进程通信时，需要有两种地址：(1)MAC地址，唯一标识主机在局域网中的站地址或物理地址，该地址由MAC帧负责传送。(2)SAP地址，标识进程在某一个主机中的地址，即LLC子层上面的服务访问点SAP地址，该地址由LLC帧负责传送。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第48页!3.LLCPDU的结构

LLCPDU的结构和HDLC帧很相似。它有共有4个字段：目的服务访问点DSAP字段、源服务访问点SSAP、控制字段和数据字段。图4-7是LLCPDU前三个字段的具体结构。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第49页!4.2.3介质访问控制MAC子层在局域网中，介质访问控制要解决的重要问题之一是寻址问题。网络寻址首先要对网络主机进行唯一标识，并通过该标识确定主机在网络中的位置。802标准为局域网主机规定网络地址（也叫物理地址）的命名方法。IEEE还规定：地址字段的第1个字节的最低位为I/G比特。IEEE还考虑到可能有人并不愿意前来购买“地址块”。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第50页!

4.3以太网和IEEE802.3标准

4.3.1802.3局域网概述以太网（Ethernet）是一种基带总线局域网，以基带无源同轴电缆作为传输介质，采用CSMA/CD控制协议。以太网最初是由美国施乐（Xerox）公司著名的PaloAlto研究中心于1975年研制成功的个CSMA/CD系统，当时的传输率为2.94Mb/s。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第51页!表4-1IEEE802.3物理层标准标

准介

质最大长度/段站点数/段特

点10Base5粗同轴电缆500m100适合于主干10Base2细同轴电缆200m30低廉的网络10Base-T双绞线100m1024易于安装和维护10Base-F光纤2000m1024远程工作站连接现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第52页!

图4-8IEEE802.3和以太网的帧结构现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第53页!若假设R为以太网的数据传输率，d为任意两个站点间的最大距离，V为信号在介质上的传播速度，L为帧的平均数据长度，那么在802.3网络中，传播时延与发送时间之比α等于：参数α决定了以太网的利用率。若在没有冲突的理想情况下，一个站发送完数据之后，另一个站接着发送数据，并且假定不考虑协议开销，那么802.3网络的利用率U等于：现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第54页!

图4-9U与α的关系曲线1.00.80.60.40.205101520Uα

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图4-10三种以太网主要区别(a)共享总线以太网；(b)共享式以太网；(c)交换式以太网现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第56页!图4-113个虚拟局域网VLAN1、VLAN2、VLAN3的构成A1A2B1C1A3B2C2A4B3C3VLAN1VLAN2VLAN3

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第57页!环接口有监听和发送两种模式，如图4-12(b)、(c)所示。在监听模式时，数据在环接口经过1比特时延后输出到环上。只有当站点抓住令牌时才可以进入发送模式。在发送模式下，接口截断输入输出连接，并将自己的数据放到环上。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第58页!4.4.2MAC子层与帧结构IEEE802.5的MAC协议的工作过程：当环上的站点没有数据发送时，令牌一直在环上绕行，并等待某个有数据要发送的站点将其抓获。某站点要发送数据就把令牌中的某个特定位由0变为1，将其从令牌变为数据帧的一部分，然后站点输出正常数据帧的其余部分，如图4-13所示。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第59页!

IEEE802.5有令牌和数据/命令帧两种格式，如图4-14所示。令牌占用3个字节，有一位用于标记令牌忙/闲。当令牌为闲时，表明环上没有站发送数据。当令牌为忙时，就变成一帧的帧首序列，其后面跟着一个数据/命令帧的其余部分。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第60页!起始：令牌很短，只有3字节，而数据/命令帧可能很长，它们都各有一个起始字段和结束字段。

接入控制：令牌的第2字节为接入控制字节，其中第4位比特称为“令牌比特”（T比特），这是个关键的比特。监督比特：接入控制字段的M比特是监督比特。优先级比特：在有优先级的环路中，3个优先级比特PPP可构成8种不同的优先级（从000到111）。帧控制：帧格式中的第3字节是帧控制字节。地址字段：地址结构与前面介绍的以太网情况一样。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第61页!

当所发送出去的数据帧最后又回到源站时，只要观察比特A和比特C就可以区分出以下几种情况：(1)目的站不存在或未加入到环路中（A=C＝0）；(2)目的站工作但未将此数据帧复制（A＝l，C=0）；(3)目的站工作且复制了此数据帧（A＝C＝l）。结束：在结束字段中的最后一个比特为E比特，即差错比特。一个帧在发送时，置E＝0。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第62页!监控站的职责是确保令牌不丢失；在环断开时采取行动；当环中出现破损帧时清除掉破损帧；查看是否存在无主帧。产生无主帧的的情况是某站点将一短帧发送到环上，在该帧被取走之前，站点发生故障（如掉电）。如果不对无主帧采取措施，它将会在环上不停地旋转下去。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第63页!4.4.4性能分析令牌环网的工作过程可以用一个排队服务模型来描述，所有活跃站点构成一个发送队列，环中各站依次抓住令牌并发送数据。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第64页!

4.5令牌总线网与IEEE802.4标准

4.5.1令牌总线网概述总线局域网的争用总线特点使得它不适用于一些对时间有严格要求的实时控制系统。令牌环形网中的令牌绕网一周的时间虽有一个上限值，但它在轻载时的性能不太好，并且还采用了许多有源的环接口设备连接成环路，其可靠性要比无源的总线差。在这种情况下，综合这两种局域网的优点的令牌总线局域网就产生了。这就是IEEE802.4标准。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第65页!图4-15令牌总线局域网ABDCEFG故障未工作

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第66页!图4-16IEEE802.4MAC子层的功能接口机接入控制机发送机接收机MAC子层LLC子层物理层

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第67页!(2)接口机（InterfaceMachine）。接口机的任务是对LLC子层向下交给接入控制机发送的LLCPDU进行缓存；将LLC子层和MAC子层的服务质量参数进行变换；将收到的LLCPDU进行地址检验。(3)发送机（TransmitMachine）。发送机从接入控制机收到LLCPDU，再负责将帧装配成MAC帧交给物理层发送。(4)接收机（ReceiveMachine）。接收机将物理层上交的数据进行差错校验。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第68页!此外，802.3协议还不便于将光纤作为总线。802.4协议使用高可靠的电视电缆，它的发送时延是确定的。802.4协议采用的是宽带电缆，因此它可以支持多个信道，除了数据外，它还可以传送话音和电视。现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第69页!图4-17IEEE802标准的三种不同的帧格式

接入控制帧控制结束定界帧状态802.3

802.4

802.5

前同步码起始定界地址数据长度数据区填充检验和

现代网络技术第4章传统局域网共78页，您现在浏览的是第70页!使用中继器应注意两点：(1)不能形成环路。