计算机网络6.局域网技术

局域网技术学习要点局域网参考模型IEEE802.2标准IEEE802.3标准IEEE802.4标准IEEE802.5标准高速局域网技术6.1局域网概述局域网的发展和用途70年代末期出现的计算机局域网(LAN－LocalAreaNetwork)，在80年代获得了飞速发展和大范围的普及，90年代正步入更高速的阶段。目前LAN的使用已相当普遍，其主要用途是：①共享打印机、绘图机等费用很高的外部设备②通过公共数据库共享各类信息③向用户提供诸如电子邮件之类的高级服务局域网的特点局域网具有的主要特点如下：①覆盖的地理范围小，如一幢大楼、一个企业内，通常属一个单位所有。②数据传输率较高，如10Mbps、100Mbps等。③具有较低的时延和较低的误码率，误码率一般在10-8～10-11之间。④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，也可称为组播）来传送信息。⑤各设备平等访问网络资源。

局域网的分类局域网的种类很多，较多的是根据数据传输速率将局域网分为以下三种类型：①局部地区网LAN(LocalAreaNetwork)：即通常所说的局域网，是局域网中最普通的一种。一般数据传输率为1～100Mbps，连接范围在几公里内，最远达25公里。②高速局域网HSLN(High-SpeedLocalNetwork)

：主要用于昂贵、高速的主机、外部设备的连网。这种网络的跨接距离和连接设备数非常有限，连接范围在1公里以内，数据传输率为50Mbps。③计算机化分支交换网CBX（ComputerizedBranchExchange）：这是采用电路交换技术的局域网，数据传输率为9.6～64kbps。它主要用于电话交换，也可用于一般数据传送。

局域网的组成部件组成LAN需要下述5种基本结构:①计算机(特别是PC机)

②传输媒体③网络适配器④网络连接设备⑤网络操作系统

6.2局域网参考模型局域网体系结构IEEE在1980年2月成立了局域网标准化委员会（简称IEEE802委员会），专门从事LAN协议的制订工作。IEEE802委员会制订了局域网的体系结构，即著名的IEEE802局域网参考模型。

局域网体系结构

数据链路层在局域网参考模型中被分成了两个子层：逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl）子层和媒体访问控制子层MAC（MediaAccessControl）子层。

LLC子层完成通常意义下的数据链路层功能，如差错控制和流量控制等，MAC子层解决与各种传输媒体有关的问题。对于不同的物理网络，LLC子层是相同的，而MAC子层则因物理媒体及其拓扑结构的不同而各异。这种分层方法使得IEEE802标准具有良好的可扩充性，可以很方便地接纳新的传输媒体与媒体访问控制方法。

局域网体系结构MAC子层功能：访问介质，提供复用发送和接收数据帧比特流差错检查寻址LLC子层功能：建立和释放逻辑连接向高层提供服务访问点组装LLC帧以及帧的接收和发送局域网体系结构

高层的协议数据单元传到LLC子层，加上适当的首部就构成了LLC子层的协议数据单元LLCPDU（即LLC帧）。LLCPDU再向下传到MAC子层时，加上适当的首部和尾部，就构成MAC子层的协议数据单元MACPDU（即MAC帧）。

IEEE802标准802.10安全机制802.1体系结构、网络互连802.2逻辑链路控制LLC802.3总线802.4令牌总线802.5令牌环802.6城域网802.9综合802.11无线802.7宽带技术802.8光纤技术IEEE802标准802.1系统结构和网络互连802.2

逻辑链路控制802.3

CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范802.4

令牌总线网的MAC子层和物理层的规范802.5

令牌环形网的MAC子层和物理层的规范802.6

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802.10

可互操作的局域网的安全802.11

无线局域网802.12

优先级高速局域网802.14电缆电视6.3IEEE802.2服务访问点SAP

地址组成：MAC地址+SAP地址

ABCA(1)->C(3)B(2)->A(3)LLC层的服务LLC子层向上可提供四种操作类型，即四种不同类型的服务:类型1——即LLC1，不确认的无连接服务

不确认的无连接服务类似于数据报服务，即双方通信前无需建立逻辑链路，信息传输不需要确认，也没有流量控制和差错控制恢复机制，实现最简单。由于局域网的传输差错率比广域网低得多，因而在链路层不要确认信息并不会引起多大的问题。至于端到端的差错控制和流量控制则由高层协议来提供。不确认的无连接服务特别适合于广播通信和组播通信，因为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，或者为了避免冲突而产生许多额外的开销。

LLC层的服务LLC子层向上可提供四种操作类型，即四种不同类型的服务:类型2——即LLC2，面向连接服务

面向连接服务相当于虚电路。由于每次通信都要经过连接建立、数据传送和连接释放这三个阶段，故开销较大。连接方式提供数据单元的按序传送及差错控制，因而减轻了较高层的负担。LLC2非常适用于传送很长的数据文件。

LLC层的服务LLC子层向上可提供四种操作类型，即四种不同类型的服务:类型3——即LLC3，带确认的无连接服务

带确认的无连接服务同样是无连接服务，但它对每个发送的数据单元都提供立即的确认。这种方式主要用于传送某些非常重要且时间性也很强的信息，比如在一个过程控制或自动化工厂的环境中警告信息或控制信号十分重要并且有严格的时限，若不要确认则不够可靠，但若先建立连接则又太慢，此时就可用这种方式直接发送数据。类型4——即LLC4，高速传送服务，专用于城域网

LLC层与MAC层之间的接口LLC子层与MAC子层间定义的原语和参数：MA-UNITDATA.请求（源地址，目的地址，数据，优先级，服务类别）MA-UNITDATA.指示（目的地址，源地址，数据，接收状态，优先级，服务类别）MA-UNITDATA-STATUS.指示（目的地址，源地址，发送状态，优先级，服务类别）“MA-UNITDATA.请求”原语被LLC用来发送所有形式的LLCPDU。源地址及目标地址参数指定MAC地址。数据参数包含LLCPDU。优先级参数指定传送该数据单元所希望的优先级。服务类别参数指定传输数据单元是否使用MAC子层的确认能力。“MA-UNIDATA.指示”原语把到来的帧从本地MAC传送到本地LLC。“MA-UNIDATA-STATUS.指示”原语从MAC实体传送到LLC实体，用以证实先前的“MA-UNIDATA.请求”所提供的服务成功或失败。LLC帧结构LLC帧结构和HDLC帧结构非常相似。由于它还要封装在MAC帧中，所以LLC帧没有标志字段和帧校验序列字段。LLC帧由四部分组成。LLC帧结构目的服务访问点DSAP占用1个字节，其中第一个比特为I/G比特。0时，它后面的7个比特代表单个目的服务访问点；为1时，则为组地址。组地址规定数据要发往某一特定站的一组服务访问点。

LLC帧结构源服务访问点SSAP字段的第一个比特为C/R比特。当C/R比特为0时，LLC帧为命令帧；当C/R比特为1时，LLC帧为响应帧。C/R比特后面的7个比特用来表示源服务访问点SSAP。

LLC帧结构LLC帧控制字段的第一、二个比特指示类型。若为0，为信息帧；若为10，为监控帧；若为11，为无编号帧。信息帧和监控帧控制字段与HDLC的扩展控制字段格式相同，序号按模128进行编号。无编号帧则与HDLC的无编号帧完全相同。

LLC帧结构N(S)表示发送序号，N(R)表示接收序号。SS表示监督帧的类型：00表示RR(接收准备就绪)；10表示RNR(接收未就绪)；01表示REJ(拒绝)；11表示SREJ(选择拒绝)LLC帧结构P/F表示询问/终止，用于计算机询问终端。M位表示无编号帧类型：00000表示无编号信息；00111表示测试命令；00010表示断链命令等。服务访问点SAP地址组成：MAC地址+SAP地址

ABCA(1)->C(3)B(2)->A(3)6.4IEEE802.3802.3局域网的（以太网即基带总线网）组成

总线介质收发器接口和控制器

在介质与总线之间传递数据检测数据帧的冲突在总线及各电子设备之间进行电气隔离保护总线不受接口故障的影响网络接口卡

根据对CSMA/CD访问方法的描述,节点网卡要执行多种任务，因此每个网卡要有自己的控制器，用以确定何时发送，何时从网络上接受数据，并负责执行802.3所规定的规程，如构成帧，计算帧检验序列、执行编码译码转换等。网络接口卡

LAN管理部分和微处理器:

LAN的管理部分是网板的核心，负责执行所有规程和数据处理。微处理器部分包括微处理器芯片，RAM芯片和ROM芯片。这一部分在PC机和LAN管理部分间提供链接。网络接口卡

曼彻斯特编译码器:

IEEE802.3或Ethernet规定数据的传输必须用曼彻斯特编码进行。当PC机希望将数据发送到网络上时，总是以并行方式逐字节地传给LAN管理部分，LAN管理部分串行传给“不归零(NRZ)曼彻斯特编码器”，在这里进行曼彻斯特编码。网络接口卡

发送和发送控制部分:

发送和接收控制部分负责帧的发送。发送部分接受来自“NRZ曼彻斯特转换器”的曼彻斯特码的数据，并在发送控制部分允许的条件下将数据发送到媒体，发送的数据称为TxD。网络接口卡

接收和接收控制部分:

接收和接收控制部分负责帧的接收。这一部分产生网络是否有载波存在的信号，产生的依据是从RxD中获得。因此，网络上来的信号一方面馈送给接收器，另一方面要馈送给接收控制部分。接收控制部分根据LAN管理部分和媒体上接收的信号判定是否使接收器工作。IEEE802.3体系结构AUI=连接单元接口PMA=物理媒体连接MAU=媒体连接单元PLS=物理信令MDI=媒体相关接口PLS向MAC提供服务，包括编码译码、载波监听PMA向PLS提供服务，包括冲突检测、超长控制以及收发数据等AUIIEEE802.3帧格式

7字节的前同步码字段是1010……交替码，其作用是使接收端在接收MAC帧时能够迅速实现比特同步。

帧首定界符（SFD）的内容是10101011，用于指示一帧的开始。

目的地址（DA）指示帧要发往的目的地，它可以是单个地址、组站地址或广播地址。

源地址（SA）指示发送该帧的工作站站地址。两个字节的长度字段表示数据字段中LLC帧的字节数。

LLC帧为LLC子层的数据帧，填充（PAD）字段用于对LLC数据进行填充，以保证帧有足够长度，从而适应前面所述的冲突检测的需要。对于10Mbps的基带系统而言，最小帧长是64字节。

校验序列（FCS）字段采用CRC码，其校验范围不包括前同步码。

IEEE802.3帧格式

IEEE802.3标准规定，源地址字段中第1比特恒为“0”，目的地址字段有较多的规定，原因是一个帧有可能发给某一工作站，也可能发送给一组工作站，还有可能发送给所有工作站，后两种情况分别称为组播和广播。

目的地址字段第一比特为“0”时，表示帧要发送给某一工作站，即所谓单站地址。该字段第一比特为“1”时，表示帧发送给一组工作站，即所谓组地址。全“1”的组地址表示广播地址。I/G=0单站地址I/G=1组地址U/L=0全局地址U/L=1局部地址6.5IEEE802.5802.5令牌环网的组成

令牌环的基本结构:工作站以串行方式顺序相连，形成一个封闭的环路结构。数据顺序通过每一工作站，直至到达数据的原发者才停止。另一种是基本环形结构的改进型，工作站未直接与物理环相连，而是连接到一种多站访问单元（MAU），称为IBM8228。MAU可连接8个工作站。

构成令牌环物理结构的传输媒体有屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）。802.5令牌环网的组成组成令牌环网需要的主要部件包括：网卡多站访问单元（MAU）传输媒体连接附件

MAU在令牌环网络中类似于集线器或集中器。最常用的MAU为IBM8228，可连接8工作站，MAU的两个末端端口分别称为RI（入环）和RO（出环）端口，不能用来连接工作站，而是用于MAU的互连。802.5MAC帧802.5的MAC帧分为令牌帧和数据帧两种，令牌帧是占有发送权的标志，占有令牌的站才能发送；数据帧用来发送数据或控制信息。802.5MAC帧

起始(SD）和结束（ED）字段分别是一种专门标志帧首和帧尾的特殊字段，为了使用户数据获得透明性，使信息字段不会出现与SD或ED相同的比特序列，所用的机制是除SD和ED字段外,其它所有信息比特都使用曼彻斯特编码，J、K符号与常规编码规则不同。ACXXACXX802.5MAC帧

结束（ED）字段中I比特表示数据帧是否为最后的一个，0表示最后的数据帧，1表示还有后继帧；E比特表示是否出现差错，0表示正常，1表示存在错误。ACXXACXX802.5MAC帧

访问控制(AC)字段由优先级(P)、令牌(T)和监视(M)以及预约优先级(R)组成。在令牌帧时，P比特表示令牌的优先权，因此指示高优先级工作站收到该令牌后才可发送那些帧；T比特用来区分令牌帧和数据帧；M比特由监控站用来防止无效帧；R比特用来使工作站指示高优先权站的请求，请求发出的下一个令牌具有请求的优先权。ACXXACXX802.5MAC帧

帧控制(FC)字段前两个比特表示帧的类型。01表示信息帧，即数据字段为上面交下来的LLC帧，信息帧只发送给地址字段所指示的目的站。00表示MAC控制帧，后6位表示控制帧的种类。控制帧中没有数据字段，它发送给环路上所有的站。ACXXACXX802.5MAC帧

源地址（SA）和目的地址（DA）字段可为16比特或48比特。对于特定的令牌环网，应有一致的地址长度。DA字段标识帧发往的工作站,可以是一个站或多个站，SA字段标识发送该帧的站。ACXXACXX802.5MAC帧

信息（I）字段用来存放用户数据或附加控制信息。I字段中最大长度虽无限制，但由于允许DTE发送帧时有时间限制，所以也就限制了I字段的长度，通常最大值的5000个字节。ACXXACXX802.5MAC帧

帧检验（FCS）字段是32比特的循环冗余校验，用来检验FC，DA，SA和I各字段在传输中有无差错。ACXXACXX802.5MAC帧

帧状态(FS)字段中设置了2个地址识别（A）比特和2个帧复制（C）比特，另有4个比特未做规定。如果该帧目的地址有多个站相同，则将A比特置为1；如果复制了该帧，便将C比特置1。ACXXACXX802.5MAC帧所发送出去的数据帧最后又回到源站时，只要观察A比特和C比特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=0，C=0）②目的站工作存在但未将此数据帧复制（A=1，C=0）③目的站工作存在且复制了此数据帧（A=1，C=1）ACXXACXX802.5令牌环网的管理和维护1)初始化a.发“重复地址测试”DAT帧b.发“备用监控站存在”SMP帧c.重置环路2)优先级操作令牌帧：比较优先级，站点高可以截下令牌发送数据非令牌帧：发送站中间站有预约，停止发送，释放令牌无预约，继续发送，结束后释放令牌

有预约，比较优先级，高再比较预约优先级，高可以修改预约优先级无预约，修改预约优先级802.5令牌环网的管理和维护3)加入站点监控站定时发出询问帧：无响应传出令牌或发送数据一个响应更新上下游地址，传出令牌，加入站更新上下游地址多个响应发出争用帧，各站点排序后加入环路无效响应停止发送进入监听4)退出环路退出站在持有令牌后发送“置后继站”帧给上游站，更新其下游地址将令牌传给下游站，修改令牌中的源地址，跟新其上游地址802.5令牌环网的管理和维护5)监控站产生：各站点发送“申请令牌”帧CT，最先运行的CT帧发送站成为监控站，由监控站发出令牌并定时发送“存在工作的监控站”AMP帧。作用：防止令牌丢失清除无效帧保证环路的最小时延6.6IEEE802.4IEEE802.4令牌总线

802.3局域网的总线争用策略使得它不适合用于对实时性要求很高的自动化系统，802.3中没有优先级，无法保证重要信息优先传送。在令牌环网中，令牌绕一周的时间虽有一个上限值，但它在轻负载时性能不太好，而且还采用了许多的干线耦合器（使用了有源器件）来构成环路，其可靠性不如总线网高。因此，人们设想将总线网和环形网的优点集中起来，物理上采用总线结构以获得较高的网络可靠性，但在逻辑上采用令牌环的工作原理，这样便产生了令牌总线网（TokenBus）。IEEE802.4标准令牌总线网的传输媒体为用于CATV的75Ω宽带同轴电缆，有三种可供选择的数据率：1Mbps、5Mbps、10Mbps。

令牌总线网工作原理

令牌总线网从物理连接来看，所有站点都接在一根总线上，但逻辑上这些站被组织在一个逻辑环内（用虚线表示），每个站都在一个有序的序列中被指定一个逻辑位置，序列中最后一个成员又跟着第一个成员，每个站只知道它的直接前趋和直接后继站的地址。令牌在逻辑环上依次传递，站点只有取得令牌后才能发送数据帧。和令牌环不同的是，这里的令牌需要携带地址，因为在总线上只有地址相符的站才允许获得令牌。

IEEE802.4帧格式前同步码用于接收方的时钟同步，其长度可以为一个或多个字节。起始和结束字段用于确定帧的边界，其中含有不同于“0”和“1”的模拟信号编码，不会同用户数据相混淆。目的地址和源地址字段各占用2或6个字节。当使用2字节地址时，数据字段长度≤8182字节；使用6字节地址时，数据字段长度≤8174字节。总之，在开始字段和结束字段之间，帧长不能超过8191个字节。FCS字段占用4个字节，采用与802.3相同的帧校验算法。

IEEE802.4帧格式帧控制字段长度为一个字节，用于指示帧的类型，如MAC控制帧、LLC数据帧、站管理帧等。

6.7高速局域网高速局域网分类令牌传递结构高速以太网FDDI/FDDIⅡ

CDDIFFOL高速令牌环网100BASE-VG100BASE-T等时以太网以太网的发展共享总线的以太网共享媒体的以太网交换式的以太网虚拟局域网高速以太网百兆以太网100BASE-T100BASE-VG100BASE-Tx100BASE-T4100BASE-T2100BASE-FX千兆以太网1000BASE-X1000BASE-T1000BASE-Sx1000BASE-Lx1000BASE-CxFDDI

光纤分布式数据接口FDDI（FiberDistributedDataInterface）是一种高性能的光纤令牌环局域网，它由ANSIX3T9.5委员会制定，后被ISO通过为国际标准ISO9314。

FDDI使用基于IEEE802.5令牌环标准的令牌传递MAC协议，另外又增加了令牌环所没有的管理、控制和可靠性措施。FDDI数据速率为100Mbps，信号码的传输速率为125Mbaud。采用多模光纤时，两站间距离可长达2公里，全网光纤总长度可达200公里，最多可连接1000个站点；采用单模光纤时，两站距离可超过20公里，全网光纤总长度可达数千公里。

FDDI标准的四种应用环境

数据中心环境（或后端网络）：起高速局域网HSLN的作用，特点是站点数相对较少，一般不超过50个站，其中大部分是大型计算机或高速外部设备。办公室或建筑物环境（或前端网络）：其特点是有大量的非容错单连接站并使用星形布线方案。校园环境（或主干网）：其特点是大量的站分布在多幢建筑物中，其中可能会遇到点对点链路的距离长达2公里的情形。多校园环境：其特点是站点分布在不同的地点，各地点间的距离可能长达60公里或更远。

FDDI体系结构

FDDI是一种物理层和数据链路层标准，它规定了光纤媒体、光收发器、信号传输速率和编解码、媒体访问控制、帧格式、分布式管理协议和允许使用的网络拓扑结构等规范。

FDDI体系结构

物理层媒体相关子层PMD定义了连接在媒体上的所有硬件和设备的规范，涉及光发送器、光接收器、光纤的物理特性、介质接口连接器及光旁路中继器（用于隔离有故障的站）等。

物理层协议子层PHY定义了与介质无关的物理层部分，包括编码和解码、时钟同步等。

FDDI体系结构

媒体访问控制MAC子层定义了媒体访问、编址、帧格式和令牌管理等规范，主要功能包括构成帧和令牌、从环路接收和发送帧、差错检测、环初始化、故障隔离等。

站管理SMT提供了FDDI网络管理功能，包括连接管理、环管理及SMT帧服务三个主要部分。

FDDI构成FDDI标准定义了两类站：双连接站DAS和单连接站SAS。

双连接站指同时连接到主环与次环的站，必要时可在这种站内利用主环与次环工作链路的组合使网络重新构造。一个双连接站可以有1个或2个MAC实体。单连接站只连接主环，但在出现故障时可将其旁路。双连接站和单连接站有时也分别称为A类站和B类站。

FDDI构成FDDI集线器在FDDI网络中起着重要作用。其一是提供了布线的灵活性；其二是增加了网络的可靠性和连通性。集中器也有单连接和双连接之分，前者称为SAC，后者称为DAC。FDDI集线器的作用是连接多个SAC，DAS或其它集线器到FDDI双环上。通过级连集线器，可构成双环树结构。当以单独一台形式使用时,可形成类似EthernetHub式的工作组结构。FDDI构成在FDDI标准中，规定了四种端口类型：端口类型A

端口类型B

端口类型M

端口类型S同时具备这四种端口类型的FDDI设备是集线器，端口A用于连接FDDI的主环入和备环出；端口B用于连接FDDI双环中和环出和备环入；端口Ｍ用于连接单连接站（SAS),双连接站（DAS）或另外的集线器；端口S用于连接到集线器上。FDDI构成FDDI可使用多种拓扑结构，其中下述四种极为重要：独立集中器型独立集中器型由一个集中器和连接站组成，连接站可以是SAS也可以是DAS。独立集中器型通常用来连接高性能的设备或用来连接多个LAN。逆向双环逆向双环结构DAS可直接连到双环上。这种结构适用于地理范围

分布广的企业或其它场合。FDDI构成

集中器树当很多用户设备需要连接在一起时，可使用这种结构。集中器按分层星形方式相连，其中一个集中器用作树的根。这种结构的特点是，增加或去掉FDDI集中器、SAS或DAS，或改变其地理位置，都不破坏FDDI的工作。FDDI构成

树型双环集中器级连在一起，双环则处于企业或校园最重要的骨干位置，这种结构具有高度的容错特性，而且是最为灵活的拓扑形式。支干增加只需通过增加集中器便可实现，并可保证提供备份数据通路。FDDI数据编码二级编码：4B/5B编码+NRZI编码4B/5B编码：0000011110 00011010010011310101 10019100111010A10110 1011C110101110F11100 1111F11101NRZI编码：1有跳变0无跳变FDDI的MAC帧前导码（PA）字段用来使帧与每一站的时钟进行同步。帧起始站发出的前导码由64比特的16个空闲符号组成。随后的站可改变字段长度，以适应时钟的要求。帧开始（SD）字段指示帧的开始，其编码为JK，其中J和K均为非数据符号。PASDFCDASA