局域网技术课件

第4章局域网技术引言LLC协议以太网令牌环网内容提要FDDI网无线局域网交换式网络局域网互连

美国电气与电子工程协会IEEE于1980年2月成立了局域网标准化委员会(简称IEEE802委员会)，专门进行局域网标准的制订。经过多年的努力，IEEE802委员会公布了一系列标准，称为IEEE802标准。

IEEE802委员会分成三个分会：(1)通信介质(或称媒体)分会。该分会的研究领域对应于ISO的OSI参考模型的物理层。主要涉及局域网通信的物理传输特性以及标准的物理介质与链路接口的性质;(2)信号存取控制分会。该分会的研究领域对应于ISO的OSI参考模型的数据链路层。主要涉及逻辑链路控制协议和介质访问控制协议，以及与物理层(在其下面)和网络层(在其上面)的接口;引言(3)高层接口分会。该分会负责检查局域网对ISO的OSI参考模型高层(即从网络层到应用层)的影响。引言

802标准系列●IEEE802标准包括以下内容：●IEEE802.1系统结构与网际互连；●IEEE802.2逻辑链路控制；●IEEE802.3CSMA/CD总线访问方法与物理层技术标准；●IEEE802.4TokenPassingBus访问方法与物理层技术标准；●IEEE802.5TokenPassingRing访问方法与物理层技术标准；引言●………IEEE802标准主要规定了物理层和数据链路层两个层次，并将数据链路层分成逻辑链路控制(LLC)和介质访问控制(MAC)两个子层，参见图4-1。

局域网的体系结构

物理层的主要功能物理层由四个局部组成：①物理介质；②物理介质连接设备(PMA)或接口;③接口电缆;④物理收发信号(PLS)。

引言图4-1

引言其主要功能包括：●把计算机要发送的数据编码成信号，或把从通信介质上接收的信号译码成数据；●处理用于发送与接收同步的前同步码；●编码信号对应的比特流的发送与接收。

数据链路层数据链路层包含了两个子层：逻辑链路控制(LLC)子层和介质访问控制(MAC)子层。

逻辑链路控制LLC子层定义了LAN公共的网络效劳，效劳类型有面向连接的效劳和不连接的效劳两种。网络效劳功能包括数据帧引言的封装和拆封，为高层提供网络效劳的逻辑接口等。

介质访问控制MAC子层●集中了与接入介质有关的局部，定义了特定的介质访问控制方法；●负责在物理层的根底上进行无过失通信，维护数据链路功能，并为LLC子层提供效劳；●发送信息时负责把LLC帧组装成带有地址和过失校验段的MAC帧，接收数据时对MAC帧进行拆卸，执行地址识别和循环冗余码校验(CRC)功能。LLC协议

LLC帧格式LLC协议定义了LLC层之间通信的帧格式，参见图4-2。LLC帧格式中各个字段的含义如下：

●SSAP和DSAP地址字段分别定义了源LLCSAP地址和目的LLCSAP地址，其中DSAP的最高位为地址类型标志(I/G)位，I/G=0表示DSAP地址是单地址，为1表示DSAP地址为组地址；SSAP的最高位为命令/响应标志(C/R)位，C/R=0表示LLC帧是命令帧；C/R=1表示LLC帧是响应帧;

●控制：用于定义LLC帧类型。LLC定义了三种帧，即信息帧(I帧)、监控帧(S帧)和无编号帧(U帧);LLC协议图4-2LLC层之间通信的帧格式

LLC协议●信息：用于传送用户数据。信息字段长度为8的整数(M)倍，M上限取决于所采用的MAC协议；●LLC帧必须封装在MAC帧中进行传输，因此LLC中没有用于帧同步和校验的字段；●LLC帧中的效劳访问点地址是一种逻辑地址，节点的物理地址是由MAC帧来指示的；●LLC为所有局域网提供公共的效劳，而每一种局域网(如以太网、令牌环网等)都定义了各自的MAC层和物理层。LLC协议与HDLC协议的比较LLC协议与HDLC协议相比较，有以下不同：●在IEEE802局域网体系结构中，数据链路层功能由LLC和MAC两个子层实现，LLC帧必须封装在MAC帧中进行传输，而不能单独地通过物理层传输；●LLC帧地址字段指示的是效劳访问点地址，是一种逻辑地址，而不是指示网络节点的物理地址的，节点的物理地址同样是由MAC帧指示的；●由于IEEE802局域网采用平衡式链路结构，LLC协议只定义了一种数据传送操作方式：扩展的异步平衡方式(ABME)。因此，简化了LLC帧的种类，LLC帧只有14种，而HDLC帧有24种。LLC帧种类如表4-1所示。LLC协议LLC效劳在LLC协议中定义了两种效劳方式：表4-1LLC帧类型LLC协议●不确认无连接效劳。它是在无连接的数据链路上提供数据传输效劳的，因此不保证数据传输的正确性。数据传输模式可以是单播(点对点)方式、组播(点对多点)方式和播送(点对全体)方式;●面向连接效劳。它是在面向连接的数据链路上提供数据传输效劳的，因此必须提供建立、使用、终止以及复位数据链路层连接所需的操作手段，并且还要提供数据链路层的定序、流控和错误恢复等功能。这是一种虚电路效劳;LLC协议通过不同的操作类型来标识这两种效劳：●类型Ⅰ操作：采用不确认无连接的效劳方式，使用无编号的信息(UI)帧实现数据传输。作有关的LLC帧LLC协议有UI、XID和TEST;●类型Ⅱ操作:采用面向连接的效劳方式，在建立连接时使用SABME帧；在数据传输时使用有编号的信息(I)帧；在断开连接时使用DISC帧；在数据传输过程中使用RR、RNR和REJ帧实施定序、流控和错误恢复等功能。除了UI、XID和TEST三种帧外，其余的LLC帧都是在类型Ⅱ操作中使用的。LLC协议以太网IEEE802.3制定了以太网CSMA/CD总线访问方法与物理层技术标准；各种以太网的MAC层都使用CSMA/CD协议，而物理层协议根据使用介质的不同，制定的了不同的子标准，IEEE802.3以太网物理层标准如图4-3所示。

以太网标准

CSMA/CD介质访问控制协议带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD含有两个方面的内容：载波侦听和冲突检测。

侦听总线以太网图4-3以太网●查看信道上是否有信号；●CSMA技术中要解决当侦听到信道已被占用时，等待的一段时间如何确定的问题。通常有两种方法：(1)持续的载波侦听多点访问；(2)非持续的载波侦听多点访问。

冲突检测CSMA/CD发送流程可简单概括为“先听再发，边听边发，冲突停止，随机延迟后重发〞，如图4-4所示，其具体工作过程如下：(1)先侦听信道，如果信道空闲那么发送信息；如果信道忙，那么继续侦听直到信道空闲；以太网图4-4CSMA/CD工作流程以太网(2)发送信息后进行冲突检测，如发生冲突，立即停止发送，并向总线上发阻塞信号通知总线上各节点冲突已发生，使各节点重新开始侦听与竞争；(3)已发出信息的各节点收到阻塞信号后，等待一段随机时间，重新进入侦听发送阶段。

如何检测冲突●方法：发送者把从信道上收到的信号的特性，如电压值、脉冲宽度等，与发送的信号的特性作比较，如果一致，那么认为无冲突，否那么认为发生了冲突；●发送冲突信号时，要启动一个定时器对冲突的次数计数。当冲突次数超过一个门限值时，就要放弃发送。以太网

在IEEE802.3的CSMA/CD协议中，定义了如图4-5所示的帧格式。帧格式中的各个字段的意义如下：

CSMA/CD帧●PA(前导码)：帧同步序列，7字节，每个字节的内容是10101010。使接收方与发送方的时钟同步；●SFD(帧开始定界符)：说明MAC帧即将开始，其格式为10101011；●DA/SA(目的地址/源地址)：分别表示目的节点和源节点(发送节点)地址，唯一地标识MAC帧的发送者和接收者，2~6字节。两个地址长度必须保持一致。DA可以是单地址、多播地址或播送地址，SA必须是单图4-5CSMA/CD的帧格式以太网地址。●FL(帧长度)：占2字节。由于IEEE802.3MAC帧数据字段是变长的，因此要指明其实际的长度;●PDU(协议数据单元)：占0~1500字节。该字段存放MAC帧封装的上层协议的数据，即LLC帧;●PAD(填充)：限定MAC帧的最小帧长为64个字节，当数据字段的长度小于46〔64-18=46，有18个字节是固定长度的帧头〕字节时，就在该字段填充多个0使得数据长度不小于46字节，否那么接收节点会把超短帧作为因冲突产生的碎片滤掉，不予接收;●FCS(帧校验序列)：4字节，采用32位CRC校验，用规定的生成多项式去除数据信息，获得的余数作为校以太网验序列填入FCS字段。

以太网MAC层定义了两个与相邻层的接口：●MAC与LLC之间的接口。MAC层通过该接口向LLC层提供LLC帧的发送与接收效劳。该接口定义了两个功能，即帧发送和帧接收；●MAC与PLS之间的接口。PLS子层通过该接口向MAC层提供MAC帧的发送与接收效劳。该接口定义了两个功能，即位发送与位接收；另外还定义了三个状态变量，即冲突检测、载波监听和发送正在进行中。MAC层通过该接口使用物理层设施，并根据物理层提供的介质状态，对介质访问实施相应的控制。

MAC层与相邻层的接口以太网

10Mb/s以太网标准10Mb/sEthernet是过去广泛使用的一种网络。在其物理层，定义了多种传输介质和拓扑结构，形成一个10Mb/sEthernet物理层标准系列，参见图4-6。图4-610Mb/sEthernet物理层标准系列物理层标准

传输介质以太网最初的物理层标准定义的传输介质是粗同轴电缆即10BASE5。后来又定义了细同轴电缆(10BASE2)、UTP双绞线(10BASE-T)、光纤(10BASE-F)以及宽带同轴电缆(10BROAD3)，形成了一个物理层标准系列。

介质访问单元介质访问单元(MediumAccessUnit，MAU)包含了介质相关接口(MediaDependentInterface，MDI)和物理介质连接设备(PhysicalMediaAttachment，PMA)两局部。它是连接传输介质的物理接口，具有物理信号的发送、接收和冲突检测等功能。

访问单元接口访问单元接口(AccessUnitInterface，AUI)是物理收发信号(PhysicaLSignaling，PLS)子层和MAU之间的接口。PLS子层可以通过AUI选择MAU去驱动相应的传输介质。以太网

物理收发信号子层物理收发信号(PLS)子层是物理层和MAC层之间的接口，主要完成复位和识别、输出、输入、操作方式选择、冲突检测和载波监听等功能。

以太网络组网技术举例

10base-T1990年IEEE通过10BASE-T标准。以太网

网络硬件

●10BASE-T使用3类或更高的UTP线缆作为通信介质，UTP的四对线中只使用了两对。一对双绞线发送数据，另一对双绞线接收数据，连接器是RJ-45标准8针插头；

●带RJ-45插口的以太网卡和10base-T集线器。拓扑规那么●10BASE-T最大网段长度是100米，网络拓扑结构为星型结构；●由于通信介质最大长度的限制，因此，通过中继器(或Hub)连接构成较大范围的以太网时，参加联网的以太网网段和中继器(或Hub)的数量是有限制的，它们的数量和连接方法遵守5-4-3规那么：(1)“5〞是指网段的最大个数；(2)“4〞是指连接网段的中继器的最大个数；(3)“3〞是指只有3个网段上有主机。以太网互联的5-4-3规那么如图4-7所示。10BASE-T集线器是10BASE-T网络技术的核心，是一个具有中继器特性的有源多口转发器，其功能是接收从某一端口发送来的信号，经过重新整形后再转发给其他的端口。集线器有多种类型，有些集线器除了提供多个RJ45端口外，还提供BNC和DIX(即AUI)插座，支持UTP、细同轴电缆和粗同轴电缆的混合网络连接。以太网图4-7令牌环网IEEE802.5TokenRing访问方法与物理层技术标准；网络拓扑结构为环形布局，数据传送速率为4Mbps、16Mbps。但在同一环网内各个节点必须设置相同的传输速率。只有一条环路，信息单向沿环流动。用令牌来控制节点对介质的访问。

令牌环网标准令牌环根本原理●在令牌环网中，令牌有“忙〞和“空闲〞两种状态。令牌沿环单向循环。要发送数据的节点必须获取到令牌之后，将令牌置为“忙〞状态，在发送数据帧；●每一节点随时检测经过本站的信息，当查到数据帧令牌环网指定的地址与本站地址相符时，将数据拷贝下来，并继续转发该数据帧给下游节点；数据帧绕网一周后，由源发送点予以收回，并置令牌为“空闲〞状态发给下游点，使下游节点获得数据发送时机；●每个节点都有一个令牌持有计时器THT，当发送数据帧后开始计时，当数据循环一周后回到发送节点，如果THT没有超时，该节点可以继续发送数据，否那么，必须停止数据发送，让下游节点获得发送时机。

令牌环网的特点●每个节点访问介质的时机是均等的，并且等待访问介质的时间是可以测算的——确定性；●可以设置节点访问介质的优先级，使高优先级的节令牌环网点能够连续获得令牌来发送数据——可调整性；●缺点：令牌维护比较复杂。

令牌环的维护令牌丧失和数据帧绕环循环，是环网上最严重的两种过失，IBMTokenRing采用集中式的维护机制，通过在环路上指定一个站点作为主动令牌管理站，以此来解决这些问题。●主动令牌管理站通过一种超时机制来检测令牌丧失的情况；●为了检测到一个持续循环的数据帧，管理站在经过的任何一个数据帧上置其监控位为1，如果管理站检测到一个经过的数据帧的监控位已经置为1，便知道有某

令牌环网个站未能去除自己发出的数据帧。这时就由管理站去除数据帧，并发送一个新的令牌；●802.5采用的是分散式的维护机制(略)。

IBM令牌环网的组成部件●网卡：计算机连入网络的必备硬件；●网卡电缆：一端接在网络的9芯D形连接器，一端接MAU；●多站访问单元MAU在令牌环网络中类似于集线器。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；●网络连接电缆：环网主干电缆，用于MAU之间的连接。令牌环网令牌环网的拓扑规那么●MAU的最大数量为12个；●每个MAU可以连接的计算机最多有8个，整个环上最多可以连接96台计算机；●计算机与MAU，MAU与MAU之间的最大距离为45m；●令牌环网所用的传输介质最初是150Ω的有屏蔽双绞线(STP)。目前除这种传输介质外，通过使用无源滤波设备也可使用100Ω的非屏蔽双绞线UTP用以实现4Mb/s和16Mb/s的传输。

令牌环网的帧格式令牌环网图4-8为TokenRing的MAC帧格式。帧中各个字段的意义如下：●SD(起始定界符)：表示一个帧的开始。它是一个特殊的8位二进制序列，其格式为“JK0JK000〞，其中，J、K为非数据符号;●AC(访问控制)：表示介质访问控制状态，其格式为“PPPTMRRR〞，其中，PPP为帧优先级变量，指明当前令牌帧的优先级；RRR为预约优先级变量，指明希望得到令牌帧节点的优先级，都用3位二进制表示的；M为监控位，用于监测重复帧，如果采用集中环监控器，就可能用到监控位；T指是令牌帧(T=0)还是数据帧(T=1)。在令牌帧的情况下，后随的是ED字段;●FC(帧控制)：指明该数据帧是LLC层数据帧还是MAC层控制帧;●DA(目的地址)，SA(源地址)：表示目的节点和源节点(发送节点)的地址，可以选择16位或48位，但这两个地址长度必须保持一致。DA可以是单地址，也可以是多播地址或播送地址；而SA必须是单地址。令牌环网图4-8TokenRing的MAC帧格式●PDU(协议数据单元)：要传送的LLC层数据，最大数据长度为5000个字节;●FCS(帧校验序列)：它采用32位CRC校验;●ED(结束定界符)：表示一个帧的结束，其格式为“JK1JK11E〞，其中，J、K为非数据符号；E为错误检测位，任何节点发现错误后都可以将E位置位;●FS(帧状态)：接收节点返回的帧状态，其格式为“ACrrACrr〞，其中，r为保存位、A为地址识别位、C为帧拷贝位，由目的节点来设置A和C位。令牌环网

令牌环网的优先级访问控制TokenRing优先级调度算法的根本原理是：●在令牌帧或数据帧中的P和R字段为当前令牌的优先级Pr和预约级Rr，用三个二进制位表示八个优先级。●当一个节点接收一个令牌帧时，并不立即发送数据帧，而是先比较本节点优先级Pm和令牌优先级Pr：①如果Pr≤Pm，那么表示本节点优先级高于当前令牌优先级，允许截获令牌来发送数据帧；②如果Pr>Pm，那么说明网上有高优先级的节点在等待令牌，应当立即将令牌发送出去。这时，如果Rr<Pm，那么可以进行优先级预约，即用该节点的Pm值设置令牌的R字段：R=Pm。●当一个节点接收或转发数据帧时，那么可以进行优先级预约，如果Rr<Pm，那么用该站的Pm值设置令牌的R字段：R=Pm；令牌环网

●当发送节点发送完数据后，要发送一个令牌帧。在发送令牌帧之前先要进行令牌优先级调度：①如果Rr、Pm≤Pr，那么可保持原令牌优先级不变，但允许优先级预约；②如果Rr>Pr或Pm>Pr，那么表示有高优先级的节点在等待令牌。这时，应当提高令牌的优先级，即P=MAX(Rr，Pm)，以便使令牌能够尽快地传递到与其优先级相匹配的节点；③如果在由本节点抬高的优先级上已无任何节点请求令牌，那么应当降低优先级，即P=Pr-1，以便让低优先级的节点也有时机获取令牌发送数据。典型的IBMTokenRing网络如图4-9所示。令牌环网图4-9IBMTokenRing网络组成令牌环网

FDDI网

●光纤分布式数据接口是一种采用令牌传递访问控制协议、环形拓扑和光纤介质的100Mb/s高速局域网；●双环结构，主环进行正常的数据传输，次环备用；因此FDDI网络具有较强的容错性。

FDDI的特点

FDDI与TokenRing的区别●FDDI获得令牌之后，将令牌取下，独立发送数据帧，而TokenRing那么将数据插在“忙〞令牌后发送；●FDDI采用多令牌机制，允许发送节点在发送数据帧之后，立即产生新的令牌发送到环上，而TokenRing那么必须等到数据帧回到发送点之后，再产生新的令牌。

FDDI网FDDI标准由介质访问控制(MAC)层和物理层组成，参见图4-10。

介质访问控制协议FDDI的MAC帧格式如图4-11所示。帧中各个字段的意义如下：

●PA：帧前导码，用于和节点的局部时钟保持同步；

●SD：帧起始定界符，用于标志帧有效信息的开始；

●FC：帧控制，由8位组成，其格式为CLFFZZZZ，用于指明帧类型有关特征。其中，C指示数据帧是同步帧还是异步帧；L指示地址字段使用的是16位地址还是48位

FDDI帧格式图4-10FDDI标准的组成

FDDI网图4-11FDDI的MAC帧格式地址；FF定义了四种帧类型即令牌帧、数据帧、MAC帧和站管理帧；ZZZZ那么根据不同帧类型来取值；●DA、SA：目的地址、源地址。长度取决于FC的值，可以是16位或48位。SA只能是单地址；DA可以是单地址、多播地址或播送地址(全“1〞地址)；●INFO：要传送的LLC层数据，最大数据长度为4500个字节(根本FDDI)或者8600个字节(增强FDDI)；●FCS：帧校验序列，采用32位循环冗余校验码(CRC)；●ED：帧结束定界符，令牌帧8位，其他帧4位；●FS：帧状态，用于指示检错、识别地址以及帧复制等状态。

FDDI网定时令牌循环协议规定每个节点都设有两个计时器：(1)令牌循环时间(TokenRotationTime，TRT)：指从一个节点最后一次见到令牌后到该节点下一次得到令牌之间所用的时间。它的大小间接反映了当前网络的负载情况，TRT值越大，说明网络的负载也越大；

(2)令牌持有时间(TokenHoldingTime，THT)：指一个节点得到令牌后能够用于发送数据帧的时间。即使THT用尽时，发送节点还有数据未发送完，也要立即生成一个新令牌发送到环上，供其他节点使用，剩余的数据只能等待下一次获取令牌时再发送。THT随着TRT值增大而减小。

FDDI网

定时令牌循环协议THT和TRT之间存在如下的关系：

THT≤TTRT-TRT式中，TTRT(TargetTokenRotationTime)为目标令牌循环时间，在环路初始化时被设置，且固定不变。对于每个节点，按以下方式计算时间量：①同步时间片：T=TTRT/n(n为环中同步节点数)；②异步时间片：THT+TRT≤TTRT。FDDI所采用的定时令牌循环协议是为了适应FDDI高带宽的需要。

FDDI网

异步和同步通信

为了支持数据流式通信和猝发式通信两种通信方式，FDDI定义了两种节点的通信频带：一种是同步频带，其带宽和响应时间是保证的；另一种是异步频带，可动态地共享该频带。通常，同步频带用于发送用户数据，所发送的帧称为同步帧；异步频带用于发送系统控制信息，所发送的帧称为异步帧。

FDDI网

环路监测环路监测属于MAC子层所定义的可靠性规程。在错误检测和纠正过程中，主要通过两种MAC控制帧，即报警帧和请求帧来实现。物理层标准FDDI物理层由物理介质相关(PMD)子层和物理协议(PHY)两个物理子层组成。

FDDI网

PMD子层PMD子层定义了所使用的传输介质以及连接设备的技术特性，即：

●光纤。PMD定义了两种光纤：多模光纤和单模光纤；

●光纤连接器。主要是插座(节点一侧)和插头(光纤一侧)的特性以及两条光纤(即发送和接收对)的连接方式；

●光信号旁路开关。可选件，利用它可以增加网络的可靠性；

FDDI网●光发送器和接收器。规定了它们的输出功率、灵敏度、输出波形以及中心波长等特性。

PHY子层PHY子层定义了信号的编码与译码、符号定义、时钟机制、弹性缓冲器、可靠性标准等。●为了提高编码的效率，FDDI没有采用传统的曼彻斯特编码方法，而是采用了4B5B编码方法，即每次对四位数据进行编码，每四位数据编成五位符号码组，用光的存在与否来表示五位符号码组中的每一位是1还是0，参见表4-1；●PHY子层所定义的五位码组符号分成四类：表4-14B5B编码方法

FDDI网表4-14B5B编码方法

FDDI网(1)数据符号。用16个符号来表示来自MAC子层的16个四位码组。(2)线路状态符号。用3个符号来表示线路状态：线路静止、线路中止和线路空闲。(3)控制指示符号。用5个符号来表示帧的状态：帧的起始符(2个)、结束符、复位符和置位符。(4)无效符号。除了以上三类符号，其余的8个符号均为无效符号。

FDDI网

●在TokenRing网中，采用集中式时钟机制，即整个系统只有一个时钟。这样时钟会逐渐产生偏移。为了消除这种时钟偏移，FDDI通常采用弹性缓冲器(Elastic-ityBuffer，EB)技术。即在每个节点的PHY子层都设置一个EB。进入EB的信号用接收信号别离出来的时钟进行同步，EB通过扩展或压缩帧前导码的长度，来补偿本节点时钟与上游节点时钟的偏移。●FDDI的可靠性标准主要表达在以下两个方面：(1)每个节点增设平滑器功能，以保证下游相邻节点能接收到帧前导码，从而对帧进行正确接收；(2)每个节点增设重复过滤器功能，以防止非法代码和非法线路状态编码的传播。

FDDI网

站管理功能SMT子层定义了三种根本功能：环管理、连接管理和SMT帧效劳。(1)环管理(RingManagement，RMT)功能。用于MAC实体的管理，每一个MAC实体都配置一个RMT功能部件。(2)连接管理(ConnectionManagement，CMT)功能。用于管理网络的物理连接。(3)SMT帧效劳功能。SMT子层通过SMT帧提供了一套网络管理的规那么和方法。

FDDI网

网络组成技术在FDDI网络中定义了如下的网络部件：

●双连接站(DAS)。DAS连接到双环网络的两个环上，具有两个光收发器，能够在两个环上接收信号并进

行放大。DAS有两个光连接线路接口：一个是A接口，包含了主环的输入和次环的输出；另一个是B接口，包含了主环的输出和次环的输入;

●单连接站(SAS)。SAS只有一个光收发器，只能连接到一个环路上。SAS的物理接口称为从口，必须通过集中器与双环网络连接;●集中器(Concentrator)。集中器提供的附加口称为主口，用于将SAS连接到双环网络上;●网络互连设备。主要有FDDI网桥和FDDI路由器。网桥主要用于FDDI网络与局域网的互连；路由器主要用于FDDI网络与广域网的互连。FDDI网络的组成如图4-12所示。

FDDI网图4-12FDDI网络的组成

FDDI网无线局域网

无线局域网相关标准相关标准有802.11、HiperLAN和蓝牙等。

802.11标准●802.11标准定义无线局域网的MAC层协议和PHY协议；●在MAC层采用CSMA/CA的介质访问控制方法；●在物理层规定了无线通信方法、传输速率、传输距离等；●WLAN中定义了2种无线通信技术：红外线和扩频技术，并侧重于扩频技术(直序扩频DSSS技术和调频扩频FHSS技术)。无线局域网

MAC子层协议●由于无线传输环境具有一些内在的复杂性，很难利用信号的传输特性变发送变检测传统。802.11的MAC子层使用了CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccess/Collis-ionAvoidance，冲突防止的载波检测多路访问);

暴露站问题如图4-13所示，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(exposedstationproblem)。无线局域网图4-13图4-14无线局域网

隐蔽站问题如图4-14所示，A和B在进行通信时，C检测不到无线信号，以为B空闲，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(hiddenstationproblem)。●CSMA/CA定义了一套“请求发送RTS〞、“去除发送CTS〞和“接收确认ACK〞的握手规那么，将冲突减少到最小。如图4-15所示，源站A发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS(RequestToSend)，它包括源地址、目的地址和这次通信(包括相应确实认帧)所需的持续时间，即要发送数据的站对信道进行预约。无线局域网如图4-16所示，假设媒体空闲，那么目的站B就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS(ClearToSend)，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。图4-15无线局域网图4-16无线局域网

CSMA/CA的工作过程●发送节点在发送数据帧时首先启动一个定时器。目的节点假设正确收到数据帧，向源站发送确认帧ACK。假设源站在规定时间内没有收到确认帧ACK，就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过假设干次的重传失败后放弃发送；●帧中的持续时间字段指示了节点可以占用信道的时间。这样就可以使各个节点有时机且公平地访问信道。

虚拟信道监听●为了更加有效的防止冲突，CSMA/CA采用了虚拟信道监听的机制。无线局域网●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；●当一个站检测有人要发送数据时，就为自己声明一种虚拟信道，用网络分配向量NAV(NetworkAlloca-tionVector)来标识。NAV时间内站点将保持一段时间的安静。虚拟信道监听例如如图4-17所示：A希望向B发送数据，C在A的无线范围内，D在B的无线范围内，但不在A的范围内。C收到RTS后，意识到已经有站点要发送数据了，它无线局域网根据RTS中提供的信息来估算出传输需要的时间(包括最终的ACK)，为自己声明了一种虚拟信道(用NAV来标示)，并且该信道正忙；综上：在A和B的传输结束之前，C和D都将保持一定时间的安静。这就有效的防止了冲突的产生。图4-17无线局域网●

RTS(RequestToSend)：该帧中指明了将要发送数据帧的长度；●

DATA：数据帧；●

CTS(ClearToSend)：包含了数据长度(从RTS帧中复制过来)；●

ACK：确认帧；●

NAV(NetworkAllocationVector,网络分配向量)：用于标示虚拟信道。

WLAN的两种工作模式

中心节点控制功能PCF用无线访问节点AP(AccessPoint)，用于协调整个网无线局域网络的操作。在这种工作方式下，WLAN主机只能通过AP进行数据的转发。如图4-18所示。

分布式控制功能DCFWLAN不需要专门的AP,节点之间通过无线信道实现点到点的直接通信。当两个节点的距离超过了无线信号的传输范围时，这两个节点可以通过多跳转发的方式进行通信。如图4-19所示。

扩频通信技术●在无线通信系统中，首先利用调制技术将数据调制成适合于无线信道特性的模拟信号，然后利用无线载波来传输信号；无线局域网图4-18工作于PCF方式下的WLAN图4-19工作于DCF方式下的WLAN无线局域网

●扩频通信通过扩展无线频谱实现数据通信，它首先利用扩频调制技术将待传送的基带信号扩展成宽频谱信号，其频带远远大于信号自身频带(100~100倍)，然后再利用这个扩频信号调制和发射载波；●在发送端，由扩频码发生器产生一个伪随机码序列对基带信号进行扩频调制，扩宽信号的频谱，然后发射扩频信号；

●在接收端，首先将射扩频信号变换成中频，然后由扩频码发生器产生相同的伪随机码序列进行扩频解调，恢复成基带信号。扩频通信的原理框图如图4-20所示；●扩频通信中，通常使用伪随机(PseudoNoise，PN)码对基带信号进行扩频调制，扩宽信号频谱；无线局域网图4-20扩频通信的原理框图

直序扩频技术

●在直序扩频系统中，发送端使用高速率的伪随机码序列来扩展信号频谱，接收端使用相同的伪随机码序列来解扩，将扩频信号恢复成原始信号；●发送端，要发送的数据D与伪随机码序列经过模2加法器相加后产生扩频序列，再经过载波调制器调制生成可输出的扩频信号；●接收端，所接收的宽带扩频信号首先经过宽带滤波器提高信号的信噪比。由同步控制电路从宽带扩频信号中提取同步信号来控制PN码发生器，使PN码发生器产生的解调扩频码序列与所接收的扩频信号相同步，然后，使用解调扩频码来解扩宽带扩频信号，将宽带扩频信号准确地恢复成窄带信号，再经过常规的数据解调后，即可恢复数据D；●直序扩频系统中，常用的扩频码是m序列，其优点是具有良好的自相关特性，易于高速产生。无线局域网

跳频扩频技术●跳频扩频也使用伪随机码对信号进行扩频处理，扩频方法与直序扩频有所不同。跳频扩频是用伪随机码形成跳频指令来控制载波频率进行随机跳动，从而产生扩频效应；

●发送端，原始信号经过信号调制器与PN码发生器所产生伪随机码序列组合成跳频指令(或称跳频图案)来控制频率合成器随机地选择输出频率，使输出频率在跳频带宽内随机地跳跃变化；●接收端，由PN码发生器产生相同的跳频指令去控制频率合成器，它所产生的跳频信号与所接收的跳频信号进行混频，差频出一个固定的中频信号，经过带通放大后，再送入信号解调器恢复原始信号；

●跳频可分成快跳频和慢跳频。快跳频是指一次信无线局域网号发射期间有多个频率跳变，即跳频频率大于或等于信号速率。慢跳频是指跳频频率小于信号速率；

●跳频通信常用的伪随机码有m序列、M序列和RS码序列等；

●扩频通信中，除了直序扩频和跳频扩频方法，还有跳时扩频(TimeHoppingSpreadSpectrum，THSS)、混合扩频等方法。无线局域网

无线局域网组网技术无线局域网由无线网卡、无线接入设备以及其他相关设备组成，可以单独使用，也可以与有线网络互连使用，组网方式主要有三种：无线自组网、无线接入网和无线中继网。无线局域网

无线自组网在无线自组网中，每个移动终端都能以对等方式相互通信，不需要无线接入设备或其他无线转接设备，其拓扑结构如图4-21所示。

无线接入网无线接入网是无线局域网的典型应用模式。在固定的主干网络上，设有多个无线接入设备，以每个无线接入设备为中心形成多个无线覆盖区。移动终端通过无线接入设备访问固定网络，并且可以在多个区域内实现移动通信，其拓扑结构如图4-22所示。

无线中继网无线中继网是指两个相隔较远的固定网络通过无线中继设备实现互连，如果架设高增益定向天线，那么传输距离可到达几十公里。这种组网方式比较适合远距离且不便于敷设有线电缆的场合，参见图4-23。无线局域网

蓝牙技术

蓝牙微网

●蓝牙技术中，由蓝牙设备组成的网络称为蓝牙微网(piconet)，一个piconet可以由两台设备组成，实现点对点通信；也可以由多台设备组成，实现点对多点通信；●在一个piconet中，所有设备都是级别相同的单元，每个单元用3位地址码来标识。因此，一个piconet图4-21无线自组网拓扑结构无线局域网图4-22无线接入网拓扑结构无线局域网图4-23无线中继网拓扑结构无线局域网中最多有8个单元；●在piconet建立时，只有一个单元被指定为master，而其他单元均为slave。多个piconet之间可以实现互连，一个蓝牙设备可以同时参加8个不同的piconet，由跳频顺序来识别不同的piconet。无线局域网

建立连接●在一个piconet内，连接未建立前，所有的设备都处于待命(Standby)状态，master单元首先发起连接，如果对方地址，那么发送寻呼(page)消息来建立连接；如果对方地址未知，在发送寻呼消息后再发送一个查询(inquiry)消息来建立连接；●Inquiry消息主要用来寻找蓝牙设备，如共享打印机、机以及其他一些地址未知的设备。无线局域网

如果已处于连接的单元在较长的时间内没有传输数据，master单元可以把该slave单元设置为保持(hold)模式，该模式是节能工作模式，在一个较长的周期内停止接收数据，只有一个内部计数器在工作，平均每4s激活一次链路。hold模式一般用于连接多个picone场合或者低能耗设备(如温度传感器)。

3种工作模式

保持(hold)模式

呼吸(sniff)模式在sniff模式下，slave单元将降低监听消息的周期间隔，只接收M时隙的数据，而master单元周期地在M时隙上发送数据，监听间隔还可以根据应用要求进行适当调整。无线局域网

暂停(park)模式在park模式下，设备依然与piconet保持同步，但没有数据传送，park模式下工作的设备将放弃MAC地址，周期地激活并跟踪同步，检查播送消息。在这些节能模式中，呼吸模式最节能，然后是保持模式，最后是暂停模式。

2种连接类型

同步连接类型面向同步连接(SynchronousConnectionOriented，SCO)类型，主要用于传送话音，也可以用于传送数据；SCO连接是对称连接，利用保存的时隙传送数据包。连接建立后，master单元和slave单元之间相互主动发送SCO数据包。但在传送数据时，只能用于重发被损坏的数据。无线局域网

异步无连接类型异步无连接(AsynchronousConnectionless，ACL)类型，主要用于传送数据。ACL连接可以是对称的，也可以是不对称的。在ACL连接上，master单元负责控制链路带宽，并决定每个slave单元可以占用带宽的大小和连接对称性。Slave单元只有被选中时才能传送无线局域网数据。master单元还可以利用ACL链路向piconet中的所有slave单元发送播送消息。

话音编码话音信道采用连续可变斜率增量调制(ContinuousVa-riableSlopeDeltaModulation，CVSD)技术，CVSD是一种高质量的音频编码，在位过失率到达4%时，经CVSD编码的话音信号还是可听清楚的。

纠错方案蓝牙控制器有三种纠错方案：1/3比例前向纠错FEC码、2/3比例前向纠错码和出错重发方案。在FEC纠错方案中，接收端通过纠错码自动进行检错和纠错，而不是通过重发数据包方法来纠错，这样可以减轻网络传输负载。同时，发送端需要生成检验码附加在数据包上进行传输，也会增加传送开销。在出错重发方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙进行确认应答。在接收端，根据对数据包的检测结果，向发送端返回确认消息或者错误消息。

无线局域网平安机制蓝牙物理层提供了身份认证和数据加密机制。身份认证机制采用“请求—响应〞规那么，允许用户自己的蓝牙设备建立一个信任域，比方只允许用户自己的笔记本电脑与自己的移动通信。数据加密机制允许对连接上所传输的信息进行加密保护，密钥由高层程序来管理。交换式网络从节点使用介质传送数据方式来划分，局域网可分成共享式网络和交换式网络。

共享式网络●所有节点共享传输介质，节点要使用相应的介质访问控制方法来争用介质传送数据；●在任一时刻，只能有一个节点发送数据，其他节点只能处于接收状态，并根据地址匹配规那么确定是否接收数据；●数据以播送方式沿着介质传输，遍历每个节点；●共享式网络存在的问题主要有网络吞吐量低、可用带宽小、网络延迟大等。交换式网络

交换式式网络●交换式网络中，节点分成2类：端节点和中间节点；●端节点是用户站点，中间节点是交换机，所有端节点要通过交换机连接起来；●交换机为端节点提供存储转发和路由选择，使端节点间能沿着指定的路径传输数据；●多对不同源节点和不同目的节点之间可同时进行通信，大大提高了网络的可用带宽，减少了网络延迟。实现交换式网络的关键设备是网络交换机，以交换机为中心的星形网络是今后网络的主要拓扑结构。

集线器与交换机交换式网络●集线器是共享式网络的连接设备，虽然网络拓扑为星形结构，但集线器内部将所有端口都连接到单一网段或多个网段上，共享传输介质，以播送方式传输数据；●其中多网段集线器将端口均匀分布在多个网段上，每个共享网段组成一个播送域，不同播送域之间必须通过网桥实现互通。多网段集线器可以均衡网络流量负载，减少冲突现象。但它并未从根本上改变集线器的性质。

集线器

交换机交换式网络●交换机是交换式网络的连接设备，网络拓扑为星形结构，在交换机内部，端口不是直接连接到网段上，而是通过端口交换阵列(PSM)与背板上多个网段相连接，管理员可以通过网络管理软件对端口进行管理；●不同网段之间通过内部网桥实现信息互通；●交换机分成模块交换和端口交换；模块交换是在交换机内部模块间进行动态交换，端口交换是面向端口提供交换；端口交换的性能要优于模块交换；●交换机是通过网桥实现信息交换的；●交换机的实现技术主要有2种：一是传统的存储转发技术，即将整个数据帧先存储在缓冲器中，完成过失检查、路由选择等处理后再转发出去；二是直通技术，即接收数交换式网络据帧的同时立即按该数据帧的目的地址确定输出端口并转发出去；●在性能和功能上，交换机分成固定端口交换机和模块式交换机。

虚拟局域网VLAN

VLAN的概念●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；●每个VLAN的帧都有一个明确的VLAN标识符(VID)，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN；交换式网络●虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种效劳，而并不是一种新型局域网。

VLAN的重要特征无需改变任何硬件和通信线路，高速、灵活、管理简便、扩展容易。

VLAN的工作原理如图4-24、4-25、4-26和4-27所示，其工作原理为：●三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2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将会收到播送的信息；●B1发送数据时，工作站A1,A2和C1都不会收到B1发出的播送信息；●虚拟局域网限制了接收播送信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的播送信息(播送风暴)而引起性能恶化。交换式网络

VLAN技术

IEEE802.1Q协议IEEE802.1Q标准用于标准VLAN标识方法和格式。IEEE802.1Q是IEEE802.1标准系列中的一个子标准，与之相关的协议还有802.1p和802.1D。其中，802.1p定义了VLAN中数据流优先级标记和多播(Multicast)过滤效劳；802.1D定义了第二层交换和桥接的有关协议标准，它们共同构成了LAN交换机和VLAN的技术根底和协议标准。交换式网络图4-24三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成。交换式网络当B1向VLAN2工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到播送的信息。图4-25交换式网络B1发送数据时，工作站A1,A2和C1都不会收到B1发出的播送信息。图4-26交换式网络虚拟局域网限制了接收播送信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的播送信息(播送风暴)而引起性能恶化。图4-27构造虚拟网络的根本条件，一是所有站点都必须直接连接到支持虚拟网络的交换机端口上；二是使用适当的虚网定义模式来定义虚拟网络。虚拟网络的定义模式有如下几种：●按交换机端口定义。将一组交换机端口设置成一个相同的播送域，这是最常用的虚拟网络模式，以此实现的虚拟网络也称物理层虚拟网络。如图4-28所示；●按MAC地址定义。按站点的MAC地址定义其播送域，交换机内部必须维护一个MAC地址/交换机端口对照表。用这种定义模式实现的虚拟网络也称链路层虚拟网络。如图4-29所示；交换式网络

VLAN技术模式交换式网络图4-28在一台交换机上配置VLAN交换式网络图4-29当一个VLAN跨越了多台交换机时，交换机s之间的连线被称为trunk。如图4-29所示，当A向B发送数据时，在数据离开s1到s2时，s2不知道该用哪个VLAN的地址映射表进行转发。因此，VLAN的帧都有一个标签tag，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。●按IP地址定义。对基于TCP/IP的网络，可按站点的IP地址定义其播送域，以形成虚拟IP子网。虚拟子网之间通过内部路由器实现互通。用这种定义模式实现的虚拟网络也称网络层虚拟网络；●按应用定义。根据应用所需的网络带宽和QoS等来定义其虚拟网，属于应用层虚拟网络，实现起来更为复杂。交换式网络

交换网络组成技术

交换机的下行连接方式交换机的下行连接是指以交换机为中心，下行连接工作组和网络主效劳器，如图4-30所示。这样，就为工交换式网络作组网络之间的通信或者工作组中的站点访问网络主效劳器提供了很大的带宽，从而大大提高了主干网的吞吐能力。

交换机的上行连接方式交换机的上行连接方式是其下行连接方式的进一步升级，将交换机上行连接到高速主干网，如ATM交换机或者1Gb/sEthernet交换机，构成发散式高速主干网，如图4-31所示。这种连接方式主要用于解决大型网络中主干或效劳器的瓶颈问题。能够防止播送风暴及隔离故障，并有较强的容错和冗余能力。图4-30交换机的下行连接方式交换式网络图4-31交换机的上行连接方式交换式网络局域网互连

网络互连设备网络互联的目的是使各个局域网能够相互连通，使不同网络上的用户能够相互通信和交换信息，在更大的范围内共享网络资源；网络互相连接起来要使用一些中间设备，这些设备主要包括：●物理层中继系统：中继器、集线器；●数据链路层中继系统：网桥、交换机；●网络层中继系统：路由器；●网络层以上的中继系统：网关。

在物理层扩展局域网局域网互连在物理层扩展局域网使用中继器、集线器，其功能是在电缆段之间复制比特信号，信号整形、放大、再生，如图4-32所示。图4-32扩展后的局域网在网络层看来还是一个网络局域网互连

集线器用多个集线器可连成一个更大的局域网，如图4-33所示。用集线器扩展局域网——

优点：●使原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够进行跨冲突域的通信；●扩大了局域网覆盖的地理范围。

缺点：●冲突域增大了，但总的吞吐量并未提高；●如果不同的冲突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。如图4-34所示。局域网互连图4-34图4-33局域网互连

在数据链路层扩展局域网在数据链路层扩展局域网使用网桥、交换机，其功能是在网段之间转发数据帧(根据MAC层物理地址。如图4-35所示。图4-35扩展后的局域网在网络层看来还是一个网络局域网互连

网桥●网桥是在逻辑链路层上存储转发数据帧的设备，当在多个局域网之间需要交换信息，或为了平安、减小冲突域、提高吞吐量、将现存的单个局域网分隔成几个网络时，就要用到网桥