计算机网络技术与实训第二版第五章局域网组网技术

）诗算机阑缩技术与裳涮•建论篇

第5章局域用徂用技术

http://windows.

⑥本章主要内容

了解局域网的特点、组成

熟练掌握局域网的拓扑结构

掌握局域网的参考模型

熟练掌握局域网介质访问控制方式

掌握以太网及快速以太网组网技术

了解无线局域网

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5.1局域网概述

5.1.1局域网的发展和技术

5.1.2局域网的特点

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5.7.7局域网的发展和技术

局域网(LocalAreaNetwork,LAN)

是20世纪70年代后迅速发展起来的计算机网

络，局域网技术已经涵盖共享访问技术、交

换技术、高速网络技术等多种技术。

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⑥山./局域网的发展和技术

交换技术

高速共享网络技术

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j5.1.2局域网的特点

局域网的特点：

(1)地理范围一般不超过几公里

(2)通信速率高

(3)多采,分森控制和广播式通信,

可靠性高

•可采用多种通信介质

(5)易于安装、组建与维护。

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5.2局域网的组成

网络服务器

工作站

网备

通信

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⑥5.2.1网络服务器

网上可以配置不同数量的服务器,

有些服务器提供相同的服务，有些提

供不同的服务。对于专用的服务器，

其技术性能的优势主要体现在通信处

理能力、内存容量、磁盘空间、系统

容错能力、并发处理能力及高速缓存

能力等方面。

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⑥5.2.1网络服务器

⑴文件服务器

(2)应用服务器

⑶打印服务器

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5.2.2工作站

网络工作站是指连接到计算机网络上并运行应

用程序来实现网络应用的计算机，它是数据

处理的主要场所。用户通过工作站与网络交

换信息，共享网络资源。根据工作站有无外

部存储器，可将其分为无盘工作站和看盘工

作站；根据应用环境的不同，可将其分为事

务处理工作站和图形工作站；根据操作系统

的不同，又可分为DOS工作站、Windows工作

站、UNIX工作站和Linux工作站等多种工作站。

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5.2.3网络设备

网络设备是指用于网络通信的

设备，包括网络接口卡、中继器

（Repeater）.集线器（HUB）、网

桥（Bridge）、交换机（Switch）>

路由器（Router）、网关（Gateway）

等多种设备。

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I；5.2.3网络设备

网络接口卡，又称网络适配器

(Adapter),简称网卡。它是组成局域网的主

要器件，用于网络服务器或工作站与通信介质

的连接。网卡的种类很多，根据其支持的网络

标准可分为以太网卡、ATM网卡、FDDI网卡、快

速以太网卡和千兆位以太网卡；根据网卡适用

的主机总线类型可分为ISA网卡、PCI网卡和

PCMCIA网卡；根据网卡提供的电缆接口类型可

分为RJ-45接口网卡、BNC接口网卡、AUI接口网

卡和光纤接口网卡等。

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1中继器

中继器又叫转发器，是两个网络在物理层上

的连接，用于连接具有相同物理层协议的

局域网，是局域网互连的最简单的设备。

连接局域网的传输介质有双绞线、同轴电缆

和光纤。

变弱的信号

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⑥2集线器(HUB)

集线器(HUB)是一种特殊的中继器，它作

为多个网络电缆段的中间转换设备将各个

网段连接起来。

集线器可以分为无源集线器、有源集线器和

智能集线器三种。

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By3网桥

网桥是在数据链路层上连接两个网络，即

网络的数据链路层不同而网络层相同时要用

网桥连接。

(1)网桥的功能

(2)网桥的分类

(3)网桥和中继器的比较g

H3

以太网——-I-网-络-1-I-!!

网桥

33D

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⑥4路由器

路由器是网络层上的连接，即不同网络与网络之

间的连接。

路由器和网桥的区别

路由器的主要工作是接收来自一端的报文分组，

根据目的地址和当时的网络情况，找出正确的

路径，发往另一个通信子网。

5协议转换器（网关）

若要使两个完全不同的网络连接在一起，

一般要使用网关。

电子邮件网关

IBM主机网关

Internet网关

局域网网关

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计算机网络技术与实训I-理论篇

5.2.4通信介质

在局域网中，常用的通信介质有同轴电

缆、双绞电缆和光缆，有的场合还采用无线

介质(WirelessMedium)如微波、激光、

红夕卜线和无线电等。

(1)同轴电缆

⑵双绞电缆

⑶光缆

(4)无线介质

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53局域网拓扑结构

构成局域网的拓扑结构有很多,

主要有总线拓扑、星型拓扑、环型

拓扑和树型拓扑等。

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53局域网拓扑结构

a）总线型b）星型

c）环型

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⑥5.3局域网拓扑结构

总线拓扑

星型拓扑

环型拓扑

树型拓扑

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5.3.1总线拓扑

总线型

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⑥531总线拓扑

1.总线拓扑的优点

a.结构简单、易于扩充

b.电缆长度短、布线容易

2.总线拓扑的缺点

故障诊断困难：由于不是集中控制，故

障检测需在网上各个站点上进行。

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5.3.2星型拓扑

星型

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5.3.2星型拓扑

1.星型拓扑的优点

方便服务

集中控制和故障诊断

简单的访问协议

2.星型拓扑的缺点

依赖于中央节点

电缆长度长

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5.3.3环型拓扑

环型

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⑥533环型拓扑

1.环型拓扑的优点

结构简单、容易实现、无路径选择。

信息传输的延迟时间相对稳定。

所需电缆长度和总线拓扑相似，但比星型

拓扑要短得多。

2.环型拓扑的缺点

可靠性较差

故障诊断困难

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⑥534树型拓扑

树型拓扑可以从星型拓扑或总线拓扑演变而来，

形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个

分支还可延伸出子分支。

1.树型拓扑的优点

a.易于扩展从本质上看这种结构可以延伸出很多分

支和子分支，新的节点和新的分支很容易加入向内。

b.故障容易隔离如果某一分支的节点或线路发生故

障，很容易将该分支和整个系统隔离开来。

2.树型拓扑的缺点

树型拓扑的缺点是对根的依赖性大，如果根发生故障,

则全网不能正常工作，因此这种结构的可靠性和星型

结构相似。

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⑥5.4局域网体系结构

局域网的参考模型

IEEE802标准

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⑥5.4/局域网的参考模型

电气电子工程师协会(IEEE)下设的

IEEE802委员会在局域网的标准制定方面

做了卓有成效的工作，该委员会根据局域

网介质访问控制方法适用的传输介质、网

络拓扑结构、性能及实现难易等考虑因素,

为局域网制定了一系列的标准，称为IEEE

802标准。它已被ISO采纳作为局域网的国

际标准系列,称为IS08列2标准。

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5.4.1局域网的参考模型

在将OSI模型应用于局域网时，就将数据链路

层划分为两个子层：

逻辑链路控制(LogicalLinkControl9LLC)

子层

介质访问控制(MediumAccessControl9MAC)

子层。

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⑥541局域网的参考模型

下面简单介绍局域网各层的功能

应用层

表示层

会话层高层

传输层

网络层

LLC子层

数据链路层

MAC子层

物理层物理层

图4-2IEEE802模型与OSI模型的对应关系

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⑥541局域网的参考模型

MAC子层（介质访问控制层）

MAC子层是数据链路层的一个功能子层，是数

据链路层的下半部分，它直接与物理层相邻。

MAC子层为不同的物理介质定义了介质访问控制

标准。主要功能如下：

a.传送数据时，将传送的数据组装成MAC帧，帧中

包括地址和差错检测字段。

b.接收数据时，将接收的数据分解成MAC帧，并进

行地址识别和差错检狈U字段。

c.管理和控制对局域网传输介质的访问。

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⑥541局域网的参考模型

LLC子层（逻辑链路控制子层）

该层在数据链路层的上半部分，在MAC层的支

持下向网络层提供服务。可运行于所有802局

域网和城域网协议之上。LLC子层与传输介质

无关。它独立于介质访问控制方法。隐蔽了各

种802网络之间的差别，并向网络层提供一个

统一的格式和接口。

LLC子层的功能包括差错控制、流量控制和

顺序控制，并为网络层提供面向连接和无连接

的两类服务。

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542IEEE802标准

IEEE802委员会认为，由于局域网只是一个

计算机通信网，而且不存在路由选择问题，因

此它不需要网络层5有最低的两个层次就可以;

但与此同时，由于局域网的种类繁多，其介质

访问控制方法也各不相同，因此有必要将局域

网分解为更小而且更容易管理的子层。同时，

因为用户需求各异，不可能使用一种单一的技

术就能满足所有的需求，因此局域网技术中存

在多种传输介质和多种网络拓扑，相应地介质

访问控制方法就有多种，IEEE802委员会决定

把几个建议都制订为标准，而不是仅形成一个

标准。

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542IEEE802标准

IEEE802标准系列间的关系如图4-3所示。根据

网络发展的需要，新的协议还在不断补充进IEEE

802标准。IEEE802局域网标准包括：

802.1网际互连网际互连

1

1

1802.2逻辑链路控制逻辑链路

1

1

1

1

1802.3802.4802.5802.6802.7

1

醉1介质访问控

MACMACMACMACMAC

解

纪1

墟

金1砥

帅1雉

一1

-1COM)1

81CO

1802.3802.4802.5802.6802.7

1物理

1物理物理物理物理物理

1

1

1

1

图标准系列

4-3IEEE802计算机网络技术与实训I-理论篇

542IEEE802标准

(1)IEEE802.1综述和体系结构。它除了定义IEEE802标

准和OSI参考模型高

的接口外，还解决寻址、网络互连和网络管理等方面的

问题。

(2)IEEE802.2逻辑链路控制，定义LLC子层为网络层提供

的服务。对于所有的MAC规范,LLC是共同的。

(3)IEEE802.3带冲突检测的载波侦听多路访问(Carrier

SenseMultipleAccesswithCollisionDetection,

CSMA/CD)控制方法和物理层规范。

(4)IEEE802.4令牌总线(TokenBus)访问控制方法和物

理层规范。

(5)IEEE802.4令牌环(TokenRing)访问控制方法和物

理层规范。

(6)IEEE802.6城市区域网(MetropolitanAreaNetwork,

MAN)访问控制方法和物理层规范。

(7)IEEE802.7时隙环(SlottedRing)访问控制方法和

物理层规范。

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⑥5.5局域网介质访问控制方式

局域网使用的是广播信道，即众多用户共享

通信媒体，为了保证每个用户不发生冲突，能正

常通信，关键问题是如何解决对信道争用。解决

信道争用的协议称为介质访问控制协议(Medium

AccessControl,MAC),是数据链路层协议的

一部分。

局域网常用的介质访问控制协议有载波侦听

多路访问/冲突检测(CSMA/CD)、令牌环

(TokenRing)访问控制和令牌总线访问控制。

采用CSMA/CD的以太网已是局域网的主流，本书

重点介绍。

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⑥5.5局域网介质访问控制方式

载波侦听多路访问/冲突检测法

令牌环访问控制方式

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⑥5.5.1载波侦听多路访问/冲突检测法

(CSMA/CD,CarrierSenseMultiple

AccessWithCollisionDetection)是一种

适合于总线结构的具有信道检测功能的分布

式介质访问控制方法。最初的以太网是基于

总线拓扑结构的，使用的是粗同轴电缆，所

有站点共享总线，一个站点发送数据帧给某

个特定站点时，总线上的所有站点都会收到

此数据帧，每个站点根据数据帧的目的地址

决定是丢弃还是处理该帧。

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j5.5.1载波侦听多路访问/冲突检测法

总线上只能有一台计算机发送数据，否

则数据信号在信道中会叠加，相互干扰，产

生数据冲突）使发出数据无效。由于站点都

是随机发送数据的，如果没有一个协议来规

范，所有站点都来争用同一个站点，必然会

发生冲突。

载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）

正是解决这种冲突的协议。该协议实际上可

分为“载波侦听”和“冲突检测”。

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⑥5.5.1载波侦听多路访问/冲突检测法

1.工作过程

CSMA/CD又被称之为“先听后讲，边听边讲”，其具

体工作过程概括如下：

(1)先侦听信道，如果信道空闲则发送信息。

(2)如果信道忙，则继续侦听，直到信道空闲时立即发

送。

(3)发送信息后进行冲突检测，如发生冲突，立即停止

发送，并向总线发出一串阻塞信号(连续几个字节全

1),通知总线上各站点冲突已发生，使各站点重新开

始侦听与竞争。

(4)已发出信息的站点收到阻塞信号后，等待一段随机

时间，重新进入侦听发送阶段。

CSMA/CD发送过程可描述如图4-4所示。

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551载波侦听多路访问/冲突检测法

CSMA/CD流程图

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j5.5.1载波侦听多路访问/冲突检测法

2.二进制指数后退算法

实际上，当一个站开始发送信息时，检测到本次发

送有无冲突的时间很短，它不超过该站点与距离该

站点最远站点信息传输时延的2倍。假设A站点与距

离A站最远B站点的传输时延为T（图4-5所示），那

么2T就作为一个时间单位。若该站点在信息发送后

2T时间内无冲突，则该站点取得使用信道的权利。

可见，要检测是否冲突，每个站点发送的最小信息

长度必须大于2T。

景长传输晔时间r

传输延时示意图

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j5.5.1载波侦听多路访问/冲突检测法

在标准以太网中，2T取51.2RS。在

51.2RS的时间内，对10Mbps的传输速率，可以

发送512bit,即64字节数据。因此以太网发送数

据，如果发送64字节还没发生冲突，那么后续的

数据将不会发生冲突。为了保证每一个站点都能

检测到冲突，以太网规定最短的数据帧为64字节。

在接收到的小于64字节的帧都是由于发生冲突后

站点停止发送的数据片，是无效的，应该丢弃。

反过来说，如果以太网的帧小于64字节，那么有

可能某个站点数据发送完毕后，没有检测到冲突，

但冲突实际已经发生。

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j5.5.1载波侦听多路访问/冲突检测法

为了检测冲突，在每个站点的网络接

口单元（NIU）中设置有相应电路，当有冲

突发生时，该站点延迟一个随机时间（2T*

随机数））再重新侦听。与延迟相应的随

机数一般取（0,M）之间,机2*（1。”）。其

中N为已检测到的冲突次数：冲突大于16,

则放弃发送，另作处理。这种延迟算法称

为二进制指数后退算法。

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⑥5.5.1载波侦听多路访问/冲突检测法

该算法有下面三种不同的存在方式:

(1)非-坚持CSMA

(2)1-坚持CSMA

(3)P-坚持CSMA

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⑥5.5.2令牌环访问控制方式

令牌环访问控制方式令牌环是一种适用

于环形网络的分布式介质访问控制方式，

已由IEEE802委员会建议成为局域网控制

协议标准之一，即IEEE802.5标准。

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5.5.2令牌环访问控制方式

BB

(a)(b)

图4-6令牌环控制方式工作原理

令牌环网实时性较强，适合负载较重的网络；而

以太网实时性差，适合负载较轻的网络。

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5.6以太网技术

局域网发展到现在，已占据绝对地位，

特别万兆以太网(10Gbit/s)的出现，使以

太网的工作范围扩展到城域网，甚至广域网,

实现了端到端的以太网的连接。

以太网的MAC帧格式

以太网的组网技术

快速以太网

千兆位以太网

lOGbps以太网

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5.6.1以太网的MAC帧格式

字节66246—15004

802.3

目的地址源地址数据长度数据FCS

MAC帧

以太网v2

目的地址源地址类型数据FCS

MAC帧

总线局域网MAC了层的帧结构

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j5.6.1以太网的MAC帧格式

数据：47-1500字节，上层传下来的数据。

46字节是以太网帧的最小字节64字节减去前

后的固定字段字节和18字节而得到的。

填充字段：保证帧长不少于64字节。当上

层数据小于46字，会自动添加字节。

FCS:帧校验序列，这是一个32位的循环

冗余码(CRC-32)o

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⑥5.62以太网的组网技术

Ethernet的主要技术规范：

拓扑结构：总线型。

介质访问控制方式：CSMA/CDO

传输速率：10Mbps。

传输介质：同轴电缆（50Q）或双绞线。

最大工作站数：1024个。

最大传输距离：2.5km（采用中继器）。

报文长度：64-1518Byte（不计报文前

的同步序序）。

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⑥5.62以太网的组网技术

细缆以太网(10BASE-2)

10BASE-2以太网连接

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5.6.2以太网的组网技术

2.双绞线以太网(10BASE-T)

1OBASE-T以太网是使用非屏蔽双绞线电缆来连接

的传输速率为lOmbps的以太网。

网卡及工作站

单集线器连接多集线器连接

1OBASE-T以太网连接

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j5.63快速以太网

1.快速以太网(100BASE-T)简介

快速以太网具有以下特点：

协议采用与1OBASE-T相似的层次结构，其中LLC子层

完全相同，但在MAC子层与物理层之间采用了介质

无关接口。

数据帧格式与1OBASE-T相同，包括最小帧长为64字节,

最大帧长1518字节。

介质访问控制方式仍然是CSMA/CD。

传输介质采用UTP和光纤，传输速率为10OMbit/s。

拓扑结构为星型结构，网络节点间最大距离为205米。

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⑥5.63快速以太网

2.快速以太网分类

快速以太网标准分为：100BASE-TX、100BASE-

FX和100BASE-T4三个子类。如表5-1所示。

表5-1快速以太网标准

名称线缆最大距离优点

100BASE-T4双绞线100m可以使用3类双绞线

100BASE-TX双绞线100m全双工、5类双绞线

100BASE-FX光纤200m全双工、长距离

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5.6.3快速以太网

3.快速以太网接线规则

快速以太网对MAC层的接口有所拓展，它的接线规则有相

应变化，如图所示。

快速以太网接线规则

■站点距离中心节点的UTP最大长度依然是100m。

•增加了I级和II级中继器规范。

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j5.6.3快速以太网

在10Mbit/s标准以太网中对所有介质采用同一中继器定义。

100Mbit/s以太网定义了I级和II级两类中继器，两类中继

器靠传输延时来划分，延时0.7口s的为I级中继器，在

0.46Ms以下的为H级中继器。

在一条链路上只能使用一个I级中继器，两端的链路为100m。

最多可以使用2个H级中继器，可以用两段100m的链路和5m

的中继器间的链路。两个站点间或站点与交换机间的最大

距离为205m。

当采用光纤布线时，交换机与中继器(集线器)连接，如果

采用半双工通信，两者之间的光纤最大距离为225m。如果

采用全双工通信，站点到交换机间的距离可以达到2000m或

更长。

快速以太网仍然是基于载波侦听多路访问/冲突检测

(CSMA/CD)技术，当网络负载较重时，会造成效率低下。

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564千兆位以太网

千兆位以太网技术有两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3abo

IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准。IEEE

802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。

1.IEEE802.3z

(1)1000Base-SX

lOOOBase-SX只支持多模光纤，可以采用直径62.5口m和50口m

的多模光纤，工作波长为77Onm-86Onm,传输距离为550m左右。

(2)1000Base-LX

100OBase-LX既可以使用多模光纤，也可以使用单模光纤。

多模光纤采用直径62.5口01和50jLim,工作波长为1270nm-

1355nm,传输距离为550m*右。

单模光纤采用直径9Rm和10jLim,工作波长为1270nm-860nm,

传输施离为5km左右

(3)1000Base-CX

lOOOBase-CX采用150Q屏蔽双绞线(STP),传输距离为25m。

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564千兆位以太网

2.IEEE802.3ab

IEEE802.3ab工作组负责制定基于UTP的半双工链路的

千兆以太网标准。IEEE802.3ab定义了基于5类UTP的

1000Base-T标准,是100Base-T的自然扩展，与lOBase-T、

lOOBase-T完全兼容，其目的是在5类UTP上以lOOOMbit/s

速率传输100m,保护用户在5类UTP布线上的投资。

lOOOBase-T的其他一些重要规范使成为一种价格低廉、

不易被破坏并具宥良好性能的技术。

(1)它支持以太网MAC,而且可以后向兼容10/100Mbit/s

以太网技术。

(2)很多的1000Base-T产品都支持100/1000Mbit/s自动

协商功能，1000Base-T因此可以直接在快速以太网中通过

升级实现。

(3)1000Base-T是一种高性能技术,它每传送100亿比

特，其中错误位不会超过1个(误码率低于H-10,这与

lOOBase-T的误率相当)。

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5.6.5lOGbps以太网

2002年6月正式发布了IEEE802.3aelOGbps标准，将

802.3协议扩展到lOGbps的工作速度，并扩展以太网的

应用空间，使之能够包括WAN链接。

1.万兆位以太网标准的目标

保留IEEE802.3帧格式不变

保留IEEE802.3最小/最大帧长不变

只支持全双工运行模式

不需要进行冲突检测，不再使用CSMA/CD协议。

仅使用光缆作为传输介质

可提供10Gb/s的城域网或局域网数据传输速率，也可

以支持10.59Gb/s的广域网数据传输速率（支持

SONET/SDH）

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5.6.5lOGbps以太网

2.IEEE802.3ae标准的分类

(1)lOGBase-SRSerial：850nm短距离模块(现

有多模光纤上最长传输距离85米，新型

2000MHz/kni多模光纤上最长传输距离300米)。

(2)10GBase-LRSerial：1310nm长距离模块

(单模光纤上最长传输距离10公里)。

(3)10GBase-ERSerial：1550nm超长距离模块

(单模光纤上最长传输距离40公里)

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5.7无线局域网

有线网络所存在的使用限制：

具有空旷场地的建筑物内；

具有复杂周围环境的制造业工厂、货物仓库内；

机场、车站、码头、股票交易场所等一些用户频繁移动的公

共场所内；

缺少网络电缆而又不能打洞布线的历史建筑物内；

受自然条件影响而无法实施布线的环境，如存在河道；

在一些需要临时增设网络节点的场合，如体育比赛场地、展

示会等。

无线局域网的应用走上前台。

无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork,)就是

指采用无线传输介质的局域网，简称WLAN。

计算机网络技术与实训I-理论篇

⑥3.7」无线局域网标准

支持无线局域网的技术标准主要有:

蓝牙技术：手机或PDA为主要设计对象

HomeRF技术：主要服务为家庭无线网络

IEEE802.11系列：无线局域网标准

以IEEE802.11为例介绍

计算机网络技术与实训卜理论篇

IEEE802,11标准的组成

覆盖无线局域网的物理层和MAC子层：

物理层标准规定了无线传输信号等基础规范，

如802.11a、802.11b,802.lid、802.11g.

802.llho

MAC子层标准包括802.lie、802.Ilf.802.llio

IEEE802.11系列:无线局域网标准

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⑥3.7.2无线局域网物理实现

红外线（IR）

采用波长小于1Rm的红外线作为传输媒体,

有较强的方向性，受阳光干扰大。它支持1〜2Mbit/s

数据速率，适于近距离通信。

无线电波方式（具有覆盖范围大，抗干扰、抗噪声、抗衰

减和保密性好的优点）

直接序列式扩频（DSSS）：支持1〜2Mbit/s数据速率

跳频扩展频谱（FHSS）：支持IMbit/s数据速率