第4章局域網(wǎng)基本工作原理4.1局域網(wǎng)的特點和拓撲結(jié)構(gòu)

4.2

IEEE802參考模型

4.3共享介質(zhì)局域網(wǎng)的工作原理

4.4本章小結(jié)

4.1局域網(wǎng)的特點和拓撲結(jié)構(gòu)

4.1.1局域網(wǎng)的技術(shù)特點在計算機網(wǎng)絡(luò)研究的早期，人們將局域網(wǎng)的主要技術(shù)特點歸納為以下三點：

(1)局域網(wǎng)是一種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)；

(2)連入局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備范圍較廣，包括計算機、終端以及各種外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；

(3)局域網(wǎng)往往覆蓋一個比較小的地理范圍，例如一個辦公室、一幢樓房或者幾千米范圍內(nèi)的一個區(qū)域。

與廣域網(wǎng)相比，局域網(wǎng)最顯著的特點在于它能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，覆蓋的地理范圍非常有限，而且無需租用通信線路進行數(shù)據(jù)通信。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論研究的不斷深入以及高速局域網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，目前傳輸速率為100Mb/s的以太網(wǎng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，傳輸速率為1Gb/s的高速以太網(wǎng)也已進入實用階段。局域網(wǎng)的技術(shù)特點已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，從局域網(wǎng)應(yīng)用角度看，當前局域網(wǎng)的主要技術(shù)特點表現(xiàn)在以下五個方面：

(1)局域網(wǎng)覆蓋有限的地理范圍，適用于機關(guān)、校園、公司、工廠等有限地域范圍內(nèi)的計算機、終端以及各種信息處理設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)互連。

(2)局域網(wǎng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率(從10Mb/s到10Gb/s)，局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率較低，能夠提供一個高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。

(3)局域網(wǎng)通常歸屬于某一個單位，這易于網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、維護與擴展。

(4)局域網(wǎng)的技術(shù)特性主要由網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、物理傳輸介質(zhì)和介質(zhì)訪問控制方法三個方面的問題決定。

(5)局域網(wǎng)從介質(zhì)訪問控制方法的角度可以分為兩類：共享介質(zhì)式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)。

局域網(wǎng)設(shè)計的主要考慮因素是如何使網(wǎng)絡(luò)能夠在有限的地理范圍內(nèi)更好的運行，如何使網(wǎng)絡(luò)資源得到更高效的利用，如何確保傳輸?shù)男畔⒏影踩?，以及如何使網(wǎng)絡(luò)的操作與維護更加簡單便捷。這些設(shè)計要求決定了局域網(wǎng)的主要技術(shù)特點。局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、物理傳輸介質(zhì)以及介質(zhì)訪問控制方法這三方面共同確定了局域網(wǎng)傳輸信息的形式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾逝c效率、通信信道的容量以及網(wǎng)絡(luò)所支持的應(yīng)用服務(wù)類型等方面。4.1.2局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)性能有很大影響。選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)考慮采用何種介質(zhì)訪問控制方法，因為特定的介質(zhì)訪問控制方法通常僅用于特定的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。其次，在選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)時還應(yīng)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)性能、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、成本、系統(tǒng)可擴展性、實現(xiàn)的難易程度及傳輸介質(zhì)的長度等因素。局域網(wǎng)常見的拓撲結(jié)構(gòu)有星型、環(huán)型、總線型及混合型等。下面分別介紹這幾種常見的局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

1.星型(star)拓撲結(jié)構(gòu)目前在局域網(wǎng)中應(yīng)用最廣的是星型拓撲結(jié)構(gòu)。一般企業(yè)的局域網(wǎng)中幾乎都采用星型拓撲結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)因網(wǎng)絡(luò)中的各個結(jié)點通過一個網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備(如集線器或交換機)連接在一起，各結(jié)點呈星形分布而得名。采用星型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)最常用的傳輸介質(zhì)是雙絞線，如三類雙絞線、五類雙絞線等。典型的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)有以下幾個主要特點：

(1)造價低、易于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。星型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)所采用的傳輸介質(zhì)一般是比較通用的雙絞線。相對于同軸電纜與光纖，雙絞線價格較低，易于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。

(2)易于擴展、結(jié)點移動方便。對網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點進行擴展時只需從集線器(或交換機)中引出一條線路即可；移動一個結(jié)點時只需把相應(yīng)結(jié)點移到新的位置即可，不必像環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)那樣進行比較復雜的環(huán)維護工作。

(3)容易維護。網(wǎng)絡(luò)一個結(jié)點出現(xiàn)故障不會影響其他結(jié)點的連接與正常工作，可以很容易地拆走故障結(jié)點進行維修。

(4)采用廣播式數(shù)據(jù)傳輸。任何一個結(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)中的其他結(jié)點都可以接收。

(5)數(shù)據(jù)傳輸速率快。目前最新的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)達到1Gb/s～10Gb/s的等級。圖4.1星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

2.環(huán)型(ring)拓撲結(jié)構(gòu)環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)主要用于令牌網(wǎng)絡(luò)中。采用環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中各個結(jié)點是通過通信線路以點到點的串接形式構(gòu)成的，最后形成一個閉合環(huán)路，整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)在閉合環(huán)路中傳遞，通常把此類網(wǎng)絡(luò)稱為“令牌環(huán)網(wǎng)”(tokenringnetwork)。典型的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。采用環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)主要有以下幾個技術(shù)特點：

(1)一般僅適用于IEEE802.5的令牌環(huán)網(wǎng)。在令牌環(huán)網(wǎng)中，令牌(token)是一個特殊的控制幀，系統(tǒng)通過令牌在閉合環(huán)路中的依次傳遞，控制網(wǎng)絡(luò)中各個結(jié)點對公共通信信道的使用權(quán)。采用環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)使用的傳輸介質(zhì)一般是同軸電纜。

(2)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)簡單，造價比較低。從圖4.2中可以看出，組成這樣的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)只需要計算機結(jié)點、傳輸介質(zhì)(同軸電纜)以及一些簡單的連接器材，沒有價格昂貴的網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備(如集線器與交換機)。

(3)網(wǎng)絡(luò)維護比較困難。首先，整個環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的各個結(jié)點是相互串行連接在一起的，環(huán)中任何一個節(jié)點出現(xiàn)故障都會造成整個網(wǎng)絡(luò)運轉(zhuǎn)的中斷，甚至導致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，非常不便于網(wǎng)絡(luò)的維護。其次，同軸電纜采用的是插針式的接觸方式，容易因接觸不良導致網(wǎng)絡(luò)中斷，由此帶來的故障查找與定位比較困難。

(4)系統(tǒng)擴展性較差。相對于星型拓撲結(jié)構(gòu)，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的擴展性較差，無論是向網(wǎng)絡(luò)中添加新結(jié)點還是從網(wǎng)絡(luò)中移除舊結(jié)點，都必須進行相對比較復雜的環(huán)維護工作，導致整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可擴展性較差。

圖4.2環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

3.總線型(bus)拓撲結(jié)構(gòu)采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，所有結(jié)點都直接與一條公共的數(shù)據(jù)傳輸通道(即總線)相連?？偩€型網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸介質(zhì)通常是同軸電纜，目前也有一些總線型網(wǎng)絡(luò)采用光纖作為傳輸介質(zhì)。典型的總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)主要有以下幾個技術(shù)特點：

(1)組網(wǎng)成本較低。由于采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)不需要其他的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各個結(jié)點直接與總線進行連接，因此構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的成本比較低。

(2)在采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，由于各個結(jié)點是共享公共總線的帶寬，因此每個結(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸速率會隨著接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的增多而下降。

(3)網(wǎng)絡(luò)具有較強的可擴展性。當需要在網(wǎng)絡(luò)中添加新結(jié)點時，只需增加級聯(lián)集線器。

(4)網(wǎng)絡(luò)易于維護。網(wǎng)絡(luò)中單個結(jié)點的故障并不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)與通信。

(5)總線型拓撲結(jié)構(gòu)的缺點是系統(tǒng)一次僅能允許一個結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，其他結(jié)點必須等待，直到獲得總線的使用權(quán)。圖4.3總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

4.混合型(hybrid)拓撲結(jié)構(gòu)混合型拓撲結(jié)構(gòu)是由星型拓撲結(jié)構(gòu)和總線型拓撲結(jié)構(gòu)相結(jié)合而形成的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要針對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴展問題，綜合了星型拓撲結(jié)構(gòu)與總線型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，既解決了星型網(wǎng)絡(luò)在傳輸距離上的限制，又解決了總線型網(wǎng)絡(luò)在連接結(jié)點數(shù)量上的限制。

混合型拓撲結(jié)構(gòu)主要適用于規(guī)模較大的局域網(wǎng)中。例如，某單位有若干棟在地理位置上分布較遠的辦公樓，如果只用星型拓撲結(jié)構(gòu)組建整個單位的局域網(wǎng)，由于受到星型網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)(雙絞線)單段傳輸距離上限為100m的限制，無法滿足要求。如果單純采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)組建整個單位的局域網(wǎng)，單個總線上很難承受全單位所有計算機的數(shù)據(jù)通信速度的要求。綜合星型與總線型兩種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，在同一棟樓的每一層內(nèi)采用星型結(jié)構(gòu)，在同一棟樓的不同樓層之間采用總線型結(jié)構(gòu)，進而在樓與樓之間也采用總線型結(jié)構(gòu)，形成一種混合型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。當然，具體采用哪種傳輸介質(zhì)還要根據(jù)傳輸距離而定。如果傳輸距離較近(在185m以內(nèi))，可以采用細同軸電纜作為傳輸介質(zhì)；如果傳輸距離更遠一些(在500m以內(nèi))，則可采用粗同軸電纜作為傳輸介質(zhì)；如果傳輸距離超過500m，可以考慮采用光纖或者粗纜加中繼器來實現(xiàn)。采用混合型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)主要有以下幾個技術(shù)特點：

(1)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用非常廣泛。?這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)克服了單純的星型拓撲結(jié)構(gòu)與總線型拓撲結(jié)構(gòu)的不足，能夠滿足較大規(guī)模局域網(wǎng)的實際組網(wǎng)需求。

(2)網(wǎng)絡(luò)具有較強的可擴展性。這一特點主要源于星型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

(3)源于總線型結(jié)構(gòu)的特性，采用混合型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)傳輸速率隨網(wǎng)絡(luò)結(jié)點數(shù)的增加而下降的缺點。

(4)網(wǎng)絡(luò)不容易維護。首先，總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)決定了一旦總線出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)就會癱瘓；其次，整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復雜，不便于維護。

(5)由于其骨干傳輸介質(zhì)一般采用同軸電纜或光纖，?采用混合型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率通常比較快。4.2

IEEE802參考模型4.2.1局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)妮d體，是網(wǎng)絡(luò)通信的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。傳輸介質(zhì)的特性對數(shù)據(jù)傳輸速率、通信距離、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點數(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘确矫娑加泻艽蟮挠绊憽Ｒ虼耍瑧?yīng)根據(jù)不同的通信要求合理選擇傳輸介質(zhì)。目前，在局域網(wǎng)中常用的傳輸介質(zhì)有同軸電纜、雙絞線、光纖與無線通信信道。

在計算機網(wǎng)絡(luò)早期的應(yīng)用中使用較多的傳輸介質(zhì)是同軸電纜。根據(jù)直徑的不同，同軸電纜分為粗纜和細纜兩種。粗纜接頭的制作與安裝比較復雜，在中小型局域網(wǎng)中很少使用。細纜由于數(shù)據(jù)傳輸速率較低，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可維護性較差，因此在局域網(wǎng)中也很少使用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，雙絞線在局域網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于價格相對比較便宜，安裝與維護較為簡單，目前雙絞線已經(jīng)成為局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)的主流。光纖具有傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸距離長、抗干擾能力強、誤碼率低、抗化學腐蝕能力強等優(yōu)點。當前光纜主要用于長距離數(shù)據(jù)傳輸與組建大型局域網(wǎng)的主干線路。由于價格比較昂貴，目前常見的中小型局域網(wǎng)選擇光纖作為傳輸介質(zhì)的比較少。但是，光纖所具有的眾多優(yōu)點決定了它無疑是未來傳輸介質(zhì)發(fā)展的方向。隨著成本的不斷降低，在不遠的將來，光纖到樓、到戶，甚至到桌面都會成為現(xiàn)實，光纖將給人們帶來全新的高速網(wǎng)絡(luò)體驗。隨著技術(shù)的進步與各種新型應(yīng)用的出現(xiàn)，越來越多的移動結(jié)點出現(xiàn)在各種局域網(wǎng)應(yīng)用中。結(jié)點的移動性使無線通信信道成為一種必要的傳輸介質(zhì)。4.2.2局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方法對于廣播式網(wǎng)絡(luò)，OSI參考模型中數(shù)據(jù)鏈路層的一個重要的任務(wù)是解決介質(zhì)訪問控制方法問題，即如何控制網(wǎng)絡(luò)中多個結(jié)點對公共通信信道的訪問。常見的共享物理傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)類型有：總線型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)以及無線網(wǎng)絡(luò)。目前，常見的局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方法有以下三種：

(1)帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)方法；

(2)令牌總線(TokenBus)方法；

(3)令牌環(huán)(TokenRing)方法。

4.3節(jié)將結(jié)合IEEE802參考模型與標準詳細介紹這三種局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方法。4.2.3IEEE802參考模型

1980年初，IEEE成立了局域網(wǎng)/城域網(wǎng)標準委員會(LAN/MANStandardsCommittee，LMSC)，又稱為IEEE802委員會，該委員會致力于研究局域網(wǎng)與城域網(wǎng)的物理層和介質(zhì)訪問控制子層中定義的服務(wù)與協(xié)議。IEEE802委員會負責起草局域網(wǎng)與城域網(wǎng)相關(guān)標準的草案，并將其提交給美國國家標準協(xié)會(ANSI)批準，成為美國國內(nèi)標準。此外，IEEE還把IEEE802委員會起草的標準提交給國際標準化組織(ISO)，ISO把IEEE802制定的一系列規(guī)范稱為ISO802標準。因此，許多IEEE標準也是ISO標準，例如IEEE802.3標準也是ISO802.3標準。

IEEE802委員會制定的服務(wù)與協(xié)議標準對應(yīng)于OSI七層參考模型的最低兩層：物理層與數(shù)據(jù)鏈路層。事實上，IEEE802模型將OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層進一步劃分成兩個子層：邏輯鏈路控制(LogicalLinkControl，LLC)子層與介質(zhì)訪問控制(MediumAccessControl，MAC)子層。邏輯鏈路控制LLC子層集中了與介質(zhì)訪問無關(guān)的功能，其主要功能包括建立與釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接，作為其上層(網(wǎng)絡(luò)層)與其下層(MAC子層)之間的接口，進行流量控制以及差錯控制等。介質(zhì)訪問控制子層提供了編址與信道訪問控制機制，使多個終端或網(wǎng)絡(luò)結(jié)點能夠在包含共享介質(zhì)的多路訪問網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))中進行通信。IEEE802參考模型與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系如圖4.4所示。圖4.4IEEE802參考模型與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系

IEEE802委員會制定了一系列的標準，其中應(yīng)用最廣泛的標準有：以太網(wǎng)(IEEE802.3標準)、令牌環(huán)網(wǎng)(IEEE802.5標準)、無線局域網(wǎng)(IEEE802.11標準)等。IEEE802系列標準中的每一個標準都由IEEE802委員會中的一個專門工作組負責。表4.1列出了IEEE802系列標準中主要標準的名稱與主要功能。表4.1IEEE802主要標準

4.3共享介質(zhì)局域網(wǎng)的工作原理4.3.1以太網(wǎng)工作原理

1.以太網(wǎng)基礎(chǔ)以太網(wǎng)(Ethernet)是起源于20世紀80年代的一系列計算機局域網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)稱。以太網(wǎng)標準對應(yīng)于OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。以太網(wǎng)的基本思想起源于ALOHA網(wǎng)絡(luò)。ALOHA網(wǎng)絡(luò)是在NormanAbramson的帶領(lǐng)下于美國夏威夷大學開發(fā)的人類第一個無線分組數(shù)據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)于1971年6月開始實際運轉(zhuǎn)。在ALOHA網(wǎng)絡(luò)的研究者中，有一位在哈佛大學攻讀博士學位研究生叫做RobertMetcalfe，他對ALOHA的技術(shù)非常感興趣并將其作為博士論文的研究內(nèi)容。從哈佛大學畢業(yè)后，RobertMetcalfe來到施樂公司工作。在這里研究人員正在設(shè)計和建造日后被稱為個人電腦(personalcomputer，PC)的計算機。在當時，這些計算機是相互孤立的。利用他在ALOHA網(wǎng)絡(luò)研究中學到的知識，RobertMetcalfe與其同事DavidBoggs一起設(shè)計并實現(xiàn)了人類第一個局域網(wǎng)，他們把這個計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)叫做以太網(wǎng)。最初的以太網(wǎng)使用一根很長的粗同軸電纜作為網(wǎng)線，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為3Mb/s。以太網(wǎng)獲得了很大的成功。在1978年，RobertMetcalfe促使DEC(DigitalEquipmentCorporation)、Intel與Xerox三家公司共同推動將以太網(wǎng)作為局域網(wǎng)的標準。于是，這三家公司共同起草了一個10Mb/s以太網(wǎng)的標準，該標準也被稱為DIX標準(代表DEC/Intel/Xerox)。該標準于1980年9月正式發(fā)布，其全稱為“局域網(wǎng)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層規(guī)范”。DIX標準分別針對數(shù)據(jù)鏈路層與物理層對以太網(wǎng)的主要技術(shù)特征進行了定義。例如，在數(shù)據(jù)鏈路層DIX標準規(guī)定以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mb/s；網(wǎng)絡(luò)中兩個結(jié)點之間的距離上限為2.5km；網(wǎng)絡(luò)結(jié)點數(shù)的上限為1024；采用帶有屏蔽層的同軸電纜作為傳輸介質(zhì)進行基帶信號傳輸?shù)?。在物理層，DIX標準規(guī)定以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方法采用CSMA/CD方法；消息傳遞協(xié)議采用可變長的數(shù)據(jù)幀，并且提供BE傳輸服務(wù)。1983年，在DIX標準的基礎(chǔ)上稍加改動形成了IEEE802.3標準。遺憾的是，施樂公司除了幫助RobertMetcalfe制定以太網(wǎng)標準之外，對以太網(wǎng)的技術(shù)前景并不感興趣。于是，在1979年RobertMetcalfe離開施樂公司，成立了在計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷史上著名的3Com公司，該公司致力于對包括以太網(wǎng)在內(nèi)的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行開發(fā)與產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。20世紀80年代初期，RobertMetcalfe將以太網(wǎng)技術(shù)與當時深受用戶歡迎的PC結(jié)合起來，3Com公司為IBM的個人電腦開發(fā)了以太網(wǎng)網(wǎng)卡。事實證明，以太網(wǎng)技術(shù)與PC的嫁接取得了雙贏的結(jié)果。截止2000年1月，3Com公司的市場總資本已達150億美元，擁有員工一萬三千余人。以太網(wǎng)分為兩類：傳統(tǒng)以太網(wǎng)(classicEthernet)與交換式以太網(wǎng)(switchedEthernet)。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用本節(jié)稍后介紹的CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方法解決多路訪問問題。交換式以太網(wǎng)以集線器(hub)或交換機(switch)為中心連接不同的計算機，實際上是一種星型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，雖然這兩種網(wǎng)絡(luò)都被稱為以太網(wǎng)，但是它們之間存在很大的差別。傳統(tǒng)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)最初的形式，其網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在3Mb/s～10Mb/s之間。交換式以太網(wǎng)是傳統(tǒng)以太網(wǎng)經(jīng)過不斷的技術(shù)改革與完善最終形成的，其網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可以達到100Mb/s、1000Mb/s，甚至高達10Gb/s。交換式以太網(wǎng)有多種不同的稱謂，例如快速以太網(wǎng)(fastEthernet)、千兆以太網(wǎng)(gigabitEthernet)以及10G以太網(wǎng)等。目前，實際使用的以太網(wǎng)只有交換式以太網(wǎng)。以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有總線型與星型兩種。傳統(tǒng)以太網(wǎng)多使用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，連接簡單，所需的電纜較少，價格便宜，但是管理成本高，不易隔離故障點、采用共享的訪問機制，易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。這種以太網(wǎng)采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，通常在小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中不需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但由于其固有缺陷，目前已經(jīng)逐漸被以集線器與交換機為核心的星型結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)所取代。交換式以太網(wǎng)采用專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如集線器或交換機)作為中心結(jié)點，通過雙絞線將局域網(wǎng)中的各臺計算機連接到中心結(jié)點上，形成星型拓撲結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)管理方便、容易擴展，但是需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的中心結(jié)點，因此需要更多的網(wǎng)線，而且對中心設(shè)備的可靠性要求高。與總線型以太網(wǎng)相比，星型結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)雖然需要更多的線纜，但其布線成本與連接器價格比總線型以太網(wǎng)便宜。此外，星型拓撲結(jié)構(gòu)可以通過級聯(lián)方式很方便地對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進行擴展，因此得到了廣泛的應(yīng)用，目前絕大部分以太網(wǎng)都采用星型拓撲結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)可以采用多種物理傳輸介質(zhì)，包括同軸電纜、雙絞線與光纖等。其中雙絞線多用于從主機到集線器或交換機的連接，而光纖則主要用于交換機之間的級聯(lián)以及交換機到路由器之間點到點的連接。同軸電纜作為以太網(wǎng)早期的主要傳輸介質(zhì)目前已經(jīng)逐漸趨于淘汰。現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)成為局域網(wǎng)市場的主流技術(shù)。早在20世紀80年代和90年代初期，以太網(wǎng)曾經(jīng)受到其他一些局域網(wǎng)技術(shù)的挑戰(zhàn)，例如令牌總線網(wǎng)絡(luò)、令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)、FDDI以及ATM等，而且這些局域網(wǎng)技術(shù)中的某些技術(shù)在一段時間內(nèi)確實成功地獲得了部分局域網(wǎng)市場的份額。但是，自從20世紀70年代中期以太網(wǎng)誕生之后，就不斷發(fā)展與成長，始終占據(jù)局域網(wǎng)領(lǐng)域的主導地位。隨著IEEE802.3標準的制定，以太網(wǎng)毫無疑問是當今使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，而且在可預(yù)見的將來仍然會是局域網(wǎng)領(lǐng)域的主流技術(shù)?？梢赃@么說，以太網(wǎng)在局域網(wǎng)領(lǐng)域的主導地位相當于Internet在全球網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的主導地位。

2.?CSMA/CD基本工作過程傳統(tǒng)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4.5所示，是一種總線型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中所有的計算機都連到一根長長的線纜上。傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初采用的傳輸介質(zhì)是粗同軸電纜(粗纜)，后來逐漸被細同軸電纜(細纜)所取代，因為細纜直徑較細，彎曲靈活，更易于布線。相對于粗纜，細纜價格更低，更易于安裝，但是每段網(wǎng)線最長只能達到185m，而且每段網(wǎng)線上最多只能連接30臺計算機。如果使用粗纜作為傳輸介質(zhì)，每段網(wǎng)線最長可以達到500m，每段網(wǎng)線上最多能夠連接100臺計算機。圖4.5傳統(tǒng)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方法。在詳細介紹CSMA/CD方法的基本原理與具體工作過程之前，先以人類對話交流為例分析通信的一些基本規(guī)則。在日常的人類交談過程中，除了基于禮貌的考慮，為了減少對話雙方的沖突，進而增加信息交流的總量，人們通常遵守以下兩條重要的通信協(xié)議：

(1)先聽后說。如果對方正在說話，一般要等待對方說完之后再說。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，把這一過程稱為載波偵聽(carriersensing)，即一個結(jié)點在使用信道傳輸數(shù)據(jù)之前先對信道進行偵聽。如果此時其他結(jié)點正在利用信道傳輸數(shù)據(jù)，該結(jié)點應(yīng)該等待一段時間，然后再次對信道進行偵聽。如果偵聽到信道處于空閑狀態(tài)，結(jié)點開始數(shù)據(jù)傳輸，否則該結(jié)點應(yīng)繼續(xù)等待，重復此等待過程，直到信道變?yōu)榭臻e狀態(tài)。

(2)如果在交談中雙方同時開始說話，那么自己應(yīng)立即停止說話。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，把這一過程稱為沖突檢測(collisiondetection)，即一個結(jié)點在使用信道傳輸數(shù)據(jù)的同時還要對信道進行偵聽。如果該結(jié)點檢測到其他結(jié)點正在向信道上發(fā)送干擾數(shù)據(jù)幀，它應(yīng)立即停止當前的數(shù)據(jù)傳輸，并且根據(jù)某種協(xié)議的規(guī)定決定何時再次進行數(shù)據(jù)傳輸。

CSMA/CD方法包含了上述的兩個基本規(guī)則，是傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)與核心，其基本原理是：網(wǎng)絡(luò)中所有欲發(fā)送數(shù)據(jù)幀的結(jié)點都偵聽傳輸介質(zhì)的忙閑狀態(tài)；一旦傳輸介質(zhì)為閑立即發(fā)送數(shù)據(jù)；結(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時還要監(jiān)測信道是否產(chǎn)生沖突；如果檢測到?jīng)_突則立即中止數(shù)據(jù)傳輸，等待隨機長度的時間后再次進行數(shù)據(jù)傳輸。

CSMA/CD方法的具體工作過程比較復雜，但是可以簡單概括為以下幾個步驟：

(1)當某個結(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先需要偵聽是否有其他結(jié)點正在使用總線傳輸數(shù)據(jù)。如果某個其他結(jié)點正在使用總線傳輸數(shù)據(jù)，總線為忙(busy)；否則總線為閑(idle)。

(2)如果偵聽得到的結(jié)果是總線當前為閑，該結(jié)點通過總線把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。此時，所有連接到總線的結(jié)點都能夠收聽到該數(shù)據(jù)信號。

(3)如果偵聽得到的結(jié)果是總線為忙，該結(jié)點進入等待狀態(tài)，一直等到總線變?yōu)殚e狀態(tài)，然后使用總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

(4)假定在同一時刻，多個結(jié)點同時使用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，多個數(shù)據(jù)幀同時被發(fā)送到物理傳輸介質(zhì)上并且完全或部分重疊時，就發(fā)生了沖突(collision)。當沖突發(fā)生時，物理傳輸介質(zhì)上的數(shù)據(jù)都不再有效。如果檢測到發(fā)生了沖突，沖突結(jié)點將停止當前的數(shù)據(jù)發(fā)送工作，然后等待一段時間(此時間長度為隨機值)，之后再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。值得注意的是，檢測到?jīng)_突之后結(jié)點等待時間的長度必須為一個隨機值。如果等待時間是固定值的話，沖突雙方(或多方)在等待時間過后同時開始發(fā)送數(shù)據(jù)，又會產(chǎn)生新的沖突，如此循環(huán)往復，陷入死循環(huán)。上述CSMA/CD工作過程第(4)步中的沖突檢測是一個模擬過程，可以通過將接收信號的強度(或脈沖寬度)與發(fā)送信號進行比較來實現(xiàn)。發(fā)送結(jié)點的硬件在傳輸數(shù)據(jù)時必須時刻偵聽傳輸信道上的信號。如果讀入的信號與其發(fā)出的信號不同，那么可以判定發(fā)生了沖突。沖突檢測過程的基本原理對信號與編碼提出兩點要求：第一，相對于發(fā)送信號，接收信號的強度不能太小，這一點對于無線傳輸信道很難實現(xiàn)，因為無線傳輸中接收信號的強度往往只有發(fā)送信號強度的百萬分之一；第二，必須選擇特殊的編碼(調(diào)制)方案，使得系統(tǒng)能夠區(qū)分不同的發(fā)送與接收信號。與其他許多局域網(wǎng)協(xié)議一樣，CSMA/CD采用如圖4.6所示的概念模型。圖4.6CSMA/CD的概念模型圖4.6中的t0表示網(wǎng)絡(luò)中某結(jié)點剛剛結(jié)束其數(shù)據(jù)幀的傳輸，在t0時刻之后，網(wǎng)絡(luò)中其他準備發(fā)送數(shù)據(jù)幀的結(jié)點開始嘗試使用總線發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個(或多個)結(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中將會產(chǎn)生沖突。當某個結(jié)點檢測到?jīng)_突時，它立即中止當前的數(shù)據(jù)傳輸，然后等待一段隨機長度的時間，如果在這段等待時間內(nèi)沒有其他結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的話，該結(jié)點在等待時間結(jié)束之后再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，沿時間軸觀察，按照CSMA/CD方法工作的以太網(wǎng)其總線在任何時刻只能處于三種可能的狀態(tài)之一：傳輸狀態(tài)、爭用狀態(tài)與空閑狀態(tài)。以太網(wǎng)總線在時間軸上交替出現(xiàn)傳輸期、爭用期與空閑期。傳輸期表示某個結(jié)點正在占用總線進行數(shù)據(jù)傳輸；爭用期表示多個結(jié)點競爭總線的使用權(quán)；空閑期表示當前網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點都沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。

CSMA/CD是一個非常重要的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議，而IEEE802.3是一個國際標準，兩者之間有一些區(qū)別，但是由于基本內(nèi)容大體相似，因此在許多場合人們往往將這兩個名稱等同起來。4.3.2令牌總線工作原理

IEEE802.4標準定義了令牌總線(tokenbus)介質(zhì)訪問控制方法以及相應(yīng)的物理層規(guī)范。令牌總線是一種利用“令牌”(token)作為控制多個結(jié)點訪問公共通信信道的介質(zhì)訪問控制方法。在采用令牌總線介質(zhì)訪問控制方法的局域網(wǎng)中，任何一個結(jié)點只有在獲得令牌后才能使用總線發(fā)送數(shù)據(jù)。每當一個站點獲得令牌之后，它可以在一定的時間范圍內(nèi)向環(huán)上發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在此之后它必須依次將令牌傳遞下去。典型的令牌總線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。顧名思義，令牌總線網(wǎng)絡(luò)采用的是總線型拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個計算機結(jié)點稱為一個站點(station)。從圖4.7(a)可以看出，令牌總線網(wǎng)絡(luò)在物理上是將多個站點連接到一個線型(或樹型)的線纜上，是一種典型的總線型拓撲結(jié)構(gòu)。但是，從圖4.7(b)可以看出，令牌總線網(wǎng)絡(luò)在邏輯上是一個由多個站點首尾相連構(gòu)成的閉合回路，是環(huán)型結(jié)構(gòu)。當環(huán)進行初始化時，各個站點按照站點地址由高到低的順序依次加入環(huán)中。在構(gòu)成環(huán)的過程中，每個站點都要記住其左鄰站點和右鄰站點的地址。環(huán)中令牌的傳遞順序按照站點地址從高到低的順序依次進行。當令牌到達地址最低的站點之后，令牌再傳遞給地址最高的站點，通過如此循環(huán)往復，令牌在環(huán)中不斷循環(huán)傳遞。圖4.7令牌總線網(wǎng)絡(luò)示意圖以圖4.7中所示的令牌總線網(wǎng)絡(luò)為例，假定結(jié)點A的地址為22，結(jié)點B的地址為20，結(jié)點F的地址為18，結(jié)點C的地址為16，結(jié)點E的地址為15，結(jié)點D的地址為5，該令牌總線網(wǎng)絡(luò)中令牌傳遞的順序如圖4.8所示。在初始化完成之后，首先由地址最高的結(jié)點A(站點地址為22)最先開始發(fā)送數(shù)據(jù)。在結(jié)點A發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，向與其相鄰的下一個站點(即結(jié)點B，其站點地址為20)發(fā)送一個特殊的控制幀，即令牌。該令牌依次在邏輯環(huán)路中循環(huán)傳遞，只有持有令牌的站點才能向環(huán)上發(fā)送數(shù)據(jù)幀。由于任一時刻整個環(huán)中僅有一個站點持有令牌，所以系統(tǒng)中不會出現(xiàn)沖突。圖4.8令牌總線網(wǎng)絡(luò)中令牌傳遞順序示意圖令牌總線網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點：

(1)相對于CSMA/CD方法，由于只有持有令牌的結(jié)點才能使用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，因此令牌總線網(wǎng)絡(luò)不會產(chǎn)生沖突。

(2)由于沒有沖突，令牌總線的數(shù)據(jù)幀長度只需根據(jù)所要傳輸數(shù)據(jù)的長度來確定，因此沒有最短幀的要求。而對于CSMA/CD方法，為了使最遠距離的結(jié)點能夠檢測到?jīng)_突，需要在實際數(shù)據(jù)長度之后添加填充位，以滿足最短數(shù)據(jù)幀長度的要求。

(3)令牌總線網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點具有公平的總線使用權(quán)。取得令牌的結(jié)點若有數(shù)據(jù)需要發(fā)送則使用總線進行數(shù)據(jù)發(fā)送，之后將令牌傳遞給下一個結(jié)點；如果取得令牌的結(jié)點沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則立刻把令牌傳遞給下一結(jié)點。由于結(jié)點得到令牌的過程是順序依次進行的，因此網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有結(jié)點都有公平的總線使用權(quán)。

(4)在令牌總線網(wǎng)絡(luò)中每個結(jié)點傳輸之前的等待時間是確定的。由于每個結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀的最大長度可以加以限制，因此當所有站點都有報文要發(fā)送時(即最壞情況)，結(jié)點等待取得令牌與發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間等于全部令牌與數(shù)據(jù)幀傳送時間的總和。根據(jù)應(yīng)用的需求，設(shè)定網(wǎng)中的結(jié)點數(shù)以及最大報文長度，就可以確保任一結(jié)點都能夠在限定的等待時間內(nèi)獲得令牌。對于某些面向控制過程的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，結(jié)點所具有的等待時間上限是一個非常關(guān)鍵的指標。

(5)令牌總線方法還提供了不同的服務(wù)級別，即不同的優(yōu)先級。與CSMA/CD方法相比，令牌總線比較復雜，需要完成大量的環(huán)維護工作，包括環(huán)初始化、新結(jié)點加入環(huán)、結(jié)點從環(huán)中撤出、環(huán)恢復與優(yōu)先級服務(wù)等等。4.3.3令牌環(huán)工作原理為了與以太網(wǎng)的DIX標準相抗衡，IBM公司推出了令牌環(huán)(TokenRing)技術(shù)。令牌環(huán)技術(shù)同時也是IBM公司對其之前推出的令牌總線技術(shù)的進一步發(fā)展與完善。IEEE802.5標準是在IBM公司TokenRing協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展和形成的。在令牌環(huán)網(wǎng)中，站點通過環(huán)接口首尾相連構(gòu)成物理上的一個閉合環(huán)路。與前述的令牌總線網(wǎng)絡(luò)不同，令牌環(huán)網(wǎng)在物理上就是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)。令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖4.9所示。圖4.9令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)示意圖從本質(zhì)上講，令牌是一種特殊的MAC控制幀，幀中有一位用來標志令牌是忙還是閑。令牌總是沿物理環(huán)路單向逐站傳送，令牌的傳送順序與站點在環(huán)中的排列順序相同。如圖4.9(b)所示，令牌傳輸(tokenpassing)的過程由兩個簡單的動作構(gòu)成：首先，站點從令牌傳來的方向接收令牌；然后，站點將令牌按順序傳輸出去。在令牌環(huán)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)幀的傳輸方向與令牌的傳輸方向相同。如此令牌與數(shù)據(jù)幀可以沿環(huán)路流動，并且可以到達環(huán)中任何一個站點。為了避免數(shù)據(jù)幀在環(huán)路中無限循環(huán)流動，必須有站點負責將其從環(huán)中刪除。扮演這一角色的站點既可以是數(shù)據(jù)幀的發(fā)送站點，也可以是數(shù)據(jù)幀的目的站點。如果某站點有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送，它必須等待空閑令牌到來。當此站點獲得空閑令牌之后，首先將令牌標志位由“閑”變?yōu)椤懊Α?，然后使用環(huán)路發(fā)送數(shù)據(jù)。假定結(jié)點B要給結(jié)點E發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖4.9所示，令牌環(huán)網(wǎng)的基本工作過程如下：

(1)開始的時候，網(wǎng)絡(luò)中有一個閑令牌在環(huán)中逐站循環(huán)流動。為了能夠使用網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，站點必須先等待閑令牌的到來并獲得該令牌。

(2)結(jié)點B要給結(jié)點E發(fā)送數(shù)據(jù)，那么結(jié)點B首先要等待閑令牌到來。結(jié)點B獲得閑令牌后，將令牌的狀態(tài)由“閑”置為“忙”，然后附上所要發(fā)送的數(shù)據(jù)以及接收站點的地址。

(3)結(jié)點B將數(shù)據(jù)沿環(huán)路依次發(fā)送給結(jié)點C，結(jié)點C通過比較數(shù)據(jù)的目的地址發(fā)現(xiàn)自己并非數(shù)據(jù)的目的站點，因此將數(shù)據(jù)依次向下傳遞給結(jié)點D。

(4)結(jié)點D與結(jié)點C一樣，將數(shù)據(jù)依次向下傳遞給結(jié)點E。

(5)結(jié)點E通過比較數(shù)據(jù)的目的地址發(fā)現(xiàn)自己就是數(shù)據(jù)的目的站點，因此它將數(shù)據(jù)接收下來。但是，此時結(jié)點E并不能向環(huán)上釋放一個閑令牌。結(jié)點E必須向數(shù)據(jù)的發(fā)送者(即結(jié)點B)返回一個確認消息，表示它已接收到數(shù)據(jù)。

(6)該消息沿環(huán)路依次向下傳遞給結(jié)點F，結(jié)點F在收到該消息后通過檢查目的地址發(fā)現(xiàn)自己并不是該消息的目的站點，因此它將消息依次傳遞給環(huán)中的下一個站點—結(jié)點A。

(7)結(jié)點A與結(jié)點F一樣，將消息依次向下傳遞給結(jié)點B，而結(jié)點B正是此次數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送者。

(8)結(jié)點B識別確認消息的目的地址