第 8 章 网络体系结构

本章主要内容

局域网的特点与主要指标

局域网的参考模型与协议标准

以太网、 FDDI

无线局域网、虚拟局域网

8.1 局域网（ LAN ）概述

hubhub

hubhub

hubhub

SwitchSwitch

ServerServerfarmfarm

stationstation

stationsstations

stationsstations1. 特点覆盖范围小

房间、建筑物、园区范围距离≤ 25km

高传输速率10Mb/s ～ 1000Mb/s

低误码率10-8 ～ 10-11

拓扑：总线、星形、环形介质： UTP 、 Fiber 、 COAX私有性：自建、自管、自用

2. 局域网的关键技术拓扑结构（逻辑、物理）

总线型、星形、环形、树形介质访问方法

CSMA/CD 、 Token-passing

信号传输形式基带、宽带

以上三种技术决定了局域网的特征

LAN 典型拓扑结构

总线型 : 所有结点都直接连接到共享信道星型 : 所有结点都连接到中央结点环型 : 节点通过点到点链路与相邻节点连接

Bus

StarRing

A B C

A

D

C

B

A B C

A

T

3. 局域网体系结构

局域网的标准： IEEE802 （ ISO8802 ） IEEE802 是一个标准系列： IEEE802, IEEE802.1 ～ IEEE802.14

其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层

网络层

数据链路层

物理层

逻辑链路控制 LLC

介质访问控制 MAC

高层

OSI IEEE 802

物理层 PHY

由 TCP/IP 和 NOS 实现IEEE802 描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务

和接口

IEEE802 标准系列中的主要标准

802.2 - 逻辑链路控制802.3 - CSMA/CDCSMA/CD （以太网）（以太网） 802.4 - Token Bus Token Bus （令牌总线）（令牌总线）802.5 - Token RingToken Ring （令牌环）（令牌环）802.6 - 分布队列双总线分布队列双总线 DQDB -- MANDQDB -- MAN 标准标准802.8 – FDDIFDDI （光纤分布数据接口）（光纤分布数据接口）802.11 – WLAN （无线局域网）

IEEE802 体系结构示意图

数据链路层在不同的子标准中定义分别对应于 LLC 子层和 MAC 子层

… …802.3

CSMA/CD

802.4Token

Bus

802.5Token Ring

802.6DQDB

802.8FDDI

802.2 LLC

数据链路层

物理层

LLC

MAC

802.1D Bridge8 0 2

体系结构

PHY

网际互联

局域网的物理层

功能：位流的传输；同步前序的产生与识别；信号编码和译码。

IEEE802 定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。

两个接口：连接单元接口（ AUI ）－可选，仅用于粗同轴电缆介质相关接口（ MDI ）

屏蔽不同介质的特性，使之不影响 MAC 子层的操作

局域网的数据链路层

按功能划分为两个子层： LLC 和 MAC功能分解的目的：

将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。

解决共享信道 ( 如总线 ) 的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。LLC ： 与介质、拓扑无关； MAC ：与介质、拓扑相关。

局域网的数据链路层的特点：局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播；支持介质访问控制功能；提供某些网络层的功能，如网络服务访问点 (SAP) 、多

路复用、流量控制、差错控制、 ...

MAC 子层功能：实现、维护 MAC 协议，差错检测，寻址。

LLC 子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧 / 拆帧、建立 / 释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。对不同的 LAN 标准，它们的 LLC 子层都是一样的，区

别仅在 MAC 子层（和物理层）。

PA

LLC 的帧结构

DSAP

SSAP 控制域 数据

1 1 1/2 长度可变 单位：字节

高层 PDU

LLC 首部 LLC 数据

IEEE802 LAN的封装过程：

LLC帧

MAC帧

MAC 数据

分组

介质上传输的帧

MAC 首部 MAC尾部

MAC尾部MAC 数据MAC 首部

局域网的网络层和高层

IEEE 802 标准没有定义网络层和更高层：没有路由选择功能

局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据

链路层完成网络层和更高层通常由协议软件（如 TCP/IP

协议、 IPX/SPX 协议）和网络操作系统来实现。

8.2 介质访问控制方法

局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道。问题：各站点如何访问共享信道？如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？

解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。两类介质共享技术：

静态分配（ FDM 、 WDM 、 TDM 、 CDM ）不适用于局域网

动态分配（随机接入、受控接入）CSMA/CD 、 Token-Passing

信道共享技术分类

信道共享技术

TDM

FDM

STDM ATDM

随机访问 受控访问

CSMA CSMA/CD 集中控制 分散控制

轮询 令牌

静态分配

动态分配

以太网 令牌环网

WDM CDM

局域网中的介质访问控制方法

常见的有两种：载波检测多路访问 /冲突检测（ CSMA/CD ）

Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法

令牌传递（ Token Passing ）Token RingToken BusFDDI

采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法

1. CSMA/CD

多个站点如何安全地使用共享信道？最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否可以立即发送？

若有多个站点都在等待发送，必然冲突！解决：等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率）

若信道忙，如何处理？继续监听：

等到信道空闲后立即发送等到信道空闲后等待随机时间后再发送

等待一段随机时间后再重新检测信道一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？

以上方法均无法处理！

CSMA/CD— 带冲突检测的载波监听多路访问用于 IEEE802.3 以太网工作原理：

发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（ Jam ）；

发送 Jam 信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。

等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。归结为四句话：

发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。

CSMA/CD 操作的流程图

媒体忙？

发送帧

碰撞？发送完？

发送 Jam

N≥16?

Yes

NoNo

Yes

发送成功

Yes

发送失败

No

延迟随机时间

No

Yes

发送

碰撞次数 N+1

站点1

站点2

距离L

t a

0t

2t a

传播时延t

CSMA/CD 协议的时间槽

时间槽——能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）

若两站点之间传播时延为 a ，则时间槽＝ 2a 。如下图所示：

t a

站点 2发送帧

碰撞站点 1 在 t ＝ 0 时发送帧

2t a

站点 2停止发送

当 δ→0 时，将不会再发生冲突。这时，时间槽→ 2a 。

时间槽的意义：一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本

次发送不会再发生冲突；时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系！

以太网中，时间槽＝ 51.2µs传输速率＝ 10Mb/s时，一个时间槽内可发送 512bits ，即

64 字节（所以也称一个时间槽长度为 64 字节） 。由此可知：

1. 冲突只可能在一帧的前 64 字节内发生；2. 帧长度小于 64 字节时，将无法检测出冲突；

∴以太网规定，最小帧长度为 64 字节3. 长度小于 64 字节的帧（碎片帧）都是无效帧。

想一想：什么情况下会产生碎片帧？

与时间槽相关的几个网络参数

采用 CSMA/CD 的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率 R 、网络跨距 S 、最小帧长Fmin 三者之间必须满足一定的关系：

Fmin＝ kSR k: 系数可以看出：

最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。

非常重要的结论！

退避时间的确定（退避算法）

CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法算法如下：

1. 令基本退避时间 T=2a （即时间槽长度）；2. k=min （重传次数， 10 ）；3. r= 在 [0, 1, …, (2k-1)] 中随机取一个数；4. 退避时间 =rT 。

限定最大重传次数＝ 16 ，若发送 16 次仍不成功，则发送失败。

CSMA/CD 的优缺点

控制简单，易于实现；网络负载轻时，有较好的性能：

30％－ 40％以内延迟时间短、速度快

网络负载重时，性能急剧下降：70％－ 80％以上冲突数量的增长使网络速度大幅度下降

2. 令牌传递（ Token Passing ）

A

B

D

C

站点

干线耦合器

单向环

点到点链路

主要用于 IEEE802.5 令牌环网 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环

Token Ring/802.5 的操作

哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（ TOKEN ）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待；

拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；

目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令

牌，使其余的站点能获得帧的发送权。

Token Ring/802.5 的操作举例

A T = 0T = 0

T

（ c ）帧循环一圈后 ,A将数据帧回收并放出空令牌

A T = 0T = 0T

Data

（ a ）

A有数据要发送 , 它抓住空令牌

（ b ）

A T = 1T = 1

A将令牌修改为数据帧头 , 并加挂数据发送

T DataC

Data 目的站点从环上拷贝数据

T DataC

T DataCT DataC

IEEE802.5 的帧结构

令牌帧

数据帧 /控制帧 起始 访问控制 帧控制 目的地址 源地址 数据 FCS 结束帧状态1 1 1 2/6 2/6 ≥ 0 4 1 1

P P P T M R R R

优先级位

令牌位

监督位

预约位

起始 访问控制 结束1 1 1

访问控制字段包括： 优先级位与优先级预约位。 令牌位：帧类型标识。 0：令牌帧； 1：信息 /控制帧 监督位：防止无效帧无限循环。

令牌环网的实际结构——星型环路

AB C

D E

集线器

8.3 传统以太网

以太网的产生与发展以太网的产生与发展70年代中期由施乐公司（ Bob Metcalfe ）提出，数据

率为 2.94Mb/s ，称为 Ethernet （以太网）最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的

经 DEC, Intel 和 Xerox公司改进为 10Mb/s 标准（ DIX标准）DIX V1DIX V1 （（ 19801980 ）、）、 DIX V2DIX V2 （（ 19821982 ）－）－ Ethernet IIEthernet II特征：基带传输、总线拓扑、 CSMA/CD 、同轴电缆、同轴电缆

19851985年被采纳为年被采纳为 IEEE 802.3 ，支持多种传输媒体。“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”

Ethernet II 和 IEEE 802.3二者区别很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同

目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展 …

一种在以前被假定为电磁波的传播介质，具有绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特性。

IEEE 802.3 以太网标准（主要的）

传统以太网： 10Mb/s• 802.3 —— 粗同轴电缆• 802.3a —— 细同轴电缆• 802.3i —— 双绞线• 802.3j —— 光纤

快速以太网（ FE ）： 100Mb/s• 802.3u —— 双绞线，光纤

千兆以太网（ GE ）： 1000Mb/s （ 1Gb/s ）• 802.3z —— 屏蔽短双绞线、光纤• 802.3ab —— 双绞线

万兆以太网（ 10GE ）： 10Gb/s• 802.3ae —— 光纤

以太网的物理层选项与标识方法• 速率、信号方式、介质类型

速率（ Mb/s ） 基带或宽带Base ， Broad

每段最大长度（单位 :百米）或介质类型（ T ， F ， X ）

10 Base 5

传统以太网• 10Base5 粗同轴• 10Base2 细同轴• 10Base-T UTP • 10Base-F MMF

快速以太网和千兆以太网• 100Base-T UTP• 100Base-F MMF/SMF• 1000Base-X STP/MMF/SMF• 1000Base-T UTP

Ethernet/802.3 操作 任何站点发送数据时都要遵循 CSMA/CD 协议； 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）； 只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据； 目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。

A B C

A

C 发送帧，目的地址为 A

A B C

A 复制该帧A

信号由终端电阻吸收

A B C

C 发现网络空闲

终端电阻

A B C

B 忽略该帧

A

Ethernet / IEEE802.3 帧格式

PR ： 前导码 - 10101010 序列，用于使接收方与发送方同步SFD ： 帧首定界符 – 10101011 ，表示一帧的开始DA/SA ：目的 /源MAC 地址LEN ： 数据长度（数据部分的字节数），取值范围： 0-1500

Type ： 类型，高层协议标识LLC-PDU （ Data ）：数据，最少 46 字节 , 最多 1500 字节，不够时以 Pad填充 Pad ： 填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于 64 字节FCS ： 帧校验序列（ CRC-32 ）

6 6 2 46-1500 4 字节

FCSSA TypeDA Data Pad Ethernet

IEEE 802.3

2/6 2/6 2 46-1500 4 字节FCSSA LENDA LLC-PDU Pad

校验区间64-1518 字节

PR SFD

7 1

PR SFD

7 1

用途：保证帧长≥ 64字节

MAC 地址

又称为物理地址，它是网络站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。注意：MAC 地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理

层。网络站点的每一个网络接口都有一个MAC 地址。

MAC 地址大多固化在网络站点的硬件中。一个站点允许有多个MAC 地址，个数取决于该站点

网络接口的个数。例如：安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。

网络接口的MAC 地址可以认为就是宿主设备的网络地址。

IEEE802.3标准规定：MAC 地址的长度为 6个字节，共 48位；

可表示 246≈70 万亿个地址（有 2位用于特殊用途）高 24位称为机构惟一标识符OUI ，由 IEEE 统

一分配给设备生产厂商；如 3COM公司的 OUI=02608C

低 24位称为扩展标识符 EI ，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。

也可以是 2个字节，但这种格式的地址很少使用。

I/G OUI （ 22 位）G/L EI （ 24 位）

0=全局管理地址1= 本地管理地址（一般不用）0= 单播地址1= 组播地址

MAC 地址的三种类型：单播地址：（ I/G ＝ 0 ）

拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点。——点对点传输

多播地址：（ I/G ＝ 1 ）拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的

一组站点。——点对多点传输广播地址：（全 1 地址， FF-FF-FF-FF-FF-F

F ）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。——

广播传输注意，以上分类只适用于目的地址。

同轴电缆以太网

粗缆以太网（ 10BASE5 ） 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送 / 接收 , 冲突检测 , 电气隔离

总线型拓扑 粗缆收发器

AUI 电缆

NIC

Vampire tap

最大段长度 500m每段最多站点数 100

≥2.5m

网络最大跨度 2.5km

网络最多 5 个段 终端匹配器

细缆

BNC 接头

NIC

细缆以太网（ 10Base2 ） 细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器 轻便、灵活、成本较低 总线型拓扑

每段最大长度 185m每段最多站点数 30

≥0.5 m

网络最大跨度 925 m

网络最多 5 个段 终端匹配器

双绞线（ UTP ），两头压接 RJ45 连接器； 所有站点都与 HUB （集线器）相连接；

• HUB 的作用：信号放大与整形 星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。 轻便、安装密度高、便于维护

NIC

HUB

每段最大长度 100m

多台 HUB级连可以支持更多站点

双绞线以太网（ 10Base-T ）

双绞线的连接标准在以太网的标准中， 10Mbps 与 100Mbps 双绞

线系统采用相同的线序： 1 、 2 两根线为一对，3 、 6 两根线为另一对。

色标 Pin# Signal白橙 1 TD+橙 2 TD-白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用

1 2 3 4 5 6 7 8

当两个 HUB 连接时，要使用交叉连接方法。两台微机直接连接时，也可参考此接法。

光纤以太网 使用光纤介质；

• 两根 62.5/125μm 多模光纤，收发各一根 星形拓扑结构； 通常用于远距离网络连接； 主要类型：

• FOIRL （光纤中继器间链路） 用于连接两个 HUB （或中继器） 链路间最大距离 1 km

• 10Base-FL （用以替代 FOIRL ） 链路间最大距离 2 km 任意两节点间的中继器数≤ 6 个

光纤与其他介质可使用介质转换器进行转换介质转换器是可连接不同介质的中继器

全双工以太网

只能在双绞线和光纤链路上实现；收、发使用了不同的物理信道

不再使用 CSMA/CD 机制，因此传输距离不受时间槽的限制；但要受到信号衰减的影响

全双工操作的条件：使用双绞线或光纤；链路两端的设备都必须支持全双工操作；

支持全双工的设备包括全双工网卡、网络交换机。

8.4 局域网扩展

什么情况下需要扩展？网络范围扩大更多的站点加入网络多个独立的局域网进行互联

如何扩展？主要在三个层次上

物理层数据链路层网络层

在物理层上进行局域网扩展设备：

总线网：中继器星形 / 环形网：集线器

特点：一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个网段；扩展后的网络仍是一个冲突域。

优缺点：简单、成本低网络规模不能太大

站点数量：冲突随站点数量的增多而变得越来越严重地域范围：时间槽的限制

只能互联相同类型的网络

例：从分离的部门网络到统一的企业网络

集线器 集线器 集线器 集线器

人力资源部 市场部 技术开发部 财务部

主干集线器

集线器

人力资源部

集线器

市场部

集线器

技术开发部

集线器

财务部

在数据链路层上进行局域网扩展设备：

网桥、交换机特点：

一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段；扩展后的网络被网桥 / 交换机隔离成多个冲突域；扩展后的网络仍是一个广播域。

优缺点：冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；地域范围不再受时间槽的限制；

远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上转发速度有所降低；不能隔离广播帧。

在链路层上扩展局域网

网桥 /交换机

独立的冲突域

网段1

HUB

网段2

HUB

广播域

在网络层上进行局域网扩展设备：

路由器特点：

一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络；扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。

优缺点：隔离广播域，限制了广播帧的泛滥；地域范围可以任意扩展；能根据最佳路由转发分组；可以互联不同类型的网络；转发速度低，成本较高，维护复杂。

财务部

集线器

技术开发部

集线器

市场部

集线器

人力资源部

集线器

在网络层上扩展局域网

技术开发部

路由器

集线器

财务部

路由器

集线器

市场部

路由器

集线器

路由器

人力资源部

集线器

企业网 / 广域网

8.5 高速局域网

10Mb/s满足应用要求吗？从 10Mb/s向 100Mb/s 、 1000Mb/s迁移

起因：对主干带宽的需求80年代末开始，直到今天仍未停止主要产品

FDDI快速以太网100VG-AnyLAN千兆以太网、万兆以太网

最终胜利者是谁？关键：兼容 (保护投资 ) 、灵活、简易、技术成熟

传输速率为 100Mb/s 的以太网，比传统以太网快 10倍标准为 IEEE802.3u拓扑结构为基于集线器的星形结构；传输介质只支持双绞线和光纤；帧结构和介质访问控制方式沿用 IEEE802.3 标准，网络覆盖范围最多 200米。

提供了 10/100Mb/s 自适应功能； IEEE802.3u定义了 4 种不同的物理层标准

100Base-TX ：使用两对 5类双绞线100Base-FX ：使用 62.5/125μm 多模光纤100Base-T4 ：使用四对 3类双绞线100Base-T2 ：使用两对 3类双绞线

1. 快速以太网（ Fast Ethernet， FE ）

100Base-TX的拓扑结构

max. 5mHUB HUB

任意两个站点间最多允许 3

个链路段

工作站 工作站

max. 100m

100Mbps Ethernet

100Base-T 传输介质  100BASE-TX 100BASE-

FX100BASE-T4

传输介质 2 对 ， STP

2 对， 5类UTP

2 条光纤 4 对， 3 、 4 或 5类 UTP 

信号技术 MLT-3 MLT-3 4B5B 、 RZI 8B6T 、 NRZ 

数据速率 100Mbps 100Mbps 100Mbps 100Mbps 

单线长度 100m 100m 100m 100m 

网络跨度 200m 200m 400m 200m 

100Base-TX

物理层：两对双绞线连接，电缆最长 100米125MHz 的信号在传输过程中衰减过大MLT-3编码方案

将传输信号的能量集中在 30MHz以下，增强抗干扰能力 采用 3 种水平电压：一个正电压 (+V)、一个负电压 (－ V)、 一个零电压 (0)，编码规则为：

如果下一个输入位是 0 ，下一位输出值与前面的那一位一样。如果下一个输入位是 1，下一位输出值将包含一个跳变：如果前一位的输出是＋ V或－ V，下一位的输出是 0 ；如果前一位的输出是 0 ，下一位的输出是非 0 。其符号与最近的那个非 0 输出的符号相反。

MLT-3 编码方案

100Base-TX

编码的基本步骤把 4B5B/NRZI 信号转变回 NRZ 信号；经过扰频技术产生一个更一致的频谱分布。扰频后的比特流用 MLT-3编码。

常用的编码位串 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1

NRZ-L码

NRZ-I码

双极性码

曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

4B5B编码 把每个 4 bit 表达为一个 5 bit 的符号

4B/5B编码在采用 NRZ-I码 (占用频带较窄 ) 时 , 连续出现的

0码过多 , 会使通信因缺少信号跃变而丢失位同步 , 采用 4B/5B编码的目的就是避免在传输的位流中出现连续 3 个以上的 0 。

0 11110 1 010012 10100 3 101014 01010 5 010116 01110 7 011118 10010 9 10011A 10110 B 10111C 11010 D 11011

E 11100 F 11101

100Base-FX

使用两条光纤。一条用于发送，一条用于接收。为了保证站点能够检测到冲突，限制媒体的跨段距离

最长可达 415米。采用 4B/5B- NRZI码编码方案，为了转换成光信号，

采用了强度调制技术： 1 用一个光脉冲表示， 0 用无脉冲或极小强度的光脉冲表示

100Base-T4

为了在低质量的 3类 UTP 上提供 100Mbps 的数据速率而设计的。

采用了 4对双绞线，其中三对用于数据传输，另外一对用于冲突检测，所连接的网段的长度最长为 100米

源数据流被分割成 3条，每条的有效速率为 33.3Mbps。

100Base-T4

100BASE-T4采用 8B6T 块编码方案。每个信号（三元信号）有三种取值（正电压、负电压、零电压），编码的数据以 8 比特组成的块来处理，映射成一个 6 比特的块，其中每个比特用一个三元信号来表示，映射出来的比特流轮流在三条输出信道上传输

MBaud25

3

133

8

6

位元 “ 00100110” 转换为 “ +00-00”

8B6T编码范例

快速以太网的应用主干连接需要高带宽的服务器和高性能工作站

网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站向桌面系统普及

10Mb/s

10M HUB

企业网

100Mb/s100M HUB

100Mb/s

服务器

100Mb/s

小型机

100Mb/s

100M HUB

共享式以太网存在的主要问题

覆盖的地理范围有限以太网覆盖的地理范围随网络速度的增加而减小

网络总带宽容量固定以太网的固定带宽被网络中的所有节点共同拥有节点增加，冲突概率增大，带宽浪费也越严重

不能支持多种速率以太网的传输介质是共享的

交换的提出

共享以太网存在的问题的解决方法：分段何谓分段？

将大型以太网分割成两个或多个小型以太网每个段使用 CSMA/CD介质访问控制方法维持段内

用户的通信段与段之间通过“交换”设备沟通交换设备在一段接收信息，经处理后转发给另一段

利用集线器组成的大型共享式以太网

利用集线器组成的大型共享式以太网

交换设备的类型

交换设备有多种类型

常见的交换设备

局域网交换机：工作于数据链路层，连接较

为相似的网络

路由器：工作于互联层，实现异型网络互联

以太网交换机组网

将一台计算机直接连到交换机端口

该计算机独享该端口提供的带宽

将一个网段连到交换机端口

该网段上的所有计算机共享该端口提供的带宽

以太网交换机的工作过程

数据转发方式

直接交换测到目的地址字段，立即转发

存储转发交换完整地接收整个数据，对数据进行差错检测

改进的直接交换接收数据头部，判断头部字段是否正确

地址学习

建立端口 /MAC 地址映射表需要解决的问题交换机怎样知道哪台计算机连接哪个端口交换机怎样维护地址映射表以保持其“新鲜”

地址学习读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口（节点只要发送

信息，交换机就能建立该表项）利用计时器维护表项的“新鲜”性

通信过滤

目的：隔离本地信息，避免不必要的数据流动

方法：

利用端口 /MAC 地址映射表和帧的目的地址决定是

否转发或转发到何处

如果地址表中不存在帧的目的地址，交换机则需要

向除发送端口以外的所有端口转发

通信过滤举例

生成树协议

交换机级联是否可以出现环路？集线器级联不能出现环路（无论是水平还是树型结构）

交换机级联可以出现环路（交换机执行生成树协议）

生成树协议通过实现生成树协议相互的交换信息

利用交换的信息将网络中的环路断开

逻辑上形成一种树型结构

按照逻辑结构转发信息

生成树协议举例

虚拟局域网 VLAN

什么是虚拟局域网？

将局域网上的用户或节点划分成若干“逻辑工作组”

逻辑组的用户或节点可以根据功能、部门、应用等因

素划分而无须考虑它们所处的物理位置

利用以太网交换机就可以配置 VLAN

利用共享式以太网需要做些什么？

一个逻辑工作组的站点需要移

到另一个逻辑工作组（如站点

从 LAN1移动到 LAN3 ）

一个逻辑工作组的站点需要物

理位置的移动（如 LAN1 中的

站点从 1楼移动到 3楼）

移动站点的物理位置或逻辑工

作组有时需要重新布线

利用共享式以太网需要做些什么？

一个逻辑工作组的站点需要移

到另一个逻辑工作组（如站点

从 LAN1移动到 LAN3 ）

一个逻辑工作组的站点需要物

理位置的移动（如 LAN1 中的

站点从 1楼移动到 3楼）

以软件方式实现逻辑工作组的

划分与管理

VLAN 的组网方法

静态 VLAN

交换机上的 VLAN 端口由管理员静态分配这些端口保持这种配置直到人工改变它们

动态 VLAN

交换机上 VLAN 端口是动态分配的分配原则通常以 MAC 地址、逻辑地址或数据包的协议类型为基础

在一台交换机上配置 VLAN

跨越多台交换机的 VLAN

VLAN 的优点

减少网络管理开销

控制广播活动

提供较好的网络安全性

利用现有的集线器以节省开支

千兆位以太网（ Gigabit Ethernet ， GE ）技术进步的必然

新的应用网络分布计算、计算机视频、网络存储

快速以太网的迅速普及要求主干有更高的带宽

两个主要标准IEEE 802.3z ， 1998.6正式公布

1000Base-SX ， MMF/550m1000Base-LX ， SMF/5000m1000Base-CX ，屏蔽短铜缆 /25m

IEEE 802.3ab ， 1999.6正式公布1000Base-T ， UTP/100m

2. 千兆位以太网和万兆位以太网

千兆位以太网的特征1000Mb/s ，全双工或半双工沿用 10Mb/s 传统以太网帧格式半双工仍使用 CSMS/CD协议兼容 10Base-T 和 100Base-T节点能力的自动协商

速率提高到 1000Mb/s时的网络跨距问题：为保持兼容，半双工时的最小帧长度仍规定为 64字节，导致网络跨距缩短为不足 20米，实用价值大大降低！

解决方法：1. 将时间槽扩展为 512字节（是以前的 8倍）；2. “载波扩展”技术：帧长不足 512字节时，在其后填充特殊的符号至 512字节；（想一想，是否完美？）

“帧突发”技术：允许站点连续发送多个短帧解决短帧较多时网络传输效率低的问题

短帧较多时将使网络传输效率大大降低。极端情况下，只有正常时的 12%。使用“帧突发”技术后，效率可提高到 72%，达到快速以太网的 95％。

链路两端的节点必须各自向对方通告自己的能力（速度、物理层类型、半 /全双工）并自动选择合适的工作模式。

千兆以太网的工作参数

2/6 2/6 2 46-1500 4 0-448 字节

≥64 字节

≥512 字节

FCSSA LEN/TypeDA LLC-PDU/Data Pad 载波扩展

参数 千兆以太网 快速以太网 传统以太网 时间槽 (载波扩展 ) 512字节时间 64 字节时间 64 字节时间

帧间间隔 0.096μs 0.96μs 9.6μs

重发上限 16 16 16

回退上限 10 10 10

拥塞序列长度 32位 32位 32位 最大帧长度 1518字节 1518字节 1518字节 最小帧长度 64字节 64字节 64字节

突发长度上限 8192 字节 － －

当帧长小于 512字节时，需填充“载波扩展”符

号

千兆以太网的物理层技术

1000Base-X 信号编码与解码 1000Base-T信号编码与解码

1000Base-CX短铜缆收发器

1000Base-LX1300nm

长波光纤收发器

1000Base-SX850nm

短波光纤收发器1000Base-TUTP 收发器

25米2对

短屏蔽铜缆

5000米9μm

单模光纤

550/220米50/62.5 μm多模光纤

100米4对

5类 UTP

MAC子层（全双工 /半双工）

更高层

千兆位介质无关接口（ GMII）

千兆以太网的拓扑结构在半双工方式时，网络跨距减小很多：

任意两个站点间最多只能有一个中继器在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器的特性

有关：站点间允许有多台千兆设备，可以构造较大范围的网络

千兆位路由器

千兆位交换机 千兆位交换机

10/100Mbps交换机

10/100Mbps交换机

千兆位交换机 千兆位交换机

千兆位路由器

千兆以太网的应用交换机到交换机的连接或园区网之间的主干连接，例如

两个校区之间的链路；将网络交换机之间的 10/100M 链路用 1000M 链路代替，可以显著地提高网络的整体性能。

具有高带宽需求的服务器集群或某些高性能工作站与网络主干之间的连接；

通过网络服务器中配置的千兆以太网卡，可以建立与交换机之间的 1000M 连接，极大地提高了服务器的传输带宽。

企业网络或园区网络的主干；千兆位以太网交换机能同时支持多台 100Mbit/s 交换机、路由器、

集线器和服务器等设备。同时，以千兆位以太网交换机为核心的主干网络能支撑更多的网段，每个网段有更多的节点及更高的带宽。

多机系统主机之间的互联。

万兆位以太网万兆位以太网的特征

传输速率为 10Gb/s ；保留了 802.3 的帧格式、最大帧长度和最小帧长度；不再使用 CSMA/CD协议；只能工作在全双工方式；只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；支持两种类型的物理层： 10Gbit/s 局域网物理层和 10Gbit/s 广域

网物理层：多个万兆位以太网可以通过 SONET/SDH 网络实现广域连接，使用

单模光纤时端到端的传输距离可达上百公里。 标准： IEEE 802.3ae ， 2002年公布

局域网物理层：10GBase-X 和 10GBase-R ， MMF:300m ， SMF:几十 km ；

广域网物理层：10GBase-W ， SMF:几百 km 以上。

速度提高到 10Gb/s 所遇到的问题：不采用特殊措施，网络跨距将只有 2米；若使用“载波扩展”（帧长至少 4096 字节），短帧

的传输效率将降低到 1.5 ％；同时使用“帧突发”，最大效率也只能达到 30％；“载波扩展”的额外开销使吞吐率下降，冲突概率增大。

解决方法：前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本

抛弃 CSMA/CD ，只工作在全双工方式；只使用光纤介质（双绞线目前成本太高）。

万兆位以太网的应用主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与

端用户的直接连接。

3. FDDI （ Fiber Distributed Data Interface ）

传输速率为 100Mb/s ； 网络由光纤介质的双环构成，可靠性高； 介质访问控制方法采用 Token Passing ； 网络覆盖范围较大（几十 km ～几百 km ）。 FDDI 的拓扑结构

集中器 集中器

服务器

主环 次环

FDDI

DAS

SAS

SAS: 单连站DAS: 双连站

FDDI 环的连接方式DAS

DAS

DAS

DAC

SAS

SAC

SAS SAS

次环

主环

1. 使用基于 IEEE 802.5 令牌标准的令牌传递MAC协议2. 使用基于 IEEE 802.2 LLC协议，因而与 IEEE802 局域网兼容3. 利用多模光纤进行传输，并使用有容错能力的双环拓扑4. 数据率为 100Mb/s, 光信号码元传输速率为 125 Mbaud5. 1000 个物理连接（若都是双连接站，则为 500 个站）6. 最大站间距离为 2km （使用多模光纤），环路长度为 100km ， 即光纤总长度为 200km 。7. 具有动态分配带宽的能力，故能同时提供同步和异步数据服务8. 分组长度最大为 4500字节

FDDI 主要特点：

FDDI 环形网

802.3

802.3

802.4

802.5

网桥

FDDI 的自修复功能正常情况下，仅主环工作，次环用于备份。当主环出现故障时， FDDI 在能够自动重新配置，使网络流量绕过主环中的故障点从备份环中通过。

FDDIA C

B

D

正常情况下数据通过主环传输

FDDIA C

B

D

主环故障时数据从次环绕过

FDDIA C

B

D

站点故障时数据从次环绕过

FDDI 的优缺点主要优点：

令牌传递协议消除了数据冲突；双环结构提供了优秀的容错能力；内建的网络管理能力；令牌传递协议能保证预知的、确定的时延；在现有的 100Mbit/s 的网络技术中，其网络覆盖范围最大，适用

于大型 LAN 和 MAN 。主要缺点：

协议比较复杂；安装和管理相对困难；价格昂贵，与快速以太网和千兆以太网相比，性能价格比低；与广泛使用的以太网之间进行互联比较困难。

8.6 无线局域网

无线局域网 (Wireless Local Area Network ) 是指以无线电波、红外线来代替有线局域网中的传输介质，进行数据的传输，它不用像前面所介绍的有线局域网一样为了网络连接而要铺设物理传输介质，摆脱了有形传输介质的束缚，使网络的移动和接入变得更加自由和灵活。

当前，无线局域网运用的越来越广泛，其标准是 IEEE802委员会 1997年公布的 IEEE802.11无线局域网标准。

无线联网的优越性㈠----可移动性

1． 网内任用户在一定地域范围内改变其工作地点时，随身携带他的终端或计算机到一个新的地方，不用考虑和网络的连接问题。

2． 用户在一定地域范围内，可以在移动体上操作他的终端或计算机，在一定速度的行进中保持与网络的连接与通信。

3. 整个网络需要从一个地域搬到一个新的地域时，尽管将它的全部用户终端或计算机搬到新地域内的所需位置即可，不需考虑重新联网。

无线联网的优越性㈡----低成本性

1．不需要有线介质（双绞线、同轴电缆、光纤等）。

2．不需要通信线路铺设中的其它辅助设施（架空线杆、地下管道、建筑物内线管和线槽等）费用。

3．不需要线路铺设施工（架杆、挖沟、凿洞、穿线等）费用。

4．不需要线路及线路设施的维护费用等。

无线联网的优越性㈢----特殊环境应用

1． 在经常流动（改变工作地域）的企事业单位（如桥梁、道路建设单位和部门）或军事作战现场，使用有线联网通信显然不便。即使网络中有个别需要经常流动的用户也是如此。

2． 络节点间有海洋、湖泊或严重布线障碍物的场合，有线联网异常困难并导致建网投资过于重大。

3． 建筑物内的网络铺设难免造成对建筑物的破坏，这在一些特殊情况下也是不能轻易容许的。象在一些历史古建筑内的建网，尤其应考虑有线联网施工中对建筑物的可能破坏。

无线网络的应用㈠ ---无线解决方案

● 无线个人网（ WPAN ） 无线个人网主要用于个人用户工作空间，典型 距离覆盖几米，可 以与计算机同步传输文件，访问本地外设。目前主要技术包括蓝 牙（ Bluetooth ）和红外（ IrDA ）。

● 无线局域网（ WLAN ） 而无线局域网主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型 距离覆盖几十米至上百米。目前主要技术为 802.11 系列。

● 无线 LAN-to-LAN 网桥

无线 LAN-to-LAN 网桥主要用于大楼之间的连网 通信，典型距离可 达几公里。许多无线网桥采用 802.11b技术。

● 无线城域网 (WMAN) 和无线广域网（ WWAN ）

无线城域网和广域网覆盖城域和广域环境，目前多采用 CDPD 等技术，主要用于 Internet/E-mail访问，但提供的带宽低很多。

无线网络的应用㈡ ----无线应用领域

公众服务 企业内部网 校园网 地理位置较特殊的政府机构等 目前在国内，北京、上海、广州和深 圳

是WLAN应用最为普及的城市。涉及到酒店、宾馆、会展中心和机场等公众场所。

无线网络的应用㈢ ---典型应用举例

●上海市电信公司 "天翼通 " 无线网络服务

“天翼通”业务是上海市电信公司为拥有笔记本电脑或PDA 的用户提供的在家庭、公共区域及公司无线上网的新型服务项目。用户申请办理成为“天翼通”用户之后，就可以利用笔记本电脑、台式机在上海电信所布网的休闲中心、咖啡吧等公共区域上网或者与公司网络实现远程沟通，实现真正有效的网络移动办公。

无线网络的发展历史

早期无线网络主要用于一些象军事、海上作业等 一些特殊场合。限制无线网发展速度的原因主要有以 下几点： 1. 早期的计算机庞大，一般不做移动使用； 2. 无线发送接收设备比较昂贵； 3. 无线传输技术与性能（可靠性，速率等）方面的限 制。 近年来，微型机的大量普及，以及笔记本计算机， 掌上机等大量便携机的出现，人们对移动体访问网络 提出迫切的要求，无线网络的研究受到空前的重视。

1 大型机联网阶段

2 微型机联网阶段

3 移动计算互联网 一．利用蜂窝电话网访问互联网

二．采用移动分组交换网访问互联网

三．利用无线局域网访问互联网

大型机联网阶段

二十世纪 50年代到 70年代，当时的计算机多是配置有大量时分终端的大型计算机。此阶段的计算机通信主要表现以下两个方面：● 终端用户与其主计算机的信息交换；● 若干大型计算机间通信以实现资源共享。 此阶段的典型例子是夏威夷大学于己于 1970年建成并投入运行的无线计算机网─ AlohaNet。

大型机联网阶段

TTY

CRT

小型机

绘图仪

TTY PCU

TCU

集

中

器 TCU

TCU

TTY

TTY

中继

器

中继

器

TCU

CRT

AlohaNet 中心GATEWAY

广域网 有线局域网 大型机 / 服务器

图 AlohaNet 网络结构示意图

TCU 是终端控制单元PCU 是

可编程控制单元

AlohaNet 网络的主要特点与指标：● 采用有中心的拓扑结构● 设上行（各分站到中心站）和下行（从中心 站到各分站两个广播信道● 上行信道 407.35MHz ，下行信道 413.475MHz● 全双工传输，数据速率 9.6Kb/s● 接入方法： Aloha 信道接入协议

微型机联网阶段

二十世纪 80年代到 90年代。典型的无线联网主要有两种：

● 无线分组交换网 ● 自组无线局域网

无线分组交换网

图 微机无线联网 （ a ）无线分组交换网结构示意图

中心站 C 主计算机 地面分组交换网

中继器 移动站

自组无线局域网

图 微机无线联网（ b ）自组无线无线局域网（ WLAN ）

可移动站 (便携机 )

可移动站 (微型机 )

移动计算互联网络

当前用户上 INTERNET 网方式绝大多数采用有线连接，具体形式有模拟电话线拨号上网、专用网（局域网）接入上网、 ISDN 或 ADSL 线路上网、其它数字专线上网等。

移动计算互联网络的最终目的是能够使得人们携带着他的便携式计算机，无论走到世界哪一个地方（互联网可达到），借助无线媒体，都可以和在自己家里一样，保持与网络的联系。

目前用户在移动环境下对互联网的访问是可能的。实现移动计算网络，人们通过无线介质对互联网的访问方式不会是单一的，目前主要有直接利用蜂窝电话网、利用专用移动分组交换网和利用无线局域网几种可能。

一．利用蜂窝电话网访问互联网

移动电话交换网

其他公共网或互联网

便携机 MODEM 移动电话 蜂窝网基站

便携机 MODEM 移动电话

图 利用蜂窝移动电话交换网访问互联网

移动计算互联网络

二．利用采用移动分组交换网访问互联网

专用分组交换网

其 它 公 共 网 或 互 联 网

计算机 分组 MODEM 分组网基站

计算机 分组 MODEM

图 利用专用移动分组交换网访问互联网

移动计算互联网络

三．利用无线局域网访问互联网

交换机

其它局域网

固定站 固定站

WLAN 有线骨干（局域）网

广域网路由器 固定站

广 域 网 无线网络桥接器 AP WLAN

图 利用无线局域网访问互联网

移动计算互联网络

无线网络传输方式

无线局域网的传输方式与其所采用的传输媒体、所选择的载频波段及所使用的调制方式有关。 目前有两种无线传输媒体： ● 无线电波传媒 ● 红外线传媒 在无线电波传媒下的调制方式有两种： ● 窄带调制方式 ● 扩展频谱方式

窄带调制方式

基带信号 射频调制发射

利用无线电波作为传输媒体，窄带调制把欲发送数据的基带数字序列经过射频调制器，将其频谱搬移到一个便于无线发射的很高的载频上。所谓窄带，是指经过调制后的信号（已调波）的占有频带的宽度相对很高的载频来说是很窄的。

窄带调制的无线局域网一般选用专用微波波段，须先提出申请，经过国家无线电管理部门的许可才能使用。

窄带调制设备一般发射信号功率（或能量）较大，会对其他系统中的同频接收设备形成干扰。

扩展频谱方式

基带信号 射频调制发射扩展频谱

扩展频谱方式也是利用无线电波作为传输媒体的一种传输信号形成方式。它是在将基带数字序列信号进行射频调制之前，先进行频谱的扩展。

扩展频谱过程一般将原基带数字序列信号的频谱扩展几倍到几十倍，经过射频调制后的发射信号的频带宽度也比窄带调制要宽得多。

扩展频谱方式可以用比窄带调制方式低得多的信号功率来发送，可在比信号还要强的噪声环境下保证信息的正确接收。

扩展频谱方式不怕同频干扰，因此可以在同一频段上靠选择不同的扩频伪随机码来进行多路复用，这种多路复用称作码分多址（ CDMA ）。

扩展频谱方式使用无须申请许可的 ISM （工业，科研，医疗设备）波段。 ISM波段： 902M—928M 2.4G——2.484G 5.725G——5.850G

红外线方式

利用红外线作为传输媒体在家用电器遥控中很常见，作为无线局域网的一种无线传媒，它不受无线电波干扰，不受无线电管理部门限制，无需申请波段。 但红外线方式具有一定方向性，对非透明物体的穿透能力差，传输距离不能太远，一般在几米到几十米。

无线网络拓扑结构

无线网络以无线介质为传输媒体，提供的是一种广播信道。 目前无线联网在应用上有多种形式，就无线局域网的拓扑结构（是一种逻辑拓扑）而言，典型的有“无中心分布对等拓扑”和“有中心集中控制拓扑”两种。

无中心分布对等拓扑

WLAN 移动站

图 无中心分布对等拓扑结构（ Ad － hoc 应用模式）

这种拓扑结构的优点是建网容易、费用较低，且抗毁性能好（一个站的故障，不影响其它站的通信）；它的缺点是采用竞争信道的机制，在网络业务量重时会导致系统性能（吞吐量、延迟等）急剧下降。因此，网内站点的数量不宜太多。

有中心拓扑结构

WLAN 中心站 ( AP) 有线骨干网

图 有中心拓扑结构 (Hub － based 应用模式 )

中心站的主要作用一是对所有网内用户的通信要求进行控制，减小业务量过大时由于信道竞争带来的系统性能的恶化；二是 为移动用户访问外部网 络（其它有线局域网或公共网）提供接口。此外，中心站还可对移动站的信号进行中继，扩大移动站间的通信距离。

有中心拓扑结构的主要缺点是抗毁性能较差，尽管只是中心站的故障也会导致全网通信瘫痪。

无线局域网络的标准化

1 、无线局域网络的电波法规美国联邦通信委员会（ FCC ）于 1985年宣布开放了 902MHz、 2.4GHz和 5.8GHz三个 ISM波段 ,允许在低辐射功率条件下无申请许可便可使用这些波段。欧洲无线电委员会（ ERC ）于 1991 年发布了建议用于无

线局域网的一组波段，其中包括 2.4GHz、 5.8GHz、 24GHz、 60.1GHz等 ISM波段。日本邮政省电波系统开发中心 (RCR)于 1993年公布了采

用扩频技术的中速无线局域网的 2.4GHz ISM波段电波规范。1997年电气和电子工程师协会 (IEEE)由世界范围内众多

的局域网以及计算机专家审定通过了 IEEE 802.11的无线局域网标准。标准规定无线局域网在 2.4GHz波段上进行操作，这一波段被全球无线电法规定义为实际意义的扩频使用波段。

2 、无线局域网络的协议标准 和其它有线局域网的协议标准一样， IEEE 802.11标准称为 IEEE 无线局域网（WLAN）介质访问控制和物理层规范。由无线网卡和接入点（ AP ）提供标准的功能。

IEEE 802.11标准的典型特征包括： ● 支持异步和时限业务。 ● 满足 802.1、 802.2及 802.10规范的功能条件。 ● 适应 1Mb/s和 2Mb/s的数据传输速率。 ● 分组丢失率不大于 4×10-5 的传输可靠性。 ● 支持多点（包括广播）传送服务。 ● 提供登录、认证与网络管理服务。 ● 支持象银行、商店、医院之类的室内应用和象校园、停车场 之类的室外应用。 ● 支持同小区两站点直接通信。 ● 支持同一逻辑网段（如以太网）内跨小区移动并连续服务。 ● 提供电源管理、网络安全管理服务。

无线局域网络的标准化

无线局域网的标准近年来一直在不断地修订和完善中。 1999年 8月， IEEE 802.11标准增加了两项内容，一是 IEEE 802.11a，传输速率为 6Mbps～ 54Mbps，支持语音、数据、图像业务。另一种是 IEEE 802.11b标准，该标准可提供 11Mbps的数据速率，大约是原来 IEEE 标准无线局域网速度的 5倍。现在大多数厂商生产的WLAN产品及我国目前应用流行的都是基于IEEE 802.11b标准。

继 IEEE 802.11a和 IEEE 802.11b标准颁布后， IEEE又相继成立： ·802.11d工作组：当前标准无法提供服务的 802.11WLAN设备开发。 ·802.11f工作组：开发内部接入点协议，主要针对目前不同厂家制造的

接入点之间禁止漫游的限制问题。 ·802.11g工作组：研究在 2.4GHz无线频谱内推进更高的数据传输率

。 ·802.11h工作组：为 IEEE80.211a标准开发欧洲使用的频谱和功率管

理扩充。

无线局域网络的标准化

无线局域网的组成

所有网中的设备都称做站。除了互联使用的无线局域网中的 AP 是一个特殊的站（固定的）外，其它站都是用户站，它们可以是台式计算机、便携式计算机或其它智能终端设备。

按照站的移动性划分，无线局域网中的站可以分为三种：● 移动站： 经常在行进中开机和使用。● 半移动站：经常改变使用场所，但行进中不使用。● 固定站： 很少改变使用场所，即使改变使用场所时

，不在行进中开机或使用。

BSA1

BSA2

AP1

MS11 MS12

MS13

AP2

MS21

MS23

BSA3

AP3

MS33

MS32MS31

基本服务区（ BSA ）： 20─200米 扩展服务区（ ESA ）：最大几千米

图 无线局域网的组成示意图

每一个小区称作一个基本服务区（ BSA ），区内的构件称为基本服务集（ BSS ）。

若干个通过有线骨干网桥接的基本服务区（ BSA ）构成一个扩展服务区（ ESA ），ESA内的构件称为扩展服务集（ ESS ）。

无线局域网的组成

无线局域网中站的管理

站的管理包括：登录管理、认证管理及移动管理。一．站的登录管理  当某一站点开机时 ，首先应找到自己所在的 BSA ，向该 BSA 的 AP 登录，并获得该 BSA 的相 关信息。当该站点移动到另一个 BSA 时，应向 新的 BSA 中的 AP 重新登录，同时新 BSA 的 AP应 把该站点的移动信息通知原 BSA 中的 AP 。

二．站的认证管理  在支持移动的网络中，认证管理是网络安全所 必须的，通常只有办理过入网手续的用户才可接 入网络。

三．站的移动管理 支持移动的网络要对站点的移动情况进行管理。当某站点在多个 BSA间移动，而这些 BSA通过有线骨干网构成同一逻辑网段的 ESA，这时的移动（散步）管理较为简单，只需解决越区切换；但如果这些 BSA分属不同的 IP 子网时，移动（漫游）管理将变得十分复杂，因为跨越子网的移动要由网络层处理。这种管理目前不在 IEEE802.11标准规定的范围内。

无线局域网协议层次

IEEE802.2通用逻辑链路控制 (LLC)IEEE802.10 网络安全与保密

媒体访问控制 (MAC)

物理媒体 1 物理媒体 2 …………… 物理媒体K

IEE

E802.1

各层间关系

IEEE

802.11

图 无线局域网的协议层次

IEEE802.11委员会提出了无线局域网的协议体系。和其它 IEEE802 系列局域网标准一样，它对 OSI七层网络模式中的链路层层以上未作具体规定，而只定义了媒体访问控制（ MAC ）和物理（ PHY ）两个层次。

无线局域网的MAC 协议

无线局域网 (WLAN)的MAC协议的主要功能和操作基本原理原则上与有线局域网没有什么本质区别。由于所采用的传输媒体不同，而媒体访问控制（MAC）不能不和媒体有关。无线局域网(WLAN)的MAC协议必须考虑与所用无线传媒相关的一些特定问题，使得在与信道有关的差错控制、解决隐藏终端等方面有别于有线局域网。另外，无线局域网 (WLAN)的MAC协议在网络业务功能、网络安全机制以及协议的具体操作上都比原有的有线局域网MAC协议有较大的改进。

无线局域网的物理层协议

一 . 无线电波传输媒体

● 窄带调制方式

无线局域网在这种方式下使用亚微波 ( 1GHz－ 3GHz ) 和 亚毫米波 (10GHz－ 30GHz)波段。使用亚微波可做到几百 Kb/s 到本 10Mb/s 的数据传输速率，使用亚毫米波时的数 据传输速率可达 10Mb/s 以上。前者的通信距离可达 100 米以上 ，后者只能在几十米内视距传播 ，且成本较高。 二者的使用都须向无线电管理部门申请许可。

● 扩展频谱方式

扩展频谱分直接序列扩展频谱（ DS ）和跳频（ FH ）、 跳时（ TH ）及混合（如 DS/FH ）扩展频谱等几种。 IEEE802.11 标准推荐了全球通用的 2.4GHz ISM波段， 并对直接序列扩展频谱（ DS ）和跳频（ FH ）物理层 作了详细的规定（见第七章）。无须向无线电管理部 门申请许可。

二．红外线传输媒体

● 散射波束红外线

散射波束红外线用多个发光管做成红外线光发射器， 用多个检测管做成红外线光接收器，可无定向地覆盖 一圆形区域。可以在直径 50米以内的无线局域网中使 用。

● 指向波束红外线

指向波束红外线常用来作无线点到点信号中继使用， 中继距离可达到 50米以上。 关于无线局域网 (WLAN) 的红外线传输媒体物理层协 议的详细讨论在第七章。

红外线只能以视距传播，且对非透明物体的穿透能力极差。由于其使用无须向无线电管理部门申请许可，因此也被 IEEE802.11 所推荐。

无线局域网的物理层协议

无线局域网协议的基本功能要求

一 . 物理层支持 1.   支持各种不同无线传输媒体 (亚微波、亚毫米波无线 电波，红外线等 ) ； 2.   支持各种不同的调制方式 (窄带调制、扩展频谱等 ) ； 3.   数据传输速率 1Mb/s － 20Mb/s(新标准可达 56Mb/s) ； 4. 传输误码率 Pe≤ 10-8 。 ．红外线传输媒体

二 . MAC 层支持 1.   支持平均传输延迟尽量小的突发性异步传输业务； 2.   支持有限最大帧传输延迟的同步或时限传输业务； 3.   协议在不同的 BSA及 ESA 是一致的。

三 . 站及站的移动性支持 1.  支持固定站、半移动站和移动站； 2.   支持移动速度为步行与缓慢行驶 ( 不大于 10km/h) ； 3.  移动过程中的越区切换对用户是完全透明的。

四 . 扩展性及与其它网络的互联支持 1.  BSA 构成简单方便，若干个 BSA 可方便地扩展为 ESA ； 2.   与现有 LAN 相兼容，可通过路由器容易地与 LAN 及WAN 互联。

五 . 网络安全与通信保密 1.  具有严格的认证机制，禁止非法用户入网； 2.   在物理及以上层次上有数据保密措施； 3.  具备抗人为电磁波干扰的能力。

六 . 降低功耗的电源管理 1.  移动用户设备有尽可能低的功率消耗； 2.   支持半睡眠、睡眠工作模式等节能控制机制。七 . 使用方便 1.   建网容易，用户站安装灵活、自由，移动操作对 用户透明； 2.   用户无须向无线电管理部门申请频段的许可等。

具有碰撞避免功能的 CSMA协议－ CSMA/CA

CSMA/CA协议是 IEEE 802.11 标准规定的无线局域网的基本的 MAC协议。无线局域网的 MAC协议没有选择 CSMA/CD 的原因是无线条件下碰撞检测的困难。因为若干路无线信号碰撞后，并不能保证相互叠加的合成信号的直流电平或载波幅度的一定增加。CSMA/CA 是具有碰撞避免功能的 CSMA协议。实际上它也不能做到碰撞的绝对避免，只不过是综合前述各种 CSMA的优秀特点，尽量减少碰撞的概率，尽量获得比较理想的吞吐量 S 及传输延迟 D 。

碰撞避免途径之一 : 当系统中的总业务量 G很低时以 1－坚持式 CSMA 方式工作，尽量减小传输延迟 D ，而在系统中的总业务量 G较高时以 P－坚持式或非坚持式 CSMA 方式工作，尽量获得较大的吞吐量 S 。

碰撞避免途径之二 : 在非坚持式 CSMA 方式工作时，可以给系统中的站或各个站所发送的不同类型的信息进行分类，并给以不同的优先级别。当检测到信道忙碌时，以不同优先级别的站或不同优先级别的信息数据帧来确定其退避延迟时间的大小，达到改善系统性能的目的。

碰撞避免途径之三 : 可以通过发送探询脉冲（或短的探询帧）的方式获取信道使用权，以减小数据帧碰撞的概率。因为发出占时很短的探询脉冲如果未遭碰撞（能正确回收到），说明已获得信道，可放心随后发送自己的数据帧；如果探询脉冲遭到碰撞（未能回收或回收错误），则选择退避。由于探询脉冲占时很短，即使碰撞，造成的信道资源浪费也很小。

MAC 层主要功能

● 媒体访问控制 ● 加入网络连接 ● 数据验证和保密

1．无线媒体访问控制在帧发送前， MAC 须首先利用以下某方式获得网络连接： ● 具有碰撞避免功能的载波侦听多址接入（ CSMA/CA ）媒体访问控制（ MAC ）方式， IEEE 802.11 规范称为分布式访问控制方式（ DCF ）。 ● 基于不同服务优先级别的集中式轮询（ Polling ）访问控制， IEEE 802.11 规范称为中心网络控制方式（ PCF ）。DCF 和 PCF 都能在同一个 BSS 中提供并行的可选择的竞争和无竞争访问期。

2．加入网络连接工作站的电源打开之后，它在验证和连接到合适的工作站或访问点之前，首先检测有无现成工作站和访问点（ AP ）可供加入。工作站通过被动或主动扫描方式完成上述的搜索过程。加入一个 BSS 或 ESS之后，工作站从访问点（ AP ）接收服务组标识符（ SSID ： Service Set Identifier ）、时间同步函数（ TSF ： Timer Synchronization Function ）、计时器的值和物理安装参数等。

3．提供认证和保密服务IEEE 802.11 标准提供两种认证服务，用于增强 802.11 网络的安全性能：● 开放系统认证（ Open System Authentication ），是一种默认的认证服务。 仅仅宣布与其他站和 AP 的连接请求。● 共享密匙认证（ Shared Key Authentication ），它包含更加严格的帧交换，以确定响应工作站是可信的。

MAC 帧结构

IEEE 802.11 标准中把无线局域网的 MAC 帧分为三种类型： ● 管理信息帧 ● 控制信息帧 ● 数据信息帧

MAC管理信息帧负责在工作站和 AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务。

当工作站和 AP之间建立连接和认证之后，控制信息帧为数据信息帧的发送提供辅助功能（请求或确认等）。

数据信息帧的功能是向目的工作站传送数据信息（如 MSDU媒体服务数据单元），转交给逻辑链路控制（ LLC ）子层。

MAC 帧主体框架结构

IEEE802.11定义了MAC帧格式的主体框架结构，无线局域网中发送的各种类型的MAC帧都采用这种帧结构。站一旦形成正确的帧之后，MAC层将帧传给物理层汇聚处理子层（ PLCP）。

Frame Duration Addr Addr Addr Sequence Addr Frame FCSControl ∕ID 1 2 3 Control 4 Body

字节： 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4

MAC 帧由最长 30 字节的帧适配头、长度可变（ 0 ～ 2312 字节）的帧体信息和4 字节的帧校验序列（ FCS ）组成。

图 IEEE 802.11 MAC 帧一般框架结构

Frame Duration Addr Addr Addr Sequence Addr Frame FCSControl ∕ID 1 2 3 Control 4 Body

字节： 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 一 . MAC 帧的主要字段

Duration/ID （持续时间 /标志）：在这个域内包含发送站请求发送持续时间的数值，值的大小取决于帧的类型。通常每个帧一般都包含表示下一个帧发送的持续时间信息。网络中的各个站都通过监视帧中这一字段，来推测前边的发送站尚需占用的时间，推迟自己的发送。

Frame Control（帧控制）：这个字段载有在个工作站之间发送的控制信息。它又可划分为若干子字段，子字段结构说明如下页：

Addr 1 ， 2 ， 3 ， 4 （地址 1 ， 2 ， 3 ， 4 ）：包含不同类型的地址，地址的类型取决于发送帧的类型。这些地址类型可以包含基本服务组标识（ BSS-ID ）、源地址、目标地址、发送站（ AP ）地址和接收站（ AP ）地址。各段地址长度均为 48位，且有单独地址、组播地址和广播地址之分。

Sequence Control （序列控制）：该字段最左边的 4位由分段号子字段组成，这个子字段标明一个特定的媒体服务数据单元（ MSDU ）的分段号。第一个分段号为 0 ，后面的发送分段的分段号依次加 1 。该字段的后面 12 个位是序列号子字段，从 0开始，对于每一个发送的MSDU 子序列依次加 1 。一个特定的 MSDU 的每一个分段都有相同的序列号。站在数据接收时，可通过监视序列号和分段号来判断是否为重复帧。

Frame Body （帧体）：这个字段的有效长度可变，所载的信息取决于发送帧的类型。如果发送帧是数据帧，那么该字段会包含一个 LLC 数据单元。MAC管理和控制帧会在帧体中包含一些特定的参数。如果帧不需要承载信息，那么帧体字段的长度为 0 。接收站可以从物理层适配头（详见第七章）的一个字段判断帧的长度。

FCS （帧校验序列）：发送工作站的 MAC 层利用循环冗余码校验法 CRC 对帧前边诸字段内容运算，计算一个 32位的 FCS ，并将结果存入这个字段。 MAC 层利用下面的覆盖 MAC头所有字段和帧体的生成多项式来计算 FCS ： G （ x ） = x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1结果的高阶系数放在字段中，形成最左边的位。接收端也利用相同的 CRC校验，检查接收帧中是否有数据传输发生的差错。

MAC 帧主体框架结构

二 . MAC 帧的帧控制字段MAC 帧中的帧控制字段（ 2字节）划分为 11 个子字段，主要用来定义一个 MAC 帧的类型，是管理信息帧、控制还是数据信息帧。

ProtocolVersion

Type 

Sub-type

ToDS

FromDS

MoreFrag

Retry Pwr.Mgmt.

MoreData

WEP

Order 

2bit 2 bit 4 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit

图 5.2 MAC 帧中的帧控制（ Frame Control ）字段的子字段结构划分

Protocol Version （协议版本）：用两比特（ bit1 ， bit0 ）表示MAC协议版本。对于当前标准，协议版本为 0 。因此，除非未来的新协议版本与过去的协议版本不兼容，协议版本字段将一直保持为 0 。

Type（帧类型）：用两比特（ bit3， bit2 ）表示帧的类型。这个字段表明当前的帧是管理帧、控制帧还是数据帧。表示方法如表 5.1所示。

bit3 ， bit2

0 ， 0

0 ， 1

1 ， 0

1 ， 1

帧类型管理帧控制帧数据帧保留

表 5.1 MAC 帧的类型 Subtype ( 帧子类型 ) ：用四比特（ bit7 ， bit6 ，bit5 ， bit4 ）表示帧的类型的进一步从功能上的划分。这个字段说明帧的具体功能，如表 5.2 所示。

To DS （到分布式系统）：只有一个位，发往分布式系统的帧，该字段置 1 ，其它的帧则置 0 。例如某帧若是发往另一个 AP 的无线电小区里的时候， 要对该字段设置为 1 。

From DS （来自分布式系统）：也是只有一位，发自分布式系统的帧的该字段置 1 ，其他的帧置 0 。当某帧从一个 AP 发送到另一个 AP 时， To DS 和From DS字段都要置 1 。

More Frag （更多分段）：只有一位的字段，如果同一个 MSDU还有其他分段存放在后继的帧中，该字段置 1 。

Retry （重发）：只有一个位。对于重发帧，该字段置 1 ；其它帧置0 。

Power Management （电源管理）：该字段指明发送工作站在完成目前的帧交换序列之后的电源管理模式。如果工作站进入睡眠模式， MAC 层将该字段置 1 ；置 0则表示工作站处于激活模式。

More Data （更多数据）：如果某工作站还有 MSDU 要发往处于节能模式的工作站，那么发送工作站将该字段置 1 ；其他种类的发送则置 0 。

WEP （加密）：本字段置 1表示向接收工作站声明，帧体（ Frame Body ）已经被 WEP算法加工过了（数据已经用密钥加密）；其他情况本字段置 0 。

Order （排序）：所有采用严格顺序服务级别的数据帧，该字段置 1 。表明这些须按顺序处理。

MAC 帧主体框架结构