第 7 章 局域网
7.1 局域网概述
7.2 传统以太网
7.3 以太网的 MAC 层
7.4 扩展的局域网
7.5 虚拟局域网
7.6 高速以太网
7.7 其他种类的高速局域网
7.1 局域网概述
? 局域网最主要的特点是：网络为一个单
位所拥有，且地理范围和站点数目均有
限。
? 局域网具有如下的一些主要优点,
? 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数
据。从一个站点可访问全网。
? 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵
活调整和改变。
? 提高了系统的可靠性、可用性,
局域网的拓扑
匹配电阻
集线器
干线耦合器
总线网 星形网
树形网 环形网
7.2 传统以太网
7.2.1 以太网的工作原理
? 1,两个标准
? DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产
品（以太网）的规约。
? IEEE 的 802.3 标准。
? DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标
准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域
网简称为, 以太网, 。
? 严格说来,,以太网, 应当是指符合 DIX
Ethernet V2 标准的局域网
数据链路层的两个子层
? 为了使数据链路层能更好地适应多种局域
网标准,802 委员会就将局域网的数据链
路层拆成两个子层,
? 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
? 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)
子层。
? 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC
子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不
管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说
都是透明的
局域网对 LLC 子层
是透明的
局 域 网
网络层
物理层
站点 1
网络层
物理层
逻辑链路控制 LLC LLC
媒体接入控制 MAC MAC
数据
链路层
站点 2
LLC 子层看不见
下面的局域网
以后一般不考虑 LLC 子层
? 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网
是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3
标准中的几种局域网，因此现在
802 委员会制定的逻辑链路控制子
层 LLC（即 802.2 标准）的作用已
经不大了。
? 很多厂商生产的网卡上就仅装有
MAC 协议而没有 LLC 协议。
2,网卡的作用
? 网络接口板又称为 通信适配器 (adapter)
或 网络接口卡 NIC (Network Interface
Card)，或, 网卡, 。
? 网卡的重要功能,
? 进行串行 /并行转换。
? 对数据进行缓存。
? 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
? 实现以太网协议。
计算机通过网卡
和局域网进行通信
CPU
高
速
缓
存
存储器
I/O 总线
计算机
至局域网 网络接口卡
（网卡） 串行通信
并行通信
? 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总
线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，
因为总线上没有有源器件。
3,CSMA/CD 协议
B向 D
发送数据
C D A E
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻
不接受 不接受 不接受 接受
B
只有 D 接受
B 发送的数据
以太网的广播方式发送
? 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发
送的数据信号。
? 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的
地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
? 其他所有的计算机（ A,C 和 E）都检测到不是
发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧
而不能够收下来。
? 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。
为了通信的简便
以太网采取了两种重要的措施
? 采用较为灵活的无连接的工作方式，即
不必先建立连接就可以直接发送数据。
? 以太网对发送的数据帧不进行编号，也
不要求对方发回确认。
? 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因
信道质量产生差错的概率是很小的。
以太网提供的服务
? 以太网提供的服务是不可靠的交付，即
尽最大努力的交付。
? 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃
此帧，其他什么也不做。差错的纠正由
高层来决定。
? 如果高层发现丢失了一些数据而进行重
传，但以太网并不知道这是一个重传的
帧，而是当作一个新的数据帧来发送。
载波监听多点接入 /碰撞检测
CSMA/CD
? CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection。
?, 多点接入, 表示许多计算机以多点接入的方
式连接在一根总线上。
?, 载波监听, 是指每一个站在发送数据之前先
要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数
据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生
碰撞。
? 总线上并没有什么, 载波, 。因此,,载波监
听, 就是用电子技术检测总线上有没有其他计
算机发送的数据信号。
碰撞检测
? ―碰撞检测, 就是计算机边发送数据边检测信
道上的信号电压大小。
? 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的
信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
? 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的
门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在
发送数据，表明产生了碰撞。
? 所谓, 碰撞, 就是发生了冲突。因此, 碰撞检
测, 也称为, 冲突检测, 。
检测到碰撞后
? 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生
了严重的失真，无法从中恢复出有用的
信息来。
? 每一个正在发送数据的站，一旦发现总
线上出现了碰撞，就要立即停止发送，
免得继续浪费网络资源，然后等待一段
随机时间后再次发送。
电磁波在总线上的
有限传播速率的影响
? 当某个站监听到总线是空闲时，也可能
总线并非真正是空闲的。
? A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间
后才能传送到 B。
? B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自
己的帧 (因为这时 B 的载波监听检测不到
A 所发送的信息 )，则必然要在某个时间
和 A 发送的帧发生碰撞。
? 碰撞的结果是两个帧都变得无用。
1 km A B
t
碰撞
t = 2? ? ?
A 检测到发生碰撞 t = ? ? ?
B 发送数据
B 检测到发生碰撞
t = ?
t = 0
单程端到端
传播时延记为 ?
1 km A B
t
碰撞
t = ? ? ?
B 检测到 信道空闲
发送数据
t = ? ? ? / 2
发生碰撞
t = 2? ? ?
A 检测到发生碰撞 t = ? ? ?
B 发送数据
B 检测到发生碰撞
t = ?
A
B
A B
A B
t = 0
A 检测到
信道空闲
发送数据
A B
t = 0
t = ?
B 检测到发生碰撞
停止发送 STOP t = 2? ? ?
A 检测到
发生碰撞
STOP
A
B
单程端到端
传播时延记为 ?
重要特性
? 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全
双工通信而只能进行双向交替通信（半双
工通信）。
? 每个站在发送数据之后的一小段时间内，
存在着遭遇碰撞的可能性。
? 这种 发送的不确定性 使整个以太网的平均
通信量远小于以太网的最高数据率。
4,争用期
? 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至
多经过时间 2? （两倍的端到端往返时延）
就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
? 以太网的端到端往返时延 2? 称为 争用期,
或 碰撞窗口 。
? 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，
才能肯定这次发送不会发生碰撞。
二进制指数类型退避算法
(truncated binary exponential type)
? 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟
（退避）一个随机时间才能再发送数据。
? 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2?。
? 定义重传次数 k, k ? 10，即
k = Min[重传次数,10]
? 从整数集合 [0,1,…,(2k ?1)]中随机地取出一个
数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本
退避时间。
? 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并
向高层报告。
争用期的长度
? 以太网取 51.2 ?s 为争用期的长度。
? 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送
512 bit，即 64 字节。
? 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发
生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
最短有效帧长
? 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字
节之内。
? 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时
已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
? 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡
长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常
中止的 无效帧 。
强化碰撞
? 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，
除了立即停止发送数据外，还要再继续发
送若干比特的 人为干扰信号 (jamming
signal)，以便让所有用户都知道现在已经
发生了碰撞。
?
TJ
人为干扰信号
A B
TB
t
?
B 发送数据
A 检测
到冲突
开始冲突
信
道
占
用
时
间
A 发送数据
B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接
着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A
发送干扰信号的情况。
7.2.2 传统以太网的连接方法
? 传统以太网可使用的传输媒体有四种,
? 铜缆（粗缆或细缆）
? 铜线（双绞线）
? 光缆
? 这样，以太网就有四种不同的物理层。
10BASE5
粗缆
10BASE2
细缆
10BASE-T
双绞线
10BASE-F
光缆
以太网媒体接入控制 MAC
铜缆或铜线连接到以太网
的示意图
主机箱 主机箱 主机箱
双绞线
集线器 BNC T 型接头
收发器电缆
网卡
插入式
分接头 MAU
MDI
保护外层 外导体屏蔽层
内导体
收发器
DB-15
连接器
BNC 连接器
插口
RJ-45
插头
网卡的功能
? 数据的封装与解封 发送时将上一层交下来
的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。
接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后
送交上一层。
? 链路管理 主要是 CSMA/CD 协议的实现。
? 编码与译码 即曼彻斯特编码与译码。
星形网 10BASE-T
? 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要
用两对双绞线，分别用于发送和接收。
? 在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高
的设备，叫做 集线器 (hub)。
? 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这
样的硬件设备的可靠性已大大提高了。
以太网在局域网中的统治地位
? 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线
器的距离不超过 100 m。
? 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的
出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
? 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网
发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以
太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基
础。
集线器的一些特点
? 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线
的工作，因此整个系统仍然像一个传统的
以太网那样运行。
? 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总
线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协
议，并共享逻辑上的总线。
? 集线器很像一个多端口的转发器，工作在
物理层。
具有三个端口的集线器
集
线
器
网卡
工作站
网卡
工作站
网卡
工作站
双绞线
7.2.3 以太网的信道利用率
我们假定,
? 总线上共有 N 个站，每个站发送帧的概率都
是 p。
? 争用期长度为 2?，即端到端传播时延的两倍。
检测到碰撞后不发送干扰信号。
? 帧长为 L (bit),数据发送速率为 C (b/s),因
而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。
以太网的信道利用率
? 一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发
送成功且信道转为空闲 (即再经过时间 ? 使得信
道上无信号在传播 )时为止，共需平均时间为 Tav。
发 送 成 功 争用期 争用期 争用期
τ 2 τ 2 τ 2 T0 τ
t
占用期 争用期的平均个数 NR
发送一帧所需的平均时间 Tav
…
以太网的信道利用率（续）
令 A 为某个站发送成功的概率，则
A = P[某个站发送成功 ] = Np(1 – p)N – 1 (7-1)
显然，某个站发送失败的概率为 1 ? A。因此,
P[争用期为 j 个 ] = P[发送 j 次失败但下一次成功 ]
= (1 – A)jA (7-2)
争用期的平均个数等于帧重发的次数 NR,
N j A A A AR j
j
? ? ? ?
?
??
( ) ( ) /1 1
0
(7-3)
以太网的信道利用率（续）
求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为,
这里
参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。
(7-4)
)12(1
1
2 10
00
??
?
??
?? ?
AaTN
T
T
TS
Rav ??
0T
a ?? (7-5)
最大信道利用率
若设法使 A 为最大，则可获得最大的信道利用率。
将 (7-4)式对 p 求极大值，得出当 p = 1/N 时可使 A等
于其极大值 Amax,
当 N→∞ 时,Amax = 1/e ? 0.368。
(7-6) 1
m a x
11 ?
??
?
??
? ?? N
N
A
将 (7-6)式中的 Amax 值代入 (7-4)式, 即得出信
道利用率的最大值 Smax。
取 A = Amax = e?1 ? 0.368 时,(7-4)式可 简化为,
若 a→0,则信道利用率的最大值可达到 100%。
信道利用率的最大值 Smax
N→ ? (7-7)
aS 44.41
1
m a x ??
? 考虑到 T0 是帧长 L 与数据的发送速率 C
之比，于是参数 a 可写为,
? (7-9)式的分子正是时延带宽积，或以比
特为单位的信道长度，而分母是以比特
为单位的帧长。
参数 a 可以很容易地和
时延带宽积联系起来
L
C
CLT
a ??? ???
/0
(7-9)
7.3 以太网的 MAC 层
7.3.1 MAC 层的硬件地址
? 在局域网中,硬件地址 又称为 物理地址,
或 MAC 地址 。
? 802 标准所说的, 地址, 严格地讲应当是
每一个站的, 名字, 或标识符。
? 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的
,名字, 称为, 地址,,所以本书也采用
这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。
第 1
最高位
最先发送
最低位 最高位 最低位
最后发送
00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001
最低位
最先发送
最高位 最低位 最高位
最后发送
机构惟一标志符 OUI 扩展标志符
高位在前
低位在前
十六进制表示的 EUI-48 地址,AC-DE-48-00-00-80
二进制表示的 EUI-48 地址,
第 1 字节 第 6 字节
I/G 比特
I/G 比特
字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6
第 1 字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6
10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000 802.5 802.6
802.3
802.4
网卡上的硬件地址
路由器 1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02
20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4 20-60-8C-11-D2-F6
路由器由于同时连接到两个网络上,
因此它有两块网卡和两个硬件地址。
网卡检查 MAC 地址
? 网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用
硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址,
? 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他
的处理。
? 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
?, 发往本站的帧, 包括以下三种帧,
? 单播 (unicast)帧（一对一）
? 广播 (broadcast)帧（一对全体）
? 多播 (multicast)帧（一对多）
7.3.2 两种不同的 MAC 帧格式
? 常用的以太网 MAC帧格式有两种标准,
? DIX Ethernet V2 标准
? IEEE 的 802.3 标准
? 最常用的 MAC 帧是 以太网 V2 的格式 。
MAC 帧
字节 6 6 2 4
IP 层
物理层
目的地址 源地址 长度 /类型 FCS
MAC 层
10101010101010 10101010101010101011
前同步码 帧开始 定界符
7 字节 1 字节
…
8 字节
插
入
数 据 MAC 子层
IP 层
LLC 子层 802.2 LLC 帧
当长度 /类型字段
表示长度时
802.3
MAC 帧
以太网 V2
MAC 帧
这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用
目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
43 ~ 1497 1 1 1
DSAP SSAP
1 1 1
控制 数 据
字节
DSAP SSAP
控制
IP 数据报
IP 数据报
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
目的地址字段 6 字节
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
源地址字段 6 字节
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
类型字段 2 字节
类型字段用来标志 上一层 使用的是什么协议,
以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
数据字段 46 ~ 1500 字节
数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段
最小长度 64 字节 ? 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
FCS 字段 4 字节
当传输媒体的误码率为 1?10?8 时,
MAC 子层可使未检测到的差错小于 1?10?14。
当数据字段的长度小于 46 字节时,
应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段,
以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
10101010101010 10101010101010101011
前同步码 帧开始 定界符
7 字节 1 字节
…
8 字节
插
入
在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节,
是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。
第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。
为了达到比特同步,
在传输媒体上实际传送的
要比 MAC 帧还多 8 个字节
? 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
? 帧的长度不是整数个字节；
? 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
? 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
? 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
? 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以
太网不负责重传丢弃的帧。
无效的 MAC 帧
? 用多个集线器可连成更大的局域网
7.4 扩展的局域网
7.4.1 在物理层扩展局域网
集线器 集线器
一系 二系
集线器
三系
三个独立的碰撞域
? 用多个集线器可连成更大的局域网
7.4 扩展的局域网
7.4.1 在物理层扩展局域网
一系 二系 三系
集线器 集线器 集线器
集线器 主干集线器
? 优点
? 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进
行跨碰撞域的通信。
? 扩大了局域网覆盖的地理范围。
? 缺点
? 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
? 如果不同的碰撞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。
用集线器扩展局域网
? 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
? 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目
的地址对收到的帧进行转发。
? 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，
并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此
帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发
到哪一个端口
7.4.2 在数据链路层扩展局域网
1,网桥的内部结构
站表
端口管理
软件
网桥协议
实体
端口 1 端口 2 缓存
① ② ③
网段 B 网段 A
1
1
1
2
①
③
⑤ 2
②
④
⑥ 2
站地址 端口 网桥
网桥
④ ⑤ ⑥
? 过滤通信量。
? 扩大了物理范围。
? 提高了可靠性。
? 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速
率（如 10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域
网。
使用网桥带来的好处
? 存储转发增加了时延。
? 在 MAC 子层并没有流量控制功能。
? 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延
更大。
? 网桥只适合于用户数不太多 (不超过几百个 )和
通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播
过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓
的 广播风暴 。
使用网桥带来的缺点
? 1990 年问世的 交换式集线器 (switching hub)，可
明显地提高局域网的性能。
? 交换式集线器常称为 以太网交换机 (switch)或第二
层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。
? 以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太
网交换机实质上就是一个 多端口的网桥,可见交
换机工作在数据链路层。
4,多端口网桥 ——以太网交换机
? 以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并
且一般都工作在 全双工方式 。
? 交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互
通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰
撞地传输数据。
? 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，
其交换速率就较高。
以太网交换机的特点
? 对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个
用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽 (10
Mb/s)的 N 分之一。
? 使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的
带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独
占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，
因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为
N?10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。
独占传输媒体的带宽
用以太网交换机扩展局域网
集线器 集线器 集线器
一系 三系 二系
10BASE-T
至因特网
100 Mb/s
100 Mb/s
100 Mb/s
万维网
服务器
电子邮件
服务器
以太网
交换机
路由器
? 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 。
? 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符, 指明发送这
个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。
? 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服
务, 而并不是一种新型局域网 。
7.5 虚拟局域网
7.5.1 虚拟局域网的概念
以太网
交换机
A4
B1
以太网
交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2 B
2 以太网
交换机
以太网
交换机
三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2
和 VLAN3 的构成
以太网
交换机
A4
B1
以太网
交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2 B
2 以太网
交换机
以太网
交换机
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 将会收到广播的信息。
以太网
交换机
A4
B1
以太网
交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2 B
2 以太网
交换机
以太网
交换机
三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2
和 VLAN3 的构成
B1 发送数据时，工作站 A1,A2 和 C1
都不会收到 B1 发出的广播信息。
以太网
交换机
A4
B1
以太网
交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2 B
2 以太网
交换机
以太网
交换机
三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2
和 VLAN3 的构成
虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络
不会因传播过多的广播信息 (即, 广播风暴, )而引起性能恶
化。
? 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一
个 4 字节的标识符, 称为 VLAN 标记 (tag),用来
指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网 。
7.5.2 虚拟局域网使用的
以太网帧格式
802.3
MAC 帧
字节 6 6 2 46 ~ 1500 4
MAC 帧 目地地址 源地址 长度 /类型 数 据 FCS
长度 /类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID
2 字节 2 字节
插入 4 字节的 VLAN 标记
4
用户优先级 CFI
7.6 高速以太网
7.6.1 100BASE-T 以太网
? 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为
高速以太网 。
? 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星
型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的
CSMA/CD 协议。 100BASE-T 以太网又称
为 快速以太网 (Fast Ethernet)。
100BASE-T 以太网的特点
? 可在全双工方式下工作而无冲突发生。
因此，不使用 CSMA/CD 协议。
? MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
? 保持最短帧长不变，但将一个网段的最
大电缆长度减小到 100 m。
? 帧间时间间隔从原来的 9.6 ?s 改为现在
的 0.96 ?s。
三种不同的物理层标准
? 100BASE-TX
? 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。
? 100BASE-FX
? 使用 2 对光纤。
? 100BASE-T4
? 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。
7.6.2 吉比特以太网
? 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种
方式工作。
? 使用 802.3 协议规定的帧格式。
? 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议
（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协
议）。
? 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后
兼容。
吉比特以太网的物理层
? 1000BASE-X 基于光纤通道的物理
层,
? 1000BASE-SX SX表示短波长
? 1000BASE-LX LX表示长波长
? 1000BASE-CX CX表示铜线
? 1000BASE-T
? 使用 4对 5 类线 UTP
载波延伸 (carrier extension)
? 吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必
须进行碰撞检测。
? 由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆
长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保
持为较小的数值。
? 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度
为 100 m，但采用了, 载波延伸, 的办法，
使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼
容性），同时将争用时间增大为 512 字节。
载波延伸 (carrier extension)
? 吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必
须进行碰撞检测。
? 由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆
长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保
持为较小的数值。
? 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度
为 100 m，但采用了, 载波延伸, 的办法，
使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼
容性），同时将争用时间增大为 512 字节。
分组突发
? 当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说
的载波延伸的方法进行填充。
? 随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有
必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组
的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。
发送的
数据 分组 #1 RRRRRRRR 分组 #2 RRRR 分组 #3 RRR 分组 #4
争用期 512 字节
将突发计时器设定为 1500 字节
载波延伸
载波
监听
全双工方式
? 当吉比特以太网工作在全双工方式时
（ 即通信双方可同时进行发送和接收数
据 ）, 不使用载波延伸和分组突发 。
吉比特以太网的配置举例
1 Gb/s 链路
吉比特
交换
集线器
百兆比特或吉比特集线器
100 Mb/s 链路
中央服务器
7.6.3 10 吉比特以太网
? 10 吉比特以太网与 10 Mb/s,100 Mb/s 和
1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。
? 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定
的以太网最小和最大帧长，便于升级。
? 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光
纤作为传输媒体。
? 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因
此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。
吉比特以太网的物理层
? 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数
据率是 10.000 Gb/s。
? 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物
理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的
,Gb/s‖的 SONET/SDH（即 OC-192/STM-64）
相连接。
? 为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-
192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的
广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。
端到端的以太网传输
? 10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范
围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到
城域网和广域网，从而实现了端到端的以太
网传输。
? 这种工作方式的好处是,
? 成熟的技术
? 互操作性很好
? 在广域网中使用以太网时价格便宜。
? 统一的帧格式简化了操作和管理。
以太网从 10 Mb/s 到
10 Gb/s 的演进
? 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了
以太网是,
? 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。
? 灵活的（多种传输媒体、全 /半双工、共享 /
交换）。
? 易于安装。
? 稳健性好。
7.7 其他种类的高速局域网
? 7.7.1 100VG-AnyLAN 局域网
? 使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网
? 7.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI
(Fiber Distributed Data Interface)
? 使用光纤作为传输媒体的令牌环形网
? 7.7.3 高性能并行接口 HIPPI
(HIgh-Performance Parallel Interface)
? 主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存
储器、图形工作站等）的高速接口
? 7.7.4 光纤通道 (Fibre Channel)
7.1 局域网概述
7.2 传统以太网
7.3 以太网的 MAC 层
7.4 扩展的局域网
7.5 虚拟局域网
7.6 高速以太网
7.7 其他种类的高速局域网
7.1 局域网概述
? 局域网最主要的特点是：网络为一个单
位所拥有，且地理范围和站点数目均有
限。
? 局域网具有如下的一些主要优点,
? 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数
据。从一个站点可访问全网。
? 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵
活调整和改变。
? 提高了系统的可靠性、可用性,
局域网的拓扑
匹配电阻
集线器
干线耦合器
总线网 星形网
树形网 环形网
7.2 传统以太网
7.2.1 以太网的工作原理
? 1,两个标准
? DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产
品（以太网）的规约。
? IEEE 的 802.3 标准。
? DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标
准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域
网简称为, 以太网, 。
? 严格说来,,以太网, 应当是指符合 DIX
Ethernet V2 标准的局域网
数据链路层的两个子层
? 为了使数据链路层能更好地适应多种局域
网标准,802 委员会就将局域网的数据链
路层拆成两个子层,
? 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
? 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)
子层。
? 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC
子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不
管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说
都是透明的
局域网对 LLC 子层
是透明的
局 域 网
网络层
物理层
站点 1
网络层
物理层
逻辑链路控制 LLC LLC
媒体接入控制 MAC MAC
数据
链路层
站点 2
LLC 子层看不见
下面的局域网
以后一般不考虑 LLC 子层
? 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网
是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3
标准中的几种局域网，因此现在
802 委员会制定的逻辑链路控制子
层 LLC（即 802.2 标准）的作用已
经不大了。
? 很多厂商生产的网卡上就仅装有
MAC 协议而没有 LLC 协议。
2,网卡的作用
? 网络接口板又称为 通信适配器 (adapter)
或 网络接口卡 NIC (Network Interface
Card)，或, 网卡, 。
? 网卡的重要功能,
? 进行串行 /并行转换。
? 对数据进行缓存。
? 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
? 实现以太网协议。
计算机通过网卡
和局域网进行通信
CPU
高
速
缓
存
存储器
I/O 总线
计算机
至局域网 网络接口卡
（网卡） 串行通信
并行通信
? 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总
线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，
因为总线上没有有源器件。
3,CSMA/CD 协议
B向 D
发送数据
C D A E
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻
不接受 不接受 不接受 接受
B
只有 D 接受
B 发送的数据
以太网的广播方式发送
? 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发
送的数据信号。
? 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的
地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
? 其他所有的计算机（ A,C 和 E）都检测到不是
发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧
而不能够收下来。
? 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。
为了通信的简便
以太网采取了两种重要的措施
? 采用较为灵活的无连接的工作方式，即
不必先建立连接就可以直接发送数据。
? 以太网对发送的数据帧不进行编号，也
不要求对方发回确认。
? 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因
信道质量产生差错的概率是很小的。
以太网提供的服务
? 以太网提供的服务是不可靠的交付，即
尽最大努力的交付。
? 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃
此帧，其他什么也不做。差错的纠正由
高层来决定。
? 如果高层发现丢失了一些数据而进行重
传，但以太网并不知道这是一个重传的
帧，而是当作一个新的数据帧来发送。
载波监听多点接入 /碰撞检测
CSMA/CD
? CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection。
?, 多点接入, 表示许多计算机以多点接入的方
式连接在一根总线上。
?, 载波监听, 是指每一个站在发送数据之前先
要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数
据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生
碰撞。
? 总线上并没有什么, 载波, 。因此,,载波监
听, 就是用电子技术检测总线上有没有其他计
算机发送的数据信号。
碰撞检测
? ―碰撞检测, 就是计算机边发送数据边检测信
道上的信号电压大小。
? 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的
信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
? 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的
门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在
发送数据，表明产生了碰撞。
? 所谓, 碰撞, 就是发生了冲突。因此, 碰撞检
测, 也称为, 冲突检测, 。
检测到碰撞后
? 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生
了严重的失真，无法从中恢复出有用的
信息来。
? 每一个正在发送数据的站，一旦发现总
线上出现了碰撞，就要立即停止发送，
免得继续浪费网络资源，然后等待一段
随机时间后再次发送。
电磁波在总线上的
有限传播速率的影响
? 当某个站监听到总线是空闲时，也可能
总线并非真正是空闲的。
? A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间
后才能传送到 B。
? B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自
己的帧 (因为这时 B 的载波监听检测不到
A 所发送的信息 )，则必然要在某个时间
和 A 发送的帧发生碰撞。
? 碰撞的结果是两个帧都变得无用。
1 km A B
t
碰撞
t = 2? ? ?
A 检测到发生碰撞 t = ? ? ?
B 发送数据
B 检测到发生碰撞
t = ?
t = 0
单程端到端
传播时延记为 ?
1 km A B
t
碰撞
t = ? ? ?
B 检测到 信道空闲
发送数据
t = ? ? ? / 2
发生碰撞
t = 2? ? ?
A 检测到发生碰撞 t = ? ? ?
B 发送数据
B 检测到发生碰撞
t = ?
A
B
A B
A B
t = 0
A 检测到
信道空闲
发送数据
A B
t = 0
t = ?
B 检测到发生碰撞
停止发送 STOP t = 2? ? ?
A 检测到
发生碰撞
STOP
A
B
单程端到端
传播时延记为 ?
重要特性
? 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全
双工通信而只能进行双向交替通信（半双
工通信）。
? 每个站在发送数据之后的一小段时间内，
存在着遭遇碰撞的可能性。
? 这种 发送的不确定性 使整个以太网的平均
通信量远小于以太网的最高数据率。
4,争用期
? 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至
多经过时间 2? （两倍的端到端往返时延）
就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
? 以太网的端到端往返时延 2? 称为 争用期,
或 碰撞窗口 。
? 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，
才能肯定这次发送不会发生碰撞。
二进制指数类型退避算法
(truncated binary exponential type)
? 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟
（退避）一个随机时间才能再发送数据。
? 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2?。
? 定义重传次数 k, k ? 10，即
k = Min[重传次数,10]
? 从整数集合 [0,1,…,(2k ?1)]中随机地取出一个
数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本
退避时间。
? 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并
向高层报告。
争用期的长度
? 以太网取 51.2 ?s 为争用期的长度。
? 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送
512 bit，即 64 字节。
? 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发
生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
最短有效帧长
? 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字
节之内。
? 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时
已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
? 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡
长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常
中止的 无效帧 。
强化碰撞
? 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，
除了立即停止发送数据外，还要再继续发
送若干比特的 人为干扰信号 (jamming
signal)，以便让所有用户都知道现在已经
发生了碰撞。
?
TJ
人为干扰信号
A B
TB
t
?
B 发送数据
A 检测
到冲突
开始冲突
信
道
占
用
时
间
A 发送数据
B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接
着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A
发送干扰信号的情况。
7.2.2 传统以太网的连接方法
? 传统以太网可使用的传输媒体有四种,
? 铜缆（粗缆或细缆）
? 铜线（双绞线）
? 光缆
? 这样，以太网就有四种不同的物理层。
10BASE5
粗缆
10BASE2
细缆
10BASE-T
双绞线
10BASE-F
光缆
以太网媒体接入控制 MAC
铜缆或铜线连接到以太网
的示意图
主机箱 主机箱 主机箱
双绞线
集线器 BNC T 型接头
收发器电缆
网卡
插入式
分接头 MAU
MDI
保护外层 外导体屏蔽层
内导体
收发器
DB-15
连接器
BNC 连接器
插口
RJ-45
插头
网卡的功能
? 数据的封装与解封 发送时将上一层交下来
的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。
接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后
送交上一层。
? 链路管理 主要是 CSMA/CD 协议的实现。
? 编码与译码 即曼彻斯特编码与译码。
星形网 10BASE-T
? 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要
用两对双绞线，分别用于发送和接收。
? 在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高
的设备，叫做 集线器 (hub)。
? 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这
样的硬件设备的可靠性已大大提高了。
以太网在局域网中的统治地位
? 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线
器的距离不超过 100 m。
? 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的
出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
? 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网
发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以
太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基
础。
集线器的一些特点
? 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线
的工作，因此整个系统仍然像一个传统的
以太网那样运行。
? 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总
线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协
议，并共享逻辑上的总线。
? 集线器很像一个多端口的转发器，工作在
物理层。
具有三个端口的集线器
集
线
器
网卡
工作站
网卡
工作站
网卡
工作站
双绞线
7.2.3 以太网的信道利用率
我们假定,
? 总线上共有 N 个站，每个站发送帧的概率都
是 p。
? 争用期长度为 2?，即端到端传播时延的两倍。
检测到碰撞后不发送干扰信号。
? 帧长为 L (bit),数据发送速率为 C (b/s),因
而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。
以太网的信道利用率
? 一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发
送成功且信道转为空闲 (即再经过时间 ? 使得信
道上无信号在传播 )时为止，共需平均时间为 Tav。
发 送 成 功 争用期 争用期 争用期
τ 2 τ 2 τ 2 T0 τ
t
占用期 争用期的平均个数 NR
发送一帧所需的平均时间 Tav
…
以太网的信道利用率（续）
令 A 为某个站发送成功的概率，则
A = P[某个站发送成功 ] = Np(1 – p)N – 1 (7-1)
显然，某个站发送失败的概率为 1 ? A。因此,
P[争用期为 j 个 ] = P[发送 j 次失败但下一次成功 ]
= (1 – A)jA (7-2)
争用期的平均个数等于帧重发的次数 NR,
N j A A A AR j
j
? ? ? ?
?
??
( ) ( ) /1 1
0
(7-3)
以太网的信道利用率（续）
求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为,
这里
参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。
(7-4)
)12(1
1
2 10
00
??
?
??
?? ?
AaTN
T
T
TS
Rav ??
0T
a ?? (7-5)
最大信道利用率
若设法使 A 为最大，则可获得最大的信道利用率。
将 (7-4)式对 p 求极大值，得出当 p = 1/N 时可使 A等
于其极大值 Amax,
当 N→∞ 时,Amax = 1/e ? 0.368。
(7-6) 1
m a x
11 ?
??
?
??
? ?? N
N
A
将 (7-6)式中的 Amax 值代入 (7-4)式, 即得出信
道利用率的最大值 Smax。
取 A = Amax = e?1 ? 0.368 时,(7-4)式可 简化为,
若 a→0,则信道利用率的最大值可达到 100%。
信道利用率的最大值 Smax
N→ ? (7-7)
aS 44.41
1
m a x ??
? 考虑到 T0 是帧长 L 与数据的发送速率 C
之比，于是参数 a 可写为,
? (7-9)式的分子正是时延带宽积，或以比
特为单位的信道长度，而分母是以比特
为单位的帧长。
参数 a 可以很容易地和
时延带宽积联系起来
L
C
CLT
a ??? ???
/0
(7-9)
7.3 以太网的 MAC 层
7.3.1 MAC 层的硬件地址
? 在局域网中,硬件地址 又称为 物理地址,
或 MAC 地址 。
? 802 标准所说的, 地址, 严格地讲应当是
每一个站的, 名字, 或标识符。
? 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的
,名字, 称为, 地址,,所以本书也采用
这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。
第 1
最高位
最先发送
最低位 最高位 最低位
最后发送
00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001
最低位
最先发送
最高位 最低位 最高位
最后发送
机构惟一标志符 OUI 扩展标志符
高位在前
低位在前
十六进制表示的 EUI-48 地址,AC-DE-48-00-00-80
二进制表示的 EUI-48 地址,
第 1 字节 第 6 字节
I/G 比特
I/G 比特
字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6
第 1 字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6
10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000 802.5 802.6
802.3
802.4
网卡上的硬件地址
路由器 1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02
20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4 20-60-8C-11-D2-F6
路由器由于同时连接到两个网络上,
因此它有两块网卡和两个硬件地址。
网卡检查 MAC 地址
? 网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用
硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址,
? 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他
的处理。
? 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
?, 发往本站的帧, 包括以下三种帧,
? 单播 (unicast)帧（一对一）
? 广播 (broadcast)帧（一对全体）
? 多播 (multicast)帧（一对多）
7.3.2 两种不同的 MAC 帧格式
? 常用的以太网 MAC帧格式有两种标准,
? DIX Ethernet V2 标准
? IEEE 的 802.3 标准
? 最常用的 MAC 帧是 以太网 V2 的格式 。
MAC 帧
字节 6 6 2 4
IP 层
物理层
目的地址 源地址 长度 /类型 FCS
MAC 层
10101010101010 10101010101010101011
前同步码 帧开始 定界符
7 字节 1 字节
…
8 字节
插
入
数 据 MAC 子层
IP 层
LLC 子层 802.2 LLC 帧
当长度 /类型字段
表示长度时
802.3
MAC 帧
以太网 V2
MAC 帧
这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用
目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
43 ~ 1497 1 1 1
DSAP SSAP
1 1 1
控制 数 据
字节
DSAP SSAP
控制
IP 数据报
IP 数据报
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
目的地址字段 6 字节
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
源地址字段 6 字节
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
类型字段 2 字节
类型字段用来标志 上一层 使用的是什么协议,
以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
数据字段 46 ~ 1500 字节
数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段
最小长度 64 字节 ? 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
FCS 字段 4 字节
当传输媒体的误码率为 1?10?8 时,
MAC 子层可使未检测到的差错小于 1?10?14。
当数据字段的长度小于 46 字节时,
应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段,
以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
MAC 帧 物理层
MAC 层
IP 层
以太网 V2
MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4 字节 46 ~ 1500
IP 数据报
以太网 V2 的 MAC 帧格式
10101010101010 10101010101010101011
前同步码 帧开始 定界符
7 字节 1 字节
…
8 字节
插
入
在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节,
是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。
第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。
为了达到比特同步,
在传输媒体上实际传送的
要比 MAC 帧还多 8 个字节
? 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
? 帧的长度不是整数个字节；
? 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
? 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
? 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
? 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以
太网不负责重传丢弃的帧。
无效的 MAC 帧
? 用多个集线器可连成更大的局域网
7.4 扩展的局域网
7.4.1 在物理层扩展局域网
集线器 集线器
一系 二系
集线器
三系
三个独立的碰撞域
? 用多个集线器可连成更大的局域网
7.4 扩展的局域网
7.4.1 在物理层扩展局域网
一系 二系 三系
集线器 集线器 集线器
集线器 主干集线器
? 优点
? 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进
行跨碰撞域的通信。
? 扩大了局域网覆盖的地理范围。
? 缺点
? 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
? 如果不同的碰撞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。
用集线器扩展局域网
? 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
? 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目
的地址对收到的帧进行转发。
? 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，
并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此
帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发
到哪一个端口
7.4.2 在数据链路层扩展局域网
1,网桥的内部结构
站表
端口管理
软件
网桥协议
实体
端口 1 端口 2 缓存
① ② ③
网段 B 网段 A
1
1
1
2
①
③
⑤ 2
②
④
⑥ 2
站地址 端口 网桥
网桥
④ ⑤ ⑥
? 过滤通信量。
? 扩大了物理范围。
? 提高了可靠性。
? 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速
率（如 10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域
网。
使用网桥带来的好处
? 存储转发增加了时延。
? 在 MAC 子层并没有流量控制功能。
? 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延
更大。
? 网桥只适合于用户数不太多 (不超过几百个 )和
通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播
过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓
的 广播风暴 。
使用网桥带来的缺点
? 1990 年问世的 交换式集线器 (switching hub)，可
明显地提高局域网的性能。
? 交换式集线器常称为 以太网交换机 (switch)或第二
层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。
? 以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太
网交换机实质上就是一个 多端口的网桥,可见交
换机工作在数据链路层。
4,多端口网桥 ——以太网交换机
? 以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并
且一般都工作在 全双工方式 。
? 交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互
通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰
撞地传输数据。
? 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，
其交换速率就较高。
以太网交换机的特点
? 对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个
用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽 (10
Mb/s)的 N 分之一。
? 使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的
带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独
占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，
因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为
N?10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。
独占传输媒体的带宽
用以太网交换机扩展局域网
集线器 集线器 集线器
一系 三系 二系
10BASE-T
至因特网
100 Mb/s
100 Mb/s
100 Mb/s
万维网
服务器
电子邮件
服务器
以太网
交换机
路由器
? 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 。
? 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符, 指明发送这
个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。
? 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服
务, 而并不是一种新型局域网 。
7.5 虚拟局域网
7.5.1 虚拟局域网的概念
以太网
交换机
A4
B1
以太网
交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2 B
2 以太网
交换机
以太网
交换机
三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2
和 VLAN3 的构成
以太网
交换机
A4
B1
以太网
交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2 B
2 以太网
交换机
以太网
交换机
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 将会收到广播的信息。
以太网
交换机
A4
B1
以太网
交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2 B
2 以太网
交换机
以太网
交换机
三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2
和 VLAN3 的构成
B1 发送数据时，工作站 A1,A2 和 C1
都不会收到 B1 发出的广播信息。
以太网
交换机
A4
B1
以太网
交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2 B
2 以太网
交换机
以太网
交换机
三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2
和 VLAN3 的构成
虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络
不会因传播过多的广播信息 (即, 广播风暴, )而引起性能恶
化。
? 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一
个 4 字节的标识符, 称为 VLAN 标记 (tag),用来
指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网 。
7.5.2 虚拟局域网使用的
以太网帧格式
802.3
MAC 帧
字节 6 6 2 46 ~ 1500 4
MAC 帧 目地地址 源地址 长度 /类型 数 据 FCS
长度 /类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID
2 字节 2 字节
插入 4 字节的 VLAN 标记
4
用户优先级 CFI
7.6 高速以太网
7.6.1 100BASE-T 以太网
? 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为
高速以太网 。
? 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星
型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的
CSMA/CD 协议。 100BASE-T 以太网又称
为 快速以太网 (Fast Ethernet)。
100BASE-T 以太网的特点
? 可在全双工方式下工作而无冲突发生。
因此，不使用 CSMA/CD 协议。
? MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
? 保持最短帧长不变，但将一个网段的最
大电缆长度减小到 100 m。
? 帧间时间间隔从原来的 9.6 ?s 改为现在
的 0.96 ?s。
三种不同的物理层标准
? 100BASE-TX
? 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。
? 100BASE-FX
? 使用 2 对光纤。
? 100BASE-T4
? 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。
7.6.2 吉比特以太网
? 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种
方式工作。
? 使用 802.3 协议规定的帧格式。
? 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议
（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协
议）。
? 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后
兼容。
吉比特以太网的物理层
? 1000BASE-X 基于光纤通道的物理
层,
? 1000BASE-SX SX表示短波长
? 1000BASE-LX LX表示长波长
? 1000BASE-CX CX表示铜线
? 1000BASE-T
? 使用 4对 5 类线 UTP
载波延伸 (carrier extension)
? 吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必
须进行碰撞检测。
? 由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆
长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保
持为较小的数值。
? 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度
为 100 m，但采用了, 载波延伸, 的办法，
使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼
容性），同时将争用时间增大为 512 字节。
载波延伸 (carrier extension)
? 吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必
须进行碰撞检测。
? 由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆
长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保
持为较小的数值。
? 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度
为 100 m，但采用了, 载波延伸, 的办法，
使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼
容性），同时将争用时间增大为 512 字节。
分组突发
? 当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说
的载波延伸的方法进行填充。
? 随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有
必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组
的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。
发送的
数据 分组 #1 RRRRRRRR 分组 #2 RRRR 分组 #3 RRR 分组 #4
争用期 512 字节
将突发计时器设定为 1500 字节
载波延伸
载波
监听
全双工方式
? 当吉比特以太网工作在全双工方式时
（ 即通信双方可同时进行发送和接收数
据 ）, 不使用载波延伸和分组突发 。
吉比特以太网的配置举例
1 Gb/s 链路
吉比特
交换
集线器
百兆比特或吉比特集线器
100 Mb/s 链路
中央服务器
7.6.3 10 吉比特以太网
? 10 吉比特以太网与 10 Mb/s,100 Mb/s 和
1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。
? 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定
的以太网最小和最大帧长，便于升级。
? 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光
纤作为传输媒体。
? 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因
此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。
吉比特以太网的物理层
? 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数
据率是 10.000 Gb/s。
? 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物
理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的
,Gb/s‖的 SONET/SDH（即 OC-192/STM-64）
相连接。
? 为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-
192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的
广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。
端到端的以太网传输
? 10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范
围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到
城域网和广域网，从而实现了端到端的以太
网传输。
? 这种工作方式的好处是,
? 成熟的技术
? 互操作性很好
? 在广域网中使用以太网时价格便宜。
? 统一的帧格式简化了操作和管理。
以太网从 10 Mb/s 到
10 Gb/s 的演进
? 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了
以太网是,
? 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。
? 灵活的（多种传输媒体、全 /半双工、共享 /
交换）。
? 易于安装。
? 稳健性好。
7.7 其他种类的高速局域网
? 7.7.1 100VG-AnyLAN 局域网
? 使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网
? 7.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI
(Fiber Distributed Data Interface)
? 使用光纤作为传输媒体的令牌环形网
? 7.7.3 高性能并行接口 HIPPI
(HIgh-Performance Parallel Interface)
? 主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存
储器、图形工作站等）的高速接口
? 7.7.4 光纤通道 (Fibre Channel)
