2010年 5月 21日星期五 2时 18分 36秒 计算机网络技术实用教程 (第 3版 )
第 5 章 局域网技术
本章基本要求：
? 掌握常见的局域网拓扑结构，
? 掌握以太网技术；
? 理解局域网的特点和功能，
? 理解 IEEE802标准，
? 理解两类介质访问控制的原理，
? 理解无线局域网的工作原理和基本的组网方式；
? 了解令牌环网,FDDI技术，
? 了解 VLAN的概念与实现方式。
? 了解常用的网络操作系统。
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第 5 章 局域网技术
5.1 局域网概述
5.2 IEEE802标准
5.3 介质访问控制
5.4 共享式以太网和交换式以太网
5.5 高速以太网
5.6 其他种类的高速局域网
5.7 无线局域网
5.8 虚拟局域网
5.9 网络操作系统
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5.1 局域网概述
5.1.1 局域网的特点
局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前
技术发展最快的领域之一。局域网具有如下特点：
(1) 网络所覆盖的地理范围比较小。
(2) 数据的传输速率比较高，近年来已达到 1000Mbps、
10000Mbps。
(3) 具有较低的延迟和误码率。
(4) 局域网络的经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网通常由
服务提供商提供形成鲜明对照。
(5) 便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。
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5.1 局域网概述
5.1.2 常见的局域网拓扑结构
在计算机网络中，把计算机、终端、通信处理机等设备
抽象成点，把连接这些设备的通信线路抽象成线，并将由
这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。网络拓扑结
构反映出网络的结构关系，它对于网络的性能、可靠性以
及建设管理成本等都有着重要的影响，因此网络拓扑结构
的设计在整个网络设计中占有十分重要的地位，在网络构
建时，网络拓扑结构往往是首先要考虑的因素之一。
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5.1 局域网概述
1．星形拓扑（ Star-Topology）
星形拓扑是由中央结点和通过点对点链路接到中央结点
的各站点（网络工作站等）组成，如图 5.1所示。星形拓扑
以中央结点为中心，执行集中式通信控制策略，因此，中
央结点相当复杂，而各个站的通信处理负担都很小，又称
集中式网络。中央控制器是一个具有信号分离功能的“隔
离”装置，它能放大和改善网络信号，外部有一定数量的
端口，每个端口连接一个站点，如 Hub集线器、交换机等。
采用星形拓扑的交换方式有线路交换和报文交换，尤以线
路交换更为普遍，现有的数据处理和声音通信的信息网大
多采用这种拓扑。一旦建立了通信的连接，可以没有延迟
地在两个连通的站点之间传输数据。
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5.1 局域网概述
配线架
图 5.1 星形拓扑结构 图 5.2 带有配线架的星形拓扑
星形拓扑的优点是结构简单，管理方便，可扩充性强，组
网容易。利用中央结点可方便地提供网络连接和重新配置；
且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易
检测和隔离故障，便于维护。
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5.1 局域网概述
星形拓扑的缺点是：每个站点直接与中央结点相连，需
要大量电缆，因此费用较高；
如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央
结点的可靠性和冗余度要求很高。
2．总线拓扑（ Bus Topology）
总线拓扑采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都
通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或总线上。任何
一个站点发送的信息都可以沿着介质传播，而且能被所有
其他的站点接收。图 5.3是总线拓扑，如图 5.4所示是带
有中继器的总线拓扑。
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5.1 局域网概述
中继器
图 5.3 典型的总线拓扑结构
图 5.4 带有中继器的总线拓扑
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5.1 局域网概述
总线拓扑的优点是：结构简单，实现容易；易于安装和
维护；价格低廉，用户站点入网灵活。
总线拓朴结构的缺点是：传输介质故障难以排除，并且
由于所有结点都直接连接在总线上，因此任何一处故障都
会导致整个网络的瘫痪。
不过，对于站点不多（ 10个站点以下）的网络或各个
站点相距不是很远的网络，采用总线拓扑还是比较适合的。
但随着在局域网上传输多媒体信息的增多，目前这种网络
正在被淘汰。
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5.1 局域网概述
3．环形拓扑（ Ring
Topology）
环形拓扑由一些中继器和连接中
继器的点到点链路首尾相连形成一
个闭合的环。如图 5.5所示，每个中
继器都与两条链路相连，它接收一
条链路上的数据，并以同样的速度
串行地把该数据送到另一条链路上，
而不在中继器中缓冲。这种链路是
单向的，也就是说，只能在一个方
向上传输数据，而且所有的链路都
按同一方向传输，数据就在一个方
向上围绕着环进行循环。
图 5.5 环形拓扑结构
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5.1 局域网概述
4．树形结构（ Tree
Topology）
树形拓扑是从总线拓
扑演变而来的，它把星
形和总线形结合起来，
形状像一棵倒置的树，
顶端有一个带分支的根，
每个分支还可以延伸出
子分支，如图 5.6所示。
图 5.6 树形网络拓扑结构
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5.1 局域网概述
5．星形环拓扑
星形环拓扑是将星形拓扑和环形拓扑混合起来的一种拓
扑，试图取这两种拓扑的优点于一个系统中，克服了典型
的星形和典型的环形两个拓扑的不足和缺陷。这种拓扑的
配置是由一批接在环上的连接集中器（实际上是指安装在
楼内各层的配线架）组成，从每个集中器按星形结构接至
每个用户站上。如图 5.7所示。
星形环拓扑的优点是故障诊断和隔离，易于扩展，安装
电缆方便。
星形环拓扑的缺点是需要智能的集中器，电缆安装电缆
长，安装不方便等。
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5.1 局域网概述
子分支
主干
环
图 5.7 星形环拓扑
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5.1 局域网概述
6．拓扑的选择
拓扑的选择往往和传输介质的选择以及介质访问控制方法的
确定紧密相关。选择拓扑时，应该考虑的主要因素有以下几点。
（ 1）经济性,网络拓扑的选择直接决定了网络安装和维护的
费用。
（ 2）灵活性,灵活性以及可扩充性也是选择网络拓扑结构时
应充分重视的问题。网络的可调整性与灵活性以及可扩充性都
与网络拓扑直接相关。
（ 3）可靠性,网络的可靠性是任何一个网络的生命。网络拓
扑决定了网络故障检测和故障隔离的方便性。
总之，选择局域网拓扑时，需要考虑的因素很多，这些因素
同时影响网络的运行速度和网络软硬件接口的复杂程度等。
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5.2 IEEE 802标准
5.2.1 IEEE 802标准概述
1985年 IEEE公布了 IEEE 802标准的五项标准文本，同年为
美国国家标准局（ ANSI）采纳作为美国国家标准。后来，国际标
准化组织（ ISO）经过讨论，建议将 802标准定为局域网国际标
准。
IEEE 802为局域网制定了一系列标准，主要有如下几种。
① IEEE 802.1：描述局域网体系结构以及寻址、网络管理和
网络互连（ 1997）。
? IEEE 802.1G：远程 MAC桥接（ 1998）。规定本地 MAC
网桥操作远程网桥的方法。
? IEEE 802.1H：在局域网中以太网 2.0版 MAC桥接
（ 1997）。
? IEEE 802.1Q：虚拟局域网（ 1998）。
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5.2 IEEE 802标准
② IEEE 802.2：定义了逻辑链路控制（ LLC）子层的功能与服务
（ 1998）。
③ IEEE 802.3：描述带冲突检测的载波监听多路访问（ CSMA/CD）
的访问方法和物理层规范（ 1998）。
? IEEE 802.3ab：描述 1000Base-T访问控制方法和物理层技术规
范（ 1999）。
? IEEE 802.3ac：描述 VLAN的帧扩展（ 1998）。
? IEEE 802.3ad：描述多重链接分段的聚合协议（ Aggregation of
Multiple Link Segments）（ 2000）。
? IEEE 802.3i：描述 10Base-T访问控制方法和物理层技术规范。
? IEEE 802.3u：描述 100Base-T访问控制方法和物理层技术规范。
? IEEE 802.3z：描述 1000Base-X访问控制方法和物理层技术规范。
? IEEE 802.3ae：描述 10GBase-X访问控制方法和物理层技术规范。
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5.2 IEEE 802标准
④ IEEE 802.4：描述 Token-Bus访问控制方法和物理层技术
规范。
⑤ IEEE 802.5：描述 Token-Ring访问控制方法和物理层技术
规范（ 1997）。
? IEEE 802.5t：描述 100 Mbps高速标记环访问方法
（ 2000）。
⑥ IEEE 802.6：描述城域网（ MAN）访问控制方法和物理层技
术规范（ 1994）。 1995年又附加了 MAN的 DQDB子网上面向连接
的服务协议。
⑦ IEEE 802.7：描述宽带网访问控制方法和物理层技术规范。
⑧ IEEE 802.8：描述 FDDI访问控制方法和物理层技术规范。
⑨ IEEE 802.9：描述综合语音、数据局域网技术（ 1996）。
⑩ IEEE 802.10：描述局域网网络安全标准（ 1998）。
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5.2 IEEE 802标准
IEEE 802.11：描述无线局域网访问控制方法和物理
层技术规范（ 1999）。
IEEE 802.12：描述 100VG-AnyLAN访问控制方
法和物理层技术规范。
IEEE 802.14：描述利用 CATV宽带通信的标准
（ 1998）。
IEEE 802.15：描述无线私人网（ Wireless
Personal Area Network,WPAN）。
IEEE 802.16：描述宽带无线访问标准
（ Broadband Wireless Access Standards），由
两部分组成。
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5.2 IEEE 802标准
5.2.2 局域网的体系结构
局域网的体系结构与 OSI模型有相当大的区别，如图
5.9所示，局域网只涉及 OSI的物理层和数据链路层。为
什么没有网络层及网络层以上的各层呢？首先局域网是一
种通信网，只涉及到有关的通信功能，所以至多与 OSI参
考模型中的下 3层有关。其次，由于局域网基本上采用共
享信道的技术，所以也可以不设立单独的网络层。也就是
说，不同局域网技术的区别主要在物理层和数据链路层，
当这些不同的局域网需要在网络层实现互连时，可以借助
其他已有的通用网络层协议（如 IP协议）实现。
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5.2 IEEE 802标准
IEEE 802标准
逻辑链路子层（ LLC）
介质访问控制子层（ MAC）
物理信号（ PS）
物理介质连接设备（ PMA）
物理介质
连接单元接口
（ AUI）
介质访问控制
（ MAU）
ISO/OSI高层
物理层
数据链路层
图 5.9 IEEE 802局域网实现模型
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5.2 IEEE 802标准
1．物理层
局域网的物理层是和 OSI参考模型的物理层功能相当的，
主要涉及局域网物理链路上原始比特流的传输，定义局域
网物理层的机械、电气、规程和功能特性。如信号的传输
与接收、同步序列的产生和删除等，物理连接的建立、维
护、撤销等。
物理层还规定了局域网所使用的信号、编码、传输介质、
拓扑结构和传输速率。例如，信号编码可以采用曼彻斯特
编码，传输介质可采用双绞线、同轴电缆、光缆甚至是无
线传输介质。拓扑结构则支持总线形、星形、环形和混合
形等，可提供多种不同的数据传输率。物理层由以下 4个
部分组成。
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5.2 IEEE 802标准
① 物理介质（ PMD）：提供与线缆的物理连接。
② 物理介质连接设备（ PMA）：生成发送到线路上的
信号，并接收线路上的信号。
③ 连接单元接口（ AUI）。
④ 物理信号（ PS）。
2．数据链路层
局域网的数据链路层分为逻辑链路控制（ LLC，
Logical Link Control）和介质访问控制（ MAC，
Medium Access Control）两个功能子层。
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5.2 IEEE 802标准
其中,MAC子层负责介质访问控制机制的实现，即处
理局域网中各站点对共享通信介质的争用问题，不同类型
的局域网通常使用不同的介质访问控制协议，另外 MAC子
层还涉及局域网中的物理寻址；而 LLC子层负责屏蔽掉
MAC子层的不同实现，将其变成统一的 LLC界面，从而向
网络层提供一致的服务,LLC子层向网络层提供的服务通
过与网络层之间的逻辑接口实现，这些逻辑接口又被称为
服务访问点（ SAP,Service Access Point）。这样
的局域网体系结构不仅使得 IEEE 802标准更具有可扩充
性，有利于其将来接纳新的介质访问控制方法和新的局域
网技术，同时也不会使局域网技术的发展或变革影响到网
络层。
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5.3 介质访问控制方法
5.3.1 信道分配问题
通常，可将信道分配方法划分为两类：静态分配方法和
动态分配方法。
1．静态分配方法
所谓静态分配方法，也是传统的分配方法，它采用频分
多路复用或时分多路复用的办法将单个信道划分后静态地
分配给多个用户。
当用户站数较多或使用信道的站数在不断变化或者通信
量的变化具有突发性时，静态频分多路复用方法的性能较
差，因此，传统的静态分配方法，不完全适合计算机网络。
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5.3 介质访问控制方法
2．动态分配方法
所谓动态分配方法就是动态地为每个用户站点分配信道使用
权。
① 轮转：使每个用户站点轮流获得发送的机会，这种技术称
为轮转。它适合于交互式终端对主机的通信。
② 预约：预约是指将传输介质上的时间分隔成时间片，网上
用户站点若要发送，必须事先预约能占用的时间片。这种技术
适用于数据流的通信。
③ 争用：若所有用户站点都能争用介质，这种技术称为争用。
它实现起来简单，对轻负载或中等负载的系统比较有效，适合
于突发式通信。
争用方法属于随机访问技术，而轮转和预约的方法则属于控
制访问技术。
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5.3 介质访问控制方法
5.3.2 介质访问控制方法
介质访问控制方法的主要内容有两个方面：一是要确定
网络上每一个结点能够将信息发送到介质上去的特定时刻；
二是要解决如何对共享介质访问和利用加以控制。常用的
介质访问控制方法有 3种：总线结构的带冲突检测的载波
监听多路访问 CSMA/CD方法、环形结构的令牌环
（ Token Ring）访问控制方法和令牌总线（ Token
Bus）访问控制方法。
1．带冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD
CSMA/CD（ Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection）是采用争用技术的一
种介质访问控制方法。
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5.3 介质访问控制方法
CSMA/CD通常用于总线形拓扑结构和星形拓扑结构
的局域网中。它的每个站点都能独立决定发送帧，若两个
或多个站同时发送，即产生冲突。每个站都能判断是否有
冲突发生，如冲突发生，则等待随机时间间隔后重发，以
避免再次发生冲突。
CSMA/CD的工作原理可概括成四句话，即先听后发，
边发边听，冲突停止，随机延迟后重发。具体过程如下：
? 当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络查看是
否有其他站点正在传输，即监听信道是否空闲。
? 如果信道忙，则等待，直到信道空闲。
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5.3 介质访问控制方法
? 如果信道闲，站点就传输数据。
? 在发送数据的同时，站点继续监听网络确信没有其他
站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时
检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果
两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。
? 当一个传输结点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞
信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的结点都
有能发现。
? 其他结点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随
机产生的时间间隙（回退时间,Backoff Time）后重发。
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5.3 介质访问控制方法
2．令牌环（ Token Ring）访问控制
Token Ring是令牌传输环（ Token Passing Ring）
的简写。令牌环介质访问控制方法，是通过在环形网上传
输令牌的方式来实现对介质的访问控制。只有当令牌传输
至环中某站点时，它才能利用环路发送或接收信息。当环
线上各站点都没有帧发送时，令牌标记为 01111111，
称为空标记。当一个站点要发送帧时，需等待令牌通过，
并将空标记置换为忙标记 01111110，紧跟着令牌，用
户站点把数据帧发送至环上。由于是忙标记，所以其他站
点不能发送帧，必须等待。
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5.3 介质访问控制方法
发送出去的帧将随令牌沿环路传输下去。在循环一周又
回到原发送站点时，由发送站点将该帧从环上移去，同时
将忙标记换为空标记，令牌传至后面站点，使之获得发送
的许可权。发送站点在从环中移去数据帧的同时还要检查
接收站载入该帧的应答信息，若为肯定应答，说明发送的
帧已被正确接收，完成发送任务。若为否定应答，说明对
方未能正确收到所发送的帧，原发送站点需在带空标记的
令牌第二次到来时，重发此帧。采用发送站从环上收回帧
的策略，不仅具有对发送站点自动应答的功能，而且还具
有广播特性，即可有多个站点接收同一数据帧。
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5.3 介质访问控制方法
接收帧的过程与发送帧不同，当令牌及数据帧通过环上
站点时，该站将帧携带的目标地址与本站地址相比较。若
地址符合，则将该帧复制下来放入接收缓冲器中，待接收
站正确接收后，即在该帧上载入肯定应答信号；若不能正
确接收则载入否定应答信号，之后再将该帧送入环上，让
其继续向下传输。若地址不符合，则简单地将数据帧重新
送入环中。所以当令牌经过某站点而它既不发送信息，又
无处接收时，会稍经延迟，继续向前传输。
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5.3 介质访问控制方法
归纳起来，在令牌环中主要有下面 3种操作：
? 截获令牌并且发送数据帧。如果没有结点需要发送数
据，令牌就由各个结点沿固定的顺序逐个传递；如果某个
结点需要发送数据，它要等待令牌的到来，当空闲令牌传
到这个结点时，该结点修改令牌帧中的标志，使其变为
,忙, 的状态，然后去掉令牌的尾部，加上数据，成为数
据帧，发送到下一个结点。
? 接收与转发数据。数据帧每经过一个结点，该结点就
比较数据帧中的目的地址，如果不属于本结点，则转发出
去；如果属于本结点，则复制到本结点的计算机中，同时
在帧中设置已经复制的标志，然后向下一结点转发。
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5.3 介质访问控制方法
? 取消数据帧并且重发令牌。由于环网在物理上是个闭
环，一个帧可能在环中不停地流动，所以必须清除。当数
据帧通过闭环重新传到发送结点时，发送结点不再转发，
而是检查发送是否成功。如果发现数据帧没有被复制（传
输失败），则重发该数据帧；如果发现传输成功，则清除
该数据帧，并且产生一个新的空闲令牌发送到环上。
3．令牌总线（ Token Bus）访问控制
令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环，令
牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环相同。它
同时具有上述两种方法的优点，是一种简单、公平、性能
良好的介质访问控制方法。
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5.3 介质访问控制方法
5.3.3 以太网
以太网（ Ethernet）是一种产生较早且使用相当广泛
的局域网，美国 Xerox（施乐）公司 1975年推出了他们
的第一个局域网。 1980年美国 Xerox,DEC与 Intel三
家公司联合提出了以太网规范，这是世界上第一个局域网
的技术标准。后来的以太网国际标准 IEEE 802.3就是参
照以太网的技术标准建立的，两者基本兼容。为了与后来
提出的快速以太网相区别，通常又将这种按 IEEE 802.3
规范生产的以太网产品简称为以太网。
1,IEEE 802.3帧结构
图 5.10给出了 IEEE 802.3帧结构，各字段的功能如
下。
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5.3 介质访问控制方法
① 前导同步码由 7个同步字节组成，用于收发之间的定
时同步；
② SFD是帧起始定界符；
③ 目的地址是帧发往的站点地址，每个站点都有自己惟
一的地址；
④ 源地址是帧发送的站点地址；
前导同
步码
7字节
SFD
1字
节
目的
地址
6字节
源地
址
6字节
数据长
度
2字节
协议首
部
20字节
数据和填充
字节
0～ 1500字
节
帧校
验
4字
节
图 5.10 IEEE 802.3帧结构
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5.3 介质访问控制方法
⑤ 数据长度是要传输数据的总长度；
⑥ 协议首部是数据字段的一部分，含有更高层协议嵌入
数据字段中的信息；
⑦ 数据字节的长度可从 0到 1518个字节，但必须保证
帧不得小于 64个字节，否则就要填入填充字节；
⑧ 帧校验占用 4个字节，采用 CRC码，用于校验帧传输
中的差错。
2．以太网地址
以太网使用的是 MAC地址，即 IEEE 802.3以太网帧
结构中定义的地址。每块网卡出厂时，都被赋予一个 MAC
地址，网卡的实际地址共有 6个字节。
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5.3 介质访问控制方法
3．以太网 MAC子层
IEEE 802.3以太网，是一种总线型局域网，使用的介质访
问控制子层方法是 CSMA/CD（载波监听多路访问／冲突检
测），帧格式采用以太网格式，即 802.3帧格式，以太网是
基带系统，使用曼彻斯特编码，通过检测通道上的信号存在
与否来实现载波检测。
4．以太网分类
有 4种正式的 10 Mbps以太网标准。
① 10Base-5,10Base-5是最初的粗同轴电缆以太网标准。
② 10Base-2,10Base-2是细同轴电缆以太网标准。
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5.3 介质访问控制方法
③ 10Base-T,10Base-T是 10 Mbps的双绞线以
太网标准。
④ 10Base-F,10Base-F是 10 Mbps的光缆以太
网标准。
5．以太网物理层
以太网在物理层可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非
屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、光缆等多种传输介质，并且在
IEEE 802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物
理层标准，如图 5.11所示。
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5.3 介质访问控制方法
以太网
CSMA/CD
AUI
10Base5
粗缆
10Base2
细缆
10Base-T
双绞线
10Base-F
光缆
图 5.11 5种不同以太网的物理层实现
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5.3 介质访问控制方法
6,10Base-T10Base-T是以太网中最常用的一种标准，
,10” 表示信号的传输速率为 10 Mbps，,Base” 表示信
道上传输的是基带信号，,T” 是英文 Twisted-pair（双
绞线电缆）的缩写，说明是使用双绞线电缆作为传输介质，
编码也采用曼彻斯特编码方式。采用星形拓扑结构。
10Base-T的组网由网卡、集线器、交换机、双绞线等设备
组成。图 5.12给出了一个以集线器为星形拓扑中央结点的
10Base-T网络示例，所有的工作站都通过传输介质连接到
集线器 Hub上，工作站与 Hub之间的双绞线最大距离为 100
m，网络扩展可以采用多个 Hub来实现，在使用时也要遵守
前面所介绍的,5-4-3-2-1” 规则。 Hub之间的连接可以使
用双绞线、同轴电缆或粗缆线。
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5.3 介质访问控制方法
图 5.12 10BASE-T网络示意图
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5.3 介质访问控制方法
10Base-T以太网有如下特点。
? 安装简单、扩展方便；网络的建立灵活、方便，可以
根据网络的大小，选择不同规格的 Hub或交换机连接在一
起，形成所需要的网络拓扑结构。
? 网络的可扩展性强，因为扩充与减少工作站都不会影
响或中断整个网络的工作。
? 集线器或交换机具有很好的故障隔离作用。当某个工
作站与中央结点之间的连接出现故障时，也不会影响其他
结点的正常运行；甚至当网络中某一个集线器或交换机出
现故障时，也只会影响到与该集线器或交换机直接相连的
结点。
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5.3 介质访问控制方法
表 5.1 IEEE 802.3以太网的基本特性
特 性 10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-F
速率／ Mbps 10 10 10 10
传输方法 基带 基带 基带 基带
最大网段长度／ m 500 185 100 2000
站间最小距离／ m 2.5 0.5
传输介质 50 ?粗同轴
电缆
50 ?细同
轴电缆
UTP 多模光缆
网络拓扑 总线形 总线形 星形 点对点
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5.3 介质访问控制方法
5.3.4 令牌环网
1．概述
IEEE 802.5标准定义了令牌环网的国际规范。
令牌环网在物理层提供 4 Mbps和 16 Mbps两种传输
速率；支持 STP/UTP双绞线和光纤作为传输介质，但较
多的是采用 STP，使用 STP时计算机和集线器的最大距离
可达 100 m，使用 UTP时这个距离为 45 m。
构建 Token Ring网络时，需要 Token Ring网卡、
Token Ring集线器和传输介质等。图 5.13给出了一个
Token Ring组网的示例。其物理拓扑在外表上为星形结
构，星形拓扑的中心是一个被称为介质访问单元（ Media
Access Unit，简称 MAU）的集线装置。所以我们认为
Token Ring采用的仍是一个物理环的结构。
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5.3 介质访问控制方法
图 5.13 令牌环网集线器的内部结构
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5.3 介质访问控制方法
2．令牌环网的工作原理
令牌环网利用一种称之为“令牌（ Token）”的短帧来选
择拥有传输介质的站，只有拥有令牌的工作站才有权发送信
息。令牌平时不停地在环路上流动，当一个站有数据要发送
时，必须等到令牌出现在本站时截获它，即将令牌的独特标
志转变为信息帧的标志（或称把闲令牌置为忙令牌），然后
将所要发送的信息附在之后发送出去。由于令牌环网采用的
是单令牌策略，环路上只能有一个令牌存在，只要有一个站
发送信息，环路上就不会再有空闲的令牌流动。采取这样的
策略，可以保证任一时刻环路上只能有一个发送站，因此不
会出现像以太网那样的竞争局面，环网不会因发生冲突而降
低效率，所以说令牌环网的一个很大优点就是在重载时可以
高效率地工作。
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5.3 介质访问控制方法
在环上传输的信息逐个站点不断地向前传输，一直到达
目的站。目的站一方面复制这个帧（即收下这个帧），另
一方面还要将此信息帧转发给下一个站（并在其后附上已
接收标志）。信息在环路上转了一圈后，最后又必然会回
到发送数据的源站点，信息回到源站点后，源站点对返回
的数据不再进行转发（这是理所当然的），而是对返回的
数据进行检查，查看本次发送是否成功。当所发信息的最
后一个比特绕环路一周返回到源站时，源站必须生成一个
新的令牌，将令牌发送给下一个站，环路上又有令牌在流
动，等待着某个站去截获它。总之，截获令牌的站要负责
在发送完信息后再将令牌恢复出来，发送信息的站要负责
从环路上收回它所发出的信息。
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5.3 介质访问控制方法
令牌环的工作过程为。
第一步：令牌在环中流动,C站有信息发送，截获了令
牌。
第二步,C站发送数据给 A站,A站接收并转发数据。
第三步,C站等待并接收它所发的帧，并将该帧从环上
撤离。
第四步,C站收完所发帧的最后一比特后，重新产生令
牌发送到环上。
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5.4 共享式以太网和交换式以太网
5.4.1 共享式以太网
传统的共享式以太网是最简单、最便宜、最常用的一种
组网方式。在网络应用和组网过程中，暴露出以下主要缺
点。
1．覆盖的地理范围有限
按照 CSMA/CD的有关规定，以太网覆盖的地理范围是固
定的，只要两个结点处于同一个以太网中，它们之间的最
大距离就不能超过这个固定值，不管它们之间的连接跨越
一个集线器还是多个集线器。如果超过这个值，网络通信
就会出现问题。
2．网络总带宽容量固定
共享式以太局域网上的所有结点共享同一传输介质。
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5.4 共享式以太网和交换式以太网
3．不能支持多种速率
在共享式以太局域网中的网络设备必须保持相同的传输
速率，否则一个设备发送的信息，另一个设备不可能收到。
单一的共享式以太网不可能提供多种速率的设备支持。
5.4.2 交换式以太网
交换机以太网利用以太网交换机组网，既可以将计算机
直连到交换机的端口上，也可以将它们连入一个网段，然
后将这个网段连到交换机的端口。如果将计算机直接连到
交换机的端口，那么它将独享该端口提供的带宽；如果计
算机通过以太网连入交换机，那么该以太网上的所有计算
机共享交换机端口提供的带宽。
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5.5 高速以太网
5.5.1 快速以太网技术
快速以太网技术 100Base-T是由 10Base-T标准以太网发
展而来的。其协议标准为 1995年颁布的 IEEE 802.3u，可
支持 100 Mbps的数据传输速率，并且与 10Base-T一样可支
持共享式与交换式两种使用环境，在交换式以太网环境中
可以实现全双工通信。 IEEE 802.3u在 MAC子层仍采用
CSMA/CD作为介质访问控制协议，并保留了 IEEE 802.3的
帧格式。快速以太网采用 4B/5B编码。
1．快速以太网的体系结构
图 5.15给出了 IEEE 802.3u协议的体系结构，对应于
OSI模型的数据链路层协议和物理层协议。
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5.5 高速以太网
LLC 802.2
100 Base– T
CSMA／ CD
MII
100 Base-Tx 100 Base-T4 100 Base-Fx
2对 5类 UTP或
1类 STP
4对 3,4,5
类 UTP
2芯光纤传输介质
物理层
数据链路层
图 5.15 100Base-T协议结构
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5.5 高速以太网
2,100Base-T物理层
从图 5.15中可以看出 100Base-T定义了 3种不同的物理层
协议。表 5.2给出了这 3种物理层标准的对比。为了屏蔽下
层不同的物理细节，为 MAC和高层协议提供了一个 100
Mbps传输速率的公共透明接口，快速以太网在物理层和
MAC子层之间还定义了一种独立于介质种类的介质无关接口
（ Medium Independent Interface，简称 MII），该接口
可以支持上面 3种不同的物理层介质标准。
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5.5 高速以太网
表 5.2 100Base-T的三种不同的物理层协议
物理层
协议 线缆类型
线缆
对数
最大分段
长度
编码
方式 优点
100Base-
T4 3/4/5类 UTP 4对 100m 8B/6T 3类 UTP
100Base-
TX
5类 UTP/RJ-45
接头 1类
STP/DB-9接头
2对 100m 4B/5B 全双工
100Base-
FX
62.5?m单模
/125?m多模光
纤,ST或 SC光
纤连接器
2对 2000m 4B/5B 全双工长 距离
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5.5 高速以太网
（ 1） 100Base-TX
100Base-TX介质规范基于 ANSI TP-PMD物理介质标准。
100Base-TX介质接口在两对双绞线电缆上运行，其中一对
用于发送数据，另一对用于接收数据，由于 ANSI TP-PMD
规范既包括屏蔽双绞线电缆，也包括非屏蔽双绞线电缆，
所以 100Base-TX介质接口支持两对 5类以上非屏蔽双绞线
电缆和两对 1类屏蔽双绞线电缆。
100Base-TX链路与介质相关的接口有两种：对非屏蔽双
绞线电缆,MDI连接器必须是兼容 5类及 5类以上的 8脚 RJ-
45连接器；对屏蔽双绞线电缆,MDI连接器必须是 IBM的
STP连接器，使用屏蔽 DB-9型连接器。
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5.5 高速以太网
① 5类 UTP及 5类以上 UTP,100Base-TX UTP介质接口使
用两对 MDI连接器线来将信号传出和传入网络介质，这意味
着 RJ-45连接器 8个管脚中的 4个是被占用的。为使串音和
可能的信号失真最小，另外 4条线不应传输任何信号。每对
的发送和接收信号是极化的，一条线传输正（ +）信号，而
另一条线传输负（ ?）信号。对 RJ-45连接器，正确的配线
对分配是管脚 [1,2]和管脚 [3,6]。应尽量在 MDI管脚分
配中使用正确的彩色编码线对。
② 1类 STP,100Base-TX标准也支持特征阻抗为 150 ?的
屏蔽双绞线电缆。屏蔽双绞线电缆使用 D型连接器并按 ANSI
TP-PMD对屏蔽双绞线架设的规范来布线。在 DB-9连接器上
正确的配线对分配是管脚 [1,6]和管脚 [5,9]。
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5.5 高速以太网
③ 100Base-T交叉布线：当两个结点连到一起单机应用
时，必须提供一条外部交叉电缆，将电缆一端 8脚 RJ-45连
接器上的发送管脚连到电缆另一端 8脚 RJ-45连接器上的接
收管脚。在多个结点连到一个集线器或交换机端口的实现
中，交叉布线是在集线器或交换机端口内部完成的，这使
得直联电缆能用于各个结点和集线器或交换机端口之间。
④ 100Base-TX电缆配置,100Base-TX规范允许两个 DTE
或 DTE与交换端口之间的链路之间的链段最大长度为 100 m。
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5.5 高速以太网
（ 2） 100Base-FX
光缆是 100Base-FX指定支持的一种介质，而且容易安装、
重量轻、体积小、灵活性好、不受 EMI干扰。
100Base-FX标准指定了两条多状态光纤，一条用于发送
数据，一条用于接收数据。当工作站的 NIC以全双工模式运
行时能超过 2 km。光缆可分为两类：多模和单模。
① 多模光缆：这种光缆为 62.5/125 ?m，采用基于 LED
的收发器将波长为 820 nm的光信号发送到光纤上。当连在
两个设置为全双工模式的交换机端口之间时，支持的最大
距离为 2 km。
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5.5 高速以太网
② 单模光缆：这种光缆为 9/125 ?m，采用基于激光的
收发器将波长为 1300 nm的光信号发送到光纤上。单模光
缆率损耗小，较之多模光缆能使光信号传输到更远的距离。
（ 3） 100Base-T4
100Base-T4链路与介质相关的接口是基于 3,4,5类非
屏蔽双绞线。 100Base-T4标准使用 4对线。用于 100Base-T
的 RJ-45连接器也可用于 100Base-T4。 4对中的 3对用于一
起发送数据，同时第 4对用于冲突检测。每对线都是极化的，
每对中的一条线传输正（ ?）信号而另一条线传输负（ ?）
信号。
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5.5 高速以太网
5.5.2 千兆位以太网技术
1996年 3月 IEEE 802委员会成立了 IEEE 802.3z工作组，
专门负责千兆位以太网及其标准，并于 1998年 6月正式公布
关于千兆位以太网的标准。
千兆位以太网标准是对以太网技术的再次扩展，其数据
传输率为 1000 Mbps即 1Gbps，因此也称吉比特以太网。千
兆位以太网基本保留了原有以太网的帧结构，所以向下和
以太网与快速以太网完全兼容，从而原有的 10 Mbps以太
网或快速以太网可以方便地升级到千兆位以太网。千兆位
以太网标准实际上包括支持光纤传输的 IEEE 802.3z和支
持铜缆传输的 IEEE 802.3ab两大部分。图 5.17给出了千兆
位以太网的协议结构。
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5.5 高速以太网
LLC 802.2
802.3全双工 /流量控制协议
CSMA/CD半双工方式
GMII
1000Base-cx 1000 Base-LX 1000 Base-SX
150?STP 超 5类或 6类
UTP
多模光纤传输介质
物理层
数据链路层
图 5.17 标准的千兆位以太网协议体系
IEEE802.3ab IEEE802.3Z
1000Base-T
多模光纤
单模光纤
LLC子层
MAC子层
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5.5 高速以太网
千兆位以太网的物理层包括 1000Base－ SX,1000Base-
LX,1000 Base-CX和 1000 Base-T 4个协议标准。
1,1000 Base-SX标准
1000 Base-SX采用芯径为 62.5 ?m和 50 ?m的多模光纤，
工作波长为 850 nm，传输距离为 260 m和 525 m。数据编码
方法为 8B/10B，适用于作为大楼网络系统的主干通路。
2,1000 Base-LX标准
（ 1）多模光纤
1000 Base-LX可采用芯径为 50 ?m和 62.5 ?m的多模光纤，
工作波长为 850 nm，传输距离为 550 m，数据编码方法为
8B/10B，适用于作为大楼网络系统的主干通路。
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5.5 高速以太网
（ 2）单模光纤
1000 Base-LX可采用芯径为 9 ?m的单模光纤，工作波长
为 1300 nm或 1550 nm，数据编码方法采用 8B/10B，适用于
校园或城域主干网。
3,1000 Base-CX标准
1000 Base-CX标准采用 150 ?平衡屏蔽双绞线（ STP），
传输距离为 25 m，传输速率为 1.25 Gbps，数据编码方法
采用 8B/10B，适用于集群网络设备的互连，例如机房内连
接网络服务器。
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5.5 高速以太网
4,1000 Base-T标准
1000 Base-T采用 4对 5类 UTP双绞线，传输距离为
100 m，传输速率为 1 Gbps，主要用于结构化布线中同
一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网已铺
设的 UTP 电缆，也可被用做大楼内的网络主干。
在千兆位以太网的 MAC子层，除了支持以往的
CSMA/CD协议外，还引入了全双工流量控制协议。其中，
CSMA/CD协议用于共享信道的争用问题，即支持以集线
器作为星形拓扑中心的共享以太网组网；全双工流量控制
协议适用于交换机到交换机或交换机到站点之间的点 -点连
接，两点间可以同时进行发送与接收，即支持以交换机作
为星形拓扑中心的交换以太网组网。
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5.5 高速以太网
目前，千兆位以太网主要被用于园区或大楼网络的主干
中，但也有的被用于有非常高带宽要求的高性能桌面环境
中。图 5.18给出了一个将千兆位以太网用于网络主干，将
快速以太网或 10 Mbps以太网用于桌面环境的网络示意图。
该网络采用了典型的层次化网络设计方法。
图 5.18中，最下面一层由 10 Mbps以太网交换机加上 100
Mbps上行链路组成；第 2层由 100 Mbps以太网交换机加
1000 Mbps上行链路组成；最高层由千兆位以太网交换机
组成。通常将面向用户连接或访问网络的层称为接入层
（ Access Layer），而将网络主干层称为核心层（ Core
Layer），将连接接入部分和核心部分的层称为分布层或汇
聚层（ Distribution Layer）。
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5.5 高速以太网
1000M1000M1000M
1000M
图 5.18 千兆位以太网的应用举例
Si Si Si Si
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5.5 高速以太网
5.5.3 万兆位以太网技术
1999年底成立了 IEEE 802.3ae工作组进行万兆位以太网技
术（ 10 Gbps）的研究，并于 2002年正式发布 IEEE 802.3ae
10GE标准。
1．万兆位以太网的技术特色和显著特征
首先表现在物理层上。万兆位以太网是一种只采用全双工
与光纤的技术，其物理层（ PHY）和 OSI模型的第 1层（物理层）
一致，它负责建立传输介质（光纤或铜线）和 MAC层的连接，
MAC层相当于 OSI模型的第 2层（数据链路层）。在网络的结构
模型中，把 PHY进一步划分为物理介质关联层（ PMD）和物理
代码子层（ PCS）。光学转换器属于 PMD层。 PCS层由信息的编
码方式（如 64B/66B ）、串行或多路复用等功能组成。
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5.5 高速以太网
其次，万兆位以太网技术基本承袭了以太网、快速以太
网及千兆位以太网技术，因此在用户普及率、使用方便性、
网络互操作性及简易性上皆占有极大的引进优势。在升级
到万兆位以太网解决方案时，用户不必担心既有的程序或
服务会受到影响，升级的风险非常低，同时在未来升级到
40 Gbps甚至 100 Gbps时都将有很明显的优势。
第三，万兆位标准意味着以太网将具有更高的带宽（ 10
Gbps）和更远的传输距离（最长传输距离可达 40km）。
第四，在企业网中采用万兆位以太网可以最好地连接企
业网骨干路由器，这样大大简化了网络拓扑结构，提高了
网络性能。
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5.5 高速以太网
第五，万兆位以太网技术提供了更多的更新功能，大大
提升了 QoS。因此，能更好地满足网络安全、服务质量、链
路保护等多个方面需求。
最后，随着网络应用的深入,WAN/MAN与 LAN融和已经成
为大势所趋，各自的应用领域也将获得新的突破，而万兆
位以太网技术让工业界找到了一条能够同时提高以太网的
速度、可操作距离和连通性的途径，万兆位以太网技术的
应用必将为三网发展与融和提供新的动力。
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5.5 高速以太网
万兆位以太网还有以下十分明显的应用特征。
① 万兆位以太网结构简单、管理方便、价格低廉。
② 过去有时需采用数个千兆位捆绑在一起以满足交换机互连
所需的高带宽，因而浪费了更多的光纤资源，现在可以采用万兆
位互连，甚至 4个万兆位捆绑互连，达到 40 Gbps的宽带水平。
③ 采用万兆位以太网，网络管理者可以用实时方式，也可以
用历史累积方式轻松地看到第 2层到第 7层的网络流量。允许“永
远在线”监视，能够鉴别干扰或入侵监测，发现网络性能瓶颈，
获取计费信息或呼叫数据记录，从网络中获取商业智能。
④ 以太网的可平滑升级保护了用户的投资，以太网的改进始
终保持向前兼容，使得用户能够实现无缝升级，一方面不需要额
外的投资升级上层应用系统，也不影响原来的业务部署和应用。
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5.5 高速以太网
2．万兆位以太网技术介绍
如图 5.19所示为 IEEE 802.3ae万兆位以太网技术标
准的体系结构。
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5.5 高速以太网
图 5.19 802.3ae体系结构
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5.5 高速以太网
（ 1）物理层
在物理层，万兆位以太网的 IEEE 802.3ae标准只支
持光纤作为传输介质，但提供了两种物理连接（ PHY）类
型。一种是提供与传统以太网进行连接的速率为 10
Gbps的 LAN物理层设备，即, LAN PHY”；另一种提供
与 SDH/SONET进行连接的速率为 9.58464 Gbps的
WAN物理层设备，即, WAN PHY”。通过引入 WAN
PHY，提供了以太网帧与 SONET OC-192帧结构的融
合,WAN PHY可与 OC-192,SONET/SDH设备一起
运行，从而在保护现有网络投资的基础上，能够在不同地
区通过 SONET城域网提供端到端的以太网 连接。
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5.5 高速以太网
① 10 Gbps串行物理媒介层。万兆位以太网支持 5种接
口，分别是 1550 nm LAN接口,1310 nm宽频波分复用
（ WWDM） LAN接口,850 nm LAN接口,1550 nm WAN接口和
1310 nm WAN接口。每种接口都有其对应的最便宜的传输
介质，传输距离也不同，如表 5.8所示。
② PMD（物理介质相关）子层。 PMD子层的功能是支持
在 PMA子层和介质之间交换串行化的符号代码位。 PMD子层
将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。
PMD是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质上
发送和接收信号。
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5.5 高速以太网
表 5.8 10 Gbps串行物理媒介层
名 称 描 述 传输介质 传输距离
10GBase－ SR 805 nm LAN接口 50/125 ?m多模光
纤
65 m
10GBase－ LR 1310 nm LAN接口 62.5/125 ?m多模
光纤
300 m
10GBase－ ER 1550 nm LAN接口 50/125 ?m多模光
纤
240 m
10GBase－ LW 1310 nm WAN接口 单模光纤 10 km
10GBase－ EW 1550 nm WAN接口 单模光纤 40km
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5.5 高速以太网
③ PMA（物理介质接入）子层。 PMA子层提供了
PCS和 PMD层之间的串行化服务接口。和 PCS子层的连
接称为 PMA服务接口。
④ WIS（广域网接口）子层。 WIS子层是可选的物理
子层，可用在 PMA与 PCS之间，产生适配 ANSI定义的
SONET STS-192c传输格式或 ITU定义 SDH VC-4-
64c容器速率的以太网数据流。
⑤ PCS（物理编码）子层。 PCS子层位于协调子层
（通过 GMII）和物理介质接入层（ PMA）子层之间。
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5.5 高速以太网
⑥ RS（协调子层）和 XGMII（ 10 Gbps介质无关接口）。
协调子层的功能是将 XGMII的通路数据和相关控制信号映射
到原始 PLS服务接口定义（ MAC/PLS）接口上。 XGMII接口
提供了 10 Gbps的 MAC和物理层间的逻辑接口。 XGMII和协
调子层使 MAC可以连接到不同类型的物理介质上。
（ 2）传输介质层
IEEE 802.3ae目前支持 9/125 ?m单模,50/125 ?m多模
和 62.5/125 ?m多模 3种光纤，而对电接口的支持规范
10GBase-CX4目前正在讨论之中，尚未形成标准。
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5.5 高速以太网
（ 3）数据链路层
IEEE 802.3ae继承了 802.3以太网的帧格式和最大／最小帧长
度，支持多层星形连接、点到点连接及其组合，充分兼容已有
应用，不影响上层应用，进而降低了升级风险。
3．以太网的应用和展望
（ 1）万兆位以太网的应用场合
从目前网络现状看，万兆位以太网最先应用的场合包括教育
行业、数据中心出口和城域网骨干。
① 在教育网的应用。如图 5.20所示。利用 10GE高速链路构建
校园网的骨干链路和各分校区与本部之间的连接，可实现端到
端的以太网访问，进而提高传输效率，有效地保证远程多媒体
教学和数字图书馆等业务的开展。
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5.5 高速以太网
图 5.20 10GE在校园网的应用
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5.5 高速以太网
② 在数据中心出
口的应用。随着服
务器纷纷采用千兆
位链路连接网络，
汇聚这些服务器的
上行带宽将逐渐成
为业务瓶颈，使用
10GE高速链路可
为数据中心出口提
供充分的带宽保障，
如图 5.21所示。 图 5.21 10GE在数据中心的应用
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5.5 高速以太网
③ 在城域网的应用。如图 5.22所示，在城域网骨干层
部署 10GE可大大地简化网络结构、降低成本、便于维护，
通过端到端以太网打造低成本、高性能和具有丰富业务支
持能力的城域网。 10GE在城域网中的应用主要有两个方
面：
? 直接采用 10GE取代原来的传输链路，作为城域网骨
干，如图 5.22所示；
? 通过 10GE CWDM接口或 WAN接口与城域网的传
输设备相连接，充分利用已有的 SDH或 DWDM骨干传输
资源，如图 5.23所示。
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5.5 高速以太网
图 5.22 10GE直接作为城域网骨干
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5.5 高速以太网
图 5.23 10GE与城域网骨干的连接
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5.5 高速以太网
（ 2）万兆位以太网的特点
万兆位以太网技术提供更加丰富的带宽和处理能力，能
够有效地节约用户在链路上的投资，并保持以太网一贯的
兼容性、简单易用和升级容易的特点。但是，由于万兆位
以太网尚处于发展初期，还存在着一些问题和不足：首先，
在价格方面，目前一个 10GE端口的价格是 GE端口的
100倍左右；其次，万兆位以太网继承了以太网一贯的弱
QoS特点，如何进行有保障的区分业务承载的问题仍然没
有解决,RPR,MPLS等特性的支持尚不成熟；第三，
10GE要求设备具有强大的处理能力，而目前业界有些厂
商推出的 10GE端口并未实现真正的线速处理，带宽优势
大打折扣。
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5.6 其他种类的高速局域网
5.6.1 100VG-AnyLAN局域网
标准为 IEEE 802.12的 100VG-AnyLAN也是一种
使用集线器的 100 bps高速局域网，它常简写为 100VG。
VG代表 Voice Grade（语音级，这种局域网可使用 3类
线），而 Any则表示能使用多种传输介质，并可支持
IEEE 802.3和 IEEE 802.5的数据帧。
100VG是一种无碰撞局域网，能更好地支持多媒体传
输；在网络上可获得高达 95％的吞吐量；在介质访问控制
子层（ MAC）运行需要优先级（ Demand Priority）
协议；各工作站有数据要发送时，要向集线器发出请求，
每个请求都标有优先级别。
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5.6 其他种类的高速局域网
5.6.2 光纤分布式数据接口（ FDDI）
FDDI是 Fiber Distributed Data Interface的缩
写，意思是光纤分布数据接口，是计算机网络技术发展到
高速通信阶段出现的第一个高速网络技术。 FDDI的 IEEE
协议标准为 IEEE 802.7。 FDDI以光纤为传输介质，传
输速率可达 100 Mbps，采用单环和双环两种拓扑结构。
但为了提高网络的健壮性，大多采用双环结构。每一个
FDDI环可以连接 500台工作站，工作站间的距离可达 2
km，从而 FDDI的单环网络范围可达 100 km，若以双
环结构来看则可达 200 km。 FDDI有完整的国际标准，
有众多厂商的支持。
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5.6 其他种类的高速局域网
1,FDDI的物理层
FDDI标准根据传输介质的不同，定义了 4种类型的
PMD标准。
① MMF-PMD：使用多模光缆 MMF，是 ANSI定义的
第一个 PMD标准。多模光缆使用廉价的 LED作为光源，
价格便宜，波长有 850 nm和 1300 nm两种，最大传输
距离为 2 km。
② SMF-PMD：使用单模光缆 SMF，单模光缆通常使
用激光作为光源，波长为 1300 nm。单模光缆传输距离
较远，在无中继情况下其传输距离可达 60 km，价格较
MMF贵。
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5.6 其他种类的高速局域网
③ LCF-PMD：使用廉价光缆的 PMD标准，使用多模
光缆为传输介质，光源为发光二极管。
④ TP-PMD：使用双绞线电缆作为 FDDI的传输介质。
使用 5类 UTP的传输距离为 100 m。
在 FDDI网络中，双连接有两个物理实体，一个实体连
接主环，另一个实体连接副环。单连接站（ SAS，
Single Attached Station）也有两个物理层实体，主
实体在 SAS，副实体在集中器。因此，标准规定最大为
500个站点。 FDDI限制光缆总长度为 200 km，即环路
长度限制在 100 km。
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5.6 其他种类的高速局域网
PMD标准中定义了 4种主要的 FDDI介质接口连接器
（称之为 MIC）：
? A型连接器 —— 是双连集中器 DAC和双连站 DAS的
一部分，用于连接主环的输入和副环的输出。
? B型连接器 —— 是 DAC和 DAS的一部分，用于连接
主环的输入和副环的输出。
? M型连接器 —— 是集中器的一部分，可以用于单连
站 SAS,DAS,DAC和单连集中器 SAC。
? S型连接器 —— 是 SAS,SAC的一部分，用于把
SAC,SAS连接到集中器。
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5.6 其他种类的高速局域网
2,FDDI MAC子层
FDDI在 MAC子层采用与 IEEE 802.5类似的令牌传
输方式作为介质访问控制机制，但在令牌释放上采用了早
期令牌释放 ETR技术，即只要某站点完成了数据传输，就
将令牌释放，而不是像 IEEE 802.5中那样，直到帧被正
确接收后才释放令牌，从而大大提高了信道的带宽利用率。
另外,FDDI的帧格式也类似于 IEEE 802.5的帧，但两
者之间有一些细小的区别。
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5.6 其他种类的高速局域网
3,FDDI的拓扑
FDDI是一个高速环路，利用它可以为互联网提供高速
主干网，并为主机提供高速信道,ANSI规定 FDDI可以
采用 4种拓扑，即双环拓扑、集中器树拓扑、双环树拓扑
和双主机拓扑。实际上大型网就是把集中器接入双环，由
集中器连接 LAN，在 LAN中接入多个网站，故集中器是核
心部件，集中器实际上就是 FDDI Hub。
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5.6 其他种类的高速局域网
5,FDDI的应用环境
FDDI主要用于以下 4种应用环境：
① 用于计算机机房中大型计算机和高速外设之间的连接，以及
对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境。
② 用于连接大量的小型机、工作站、个人计算机与各种外设。
③ 校园网的主干网，用于连接分布在校园各个建筑物中的小型
机、服务器、工作站和个人计算机以及多个局域网。
④ 多校园的主干网，用于连接地理位置相距几千米的多个校园
网、企业网，成为一个区域性的互连多个校园网和企业网的主干网。
FDDI主要作为主干网使用，曾经是最成熟的主干网技术，但随
着高速以太网的出现和发展,FDDI已经退出了局域网的历史舞台。
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5.6 其他种类的高速局域网
5.6.3 高性能并行接口（ HIPPI）
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（如大容量存储器、图形工作站等）的高速接口。
HIPPI是一个 ANSI标准,HIPPI的数据传输速率从最
初的 800 Mbps，升到 1600 Mbps，甚至最高的 6.4
Gbps。
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5.6 其他种类的高速局域网
5.6.4 光纤通道
光纤通道可处理数据通道和网络的连接。它可用来传输
数据，包括 HIPPI,SCSI以及 IBM主机所用的复用器通
道，也可用来传输网络的分组，如 IEEE 802,IP以及
ATM的分组。
光纤通道的物理媒体可使用单模光纤和多模光纤（ 50
?m和 62.5 ?m两种）。使用单模光纤可传输 10 km，
而使用多模光纤的传输距离为 175 m～ 10 km，这主要
取决于传输速率。光纤通道还可使用视频电缆（传输距离
为 25～ 100 m）、小同轴电缆（传输距离为 10～ 35 m）
以及屏蔽双绞线 STP（传输距离为 50～ 100 m，分别对
应的数据传输速率为 200 Mbps和 100 Mbps）。
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5.7 无线局域网
所谓无线局域网（ Wireless Local Area Network，简称
WLAN）就是指采用无线传输介质的局域网。
5.7.1 无线局域网标准
目前支持无线局域网的技术标准主要有蓝牙技术,Home RF技术
以及 IEEE 802.11系列。其中,Home RF主要用于家庭无线网络，
其通信速度比较慢；蓝牙技术是在 1994年爱立信为寻找蜂窝电话和
PDA那样的辅助设备进行通信的廉价无线接口时创立的，是按
IEEE802.11标准的补充技术来设计的； IEEE 802.11是由 IEEE
802委员会制订的无线局域网系列标准，在 1997年,IEEE发布了
IEEE 802.11协议，这也是在无线局域网（ WLAN）领域内的第一
个国际上被广泛认可的协议。随后,IEEE 802.11a,802.11b、
802.11d标准相继完成。目前正在制订的一系列标准有 IEEE
802.11e,802.11f,802.11g,802.11h,802.11i等，它推
动着 WLAN走向安全、高速、互连。
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5.7 无线局域网
在 IEEE 802.11标准中，定义了 3个可选的物理层实
现方式，它们分别为红外线（ IR）基带物理层和两种无线
频率（ RF）物理层。两种无线频率物理层指工作在 2.4
GHz频段上的跳频扩展频谱（ FHSS）方式以及直接序列
式扩频（ DSSS）方式。目前 IEEE 802.11规范的实际
应用以使用 DSSS方式为主流。下面分别介绍这 3种方式。
1．红外线方式
红外线局域网采用波长小于 1 μｍ的红外线作为传输媒
介，有较强的方向性，受阳光干扰大。它支持 1～ 2
Mbps数据速率，适于近距离通信。
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5.7 无线局域网
2．直接序列式扩频（ DSSS）
直接序列式扩频就是使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩
展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开
的扩频信号还原成原来的信号。 DSSS 局域网可在很宽的频率范围
内进行通信，支持 1～ 2 Mbps数据速率，在发送和接收端都以窄带
方式进行，而以宽带方式传输。
3．跳频扩展频谱（ FHSS）
跳频技术是另外一种扩频技术。跳频的载频受一个伪随机码的
控制，在其工作带宽范围内，其频率按随机规律不断改变频率。接
收端的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致。
跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高，抗干扰的性能越
好，军用的跳频系统可以达到上万跳每秒。
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5.7 无线局域网
IEEE 802.11标准在 MAC子层采用带冲突避免的载波监听多
路访问（ Carrier Sense Multiple Access/Collision
Avoidation，简称 CSMA/CA）协议。该协议与在 IEEE 802.3标
准中所讨论的 CSMA/CD协议类似，为了减小无线设备之间在同
一时刻同时发送数据导致冲突的风险,IEEE 802.11引入了称
为请求发送／清除发送（ RTS/CTS）的机制。即：如果发送目
的地是无线结点，数据到达基站，该基站将会向无线结点发
送一个 RTS帧，请求一段用来发送数据的专用时间。接收到
RTS请求帧的无线结点将回应一个 CTS帧，表示它将中断其他
所有的通信直到该基站传输数据结束。其他设备可监听到传
输事件的发生，同时将在此时间段的传输任务向后推迟。这
样，结点间传输数据时发生冲突的概率就会大大减少。
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5.7 无线局域网
5.7.2 无线局域网设备
组建无线局域网的无线网络设备主要包括：无线网卡、
无线访问接入点、无线网桥和天线，几乎所有的无线网络
产品中都自含无线发射／接收功能。
① 无线网卡在无线局域网中的作用相当于有线网卡在有
线局域网中的作用。按无线网卡的总线类型可分为适用于
台式机 PCI接口的无线网卡和适用笔记本 PCMCIA接口的
无线网卡，如图 5.24所示。笔记本和台式机均使用 USB
接口的无线网卡，如图 5.25所示。
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5.7 无线局域网
图 5.24 笔记本无线网卡 图 5.25 USB无线网卡
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5.7 无线局域网
② 无线访问接入点（ AP）则是在无线局域网环境中，
进行数据发送和接收的集中设备，相当于有线网络中的集
线器。通常，一个 AP能够在几十至上百米的范围内连接多
个无线用户。 AP可以通过标准的 Ethernet电缆与传统的
有线网络相连，从而可作为无线网络和有线网络的连接点。
由于无线电波在传播过程中会不断衰减，导致 AP的通信范
围被限定在一定的范围之内，这个范围被称为微单元。但
若采用多个 AP，并使它们的微单元互相有一定范围的重合
时，则用户可以在整个无线局域网覆盖区内移动，无线网
卡能够自动发现附近信号强度最大的 AP，并通过这个 AP
收发数据，保持不间断的网络连接，这种方式称为无线漫
游。
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5.7 无线局域网
③ 无线网桥主要用于无
线或有线局域网之间的互
连。当两个局域网无法实
现有线连接或使用有线连
接存在困难时，就可使用
无线网桥实现点对点的连
接，在这里无线网桥起到
了协议转换的作用。无线
网桥示意图如图 5.26所示。
图 5.26 无线网桥
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5.7 无线局域网
④ 无线路由器则集成了无线 AP的接入功能和路由器的
第 3层路径选择功能。
⑤ 天线（ Antenna）则是将信号源发送的信号借由天
线传输至远处。天线一般有所谓的定向性（ Uni-
directional）与全向性（ Omni-directional）之分，
前者较适合于长距离使用，而后者则较适合区域性应用。
例如，若要将在第一栋楼内无线网络的范围扩展到 1km甚
至数千米以外的第二栋楼，其中的一个方法是在每栋楼上
安装一个定向天线，天线的方向互相对准，第一栋楼的天
线经过网桥连到有线网络上，第二栋楼的天线是接在第二
栋楼的网桥上，如此无线网络就可接通相距较远的两个或
多个建筑物。
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5.7 无线局域网
5.7.3 无线局域网间如何通信
建立到 WLAN的连接后，结点会像其他 802网络一样传输帧。
WLAN不使用标准的 802.3帧。 WLAN帧的类型有 3种：控制帧、
管理帧和数据帧。
5.7.4 无线局域网的组网模式
一般来说，无线局域网有两种组网模式，一种是无固定基
站的，另一种是有固定基站的。无固定基站组成的网络称为
自组网络，主要用于在便携式计算机之间组成平等状态的网
络；有固定基站的网络类似于移动通信的机制，网络用户的
便携式计算机通过基站（又称为访问点 AP）连入网络。这种
网络是应用比较广泛的网络，一般用于有线局域网覆盖范围
的延伸或作为宽带无线互联网的接入方式。
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5.7 无线局域网
1．自组网络（ Ad-Hoc）模式
自组网络又称对等网络，是最简单的无线局域网结构，
是一种无中心的拓扑结构，网络连接的计算机具有平等的
通信关系，仅适用于较少数的计算机无线互连（通常是在
5台主机以内），如图 5.27所示。这些计算机要有相同的
工作组名和密码（如果适用）。任何时间，只要两个或更
多的无线网络接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以
建立一个独立的网络；可以实现点对点与点对多点连接；
自组网络不需要固定设施，是临时组成的网络，非常适合
于野外作业和军事领域；组建这种网络，只需要在每台计
算机中插入一块无线网卡，不需要其他任何设备就可以完
成通信。
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5.7 无线局域网
2．基础结构网络（ Infrastucture）模式
在具有一定数量用户或是需要建立一个稳定的无线网络
平台时，一般会采用以 AP为中心的模式，将有限的“信息
点”扩展为“信息区”，这种模式也是无线局域网最为普
通的构建模式，即基础结构模式，采用固定基站的模式。
在基础结构网络中，要求有一个无线固定基站充当中心站，
所有站点对网络的访问均由其控制，如图 5.28所示。
在基于 AP的无线网络中,AP访问点和无线网卡还可针对
具体的网络环境调整网络连接速度，如 11 Mbps的 IEEE
802.11b的可使用速率可以调整为 1 Mbps,2 Mbps,5.5
Mbps和 11 Mbps 4种；
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5.7 无线局域网
AP
图 5.27 对等无线网络 图 5.28 基础结构无线网络
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5.7 无线局域网
54 Mbps的 IEEE 802.11a和 IEEE 802.11g的则有 54 Mbps、
48 Mbps,36 Mbps,24 Mbps,18 Mbps,12 Mbps,11
Mbps,9 Mbps,6 Mbps,5.5 Mbps,2 Mbps,1 Mbps共 12
个不同速率可动态转换，以发挥相应网络环境下的最佳连
接性能。
通过无线接入访问点、无线网桥等无线中继设备还可以
把无线局域网与有线网连接起来，并允许用户有效地共享
网络资源，如图 5.29所示。
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5.7 无线局域网
AP
Internet
图 5.29 无线与有线的结合实例
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5.7 无线局域网
3．无线 Internet接入
目前，许多公司开始利用 WLAN的方式提供移动
Internet接入，在宾馆、机场候车大厅等地区架设
WLAN，然后通过 DSL或 FTTX等方式相结合，为人们提
供无线上网的条件。
虽然无线网络有诸多优势，但与有线网络相比，无线局
域网也存在一些不足，如网络速率较慢，价格较高，数据
传输的安全性有待进一步提高。因而无线局域网目前主要
还是面向那些有特定需求的用户，作为对有线网络的一种
补充。但也应该看到，随着无线局域网性能价格比的不断
提高，它将会在未来发挥更加重要和广泛的作用。
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5.8 虚拟局域网
5.8.1 虚拟局域网概述
虚拟局域网是以局域网交换机为基础，通过交换机软件实现
根据功能、部门、应用等因素将设备或用户组成虚拟工作组或
逻辑网段的技术，其最大的特点是在组成逻辑网时无须考虑用
户或设备在网络中的物理位置。 VLAN可以在一个交换机或者跨
交换机实现。
1996年 3月,IEEE 802委员会发布了 IEEE 802.1q VLAN标准。
虚拟局域网是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑
组，而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。
利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网（ 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。
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5.8 虚拟局域网
图 5.30给出一个关于 VLAN划分的示例。图中使用了 4个交换机的
网络拓扑结构，有 9个工作站分配在 3个楼层中，构成了 3个局域网，
即 LAN1：（ A1,B1,C1）,LAN2：（ A2,B2,C2）,LAN3：（ A3，
B3,C3）。
但这 9个用户划分为 3个工作组，也就是说划分为 3个虚拟局域网
（ VLAN）。即,VLAN1：（ A1,A2,A3）,VLAN2：（ B1,B2,B3），
VLAN3：（ C1,C2,C3）。
在虚拟局域网上的每一个站都可以听到同一虚拟局域网上的其
他成员所发出的广播。如工作站 B1,B2,B3同属于虚拟局域网
VLAN2。当 B1向工作组内成员发送数据时,B2和 B3将会收到广播的
信息（尽管它们没有连在同一交换机上），但 A1和 C1不会收到 B1发
出的广播信息（尽管它们连在同一个交换机上）。
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5.8 虚拟局域网
VLAN
1
VLAN
2
VLAN
2
A2
图 5.30 虚拟局域网 VLAN的示例
A1
B3
B2
B1
C1
C2
C3
A3LAN1
LAN2
LAN3
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5.8 虚拟局域网
5.8.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式
1988年,IEEE批准了 802.3ac标准，这个标准定义
了虚拟局域网的以太网帧格式，在传统的以太网的帧格式
中插入一个 4字节的标识符，称为 VLAN标记，用来指明
发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网，如图 5.31所示。
如果还使用传统的以太网帧格式，那么就无法划分虚拟局
域网。
VLAN标记字段的长度是 4字节，插在以太网 MAC帧的
源地址字段和长度／类型字段之间。 VLAN标记的前两个
字节和原来的长度／类型字段的作用一样，但它总是设置
为 0x8100（这个数值大于 0x0600，因此不代表长度），
称为 802.1q标记类型。
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5.8 虚拟局域网
目的地址
Port）
长度／类型
长度／类型＝ 802.1Q标记类型
用户优
先级
2字节
图 5.31 虚拟局域网以太网帧格式
数据
802.3
MAC帧 源地址 Port） FCS
字节 6 6 4 2 46?1500 4
插入 4字节的 VLAN标记
标记控制信息
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 VIDCFI
2字节
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5.8 虚拟局域网
当数据链路层检测到在 MAC帧的源地址字段后面的长
度／类型字段的值是 0x8100时，就知道现在插入了 4字
节的 VLAN标记。于是就检查该标记的后两个字节的内容。
在后面的两个字节中，前 3个比特是用户优先级字段，接
着的一个比特是规范格式指示符（ CFI,Canonical
Format Indicator），最后的 12比特是该虚拟局域网
的标识符 VID，它惟一地标志这个以太网帧是属于哪一个
VLAN的。在 IEEE 801.1q标记（ 4个字节）后面的两
个字节是以太网帧的长度／类型段。
因为用于 VLAN的以太网帧的首部增加了 4个字节，所
以以太网帧的最大长度从原来的 1518字节变为 1522字
节。
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5.8 虚拟局域网
5.8.3 虚拟局域网的优点
采用 VLAN后，在不增加设备投资的前提下，可在许多方面提高网
络的性能，并简化网络的管理。具体表现在以下几方面。
? 提供了一种控制网络广播的方法：通过将交换机划分到不同的
VLAN中，一个 VLAN的广播不会影响到其他 VLAN的性能。即使是
同一交换机上的两个相邻端口，只要它们不在同一 VLAN中，则相互
之间也不会渗透广播流量。
? 提高了网络的安全性,VLAN的数目及每个 VLAN中的用户和主机
是由网络管理员决定的。网络管理员通过将可以相互通信的网络结点
放在一个 VLAN内，或将受限制的应用和资源放在一个安全的 VLAN
内，并提供基于应用类型、协议类型、访问权限等不同策略的访问控
制表，就可以有效地限制广播组或共享域的大小。
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5.8 虚拟局域网
? 简化了网络管理,VLAN可以在单独的交换设备或跨
多个交换设备实现，也会大大减少在网络中增加、删除或
移动用户时的管理开销。增加用户时只要将其所连接的交
换机端口指定到其所属于的 VLAN中即可；而在删除用户
时只要将其 VLAN 配置撤销或删除即可；在用户移动时，
只要他们还能连接到任何交换机的端口，则无须重新布线。
? 提供了基于第 2层的通信优先级服务：在最新的以太
网技术如千兆位以太网中，基于与 VLAN相关的 IEEE
802.1p标准可以在交换机上为不同的应用提供不同的服
务（如传输优先级等）。
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5.8 虚拟局域网
5.8.4 虚拟局域网 的工作方式
1．基于交换端口的 VLAN
这种方式是把局域网交换机的某些端口的集合，作为
VLAN的成员。这些集合有时只在单个局域网交换机上，
有时则跨越多台局域网交换机。虚拟局域网的管理应用程
序，根据交换机端口的标识 ID，将不同的端口分到对应的
分组中，分配到一个 VLAN的各个端口上的所有站点都在
一个广播域中，它们相互之间可以通信，不同的 VLAN站
点之间进行通信需经过路由器来进行。这种 VLAN方式的
优点在于简单，容易实现，从一个端口发出的广播，直接
发送到 VLAN内的其他端口，也便于直接监控。它的缺点
是自动化程度低，灵活性不好。
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5.8 虚拟局域网
2．基于 MAC地址的 VLAN
这种方式的 VLAN，要求交换机对站点的 MAC地址和
交换机端口进行跟踪，在新站点入网时，根据需要将其划
归至某一个 VLAN。不论该站点在网络中怎样移动，由于
其 MAC地址保持不变，因此用户不需要对网络地址重新配
置。然而所有的用户必须明确地分配给一个 VLAN，在这
种初始化工作完成后，对用户的自动跟踪才成为可能。在
一个大型网络中，要求网络管理人员将每个用户一一划分
到某一个 VLAN中，是十分烦琐的。
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5.8 虚拟局域网
3．基于路由的 VLAN
路由协议工作在 7层协议的第 3层 —— 网络层，即基于
IP和 IPX协议的转发，它是利用网络层的业务属性来自动
生成 VLAN，把使用不同路由协议的站点分在相对应的
VLAN中。 IP子网 1为第 1个 VLAN,IP子网 2为第 2个
VLAN,IPX子网 1为第 3个 VLAN…… 依次类推。通过
检查所有的广播和多点广播帧，交换机能自动生成 VLAN。
这种方式构成的 VLAN，在不同的 LAN网段上的站点可
以属于同一 VLAN，同一物理端口上的站点也可分属于不
同的 VLAN，从而保证了用户完全自由地进行增加、移动
和修改等操作。
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5.8 虚拟局域网
4．基于策略的 VLAN
基于策略的 VLAN的划分是一种比较灵活有效而直接的
方式。这主要取决于在 VLAN的划分中所采用的策略。目
前常用的策略有：
① 按 MAC地址划分；
② 按 IP地址划分；
③ 按以太网协议类型划分；
④ 按网络的应用划分。
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5.8 虚拟局域网
5.8.5 虚拟局域网的实现
VLAN的实现方式包括静态 VLAN和动态 VLAN两种。
1．静态 VLAN
在静态 VLAN中，由网络管理员根据交换机端口进行静
态的 VALN分配，当在交换机上将其某一个端口分配给一
个 VLAN时，将一直保持不变直到网络管理员改变这种配
置，所以又被称为基于端口的 VLAN。基于端口的 VLAN
配置简单，网络的可监控性强。但缺乏足够的灵活性，当
用户在网络中的位置发生变化时，必须由网络管理员将交
换机端口重新进行配置。所以静态 VLAN比较适合用户或
设备位置相对稳定的网络环境。
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5.8 虚拟局域网
2．动态 VLAN
动态 VLAN是指交换机上以连网用户的 MAC地址、逻
辑地址（如 IP地址）或数据报协议等信息为基础将交换机
端口动态分配给 VLAN的方式。当用户的主机连入交换机
端口时，交换机通过检查 VLAN管理数据库中相应的关于
MAC地址、逻辑地址（如 IP地址）或数据报协议的表项，
以相应的数据库表项内容动态地配置相应的交换机端口。
以基于 MAC地址的动态 VLAN为例，网络管理员首先需要
在 VLAN策略服务器上配置一个关于 MAC地址与 VLAN划
分映射关系的数据库，当交换机初始化时将从 VLAN策略
服务器上下载关于 MAC地址与 VLAN划分关系的数据库文
件，
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5.8 虚拟局域网
此时，若有一台主机连接到交换机的某个端口时，交换
机将会检测该主机的 MAC地址信息，然后查找 VLAN管理
数据库中的 MAC地址表项，用相应的 VLAN配置内容来配
置这个端口。这种机制的好处在于只要用户的应用性质不
变，并且其所使用的主机不变（严格地说，是使用的网卡
不变），则用户在网络中移动时，并不需要对网络进行额
外配置或管理。但是，在使用 VLAN管理软件建立 VLAN
管理数据库和维护该数据库时需要做大量的管理工作。总
之，不管以何种机制实现，分配给同一个 VLAN的所有主
机共享一个广播域，而分配给不同 VLAN的主机将不会共
享广播域。也就是说，只有位于同一 VLAN中的主机才能
直接相互通信，而位于不同 VLAN中的主机之间是不能直
接相互通信的。
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5.8 虚拟局域网
5.8.6 VLAN间的互连方法
1．传统路由器方法
所谓传统路由器方法，就是使用路由器将位于不同 VLAN的
交换端口连接起来，这种方法的缺点是：对路由器的性能有
较高要求；同时如果路由器发生故障，则 VLAN之间就不能通
信。
2．采用路由交换机
如果交换机本身带有路由功能，则 VLAN之间的互连就可在
交换机内部实现，即采用第 3层交换技术。第 3层交换技术也
叫路由交换技术，是各网络厂家最新推出的一种局域网技术，
具有良好的发展前景。它将交换技术（ Switching）和路由技
术（ Routing）相结合，很好地解决了在大型局域网中以前难
以解决的一些问题。
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5.9 网络操作系统
5.9.1 网络操作系统概述
1．网络操作系统的定义和功能
网络操作系统（ NOS,Network Operation
System）是指能使网络上多台计算机方便而有效地共享
网络资源，为用户提供所需的各种服务的操作系统软件。
为实现有效的资源共享，首先要提供网络通信功能或协
议的支持，另外还要提供资源共享的途径及解决多个用户
对资源需求冲突的能力。所以网络操作系统除了具备单机
操作系统所需的功能（如内存管理,CPU管理、输入输出
管理、文件管理等）以外，还应具备如下一些网络控制、
管理和服务功能。
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5.9 网络操作系统
? 提供高效可靠的网络通信能力，如对网络协议、网络
硬件的支持。
? 提供多项网络服务功能，如远程作业录入及处理的服
务功能、文件传输服务功能、电子邮件服务功能、远程打
印服务功能等。我们经常听说的 Telnet,FTP,E-mail
等就是该类服务功能的典型例子。
? 提供网络资源管理、系统管理功能，如文件系统管理、
网络服务进程的建立和管理、网络活动的监控和网络测试
工具等。
? 提供对网络用户的管理。几乎所有的操作系统都提供
了用户管理功能，用户管理功能所提供的用户访问控制机
制有效地管理和控制了用户对网络资源的访问。
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5.9 网络操作系统
2．网络操作系统的组成
NOS通常有两个基本的组成部分，即运行在服务器上
的操作系统和运行在每个 PC或桌面工作站上的客户端操作
系统软件。服务器操作系统的主要功能是控制服务器的操
作，管理存储在服务器上的文件，提供对用户的集中管理，
支持多用户和多任务的工作环境以解决多个用户对资源需
求时的冲突。客户端操作系统的主要功能是提供客户访问
网络及网络资源的能力，而这些网络资源通常由网络服务
器提供。
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5.9 网络操作系统
5.9.2 常见的网络操作系统
网络操作系统是网络设计与实施过程中要考虑的关键因
素之一。目前，可供选择的网络操作系统多种多样，常见
的有 Windows,Linux,UNIX,NetWare等。
1,Windows操作系统
Windows的网络操作系统是一个产品系列。
Microsoft公司在 1993年推出第一代网络操作系统产品
Windows NT 3.1，随着 Windows NT 3.1问世，
Microsoft正式加入网络操作系统的市场角逐。时至今日，
微软公司先后对其 Windows网络操作系统不断进行了改
进，陆续推出 Windows NT 3.5,Windows NT 4.0、
Windows Server 2000家族以及现在的 Windows
Server 2003。
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5.9 网络操作系统
2,UNIX操作系统
UNIX最早是指由美国贝尔实验室发明的一种多用户、
多任务的通用操作系统。经过长期的发展和完善，目前已
成长为一种主流的操作系统技术和基于这种技术的产品大
家族。其中最为著名的有 SCO XENIX,SNOS、
Berkeley BSD,AT&T系统 V。由于 UNIX具有技术成
熟、可靠性高、网络和数据库功能强、伸缩性突出和开放
性好等特色，可满足各行各业的实际需要，特别能满足企
业重要业务的需要，已经成为主要的工作站平台和重要的
企业操作平台。目前每年仍以两位数字以上的速度稳步增
长。早期 UNIX的主要特色是结构简炼、便于移植和功能
相对强大。
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5.9 网络操作系统
3,Linux操作系统
Linux是一个免费的、提供源代码的操作系统。 Linux
脱胎于 UNIX，所以其很多性能和特点与 UNIX极其相似。
Linux最早出现在 1992年，由芬兰赫尔辛基大学的一个
大学生 Linus B.Torvolds首创，后来在全世界各地由成
千上万的 Internet上的自由软件开发者协同开发，不断
完善。经过十多年的发展，它已完全进入了成熟阶段，越
来越多的人认识到它的价值，从 Internet服务器到用户
的桌面，从图形工作站到 PDA的各种领域都在广泛使用。
Linux下有大量的免费应用软件，从系统工具、开发工具、
网络应用，到休闲娱乐、游戏等。更重要的是，它是目前
安装在个人电脑上的最可靠、强壮的操作系统。
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5.9 网络操作系统
4,NetWare操作系统
Novell公司的 NetWare网络操作系统是目前世界上
应用最广泛的微机局域网络操作系统之一。 NetWare
v6是 Novell公司的最新产品，也是目前局域网里最优秀
的网络操作系统之一。
NetWare推出时间比较早，经过多年的发展，已可以
提供非常稳定的运行性能。在一个 NetWare网络中允许
有多个服务器，并可采用一般的 PC担当服务器。
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习 题
1．局域网有哪几种常见的拓扑结构，各有何特点？
2．解释 CSMA/CD的工作原理。
3．简述 IEEE 802.5令牌环网的工作原理。
4．指出每种以太网技术的基本性能。
5．请比较集线器和交换机在以太网组网中的作用。
6．请比较无线局域网和有线局域网适应场合的不同。
7．什么是 VLAN，引入 VLAN有哪些优越性？
8．什么是网络操作系统，它具备哪些功能？
9．网络操作系统有哪两个要求？为了满足这两个要求，
NOS由哪几个组成部分？
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习 题
10,Windows NT是哪一个公司的产品，它
有哪些特性？
11,NetWare是哪一个公司的产品，它有什
么特点？
12．试对 Windows,Linux,UNIX、
NetWare 4种操作系统的特点作一比较。
第 5 章 局域网技术
本章基本要求：
? 掌握常见的局域网拓扑结构，
? 掌握以太网技术；
? 理解局域网的特点和功能，
? 理解 IEEE802标准，
? 理解两类介质访问控制的原理，
? 理解无线局域网的工作原理和基本的组网方式；
? 了解令牌环网,FDDI技术，
? 了解 VLAN的概念与实现方式。
? 了解常用的网络操作系统。
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第 5 章 局域网技术
5.1 局域网概述
5.2 IEEE802标准
5.3 介质访问控制
5.4 共享式以太网和交换式以太网
5.5 高速以太网
5.6 其他种类的高速局域网
5.7 无线局域网
5.8 虚拟局域网
5.9 网络操作系统
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5.1 局域网概述
5.1.1 局域网的特点
局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前
技术发展最快的领域之一。局域网具有如下特点：
(1) 网络所覆盖的地理范围比较小。
(2) 数据的传输速率比较高，近年来已达到 1000Mbps、
10000Mbps。
(3) 具有较低的延迟和误码率。
(4) 局域网络的经营权和管理权属于某个单位所有，与广域网通常由
服务提供商提供形成鲜明对照。
(5) 便于安装、维护和扩充，建网成本低、周期短。
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5.1 局域网概述
5.1.2 常见的局域网拓扑结构
在计算机网络中，把计算机、终端、通信处理机等设备
抽象成点，把连接这些设备的通信线路抽象成线，并将由
这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。网络拓扑结
构反映出网络的结构关系，它对于网络的性能、可靠性以
及建设管理成本等都有着重要的影响，因此网络拓扑结构
的设计在整个网络设计中占有十分重要的地位，在网络构
建时，网络拓扑结构往往是首先要考虑的因素之一。
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5.1 局域网概述
1．星形拓扑（ Star-Topology）
星形拓扑是由中央结点和通过点对点链路接到中央结点
的各站点（网络工作站等）组成，如图 5.1所示。星形拓扑
以中央结点为中心，执行集中式通信控制策略，因此，中
央结点相当复杂，而各个站的通信处理负担都很小，又称
集中式网络。中央控制器是一个具有信号分离功能的“隔
离”装置，它能放大和改善网络信号，外部有一定数量的
端口，每个端口连接一个站点，如 Hub集线器、交换机等。
采用星形拓扑的交换方式有线路交换和报文交换，尤以线
路交换更为普遍，现有的数据处理和声音通信的信息网大
多采用这种拓扑。一旦建立了通信的连接，可以没有延迟
地在两个连通的站点之间传输数据。
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5.1 局域网概述
配线架
图 5.1 星形拓扑结构 图 5.2 带有配线架的星形拓扑
星形拓扑的优点是结构简单，管理方便，可扩充性强，组
网容易。利用中央结点可方便地提供网络连接和重新配置；
且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易
检测和隔离故障，便于维护。
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5.1 局域网概述
星形拓扑的缺点是：每个站点直接与中央结点相连，需
要大量电缆，因此费用较高；
如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央
结点的可靠性和冗余度要求很高。
2．总线拓扑（ Bus Topology）
总线拓扑采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都
通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或总线上。任何
一个站点发送的信息都可以沿着介质传播，而且能被所有
其他的站点接收。图 5.3是总线拓扑，如图 5.4所示是带
有中继器的总线拓扑。
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5.1 局域网概述
中继器
图 5.3 典型的总线拓扑结构
图 5.4 带有中继器的总线拓扑
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5.1 局域网概述
总线拓扑的优点是：结构简单，实现容易；易于安装和
维护；价格低廉，用户站点入网灵活。
总线拓朴结构的缺点是：传输介质故障难以排除，并且
由于所有结点都直接连接在总线上，因此任何一处故障都
会导致整个网络的瘫痪。
不过，对于站点不多（ 10个站点以下）的网络或各个
站点相距不是很远的网络，采用总线拓扑还是比较适合的。
但随着在局域网上传输多媒体信息的增多，目前这种网络
正在被淘汰。
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5.1 局域网概述
3．环形拓扑（ Ring
Topology）
环形拓扑由一些中继器和连接中
继器的点到点链路首尾相连形成一
个闭合的环。如图 5.5所示，每个中
继器都与两条链路相连，它接收一
条链路上的数据，并以同样的速度
串行地把该数据送到另一条链路上，
而不在中继器中缓冲。这种链路是
单向的，也就是说，只能在一个方
向上传输数据，而且所有的链路都
按同一方向传输，数据就在一个方
向上围绕着环进行循环。
图 5.5 环形拓扑结构
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5.1 局域网概述
4．树形结构（ Tree
Topology）
树形拓扑是从总线拓
扑演变而来的，它把星
形和总线形结合起来，
形状像一棵倒置的树，
顶端有一个带分支的根，
每个分支还可以延伸出
子分支，如图 5.6所示。
图 5.6 树形网络拓扑结构
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5.1 局域网概述
5．星形环拓扑
星形环拓扑是将星形拓扑和环形拓扑混合起来的一种拓
扑，试图取这两种拓扑的优点于一个系统中，克服了典型
的星形和典型的环形两个拓扑的不足和缺陷。这种拓扑的
配置是由一批接在环上的连接集中器（实际上是指安装在
楼内各层的配线架）组成，从每个集中器按星形结构接至
每个用户站上。如图 5.7所示。
星形环拓扑的优点是故障诊断和隔离，易于扩展，安装
电缆方便。
星形环拓扑的缺点是需要智能的集中器，电缆安装电缆
长，安装不方便等。
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5.1 局域网概述
子分支
主干
环
图 5.7 星形环拓扑
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5.1 局域网概述
6．拓扑的选择
拓扑的选择往往和传输介质的选择以及介质访问控制方法的
确定紧密相关。选择拓扑时，应该考虑的主要因素有以下几点。
（ 1）经济性,网络拓扑的选择直接决定了网络安装和维护的
费用。
（ 2）灵活性,灵活性以及可扩充性也是选择网络拓扑结构时
应充分重视的问题。网络的可调整性与灵活性以及可扩充性都
与网络拓扑直接相关。
（ 3）可靠性,网络的可靠性是任何一个网络的生命。网络拓
扑决定了网络故障检测和故障隔离的方便性。
总之，选择局域网拓扑时，需要考虑的因素很多，这些因素
同时影响网络的运行速度和网络软硬件接口的复杂程度等。
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5.2 IEEE 802标准
5.2.1 IEEE 802标准概述
1985年 IEEE公布了 IEEE 802标准的五项标准文本，同年为
美国国家标准局（ ANSI）采纳作为美国国家标准。后来，国际标
准化组织（ ISO）经过讨论，建议将 802标准定为局域网国际标
准。
IEEE 802为局域网制定了一系列标准，主要有如下几种。
① IEEE 802.1：描述局域网体系结构以及寻址、网络管理和
网络互连（ 1997）。
? IEEE 802.1G：远程 MAC桥接（ 1998）。规定本地 MAC
网桥操作远程网桥的方法。
? IEEE 802.1H：在局域网中以太网 2.0版 MAC桥接
（ 1997）。
? IEEE 802.1Q：虚拟局域网（ 1998）。
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5.2 IEEE 802标准
② IEEE 802.2：定义了逻辑链路控制（ LLC）子层的功能与服务
（ 1998）。
③ IEEE 802.3：描述带冲突检测的载波监听多路访问（ CSMA/CD）
的访问方法和物理层规范（ 1998）。
? IEEE 802.3ab：描述 1000Base-T访问控制方法和物理层技术规
范（ 1999）。
? IEEE 802.3ac：描述 VLAN的帧扩展（ 1998）。
? IEEE 802.3ad：描述多重链接分段的聚合协议（ Aggregation of
Multiple Link Segments）（ 2000）。
? IEEE 802.3i：描述 10Base-T访问控制方法和物理层技术规范。
? IEEE 802.3u：描述 100Base-T访问控制方法和物理层技术规范。
? IEEE 802.3z：描述 1000Base-X访问控制方法和物理层技术规范。
? IEEE 802.3ae：描述 10GBase-X访问控制方法和物理层技术规范。
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5.2 IEEE 802标准
④ IEEE 802.4：描述 Token-Bus访问控制方法和物理层技术
规范。
⑤ IEEE 802.5：描述 Token-Ring访问控制方法和物理层技术
规范（ 1997）。
? IEEE 802.5t：描述 100 Mbps高速标记环访问方法
（ 2000）。
⑥ IEEE 802.6：描述城域网（ MAN）访问控制方法和物理层技
术规范（ 1994）。 1995年又附加了 MAN的 DQDB子网上面向连接
的服务协议。
⑦ IEEE 802.7：描述宽带网访问控制方法和物理层技术规范。
⑧ IEEE 802.8：描述 FDDI访问控制方法和物理层技术规范。
⑨ IEEE 802.9：描述综合语音、数据局域网技术（ 1996）。
⑩ IEEE 802.10：描述局域网网络安全标准（ 1998）。
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5.2 IEEE 802标准
IEEE 802.11：描述无线局域网访问控制方法和物理
层技术规范（ 1999）。
IEEE 802.12：描述 100VG-AnyLAN访问控制方
法和物理层技术规范。
IEEE 802.14：描述利用 CATV宽带通信的标准
（ 1998）。
IEEE 802.15：描述无线私人网（ Wireless
Personal Area Network,WPAN）。
IEEE 802.16：描述宽带无线访问标准
（ Broadband Wireless Access Standards），由
两部分组成。
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5.2 IEEE 802标准
5.2.2 局域网的体系结构
局域网的体系结构与 OSI模型有相当大的区别，如图
5.9所示，局域网只涉及 OSI的物理层和数据链路层。为
什么没有网络层及网络层以上的各层呢？首先局域网是一
种通信网，只涉及到有关的通信功能，所以至多与 OSI参
考模型中的下 3层有关。其次，由于局域网基本上采用共
享信道的技术，所以也可以不设立单独的网络层。也就是
说，不同局域网技术的区别主要在物理层和数据链路层，
当这些不同的局域网需要在网络层实现互连时，可以借助
其他已有的通用网络层协议（如 IP协议）实现。
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5.2 IEEE 802标准
IEEE 802标准
逻辑链路子层（ LLC）
介质访问控制子层（ MAC）
物理信号（ PS）
物理介质连接设备（ PMA）
物理介质
连接单元接口
（ AUI）
介质访问控制
（ MAU）
ISO/OSI高层
物理层
数据链路层
图 5.9 IEEE 802局域网实现模型
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5.2 IEEE 802标准
1．物理层
局域网的物理层是和 OSI参考模型的物理层功能相当的，
主要涉及局域网物理链路上原始比特流的传输，定义局域
网物理层的机械、电气、规程和功能特性。如信号的传输
与接收、同步序列的产生和删除等，物理连接的建立、维
护、撤销等。
物理层还规定了局域网所使用的信号、编码、传输介质、
拓扑结构和传输速率。例如，信号编码可以采用曼彻斯特
编码，传输介质可采用双绞线、同轴电缆、光缆甚至是无
线传输介质。拓扑结构则支持总线形、星形、环形和混合
形等，可提供多种不同的数据传输率。物理层由以下 4个
部分组成。
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5.2 IEEE 802标准
① 物理介质（ PMD）：提供与线缆的物理连接。
② 物理介质连接设备（ PMA）：生成发送到线路上的
信号，并接收线路上的信号。
③ 连接单元接口（ AUI）。
④ 物理信号（ PS）。
2．数据链路层
局域网的数据链路层分为逻辑链路控制（ LLC，
Logical Link Control）和介质访问控制（ MAC，
Medium Access Control）两个功能子层。
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5.2 IEEE 802标准
其中,MAC子层负责介质访问控制机制的实现，即处
理局域网中各站点对共享通信介质的争用问题，不同类型
的局域网通常使用不同的介质访问控制协议，另外 MAC子
层还涉及局域网中的物理寻址；而 LLC子层负责屏蔽掉
MAC子层的不同实现，将其变成统一的 LLC界面，从而向
网络层提供一致的服务,LLC子层向网络层提供的服务通
过与网络层之间的逻辑接口实现，这些逻辑接口又被称为
服务访问点（ SAP,Service Access Point）。这样
的局域网体系结构不仅使得 IEEE 802标准更具有可扩充
性，有利于其将来接纳新的介质访问控制方法和新的局域
网技术，同时也不会使局域网技术的发展或变革影响到网
络层。
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5.3 介质访问控制方法
5.3.1 信道分配问题
通常，可将信道分配方法划分为两类：静态分配方法和
动态分配方法。
1．静态分配方法
所谓静态分配方法，也是传统的分配方法，它采用频分
多路复用或时分多路复用的办法将单个信道划分后静态地
分配给多个用户。
当用户站数较多或使用信道的站数在不断变化或者通信
量的变化具有突发性时，静态频分多路复用方法的性能较
差，因此，传统的静态分配方法，不完全适合计算机网络。
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5.3 介质访问控制方法
2．动态分配方法
所谓动态分配方法就是动态地为每个用户站点分配信道使用
权。
① 轮转：使每个用户站点轮流获得发送的机会，这种技术称
为轮转。它适合于交互式终端对主机的通信。
② 预约：预约是指将传输介质上的时间分隔成时间片，网上
用户站点若要发送，必须事先预约能占用的时间片。这种技术
适用于数据流的通信。
③ 争用：若所有用户站点都能争用介质，这种技术称为争用。
它实现起来简单，对轻负载或中等负载的系统比较有效，适合
于突发式通信。
争用方法属于随机访问技术，而轮转和预约的方法则属于控
制访问技术。
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5.3 介质访问控制方法
5.3.2 介质访问控制方法
介质访问控制方法的主要内容有两个方面：一是要确定
网络上每一个结点能够将信息发送到介质上去的特定时刻；
二是要解决如何对共享介质访问和利用加以控制。常用的
介质访问控制方法有 3种：总线结构的带冲突检测的载波
监听多路访问 CSMA/CD方法、环形结构的令牌环
（ Token Ring）访问控制方法和令牌总线（ Token
Bus）访问控制方法。
1．带冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD
CSMA/CD（ Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection）是采用争用技术的一
种介质访问控制方法。
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5.3 介质访问控制方法
CSMA/CD通常用于总线形拓扑结构和星形拓扑结构
的局域网中。它的每个站点都能独立决定发送帧，若两个
或多个站同时发送，即产生冲突。每个站都能判断是否有
冲突发生，如冲突发生，则等待随机时间间隔后重发，以
避免再次发生冲突。
CSMA/CD的工作原理可概括成四句话，即先听后发，
边发边听，冲突停止，随机延迟后重发。具体过程如下：
? 当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络查看是
否有其他站点正在传输，即监听信道是否空闲。
? 如果信道忙，则等待，直到信道空闲。
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5.3 介质访问控制方法
? 如果信道闲，站点就传输数据。
? 在发送数据的同时，站点继续监听网络确信没有其他
站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时
检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果
两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。
? 当一个传输结点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞
信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的结点都
有能发现。
? 其他结点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随
机产生的时间间隙（回退时间,Backoff Time）后重发。
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5.3 介质访问控制方法
2．令牌环（ Token Ring）访问控制
Token Ring是令牌传输环（ Token Passing Ring）
的简写。令牌环介质访问控制方法，是通过在环形网上传
输令牌的方式来实现对介质的访问控制。只有当令牌传输
至环中某站点时，它才能利用环路发送或接收信息。当环
线上各站点都没有帧发送时，令牌标记为 01111111，
称为空标记。当一个站点要发送帧时，需等待令牌通过，
并将空标记置换为忙标记 01111110，紧跟着令牌，用
户站点把数据帧发送至环上。由于是忙标记，所以其他站
点不能发送帧，必须等待。
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5.3 介质访问控制方法
发送出去的帧将随令牌沿环路传输下去。在循环一周又
回到原发送站点时，由发送站点将该帧从环上移去，同时
将忙标记换为空标记，令牌传至后面站点，使之获得发送
的许可权。发送站点在从环中移去数据帧的同时还要检查
接收站载入该帧的应答信息，若为肯定应答，说明发送的
帧已被正确接收，完成发送任务。若为否定应答，说明对
方未能正确收到所发送的帧，原发送站点需在带空标记的
令牌第二次到来时，重发此帧。采用发送站从环上收回帧
的策略，不仅具有对发送站点自动应答的功能，而且还具
有广播特性，即可有多个站点接收同一数据帧。
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5.3 介质访问控制方法
接收帧的过程与发送帧不同，当令牌及数据帧通过环上
站点时，该站将帧携带的目标地址与本站地址相比较。若
地址符合，则将该帧复制下来放入接收缓冲器中，待接收
站正确接收后，即在该帧上载入肯定应答信号；若不能正
确接收则载入否定应答信号，之后再将该帧送入环上，让
其继续向下传输。若地址不符合，则简单地将数据帧重新
送入环中。所以当令牌经过某站点而它既不发送信息，又
无处接收时，会稍经延迟，继续向前传输。
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5.3 介质访问控制方法
归纳起来，在令牌环中主要有下面 3种操作：
? 截获令牌并且发送数据帧。如果没有结点需要发送数
据，令牌就由各个结点沿固定的顺序逐个传递；如果某个
结点需要发送数据，它要等待令牌的到来，当空闲令牌传
到这个结点时，该结点修改令牌帧中的标志，使其变为
,忙, 的状态，然后去掉令牌的尾部，加上数据，成为数
据帧，发送到下一个结点。
? 接收与转发数据。数据帧每经过一个结点，该结点就
比较数据帧中的目的地址，如果不属于本结点，则转发出
去；如果属于本结点，则复制到本结点的计算机中，同时
在帧中设置已经复制的标志，然后向下一结点转发。
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5.3 介质访问控制方法
? 取消数据帧并且重发令牌。由于环网在物理上是个闭
环，一个帧可能在环中不停地流动，所以必须清除。当数
据帧通过闭环重新传到发送结点时，发送结点不再转发，
而是检查发送是否成功。如果发现数据帧没有被复制（传
输失败），则重发该数据帧；如果发现传输成功，则清除
该数据帧，并且产生一个新的空闲令牌发送到环上。
3．令牌总线（ Token Bus）访问控制
令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环，令
牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环相同。它
同时具有上述两种方法的优点，是一种简单、公平、性能
良好的介质访问控制方法。
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5.3 介质访问控制方法
5.3.3 以太网
以太网（ Ethernet）是一种产生较早且使用相当广泛
的局域网，美国 Xerox（施乐）公司 1975年推出了他们
的第一个局域网。 1980年美国 Xerox,DEC与 Intel三
家公司联合提出了以太网规范，这是世界上第一个局域网
的技术标准。后来的以太网国际标准 IEEE 802.3就是参
照以太网的技术标准建立的，两者基本兼容。为了与后来
提出的快速以太网相区别，通常又将这种按 IEEE 802.3
规范生产的以太网产品简称为以太网。
1,IEEE 802.3帧结构
图 5.10给出了 IEEE 802.3帧结构，各字段的功能如
下。
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5.3 介质访问控制方法
① 前导同步码由 7个同步字节组成，用于收发之间的定
时同步；
② SFD是帧起始定界符；
③ 目的地址是帧发往的站点地址，每个站点都有自己惟
一的地址；
④ 源地址是帧发送的站点地址；
前导同
步码
7字节
SFD
1字
节
目的
地址
6字节
源地
址
6字节
数据长
度
2字节
协议首
部
20字节
数据和填充
字节
0～ 1500字
节
帧校
验
4字
节
图 5.10 IEEE 802.3帧结构
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5.3 介质访问控制方法
⑤ 数据长度是要传输数据的总长度；
⑥ 协议首部是数据字段的一部分，含有更高层协议嵌入
数据字段中的信息；
⑦ 数据字节的长度可从 0到 1518个字节，但必须保证
帧不得小于 64个字节，否则就要填入填充字节；
⑧ 帧校验占用 4个字节，采用 CRC码，用于校验帧传输
中的差错。
2．以太网地址
以太网使用的是 MAC地址，即 IEEE 802.3以太网帧
结构中定义的地址。每块网卡出厂时，都被赋予一个 MAC
地址，网卡的实际地址共有 6个字节。
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5.3 介质访问控制方法
3．以太网 MAC子层
IEEE 802.3以太网，是一种总线型局域网，使用的介质访
问控制子层方法是 CSMA/CD（载波监听多路访问／冲突检
测），帧格式采用以太网格式，即 802.3帧格式，以太网是
基带系统，使用曼彻斯特编码，通过检测通道上的信号存在
与否来实现载波检测。
4．以太网分类
有 4种正式的 10 Mbps以太网标准。
① 10Base-5,10Base-5是最初的粗同轴电缆以太网标准。
② 10Base-2,10Base-2是细同轴电缆以太网标准。
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5.3 介质访问控制方法
③ 10Base-T,10Base-T是 10 Mbps的双绞线以
太网标准。
④ 10Base-F,10Base-F是 10 Mbps的光缆以太
网标准。
5．以太网物理层
以太网在物理层可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非
屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、光缆等多种传输介质，并且在
IEEE 802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物
理层标准，如图 5.11所示。
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5.3 介质访问控制方法
以太网
CSMA/CD
AUI
10Base5
粗缆
10Base2
细缆
10Base-T
双绞线
10Base-F
光缆
图 5.11 5种不同以太网的物理层实现
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5.3 介质访问控制方法
6,10Base-T10Base-T是以太网中最常用的一种标准，
,10” 表示信号的传输速率为 10 Mbps，,Base” 表示信
道上传输的是基带信号，,T” 是英文 Twisted-pair（双
绞线电缆）的缩写，说明是使用双绞线电缆作为传输介质，
编码也采用曼彻斯特编码方式。采用星形拓扑结构。
10Base-T的组网由网卡、集线器、交换机、双绞线等设备
组成。图 5.12给出了一个以集线器为星形拓扑中央结点的
10Base-T网络示例，所有的工作站都通过传输介质连接到
集线器 Hub上，工作站与 Hub之间的双绞线最大距离为 100
m，网络扩展可以采用多个 Hub来实现，在使用时也要遵守
前面所介绍的,5-4-3-2-1” 规则。 Hub之间的连接可以使
用双绞线、同轴电缆或粗缆线。
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5.3 介质访问控制方法
图 5.12 10BASE-T网络示意图
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5.3 介质访问控制方法
10Base-T以太网有如下特点。
? 安装简单、扩展方便；网络的建立灵活、方便，可以
根据网络的大小，选择不同规格的 Hub或交换机连接在一
起，形成所需要的网络拓扑结构。
? 网络的可扩展性强，因为扩充与减少工作站都不会影
响或中断整个网络的工作。
? 集线器或交换机具有很好的故障隔离作用。当某个工
作站与中央结点之间的连接出现故障时，也不会影响其他
结点的正常运行；甚至当网络中某一个集线器或交换机出
现故障时，也只会影响到与该集线器或交换机直接相连的
结点。
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5.3 介质访问控制方法
表 5.1 IEEE 802.3以太网的基本特性
特 性 10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-F
速率／ Mbps 10 10 10 10
传输方法 基带 基带 基带 基带
最大网段长度／ m 500 185 100 2000
站间最小距离／ m 2.5 0.5
传输介质 50 ?粗同轴
电缆
50 ?细同
轴电缆
UTP 多模光缆
网络拓扑 总线形 总线形 星形 点对点
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5.3 介质访问控制方法
5.3.4 令牌环网
1．概述
IEEE 802.5标准定义了令牌环网的国际规范。
令牌环网在物理层提供 4 Mbps和 16 Mbps两种传输
速率；支持 STP/UTP双绞线和光纤作为传输介质，但较
多的是采用 STP，使用 STP时计算机和集线器的最大距离
可达 100 m，使用 UTP时这个距离为 45 m。
构建 Token Ring网络时，需要 Token Ring网卡、
Token Ring集线器和传输介质等。图 5.13给出了一个
Token Ring组网的示例。其物理拓扑在外表上为星形结
构，星形拓扑的中心是一个被称为介质访问单元（ Media
Access Unit，简称 MAU）的集线装置。所以我们认为
Token Ring采用的仍是一个物理环的结构。
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5.3 介质访问控制方法
图 5.13 令牌环网集线器的内部结构
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5.3 介质访问控制方法
2．令牌环网的工作原理
令牌环网利用一种称之为“令牌（ Token）”的短帧来选
择拥有传输介质的站，只有拥有令牌的工作站才有权发送信
息。令牌平时不停地在环路上流动，当一个站有数据要发送
时，必须等到令牌出现在本站时截获它，即将令牌的独特标
志转变为信息帧的标志（或称把闲令牌置为忙令牌），然后
将所要发送的信息附在之后发送出去。由于令牌环网采用的
是单令牌策略，环路上只能有一个令牌存在，只要有一个站
发送信息，环路上就不会再有空闲的令牌流动。采取这样的
策略，可以保证任一时刻环路上只能有一个发送站，因此不
会出现像以太网那样的竞争局面，环网不会因发生冲突而降
低效率，所以说令牌环网的一个很大优点就是在重载时可以
高效率地工作。
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5.3 介质访问控制方法
在环上传输的信息逐个站点不断地向前传输，一直到达
目的站。目的站一方面复制这个帧（即收下这个帧），另
一方面还要将此信息帧转发给下一个站（并在其后附上已
接收标志）。信息在环路上转了一圈后，最后又必然会回
到发送数据的源站点，信息回到源站点后，源站点对返回
的数据不再进行转发（这是理所当然的），而是对返回的
数据进行检查，查看本次发送是否成功。当所发信息的最
后一个比特绕环路一周返回到源站时，源站必须生成一个
新的令牌，将令牌发送给下一个站，环路上又有令牌在流
动，等待着某个站去截获它。总之，截获令牌的站要负责
在发送完信息后再将令牌恢复出来，发送信息的站要负责
从环路上收回它所发出的信息。
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5.3 介质访问控制方法
令牌环的工作过程为。
第一步：令牌在环中流动,C站有信息发送，截获了令
牌。
第二步,C站发送数据给 A站,A站接收并转发数据。
第三步,C站等待并接收它所发的帧，并将该帧从环上
撤离。
第四步,C站收完所发帧的最后一比特后，重新产生令
牌发送到环上。
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5.4 共享式以太网和交换式以太网
5.4.1 共享式以太网
传统的共享式以太网是最简单、最便宜、最常用的一种
组网方式。在网络应用和组网过程中，暴露出以下主要缺
点。
1．覆盖的地理范围有限
按照 CSMA/CD的有关规定，以太网覆盖的地理范围是固
定的，只要两个结点处于同一个以太网中，它们之间的最
大距离就不能超过这个固定值，不管它们之间的连接跨越
一个集线器还是多个集线器。如果超过这个值，网络通信
就会出现问题。
2．网络总带宽容量固定
共享式以太局域网上的所有结点共享同一传输介质。
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5.4 共享式以太网和交换式以太网
3．不能支持多种速率
在共享式以太局域网中的网络设备必须保持相同的传输
速率，否则一个设备发送的信息，另一个设备不可能收到。
单一的共享式以太网不可能提供多种速率的设备支持。
5.4.2 交换式以太网
交换机以太网利用以太网交换机组网，既可以将计算机
直连到交换机的端口上，也可以将它们连入一个网段，然
后将这个网段连到交换机的端口。如果将计算机直接连到
交换机的端口，那么它将独享该端口提供的带宽；如果计
算机通过以太网连入交换机，那么该以太网上的所有计算
机共享交换机端口提供的带宽。
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5.5 高速以太网
5.5.1 快速以太网技术
快速以太网技术 100Base-T是由 10Base-T标准以太网发
展而来的。其协议标准为 1995年颁布的 IEEE 802.3u，可
支持 100 Mbps的数据传输速率，并且与 10Base-T一样可支
持共享式与交换式两种使用环境，在交换式以太网环境中
可以实现全双工通信。 IEEE 802.3u在 MAC子层仍采用
CSMA/CD作为介质访问控制协议，并保留了 IEEE 802.3的
帧格式。快速以太网采用 4B/5B编码。
1．快速以太网的体系结构
图 5.15给出了 IEEE 802.3u协议的体系结构，对应于
OSI模型的数据链路层协议和物理层协议。
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5.5 高速以太网
LLC 802.2
100 Base– T
CSMA／ CD
MII
100 Base-Tx 100 Base-T4 100 Base-Fx
2对 5类 UTP或
1类 STP
4对 3,4,5
类 UTP
2芯光纤传输介质
物理层
数据链路层
图 5.15 100Base-T协议结构
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5.5 高速以太网
2,100Base-T物理层
从图 5.15中可以看出 100Base-T定义了 3种不同的物理层
协议。表 5.2给出了这 3种物理层标准的对比。为了屏蔽下
层不同的物理细节，为 MAC和高层协议提供了一个 100
Mbps传输速率的公共透明接口，快速以太网在物理层和
MAC子层之间还定义了一种独立于介质种类的介质无关接口
（ Medium Independent Interface，简称 MII），该接口
可以支持上面 3种不同的物理层介质标准。
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5.5 高速以太网
表 5.2 100Base-T的三种不同的物理层协议
物理层
协议 线缆类型
线缆
对数
最大分段
长度
编码
方式 优点
100Base-
T4 3/4/5类 UTP 4对 100m 8B/6T 3类 UTP
100Base-
TX
5类 UTP/RJ-45
接头 1类
STP/DB-9接头
2对 100m 4B/5B 全双工
100Base-
FX
62.5?m单模
/125?m多模光
纤,ST或 SC光
纤连接器
2对 2000m 4B/5B 全双工长 距离
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5.5 高速以太网
（ 1） 100Base-TX
100Base-TX介质规范基于 ANSI TP-PMD物理介质标准。
100Base-TX介质接口在两对双绞线电缆上运行，其中一对
用于发送数据，另一对用于接收数据，由于 ANSI TP-PMD
规范既包括屏蔽双绞线电缆，也包括非屏蔽双绞线电缆，
所以 100Base-TX介质接口支持两对 5类以上非屏蔽双绞线
电缆和两对 1类屏蔽双绞线电缆。
100Base-TX链路与介质相关的接口有两种：对非屏蔽双
绞线电缆,MDI连接器必须是兼容 5类及 5类以上的 8脚 RJ-
45连接器；对屏蔽双绞线电缆,MDI连接器必须是 IBM的
STP连接器，使用屏蔽 DB-9型连接器。
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5.5 高速以太网
① 5类 UTP及 5类以上 UTP,100Base-TX UTP介质接口使
用两对 MDI连接器线来将信号传出和传入网络介质，这意味
着 RJ-45连接器 8个管脚中的 4个是被占用的。为使串音和
可能的信号失真最小，另外 4条线不应传输任何信号。每对
的发送和接收信号是极化的，一条线传输正（ +）信号，而
另一条线传输负（ ?）信号。对 RJ-45连接器，正确的配线
对分配是管脚 [1,2]和管脚 [3,6]。应尽量在 MDI管脚分
配中使用正确的彩色编码线对。
② 1类 STP,100Base-TX标准也支持特征阻抗为 150 ?的
屏蔽双绞线电缆。屏蔽双绞线电缆使用 D型连接器并按 ANSI
TP-PMD对屏蔽双绞线架设的规范来布线。在 DB-9连接器上
正确的配线对分配是管脚 [1,6]和管脚 [5,9]。
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5.5 高速以太网
③ 100Base-T交叉布线：当两个结点连到一起单机应用
时，必须提供一条外部交叉电缆，将电缆一端 8脚 RJ-45连
接器上的发送管脚连到电缆另一端 8脚 RJ-45连接器上的接
收管脚。在多个结点连到一个集线器或交换机端口的实现
中，交叉布线是在集线器或交换机端口内部完成的，这使
得直联电缆能用于各个结点和集线器或交换机端口之间。
④ 100Base-TX电缆配置,100Base-TX规范允许两个 DTE
或 DTE与交换端口之间的链路之间的链段最大长度为 100 m。
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5.5 高速以太网
（ 2） 100Base-FX
光缆是 100Base-FX指定支持的一种介质，而且容易安装、
重量轻、体积小、灵活性好、不受 EMI干扰。
100Base-FX标准指定了两条多状态光纤，一条用于发送
数据，一条用于接收数据。当工作站的 NIC以全双工模式运
行时能超过 2 km。光缆可分为两类：多模和单模。
① 多模光缆：这种光缆为 62.5/125 ?m，采用基于 LED
的收发器将波长为 820 nm的光信号发送到光纤上。当连在
两个设置为全双工模式的交换机端口之间时，支持的最大
距离为 2 km。
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5.5 高速以太网
② 单模光缆：这种光缆为 9/125 ?m，采用基于激光的
收发器将波长为 1300 nm的光信号发送到光纤上。单模光
缆率损耗小，较之多模光缆能使光信号传输到更远的距离。
（ 3） 100Base-T4
100Base-T4链路与介质相关的接口是基于 3,4,5类非
屏蔽双绞线。 100Base-T4标准使用 4对线。用于 100Base-T
的 RJ-45连接器也可用于 100Base-T4。 4对中的 3对用于一
起发送数据，同时第 4对用于冲突检测。每对线都是极化的，
每对中的一条线传输正（ ?）信号而另一条线传输负（ ?）
信号。
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5.5 高速以太网
5.5.2 千兆位以太网技术
1996年 3月 IEEE 802委员会成立了 IEEE 802.3z工作组，
专门负责千兆位以太网及其标准，并于 1998年 6月正式公布
关于千兆位以太网的标准。
千兆位以太网标准是对以太网技术的再次扩展，其数据
传输率为 1000 Mbps即 1Gbps，因此也称吉比特以太网。千
兆位以太网基本保留了原有以太网的帧结构，所以向下和
以太网与快速以太网完全兼容，从而原有的 10 Mbps以太
网或快速以太网可以方便地升级到千兆位以太网。千兆位
以太网标准实际上包括支持光纤传输的 IEEE 802.3z和支
持铜缆传输的 IEEE 802.3ab两大部分。图 5.17给出了千兆
位以太网的协议结构。
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5.5 高速以太网
LLC 802.2
802.3全双工 /流量控制协议
CSMA/CD半双工方式
GMII
1000Base-cx 1000 Base-LX 1000 Base-SX
150?STP 超 5类或 6类
UTP
多模光纤传输介质
物理层
数据链路层
图 5.17 标准的千兆位以太网协议体系
IEEE802.3ab IEEE802.3Z
1000Base-T
多模光纤
单模光纤
LLC子层
MAC子层
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5.5 高速以太网
千兆位以太网的物理层包括 1000Base－ SX,1000Base-
LX,1000 Base-CX和 1000 Base-T 4个协议标准。
1,1000 Base-SX标准
1000 Base-SX采用芯径为 62.5 ?m和 50 ?m的多模光纤，
工作波长为 850 nm，传输距离为 260 m和 525 m。数据编码
方法为 8B/10B，适用于作为大楼网络系统的主干通路。
2,1000 Base-LX标准
（ 1）多模光纤
1000 Base-LX可采用芯径为 50 ?m和 62.5 ?m的多模光纤，
工作波长为 850 nm，传输距离为 550 m，数据编码方法为
8B/10B，适用于作为大楼网络系统的主干通路。
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5.5 高速以太网
（ 2）单模光纤
1000 Base-LX可采用芯径为 9 ?m的单模光纤，工作波长
为 1300 nm或 1550 nm，数据编码方法采用 8B/10B，适用于
校园或城域主干网。
3,1000 Base-CX标准
1000 Base-CX标准采用 150 ?平衡屏蔽双绞线（ STP），
传输距离为 25 m，传输速率为 1.25 Gbps，数据编码方法
采用 8B/10B，适用于集群网络设备的互连，例如机房内连
接网络服务器。
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5.5 高速以太网
4,1000 Base-T标准
1000 Base-T采用 4对 5类 UTP双绞线，传输距离为
100 m，传输速率为 1 Gbps，主要用于结构化布线中同
一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网已铺
设的 UTP 电缆，也可被用做大楼内的网络主干。
在千兆位以太网的 MAC子层，除了支持以往的
CSMA/CD协议外，还引入了全双工流量控制协议。其中，
CSMA/CD协议用于共享信道的争用问题，即支持以集线
器作为星形拓扑中心的共享以太网组网；全双工流量控制
协议适用于交换机到交换机或交换机到站点之间的点 -点连
接，两点间可以同时进行发送与接收，即支持以交换机作
为星形拓扑中心的交换以太网组网。
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5.5 高速以太网
目前，千兆位以太网主要被用于园区或大楼网络的主干
中，但也有的被用于有非常高带宽要求的高性能桌面环境
中。图 5.18给出了一个将千兆位以太网用于网络主干，将
快速以太网或 10 Mbps以太网用于桌面环境的网络示意图。
该网络采用了典型的层次化网络设计方法。
图 5.18中，最下面一层由 10 Mbps以太网交换机加上 100
Mbps上行链路组成；第 2层由 100 Mbps以太网交换机加
1000 Mbps上行链路组成；最高层由千兆位以太网交换机
组成。通常将面向用户连接或访问网络的层称为接入层
（ Access Layer），而将网络主干层称为核心层（ Core
Layer），将连接接入部分和核心部分的层称为分布层或汇
聚层（ Distribution Layer）。
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5.5 高速以太网
1000M1000M1000M
1000M
图 5.18 千兆位以太网的应用举例
Si Si Si Si
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5.5 高速以太网
5.5.3 万兆位以太网技术
1999年底成立了 IEEE 802.3ae工作组进行万兆位以太网技
术（ 10 Gbps）的研究，并于 2002年正式发布 IEEE 802.3ae
10GE标准。
1．万兆位以太网的技术特色和显著特征
首先表现在物理层上。万兆位以太网是一种只采用全双工
与光纤的技术，其物理层（ PHY）和 OSI模型的第 1层（物理层）
一致，它负责建立传输介质（光纤或铜线）和 MAC层的连接，
MAC层相当于 OSI模型的第 2层（数据链路层）。在网络的结构
模型中，把 PHY进一步划分为物理介质关联层（ PMD）和物理
代码子层（ PCS）。光学转换器属于 PMD层。 PCS层由信息的编
码方式（如 64B/66B ）、串行或多路复用等功能组成。
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5.5 高速以太网
其次，万兆位以太网技术基本承袭了以太网、快速以太
网及千兆位以太网技术，因此在用户普及率、使用方便性、
网络互操作性及简易性上皆占有极大的引进优势。在升级
到万兆位以太网解决方案时，用户不必担心既有的程序或
服务会受到影响，升级的风险非常低，同时在未来升级到
40 Gbps甚至 100 Gbps时都将有很明显的优势。
第三，万兆位标准意味着以太网将具有更高的带宽（ 10
Gbps）和更远的传输距离（最长传输距离可达 40km）。
第四，在企业网中采用万兆位以太网可以最好地连接企
业网骨干路由器，这样大大简化了网络拓扑结构，提高了
网络性能。
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5.5 高速以太网
第五，万兆位以太网技术提供了更多的更新功能，大大
提升了 QoS。因此，能更好地满足网络安全、服务质量、链
路保护等多个方面需求。
最后，随着网络应用的深入,WAN/MAN与 LAN融和已经成
为大势所趋，各自的应用领域也将获得新的突破，而万兆
位以太网技术让工业界找到了一条能够同时提高以太网的
速度、可操作距离和连通性的途径，万兆位以太网技术的
应用必将为三网发展与融和提供新的动力。
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5.5 高速以太网
万兆位以太网还有以下十分明显的应用特征。
① 万兆位以太网结构简单、管理方便、价格低廉。
② 过去有时需采用数个千兆位捆绑在一起以满足交换机互连
所需的高带宽，因而浪费了更多的光纤资源，现在可以采用万兆
位互连，甚至 4个万兆位捆绑互连，达到 40 Gbps的宽带水平。
③ 采用万兆位以太网，网络管理者可以用实时方式，也可以
用历史累积方式轻松地看到第 2层到第 7层的网络流量。允许“永
远在线”监视，能够鉴别干扰或入侵监测，发现网络性能瓶颈，
获取计费信息或呼叫数据记录，从网络中获取商业智能。
④ 以太网的可平滑升级保护了用户的投资，以太网的改进始
终保持向前兼容，使得用户能够实现无缝升级，一方面不需要额
外的投资升级上层应用系统，也不影响原来的业务部署和应用。
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5.5 高速以太网
2．万兆位以太网技术介绍
如图 5.19所示为 IEEE 802.3ae万兆位以太网技术标
准的体系结构。
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5.5 高速以太网
图 5.19 802.3ae体系结构
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5.5 高速以太网
（ 1）物理层
在物理层，万兆位以太网的 IEEE 802.3ae标准只支
持光纤作为传输介质，但提供了两种物理连接（ PHY）类
型。一种是提供与传统以太网进行连接的速率为 10
Gbps的 LAN物理层设备，即, LAN PHY”；另一种提供
与 SDH/SONET进行连接的速率为 9.58464 Gbps的
WAN物理层设备，即, WAN PHY”。通过引入 WAN
PHY，提供了以太网帧与 SONET OC-192帧结构的融
合,WAN PHY可与 OC-192,SONET/SDH设备一起
运行，从而在保护现有网络投资的基础上，能够在不同地
区通过 SONET城域网提供端到端的以太网 连接。
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5.5 高速以太网
① 10 Gbps串行物理媒介层。万兆位以太网支持 5种接
口，分别是 1550 nm LAN接口,1310 nm宽频波分复用
（ WWDM） LAN接口,850 nm LAN接口,1550 nm WAN接口和
1310 nm WAN接口。每种接口都有其对应的最便宜的传输
介质，传输距离也不同，如表 5.8所示。
② PMD（物理介质相关）子层。 PMD子层的功能是支持
在 PMA子层和介质之间交换串行化的符号代码位。 PMD子层
将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。
PMD是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质上
发送和接收信号。
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5.5 高速以太网
表 5.8 10 Gbps串行物理媒介层
名 称 描 述 传输介质 传输距离
10GBase－ SR 805 nm LAN接口 50/125 ?m多模光
纤
65 m
10GBase－ LR 1310 nm LAN接口 62.5/125 ?m多模
光纤
300 m
10GBase－ ER 1550 nm LAN接口 50/125 ?m多模光
纤
240 m
10GBase－ LW 1310 nm WAN接口 单模光纤 10 km
10GBase－ EW 1550 nm WAN接口 单模光纤 40km
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5.5 高速以太网
③ PMA（物理介质接入）子层。 PMA子层提供了
PCS和 PMD层之间的串行化服务接口。和 PCS子层的连
接称为 PMA服务接口。
④ WIS（广域网接口）子层。 WIS子层是可选的物理
子层，可用在 PMA与 PCS之间，产生适配 ANSI定义的
SONET STS-192c传输格式或 ITU定义 SDH VC-4-
64c容器速率的以太网数据流。
⑤ PCS（物理编码）子层。 PCS子层位于协调子层
（通过 GMII）和物理介质接入层（ PMA）子层之间。
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5.5 高速以太网
⑥ RS（协调子层）和 XGMII（ 10 Gbps介质无关接口）。
协调子层的功能是将 XGMII的通路数据和相关控制信号映射
到原始 PLS服务接口定义（ MAC/PLS）接口上。 XGMII接口
提供了 10 Gbps的 MAC和物理层间的逻辑接口。 XGMII和协
调子层使 MAC可以连接到不同类型的物理介质上。
（ 2）传输介质层
IEEE 802.3ae目前支持 9/125 ?m单模,50/125 ?m多模
和 62.5/125 ?m多模 3种光纤，而对电接口的支持规范
10GBase-CX4目前正在讨论之中，尚未形成标准。
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5.5 高速以太网
（ 3）数据链路层
IEEE 802.3ae继承了 802.3以太网的帧格式和最大／最小帧长
度，支持多层星形连接、点到点连接及其组合，充分兼容已有
应用，不影响上层应用，进而降低了升级风险。
3．以太网的应用和展望
（ 1）万兆位以太网的应用场合
从目前网络现状看，万兆位以太网最先应用的场合包括教育
行业、数据中心出口和城域网骨干。
① 在教育网的应用。如图 5.20所示。利用 10GE高速链路构建
校园网的骨干链路和各分校区与本部之间的连接，可实现端到
端的以太网访问，进而提高传输效率，有效地保证远程多媒体
教学和数字图书馆等业务的开展。
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5.5 高速以太网
图 5.20 10GE在校园网的应用
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5.5 高速以太网
② 在数据中心出
口的应用。随着服
务器纷纷采用千兆
位链路连接网络，
汇聚这些服务器的
上行带宽将逐渐成
为业务瓶颈，使用
10GE高速链路可
为数据中心出口提
供充分的带宽保障，
如图 5.21所示。 图 5.21 10GE在数据中心的应用
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5.5 高速以太网
③ 在城域网的应用。如图 5.22所示，在城域网骨干层
部署 10GE可大大地简化网络结构、降低成本、便于维护，
通过端到端以太网打造低成本、高性能和具有丰富业务支
持能力的城域网。 10GE在城域网中的应用主要有两个方
面：
? 直接采用 10GE取代原来的传输链路，作为城域网骨
干，如图 5.22所示；
? 通过 10GE CWDM接口或 WAN接口与城域网的传
输设备相连接，充分利用已有的 SDH或 DWDM骨干传输
资源，如图 5.23所示。
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5.5 高速以太网
图 5.22 10GE直接作为城域网骨干
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5.5 高速以太网
图 5.23 10GE与城域网骨干的连接
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5.5 高速以太网
（ 2）万兆位以太网的特点
万兆位以太网技术提供更加丰富的带宽和处理能力，能
够有效地节约用户在链路上的投资，并保持以太网一贯的
兼容性、简单易用和升级容易的特点。但是，由于万兆位
以太网尚处于发展初期，还存在着一些问题和不足：首先，
在价格方面，目前一个 10GE端口的价格是 GE端口的
100倍左右；其次，万兆位以太网继承了以太网一贯的弱
QoS特点，如何进行有保障的区分业务承载的问题仍然没
有解决,RPR,MPLS等特性的支持尚不成熟；第三，
10GE要求设备具有强大的处理能力，而目前业界有些厂
商推出的 10GE端口并未实现真正的线速处理，带宽优势
大打折扣。
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5.6 其他种类的高速局域网
5.6.1 100VG-AnyLAN局域网
标准为 IEEE 802.12的 100VG-AnyLAN也是一种
使用集线器的 100 bps高速局域网，它常简写为 100VG。
VG代表 Voice Grade（语音级，这种局域网可使用 3类
线），而 Any则表示能使用多种传输介质，并可支持
IEEE 802.3和 IEEE 802.5的数据帧。
100VG是一种无碰撞局域网，能更好地支持多媒体传
输；在网络上可获得高达 95％的吞吐量；在介质访问控制
子层（ MAC）运行需要优先级（ Demand Priority）
协议；各工作站有数据要发送时，要向集线器发出请求，
每个请求都标有优先级别。
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5.6 其他种类的高速局域网
5.6.2 光纤分布式数据接口（ FDDI）
FDDI是 Fiber Distributed Data Interface的缩
写，意思是光纤分布数据接口，是计算机网络技术发展到
高速通信阶段出现的第一个高速网络技术。 FDDI的 IEEE
协议标准为 IEEE 802.7。 FDDI以光纤为传输介质，传
输速率可达 100 Mbps，采用单环和双环两种拓扑结构。
但为了提高网络的健壮性，大多采用双环结构。每一个
FDDI环可以连接 500台工作站，工作站间的距离可达 2
km，从而 FDDI的单环网络范围可达 100 km，若以双
环结构来看则可达 200 km。 FDDI有完整的国际标准，
有众多厂商的支持。
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5.6 其他种类的高速局域网
1,FDDI的物理层
FDDI标准根据传输介质的不同，定义了 4种类型的
PMD标准。
① MMF-PMD：使用多模光缆 MMF，是 ANSI定义的
第一个 PMD标准。多模光缆使用廉价的 LED作为光源，
价格便宜，波长有 850 nm和 1300 nm两种，最大传输
距离为 2 km。
② SMF-PMD：使用单模光缆 SMF，单模光缆通常使
用激光作为光源，波长为 1300 nm。单模光缆传输距离
较远，在无中继情况下其传输距离可达 60 km，价格较
MMF贵。
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5.6 其他种类的高速局域网
③ LCF-PMD：使用廉价光缆的 PMD标准，使用多模
光缆为传输介质，光源为发光二极管。
④ TP-PMD：使用双绞线电缆作为 FDDI的传输介质。
使用 5类 UTP的传输距离为 100 m。
在 FDDI网络中，双连接有两个物理实体，一个实体连
接主环，另一个实体连接副环。单连接站（ SAS，
Single Attached Station）也有两个物理层实体，主
实体在 SAS，副实体在集中器。因此，标准规定最大为
500个站点。 FDDI限制光缆总长度为 200 km，即环路
长度限制在 100 km。
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5.6 其他种类的高速局域网
PMD标准中定义了 4种主要的 FDDI介质接口连接器
（称之为 MIC）：
? A型连接器 —— 是双连集中器 DAC和双连站 DAS的
一部分，用于连接主环的输入和副环的输出。
? B型连接器 —— 是 DAC和 DAS的一部分，用于连接
主环的输入和副环的输出。
? M型连接器 —— 是集中器的一部分，可以用于单连
站 SAS,DAS,DAC和单连集中器 SAC。
? S型连接器 —— 是 SAS,SAC的一部分，用于把
SAC,SAS连接到集中器。
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2,FDDI MAC子层
FDDI在 MAC子层采用与 IEEE 802.5类似的令牌传
输方式作为介质访问控制机制，但在令牌释放上采用了早
期令牌释放 ETR技术，即只要某站点完成了数据传输，就
将令牌释放，而不是像 IEEE 802.5中那样，直到帧被正
确接收后才释放令牌，从而大大提高了信道的带宽利用率。
另外,FDDI的帧格式也类似于 IEEE 802.5的帧，但两
者之间有一些细小的区别。
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5.6 其他种类的高速局域网
3,FDDI的拓扑
FDDI是一个高速环路，利用它可以为互联网提供高速
主干网，并为主机提供高速信道,ANSI规定 FDDI可以
采用 4种拓扑，即双环拓扑、集中器树拓扑、双环树拓扑
和双主机拓扑。实际上大型网就是把集中器接入双环，由
集中器连接 LAN，在 LAN中接入多个网站，故集中器是核
心部件，集中器实际上就是 FDDI Hub。
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5,FDDI的应用环境
FDDI主要用于以下 4种应用环境：
① 用于计算机机房中大型计算机和高速外设之间的连接，以及
对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境。
② 用于连接大量的小型机、工作站、个人计算机与各种外设。
③ 校园网的主干网，用于连接分布在校园各个建筑物中的小型
机、服务器、工作站和个人计算机以及多个局域网。
④ 多校园的主干网，用于连接地理位置相距几千米的多个校园
网、企业网，成为一个区域性的互连多个校园网和企业网的主干网。
FDDI主要作为主干网使用，曾经是最成熟的主干网技术，但随
着高速以太网的出现和发展,FDDI已经退出了局域网的历史舞台。
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5.6.3 高性能并行接口（ HIPPI）
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（如大容量存储器、图形工作站等）的高速接口。
HIPPI是一个 ANSI标准,HIPPI的数据传输速率从最
初的 800 Mbps，升到 1600 Mbps，甚至最高的 6.4
Gbps。
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5.6.4 光纤通道
光纤通道可处理数据通道和网络的连接。它可用来传输
数据，包括 HIPPI,SCSI以及 IBM主机所用的复用器通
道，也可用来传输网络的分组，如 IEEE 802,IP以及
ATM的分组。
光纤通道的物理媒体可使用单模光纤和多模光纤（ 50
?m和 62.5 ?m两种）。使用单模光纤可传输 10 km，
而使用多模光纤的传输距离为 175 m～ 10 km，这主要
取决于传输速率。光纤通道还可使用视频电缆（传输距离
为 25～ 100 m）、小同轴电缆（传输距离为 10～ 35 m）
以及屏蔽双绞线 STP（传输距离为 50～ 100 m，分别对
应的数据传输速率为 200 Mbps和 100 Mbps）。
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5.7 无线局域网
所谓无线局域网（ Wireless Local Area Network，简称
WLAN）就是指采用无线传输介质的局域网。
5.7.1 无线局域网标准
目前支持无线局域网的技术标准主要有蓝牙技术,Home RF技术
以及 IEEE 802.11系列。其中,Home RF主要用于家庭无线网络，
其通信速度比较慢；蓝牙技术是在 1994年爱立信为寻找蜂窝电话和
PDA那样的辅助设备进行通信的廉价无线接口时创立的，是按
IEEE802.11标准的补充技术来设计的； IEEE 802.11是由 IEEE
802委员会制订的无线局域网系列标准，在 1997年,IEEE发布了
IEEE 802.11协议，这也是在无线局域网（ WLAN）领域内的第一
个国际上被广泛认可的协议。随后,IEEE 802.11a,802.11b、
802.11d标准相继完成。目前正在制订的一系列标准有 IEEE
802.11e,802.11f,802.11g,802.11h,802.11i等，它推
动着 WLAN走向安全、高速、互连。
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5.7 无线局域网
在 IEEE 802.11标准中，定义了 3个可选的物理层实
现方式，它们分别为红外线（ IR）基带物理层和两种无线
频率（ RF）物理层。两种无线频率物理层指工作在 2.4
GHz频段上的跳频扩展频谱（ FHSS）方式以及直接序列
式扩频（ DSSS）方式。目前 IEEE 802.11规范的实际
应用以使用 DSSS方式为主流。下面分别介绍这 3种方式。
1．红外线方式
红外线局域网采用波长小于 1 μｍ的红外线作为传输媒
介，有较强的方向性，受阳光干扰大。它支持 1～ 2
Mbps数据速率，适于近距离通信。
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5.7 无线局域网
2．直接序列式扩频（ DSSS）
直接序列式扩频就是使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩
展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开
的扩频信号还原成原来的信号。 DSSS 局域网可在很宽的频率范围
内进行通信，支持 1～ 2 Mbps数据速率，在发送和接收端都以窄带
方式进行，而以宽带方式传输。
3．跳频扩展频谱（ FHSS）
跳频技术是另外一种扩频技术。跳频的载频受一个伪随机码的
控制，在其工作带宽范围内，其频率按随机规律不断改变频率。接
收端的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致。
跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高，抗干扰的性能越
好，军用的跳频系统可以达到上万跳每秒。
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5.7 无线局域网
IEEE 802.11标准在 MAC子层采用带冲突避免的载波监听多
路访问（ Carrier Sense Multiple Access/Collision
Avoidation，简称 CSMA/CA）协议。该协议与在 IEEE 802.3标
准中所讨论的 CSMA/CD协议类似，为了减小无线设备之间在同
一时刻同时发送数据导致冲突的风险,IEEE 802.11引入了称
为请求发送／清除发送（ RTS/CTS）的机制。即：如果发送目
的地是无线结点，数据到达基站，该基站将会向无线结点发
送一个 RTS帧，请求一段用来发送数据的专用时间。接收到
RTS请求帧的无线结点将回应一个 CTS帧，表示它将中断其他
所有的通信直到该基站传输数据结束。其他设备可监听到传
输事件的发生，同时将在此时间段的传输任务向后推迟。这
样，结点间传输数据时发生冲突的概率就会大大减少。
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5.7 无线局域网
5.7.2 无线局域网设备
组建无线局域网的无线网络设备主要包括：无线网卡、
无线访问接入点、无线网桥和天线，几乎所有的无线网络
产品中都自含无线发射／接收功能。
① 无线网卡在无线局域网中的作用相当于有线网卡在有
线局域网中的作用。按无线网卡的总线类型可分为适用于
台式机 PCI接口的无线网卡和适用笔记本 PCMCIA接口的
无线网卡，如图 5.24所示。笔记本和台式机均使用 USB
接口的无线网卡，如图 5.25所示。
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5.7 无线局域网
图 5.24 笔记本无线网卡 图 5.25 USB无线网卡
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5.7 无线局域网
② 无线访问接入点（ AP）则是在无线局域网环境中，
进行数据发送和接收的集中设备，相当于有线网络中的集
线器。通常，一个 AP能够在几十至上百米的范围内连接多
个无线用户。 AP可以通过标准的 Ethernet电缆与传统的
有线网络相连，从而可作为无线网络和有线网络的连接点。
由于无线电波在传播过程中会不断衰减，导致 AP的通信范
围被限定在一定的范围之内，这个范围被称为微单元。但
若采用多个 AP，并使它们的微单元互相有一定范围的重合
时，则用户可以在整个无线局域网覆盖区内移动，无线网
卡能够自动发现附近信号强度最大的 AP，并通过这个 AP
收发数据，保持不间断的网络连接，这种方式称为无线漫
游。
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5.7 无线局域网
③ 无线网桥主要用于无
线或有线局域网之间的互
连。当两个局域网无法实
现有线连接或使用有线连
接存在困难时，就可使用
无线网桥实现点对点的连
接，在这里无线网桥起到
了协议转换的作用。无线
网桥示意图如图 5.26所示。
图 5.26 无线网桥
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5.7 无线局域网
④ 无线路由器则集成了无线 AP的接入功能和路由器的
第 3层路径选择功能。
⑤ 天线（ Antenna）则是将信号源发送的信号借由天
线传输至远处。天线一般有所谓的定向性（ Uni-
directional）与全向性（ Omni-directional）之分，
前者较适合于长距离使用，而后者则较适合区域性应用。
例如，若要将在第一栋楼内无线网络的范围扩展到 1km甚
至数千米以外的第二栋楼，其中的一个方法是在每栋楼上
安装一个定向天线，天线的方向互相对准，第一栋楼的天
线经过网桥连到有线网络上，第二栋楼的天线是接在第二
栋楼的网桥上，如此无线网络就可接通相距较远的两个或
多个建筑物。
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5.7 无线局域网
5.7.3 无线局域网间如何通信
建立到 WLAN的连接后，结点会像其他 802网络一样传输帧。
WLAN不使用标准的 802.3帧。 WLAN帧的类型有 3种：控制帧、
管理帧和数据帧。
5.7.4 无线局域网的组网模式
一般来说，无线局域网有两种组网模式，一种是无固定基
站的，另一种是有固定基站的。无固定基站组成的网络称为
自组网络，主要用于在便携式计算机之间组成平等状态的网
络；有固定基站的网络类似于移动通信的机制，网络用户的
便携式计算机通过基站（又称为访问点 AP）连入网络。这种
网络是应用比较广泛的网络，一般用于有线局域网覆盖范围
的延伸或作为宽带无线互联网的接入方式。
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5.7 无线局域网
1．自组网络（ Ad-Hoc）模式
自组网络又称对等网络，是最简单的无线局域网结构，
是一种无中心的拓扑结构，网络连接的计算机具有平等的
通信关系，仅适用于较少数的计算机无线互连（通常是在
5台主机以内），如图 5.27所示。这些计算机要有相同的
工作组名和密码（如果适用）。任何时间，只要两个或更
多的无线网络接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以
建立一个独立的网络；可以实现点对点与点对多点连接；
自组网络不需要固定设施，是临时组成的网络，非常适合
于野外作业和军事领域；组建这种网络，只需要在每台计
算机中插入一块无线网卡，不需要其他任何设备就可以完
成通信。
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5.7 无线局域网
2．基础结构网络（ Infrastucture）模式
在具有一定数量用户或是需要建立一个稳定的无线网络
平台时，一般会采用以 AP为中心的模式，将有限的“信息
点”扩展为“信息区”，这种模式也是无线局域网最为普
通的构建模式，即基础结构模式，采用固定基站的模式。
在基础结构网络中，要求有一个无线固定基站充当中心站，
所有站点对网络的访问均由其控制，如图 5.28所示。
在基于 AP的无线网络中,AP访问点和无线网卡还可针对
具体的网络环境调整网络连接速度，如 11 Mbps的 IEEE
802.11b的可使用速率可以调整为 1 Mbps,2 Mbps,5.5
Mbps和 11 Mbps 4种；
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5.7 无线局域网
AP
图 5.27 对等无线网络 图 5.28 基础结构无线网络
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5.7 无线局域网
54 Mbps的 IEEE 802.11a和 IEEE 802.11g的则有 54 Mbps、
48 Mbps,36 Mbps,24 Mbps,18 Mbps,12 Mbps,11
Mbps,9 Mbps,6 Mbps,5.5 Mbps,2 Mbps,1 Mbps共 12
个不同速率可动态转换，以发挥相应网络环境下的最佳连
接性能。
通过无线接入访问点、无线网桥等无线中继设备还可以
把无线局域网与有线网连接起来，并允许用户有效地共享
网络资源，如图 5.29所示。
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5.7 无线局域网
AP
Internet
图 5.29 无线与有线的结合实例
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5.7 无线局域网
3．无线 Internet接入
目前，许多公司开始利用 WLAN的方式提供移动
Internet接入，在宾馆、机场候车大厅等地区架设
WLAN，然后通过 DSL或 FTTX等方式相结合，为人们提
供无线上网的条件。
虽然无线网络有诸多优势，但与有线网络相比，无线局
域网也存在一些不足，如网络速率较慢，价格较高，数据
传输的安全性有待进一步提高。因而无线局域网目前主要
还是面向那些有特定需求的用户，作为对有线网络的一种
补充。但也应该看到，随着无线局域网性能价格比的不断
提高，它将会在未来发挥更加重要和广泛的作用。
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5.8 虚拟局域网
5.8.1 虚拟局域网概述
虚拟局域网是以局域网交换机为基础，通过交换机软件实现
根据功能、部门、应用等因素将设备或用户组成虚拟工作组或
逻辑网段的技术，其最大的特点是在组成逻辑网时无须考虑用
户或设备在网络中的物理位置。 VLAN可以在一个交换机或者跨
交换机实现。
1996年 3月,IEEE 802委员会发布了 IEEE 802.1q VLAN标准。
虚拟局域网是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑
组，而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。
利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网（ 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。
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5.8 虚拟局域网
图 5.30给出一个关于 VLAN划分的示例。图中使用了 4个交换机的
网络拓扑结构，有 9个工作站分配在 3个楼层中，构成了 3个局域网，
即 LAN1：（ A1,B1,C1）,LAN2：（ A2,B2,C2）,LAN3：（ A3，
B3,C3）。
但这 9个用户划分为 3个工作组，也就是说划分为 3个虚拟局域网
（ VLAN）。即,VLAN1：（ A1,A2,A3）,VLAN2：（ B1,B2,B3），
VLAN3：（ C1,C2,C3）。
在虚拟局域网上的每一个站都可以听到同一虚拟局域网上的其
他成员所发出的广播。如工作站 B1,B2,B3同属于虚拟局域网
VLAN2。当 B1向工作组内成员发送数据时,B2和 B3将会收到广播的
信息（尽管它们没有连在同一交换机上），但 A1和 C1不会收到 B1发
出的广播信息（尽管它们连在同一个交换机上）。
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5.8 虚拟局域网
VLAN
1
VLAN
2
VLAN
2
A2
图 5.30 虚拟局域网 VLAN的示例
A1
B3
B2
B1
C1
C2
C3
A3LAN1
LAN2
LAN3
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5.8 虚拟局域网
5.8.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式
1988年,IEEE批准了 802.3ac标准，这个标准定义
了虚拟局域网的以太网帧格式，在传统的以太网的帧格式
中插入一个 4字节的标识符，称为 VLAN标记，用来指明
发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网，如图 5.31所示。
如果还使用传统的以太网帧格式，那么就无法划分虚拟局
域网。
VLAN标记字段的长度是 4字节，插在以太网 MAC帧的
源地址字段和长度／类型字段之间。 VLAN标记的前两个
字节和原来的长度／类型字段的作用一样，但它总是设置
为 0x8100（这个数值大于 0x0600，因此不代表长度），
称为 802.1q标记类型。
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5.8 虚拟局域网
目的地址
Port）
长度／类型
长度／类型＝ 802.1Q标记类型
用户优
先级
2字节
图 5.31 虚拟局域网以太网帧格式
数据
802.3
MAC帧 源地址 Port） FCS
字节 6 6 4 2 46?1500 4
插入 4字节的 VLAN标记
标记控制信息
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 VIDCFI
2字节
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5.8 虚拟局域网
当数据链路层检测到在 MAC帧的源地址字段后面的长
度／类型字段的值是 0x8100时，就知道现在插入了 4字
节的 VLAN标记。于是就检查该标记的后两个字节的内容。
在后面的两个字节中，前 3个比特是用户优先级字段，接
着的一个比特是规范格式指示符（ CFI,Canonical
Format Indicator），最后的 12比特是该虚拟局域网
的标识符 VID，它惟一地标志这个以太网帧是属于哪一个
VLAN的。在 IEEE 801.1q标记（ 4个字节）后面的两
个字节是以太网帧的长度／类型段。
因为用于 VLAN的以太网帧的首部增加了 4个字节，所
以以太网帧的最大长度从原来的 1518字节变为 1522字
节。
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5.8 虚拟局域网
5.8.3 虚拟局域网的优点
采用 VLAN后，在不增加设备投资的前提下，可在许多方面提高网
络的性能，并简化网络的管理。具体表现在以下几方面。
? 提供了一种控制网络广播的方法：通过将交换机划分到不同的
VLAN中，一个 VLAN的广播不会影响到其他 VLAN的性能。即使是
同一交换机上的两个相邻端口，只要它们不在同一 VLAN中，则相互
之间也不会渗透广播流量。
? 提高了网络的安全性,VLAN的数目及每个 VLAN中的用户和主机
是由网络管理员决定的。网络管理员通过将可以相互通信的网络结点
放在一个 VLAN内，或将受限制的应用和资源放在一个安全的 VLAN
内，并提供基于应用类型、协议类型、访问权限等不同策略的访问控
制表，就可以有效地限制广播组或共享域的大小。
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5.8 虚拟局域网
? 简化了网络管理,VLAN可以在单独的交换设备或跨
多个交换设备实现，也会大大减少在网络中增加、删除或
移动用户时的管理开销。增加用户时只要将其所连接的交
换机端口指定到其所属于的 VLAN中即可；而在删除用户
时只要将其 VLAN 配置撤销或删除即可；在用户移动时，
只要他们还能连接到任何交换机的端口，则无须重新布线。
? 提供了基于第 2层的通信优先级服务：在最新的以太
网技术如千兆位以太网中，基于与 VLAN相关的 IEEE
802.1p标准可以在交换机上为不同的应用提供不同的服
务（如传输优先级等）。
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5.8 虚拟局域网
5.8.4 虚拟局域网 的工作方式
1．基于交换端口的 VLAN
这种方式是把局域网交换机的某些端口的集合，作为
VLAN的成员。这些集合有时只在单个局域网交换机上，
有时则跨越多台局域网交换机。虚拟局域网的管理应用程
序，根据交换机端口的标识 ID，将不同的端口分到对应的
分组中，分配到一个 VLAN的各个端口上的所有站点都在
一个广播域中，它们相互之间可以通信，不同的 VLAN站
点之间进行通信需经过路由器来进行。这种 VLAN方式的
优点在于简单，容易实现，从一个端口发出的广播，直接
发送到 VLAN内的其他端口，也便于直接监控。它的缺点
是自动化程度低，灵活性不好。
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5.8 虚拟局域网
2．基于 MAC地址的 VLAN
这种方式的 VLAN，要求交换机对站点的 MAC地址和
交换机端口进行跟踪，在新站点入网时，根据需要将其划
归至某一个 VLAN。不论该站点在网络中怎样移动，由于
其 MAC地址保持不变，因此用户不需要对网络地址重新配
置。然而所有的用户必须明确地分配给一个 VLAN，在这
种初始化工作完成后，对用户的自动跟踪才成为可能。在
一个大型网络中，要求网络管理人员将每个用户一一划分
到某一个 VLAN中，是十分烦琐的。
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5.8 虚拟局域网
3．基于路由的 VLAN
路由协议工作在 7层协议的第 3层 —— 网络层，即基于
IP和 IPX协议的转发，它是利用网络层的业务属性来自动
生成 VLAN，把使用不同路由协议的站点分在相对应的
VLAN中。 IP子网 1为第 1个 VLAN,IP子网 2为第 2个
VLAN,IPX子网 1为第 3个 VLAN…… 依次类推。通过
检查所有的广播和多点广播帧，交换机能自动生成 VLAN。
这种方式构成的 VLAN，在不同的 LAN网段上的站点可
以属于同一 VLAN，同一物理端口上的站点也可分属于不
同的 VLAN，从而保证了用户完全自由地进行增加、移动
和修改等操作。
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5.8 虚拟局域网
4．基于策略的 VLAN
基于策略的 VLAN的划分是一种比较灵活有效而直接的
方式。这主要取决于在 VLAN的划分中所采用的策略。目
前常用的策略有：
① 按 MAC地址划分；
② 按 IP地址划分；
③ 按以太网协议类型划分；
④ 按网络的应用划分。
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5.8 虚拟局域网
5.8.5 虚拟局域网的实现
VLAN的实现方式包括静态 VLAN和动态 VLAN两种。
1．静态 VLAN
在静态 VLAN中，由网络管理员根据交换机端口进行静
态的 VALN分配，当在交换机上将其某一个端口分配给一
个 VLAN时，将一直保持不变直到网络管理员改变这种配
置，所以又被称为基于端口的 VLAN。基于端口的 VLAN
配置简单，网络的可监控性强。但缺乏足够的灵活性，当
用户在网络中的位置发生变化时，必须由网络管理员将交
换机端口重新进行配置。所以静态 VLAN比较适合用户或
设备位置相对稳定的网络环境。
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5.8 虚拟局域网
2．动态 VLAN
动态 VLAN是指交换机上以连网用户的 MAC地址、逻
辑地址（如 IP地址）或数据报协议等信息为基础将交换机
端口动态分配给 VLAN的方式。当用户的主机连入交换机
端口时，交换机通过检查 VLAN管理数据库中相应的关于
MAC地址、逻辑地址（如 IP地址）或数据报协议的表项，
以相应的数据库表项内容动态地配置相应的交换机端口。
以基于 MAC地址的动态 VLAN为例，网络管理员首先需要
在 VLAN策略服务器上配置一个关于 MAC地址与 VLAN划
分映射关系的数据库，当交换机初始化时将从 VLAN策略
服务器上下载关于 MAC地址与 VLAN划分关系的数据库文
件，
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5.8 虚拟局域网
此时，若有一台主机连接到交换机的某个端口时，交换
机将会检测该主机的 MAC地址信息，然后查找 VLAN管理
数据库中的 MAC地址表项，用相应的 VLAN配置内容来配
置这个端口。这种机制的好处在于只要用户的应用性质不
变，并且其所使用的主机不变（严格地说，是使用的网卡
不变），则用户在网络中移动时，并不需要对网络进行额
外配置或管理。但是，在使用 VLAN管理软件建立 VLAN
管理数据库和维护该数据库时需要做大量的管理工作。总
之，不管以何种机制实现，分配给同一个 VLAN的所有主
机共享一个广播域，而分配给不同 VLAN的主机将不会共
享广播域。也就是说，只有位于同一 VLAN中的主机才能
直接相互通信，而位于不同 VLAN中的主机之间是不能直
接相互通信的。
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5.8 虚拟局域网
5.8.6 VLAN间的互连方法
1．传统路由器方法
所谓传统路由器方法，就是使用路由器将位于不同 VLAN的
交换端口连接起来，这种方法的缺点是：对路由器的性能有
较高要求；同时如果路由器发生故障，则 VLAN之间就不能通
信。
2．采用路由交换机
如果交换机本身带有路由功能，则 VLAN之间的互连就可在
交换机内部实现，即采用第 3层交换技术。第 3层交换技术也
叫路由交换技术，是各网络厂家最新推出的一种局域网技术，
具有良好的发展前景。它将交换技术（ Switching）和路由技
术（ Routing）相结合，很好地解决了在大型局域网中以前难
以解决的一些问题。
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5.9 网络操作系统
5.9.1 网络操作系统概述
1．网络操作系统的定义和功能
网络操作系统（ NOS,Network Operation
System）是指能使网络上多台计算机方便而有效地共享
网络资源，为用户提供所需的各种服务的操作系统软件。
为实现有效的资源共享，首先要提供网络通信功能或协
议的支持，另外还要提供资源共享的途径及解决多个用户
对资源需求冲突的能力。所以网络操作系统除了具备单机
操作系统所需的功能（如内存管理,CPU管理、输入输出
管理、文件管理等）以外，还应具备如下一些网络控制、
管理和服务功能。
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5.9 网络操作系统
? 提供高效可靠的网络通信能力，如对网络协议、网络
硬件的支持。
? 提供多项网络服务功能，如远程作业录入及处理的服
务功能、文件传输服务功能、电子邮件服务功能、远程打
印服务功能等。我们经常听说的 Telnet,FTP,E-mail
等就是该类服务功能的典型例子。
? 提供网络资源管理、系统管理功能，如文件系统管理、
网络服务进程的建立和管理、网络活动的监控和网络测试
工具等。
? 提供对网络用户的管理。几乎所有的操作系统都提供
了用户管理功能，用户管理功能所提供的用户访问控制机
制有效地管理和控制了用户对网络资源的访问。
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5.9 网络操作系统
2．网络操作系统的组成
NOS通常有两个基本的组成部分，即运行在服务器上
的操作系统和运行在每个 PC或桌面工作站上的客户端操作
系统软件。服务器操作系统的主要功能是控制服务器的操
作，管理存储在服务器上的文件，提供对用户的集中管理，
支持多用户和多任务的工作环境以解决多个用户对资源需
求时的冲突。客户端操作系统的主要功能是提供客户访问
网络及网络资源的能力，而这些网络资源通常由网络服务
器提供。
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5.9 网络操作系统
5.9.2 常见的网络操作系统
网络操作系统是网络设计与实施过程中要考虑的关键因
素之一。目前，可供选择的网络操作系统多种多样，常见
的有 Windows,Linux,UNIX,NetWare等。
1,Windows操作系统
Windows的网络操作系统是一个产品系列。
Microsoft公司在 1993年推出第一代网络操作系统产品
Windows NT 3.1，随着 Windows NT 3.1问世，
Microsoft正式加入网络操作系统的市场角逐。时至今日，
微软公司先后对其 Windows网络操作系统不断进行了改
进，陆续推出 Windows NT 3.5,Windows NT 4.0、
Windows Server 2000家族以及现在的 Windows
Server 2003。
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5.9 网络操作系统
2,UNIX操作系统
UNIX最早是指由美国贝尔实验室发明的一种多用户、
多任务的通用操作系统。经过长期的发展和完善，目前已
成长为一种主流的操作系统技术和基于这种技术的产品大
家族。其中最为著名的有 SCO XENIX,SNOS、
Berkeley BSD,AT&T系统 V。由于 UNIX具有技术成
熟、可靠性高、网络和数据库功能强、伸缩性突出和开放
性好等特色，可满足各行各业的实际需要，特别能满足企
业重要业务的需要，已经成为主要的工作站平台和重要的
企业操作平台。目前每年仍以两位数字以上的速度稳步增
长。早期 UNIX的主要特色是结构简炼、便于移植和功能
相对强大。
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5.9 网络操作系统
3,Linux操作系统
Linux是一个免费的、提供源代码的操作系统。 Linux
脱胎于 UNIX，所以其很多性能和特点与 UNIX极其相似。
Linux最早出现在 1992年，由芬兰赫尔辛基大学的一个
大学生 Linus B.Torvolds首创，后来在全世界各地由成
千上万的 Internet上的自由软件开发者协同开发，不断
完善。经过十多年的发展，它已完全进入了成熟阶段，越
来越多的人认识到它的价值，从 Internet服务器到用户
的桌面，从图形工作站到 PDA的各种领域都在广泛使用。
Linux下有大量的免费应用软件，从系统工具、开发工具、
网络应用，到休闲娱乐、游戏等。更重要的是，它是目前
安装在个人电脑上的最可靠、强壮的操作系统。
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5.9 网络操作系统
4,NetWare操作系统
Novell公司的 NetWare网络操作系统是目前世界上
应用最广泛的微机局域网络操作系统之一。 NetWare
v6是 Novell公司的最新产品，也是目前局域网里最优秀
的网络操作系统之一。
NetWare推出时间比较早，经过多年的发展，已可以
提供非常稳定的运行性能。在一个 NetWare网络中允许
有多个服务器，并可采用一般的 PC担当服务器。
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习 题
1．局域网有哪几种常见的拓扑结构，各有何特点？
2．解释 CSMA/CD的工作原理。
3．简述 IEEE 802.5令牌环网的工作原理。
4．指出每种以太网技术的基本性能。
5．请比较集线器和交换机在以太网组网中的作用。
6．请比较无线局域网和有线局域网适应场合的不同。
7．什么是 VLAN，引入 VLAN有哪些优越性？
8．什么是网络操作系统，它具备哪些功能？
9．网络操作系统有哪两个要求？为了满足这两个要求，
NOS由哪几个组成部分？
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习 题
10,Windows NT是哪一个公司的产品，它
有哪些特性？
11,NetWare是哪一个公司的产品，它有什
么特点？
12．试对 Windows,Linux,UNIX、
NetWare 4种操作系统的特点作一比较。
