局域网技术及IEEE802标准系列

局域网（LAN）是一种在有限的地理范围内将许多PC和各种设备互连在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。社会对信息资源的广泛需求及计算机技术的广泛普及，促进了LAN技术的迅猛发展。在当今的计算机网络技术中，LAN技术已经占据了十分重要的地位。

在定义和制定LAN协议时，一方面要参考OSI/RM的原则，并尽可能与之靠近，以便引用广域网（WAN）中较成熟的技术和经验，并简便地把LAN连接到WAN上；另一方面还必须结合LAN的特点，防止LAN协议不必要的复杂化，并能很好地满足LAN应用的需要。

从总体上看，LAN协议较为简单，一般仅有两层或三层。物理层与OSI/RM中定义的类似，ISO已经对物理介质、附属设备和层间接口做了定义说明。由于LAN多采用广播通信技术，需要很好地解决信道争用问题，故数据链路层的一些细节问题与OSI/RM中定义的不同。OSI/RM中的第三层网络层主要解决路径选择问题，由于LAN没有路由问题，一个节点发出的信息，其他节点都可以收到，而且只有一条公共信道，所以LAN一般不设该层，OSI/RM中的网络层的其他功能合并到数据链路层。对于第4到第7层，LAN系统没有明确的定义，所以高层仍用OSI的协议标准，多把其他高层作为一层来处理。

1.LAN标准化

LAN的标准化工作，能使不同生产厂商的LAN产品之间更好地兼容，以适应各种不同型号计算机的组网需求，并有利于产品成本的降低。为此，美国电气与电子工程师学会（IEEE）专门设立了一个LAN课题研究组，即IEEE802课题组，制订了IEEE802 LAN标准系列，为网络产品的电缆铺设、物理拓扑、电气拓扑和媒体访问控制方式制定了不同用途的标准，这些标准分别表示为IEEE802后面加一个数字，如IEEE802.2为逻辑链路控制（LLC）子层的信息结构和链路控制协议；IEEE802.3为带碰撞检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD）总线协议，IEEE802.4为令牌总线（Token Bus）协议，IEEE802.5为令牌环（Token Ring）协议，IEEE802.6为城域网（MAN）协议。

IEEE802以OSI/RM为基础，也采用了7层参考模型，但只定义最低两层，即物理层和数据链路层，其分层模型和OSI/RM对比如图2-32所示。

IEEE802的物理层和OSI/RM的物理层功能一样，主要处理位流的传输与接收；但对于数据链路层，该层细分为两个功能子层：数据链控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层。这种功能分解主要是为了使数据链路层功能中与硬件有关的部分和与硬件无关的部分分开。LAN数据链路层与OSI/RM的数据链路层功能上相类似，都是涉及帧在两站之间的传输问题，但LAN内帧的传输没有中间交换节点。由于共享信道，所以与传统的链路有如下差别：

1）LAN链路支持多重访问，支持成组地址与广播式的帧传输；

2）支持MAC层链路访问控制功能；

3）提供某些网络层功能。

数据链路层的两个子层分别为：

（1）数据链路控制（LLC）子层 该子层向高层提供一个或多个逻辑接口或称为服务访问点（SAP），它具有帧收、发功能。发送时把要发送的数据加上地址和CRC字段等构成帧。接收时，把帧拆开，执行地址识别和CRC功能，并具有帧顺序与错误控制及流控制等功能。这一层还包括某种网络层功能，如数据报、虚电路和多路复用等。

图2-32 IEEE802和OSI/RM的对比

（2）媒体访问控制（MAC）子层 这一层具有管理多个源、多个目的链路的功能，这是传统数据链控制所没有的。IEEE802制定了几种MAC方法，同一个LLC层能与其中任一种访问方法接口。媒体访问方法是确保对网络中节点进行有序访问的一种方法。

为确保传输介质的正常访问和使用，目前LAN中主要有两种媒体访问方式：竞争方式和令牌方式。

1）竞争方式：在竞争方式中，允许多个站点对单个通信信道进行访问，每个站点之间互相竞争信道的控制使用权，并据此传送数据，两种主要的竞争方式是CSMA/CD和CSMA/CA（带避免碰撞的载波侦听多址访问）。它们通常用于总线或树形拓扑结构中。

在CSMA/CD方式中，发送站检测通信信道中的载波信号。如果检测到载波信号，就说明没有其他站点在传送数据，或者说信道上没有数据，这时可以发送数据。当数据信号在电缆中传送时，每个站点检查数据帧中的地址字段，并依此判定是接收该帧还是忽略该帧。当信号在整个范围传送时，所有的站点都有接收信息的机会。由于数据帧传输需要时间，某些位置靠后的站点就可能监听不到任何消息，而此时信道中又确实有信号传送。这时发送数据就可能引起信号在信道中发生冲突而引起数据丢失。为了避免冲突就要使用冲突检测，每个发送站在发送数据后，同时监听自己的信号，如果该信号出现错误，发送站再发送一个干扰信号。听到这一干扰信号后，发送站停止一段时间再发送，这一时间由网卡中的一个算法来决定。

CSMA/CD方式的优势在于，站点无需依靠中心控制就能进行发送，当网络通信量较小时，冲突也就较少发生，因此CSMA/CD方式是快速而有效的。而网络负荷较重时，就容易出现冲突，网络性能也就相应降低。最常见的CSMA/CD系统是以太网及IEEE802.3标准。

在CSMA/CA方式中，是依靠算法来避免冲突，发送站和接收站在数据传输之前使用“握手”机制，当监听到“握手”信号后，网络中的其他站点进入等待状态，从而有效防止了大多数传输冲突。

2）令牌方式：在令牌方式中，令牌是一个有特殊目的的信息段，它在网络中沿各站依次传递，一个站点只有在持有令牌时才能发送数据。令牌方式常用于环形拓扑中，其优点在于网络中的站点依次收到令牌，有效避免了网络冲突，并且可以计算出最坏情况下的访问时间、吞吐量等，在工业生产控制中，经常使用类似的固定系统。令牌传送还允许建立优先级控制，从而保证较重要的信息能够首先被发送。然而令牌方式也存在一定的问题，例如硬件尤其是网卡的错误，会使得令牌可能损坏或丢失，以致所有的站点都在等待并不存在的令牌；反之，网络中也有可能出现两个或多个令牌，导致站点错误的时间发送数据。为防止上述错误，要求每个网络必须具有错误检测能力、恢复机制等。通常网络中的某个站点被设计为专用的监视器，检查重复或丢失的令牌。为防止监视器本身故障，可以设置一个或几个备用监视器。

概括地讲，竞争方式和令牌传送方式在局域网的访问方法中都占有一定的地位。在较轻的负荷下，竞争方式提供较好的性能，可使用简单、便宜的网卡，也不必为等待令牌而耗费时间。令牌传送系统则在负荷较重、通信量较大的网络时性能较好，而且每个站点对网络的访问具有一个最大时间间隔。

2.IEEE802标准系列

对于使用不同传输介质的不同局域网，IEEE局域网标准委员会分别制定了不同的标准，见表2-3。它们适用于不同的网络环境。这些标准在物理层和MAC子层有区别，但在（LLC）子层是兼容的。

表2-3 IEEE802标准系列

IEEE802.1 LAN体系结构及网络互连标准，负责处理IEEE802其他各标准间的互操作性、网络互连及系统管理等。

IEEE802.2 LLC子层协议，负责向网际层提供数据的准确无误传输。

IEEE802.3 定义使用CSMA/CD协议和总线拓扑的网络，采用载波监听多路访问控制方法和物理技术规范。对IEEE802.3标准的一项补充是Grand Junction Network公司向IEEE提交的100 BASE-X（快速以太网）建议。

IEEE802.4 定义了一种使用宽频带或单信道媒体的令牌总线拓扑网络，运用这种拓扑，在网络负荷量大的情祝下，网络性能将优于CSMA/CD网络。

IEEE802.5 规定了令牌环网的拓扑，在这种拓扑结构中，电缆形成一个闭合的环。这种网络标准的每个环网最多可以连接250个节点，数据传输速率为4Mbit/s或16Mbit/s。当节点接收到一个令牌帧时，它才对环网具有访问权，才能发送信息。

IEEE802.6 针对MAN提出了一种快速而经济的LAN方案，该方案采用了西澳大利亚大学建议的分布式队列双总线技术。

IEEE802.7 用于宽频带传输网，负责制定使用宽频带技术及其安装方法的网络标准。

IEEE802.8 用在光纤电缆网中，作为IEEE802.3～IEEE802.5这几种标准中定义电缆的替代标准。

IEEE802.9 用在数据和语音综合网中，其目标是建立一种与ISDN和IEEE802.2技术标准相兼容的标准。

IEEE802.10 负责处理LAN中诸如加密和与参考模型相兼容的安全结构问题。

IEEE802.11 处理无线网络的安全及网络协议和接口标准问题。

IEEE802.12 解决使用需求优先协议和四重信号法的100Mbit/s以太网标准。

3.几种常见LAN

目前，常见的LAN有以太网（Ethernet）、令牌环（Token Ring）网和光纤分布式数据接口（FDDI）网三种。

（1）以太网 以太网是最早的LAN结构之一，也是当今现有LAN采用的最通用的通信协议标准，用于定义LAN中采用的电缆类型和信号处理方法，由于其高度的灵活性，使得不论是传输介质、拓扑还是速度，几乎可以适应所有场合下的需要。

1）标准以太网：早期的以太网只有10Mbit/s的吞吐量，称为标准以太网，它使用CSMA/CD的访问控制方法，主要有双绞线和光纤两种传输介质，所有的以太网遵循IEEE 802.3标准。例如：

10Base-5 使用粗同轴电缆，最大网段长度为500m，基带传输；(www.xing528.com)

10Base-2 使用细同轴电缆，最大网段长度为185m，基带传输；

10Base-T 使用双绞线，最大网段长度为100m；

10Broad-36 使用同轴电缆（RG-59/U CATV），宽带传输，最大网段为3600m；

10Base-F 使用光纤，传输速率为10Mbit/s。

在上述标准中，前面的数字表示传输速率，单位是Mbit/s，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带”，Broad表示宽带。

传统的以太网结构多为总线型，所采用的介质多以粗同轴电缆（10Base-5）或细同轴电缆（10Base-2）为主。组成以太网的同轴电缆（不管是粗缆还是细缆）的每个末端必须安装一个终止器。终止器对网络的正确运行是很重要的，因为无终止器的电缆的末端像镜子反射光一样反射电子信号。如果一个站点试图在无终止器的电缆上发送一个信号，那么该信号会从无终止器的末端反射回来。当反射回来的信号到达发送站点时，它将引起干扰。发送方会认为这个干扰是由另一站点引起的，并使用一般的以太网碰撞检测机制来回退。因此，无终止器的电缆是不能用的。

10BASE-5也称为标准以太网或粗缆以太网，它采用RC11（50Ω）粗同轴电缆作传输介质，总线连接，如图2-33所示。连接网络节点必须在总线上安装一种称为收发器的设备，然后通过收发器电缆将收发器和计算机上的网卡连接起来。收发器电缆是780Ω的6对屏蔽双绞线电缆，其两端各有一个阳性和阴性15针DIX连接器，分别接到网卡的DIX接口和收发器的DIX插头上，收发器电缆的最大长度是50m。当粗缆总线长度超过500m时，必须把总线分成若干长度不足500m的段（称网段）。网段与网段之间须用中继器互连。

10Base-2也称为细缆以太网，采用RG-58A/U（50Ω）细同轴电缆作为传输介质，总线型连接。当细缆总线长度超过185m时，必须把总线分成若干长度不足185m的网段。网段与网段之间须用中继器互连。在一个细缆以太网中，最多只允许五个网段，每个网段的两端都应连接终止器。

与粗缆以太网比较，主要有三个不同点：①细缆通常在安装与运行方面比粗缆要便宜；②因为完成收发器功能的硬件被做在网卡里，所以不需要外部收发器；③细缆不使用收发器电缆来连接网卡与通信介质，它是使用一个BNC连接器直接连接到网卡。

图2-33 粗缆以太网

2）快速以太网：在1993年10月以前，对于要求10Mbit/s以上数据流量的LAN应用，只有FDDI可供选择，但它价格非常昂贵。为解决日益增长的网络数据流量速度需求，1993年10月Grand Junction公司推出了世界上第一台Fastch10/100快速以太网集线器和FastNIC100网络接口卡，快速以太网技术正式得以应用。随后Intel、SynOptics、3Com、BayNetworks等公司亦相继推出自己的快速以太网装置。1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3u 100 Base-T快速以太网标准，从此开始了快速以太网的时代。

100Mbit/s快速以太网标准主要分为100Base-TX、100Base-FX、100Base-T4三种类型。

100Base-TX使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线，包括两对线，一对用于发送，另一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz，采用RJ-45连接器，最大网段长度为100m。

100Base-FX使用光缆，包括单模和多模光纤，其中多模光纤连接的最大距离为550m，单模光纤连接的最大距离为3000m。在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz，使用MIC/FDDI连接器、ST连接器或SC连接器，最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10km，这与所使用的光纤类型和工作模式有关。特别适合于有电气干扰的环境、较长距离连接或高保密环境等情况下使用。

100Base-T4使用3、4、5类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线，包括4对线，其中的3对用于在33MHz频率上传输数据，每一对均工作于半双工模式，第4对用于CSMA/CD。在传输中使用8B/6T编码方式，信号频率为25MHz，使用RJ-45连接器，最大网段长度为100m。

3）吉位以太网：吉位以太网技术是最新的高速以太网技术，同时继承了传统以太网技术价格便宜的优点，它采用了与10Mbit/s以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统，因此可与10Mbit/s或100Mbit/s的以太网很好地配合工作。升级到吉位以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地保护投资。

吉位以太网技术有两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3ab，其中IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准，IEEE802.3ab制定了5类双绞线上较长距离连接方案的标准。吉位以太网主要有以下几种类型：

1000Base-CX 使用STP，最大传输距离为500m；

1000Base-T 使用Cat5 UTP，最大传输距离为100m；

1000Base-SX 使用多模光纤，最大传输距离为500m；

1000Base-LX 使用单模光纤，最大传输距离为3000m。

4）万兆位以太网：万兆以太网规范包含在IEEE 802.3ae中，扩展了IEEE802.3协议和MAC规范，可支持10Gbit/s的传输速率。此外，它还可通过WAN界面子层（WAN Interface Sublayer WIS），被调整为较低的传输速率，如OC-192（9.584640Gbit/s），从而允许万兆以太网设备与同步光纤网络（Synchronous Optical Network，SONET）STS-192传输格式相兼容。

万兆位以太网主要有以下几种类型。

10GBase-SR和10GBase-SW：主要支持短波（850nm）多模光纤（MMF），光纤距离为2～300m。其中，10GBase-SR主要支持“暗光纤”，其中暗光纤是指已经敷设但没有投入使用的光缆，以适应将来需要，且避免反复光纤敷设所带来的高额成本；而10GBase-SW：主要用于连接SONET设备，可应用于远程数据通信；

10GBase-LR和10GBASE-LW：主要支持长波（1310nm）单模光纤（SMF），光纤距离为2m～10km。

10GBase-ER和10GBase-EW：主要支持超长波（1550nm）单模光纤（SMF），光纤距离为2m～40km。

10GBase-LX4：采用波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术，支持1310nm的多模或单模暗光纤方式，在单对光缆上以4倍光波发送信号。

（2）令牌环网 令牌环网是一种环路逻辑拓扑结构的令牌传递网络。它的网络拓扑实际是星形和环形的混合型结构，如图2-34所示。它由节点、传输介质、集线器、网桥、网关等部分组成。

节点由计算机、文件服务器或终端组成，每个节点配有适配器接入环网，并通过它与环网上的其他节点通信。传输介质采用双绞线、光纤或它们的组合形成多介质网络。集线器将物理星形拓扑接成逻辑环型拓扑，在集线器的每一个接头处装有的几个电子继电器，由两对线组成的插入器连线，分别形成适配器上发送和接收两条路径。一个集线器上可连接几个插入器，分别与对应的适配器相连。当一个互连到网上的节点工作时，该节点的插入器就处在环路路径中，若该节点停止工作或出现故障时，处在集线器相应接头上的电子继电器就使该插入器的两对双绞线短路，自动使这个节点与网络脱离关系，防止一个站点出现问题引起整个环网瘫痪。使用集线器给整个环网结构的配置带来很大的灵活性，同时也增加了网络的可维护性和可靠性。网桥作为令牌环网之间的互连设备，可把相同的令牌环网相连。网桥与环网之间的接口如同节点与环网的接口一样。网桥接收到帧后，首先识别帧中的地址，然后传送到另外一个环上。网关可实现令牌环网和远程网或其他不同LAN之间的互连，从而使环网上的节点与其他LAN上的节点或远程网上的用户互相进行通信。

图2-34 令牌环网结构

令牌环网的数据传输速率可达4Mbit/s或16Mbit/s，可采用令牌环网方式进行通信访问。数据传输速率的高低取决于所用网卡的类型。所有工作站都必须在同一速率下工作。令牌环网中的多站存取装置（Multi-station Access Unit，MAU），类似于集线器的功能。最常用的MAU是IBM公司的8228，它有10个端口，中间8个用于连接工作站，首尾两个则用于连接其他的MAU。

对距离的限制以及对最大网络节点数目的限制取决于用户所选择的电缆类型。在正常配置下，令牌环网络可以支持多达260个节点。从工作站到MAU的距离最大可达100m，因此用户必须十分了解网络中任何一节点所使用的电缆类型。

（3）光纤分布式数据接口（FDDI）网 光纤分布式数据接口（Fiber Distribu-ted Data Interface，FDDI）网是由美国国家标准学会（ANSI）制定的在光缆上发送数字信号的一组协议，是新型的、有前景的网络拓扑，主要用来满足需要传输大量数据的应用，另外也应用于图像处理及多媒体等方面。在大型企业网络及校园网的多级公用网络结构中，FDDI网往往作为多级网络结构中的主干网。

FDDI网采用多模光纤作为传输介质，信道宽，传送的信息量大，其标准传输速率为100Mbit/s，光纤不受电波频率干扰或电磁干扰，不易窃听，保密性好，而且光纤信号衰减小，传输距离长，站点与站点之间的距离最大可达2km，网络覆盖范围可达100km，可容纳500个节点。

FDDI网的访问控制方式为分时令牌环（Time Token Passing），它与令牌环的区别在于：FDDI网运行速度非常快，每一时刻可以有多个令牌，一旦某个持有令牌的站点发送完数据后，该令牌将传送到下一站点。FDDI网允许在同一时间内有多个包在环上传送。

图2-35 FDDI网

FDDI网采用双环拓扑结构，如图2-35所示。

在正常情况下，只用其中的一个环来传输数据，该环称为主环。另一个环称为辅环。当主环中的一个节点或一条链路出现问题时，网络可以重构，以保持连接。与两个环相直接连接的所有双连接设备均称为双连接站（Du-al Attached Station，DAS）。这样的接入方法保证了高可靠性，但成本也相应提高。尽管环网是由两条电缆组成的，但并非所有的站点都必须与环网直接相连。可以通过集中器与环网相连。单连接设备作为单连接站（Single Attached Station，SAS）只需通过一根电缆与集中器相连即可，如果该段电缆出现断点，集线器将把SAS从环网中断开，而整个环网仍继续运行。

此外，FDDI网还有两种变型，其中一种为铜线分布数据接口（CCDI），它采用双绞铜缆为传输介质，数据传输速率通常为100Mbit/s；另一种称为FFDT（FD-DI全双工技术），它采用与FDDI网相同的网络结构，但传输速率可以达到200Mbit/s。