《現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件第5章

第5章傳統(tǒng)局域網(wǎng)5.1局域網(wǎng)概述5.2局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)5.3以太網(wǎng)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)5.4令牌環(huán)網(wǎng)和IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)5.5令牌總線網(wǎng)與IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)5.6局域網(wǎng)的擴(kuò)展習(xí)題5.1局?域?網(wǎng)?概?述自20世紀(jì)70年代末以來，微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)(LAN，LocalAreaNetwork)技術(shù)的飛速發(fā)展，并在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中占有非常重要的地位。一般來說，局域網(wǎng)有以下主要特點(diǎn)：

(1)為一個(gè)單位所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限。

(2)所有的站共享較高的總帶寬(即有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率)。

(3)較低的時(shí)延和較低的誤碼率。

(4)各站為平等關(guān)系而不是主從關(guān)系。

(5)能進(jìn)行廣播(一站向其他所有站發(fā)送)或多播(一站向多個(gè)站發(fā)送，又稱為組播)。以上諸如“較高”、“較低”和“有限”等用詞的具體含義是比較模糊的，它沒有一個(gè)絕對的標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)工作在多用戶系統(tǒng)下的小型計(jì)算機(jī)，也基本上可以完成局域網(wǎng)所能做的工作。兩者相比，局域網(wǎng)更具備如下的主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)能方便地共享昂貴的外部設(shè)備、主機(jī)以及軟件、數(shù)據(jù)等，從一個(gè)終端可訪問全網(wǎng)。

(2)便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變。

(3)提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。

(4)響應(yīng)速度較快。

(5)各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變，有利于數(shù)據(jù)處理和辦公自動(dòng)化。通常局域網(wǎng)按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行分類，主要有：星形網(wǎng)(圖5-1(a))。它是集中式控制。近年來由于集線器(HUB)的出現(xiàn)和雙絞線大量用于局域網(wǎng)中，星形網(wǎng)以及多級結(jié)構(gòu)的星形網(wǎng)獲得了非常廣泛的應(yīng)用。環(huán)形網(wǎng)(圖5-1(b))。最典型的就是令牌環(huán)形網(wǎng)(TokenRing)?？偩€型網(wǎng)(圖5-1(c))。各站直接連在總線上。圖5-1局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(a)星形網(wǎng)；(b)環(huán)形網(wǎng)；(c)總線網(wǎng)局域網(wǎng)可以使用多種傳輸介質(zhì)。雙絞線價(jià)格最低廉，原來只用于低速(1～2?Mb/s)基帶局域網(wǎng)，現(xiàn)在10?Mb/s、100?Mb/s甚至1?Gb/s的局域網(wǎng)也可以使用雙絞線。50?Ω同軸電纜可用于10?Mb/s，而75?Ω同軸電纜可用到50Mb/s，也可用在寬帶局域網(wǎng)中(數(shù)據(jù)率約為20～50?Mb/s)。光纖具有很好的抗電磁干擾特性和很寬的頻帶，主要用在環(huán)形網(wǎng)中，其數(shù)據(jù)率可達(dá)100?Mb/s或甚至達(dá)到1?Gb/s。局域網(wǎng)的核心技術(shù)問題是介質(zhì)訪問的控制策略，上一章介紹的共享信道技術(shù)就是討論局域網(wǎng)中介質(zhì)訪問的核心問題。5.2局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)5.2.1IEEE802參考模型在20世紀(jì)80年代初期，美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE802)委員會(huì)首先制定了局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，即著名的IEEE802參考模型。許多802標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已成為ISO國際標(biāo)準(zhǔn)。局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與廣域網(wǎng)相比有很大的區(qū)別。由于局域網(wǎng)只是一個(gè)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)，它用帶地址的幀來傳送數(shù)據(jù)，而且網(wǎng)絡(luò)中不存在中間交換，所以不要求有路由選擇問題，因此它不需要網(wǎng)絡(luò)層，而只有最低的兩個(gè)層次。另一方面，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其訪問控制的方法也各不相同，遠(yuǎn)不像廣域網(wǎng)那么簡單。為了使局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)鏈路層不過于復(fù)雜，802將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層劃分為兩個(gè)子層討論。即介質(zhì)訪問控制(MAC，MediumAccessControl)子層和邏輯鏈路控制(LLC，LogicalLinkControl)子層。而網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)訪問點(diǎn)SAP則在LLC層與高層的交界面上，如圖5-2所示。由此可見，802局域網(wǎng)的參考模型只相當(dāng)于OSI的最低兩層。但應(yīng)注意，802參考模型中還包括了對傳輸媒體和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的規(guī)格說明，而這部分內(nèi)容按照OSI的觀點(diǎn)，已經(jīng)不在OSI環(huán)境之內(nèi)(比OSI的最低層還要低)。然而對于局域網(wǎng)來說，傳輸媒體和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又特別重要，因此在802參考模型中就包括了這部分內(nèi)容。圖5-2局域網(wǎng)802參考模型與OSI/RM的對比物理層的主要功能有：●信號的編碼與譯碼?！駷檫M(jìn)行同步用的前同步碼的產(chǎn)生與去除?！癖忍氐膫鬏斉c接收。有關(guān)接入各種傳輸介質(zhì)的問題都屬于MAC子層，其主要功能有：●負(fù)責(zé)物理層基礎(chǔ)上的無差錯(cuò)的通信。●將上層傳遞下來的數(shù)據(jù)封裝成幀進(jìn)行發(fā)送，接收時(shí)進(jìn)行相反的過程，即將幀拆卸?！駥?shí)現(xiàn)和維護(hù)MAC協(xié)議。●比特差錯(cuò)檢測。●尋址。與介質(zhì)訪問無關(guān)的部分都集中在邏輯鏈路控制LLC子層，其主要功能有：●建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯連接。●提供與高層的接口?！癫铄e(cuò)控制?！窠o幀加上序號。圖5-3表明了LLC子層與MAC子層的關(guān)系。從圖中可以看出，在LLC子層的上面看不到具體的局域網(wǎng)，或者說局域網(wǎng)對LLC子層是透明的。只有下面MAC子層才看到所連接的是采用什么標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)(總線網(wǎng)、令牌總線網(wǎng)或令牌環(huán)形網(wǎng))。圖5-3局域網(wǎng)對LLC子層是透明的

IEEE802委員會(huì)現(xiàn)有以下13個(gè)分委員會(huì)，共同構(gòu)成了802體系結(jié)構(gòu)(如圖5-4所示)，其制定的標(biāo)準(zhǔn)有：●802.1(A)——概述、體系結(jié)構(gòu)。●802.1(B)——尋址、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)間互連及高層接口?！?02.2——邏輯鏈路控制LLC。這是高層協(xié)議與任何一種局域網(wǎng)MAC子層的接口。●802.3——CSMA/CD。定義CSMA/CD總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范?！?02.4——令牌總線網(wǎng)(TokenBus)。定義令牌傳遞總線網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范?！?02.5——令牌環(huán)形網(wǎng)(TokenRing)。定義令牌傳遞環(huán)形網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范。●802.6——城域網(wǎng)MAN。定義城域網(wǎng)的MAC子層和物理層的規(guī)范?！?02.7——寬帶技術(shù)?！?02.8——光纖技術(shù)?！?02.9?——綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)接口(LAN-ISDN)?！?02.10?——可互操作的局域網(wǎng)安全規(guī)范(SILS)●802.11——無線局域網(wǎng)(WirelessLAN)?！?02.12——優(yōu)先級高速局域網(wǎng)(100VGANYLAN)?！?02.L4——電纜電視(Cable-TV)。圖5-4IEEE802體系結(jié)構(gòu)從局域網(wǎng)參考模型可看出，局域網(wǎng)鏈路層有兩種不同的協(xié)議數(shù)據(jù)單元：LLCPDU和MAC幀。高層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元被送到LLC層，加上適當(dāng)?shù)氖撞烤蜆?gòu)成了LLC子層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元LLCPDU。LLCPDU再被向下送到MAC層時(shí)，加上適當(dāng)?shù)氖撞亢臀膊?，就?gòu)成了MAC子層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元MAC幀(后面提到“幀”時(shí)泛指MAC幀，而不是LLCPDU)。圖5-5反映了LLCPDU和MAC幀的關(guān)系。關(guān)于首部和尾部的具體內(nèi)容將在后面各節(jié)陸續(xù)介紹。圖5-5LLC?PDU和MAC幀的關(guān)系5.2.2邏輯鏈路控制LLC子層

1．邏輯鏈路控制子層的服務(wù)訪問點(diǎn)LLCSAP一個(gè)主機(jī)中可能有多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，它們可能同時(shí)與其他的一些進(jìn)程(在一個(gè)主機(jī)或多個(gè)主機(jī)中)進(jìn)行通信。因此，在一個(gè)主機(jī)的LLC子層上面應(yīng)設(shè)有多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)，以便向多個(gè)進(jìn)程提供服務(wù)。圖5-6所示的局域網(wǎng)上共有三個(gè)主機(jī)。主機(jī)A的一個(gè)進(jìn)程X欲向主機(jī)C中的某個(gè)進(jìn)程發(fā)送報(bào)文，于是X要通過主機(jī)A的LLC子層的一個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)SAP1請求與主機(jī)C的服務(wù)訪問點(diǎn)SAP1建立連接。主機(jī)A的LLC發(fā)出的連接請求幀如何找到主機(jī)C呢？這就要求在主機(jī)A發(fā)出的MAC幀中放入主機(jī)A在網(wǎng)絡(luò)中的源地址和主機(jī)C在網(wǎng)絡(luò)中的目的地址。圖5-6MAC地址與SAP地址可見在網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程通信時(shí)，需要有兩種地址：

(1)MAC地址，惟一標(biāo)識主機(jī)在局域網(wǎng)中的站地址或物理地址，它由MAC幀負(fù)責(zé)傳送。

(2)SAP地址，標(biāo)識進(jìn)程在某一個(gè)主機(jī)中的地址，即LLC子層上面的服務(wù)訪問點(diǎn)SAP地址，它由LLC幀負(fù)責(zé)傳送。這就是說，網(wǎng)絡(luò)中的尋址要分兩步走：第一步是用MAC幀的地址信息找到網(wǎng)絡(luò)中的某一個(gè)主機(jī)；第二步是用LLC幀的地址信息找到該主機(jī)中的某一個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)SAP。這樣，從主機(jī)A發(fā)出的連接請求幀的源地址和目的地址分別是A(1)和C(1)，其中A和C都是MAC地址，而圓括弧中的數(shù)字則是在相應(yīng)主機(jī)LLC子層上面的SAP地址。將SAP地址放在圓括弧中是為了強(qiáng)調(diào)指出，在MAC子層中看不見LLC子層的SAP地址。只有剝?nèi)AC幀的首部和尾部，并上交LLC子層后，才能識別LLC子層的SAP地址。若主機(jī)C空閑，就返回一個(gè)接收連接的幀。此后，所有從主機(jī)A的進(jìn)程X發(fā)給主機(jī)C的幀，都包括源地址A(1)和目的地址C(1)。凡發(fā)給地址C(1)幀，若其源地址不是A(1)，都將被拒收。凡不是從地址C(1)發(fā)給地址A(1)的幀，也同樣要被拒收?，F(xiàn)在假定還有一個(gè)進(jìn)程Y和主機(jī)A的SAP2連接上，并要和主機(jī)B的SAP1交換數(shù)據(jù)。這時(shí)，從A(2)到B(1)也可建立一條連接。同理，進(jìn)程Z還可從地址B(2)與A(3)建立一條連接。這幾條連接都在圖5-6中用不同的虛線表示了出來。這個(gè)例子表明多個(gè)SAP可復(fù)用一條數(shù)據(jù)鏈路。以上所說的多個(gè)進(jìn)程同時(shí)通信的概念是非常重要的。當(dāng)一個(gè)LLC有多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)時(shí)，不同的用戶使用不同的服務(wù)訪問點(diǎn)可以做不同的事情。例如，有的用戶通過某些服務(wù)訪問點(diǎn)使用網(wǎng)際協(xié)議IP，另外的一些用戶通過別的服務(wù)訪問點(diǎn)使用以太網(wǎng)，可能還有一些用戶又通過某些服務(wù)訪問點(diǎn)使用Novell公司的NetWare局域網(wǎng)。這些不同類型的用戶同時(shí)使用同一個(gè)站的LLC層的服務(wù)，并在一個(gè)局域網(wǎng)上互相不干擾地同時(shí)工作著。這也就是LLC層的復(fù)用功能。應(yīng)當(dāng)注意，一個(gè)用戶可同時(shí)使用多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)，但一個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)在一個(gè)時(shí)間只能為一個(gè)用戶使用。

2．LLC子層提供的服務(wù)

LLC子層向上可提供四種不同類型的服務(wù)。

1)操作類型1服務(wù)(LLC1)這是一種不確認(rèn)的無連接數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，數(shù)據(jù)報(bào)不需要確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)起來最簡單，因而在局域網(wǎng)中得到了最廣泛的應(yīng)用。這時(shí)，端到端的差錯(cuò)控制和流量控制由高層(通常是運(yùn)輸層)協(xié)議來提供。這種服務(wù)可用于點(diǎn)對點(diǎn)通信、對所有站點(diǎn)發(fā)送信息的廣播通信和只向部分站點(diǎn)發(fā)送信息的組播通信。由于局域網(wǎng)的傳輸差錯(cuò)率比廣域網(wǎng)要低得多，所以在鏈路層不進(jìn)行確認(rèn)也是可以的。

2)操作類型2服務(wù)(LLC2)這是一種面向連接的虛電路服務(wù)。由于每次通信都要經(jīng)過連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接斷開這三個(gè)階段，因此需要有一定的開銷。但是當(dāng)站點(diǎn)是個(gè)很簡單的終端時(shí)，由于沒有復(fù)雜的高層軟件，因而必須依靠LLC子層來提供端到端的控制。采用這種方式時(shí)，用戶和LLC子層商定的某些特性在連接斷開以前一直有效。因此，這種方式特別適合于傳送很長的數(shù)據(jù)文件。

3)操作類型3服務(wù)(LLC3)這是一種帶確認(rèn)的無連接服務(wù)。它適用于傳送某些非常重要且時(shí)間性也很強(qiáng)的信息。例如在一個(gè)過程控制或自動(dòng)化工廠的環(huán)境中的警告信息或控制信號。這時(shí)如不做確認(rèn)，則不能保障可靠。但若先建立連接，則又嫌太慢。因此就不必先建立連接而是直接發(fā)送數(shù)據(jù)。這種服務(wù)也就是所謂的“可靠的數(shù)據(jù)報(bào)”傳輸。

4)操作類型4服務(wù)(LLC4)這是一種高速傳送服務(wù)。

3．LLCPDU的結(jié)構(gòu)

LLCPDU的結(jié)構(gòu)和HDLC幀很相似。它共有4個(gè)字段：目的服務(wù)訪問點(diǎn)DSAP字段、源服務(wù)訪問點(diǎn)SSAP字段、控制字段和數(shù)據(jù)字段。圖5-7是LLCPDU前三個(gè)字段的具體結(jié)構(gòu)。從PDU結(jié)構(gòu)看出，地址字段共兩個(gè)字節(jié)，目的服務(wù)訪問點(diǎn)DSAP和源服務(wù)訪問點(diǎn)SSAP都各占一個(gè)字節(jié)。

DSAP字段的最低位為I/G比特。I(Individual)代表“單個(gè)”，而G(Group)代表“組”。當(dāng)I/G比特為0時(shí)，它后面的7?bit代表是單個(gè)目的服務(wù)訪問點(diǎn)。但當(dāng)I/G比特為1時(shí)，則DSAP代表組地址(組地址就是數(shù)據(jù)要發(fā)往某些特定站的一組服務(wù)訪問點(diǎn))。全1的組地址為該站所有工作的DSAP。圖5-7LLC幀結(jié)構(gòu)

SSAP字段的最低位C/R比特。當(dāng)C/R比特為0時(shí)，LLCPDU為命令幀，否則為響應(yīng)幀。在C/R比特后面的7?bit用來表示源服務(wù)訪問點(diǎn)。因此，DSAP值和SSAP值都各占7?bit。

LLCPDU的控制字段為兩個(gè)字節(jié)(當(dāng)LLCPDU為信息PDU或監(jiān)督PDU時(shí))或一個(gè)字節(jié)(當(dāng)LLCPDU為無編號PDU時(shí))。信息PDU和監(jiān)督PDU的控制字段與HDLC的擴(kuò)展控制字段格式一樣，其序號按模128進(jìn)行編號。無編號PDU與HDLC的情況一樣。

LLCPDU的數(shù)據(jù)字段長度并無限制，但都應(yīng)是整數(shù)個(gè)字節(jié)。當(dāng)MAC幀的長度受限時(shí)，由于MAC幀的首部和尾部的長度在不同的局域網(wǎng)中都有明確的規(guī)定，因此LLCPDU的長度實(shí)際上也并不是沒有限制的。5.2.3介質(zhì)訪問控制MAC子層在局域網(wǎng)中，介質(zhì)訪問控制要解決的重要問題之一是尋址問題。網(wǎng)絡(luò)尋址首先要對網(wǎng)絡(luò)主機(jī)進(jìn)行惟一標(biāo)識，并通過該標(biāo)識確定主機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的位置。802標(biāo)準(zhǔn)為局域網(wǎng)主機(jī)規(guī)定網(wǎng)絡(luò)地址(也叫物理地址)的命名方法。這是一種48bit的全局地址，這個(gè)地址意味著當(dāng)一個(gè)站接入到另一個(gè)局域網(wǎng)時(shí)，其全局地址并不改變。使用48?bit(6字節(jié))的地址字段可使全世界所有局域網(wǎng)上的站都具有不相同的地址，IEEE作為全球局域網(wǎng)物理地址的法定管理機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)分配地址字段的6個(gè)字節(jié)中的前3個(gè)字節(jié)(即高24?bit)。凡要生產(chǎn)局域網(wǎng)網(wǎng)卡的廠家都必須向IEEE購買由這3個(gè)字節(jié)構(gòu)成的一個(gè)號(稱為“地址塊”或“廠商代碼”)，而地址字段中的后3個(gè)字節(jié)(即低24?bit)則是可變的，由廠家自行分配。可見用一個(gè)地址塊可以生成224個(gè)不同的地址。通常在生產(chǎn)網(wǎng)卡時(shí)，這個(gè)6字節(jié)的MAC地址已被固化在網(wǎng)卡中。

IEEE還規(guī)定：對于地址字段的第1個(gè)字節(jié)的最低位I/G比特，當(dāng)I/G比特為0時(shí)，地址字段表示一個(gè)單播的站地址；當(dāng)I/G比特為1時(shí)，表示組地址。因此，IEEE只分配地址字段的前3個(gè)字節(jié)中的23?bit。一個(gè)地址塊可以分別生成224個(gè)單播地址和224個(gè)組地址。

IEEE還考慮到可能有人并不愿意前來購買“地址塊”。為此，IEEE將地址字段第1字節(jié)的最低第2位規(guī)定為G/L比特。當(dāng)G/L比特為1時(shí)，表示是全局管理，廠商購買的地址塊都屬于全局管理。當(dāng)G/L比特為0時(shí)，表示是局部管理，這時(shí)用戶可任意分配網(wǎng)絡(luò)上的地址。這樣，在全局管理時(shí)，對每一個(gè)站的地址可用46?bit二進(jìn)制數(shù)字來表示(最低位為0和最低第2位為1時(shí))，46?bit組成的地址空間可以有超過70萬億個(gè)地址，保證全球上每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)都可有一個(gè)惟一的物理地址。以上所講的物理地址或MAC地址，也就是通常所說的計(jì)算機(jī)的硬件地址(HardwareAddress)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，硬件地址的作用就是用來尋找所要進(jìn)行通信的計(jì)算機(jī)。網(wǎng)卡從網(wǎng)上每收到一個(gè)MAC幀就首先檢查其硬件地址。如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進(jìn)行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他處理。這樣就可不浪費(fèi)主機(jī)的處理機(jī)和內(nèi)存資源了。對于接收的數(shù)據(jù)幀，有三種不同的幀類型：單播幀(Unicate)：接收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。廣播幀(Broadcast)：發(fā)送給所有站點(diǎn)的幀(全1地址)。組播幀(Multicase)：發(fā)送給一部分站點(diǎn)的幀。5.3以太網(wǎng)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)5.3.1IEEE802.3局域網(wǎng)概述以太網(wǎng)(Ethernet)是一種基帶總線局域網(wǎng)，以基帶無源同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，采用CSMA/CD控制協(xié)議，如圖5-7所示。以太網(wǎng)最初是由美國施樂(Xerox)公司著名的PaloAlto研究中心于1975年研制成功的第一個(gè)CSMA/CD系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)的傳輸率為2.94?Mb/s。用“以太”這個(gè)名字是歷史上表示電磁波的以太來命名的。以太網(wǎng)的推出獲得了巨大成功，1980年，Xerox、DEC和Intel公司聯(lián)合起草了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并于1982年發(fā)表了第2版本的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。1985年，IEEE802委員會(huì)吸收以太網(wǎng)為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，并對其進(jìn)行了修改。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是：以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只描述了使用50Ω同軸電纜、數(shù)據(jù)傳輸率為10Mb/s的總線局域網(wǎng)，以及以太網(wǎng)ISO數(shù)據(jù)鏈鏈路層和物理層的全部內(nèi)容。而IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)描述了運(yùn)行在各種介質(zhì)上的數(shù)據(jù)傳輸率從1Mb/s～10Mb/s的所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)，IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)只定義了ISO參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層(即介質(zhì)訪問控制MAC子層)和物理層，而數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。另外，以太網(wǎng)和IEEE802.3在幀格式上有所不同。5.3.2物理層標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.3支持不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)，這些不同的標(biāo)準(zhǔn)意味著IEEE802.3可以使用不同的傳輸介質(zhì)和物理層接口，如表5-1所示。計(jì)算機(jī)與傳輸電纜的連接是通過主機(jī)箱內(nèi)插入一塊網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)來進(jìn)行的。NIC又稱為“通信適配器”(Adapter)，俗稱“網(wǎng)卡”。根據(jù)不同物理層標(biāo)準(zhǔn)，有不同的接口標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)接口卡的主要功能是：●數(shù)據(jù)的封裝和解封。發(fā)送時(shí)將來自LLC子層的PDU加上MAC子層的首部和尾部，組成MAC幀。接收時(shí)將MAC幀去掉首部和尾部，交給上層LLC子層。●實(shí)現(xiàn)CSMA/CD協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路管理。●實(shí)現(xiàn)比特流的曼徹斯特編碼與譯碼。在10Base5標(biāo)準(zhǔn)(俗稱“粗以太電纜”)下，電纜每隔2.5?m有一個(gè)標(biāo)記，表明是收發(fā)器的接入處，收發(fā)器在接入處被牢牢地夾在電纜上，使得收發(fā)器觸針接觸到電纜內(nèi)芯。收發(fā)器是組網(wǎng)的關(guān)鍵部件，它的主要功能是：向電纜發(fā)送來自站點(diǎn)的數(shù)據(jù)和接收來自電纜的數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)；檢測電纜上發(fā)生的數(shù)據(jù)幀沖突；同軸電纜和網(wǎng)絡(luò)接口之間電氣隔離。網(wǎng)卡通過收發(fā)器電纜(也叫“連接接口單元”)與收發(fā)器相連。在同軸電纜兩端還要接上終端負(fù)載(也叫“終結(jié)器”)，以消除信號傳輸?shù)诫娎|端點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的電磁波反射。在10Base2標(biāo)準(zhǔn)(俗稱“廉價(jià)以太網(wǎng)”)下，電纜改用細(xì)同軸電纜，網(wǎng)卡接口采用BNC連接器(T形接頭)，因而這種細(xì)電纜的以太網(wǎng)比較靈活、可靠、價(jià)格低廉、安裝方便。網(wǎng)卡通過一個(gè)無源的BNC接頭直接與電纜相連，不需要收發(fā)器電纜，收發(fā)控制電路被集成在網(wǎng)卡上。上述兩種標(biāo)準(zhǔn)使用的電纜都存在電纜斷裂、接頭損壞或松動(dòng)的潛在隱患。為更好地解決電纜的連接故障，廣泛采用一種新的組網(wǎng)方法，即將所有的站點(diǎn)通過雙絞線連接到中心集線器(HUB)上構(gòu)成星形結(jié)構(gòu)，這種連接方式稱為10Base-T標(biāo)準(zhǔn)。在10Base-T標(biāo)準(zhǔn)下，網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的加入和移去變得十分簡單，對電纜故障的檢測也非常容易，因此它的應(yīng)用越來越廣。它的缺點(diǎn)是站點(diǎn)的雙絞線長度距離集線器不得超過100?m。從表面上看，使用集線器組成的局域網(wǎng)在物理上是一個(gè)星形網(wǎng)，但實(shí)際上，集線器是使用電子器件來模擬實(shí)際電纜進(jìn)行工作的，因此整個(gè)系統(tǒng)仍然是一個(gè)以太網(wǎng)在工作。也就是說，使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個(gè)總線網(wǎng)，各工作站仍然共享邏輯上的總線，使用的仍是CSMA/CD，所以也叫“星形總線”。一個(gè)集線器有多個(gè)端口(8個(gè)、16個(gè)甚至更多)，每個(gè)端口通過RJ45插座用兩對雙絞線與一個(gè)工作站上的網(wǎng)卡相連。因此，集線器看上去很像一個(gè)多端口的轉(zhuǎn)發(fā)器。它的每一個(gè)端口都具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，當(dāng)某一個(gè)端口接收到工作站發(fā)來的有效幀時(shí)，就將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到所有其他各端口。一般集線器還要進(jìn)行自適應(yīng)串音回波抵消，這樣就可以使端口轉(zhuǎn)發(fā)出去的較強(qiáng)信號不致對該端口接收到的較弱信號產(chǎn)生干擾(稱做近端串音)，數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)之前還要進(jìn)行再生整形和重新定時(shí)。為了組成較大的局域網(wǎng)，可以將多個(gè)集線器連接成多級星形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。幾個(gè)集線器本身可以堆疊在一起提供更多的端口。有的集線器具有網(wǎng)管功能，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和檢測。5.3.3MAC子層和幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.3?MAC子層包括幀格式和CSMA/CD協(xié)議兩部分，有關(guān)CSMA/CD協(xié)議前面已經(jīng)介紹過了。關(guān)于總線網(wǎng)使用的幀結(jié)構(gòu)有兩種標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是802.3標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)是DIXEthernetV2以太標(biāo)準(zhǔn)。

1．幀格式圖5-8表示了兩種標(biāo)準(zhǔn)的MAC幀結(jié)構(gòu)，它們都是由7個(gè)字段組成。對于IEEE802.3幀來說，由于它的高層協(xié)議是基于邏輯鏈路控制子層(LLC)，即IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)的，因此在以太網(wǎng)，DATA字段的位置被LLCPDU取代。圖5-8IEEE802.3和以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼：包含了7個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制“1”和“0”間隔的代碼，即1010…10共56?bit。當(dāng)幀在介質(zhì)上傳輸時(shí)，接收方就能建立起位同步，因?yàn)樵谑褂寐鼜厮固鼐幋a情況下，這種“1”和“0”間隔的傳輸波形為一周期性方波。幀起始符(SFD)：它是1字節(jié)的10101011二進(jìn)制序列，此碼一列表示實(shí)際一幀開始，以使接收器對實(shí)際幀的第一位定位。目的地址(DA)：它指明幀發(fā)往目的站的地址，共6個(gè)字節(jié)?？梢允且粋€(gè)惟一的地址，即單址(代表單個(gè)站)，或一個(gè)組播地址(代表一組站)，或一個(gè)廣播地址(代表所有站)。當(dāng)目的地址出現(xiàn)組播地址時(shí)，即表示該幀被一組站同時(shí)接收。當(dāng)目的地址出現(xiàn)廣播地址時(shí)，即表示該幀被局域網(wǎng)上所有站同時(shí)接收。以DA的最高位來判斷是否單址，若最高位為“0”，則表示單址，“1”表示組播或廣播地址。DA為全“1”代表廣播地址。源地址(SA)：它指明發(fā)送該幀的站地址，與DA一樣占6個(gè)字節(jié)。類型(TYPE)：共占2個(gè)字節(jié)。它指出高層所使用的協(xié)議(如IP、IPX協(xié)議等)。但802.3幀結(jié)構(gòu)中用長度字段(L)取代以太幀結(jié)構(gòu)中的類型字段。L指出LLCPDU的字節(jié)數(shù)，范圍在46～1500字節(jié)，小于46字節(jié)用0填充。為了使兩種幀相互兼容，即都能在網(wǎng)上正常發(fā)送和接收，怎樣處理TYPE和L字段是關(guān)鍵。一種解決辦法是：該字段值如果超過最大幀長度(1500B)，則該字段表示為TYPE字段，按以太幀結(jié)構(gòu)來處理；反之則按IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)處理。實(shí)際處理時(shí)，用0600H作為該字段界限值，大于或等于0600H，就是以太幀，按類型字段處理(如IP為0800H，XNS為0600H，IPX為8137H)。反之就是IEEE802.3幀，被用作長度字段。

FCS的檢驗(yàn)范圍除前導(dǎo)碼、SFD和FCS以外的所有幀的內(nèi)容，即從DA開始至DATA結(jié)束的CRC檢驗(yàn)值反映在FCS中。當(dāng)發(fā)送站發(fā)出幀時(shí)，邊發(fā)送邊逐位進(jìn)行CRC檢驗(yàn)，最后形成一個(gè)32位CRC檢驗(yàn)和并填入幀尾FCS位置，與幀一起被傳輸。接收站接收后，從DA開始同樣邊接收邊逐位進(jìn)行CRC檢驗(yàn)。最后接收站形成的檢驗(yàn)和與幀F(xiàn)CS字段進(jìn)行比較，若相同，則表示傳輸?shù)膸幢黄茐?。反之，接收站認(rèn)為幀被破壞，并通過一定的機(jī)制要求發(fā)送站重發(fā)該幀。

2．性能分析為應(yīng)用方便，一般不限制最大幀長度，將用戶數(shù)據(jù)報(bào)一次性發(fā)送完，既節(jié)省軟件開銷，又可提高網(wǎng)絡(luò)利用率。特別是802.3這種爭用型網(wǎng)絡(luò)，幀越短，為發(fā)送一次數(shù)據(jù)所需的競爭次數(shù)就越多，發(fā)生沖突的幾率就大，沖突碎片也要占用一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此理論分析和實(shí)際檢測都表明：數(shù)據(jù)幀長，網(wǎng)絡(luò)的有效利用率就越高。數(shù)據(jù)幀長度受兩個(gè)因素影響：一是網(wǎng)絡(luò)平均響應(yīng)時(shí)間，幀越長，一次占用信道的時(shí)間就越長，其他站點(diǎn)等待發(fā)送所需的時(shí)間也就越長；二是緩沖區(qū)的限制，緩沖區(qū)大小選取最大幀長度為1518字節(jié)(其中1500字節(jié)為實(shí)際數(shù)據(jù))。為了對802.3進(jìn)行性能分析，首先定義幾個(gè)性能分析中常用的參數(shù)：吞吐量(S)表示網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；利用率(U)表示網(wǎng)絡(luò)吞吐量與總?cè)萘康谋戎?；電纜傳播延遲(τ)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率(R)。

τ反映了傳輸介質(zhì)的長度，R與τ的乘積決定以太網(wǎng)性能。假設(shè)有兩個(gè)以太網(wǎng)，一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸率為500?Mb/s，電纜長度為1?km；另一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸率為10Mb/s，電纜長度為50?km。因其Rτ相等，故這兩個(gè)以太網(wǎng)的性能相差無幾。Rτ乘積的物理意義是：傳輸介質(zhì)等價(jià)的比特長度，即傳輸介質(zhì)能夠容納的比特?cái)?shù)。因?yàn)樾盘栐诮橘|(zhì)上的傳播速度是個(gè)常數(shù)，約等于2×108m/s(約為光速的2/3)，所以對于一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸率為10Mb/s的以太網(wǎng)來說，500?m長的電纜等價(jià)于25比特。圖5-9U對的關(guān)系曲線5.3.4交換式以太網(wǎng)過去10?Mb/s以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率對大部分用戶來說可能夠用，但是現(xiàn)在局域網(wǎng)上的用戶數(shù)明顯增加了，特別是多媒體技術(shù)廣泛使用后，大量多媒體數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，要求網(wǎng)絡(luò)有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，現(xiàn)有局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率就往往成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。在這種情形下，一種交換式以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。在交換式以太網(wǎng)中使用的一種交換式集線器(SwitchingHub)顯著地提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。交換式集線器的主要特點(diǎn)是：所有端口平時(shí)都不連通，當(dāng)工作站需要通信時(shí)，交換式集線器能同時(shí)連通許多端口，使每一對端口相互通信的工作站都能像獨(dú)占通信介質(zhì)那樣進(jìn)行無沖突地傳輸數(shù)據(jù)。通信完成后就斷開連接。對于普通10?Mb/s共享式以太網(wǎng)，若共有N個(gè)用戶，則每個(gè)用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(10?Mb/s)的N分之一。在使用交換式集線器時(shí)，雖然數(shù)據(jù)率還是10?Mb/s，但由于一個(gè)用戶在通信時(shí)是獨(dú)占而不是和其他用戶共享傳輸介質(zhì)的帶寬，因此，對于擁有N對端口的交換式集線器，其總?cè)萘烤褪荖×10?Mb/s。這點(diǎn)正是交換式集線器的最大優(yōu)點(diǎn)。從共享總線以太網(wǎng)或10BASE-T以太網(wǎng)遷移到交換式以太網(wǎng)時(shí)，所有接入設(shè)備的軟件、硬件和網(wǎng)卡等都不需要作任何改動(dòng)。也就是說，所有接入的設(shè)備繼續(xù)使用CSMA/CD協(xié)議。此外，只要增加集線器的容量，整個(gè)系統(tǒng)的容量是很容易擴(kuò)充的。圖5-10說明了這幾種以太網(wǎng)的區(qū)別。對于傳統(tǒng)的共享總線以太網(wǎng)(如圖5-10(a)所示)，當(dāng)計(jì)算機(jī)B向計(jì)算機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)幀是在整個(gè)總線上廣播。計(jì)算機(jī)C和D都能收到B的數(shù)據(jù)幀，只不過因目的地址不對，才將這些數(shù)據(jù)幀丟棄。在一個(gè)總線上，在一個(gè)特定時(shí)刻只能有一個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)。圖5-10(b)將總線換成了共享媒體集線器，整個(gè)情況和上一種情況相似。集線器總的容量仍為10?Mb/s，而在任一時(shí)刻只能有一個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)。但圖5-10(c)的情況就不同了。當(dāng)計(jì)算機(jī)B向A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)C還可以向D發(fā)送數(shù)據(jù)。每一臺(tái)計(jì)算機(jī)獨(dú)占10?Mb/s的傳輸資源，因而交換式以太網(wǎng)總的容量為N×10?Mb/s，這里N是集線器擁有的端口數(shù)。圖5-10三種以太網(wǎng)的主要區(qū)別交換式集線器的交換方式有兩種：●存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換。這種方式的集線器就像一個(gè)分組結(jié)點(diǎn)交換機(jī)。它從一個(gè)輸入端口接收一個(gè)幀，暫存后再根據(jù)其目的地址轉(zhuǎn)發(fā)到適當(dāng)?shù)妮敵龆丝凇！裰蓖ń粨Q。這種方式利用了目的地址處于MAC幀最前面的這一特點(diǎn)。從端口接收的數(shù)據(jù)幀不必先緩存后再進(jìn)行處理，而是在接收數(shù)據(jù)幀的同時(shí)就立即按數(shù)據(jù)幀的目的地址決定該幀的轉(zhuǎn)發(fā)端口。這就使得轉(zhuǎn)發(fā)速度大大提高。由于這種交換機(jī)內(nèi)部采用了基于硬件的交叉矩陣，其交換時(shí)延僅為30?ms左右。對于多媒體應(yīng)用，直通式交換是一種很好的方法。直通交換的一個(gè)缺點(diǎn)是它不檢查CRC就直接將幀轉(zhuǎn)發(fā)出去，因此也有可能將一些無效幀轉(zhuǎn)發(fā)給其他的站。在某些情況下，仍需要采用基于軟件的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行交換。交換式集線器的發(fā)展與建筑物結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)的普及應(yīng)用密切相關(guān)。在結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)中，廣泛地使用了交換式集線器。利用交換式集線器可以很方便地實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)VLAN(VirtualLAN)。這里要指出，虛擬局域網(wǎng)其實(shí)只是給用戶提供的一種服務(wù)，而不是一種新型的局域網(wǎng)。圖5-11給出了使用了四個(gè)交換式集線器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。設(shè)有10個(gè)工作站分配在三個(gè)樓層中，構(gòu)成了三個(gè)局域網(wǎng)，即：

LAN1：(A1，A2，B1，C1)；

LAN2：(A3，B2，C2)；

LAN3：(A4，B3，C3)。圖5-11三個(gè)虛擬局域網(wǎng)VLAN1、VLAN2、VLAN3的構(gòu)成但這10個(gè)用戶劃分為3個(gè)工作組，即：A1-A4；B1-B3；C1-C3。從圖5-11可看出，每一個(gè)工作組的工作站都處在不同的局域網(wǎng)中，也不在同一層樓中。但是，可以利用交換集線器將這10個(gè)工作站劃分為三個(gè)虛擬局域網(wǎng)：VLAN1、VLAN2和VLAN3。在虛擬局域網(wǎng)上的每一個(gè)站都可以聽到同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)上的其他成員所發(fā)出的廣播。例如，工作站B1-B3同屬于虛擬局域網(wǎng)VLAN2。當(dāng)B1向工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，工作站B2和B3將會(huì)收到廣播的信息，雖然它們沒有和B1連在同一個(gè)集線器上。相反，B1發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，工作站A1、A2和C1都不會(huì)收到B1發(fā)出的廣播信息，雖然它們都與B1連接在同一個(gè)集線器上。交換式集線器不向虛擬局域網(wǎng)以外的工作站傳送B1的廣播信息。這樣，虛擬局域網(wǎng)限制了接收廣播信息的工作站數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因傳播過多的廣播信息(即所謂的“廣播風(fēng)暴”)而引起性能惡化。在共享傳輸媒體的局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)總帶寬的絕大部分都是由廣播幀消耗的。由于虛擬局域網(wǎng)是用戶和網(wǎng)絡(luò)資源的邏輯組合，因此可按照需要將有關(guān)設(shè)備和資源非常方便地重新組合，使用戶從不同的服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫中存取所需的資源。5.4令牌環(huán)網(wǎng)和IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)5.4.1令牌環(huán)概述令牌環(huán)(TokenRing)是環(huán)形網(wǎng)的一種(如圖5-12所示)，其技術(shù)的核心是使用了一個(gè)稱之為“令牌”(也叫“通行證”)的特殊比特串，當(dāng)環(huán)上所有的站點(diǎn)都處于空閑時(shí)，令牌沿著環(huán)不停繞行。當(dāng)某一站想發(fā)送幀時(shí)必須等待，直至檢測到令牌經(jīng)過該站點(diǎn)為止。這時(shí)該站可以用改變令牌中特定位的值的方法將令牌抓住，并將令牌轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)定界符。同時(shí)，該站點(diǎn)將自己要發(fā)送的數(shù)據(jù)附加上去發(fā)送。由于環(huán)上只有一個(gè)令牌，因此一次只能有一個(gè)站點(diǎn)獲取令牌后發(fā)送，其他站點(diǎn)想發(fā)送就必須等待。發(fā)送站發(fā)送的幀在環(huán)上繞行一圈后又回到原地，發(fā)送站還要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從環(huán)中刪除。發(fā)送站在下列兩個(gè)條件都符合時(shí)將在環(huán)上插入一個(gè)新的令牌：●該站已完成其幀的發(fā)送。●該站所發(fā)送的幀的前導(dǎo)已繞環(huán)一周回到了本站。如果環(huán)的等效比特長度小于幀的長度，則第一項(xiàng)條件將隱含著第二項(xiàng)條件。反之，一個(gè)站在完成發(fā)送后，從理論上講是可以釋放一個(gè)令牌的，因而第二項(xiàng)條件并不是必要的。但是，只滿足第一條件有可能導(dǎo)致多個(gè)幀同時(shí)在環(huán)上，使令牌環(huán)網(wǎng)的差錯(cuò)控制問題更加復(fù)雜化。這樣，在任何情況下，使用令牌機(jī)制可以保證在某個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)站正在發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)某站釋放一個(gè)新的令牌時(shí)，它下游的第一站若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就能夠抓住這個(gè)令牌并進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。令牌環(huán)的設(shè)計(jì)隱含著這樣一個(gè)問題：即當(dāng)環(huán)中所有站點(diǎn)都空閑時(shí)，環(huán)本身必須有足夠的時(shí)延來容納一個(gè)完整的令牌在環(huán)內(nèi)不停地旋轉(zhuǎn)。這個(gè)時(shí)延由每個(gè)站點(diǎn)引入的1比特時(shí)延和信號在環(huán)上的傳播時(shí)延兩部分組成。對于所有的環(huán)，設(shè)計(jì)者必須考慮到各站點(diǎn)關(guān)機(jī)時(shí)所導(dǎo)致的1比特時(shí)延的損失。這就意味著，對于短環(huán)，當(dāng)有站點(diǎn)從環(huán)中移出時(shí)，需要自動(dòng)向環(huán)中插入時(shí)延以保證環(huán)足夠容納一個(gè)完整的令牌。環(huán)接口有偵聽和發(fā)送兩種模式，如圖5-12(b)、(c)所示。在偵聽模式時(shí)，數(shù)據(jù)在環(huán)接口經(jīng)過1比特延遲后輸出到環(huán)上。只有當(dāng)站點(diǎn)抓住令牌時(shí)才可以進(jìn)入發(fā)送模式。在發(fā)送模式下，接口截?cái)噍斎胼敵鲞B接，并將自己的數(shù)據(jù)放到環(huán)上。當(dāng)數(shù)據(jù)幀在環(huán)上旋轉(zhuǎn)一周又回到發(fā)送站點(diǎn)時(shí)，發(fā)送站點(diǎn)將其從環(huán)中移走。發(fā)送站點(diǎn)或?qū)⑵浔４嫫饋砼c發(fā)送前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以檢測環(huán)的可靠性，或?qū)⑵鋪G棄。當(dāng)數(shù)據(jù)幀的最后一位返回發(fā)送站點(diǎn)時(shí)，環(huán)接口必須立即切換到偵聽模式，并重新產(chǎn)生令牌。圖5-12令牌環(huán)網(wǎng)和IEEE802.5的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(a)環(huán)網(wǎng)；(b)偵聽模式；(c)發(fā)送模式當(dāng)環(huán)的通信量很小時(shí)，令牌在大部分時(shí)間內(nèi)都在環(huán)內(nèi)空轉(zhuǎn)。然而當(dāng)通信量很大，每個(gè)站點(diǎn)都有大量數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，一旦某個(gè)站點(diǎn)發(fā)送完畢釋放令牌，它的下一個(gè)站點(diǎn)就會(huì)立即抓住這個(gè)令牌并發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣相當(dāng)于令牌輪流在每個(gè)站點(diǎn)之間傳遞。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相當(dāng)重的情況下網(wǎng)絡(luò)的效率將近100%。令牌環(huán)網(wǎng)最早是由IBM公司開發(fā)的，它支持4?Mb/s和16?Mb/s兩種數(shù)據(jù)傳輸率。后來，IEEE將其定義為802.5標(biāo)準(zhǔn)。下面是按照IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)來討論。

IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)在物理層上要求使用屏蔽雙絞線，數(shù)據(jù)傳輸率可以為1?Mb/s或4?Mb/s。物理層的信號編碼采用差分曼徹斯特編碼。在通常情況下，差分曼徹斯特編碼在每位數(shù)據(jù)中間信號肯定有變化(高到低或低到高)。這樣可以在幀的起始標(biāo)識符和結(jié)束標(biāo)識符中引入“高-高”和“低-低”電平，以便將其與正常數(shù)據(jù)區(qū)分開。5.4.2MAC子層與幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.5的MAC協(xié)議的工作過程：當(dāng)環(huán)上的站點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，令牌一直在環(huán)上繞行，并等待某個(gè)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的站點(diǎn)將其抓獲。某站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)就把令牌中的某個(gè)特定位由0變?yōu)?，將其從令牌變?yōu)閿?shù)據(jù)幀的一部分，然后站點(diǎn)輸出正常數(shù)據(jù)幀的其余部分，如圖5-13所示。圖5-13令牌環(huán)的工作原理在令牌環(huán)網(wǎng)中，站點(diǎn)抓住令牌后是否可以無限制地發(fā)送數(shù)據(jù)呢？實(shí)際上，環(huán)形網(wǎng)中的每個(gè)站點(diǎn)都有一個(gè)令牌保持時(shí)間定時(shí)器THT(TokenHoldingTimer)，由THT控制站點(diǎn)擁有令牌時(shí)間。THT的時(shí)間一般為10?ms，環(huán)形網(wǎng)也可以在初始化時(shí)設(shè)置其值。由于數(shù)據(jù)幀的第1位將會(huì)遍歷整個(gè)環(huán)，并在整個(gè)幀發(fā)送完之前就回到發(fā)送站點(diǎn)，因此發(fā)送站點(diǎn)在發(fā)送新幀之前，必須把環(huán)中的內(nèi)容吸空。在發(fā)送完第1幀后，若余下的時(shí)間可以發(fā)送更多的幀，站點(diǎn)可以進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)待傳幀發(fā)送完畢或者在發(fā)送另外一幀將超過令牌保持時(shí)間時(shí)，站點(diǎn)要釋放令牌以便下一個(gè)站點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

IEEE802.5有令牌和數(shù)據(jù)/命令幀兩種格式，如圖5-14所示。令牌占用3個(gè)字節(jié)，有一位用于標(biāo)記令牌忙/閑。當(dāng)令牌為閑時(shí)，表明環(huán)上沒有站發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)它為忙時(shí)，就變成一幀的幀首序列，其后面跟著一個(gè)數(shù)據(jù)/命令幀的其余部分。圖5-14IEEE802.5的MAC幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)中各項(xiàng)含義如下：

(1)起始：令牌很短，只有3字節(jié)長。而數(shù)據(jù)/命令幀可能很長。不管是哪一種，都各有一個(gè)起始字段和結(jié)束字段。這兩個(gè)字段中都各有4?bit是在MAC幀的其他任何地方都不可能出現(xiàn)的“特殊比特”。802.5也是采用基帶曼徹斯特編碼，即在每一個(gè)比特的正中間一定有一個(gè)正的或負(fù)的跳變。所謂“特殊比特”是指在每個(gè)比特的中間不出現(xiàn)這種跳變，整個(gè)比特全是高電平或低電平，因而這種比特既不代表1，也不代表0。802.5標(biāo)準(zhǔn)就用包含有這種特殊比特的字段表示令牌或數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。

(2)接入控制：令牌的第2字節(jié)為接入控制字節(jié)，其中第4位比特稱為“令牌比特”(T比特)，這是個(gè)關(guān)鍵的比特。數(shù)據(jù)/命令幀的第2字節(jié)也是接入控制字節(jié)。若T＝0，則表示令牌，而T＝1就表示該幀是數(shù)據(jù)/令牌幀。所以“截獲令牌”就是將此接入控制字節(jié)中的T比特由0變?yōu)?，然后丟棄令牌的結(jié)束字段，并把數(shù)據(jù)/命令幀第三個(gè)字節(jié)起的各字段都加上去，成為一個(gè)要發(fā)送的幀格式。

(3)監(jiān)督比特：接入控制字段的M比特是監(jiān)督比特。接入控制字段中的P比特和R比特在無優(yōu)先級的環(huán)路中不起作用，都被置為0。

(4)優(yōu)先級比特：在有優(yōu)先級的環(huán)路中，3個(gè)優(yōu)先級比特PPP可構(gòu)成8種不同的優(yōu)先級(從000到111)。站點(diǎn)的優(yōu)先級在環(huán)初始化時(shí)就已確定，而令牌的優(yōu)先級則根據(jù)站點(diǎn)申請而確定。只有優(yōu)先級高于令牌優(yōu)先級的站，才允許截獲該令牌。這就保證了高優(yōu)先級站有更多的機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)某站要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過RRR字段預(yù)約下一個(gè)令牌的優(yōu)先級，即將本站的優(yōu)先級寫入此數(shù)據(jù)幀的預(yù)約比特RRR上。但是，如果已經(jīng)有一個(gè)優(yōu)先級更高的站在此之前就預(yù)約了令牌，那么優(yōu)先級較低的站就不能對此令牌進(jìn)行預(yù)約了。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)幀在環(huán)路上循環(huán)了一周又回到源站后，源站最后發(fā)出的令牌的優(yōu)先級應(yīng)當(dāng)?shù)扔趧偛攀栈氐膸蓄A(yù)約比特RRR所代表的優(yōu)先級?？雌饋砗孟窳钆频膬?yōu)先級會(huì)逐漸提高，其實(shí)不然。這是因?yàn)閷⒘钆频膬?yōu)先級提升了的站，在發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，還要負(fù)責(zé)將令牌的優(yōu)先級降下來。這樣就使優(yōu)先級較低的站也有發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。

(5)幀控制：幀格式中的第3字節(jié)是幀控制字節(jié)。它的前2個(gè)比特表示幀的類型。01表示一般的數(shù)據(jù)幀(LLC幀)，即數(shù)據(jù)字段為上面交下來的LLCPDU。00表示MAC命令幀，主要用于環(huán)的管理和維護(hù)。后6位為命令幀的種類，命令幀中沒有數(shù)據(jù)字段。數(shù)據(jù)幀只發(fā)送給地址字段所表示的目的站，而命令幀則發(fā)送給環(huán)路上所有的站。幀類型中的10和11暫時(shí)沒用。

(6)地址字段：地址結(jié)構(gòu)與前面介紹的以太網(wǎng)情況一樣。目的地址也分單一地址、組播地址和廣播地址，而源地址都是單一地址。

(7)數(shù)據(jù)字段：從環(huán)結(jié)構(gòu)和協(xié)議本身來說，令牌環(huán)對數(shù)據(jù)字段的長度沒有限制。其長度應(yīng)該由來自于令牌保持時(shí)間定時(shí)器THT以及環(huán)接口的緩沖區(qū)大小決定。一般情況下，環(huán)中數(shù)據(jù)長度缺省值為5000字節(jié)，足夠應(yīng)付高層協(xié)議的傳輸需求。

(8)?FCS字段：4個(gè)字節(jié)的FCS字段的作用范圍是從幀控制字段起到FCS字段止。

(9)幀狀態(tài)：MAC幀的最后一個(gè)字段為幀狀態(tài)字段。這一字段中設(shè)置了2個(gè)A比特和2個(gè)C比特。還有4個(gè)比特未做規(guī)定。當(dāng)一個(gè)站發(fā)送完數(shù)據(jù)幀時(shí)，就將A和C都置為0。目的站若識別了這一幀(即此幀的目的地址與該站的地址符合)，則將A置為1。若將此幀復(fù)制下來了(即真正收到了)，則將C置為1。這樣，當(dāng)所發(fā)送出去的數(shù)據(jù)幀最后又回到源站時(shí)，只要觀察比特A和比特C就可以區(qū)分出以下幾種情況：●目的站不存在或未加入到環(huán)路中(A＝C＝0)?！衲康恼竟ぷ鞯磳⒋藬?shù)據(jù)幀復(fù)制(A＝1，C＝0)?！衲康恼竟ぷ髑覐?fù)制了此數(shù)據(jù)幀(A＝C＝1)。

(10)結(jié)束：結(jié)束字段中的最后一個(gè)比特為E比特，即差錯(cuò)比特。一個(gè)幀在發(fā)送時(shí)，置E＝0。以后若任何一個(gè)站在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)通過FCS發(fā)現(xiàn)此幀中出現(xiàn)了差錯(cuò)，都可以將E比特置為1。這樣，當(dāng)源站收回所發(fā)送的幀時(shí)，分析E比特以及前面講的A和C比特，就可得出關(guān)于這一幀的傳送情況的信息。5.4.3管理與維護(hù)對于IEEE802.5環(huán)形網(wǎng)來說，管理和維護(hù)顯得十分重要。因?yàn)榄h(huán)容易出現(xiàn)物理故障導(dǎo)致環(huán)的中斷或令牌的丟失，使環(huán)形網(wǎng)不能正常工作。為了便于環(huán)形網(wǎng)的管理和維護(hù)，令牌環(huán)網(wǎng)采用分布式的管理方法。在協(xié)議中就提供了支持許多用于環(huán)管理和維護(hù)的命令或控制幀。同時(shí)令牌環(huán)網(wǎng)還引入了監(jiān)控站(MonitorStation)，由它來負(fù)責(zé)整個(gè)環(huán)形網(wǎng)的正常工作。在環(huán)形網(wǎng)中，每個(gè)站點(diǎn)都可能成為監(jiān)控站，監(jiān)控站是通過競爭產(chǎn)生的。在環(huán)剛啟動(dòng)或重新初始化時(shí)，所有站點(diǎn)都發(fā)送聲明幀，試圖聲明自己為監(jiān)控站。競爭監(jiān)控站的過程是：環(huán)中任意一個(gè)站點(diǎn)在接收到其上游站點(diǎn)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的聲明幀時(shí)，將本站地址與聲明幀中的源地址進(jìn)行比較。如果本站地址大于聲明幀中的源地址，則停止發(fā)送本站的聲明幀，轉(zhuǎn)發(fā)接收到的聲明幀。否則，繼續(xù)發(fā)送本站的聲明幀。如果某個(gè)站點(diǎn)接收到自己發(fā)出的聲明幀，它就成為監(jiān)控站(地址最小的站點(diǎn)可以成為監(jiān)控站)。監(jiān)控站的職責(zé)是：確保令牌不丟失；在環(huán)斷開時(shí)采取行動(dòng)；當(dāng)環(huán)中出現(xiàn)破損幀時(shí)清除掉破損幀；查看是否存在無主幀。產(chǎn)生無主幀的情況是：某站點(diǎn)將一短幀發(fā)送到環(huán)上，然而在該幀被取走之前，站點(diǎn)發(fā)生故障(如掉電)。如果不對無主幀采取措施，它將會(huì)在環(huán)上不停地旋轉(zhuǎn)下去。為了檢查令牌是否丟失，監(jiān)控站有一個(gè)定時(shí)器，它設(shè)置為最長無令牌時(shí)間。如果該定時(shí)器超時(shí)，監(jiān)控站將取走環(huán)內(nèi)的幀，并產(chǎn)生一個(gè)新的令牌。當(dāng)環(huán)中出現(xiàn)破損幀時(shí)，監(jiān)控站可以從其無效格式或校驗(yàn)碼中檢測到，然后監(jiān)控站斷開環(huán)取走破損幀，并產(chǎn)生一個(gè)新的令牌。監(jiān)控站對無主幀的檢測是通過在訪問控制字段AC中設(shè)置監(jiān)控位來實(shí)現(xiàn)的。若監(jiān)控站發(fā)現(xiàn)某幀中的監(jiān)控位已被置成“1”，則意味著同一幀經(jīng)過監(jiān)控站兩次而未被取走，說明該幀可能是無主幀，所以監(jiān)控站將幀從環(huán)中取走。監(jiān)控站的功能還涉及環(huán)的長度。802.5中的令牌長度是24位(3個(gè)字節(jié))，這就意味著環(huán)必須至少能容納24位。如果所有站點(diǎn)引入1位延遲，再加上電纜長度的延遲之和還小于24位，監(jiān)控站就插入額外的延遲，使令牌能夠繞環(huán)工作。監(jiān)控站惟一不能解決的問題是：確定環(huán)斷點(diǎn)的位置。也就是說，環(huán)形網(wǎng)中的監(jiān)控站可以發(fā)現(xiàn)環(huán)斷開了，但它不能具體確定斷點(diǎn)的物理位置。為了解決這個(gè)問題，在令牌環(huán)中引入了報(bào)警機(jī)制。當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)其鄰近站點(diǎn)好像失效時(shí)(如斷路)，便發(fā)出一個(gè)報(bào)警幀并給出假定失效站的地址。同理，其他站點(diǎn)也會(huì)發(fā)現(xiàn)環(huán)出現(xiàn)了故障因而也發(fā)出各自的報(bào)警幀。如果某個(gè)站點(diǎn)接收到其上游站點(diǎn)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)警幀，則停止發(fā)送自己的報(bào)警幀。這樣經(jīng)過一段時(shí)間后，環(huán)上只存在某個(gè)站點(diǎn)發(fā)出的報(bào)警。此時(shí)只要打開任何一臺(tái)機(jī)器檢查一下其中的報(bào)警幀，就可以確定環(huán)斷點(diǎn)的位置(發(fā)出報(bào)警幀站點(diǎn)的上游)。雖然報(bào)警過程可以確定環(huán)斷點(diǎn)的位置，但環(huán)故障的恢復(fù)仍然需要人工干預(yù)。為了解決故障的自動(dòng)恢復(fù)問題，可以采用類似于802.3中集線器的設(shè)備，即每個(gè)站點(diǎn)通過有源集線器連在一起。這種結(jié)構(gòu)在邏輯上仍保持環(huán)狀，而在物理結(jié)構(gòu)上每個(gè)站點(diǎn)通過兩對雙絞線電纜與線路中心相連，一對用于輸入，一對用于輸出。這種結(jié)構(gòu)通常被稱為星形環(huán)。在線路中心設(shè)有旁路開關(guān)，它由各個(gè)站點(diǎn)供電。如果線路或站點(diǎn)發(fā)生故障，旁路開關(guān)自動(dòng)將該站點(diǎn)隔離出去，以維持環(huán)的正常工作。5.4.4性能分析令牌環(huán)網(wǎng)的工作過程可以用一個(gè)排隊(duì)服務(wù)模型來描述，所有活躍站點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)發(fā)送隊(duì)列，環(huán)中各站依次抓住令牌并發(fā)送數(shù)據(jù)。假設(shè)兩個(gè)站點(diǎn)之間的傳播延遲為T，由于數(shù)據(jù)要沿環(huán)旋轉(zhuǎn)一周返回到發(fā)送站點(diǎn)，因此目的站在環(huán)上的位置對分析令牌環(huán)網(wǎng)的性能沒有影響。影響令牌環(huán)網(wǎng)性能的主要參數(shù)是數(shù)據(jù)傳輸率、電纜長度、令牌保持時(shí)間以及幀長度。同理，在對IEEE802.5令牌環(huán)進(jìn)行性能分析之前，我們也需要定義一組參數(shù)，這些參數(shù)與IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)是一樣的。延遲D用于表示一個(gè)站點(diǎn)從準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)到發(fā)送完數(shù)據(jù)所用的時(shí)間，吞吐量S表示通過網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，利用率U表示網(wǎng)絡(luò)吞吐量與總?cè)萘康谋戎?。同理，值對令牌環(huán)網(wǎng)的性能有影響，隨著的增大，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率將下降。為了提高信道的利用率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，應(yīng)盡量減小。另外，令牌環(huán)網(wǎng)中，站點(diǎn)數(shù)目的增加也可以增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，這是由于站點(diǎn)數(shù)目的增加將減少傳送令牌的時(shí)間，從而提高802.5協(xié)議的效率。5.5令牌總線網(wǎng)與IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)5.5.1令牌總線網(wǎng)概述總線局域網(wǎng)的爭用總線特點(diǎn)使得它不適用于一些對時(shí)間有嚴(yán)格要求的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。令牌環(huán)形網(wǎng)中的令牌繞網(wǎng)一周的時(shí)間雖有一個(gè)上限值，但它在輕載時(shí)的性能不太好，并且還采用了許多有源的環(huán)接口設(shè)備連接成環(huán)路，其可靠性比無源的總線要差。在這種情況下，綜合這兩種局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)的令牌總線局域網(wǎng)就產(chǎn)生了。這就是IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)。圖5-15表示了令牌總線網(wǎng)的兩個(gè)主要特點(diǎn)：

(1)令牌總線網(wǎng)在物理上是一個(gè)總線網(wǎng)，而在邏輯上卻是一個(gè)令牌網(wǎng)。例如圖中所示的7個(gè)站中，站C有故障而G站未工作。剩下的5個(gè)站在邏輯上組成了一個(gè)令牌網(wǎng)。

(2)令牌傳遞的順序與站的物理位置無關(guān)。在圖中設(shè)令牌按照A→D→B→E→F→A→…的順序傳遞。這樣令牌總線網(wǎng)既具有總線網(wǎng)的“接入方便”和“可靠性較高”的優(yōu)點(diǎn)，也具有令牌環(huán)網(wǎng)的“無沖突”和“發(fā)送時(shí)延有確定的上限值”的優(yōu)點(diǎn)。圖5-15令牌總線局域網(wǎng)5.5.2MAC子層在令牌總線網(wǎng)中，令牌傳遞的順序不是按照站的物理順序，因此必須有一個(gè)有效MAC子層協(xié)議來管理網(wǎng)絡(luò)的令牌。這就使得令牌總線網(wǎng)的MAC子層協(xié)議非常復(fù)雜。

802.4的MAC子層的四個(gè)主要功能(如圖5-16所示)。圖5-16IEEE802.4MAC子層的功能

1)接入控制機(jī)(AccessControlMachine)接入控制機(jī)是令牌總線網(wǎng)的核心，它決定一個(gè)站什么時(shí)候可以向總線發(fā)送一個(gè)幀，并且負(fù)責(zé)整個(gè)邏輯環(huán)路的管理。環(huán)路管理的主要功能是：環(huán)路的初始化、工作站的入網(wǎng)(即加入到環(huán)路中)、工作站的退網(wǎng)(即從環(huán)路中刪除)、差錯(cuò)恢復(fù)和優(yōu)先級設(shè)置。

2)接口機(jī)(InterfaceMachine)接口機(jī)的任務(wù)是：對LLC子層向下交給接入控制機(jī)發(fā)送的LLCPDU進(jìn)行緩存；將LLC子層和MAC子層的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行變換；將收到的LLCPDU進(jìn)行地址檢驗(yàn)。

3)發(fā)送機(jī)(TransmitMachine)發(fā)送機(jī)從接入控制機(jī)收到LLCPDU，再負(fù)責(zé)將幀裝配成MAC幀交給物理層發(fā)送。

4)接收機(jī)(ReceiveMachine)接收機(jī)將物理層上交的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)。當(dāng)收到LLCPDU時(shí)就上交給LLC子層。若收到的是MAC幀(如令牌幀或其他為環(huán)路管理用的幀)，則交給接入控制機(jī)進(jìn)行處理。傳輸介質(zhì)使用的電纜是75?Ω寬帶同軸電纜。可使用單電纜或雙電纜系統(tǒng)。有三種可選擇的數(shù)據(jù)率：1、5和10?Mb/s。802.4規(guī)定要把基帶信號經(jīng)調(diào)制后才送到電纜上傳輸。調(diào)制的方法有：相位連續(xù)移頻鍵控、相位相干移頻鍵控和多電平雙二進(jìn)制調(diào)幅移頻鍵控。5.5.3三種局域網(wǎng)的比較毫無疑問，總線網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛。整個(gè)電纜是無源的，站點(diǎn)的接入與安裝很方便。在低負(fù)載時(shí)網(wǎng)絡(luò)基本上沒有時(shí)延，因?yàn)槊總€(gè)站隨時(shí)可以發(fā)送信息。

802.3協(xié)議最大的缺點(diǎn)就是發(fā)送時(shí)延的不確定性，這對某些實(shí)時(shí)應(yīng)用是非常不利的。在使用收發(fā)器的情況下，電纜的最大長度只有2.5?km。電磁波在電纜線上的往返時(shí)間決定了爭用期的長度，它和數(shù)據(jù)的發(fā)送速率無關(guān)。這一點(diǎn)限制了數(shù)據(jù)的發(fā)送速率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載很重時(shí)，由于沖突增多，網(wǎng)絡(luò)的效率會(huì)明顯下降。此外，802.3還不便于將光纖作為總線。

802.4協(xié)議使用高可靠性的電視電纜。它的發(fā)送時(shí)延是確定的。802.4協(xié)議沒有對數(shù)據(jù)幀的長度設(shè)置下限。802.4協(xié)議可以設(shè)定優(yōu)先級，這有利于傳送數(shù)字化的分組話音信號。令牌總線網(wǎng)在重載時(shí)的性能非常好，實(shí)際上成為時(shí)分復(fù)用TDM。

802.4協(xié)議采用的是寬帶電纜，因此它可以支持多個(gè)信道，除了數(shù)據(jù)外，還可以傳送話音和電視。但是它使用了許多的模擬部件，包括調(diào)制解調(diào)器和寬帶放大器。802.4協(xié)議非常復(fù)雜，在負(fù)載很輕時(shí)也要等待令牌的到來，產(chǎn)生了不必要的發(fā)送時(shí)延。和總線網(wǎng)相似，令牌總線網(wǎng)也很難用光纖來實(shí)現(xiàn)。

802.5令牌環(huán)形網(wǎng)既可用雙絞線連接，也可以用光纖來實(shí)現(xiàn)。將令牌環(huán)形網(wǎng)做成星形結(jié)構(gòu)可自動(dòng)檢測和排除電纜的故障。802.5協(xié)議可設(shè)置優(yōu)先級，這一點(diǎn)和令牌總線網(wǎng)相似。此外，802.5協(xié)議允許發(fā)送很短的幀，因?yàn)橐粋€(gè)站截獲令牌的時(shí)間不得太長，但對發(fā)送很長的幀則有限制。在重載時(shí)，802.5協(xié)議的效率和吞吐率都是很高的。令牌環(huán)形網(wǎng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是令牌的管理采用了集中管理方式。當(dāng)管理令牌的站出現(xiàn)故障時(shí)，雖然按照協(xié)議可以再產(chǎn)生一個(gè)新的管理令牌的站，但這還是造成了一些麻煩。此外，像802.4協(xié)議一樣，在低負(fù)載時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)的站由于要等待令牌，會(huì)產(chǎn)生附加的時(shí)延。這三種局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)相互都是不兼容的。圖5-17畫出了802.3、802.4、802.5幀格式的對比。僅從每一種幀所包含的字段種類的不同就可看出它們之間的差別是很大的。支持這些標(biāo)準(zhǔn)的廠家誰也不肯放棄自己的經(jīng)濟(jì)利益，因此這種多標(biāo)準(zhǔn)的狀況在短期內(nèi)是不會(huì)得到根本改變的。圖5-17IEEE802標(biāo)準(zhǔn)的三種不同的幀格式三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的最大MAC幀長也不同。802.3的最大幀長是1518字節(jié)，802.4是8191字節(jié)(從幀控制字段到FCS字段為止，其中地址按4字節(jié)計(jì)算)，802.5未規(guī)定幀長的上限，但每一個(gè)站持有令牌的時(shí)間是有上限值的。若按一般取值10?ms，則在4?Mb/s下最大幀長為5000字節(jié)。有不少人對這三種局域網(wǎng)的性能進(jìn)行過定量分析，但從這些分析得出最主要的結(jié)論就是：在重負(fù)載下802.3局域網(wǎng)徹底不能用，而基于令牌的局域網(wǎng)則可達(dá)到接近于100%的效率。若負(fù)載范圍從輕到中等，則三種局域網(wǎng)都能勝任。5.6局域網(wǎng)的擴(kuò)展局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛，但局域網(wǎng)覆蓋范圍有限，局域網(wǎng)的互連技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)地理范圍，豐富了局域網(wǎng)資源，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)之間的通信和共享。局域網(wǎng)的擴(kuò)展是指局域網(wǎng)之間的互連問題。網(wǎng)絡(luò)互連要通過一定的互連設(shè)備，從協(xié)議的層次角度看，局域網(wǎng)互連只涉及物理和數(shù)據(jù)鏈路兩層，因此相對于廣域網(wǎng)互連來說，局域網(wǎng)互連要簡單得多，本節(jié)專門討論局域網(wǎng)的互連技術(shù)，在后續(xù)章節(jié)中將會(huì)專門討論廣域網(wǎng)的互連問題。局域網(wǎng)使用的互連設(shè)備主要有中繼器(在物理層實(shí)現(xiàn)互連)、網(wǎng)橋(在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)互連)和集線器。5.6.1中繼器中繼器(Repeater)又叫重發(fā)器，它是最簡單的擴(kuò)展設(shè)備。中繼器的根本作用是對電纜上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號經(jīng)過放大和整形后再發(fā)送到其他電纜的網(wǎng)段上。因此，中繼器實(shí)質(zhì)上只能算是數(shù)字信號的再生放大器。經(jīng)過中繼器連接的兩段電纜上的工作站就像是在一條加長了的電纜上工作一樣，在一段電纜上發(fā)生的沖突也將被中繼器傳到另一段電纜上。因此用中繼器擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，不管增加多大的距離范圍，該網(wǎng)絡(luò)在邏輯上和物理上都仍然是同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體。使用中繼器應(yīng)注意兩點(diǎn)：

(1)不能形成環(huán)路。

(2)考慮到網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲和負(fù)載情況，不能無限制地連接中繼器。例如：以太網(wǎng)用粗同軸電纜連網(wǎng)，一個(gè)電纜網(wǎng)段最大距離為500?m，用細(xì)同軸電纜一個(gè)網(wǎng)段最大距離為200?m，而采用中繼器擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)時(shí)，以太網(wǎng)最多可用4個(gè)中繼器。中繼器按其接口數(shù)可分為：雙口中繼器和多口中繼器。前者有兩個(gè)端口，一個(gè)用于輸入，另一個(gè)用于輸出。后者接口數(shù)大于兩個(gè)，有多個(gè)輸入輸出端口。中繼器按連接的傳輸介質(zhì)可分為：電纜中繼器(用于雙絞線、同軸電纜)和光纜中繼器(用于連接光纜)。5.6.2集線器集線器(Hub)又稱集中器，它屬于一種多口的中繼器。把它作為一個(gè)中心結(jié)點(diǎn)，可用它連接多條傳輸介質(zhì)。其優(yōu)點(diǎn)是某條傳輸介質(zhì)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響到其他的結(jié)點(diǎn)。集線器分為有源集線器(ActiveHub)、無源集線器(PassiveHub)和智能集線器。無源集線器：只是把近地的多段傳輸介質(zhì)集中到一起，對它們所傳輸?shù)男盘柌蛔魅魏翁幚?，而且對它所連接的傳輸介質(zhì)，只允許擴(kuò)展到最大有效距離的一半。有源集線器：把近地的多段傳輸介質(zhì)集中到一起，并對每條傳輸?shù)碾娦盘栍姓?、放大和轉(zhuǎn)發(fā)作用，并具有擴(kuò)展傳輸介質(zhì)長度的功能。智能集線器：具備有源集線器的功能，還具有網(wǎng)絡(luò)管理、路徑選擇等功能。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，集線器已發(fā)展成為交換集線器(SwitchingHub)。交換集線器不但能使網(wǎng)絡(luò)分段，并增加了線路交換功能，提高了傳輸帶寬。5.6.3網(wǎng)橋的基本原理擴(kuò)展局域網(wǎng)最常用的方法是使用網(wǎng)橋(也稱橋接器)，它除具備中繼器的特點(diǎn)外，主要用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的距離、在不同介質(zhì)之間轉(zhuǎn)發(fā)信號以及隔離不同網(wǎng)段之間的通信。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)橋需要有軟件和硬件的支持。在一般情況下，用網(wǎng)橋連接的局域網(wǎng)具有相同的邏輯鏈路控制規(guī)程(LLC協(xié)議)，但可以是不同的介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC協(xié)議)。這一點(diǎn)是與路由器的本質(zhì)區(qū)別。使用網(wǎng)橋進(jìn)行不同局域網(wǎng)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，對網(wǎng)站用戶來說是透明的，就像在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上使用一樣。網(wǎng)橋的功能主要有：

(1)在相互連接的兩個(gè)局域網(wǎng)之間起到幀轉(zhuǎn)發(fā)作用。它允許每個(gè)LAN上的站點(diǎn)與其他站點(diǎn)進(jìn)行通信，如同在一個(gè)擴(kuò)展的局域網(wǎng)上一樣。為了有效地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)橋自動(dòng)存儲(chǔ)接收進(jìn)來的幀，通過查找地址映像表完成尋址，并將接收幀的格式轉(zhuǎn)換成目的局域網(wǎng)的格式，然后將轉(zhuǎn)換后的幀轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)橋?qū)?yīng)的端口上。

(2)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)幀過濾。幀過濾作用是阻止某些幀通過網(wǎng)橋。幀過濾有三種類型：目的地址過濾、源地址過濾和協(xié)議過濾。目的地址過濾指當(dāng)網(wǎng)橋接收到一個(gè)幀后，首先確定其源地址和目的地址，如果源地址和目的地址處在同一個(gè)局域網(wǎng)中，就簡單地將其丟棄，否則就將其轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)局域網(wǎng)上。目的地址過濾是任何網(wǎng)橋的最基本的功能。源地址過濾是指網(wǎng)橋拒絕某一特定地址(站點(diǎn))發(fā)出的幀，這個(gè)特定地址無法從網(wǎng)橋的地址映像表中得到，但可以由網(wǎng)絡(luò)管理模塊提供。協(xié)議過濾是指網(wǎng)橋能用幀中的協(xié)議信息來決定是轉(zhuǎn)發(fā)還是濾掉該幀。協(xié)議過濾通常用于流量控制和網(wǎng)絡(luò)安全控制。并非每一種網(wǎng)橋都提供源地址過濾和協(xié)議過濾功能。由此可見，網(wǎng)橋的最主要功能是在不同的局域網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)互連。由于不同的局域網(wǎng)在幀格式、數(shù)據(jù)傳輸率、CRC校驗(yàn)等方面存在差異，所以網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時(shí)，需要進(jìn)行不同MAC幀格式之間的相互轉(zhuǎn)換。這個(gè)過程涉及到幀的分段和重組，并且這個(gè)過程必須快速完成，否則會(huì)降低網(wǎng)橋的性能。網(wǎng)橋還必須具有一定的管理功能，以便對擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理。例如，對網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)及丟棄的幀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，及時(shí)修改網(wǎng)橋地址映像表，有的網(wǎng)橋還可以通過生成樹算法動(dòng)態(tài)調(diào)整擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。圖5-18給出了網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最簡單的網(wǎng)橋有兩個(gè)端口，復(fù)雜的網(wǎng)橋可以有更多的端口。網(wǎng)橋的每個(gè)端口與一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)段相連。在圖中所示的網(wǎng)橋，其端口1與網(wǎng)段A相連，而端口2連接到網(wǎng)段B。圖5-18網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)橋從端口接收網(wǎng)段上傳送的各種幀。每當(dāng)收到一個(gè)幀時(shí)，就先存放在其緩沖區(qū)中。若此幀未出現(xiàn)差錯(cuò)，且欲發(fā)往的目的站地址屬于另一個(gè)網(wǎng)段，則通過查找站表，將收到的幀送往對應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。否則，就丟棄此幀。因此，僅在同一網(wǎng)段中通信的幀，不會(huì)被網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)段去，因而不會(huì)加重整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。例如，設(shè)網(wǎng)段A的三個(gè)站的地址分別為①、②、③，而網(wǎng)段B的三個(gè)站的地址分別為④、⑤、⑥。若網(wǎng)橋的端口1收到站①發(fā)給站②的幀，通過查找站表，得知應(yīng)將此幀送回到端口1。但這表明此幀屬于同一個(gè)網(wǎng)橋上通信的幀，于是丟棄此幀。若端口1收到站①發(fā)給站⑤的幀，則在查找站表后，將此幀送到端口2轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)段B，然后再傳給站⑤。使用網(wǎng)橋可以帶來以下好處：

(1)過濾通信量。網(wǎng)橋可以使局域網(wǎng)的一個(gè)網(wǎng)段上各工作站之間的通信量局限在本網(wǎng)段的范圍內(nèi)，而不會(huì)經(jīng)過網(wǎng)橋流到其他的網(wǎng)段去。由于這種過濾作用，局域網(wǎng)上的負(fù)荷就減輕了，因而減少了在擴(kuò)展的局域網(wǎng)上的所有用戶所經(jīng)受的平均時(shí)延。相比之下，中繼器由于沒有這種過濾功能，轉(zhuǎn)發(fā)所有的幀，包括無效幀，都不進(jìn)行選擇而一律轉(zhuǎn)發(fā)。從層次上看，中繼器工作在物理層，而網(wǎng)橋工作在鏈路層的MAC子層。

(2)擴(kuò)大了物理范圍，也增加了整個(gè)局域網(wǎng)上工作站的最大數(shù)目。

(3)可使用不同的物理層。

(4)可互連不同類型的局域網(wǎng)。圖5-19畫出了用網(wǎng)橋?qū)⒕哂腥N不同MAC子層的局域網(wǎng)連接成一個(gè)更大的局域網(wǎng)。

(5)提高可靠性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，一般只影響有故障的網(wǎng)段。

(6)性能得到改善。如果把大的局域網(wǎng)分割成若干較小的局域網(wǎng)，并且每個(gè)小局域網(wǎng)內(nèi)部的通信量明顯地高于網(wǎng)間的通信量，那么整個(gè)互連網(wǎng)絡(luò)的性能就變得更好。圖5-19不同MAC子層的網(wǎng)橋的連接使用網(wǎng)橋的缺點(diǎn)在于：

(1)由于網(wǎng)橋?qū)邮盏膸却鎯?chǔ)和查找站表，然后才轉(zhuǎn)發(fā)，這就增加了時(shí)延。

(2)在MAC子層并沒有流量控制功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載很重時(shí)，網(wǎng)橋中的緩沖區(qū)的存儲(chǔ)空間可能不夠而發(fā)生溢出，以致產(chǎn)生幀丟失的現(xiàn)象。

(3)具有不同MAC子層的網(wǎng)段橋接在一起時(shí)，網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)幀之前，必須修改幀的某些字段的內(nèi)容，以適合另一個(gè)MAC子層的要求。這也需要一定的消耗。

(4)網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較大的廣播風(fēng)暴。使用網(wǎng)橋的缺點(diǎn)在于：

(1)由于網(wǎng)橋?qū)邮盏膸却鎯?chǔ)和查找站表，然后才轉(zhuǎn)發(fā)，這就增加了時(shí)延。

(2)在MAC子層并沒有流量控制功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載很重時(shí)，網(wǎng)橋中的緩沖區(qū)的存儲(chǔ)空間可能不夠而發(fā)生溢出，以致產(chǎn)生幀丟失的現(xiàn)象。

(3)具有不同MAC子層的網(wǎng)段橋接在一起時(shí)，網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)幀之前，必須修改幀的某些字段的內(nèi)容，以適合另一個(gè)MAC子層的要求。這也需要一定的消耗。

(4)網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較大的廣播風(fēng)暴。5.6.4透明網(wǎng)橋透明網(wǎng)橋是針對以太網(wǎng)提出的橋接技術(shù)。它的基本思想是：網(wǎng)橋自動(dòng)選擇每個(gè)端口所連接網(wǎng)段的MAC地址，建立和維護(hù)一個(gè)地址映像表(站表)。網(wǎng)橋每次轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，先查站表，如查到，則向相應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)；如查不到，則向除接收端口外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)(廣播)。這個(gè)過程對各網(wǎng)站來說是透明的，透明網(wǎng)橋的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1d。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)橋剛剛連接到局域網(wǎng)上時(shí)，其站表是空的。此時(shí)若網(wǎng)橋收到一個(gè)幀，顯然，網(wǎng)橋暫時(shí)還無法做出決定應(yīng)丟棄還是轉(zhuǎn)發(fā)。因此，網(wǎng)橋就向所有的端口廣播此幀(接收此幀的端口除外)。如果此幀又到了另一個(gè)網(wǎng)橋(假設(shè)其站表也是空的)，則該網(wǎng)橋也按同樣方法轉(zhuǎn)發(fā)此幀。所以，這樣進(jìn)行下去就一定可以使該幀到達(dá)目的站。網(wǎng)橋在這樣的轉(zhuǎn)發(fā)過程中也就逐漸將其站表建立起來。局域網(wǎng)的拓?fù)浣?jīng)常會(huì)發(fā)生變化。局域網(wǎng)上的工作站和網(wǎng)橋可能時(shí)而接通電源，時(shí)而關(guān)掉電源。為了使站表能反映出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最新拓?fù)?，?yīng)將每個(gè)幀到達(dá)網(wǎng)橋的時(shí)間登記下來，以便在站表中保留網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖钚聽顟B(tài)信息。具體的方法是：網(wǎng)橋中的端口管理軟件周期性地掃描站表中的項(xiàng)目，只要是在一定時(shí)間(例如幾分鐘)以前登記的，都一律清除。這樣就使得網(wǎng)橋中的站表能反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)。上述的透明網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)方法現(xiàn)在已有專用的芯片，只需幾個(gè)微秒就可以執(zhí)行完全部的工作。必須清楚：應(yīng)用透明網(wǎng)橋其所在的局域網(wǎng)和網(wǎng)橋組成的拓?fù)浔仨毷且粋€(gè)支撐樹，即在整個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)中不能存在回路，在任何兩個(gè)站點(diǎn)之間只有一條通路。為了解決網(wǎng)橋產(chǎn)生的回路問題，在802.1d的網(wǎng)橋標(biāo)準(zhǔn)中，制定了一個(gè)在每個(gè)網(wǎng)橋上運(yùn)行的簡單分布式算法(又稱為支撐樹算法)，以保證整個(gè)局域網(wǎng)在邏輯上是一個(gè)支撐樹。顯然，為提高網(wǎng)絡(luò)可靠性而增加的網(wǎng)橋不在這個(gè)支撐樹上。