3.6 以太网、局域网传输系统

以太网（Ethernet）是互联网系统的基础网络，也是使用最广泛的数据通信网。特点是高数据传输率（1Mbit/s～10Gbit/s）、低误码率（10 ^-11 ～10 ^-8 ）、短距离（0.1～25km），网络的覆盖区域从家庭、办公室、大厦到园区。

3.6.1 以太网传输系统

1975年美国施乐公司（Xerox）研制成功一种采用总线结构的电缆网络传送数据帧，实现了同一网络中计算机之间的数据交流，并以历史上电磁波传输媒体的“以太（Ether）”称谓命名这个网络。之后在1980年9月美国DEC、英特尔（Intel）和施乐（Xerox）三家公司联手提出了10Mbit/s以太网的第一个通信标准DIX V1。1982年又修改成为DIX V2第二版以太网标准，也是以太网的最后一个版本。

以太网采用共享传输通道方法，即多台通信主机可以在同一网络上进行数据传输，网络中每一台主机都有一个硬件地址，这个硬件地址又称为物理地址或MAC地址。为了解决各主机占用通道的冲突问题，采用CSMA/CD载波监听多路访问/冲突检测协议。

由于以太网具有传输速度快、延时小、误码率低、组网灵活和易扩展等特点，尤其是在快速以太网（100Mbit/s）、吉比特以太网（1Gbit/s）和10吉比特以太网（10Gbit/s）进入市场后，以太网已在局域网市场中取得了垄断地位，并且已成为局域网的代名词了。

3.6.2 局域网传输系统

局域网是同一网内计算机之间的通信网络，拓扑结构非常简单，任意两个节点之间只有唯一的一条链路，不需要进行路由选择和流量控制，各个站点共享传输信道。

在以太网成功运营后，1983年美国电气和电子工程师协会IEEE 802委员会802工作组制定了第一个局域网标准，编号为IEEE 802.3，数据率为10Mbit/s。

802局域网工作组仅对以太网标准中的数据帧格式作了很小的改动，并允许DIX V2以太网标准和802.3局域网标准的硬件可以在同一个局域网上互操作。现在都把执行IEEE 802.3通信协议的局域网通称为以太网。

局域网只需要相当于OSI参考模型的最低两层：物理层和数据链路层，就可建立通信链路完成数据通信。

1.局域网物理层的基本功能

局域网物理层的任务是建立物理连接和传输比特流，与OSI参考模型的物理层功能相同。

2.局域网数据链路层的基本功能

IEEE 802工作组把数据链路层分为上层LLC（Logical Link Control）逻辑链路控制子层和下层MAC（Media Access Control）媒体访问控制子层。

MAC（媒体访问控制）层的主要功能是完成数据链路层的协议工作：解决共用信道的数据冲突处理和信道与通信资源的分配问题，方法是采用载波监听多路访问冲突检测（CSMA/CD）。

网络上的主机发送数据时，CSMA/CD可以事先侦察和判断局域网上是否有人在发送数据，如果网络空闲，则给数据单元加上一些控制信息后，把数据及控制信息以规定的格式发送到物理层。

主机接收数据时，MAC协议首先判断输入的数据信息是否有传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。

LLC（数据链路控制）层根据MAC中的源地址和目的地址（又称硬件地址或网卡地址），识别和找到本网络中的设备。MAC地址只能解决本网络内部的寻址问题。跨网通信时，每个子网中的设备还会被分配一个IP网络地址（称为逻辑地址）。

3.IP地址与MAC地址（网卡硬件地址）的区别

媒体访问控制MAC帧中的源地址和目的地址都是硬件地址，每个通信主机都有一个MAC地址（又称网卡地址），MAC地址用来定义主机在本网内部的位置。不同局域网互联时还会有一个IP网络地址。

硬件地址已固化在网卡上的ROM（Read Only Memory，只读存储器）中，因此通常把硬件地址称为物理地址。硬件地址、物理地址和MAC地址常作为同义词。

图3-35说明了IP地址与硬件地址的区别。IP地址是IP数据包的地址，放在数据包的首部。从层次角度看，IP地址是网络层及其以上各层使用的地址。

通信设备（主机或路由器）根据媒体访问控制MAC帧首部的硬件地址接收，在剥去MAC帧首部和尾部后再将MAC层的数据交给上面的网络层（此时MAC层的数据变成了IP数据包）。网络层才能在IP数据包的首部找到源IP地址和目的IP地址。

总之，放在IP数据包首部的IP地址是网络层及以上使用的IP地址，放在MAC帧首部的硬件地址是数据链路层及以下使用的硬件地址。因此在数据链路层是看不见数据包IP地址的。

4.局域网传输的数据单元——MAC帧

MAC数据单元由帧头、数据部分、帧尾三部分组成。帧头和帧尾包含必要的控制信息，比如同步信息、地址信息、差错控制信息等；数据部分则为主机要传送的46～1500B的数据帧，如图3-36所示。

（1）第一部分：前导字符+起始界定符。由7B的前导字符和1B的开始字符组成。这8B是提醒网络内所有的接收器，要开始传送新的MAC帧了。

（2）第二部分：地址信息：为2×6B的目的地址和源地址。

（3）第三部分：为2B的以太网类型信息。

网卡按照收信地址，就可以通过MAC包头的内容判断出这个数据包应该交给哪个处理模块进行处理。

（4）第四部分：由46～1518B构成的数据包。

（5）最后部分：为4B的帧校验序列，负责检查MAC帧的数据的准确性。对于数据帧来说，1bit的错误信息可以有99.9%的概率被检测出来。

MAC数据帧包头（目的地址、源地址和网络类型协议）数据处理完成后，接下来就是把46～1518B的数据包交给与网络类型协议对应的处理模块进行处理。数据传输到目的地之后，MAC帧被接收主机打开。

如果2B的以太网类型信息为X’08-01，则为跨网（因特网）服务的数据包，它还包含因特网的目的地址（IP地址）、源地址、协议（TCP）和IP数据包，因此为因特网服务的以太网数据包为大数据包中包含着一个小的数据包，如图3-37所示。

何谓10Base-T和100Base-TX?

以太网可使用多种电缆作为传输媒体，用得最多的是双绞线缆。10Base-T：“10”表示信息传输的速率为10兆比特每秒（10Mbit/s）；“Base”表示电缆上传输的信号为基带信号；“T”代表是双绞线电缆。

“100”表示传输速率为100bit/s的快速以太网；“TX”为使用两对5类非屏蔽双绞线，一对用于发送数据，另一对用于接收数据，最大网段长度为100m。

5.局域网常用的拓扑结构

网络拓扑结构是指传输媒体互连的各种设备的物理布局。局域网的网络拓扑结构有星形网、环形网、总线网和树形网。其中，星形结构的局域网获得了广泛的应用，树形结构的局域网是总线网的一种变形，如图3-38所示。

6.局域网传输距离扩展

局域网的传输媒体通常以超5类或6类双绞线组网，千兆局域网通常采用光缆传输。

如果用集线器连接网络节点，则双绞线的最大传输距离为50m。如果用交换机或路由器连接网络节点，则双绞线的最大传输距离为100m。

为扩展传输距离，两段双绞线之间可安装中继器（转发器），任意两个站点之间最多可安装4个中继器，此时双绞线的最大传输距离为500m。

图3-39是同轴电缆组网图。网段1和网段2各通过一个转发器经过750m同轴电缆组成点到点的链路。网段2和网段3各通过一个转发器经过250m同轴电缆组成点到点的链路。此外，还有3段500m长的连接同轴电缆和在6个连接点上各有50m长的连接电缆，因此从通信点A到通信点B之间的总长度可达到2.8km。

3.6.3 高速以太网

10Mbit/s传输速率的以太网称为传统以太网。随着技术不断进步，要求传输速率越来越高，1993年100Mbit/s以太网产品已经问世。进入21世纪后，又陆续推出了千兆以太网（吉比特以太网）和万兆以太网（10吉比特以太网）。为了区分这些不同速率的以太网，把100Mbit/s的以太网称为快速以太网，超过100Mbit/s的以太网统称为高速以太网。

1.100Mbit/s快速以太网（Fast Ethernet）

100Base-T是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3和CSMA/CD协议。使用同样的CSMA/CD访问控制方法，与10Mbit/s传统以太网使用同样的线缆配置、同样的软件，只是将有关的时间参量加速10倍。生产厂商为用户提供了10Base-T平滑过渡到100Mbit/s的方案。表3-2是传统以太网与快速以太网的比较。

为提高以太网信道的利用率，这里引用了一个非常有用的参数 a ，它是总线单程传播延时 τ 与帧的发送延时 T ₀ 之比：

式中 τ ——总线单程的传播延时，单位为s；

C ——数据传输速率，单位为bit/s；

L ——数据帧最短长度，单位为bit。

参数 a 与信道利用率的最大值 S _max 的关系如下：

从式（3-3）和式（3-4）可以看出，数据帧 L 越短，则参数 a 就越大，信道利用率的最大值 S _max 就越小。图3-40是帧长度 L 与站数 N 对信道利用率最大值 S _max 的影响。

快速以太网的数据速率 C 比传统以太网的速率提高了10倍，为保持参数 a 不变，可以将最短数据帧 L 的长度增加到10倍，即640B，则发送短数据时的开销又太大了。或者将网络的单程传播延时 τ 减小到原有数值的1/10。

100Mbit/s快速以太网采用保持最短数据帧长度不变的方法，而将网段的最大电缆长度减小到100m，帧间的时间间隔从原来的9.6μs减少到0.96μs。

100Base-TX使用2对UTP或STP 5类或6类双绞线。其中一对用于发送，另一对用于接收。100Base-FX使用2对光纤的光缆，其中一对用于发送，另一对用于接收。信号编码采用NRZ1不归零编码方法。

100Base-T4是使用4对UTP 3类或5类双绞线，这是为已使用UTP 3类线的老用户设计的，信号编码采用8B6T-NRZ不归零编码方法。

快速以太网的传输媒体支持结构化布线，包括3类、4类、5类和6类无屏蔽双绞线（UTP）、150Ω屏蔽双绞线（STP）和光纤。各类传输媒体可通过中继器或交换机连接混用。表3-3是三种不同类型收发器支持的线缆。

3类UTP在100Base-T4中使用时，数字信号的速率仅为25Mbit/s。为能提升到更高的传输速率，在100Base-T4中需用4对这种双绞线缆并联使用，这样就使原来只能用于100Base-T的无屏蔽双绞线也能在100Base-T4中使用。100Base-FX多模光纤的最大传输距离可达2km。其他各类双绞线缆的收发器都只支持100m距离。

10Mbit/s传统以太网升级到100Mbit/s快速以太网非常方便。用户只要更换一张网卡，再配上一台100Mbit/s集线器，不必改变网络的拓扑结构。所有在10Base-T上的应用软件和网络软件都可保持不变。100Base-T的网卡有很强的自适应性，能够自动识别到10Mbit/s和100Mbit/s。

2.千兆以太网

数据速率在1Gbit/s（1Gbit/s=1000Mbit/s）以下的以太网称为千兆以太网或吉比特以太网，仍然是一种共享传输媒体的局域网。千兆以太网遵守同样的以太网通信规程，即使用CSMA/CD访问控制方法，发送到网上的数据信号是广播式的，接收站根据目的地址接收信号。网络接口硬件能监听线路上是否存在信号，避免发生数据碰撞，在线路空闲时发送数据。

千兆以太网的传输媒体有铜线和光纤两种标准。1000Base-T使用4对超5类无屏蔽双绞线电缆，最大传输距离为100m。1000Base-SX（850nm波长）多模光纤可支持300m传输距离。1000Base-LX（1300nm波长）多模光纤可支持550m传输距离。单模光纤可支持大于2km传输距离。

千兆以太网工作在半双工方式时，必须采用CSMA/CD碰撞检测。由于它的数据率比快速以太网又提高了10倍，为使参数 a 保持为较小的数值，要把一个网段的最大电缆长度减小到10m，这个网络也就失去了实用价值。如果把最短数据帧的长度 L 提高10倍，即640B，则发送短数据时的开销又太大了。

千兆以太网采用了一种新的“载波延伸”（Carrier extension）的方法，使最短数据帧长度仍为64B（这样还可保持兼容性）和保持一个网段的最大长度仍为100m。

载波延伸法是将争用期时间增大到512B。凡发送的MAC帧的长度不足512B时，就用一些特殊的字符填充在帧的后面，使MAC帧的发送长度增大到512B，如图3-41所示。

接收端收到以太网的MAC帧后，把填充的特殊字符删除后再向高层交付。

为了便于发送很多短帧，千兆以太网还增加了一种称为分组突发（Packet Bursting）的功能。当需要发送很多短帧时，第一个短帧需采用上面所说的载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可以一个接一个地发送，它们之间只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成了一串分组突发，直到1500B为止，如图3-42所示。

3.万兆以太网

万兆以太网又称10吉比特以太网，它的数据速率为10Gbit/s。著名的Moore（摩尔）定律告诉我们，集成电路芯片的集成度每18个月提高一倍，随之引起的PC处理能力也以同样的速度增长。由一个反映网络发展速度的Metcalfe（梅特卡夫）定律，表明网络性能提高的速度等于网上PC增加数量的二次方。

10吉比特以太网并非将吉比特以太网的速率简单地提高到10倍，这里有许多技术问题需解决。1999年3月，IEEE成立了高速研究组HSSG（High Speed Study Group），致力于10吉比特以太网的研究。2002年完成了10吉比特标准的制定。10吉比特以太网的主要特点如下：

（1）10吉比特以太网的数据帧格式与10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s以太网的帧格式完全相同。它保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于用户升级使用。

（2）10吉比特以太网不再使用铜线，只使用光纤作为传输媒体，使用光收发器和单模光纤接口，也可以使用较便宜的多模光纤，但传输距离仅为65～300m。

（3）10吉比特以太网只允许工作在全双工方式，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议，使它的传输距离不再受到碰撞检测的限制。

（4）10吉比特以太网只有异步以太网接口，因此与SONET/SDH网连接时并不是全部都能兼容。

由于10吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。端到端的以太网连接，使帧的格式全部都是以太网的格式，不需要再进行帧格式的转换，简化了操作和管理。

千兆以太网和万兆以太网的问世，使以太网的市场占有率进一步得到了提高，使ATM网在城域网和广域网中的地位受到更加严峻的挑战。

3.6.4 Wi-Fi无线局域网技术

Wi-Fi是一种短程无线数据传输技术，能够在数百英尺（1英尺=0.3048米）范围内支持接入互联网。为家居、办公室、公众活动场所和旅途提供快速、便捷的上网途径。

IEEE 802.11无线局域网标准统称为Wi-Fi（Wireless Fidelity）标准，俗称无线宽带，IEEE 802.11g工作在2.4GHz频段，最高传输速率为54Mbit/s；IEEE 802.11n工作在2.4GHz或5.0GHz，最高传输速率为600Mbit/s。

不管是有线局域网（LAN），还是无线局域网（WLAN），MAC协议都被广泛地应用。

1.Wi-Fi的优势

（1）无线电波的覆盖范围大。Wi-Fi的传输范围为：802.11b室内的工作距离可以达到100m以上，室外最大工作距离可达300m。

（2）传输速度非常快。IEEE 802.11a网卡的最高传输速率为54Mbit/s；IEEE 802.11b网卡的最高传输速率为11M；IEEE 802.11g网卡的最高传输速率为54Mbit/s，Netgear SUPER G技术可以将速度提升到108Mbit/s。

（3）进入的门槛比较低。

在人员较密集的公共场所，用户通过Wi-Fi线路即可接入高速因特网。

（4）无须布线

Wi-Fi主要的优势之一是可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。

（5）健康安全

IEEE 802.11规定的发射功率限制在100mW，实际发射功率为60～70mW，比手机的发射功率（约为200mW）还低。

2.Wi-Fi无线网络组建方法

AP（Access Point）无线访问接入点是有线通信网络的延伸，可为无线上网设备提供对话交汇点。架设Wi-Fi网络的基本配置是一台AP无线访问节点：无线转发器或无线路由器，即一台分享网络资源。有线宽带网络到户后，连接到一个AP，然后在计算机中安装一块无线网卡即可共享无线上网。图3-43是Wi-Fi无线网络拓扑图。

无线网卡是负责收发由AP无线访问信号的用户端设备。因此，任何一台装有无线网卡的PC或智能手机，均可透过AP去分享有线局域网或互联网的资源。图3-44是一个典型的无线局域网。

3.AP无线访问接入点

单个AP的室内覆盖范围一般为30～100m，能够支持多达80个终端接入，对于家庭、办公室等小范围只需一台无线AP即可实现所有计算机的无线接入。

根据服务区的面积和开放程度可配置多个AP，以增加无线局域网的覆盖面积。无线AP支持多速率发送功能，可提供完善的无线网络管理功能。AP无线访问节点包括无线转发器和无线路由器两类，如图3-45所示。

（1）无线AP的功能。无线AP具有链接功能、中继功能、桥接功能等三项重要功能。

1）链接功能。链接功能可以实现一点对多点的无线连接，通常用在有线局域网与无线局域网之间的连接。图3-46是公众场所采用的吸顶式无线AP。图3-47是星级宾馆采用的多个吸顶式无线AP系统拓扑图。

2）中继功能。所谓中继就是在两个无线接点间放大无线传输信号，使信号微弱地区的客户端可以接收到更强的无线信号。图3-48是两个单位之间使用的无线中继。

3）桥接功能。通过AP可以把两个有线局域网连接起来，如图3-49所示。

（2）通过电力线传输互联网信号的无线AP。在同一大楼内无需网络布线，可以通过电力线适配器传输网络信号，用电力线实现有线、无线网络全覆盖，最大数据传输距离为500～700m。让电力线变网线，电源插座变网口。如图3-50所示，将电力线适配器插入插座，就可以实现不少于2台设备的有线上网，还可以满足手机、计算机等设备无线上网的需求。

如果房间为上下层结构，下层房间的无线路由器，由于楼上的信号比较差，无法满足上层房间的上网需求。如果采用电力线适配器（电力猫），借用房间内的电力线就可以作为网线，只需要在楼上的插座中插入电力猫，就可以上网，由于很多适配器还具有Wi-Fi功能，楼上的房间里不仅可以实现有线网络连接，同时也具有无线信号，方便进行手机、平板电脑等移动设备的上网。图3-51是电力线传输的Wi-Fi无线网络。

电力线适配器还可作为高级无线网卡使用，在此模式下它会将接收到的外部Wi-Fi无线信号转换为有线信号，可以同时支持多台网络设备上网。在此模式下也可作为电力网络信号的发送端，为其他房间或者跨楼层的其他电力线适配器提供电力网络信号。 9wZd5YEBGvilE82Onq8nF6Yd3N1ZbPbJosggjuSrVibWCY4Z5i6acHqqpzRMO+2J