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第 3 章局域网

3.5 典型局域网的组网技术

3.5.1 10Mbps 以太网3.5.2 100Mbps 以太网3.5.3 1000Mbps 以太网3.5.4 万兆以太网3.5.5 光纤分布式数据接口3.5.6 异步传输模式

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3.5.1 10Mbps 以太网

1. 10 Mbps 以太网体系结构 IEEE802.3 以太网体系结构包括 MAC 子层和物理层。

物理层又分为物理信令 PLS 和物理媒体连接件 PMA 两个子层，并根据物理层的两个子层是否在同一个设备上实现。其体系结构示意图如 3.9 所示：

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图 3.9 10 Mbps 以太网体系结构

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PLS 子层向 MAC 子层提供服务，它规定了 MAC 子层与物理层的界面，是与传输媒体无关的物理层规范。在发送比特流时， PLS 子层负责对比特流进行曼彻斯特编码。在接收时，负责对曼彻斯特解码。另外， PLS 子层还负责完成载波监听功能。 PMA 子层向 PLS 子层提供服务，它负责往媒体上发送比特信号和从媒体上接收比特信号，并完成冲突检测功能。 IEEE 802.3 标准规定， PLS 子层和 PMA 子层可以在，也可以不在同一个设备中实现。比如：稍后讲的标准以太网（ 10Base-5 ）就是在网卡中实现 PLS 功能，在外部接收器中实现 PMA 功能的。所以在 10Base-5 以太网中，需要使用收发器电缆将外部收发器和网络站点连接起来，于是出现了两种 IEEE802.3 体系结构。见图 3.9 。

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MAC 子层的核心协议是 CSMA/CD ，它的帧结构如图 3.10

图 3.10 IEEE802.3 帧结构

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2. 10 Mbps 以太网组网方式最常用的基带 802.3 局域网有以下 4 种。

10Base-5 通常称为粗缆以太网。目前由于高速交换以太网技术的广泛应用，在新建的局域网中， 10Base-5 很少被采用。

10Base-2 通常称为细缆以太网。 10Base-2 使用 50Ω

细同轴电缆，它的建网费用比 10Base-5 低。目前 10Base-2

已很少被使用。

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10Base-T 是使用无屏蔽双绞线来连接的以太网，使用 2对 3 类以上无屏蔽双绞线，一对用于发送信号，另一对用于接收信号。为了改善信号的传输特性和信道的抗干扰能力，每一对线必须绞在一起。双绞线以太网系统具有技术简单、价格低廉、可靠性高、易实现综合布线和易于管理、维护、升级等优点。因此比 10Base-5 和 10Base-2 技术有更大的优势，也是目前还在应用的 10M 局域网技术。

10Base-F 是 10 Mbps 光纤以太网，它使用多模光纤作为传输介质，在介质上传输的是光信号而不是电信号。因此10Base-F 具有传输距离长、安全可靠、可避免电击等优点。由于光纤介质适宜相距较远的站点，所以 10Base-F 常用于建筑物之间的连接，它能够构建园区主干网。目前 10Base-F 较少被采用，代替它的是更高速率的光纤以太网。

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1. 快速以太网的体系结构快速以太网的传输速率比普通以太网快 10倍，数据传

输速率达到了 100Mbps 。快速以太网保留了传统以太网的所有特性，包括相同的数据帧格式、介质访问控制方式和组网方法，只是将每个比特的发送时间由 100ns降低到 10ns 。1995 年 9月， IEEE802委员会正式批准了快速以太网标准IEEE802.3u 。 IEEE802.3u 标准在 LLC 子层使用IEEE802.2 标准，在 MAC 子层使用 CSMA/CD方法，只是在物理层作了一些必要的调整，定义了新的物理层标准（ 100BASE-T ）。

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100BASE-T 标准定义了介质专用接口（ MII ， Media

Independent Interface ），它将 MAC 子层和物理层分开。使得物理层在实现 100Mbps 速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC 子层。 100BASE-T 可以支持多种传输介质，目前制定了三种有关传输介质的标准：100BASE-TX 、 100BASE-T4 、 100BASE-

FX 。 100BASE-T 的结构如图 3.11 所示：

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图 3.11 100Mbps 的协议结构

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2. 快速以太网的组网方式（ 1 ） 100BASE-TX

100BASE-TX 是 5 类无屏蔽双绞线方案，它是真正由10Base-T派生出来的。 100BASE-TX 类似于 10Base-T ，但它使用的是两对无屏蔽双绞线（ UTP ）或 150Ω 屏蔽双绞线（ STP ）。 100BASE-TX 是目前使用最广泛的快速以太网介质标准。 100BASE-TX 使用的 2 对双绞线中，一对用于发送数据，另一对用于接收数据。由于发送和接收都有独立的通道，所以 100BASE-TX支持全双工操作。

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（ 2 ） 100BASE-FX

100BASE-FX 是光纤介质快速以太网标准，它采用与100BASE-TX 相同的数据链路层和物理层标准协议。它支持全双工通信方式，传输速率可达 200Mbps 。

100BASE-FX 的硬件系统包括单模或多模光纤及其介质连接部件、集线器、网卡等部件。用多模光纤时，当站点与站点不经 HUB 而直接连接，且工作在半双工方式时，两点之间的最大传输距离仅有 412m；当站点与 HUB 连接，且工作在全双工方式时，站点与 HUB 之间的最大传输距离为 2km 。若使用单模光纤作为媒体，在全双工的情况下，最大传输距离可达 10km 。

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（ 3 ） 100BASE-T4

100BASE-T4 是 3 类无屏蔽双绞线方案，该方案使用 4 对 3类（或 4 类、 5 类）无屏蔽双绞线介质。它能够在 3 类 UTP 线上提供 100Mbps 的传输速率。双绞线段的最大长度为 100m 。目前这种技术没有得到广泛的应用。 100BASE-T4 的硬件系统与组网规则与 100BASE-TX 相同。

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3.5.3 1000Mbps 以太网

1. 千兆以太网的体系结构千兆以太网的传输速率比快速以太网快 10倍，数据传输率达到 1000Mbps 。千兆以太网保留着传统的 10Mbps

速率以太网的所有特征（相同的数据帧格式、相同的介质访问控制方式、相同的组网方法），只是将传统以太网每个比特的发送时间由 100ns降低到 1ns 。千兆以太网的协议结构如图 3.12 所示。

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3.5.3 1000Mbps 以太网

图 3.12 千兆以太网的协议结构

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3.5.3 1000Mbps 以太网

IEEE802.3z 标准在 LLC 子层使用 IEEE802.2 标准，在 MAC 子层使用 CSMA/CD方法。只是在物理层作了一些必要的调整，它定义了新的物理层标准（ 1000BASE-

T ）。 1000BASE-T 标准定义了千兆介质专用接口（ GMII,

Gigabit Media Independent Interface ），它将 MAC 子层与物理层分开。这样，物理层在实现 1000Mbps 速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC 子层。

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3.5.3 1000Mbps 以太网

2. 千兆以太网的组网方式 1998 年 IEEE802.3z工作组完成了 IEEE802.3z 标

准。 IEEE802.3z千兆以太网标准定义了三种介质系统，其中两种是光纤介质标准，包括 1000Base-SX 和 1000Base-

LX；另一种是铜线介质标准，称为 1000Base-

CX 。 1000Base-X 是 1000Base-SX,1000Base-LX 和1000Base-CX 的总称，都是基于 8B/10B 编码方案的千兆以太网。

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3.5.3 1000Mbps 以太网

1000Base-SX 是一种在收发器上使用短波激光作为信号源的媒体技术。这种收发器上配置了激光波长为 770~860nm （一般为800nm ）的光纤激光传输器，不支持单模光纤，仅支持 62.5μm 和50μm 两种多模光纤。对于 62.5μm 多模光纤，全双工模式下最大传输距离为 275m ，对于 50μm 多模光纤，全双工模式下最大传输距离为 550m 。 1000Base-SX 标准规定连接光缆所使用的连接器是 SC

标准光纤连接器。

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3.5.3 1000Mbps 以太网

1000Base-LX 是一种在收发器上使用长波激光作为信号源的媒体技术。这种收发器上配置了激光波长为1270~1355nm （一般为 1300nm ）的光纤激光传输器，它可以驱动多模光纤和单模光纤。使用的光纤规格为 62.5μm

和 50μm 的多模光纤， 9μm 的单模光纤。对于多模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离为 550m；对于单模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离可达 5km 。连接光缆所使用的是 SC 标准光纤连接器。

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3.5.3 1000Mbps 以太网

1000Base-CX 是使用铜缆的两种千兆以太网技术之一。1000Base-CX 的媒体是一种短距离屏蔽铜缆，最长距离达25m ，这种屏蔽电缆是一种特殊规格高质量的 TW 型带屏蔽的铜缆。连接这种电缆的端口上配置 9针的 D 型连接器。1000Base-CX 的短距离铜缆适用于交换机间的短距离连接，特别适用于千兆主干交换机与主服务器的短距离连接。

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3.5.4 万兆以太网

万兆以太网是一种数据传输速率高达 10Gbps 、通信距离可延伸到 40km 的以太网。它是在以太网的基础上发展起来的，因此，万兆以太网和千兆以太网一样，在本质上仍是以太网，只是在速度和距离方面有了显著的提高。万兆以太网继续使用 IEEE802.3 以太网协议，以及 IEEE802.3 的帧格式和帧大小。但由于万兆以太网是一种只适用于全双工通信方式，并且只能使用光纤介质的技术，所以它不需使用带冲突检测的载波监听多路访问协议 CSMA/CD 。

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1. 万兆以太网体系结构 10Gbps以太网的 OSI 和 IEEE 802层次结构仍与传统以太网相同，即 OSI层次结构包括了数据链路层的一部分和物理层的全部， IEEE 802层次结构包括MAC子层和物理层，但各层所具有的功能与传统以太网相比差别较大，特别是物理层更具有明显的特点。 10Gbps以太网体系结构如图 3.13所示。

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图 3.13 10Gbps 以太网体系结构

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2. 万兆以太网的技术特点万兆以太网有以下技术特性：

仅工作在全双工通信方式，不再使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD介质访问控制协议。只支持光纤介质。仍采用 IEEE 802.3 协议、以太网的帧格式和帧大小。采用 8B/10B 编码方案。万兆以太网的物理层，有两个标准，局域网标准和广域网标准。传输距离为 40km 。采用 XAUI 接口标准。

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3.5.5 光纤分布式数据接口

1. FDDI 的拓扑结构使用双环结构的令牌传递系统。 FDDI 网络的网络信息流量由类似的两条流组成，两条流以相反的方向绕着两个互逆环流动。其中一个环叫主环（ primary ring ） ,逆时钟发送，另一个环叫从环（ secondary ring ），顺时钟发送。如图 3-

14 ，

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图 3.14　 FDDI 双环结构　　　　图 3.15　故障时双环连成单环

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网络数据信号通常只在主环上流动，如果环失败， FDDI自动重新配置网络，数据可以沿反方向流到从环上去。

双环拓扑结构的优点之一是冗余，一个环用于传送，另一环用于备份。如果出现问题，其中主环断路，从环替代。若两者同时在一点断路，例如起火或电缆管道故障，两个环可连成单一的环，如图 3.15 所示，长度为原来的两倍。

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2. FDDI 的工作原理 FDDI 采用令牌传递的方法，实现对介质的访问控制。这一点与令牌环类似。不同的是，在令牌环中，数据帧在环路上绕行一周回到发送站点后，发送结点才释放令牌，在此期间，环路上的其他结点无法获得令牌，不能发送数据。所以，在令牌环望中，环路上只有一个数据帧在流动。在 FDDI 中，发送数据的站点在截获令牌后，可以发送一个或多个数据帧，当数据发送完毕，或规定时间用完，则立即释放令牌，而不管发出的数据帧是否绕型一周回到发送站点。这样，在数据帧还没有回到发送它的站点且被清除之前，其他站点有可能截获令牌。并且发送数据帧。所以，在 FDDI 的环路中可能同时有多个站点发出的数据帧在流动，这就提高了信道的利用率，增加了系统的吞吐量。

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在正常情况下 FDDI 中主要存在以下一些操作，

传递令牌。在没有数据传送时，令牌一直在环路中绕行；每个站点如果没有数据要发送，就转发令牌。

发送数据。如果某个站点需要发送数据，当令牌传到该站点时，不再转发令牌，而是发送数据。可以一次发送多个数据帧。当数据发送完毕或到时，则停止发送，并立即释放令牌。

转发数据帧。每个站点监听经过的数据帧，如果不属于自己，就转发出去。

接收数据帧。当站点发现经过的数据帧属于自己，就复制下来，然后转发出去。

清除数据帧。发送站点与其他站点一样，随时监听经过的帧，发现是自己发出的帧就停止转发。

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3. FDDI 的特点 FDDI 作为高速局域网介质访问控制标准，与IEEE802.5 标准相似，有如下特点。

用基于 IEEE802.5 的单令牌的环网介质访问控制 MAC 协议。

使用 IEEE802.2LLC 协议，与符合 IEEE802 标准的局域网兼容

数据传输速率为 100Mbps ，联网结点数不多于1000 ，环路长度为 100km 。

可以使用双环结构，具有容错能力。可以使用多模或单模光纤。具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据

传输。

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4. FDDI 的应用环境计算机机房网（后端网络），用于计算机机房中大型计算机与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。

办公室或建筑物群的主干网（前端网络），用于连接大量的小型机、工作站、个人计算机与各种外设。

校园网的主干网，用于连接分布在校园中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。

多校园的主干网，用于连接地理位置相距几公里的多个校园网、企业网，成为一个区域性的互连多个校园网、企业网的主干网。

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3.5.6 异步传输模式

1. ATM 的基本概念 ATM 是一种高速分组交换技术。分组交换的基本数据传

输单元是分组，而 ATM 的基本数据传输单元是信元。信元有一个 5字节的信元头（ header ）与一个 48字节的用户数据，其结构如图 3.16

图 3.16 ATM 信元结构

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ATM 网络是一种异步传输方式，是在时分复用（ TDM ）和同步传输（ STM ）的基础上发展起来的。与之不同的是，其信元传输所占用的时隙并不固定，这就是所谓的统计时分复用

2. ATM 的工作原理物理链路（ physical link ）是连接 ATM 交换机— ATM

交换机， ATM 交换机— ATM 主机的物理线路。每条物理链路可以包括一条或多条虚通路 VP （ VP ， Virtual Path ），每条虚通路 VP 又可以包括一条或多条虚通道VC （ VC ， Virtual Channel ）。

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3.5.6 异步传输模式ATM 网的虚连接可以分为两级：虚通路连接（ VPC ， Virtual Path Connection ）与虚通道连接（ VCC ， Virtual Channel Connection ）。

在虚通路一级，两个 ATM端用户间建立的连接被称为虚通路连接，而两个 ATM 设备间的链路被称为虚通路链路（ VPL ， Virtual Path Link ）。那么，一条虚通路连接是由多段虚通路链路组成的。每一段虚通路链路 VPL都是由虚通路标识符（ VPI ， Virtual Path Identifier ）标识的。每条物理链路中的 VPI值是唯一的。

在虚通道一级，两个 ATM端用户间建立的连接被称为虚通道连接，而两个 ATM 设备间的链路被称为虚通道链路（ VCL ， Virtual Channel Link ）。虚通道连接 VCC 是由多条虚通道链路 VCL 组成的。每一条虚通道链路 VCL都是由虚通道标识符（ VCI ， Virtual Channel Identifier ）标识的。

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3. ATM 局域网 ATM 局域网有以下几种类型：

作为连接到 ATM 广域网的网关。 ATM 交换机的作用好比路由器和集线器，把 LAN 连接到 ATM 广域网。

主干 ATM 交换机。可以是互连其他局域网的单个ATM 交换机或者 ATM 交换机局域网。

工作组 ATM 。把高性能的多媒体工作站及其端系统直接连到 ATM 交换机。

一个 ATM 局域网可能是以上几种类型的组合。

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4. ATM LAN 仿真 ATM仿真的目的是使传统局域网站点能通过 ATM 网实

现互操作。通过允许传统局域网上的站点不需改变网络软件和应用软件就能通过 ATM 主干网传送数据，使传统 LAN 和ATM LAN 实现共存。

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