第5章傳統局域網5.1局域網概述5.2局域網的體系結構5.3以太網和IEEE802.3標準5.4令牌環網和IEEE802.5標準5.5令牌總線網與IEEE802.4標準5.6局域網的擴展習題5.1局?域?網?概?述自20世紀70年代末以來，微型計算機的廣泛應用推動了計算機局域網(LAN，LocalAreaNetwork)技術的飛速發展，并在計算機網絡中占有非常重要的地位。一般來說，局域網有以下主要特點：

(1)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。

(2)所有的站共享較高的總帶寬(即有較高的數據傳輸速率)。

(3)較低的時延和較低的誤碼率。

(4)各站為平等關系而不是主從關系。

(5)能進行廣播(一站向其他所有站發送)或多播(一站向多個站發送，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，它沒有一個絕對的標準。一個工作在多用戶系統下的小型計算機，也基本上可以完成局域網所能做的工作。兩者相比，局域網更具備如下的主要優點：

(1)能方便地共享昂貴的外部設備、主機以及軟件、數據等，從一個終端可訪問全網。

(2)便于系統的擴展和逐漸地演變。

(3)提高了系統的可靠性、可用性和殘存性。

(4)響應速度較快。

(5)各設備的位置可靈活調整和改變，有利于數據處理和辦公自動化。通常局域網按網絡拓撲進行分類，主要有：星形網(圖5-1(a))。它是集中式控制。近年來由于集線器(HUB)的出現和雙絞線大量用于局域網中，星形網以及多級結構的星形網獲得了非常廣泛的應用。環形網(圖5-1(b))。最典型的就是令牌環形網(TokenRing)。總線型網(圖5-1(c))。各站直接連在總線上。圖5-1局域網拓撲結構(a)星形網；(b)環形網；(c)總線網局域網可以使用多種傳輸介質。雙絞線價格最低廉，原來只用于低速(1～2?Mb/s)基帶局域網，現在10?Mb/s、100?Mb/s甚至1?Gb/s的局域網也可以使用雙絞線。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中(數據率約為20～50?Mb/s)。光纖具有很好的抗電磁干擾特性和很寬的頻帶，主要用在環形網中，其數據率可達100?Mb/s或甚至達到1?Gb/s。局域網的核心技術問題是介質訪問的控制策略，上一章介紹的共享信道技術就是討論局域網中介質訪問的核心問題。5.2局域網的體系結構5.2.1IEEE802參考模型在20世紀80年代初期，美國電氣和電子工程師學會(IEEE802)委員會首先制定了局域網的體系結構，即著名的IEEE802參考模型。許多802標準現已成為ISO國際標準。局域網的體系結構與廣域網相比有很大的區別。由于局域網只是一個計算機通信網，它用帶地址的幀來傳送數據，而且網絡中不存在中間交換，所以不要求有路由選擇問題，因此它不需要網絡層，而只有最低的兩個層次。另一方面，不同的網絡拓撲結構，其訪問控制的方法也各不相同，遠不像廣域網那么簡單。為了使局域網中的數據鏈路層不過于復雜，802將局域網的數據鏈路層劃分為兩個子層討論。即介質訪問控制(MAC，MediumAccessControl)子層和邏輯鏈路控制(LLC，LogicalLinkControl)子層。而網絡的服務訪問點SAP則在LLC層與高層的交界面上，如圖5-2所示。由此可見，802局域網的參考模型只相當于OSI的最低兩層。但應注意，802參考模型中還包括了對傳輸媒體和拓撲結構的規格說明，而這部分內容按照OSI的觀點，已經不在OSI環境之內(比OSI的最低層還要低)。然而對于局域網來說，傳輸媒體和拓撲結構又特別重要，因此在802參考模型中就包括了這部分內容。圖5-2局域網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。●為進行同步用的前同步碼的產生與去除。●比特的傳輸與接收。有關接入各種傳輸介質的問題都屬于MAC子層，其主要功能有：●負責物理層基礎上的無差錯的通信。●將上層傳遞下來的數據封裝成幀進行發送，接收時進行相反的過程，即將幀拆卸。●實現和維護MAC協議。●比特差錯檢測。●尋址。與介質訪問無關的部分都集中在邏輯鏈路控制LLC子層，其主要功能有：●建立和釋放數據鏈路層的邏輯連接。●提供與高層的接口。●差錯控制。●給幀加上序號。圖5-3表明了LLC子層與MAC子層的關系。從圖中可以看出，在LLC子層的上面看不到具體的局域網，或者說局域網對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準的局域網(總線網、令牌總線網或令牌環形網)。圖5-3局域網對LLC子層是透明的

IEEE802委員會現有以下13個分委員會，共同構成了802體系結構(如圖5-4所示)，其制定的標準有：●802.1(A)——概述、體系結構。●802.1(B)——尋址、網絡管理、網間互連及高層接口。●802.2——邏輯鏈路控制LLC。這是高層協議與任何一種局域網MAC子層的接口。●802.3——CSMA/CD。定義CSMA/CD總線網的MAC子層和物理層的規范。●802.4——令牌總線網(TokenBus)。定義令牌傳遞總線網的MAC子層和物理層的規范。●802.5——令牌環形網(TokenRing)。定義令牌傳遞環形網的MAC子層和物理層的規范。●802.6——城域網MAN。定義城域網的MAC子層和物理層的規范。●802.7——寬帶技術。●802.8——光纖技術。●802.9?——綜合話音數據局域網接口(LAN-ISDN)。●802.10?——可互操作的局域網安全規范(SILS)●802.11——無線局域網(WirelessLAN)。●802.12——優先級高速局域網(100VGANYLAN)。●802.L4——電纜電視(Cable-TV)。圖5-4IEEE802體系結構從局域網參考模型可看出，局域網鏈路層有兩種不同的協議數據單元：LLCPDU和MAC幀。高層的協議數據單元被送到LLC層，加上適當的首部就構成了LLC子層的協議數據單元LLCPDU。LLCPDU再被向下送到MAC層時，加上適當的首部和尾部，就構成了MAC子層的協議數據單元MAC幀(后面提到“幀”時泛指MAC幀，而不是LLCPDU)。圖5-5反映了LLCPDU和MAC幀的關系。關于首部和尾部的具體內容將在后面各節陸續介紹。圖5-5LLC?PDU和MAC幀的關系5.2.2邏輯鏈路控制LLC子層

1．邏輯鏈路控制子層的服務訪問點LLCSAP一個主機中可能有多個進程在運行，它們可能同時與其他的一些進程(在一個主機或多個主機中)進行通信。因此，在一個主機的LLC子層上面應設有多個服務訪問點，以便向多個進程提供服務。圖5-6所示的局域網上共有三個主機。主機A的一個進程X欲向主機C中的某個進程發送報文，于是X要通過主機A的LLC子層的一個服務訪問點SAP1請求與主機C的服務訪問點SAP1建立連接。主機A的LLC發出的連接請求幀如何找到主機C呢？這就要求在主機A發出的MAC幀中放入主機A在網絡中的源地址和主機C在網絡中的目的地址。圖5-6MAC地址與SAP地址可見在網絡中的進程通信時，需要有兩種地址：

(1)MAC地址，惟一標識主機在局域網中的站地址或物理地址，它由MAC幀負責傳送。

(2)SAP地址，標識進程在某一個主機中的地址，即LLC子層上面的服務訪問點SAP地址，它由LLC幀負責傳送。這就是說，網絡中的尋址要分兩步走：第一步是用MAC幀的地址信息找到網絡中的某一個主機；第二步是用LLC幀的地址信息找到該主機中的某一個服務訪問點SAP。這樣，從主機A發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，而圓括弧中的數字則是在相應主機LLC子層上面的SAP地址。將SAP地址放在圓括弧中是為了強調指出，在MAC子層中看不見LLC子層的SAP地址。只有剝去MAC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C空閑，就返回一個接收連接的幀。此后，所有從主機A的進程X發給主機C的幀，都包括源地址A(1)和目的地址C(1)。凡發給地址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)發給地址A(1)的幀，也同樣要被拒收。現在假定還有一個進程Y和主機A的SAP2連接上，并要和主機B的SAP1交換數據。這時，從A(2)到B(1)也可建立一條連接。同理，進程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。這個例子表明多個SAP可復用一條數據鏈路。以上所說的多個進程同時通信的概念是非常重要的。當一個LLC有多個服務訪問點時，不同的用戶使用不同的服務訪問點可以做不同的事情。例如，有的用戶通過某些服務訪問點使用網際協議IP，另外的一些用戶通過別的服務訪問點使用以太網，可能還有一些用戶又通過某些服務訪問點使用Novell公司的NetWare局域網。這些不同類型的用戶同時使用同一個站的LLC層的服務，并在一個局域網上互相不干擾地同時工作著。這也就是LLC層的復用功能。應當注意，一個用戶可同時使用多個服務訪問點，但一個服務訪問點在一個時間只能為一個用戶使用。

2．LLC子層提供的服務

LLC子層向上可提供四種不同類型的服務。

1)操作類型1服務(LLC1)這是一種不確認的無連接數據報服務，數據報不需要確認，實現起來最簡單，因而在局域網中得到了最廣泛的應用。這時，端到端的差錯控制和流量控制由高層(通常是運輸層)協議來提供。這種服務可用于點對點通信、對所有站點發送信息的廣播通信和只向部分站點發送信息的組播通信。由于局域網的傳輸差錯率比廣域網要低得多，所以在鏈路層不進行確認也是可以的。

2)操作類型2服務(LLC2)這是一種面向連接的虛電路服務。由于每次通信都要經過連接建立、數據傳送和連接斷開這三個階段，因此需要有一定的開銷。但是當站點是個很簡單的終端時，由于沒有復雜的高層軟件，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，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據文件。

3)操作類型3服務(LLC3)這是一種帶確認的無連接服務。它適用于傳送某些非常重要且時間性也很強的信息。例如在一個過程控制或自動化工廠的環境中的警告信息或控制信號。這時如不做確認，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送數據。這種服務也就是所謂的“可靠的數據報”傳輸。

4)操作類型4服務(LLC4)這是一種高速傳送服務。

3．LLCPDU的結構

LLCPDU的結構和HDLC幀很相似。它共有4個字段：目的服務訪問點DSAP字段、源服務訪問點SSAP字段、控制字段和數據字段。圖5-7是LLCPDU前三個字段的具體結構。從PDU結構看出，地址字段共兩個字節，目的服務訪問點DSAP和源服務訪問點SSAP都各占一個字節。

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

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

LLCPDU的控制字段為兩個字節(當LLCPDU為信息PDU或監督PDU時)或一個字節(當LLCPDU為無編號PDU時)。信息PDU和監督PDU的控制字段與HDLC的擴展控制字段格式一樣，其序號按模128進行編號。無編號PDU與HDLC的情況一樣。

LLCPDU的數據字段長度并無限制，但都應是整數個字節。當MAC幀的長度受限時，由于MAC幀的首部和尾部的長度在不同的局域網中都有明確的規定，因此LLCPDU的長度實際上也并不是沒有限制的。5.2.3介質訪問控制MAC子層在局域網中，介質訪問控制要解決的重要問題之一是尋址問題。網絡尋址首先要對網絡主機進行惟一標識，并通過該標識確定主機在網絡中的位置。802標準為局域網主機規定網絡地址(也叫物理地址)的命名方法。這是一種48bit的全局地址，這個地址意味著當一個站接入到另一個局域網時，其全局地址并不改變。使用48?bit(6字節)的地址字段可使全世界所有局域網上的站都具有不相同的地址，IEEE作為全球局域網物理地址的法定管理機構，它負責分配地址字段的6個字節中的前3個字節(即高24?bit)。凡要生產局域網網卡的廠家都必須向IEEE購買由這3個字節構成的一個號(稱為“地址塊”或“廠商代碼”)，而地址字段中的后3個字節(即低24?bit)則是可變的，由廠家自行分配。可見用一個地址塊可以生成224個不同的地址。通常在生產網卡時，這個6字節的MAC地址已被固化在網卡中。

IEEE還規定：對于地址字段的第1個字節的最低位I/G比特，當I/G比特為0時，地址字段表示一個單播的站地址；當I/G比特為1時，表示組地址。因此，IEEE只分配地址字段的前3個字節中的23?bit。一個地址塊可以分別生成224個單播地址和224個組地址。

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字節的最低第2位規定為G/L比特。當G/L比特為1時，表示是全局管理，廠商購買的地址塊都屬于全局管理。當G/L比特為0時，表示是局部管理，這時用戶可任意分配網絡上的地址。這樣，在全局管理時，對每一個站的地址可用46?bit二進制數字來表示(最低位為0和最低第2位為1時)，46?bit組成的地址空間可以有超過70萬億個地址，保證全球上每一個網絡站點都可有一個惟一的物理地址。以上所講的物理地址或MAC地址，也就是通常所說的計算機的硬件地址(HardwareAddress)。在計算機網絡中，硬件地址的作用就是用來尋找所要進行通信的計算機。網卡從網上每收到一個MAC幀就首先檢查其硬件地址。如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他處理。這樣就可不浪費主機的處理機和內存資源了。對于接收的數據幀，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)：發送給所有站點的幀(全1地址)。組播幀(Multicase)：發送給一部分站點的幀。5.3以太網和IEEE802.3標準5.3.1IEEE802.3局域網概述以太網(Ethernet)是一種基帶總線局域網，以基帶無源同軸電纜作為傳輸介質，采用CSMA/CD控制協議，如圖5-7所示。以太網最初是由美國施樂(Xerox)公司著名的PaloAlto研究中心于1975年研制成功的第一個CSMA/CD系統，當時的傳輸率為2.94?Mb/s。用“以太”這個名字是歷史上表示電磁波的以太來命名的。以太網的推出獲得了巨大成功，1980年，Xerox、DEC和Intel公司聯合起草了以太網標準，并于1982年發表了第2版本的以太網標準。1985年，IEEE802委員會吸收以太網為IEEE802.3標準，并對其進行了修改。以太網標準和IEEE802.3標準的主要區別是：以太網標準只描述了使用50Ω同軸電纜、數據傳輸率為10Mb/s的總線局域網，以及以太網ISO數據鏈鏈路層和物理層的全部內容。而IEEE802.3標準描述了運行在各種介質上的數據傳輸率從1Mb/s～10Mb/s的所有采用CSMA/CD協議的局域網，IEEE802.3標準只定義了ISO參考模型中的數據鏈路層的一個子層(即介質訪問控制MAC子層)和物理層，而數據鏈路層的邏輯鏈路控制LLC子層由IEEE802.2描述。另外，以太網和IEEE802.3在幀格式上有所不同。5.3.2物理層標準

IEEE802.3支持不同的物理層標準，這些不同的標準意味著IEEE802.3可以使用不同的傳輸介質和物理層接口，如表5-1所示。計算機與傳輸電纜的連接是通過主機箱內插入一塊網絡接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)來進行的。NIC又稱為“通信適配器”(Adapter)，俗稱“網卡”。根據不同物理層標準，有不同的接口標準。網絡接口卡的主要功能是：●數據的封裝和解封。發送時將來自LLC子層的PDU加上MAC子層的首部和尾部，組成MAC幀。接收時將MAC幀去掉首部和尾部，交給上層LLC子層。●實現CSMA/CD協議的數據鏈路管理。●實現比特流的曼徹斯特編碼與譯碼。在10Base5標準(俗稱“粗以太電纜”)下，電纜每隔2.5?m有一個標記，表明是收發器的接入處，收發器在接入處被牢牢地夾在電纜上，使得收發器觸針接觸到電纜內芯。收發器是組網的關鍵部件，它的主要功能是：向電纜發送來自站點的數據和接收來自電纜的數據送給計算機；檢測電纜上發生的數據幀沖突；同軸電纜和網絡接口之間電氣隔離。網卡通過收發器電纜(也叫“連接接口單元”)與收發器相連。在同軸電纜兩端還要接上終端負載(也叫“終結器”)，以消除信號傳輸到電纜端點時所產生的電磁波反射。在10Base2標準(俗稱“廉價以太網”)下，電纜改用細同軸電纜，網卡接口采用BNC連接器(T形接頭)，因而這種細電纜的以太網比較靈活、可靠、價格低廉、安裝方便。網卡通過一個無源的BNC接頭直接與電纜相連，不需要收發器電纜，收發控制電路被集成在網卡上。上述兩種標準使用的電纜都存在電纜斷裂、接頭損壞或松動的潛在隱患。為更好地解決電纜的連接故障，廣泛采用一種新的組網方法，即將所有的站點通過雙絞線連接到中心集線器(HUB)上構成星形結構，這種連接方式稱為10Base-T標準。在10Base-T標準下，網絡站點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，因此它的應用越來越廣。它的缺點是站點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在物理上是一個星形網，但實際上，集線器是使用電子器件來模擬實際電纜進行工作的，因此整個系統仍然是一個以太網在工作。也就是說，使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，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”。一個集線器有多個端口(8個、16個甚至更多)，每個端口通過RJ45插座用兩對雙絞線與一個工作站上的網卡相連。因此，集線器看上去很像一個多端口的轉發器。它的每一個端口都具有發送和接收數據的功能，當某一個端口接收到工作站發來的有效幀時，就將該幀轉發到所有其他各端口。一般集線器還要進行自適應串音回波抵消，這樣就可以使端口轉發出去的較強信號不致對該端口接收到的較弱信號產生干擾(稱做近端串音)，數據在轉發之前還要進行再生整形和重新定時。為了組成較大的局域網，可以將多個集線器連接成多級星形結構的網絡。幾個集線器本身可以堆疊在一起提供更多的端口。有的集線器具有網管功能，對網絡進行管理和檢測。5.3.3MAC子層和幀結構

IEEE802.3?MAC子層包括幀格式和CSMA/CD協議兩部分，有關CSMA/CD協議前面已經介紹過了。關于總線網使用的幀結構有兩種標準，一個是802.3標準，另一個是DIXEthernetV2以太標準。

1．幀格式圖5-8表示了兩種標準的MAC幀結構，它們都是由7個字段組成。對于IEEE802.3幀來說，由于它的高層協議是基于邏輯鏈路控制子層(LLC)，即IEEE802.2標準的，因此在以太網，DATA字段的位置被LLCPDU取代。圖5-8IEEE802.3和以太網的幀結構前導碼：包含了7個字節的二進制“1”和“0”間隔的代碼，即1010…10共56?bit。當幀在介質上傳輸時，接收方就能建立起位同步，因為在使用曼徹斯特編碼情況下，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字節的10101011二進制序列，此碼一列表示實際一幀開始，以使接收器對實際幀的第一位定位。目的地址(DA)：它指明幀發往目的站的地址，共6個字節。可以是一個惟一的地址，即單址(代表單個站)，或一個組播地址(代表一組站)，或一個廣播地址(代表所有站)。當目的地址出現組播地址時，即表示該幀被一組站同時接收。當目的地址出現廣播地址時，即表示該幀被局域網上所有站同時接收。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)：它指明發送該幀的站地址，與DA一樣占6個字節。類型(TYPE)：共占2個字節。它指出高層所使用的協議(如IP、IPX協議等)。但802.3幀結構中用長度字段(L)取代以太幀結構中的類型字段。L指出LLCPDU的字節數，范圍在46～1500字節，小于46字節用0填充。為了使兩種幀相互兼容，即都能在網上正常發送和接收，怎樣處理TYPE和L字段是關鍵。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，按以太幀結構來處理；反之則按IEEE802.3幀結構處理。實際處理時，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的檢驗范圍除前導碼、SFD和FCS以外的所有幀的內容，即從DA開始至DATA結束的CRC檢驗值反映在FCS中。當發送站發出幀時，邊發送邊逐位進行CRC檢驗，最后形成一個32位CRC檢驗和并填入幀尾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行CRC檢驗。最后接收站形成的檢驗和與幀FCS字段進行比較，若相同，則表示傳輸的幀未被破壞。反之，接收站認為幀被破壞，并通過一定的機制要求發送站重發該幀。

2．性能分析為應用方便，一般不限制最大幀長度，將用戶數據報一次性發送完，既節省軟件開銷，又可提高網絡利用率。特別是802.3這種爭用型網絡，幀越短，為發送一次數據所需的競爭次數就越多，發生沖突的幾率就大，沖突碎片也要占用一定的網絡帶寬。因此理論分析和實際檢測都表明：數據幀長，網絡的有效利用率就越高。數據幀長度受兩個因素影響：一是網絡平均響應時間，幀越長，一次占用信道的時間就越長，其他站點等待發送所需的時間也就越長；二是緩沖區的限制，緩沖區大小選取最大幀長度為1518字節(其中1500字節為實際數據)。為了對802.3進行性能分析，首先定義幾個性能分析中常用的參數：吞吐量(S)表示網絡所傳輸的數據量；利用率(U)表示網絡吞吐量與總容量的比值；電纜傳播延遲(τ)和網絡數據傳輸率(R)。

τ反映了傳輸介質的長度，R與τ的乘積決定以太網性能。假設有兩個以太網，一個以太網數據傳輸率為500?Mb/s，電纜長度為1?km；另一個以太網數據傳輸率為10Mb/s，電纜長度為50?km。因其Rτ相等，故這兩個以太網的性能相差無幾。Rτ乘積的物理意義是：傳輸介質等價的比特長度，即傳輸介質能夠容納的比特數。因為信號在介質上的傳播速度是個常數，約等于2×108m/s(約為光速的2/3)，所以對于一個數據傳輸率為10Mb/s的以太網來說，500?m長的電纜等價于25比特。圖5-9U對的關系曲線5.3.4交換式以太網過去10?Mb/s以太網的數據傳輸速率對大部分用戶來說可能夠用，但是現在局域網上的用戶數明顯增加了，特別是多媒體技術廣泛使用后，大量多媒體數據需要在網絡上傳輸，要求網絡有更高的數據傳輸速率，現有局域網的數據傳輸速率就往往成為整個系統的瓶頸。在這種情形下，一種交換式以太網應運而生。在交換式以太網中使用的一種交換式集線器(SwitchingHub)顯著地提高了網絡的性能。交換式集線器的主要特點是：所有端口平時都不連通，當工作站需要通信時，交換式集線器能同時連通許多端口，使每一對端口相互通信的工作站都能像獨占通信介質那樣進行無沖突地傳輸數據。通信完成后就斷開連接。對于普通10?Mb/s共享式以太網，若共有N個用戶，則每個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，雖然數據率還是10?Mb/s，但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他用戶共享傳輸介質的帶寬，因此，對于擁有N對端口的交換式集線器，其總容量就是N×10?Mb/s。這點正是交換式集線器的最大優點。從共享總線以太網或10BASE-T以太網遷移到交換式以太網時，所有接入設備的軟件、硬件和網卡等都不需要作任何改動。也就是說，所有接入的設備繼續使用CSMA/CD協議。此外，只要增加集線器的容量，整個系統的容量是很容易擴充的。圖5-10說明了這幾種以太網的區別。對于傳統的共享總線以太網(如圖5-10(a)所示)，當計算機B向計算機A發送數據時，數據幀是在整個總線上廣播。計算機C和D都能收到B的數據幀，只不過因目的地址不對，才將這些數據幀丟棄。在一個總線上，在一個特定時刻只能有一個站發送數據。圖5-10(b)將總線換成了共享媒體集線器，整個情況和上一種情況相似。集線器總的容量仍為10?Mb/s，而在任一時刻只能有一個站發送數據。但圖5-10(c)的情況就不同了。當計算機B向A發送數據時，計算機C還可以向D發送數據。每一臺計算機獨占10?Mb/s的傳輸資源，因而交換式以太網總的容量為N×10?Mb/s，這里N是集線器擁有的端口數。圖5-10三種以太網的主要區別交換式集線器的交換方式有兩種：●存儲轉發交換。這種方式的集線器就像一個分組結點交換機。它從一個輸入端口接收一個幀，暫存后再根據其目的地址轉發到適當的輸出端口。●直通交換。這種方式利用了目的地址處于MAC幀最前面的這一特點。從端口接收的數據幀不必先緩存后再進行處理，而是在接收數據幀的同時就立即按數據幀的目的地址決定該幀的轉發端口。這就使得轉發速度大大提高。由于這種交換機內部采用了基于硬件的交叉矩陣，其交換時延僅為30?ms左右。對于多媒體應用，直通式交換是一種很好的方法。直通交換的一個缺點是它不檢查CRC就直接將幀轉發出去，因此也有可能將一些無效幀轉發給其他的站。在某些情況下，仍需要采用基于軟件的存儲轉發方式進行交換。交換式集線器的發展與建筑物結構化布線系統的普及應用密切相關。在結構化布線系統中，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現虛擬局域網VLAN(VirtualLAN)。這里要指出，虛擬局域網其實只是給用戶提供的一種服務，而不是一種新型的局域網。圖5-11給出了使用了四個交換式集線器的網絡拓撲。設有10個工作站分配在三個樓層中，構成了三個局域網，即：

LAN1：(A1，A2，B1，C1)；

LAN2：(A3，B2，C2)；

LAN3：(A4，B3，C3)。圖5-11三個虛擬局域網VLAN1、VLAN2、VLAN3的構成但這10個用戶劃分為3個工作組，即：A1-A4；B1-B3；C1-C3。從圖5-11可看出，每一個工作組的工作站都處在不同的局域網中，也不在同一層樓中。但是，可以利用交換集線器將這10個工作站劃分為三個虛擬局域網：VLAN1、VLAN2和VLAN3。在虛擬局域網上的每一個站都可以聽到同一個虛擬局域網上的其他成員所發出的廣播。例如，工作站B1-B3同屬于虛擬局域網VLAN2。當B1向工作組內成員發送數據時，工作站B2和B3將會收到廣播的信息，雖然它們沒有和B1連在同一個集線器上。相反，B1發送數據時，工作站A1、A2和C1都不會收到B1發出的廣播信息，雖然它們都與B1連接在同一個集線器上。交換式集線器不向虛擬局域網以外的工作站傳送B1的廣播信息。這樣，虛擬局域網限制了接收廣播信息的工作站數，使得網絡不會因傳播過多的廣播信息(即所謂的“廣播風暴”)而引起性能惡化。在共享傳輸媒體的局域網中，網絡總帶寬的絕大部分都是由廣播幀消耗的。由于虛擬局域網是用戶和網絡資源的邏輯組合，因此可按照需要將有關設備和資源非常方便地重新組合，使用戶從不同的服務器或數據庫中存取所需的資源。5.4令牌環網和IEEE802.5標準5.4.1令牌環概述令牌環(TokenRing)是環形網的一種(如圖5-12所示)，其技術的核心是使用了一個稱之為“令牌”(也叫“通行證”)的特殊比特串，當環上所有的站點都處于空閑時，令牌沿著環不停繞行。當某一站想發送幀時必須等待，直至檢測到令牌經過該站點為止。這時該站可以用改變令牌中特定位的值的方法將令牌抓住，并將令牌轉變成數據幀的前導定界符。同時，該站點將自己要發送的數據附加上去發送。由于環上只有一個令牌，因此一次只能有一個站點獲取令牌后發送，其他站點想發送就必須等待。發送站發送的幀在環上繞行一圈后又回到原地，發送站還要負責將數據從環中刪除。發送站在下列兩個條件都符合時將在環上插入一個新的令牌：●該站已完成其幀的發送。●該站所發送的幀的前導已繞環一周回到了本站。如果環的等效比特長度小于幀的長度，則第一項條件將隱含著第二項條件。反之，一個站在完成發送后，從理論上講是可以釋放一個令牌的，因而第二項條件并不是必要的。但是，只滿足第一條件有可能導致多個幀同時在環上，使令牌環網的差錯控制問題更加復雜化。這樣，在任何情況下，使用令牌機制可以保證在某個時刻只有一個站正在發送數據。當某站釋放一個新的令牌時，它下游的第一站若有數據要發送，就能夠抓住這個令牌并進行數據發送。令牌環的設計隱含著這樣一個問題：即當環中所有站點都空閑時，環本身必須有足夠的時延來容納一個完整的令牌在環內不停地旋轉。這個時延由每個站點引入的1比特時延和信號在環上的傳播時延兩部分組成。對于所有的環，設計者必須考慮到各站點關機時所導致的1比特時延的損失。這就意味著，對于短環，當有站點從環中移出時，需要自動向環中插入時延以保證環足夠容納一個完整的令牌。環接口有偵聽和發送兩種模式，如圖5-12(b)、(c)所示。在偵聽模式時，數據在環接口經過1比特延遲后輸出到環上。只有當站點抓住令牌時才可以進入發送模式。在發送模式下，接口截斷輸入輸出連接，并將自己的數據放到環上。當數據幀在環上旋轉一周又回到發送站點時，發送站點將其從環中移走。發送站點或將其保存起來與發送前的數據進行比較以檢測環的可靠性，或將其丟棄。當數據幀的最后一位返回發送站點時，環接口必須立即切換到偵聽模式，并重新產生令牌。圖5-12令牌環網和IEEE802.5的拓撲結構(a)環網；(b)偵聽模式；(c)發送模式當環的通信量很小時，令牌在大部分時間內都在環內空轉。然而當通信量很大，每個站點都有大量數據要發送時，一旦某個站點發送完畢釋放令牌，它的下一個站點就會立即抓住這個令牌并發送數據，這樣相當于令牌輪流在每個站點之間傳遞。在網絡負載相當重的情況下網絡的效率將近100%。令牌環網最早是由IBM公司開發的，它支持4?Mb/s和16?Mb/s兩種數據傳輸率。后來，IEEE將其定義為802.5標準。下面是按照IEEE802.5標準來討論。

IEEE802.5標準在物理層上要求使用屏蔽雙絞線，數據傳輸率可以為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據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識符和結束標識符中引入“高-高”和“低-低”電平，以便將其與正常數據區分開。5.4.2MAC子層與幀結構

IEEE802.5的MAC協議的工作過程：當環上的站點沒有數據發送時，令牌一直在環上繞行，并等待某個有數據要發送的站點將其抓獲。某站點要發送數據就把令牌中的某個特定位由0變為1，將其從令牌變為數據幀的一部分，然后站點輸出正常數據幀的其余部分，如圖5-13所示。圖5-13令牌環的工作原理在令牌環網中，站點抓住令牌后是否可以無限制地發送數據呢？實際上，環形網中的每個站點都有一個令牌保持時間定時器THT(TokenHoldingTimer)，由THT控制站點擁有令牌時間。THT的時間一般為10?ms，環形網也可以在初始化時設置其值。由于數據幀的第1位將會遍歷整個環，并在整個幀發送完之前就回到發送站點，因此發送站點在發送新幀之前，必須把環中的內容吸空。在發送完第1幀后，若余下的時間可以發送更多的幀，站點可以進行相應數據發送。當待傳幀發送完畢或者在發送另外一幀將超過令牌保持時間時，站點要釋放令牌以便下一個站點可以發送數據。

IEEE802.5有令牌和數據/命令幀兩種格式，如圖5-14所示。令牌占用3個字節，有一位用于標記令牌忙/閑。當令牌為閑時，表明環上沒有站發送數據，當它為忙時，就變成一幀的幀首序列，其后面跟著一個數據/命令幀的其余部分。圖5-14IEEE802.5的MAC幀結構幀結構中各項含義如下：

(1)起始：令牌很短，只有3字節長。而數據/命令幀可能很長。不管是哪一種，都各有一個起始字段和結束字段。這兩個字段中都各有4?bit是在MAC幀的其他任何地方都不可能出現的“特殊比特”。802.5也是采用基帶曼徹斯特編碼，即在每一個比特的正中間一定有一個正的或負的跳變。所謂“特殊比特”是指在每個比特的中間不出現這種跳變，整個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標準就用包含有這種特殊比特的字段表示令牌或數據幀的開始和結束。

(2)接入控制：令牌的第2字節為接入控制字節，其中第4位比特稱為“令牌比特”(T比特)，這是個關鍵的比特。數據/命令幀的第2字節也是接入控制字節。若T＝0，則表示令牌，而T＝1就表示該幀是數據/令牌幀。所以“截獲令牌”就是將此接入控制字節中的T比特由0變為1，然后丟棄令牌的結束字段，并把數據/命令幀第三個字節起的各字段都加上去，成為一個要發送的幀格式。

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

(4)優先級比特：在有優先級的環路中，3個優先級比特PPP可構成8種不同的優先級(從000到111)。站點的優先級在環初始化時就已確定，而令牌的優先級則根據站點申請而確定。只有優先級高于令牌優先級的站，才允許截獲該令牌。這就保證了高優先級站有更多的機會發送數據。當某站要發送數據時，可以通過RRR字段預約下一個令牌的優先級，即將本站的優先級寫入此數據幀的預約比特RRR上。但是，如果已經有一個優先級更高的站在此之前就預約了令牌，那么優先級較低的站就不能對此令牌進行預約了。當一個數據幀在環路上循環了一周又回到源站后，源站最后發出的令牌的優先級應當等于剛才收回的幀中預約比特RRR所代表的優先級。看起來好像令牌的優先級會逐漸提高，其實不然。這是因為將令牌的優先級提升了的站，在發送完數據之后，還要負責將令牌的優先級降下來。這樣就使優先級較低的站也有發送數據的機會。

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

(6)地址字段：地址結構與前面介紹的以太網情況一樣。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)數據字段：從環結構和協議本身來說，令牌環對數據字段的長度沒有限制。其長度應該由來自于令牌保持時間定時器THT以及環接口的緩沖區大小決定。一般情況下，環中數據長度缺省值為5000字節，足夠應付高層協議的傳輸需求。

(8)?FCS字段：4個字節的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：MAC幀的最后一個字段為幀狀態字段。這一字段中設置了2個A比特和2個C比特。還有4個比特未做規定。當一個站發送完數據幀時，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。若將此幀復制下來了(即真正收到了)，則將C置為1。這樣，當所發送出去的數據幀最后又回到源站時，只要觀察比特A和比特C就可以區分出以下幾種情況：●目的站不存在或未加入到環路中(A＝C＝0)。●目的站工作但未將此數據幀復制(A＝1，C＝0)。●目的站工作且復制了此數據幀(A＝C＝1)。

(10)結束：結束字段中的最后一個比特為E比特，即差錯比特。一個幀在發送時，置E＝0。以后若任何一個站在轉發時通過FCS發現此幀中出現了差錯，都可以將E比特置為1。這樣，當源站收回所發送的幀時，分析E比特以及前面講的A和C比特，就可得出關于這一幀的傳送情況的信息。5.4.3管理與維護對于IEEE802.5環形網來說，管理和維護顯得十分重要。因為環容易出現物理故障導致環的中斷或令牌的丟失，使環形網不能正常工作。為了便于環形網的管理和維護，令牌環網采用分布式的管理方法。在協議中就提供了支持許多用于環管理和維護的命令或控制幀。同時令牌環網還引入了監控站(MonitorStation)，由它來負責整個環形網的正常工作。在環形網中，每個站點都可能成為監控站，監控站是通過競爭產生的。在環剛啟動或重新初始化時，所有站點都發送聲明幀，試圖聲明自己為監控站。競爭監控站的過程是：環中任意一個站點在接收到其上游站點發送或轉發的聲明幀時，將本站地址與聲明幀中的源地址進行比較。如果本站地址大于聲明幀中的源地址，則停止發送本站的聲明幀，轉發接收到的聲明幀。否則，繼續發送本站的聲明幀。如果某個站點接收到自己發出的聲明幀，它就成為監控站(地址最小的站點可以成為監控站)。監控站的職責是：確保令牌不丟失；在環斷開時采取行動；當環中出現破損幀時清除掉破損幀；查看是否存在無主幀。產生無主幀的情況是：某站點將一短幀發送到環上，然而在該幀被取走之前，站點發生故障(如掉電)。如果不對無主幀采取措施，它將會在環上不停地旋轉下去。為了檢查令牌是否丟失，監控站有一個定時器，它設置為最長無令牌時間。如果該定時器超時，監控站將取走環內的幀，并產生一個新的令牌。當環中出現破損幀時，監控站可以從其無效格式或校驗碼中檢測到，然后監控站斷開環取走破損幀，并產生一個新的令牌。監控站對無主幀的檢測是通過在訪問控制字段AC中設置監控位來實現的。若監控站發現某幀中的監控位已被置成“1”，則意味著同一幀經過監控站兩次而未被取走，說明該幀可能是無主幀，所以監控站將幀從環中取走。監控站的功能還涉及環的長度。802.5中的令牌長度是24位(3個字節)，這就意味著環必須至少能容納24位。如果所有站點引入1位延遲，再加上電纜長度的延遲之和還小于24位，監控站就插入額外的延遲，使令牌能夠繞環工作。監控站惟一不能解決的問題是：確定環斷點的位置。也就是說，環形網中的監控站可以發現環斷開了，但它不能具體確定斷點的物理位置。為了解決這個問題，在令牌環中引入了報警機制。當一個站點發現其鄰近站點好像失效時(如斷路)，便發出一個報警幀并給出假定失效站的地址。同理，其他站點也會發現環出現了故障因而也發出各自的報警幀。如果某個站點接收到其上游站點發送或轉發的報警幀，則停止發送自己的報警幀。這樣經過一段時間后，環上只存在某個站點發出的報警。此時只要打開任何一臺機器檢查一下其中的報警幀，就可以確定環斷點的位置(發出報警幀站點的上游)。雖然報警過程可以確定環斷點的位置，但環故障的恢復仍然需要人工干預。為了解決故障的自動恢復問題，可以采用類似于802.3中集線器的設備，即每個站點通過有源集線器連在一起。這種結構在邏輯上仍保持環狀，而在物理結構上每個站點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。這種結構通常被稱為星形環。在線路中心設有旁路開關，它由各個站點供電。如果線路或站點發生故障，旁路開關自動將該站點隔離出去，以維持環的正常工作。5.4.4性能分析令牌環網的工作過程可以用一個排隊服務模型來描述，所有活躍站點構成一個發送隊列，環中各站依次抓住令牌并發送數據。假設兩個站點之間的傳播延遲為T，由于數據要沿環旋轉一周返回到發送站點，因此目的站在環上的位置對分析令牌環網的性能沒有影響。影響令牌環網性能的主要參數是數據傳輸率、電纜長度、令牌保持時間以及幀長度。同理，在對IEEE802.5令牌環進行性能分析之前，我們也需要定義一組參數，這些參數與IEEE802.3網絡是一樣的。延遲D用于表示一個站點從準備好發送數據到發送完數據所用的時間，吞吐量S表示通過網絡所傳輸的數據量，利用率U表示網絡吞吐量與總容量的比值。同理，值對令牌環網的性能有影響，隨著的增大，網絡的吞吐率將下降。為了提高信道的利用率和網絡的吞吐率，應盡量減小。另外，令牌環網中，站點數目的增加也可以增加網絡的吞吐率，這是由于站點數目的增加將減少傳送令牌的時間，從而提高802.5協議的效率。5.5令牌總線網與IEEE802.4標準5.5.1令牌總線網概述總線局域網的爭用總線特點使得它不適用于一些對時間有嚴格要求的實時控制系統。令牌環形網中的令牌繞網一周的時間雖有一個上限值，但它在輕載時的性能不太好，并且還采用了許多有源的環接口設備連接成環路，其可靠性比無源的總線要差。在這種情況下，綜合這兩種局域網的優點的令牌總線局域網就產生了。這就是IEEE802.4標準。圖5-15表示了令牌總線網的兩個主要特點：

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

(2)令牌傳遞的順序與站的物理位置無關。在圖中設令牌按照A→D→B→E→F→A→…的順序傳遞。這樣令牌總線網既具有總線網的“接入方便”和“可靠性較高”的優點，也具有令牌環網的“無沖突”和“發送時延有確定的上限值”的優點。圖5-15令牌總線局域網5.5.2MAC子層在令牌總線網中，令牌傳遞的順序不是按照站的物理順序，因此必須有一個有效MAC子層協議來管理網絡的令牌。這就使得令牌總線網的MAC子層協議非常復雜。

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

1)接入控制機(AccessControlMachine)接入控制機是令牌總線網的核心，它決定一個站什么時候可以向總線發送一個幀，并且負責整個邏輯環路的管理。環路管理的主要功能是：環路的初始化、工作站的入網(即加入到環路中)、工作站的退網(即從環路中刪除)、差錯恢復和優先級設置。

2)接口機(InterfaceMachine)接口機的任務是：對LLC子層向下交給接入控制機發送的LLCPDU進行緩存；將LLC子層和MAC子層的服務質量參數進行變換；將收到的LLCPDU進行地址檢驗。

3)發送機(TransmitMachine)發送機從接入控制機收到LLCPDU，再負責將幀裝配成MAC幀交給物理層發送。

4)接收機(ReceiveMachine)接收機將物理層上交的數據進行差錯校驗。當收到LLCPDU時就上交給LLC子層。若收到的是MAC幀(如令牌幀或其他為環路管理用的幀)，則交給接入控制機進行處理。傳輸介質使用的電纜是75?Ω寬帶同軸電纜。可使用單電纜或雙電纜系統。有三種可選擇的數據率：1、5和10?Mb/s。802.4規定要把基帶信號經調制后才送到電纜上傳輸。調制的方法有：相位連續移頻鍵控、相位相干移頻鍵控和多電平雙二進制調幅移頻鍵控。5.5.3三種局域網的比較毫無疑問，總線網的應用最為廣泛。整個電纜是無源的，站點的接入與安裝很方便。在低負載時網絡基本上沒有時延，因為每個站隨時可以發送信息。

802.3協議最大的缺點就是發送時延的不確定性，這對某些實時應用是非常不利的。在使用收發器的情況下，電纜的最大長度只有2.5?km。電磁波在電纜線上的往返時間決定了爭用期的長度，它和數據的發送速率無關。這一點限制了數據的發送速率。當網絡的負載很重時，由于沖突增多，網絡的效率會明顯下降。此外，802.3還不便于將光纖作為總線。

802.4協議使用高可靠性的電視電纜。它的發送時延是確定的。802.4協議沒有對數據幀的長度設置下限。802.4協議可以設定優先級，這有利于傳送數字化的分組話音信號。令牌總線網在重載時的性能非常好，實際上成為時分復用TDM。

802.4協議采用的是寬帶電纜，因此它可以支持多個信道，除了數據外，還可以傳送話音和電視。但是它使用了許多的模擬部件，包括調制解調器和寬帶放大器。802.4協議非常復雜，在負載很輕時也要等待令牌的到來，產生了不必要的發送時延。和總線網相似，令牌總線網也很難用光纖來實現。

802.5令牌環形網既可用雙絞線連接，也可以用光纖來實現。將令牌環形網做成星形結構可自動檢測和排除電纜的故障。802.5協議可設置優先級，這一點和令牌總線網相似。此外，802.5協議允許發送很短的幀，因為一個站截獲令牌的時間不得太長，但對發送很長的幀則有限制。在重載時，802.5協議的效率和吞吐率都是很高的。令牌環形網的一個主要缺點是令牌的管理采用了集中管理方式。當管理令牌的站出現故障時，雖然按照協議可以再產生一個新的管理令牌的站，但這還是造成了一些麻煩。此外，像802.4協議一樣，在低負載時，發送數據的站由于要等待令牌，會產生附加的時延。這三種局域網的標準相互都是不兼容的。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。支持這些標準的廠家誰也不肯放棄自己的經濟利益，因此這種多標準的狀況在短期內是不會得到根本改變的。圖5-17IEEE802標準的三種不同的幀格式三個標準的最大MAC幀長也不同。802.3的最大幀長是1518字節，802.4是8191字節(從幀控制字段到FCS字段為止，其中地址按4字節計算)，802.5未規定幀長的上限，但每一個站持有令牌的時間是有上限值的。若按一般取值10?ms，則在4?Mb/s下最大幀長為5000字節。有不少人對這三種局域網的性能進行過定量分析，但從這些分析得出最主要的結論就是：在重負載下802.3局域網徹底不能用，而基于令牌的局域網則可達到接近于100%的效率。若負載范圍從輕到中等，則三種局域網都能勝任。5.6局域網的擴展局域網技術發展迅速，網絡應用越來越廣泛，但局域網覆蓋范圍有限，局域網的互連技術的發展擴展了網絡地理范圍，豐富了局域網資源，實現了網絡之間的通信和共享。局域網的擴展是指局域網之間的互連問題。網絡互連要通過一定的互連設備，從協議的層次角度看，局域網互連只涉及物理和數據鏈路兩層，因此相對于廣域網互連來說，局域網互連要簡單得多，本節專門討論局域網的互連技術，在后續章節中將會專門討論廣域網的互連問題。局域網使用的互連設備主要有中繼器(在物理層實現互連)、網橋(在數據鏈路層實現互連)和集線器。5.6.1中繼器中繼器(Repeater)又叫重發器，它是最簡單的擴展設備。中繼器的根本作用是對電纜上傳輸的數據信號經過放大和整形后再發送到其他電纜的網段上。因此，中繼器實質上只能算是數字信號的再生放大器。經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。因此用中繼器擴展的網絡，不管增加多大的距離范圍，該網絡在邏輯上和物理上都仍然是同一個網絡整體。使用中繼器應注意兩點：

(1)不能形成環路。

(2)考慮到網絡的傳輸延遲和負載情況，不能無限制地連接中繼器。例如：以太網用粗同軸電纜連網，一個電纜網段最大距離為500?m，用細同軸電纜一個網段最大距離為200?m，而采用中繼器擴展網絡時，以太網最多可用4個中繼器。中繼器按其接口數可分為：雙口中繼器和多口中繼器。前者有兩個端口，一個用于輸入，另一個用于輸出。后者接口數大于兩個，有多個輸入輸出端口。中繼器按連接的傳輸介質可分為：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。把它作為一個中心結點，可用它連接多條傳輸介質。其優點是某條傳輸介質發生故障時，不會影響到其他的結點。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集中到一起，對它們所傳輸的信號不作任何處理，而且對它所連接的傳輸介質，只允許擴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集中到一起，并對每條傳輸的電信號有整形、放大和轉發作用，并具有擴展傳輸介質長度的功能。智能集線器：具備有源集線器的功能，還具有網絡管理、路徑選擇等功能。隨著網絡技術的發展，集線器已發展成為交換集線器(SwitchingHub)。交換集線器不但能使網絡分段，并增加了線路交換功能，提高了傳輸帶寬。5.6.3網橋的基本原理擴展局域網最常用的方法是使用網橋(也稱橋接器)，它除具備中繼器的特點外，主要用于擴展網絡的距離、在不同介質之間轉發信號以及隔離不同網段之間的通信。實現網橋需要有軟件和硬件的支持。在一般情況下，用網橋連接的局域網具有相同的邏輯鏈路控制規程(LLC協議)，但可以是不同的介質訪問控制協議(MAC協議)。這一點是與路由器的本質區別。使用網橋進行不同局域網之間存儲轉發數據，對網站用戶來說是透明的，就像在同一個網絡上使用一樣。網橋的功能主要有：

(1)在相互連接的兩個局域網之間起到幀轉發作用。它允許每個LAN上的站點與其他站點進行通信，如同在一個擴展的局域網上一樣。為了有效地轉發數據幀，網橋自動存儲接收進來的幀，通過查找地址映像表完成尋址，并將接收幀的格式轉換成目的局域網的格式，然后將轉換后的幀轉發到網橋對應的端口上。

(2)實現存儲轉發和數據幀過濾。幀過濾作用是阻止某些幀通過網橋。幀過濾有三種類型：目的地址過濾、源地址過濾和協議過濾。目的地址過濾指當網橋接收到一個幀后，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局域網中，就簡單地將其丟棄，否則就將其轉發到另一個局域網上。目的地址過濾是任何網橋的最基本的功能。源地址過濾是指網橋拒絕某一特定地址(站點)發出的幀，這個特定地址無法從網橋的地址映像表中得到，但可以由網絡管理模塊提供。協議過濾是指網橋能用幀中的協議信息來決定是轉發還是濾掉該幀。協議過濾通常用于流量控制和網絡安全控制。并非每一種網橋都提供源地址過濾和協議過濾功能。由此可見，網橋的最主要功能是在不同的局域網之間實現互連。由于不同的局域網在幀格式、數據傳輸率、CRC校驗等方面存在差異，所以網橋在轉發數據幀時，需要進行不同MAC幀格式之間的相互轉換。這個過程涉及到幀的分段和重組，并且這個過程必須快速完成，否則會降低網橋的性能。網橋還必須具有一定的管理功能，以便對擴展網絡進行有效管理。例如，對網橋轉發及丟棄的幀進行統計，及時修改網橋地址映像表，有的網橋還可以通過生成樹算法動態調整擴展網絡的拓撲結構以適應網絡的變化。圖5-18給出了網橋的內部結構。最簡單的網橋有兩個端口，復雜的網橋可以有更多的端口。網橋的每個端口與一個局域網的網段相連。在圖中所示的網橋，其端口1與網段A相連，而端口2連接到網段B。圖5-18網橋的內部結構網橋從端口接收網段上傳送的各種幀。每當收到一個幀時，就先存放在其緩沖區中。若此幀未出現差錯，且欲發往的目的站地址屬于另一個網段，則通過查找站表，將收到的幀送往對應的端口轉發出去。否則，就丟棄此幀。因此，僅在同一網段中通信的幀，不會被網橋轉發到另一個網段去，因而不會加重整個網絡的負擔。例如，設網段A的三個站的地址分別為①、②、③，而網段B的三個站的地址分別為④、⑤、⑥。若網橋的端口1收到站①發給站②的幀，通過查找站表，得知應將此幀送回到端口1。但這表明此幀屬于同一個網橋上通信的幀，于是丟棄此幀。若端口1收到站①發給站⑤的幀，則在查找站表后，將此幀送到端口2轉發給網段B，然后再傳給站⑤。使用網橋可以帶來以下好處：

(1)過濾通信量。網橋可以使局域網的一個網段上各工作站之間的通信量局限在本網段的范圍內，而不會經過網橋流到其他的網段去。由于這種過濾作用，局域網上的負荷就減輕了，因而減少了在擴展的局域網上的所有用戶所經受的平均時延。相比之下，中繼器由于沒有這種過濾功能，轉發所有的幀，包括無效幀，都不進行選擇而一律轉發。從層次上看，中繼器工作在物理層，而網橋工作在鏈路層的MAC子層。

(2)擴大了物理范圍，也增加了整個局域網上工作站的最大數目。

(3)可使用不同的物理層。

(4)可互連不同類型的局域網。圖5-19畫出了用網橋將具有三種不同MAC子層的局域網連接成一個更大的局域網。

(5)提高可靠性。當網絡出現故障時，一般只影響有故障的網段。

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

(1)由于網橋對接收的幀要先存儲和查找站表，然后才轉發，這就增加了時延。

(2)在MAC子層并沒有流量控制功能。當網絡上的負載很重時，網橋中的緩沖區的存儲空間可能不夠而發生溢出，以致產生幀丟失的現象。

(3)具有不同MAC子層的網段橋接在一起時，網橋在轉發一個幀之前，必須修改幀的某些字段的內容，以適合另一個MAC子層的要求。這也需要一定的消耗。

(4)網橋只適合于用戶數不太多和通信量不太大的局域網，否則有時還會產生較大的廣播風暴。使用網橋的缺點在于：

(1)由于網橋對接收的幀要先存儲和查找站表，然后才轉發，這就增加了時延。

(2)在MAC子層并沒有流量控制功能。當網絡上的負載很重時，網橋中的緩沖區的存儲空間可能不夠而發生溢出，以致產生幀丟失的現象。

(3)具有不同MAC子層的網段橋接在一起時，網橋在轉發一個幀之前，必須修改幀的某些字段的內容，以適合另一個MAC子層的要求。這也需要一定的消耗。

(4)網橋只適合于用戶數不太多和通信量不太大的局域網，否則有時還會產生較大的廣播風暴。5.6.4透明網橋透明網橋是針對以太網提出的橋接技術。它的基本思想是：網橋自動選擇每個端口所連接網段的MAC地址，建立和維護一個地址映像表(站表)。網橋每次轉發幀時，先查站表，如查到，則向相應的端口轉發；如查不到，則向除接收端口外的所有端口轉發(廣播)。這個過程對各網站來說是透明的，透明網橋的標準是IEEE802.1d。當一個網橋剛剛連接到局域網上時，其站表是空的。此時若網橋收到一個幀，顯然，網橋暫時還無法做出決定應丟棄還是轉發。因此，網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網橋(假設其站表也是空的)，則該網橋也按同樣方法轉發此幀。所以，這樣進行下去就一定可以使該幀到達目的站。網橋在這樣的轉發過程中也就逐漸將其站表建立起來。局域網的拓撲經常會發生變化。局域網上的工作站和網橋可能時而接通電源，時而關掉電源。為了使站表能反映出整個網絡的最新拓撲，應將每個幀到達網橋的時間登記下來，以便在站表中保留網絡拓撲的最新狀態信息。具體的方法是：網橋中的端口管理軟件周期性地掃描站表中的項目，只要是在一定時間(例如幾分鐘)以前登記的，都一律清除。這樣就使得網橋中的站表能反映當前網絡拓撲狀態。上述的透明網橋實現方法現在已有專用的芯片，只需幾個微秒就可以執行完全部的工作。必須清楚：應用透明網橋其所在的局域網和網橋組成的拓撲必須是一個支撐樹，即在整個連通的網絡中不能存在回路，在任何兩個站點之間只有一條通路。為了解決網橋產生的回路問題，在802.1d的網橋標準中，制定了一個在每個網橋上運行的簡單分布式算法(又稱為支撐樹算法)，以保證整個局域網在邏輯上是一個支撐樹。顯然，為提高網絡可靠性而增加的網橋不在這個支撐樹上。