网络工程师（第5版） 第4章 局域网与城域网笔记
城域网：地理范围介千局域网与广域网之间的是城域网 。
4.1.1 拓扑结构和传输介质
1. 总线型拓扑
是一种多点广播介质，所有的站点都通过接口硬件连接到总线上。
适用千总线型拓扑的传输介质主要是同轴电缆，分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。
对千总线这种多点介质，必须考虑信号平衡问题。任意一对设备之间传输的信号强度必须
调整到一定的范围。
1) 基带系统
数字信号是一种电压脉冲，它从发送处沿着基带电缆向两端均匀传播，这种情况就像光波
在（物理学家们杜撰的）以太介质中各向同性地均匀传播一样，所以总线网的发明者把这种网
络称为以太网。以太网使用特性阻抗为 50.Q 的同轴电缆，这种电缆具有较小的低频电噪声，在
接头处产生的反射也较小。
IEEE 802 标准中对两种基带电缆的规定 这两种系统的数据速率都是lOMbps, 但传输距离和可连接的站点数不同 ，这是因为
直径为 0.4 英寸的电缆比直径为 0.25 英寸的电缆性能更好，当然价格也较昂贵。
2) 宽带系统
宽带系统是指采用频分多路技术传播模拟信号的系统。不同频率的信道可分别支持数据通信、 TV CD 质董
的音频信号。模拟信号比数字脉冲受噪声和衰减的影响更小，可以传播更远的距离，甚至达到 100km。
2. 环型拓扑
环型拓扑由一系列首尾相接的中继器组成，每个中继器连接一个工作站。
特点：中继器是一种简单的设备 ，它能从一端接收数据，然后在另一端发出数据。整个环路是
单向传输的。
3. 星型拓扑
星型拓扑中有一个中心节点，所有站点都连接到中心节点上。电话系统就采用了这种拓扑
结构，多终端联机通信系统也是星型结构的例子。中心节点在星型网络中起到了控制和交换的
作用，是网络中的关键设备。
4.1.2 LAN MAN IEEE 802 标准
IEEE 802 委员会的任务是制定局域网和城域网标准，目前有 20 多个分委员会，不做讨论。
4.2 逻辑链路控制子层
逻辑链路控制子层规范包含在 IEEE 802.2 标准中 。
4.2.1 LLC 地址
LLC 地址是 LLC 层服务访问点。
4.2.2 LLC 服务
LLC 提供了以下 种服务。
(1) 无确认无连接的服务。这是数据报类型的服务，这种服务因其简单而不涉 任何流控
和差错控制功能，因而也不保证可靠地提交 使用这种服务的设备必须在高层软件中 理可靠
性问题。
(2) 连接方式的服务。这种服务类似千 HDLC 提供的服务，在有数据交换的用户之间要建
立连接 同时也通过连接提供流控和差错控制功能。
(3) 有确认无连接的服务。这种服务与前面两种服务有所交叉，它提供有确认的数据报，
但不建立连接。
4.3 IEEE 802 标准
对总线型、星型和树型拓扑最适合的介质访问控制协议是 CSM CD(Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection) 早期对 CSM CD 协议有较大 响的是 20 世纪 70 年代美国夏威夷
大学建立的 ALOHA 网络，其中运行的 ALOHA 协议的效率只有 0.184, 即使是经过改进的分
ALOHA 协议效 也只有 368, 大部分时间都被工作站之间的竞争发送浪费了，后来制
定的 CSM CD 协议效率则要高得多。
4.3.1 CSMA/CD 协议
ALOHA 系统效率不 ，主要缺点是各个工作站独立地决定发送的时刻，使得冲 突概率很
高，信道利用率下降。如果各个站在发送之前先监听信道上的发送情况，信道忙时后退 段时
间再发送，就可大大减少冲突概率 这就是在局域网上广泛采用的载波监听多路访问 (C SMA
协议 。对千局域网，监听是很容易做到的。在局域网中，最远两个站之间的传播时延很小，只
有几微秒，只要有站在发送，别的站很快就会听到，从而可避免与正在发送的站产生冲突。同
时，帧的发送时间行相对千网络延迟要大得多，一个帧一旦开始成功地发送，则在较长 段时
间内可保待网络中有效地传输，从而大大提 了信道利用 率。
CSMA 的基本原理是 站在发送数据之前，先监听信道上是否有别的站发送的载波信号。
若有，说明信道正忙，否则说明信道是空闲的，然后根据预定的策略决定：
1) 若信道空闲，是否立即发送
2) 若信道忙，是否继续监听。
即使信道空闲，若立即发送仍然会发生冲突。一种情况是远端的站刚开始发送，载波信号
尚未到达监听站 ，这时监听站若立即发送，就会和远端的站发生冲突；另一种情况是虽然暂时
没有站发送，但碰巧两个站同时开始监听，如果它们都立即发送，也会发生冲突。所以，上面
的控制策略的第 Cl) 点就是想要避免这种虽然稀少、但仍可能发生的冲突。若信道忙时，如
果坚持监听，发送的站一旦停止就可 即抢占信道 但是，有可能几个站同时都在监听，同时
占信道 从而发生冲突。以上控制策略的第 (2) 点就是进 步优化监听算法，使得有些
监听站或所有监听站都后退一段随机时间再监听，以避免冲突。
4. CSMA/CD 协议的实现
对千基带总线和宽带总线， CSM CD 的实现基本上是相同的，但也有一些差别。差别之
是载波监听的实现 对于基带系统，是检测电压脉冲序列。由于以太网上的编码采
Manchester 编码，这种编码的特点是每位中间都有电压跳变，监听站可以把这种跳变信号当作
代表信道忙的载波信号。对千宽带系统，监听站接收 RF 载波以判断信道是否空闲。
差别之二是冲突检测的实现。对千基带系统，是把直流电压加到信号上来检测冲突的。每
个站都测 总线上的直流电平，由千冲突而迭加的直流电平比单个站发出的信号强，所以
IEEE 802 标准规定，如果发送站电缆接头处的信号强度超过了 个站发送的最大信号强度，则
说明检测到了冲突。然而，信号在电缆上传播时会有衰减，如果电缆太长，就会使冲突信号到
达远端时的幅度小千规定的 CD 门限值。为此，标准限制了电缆长度 (500m 200m）。
4.3.3 MAC PHY 规范
1 . MAC 帧结构
前导字段：每个帧占7个字节的前导，标志帧的开始。值位10101010，曼彻斯特编码产生。
帧的源地址和目标地址：可以为6或者2字节，目标地址最高位为 时表示普通地址，为 时表示组地址，向一组站发送称为组播 (Multicast)的目标地址是广播地址，所有站都接收这种帧。
网络工程师（第5版） 第4章 局域网与城域网笔记
城域网：地理范围介千局域网与广域网之间的是城域网 。
4.1.1 拓扑结构和传输介质
1. 总线型拓扑
是一种多点广播介质，所有的站点都通过接口硬件连接到总线上。
适用千总线型拓扑的传输介质主要是同轴电缆，分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。
对千总线这种多点介质，必须考虑信号平衡问题。任意一对设备之间传输的信号强度必须
调整到一定的范围。
1) 基带系统
数字信号是一种电压脉冲，它从发送处沿着基带电缆向两端均匀传播，这种情况就像光波
在（物理学家们杜撰的）以太介质中各向同性地均匀传播一样，所以总线网的发明者把这种网
络称为以太网。以太网使用特性阻抗为 50.Q 的同轴电缆，这种电缆具有较小的低频电噪声，在
接头处产生的反射也较小。
IEEE 802 标准中对两种基带电缆的规定 这两种系统的数据速率都是lOMbps, 但传输距离和可连接的站点数不同 ，这是因为
直径为 0.4 英寸的电缆比直径为 0.25 英寸的电缆性能更好，当然价格也较昂贵。
2) 宽带系统
宽带系统是指采用频分多路技术传播模拟信号的系统。不同频率的信道可分别支持数据通信、 TV CD 质董
的音频信号。模拟信号比数字脉冲受噪声和衰减的影响更小，可以传播更远的距离，甚至达到 100km。
2. 环型拓扑
环型拓扑由一系列首尾相接的中继器组成，每个中继器连接一个工作站。
特点：中继器是一种简单的设备 ，它能从一端接收数据，然后在另一端发出数据。整个环路是
单向传输的。
3. 星型拓扑
星型拓扑中有一个中心节点，所有站点都连接到中心节点上。电话系统就采用了这种拓扑
结构，多终端联机通信系统也是星型结构的例子。中心节点在星型网络中起到了控制和交换的
作用，是网络中的关键设备。
4.1.2 LAN MAN IEEE 802 标准
IEEE 802 委员会的任务是制定局域网和城域网标准，目前有 20 多个分委员会，不做讨论。
4.2 逻辑链路控制子层
逻辑链路控制子层规范包含在 IEEE 802.2 标准中 。
4.2.1 LLC 地址
LLC 地址是 LLC 层服务访问点。
4.2.2 LLC 服务
LLC 提供了以下 种服务。
(1) 无确认无连接的服务。这是数据报类型的服务，这种服务因其简单而不涉 任何流控
和差错控制功能，因而也不保证可靠地提交 使用这种服务的设备必须在高层软件中 理可靠
性问题。
(2) 连接方式的服务。这种服务类似千 HDLC 提供的服务，在有数据交换的用户之间要建
立连接 同时也通过连接提供流控和差错控制功能。
(3) 有确认无连接的服务。这种服务与前面两种服务有所交叉，它提供有确认的数据报，
但不建立连接。
4.3 IEEE 802 标准
对总线型、星型和树型拓扑最适合的介质访问控制协议是 CSM CD(Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection) 早期对 CSM CD 协议有较大 响的是 20 世纪 70 年代美国夏威夷
大学建立的 ALOHA 网络，其中运行的 ALOHA 协议的效率只有 0.184, 即使是经过改进的分
ALOHA 协议效 也只有 368, 大部分时间都被工作站之间的竞争发送浪费了，后来制
定的 CSM CD 协议效率则要高得多。
4.3.1 CSMA/CD 协议
ALOHA 系统效率不 ，主要缺点是各个工作站独立地决定发送的时刻，使得冲 突概率很
高，信道利用率下降。如果各个站在发送之前先监听信道上的发送情况，信道忙时后退 段时
间再发送，就可大大减少冲突概率 这就是在局域网上广泛采用的载波监听多路访问 (C SMA
协议 。对千局域网，监听是很容易做到的。在局域网中，最远两个站之间的传播时延很小，只
有几微秒，只要有站在发送，别的站很快就会听到，从而可避免与正在发送的站产生冲突。同
时，帧的发送时间行相对千网络延迟要大得多，一个帧一旦开始成功地发送，则在较长 段时
间内可保待网络中有效地传输，从而大大提 了信道利用 率。
CSMA 的基本原理是 站在发送数据之前，先监听信道上是否有别的站发送的载波信号。
若有，说明信道正忙，否则说明信道是空闲的，然后根据预定的策略决定：
1) 若信道空闲，是否立即发送
2) 若信道忙，是否继续监听。
即使信道空闲，若立即发送仍然会发生冲突。一种情况是远端的站刚开始发送，载波信号
尚未到达监听站 ，这时监听站若立即发送，就会和远端的站发生冲突；另一种情况是虽然暂时
没有站发送，但碰巧两个站同时开始监听，如果它们都立即发送，也会发生冲突。所以，上面
的控制策略的第 Cl) 点就是想要避免这种虽然稀少、但仍可能发生的冲突。若信道忙时，如
果坚持监听，发送的站一旦停止就可 即抢占信道 但是，有可能几个站同时都在监听，同时
占信道 从而发生冲突。以上控制策略的第 (2) 点就是进 步优化监听算法，使得有些
监听站或所有监听站都后退一段随机时间再监听，以避免冲突。
4. CSMA/CD 协议的实现
对千基带总线和宽带总线， CSM CD 的实现基本上是相同的，但也有一些差别。差别之
是载波监听的实现 对于基带系统，是检测电压脉冲序列。由于以太网上的编码采
Manchester 编码，这种编码的特点是每位中间都有电压跳变，监听站可以把这种跳变信号当作
代表信道忙的载波信号。对千宽带系统，监听站接收 RF 载波以判断信道是否空闲。
差别之二是冲突检测的实现。对千基带系统，是把直流电压加到信号上来检测冲突的。每
个站都测 总线上的直流电平，由千冲突而迭加的直流电平比单个站发出的信号强，所以
IEEE 802 标准规定，如果发送站电缆接头处的信号强度超过了 个站发送的最大信号强度，则
说明检测到了冲突。然而，信号在电缆上传播时会有衰减，如果电缆太长，就会使冲突信号到
达远端时的幅度小千规定的 CD 门限值。为此，标准限制了电缆长度 (500m 200m）。
4.3.3 MAC PHY 规范
1 . MAC 帧结构
帧的源地址和目标地址：可以为6或者2字节，目标地址最高位为 时表示普通地址，为 时表示组地址，向一组站发送称为组播 (Multicast)
的目标地址是广播地址，所有站都接收这种帧。
长度字段：表示数据字段的长度。数据字段可以为 0, 这时帧中不包含上层协议的数据。
2 . CSMA/CD 协议的实现
IEEE 802.3 采用 CSM CD 协议，这个协议的载波监听、冲突检测、冲突强化和 二进制数
后退等功能都由硬件实现。
4.3.5 高速以太网
1. 快速以太网
这是基千 lOBase lOBase-F技术，在基本布线系统不变的情况下开发的高速局域网标准。
2. 千兆以太网
lOOOMbps 以太网的传输速率更快 ，作为主干网提供无阻塞的数据传输服务。
3. 万兆以太网
万兆以太网基本应用千点到点线路，不再共享带宽，没有冲突检测，载波监听和多路访问技术也不再重要。于兆以太网和万兆以太网采用与传统以太网同样的帧结构。
4 .3.6 虚拟局域网
虚拟局域网 (Virtual Local Area Network, VLAN) 是根据管理功能、组织机构或应用类型
对交换局域网进行分段而形成的逻辑网络。
作用：虚拟局域网与物理局域网具有同样的属性，然而其中的工作站可以不 千同一个物理网段。任何交换端口都可以分配给某个 VLAN, 属千同一个VLAN 的所有端口构成一个广播域。每一个 VLAN 都是一个逻辑网络，发往 VLAN 之外的分
组必须通过路由器进行转发。
在交换机上实现 VLAN, 可以采用静态的或动态的方法。
(1 静态分配 VLAN 。为交换机的各个端口指定所属的 VLAN 。这种基千端口的划分方法
是把各个端口固定地分配给不同的 VLAN, 任何连接到交换机的设备都属千接入端口所在的
VLAN。
(2) 动态分配 VLAN 。动态 VLAN 通过网络管理软件包来创建，可以根据设备的 MAC
址、网络层协议、网络层地址、 IP 广播域或管理策略来划分 VLAN 。根据 MAC 地址划分 VLAN的方法应用最多，一般交换机都支持这种方法。无论一台设备连接到交换网络的什么地方，接入交换机根据设备的 MAC 地址就可以确定该设备的 VLAN 成员身份。这种方法使得用户可以在交换网络中改变接入位置，而仍能访问所属的 VLAN 。但是，当用户数量很多时，对每个用户设备分配 VLAN 的工作屋是很大的管理负担。把物理网络划分成 VLAN 的好处如下：
(1) 控制网络流量。一个 VLAN 内部的通信（包括广播通信）不会转发到其他 VLAN
去，从而有助千控制广播风暴，减小冲突域，提高网络带宽的利用率。
(2) 提高网络的安全性。可以通过配置 VLAN 之间的路由来提供广播过滤、安全和流星控
制等功能。不同 VLAN 之间的通信受到限制，提高了企业网络的安全性。
(3) 灵活的网络管理 VLAN 机制使得工作组可以突破地理位置的限制而根据管理功能来
划分。如果根据 MAC 地址划分 VLAN, 用户可以在任何地方接入交换网络，实现移动办公
在划分成 VLAN 的交换网络中，交换机端口之间的连接分为两种：
接入链路连接 (AccessLink Connection) 和中继链路连接 (Trunk-Link Connection) 。
接入链路：只能连接具有标准 以太网卡的设备，也只能传送属于单个 VLAN 的数据包。任何连接到接入链路的设备都属千同广播域这意味着，如果有 10 个用户连接到一个集线器，而集线器被插入到交换机的接入链路端口，则这 10 个用户都属千该端口规定的 VLAN。
为了与接入链路设备兼容，在数据包进入接入链路连接的设备时，交换机要删除 VLAN
记，恢复原来的帧结构。添加和删除 VLAN 标记的过程是由交换机中的专用硬件自动实现的，处理速度很快，不会引入太大的延迟。从用户角度看，数据源产生标准的以太帧，目标接收的也是标准的以太帧， VLAN 标记对用户是透明的。
VLAN 帧标记的格式：
4.4.2 生成树网桥
生成树 panning Tree) 网桥是一种完全透明的网桥，这种网桥插入电缆后就可以自动
成路由选择的功能，无须由用户装入路由表或设置参数。
以下从帧转发、地址学习和环路分解 个方面讲述这种网桥的工作原理。
1. 帧转发
网桥为了能够决定是否转发一个帧，必须为每个转发端口保存一个转发数据库， 据库中
保存着必须通过该端口转发的所有站的地址。
2. 地址学习
可以使网桥从无到有地自行决定每 个站的转发方向。获取转发信息的 种简单方案利用了 MAC帧中的源地址字段，下
3. 环路分解一生成树算法
2. 寻址模式
路由指示和 MAC 寻址模式有一定的关系。寻址模式有以下
(1) 单播地址：指明唯一的目标地址。
(2) 组播地址 ：指 明一组工作站的地址。
(3) 广播地址：表示所有站。
4. RPR 的关键技术
关键技术：
(1) 业务类型。RPR 支待 种业务。 类业务提供保证的带宽，提供与传输距离无关的很
小的延迟抖动，适合语音、视频等电路仿真应用； 类业务提供保证的带宽，提供与传输距离
相关的有限的延迟抖动，可以超信息速率 (Excess Information Rate, EIR) 传输，适合企业数
据传输方面的应用； 类业务提供尽力而为的服务，适合用户的因特网接入。
(2) 空间复用。 RPR 的空间复用协议 (Spatial Reuse Protocol, SRP) 提供了寻址、读取分
组、管理带宽和传播控制信息等功能。在 RPR 环上， 数据帧被目标站从环上剥离，而不是像其
他环网那样返回源节点后被剥离。这样就使得多个节点分成多段线路同时传输数据，充分利用
了整个环路的带宽。例如，环上依次有 个节点，分组经过 节点到达
点被剥离，另外的分组可以从 节点插入，并经 传送到 节点，从而有效地利用了环上
之间的带宽。
(3) 拓扑发现。 RPR 拓扑发现是一种周期性活动，也可以由某个需要知道拓扑结构的节点
发起。在拓扑发现过程中，拓扑发现分组经过的节点把自己的标识符加入到分组中的标识符队
列，产生一个新的拓扑发现分组，这样就形成了拓扑识别的累积效应。通过拓扑发现，节点可
以选择最佳的插入点，使得源节点到达目的节点的跳步数最小。
(4) 公平算法。公平算法是一种保证环上所有站点公平地分配带宽的机制。如果一个节点
发生阻塞，它就会在相反的环上向上游节点发送一个公平帧。上游站点收到这个公平帧时就调
整自己的发送速率使其不超过公平速率。一般来说，接收到公平帧的站点会根据具体情况做出
两种反应：若当前节点阻塞，它就在自己的当前速率和收到的公平速率之间选择一个最小值，
并发布给上游节点；若当前节点不阻塞，就不采取任何行动。
环自愈保护。当 RPR 环中出现严重故障或者发生光纤中断后，中断处的两个站点就
会发出控制帧 ，沿光纤方向通知各个节点。正要发送数据的站点接收到这个消息后，立即把要
发送的数据倒换到另一个方向的光纤上。 一般来说，在环保护切换时，要按照业务流的不同服
务等级、根据相同目标一起倒换原则依次向反向光纤倒换业务。 RPR SDH 一样，能保证业
务的倒换时间少于 50ms。
VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）：根据管理功能、组织机构或应用类型
对交换局域网进行分段而形成的逻辑网络。
EDLC（Ethernet Data Link Controller, 以太网数据链路控制器）：有两套独立的系统，分别用于
发送和接收。