局域网协议

根据计算机网络的拓扑结构，可将网络分为总线型、树型、星型、环型和网状型五种类型。常见的局域网组网方式包括令牌环、光纤分布数字接口和以太网等。

一、概述

在不同类型的网络拓扑结构中，网络设备的连接方式、传输介质的选择、网络的可靠性及可扩展性均存在差异。在组建网络时，通常需要综合网络功能和性能需求、环境状况和投入成本等因素，以确定所采用的网络拓扑方案。

局域网中传输数据的基本单元为“帧”，当采用不同的局域网通信协议时，其中具体的数据帧格式也会不同，目前常见的数据帧格式包括PPP帧和MAC帧。所有的局域网通信协议都需要解决帧定界、透明传输和差错检测这三个基本问题。

常见的局域网组网方式包括令牌环、光纤分布数字接口（FDDI，Fiber Distributing Data Interface）和以太网等。

1．令牌环

令牌环网络的拓扑结构为环型拓扑，它使用同轴电缆作为传输介质，抗干扰性强。在令牌环网络中，使用一种被称为令牌的特殊数据帧进行访问控制，令牌循环遍历环路中的每台主机，主机在接收到令牌后才能发送数据。这种网络的结构固定，不便于网络拓展和增加主机，且维护令牌需要付出额外代价，在令牌损坏后，整个网络将不能正常工作。

2．光纤分布数字接口

光纤分布数字接口FDDI的网络拓扑结构同样为环型拓扑，采用光纤作为传输介质，有着较高的网络带宽。FDDI组网方式只支持采用光缆或5类电缆作为传输介质，这种组网方式成本较高，多用于连接多个局域网的骨干网。

3．以太网

以太网相对于前两种方式具有结构简单、成本低的特点，在实际应用中也更为常见。以太网使用双绞线作为传输介质，最大覆盖半径可达数百米之内。随着以太网技术的发展，其数据传输速率可达到从10Mbps到100Gbps不等。

二、PPP帧与MAC帧

数据链路层的常用信道有两种，即点对点信道和广播信道。

在点对点信道中，发送端仅发送数据给接收端，是一种一对一的通信方式。

在广播信道中，发送端将数据发送给连接至信道的多个设备，由于信道被多个设备共享，数据碰撞概率高，故需要通过网络协议来进行协调。

1．点对点信道

PPP（Point-to-Point Protocol）协议只提供无比特差错的数据传输服务，是目前使用点对点信道的网络中应用最广泛的数据链路层协议。

终端用户通过因特网服务提供商（ISP，Internet Service Provider）所提供的数据链路层协议，获得相应的网络访问服务，中国电信和网通等ISP均采用PPP协议为终端用户提供通信服务。PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet）协议及PPPoA（Point-to-Point Protocol over ATM）协议是由PPP协议衍生而来的两个协议， 目前家庭常用的ADSL宽带上网方式就是采用了PPPoE协议技术。

PPP协议规定的数据帧格式如图2-11所示，数据帧首部包含4个字段，尾部包含2个字段。首部的第一个字段和尾部的第二个字段均为标志字段，起到帧定界符的作用。标志字段Flag被规定为十六进制数0x7E，转化成二进制数即为01111110。在PPP帧的首部，标志字段之后依次为地址字段和控制字段，地址字段规定为0xFF，控制字段规定为0x03。首部最后一个字段长度为2字节，为协议字段，表示数据部分所对应的网络层协议。若协议字段值为0x0021，则表示数据部分为IP数据报；若协议字段值为0xC021，则表示数据部分为链路控制协议LCP的数据。尾部第一个字段即帧校验序列，用于检测数据比特差错。

 

 

图2-11 PPP数据帧格式

为保证数据的透明传输，PPP协议对异步和同步这两种传输方式分别采用了字符填充法和比特填充法。使用异步传输时，PPP协议定义转义字符为0x7D，在RFC1662文档中定义了相应的字符填充方法；在同步传输中，则采用“零”比特填充法实现透明传输。

2．广播信道

数据链路层被拆分为两个子层：逻辑链路控制LLC子层和介质访问控制MAC子层。MAC子层负责与接入到传输介质相关的所有工作，LLC子层的作用被逐渐淡化。

以太网MAC帧的格式具有两种标准，一种是以太网V2标准（DIX Ethernet V2），另一种是IEEE 802.3标准，其中以太网V2标准的MAC帧应用最为广泛。

如图2-12所示为MAC帧的格式示意图，前两个长度为6字节的字段分别代表目的地址和源地址，第三个字段长度为2字节，用于表示上一层协议的类型。若第三个字段值为0x0800，则表示上一层使用IP协议，数据部分为IP数据报。数据部分的长度在46~1500字节。从图2-12中可以看出，物理层所传输的数据比MAC帧多8个字节，前7个字节用于实现接收端与发送端时钟频率的同步，第8个字节为帧开始定界符，标识MAC帧的开始。

 

 

图2-12 MAC帧格式

这里的MAC地址由IEEE802.3规定的扩展唯一标识EUI-48（EUI，Extended Unique Identifier）表示，它是一个由48位二进制表示的字符串，又称为物理地址、硬件地址。此地址由24位公司ID（也称为制造商ID）和24位扩展ID（也称为网卡ID）组成。公司ID被唯一指派给每个网络适配器的制造商；扩展ID在装配时被唯一指派给每个网络适配器。两者组合，即可生成全球唯一的48位的MAC地址。

三、CSMA/CD协议

CSMA/CD协议是以太网所采用的一种监听避免“碰撞”的协议，该协议工作在OSI模型数据链路层的MAC子层，是一种“争用”型的半双工介质访问控制协议，包含以下几个要素。

1．多点接入

CSMA/CD协议的应用环境为总线型网络，网络中的主机以多点接入的方式连接在总线上。

2．载波监听

CSMA/CD协议要求发送端在发送数据前对总线进行监听，若监听到其他计算机在发送数据，则等待一段时间后，确认总线空闲时才开始发送数据。

3．“碰撞”监听

在数据发送过程中需保持对总线上信号的监听，根据信号电平的变化幅度即可判断是否发生了“碰撞”。一旦监听到“碰撞”，就立即停止数据发送，等待一段时间后再次尝试重发，直至发送成功。

四、虚拟局域网

虚拟局域网（VLAN，Virtual Local network）是一种将局域网设备从逻辑上划分为多个网段，从而实现虚拟工作组的交换技术。

在典型的局域网中，通常一个工作组属于同一个网段，多个逻辑工作组之间通过网桥或者路由器交换数据，逻辑工作组受到节点所在物理位置的限制。

虚拟局域网使用交换机，以软件的方式实现逻辑工作组的划分与管理，不受物理位置的限制而组建的局域网。

如图2-13所示为一个虚拟局域网，一个VLAN可以包含一台或多台交换机，如图中椭圆形区域所示，有3个VLAN。PC-1、PC-2、PC-3、PC-4在同一个VLAN中，但连接到不同的交换机。同时，一个VLAN中的所有主机也可以连接到同一台交换机上，如PC-5与PC-6连接到Switch A。

 

 

图2-13 虚拟局域网

不同虚拟局域网的组网方法，主要表现在对虚拟局域网成员的定义上，通常有四种：交换机端口号、MAC地址、网络层地址和IP广播组等方式。虚拟局域网不同划分方法的优缺点如表2-8所示。

表2- 8虚拟局域网不同划分方法的优缺点

划分方法	优点	缺点
交换机端口	可简单定义VLAN成员，将交换机端口定义为相应的VLAN组	当用户改变端口时，需要重新进行配置
MAC地址	当用户物理位置改变时，VLAN不用重新配置	当交换机初始化时，所有的用户都必须进行配置
网络层地址	根据协议类型划分，方便网络管理	效率低，检查每个数据包的网络层地址需要消耗处理时间
IP广播组	灵活性好，且较易通过路由器进行扩展	不适合局域网，因其效率不高

五、高速以太网

高速以太网是指传输速率达到或超过100Mb/s的以太网，适用于较远距离的传输。

1．快速以太网

快速以太网（Fast Ethernet）的传输速率比传统10BASE-T以太网快10倍，数据传输速率达到100Mb/s。100BASE-T标准的快速以太网仍使用IEEE802.3的CSMA/CD（Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detection）协议，并采用星型拓扑结构。用户只需更换一个适配器，再配上一个100Mb/s的集线器就可方便地由10BASE-T以太网直接升级到100Mb/s。目前的10Mb/s和100Mb/s以太网是使用无屏蔽双绞线布线的。

100BASE-T以太网有3种与传输介质相关的标准，如表2-9所示。

1）100BASE-TX：支持2对5类非屏蔽双绞线（UTP）或2对1类屏蔽双绞线（STP）。其中，一对双绞线用于发送，而另一对双绞线用于接收。因此，100BASE-TX工作在全双工模式，每个节点均可以同时以100Mb/s的速率发送与接收数据。

2）100BASE-T4：支持4对3类或5类非屏蔽双绞线。其中，3对双绞线用于数据传输，每一对均以33.3 Mb/s的速率传送数据；而另一对用作冲突检测的接收信道。

3）100BASE-FX：支持两芯的多模或单模光纤。其中，一根光纤用于数据发送，另一根光纤用于数据接收。100BASE-FX工作在全双工模式，主要用作高速主干网，从节点到集线器的距离可以达到2 km。

表2- 9不同传输介质的100BASE-T以太网技术指标

以太网标准	100BASE-TX	100BASE-T4	100BASE-FX
传输介质	2对UTP-5	2对STP-1	4对UTP-3/5	2芯光纤
信号技术	MLT-3	MLT-3	8B6T，NTZ	4B5B，NRZI
数据速率	100Mb/s	100Mb/s	100Mb/s	100Mb/s
最大段长	100m	100m	100m	200m
网络跨度	200m	200m	200m	400m

2．吉比特以太网

吉比特以太网的数据传输速率是快速以太网的10倍，可达到1Gb/s。吉比特以太网保留了传统10BASE-T以太网的基本特征，具有相同的帧格式和类似的组网方法。

吉比特以太网定义了基于双绞线的物理层标准1000BASE-T和基于光纤通道的物理层标准1000BASE-X：

1）1000BASE-T，即IEEE 802.3ab，使用4对5类非屏蔽双绞线，双绞线长度可达100 m。

2）1000BASE-X，即IEEE 802.3z，有以下3种有关传输介质的标准：

（1）1000BASE-CX；

（2）1000BASE-LX；

（3）1000BASE-SX。

IEEE 802.3z标准的吉比特以太网具有以下特点：

1）支持全双工和半双工两种工作方式；

2）在半双工方式下采用CSMA/CD协议，而在全双工方式下不采用该协议；

3）向后兼容10BASE-T和100BASE-T技术。

3．10吉比特以太网

10吉比特以太网又称万兆以太网，使用IEEE 802.3以太网介质访问控制MAC协议。与传统的以太网标准相比，10吉比特以太网具有以下特征：

1）只支持双工模式，不支持单工模式，而传统的以太网标准均支持单工/双工模式。

2）由于传输速率高，10吉比特以太网只能使用光纤作为传输介质，而传统的以太网标准均支持同轴电缆。

3）不支持CSMA/CD协议，因为该协议只适用于速率较慢的单工以太网。

4）使用64B/66B和8B/10B两种编码方式，而传统以太网只使用8B/10B的编码方式。

5）具有支持局域网和广域网的接口，且有效距离可达40 km，而传统的以太网只支持局域网应用，有效传输距离不超过5 km。

100 Mb/s以太网、1 Gb/s以太网和10 Gb/s以太网均属于共享介质方式的高速以太网。这里，介绍一些其他类型的高速以太网。

1）光纤分布式数据接口。光纤分布式数据接口（FDDI，Fiber Distributed Data Interface）是一个使用光纤作为传输介质的令牌环网，使用共享介质方式。其主要具有以下几个特点：

（1）使用IEEE 802.5的单令牌环网MAC协议。

（2）兼容IEEE 802标准的局域网。

（3）数据传输速率为100 Mb/s，联网的节点数不超过1000，环路长度为100 km。

（4）使用双环结构，提高容错能力。

（5）可以使用多模或单模光纤。

2）高性能并行接口。高性能并行接口（HIPPI，High-Performance Parallel Interface）是一个美国国家标准协会标准，主要用于连接外围设备、处理器和巨型机等。

HIPPI标准具有以下特点：

（1）HIPPI提供点对点的接口，可以在两个设备间建立连接。

（2）HIPPI工作在单工模式下，只能沿着一个方向传输数据，但是，两条单工通道可以组成一条双工通道。

由于光纤价格昂贵，HIPPI在设计之初，只能采用双绞线作为数据传输的媒介。

3）光纤通道。光纤通道（FC，Fibre Channel）是一种高速网络互联技术，主要用于连接计算机存储设备。

光纤通道标准定义了三种不同的拓扑结构：点到点、仲裁环和交换网。

六、宽带接入技术

1．xDSL 技术

xDSL技术是使用数字技术改造现有的模拟电话用户线，可以承载宽带业务。

前缀x表示在数字用户线（DSL，Digital Subscriber Line）上实现的不同带宽方案。

表2-10列出了xDSL的几种类型。其中ADSL（Asymmetric DSL）表示非对称数字用户线，HDSL（High speed DSL）表示高速数字用户线，SDSL（Single-line DSL）表示1对线的数字用户线，VDSL（Very high speed DSL）表示甚高速数字用户线。

表2- 10 xDSL类型

xDSL	对称性	下行带宽	上行带宽	极限传输距离
ADSL	不对称	1.5 Mb/s	64 kb/s	4.6~5.5 km
HDSL（1对线）	对称	768 Kb/s	768 kb/s	2.7~3.6 km
SDSL	对称	1.5 Mb/s	1.5 Mb/s	3 km
VDSL	不对称	52 Mb/s	1.6~2.3 Mb/s	0.3 km
DSL（ISDN）	对称	160 Kb/s	160 Kb/s	4.6~5.5 km

ADSL有上行和下行之分，其不对称的原因在于用户下载的数据量要大于上传的数据量。

如图2-14所示，ADSL接入网包含数字用户线接入复用器（DSLAM，DSL Access Multiplexer）、用户线和用户设施如ADSL调制解调器（ATU-R，ADSLTransceiver Unit Remote Terminal End）、电话机和PC等。

 

 

图2-14 ADSL接入网的组成

ADSL的优势在于可以利用现有电话网中的用户线，而不需要重新布线。

2．光纤同轴混合网

光纤同轴混合网（HFC，Hybrid Fiber Coax）是一种居民宽带接入网，在原有有线电视网（CATV，Community Antenna TeleVision）的基础上发展而来。HFC网不仅能够传输电视信号，还能提供电话、数据等业务。

HFC网采用光纤作为主干线路，并使用模拟光纤技术，如图2-15所示。头端发射出的光信号经过模拟光纤到达光纤节点，光纤节点将接收到的光信号转换为电信号，电信号经由光纤节点下游的同轴电缆传送到居民区。

 

 

图2-15 HFC网的体系结构

HFC网具有以下特点：

1）HFC网以光纤作为主干线路。

2）HFC网采用节点体系结构。

3）HFC网具有更宽的频谱，且具有双向传输能力。

4）用户接口盒。每个家庭都需要安装一个用户接口盒（UIB，User Interface Box）。

3．FTTx 技术

光纤通信是利用光波作为载波，以光纤作为传输媒体，将信息从源节点传送至目的节点的一种通信方式。

光纤通信具有容量大、传输距离远、抗干扰能力强、性能稳定和保密性能好等优点，已在各种不同的骨干网中得到了广泛应用。

FTTx中x代表不同的技术。

1）光纤到户（FTTH，Fiber To The Home）是家庭接入的解决方案，即将光纤一直铺设到用户家庭内。

2）光纤到大楼（FTTB，Fiber To The Building）方案能解决一幢大楼有多个用户连接宽带的情况。

3）光纤到路边（FTTC，Fiber To The Curb）是指将光纤铺设到离家庭或办公室1km以内的路边，从路边到单个用户，可以采用双绞线或同轴电缆，以星型结构连接。FTTC代替了普通旧式电话服务，只需通过一条线就可以完成电话、有线电视、多媒体和其他通信业务。

FTTx还提供其他宽带接入方案，如光纤到节点或邻区（FTTN，Fiber To The Node/Neighborhood）、光纤到交换机（FTTE，Fiber To The Exchange）、光纤到小区（FTTZ，Fiber To The Zone）和光纤到办公室（FTTO，Fiber To The Office）等。