局域网是一种覆盖地理范围较小的网络。它们具有较低的传输时延和误码
率，同时由于其投资少、回报快、灵活、方便，因而获得了越来越广泛的应用。
局域网的出现要归功于个人计算机广泛应用，个人计算机的进一步普及和
性能的提高，又推动了局域网的进一步发展。在过去的３０多年间，计算机的处
理速度提高了百万倍，而网络数据传输率才提高了上千倍。从理论上讲，一台微
通道或ＥＩＳＡ总线的微型计算机的数据流量可达２５０Ｍｂ／ｓ，而早期的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ的
数据传输率只有１０Ｍｂ／ｓ，显然，开发高速局域网势在必行。由于传统的局域网
技术是建立在“共享介质”的基础上的，因而随着站点的增加，网络效率与网络规
模之间的矛盾就随着连网需求的增加日益突出。为了解决网络规模与网络效率
之间的矛盾，人们从以下几个方面进行了努力：
�局域网的标准化；
�提高网络的传输效率；
�用网桥或路由器将网段微化，使子网中接点数减少，以改善网络性能；
�将“共享介质方式”改为“交换方式”；
�将一些广域网技术，如ＡＴＭ技术，应用到局域网中。
本章介绍组织局域网的基本技术和知识。
５．１　局域网模型
５．１．１　ＩＥＥＥ８０２模型
ＩＥＥＥ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，美国电子与电气工程师协
会）于１９８０年２月成立了局域网标准委员会，简称ＩＥＥＥ８０２委员会，专门从事局
域网的标准化工作，该委员会为局域网制定了一系列标准，统称为ＩＥＥＥ８０２标
准。
１．ＩＥＥＥ８０２模型的特点
局域网的体系结构与广域网相比，有很大的不同。
（１）局域网种类繁多，使用的传输介质各种各样，接入方法也不相同，为此
ＩＥＥＥ８０２在数据链路层中专门划分出一个传输介质访问控制（ＭＡＣ，Ｍｅｄｉｕｍ
ＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）子层来进行传输介质访问控制，并用逻辑链路控制（ＬＬＣ，Ｌｏｇｉｃａｌ
ＬｉｎｋＣｏｎｔｒｏｌ）子层处理逻辑上的链路。ＬＬＣ子层与具体局域网使用的介质访问方
式无关，主要为高层协议与局域网介质访问控制ＭＡＣ子层之间提供统一的接口。
（２）局域网的拓扑结构比较简单，且多个站点共享传输信道，在任意两个节
点之间只有惟一的一条链路，不需要进行路由选择和流量控制，因而它不需要定
义网络层，只具备ＯＳＩ／ＲＭ低两层的功能就可以了。由于考虑到局域网要互连，
所以在ＬＬＣ子层之上设置了网际层。
（３）其他高层功能往往与具体的实现有关，通常包含在网络操作系统中。
（４）物理层还是需要的，并且物理层往往也分为两个子层。下面的子层用
于对传输介质进行说明；上面的子层作为传输介质的访问单元，用于发送／接收
比特、编码以及介质处理，类似于ＯＳＩ／ＲＭ的物理层。
这样一来，就使问题简化了。图５．１给出了ＩＥＥＥ８０２模型及其与ＯＳＩ／ＲＭ
的比较。
图５．１　ＩＥＥＥ８０２模型及其与ＯＳＩ／ＲＭ的比较
２．ＭＡＣ子层的主要功能
ＭＡＣ层主要处理与传输介质有关的问题，同时还负责在物理层传输比特的
基础上的无差错通信。因此，ＭＡＣ层的主要功能有：
�将上层交下来的数据封装成帧进行发送（接收时相反，将帧拆卸递交到
上层）；
�按ＭＡＣ地址（即帧地址）寻址；
�进行差错检测；
�ＭＡＣ层的维护和管理。
· １ ０ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
３．ＬＬＣ子层的主要功能
ＬＬＣ层处理与接入介质无关的而又属于数据链路层处理的问题。主要功能
如下：
�提供与高层的接口；
�实现数据链路层的差错控制；
�给帧加上序号；
�为高层提供数据链路层逻辑连接的建立和释放服务。
５．１．２　ＩＥＥＥ８０２协议标准
ＩＥＥＥ８０２是一个标准系列，不断增加了新的标准，现有的标准有：
�ＩＥＥＥ８０２．１Ａ，概述和体系结构；
ＩＥＥＥ８０２．１Ｂ，寻址、网际互连及网络管理；
�ＩＥＥＥ８０２．２，ＬＬＣ协议；
�ＩＥＥＥ８０２．３，ＣＳＭＡ／ＣＤ访问方法及物理层规范；
�ＩＥＥＥ８０２．４，令牌传送总线访问方法及物理层规范；
�ＩＥＥＥ８０２．５，令牌传送环访问方法及物理层规范；
�ＩＥＥＥ８０２．６，城域网（ＭＡＮ）标准；
�ＩＥＥＥ８０２．７，宽带局域网标准；
�ＩＥＥＥ８０２．８，光纤局域网标准；
�ＩＥＥＥ８０２．９，综合数据／语音网络标准；
�ＩＥＥＥ８０２．１０，网络安全与保密标准；
�ＩＥＥＥ８０２．１１，无线局域网标准；
�ＩＥＥＥ８０２．１２，１００ＢＡＳＥ－ＶＧ标准；
�……
�ＩＥＥＥ８０２．１４，有线电视网（ＣＡＴＶＢｒｏａｄｂａｎｄ）标准；
�ＩＥＥＥ８０２．１５，无线个人网络（ＷＰＡＮ）标准；
�ＩＥＥＥ８０２．１６，无线宽带局域网（ＢＢＷＡ）标准。
５．１．３　信道的多点共享访问控制
多点共享与多路复用不同，多路复用是将一条物理信道分割成多条逻辑信
道，使多个用户信息在同一信道上同时传输的技术；多点共享技术则是多个节点
使用同一条信道时的控制策略，也称多点共享控制技术、多点投入技术、多点访
问技术或介质共享技术。简单地说，多点共享技术就是在某一时刻只允许传送
· ２ ０ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
一个用户数据的情况下，为解决多个用户争相使用引起的信道冲突（Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ，也
称碰撞）而采用的介质访问控制方案。多点共享技术可以有效地提高传输介质
的利用率，主要用于局域网中，因为在局域网环境下，线路距离不长，没有必要使
用复杂的多路复用／解复用设备。
目前有两种多点访问控制方式：
（ａ）无竞争（受控）方式，各个节点必须在某一控制原则下接入，形成一种无
冲突的访问控制方式。在受控多点访问技术中，多点线路既可以采用分散式控
制，也可以采用集中式控制。
（ｂ）竞争方式，各节点以竞争方式来取得介质的使用权。
５．２　令　牌　网
令牌传递是一种受控访问控制方法，按照网络拓扑结构可以分为令牌环
（ＴｏｋｅｎＲｉｎｇ）介质访问控制和令牌总线（ＴｏｋｅｎＢｕｓ）介质访问控制两种方法。
５．２．１　令牌环网与ＩＥＥＥ８０２．５标准
１．令牌环的工作原理
令牌环（ＴｏｋｅｎＲｉｎｇ）是令牌通行环（ＴｏｋｅｎＰａｓｓｉｎｇＲｉｎｇ）的简写。令牌就是一
个具有特殊格式的帧，一个典型的例子是它为一个８位的二进制数，它一直在环
上按一个方向从一个节点到另一个节点流动。如图５．２所示，每个节点上都有
一个通过电缆、介质接口连接器和转发器连接到环上的工作站。
令牌有“闲”和“忙”两个状态，开始时为闲（如将状态寄存器置“１”）。一个节
点有数据要发送，必须等空闲令牌到来；检测到空闲令牌到来，便将之截获下来，
置令牌的状态为“忙”（将状态寄存器置“０”），并把要传送的数据等字段加上去，
令其继续往前传送；每到一个站点，该站点的转发器便将帧内的目的地与本站的
地址进行比较，如果两地址符合，则复制该帧，并在帧中置入“已收到”标志，然后
让帧继续传送；当传送回发源站点时，若没有检查到“已收到”标志则继续发送当
前帧，若检查到“已收到”的标志就停止传送，撤销所发送的数据帧并立即生成一
个新的令牌发送到环上（这时还有数据就继续发送，否则生成空闲令牌）。这种
由发送站回收令牌的策略具有广播性，允许多个站点接受同一数据帧。
令牌传送方式是一种无冲突的介质共享方式，常用于负载较重、通信量较大
的网络，地理范围也比以太网大。不像以太网那样，随着负荷的增加和冲突增
· ３ ０ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
图５．２　令牌环模型
多，网络效率急剧下降。令牌环网的缺点是，管理要比竞争方式复杂得多。为了
防止令牌的损坏、丢失或出现两个甚至多个令牌等错误，网络必须有错误检测能
力和恢复机制等。此外，令牌环网采用了集中管理方式，而该网络控制站一旦出
现问题便会造成一些麻烦。
２．ＩＥＥＥ８０２．５的ＭＡＣ帧
ＩＥＥＥ８０２．５是令牌环网的访问方法和物理层的标准，它定义了令牌环网
ＭＡＣ子层的两个基本帧：令牌帧和数据帧（非令牌帧）。令牌环的帧结构如图
５．３所示。
组成令牌环帧的字段有如下一些。
（１）起始字段和结束字段
它们各占１个字节，其中各有两对“ＪＫ”的特殊比特，用于起始和结束的识别
标志。
对于数据帧来说，在结束字段中，要用１位Ｉ作为后继比特，当Ｉ＝１时，表示
还有数据要发送；当Ｉ＝０时，表示是最后一帧数据。同时，还要用１位Ｅ作为差
错比特，开始时发送站将Ｅ置０，环上所有的经过站点都要对经过的帧进行校
验，检测到错误，即将Ｅ置１。
（２）访问控制字段
该字段占１个字节。
· ４ ０ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
图５．３　令牌环的帧结构
①优先级比特ＰＰＰ（占３位），将优先级分为８级，使优先级高的站点可以通
过预约取得下一次的发送权。
②预约比特ＲＲＲ（占３位），用于按优先权预约下次发送权。一个站要发送
数据时，可以在经过本站点的数据帧的ＲＲＲ字段中进行预约，以取得下一次的
发送权，当然，必须是本站的优先权高于当前数据帧中ＲＲＲ字段的优先权。
③令牌比特Ｔ（占１位），用于表示令牌的“闲”和“忙”。
④监督比特Ｍ（占１位），为防止忙令牌的无限循环而设置。
如图５．３（ａ）所示，令牌帧只有起始（结束）字段和访问控制字段，而非令牌
帧还有下面的一些字段。
（３）帧控制字段
帧控制字段占１个字节，前２位ＦＦ表示帧的类型，根据ＦＦ的的取值，帧分
以下３种类型：
�ＦＦ＝００，为ＭＡＣ控制帧，无数据字段；
�ＦＦ＝０１，为一般信息帧，只发送数据给地址字段指定的目的站点；
�ＦＦ＝１１或ＦＦ＝１０未定义。
帧控制字段中后６位ＺＺＺＺＺＺ为控制帧的种类。
（４）目的地址和源地址
· ５ ０ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
局部地址占２个字节，全局地址占６个字节。
（５）数据字段
最小长度为０，最大受令牌轮转一周的最长时间限制。
（６）帧校验序列字段ＦＣＳ
占４个字节，采用ＣＲＣ码。
（７）帧状态字段ＦＳ
最后１个字节，其中：
�Ａ，地址识别指示比特；
�Ｃ，帧已复制指示比特；
�ｒ，未做规定。
５．２．２　令牌总线网与ＩＥＥＥ８０２．４标准
令牌总线网的物理拓扑为总线，其基本原理是：让令牌一站接着一站地在总
线上传递，到最后一个站点时反绕到第一个站点，形成逻辑上的环，如图５．４所
示。
图５．４　令牌总线网的物理和逻辑结构
令牌总线网的ＩＥＥＥ８０２．４标准的工作原理与令牌环网相似，这里不再赘
述。请读者分析其特殊性。
５．３　以　太　网
以太网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）是目前应用最广泛的局域网。本节介绍它的基本原理和
发展变形。
· ６ ０ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
５．３．１　ＣＳＭＡ／ＣＤ协议
ＣＳＭＡ／ＣＤ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ／ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）即带有冲突检测
（ＣＤ）的载波侦听（ＣＳ）多路访问（ＭＡ），它是目前广泛应用的以太网上所采用的
图５．５　ＣＳＭＡ／ＣＤ介质存取方法工作流程
数据传输控制技术。ＣＳＭＡ／ＣＤ发送方
的工作原理如图５．５所示，简单地可以
用下面的重复过程描述：
讲前先听———忙则等待，无声则
讲———边讲边听，冲突即停，后退（等
待一段随机时间）重传———多次无效
（仍冲突），放弃发送。
１．ＣＳＭＡ
（１）载波侦听（ＣＳ，ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅ）
载波侦听是欲发送数据的节点进
行的第一件工作，即在数据发送之前
先要检测线路上有无信号正在传送，
这就是“讲前先听”。在不同的介质上
采用不同的侦听方式。一般而言，在
基带（Ｂａｓｅｂａｎｄ）机制下，以传输线路上
有无脉冲波变化为判断依据；在宽带
（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ）机制下，则以有无载波信
号来判断是否已有信号在传输。
如果线路上无信号传输，就可以发送自己的信号，这就是“无声则讲”。但
是，以太网进行帧传送时，为确保前后两个帧互不重叠干扰，要求帧间必须保留
有１２个字节（９６位）的帧间隙（ＩｎｔｅｒｆｒａｍｅＧａｐ）。这个帧间隙，对１０Ｍｂ／ｓ以太网
来说为是９．６μｓ的时间间隔，对１００Ｍｂ／ｓ以太网来说是０．９６μｓ的时间间隔。
（２）坚持与不坚持算法
当监听到信道上有信号时，可以用坚持和不坚持两种算法进行处理，坚持就
是还要一直监听下去，不坚持就是暂不再监听。具体又演化为如下三种ＣＳＭＡ
方法。这三种ＣＳＭＡ方法可以用打电话的方式理解———打电话时，若对方空闲，
则立即就讲；若对方占线，可以有三种方法处理：
�不停地拨对方的号码，直到对方空闲。这是坚持要打———“贪婪”的算法。
�发现对方占线，不立即拨号，等一段时间再拨。这是不坚持立即打———
· ７ ０ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
“理智”的策略。
�在处理对方占线的情形时，根据本站点的地位和线路情形，立即再拨的
概率为Ｐ，不立即再拨的概率为１－Ｐ。这是折中的方法。
下面具体分析这三种方法。
（ａ）１－坚持ＣＳＭＡ
�当一个站点要发送数据时，首先要侦听信道，看是否有其他站点正在发
送数据。
�如果信道忙，就等待；一旦发现信道空闲，即将数据送出。
�若发生冲突，就等待一个随机长时间，再试。
由于一旦发现信道空，发送数据的概率为１，故称１－坚持ＣＳＭＡ。“坚持”，
即在信道忙时，要坚持地侦听。
（ｂ）非坚持ＣＳＭＡ（ｎｏｎｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔＣＳＭＡ）
非坚持ＣＳＭＡ不像１－坚持ＣＳＭＡ那样“贪婪”地等待发送，而是采取了“理
智”的策略：
�当一个站点要发送数据时，首先要侦听信道，看是否有其他站点正在发
送数据。
�如果信道空闲，即将数据送出；若信道在使用中，就不再继续侦听，等待
一个随机长时间，再试。
（ｃ）Ｐ－坚持ＣＳＭＡ
Ｐ－坚持ＣＳＭＡ用于分隙信道。其工作过程如下：
�当一个站点要发送数据时，首先要侦听信道，看是否有其他站点正在发
送数据。
�如果信道空闲，即将数据以Ｐ概率传送，并以概率１－Ｐ把该次发送推
迟到下一时隙；若下一时隙信道仍空闲，便再以Ｐ概率传送，并再以概率１－Ｐ
把该次发送推迟到下下时隙；如此重复，直到发送成功或另一站开始发送。
�若信道忙，就继续侦听，到下一时隙重新开始上述过程。
假如介质忙时有Ｎ个站点等待数据发送，等到介质空闲时，还有ＰＮ个站点企
图发送。与１－坚持型ＣＳＭＡ相比，冲突减少。冲突的多少取决于Ｐ的选择。如果
Ｐ选得较大，冲突发生的几率就大；而Ｐ选得太小，则信道的利用率就会降低。
无论坚持还是不坚持，都不能立即传信号，要等到线路上出现闲置，这就是
“忙则等待”。
２．冲突检测（ＣＤ，ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）
（１）冲突的产生与检测方法
即使已经检测到线路空闲而发送信号后，还有可能在信号传送过程中产生
· ８ ０ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
碰撞———冲突（Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）。冲突产生的情形有如下两种：
（ａ）两个以上节点都准备发送信号，并同时进行载波侦听又在侦听到线路
空闲后都把信号发送到线路上，因而造成冲突。
（ｂ）一个节点（如Ａ）先检测到线路空闲后发送了信号，但由于信号传输延
迟（ＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＤｅｌａｙ），信号没有到达的节点（如Ｄ）因没有检测到节点Ａ已发送
信号，也发送了信号，造成冲突。
冲突会造成已发送帧的破坏，为此，在发送帧的过程中，应当“边讲边听”，并
且“冲突即停”———停止本次发送，丢弃受损帧，等待下一个随机时间再发送。
但是，有时即使发生冲突，也会检测不出———漏检。漏检的发生与帧的发送
时间以及传输延迟时间两者的关系有关，其分析如图５．６所示。
图５．６　帧长度和传输延迟对冲突的影响
图中，ＰＡＤ为由节点Ａ传送到节点Ｄ的一个帧，τＡ为其发送时间（从发送开
始到发送结束），τ为传输延迟时间，ＴＡ为其传输总时间（从传输开始到全部传
到），显然有
ＴＡ＝τＡ＋τ
同样，对ＰＤＡ有
ＴＤ＝τＤ＋τ
现在讨论ＰＡＤ与ＰＤＡ在两端同时发送帧时，Ａ、Ｄ两端对冲突的检测：
（ａ）τＡ＜τ且τＤ＜τ，即ＰＡＤ发送完时ＰＤＡ还没有到Ａ，且ＰＤＡ发送完时ＰＡＤ还
没有到Ｄ，这时Ａ、Ｄ都不能检测出冲突———Ａ、Ｄ都漏检。
（ｂ）τＡ＜τ且τＤ＞τ，即ＰＡＤ发送完时ＰＤＡ还没有到Ａ，而ＰＤＡ发送完时ＰＡＤ已
经到Ｄ，这时Ｄ可以检测出冲突，而Ａ漏检。
· ９ ０ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
（ｃ）τＡ＞τ且τＤ＜τ，即ＰＡＤ发送完时ＰＤＡ已经到Ａ，而ＰＤＡ发送完时ＰＡＤ还没
有到Ｄ，这时Ａ可以检测出冲突，而Ｄ漏检。
（ｄ）τＡ＞τ且τＤ＞τ，即ＰＡＤ发送完时ＰＤＡ已经到Ａ，且ＰＤＡ发送完时ＰＡＤ也已
经到Ｄ，这时Ａ、Ｄ都可以检测出冲突。
因此，要使冲突的两端都能检测出，就应当使两端都满足发送时间大于传输
延迟时间的条件，并且越大传输效果越好。为了考虑传输延迟的影响，倾听时间
要考虑两个因素：一是信号在线路上最远两点间来回传输所需的时间，二是以太
网时隙时间（ＳｌｏｔＴｉｍｅ）———５１２位（以太帧格式所规定的最小帧长度）的发送时
间。
由于在最坏的情况（发送点与碰撞点分别在两端）下，发送点检测到碰撞已
经持续了２τ的时间，因此废帧的最大长度就是２τ。为了避免数据帧与废帧混
淆，数据帧的长度应大于２τ。
数据帧也不能太长，如果数据帧太长，有可能出现一个故障站点连续发送，
而其他站点无法通信的情形。为此要对数据帧的最大长度加以限制，并使用物
理层的发送装置对帧的长度进行检测，发现超长帧就自动停止发送。
（２）后退等待
一旦检测出冲突，应立即停止发送，同时发出一个干扰信号（Ｊａｍｍｉｎｇ
Ｓｉｇｎａｌ），清除（丢弃）已发出的帧，并通知所有站点“冲突已经发生”，请所有站点
都暂停发送，以免冲突持续造成网络瘫痪。这个等待停滞称为退让（Ｂａｃｋｏｆｆ），其
中发出的干扰信号是一串３２～４８位的“１”。
退让时间（ＢａｃｋｏｆｆＴｉｍｅ）的选择要兼顾使各站点尽快将帧发出和能够实现网
络的拥塞控制。显然，大家都采用一个固定的退让时间是不行的，那样会一而
再、再而三地发生冲突。因此各站点采用随机退让时间，以便有效地减少冲突的
连续发生。
最常用的后退算法是截断二进制后退算法，它用下面的公式计算退让时间：
ｔ＝Ｒ×２τ，Ｒ的取值范围为［０，２
Ｎ
－１］
式中，Ｒ为随机数，Ｎ为重发次数。
第１次重发时，Ｒ的范围为［０，１］；
第２次重发时，Ｒ的范围为［０，３］；
……
这样，等待时间就与冲突历史相关，发生过的冲突次数越多，就说明发生冲
突的可能性越大，退避时间就应越长，以免无谓之功。表５．１为退避时间举例。
· ０ １ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
表５．１　退避时间的有关数据（对１０Ｍｂ／ｓ的以太网络）
重传次数 工作站点数 随机数范围 退避时间
１ １ ０～１ ０～５１．２μｓ
２ ３ ０～３ ０～１５３．６μｓ
３ ７ ０～７ ０～３５８．４μｓ
４ １５ ０～１５ ０～７６８μｓ
５ ３１ ０～３１ ０～１．５９ｍｓ
６ ６３ ０～６３ ０～３．２３ｍｓ
７ １２７ ０～１２７ ０～６．５ｍｓ
８ ２５５ ０～２５５ ０～１３．１ｍｓ
９ ５１１ ０～５１１ ０～２６．２ｍｓ
１０～１５ １０２３ ０～１０２３ ０～５２．４ｍｓ
一般情况下，重传１６次后，仍发生冲突，就放弃发送。由于ＭＡＣ子层上的
帧还不是ＭＡＣ帧，因此当ＭＡＣ子层传到物理层时，还要加上一个由硬件生成的
８字节的前导同步码，表示一个帧的开始。它是“１０１０……”交替码，只是到了最
后一位将０变为１，表示前导同步码的结束。
３．接收处理
接收处理主要有两项工作：接收校验和本地处理。接收校验包括碎片校验、
目的地址校验和完整性校验：
�碎片校验，长度小于５１２位的帧是冲突碎片。
�目的地址校验用于判断是否是本地地址；
�完整性校验包括校验是否是畸形帧（长度＞１５１８字节）、ＣＲＣ校验和定
界符（长度必须是８位的整数倍）。
５．３．２　ＩＥＥＥ８０２．３与１０Ｍｂ／ｓ以太网
１９７５年Ｘｅｒｏｘ公司的ＰａｌｏＡｌｔｏ研究中心推出了它们的第一个局域网———以
早先人们想像的传播电磁波的介质Ｅｔｈｅｒ命名的以太网Ｅｔｈｅｒｎｅｔ。由于它具有结
构简单、工作可靠等优点而得到广泛的应用。１９８０年美国的ＤＥＣ，Ｉｎｔｅｌ，Ｘｅｒｏｘ三
家公司联合研制公布了Ｅｔｈｅｒｎｅｔ技术规范。１９８５年ＩＥＥＥ计算机通信委员会颁
布的ＩＥＥＥ８０２．３局域网络协议（ＣＳＭＡ／ＣＤ）基本上和Ｅｔｈｅｒｎｅｔ技术规范一致。于
是，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ技术规范成为世界上第一个局域网络技术规范。
１．ＩＥＥＥ８０２．３的特点
ＩＥＥＥ８０２．３标准规定了ＣＳＭＡ／ＣＤ访问方法和物理层技术规范。该规范有
· １ １ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
三大特点。
（１）采用１－坚持ＣＳＭＡ／ＣＤ协议。
（２）规定ＭＡＣ帧的长度范围为６４～１５１８字节：要求按ＣＳＭＡ／ＣＤ方法接收
数据时，每个节点必须检测通过该节点的所有数据帧。如果数据帧中包含的地
址与本节点的地址一致，则在接收该数据帧之前先检测该数据帧的完整性：是否
太长（超过１５１８字节），不超长则进行ＣＲＣ校验，再检测是否太短（少于６４字节
为帧碎片）。完整时，才接收。
（３）采用截断二进制后退算法。
２．以太网帧结构
以太网的帧有两种格式：ＤＩＸ（取最早设计以太网的三家公司的首字母）格
式和ＩＥＥＥ８０２．３格式。图５．７所示为ＩＥＥＥ８０２．３帧的结构。两者区别仅在于
ＩＥＥＥ８０２．３格式中的１６ｂｉｔ的数据长度字段，在ＤＩＸ格式中是１６ｂｉｔ的类型字段。
图５．７　ＩＥＥＥ８０２．３帧结构
（１）前同步码由７字节的前导码（１０１０…１０）和１字节的帧同步码ＳＦＤ
（１０１０１０１１）组成。５６个“０１”用于“唤醒”接收者，使接收者与发送者进行时钟同
步，最后一个“１１”用于“提醒”接收者开始接收。
（２）源地址是指发送站的网卡地址；目的地址是指接收以太网帧的网卡地
址。每个以太网卡地址中的前３个字节由ＩＥＥＥ统一分配做厂家编码，称为
ＢｌｏｃｋＩＤ；后３个字节由厂家统一编码，称为设备ＩＤ。
（３）类型：以太网封装的消息协议类型。标识该帧交给哪个高层协议（如
ＩＰ、ＩＰＸ、ＡＲＰ等）。
（４）数据长度：帧的长度。
（５）ＦＣＳ：帧的循环冗余校验序列。
３．以太网的组成
目前，许多网络都称为以太网。但是只有遵守ＩＥＥＥ８０２．３的网络（即基带
总线网）技术才能真正地称为以太网。图５．８为以太网的结构示意图。它由传
输介质、收发器、网卡和计算机———工作站组成。
· ２ １ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
图５．８　以太网的结构
（１）传输介质
以太网的传输介质有粗缆（１０Ｍｂ／ｓ，传输距离１００ｍ）、细缆（１０Ｍｂ／ｓ，传输
距离较近）、３类４芯双绞线（１０Ｍｂ／ｓ，传输距离１００ｍ）、５类双绞线（１００Ｍｂ／ｓ，传
输距离１００ｍ）。也有用３类８芯双绞线来达到１００Ｍｂ／ｓ的。
（２）收发器
收发器具有如下功能：
�接收或发送数据；
�检测在总线上发生的数据帧的冲突；
�在总线和总线接口的电子设备之间进行电气隔离；
�超长功能控制。当收发器所连接的网卡或总线接口出现故障时，有可能
向总线不停地发送无规律的数据，使总线上的所有站都无法工作。为此，要为所
有的发送帧设置一个长度上限。收发器检测到某个数据帧超过此上限，即自动
停止发送数据，以保护总线不受影响。
收发器与工作站之间用５组分别屏蔽了的双绞线连接：
�一组供给收发器电源和地线；
�数据两组———收、发各一组；
�两组控制线———一组用于通知出现冲突，一组用于使工作站主动发送数
据的路径与总线隔离。
收发器电缆不可超过５０ｍ，其上的信号采用曼彻斯特编码。
（３）网卡
网卡是实现工作站之间通信的关键部件。它的一端与计算机的总线连接
（插在计算机的一个扩展槽中），另一端通过收发器电缆与收发器连接。网卡主
要实现下列功能：
（ａ）数据的封装和解封。发送时，将ＬＬＣ子层传下来的ＬＬＣ帧封装成带有
地址和差错校验的ＭＡＣ帧；接收时，拆去ＭＡＣ帧的首部和尾部，送交ＬＬＣ子层。
（ｂ）链路管理，实现ＣＳＭＡ／ＣＤ协议。
（ｃ）编码和解码。对送到收发器上的信号进行曼彻斯特编码，对从收发器
· ３ １ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
收到的信号进行曼彻斯特解码。
上述（ａ）和（ｂ）是ＭＡＣ子层的功能，（ｃ）是物理层的功能。
４．１０Ｍｂ／ｓ以太网的物理层标准
１０Ｍｂ／ｓ以太网可以有多种物理层标准。目前有５种：
�１０Ｂａｓｅ－５标准，也称标准以太网（原始的ＩＥＥＥ８０２．３）或粗缆以太网，采
用粗同轴电缆、总线连接；
�１０Ｂａｓｅ－２标准———ＩＥＥＥ８０２．３ａ，也称便宜以太网或细缆以太网，采用细
同轴电缆总线连接；
�１０Ｂａｓｅ－Ｔ标准———ＩＥＥＥ８０２．３ｉ，也称双绞线以太网，采用无屏蔽双绞
线、星型方式连接；
�１０Ｂａｓｅ－Ｆ标准———ＩＥＥＥ８０２．３ｊ，也称光缆以太网，星型方式连接；
�１０Ｂｒｏａｄ３６标准，宽带传输以太网。
５．ＩＥＥＥ８０２．３以太网体系结构
为了便于物理层功能的实现，８０２．３进一步将物理层分为两个子层。
（１）ＰＬＳ子层
ＰＬＳ（ＰｈｙｓｉｃａｌＳｉｇｎａｌｉｎｇ，物理信令）子层负责：
�向ＭＡＣ层提供服务；
�曼彻斯特码的编码和解码；
�载波侦听。
（２）ＰＭＡ子层
ＰＭＡ（ＰｈｙｓｉｃａｌＭｅｄｉｕｍＡｔｔａｃｈｍｅｎｔ，物理介质附件）子层负责：
�向ＰＬＳ层提供服务；
�冲突检测；
�超长控制；
�发送／接收串行比特。
图５．９给出了８０２．３以太网的两种体系结构。它们的区别在于ＰＬＳ和ＰＭＡ
在不在同一个设备中。
图中：
�ＭＤＩ（ＭｅｄｉｕｍＤｅｐｅｎｄｅｎｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ，介质相关接口）定义了ＰＭＡ与传输介质
连接的电缆段、连接电缆段的连接器以及电缆末段负载的特性。
�ＭＡＵ（ＭｅｄｉｕｍＡｔｔａｃｈｍｅｎｔＵｎｉｔ，介质附件单元）———ＰＭＡ与ＭＤＩ的通称。
�ＡＵＩ（ＡｔｔａｃｈｍｅｎｔＵｎｉｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ，附件单元接口）定义了连接ＰＬＳ和ＭＡＵ的
电缆及其连接器的电气／机械特性以及该接口上的电信号特性。
· ４ １ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
图５．９　８０２．３以太网的两种体系结构
图５．１０所示为典型的以太网节点结构。
图５．１０　典型的以太网节点结构———１０Ｂａｓｅ－Ｔ网卡的连接
５．３．３　１００Ｍｂ／ｓ以太网
１．１００Ｂａｓｅ－Ｔ与ＩＥＥＥ８０２．３ｕ
１００Ｂａｓｅ－Ｔ也称快速以太网（ＦａｓｔＥｔｈｅｒｎｅｔ），是在１０Ｂａｓｅ－Ｔ基础上发展起
来的、用以太网原始数据率１０倍的速度运行的技术。它的相应标准是
ＩＥＥＥ８０２．３ｕ。
１００Ｂａｓｅ－Ｔ保留了以太网ＭＡＣ层的ＣＳＭＡ／ＣＤ介质控制协议，把每个比特
的发送时间从１００ｎｓ降低到１０ｎｓ，从而将数据率从１０Ｍｂ／ｓ提高到１００Ｍｂ／ｓ。
其网速的提高，一方面要求相应的协议调整，另一方面要求相应的通信介质。下
面从协议调整和介质两个方面来介绍１００Ｂａｓｅ－Ｔ的技术特征。
（１）１００Ｂａｓｅ－Ｔ的物理层标准
与１０Ｍｂ／ｓ以太网类似，为了支持各种拓扑结构并满足网络市场需求，
· ５ １ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
１００Ｂａｓｅ－Ｔ开发了４种类型的收发器，与之对应的有４种物理层标准：
�１００Ｂａｓｅ－ＴＸ，支持２对５类非屏蔽双绞线或２对１类屏蔽双绞线，数据
速率１００Ｍｂ／ｓ，媒体段长度１００ｍ，网络跨度２００ｍ。
�１００Ｂａｓｅ－Ｔ４，支持４对３、４或５类非屏蔽双绞线，其中３对用于数据传
输，１对用于冲突检测，数据速率１００Ｍｂ／ｓ，媒体段长度１００ｍ，网络跨度２００ｍ。
�１００Ｂａｓｅ－ＦＸ，支持２条光纤，数据速率１００Ｍｂ／ｓ，媒体段长度１００ｍ，网络
跨度４００ｍ。
�１００Ｂａｓｅ－Ｔ２，支持２对３类非屏蔽双绞线，数据速率１００Ｍｂ／ｓ，最大距离
１００ｍ。
（２）ＩＥＥＥ８０２．３ｕＣＳＭＡ／ＣＤ模型
图５．１１为ＩＥＥＥ８０２．３ｕ１０／１００Ｍｂ／ｓＤＴＥ的层次模型示意图。
图５．１１　ＩＥＥＥ８０２．３ｕ１０／１００Ｍｂ／ｓＤＴＥ的层次模型
从图中可以看出，在１００Ｂａｓｅ－Ｔ中，用介质无关接口ＭＩＩ（Ｍｅｄｉｕｍ
ＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ）代替了１０Ｍｂ／ｓ以太网中的ＡＵＩ，并在ＭＩＩ与ＭＡＣ层之间增
加了一个协调子层ＲＳ（ＲｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎＳｕｂｌａｙｅｒ）。
用ＭＩＩ代替ＡＵＩ的主要原因是ＡＵＩ不能在达到１００Ｍｂ／ｓ的速率下正常工
作。ＡＵＩ采用的是串行接口，而ＭＩＩ的数据接口采用半字节模式（一次传输４位
数据）接口，从而将带宽需求降低到１／４。同时，ＭＩＩ还提供了附加的强功能，以
提供ＭＡＣ层和物理层之间的专用报错和管理信号。当然，ＭＩＩ也可以在１０Ｍｂ／ｓ
· ６ １ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
速度下工作。
由于ＭＡＣ层只能提供位串行接口，而ＭＩＩ可以提供一个具有半字节宽度的
发送／接收数据接口，所以要在ＭＡＣ和ＭＩＩ之间增加一个协调子层，在原始以太
网ＭＡＣ和ＭＩＩ之间映射，以保证ＭＡＣ层是一个标准实体。
此外，快速以太网还在下列方面对１０Ｍｂ／ｓ做了改进：
（ａ）不再使用曼彻斯特编码，而采用简单的不归零码。曼彻斯特编码是一
种自含同步时钟的编码。但是它会产生高次谐波，这一现象会随着信号数据率
的提高而加剧，产生严重的电磁干扰和射频干扰。因此，在ＭＩＩ中不再使用曼彻
斯特编码。例如，在１００Ｂａｓｅ－４Ｔ中使用４根彼此独立的３类无屏蔽双绞线，电
缆上的时钟速率最大可以达到４０Ｍｂ／ｓ，为了将线位传输率减小至３０Ｍｂ／ｓ以下
而保证符号率为１００Ｍｂ／ｓ，采用了８Ｂ６Ｔ的三电平（＋、－、０）编码方法。表５．２
为８Ｂ６Ｔ编码表。
表５－２　８Ｂ６Ｔ编码
８位数据 ６Ｔ码组 ８位数据 ６Ｔ码组 ８位数据 ６Ｔ码组 ８位数据 ６Ｔ码组
００００００００＋－００＋－００００１０００－＋００＋－０００１００００＋０＋－－００００１１００００＋－０＋－
０００００００１０＋－＋－０００００１００１０－＋＋－００００１０００１＋＋０－０－０００１１００１０＋－０－＋
００００００１０＋－０＋－０００００１０１０－＋０＋－００００１００１０＋０＋－０－０００１１０１００＋－＋＋－
００００００１１－０＋＋－０００００１０１１＋０－＋－００００１００１１０＋＋－０－０００１１０１１０＋－００＋
０００００１００－０＋０＋－００００１１００＋０－０＋－０００１０１０００＋＋－－００００１１１０００－＋００＋
０００００１０１０＋－－０＋００００１１０１０－＋－０＋０００１０１０１＋＋００－－０００１１１０１０－＋＋＋－
０００００１１０＋－０－０＋００００１１１０－＋０－０＋０００１０１１０＋０＋０－－０００１１１１００－＋０－＋
０００００１１１－０＋－０＋００００１１１１＋０－－０＋０００１０１１１０＋＋０－－０００１１１１１０－＋０＋－
（ｂ）增加自适应功能，通过自动协商进行工作模式的自动配置，在１０Ｍｂ／ｓ
和１００Ｍｂ／ｓ的带宽上自适应。
（ｃ）可以使用全双工。与半双工相比，可以消除延迟限制，支持更大的网络
半径。
（ｄ）定义了新的中继器规范，减少了中继器延迟。
（ｅ）可管理性得到加强。
２．１００Ｂａｓｅ－ＶＧ
１００Ｂａｓｅ－ＶＧ原名１００ＶＧ－ＡｎｙＬＡＮ，由ＨＰ、ＩＢＭ和ＡＴ＆Ｔ三家公司共同推
出，目的是解决冲突型以太网中因争夺总线产生的瓶颈问题。它采用新的“按需
优先轮询（ＤｅｍａｎｄＰｒｉｏｒｉｔｙＰｏｌｌｉｎｇ）”方法来处理网络请求，以免冲突。它同时支持
· ７ １ １ · 第５章　ＩＥＥＥ８０２模型与局域网
３类、４类和５类三种非屏蔽双绞线。
如图５．１２所示，在１００Ｂａｓｅ－ＶＧ中，１００Ｍｂ／ｓ的位流通过多路复用成４路
２５Ｍｂ／ｓ的数据流在４对双绞线上发送。这时需要使用５Ｂ／６Ｔ在集线器与节点
之间传送以太网数据，使每一路双绞线的传输速率提高到３０Ｍｂ／ｓ。
图５．１２　１００Ｂａｓｅ－ＶＧ中位流的编码
图５．１３　千兆位以太网的层次结构
５．３．４　ＩＥＥＥ８０２．３ｚ与千兆位以太网
１．千兆位以太网的层次结构
千兆位以太网（ＧｉｇａｂｉｔＥｔｈｅｒｎｅｔ）采用ＩＥＥＥ８０２．３ｚＣＳＭＡ／ＣＤ模型，如图５．１３
所示，其层次结构与快速以太网相似。
· ８ １ １ · 第２篇　计算机网络体系结构
ＩＥＥＥ８０２．３ｚ标准任务组的首要目标之一，就是保持与现有十兆位以太网和
百兆位以太网兼容。在结构上，千兆位以太网也与百兆位以太网相似。需要说
明的是：
（ａ）千兆介质无关接口ＧＭＩＩ是千兆ＭＡＣ（ＧＭＡＣ）与物理层间的逻辑接口。
ＧＭＩＩ中的数据通路宽度为８位，发送和接收时钟工作在１２５ＭＨｚ，因此数据率为
１０００Ｍｂ／ｓ。它也支持２５ＭＨｚ和２．５ＭＨｚ的频率，用以支持１００Ｍｂ／ｓ和１０Ｍｂ／ｓ。
（ｂ）物理编码子层ＰＣＳ负责数据的发送、接收、同步、载波、侦听和自动协
商，并使用８Ｂ／１０Ｂ编码方法，将８位的数据转换成１０位在物理介质上传输。
（ｃ）物理接入子层ＰＭＡ负责将ＰＣＳ传递给物理介质相关子层ＰＭＤ的１０位
并行信号转换成串行位流；也可以把ＰＭＤ提供的串行位流转换成并行的１０位
码交给ＰＣＳ。
（ｄ）物理介质相关子层ＰＭＤ是物理层的最低子层，负责提供到物理介质的
接口，在ＰＭＤ子层和介质之间交换串行８Ｂ／１０Ｂ编码位流。
２．千兆位以太网的物理层标准
ＧｉｇａｂｉｔＥｔｈｅｒｎｅｔ与ＦａｓｔＥｔｈｅｒｎｅｔ的区别仅在于把每个比特的发送时间进一步
降低到１ｎｓ。它可以支持多种介质，目前制定了４种有关通信介质的标准：
�１０００Ｂａｓｅ－ＳＸ，支持波长为８５０ｎｍ的多模光纤，光纤长度可达３００～５５０ｍ。
�１０００Ｂａｓｅ－ＬＸ，支持波长为１３００ｎｍ的单模光纤，光纤长度可达３０００ｍ。
�１０００Ｂａｓｅ－ＣＸ，支持屏蔽双绞线，双绞线长度可达２５ｍ。
�１０００Ｂａｓｅ－Ｔ，支持５类非屏蔽双绞线，双绞线长度可达１００ｍ。