一、概述

1、LAN之概念

局域網(wǎng)（LAN，Local Area Network）術(shù)語(yǔ)是從網(wǎng)絡(luò)所提供服務(wù)的地理范圍的角度而得名。在許多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都給出了局域網(wǎng)的術(shù)語(yǔ)定義，具體詳見(jiàn)下表1，雖然它們的表述略有不同，但其含義是相同的，可以加深我們的理解。

表 1：局域網(wǎng)（LAN）的定義

術(shù)語(yǔ)“局域網(wǎng)”最早是源自于1980年由美國(guó)的施樂(lè)公司（Xerox）公司為先導(dǎo)，后來(lái)英特（Intel）公司和DEC公司加盟聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種稱為“以太局域系統(tǒng)（Ethernet）”。IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（LMSC）在研究局域網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，將該技術(shù)作為辦公自動(dòng)化用局域網(wǎng)的基本技術(shù)（即CSMA/CD技術(shù)）。因此，直到現(xiàn)在，人們將LMSC開(kāi)發(fā)的這個(gè)辦公自動(dòng)化用局域網(wǎng)仍然也稱之為“以太網(wǎng)（Ethernet）”。

局域網(wǎng)（LAN）出現(xiàn)的初期，通常僅需在小范圍內(nèi)（如建筑物或校園內(nèi)）連接十幾臺(tái)到幾十臺(tái)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)間以傳輸文本數(shù)據(jù)為主。為了節(jié)約通信媒體和提供廣播通信能力，早期的局域網(wǎng)無(wú)論采用哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，幾乎都毫無(wú)例外地采用共享通信媒體的方式。局域網(wǎng)絡(luò)提供的基本通信功能都是基于幀（frame-based）的，具有源和目標(biāo)尋址以及異步定時(shí)，在基于幀的系統(tǒng)中，幀格式是可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)字節(jié)序列。

目前的局域網(wǎng)（LAN）或稱以太網(wǎng)（Ethernet），其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要是由IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，即當(dāng)初的局域網(wǎng)/城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（LMSC，LAN/MAN Standards Committee）研究開(kāi)發(fā)并發(fā)布的（稱之為IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)）。由于其采用了不同的媒體訪問(wèn)控制方法，發(fā)布有多套局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，且大部分較少應(yīng)用，唯有802.3標(biāo)準(zhǔn)（CSMA/CD-LAN）仍然在不斷修訂補(bǔ)充更新之中。

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2、LAN的媒體訪問(wèn)控制方法

根據(jù)IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)，局域網(wǎng)的媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層采用了不同的MAC協(xié)議，這些協(xié)議基于不同的媒體訪問(wèn)控制方法，形成了不同的局域網(wǎng)技術(shù)的LAN，如最早開(kāi)發(fā)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞檢測(cè)（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）技術(shù)，是目前LAN使用最多最為普及的一種媒體訪問(wèn)控制方法。以及后來(lái)又陸續(xù)推出的媒體訪問(wèn)控制方法有：令牌傳輸總線技術(shù)、令牌環(huán)技術(shù)、分布式隊(duì)列雙總線（DQDB）技術(shù)、按需優(yōu)先技術(shù)、集成業(yè)務(wù)技術(shù)、光纖分布式接口（FDDI）技術(shù)、等等。采用這些后續(xù)開(kāi)發(fā)的媒體訪問(wèn)控制方法的LAN，其市場(chǎng)應(yīng)用遠(yuǎn)比CSMA/CD-LAN要遜色的多，因此LMSC已解散了這些標(biāo)準(zhǔn)研制的工作組，唯有802.3工作組（CSMA/CD-LAN）目前仍然十分活躍。下表1-2-1給出了上述各種媒體訪問(wèn)控制方法的基本情況，包括對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)（含IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)、ISO標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）、所支撐的數(shù)據(jù)傳輸速率及使用的物理媒體等情況；下表1-2-2是對(duì)上述各種媒體訪問(wèn)控制方法的介紹。

表 1-2-1：LAN各種媒體訪問(wèn)控制方法對(duì)應(yīng)的基本情況

表 1-2-2：LAN各種媒體訪問(wèn)控制方法介紹

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3、LAN的參考模型（RM）

我們知道，局域網(wǎng)（LAN）是IEEE 802網(wǎng)絡(luò)家族的一種，因此，LAN的參考模型（RM，Reference Models）與IEEE 802網(wǎng)絡(luò)的參考模型（RM）一樣，它也只涉及到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)/基本參考模型（OSI/RM）的最底兩層，即層1-物理層（PHY）和層2-數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）。然而，為了實(shí)現(xiàn)不同的局域網(wǎng)技術(shù)，對(duì)層1和層2進(jìn)行了子層的分層。

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對(duì)于層2的數(shù)據(jù)鏈路層（DLL），通常從上到下它分為了邏輯鏈路控制（LLC，Logical Link Control）子層和媒體訪問(wèn)控制（MAC，Medium Access Control）子層，兩個(gè)子層一起完成在OSI/RM中所定義的數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）的預(yù)期功能。MAC 子層實(shí)現(xiàn)不同的媒體訪問(wèn)控制方法，從而形成不同的局域網(wǎng)技術(shù)。LLC子層與媒體及訪問(wèn)控制無(wú)關(guān)，因此，所有IEEE 802網(wǎng)絡(luò)都遵從一個(gè)LLC規(guī)范，該規(guī)范是由IEEE 802.2標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 15629.2）指定的。而LLC使用MAC的服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，LLC子層解決常規(guī)數(shù)據(jù)鏈路層的問(wèn)題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的兩類(lèi)數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)（無(wú)連接服務(wù)與有連接服務(wù)），從而屏蔽了不同MAC子層間的差異。

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對(duì)于層1的物理層（PHY）的分層，不同的媒體訪問(wèn)控制方法的局域網(wǎng)有所不同，特別是基于CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)，為了實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，其物理層的分層變得比較復(fù)雜。下圖1-3給出了100GMbit/s速率的CSMA/CD技術(shù)局域網(wǎng)的參考模型（RM）示例，可見(jiàn)其物理層的分層。

圖 1-3：100GMbit/s速率的CSMA/CD技術(shù)局域網(wǎng)的參考模型（RM）

二、LAN的MAC子層

1、概述

對(duì)于不同媒體訪問(wèn)控制方法的局域網(wǎng)（LAN），其關(guān)鍵區(qū)別就在于媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層的實(shí)現(xiàn)，即MAC協(xié)議的不同。然而，各種技術(shù)的局域網(wǎng)MAC子層的基本功能是相同的，MAC子層用來(lái)處理共享通信媒體使用權(quán)限控制，因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)大都采用“競(jìng)爭(zhēng)”或輪流使用“發(fā)送權(quán)標(biāo)”（如Token，也譯作令牌）的方式來(lái)控制共享媒體的使用權(quán)。下表2-1列出了局域網(wǎng)MAC層的通用功能。根據(jù)IEEE 802的相關(guān)局域網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，MAC子層應(yīng)規(guī)范的內(nèi)容包括：MAC子層的服務(wù)規(guī)范；MAC子層的幀結(jié)構(gòu)；MAC的功能、方法與操作等內(nèi)容。

表 2-1局域網(wǎng)MAC層的通用功能

2、MAC規(guī)范內(nèi)容介紹

MAC子層的服務(wù)：通常應(yīng)包括MAC與LLC層間的服務(wù)、PHY層與MAC層間的服務(wù)以及與管理層的交互等。這種服務(wù)是用抽象的方法描述的，即用“原語(yǔ)”，并不隱含任何的實(shí)現(xiàn)或任何外漏接口。

MAC子層的幀結(jié)構(gòu)：我們知道，局域網(wǎng)絡(luò)都是具有一種基于幀（frame-based）的基本通信功能，這就需要規(guī)范MAC子層的幀結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)不同的媒體訪問(wèn)控制方法，不同的局域網(wǎng)技術(shù)的幀格式是有所不同的，即構(gòu)成的字段不同。但幀結(jié)構(gòu)就是一個(gè)數(shù)字比特序列（多常用十六進(jìn)制表示），通常應(yīng)包括：幀起始部分或稱報(bào)頭部分、MAC地址部分、數(shù)據(jù)信息部分和幀結(jié)束部分或稱報(bào)尾部分，各部分又有多個(gè)字段構(gòu)成包括字段的比特位數(shù)。各部分的作用詳見(jiàn)下表2-2的描述。特別指出的是，各48位的源地址和目的地址其分配與管理是由IEEE注冊(cè)機(jī)構(gòu)（RA，Registration Authority）實(shí)施的，以確保世界上每臺(tái)接入局域網(wǎng)的設(shè)備都有唯一的MAC地址。

表 2-2：MAC幀結(jié)構(gòu)各部分的用途

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MAC的功能、方法與操作：其內(nèi)容是依據(jù)不同的媒體訪問(wèn)控制方法，對(duì)MAC子層提出具體的功能要求、具體媒體訪問(wèn)的控制方法和操作做出規(guī)定。

三、LAN的物理層（PHY）

1、概述

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)/基本參考模型（OSI/RM）分層中，其物理層（PHY）的作用是：為數(shù)據(jù)鏈路層提供一個(gè)物理連接。在這里，“物理連接”不是永遠(yuǎn)存在于物理媒體上的，而是需要有物理層去建立、維持和終止。總之，物理層的功能是提供機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程特性。物理層的數(shù)據(jù)傳輸單位是比特。其物理層的具體功能可詳見(jiàn)下表3-1的描述。在IEEE 802的不同局域網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)其物理層的這些功能做出了具體詳細(xì)規(guī)范。

表3-1：物理層的具體功能描述

表中，對(duì)于物理層關(guān)于物理媒體的選擇，可以是有線媒體和無(wú)線媒體，如果選擇自由空間的無(wú)線媒體就成為了無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）。應(yīng)該說(shuō)，這里所說(shuō)的局域網(wǎng)多是指采用有線媒體。對(duì)于有線媒體，最早的局域網(wǎng)技術(shù)采用的是同軸電纜（粗纜）作為傳輸媒體，后來(lái)逐步采用了雙絞線線對(duì)（屏蔽或非屏蔽）和光纖（單模或多模）。目前基于CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)，當(dāng)采用光纖媒體，其支持的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)400Gbit/s甚至更高。

2、CSMA/CD技術(shù)局域網(wǎng)的物理層

在我國(guó)，目前在網(wǎng)使用的局域網(wǎng)幾乎都是基于CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)（甚至包括WLAN）。對(duì)于CSMA/CD-LAN，為了適應(yīng)多種不同物理媒體、不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同傳輸速率的需要，IEEE 802.3工作組將其物理層進(jìn)一步分層，且隨著物理層支持的數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，其分層更多，分層的層間對(duì)應(yīng)有專門(mén)的接口，其分層和對(duì)應(yīng)接口完成不同的功能，使得物理層的分層更為復(fù)雜。下圖3-2示例了10/100/1000Mbit/s物理層分層情況，以助于了解其CSMA/CD-LAN物理層隨數(shù)據(jù)速率的提高的分層變化情況。

圖3-2：10/100/1000Mbit/s物理層分層情況示意圖

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四、網(wǎng)間互連

對(duì)于一個(gè)局域網(wǎng)（LAN），大多數(shù)情況是網(wǎng)內(nèi)各端站間的通信，但是，也有網(wǎng)內(nèi)某端站需與其它LAN（或不同技術(shù)的LAN）、或其它IEEE 802網(wǎng)絡(luò)上的端站進(jìn)行通信。此時(shí)，就需要網(wǎng)間的互聯(lián)互通，對(duì)于局域網(wǎng)的互聯(lián)互通的方法，IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)局域網(wǎng)的分層建立了三種機(jī)制：一是通過(guò)物理層互連（使用通常稱為中繼器或集線器的設(shè)備）；二是通過(guò)MAC層互連（使用被稱為橋接器的設(shè)備）；三是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層互連（使用通常稱為路由器的設(shè)備）。

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