什么是局域网「有什么特点」

局域网，是一种覆盖有限地理范围的计算机网络，它让PC机及其他设备相互连接，实现数据传输和资源共享。在现代网络技术中，局域网已占据举足轻重的地位。它以其独特的特点和技术，让我们能够在更短的时间内实现信息的共享和传输。下面让我们深入了解局域网的主要技术及其特性。

局域网不同于广域网，具有其独特的特点：地理分布范围较小，可覆盖一幢大楼、一所校园或一个企业；数据传输速率高，可达到0.1-100Mbps，甚至高达1000Mbps；误码率低，通常在10-11-10-8以下。这些特点使得局域网在数据传输和共享方面表现出色。局域网以PC机为主体，包括终端和各种外设，无需中央主机系统。它一般采用简单的协议，结构灵活，建网成本低，便于管理和扩充。

局域网可以细分为多种类型，包括常见的局域网LAN、采用电路交换技术的局域网如计算机交换机CBX或PBX，以及新兴的高速局域网HSLN。还有城市区域网MAN，它是一个覆盖整个城市的网络，但采用LAN的技术。

局域网的特性主要涉及拓扑结构、传输媒体和媒体访问控制等关键技术。其中最重要的是媒体访问控制方法，它决定了网络中的站点如何访问传输媒体。局域网的拓扑结构主要有总线、环形和星形三种。总线网采用分布式媒体访问控制方法，具有可靠性高、扩充性能好、通信电缆长度短、成本低等优点。环形网则采用另一种分布式媒体访问控制方法，其优点是控制简单、信道利用率高。星形网则采用集中式媒体访问控制方法，具有结构简单、实现容易的优点。

除了拓扑结构，局域网的传输媒体也是其重要的一环。常见的传输媒体包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线通信。而局域网标准化组织如ISO、IEEE 802等则为局域网的发展提供了标准化的方向。

局域网的应用领域十分广泛，包括办公自动化、企业自动化、校园、医院等。它为我们提供了一个高效、便捷的信息交流平台，让我们能够更好地实现资源的共享和数据的传输。

局域网在现代网络技术中占据了重要的地位，其独特的特点和技术使得它在数据传输和共享方面表现出色。无论是总线网、环形网还是星形网，都有其独特的优点和缺点，我们可以根据不同的需求选择适合的拓扑结构。而局域网的传输媒体和媒体访问控制方法等关键技术，也为局域网的发展提供了更多的可能性。星形网的典型实例是计算机交换机CBX，这是现代通信技术中的核心组成部分。在现代局域网（LAN）建设中，传输媒体起到了至关重要的作用，它们构成了信息的传输通道，使得电子设备能够互相通信。

在LAN中，主要采用的传输方式包括基带传输和宽带传输两种。基带传输主要用于数字信号的传输，而宽带传输则用于模拟信号的传输。这两种传输方式各有特色，适用于不同的网络环境和需求。

基带传输主要使用双绞线或同轴电缆作为传输媒体。由于其适用于数字信号的传输，整个带宽都被用于单信道的信号传输。基带系统的特点是数字信号双向传输，即媒体上任意一点加入的信号都会沿两个方向传输到两端的端接器。基带系统也存在一定的局限性，如只能延伸数公里的距离，这是因为信号的衰减会导致通信无法实现更大距离上的通信。

宽带传输则主要用于模拟信号的传输，它使用同轴电缆等媒体，通过FDM（频分多路复用）技术实现多路信道复用。宽带系统可以达到比基带更大的传输距离，因为携带数字数据的模拟信号在噪声和衰减损失数据之前可以传播较长的距离。宽带系统的本质是一种单向传输的媒体，这意味着只有处于发送站“下游”的站点才能收到发送站的信号。

总线LAN通常采用基带同轴电缆，对于数字信号来说，50Ω电缆具有较好的抗干扰性。最简单的基带同轴电缆LAN由一段无分枝的同轴电缆构成，两端接有防反射的端接器。为了延伸网络的长度，可以使用中继器。中继器连接不同的两段同轴电缆，并在两段电缆间向两个方向传送数字信号，从而实现对信号的放大和复原。

宽带系统在物理上可以通过双电缆和中分两种不同的结构来实现输入和输出的通路。在双电缆结构中，入径和出径是分开的两根电缆，两者间的端头只是一个无源联接装置。

无论是基带传输还是宽带传输，都在现代通信网络中发挥着重要作用。它们各有特点，适用于不同的场景和需求。深入了解这些传输方式的特点和优势，有助于我们更好地设计和优化局域网的建设。在中分构造的传输路径时，我们了解到入径和出径是同一电缆上承载的不同频率信号。双向放大器在此扮演关键角色，它负责传送较低频率的入径信号（5-116MHz）和较高频率的出径信号（168-300MHz）。这一过程的顺畅进行，得益于端头内置的频率转换器，它将入径频率成功转换为出径频率，从而实现了上传低频率、下载高频率的通信需求。

频率转换器的实现可以依赖于模拟装置或数字装置。模拟装置通过简单的信号转换，将入径信号转换为一个新的频率并重新发送。而数字装置则需要先在端头恢复数字数据，再在新的频率上重新发送经过净化的数据。这种转换确保了数据的准确传输和通信的顺畅。

进一步深入到局域网的媒体访问控制方法，我们可以了解到在环形或总线拓扑结构中，由于只有一条物理传输通道连接所有设备，因此必须遵循特定的规则以确保传输媒体的正常访问和使用。其中，媒体访问控制方法包括具有冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）、控制令牌及时槽环三种技术。

CSMA/CD技术是一种随机访问和竞争技术，主要应用于总线拓扑结构网络。在这种技术中，所有设备都直接连接到同一条物理信道上，该信道负责所有设备之间的数据传送。当设备发送帧时，会先进行载波监听，若监听到信道上有载波信号则会推迟发送，直到信道空闲为止。边发送边进行冲突检测，一旦发现冲突就立即停止发送，并发送阻塞码通知其他站点。这种技术能迅速发现并停止冲突的传输，从而有效减少冲突次数和冲突时间。

控制令牌是另一种媒体访问控制方法，它遵循共同规则，通过传递控制令牌来实现数据传输。一个站点只有占有令牌时才能发送数据帧，发完帧后，将令牌传递给下一个站点。这种方法不仅用于环形网拓扑结构，也可以用于总线网拓扑结构。

时槽环是一种只用于环形网的媒体控制访问方法。它采用集中控制方式，为每个节点预先安排一个特定的时间时槽段进行数据传输。若数据较长，则可以使用多个时槽来传输。每个时槽都能携带一个固定尺寸的信息帧，由监控站控制时槽的传递顺序和数量。

在环网中，每个站点对充满时槽的头部目的地址进行细致的检查。一旦发现地址与自己相匹配，站点就会热情地迎接这些数据，阅读其中的内容，并对时槽尾部的一对响应位进行适当的调整。随后，这些数据会被精心包装并再次转发，开始它们在环上的新旅程。如果目的地站点繁忙或拒绝接收，响应位会做出明智的标记或保持原样。

源站点在启动一帧数据的发送后，会耐心等待这帧数据绕环一周。由于每个站点都知道环上时槽的总数量，它们可以通过接口对时槽的转发计数来预测自家时槽的到来。之后，源站点会将其使用的时槽重新标记为空，并仔细阅读时槽尾部的响应位，以确定是否应该放弃已发送的备份帧或重新发送该帧。这一切，得益于响应位的神奇力量，无需独立的响应帧来繁琐处理。

监控站传递位是监控站的专属工具，用于监测各站点发送的帧是否有差错或站点是否故障。每当源站点发送帧时，这个神奇的位会被置为“0”。当满时槽在环接口上优雅地转发时，监控站会对其中的每一个满时槽的该位置为“1”。如果监控站在转发某个满时槽时发现监控站传递位已被置为1，那么它会立刻识别出源站点出现了故障，然后将帧的满/空位置为空，释放空时槽。时槽尾部的两个控制位是专门为DTE高层协议准备的，它们在媒体访问控制层并不显眼，但在关键时刻却能发挥巨大作用。

值得注意的是，在时槽环媒体访问控制方法中，每个站点每次只能专注地传送一个帧。若想传递另一个帧，必须释放前一个帧所占用的时槽。这种访问方法确保了公平性，被所有互连的站点所共享。时槽环的魅力在于其简单的结构、节点间的和谐共处以及高可靠性。为了维持基本环的结构，时槽环需要一个特定的监控站节点。如果某个站点发送的数据过长，需要占用多个时槽，而环上只有该站有数据要发送，那么许多时槽都会处于空转状态。每个40位长的时槽只能携带16位有效数据，这虽然带来了开销和效率上的挑战。相比之下，令牌环中的站点在得到控制令牌后，可以像一个整体一样发送包括多个字节的信息帧，因此效率更高。

为了对多个高层实体提供全面支持，在LLC层的顶端，设立了多个LLC服务访问点（LSAP），为实体A和B搭建起沟通的桥梁。而在网际层的巅峰，则设立了多个网间服务访问点（NSAP），为实体C、D和E铺设信息的高速公路。至于媒体访问控制服务访问点（MSAP），则专为LLC实体提供一个单一的接口。

LLC子层内部定义了三种类型的链路服务，它们分别是无确认无连接服务、有确认无连接服务和面向连接服务。其中，无确认无连接服务犹如一封简洁的数据报，它在LLC实体间传递信息时，无需预先在同等层实体间建立逻辑链路，给人一种无拘无束的感觉。而有确认无连接服务则像是加了一份确认函的数据报，为传输提供了一定的可靠性保障。面向连接服务则如同搭建了一条虚电路，它在两个LLC实体间建立了一条逻辑链路，确保信息帧能够有序、可靠地传输，同时提供流量控制和差错恢复功能。

MAC子层在支持LLC层完成媒体访问控制功能时，提供了多种灵活的媒体访问控制方式。当使用MSAP支持LLC子层时，MAC子层就像一位精准的导航员，实现了帧的寻址和识别。MAC到MAC的操作通过同等层协议进行，MAC子层还担当了帧检验序列的产生和帧检验等重要任务。

在1980年2月，IEEE成立了局域网标准化组织，简称IEEE 802标准。这个组织专注于局域网的协议制定，并产生了一系列国际标准，被称为ISO 8802标准。这些标准根据局域网的类型，详细规定了拓朴结构、媒体访问控制方法、帧的格式和操作等内容。IEEE 802标准系列中的各个子标准之间的关系犹如一张错综复杂的网络图谱。

IEEE 802标准定义了LLC子层和MAC子层的帧格式。在数据传输过程中，LLC子层将高层递交的报文分组作为信息字段，再加上目的服务访问点、源服务访问点及相应的控制信息，构成了LLC帧。LLC帧格式及其控制字段的定义如同一本详尽的说明书。

LLC的链路采用了独特的异步平衡方式（ABM），摒弃了传统的主从模式。在这种模式下，节点都是组合站，既可以作为主站发送命令，也可以作为从站响应命令。IEEE 802.2标准定义的LLC帧格式与HDLC的帧格式有着异曲同工之妙，其控制字段的格式和功能都是基于HDLC的平衡方式制定的。这些LLC帧被分为信息帧、监控帧和无编号帧三类，它们各司其职，确保数据的顺畅传输。

CSMA/CD媒体访问控制是一种决定媒体访问权的争用协议，这种协议只适用于逻辑上属于总线拓扑结构的网络。在这种网络中，每个站点都能独立决定帧的发送。但如果两个或多个站点同时发送帧，就会产生冲突，导致所有发送的帧都出错。CSMA/CD协议的成功与否，很大程度上取决于监测总线的空闲状态所使用的算法以及冲突发生后的处理方式。总线争用技术分为载波监听多路访问CSMA和具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD两大类。这些技术就像是数据通信中的舞者，在总线上优雅地舞动，确保数据的顺利传输。

载波监听多路访问CSMA技术如同一种倾听再发言的机制。要传输数据的站点首先会监听媒体上的信号，以确定是否有其他站点正在传输数据。如果媒体处于空闲状态，那么该站点就可以开始传输数据；否则，它会选择避让一段时间后再尝试。退避算法在这里起到了关键作用，它决定了站点避让的时间。常见的退避算法有非坚持、1－坚持和P－坚持三种。这些算法就像是交通信号灯，指挥着数据的传输节奏。

在媒体通信中，为了确保数据的顺畅传输并减少冲突的发生，存在几种不同的算法，其中非坚持算法、1-坚持算法和P-坚持算法都是为了实现这一目标而存在的折中方案。这些算法在应对媒体忙碌状态时的处理方式各有不同。当媒体处于空闲状态时，可以立即发送数据；而当媒体繁忙时，则需要等待一段时间再尝试发送。为了避免冲突的发生，有时会引入随机的重发延迟时间。这些算法也存在一定的缺点，如媒体空闲状态过多或冲突不可避免等。

其中，P-坚持算法是一种能够结合非坚持算法和1-坚持算法优点的策略。它允许站点在媒体空闲时以一定的概率P发送数据，这样既能减少冲突的发生，又能避免媒体空闲时间过长。如何选择适当的P值是一个关键问题。如果P值选择不当，可能会导致冲突增多或媒体利用率降低。为了避免系统的不稳定状态，必须确保NP（站点数乘以概率P）小于1。当媒体冲突发生时，需要有一种机制来检测并解决冲突。这就是CSMA/CD协议的作用所在。

CSMA/CD是一种载波监听多路访问协议，它引入了冲突检测功能。在数据传输过程中，发送站点会持续监听媒体以检测是否存在冲突。一旦检测到冲突，会立即停止发送并发送阻塞信号通知其他站点。这种机制能够避免浪费由于传输损坏帧而产生的通道容量，提高总线的利用率。CSMA/CD协议也存在一定的代价，那就是用于检测冲突的时间。对于基带总线而言，最坏情况下检测一个冲突的时间等于任意两个站点之间传播时延的两倍。这包括信号传播时延和数据传输时延。为了确保能够检测到可能的冲突，数据帧的传输时延至少要两倍于传播时延。这意味着分组的长度必须满足一定的要求，否则在检测出冲突之前传输可能已经结束，导致数据损坏。这种协议已广泛应用于局域网中，以提高通信的效率和可靠性。本文将深入CSMA/CD总线网络中最短帧长的计算关系，以及其背后的技术和协议细节。

在CSMA/CD总线网络中，最短帧长的计算与数据传输速率和站点间的最大距离密切相关。具体而言，最短数据帧长是由任意两站点间的最大距离和数据的传输速率共同决定的。这一关系式的核心在于，冲突检测时间需要至少为数据帧传输时延的4倍，以确保网络的稳定性和数据的完整性。

由于CSMA/CD是一种单向传输协议，冲突的检测和处理是确保网络流畅运行的关键。当数据帧在总线上传输时，每个站点都需要监听总线状态，一旦发现冲突，便会启动退避机制。这种退避机制采用的是二进制指数退避算法，这种算法能够有效降低冲突的概率，保证网络的高效运行。

在CSMA/CD的实现模型中，IEEE 802.3标准扮演了重要角色。这一标准对应的实现模型包括了数据链路层和物理层两部分。其中，MAC子层和LLC子层组成了数据链路层，负责处理OSI/RM的数据链路层功能。而物理层则负责实现与媒体相关的特性，如信号的传输和接收。

MAC子层和物理层之间的接口提供了多种功能，包括成帧、载波监听、启动传输、解决争用以及在两层间传送串行比特流等。为了确保数据的完整性和网络的稳定性，MAC子层还会向高一层提供状态信息，以供差错恢复规程使用。

IEEE 802.3中的MAC帧格式是数据在MAC子层实体间交换的协议数据单元。MAC帧格式包括前导码、帧起始定界符、目的地址、源地址、表示数据字段字节数长度的字段、数据字段、填充字段和帧校验序列等多个字段。除了数据字段和填充字段外，其余字段的长度都是固定的。

图 4.11展示了IEEE 803.3 MAC帧格式。这个帧格式是数据传输的基础，确保了数据在网络中的准确传输。

我们看到前导码字段P，它占7个字节，每个字节的比特模式为“10101010”。这个字段的主要作用是帮助实现收发双方的时钟同步，确保数据准确传输。

紧接着是帧起始定界符字段SFD，它占1个字节，比特模式为“10101011”。这个字段标志着帧的开始，其重要性不言而喻。

然后，我们看到了地址字段，包括目的地址字段DA和源地址字段SA。目的地址字段用于标识接收站点的地址，可以是单个地址、组地址或广播地址。而源地址字段则用于标识发送站点的地址。这两个字段的长度可以是2个字节或6个字节。

接下来是长度字段LEN，它占两个字节，表示数据字段的长度，长度为0至1500个字节。数据字段包含了LLC子层递交的LLC帧序列。

为了保证CSMA/CD协议的正常操作，可能会需要在数据字段之后、帧校验序列FCS之前添加填充字符PAD。这样做是为了维持一个最短帧长度，方便区分可能因冲突而中断的无效帧。

帧校验序列FCS用于确保数据的完整性。在传输过程中，如果出现错误，接收端可以通过重新计算FCS来检测并修复错误。

深入IEEE 802.3标准中的MAC子层与物理层规范

在计算机网络领域，IEEE 802.3标准为我们揭示了MAC（介质访问控制）子层与物理层的关键功能。这一标准不仅确保了数据的顺畅传输，还为我们提供了在各种网络环境中实现数据传输的多样性和灵活性。

让我们聚焦于MAC子层的功能。IEEE 802.3标准详细描述了MAC子层的两大核心任务：数据封装和媒体访问管理。数据封装涉及成帧（包括帧同步和帧定界）、编址（处理源地址和目的地址）以及差错检测（针对物理媒体传输差错）。而媒体访问管理则涵盖了媒体分配和竞争处理。当LLC（逻辑链路控制）子层请求发送数据帧时，MAC子层便启动数据封装过程，按照规定的格式进行组帧，并附加前导符、帧起始定界符、目的地址、源地址等信息，同时计算出LLC数据帧的字节数并填入相应的字段。为确保帧的长度满足要求，必要时还会添加填充字符。完成后，还会计算并附加CRC校验码。整个封装过程完成后，MAC帧会递交至发送媒体访问管理部分，等待发送。

在发送过程中，MAC子层借助物理层收发信号（PLS）部分提供的载波监听信号，避免发送信号与媒体上的其他信息发生冲突。当媒体空闲时，经过短暂的帧间延迟后，便会启动帧发送。整个发送过程完成后，MAC子层会通知LLC子层，准备接收下一个发送请求。如果出现冲突，MAC子层会发送一串阻塞位序列来强制冲突，确保冲突得到妥善处理。接收媒体访问管理部分负责检测到达的帧，同步接收时钟，检测帧的错误和长度，并过滤因冲突产生的碎片信号。接收数据解封部分则负责检验帧的目的地址，确定是否应该接收该帧，并进行差错检验。

接下来，我们转向IEEE 802.3的物理层规范。该规范在定义可选的物理配置方面表现出了极大的多样性和灵活性。为了区分各种可选方案，该规范采用了一种简明的表示方法，例如“数据传输率>信号方式>最大段长度”。例如，10BASE5、10BASE2、10BROAD36等都是该规范中的具体方案。每种方案都有其特定的应用场景和优势。

其中，10BASE5和10BASE2都使用同电缆和曼切斯特编码，但它们的区别在于使用的电缆类型和尺寸不同。而10BASE-T则定义了一个物理上的星形拓扑网，每个节点通过双绞线与集线器相连。尽管逻辑上类似于CSMA/CD总线拓扑，但其物理结构为星形。还有10BROAD36，它是针对宽带系统的规范，采用特殊的CATV同电缆。而10BASE-F则是关于以光纤作为媒体的系统的规范，使用曼切斯特编码在光纤上传输信号。

数据编码的世界，每个数字背后都隐藏着一段独特的故事。每当一个数据被编码，它就被转化为一对光信号元素，仿佛是一场数