）詩算機闌縮技術與裳涮?建論篇

第5章局域用徂用技術

http://windows.

⑥本章主要內容

了解局域網的特點、組成

熟練掌握局域網的拓撲結構

掌握局域網的參考模型

熟練掌握局域網介質訪問控制方式

掌握以太網及快速以太網組網技術

了解無線局域網

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5.1局域網概述

5.1.1局域網的發展和技術

5.1.2局域網的特點

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5.7.7局域網的發展和技術

局域網(LocalAreaNetwork,LAN)

是20世紀70年代后迅速發展起來的計算機網

絡，局域網技術已經涵蓋共享訪問技術、交

換技術、高速網絡技術等多種技術。

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⑥山./局域網的發展和技術

交換技術

高速共享網絡技術

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j5.1.2局域網的特點

局域網的特點：

(1)地理范圍一般不超過幾公里

(2)通信速率高

(3)多采,分森控制和廣播式通信,

可靠性高

?可采用多種通信介質

(5)易于安裝、組建與維護。

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5.2局域網的組成

網絡服務器

工作站

網備

通信

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⑥5.2.1網絡服務器

網上可以配置不同數量的服務器,

有些服務器提供相同的服務，有些提

供不同的服務。對于專用的服務器，

其技術性能的優勢主要體現在通信處

理能力、內存容量、磁盤空間、系統

容錯能力、并發處理能力及高速緩存

能力等方面。

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⑥5.2.1網絡服務器

⑴文件服務器

(2)應用服務器

⑶打印服務器

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5.2.2工作站

網絡工作站是指連接到計算機網絡上并運行應

用程序來實現網絡應用的計算機，它是數據

處理的主要場所。用戶通過工作站與網絡交

換信息，共享網絡資源。根據工作站有無外

部存儲器，可將其分為無盤工作站和看盤工

作站；根據應用環境的不同，可將其分為事

務處理工作站和圖形工作站；根據操作系統

的不同，又可分為DOS工作站、Windows工作

站、UNIX工作站和Linux工作站等多種工作站。

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5.2.3網絡設備

網絡設備是指用于網絡通信的

設備，包括網絡接口卡、中繼器

（Repeater）.集線器（HUB）、網

橋（Bridge）、交換機（Switch）>

路由器（Router）、網關（Gateway）

等多種設備。

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I；5.2.3網絡設備

網絡接口卡，又稱網絡適配器

(Adapter),簡稱網卡。它是組成局域網的主

要器件，用于網絡服務器或工作站與通信介質

的連接。網卡的種類很多，根據其支持的網絡

標準可分為以太網卡、ATM網卡、FDDI網卡、快

速以太網卡和千兆位以太網卡；根據網卡適用

的主機總線類型可分為ISA網卡、PCI網卡和

PCMCIA網卡；根據網卡提供的電纜接口類型可

分為RJ-45接口網卡、BNC接口網卡、AUI接口網

卡和光纖接口網卡等。

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1中繼器

中繼器又叫轉發器，是兩個網絡在物理層上

的連接，用于連接具有相同物理層協議的

局域網，是局域網互連的最簡單的設備。

連接局域網的傳輸介質有雙絞線、同軸電纜

和光纖。

變弱的信號

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⑥2集線器(HUB)

集線器(HUB)是一種特殊的中繼器，它作

為多個網絡電纜段的中間轉換設備將各個

網段連接起來。

集線器可以分為無源集線器、有源集線器和

智能集線器三種。

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By3網橋

網橋是在數據鏈路層上連接兩個網絡，即

網絡的數據鏈路層不同而網絡層相同時要用

網橋連接。

(1)網橋的功能

(2)網橋的分類

(3)網橋和中繼器的比較g

H3

以太網——-I-網-絡-1-I-!!

網橋

33D

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⑥4路由器

路由器是網絡層上的連接，即不同網絡與網絡之

間的連接。

路由器和網橋的區別

路由器的主要工作是接收來自一端的報文分組，

根據目的地址和當時的網絡情況，找出正確的

路徑，發往另一個通信子網。

5協議轉換器（網關）

若要使兩個完全不同的網絡連接在一起，

一般要使用網關。

電子郵件網關

IBM主機網關

Internet網關

局域網網關

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5.2.4通信介質

在局域網中，常用的通信介質有同軸電

纜、雙絞電纜和光纜，有的場合還采用無線

介質(WirelessMedium)如微波、激光、

紅夕卜線和無線電等。

(1)同軸電纜

⑵雙絞電纜

⑶光纜

(4)無線介質

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53局域網拓撲結構

構成局域網的拓撲結構有很多,

主要有總線拓撲、星型拓撲、環型

拓撲和樹型拓撲等。

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53局域網拓撲結構

a）總線型b）星型

c）環型

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⑥5.3局域網拓撲結構

總線拓撲

星型拓撲

環型拓撲

樹型拓撲

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5.3.1總線拓撲

總線型

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⑥531總線拓撲

1.總線拓撲的優點

a.結構簡單、易于擴充

b.電纜長度短、布線容易

2.總線拓撲的缺點

故障診斷困難：由于不是集中控制，故

障檢測需在網上各個站點上進行。

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5.3.2星型拓撲

星型

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5.3.2星型拓撲

1.星型拓撲的優點

方便服務

集中控制和故障診斷

簡單的訪問協議

2.星型拓撲的缺點

依賴于中央節點

電纜長度長

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5.3.3環型拓撲

環型

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⑥533環型拓撲

1.環型拓撲的優點

結構簡單、容易實現、無路徑選擇。

信息傳輸的延遲時間相對穩定。

所需電纜長度和總線拓撲相似，但比星型

拓撲要短得多。

2.環型拓撲的缺點

可靠性較差

故障診斷困難

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⑥534樹型拓撲

樹型拓撲可以從星型拓撲或總線拓撲演變而來，

形狀像一棵倒置的樹，頂端有一個帶分支的根，每個

分支還可延伸出子分支。

1.樹型拓撲的優點

a.易于擴展從本質上看這種結構可以延伸出很多分

支和子分支，新的節點和新的分支很容易加入向內。

b.故障容易隔離如果某一分支的節點或線路發生故

障，很容易將該分支和整個系統隔離開來。

2.樹型拓撲的缺點

樹型拓撲的缺點是對根的依賴性大，如果根發生故障,

則全網不能正常工作，因此這種結構的可靠性和星型

結構相似。

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⑥5.4局域網體系結構

局域網的參考模型

IEEE802標準

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⑥5.4/局域網的參考模型

電氣電子工程師協會(IEEE)下設的

IEEE802委員會在局域網的標準制定方面

做了卓有成效的工作，該委員會根據局域

網介質訪問控制方法適用的傳輸介質、網

絡拓撲結構、性能及實現難易等考慮因素,

為局域網制定了一系列的標準，稱為IEEE

802標準。它已被ISO采納作為局域網的國

際標準系列,稱為IS08列2標準。

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5.4.1局域網的參考模型

在將OSI模型應用于局域網時，就將數據鏈路

層劃分為兩個子層：

邏輯鏈路控制(LogicalLinkControl9LLC)

子層

介質訪問控制(MediumAccessControl9MAC)

子層。

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⑥541局域網的參考模型

下面簡單介紹局域網各層的功能

應用層

表示層

會話層高層

傳輸層

網絡層

LLC子層

數據鏈路層

MAC子層

物理層物理層

圖4-2IEEE802模型與OSI模型的對應關系

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⑥541局域網的參考模型

MAC子層（介質訪問控制層）

MAC子層是數據鏈路層的一個功能子層，是數

據鏈路層的下半部分，它直接與物理層相鄰。

MAC子層為不同的物理介質定義了介質訪問控制

標準。主要功能如下：

a.傳送數據時，將傳送的數據組裝成MAC幀，幀中

包括地址和差錯檢測字段。

b.接收數據時，將接收的數據分解成MAC幀，并進

行地址識別和差錯檢狽U字段。

c.管理和控制對局域網傳輸介質的訪問。

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⑥541局域網的參考模型

LLC子層（邏輯鏈路控制子層）

該層在數據鏈路層的上半部分，在MAC層的支

持下向網絡層提供服務。可運行于所有802局

域網和城域網協議之上。LLC子層與傳輸介質

無關。它獨立于介質訪問控制方法。隱蔽了各

種802網絡之間的差別，并向網絡層提供一個

統一的格式和接口。

LLC子層的功能包括差錯控制、流量控制和

順序控制，并為網絡層提供面向連接和無連接

的兩類服務。

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542IEEE802標準

IEEE802委員會認為，由于局域網只是一個

計算機通信網，而且不存在路由選擇問題，因

此它不需要網絡層5有最低的兩個層次就可以;

但與此同時，由于局域網的種類繁多，其介質

訪問控制方法也各不相同，因此有必要將局域

網分解為更小而且更容易管理的子層。同時，

因為用戶需求各異，不可能使用一種單一的技

術就能滿足所有的需求，因此局域網技術中存

在多種傳輸介質和多種網絡拓撲，相應地介質

訪問控制方法就有多種，IEEE802委員會決定

把幾個建議都制訂為標準，而不是僅形成一個

標準。

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542IEEE802標準

IEEE802標準系列間的關系如圖4-3所示。根據

網絡發展的需要，新的協議還在不斷補充進IEEE

802標準。IEEE802局域網標準包括：

802.1網際互連網際互連

1

1

1802.2邏輯鏈路控制邏輯鏈路

1

1

1

1

1802.3802.4802.5802.6802.7

1

醉1介質訪問控

MACMACMACMACMAC

解

紀1

墟

金1砥

帥1雉

一1

-1COM)1

81CO

1802.3802.4802.5802.6802.7

1物理

1物理物理物理物理物理

1

1

1

1

圖標準系列

4-3IEEE802計算機網絡技術與實訓I-理論篇

542IEEE802標準

(1)IEEE802.1綜述和體系結構。它除了定義IEEE802標

準和OSI參考模型高

的接口外，還解決尋址、網絡互連和網絡管理等方面的

問題。

(2)IEEE802.2邏輯鏈路控制，定義LLC子層為網絡層提供

的服務。對于所有的MAC規范,LLC是共同的。

(3)IEEE802.3帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問(Carrier

SenseMultipleAccesswithCollisionDetection,

CSMA/CD)控制方法和物理層規范。

(4)IEEE802.4令牌總線(TokenBus)訪問控制方法和物

理層規范。

(5)IEEE802.4令牌環(TokenRing)訪問控制方法和物

理層規范。

(6)IEEE802.6城市區域網(MetropolitanAreaNetwork,

MAN)訪問控制方法和物理層規范。

(7)IEEE802.7時隙環(SlottedRing)訪問控制方法和

物理層規范。

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⑥5.5局域網介質訪問控制方式

局域網使用的是廣播信道，即眾多用戶共享

通信媒體，為了保證每個用戶不發生沖突，能正

常通信，關鍵問題是如何解決對信道爭用。解決

信道爭用的協議稱為介質訪問控制協議(Medium

AccessControl,MAC),是數據鏈路層協議的

一部分。

局域網常用的介質訪問控制協議有載波偵聽

多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)、令牌環

(TokenRing)訪問控制和令牌總線訪問控制。

采用CSMA/CD的以太網已是局域網的主流，本書

重點介紹。

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⑥5.5局域網介質訪問控制方式

載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

令牌環訪問控制方式

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⑥5.5.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

(CSMA/CD,CarrierSenseMultiple

AccessWithCollisionDetection)是一種

適合于總線結構的具有信道檢測功能的分布

式介質訪問控制方法。最初的以太網是基于

總線拓撲結構的，使用的是粗同軸電纜，所

有站點共享總線，一個站點發送數據幀給某

個特定站點時，總線上的所有站點都會收到

此數據幀，每個站點根據數據幀的目的地址

決定是丟棄還是處理該幀。

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j5.5.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

總線上只能有一臺計算機發送數據，否

則數據信號在信道中會疊加，相互干擾，產

生數據沖突）使發出數據無效。由于站點都

是隨機發送數據的，如果沒有一個協議來規

范，所有站點都來爭用同一個站點，必然會

發生沖突。

載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）

正是解決這種沖突的協議。該協議實際上可

分為“載波偵聽”和“沖突檢測”。

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⑥5.5.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

1.工作過程

CSMA/CD又被稱之為“先聽后講，邊聽邊講”，其具

體工作過程概括如下：

(1)先偵聽信道，如果信道空閑則發送信息。

(2)如果信道忙，則繼續偵聽，直到信道空閑時立即發

送。

(3)發送信息后進行沖突檢測，如發生沖突，立即停止

發送，并向總線發出一串阻塞信號(連續幾個字節全

1),通知總線上各站點沖突已發生，使各站點重新開

始偵聽與競爭。

(4)已發出信息的站點收到阻塞信號后，等待一段隨機

時間，重新進入偵聽發送階段。

CSMA/CD發送過程可描述如圖4-4所示。

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551載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

CSMA/CD流程圖

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j5.5.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

2.二進制指數后退算法

實際上，當一個站開始發送信息時，檢測到本次發

送有無沖突的時間很短，它不超過該站點與距離該

站點最遠站點信息傳輸時延的2倍。假設A站點與距

離A站最遠B站點的傳輸時延為T（圖4-5所示），那

么2T就作為一個時間單位。若該站點在信息發送后

2T時間內無沖突，則該站點取得使用信道的權利。

可見，要檢測是否沖突，每個站點發送的最小信息

長度必須大于2T。

景長傳輸曄時間r

傳輸延時示意圖

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j5.5.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

在標準以太網中，2T取51.2RS。在

51.2RS的時間內，對10Mbps的傳輸速率，可以

發送512bit,即64字節數據。因此以太網發送數

據，如果發送64字節還沒發生沖突，那么后續的

數據將不會發生沖突。為了保證每一個站點都能

檢測到沖突，以太網規定最短的數據幀為64字節。

在接收到的小于64字節的幀都是由于發生沖突后

站點停止發送的數據片，是無效的，應該丟棄。

反過來說，如果以太網的幀小于64字節，那么有

可能某個站點數據發送完畢后，沒有檢測到沖突，

但沖突實際已經發生。

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j5.5.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

為了檢測沖突，在每個站點的網絡接

口單元（NIU）中設置有相應電路，當有沖

突發生時，該站點延遲一個隨機時間（2T*

隨機數））再重新偵聽。與延遲相應的隨

機數一般取（0,M）之間,機2*（1。”）。其

中N為已檢測到的沖突次數：沖突大于16,

則放棄發送，另作處理。這種延遲算法稱

為二進制指數后退算法。

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⑥5.5.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測法

該算法有下面三種不同的存在方式:

(1)非-堅持CSMA

(2)1-堅持CSMA

(3)P-堅持CSMA

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⑥5.5.2令牌環訪問控制方式

令牌環訪問控制方式令牌環是一種適用

于環形網絡的分布式介質訪問控制方式，

已由IEEE802委員會建議成為局域網控制

協議標準之一，即IEEE802.5標準。

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5.5.2令牌環訪問控制方式

BB

(a)(b)

圖4-6令牌環控制方式工作原理

令牌環網實時性較強，適合負載較重的網絡；而

以太網實時性差，適合負載較輕的網絡。

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5.6以太網技術

局域網發展到現在，已占據絕對地位，

特別萬兆以太網(10Gbit/s)的出現，使以

太網的工作范圍擴展到城域網，甚至廣域網,

實現了端到端的以太網的連接。

以太網的MAC幀格式

以太網的組網技術

快速以太網

千兆位以太網

lOGbps以太網

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5.6.1以太網的MAC幀格式

字節66246—15004

802.3

目的地址源地址數據長度數據FCS

MAC幀

以太網v2

目的地址源地址類型數據FCS

MAC幀

總線局域網MAC了層的幀結構

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j5.6.1以太網的MAC幀格式

數據：47-1500字節，上層傳下來的數據。

46字節是以太網幀的最小字節64字節減去前

后的固定字段字節和18字節而得到的。

填充字段：保證幀長不少于64字節。當上

層數據小于46字，會自動添加字節。

FCS:幀校驗序列，這是一個32位的循環

冗余碼(CRC-32)o

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⑥5.62以太網的組網技術

Ethernet的主要技術規范：

拓撲結構：總線型。

介質訪問控制方式：CSMA/CDO

傳輸速率：10Mbps。

傳輸介質：同軸電纜（50Q）或雙絞線。

最大工作站數：1024個。

最大傳輸距離：2.5km（采用中繼器）。

報文長度：64-1518Byte（不計報文前

的同步序序）。

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⑥5.62以太網的組網技術

細纜以太網(10BASE-2)

10BASE-2以太網連接

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

5.6.2以太網的組網技術

2.雙絞線以太網(10BASE-T)

1OBASE-T以太網是使用非屏蔽雙絞線電纜來連接

的傳輸速率為lOmbps的以太網。

網卡及工作站

單集線器連接多集線器連接

1OBASE-T以太網連接

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

j5.63快速以太網

1.快速以太網(100BASE-T)簡介

快速以太網具有以下特點：

協議采用與1OBASE-T相似的層次結構，其中LLC子層

完全相同，但在MAC子層與物理層之間采用了介質

無關接口。

數據幀格式與1OBASE-T相同，包括最小幀長為64字節,

最大幀長1518字節。

介質訪問控制方式仍然是CSMA/CD。

傳輸介質采用UTP和光纖，傳輸速率為10OMbit/s。

拓撲結構為星型結構，網絡節點間最大距離為205米。

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

⑥5.63快速以太網

2.快速以太網分類

快速以太網標準分為：100BASE-TX、100BASE-

FX和100BASE-T4三個子類。如表5-1所示。

表5-1快速以太網標準

名稱線纜最大距離優點

100BASE-T4雙絞線100m可以使用3類雙絞線

100BASE-TX雙絞線100m全雙工、5類雙絞線

100BASE-FX光纖200m全雙工、長距離

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

5.6.3快速以太網

3.快速以太網接線規則

快速以太網對MAC層的接口有所拓展，它的接線規則有相

應變化，如圖所示。

快速以太網接線規則

■站點距離中心節點的UTP最大長度依然是100m。

?增加了I級和II級中繼器規范。

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

j5.6.3快速以太網

在10Mbit/s標準以太網中對所有介質采用同一中繼器定義。

100Mbit/s以太網定義了I級和II級兩類中繼器，兩類中繼

器靠傳輸延時來劃分，延時0.7口s的為I級中繼器，在

0.46Ms以下的為H級中繼器。

在一條鏈路上只能使用一個I級中繼器，兩端的鏈路為100m。

最多可以使用2個H級中繼器，可以用兩段100m的鏈路和5m

的中繼器間的鏈路。兩個站點間或站點與交換機間的最大

距離為205m。

當采用光纖布線時，交換機與中繼器(集線器)連接，如果

采用半雙工通信，兩者之間的光纖最大距離為225m。如果

采用全雙工通信，站點到交換機間的距離可以達到2000m或

更長。

快速以太網仍然是基于載波偵聽多路訪問/沖突檢測

(CSMA/CD)技術，當網絡負載較重時，會造成效率低下。

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

564千兆位以太網

千兆位以太網技術有兩個標準：IEEE802.3z和IEEE802.3abo

IEEE802.3z制定了光纖和短程銅線連接方案的標準。IEEE

802.3ab制定了五類雙絞線上較長距離連接方案的標準。

1.IEEE802.3z

(1)1000Base-SX

lOOOBase-SX只支持多模光纖，可以采用直徑62.5口m和50口m

的多模光纖，工作波長為77Onm-86Onm,傳輸距離為550m左右。

(2)1000Base-LX

100OBase-LX既可以使用多模光纖，也可以使用單模光纖。

多模光纖采用直徑62.5口01和50jLim,工作波長為1270nm-

1355nm,傳輸距離為550m*右。

單模光纖采用直徑9Rm和10jLim,工作波長為1270nm-860nm,

傳輸施離為5km左右

(3)1000Base-CX

lOOOBase-CX采用150Q屏蔽雙絞線(STP),傳輸距離為25m。

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

564千兆位以太網

2.IEEE802.3ab

IEEE802.3ab工作組負責制定基于UTP的半雙工鏈路的

千兆以太網標準。IEEE802.3ab定義了基于5類UTP的

1000Base-T標準,是100Base-T的自然擴展，與lOBase-T、

lOOBase-T完全兼容，其目的是在5類UTP上以lOOOMbit/s

速率傳輸100m,保護用戶在5類UTP布線上的投資。

lOOOBase-T的其他一些重要規范使成為一種價格低廉、

不易被破壞并具宥良好性能的技術。

(1)它支持以太網MAC,而且可以后向兼容10/100Mbit/s

以太網技術。

(2)很多的1000Base-T產品都支持100/1000Mbit/s自動

協商功能，1000Base-T因此可以直接在快速以太網中通過

升級實現。

(3)1000Base-T是一種高性能技術,它每傳送100億比

特，其中錯誤位不會超過1個(誤碼率低于H-10,這與

lOOBase-T的誤率相當)。

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5.6.5lOGbps以太網

2002年6月正式發布了IEEE802.3aelOGbps標準，將

802.3協議擴展到lOGbps的工作速度，并擴展以太網的

應用空間，使之能夠包括WAN鏈接。

1.萬兆位以太網標準的目標

保留IEEE802.3幀格式不變

保留IEEE802.3最小/最大幀長不變

只支持全雙工運行模式

不需要進行沖突檢測，不再使用CSMA/CD協議。

僅使用光纜作為傳輸介質

可提供10Gb/s的城域網或局域網數據傳輸速率，也可

以支持10.59Gb/s的廣域網數據傳輸速率（支持

SONET/SDH）

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

5.6.5lOGbps以太網

2.IEEE802.3ae標準的分類

(1)lOGBase-SRSerial：850nm短距離模塊(現

有多模光纖上最長傳輸距離85米，新型

2000MHz/kni多模光纖上最長傳輸距離300米)。

(2)10GBase-LRSerial：1310nm長距離模塊

(單模光纖上最長傳輸距離10公里)。

(3)10GBase-ERSerial：1550nm超長距離模塊

(單模光纖上最長傳輸距離40公里)

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

5.7無線局域網

有線網絡所存在的使用限制：

具有空曠場地的建筑物內；

具有復雜周圍環境的制造業工廠、貨物倉庫內；

機場、車站、碼頭、股票交易場所等一些用戶頻繁移動的公

共場所內；

缺少網絡電纜而又不能打洞布線的歷史建筑物內；

受自然條件影響而無法實施布線的環境，如存在河道；

在一些需要臨時增設網絡節點的場合，如體育比賽場地、展

示會等。

無線局域網的應用走上前臺。

無線局域網(WirelessLocalAreaNetwork,)就是

指采用無線傳輸介質的局域網，簡稱WLAN。

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

⑥3.7」無線局域網標準

支持無線局域網的技術標準主要有:

藍牙技術：手機或PDA為主要設計對象

HomeRF技術：主要服務為家庭無線網絡

IEEE802.11系列：無線局域網標準

以IEEE802.11為例介紹

計算機網絡技術與實訓卜理論篇

IEEE802,11標準的組成

覆蓋無線局域網的物理層和MAC子層：

物理層標準規定了無線傳輸信號等基礎規范，

如802.11a、802.11b,802.lid、802.11g.

802.llho

MAC子層標準包括802.lie、802.Ilf.802.llio

IEEE802.11系列:無線局域網標準

計算機網絡技術與實訓I-理論篇

⑥3.7.2無線局域網物理實現

紅外線（IR）

采用波長小于1Rm的紅外線作為傳輸媒體,

有較強的方向性，受陽光干擾大。它支持1?2Mbit/s

數據速率，適于近距離通信。

無線電波方式（具有覆蓋范圍大，抗干擾、抗噪聲、抗衰

減和保密性好的優點）

直接序列式擴頻（DSSS）：支持1?2Mbit/s數據速率

跳頻擴展頻譜（FHSS）：支持IMbit/s數據速率