传统共享介质局域网在计算机网络技术及应用中的应用

这里所说的传统共享介质局域网是指最早进入市场的10Mb/s速率的以太网。在介绍它们之前，我们需要先了解一些以太网的发展历程。

以太网是美国施乐（Xerox）公司的Palo Alto研究中心（简称为PARC）于1975年研制成功的。当时，以太网是一种基带总线局域网，当时的数据传输率为2.94Mb/s。以太网用无源电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太（Ether）来命名。1976年7月，Metcalfe和Boggs发表他们的以太网里程碑论文METC76。1980年9月，DEC公司、Intel公司和施乐公司联合提出了10Mb/s以太网规约的第一个版本DIX VI（DIX是这三个公司名称的缩写）。1982年又修改为第二版规约（实际上也就是最后的版本），即DIX Ethernet V2，成为世界上第一个局域网产品的规约。

在此基础上，IEEE802委员会工作组于1983年制定了第一个IEEE的以太网标准，其编号为IEEE802.3，数据传输率为10Mb/s。IEEE802.3局域网对以太网标准中的帧格式做了很小的一点变动，但允许基于这两种标准的硬件实现可以在同一个局域网上互操作。以太网的两个标准DIX Ethernet V2与IEEE的IEEE802.3标准只有很小的差别，因此很多人也常将IEEE802.3局域网简称为“以太网”（严格来说，“以太网”应当是指符合DIXEthernet V2标准的局域网）。

出于厂商们在商业上的激烈竞争，IEEE802委员会未能形成一个统一的、最佳的局域网标准，而是被迫制定了几个不同的局域网标准，如IEEE802.4令牌总线网、IEEE802.5令牌环网等。

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE802委员就将局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子层和媒体接入控制MAC（Medium Access Control）子层。与接入传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的，如图3-5所示。

图3-5　局域网对LLC子层是透明的

然而到了20世纪90年代后，激烈竞争的局域网市场逐渐明朗。以太网在局域网市场中已取得了垄断地位，并且几乎成了局域网的代名词。由于互联网发展很快，而TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2而不是IEEE802.3标准中的几种局域网，因此现在IEEE802委员制定的逻辑链路控制子层LLC（IEEE802.2标准）的作用已经不大了，很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。

以太网的逻辑拓扑结构是总线型，这是根据其使用的介质访问控制方式而定义的，其物理拓扑结构一般为总线型、星型或树型。

以太网的介质访问控制方法是基于争用的CSMA/CD协议，其IEEE802.3标准规定在电缆中传输二进制信号时，采用曼彻斯特及差分曼彻斯特编码来提高性能。

曼彻斯特编码方法是将从高电平到低电平的跳变表示为0，从低电平到高电平的跳变表示为1。这种编码的好处是对接收端的提取位同步信号非常有利。

以太网中常见网络的主要参数如表3-1所示。采用不同以太网组网时，所采用的传输介质以及相应的组网技术、网络速度、允许的节点数目和介质缆段的最大长度等都各不相同。

表3-1　以太网的标准和主要参数

需要说明的是，表3-1第一列中的10、100或1000表示该种网络中信号在介质上的传输速率分别为10、100或1000Mb/s；Base表示在介质上传输的信号为基带信号。Base后面的数字5或2表示每段电缆的最大长度为500m或200m（实际上是185m）。“T”代表双绞线，“F”代表光纤。目前使用得最广泛的是双绞线传输媒体。

表3.1中使用10Base-5、10Base-2和10Base-T技术所组建的局域网，即为我们所说的传统共享介质局域网，其数据传输速率不超过10Mb/s。

10Base-5：标准以太网，即粗缆以太网，用曼彻斯特数字信号，基带传输。

10Base-2：廉价的以太网，即细缆以太网，用曼彻斯特数字信号，基带传输。

10Base-T：双绞线以太网，基带传输。

传统共享式以太网的主要设计特点如下。

（1）简易性：其结构简单，易于实现和修改。

（2）低成本：各种连接设备的成本不断下降。

（3）兼容性：各种类型的以太网可以很好地集成在一个局域网中。

（4）扩展性：所有按协议工作的节点，不会妨碍其他节点的扩展。

（5）均等性：各节点对介质的访问都基于CSMA/CD方式的争用规则，所以它们对网络的访问的机会均等。

（6）系统的负荷（负载）特性：低负荷（轻负载），响应快，性能好；高负荷（重负载），网络中冲突增加，响应和性能急剧下降。

（7）单一性：任何时刻只能有一个节点使用信道传输数据。

正是基于上述设计特点，以太网才具有了较高的传输速率、结构简单、组网灵活、便于扩充、易于实现和低成本等优点，从而成为当前应用得最为广泛的局域网技术。

1.标准以太网

标准以太网（10Base-5）习惯上称为粗缆以太网，是最早的以太网产品。其传输的信号为基带，速率为10Mb/s，组网结构如图3-6所示。

图3-6　10Base-5粗缆以太网

粗缆以太网的硬件组成说明如下。

网卡：在10Base-5中，每个计算机节点都带有一块15针AUI接口的10Mb/s网卡、收发器电缆。收发器与总线（基带粗同轴电缆）相连。

收发器：粗缆以太网的每个节点需要通过一个安装在总线同轴电缆的外部收发器（带有15针AUI接口）连入网中。

收发器电缆：在10Base-5中，每个节点都通过收发器电缆（AUI电缆）连接网卡上的AUI接口与收发器。

电缆系统：10Base-5采用RG-11基带粗同轴电缆为传输介质，其阻抗为50Ω，直径为0.4英寸。每段粗缆的两端都安装有终端电阻（也叫端接器或终接器），用于防止信号的反射，其中之一必须接地。

AUI接口的中继器：用来扩展10Base-5网络的长度，以及其中工作站（节点）的个数。例如，当所连接的计算机节点之间的距离超过500m，或者是单段工作节点数目超过100个的时候，就需要使用中继器来扩展网络。

使用粗缆的以太网的优点是可靠性高，抗干扰能力强，作用距离长，并且适用于恶劣环境；由于粗缆线较贵，而且要求每个工作站都配置一个外部收发器和收发器电缆，因而成本较高、网络投资较大，这是粗缆以太网的主要缺点。

2.细缆以太网

10Base-2采用基带细同轴电缆作为传输介质，因此，又被称为细缆以太网。10Base-2是作为10Base-5的一种替代方案而制订的。

10Base-2又称细缆以太网，其结构如图3-7所示。10Base-2使用RG-M型细缆、BNC-T型连接器，以线性总线进行布线。10Base-2将原来10Base-5的收发器功能移植到网卡上，使得网络的组建更简单，性能价格比也比10Base-5高。便是，10Base-2能够传输的最大距离因此而受到了限制。

图3-7　10Base-2细缆以太网

细缆以太网的硬件组成说明如下。

网卡：在10Base-2中，每个计算机节点都带有一块BNC接口的10Mb/s网卡通过BNCT连接器与基带细同轴电缆以总线方式连接。

电缆系统：一个10Base-2网段中的每个计算机节点，通过BNC接口的网卡与BNC-T型连接器中间的接头直接连接；BNC-T型连接器的另外两个接口与细同轴电缆连接；细缆以太网的终端电阻安装在细同轴电缆的两端，以防止信号反射，其中之一必须接地。

BNC口中继器：用来扩展单段总线网络的长度，以及其中工作站（节点）的个数。例如，当所连接的计算机节点之间的距离超过185m，或者单段工作节点数目超过30个时，就需要使用中继器来扩展网络。

细缆以太网常用于小规模的网络，如实验室和网吧等小型网络。

3.双绞线以太网

10Base-T中的T（Twiste pair）是双绞线电缆的英文缩写。IEEE802.3的10Base-T标准使用星型物理拓扑结构，并使用接有RJ-45头的UTP非屏蔽双绞线电缆作为传输电缆，这种标准使用大量的电缆，但同时提供了更加稳定和便于维护的网络。

10Base-T使用不超过100m的3类、5类或超5类的非屏蔽双绞线、RJ-45连接器和集线器连接成物理拓扑结构为星型的网络，每段双绞线只连接一台计算机到集线器上。10Base-T是在共享模式设计思想上设计出来的局域网，在这种网络中，任何时刻只能有一个节点计算机发送信息，其介质访问控制仍然采用CSMA/CD协议规定的方式。由于其工作方式与10Base-2或10Base-5完全相同，因此它的逻辑拓扑结构仍为总线型。

（1）共享式双绞线以太网的硬件组成及功能说明

集线器的主要功能：共享集线器是双绞线以太网的核心连接设备，它具有组网、强化信号、转发信号、自动检测并强化“碰撞”信号、自动指示有故障的工作站及向上接口的扩展功能。

非屏蔽双绞线及RJ-45系列连接件：10Base-T网络标准原来规定使用3类4芯UTP，但是目前常用的是5类及5类以上的8芯UTP。

一方面，每一个工作节点都需要一根双绞线电缆，用来连接工作节点上的RJ-45接口网卡与集线器；另一方面，集线器与集线器之间的连接也需要使用双绞线电缆，因此，10Base-T网络需要使用大量的双绞线，每条双绞线电缆的两端都装有同样的RJ-45型连接器（又称连接头或水晶头）。

RJ-45头：双绞线电缆的两头均与RJ-45型接头直接连接。

网络设备接口：主要指网卡上的RJ-45接口、集线器或交换机上的普通RJ-45端口。这些端口共有8个引脚，其中一般只使用了第1、2、3、6号引脚，其余引脚无信号没有使用。各引脚的信号含义如表3-2所示。

表3-2　RJ-45接口或接头引脚定义

网卡：连入10Base-T网络的每个节点需要一块支持RJ-45接口的10Mb/s以太网网卡或便携机网卡。

网线：在UTP的8芯线中仅使用了4芯，其中的一对用于发送信号，另一对用于接收信号。UTP上的RJ-45连接器与集线器上的接口和网卡一样，共有8个引脚，也是只使用了第1、2、3、6号引脚，但是，其定义却与网卡不同。

EIA/TIA 568A和568B标准：UTP的8芯线与RJ-45连接头的8个引脚连接时，常用制线的线序有两种，如表3-3所示。

需要说明的是，在表3-3中，1、2脚和3、6脚各使用了一对双绞芯线。由于双绞芯线中所传输的信号方向相反，从而可以抵消或减少其中的电磁辐射，使得收发数据之间的干扰降到最低。因此，请尽量不要将上述的两对芯线拆对使用。

表3-3　EIA/TIA 568A和568B标准定义的双绞线与RJ-45连接器（接头）连接顺序

普通集线器提供的端口类型如下。

普通RJ-45端口：这类端口数目一般是4、8、12、16、24等，如果端口数目为16，就称它为16口集线器。

级联端口：指专门用于级联的出入口或者Uplink端口，该端口一般与第一个普通口直接相连，因此，这两个口中只能使用其中的一个端口。

向上连接端口：指用于连接粗缆的AUI端口、细缆的BNC端口，或连接光纤的端口。

（2）10Base-T网络的组建方法

典型10Base-T单集线器结构的组网，其网络结构十分简单。所有节点（服务器或工作站）均通过自身的RJ-45网卡、带有RJ-45接头的传输介质（标准线）和集线器连成物理的星型网络。节点到集线器之间双绞线的最大距离为100m。

组建10Base-T网络所需的工具如下。(www.chuimin.cn)

接线钳：RJ-45专用剥线/压线钳，用于接驳水晶头。

网线测试仪（测线器）或万用表：为了避免今后联网时的不必要麻烦，当网线两头接好后，应进行测试，以确定线路是否通畅。

在连接网络设备时，应注意学会以下两种线的制作与使用。

直通线：双绞线的两头线序保持一致，通常两头均按568B标准所规定的线序制作；当然，也可以两头均按EIA/TIA 568A标准制作。标准线主要用于计算机节点的网卡与集线器/交换机/路由器之间的连接。

交叉线：双绞线的两头线序不一致，其中一头按表3-3中的EIA/TIA 568B标准制作；另一头按表3-3中的EIA/TIA 568A标准制作。交叉线主要用于双机互联（不通过集线器直接连接两台计算机的网卡），或者在连接两个没有级联口的集线器（4口或8口）上的普通口时使用。

（3）双绞线以太网的扩展组网方案

使用集线器和双绞线的以太网结构分为单集线器结构、多集线器级联结构和叠加集线器结构。前面介绍的就是单集线器的10Base-T网络结构。在实际运用中，常使用中继器或者多个集线器未扩展网络的距离或节点数。下面将依次对各种方案做详细介绍。

对于规模较大，或节点（工作站）数超过单集线器的端口数目时，常采用多集线方式连接，也就是集线器的级联。级联的目的是组成更大规模的网络，级联结构的10Base-T网络也遵循5-4-3规则，即一条通路上最多可以串联4个集线器。网络上连接设备的总数不得超过1024台。在级联之前，必须首先弄清集线器上的端口类型。

通过不同端口的多集线器的级联结构包括以下4种方式。

（1）使用标准线连接集线器上的RJ-45型级联出/入端口，如图3-8所示。

图3-8　集线器级联的10Base-T网络结构

（2）对于没有专门级联入口/出口的两个集线器，可以使用标准线将一个集线器上边的级联口与另一个集线器上边的普通RJ-45端口相连。

（3）使用交叉线连接两个没有级联口的集线器上的普通RJ-45接口。

（4）使用同轴电缆、光纤，通过集线器提供的向上连接端口实现级联。

由于10Base-T以太网和粗、细缆以太网都属于IEEE802.3规范，因此，互联十分方便。连接时，通常采用同轴电缆作为主干网，通过双绞线网作为分支网络形成簇型网络，这样可以提高干线的可靠性与抗干扰能力，并可延长传输距离。

可叠加集线器适用于中、小企业联网环境。它是一种新型的集线器，可以将多个这样的集线器堆放在一起，通过特定端口互联在一起，所以也可以看作局域网中的一个大集线器。例如，当5个12口的可叠加集线器连在一起时，可以看作1个60口的集线器。其中的一台集线器作为主工作集线器，并带有SNMP网管代理。

使用可叠加集线器组建以太网的典型结构如图3-9所示。

图3-9　可叠加集线器网络结构

堆叠方式采用厂家的堆叠电缆，堆叠在一起的集线器在逻辑上作为一个集线器，不受5-4-3规则的限制。因此，在10Base-T网络中，为避免5-4-3规则而增加端口数的最好办法是采用堆叠式集线器。

（4）10Base-T双绞线以太网的应用特点

10Base-T双绞线以太网的优点如下。

检测故障容易：这是双绞线以太网的最大优点。当某一段线路、工作站或互联的某个集线器出现故障时，集线器会将故障节点自动排除在网络之外，从而保证了剩余部分的正常工作。由于不用中断网络的运行就可以维护网络，从而简化了网络故障诊断的过程。

管理和维护简单：安装、管理和使用都很简单。适用于小型单位自己组建局域网。

成本低：线路安装可以与电话线路的安装同时进行，从而减少网络安装费用。

扩展方便：网络站点数目不受线段长度和节点与节点距离的限制，因此扩充极为方便，适用于那些需要不断增长的网络。此外，由于10Base-T与其他以太网兼容，因此，它与10Base-5和10Base-2互联时，无须改变网络系统中的软件设置。

改变网络布局容易：改变网络某一部分的布局带来的变化一般不会影响到网络的性能。因此，扩充与减少计算机或其他网络设备都不会受影响。

多种网络的连接：组网灵活、方便。通常每个集线器有多个（4、8、12、16）RJ-45接口和多（1、2、3、4）其他型号的向上接口，如BNC接口、光纤接口等。因此，可根据通信量需求的大小和节点分布的情况选择、设计与连接不同规模和类型的以太网。

10Base-T双绞线以太网的缺点如下。

重负载（高负荷）性能差：这种结构的最大缺点在于它是一种共享介质的争用型网络，随着网络节点的增加，冲突也会增加，网络的性能会随之急剧下降。

网络中央节点的负荷过重：一旦集线器出现故障，将导致整段或全部网络瘫痪。

双绞线的抗干扰能力弱：因此应当十分注意所选双绞线的电器特性。

通信线路的利用率低：由于每个单段网线只能连接一个工作节点，所以这种网络通信线路的利用率很低。

（5）10Base-T双绞线以太网的总结

10Base-T双绞线以太网总结如下。

拓扑结构：10Base-T的逻辑拓扑结构为总线型，物理拓扑结构为星型。

网线类型：常用5类或超5类的非屏蔽双绞线传输的信号类型为基带信号。最大网络节点数目：1024个。

每段最大节点数目：1个。

级联的最大集线器数量：4个。

最大网段长度：100m。

虽然各种类型的局域网上的传输介质可以是粗缆、细缆、双绞线和光纤，但是当前最常见的是双绞线以太网和光纤形式的干线网混合连接。这主要是因为大多数的办公室内已装有双绞线，而光纤能为干线提供优良的传输特性。

（6）传统以太网的连接方法

传统以太网可使用的传输媒体有三种，即铜缆（粗缆或细缆）、铜线（双绞线）或光缆。这样以太网就有四种不同的物理层。图3-10在MAC层下面给出了对应于这四种传输媒体的物理层，即10Base-5（粗缆）、10Base-2（细缆）、10Base-T（双绞线）和10Base-F（光缆）。

图3-10　以太网的四种不同物理层

图3-11给出了用铜缆或铜线连接到以太网的示意图。图3-11（a）是10Base-5以太网的连接方法。这种以太网称为粗缆以太网（电缆直径为10mm，特性阻抗为50Ω）。图3-11（b）是细缆以太网，图3-11（c）是使用集线器的双绞线以太网。

图3-11　几种以太网的连接方法

粗缆以太网是网卡通过DB-15型连接器与收发器电缆相连，收发器电缆的正式名称是AUI电缆，AUI（Attachment Unit Interface）即连接单元接口。收发器电缆的另一端连接到收发器。收发器电缆长度不能超过50m。收发器由两部分组成：一部分是含有电子元器件的媒体连接单元MAU（Medium Attachment Unit）；另一部分是没有电子元器件的插入式分接头，称为媒体相关接口MDI（Medium Dependent Interface），它直接插入电缆中（不用切断电缆）就能和同轴电缆的内部导线有良好的接触连接。

粗缆以太网的网卡包括了处理通信所用到的数字电路，如地址确认和差错检测。网卡还使用总线与主机交换数据，并使用中断机制来通知CPU其操作已经结束。这种网卡不包括模拟硬件，也不处理模拟信号。

考虑到电缆的衰减和时延等因素，在IEEE802.3标准中对传输系统的要求做了详细的规定。例如，在任意两个站之间最多可以有3个同轴电缆段。所以在图3-12中画出了由3段同轴电缆连接成的以太网网段。IEEE802.3标准还规定，接到转发器的点到点链路的总长度不能超过1000m。网段1和网段2各通过一个转发器经过750m的点到点链路相连，而网段2和网段3各通过一个转发器经过250m的点到点链路相连。这样，3段500m长的电缆，加上总长度为1000m的点到点链路，共2500m。如果算上6节各50m长的收发器电缆，则整个局域网的最大作用距离达到2800m。为了减少两个转发器之间较长链路上带来的干扰，可采用光纤链路。相关的标准叫作转发器间的光纤链路FOIRL（Fiber Opticlnter-Repeater Link），其最大长度为1000m，在它上面可传送10Mb/s的基带信号。与光纤相连的媒体连接单元叫作FOMAU（Fiber Optic Medium Attactment Unit）。

图3-12　用转发器扩展以太网的最远距离

以太网还规定一个网上最大站数为1024个。实际上这样大的数字是达不到的。因为按照以太网的规约，每个同轴电缆段最多只能安装100个站。

为了克服10Base-5粗缆以太网的布线很贵且安装不便的主要缺点，1985年细缆以太网10Base-2的标准问世了。10Base-2细缆以太网主要有以下两个特点。

（1）采用更便宜的直径为5mm的细同轴电缆（特性阻抗仍为50Ω），而不是粗同轴电缆。细缆在布线转角处易于转弯，并可直接连接到机箱。网络的每个段最长为185m，因此这种细缆局域网就简记为10Base-2（2表示距离约为200m）。

（2）将媒体连接单元MAU和媒体相关接口MDI都安装在网卡上，取消了外部的AUI电缆。细缆直接用标准BNCT型接头连接到网卡上的BNC连接器的插口上。但细缆在装上BNC接头时必须先切断电缆。

随着集成度的提高，网卡上芯片的个数不断减少。虽然现在各厂家生产的网卡种类繁多，但其功能大同小异。

人们在10Base-2局域网的实际使用过程中发现了它的缺点，就是当细缆总线上某个电缆接头处发生短路或者开路时，整个网络就无法工作，而确定其故障点相当麻烦，尤其是当总线上站点数很多时。这就使得网络的可靠性很差。此外，细缆布线不够方便，价格也仍较高。考虑到局域网的可维护性，人们又像电话网那样使用星型拓扑网，不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。在星型网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备集线器。双绞线以太网总是和集线器配合使用的。由于集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性就大大提高了。

1990年，IEEE制定出星型网10Base-T的标准IEEE802.3i。但10Base-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星型网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。10Base-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。

使双绞线能够高速传送数据的主要措施是将双绞线的绞合度做得非常精确。这样不仅可使特性阻抗均匀以减少失真，而且大大减少了电磁波辐射和无线电频率的干扰。在多对双绞线的电缆中，还要使用更加复杂的绞合方法。

集线器的特点如下。

（1）从表面上看，使用集线器的局域网在物理上是一个星型网，但由于集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。也就是说最多只有一台计算机能够发送数据。因此，这种10Base-T以太网又称为星型总线。

（2）一个集线器有许多端口，每个端口通过RJ-45插头（与电话机使用的插头相似，但略大一些）用两对双绞线与一个工作站上的网卡相连。因此，一个集线器很像一个多端口转发器。

（3）集线器和转发器都工作在物理层，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到工作站发来的信息时，就简单地将该信息向所有其他端口转发。若两个端口同时有信号输入（发生碰撞），那么所有端口都收不到正确的帧。图3-13是具有3个端口的集线器示意图。

图3-13　具有3个端口的集线器

（4）集线器采用了专门的芯片，这种芯片能进行自适应串音回波抵消，这样就可使端口转发出去的较强信号不致对该端口接收到的较弱信号产生干扰（这种干扰即近端串音）。每个比特在被转发之前还要进行再生整形并重新定时。

集线器必须非常可靠。现在的堆叠式集线器由4～8个集线器堆叠起来使用，一般都有少量的容错能力和网络管理功能。模块化的机箱式智能集线器有很高的可靠性，它全部的网络功能都以模块方式实现。各模块均可进行热插拔，出现故障时不断电即可更换或增加新模块。集线器上的指示灯还可显示网络上的故障情况，给网络管理带来了很大的方便。由于集线器具有上述优点，早先使用的粗缆和细缆以太网已经退出了市场。

IEEE802.3标准还扩展到可以支持宽带局域网。相应的标准是10Broad36。“36”表示网络的最大跨度为3600m，但每一个网段的长度不能超过1800m。数据率仍为10Mb/s。传输媒体为标准75Ω的CATV电缆。基带的曼彻斯特码还要经过差分移相键控（DPSK）调制后才发送到电缆上。调制后的10Mb/s的信号占据14MHz的带宽。

IEEE802.3标准还可使用光纤作为传输媒体，相应的标准是10Base-F系列。