第二章 以太网原理与组网技术
局域网组建的基本原理和技术
局域网组建的基本原理和技术局域网（Local Area Network，简称LAN）是指位于相对较小地理范围内的计算机网络，通常是指企业、学校、办公场所等内部网络。
局域网的组建需要依靠一定的原理和技术来实现。
本文将介绍局域网组建的基本原理和技术。
一、局域网基本原理1.1 物理连接局域网中的计算机和设备之间通常通过物理连接来进行数据传输。
常用的物理连接方式有以太网（Ethernet）、无线局域网（Wireless LAN）、光纤等。
以太网是较为常见和广泛应用的一种物理连接方式，通过以太网协议传输数据。
1.2 网络拓扑网络拓扑指的是计算机和设备相互连接的方式。
常见的网络拓扑有星型拓扑、总线拓扑、环形拓扑等。
星型拓扑是局域网部署最常见的拓扑结构，其中每台计算机都与一个中央设备（如交换机）相连。
1.3 IP地址和子网掩码为了实现局域网内计算机之间的通信，每台计算机都需要有一个唯一的IP地址。
在一个局域网中，IP地址通常有相同的网络号，但主机号不同。
子网掩码用于将IP地址划分为网络号和主机号。
二、局域网组建的技术2.1 交换机交换机是局域网组建中必不可少的设备。
它用于将局域网中的计算机连接起来，并实现数据的交换和转发。
交换机可以根据MAC地址学习和存储计算机的地址信息，从而有效地将数据传输到目标设备。
2.2 路由器路由器是用于连接不同局域网之间的设备，实现跨网络通信。
它能够根据IP地址和路由表等信息，选择合适的路径将数据包转发到目标网络。
通过路由器的连接，不同局域网之间可以进行互联和通信。
2.3 网络协议局域网组建还需要依赖于一系列网络协议。
其中包括以太网协议、传输控制协议/网络协议（TCP/IP）、动态主机配置协议（DHCP）、域名系统（DNS）等。
这些协议为局域网内的计算机提供了通信和数据传输的基础。
2.4 网络安全技术在局域网组建过程中，网络安全是一个重要的考虑因素。
为了保护局域网中的数据和信息安全，需要采取一系列安全技术措施，如防火墙、入侵检测系统、虚拟专用网络（VPN）等。
以太网简要教程
以太网简要教程一、概述通常我们所说的以太网主要是指以下三种不同的局域网技术:以太网/IEEE 802.3—采用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到10Mbps;100Mbps以太网—又称为快速以太网，采用双绞线作为网络媒体，传输速率达到100Mbps;1000Mbps以太网—又称为千兆以太网，采用光缆或双绞线作为网络媒体，传输速率达到1000Mbps(1Gbps)以太网以其高度灵活，相对简单，易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域网建网技术。
虽然其它网络技术也曾经被认为可以取代以太网的地位，但是绝大多数的网络管理人员仍然把将以太网作为首选的网络解决方案。
为了使以太网更加完善，解决所面临的各种问题和局限，一些业界主导厂商和标准制定组织不断的对以太网规范做出修订和改进。
也许，有的人会认为以太网的扩展性能相对较差，但是以太网所采用的传输机制仍然是目前网络数据传输的重要基础。
二、以太网工作原理以太网是由Xeros公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和碰撞检测(CSMA/CD)机制，数据传输速率达到10Mbps。
虽然以太网是由Xeros公司早在70年代最先研制成功，但是如今以太网一词更多的被用来指各种采用CSMA/CD技术的局域网。
以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE802.3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定。
以太网版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel、和Xeros三家公司联合开发，与IEEE 802.3规范相互兼容。
太网结构示意图如下:以太网/IEEE 802.3通常使用专门的网络接口卡或通过系统主电路板上的电路实现。
以太网使用收发器与网络媒体进行连接。
收发器可以完成多种物理层功能，其中包括对网络碰撞进行检测。
收发器可以作为独立的设备通过电缆与终端站连接，也可以直接被集成到终端站的网卡当中。
简述以太网的工作原理
简述以太网的工作原理
以太网是一种常用的局域网技术，它使用以太网协议进行数据传输。
以太网的工作原理可以概括为以下几个步骤：
1. 硬件准备：以太网使用一组特定的硬件设备，包括网络接口卡（NIC）、集线器（Hub）或交换机（Switch）。
每个设备
都有一个唯一的物理地址，称为MAC地址。
2. 数据封装：数据在发送之前被封装为数据帧。
数据帧包括头部和数据部分，头部包含了目标MAC地址和源MAC地址等
信息。
3. 寻址和转发：当一台计算机想要发送数据时，它首先将数据帧发送到与它相连的设备（通常是交换机）。
交换机会读取目标MAC地址并将数据帧转发给适当的设备。
4. 数据传输：数据帧在以太网中传输，通过物理介质（如双绞线或光纤）进行传输。
数据帧以比特的形式在物理介质上传输。
5. 数据接收和解析：设备接收到数据帧后，根据目标MAC地
址进行解析。
如果目标MAC地址与自身的MAC地址匹配，
设备将接受数据帧。
否则，数据帧将会被丢弃。
6. 碰撞检测和重传：在以太网中，多个设备可以同时发送数据。
如果多个设备同时发送数据，可能会发生碰撞。
碰撞检测机制能够检测到碰撞，并触发重传机制来保证数据的可靠传输。
7. 重复过程：以上过程在整个以太网中不断重复，以实现计算机之间的通信。
总结起来，以太网通过硬件设备、数据封装、寻址和转发、数据传输、数据接收和解析等步骤实现计算机之间的通信。
其特点是灵活、易扩展和成本低廉，被广泛应用于局域网环境中。
局域 网组网原理
局域网组网原理
局域网组网原理是通过使用特定的网络设备和协议将多个计算机连接在一起，形成一个小范围的网络环境。
局域网内的计算机可以互相通信和共享数据资源。
下面将介绍局域网组网的几种常见原理：
1.以太网原理：以太网是局域网中最常用的传输介质和协议之一。
它使用以太网协议对数据进行传输，依靠网络交换机和网卡来连接计算机。
以太网使用CSMA/CD（载波监听多路接入
/碰撞检测）技术来避免数据冲突。
2.无线局域网（WLAN）原理：无线局域网使用无线技术（如Wi-Fi）将计算机和其他设备连接在一起。
无线局域网使用无
线接入点作为中心节点，将多个设备连接并提供网络服务。
3.网桥和交换机原理：网桥和交换机是用于连接局域网中多个
计算机的网络设备。
它们通过MAC地址来实现数据包的传输
和转发。
网桥工作在OSI模型第二层，交换机工作在第二层
和第三层之间。
它们可以根据MAC地址学习和过滤数据流量，并提供高速的数据转发和广播分发。
4.路由器原理：路由器是用于连接不同局域网之间的网络设备。
它使用IP地址和路由表来确定数据传输的路径，并完成数据
包的转发。
路由器可以实现不同网络之间的互联，使得不同局域网中的计算机可以相互通信。
5.虚拟局域网（VLAN）原理：虚拟局域网是一种对物理网络
进行逻辑隔离的技术。
通过VLAN可以将不同的计算机划分为不同的逻辑网络，实现灵活的管理和安全控制。
以上是几种常见的局域网组网原理，它们在不同的场景和需求下可以相互结合使用，构建出适合特定环境的局域网网络。
以太网技术基本原理
以太网技术基本原理以太网是一种局域网技术，其基本原理是基于CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议，采用共享介质的方式实现各个终端设备之间的数据通信。
以下是以太网技术的基本原理的详细介绍。
1.CSMA/CD协议：CSMA/CD协议是以太网的核心协议，用于解决多个终端设备同时访问共享介质时产生的冲突问题。
其工作原理是，在发送数据之前，终端设备会先监听共享介质上是否有信号传输，如果没有，则可以开始发送自己的数据。
如果检测到有信号传输，表示介质正在被占用，终端设备会等待一段随机的时间后再次进行监听，以便选择合适的时机进行数据发送。
如果在发送数据的过程中，终端设备检测到介质上有冲突，就会终止发送并等待一段时间，再次检测介质是否被占用，然后重新开始发送数据。
通过这种方式，CSMA/CD协议可以有效地解决冲突问题，实现数据的可靠传输。
2.介质访问控制：以太网采用的是共享介质的方式，多个终端设备共享同一根传输介质。
为了保证每个终端设备的公平性和均衡性，以太网采用了介质访问控制机制。
具体来说，以太网将共享介质分割为多个时隙，并将每个时隙划分为一个最小的数据传输单元（称为“帧”）。
终端设备在进行数据传输之前，需要等待一个空闲的时隙，然后按照时隙进行数据发送。
这种介质访问控制机制能够有效地保证每个终端设备的公平访问权，并避免了数据传输的混乱和冲突。
3.MAC地址：以太网使用MAC（媒体访问控制）地址来唯一标识网络中的每个终端设备。
MAC地址是一个48位的全球唯一标识符，由6个字节组成。
其中前3个字节是由IEEE管理的组织唯一标识符（OUI），用于标识设备的生产厂商，后3个字节由设备厂商自行分配。
每个终端设备在生产时都会被分配一个唯一的MAC地址，以太网通过这个地址来确定数据应该发送到哪个设备。
4.帧格式：以太网的数据传输通过帧来进行，每个帧是一个完整的数据包。
以太网的帧格式包括了源MAC地址、目标MAC地址、协议类型和数据部分。
以太网技术和组网规范
以太网模块和功能 以太网层次结构
以太网层次结构主要对应于OSI层次结构中的数据链路层和物理层。其层次结构如图2-5所示。
图2-5 以太网层次结构
数据链路层的功能有： 提供一个或多个SAP； 发送时将数据组装成带MAC地址和差错检测的帧，进行同步、定界及透明传输； 接收时拆卸帧，执行MAC地址识别（寻址）和差错检测； 管理链路上的通信，进行流量控制，差错控制。 局域网的数据链路层与传统的OSI中数据链路层也有区别： 局域网链路支持多重访问，支持成组地址和广播； 支持MAC介质访问控制功能； 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点SAP、多路复用、流量控制、差错控制。 MAC子层功能： 成帧/拆帧； 实现、维护MAC协议； 位差错检测，寻址等。
传输媒体（也称网络介质）：100BASE-T 标准允许包括四个不同的物理层规范，第一个物理层规范支持2对5类UTP或1类STP，第二个物理层规范支持4对3/4/5类UTP，第三个物理层规范支持单模或多模光缆，第四个物理层规范支持2对3/4/5类UTP。100BASE-T根据使用物理层传输媒体的不同类型，分为100BaseTX、100BaseT4、100BaseFX和100BaseT2四种。
按照数据链路层控制来分，有以太网卡、令牌环网卡、ATM网卡等，它们在数据链路控制、寻址、帧结构等方面不同。
以太网采用CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)控制技术。在OSI七层协议中主要定义了物理层和数据链路层的工作方式。二者之间有标准的接口(例如MII，GMII等)来传递数据和控制。
1
2
3
向高层提供SAP（服务访问点）； 建立/释放逻辑连接； 差错控制； 帧序号处理； 提供某些网络层功能等。
LLC子层功能：
以太网的工作原理
以太网的工作原理
以太网是一种广泛使用的局域网技术，其工作原理是基于CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带冲突检测的载波侦听多路访问）协议。
在以太网中，计算机通过物理介质（例如电缆）连接在一起，形成一个局域网。
每个计算机都被称为一个节点，每个节点都有一个唯一的MAC地址。
当一个节点想要发送数据时，它先检测物理介质上是否有其他节点正在发送数据。
如果没有其他节点发送数据，该节点就可以开始发送数据。
如果检测到其他节点正在发送数据，该节点将等待一段时间，直到物理介质空闲为止，然后才发送数据。
在数据发送过程中，如果两个节点同时发送数据导致碰撞发生，它们会立即停止发送，并等待一个随机的时间后重新发送。
这种碰撞检测和重传机制被称为CSMA/CD。
为了确保数据传输的可靠性和顺序性，以太网使用了帧格式。
数据被分割成小的数据包，每个数据包都有自己的起始标志、目标MAC地址、源MAC地址、数据内容和一些校验位。
数
据包通过物理介质传输时，其他节点可以根据帧格式的标志位来识别和接收自己需要的数据。
另外，以太网支持半双工和全双工通信。
在半双工通信中，节点只能同时进行发送或接收操作，不能同时进行两者；而在全双工通信中，节点可以同时进行发送和接收操作，提高了传输
效率。
总之，以太网通过CSMA/CD协议、帧格式和物理介质来实现多个节点之间的数据传输，并且支持可靠性、顺序性和双工通信。
这种工作原理使得以太网成为一种广泛应用于局域网的技术。
以太网 ppt课件
t=
B B 检测到发生碰撞
IP 数据报 46 ~ 1500
数据
IP 层
4 FCS MAC 层
MAC 帧
物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式
当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。
FCS 字段 4 字节
字节 6
6
目的地址 源地址
2 类型
IP 数据报 46 ~ 1500
数据
IP 层
A 不接受
只有 D 接受 B 发送的数据
B
B向 D 发送数据
C 不接受
D 接受
E 不接受
以太网的广播方式发送
总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发 送的数据信号。
由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的 地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是 发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧 而不能够收下来。
具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。
为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施
采用较为灵活的无连接的工作方式，即 不必先建立连接就可以直接发送数据。
以太网对发送的数据帧不进行编号，也 不要求对方发回确认。
这样做的理由是局域网信道的质量很好，因 信道质量产生差错的概率是很小的。
以太网提供的服务
无连接: 在发送和接收适配器之间没有握手 不可靠: 接收适配器不向发送适配器发送应答
或否定应答
传送给网络层的数据报流可能有丢包 如果应用程序使用TCP，将能弥补丢包 否则，应用程序将发现丢包
以太网的MAC协议：CSMA/CD
从总线拓扑到星型拓扑
直到20世纪90年代，总线拓扑流行 后来，星型的集线器 目前星型的交换机
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分类
10Mbps网卡
100Mbps网卡
10/100Mbps网卡等
第二章以太网原理与组网技术
3、 10/100M以太网中的非屏蔽双绞线
传输速率v固定：覆盖范围Lmax增大要求最小帧长
度lmin相应地增大
最小帧长度lmin固定：网络传输速率ν提高要求覆
盖范围Lmax相应地减小
第二章以太网原理与组网技术
9、小结
小结：
在以太网中，冲突不是错误，但是合法 的冲突只会发生在冲突窗口之内。如果发送 结点在冲突窗口时间内没有检测到冲突，则 意味着网络中的其它结点都开始正常的接收 ，发送结点捕获了信道。这一帧接下来的发 送不会再发送冲突。
帧前定界符：8位的10101011序列
第二章以太网原理与组网技术
3、目的地址和源地址
目的地址与源地址：接收结点和发送结点的硬件地址
硬件地址：又称MAC地址、物理地址、以太网地址 MAC地址表示：6字节（48位）组成，用16进制数表示。 （例如：52-54-ab-31-ac-c6） MAC地址分配： ，由IEEE注册管理委员会负责分配，全球唯 一，出厂时，“写”在网卡中。
不足46字节的需要填充 帧校验码：验证帧的正确性 32位CRC校验，循环冗余校验。 G(X)=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X3+X+1
第二章以太网原理与组网技术
第三节
介质访问控制方法
3 4
第二章以太网原理与组网技术
1、 CSMA/CD介质访问控制方法
第二章以太网原理与组网技术 1、以太网帧结构
二、以太网帧结构
数据帧结构 ：由“前导码”、“帧前界定符”、 “目的地址”、“源地址”、“长度/类型”、 “数据”、“帧校验码”7个字段组成。
1B 6B 6B 2B 46-1500B 4B
7B
前导码
帧前定 界符
目的 MAC 地址
源 MAC 地址
长度/类 型
3、冲突后的随机延迟
2、冲突后的随机延迟 发生过程中，如果出现冲突后，冲突结
点很可能在同一时刻重发各自的数据帧，再
次冲突的可能性很大。因此，发送结点在重
发数据前采用随机延时方式降低冲突的可能 性。
第二章以太网原理与组网技术
4、冲突后的随机延迟算法
截断式二进制指数退避算法
k=min(n, τ=r×α 10)。K的取值方法为：
重发次数越大，后退延迟可选择的范围越大，选择到较
第二章以太网原理与组网技术
5、CSMA/CD介质访问控制—接收流程
3、CSMA/CD—接收流程
地址匹配
单播地址
广播地址 组播地址 抛弃 冲突（信号畸变、短帧） 地址不匹配
第二章以太网原理与组网技术
6、冲突窗口与帧最小长度
第二章以太网原理与组网技术
4、屏蔽双绞线
屏蔽双绞线STP
优点：抗干扰的能力强，尺寸和重量与UTP
相当
缺点：安装不合适会引入外界干扰
第二章以太网原理与组网技术
5、光缆
优点：抗干扰能力强、传输速率高、传输损耗低、
传输距离远
缺点：价格相对较高，安装比较困难 分类：单模光纤、多模光纤 单模光纤的传输质量比多模光纤好
整个网络的最大覆盖范围205米
网络中不能出现环路
第二章以太网原理与组网技术
06
3 4
实验：组装简单的以太网
第二章以太网原理与组网技术
实验：组装简单的以太网
第二章以太网原理与组网技术
所需主要工具
第二章以太网原理与组网技术
组装主要步骤
制作非屏蔽双绞线
安装以太网卡
将计算机接入网络
4、冲突窗口：从发送一个帧开始到检测到冲
突发生所需的最长时间。
5、最小帧长度：一个发送窗口内，发送的最
小帧长度。以太网的最小帧长度为512bit，即 64KB.
第二章以太网原理与组网技术
7、冲突窗口与帧最小长度计算
冲突窗口计算示意图
第二章以太网原理与组网技术
8、冲突窗口、帧最小长度与网速的关系 最小帧长度lmin 最大覆盖范围Lmax与网络传输速率ν的关系
1、共享以太网数据传输是半双工方式
2、以太网采用将大数据块分包传输，以
太网中传输的数据包通常称为数据帧。
第二章以太网原理与组网技术
3、共享以太网介质访问方式
3、介质访问控制方法：采用“带冲突检测载波侦
听多路访问”介质访问方式，即CSMA/CD。
第二章以太网原理与组网技术
第二节
以太网的数据帧
3 4
第二章以太网原理与组网技术
网络连通性测试
观察集线器和网卡状态指示灯的变化
运行网卡自带的测试和诊断软件
用“g”命令
网卡驱动程序：实现网络操作系统上层程序
与网卡的接口 TCP/IP模块：互联层与传输层协议
第二章以太网原理与组网技术
集线器级联
第二章以太网原理与组网技术
思考题
1、数据帧由那个程序或协议封装？ 2、封装程序如何获得源MAC地址、目的 MAC地址？ 3、结点是如何检测到数据“冲突”呢？ 4、集线器工作在ISO/OSI的哪一层？
器
整个网络的最大覆盖范围为500米 网络中不能出现环路
第二章以太网原理与组网技术
100BASE-T集线器
多集线器100M以太网配置规 则
100M网卡（或10/100M自适应网卡） 5类以上非屏蔽双绞线（每段最大长度不超过100
米）
任意两个结点之间最多可以经过2个集线器 集线器之间的电缆长度不能超过5米
所需部件和设备： 10Mbps网卡（或10/100Mbps自适应网卡） 3类以上的非屏蔽双绞线（每段最大长度不能超过100米） 10BAS-T集线器
第二章以太网原理与组网技术
1、双绞线集线器组网 2、单一集线器100M网
所需部件和设备：
100Mbps网卡（或10/100Mbps自适应网卡）
第二章以太网原理与组网技术
第三讲
03
4
以太网的相关标准
第二章以太网原理与组网技术
6、以太网的相关标准
10Gbps以太网不支持共享介质方式
第二章以太网原理与组网技术
第四讲
04
组网器件和设备
4 3 以太网集线器 网络接口卡 电缆
第二章以太网原理与组网技术
1、10/100Mbps以太网集线器
功能：
k-1k=min(n, 第 次冲突后： ， r 在1 {0, 1, 2, ...n=1 , 2 }中随机选取10)=1，r在{0,
1}中选择
k=min(n, 10) 第2次冲突后： n=2，k=min(n,
10)=2，r在{0, 1, 2, 3}中
选择 α：冲突窗口
第3次冲突后：n=3，k=min(n, 10)=3，r在{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}中选择 长延迟的可能性越大 10次冲突后：k=10，后退延迟最大为（210-1）×α
优点：较优的频率和抗干扰特性，传输距离远。
缺点：电缆硬、折曲困难、重量重 同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线
第二章以太网原理与组网技术
3、非屏蔽双绞线
非屏蔽双绞线UTP
优点：尺寸小（直径0.43cm）、重量轻、容易弯
曲、连接牢固、价格便宜、容易安装和维护
缺点：抗干扰性较差，带宽较窄，传输距离短 分类：6类线、5类线、4类线和3类线等 10Mbps网：3类以上线 100Mbps、1Gbps网：5类以上线 非屏蔽双绞线适合于楼宇内部的结构化布线
MAC特殊地址： 单播地址：（第1位为“0”）、多播地址（ 第1位为“1”）和广播地址（48位全“1”）
第二章以太网原理与组网技术
3、数据帧的其它字段
长度/类型：数据字段的长度或上层协议类型 长度：小于0800H 类型：大于或等于0800H 数据：用于携带上层传下来的数据
最长1500字节，最短46字节
第二章以太网原理与组网技术
4第二讲
02
3
以太网的传输介质
同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、光纤
第二章以太网原理与组网技术
1、以太网的传输介质
同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、光缆
第二章以太网原理与组网技术
2、同轴电缆
分类：粗同轴电缆（直径1cm，特征阻抗50Ω）、
细同轴电缆（直径0.5cm，特征阻抗50Ω） 技术成熟
数据
FCS
第二章以太网原理与组网技术
2、前导码和帧前定界符
7B 1B 6B 6B 2B 46-1500B 4B
前导码
帧前定 界符
目的 MAC 地址
源 MAC 地址
长度/类 型
数据
FCS
前导码和帧前定界符：保证接收电路在目的地
址字段到达前达到稳定状态
前导码：56位的10101010…101010序列
CSMA/CD 带有冲突检测的载波侦听多路访问 Carrier sense multiple access with collision detection
第二章以太网原理与组网技术
2、CSMA/CD介质访问控制--发送流程
1、CSMA/CD —发送流程
先听后发 边听边发
冲突停止