计算机网络教程课件第4章
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强化冲突
27
什么情况下会发生“碰撞”或“冲突”？
至少存在两种情况会导致冲突产生：
第一情况：当两个以上的站点同时监听到信道 空闲，且同时发送数据。
第二情况：由于信号在信道传输上存在传输延 迟，从而为“碰撞”或“冲突”发生带来可能。
下面来分析这种“碰撞”产生的基本原因。 抢占信道时，“碰撞”或“冲突”即会发 生。
息，否则各计算机之间就会互相干扰，结果大 家都无法正常发送数据。 这样，以太网中一个重要的问题就是如何协调 总线上的各计算机的工作。 以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议 CSMA/CD。
25
CSMA/CD协议的基本内容
多点接入：许多计算机同时连接在一根总线上。 载波监听：在发送数据前，需检查总线上是否
有其他计算机在发送数据，有则暂时不发送数 据，以免发生碰撞。 碰撞检测：边发送数据边检测信道上的信号电 压大小，以检查是否发生“碰撞”或“冲突”， 有则立即停止发送，等待一段随机时间后再发 送。
26
协议实现需考虑的几个主要问题
“当信道不空闲时”，发送站点干什么？
1-坚持
什么情况下会发生“碰撞”或“冲突”？ 发生“碰撞”或“冲突”后如何处理？
19
2.以太网网卡
一台计算机是通过网络接口卡(NIC，Network Interface Card)，简称网卡连接到局域网上的。
网卡既连接局域网中的计算机，又连接局域网中的传 输介质。
20
21
22
网卡的结构
Ethernet网卡由三个部分组成：收发电路、存储器 （包括RAM和ROM）与介质访问控制电路。
13
4.1.3 局域网的体系结构
IEEE 802 参考模型与OSI参考模型的关系
OSI参考模型
应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层
IEEE802参考模型
逻辑链路控制 (LLC)子层
介质访问控制 (MAC)子层
物理层
图4-2 IEEE 802与OSI参考模型的对应关系
14
4.1.4 IEEE 802标准系列
描述：
以太网上任一结点均能检测出冲突发生所需的时间。 以太网端到端的最大往返时延。
30
μs
争用期的概念
用信息量表示争用期的计算方法：
争用期={2×(信道长度(km)×信号传播时延(s/km))} ×数据传播速率(bit/s)
例：已知电磁波在电缆中的传播速率约为 2.3×105km/s，对于一个数据传输速率为 10Mbps，同轴电缆长度为1km的局域网，可计 算出同轴电缆信道中的争用期为： 2×(1km×5μs/1km) ×107bit/s=100bits。
IEEE 802标准之间的关系
802.1 局域网的体系结构与网络互联
数 据 链 路 层 802.3
CSMA/CD 物理层
802 .2 逻辑链路控制子层LLC
802 .4 Token Bus
802 .5
Token Ring
802 .6 城域网
802 .9 802 .11
语音与 无线
数据综合 局域网 局域网
粗缆
细缆
双绞线
光缆
命名规则：
base表示基带传输，曼彻斯特编码 base前数字表示传输率，单位Mbps base后数字表示每段电缆最大长度 “T”表示双绞线，“F”表示光纤
39
例如:
100BaseT
表示传输介质为双绞线 表示以基带方式传输 表示传输速率为100Mbps
40
几种传统以太网的连接方式
15
主要的IEEE 802标准
IEEE 802.3标准：定义Ethernet的CSMA/CD总线介质访 问控制子层与物理层标准。
IEEE 802.4标准: 定义令牌环网的介质访问控制子层 与物理层标准。
IEEE 802.5标准: 定义了令牌总线网的介质访问控制 子层与物理层标准。
IEEE 802.11标准：定义无线局域同访问控制子层与物 理层标准。
34
4.硬件地址
Ethernet物理地址长度为48位，每一块网 卡有一个固定不变的物理地址；
IEEE注册管理委员会为每个网卡生产商分 配Ethernet物理地址的前三字节，即公司 标识也称为机构惟一标识符；后面三字节由 网卡的厂商自行分配；
在网卡生产过程中，将该地址写入网卡的只 读存储器（EPROM）。
字节 目的地址 源地址 类型
IP数据报
46-1500
数据
IP层
FCS
MAC层
以太网MAC帧
图4-6 以太网V2的MAC帧格式
物理层
37
4.2.2 传统以太网的连接方法
问题：
传统以太网的连接方法？
38
4.2.2 传统以太网的连接方法
存在四个基本类型的传统以太网
以太网媒体接入控制MAC
10BASE5 10BASE2 10BASE－T 10BASE－F
因此，以太网规定最短有效帧长为64字节。凡长度小于 64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。
33
CSMA/CD协议工作的主要特征
先听后发 ——保证了信道不空闲时，绝对 不会有冲突发生
边听边发——保证一旦有冲突产生，各冲 突站点马上会终止发送
冲突停止——保证系统不会出现剧烈冲突 延迟重发——保证了系统的稳定
同轴电缆 光纤
无线电
50Ω，细：10M 粗：50M
抗干扰性好，环 形和点到点
灵活，广泛使用
8
3.媒体访问控制方法
定义：多个结点利用 公共传输媒体发送和 接收数据的方法，
解释：网络中的多个 结点如何共享通信媒 体
结论：所有“共享媒 体”类型局域网都必 须解决的问题
9
3.媒体访问控制方法
所以，媒体访问控制方法需要解决以下 三个问题：
23
3. CSMA/CD介质访问控制方法
传统以太网具有总线型的网络特点。 下图对总线式以太网的数据交换原理作了恰当说明。
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）
匹配电阻
A
B
C
D
不接收 发送 不接收 接收
E 不接收
B向D发送数据，只有D才接收
24
3. CSMA/CD介质访问控制方法
总线的特点是：通信方式采用广播通信。 因此，在同一时间只能允许一台计算机发送信
35
Ethernet物理地址的十六进制与二进制表示方法
十六进制地址格式 08–01–00–2A–10–C3
二进制地址格式
1100 0011 0001 0000 0010 1001 0000 0000 0000 0001 0000 1000
36
5. 以太网帧的基本结构
帧（Frame）是以太网中数据传输的基本 单位，通常又称为以太网MAC帧 。
网卡
缓冲 存储器
MAC Address EPROM
Ethernet 控制器
AAUUII接接口口
通过外部收发器 接粗同轴电缆
10BASE-5
BNC接接口口
Ethernet 收发器
RRJJ--4455接接口口
接细同轴电缆 10BASE-2
接非屏蔽双绞线 10BASE-T
接计算机I/O 总线
图4-4 Ethernet网卡的结构
31
传统以太网争用期的确定
传统以太网争用期的基本时间长度定为51.2μs， 主要是基于如下因素： 端到端发送数据的介质传输时延； 可能引入转发器后增加的时延； 强化碰撞的持续时间。
32
以太网关于无效帧的规定
对于10Mb/s以太网，在争用期内任一发送站点可发送 512bit（64字节）。若前64字节没有冲突，后续发送的 数据就不会发生冲突。如果冲突，就一定在前64字节之 内。
以太网推出后，以其安装简单、易于扩充等优 点，获得了人们的高度评价。
18
1. 以太网的两个标准
1981年，施乐公司与DEC以及Intel公司合作，联合提出了以太网的 规范。
1982年，修改为第二版规范，即DIX Ethernet V2，成为世界上第 一个局域网产品的规约（DIX是这三个公司名称第一个字母的缩写）。 该标准后来即成为IEEE802.3标准的基础。
第四章 局域网
本章解决的问题是：
局域网应解决的关键技术是什么？局域网常见 结构有何特点？
IEEE 802是什么，基本内容有哪些？ 如何解决传统以太网的共享传输线路的问题？ 传统以太网的连接方法？ 交换式局域网如何能有效的提高局域网用户的
传输速率？ 为什么需要虚拟局域网技术？高速局域网的发
展如何？ 无线局域网技术有哪些？ 为什么要使用结构化布线系统，其内容有哪些2？
4.1 局域网概述
问题： 局域网应解决的关键技术是什么？ 局域网常见结构有何特点？ IEEE 802是什么，基本内容有哪些？
3
4.1.1 局域网的特点
所谓LAN是指将小范围内的有限的通 信设备互连在一起的通信网。 特点： （1）短距离（几公里）； （2）高速率（已可达10Gbps以上）； （3）低误码率（10-8～10-11）。
DB-15 连接器
主机箱
网卡
BNC 连接器 收发器电缆
主机箱
网卡
RJ-45 连接器
主机箱
网卡 双绞线
粗缆
细缆
收发器
BNC T型接头
集线器
（a）粗缆以太网10BASE5
（b）粗缆以太网10BASE2
应该由哪个结点发送数据？ 在发送时会不会出现冲突？ 在出现冲突时如何解决？
10
3.媒体访问控制方法
目前,局域网采用的媒体访Baidu Nhomakorabea控制方法 有：
采用CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦 听多路访问）媒体访问控制方法的总线型 局域网；
采用Token Bus（令牌总线）媒体访问控 制访问的令牌总线型局域网；
4
4.1.2 局域网的关键技术
连接各种设备
关键技术
拓扑结构
数据
传输媒体 媒体控制方法
冲突问题的解决方法
5
1.拓扑结构
拓扑结构
星型 环型 总线型
6
1.拓扑结构
总线网
匹配电阻
干线耦合器
环形网
集线器
星形网
7
2.传输介质
局域网可使用多种传输媒体。
双绞线
最便宜，10M10G的LAN
局域网中的 传输媒体
采用Token Ring（令牌环）媒体访问控 制方法的环型局域网。
11
问题： IEEE 802是什么，基本内容有
哪些？ IEEE802 标 准 研 究 重 点 是 局 域 网范围内的计算机联网问题。
12
4.1.3 局域网的体系结构
从LAN的定义可知，LAN本质上仅是一个通信网。 从通信网这一观点出发，由于OSI参考模型的下三层主要负责 通信工作，因而可以推断，LAN的层次结构应只体现在所给层次结 构的下三层。而由于局域网结构简单，所以最终决定局域网实现 下两层的功能。 另外，由于IEEE802委员会成立时，市场上有很多不同的局域 网产品，为了制定一个公用的模型，设计者提出了将数据链路层 划分为两个子层。 IEEE802委员会推荐的局域网参考模型（LAN/RM）如图4-2所 示。
28
t=0 A
1 km
t A 检测到发生碰撞
碰撞
t = 2 t= 0
A 检测到 A 信道空闲
发送数据 A
B 检测到发生碰撞
A
t = 2 A 检测到 发生碰撞
A STOP
A
B B 发送数据
t= t=
单程端到端
传播时延记为
B
B
B
t=/2 发生碰撞
B
B
29
争用期的概念
定义：对CSMA/CD协议而言，由于参与信道争 用的任一站点在发送数据帧后至多经过2τ时 间就可知道是否发生碰撞。因而将该时间称为 争用期（碰撞窗口）。
1983年制定了第一个IEEE的以太网标准IEEE 802.3，数据率为 10Mb/s。
以太网的两个标准DIX Ethernet V2与IEEE的802.3标准只有很小 的差别，因此很多人也常把802.3局域网简称为“以太网”。
虽然严格说，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局 域网，但是本书并没有严格区分它们。
IEEE 802.15标准：定义近距离个人无线网络访问控制 子层与物理层标准。
IEEE 802.16标准：定义宽带无线网络访问控制子层与 物理层标准。
IEEE802.1体系结构
IEEE802.3 IEEE802.4 CSMA/CD Token Ring
IEEE802.5 Token Bus
IEEE802.11 WLAN
IEEE802.15 近距离无线
个人网络
IEEE802.16 宽带无线 网络
图4-3 简化的IEEE 802协议结构
16
4.2 以太网概述 问题： 如何解决传统以太网的共享传输线
路的问题？
17
4.2.1 以太网的工作原理
以太网最初是美国施乐(Xerox)公司1975年研制 成 功 的 ， 当 时 的 数 据 率 仅 为 2.94Mbps 。 由 于 它 以无源的电缆作为总线来传送数据帧，故借用 了曾经在历史上表示传播电磁波的以太(Ether) 来命名。
27
什么情况下会发生“碰撞”或“冲突”？
至少存在两种情况会导致冲突产生：
第一情况：当两个以上的站点同时监听到信道 空闲，且同时发送数据。
第二情况：由于信号在信道传输上存在传输延 迟，从而为“碰撞”或“冲突”发生带来可能。
下面来分析这种“碰撞”产生的基本原因。 抢占信道时，“碰撞”或“冲突”即会发 生。
息，否则各计算机之间就会互相干扰，结果大 家都无法正常发送数据。 这样，以太网中一个重要的问题就是如何协调 总线上的各计算机的工作。 以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议 CSMA/CD。
25
CSMA/CD协议的基本内容
多点接入：许多计算机同时连接在一根总线上。 载波监听：在发送数据前，需检查总线上是否
有其他计算机在发送数据，有则暂时不发送数 据，以免发生碰撞。 碰撞检测：边发送数据边检测信道上的信号电 压大小，以检查是否发生“碰撞”或“冲突”， 有则立即停止发送，等待一段随机时间后再发 送。
26
协议实现需考虑的几个主要问题
“当信道不空闲时”，发送站点干什么？
1-坚持
什么情况下会发生“碰撞”或“冲突”？ 发生“碰撞”或“冲突”后如何处理？
19
2.以太网网卡
一台计算机是通过网络接口卡(NIC，Network Interface Card)，简称网卡连接到局域网上的。
网卡既连接局域网中的计算机，又连接局域网中的传 输介质。
20
21
22
网卡的结构
Ethernet网卡由三个部分组成：收发电路、存储器 （包括RAM和ROM）与介质访问控制电路。
13
4.1.3 局域网的体系结构
IEEE 802 参考模型与OSI参考模型的关系
OSI参考模型
应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层
IEEE802参考模型
逻辑链路控制 (LLC)子层
介质访问控制 (MAC)子层
物理层
图4-2 IEEE 802与OSI参考模型的对应关系
14
4.1.4 IEEE 802标准系列
描述：
以太网上任一结点均能检测出冲突发生所需的时间。 以太网端到端的最大往返时延。
30
μs
争用期的概念
用信息量表示争用期的计算方法：
争用期={2×(信道长度(km)×信号传播时延(s/km))} ×数据传播速率(bit/s)
例：已知电磁波在电缆中的传播速率约为 2.3×105km/s，对于一个数据传输速率为 10Mbps，同轴电缆长度为1km的局域网，可计 算出同轴电缆信道中的争用期为： 2×(1km×5μs/1km) ×107bit/s=100bits。
IEEE 802标准之间的关系
802.1 局域网的体系结构与网络互联
数 据 链 路 层 802.3
CSMA/CD 物理层
802 .2 逻辑链路控制子层LLC
802 .4 Token Bus
802 .5
Token Ring
802 .6 城域网
802 .9 802 .11
语音与 无线
数据综合 局域网 局域网
粗缆
细缆
双绞线
光缆
命名规则：
base表示基带传输，曼彻斯特编码 base前数字表示传输率，单位Mbps base后数字表示每段电缆最大长度 “T”表示双绞线，“F”表示光纤
39
例如:
100BaseT
表示传输介质为双绞线 表示以基带方式传输 表示传输速率为100Mbps
40
几种传统以太网的连接方式
15
主要的IEEE 802标准
IEEE 802.3标准：定义Ethernet的CSMA/CD总线介质访 问控制子层与物理层标准。
IEEE 802.4标准: 定义令牌环网的介质访问控制子层 与物理层标准。
IEEE 802.5标准: 定义了令牌总线网的介质访问控制 子层与物理层标准。
IEEE 802.11标准：定义无线局域同访问控制子层与物 理层标准。
34
4.硬件地址
Ethernet物理地址长度为48位，每一块网 卡有一个固定不变的物理地址；
IEEE注册管理委员会为每个网卡生产商分 配Ethernet物理地址的前三字节，即公司 标识也称为机构惟一标识符；后面三字节由 网卡的厂商自行分配；
在网卡生产过程中，将该地址写入网卡的只 读存储器（EPROM）。
字节 目的地址 源地址 类型
IP数据报
46-1500
数据
IP层
FCS
MAC层
以太网MAC帧
图4-6 以太网V2的MAC帧格式
物理层
37
4.2.2 传统以太网的连接方法
问题：
传统以太网的连接方法？
38
4.2.2 传统以太网的连接方法
存在四个基本类型的传统以太网
以太网媒体接入控制MAC
10BASE5 10BASE2 10BASE－T 10BASE－F
因此，以太网规定最短有效帧长为64字节。凡长度小于 64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。
33
CSMA/CD协议工作的主要特征
先听后发 ——保证了信道不空闲时，绝对 不会有冲突发生
边听边发——保证一旦有冲突产生，各冲 突站点马上会终止发送
冲突停止——保证系统不会出现剧烈冲突 延迟重发——保证了系统的稳定
同轴电缆 光纤
无线电
50Ω，细：10M 粗：50M
抗干扰性好，环 形和点到点
灵活，广泛使用
8
3.媒体访问控制方法
定义：多个结点利用 公共传输媒体发送和 接收数据的方法，
解释：网络中的多个 结点如何共享通信媒 体
结论：所有“共享媒 体”类型局域网都必 须解决的问题
9
3.媒体访问控制方法
所以，媒体访问控制方法需要解决以下 三个问题：
23
3. CSMA/CD介质访问控制方法
传统以太网具有总线型的网络特点。 下图对总线式以太网的数据交换原理作了恰当说明。
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）
匹配电阻
A
B
C
D
不接收 发送 不接收 接收
E 不接收
B向D发送数据，只有D才接收
24
3. CSMA/CD介质访问控制方法
总线的特点是：通信方式采用广播通信。 因此，在同一时间只能允许一台计算机发送信
35
Ethernet物理地址的十六进制与二进制表示方法
十六进制地址格式 08–01–00–2A–10–C3
二进制地址格式
1100 0011 0001 0000 0010 1001 0000 0000 0000 0001 0000 1000
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5. 以太网帧的基本结构
帧（Frame）是以太网中数据传输的基本 单位，通常又称为以太网MAC帧 。
网卡
缓冲 存储器
MAC Address EPROM
Ethernet 控制器
AAUUII接接口口
通过外部收发器 接粗同轴电缆
10BASE-5
BNC接接口口
Ethernet 收发器
RRJJ--4455接接口口
接细同轴电缆 10BASE-2
接非屏蔽双绞线 10BASE-T
接计算机I/O 总线
图4-4 Ethernet网卡的结构
31
传统以太网争用期的确定
传统以太网争用期的基本时间长度定为51.2μs， 主要是基于如下因素： 端到端发送数据的介质传输时延； 可能引入转发器后增加的时延； 强化碰撞的持续时间。
32
以太网关于无效帧的规定
对于10Mb/s以太网，在争用期内任一发送站点可发送 512bit（64字节）。若前64字节没有冲突，后续发送的 数据就不会发生冲突。如果冲突，就一定在前64字节之 内。
以太网推出后，以其安装简单、易于扩充等优 点，获得了人们的高度评价。
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1. 以太网的两个标准
1981年，施乐公司与DEC以及Intel公司合作，联合提出了以太网的 规范。
1982年，修改为第二版规范，即DIX Ethernet V2，成为世界上第 一个局域网产品的规约（DIX是这三个公司名称第一个字母的缩写）。 该标准后来即成为IEEE802.3标准的基础。
第四章 局域网
本章解决的问题是：
局域网应解决的关键技术是什么？局域网常见 结构有何特点？
IEEE 802是什么，基本内容有哪些？ 如何解决传统以太网的共享传输线路的问题？ 传统以太网的连接方法？ 交换式局域网如何能有效的提高局域网用户的
传输速率？ 为什么需要虚拟局域网技术？高速局域网的发
展如何？ 无线局域网技术有哪些？ 为什么要使用结构化布线系统，其内容有哪些2？
4.1 局域网概述
问题： 局域网应解决的关键技术是什么？ 局域网常见结构有何特点？ IEEE 802是什么，基本内容有哪些？
3
4.1.1 局域网的特点
所谓LAN是指将小范围内的有限的通 信设备互连在一起的通信网。 特点： （1）短距离（几公里）； （2）高速率（已可达10Gbps以上）； （3）低误码率（10-8～10-11）。
DB-15 连接器
主机箱
网卡
BNC 连接器 收发器电缆
主机箱
网卡
RJ-45 连接器
主机箱
网卡 双绞线
粗缆
细缆
收发器
BNC T型接头
集线器
（a）粗缆以太网10BASE5
（b）粗缆以太网10BASE2
应该由哪个结点发送数据？ 在发送时会不会出现冲突？ 在出现冲突时如何解决？
10
3.媒体访问控制方法
目前,局域网采用的媒体访Baidu Nhomakorabea控制方法 有：
采用CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦 听多路访问）媒体访问控制方法的总线型 局域网；
采用Token Bus（令牌总线）媒体访问控 制访问的令牌总线型局域网；
4
4.1.2 局域网的关键技术
连接各种设备
关键技术
拓扑结构
数据
传输媒体 媒体控制方法
冲突问题的解决方法
5
1.拓扑结构
拓扑结构
星型 环型 总线型
6
1.拓扑结构
总线网
匹配电阻
干线耦合器
环形网
集线器
星形网
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2.传输介质
局域网可使用多种传输媒体。
双绞线
最便宜，10M10G的LAN
局域网中的 传输媒体
采用Token Ring（令牌环）媒体访问控 制方法的环型局域网。
11
问题： IEEE 802是什么，基本内容有
哪些？ IEEE802 标 准 研 究 重 点 是 局 域 网范围内的计算机联网问题。
12
4.1.3 局域网的体系结构
从LAN的定义可知，LAN本质上仅是一个通信网。 从通信网这一观点出发，由于OSI参考模型的下三层主要负责 通信工作，因而可以推断，LAN的层次结构应只体现在所给层次结 构的下三层。而由于局域网结构简单，所以最终决定局域网实现 下两层的功能。 另外，由于IEEE802委员会成立时，市场上有很多不同的局域 网产品，为了制定一个公用的模型，设计者提出了将数据链路层 划分为两个子层。 IEEE802委员会推荐的局域网参考模型（LAN/RM）如图4-2所 示。
28
t=0 A
1 km
t A 检测到发生碰撞
碰撞
t = 2 t= 0
A 检测到 A 信道空闲
发送数据 A
B 检测到发生碰撞
A
t = 2 A 检测到 发生碰撞
A STOP
A
B B 发送数据
t= t=
单程端到端
传播时延记为
B
B
B
t=/2 发生碰撞
B
B
29
争用期的概念
定义：对CSMA/CD协议而言，由于参与信道争 用的任一站点在发送数据帧后至多经过2τ时 间就可知道是否发生碰撞。因而将该时间称为 争用期（碰撞窗口）。
1983年制定了第一个IEEE的以太网标准IEEE 802.3，数据率为 10Mb/s。
以太网的两个标准DIX Ethernet V2与IEEE的802.3标准只有很小 的差别，因此很多人也常把802.3局域网简称为“以太网”。
虽然严格说，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局 域网，但是本书并没有严格区分它们。
IEEE 802.15标准：定义近距离个人无线网络访问控制 子层与物理层标准。
IEEE 802.16标准：定义宽带无线网络访问控制子层与 物理层标准。
IEEE802.1体系结构
IEEE802.3 IEEE802.4 CSMA/CD Token Ring
IEEE802.5 Token Bus
IEEE802.11 WLAN
IEEE802.15 近距离无线
个人网络
IEEE802.16 宽带无线 网络
图4-3 简化的IEEE 802协议结构
16
4.2 以太网概述 问题： 如何解决传统以太网的共享传输线
路的问题？
17
4.2.1 以太网的工作原理
以太网最初是美国施乐(Xerox)公司1975年研制 成 功 的 ， 当 时 的 数 据 率 仅 为 2.94Mbps 。 由 于 它 以无源的电缆作为总线来传送数据帧，故借用 了曾经在历史上表示传播电磁波的以太(Ether) 来命名。