根據計算機網絡的拓撲結構，可將網絡分爲總線型、樹型、星型、環型和網狀型五種類型。常見的局域網組網方式包括令牌環、光纖分佈數字接口和以太網等。
一、概述
在不同類型的網絡拓撲結構中，網絡設備的連接方式、傳輸介質的選擇、網絡的可靠性及可擴展性均存在差異。在組建網絡時，通常需要綜合網絡功能和性能需求、環境狀況和投入成本等因素，以確定所採用的網絡拓撲方案。
局域網中傳輸數據的基本單元爲“幀”，當採用不同的局域網通信協議時，其中具體的數據幀格式也會不同，目前常見的數據幀格式包括PPP幀和MAC幀。所有的局域網通信協議都需要解決幀定界、透明傳輸和差錯檢測這三個基本問題。
常見的局域網組網方式包括令牌環、光纖分佈數字接口（FDDI，Fiber Distributing Data Interface）和以太網等。
1．令牌環
令牌環網絡的拓撲結構爲環型拓撲，它使用同軸電纜作爲傳輸介質，抗干擾性強。在令牌環網絡中，使用一種被稱爲令牌的特殊數據幀進行訪問控制，令牌循環遍歷環路中的每臺主機，主機在接收到令牌後才能發送數據。這種網絡的結構固定，不便於網絡拓展和增加主機，且維護令牌需要付出額外代價，在令牌損壞後，整個網絡將不能正常工作。
2．光纖分佈數字接口
光纖分佈數字接口FDDI的網絡拓撲結構同樣爲環型拓撲，採用光纖作爲傳輸介質，有着較高的網絡帶寬。FDDI組網方式只支持採用光纜或5類電纜作爲傳輸介質，這種組網方式成本較高，多用於連接多個局域網的骨幹網。
3．以太網
以太網相對於前兩種方式具有結構簡單、成本低的特點，在實際應用中也更爲常見。以太網使用雙絞線作爲傳輸介質，最大覆蓋半徑可達數百米之內。隨着以太網技術的發展，其數據傳輸速率可達到從10Mbps到100Gbps不等。
二、PPP幀與MAC幀
數據鏈路層的常用信道有兩種，即點對點信道和廣播信道。
在點對點信道中，發送端僅發送數據給接收端，是一種一對一的通信方式。
在廣播信道中，發送端將數據發送給連接至信道的多個設備，由於信道被多個設備共享，數據碰撞概率高，故需要通過網絡協議來進行協調。
1．點對點信道
PPP（Point-to-Point Protocol）協議只提供無比特差錯的數據傳輸服務，是目前使用點對點信道的網絡中應用最廣泛的數據鏈路層協議。
終端用戶通過因特網服務提供商（ISP，Internet Service Provider）所提供的數據鏈路層協議，獲得相應的網絡訪問服務，中國電信和網通等ISP均採用PPP協議爲終端用戶提供通信服務。PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet）協議及PPPoA（Point-to-Point Protocol over ATM）協議是由PPP協議衍生而來的兩個協議， 目前家庭常用的ADSL寬帶上網方式就是採用了PPPoE協議技術。
PPP協議規定的數據幀格式如圖2-11所示，數據幀首部包含4個字段，尾部包含2個字段。首部的第一個字段和尾部的第二個字段均爲標誌字段，起到幀定界符的作用。標誌字段Flag被規定爲十六進制數0x7E，轉化成二進制數即爲01111110。在PPP幀的首部，標誌字段之後依次爲地址字段和控制字段，地址字段規定爲0xFF，控制字段規定爲0x03。首部最後一個字段長度爲2字節，爲協議字段，表示數據部分所對應的網絡層協議。若協議字段值爲0x0021，則表示數據部分爲IP數據報；若協議字段值爲0xC021，則表示數據部分爲鏈路控制協議LCP的數據。尾部第一個字段即幀校驗序列，用於檢測數據比特差錯。
圖2-11 PPP數據幀格式
爲保證數據的透明傳輸，PPP協議對異步和同步這兩種傳輸方式分別採用了字符填充法和比特填充法。使用異步傳輸時，PPP協議定義轉義字符爲0x7D，在RFC1662文檔中定義了相應的字符填充方法；在同步傳輸中，則採用“零”比特填充法實現透明傳輸。
2．廣播信道
數據鏈路層被拆分爲兩個子層：邏輯鏈路控制LLC子層和介質訪問控制MAC子層。MAC子層負責與接入到傳輸介質相關的所有工作，LLC子層的作用被逐漸淡化。
以太網MAC幀的格式具有兩種標準，一種是以太網V2標準（DIX Ethernet V2），另一種是IEEE 802.3標準，其中以太網V2標準的MAC幀應用最爲廣泛。
如圖2-12所示爲MAC幀的格式示意圖，前兩個長度爲6字節的字段分別代表目的地址和源地址，第三個字段長度爲2字節，用於表示上一層協議的類型。若第三個字段值爲0x0800，則表示上一層使用IP協議，數據部分爲IP數據報。數據部分的長度在46~1500字節。從圖2-12中可以看出，物理層所傳輸的數據比MAC幀多8個字節，前7個字節用於實現接收端與發送端時鐘頻率的同步，第8個字節爲幀開始定界符，標識MAC幀的開始。
圖2-12 MAC幀格式
這裏的MAC地址由IEEE802.3規定的擴展唯一標識EUI-48（EUI，Extended Unique Identifier）表示，它是一個由48位二進制表示的字符串，又稱爲物理地址、硬件地址。此地址由24位公司ID（也稱爲製造商ID）和24位擴展ID（也稱爲網卡ID）組成。公司ID被唯一指派給每個網絡適配器的製造商；擴展ID在裝配時被唯一指派給每個網絡適配器。兩者組合，即可生成全球唯一的48位的MAC地址。
三、CSMA/CD協議
CSMA/CD協議是以太網所採用的一種監聽避免“碰撞”的協議，該協議工作在OSI模型數據鏈路層的MAC子層，是一種“爭用”型的半雙工介質訪問控制協議，包含以下幾個要素。
1．多點接入
CSMA/CD協議的應用環境爲總線型網絡，網絡中的主機以多點接入的方式連接在總線上。
2．載波監聽
CSMA/CD協議要求發送端在發送數據前對總線進行監聽，若監聽到其他計算機在發送數據，則等待一段時間後，確認總線空閒時纔開始發送數據。
3．“碰撞”監聽
在數據發送過程中需保持對總線上信號的監聽，根據信號電平的變化幅度即可判斷是否發生了“碰撞”。一旦監聽到“碰撞”，就立即停止數據發送，等待一段時間後再次嘗試重發，直至發送成功。
四、虛擬局域網
虛擬局域網（VLAN，Virtual Local network）是一種將局域網設備從邏輯上劃分爲多個網段，從而實現虛擬工作組的交換技術。
在典型的局域網中，通常一個工作組屬於同一個網段，多個邏輯工作組之間通過網橋或者路由器交換數據，邏輯工作組受到節點所在物理位置的限制。
虛擬局域網使用交換機，以軟件的方式實現邏輯工作組的劃分與管理，不受物理位置的限制而組建的局域網。
如圖2-13所示爲一個虛擬局域網，一個VLAN可以包含一臺或多臺交換機，如圖中橢圓形區域所示，有3個VLAN。PC-1、PC-2、PC-3、PC-4在同一個VLAN中，但連接到不同的交換機。同時，一個VLAN中的所有主機也可以連接到同一臺交換機上，如PC-5與PC-6連接到Switch A。
圖2-13 虛擬局域網
不同虛擬局域網的組網方法，主要表現在對虛擬局域網成員的定義上，通常有四種：交換機端口號、MAC地址、網絡層地址和IP廣播組等方式。虛擬局域網不同劃分方法的優缺點如表2-8所示。
表2- 8虛擬局域網不同劃分方法的優缺點
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劃分方法 |
優點 |
缺點 |
|---|---|---|
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交換機端口 |
可簡單定義VLAN成員，將交換機端口定義爲相應的VLAN組 | 當用戶改變端口時，需要重新進行配置 |
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MAC地址 |
當用戶物理位置改變時，VLAN不用重新配置 | 當交換機初始化時，所有的用戶都必須進行配置 |
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網絡層地址 |
根據協議類型劃分，方便網絡管理 | 效率低，檢查每個數據包的網絡層地址需要消耗處理時間 |
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IP廣播組 |
靈活性好，且較易通過路由器進行擴展 | 不適合局域網，因其效率不高 |
五、高速以太網
高速以太網是指傳輸速率達到或超過100Mb/s的以太網，適用於較遠距離的傳輸。
1．快速以太網
快速以太網（Fast Ethernet）的傳輸速率比傳統10BASE-T以太網快10倍，數據傳輸速率達到100Mb/s。100BASE-T標準的快速以太網仍使用IEEE802.3的CSMA/CD（Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detection）協議，並採用星型拓撲結構。用戶只需更換一個適配器，再配上一個100Mb/s的集線器就可方便地由10BASE-T以太網直接升級到100Mb/s。目前的10Mb/s和100Mb/s以太網是使用無屏蔽雙絞線佈線的。
100BASE-T以太網有3種與傳輸介質相關的標準，如表2-9所示。
1）100BASE-TX：支持2對5類非屏蔽雙絞線（UTP）或2對1類屏蔽雙絞線（STP）。其中，一對雙絞線用於發送，而另一對雙絞線用於接收。因此，100BASE-TX工作在全雙工模式，每個節點均可以同時以100Mb/s的速率發送與接收數據。
2）100BASE-T4：支持4對3類或5類非屏蔽雙絞線。其中，3對雙絞線用於數據傳輸，每一對均以33.3 Mb/s的速率傳送數據；而另一對用作衝突檢測的接收信道。
3）100BASE-FX：支持兩芯的多模或單模光纖。其中，一根光纖用於數據發送，另一根光纖用於數據接收。100BASE-FX工作在全雙工模式，主要用作高速主幹網，從節點到集線器的距離可以達到2 km。
表2- 9不同傳輸介質的100BASE-T以太網技術指標
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以太網標準 |
100BASE-TX |
100BASE-T4 |
100BASE-FX |
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|---|---|---|---|---|
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傳輸介質 |
2對UTP-5 |
2對STP-1 |
4對UTP-3/5 |
2芯光纖 |
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信號技術 |
MLT-3 |
MLT-3 |
8B6T，NTZ |
4B5B，NRZI |
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數據速率 |
100Mb/s |
100Mb/s |
100Mb/s |
100Mb/s |
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最大段長 |
100m |
100m |
100m |
200m |
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網絡跨度 |
200m |
200m |
200m |
400m |
2．吉比特以太網
吉比特以太網的數據傳輸速率是快速以太網的10倍，可達到1Gb/s。吉比特以太網保留了傳統10BASE-T以太網的基本特徵，具有相同的幀格式和類似的組網方法。
吉比特以太網定義了基於雙絞線的物理層標準1000BASE-T和基於光纖通道的物理層標準1000BASE-X：
1）1000BASE-T，即IEEE 802.3ab，使用4對5類非屏蔽雙絞線，雙絞線長度可達100 m。
2）1000BASE-X，即IEEE 802.3z，有以下3種有關傳輸介質的標準：
（1）1000BASE-CX；
（2）1000BASE-LX；
（3）1000BASE-SX。
IEEE 802.3z標準的吉比特以太網具有以下特點：
1）支持全雙工和半雙工兩種工作方式；
2）在半雙工方式下采用CSMA/CD協議，而在全雙工方式下不採用該協議；
3）向後兼容10BASE-T和100BASE-T技術。
3．10吉比特以太網
10吉比特以太網又稱萬兆以太網，使用IEEE 802.3以太網介質訪問控制MAC協議。與傳統的以太網標準相比，10吉比特以太網具有以下特徵：
1）只支持雙工模式，不支持單工模式，而傳統的以太網標準均支持單工/雙工模式。
2）由於傳輸速率高，10吉比特以太網只能使用光纖作爲傳輸介質，而傳統的以太網標準均支持同軸電纜。
3）不支持CSMA/CD協議，因爲該協議只適用於速率較慢的單工以太網。
4）使用64B/66B和8B/10B兩種編碼方式，而傳統以太網只使用8B/10B的編碼方式。
5）具有支持局域網和廣域網的接口，且有效距離可達40 km，而傳統的以太網只支持局域網應用，有效傳輸距離不超過5 km。
100 Mb/s以太網、1 Gb/s以太網和10 Gb/s以太網均屬於共享介質方式的高速以太網。這裏，介紹一些其他類型的高速以太網。
1）光纖分佈式數據接口。光纖分佈式數據接口（FDDI，Fiber Distributed Data Interface）是一個使用光纖作爲傳輸介質的令牌環網，使用共享介質方式。其主要具有以下幾個特點：
（1）使用IEEE 802.5的單令牌環網MAC協議。
（2）兼容IEEE 802標準的局域網。
（3）數據傳輸速率爲100 Mb/s，聯網的節點數不超過1000，環路長度爲100 km。
（4）使用雙環結構，提高容錯能力。
（5）可以使用多模或單模光纖。
2）高性能並行接口。高性能並行接口（HIPPI，High-Performance Parallel Interface）是一個美國國家標準協會標準，主要用於連接外圍設備、處理器和巨型機等。
HIPPI標準具有以下特點：
（1）HIPPI提供點對點的接口，可以在兩個設備間建立連接。
（2）HIPPI工作在單工模式下，只能沿着一個方向傳輸數據，但是，兩條單工通道可以組成一條雙工通道。
由於光纖價格昂貴，HIPPI在設計之初，只能採用雙絞線作爲數據傳輸的媒介。
3）光纖通道。光纖通道（FC，Fibre Channel）是一種高速網絡互聯技術，主要用於連接計算機存儲設備。
光纖通道標準定義了三種不同的拓撲結構：點到點、仲裁環和交換網。
六、寬帶接入技術
1．xDSL 技術
xDSL技術是使用數字技術改造現有的模擬電話用戶線，可以承載寬帶業務。
前綴x表示在數字用戶線（DSL，Digital Subscriber Line）上實現的不同帶寬方案。
表2-10列出了xDSL的幾種類型。其中ADSL（Asymmetric DSL）表示非對稱數字用戶線，HDSL（High speed DSL）表示高速數字用戶線，SDSL（Single-line DSL）表示1對線的數字用戶線，VDSL（Very high speed DSL）表示甚高速數字用戶線。
表2- 10 xDSL類型
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xDSL |
對稱性 |
下行帶寬 |
上行帶寬 |
極限傳輸距離 |
|---|---|---|---|---|
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ADSL |
不對稱 |
1.5 Mb/s |
64 kb/s |
4.6~5.5 km |
|
HDSL（1對線） |
對稱 |
768 Kb/s |
768 kb/s |
2.7~3.6 km |
|
SDSL |
對稱 |
1.5 Mb/s |
1.5 Mb/s |
3 km |
|
VDSL |
不對稱 |
52 Mb/s |
1.6~2.3 Mb/s |
0.3 km |
|
DSL（ISDN） |
對稱 |
160 Kb/s |
160 Kb/s |
4.6~5.5 km |
ADSL有上行和下行之分，其不對稱的原因在於用戶下載的數據量要大於上傳的數據量。
如圖2-14所示，ADSL接入網包含數字用戶線接入複用器（DSLAM，DSL Access Multiplexer）、用戶線和用戶設施如ADSL調制解調器（ATU-R，ADSLTransceiver Unit Remote Terminal End）、電話機和PC等。
圖2-14 ADSL接入網的組成
ADSL的優勢在於可以利用現有電話網中的用戶線，而不需要重新佈線。
2．光纖同軸混合網
光纖同軸混合網（HFC，Hybrid Fiber Coax）是一種居民寬帶接入網，在原有有線電視網（CATV，Community Antenna TeleVision）的基礎上發展而來。HFC網不僅能夠傳輸電視信號，還能提供電話、數據等業務。
HFC網採用光纖作爲主幹線路，並使用模擬光纖技術，如圖2-15所示。頭端發射出的光信號經過模擬光纖到達光纖節點，光纖節點將接收到的光信號轉換爲電信號，電信號經由光纖節點下游的同軸電纜傳送到居民區。
圖2-15 HFC網的體系結構
HFC網具有以下特點：
1）HFC網以光纖作爲主幹線路。
2）HFC網採用節點體系結構。
3）HFC網具有更寬的頻譜，且具有雙向傳輸能力。
4）用戶接口盒。每個家庭都需要安裝一個用戶接口盒（UIB，User Interface Box）。
3．FTTx 技術
光纖通信是利用光波作爲載波，以光纖作爲傳輸媒體，將信息從源節點傳送至目的節點的一種通信方式。
光纖通信具有容量大、傳輸距離遠、抗干擾能力強、性能穩定和保密性能好等優點，已在各種不同的骨幹網中得到了廣泛應用。
FTTx中x代表不同的技術。
1）光纖到戶（FTTH，Fiber To The Home）是家庭接入的解決方案，即將光纖一直鋪設到用戶家庭內。
2）光纖到大樓（FTTB，Fiber To The Building）方案能解決一幢大樓有多個用戶連接寬帶的情況。
3）光纖到路邊（FTTC，Fiber To The Curb）是指將光纖鋪設到離家庭或辦公室1km以內的路邊，從路邊到單個用戶，可以採用雙絞線或同軸電纜，以星型結構連接。FTTC代替了普通舊式電話服務，只需通過一條線就可以完成電話、有線電視、多媒體和其他通信業務。
FTTx還提供其他寬帶接入方案，如光纖到節點或鄰區（FTTN，Fiber To The Node/Neighborhood）、光纖到交換機（FTTE，Fiber To The Exchange）、光纖到小區（FTTZ，Fiber To The Zone）和光纖到辦公室（FTTO，Fiber To The Office）等。
IEEE 802
IEEE 802也指IEEE標準中關於局域網和城域網的一系列標準。更確切的說，IEEE 802標準僅限定在傳輸可變大小的網絡。
系列標準
IEEE 802系列標準是IEEE 802 LAN/MAN 標準委員會制定的局域網、城域網技術標準。其中最廣泛使用的有以太網、令牌環、無線局域網等。這一系列標準中的每一個子標準都由委員會中的一個專門工作組負責。
IEEE 802委員會成立於1980年2月，它的任務是制定局域網和城域網標準。IEEE 802中定義的服務和協議限定在OSI模型[OSI網絡參考模型]的最低兩層（即物理層和數據鏈路層）。事實上，IEEE 802將OSI的數據鏈路層分爲兩個子層，分別是邏輯鏈路控制(Logical Link Control, LLC)和介質訪問控制(Media Access Control, MAC)，如下所示：
· 數據鏈路層
· 邏輯鏈路控制子層
· 介質訪問控制子層
· 物理層
IEEE 802系列標準是IEEE 802 LAN/MAN 標準委員會制定的局域網、城域網技術標準。其中最廣泛使用的有以太網、令牌環、無線局域網等。這一系列標準中的每一個子標準都由委員會中的一個專門工作組負責。
802委員會前有20多個分委員會。
IEEE 802現有標準
IEEE 802.1 ：局域網體系結構、尋址、網絡互聯和網絡
IEEE 802.1A：概述和系統結構
IEEE 802.1B：網絡管理和網絡互連
IEEE 802.3 ：以太網介質訪問控制協議 （CSMA/CD）及物理層技術規範 [1] 。
IEEE 802.4 ：令牌總線網（Token-Bus）的介質訪問控制協議及物理層技術規範。
IEEE 802.5 ：令牌環網（Token-Ring)的介質訪問控制協議及物理層技術規範。
IEEE 802.6 ：城域網介質訪問控制協議DQDB （Distributed Queue Dual Bus 分佈式隊列雙總線）及物理層技術規範。
IEEE 802.7 ：寬帶技術諮詢組，提供有關寬帶聯網的技術諮詢。
IEEE 802.8 ：光纖技術諮詢組，提供有關光纖聯網的技術諮詢。
IEEE 802.9 ：綜合聲音數據的局域網（IVD LAN）介質訪問控制協議及物理層技術規範。
IEEE 802.10：網絡安全技術諮詢組，定義了網絡互操作的認證和加密方法。
IEEE 802.11：無線局域網（WLAN）的介質訪問控制協議及物理層技術規範。
IEEE 802.11，1997年，原始標準（2Mbit/s，播在2.4GHz）。
IEEE 802.11a，1999年，物理層補充（54Mbit/s，播在5GHz）。
IEEE 802.11b，1999年，物理層補充（11Mbit/s播在2.4GHz）。
IEEE 802.11c，符合802.1D的媒體接入控制層橋接（MAC Layer Bridging）。
IEEE 802.11d，根據各國無線電規定做的調整。
IEEE 802.11e，對服務等級（Quality of Service, QoS）的支持。
IEEE 802.11f，基站的互連性（IAPP，Inter-Access Point Protocol），2006年2月被IEEE批准撤銷。
IEEE 802.11g，2003年，物理層補充（54Mbit/s，播在2.4GHz）。
IEEE 802.11h，2004年，無線覆蓋半徑的調整，室內（indoor）和室外（outdoor）信道（5GHz頻段）。
IEEE 802.11i，2004年，無線網絡的安全方面的補充。.
IEEE 802.11j，2004年，根據日本規定做的升級。
IEEE 802.11l，預留及準備不使用。
IEEE 802.11m，維護標準；互斥及極限。
IEEE 802.11n，更高傳輸速率的改善，基礎速率提升到72.2Mbit/s，可以使用雙倍帶寬40MHz，此時速率提升到150Mbit/s。支持多輸入多輸出技術（Multi-Input Multi-Output，MIMO）。
IEEE 802.11k，該協議規範規定了無線局域網絡頻譜測量規範。該規範的制訂體現了無線局域網絡對頻譜資源智能化使用的需求。
IEEE 802.11p，這個通信協定主要用在車用電子的無線通信上。它設置上是從IEEE 802.11來擴充延伸，來符合智能型運輸系統（Intelligent Transportation Systems，ITS）的相關應用。
IEEE 802.11ac，802.11n的潛在繼承者,更高傳輸速率的改善，當使用多基站時將無線速率提高到至少1Gbps，將單信道速率提高到至少500Mbps。使用更高的無線帶寬(80MHz-160MHz)(802.11n只有40MHz),更多的MIMO流(最多8條流),更好的調製方式(QAM256)。目前是草案標準(draft)，預計正式標準於2012年晚些時間推出。Quantenna公司在2011年11月15日推出了世界上第一隻採用802.11ac的無線路由器。Broadcom公司於2012年1月5日也發佈了它的第一支支持802.11ac的芯片。
IEEE 802.11ae-2012
IEEE 802.12 ： [1] [2-3] 需求優先的介質訪問控制協議（100VG AnyLAN）。
IEEE 802.13 ：(未使用 )【不吉利的數字，沒有人願意使用它---查自《計算機網絡-Andrew S. Tanebaum》 Page 63 - 1.6.2 國際標準領域中最有影響的組織】
IEEE 802.14：採用線纜調制解調器(Cable Modem)的交互式電視介質訪問控制協議及網絡層技術規範。
IEEE 802.15：採用藍牙技術的無線個人網（Wireless Personal Area Networks，WPAN）技術規範。
IEEE 802.15.1：無線個人網絡。
IEEE 802.15.4：低速無線個人網絡
IEEE 802.16：寬帶無線連接工作組，開發2~66GHz的無線接入系統空中接口。
IEEE 802.17：彈性分組環 （Resilient Packet Ring，RPR）工作組，制定了單性分組環網訪問控制協議及有關標準。
IEEE 802.18：寬帶無線局域網技術諮詢組（Radio Regulatory）。
IEEE 802.19：多重虛擬局域網共存（Coexistence）技術諮詢組。
IEEE 802.20：移動寬帶無線接入（ Mobile Broadband Wireless Access ，MBWA）工作組，制定寬帶無線接入網的解決 。
IEEE 802.21：媒介獨立換手（Media Independent Handover）。
IEEE 802.22： [4] 無線區域網（Wireless Regional Area Network）
IEEE 802.23：緊急服務工作組 （Emergency Service Work Group）