2024年4月19日发(作者：)

第四章 局域网（P135）

1、局域网的主要特点是什么为什么说局域网是一个通信网 答：局域网LAN是指在较小的地

理范围内，将有限的通信设备互联起来的计算机通信网络。

从功能的角度来看，局域网具有以下几个特点：①共享传输信道。在局域网中，多个系统连

接到一个共享的通信媒体上。②地理范围有限，用户个数有限。通常局域网仅为一个单位服

务，只在一个相对独立的局部范围内连网，如一座楼或集中的建筑群内。一般来说，局域网

的覆盖范围约为10m～10km内或更大一些。③传输速率高。局域网的数据传输速率一般为1～

100Mbps，能支持计算机之间的高速通信，所以时延较低。④误码率低。因近距离传输，所以

误码率很低，一般在10-8～10-11之间。⑤多采用分布式控制和广播式通信。在局域网中各站

是平等关系而不是主从关系，可以进行广播或组播。 从网络的体系结构和传输控制规程来看，

局域网也有自己的特点：①低层协议简单。在局域网中，由于距离短、时延小、成本低、传

输速率高、可靠性高，因此信道利用率已不是人们考虑的主要因素，所以低层协议较简单。

②不单独设立网络层。局域网的拓扑结构多采用总线型、环型和星型等共享信道，网内一般

不需要中间转接，流量控制和路由选择功能大为简化，通常在局域网不单独设立网络层。因

此，局域网的体系结构仅相当与OSI/RM的最低两层。③采用多种媒体访问控制技术。由于采

用共享广播信道，而信道又可用不同的传输媒体，所以局域网面对的问题是多源、多目的的

链路管理。由此引发出多种媒体访问控制技术。在OSI的体系结构中，一个通信子网只有最

低的三层。而局域网的体系结构也只有OSI的下三层，没有第四层以上的层次。所以说局域

网只是一种通信网。

3、一个7层楼，每层有一排共15间办公室。每个办公室的楼上设有一个插座，所有的插座在

一个垂直面上构成一个正方形栅格组成的网的结点。设任意两个插座之间都允许连上电缆（垂

直、水平、斜线……均可）。现要用电缆将它们连成（1）集线器在中央的星形网；（2）总线

式以太网。试计算每种情况下所需的电缆长度。

答：（1）假定从下往上把7层楼编号为1-7层。按楼层高4米计算。在星形网中，集线器放在4

层中间位置（第8间房）。电缆总程度等于：

7 15

4 Σ Σ √（i-4）2+（j-8）2=1832（m）

i=1 j=1

（2）对于总线式以太网（如10BASE2），每层需4×14=56（m）水平电缆，垂直电缆需4×6=24

（m），所以总长度等于

7×56+24=416（m）

（3）一种方案是采用螺旋结构，线缆经过（1,1）、（15,1）、（15,7）、（1,7）、（1,2）和（14,2）

等，总长度等于：56＋52+48+36+40+48+56+20+12+4+8+16+24+ =466m

图中有错，粗线右端应连接到第4层右起第4个站点

4、数据率为10Mbit/s的以太网的码元传输速率是多少波特

答：以太网使用曼彻斯特编码，这就意味着发送的每一位都有两个信号周期。标准以太网的

数据速率是10Mb/s，因此波特率是数据率的两倍，即20M波特。

5、 假定一个以太网上只有两个站，它们同时发送数据，产生了冲突。于是按二进制指数类

型退避算法进行重传。重传次数记为i，i=1,2,3,…。试计算第1次重传失败的概率、第2次

重传失败的概率、第3次重传失败的概率，以及一个站成功发送数据之前的平均重传次数I。

答：将第i次重传成功的概率记为Pi，显然

第一次重传失败的概率为，第2次重传失败的概率为，第3次重传失败的概率为。平均重传次

数I＝。

6、试说明10BASE5，10BASE2，10BASE-T，和10BROAD36和 FOMAU 所代表的意思。

答：10BASE5：“10”表示数据率为10Mbit/s，“BASE”表示电缆上的信号是基带信号， “5”

表示每一段电缆的最大长度是500m。

10BASE2：“10”表示数据率为10Mbit/s，“BASE”表示电缆上的信号是基

带信号， “2”表示每一段电缆的最大长度是185m。

10BASE-T：“10”表示数据率为10Mbit/s，“BASE”表示电缆上的信号是

基带信号， “T”表示使用双绞线作为传输媒体。

10BROAD36：“10”表示数据率为10Mbit/s，“BROAD”表示电缆上的信

号是宽带信号，“36”表示网络的最大跨度是3600m。

FOMAU : (Fiber Optic Medium Attachment Unit) 光纤媒介附属单元。

10和1代表网络数据传输速率分别为10Mbps和1Mbps，BASE和BROAD分别表示基带和频分多路

复用的宽带。5、2和36分别表示传输媒体线缆段最大长度分别为500米、185（约200）米和3600

米；T表示是采用双绞线；F表示光纤。10BASE5是50欧同轴粗缆；10BASE2是50欧同轴细缆；

10BASE-T为一种物理星状拓扑而逻辑上为总线结构的以太网；1BASE5指AT&T公司的StarLAN

的物理媒体规范，使用和10BASE-T一样的双绞线，可通过一种称为菊花链的机制进行扩展；

10BASE-F又分为适用于以星状拓扑连接站和转发器的无源系统10BASE-FP、点对点连接站或

转发器的光纤链路10BASE-FL、以及点对点主干光纤链路10BASE-FB；10BROAD36采用75欧的

CATV同轴电缆。FOMAU是采用光纤（Fiber Optic）的媒体接入单元MAU（Media Access Unit），

用以连接扩展以太网的转发器之间的光纤链路FOIRL（Fiber Optic Inter-Repeater Link）。

请自行解释100BASE-T、100BASE-X、100BASE-TX、100BASE-FX、100BASE-T4、1000BASE-SX、

1000BASE-LX、1000BASE-CX、1000BASE-T、10GBASE-SR、10GBASE-LR、10GBASE-ER、10GBASE-SW、

10GBASE-LW、10GBASE-EW、10GBASE-LX4的含义。

7、10Mbit/s以太网升级到100Mbit/s和1Gbit/s甚至10Gbit/s时，需要解决哪些技术问题在

帧的长度方面需要有什么改变为什么传输媒体应当有什么改变

答：以太网升级时，由于数据传输率提高了，帧的发送时间会按比例缩短，这样会影响冲突

的检测。所以需要减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，使参数a保持为较小的值，才能

有效地检测冲突。在帧的长度方面，几种以太网都采用标准规定的以太网最小最大帧长，使

不同速率的以太网之间可方便地通信。100bit/s的以太网采用保持最短帧长（64byte）不变

的方法，而将一个网段的最大电缆长度减小到100m，同时将帧间间隔时间由原来的μs，改

为μs。1Gbit/s以太网采用保持网段的最大长度为100m的方法，用“载波延伸”和“分组

突法”的办法使最短帧仍为64字节，同时将争用字节增大为512字节。传输媒体方面，10Mbit/s

以太网支持同轴电缆、双绞线和光纤，而100Mbit/s和1Gbit/s以太网支持双绞线和光纤，

10Gbit/s以太网只支持光纤。

欲保持10M，100M，1G的MAC协议兼容，要求最小帧长的发送时间大于最长的冲突检测时间，

因而千兆以太网采用载波扩充方法。而且为了避免由此带来的额外开销过大，当连续发送多

个短帧时采用帧突发技术。而100M以太网采用的则是保持帧长不变但将最大电缆长度减小到

100m。 其它技术改进： （1）采用专用的交换集线器，缩小冲突域 （2）发送、接收、冲突

检测传输线路独立，降低对媒体带宽要求 （3）为使用光纤、双绞线媒体，采用新的信号编

码技术。

8、有10个站连接到以太网上，试计算以下三种情况下每一个站所能得到带宽。

（1）10个站点连接到一个10Mbit/s以太网集线器；

（2）10站点连接到一个100Mbit/s以太网集线器；

（3）10个站点连接到一个10Mbit/s以太网交换机。

答：（1）10个站共享10Mbit/s；

（2）10个站共享100Mbit/s；

（3）每一个站独占10Mbit/s。

9、100个站分布在4km长的总线上，协议采用CSMA/CD。总线速率为5Mbit/s，帧平均长度为

1000bit。试估算每个站每秒种发送的平均帧数的最大值。传播时延为5μs/km。

答：a=τ/T0=τC/L=5μs/km×4km×5Mbit/s÷1000bit=

当站点数较大时，信道利用率最大值Smax接近=1/（1+）=

信道上每秒发送的帧的最大值= Smax×C/L=×5Mbit/s/1000bit=3462

每个站每秒种发送的平均帧数的最大值=3462/100=34

10、在以下条件下，分别重新计算上题，并解释所得结果。

（1）总线长度减小到1km。（2）总线速度加倍。（3）帧长变为10000bit。

答：设a与上题意义相同

（1） a1=a/4=，Smax1=

每个站每秒种发送的平均帧数的最大值=45

总线长度减小，端到端时延就减小，以时间为单位的信道长度与帧长的比也减小,信道给比特

填充得更满,信道利用率更高，所以每站每秒发送的帧更多。

（2） a2=2a=，Smax2=

每个站每秒种发送的平均帧数的最大值=53

总线速度加倍，以时间为单位的信道长度与帧长的比也加倍，信道利用率

减小（但仍比原来的1/2大），所以最终每站每秒发送的帧比原来多。

（3）a3=a/10=，Smax3=

每个站每秒种发送的平均帧数的最大值=

帧长加长10倍，信道利用率增加，每秒在信道上传输的比特增加（但没有10倍），所以最终每

站每秒发送的帧比原来少。

11、假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s。设信号在网络上的传播速率为

200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长。

答：对于1km电缆，单程端到端传播时延为：τ=1÷200000=5×10-6s=5μs，

端到端往返时延为： 2τ=10μs

为了能按照CSMA/CD工作，最小帧的发送时延不能小于10μs，以1Gb/s速率工作，10μs可

发送的比特数等于：10×10-6×1×109=10000bit=1250字节。

12、有一个使用集线器的以太网，每个站到集线器的距离为d，数据发送率为C，帧长为12500

字节，信号在线路上的传播速率为×108m/s。距离d为25m和2500m，发送速率为10Mbit/s或

10Gbit/s。这样就有4种不同的组合。试利用公式（5-9）分别计算4种不同情况下a的数值，

并进行简单讨论。

答：a=τ/T0=τC/L=d÷（×108）×C÷（12500×8）=4×10-14 d C

d=25m d=2500m

C=10Mbit/s C=10Gbit/s C=10Mbit/s C=10Gbit/s

a 10-5 10-2 10-3 1

a越小，信道利用率越大

1、 站点到集线器距离一定的情况下，数据发送率越高，信道利用率越低。

2、 数据发送率相同的情况下，站点到集线器的距离越短，信道利用率越高。

15、假定一个以太网上的通信量中的80%是在本局域网上进行的，而其余的20%的通信量是在

本局域网和因特网之间进行的。另一个以太网的情况则反过来。这两个以太网一个使用以太

网集线器，另一个使用以太网交换机。你认为以太网交换机应当用在哪一个网络上。

答：以太网交换机用在这样的网络，其20%通信量在本局域网而80%的通信量到因特网。

16、以太网使用的CSMA/CD协议是以争用方式接入到共享信道。这与传统的时分复用TDM相

比优缺点如何

答：CSMA/CD是一种动态的媒体随机接入共享信道方式，而传统的时分复用TDM是一种静态

的划分信道，所以对信道的利用，CSMA/CD是用户共享信道，更灵活，可提高信道的利用率，

不像TDM，为用户按时隙固定分配信道，即使当用户没有数据要传送时，信道在用户时隙也

是浪费的；也因为CSMA/CD是用户共享信道，所以当同时有用户需要使用信道时会发生碰撞，

就降低信道的利用率，而TDM中用户在分配的时隙中不会与别的用户发生冲突。对局域网来

说，连入信道的是相距较近的用户，因此通常信道带宽较宽，如果使用TDM方式，用户在自

己的时隙内没有数据发送的情况会更多，不利于信道的充分利用。

对计算机通信来说，突发式的数据更不利于使用TDM方式。

17、使用CSMA/CD协议时，若线路长度为100m，信号在线路上传播速率为2×108m/s。数据的

发送速率为1Gbit/s。试计算帧长度为512字节、1500字节和64000字节时的参数a的数值，并

进行简单讨论。

答：a=τ/T0=τC/L=100÷（2×108）×1×109/L=500/L，

信道最大利用率Smax =1/（1+），最大吞吐量Tmax=Smax×1Gbit/s

帧长512字节时，a=500/（512×8）=， Smax =，Tmax= Mbit/s

帧长1500字节时，a=500/（1500×8）=，Smax = ，Tmax= Mbit/s

帧长64000字节时,a=500/（64000×8）=,Smax =，Tmax= Mbit/s

可见，在端到端传播时延和数据发送率一定的情况下，帧长度越大，信道利用率越大，信道

的最大吞吐量月越大。

18、 以太网交换机有何特点用它怎样组成虚拟局域网

答：特点：以太网交换机实质就是一个多端口的的网桥，它工作在数据链路层上。每一个端

口都直接与一个主机或一个集线器相连，并且是全双工工作。它能同时连通多对端口，使每

一对通信能进行无碰撞地传输数据。在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的

带宽。

以太网交换机支持存储转发方式，而有些交换机还支持直通方式。但要应当注意的是：用以

太网交换机互连的网络只是隔离了网段（减少了冲突域），但同一台交换机的各个网段仍属于

同一个广播域。因此，在需要时，应采用具VLAN能力的交换机划分虚拟网，以减少广播域（协

议）。

19、网桥的工作原理和特点是什么网桥与转发器以及以太网交换机有何异同

答：网桥的每个端口与一个网段相连，网桥从端口接收网段上传送的各种帧。每当收到一个

帧时，就先暂存在其缓冲中。若此帧未出现差错，且欲发往的目的站MAC地址属于另一网段，

则通过查找站表，将收到的帧送往对应的端口转发出去。若该帧出现差错，则丢弃此帧。网

桥过滤了通信量，扩大了物理范围，提高了可靠性，可互连不同物理层、不同MAC子层和不

同速率的局域网。但同时也增加了时延，对用户太多和通信量太大的局域网不适合。

网桥与转发器不同，（1）网桥工作在数据链路层，而转发器工作在物理层；（2）网桥不像转

发器转发所有的帧，而是只转发未出现差错，且目的站属于另一网络的帧或广播帧；（3）转

发器转发一帧时不用检测传输媒体，而网桥在转发一帧前必须执行CSMA/CD算法；（4）网桥

和转发器都有扩展局域网的作用，但网桥还能提高局域网的效率并连接不同MAC子层和不同

速率局域网的作用。

以太网交换机通常有十几个端口，而网桥一般只有2-4个端口；它们都工作在数据链路层；网

桥的端口一般连接到局域网，而以太网的每个接口都直接与主机相连，交换机允许多对计算

机间能同时通信，而网桥允许每个网段上的计算机同时通信。所以实质上以太网交换机是一

个多端口的网桥，连到交换机上的每台计算机就像连到网桥的一个局域网段上。网桥采用存

储转发方式进行转发，而以太网交换机还可采用直通方式转发。以太网交换机采用了专用的

交换机构芯片，转发速度比网桥快。

21、 FDDI的主要特点有哪些和以太网相比，优缺点各有哪些 答：FDDI的主要特点有：①使

用基于IEEE 802．5令牌环标准的令牌传递MAC协议；②使用802．2LLC协议，因而与IEEE 802

局域网兼容；③利用多模光纤进行传输，并使用有容错能力的双环拓扑；④数据率为100Mb

／s，光信号码元传输速率为125MBaud；⑤1000个物理连接(若都是双连接站，则为500个站)；

⑥最大站间距离为2km(使用多模光纤)，环路长度为100km，即光纤总长度为200km；⑦具有动

态分配带宽的能力，故能同时提供同步和异步数据服务；⑧分组长度最大为4500字节。

和以太网相比，FDD I的优缺点与令牌类似。

23、现有5个站分别连接在三个局域网上，并且用两个网桥连接起来（下图）。每一个网桥的

两个端口号都标明在图上。在一开始，两个网桥中的转发表都是空的。以后有以下各站向其

他的站发送了数据帧，即H1发送给H5，H3发送给H2，H4发送给H3，H2发送给H1。试将有关

数据填入下表中。

答：

发送的帧 网桥1的转发表 网桥2的转发表 网桥1的处理的

(转发丢弃登记) 网桥2的处理的

(转发丢弃登记)

站地址 端口 站地址 端口

H1 →H5 MAC1 1 MAC1 1 转发，写入转发表 转发，写入转发表

H3→H2 MAC3 2 MAC3 1 转发，写入转发表 转发，写入转发表

H4→H3 MAC4 2 MAC4 2 写入转发表，丢弃不转发 转发，写入转发表

H2→H1 MAC2 1 写入转发表，丢弃不转发 接收不到这个帧

26、 标准的MAC协议中的SIFS、PIFS和DIFS的作用是什么

答 SIFS是一种最短的帧间间隔，用于PCF中对轮询的响应帧、CSMA/CA协议中预约信道的

RTS帧和CTS帧、目的站收到自己的数据帧后给发送站的确认帧等短帧的场合。PIFS是中等

的帧间间隔，用于PCF方式中轮询。DIFS是最长的帧间间隔，用于DCF方式中所有普通的通

信量。