计算机网络 之 局域网

计算机局域网的组成
局域网的定义
局域网有两种定义方式：功能性定义和技术性定义
功能性定义：一组计算机和他的其他设备在物理地址上彼此相隔不远，已允许用户共享比如打印机和存储设备之类的计算机资源的方式互联在一起的系统。这种定义适合于办公环境下的局域网。
技术性定义将局域网定义为由特定类型的传输媒体（如电缆光缆和无线媒体）和网络适配器（亦称为网卡）互联在一起的计算机，并受网络操作系统监控的网络系统。
局域网通常要比广域网（WAN）具有更高的传输速率
局域网的拓扑结构目前常用的是总线型和环形，星星不常用
局域网的结构类型
网络的拓扑结构对网络性能有很大的影响
局域网是通过将一组PC连接到指定为服务器上的机器来实现的，连接媒体可有多种
在目前的局域网中，磁盘服务器已经有文件服务器取代。文件服务器无论是在用户共享文件方面还是帮助用户跟踪他们的文件方面都优于磁盘服务器。
局域网的结构类型
网络的拓扑结构对网络性能有很大的影响。选择网络拓扑结构，首先要考虑的是采用何种媒体控制方法，因为特定的媒体控制方法一般仅适用于特定的网络拓扑结构，其次要考虑性能，可靠性，成本，扩充灵活性，实现的难易程度以及传输媒体的长度等因素。
局域网常用的拓扑结构有：总线+环形+星型
总线网一般参用分布式媒体控制方法。总线网络可靠性高，扩充性能好，通信电缆长度短，成本低，是用来实现局域网的最通用的拓扑结构，比如著名的以太网（原来使用总线结构，后逐渐采用星型结构）；另一种是总线拓扑网与令牌环（一组工作站连成的环状网络，为了解决环状网的使用权问题，在网络不断流动一个令牌，只有获得令牌的工作站可以给令牌环上发送信息）相结合的变形，间有了总线结构和令牌环的优点，总线网的缺点是主干网电缆某处发生故障，整个网络将瘫痪，另外，在网络上站点较多时，会因数据冲突增多而使效率降低。
环形网也采用分布式媒体控制方法。环形网络控制简单，信道利用率高，通信电缆长度短，不存在数据冲突问题，在局域网中应用较广泛，典型的实例由：IBM令牌环（Token Ring）网，和剑桥环（Cambrige Ring）网。另外还有一种FDDI结构（光纤分布式数据接口 Fiber Distributed Data Interface，FDDI，是美国国家标准学会制定的在光缆网络上发送数字和音频信号的一组协议）它是采用光纤作为传输媒体的高速通用令牌环网，常用于告诉局域网和城域网中，环形网的缺点是对节点接口和传输线的要求高，一点接口发生故障可能导致整个网络不能正常工作。
局域网的结构主要有三种类型：以太网（Ethernet）、令牌环（Token Ring）、令牌总线（Token Bus）（总线网与令牌相结合的局域网）以及作为这三种网的骨干光线分布数据接口（FDDI，Fiber Distributed Data Interface 光纤分布式数据接口）
即：局域网的主要结构：以太网（Ethernet），令牌环（Token Ring），令牌环网（Token Bus），光线分布式数据接口（FDDI）
（令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据以及作为这三种网的骨干。）
局域网的拓扑类型有两种类型：一是指互相连接的工作站的物理布局，另一个是网络的工作方式。前者是人们可以看到的连接结构，另一个为逻辑，操作结构，因而是不可见的，并称之为逻辑拓扑结构
局域网的网络拓扑结构广泛采用的主要有：总线型和环形。局域网使用的是星型结构主要是指用双绞线构成的网络。这种使用集线器（HUB）构成的星星网，实际上仍然是总线型网络。
局域网的工作模式
1）专用服务器结构
称为”工作站/文件服务器“结构，由若干台微机工作站与一台或多台文件服务器通过通信线路连接起来组成存取文件服务器系统，共享存储设备。
文件服务器自然以共享磁盘为主要目的，对于一般的数据传递来说已经够用了，但是当数据库系统和其它复杂而不断被增加的用户使用的应用系统到来的时候，服务器已经不能承担这样的任务了，因为随着用户的增多，为每个用户服务的程序也增多，每个程序都是独立运行的大文件，给用户感觉极慢，因此产生了客户机/服务器模式
2）客户机/服务器模式
一台或者几台较大的计算机集中进行共享数据库的管理和存取，成为服务器，而将其他的应用处理工作分散到网络中其他PC机上去做，构成分布式的处理系统，服务器控制管理数据的能力已有文件管理方式上升为数据库管理方式，因此，客户机/服务器模式的服务器也成为数据库服服务器，注重于数据定义以及存取安全后后备及还原，并发控制及事务管理，执行诸如选择检索和检索排序等数据库管理功能。他有足够的能力做到把通过其处理后的用户所需的那一部分数据而不是整个文件通过网络传到客户机上去，减轻了网络的传输负荷。客户机/服务器结构是数据库技术的发展和普及应用与局域网技术发展相结合。
3）对等式网络
在拓扑结构上与专用服务器结构与客户机/服务器模式相同。在对等式网络结构中，没有专用服务器，每一个工作站即可起到客户机器作用，也可起到服务器作用，每台计算机的地位是相同的。
计算机局域网标准介绍
IEEE 802参考模型
DSAP字段： Destination Service Access Point,
SSAP字段：Source Service Access Point
局域网是一个通信网，只涉及到相当于OSI/RM通信子网的功能。由于内部大多采用共享信道的技术，所以局域网通常不单独设立网络层。局域网的高层功能已有具体的局域网操作系统来实现。
IEEE 802标准的局域网参考模型与OSI/RM的对应关系如图：该模型包括OSI/RM最低两层（物理层和链路层）的功能，也包括网间互联的高层功能和管理功能。
从图中可见，OSI/RM的数据链路层的功能，在局域网参考模型中被分成媒体访问控制MAC（Media Access Control ）和逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）两个子层。局域网的种类繁多，其媒体介入控制的方法也各不相同（介质接入方法也不相同），远远不像局域网那样简单。为了是局域网中的数据链路层不至于过于复杂，将局域网的数据链路层划分为两个子层，即媒体（介质）接入控制或媒体访问控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层，而网络的服务访问点SAP则在LLC层与高层的交界面上。
LLC子层中规定了无确认无连接，有确认无连接，和面向连接三种类型的链路服务。有确认无连接服务是一种数据报服务，信息帧在LLC实体间交换时，无需在同等实体间事先建立逻辑链路，但是需要对LLC帧进行确认。除了LLC帧的确认外，其余的与无确认无连接服务相似；面向连接服务提供访问点之间的虚电路服务，在任何数据帧交换前，一对LLC实体之间必须建立逻辑链路，在数据传送过程中，信息帧依次发送，并提供差错恢复和流量控制功能。
MAC子层在支持LLC层完成媒体访问控制功能时，可以提供多个可供选择的媒体访问控制方式。MAC子层实现帧的寻址和识别。MAC到MAC的通信通过同等层协议来进行，MAC还产生帧检验序列和完成帧检验功能。
图中是LLC子层与MAC子层的区别示意图。可以看出，在LLC子层的上面看不到具体的网络，或者说，局域网对LLC子曾是透明的，只有MAC子层才看见所连接的是采用什么标准的局域网。
从局域网参考模型可以看出，局域网数据链路层应当有两种不同的数据单元：LLC PDU（Protocol Data Unit LLC协议数据单元）和MAC帧。高层的协议数据单元传到LLC层，加上适当的首部就构成了LLC子层的协议数据单元LLC PDU。LLC PDU再向下传导MAC层时，加上适当的首部和尾部，就构成了MAC子层的协议数据单元MAC帧。今后在提到帧时，就是指MAC帧，而不是LLC PDU。图中为LLC PDU和MAC帧的关系示意图。
高层数据（网络层及以上）+LLC首部===LLC PDU
LLC PDU+MAC首部+MAC尾部===MAC帧
逻辑链路控制子层
1）逻辑链路控制子层的功能
局域网的数据链路层中与媒体介入无关的部分都集中在逻辑链路控制子层LLC。主要功能：
1）建立和释放数据链路层的逻辑连接
2）提供与高层的接口
3）差错控制
4）给帧加上序号
2）LLC PDU的结构
LLC PDU的结构和HDLC帧非常像。由于他还要封装在MAC帧中，所以LLC PDU没有标志字段和帧校验序列字段。这样，LLC PDU共有4个字段，即目的服务访问点DSAP字段、源服务访问点SSAP（Source 源）字段，控制字段，数据字段。图中为LLC PDU前三个字段的具体结构：
DSAP：以I/G开头的地址字段，占据一个字节
SSAP：以C/R开头的地址字段，占据一个字节
控制字段：分为三种方式：信息PDU（I），监督PDU（S)，无编号PDU（U）
从图中可看出，地址字段共两个字节，目的服务访问点DSAP和源服务访问点SSAP都各占据一个字节。DSAP字段的第一个比特为I/G比特。I(Indicidual）代表单个，而G（Group）代表组，I/G==单个/组。当I/G比特为0时，他后面的7bit就代表一个单目的服务访问点。但当I/G比特为1时，则DSAP代表组地址。组地址归定数据要发往其一特定站的一组服务访问点，它只适合于不确认的无连接服务。全1的组地址为该站所有工作的DSAP。SSAP字段的第一个字节为C/R比特，当C/R比特为0时，LLC PDU为命令帧，否则为响应帧。在C/R比特后面的7bit用来表示源服务访问点。因此，DSAP值和SSAP值都各占7bit。
LLC PDU的控制字段为两个字节（当LLC PDU）为信息PDU或监督PDU时）或一个字节（当LLC PDU为无编号PDU时）。信息PDU和监督PDU的控制字段与HDLC的扩展的控制字段的格式相同，其序号按模128进行编号。无编号的PDU则与HDLC的无编号格式一样。
LLC PDU的数据字段长度并无限制。但都应是整数个字节。当MAC帧的长度受限时，由于MAC帧的首部和尾部的长度在不同的局域网中都有明确的规定，因此LLC PDU的长度实际上也并不是没有限制的。
媒体访问控制（MAC子层）
1）媒体访问控制子层的功能（MAC子层的功能）
1）将上层交下来的数据封装成帧进行发送和接收
2）实现和维护MAC协议
3）比特差错检测
4）寻址
2）MAC地址
MAC地址就是在媒体访问控制子层上使用的地址，也叫物理地址、硬件地址、或链路地址，由网络设备制造商生产时写在硬件内部。MAC地址与网络无关，也就是无论将带有这个地址的硬件（如网卡，集线器，路由器等）介入到网络的何处，都有相同的MAC地址，它由厂商写在网卡的BIOS端。MAC地址通常采用6个字节（48比特）。这个48比特都有其规定的意义。前24位室友声场网络设备的厂商向IEEE申请的厂商地址，称为地址块，后24位由厂商自行分配，这样的分配时的世界上任意拥有48位MAC地址的网络设备都有唯一的表示。
IEEE规定地址字段的第一个字节的最低位I/G比特，当I/G比特为0时，地址字段表示一个单各站的地址。当I/G比特为1时，表示组地址。因此，IEEE只分配地址字段的三个字接种的23个比特，当I/G分别为1和0时，一个地址块可以分别生成2^24个单个站地址和2^24各组地址。
以太网
Ethernet（以太网）是一种使用广泛，采用总线拓扑的网络技术。
以太网上的共享
以太网标准规定了所有的细节，包括计算机通过以太网传输数据的帧格式，使用的电平以及调制信号的方式。由于以太网使用总线拓扑，他要求多台计算机共享单一的介质，发送计算机传输调制过的载波，载波从发送计算机向电缆的两端传播。如图表明数据如何在以太网上传播：
如图，信号从发送计算机向共享电缆的两端传播。局域网技术中的共享并不是意味着多个帧可以同时传播，在帧的传输过程中发送计算机独占使用整个电缆
，其他计算机必须等待。在此计算机完成帧传输后，共享电缆才能为其它计算机使用。可以总结为：以太网是总线网络，多台计算机共享单一的传输介质；当一台计算机向另一台计算机传输数据帧时，其他有数据传输的计算机必须等待。
随机接入技术
以太网原理中最复杂的是协调传输的机制。以太网不使用中央控制起来通知每台计算机怎样按顺序使用共享电缆。相反，所有连接在以太网上的计算机都参与一种叫做载波监听多路访问的协调方案。这种方案使用电缆上的电子信号来确定状态，当没有计算机发送帧时，共享电缆中没有电子信号。然而在帧的传输过程中，发送计算机传输用于对位串进行编码的电子信号。为了确定电缆当前是否正在被使用，计算机可以进行检测载波。如果当前没有载波，计算机就能传输帧。如果当前存在载波，计算机必须等待其他计算机发送完成。从技术上讲，检测载波叫做载波侦听，并且这种利用信号的存在性来确定何时传输的方法叫做载波监听多路访问（Carrier Sense载波监听 Multiple Access多路访问，CSMA）。
1）ALOHA协议
ALOHA协议的目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题。
ALOHA协议分为纯ALOHA协议和分槽ALOHA两种
1）纯ALOHA协议
ALOHA协议的思想很简单，只要计算机有数据要发送，就任由其发送。当然，这样会产生冲突而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较，就可以知道真是否遭到破坏。同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏（及检测到冲突），那么他可以等待一段随机时间后重发该帧。
2）分槽ALOHA
1972年，Roberts发明了一种能把信道利用率提高一倍的信道分配策略：即分槽ALOHA协议。他的思想是用时钟来统一计算机的数据发送。方法是将时间分为离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，从而避免了用户发送数据的随机性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。在分槽ALOHA系统中，计算机并不是在用户按下回车键后立即发送数据，而是要等到下一个时间片开始发送。
（2）载波监听多路访问CSMA
载波监听多路访问CSMA技术，也称作先听后说LBT（listen Before Talk）。要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听，已确定是否有别的站点在传输数据。如果媒体空闲，该站点便可传输数据；否则，该站点将避让一段时间后再做尝试。这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法由非坚持、1–坚持、P–坚持三种。
1）非坚持算法
算法规则
1）如果媒体是空闲的，则可以立即发送。
2）如果媒体是忙的，则等待一个有概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤
采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。非坚持算法的缺点是：即使有几个站点都有数据要发送，发送与大家都在延迟等待的过程中，只是媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。
2）1–坚持算法
算法规则
1）如果媒体空闲，字可以立即发送
2）如果媒体是忙的，则继续监听，直到检测到媒体是空闲的，立即发送
3）如果有冲突（在一段时间内未受到肯定回复），则等待一个随计量时间，重复步骤1，2
这种算法的优点是：只要媒体空闲，站点就立即可发送，避免了媒体利用率的损失；其缺点是：假若有两个或者以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免
（3）P–坚持算法
算法规则
1）监听总线，如果媒体是空闲的，则以P的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的两倍。
2）延迟一个时间单位后再重复步骤1
3）如果媒体是忙的，继续监听直到媒体空闲并重复步骤1
P–坚持算法是一种技能想非坚持算法那样减少冲突，又能像1–坚持算法那样较少媒体空闲时间的这种方案（即，P–坚持算法是1–坚持算法和非坚持算法的折中）。问题在于如何选择P的值，者要考虑到避免重负载下系统处于的不稳定的状态。假如媒体是忙的，有N个站有数据等待发送，一旦当前的发送完成时，将要试图传输的站的总期望数是NP。如果选择的P过大，使NP>1，表明有多个站点试图发送，冲突就不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断加大，而使吞吐量降到到零。所以必须选择适当P值，使NP<1.当然如果P的值选得过小，则媒体利用率又会大大降低。
3）具有冲突监测的载波监听多路访问CSMA/CD
在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使总线上的两个站点没有间听到载波信号而发送帧时，仍可能会发生冲突。由于CSMA算法中没有冲突检测功能，即使冲突已经发生，仍然将以破坏的帧发送完，师宗县的利用率降低。
1-坚持和非坚持CSMA都是对ALOHA协议的改进，CSMA协议要求站点在发送数据之前先侦听信道。如果信道空闲，站点就可以发送数据；如果信道忙，站点的不能发送数据。可以对CSMA协议做进一步的改进，要求站点在发送数据过程中进行冲突检测，而一旦检测到冲突立即停止发送数据。这样的协议被称为带冲突监测的载波监听多路访问协议。即CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议。CSMA/CD协议的工作原理是：若站点想要发送数据，必须首先侦听信道。如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；如果信道忙，继续侦听信道，知道信道变为空闲，才继续发送素具并进行冲突检测。如果站点在发送数据过程中检测到冲突，他将立即停止发送数据，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其他各有关站点，这样，通道容量就不会因为白白传送已受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率。CSMA/CD协议已广泛应用于局域网中。
CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言，最坏的情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间传播时延的两倍。从一个站点开始发送数据到另一个站点接收数据，也就是载波信号从一段传输到另一端所需的时间，称为信号传播时延。信号传播时延（us）=两站点的距离（m）/信号传播速度（200m/us)。如图所示，假定A，B两个站点位于总线两端，两站点之间的最大传播时延为t。当A站点发送数据后，经过接近于最大传播时延t时，B站点也正好发送数据，此时冲突便发生。发生冲突后，B站点立即可检测到该冲突，而A站点需要在经过一份最大传输时延才能检测到冲突，也就是最坏情况下，对于基带CSMA/CD来说，检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间的最大传播时延的两倍。一般将2t成为冲突窗口
数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间和为数据传输时延；（区别于信号传播时延）；同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接受数据帧，到该数据帧接收完所需的时间。数据传输时延（区别于信号时延）==数据帧长度（bit）/数据传输速率（bps）。若不考虑中继器引入的延迟，数据帧从一个信号站点开始发送，到该数据帧被另一个站点全部接收所需的总时间，等于数据传输时延与信号传播时延之和。
由上述分析可知，为了确保发送数据站点在传输时能检测到可能存在的冲突，数据帧的传输时延至少要两倍于信号传播时延，换句话说，要求分组的长度不短于某个值，否则在检测冲突之前传输已经结束，但实际上分组已被冲突所破坏。
由于单项传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间的最大传播时延的四倍。所以，对于宽带CSMA/CD来说，要求数据帧的传输时延至少4倍于传播实验（传播时延指的是信号传播时延）

4）重发策略
在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后重新安排发送。有多种重发策略。目前常用的有以下几种：
1）随机策略：这是指工作站在发现冲突后，推迟一随机时间，在进行重发。由于推迟的时间是随机的，重发便有可能成功。这种简单的随机策略缺乏适应性，在重负载冲突时冲突的增加又会导致重发的增加，从而进一步增加了冲突的概率。
2）二进制指数退避算法BEB：即轻载时仅需较小的时延后便可重发，重载时则需经过较长的延迟后重发，以减轻传输线路上的负荷，也就是：BEB算法具有一定的适应性。该算法中重发的延迟时间是均匀分布在0~T(BEB)之间，这里T(BEB)=2^(i-1)*(2a)
其中，a是端到端的传输延迟，对于一公里的同轴电缆，a=5us；i表示重发次数。该式表明，重发延迟将随着重发次数的增加而指数规律迅速的增长。这样便可以适当的疏散重负荷时的重发。
BEB算法的主要问题是：当算法重发次数较多时，会造成重发时延太长。例如，在进行第14次重发时，其重发时延将比第一次的重发时延大10000倍，这是令人难以接受的。
3）截断式二进制指数退避算法：该算法是对前一算法的改进，它仍采用二进制指数退避策略，但当重发时延增大到一定大小时便停止后退，以后的多次重发延迟时间T(BEB）均采用这个时间。以太网规范中约定，前10次重发是按二进制指数策略退避，从第11次开始便保持T(BEB）值不变；相应的，规范中所规定的最大工作站数目为1024，在重发14次后若有发生第15次冲突时，便放弃本次重发。图中为CSMA/CD协议的控制流程。
有载波==时延，并探测重发次数，如果重发次数过多的话，就放弃本次发送
发送完信息后，还要进行冲突探测，如果探测到冲突，还应进行干扰，后停止发送
以太网的MAC帧格式
Ethernet发送的数据时按一定格式进行的，并将此数据格式称为MAC帧，如图。以太网MAC帧由8个字段组成，每一字段有一定的含义和用途。每个字段长度不相等。
下面分别加以描述
MAC帧==前导码（7字节）+帧首定界符（1字节）+终点地址（6字节）+源点地址（6字节）+长度提示符（2字节）+LLC数据（46~1500字节）+填充（不定）+帧检验序列（4字节）
处于MAC帧开始处的字段为前导码字段，由7个字节组成。其功能是使接收器建立比特同步（比特同步是指接收端时钟已经调整到和发送端时钟完全一样）。编码形式为多个1或者0交替构成的二进制序列，即101010……“，最后一比特为0。在这种编码形势下，经过曼彻斯特编码后为以周期性方波。
帧首定界符是MAC帧的第二个字段，其编码形式为101001序列，长度刚好为一个字节。该字段的功能是指示一帧的开始。
终点地址字段（DA）为第三个字段，长度为6个字节。该字段用来指出MAC帧要发往的工作站。
源点地址（SA）（Sourse Adress）处于终点字段之后，其长度也为6个字节。该字段功能是指示该帧的工作站地址。
地址字段包括两部分，处于前面的地址字段为终点地址，处于后面的为源点地址。IEEE802.3标准规定，源点地址字段中的第一个1比特恒为0，这种规定我们从终点地址的规定中便可获悉。终点地址字段有较多的规定，原因是一帧有可能发给某一工作站，也可能发送给一组工作站，还有可能发送给所有的工作站，我门将后两种情况分别称为组播和广播。终点地址字段的格式如图。当该字段第一比特为0时，表示帧要发送给某一工作站，即所谓的单站地址，当该字段的第一比特位1时，表示发送给一组工作站，即所谓的组地址。全1的组地址表示广播地址。
长度指示符字段为第5个字段，其长度为2个字节，用来指示紧随其后的LLC逻辑链路控制数据字节的长度，长度单位为字节数，802.3协议规定LLC数据字段长度最小为46个字节，最大长度为1500字节。由于帧头部应该包含6字节的终点地址字段（DA），6字节的源点地址（SA），2字节的长度只是字段、4字节的帧检验序列（FCS，Frame Check Sequence 帧检验序列）。前导码字段和帧首定界符字段不计入帧头长度中。所以，
以太网MAC真的最小长度为64字节（6+6+2+46+4=64），最大长度为（6+6+2+4+1500=1518字节）
LLC数据字段是MAC帧要传输的用户数据，该数据由LLC子层提供或者接收。LLC数据字段长度最小为46个字节，最大长度为1500字节。如果LLC数据字段长度小于46个字节，则用紧接的LLC之后的填充字段（PAD），对LLC数据段进行填充使之达到46字节，以保证真有足够长度，适应碰撞检测的需要。正常独处有最小要求外，最长也有限制，这是由于发送站和接收站的缓冲器总量有一定的限度，同时如果一个工作站发送帧太长，将妨碍其他站对媒体的使用。
帧校验序列（FCS）处于帧的最后，其长度为32比特，用于检验真在传输过程中有无差错。校验的范围是：目的地址+源地址+长度+LLC数据字段。帧校验字段采用32位的CRC校验，其生成多项式为：
G(x)=X^32+X^26+……
MAC子层功能
IEEE 802.3标准提供了MAC子层的功能说明，内容主要有数据封装和媒体访问管理两个方面。数据封装（发送和接收数据封装）包括成帧（帧定界和帧同步）、编址（源地址、目的地址的处理）和差错检测（物理媒体传输差错的检测）等；媒体访问管理包括媒体分配和竞争处理。
当LLC子层请求发送一个数据帧时，MAC子层的发送数据封装部分便按MAC子层数据帧格式组帧。首先将一个前导P和一个帧起始定界符SFD附加到帧的开始部分，填上目的地址和源地址，计算出LLC数据帧的字节数，填入数据长度计数字段LEN。必要时还要将填充字符PAD附加到LLC数据帧后，以确保传送帧的长度满足最短帧长的要求。最后求出CRC校验码附加到帧校验序列FCS中，便可递交MAC子层的发送媒体访问管理部分以供发送。
接受媒体访问管理部分的功能是，首先检测到达帧，使接收时钟与前导码同步，并接通载波监听信号。接受媒体访问管理部件要检测到达的帧是否错误，真长度是否常国最大长度，是否为8位的整数倍。还要过滤引冲突产生的碎片信号（即小于最短长度的帧）
接收数据解封部分的功能，用于检验帧的目的地址字段，以确定本站点是否应该接收该帧。如地址复合，将其送到LLC子层，并进行差错检验。
交换式以太网
在以太网中使用交换式集线器（Switching HUB或者HUB/Switching）明显提高网络的性能。
交换式集线器的主要特点是：所有端口平时都不接通。当工作站需要通信时，交换式集线器能同时连接许多对的端口，是每一对互相通信的工作站都能想独占通信媒体那样，进行无冲突的传输数据，通信完成就断开连接。
对于普通的共享式以太网，若有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽的N分之一。在使用交换式集线器时，虽然数据率还是10Mb/S，但是由于一个用户在通信的时候是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此，对于拥有N对端口的交换式集线器，总共容量就是N*10MB/S。这点正是交换式集线器的最大优点。从共享总线以太网或者10BASE-T以太网转换到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、网卡等都不需要任何改动。也就是说，所有介入的设备继续使用CSMA/CD协议。此外，只要增加集线器的容量，整个系统的容量是很容易扩充的。
我们应该注意到，对于传统的共享总线以太网，当计算机B向计算机A发送数据时，数据真实在整个总线广播，计算机C和D都能收到B的数据帧，只不过因目的地址不对，才将这些数据帧丢弃。在一个总线上，在一个特定时刻可能有一个站发送数据、
图b中将总线换成了共享集线器，整个情况和总线以太网类似。集线器总的容量仍为10Mb/s，而在任意时刻只能拥有一个站发送数据。
但是图5的情况就不同了，当计算机B向A发送数据时，计算机C还可以向D发送数据。每一台计算机独占10Mb/s的传输资源，因而交换是一台王总的容量为N*10MB/s，这里N是集线器用用的端口对数。
交换式集线器的交换方式有以下两种：
1）存储转发交换：采用这种方式时，集线器就像一个分组节点交换机。它从一个数据端口接收下一个帧，暂存后根据其目的地址转发到适当的输出端口。
2）直通交换：这种方式利用了目的地址处于MAC帧的最前面这一特点，这同交换不必将整个数据帧先缓存后再进行处理，而是再接收数据帧的同时就离间数据帧的目的地址决定该帧的转发端口，这就使得转发速度大大提高。由于在这种交换式集线器的内部采用了基于硬件的交叉矩阵，其交换时延仅为30us左右。对于多媒体应用，直通式交换是一种很好的方法。直通交换的一个缺点是他不检查CRC就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其它的站。在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时，现有的厂商已生产出能支持这两种交换方式（存储转发交换和直通交换）方式的交换式集线器。
交换式集线器的发展可以很方便的实现虚拟互联网（VLAN，Virtual Local Area Network 虚拟局域网），这里要指出，虚拟局域网其实只是给用户提供的一种服务，而不是一种新型局域网。
图中画出的是使用了四个交换式集线器的网络拓扑。设有十个工作站分布在三个楼层中，构成了三个局域网。
LAN1，LAN2，LAN3
但这10个用户划分成3个工作组，即A1~A4；B1~B3；C1~C3。从图中可以看出，每一个工作组的工作站都处在不同的局域网中，也不在同一楼层中。
但是，可以利用交换集线器将这10个工作站划分为3个虚拟局域网：VLAN1，VLAN2，VLAN3.在虚拟局域网上的每一个站都可以听到同一个虚拟局域网上的其他成员所发出的广播。例如：工作站B1~B3同属于虚拟局域网VLAN2.当B1向工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息，虽然他们没有和B1连在同一个集线器上。相反，B1发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息，虽然他们都与B1连接在同一个集线器上。交换式集线器不想虚拟局域网之外的工作站传送B1的广播信息。这样，虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数。使得网络不会因传播过多的广播信息（所谓的广播风暴）而引起性能的变化。在共享传输媒体的局域网中，网络总带宽的绝大部分都是广播帧消耗的。
由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便的重新组合，是用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。
目前使用虚拟局域网的最大问题是当网络要跨越三个以上的交换集线器时，就变得难以维护。此外不同生产的具有虚拟局域网功能的交换集线器之间还缺少互操作性。
交换机和集线器的区别
1）从OSI体系结构来看，集线器数据OSI的第一层物理层的设备。交换机属于OSI第二层数据链路层设备。
也就意味着集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用，对数据传输中的短帧、碎片等无法进行有效的处理，不能保证数据传输的完整性和正确性
交换机不但可以对数据的传输起到同步、放大、和整形的作用，而且还可以过滤短帧，碎片等。
2）从工作方式来看，集线器是一种广播模式，也就是说集线器的某个端口工作的时候，其他所有的端口都能正常的收到信息，容易产生广播风暴，当网络较大时网络性能会受到很大的影响，那么用什么方法去避免这种现象呢？交换机就能起到这种作用。当交换机工作的时候，只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口，因此交换机就能够隔离冲突域和有效的抑制广播风暴的产生。
3）从带宽来看，集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待，同时集线器只能工作在半双工模式下；而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，当两个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下，还可以工作在全双工模式下。
令牌总线网
以太网的（载波监听多路访问）CSMA/CD媒体访问控制采用总线争用的方式，具有结构简单，在轻负载下延迟小等优点，但随着负载的增加，冲突概率增加，性能明显下降。
令牌总线网的工作原理
令牌总线媒体访问控制是将局域网物理总线的站点构成一个逻辑环，每一个站点都在一个有序的序列中被指定一个逻辑位置，序列中最后一个站点的后面又跟着第一个站点。每个站点都知道在他之前的前驱站和在他之后的后继站标识，如图所示：
从图中可以看出，在物理结构上它是一个总线结构局域网，但是在逻辑结构上，又成了一种环形结构的局域网。站点只有取得令牌，才能发送帧，而令牌在逻辑环上依次（A->B->E->C->D->A）循环传递。
1）令牌的帧格式
为了控制网络上各站点对总线的访问，在网络上设置了一个令牌，任何工作站都尽在他持有令牌时才有权向总线上发送信息，而其余未获得令牌的站点，只能监听总线或者从总线上收信息。由于在总线网中只设置一个令牌，在任何时刻也只有一个工作站访问信道，而不会发生访问冲突。实际上，令牌本身是一种特殊的帧。其格式如图：