的智能终端的数量快速增长人們对移动互联网的应用需求也日益增长。当人们面对几十兆带宽甚至是上百兆带宽时必定存在带宽的过剩问题，即人们不需要在任何时刻都需要这么大的带宽因而可以将过剩的用户带宽分配给更多的用户。

本文正是基于3G/4G 不断增长的接入带宽以及WiFi技术的各项优点提出了┅种共享3G/4G 网络带宽的无线路由器设计方案。该方案首先利用Linux系统构建一个基于WiFi技术的无线局域网，智能终端等用户可以利用自带的WiFi功能接入该无线局域网然后再将该无线局域网桥接至3G/4G网络中，从而实现各个智能终端设备对3G/4G网络带宽的共享

本路由器的设计是基于三个模塊来实现的，分别为3G模块、WiFi模块和Linux硬件平台如图1所示。3G模块的功能是利用运营商的无线数据卡进行PPP拨号使得路由器能通过运营商网络連接至互联网。WiFi模块的功能是使得无线网卡工作在AP(Access Point)模式并配置动态主机配置协议的脚本文件，来建立一个2.4 GHz的WiFi无线局域网Linux硬件平台模块嘚功能主要有两个方面，一方面要支持无线网卡和无线数据卡的驱动另一方面要通过嵌入式Linux系统中的iptables数据包过滤系统将无线局域网和3G/4G网絡连通。智能终端等设备通过WiFi信道接人到该路由器所提供的无线局域网中分配到一个IP地址之后，则通过该无线局域网 的网关进行数据包嘚接收和发送而该网关则通过3G/4G模块上的网络拨号接口来接收和发送数据包至3G/4G 网络，从而实现了该路由器的设计方案

图1 3G/4G路由器设计方案圖

根据3G/4G路由器设计方案，其硬件结构的三大模块分别采用深圳天谟公司生产的Devkit8500D评估板、华为公司的E392型无线上网卡和TP-Link公司的TL-WN821N型无线网卡

Devkit8500D评估板的基本结构如图2所示。该硬件平台采用的是TI公司的DM3730微处理器

E392型无线上网卡采用高通公司的MDM9x00多模芯片组，同时支持TD-SCDMA/WCDMA 的3G 网络标准和LTE-TDD/FDD 的4G 网絡标准目前，利用3G网络中已经部署升级的HSPA+技术下行峰值速率可以达到21 Mbps，上行峰值速率可以达到5.76 Mbps;部分地区采用64QAM 调制技术和MIMO技术对HsPA+进行再佽升级下行峰值速率可以达到42 Mbps左右;而即将部署的4G网络，下行峰值速率可以达到i00 Mbps上行峰值速率可以达到50 Mbps。

TL-WN821N 型无线网卡是基于Realtek公司的RTL8192cu芯片設计的采用MIMO技术和空频道检测技术，支持802.11n/b/g性能稳定且能够提供最大300 Mbps的无线传输速率，完全满足智能终端等设备的带宽需求

3G/4G路由器是指利用WiFi的2.4GHz频段，组建一个无线局域网并配置无线局域网的基本信息，通过Linux系统的iptables将无线局域网接人到3G/4G网络中其关键技术具体分为3G/4G 网络嘚接入、无线局域网的组建以及iptables的连通三个部分。

该无线路由器利用E392型多模无线上网卡在嵌入式Linux系统中进行PPP拨号分别接入到TD-SCDMA， WCDMA以及TD-LTE实验網中其具体实现流程如图3所示。

图3 3G/4G网络接入流程图

3.1.1 多模无线上网卡驱动加载

当一个新的USB设备接入到Linux主机中主机首先会通过控制端点读叺此设备的配置，接口和端点等信息利用控制管道完成控制型传输，然后主机再对该设备进行枚举枚举即读取该 设备的许多重要信息，其中最重要的是读取该设备的生产商识别码(VID)以及产品识别码(PID)将这两个识别码分 别与USB内核中意存在的各个识别码进行匹配。若匹配成功即的利用Linux系统的USB内核成功实现了 该设备的USB驱动的加载。

本设计方案中采用的嵌入式Linux系统的内核版本号为2.6.32该内核中与 USB设备的VID和PID号相关的源码存在kernel/drivers/usb/serial/option.c中，修改该文件并添加本 终端设计方案中所采用的华为E392无线上网卡的VID和PID过程如下：

在3.1.1节中实现的是USB设备的加载，即Linux系统识别出無线上网卡为USB设备并能与之通信而一般 USB无线上网卡设备都具有两个USB子设备模式，即usb-storage子设备模式和modern子设备模式此时 Linux系统默认会将该设备識别为usb-storage子设备模式，需要通过USB设备的模式转换工具usb- modeswitch将USB设备的工作模式转换为modem模式这样才能使得无线上网卡能够正常工作。

首先需要将usb- modeswitch工具移植至开发板移植过程如下：

usb_modeswitch.conf对无线上网卡进行USB设备的模式转换，转换成功后无线上网卡即工作在调制解调器模式下同时可通过命囹ls/dev可以查看到Linux系统生成4个虚拟USB转串口设备，即ttyUSB0ttyUSB1，ttyUSB2和ttyUSB3可以通过这几个串口进行PPP拨号，使得3G/4G路由器可以接至TD-SCDMA、WCDMA以及TD-LTE实验网中

3.2 无线局域网嘚组建

该无线路由器利用无线网卡在嵌入式Linux系统中组建一个小型的无线局域网，一方面提供给智能终端等设备接入另一方面将无线局域網接入至3G/4G 网络。其基本流程如图4所示

图4 无线局域网组建流程图

3.2.1 无线网卡驱动加载

TL-WN821N 型无线网卡采用的WLAN芯片组为Realtek公司的提供的RTI 8192cu芯片，Realtek公司提供了基于Linux系统的该芯片组驱动源码根据 编译环境及Linux内核对驱动源码进行编译，即可生成该无线USB网卡的驱动具体步骤如下：

② 进入到驱動源码包中，修改Makefile文件指定编译环境及Linux内核：

然后加载该驱动，再通过命令ifconfig wlan0 up将无线网卡的网口wlan0挂载至Linux系统中，可通过ifconfig命令查看该网口嘚基本配置信息

将无线网卡驱动加载成功之后，该无线网卡的默认工作模式为工作站模式即作为客户端搜索周围的无线接人点，以接囚到其他的无线局域网中而3G/4G路由器需要利用无线网卡的模式转换工具hostapd将该网卡的工作模式由工作站模式切换为AP模式，也称接入点模式並利用该模式建立一个无线局域网。hostapd在Linux系统中的移植过程如下：

② 进入主目录修改Makefile，指定交叉编译器：

生成hostapd、hostapd_cli将这两个二进制文件和rtl_hostapd.conf複制到嵌入式Linux系统中。在rtl_hostapd.conf配置文件中可以设置该无线网卡的服务集标识(SSID)、支持的802.11协议版本、工作频率、无线信道以及加密的方式等一系列该无线局域网的配置信息。通过执行命令hostapd

在无线网卡的AP模式切换完成之后需要通过DH-CP协议配置该无线局域网的动态地址池及其网关，该無线局域网会根据DHCP协议从配置的地址池中自动给接入到该无线局域网的智能终端等设备分配一个IP地址。其DHCP协议的配置文件dhcp.conf具体如下：

然後在Linux系统中执行udhcp-fS dhcp.conf启动DHCP协议。之后该无线网卡会建立一个无线局域网并给接入到此无线局域网中的智能终端等设备自动分配一个IP地址。

茬实现3G/4G 网络的接人和无线局域网的组建之后该路由器采用Linux系统中的IP信息报过滤系统，即iptables将3G/4G网络和组建好的无线局域网连通。iptables系统需要Linux系统内核中的网络数据包过滤框架的支持需要重新配置内核，选中内核中Networking Support → Networking options → Network

② 进入主目录配置编译选项：

将生成的iptahles二进制执行文件複制到Linux系统中，并编写iptables系统的运行脚本文件net-share该运行脚本文件配置了IP数据包的流向、进入网络的接口等一系列规则，该路由器进入3G/4G 网络的接口为无线上网卡进行拨号后产生的pppO网络接口其内容如下：

在Linux系统中执行脚本文件./net-share，即完成了无线局域网至3G/4G网络的连通从而实现了3G/4G路甴器的设计。

在嵌人式Linux系统中完成了3G/4G路由器的设计功能之后利用智能终端等设备对该无线路由器进行功能测试。该路由器的工作环境如圖5所示分别使用该无线路由器上的无线上网卡接人到TD-SCDMA、WCDMA和TD-LTE实验网中，然后再使用智能终端等设备自带的WiFi功能接人到该路由器所组建的无線局域网中经实际测试，在TD-SCDMA网中单个智能终端设备的最高下行速率可以达到2.45 Mbps;在WCDMA网中，单个智能终端设备的最高下行速率可以达到7.02 Mbps;而在TD-LTE實验网中单个智能终端设备的最高下行速率可以达到85.97 Mbps。

本文基于嵌入式Linux系统设计并实现了3G/4G路由器经实际测试，该路由器工作稳定系統可靠性高，可以实现对3G/4G网络带宽的共享而且随着3G/4G技术的不断发展，所提供的带宽也会越来越大因此该路由器必将有着广阔的应用市場。

　　局域网体系结构与标准
　　1.1.1局域网的普及
　　一个微机系统应用于学校、办公楼、工厂、企业等场合这些系统互连起来，实现系统之间交换数据和共享昂贵的的资源
　　（1）主要包括与其它用户交换报文、共同访问公共文件和数据资源；
　　（2）实现硬件资源的共享，例如共享大容量存储器和高性能激光打印机等
　　1.1.2局域网的定义
　　在一个小区范围内，将分散的微机系统互连起来实现资源的共享合同型，便构成了局域网
　　（LAN）几点说明：
　　（1）局域网终端设备：又称为数据通信设备。主要包括：微机、服务器、终端、外围设备、传感器（如温度、湿喥、安全报警传感器等）数字电话、数字电视发送和接收机以及传真机等。
　　当然不是所有的LAN都能配置上述设备
　　（2）局域网的哋理覆盖一般可达几十公里范围；
　　1.1.3局域网的技术要素
　　媒体访问控制MAC
　　逻辑链路控制LAC
　　1.2局域网体系结构与标准
　　1.2.1局域网参考模型
　　LAN参考模型是以IEEE802（国际电工电子工程师协会）标准的工作文件为基础，并且采用参考模型来分析这一问题
　　1.局域网存在的四个特征
　　（1）它用带地址的帧来传送数据；
　　（2）不存在中间交换，所以不要求路由选择
　　（3）数据传输各层的对应内容：
　　第┅层：物理层，比特传输；
　　第二层：数据连路层组成帧，并进行一定的控制主要包括：寻址、排序、流量控制、差错控制等。
　　第三层：网络层完成路由选择。
　　（4）层二和层三的区别
　　层二是通过单个链路完成其功能层三是通过数个链路完成的。
　　3.局域网数据的传递（二层和三层）
　　（1）最上层接收来自所连接的站的发送信息；
　　（2）通过服务访问点（SAP）向下层交换信息SAP是相鄰层的逻辑接口；
　　（3）发送时将数据组装带有地址的差错检测字段的帧；
　　（4）接收时拆卸帧，完成地址识别和差错检测；
　　（5）管理链路上的通信
　　4.物理层的主要功能
　　（1）信号的编码和译码；
　　（2）前导码的生成和除去（前导码用于帧同步）；
　　（3）比特的发送和接收。
　　1.2.2局域网媒体访问控制
　　所有局域网均由共享该网络传输能力的多个设备组成需要有某些方法控制对传输媒體的访问，
　　以便两个特定的设备在需要时可以交换数据
　　2.体访问技术中的“方法”
　　“方法”分为两种，指控制是在集中方式丅还是在分布方式下来实现
　　某个控制器被指定拥有访问网络的控制权，此时希望发送的某个站必须等待，直到他收到该控制器的准许该站才允许发送。
　　由各个站集体地完成媒体访问控制功能动态地确定站的发送顺序。
　　（3）集中方式方案的优点和缺点：
　　优点a.可提供诸如优先权、保证带宽具有较大的控制访问能力。
　　b.允许每个站有尽可能简单的逻辑；
　　c.避免了协调问题
　　缺點：a.会出现影响全网的单点故障；
　　b.会发生瓶颈作用，时效率降低
　　分布方式方案的优点和缺点：正好与集中式相反。
　　3.访问控淛技术的分类
　　主要按同步和异步进行划分
　　每个连接均被分配一个专用规定的传输容量。这种方式在局域网中不是最佳的因为烸个站发送数据是随机的。
　　根据各站的发送情况分配传输容量异步技术可进一步划分为：循环、预约、竞争三种情况。
　　1.异步技術三种方法
　　给每个站轮流发送的机会在此机会里，某站可以谢绝发送或发送一定限度的信息。此限度为每个站每次发送的最大数據量或最大时间量来表示
　　对于平稳流式的业务，预约技术是相当合适的即将媒体（介质）上的时间划分为许多时隙，当某站需要發送信息时提前预约时隙。
　　对于突发式业务竞争技术通常是合适的，各个站采取简单的竞争方式进行竞争发送数据常用的方式為循环和竞争方式。
　　1.2.3局域网数据链路控制LLC
　　1.LAN的LLC与传统链路层的区别：
　　（1）它必须支持链路的多路访问特性；
　　（2）它可利用MAC孓层来实现链路访问中的某些功能；
　　（3）它必须提供某些属于三层的功能
　　2.LLC的主要功能：
　　（1）端到端的差错控制功能；
　　（2）端到端的流量控制功能；
　　（3）完成无连接服务功能；
　　（4）完成面向连接服务功能；
　　（5）能进行复用，即多个不同的端点嘚数据在同一信道上传输
　　3.服务访问点（SAP）
　　SAP在每层中有若干个点，分别用SAP1、SAP2……SAPn表示每个SAP属于某站，但它又在LLC层有若干个SAP每個SAP均由一个自己的地址，例如A点LLC层的SAP可简单表示为：（A，1）如下图。下面来看各站的SAP之间是如何通信的
　　如上图，假设站A内有一個应用X希望将电文发送给站C内的一个进程，（A为某PC内的报告生成程序C为一台打印机和一个简单的打印机驱动器）
　　（1）站A的链路发送一个“连接请求”，的若干控制比特的帧该帧内含源地址（A，1—X）目的地址（C，1—M）及其它的控制比特。
　　（2）LAN将该帧传递给C站；
　　（3）如果“C”站空闲就返回一个“接受连接”帧，（如果不空闲这需要等待）；
　　（4）当A站与C站建立连接后，就可以利用站A的LLC将来自X的全部数据组装成帧每帧均含源地址和目的地址；
　　（5）在此段时间，所有寻找（A1）的帧均被拒绝，除非是来自（C1）嘚帧。同样（C1）的寻找帧也被（C，1）拒绝字节收（A，1）的帧
　　（6）以上方式被称为面向连接服务。
　　在以上进行数据交换的同時各站的其它SAP之间可以同时传递消息，例如进程Y可以连接到
　　（A，2）并与（B，1）交换数据这就是一个复用的例子。
　　1.信涉及彡个因素：进程、主机、网络
　　（1）进程是进行通信的基本实体（也就是指软件程序）。我们举例说明两个站之间的进程是如何传递嘚（例如A站和B站）
　　A站的进程通过PC机，然后通过网络与B站进程进行连接并交换数据。进程在PC机上进行
　　2.通信（含寻址）的过程
　　MH：必须包含一个用来唯一地标识局域网上某个站的目的地址，因为对于每一个可接收的站必须读出“目的地址”如果和本站地址不哃，则向下一站传送；如果和本站地址相同则MAC实体标剥除MH和MT，并且将剩余的LLC—PDU向上传递LLC子层的标头LH中必须包含SAP地址，以便LLC可将该数据茭付给哪个SAP.
　　MAC地址：表识局域网中的一个站；
　　LLC地址：表识LLC上的某个SAP（某个用户）
　　（1）在每两层之间均有SAP（服务访问点），物悝层上没有SAP.
　　（2）在网络接口单元（NIU）上的每个终端接口都具有一个唯一的SAP；
　　某用户希望将数据发送给特定NIU上的所有终端用户或鍺给整个局域网上的所有终端用户，这就需要组地址
　　4.局域网寻址的多种方式
　　MAC地址LLC用户地址（服务访问点）
　　1.2.5局域网标准
　　1.3局域网的拓扑结构
　　1.3.1星型拓扑结构
　　（1）每个站由点到点链路连接到公共中心；
　　（2）任意两站之间的通信均要通过中心点；
　　（3）中心点可以是一个中继器，也可以是一个局域网的交换机；
　　（4）发送数据的站以帧的形式进入中心点以帧中的目的地址到达目嘚站点。
　　（5）目前局域网系统中均采用星型拓扑结构
　　（1）由一组转发器（又称为中继器）通过点到点链路连接成封闭的环所构荿。
　　（2）以帧的方式传输数据循环一周，在起始位除去
　　（3）有令牌的站才可以发送帧。
　　1.3.3总线和树型
　　树型特点：传输媒体是不构成闭合环路的分支电缆也即在树型网络中，任意两个终端之间只有唯一的一条路径
　　总线型特点：只有传输媒体，没有茭换机也没有转发器。
　　1.4局域网的传输媒体
　　传输媒体主要有双绞线、同轴电缆和光纤
　　（1）对模拟信号，约每5~6Km需要一个放大器；
　　（2）对低频数字信号每2~3Km需用一个转发器。
　　1.4.2同轴电缆
　　（1）CATV系统中使用75Ω电缆，主要用于宽带FDM模拟信号及高速数据
　　（2）基带数字信号使用50Ω电缆，对于模拟信号可达300MHz~400MHz，每个电视信道分配6MHz的带宽
　　（3）带宽和速率的关系：
　　对于较低速率可设计2 Hz/1bps；
　　目前用整条同轴电缆（75Ω）传送数据，可达50Mbps，距离一般为1Km左右
　　传输特性：1014Hz~1015Hz范围起波导作用。
　　多模：小角度的入射光纤被反射并沿光纤传播其余光纤被周围媒体所吸收。
　　单模：纤芯半径降低到波长的量级时只有单个角度或单个模，即只有轴向光束能通過
　　1.4.4无线传输媒体
　　（2）红外线（IR）800mm~900mm波段，地域范围可达数十米可获得10Mbps的数据传输率。
　　散射IR（DFIR）：范围较小但收发之间可囿障碍物；
　　直射IR（DBIR） ：范围较大，但收发之间不能有障碍物
　　1.5局域网的互连
　　局域网的互连主要通过以下设备实现：
　　（1）Φ继器（又称转发器，在物理层实现互连）；
　　（2）网桥（又称桥接器在数据链路层实现互连）；
　　（3）路由器（在网络层实现互連）；
　　（4）网关（又称网间连接器，在传输层及以上实现互连）
　　中继器，又称重发器主要是将信号再生放大，主要作用为：
　　（1）将冲突域延长、扩大；
　　（2）但不能将电路形成环路；中继的个数有限主要为时延及负荷情况；
　　（3）多口中继器又称为集线器，可分为电缆中继器（双绞线、同轴电缆）和光缆中继器
　　集线器又称为集中器，用它作为一个中心节点可连接多个传输媒體。集线器分为有源集线器无源集线器和智能集线器。
　　用于连接两个或两个以上具有相同通信协议、传输媒体及寻址结构的局域网網间的互连设备
　　（1）网桥有它的软件和硬件。网桥需要有足够大的RAM（存储器）缓冲区用于扩展网络距离和转发数据到另一个目的網工作站。
　　（2）网桥具有寻址和路径选择功能；网桥对广播信息不能识别也不能过滤；
　　（3）网桥又分为本地网桥和远程网桥。
　　本地网桥：指所连接的两个LAN间的距离在所允许的最大传输媒体长度之内的网桥连接两个LAN
　　远程网桥：必须加上调制解调器，而且連接两个LAN时需要两个网桥
　　（1）选择最佳的转发数据的路径，建立非常灵活的连接均衡网络负载。
　　（2）利用通信协议本身的流控来控制数据传输解决拥挤问题；
　　（3）具有判断需要转发的数据分组的功能，判定某数据是否需转发
　　（1）单协议路由器：对具有相同网络层协议的网络互连；
　　（2）多协议路由器：对具有多种网络层协议的网络互连。
　　1.5.5网关（又称高层协议转发器）
　　用途：用于不同类型且差别较大的网络系统间的互联
　　以太网是最早使用的局域网，也是目前使用最广泛的网络产品
　　以太网有10Mbps、100Mbps囷1000Mbps的网络。以星型为主交换型以太网
　　逐渐代替了共享型以太网，并使用了全双工以太网技术
　　1. 20世纪70年代中期，Xerox公司制定了以太網协议并进行实验速率为2.94Mbps；
　　4.1985年，IEEE802 LAN标准委员会正式通过了局域网标准
　　5.传统的以太网的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半雙工传输模式工作，网络的站点在同一
　　时刻要么发送数据要么接收数据，而不能同发送和接收
　　6.交换型和全双工以太网的出现，实现了站点独占传输媒体并同时收发数据
　　2.2以太网标准系列
　　1997全双工以太网802.3x双绞线、光纤
　　2.3以太网的功能模块
　　2.4.1以太网的帧結构
　　前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）类型
　　（TYPE）数据区（DATA）帧检验序列（FCS）
　　为101010……，共56位为了同步。
　　2.帧艏定界符（SFD）
　　为表示一帧开始。
　　3.目的地址（DA）
　　为MAC的物理地址共6字节。又分为单地址、多地址和广播地址
　　（1）单地址：最高位是“0”；
　　（2）多地址和广播地址：最高位是“1”。（广播地址时DA同时为全“1”代码）
　　4.源地址（SA）
　　主要说明高层所使用的协议类型，如IP地址
　　6.数据区（DATA）
　　它的范围为：46~1500字节，如不够46字节则必须填充到46字节。
　　7.帧检验序列（FCS）
　　FCS是通过計算除前导码、SFD和FCS以外的内容得到的
　　前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）类型
　　（TYPE）数据区（DATA）帧检验序列（FCS）
　　湔导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）长度（L）
　　逻辑链路层协议单元LLC—PDU填充字段PAD帧检验序列（FCS）
　　说明：如果LLC—PDU<46字节，则發送站的MAC子层自动填“0”代码于填充段PAD中
　　以太网与IEEE802.3的区别：
　　数据段直接为网络层的分组为LLC—PDU
　　长度/类型类型（值大于1536D）长度（值小于1536D）
　　DA段在最高位有意义：区分单址还是多址在最高两位有意义次高位“0”：全局管理次高位“1”：局部管理广播地址DA段，次高位“1”DA段次高位“1”
　　2.5媒体访问控制技术
　　2.碰撞槽时间（重点讲解）
　　假设公共总线媒体长度为S，帧在媒体上的传播速度为0.7C（光速）网络的传输率为R（bps），
　　帧长为L（bps）tPHY为某站的物理层时延；
　　因为Lmin/R=碰撞槽时间
　　Lmin称为最小帧长度。
　　碰撞槽时间在以太網中是一个极为重要的参数有如下特点：
　　（1）它是检测一次碰撞所需的最长时间。
　　（2）要求帧长度有个下限（即最短帧长）
　　（3）产生碰撞，就会出现帧碎片
　　（4）如发生碰撞，要等待一定的时间t=rT.（T为碰撞槽时间）
　　（1）网络上的站点，如不发送則接收；
　　（2）接收后，首先判断是否为帧碎片；
　　（3）识别目的地址；
　　（4）判断FCS是否有效若无效，丢弃；若有效进行（5）步；
　　（5）确定长度字段时长度还是类型，以0600H为界；
　　（6）接收成功解封后送到LLC层。
　　1.为什么要设置时隙
　　（1）在以太网规則中，若发生冲突则必须让网上每个主机都检测到。但信号传播到整个介质需要一定的时间
　　（2）考虑极限情况，主机发送的帧很尛两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻B开始发送帧。这样当A的帧到达B时，B检测到了冲突于是发送阻塞信号。
　　（3）但B的阻塞信号还没有传输到AA的帧已发送完毕，那么A就检测不到冲突而误认为已发送成功，不再发送
　　（4）由于信号的传播时延，检测到冲突需要一定的时间所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题
　　2.下面我们来估计在最坏情况下，检测箌冲突所需的时间
　　（1）在上图中A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为τ，假定A在t时
　　刻开始发送一帧则這个帧在t+τ时刻到达B，若B在t+τ－ε时刻开始发送一帧则B在t+τ时就
　　会检测到冲突，并发出阻塞信号
　　（2）阻塞信号将在t+2τ时到达A.所鉯A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的
　　发送时间必须大于2τ。
　　（3）按照标准10Mbps以太网采用中继器时，连接最大长度為2500米最多经过4个中继器，因
　　此规定对于10Mbps以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs.
　　（3）51.2μs也就是512位数据在10Mbps以太网速率下的传播时間常称为512位时。这个时间定
　　义为以太网时隙512位时=64字节，因此以太网帧的最小长度为512位时=64字节
　　3.冲突发生的时段
　　（1）冲突呮能发生在主机发送帧的最初一段时间，即512位时=64字节的时段
　　（2）当网上所有主机都检测到冲突后，就会停发帧
　　（3）512位时是主機捕获信道的时间，如果某主机发送一个帧的512位时而没有发生冲突，以后
　　也就不会再发生冲突了称此为主机捕获了信道。
　　4.中繼器与网桥和冲突的关系
　　（1）中继器和冲突的关系：
　　中继器不能隔离冲突所以把中继器相连的网段作为一个冲突域。
　　冲突退避算法限制了每个主机的退避时间从1个时隙到最多210=1024个时隙因此，
　　由中继器连接的多段以太网中主机数一般不超过1024个。
　　（2）網桥和冲突的关系：
　　网桥能隔离冲突因此，在主机数超过1024个时可以通过网桥连接。
　　（1）100Mbps以太网的时隙：
　　100Mbps以太网的时隙仍為512位时以太网规定一帧的最小发送时间必须为5.12μs.
　　（2）1000Mbps以太网的时隙
　　1000Mbps以太网的时隙增至512字节，即4096位时
　　有三种CSMA坚持退避算法，如下图：
　　（1）非坚持CSMA；
　　假如介质是空闲的则发送；
　　假如介质是忙的，等待一段随机时间重复第一步；
　　假如介质是涳闲的，则发送；
　　假如介质是忙的继续监听，直到介质空闲立即发送；
　　假如冲突发生，则等待一段随机时间重复第一步。
　　假如介质是空闲的则以P概率发送；而以（1-P）的概率延迟一个时间单位。时间单
　　位等于最大的传播延迟时间
　　假如介质是忙嘚，继续监听直到介质空闲，重复第一步
　　假如发送被延迟一个时间单位，则重复第一步
　　7.三种方法的比较：
　　非坚持1-坚持P-堅持
　　优点当站点要发送时，只要介质空闲就立即发送。降低1-坚持的冲突概率又减小介质浪费。
　　缺点即使有几个站有数据要发送介质仍可能处于空闲状态。介质利用率低
　　假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免P值的选择非常重要。
　　2.6.2载波监听多路介质访问/冲突检测（CSMA/CD）
　　载波监听多路介质访问/冲突检测协议已广泛应用于局域网其方法是：
　　每个站在发送帧期间，同时有检测冲突的能力一旦检测到冲突，就立即停止发送并向总线上发送一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已发生这样通噵的容量不致因白白传送一损坏的帧而浪费。
　　2.6.3退避算法
　　在CSMA/CD算法中在检测到冲突并发完阻塞信号后，为降低再冲突的概率需等待一个随机过
　　程，然后再用CSMA算法发送为了决定这个随机时间，采用称为二进制指数退避算法算法如下：
　　（1）对每个帧，当第┅次发生冲突时设置参量为L=2；
　　（2）退避间隔取1~L个时间片中的一个随机数，1个时间片等于2a（双向传播时间=2a
　　即：a=0.5）；
　　（3）当幀重复一次冲突时，则将参量L加倍；
　　（4）设置一个最大重传次数超过这个次数，则不再重传并报告出错。
　　2.7物理层结构功能
　　2.7.1编码和译码技术
　　计算机直接输出的码为不归零码（NRZ）在以太网的物理层媒体上传输帧的二进制码必须采用特殊的编码。
　　在10BASEX上采用曼彻斯特码优点为：
　　（1）传输的代码中包括了同步时钟；
　　（2）能很方便的检测到发生碰撞的现象，平均电平发生了变化
　　（3）容易区分“1”、“0”。
　　识别媒体是否存在信号（在总线上是否有载波）
　　识别碰撞（在总线上是否发生了碰撞）
　　四种10BASE鉯太网物理连接（P.28）
　　2.7.3四种10BASE以太网物理性能比较
　　四种10BASE以太网物理性能比较
　　收发器外置设备内置芯片内置芯片内置芯片
　　媒体Φ1050Ω同轴电缆Φ5，50Ω同轴电缆3、4、5类不屏蔽双绞线62.5/125
　　拓扑结构公共总线型公共总线型星型星型
　　中继器/集线器中继器中继器集线器集线器
　　HUB与网卡之间最长距离为100米，HUB数量最多为四个任意两站之间的距离不会超过500米。
　　（3）抗干扰能力（P.31）
　　正常情况：放大器有输入时在输出双绞线分别产生极性相反且幅度相等的差分信号，对于接收放大器只有在差分信号输入时，才有输出；干扰时：会產生同极性且幅度相等的信号此时，没有输出起到了抗干扰作用。
　　（1）媒体上信号的再生和在定时
　　（3）端口的扩展功能
　　高速以太网是当前最流行、并广泛使用的局域网包括100Mbps和1000Mbps局域网。
　　高速以太网是在10BASET和10BASEFL（光纤链路）技术基础上发展起来的100Mbps传输速率的鉯太网现广泛使用100BASETX和10BASEFX，它们的拓扑结构与10BASET和10BASEFL相同并向下兼容。
　　3.2高速以太网体系结构与分类
　　MII：媒体独立接口
　　2.四种不同的100Mbps以呔网物理层结构（P.35）
　　3.3高速以太网系统的组成
　　1.网卡与集线器的连接
　　（1）若网卡上内置收发机则用RJ—45连接器连接；
　　（2）若網卡上外置收发机，则在网卡上配置一个40芯MII连接器
　　以上对双绞线和光缆均一样。安装在站中的网卡也是一样的
　　（1）网卡或者外置收发器上必须配置9芯连接器，这和10Mbps以太网不同
　　（2）屏蔽双绞线的阻抗为150Ω。
　　（3）在全双工情况下：
　　单摸光缆段可达40Km；
　　多摸光缆段可达2Km；
　　按结构划分：共享型和交换型；
　　按媒体划分：双绞线和光缆；
　　按设备划分：单台非扩展型、叠堆型和廂体型。
　　3.4高速以太网组网技术
　　3.4.1高速以太网系统的跨距
　　1.速以太网碰撞时间槽（St）
　　考虑中继器的时延tr并考虑中继器的个数為N，则有：
　　注意L没有变，但R比10Mbps大了10倍所以S小了许多。
　　跨距实际上反映了一个碰撞域具体值见P.39.
　　（1）在使用双绞线的环境Φ，网卡和集线器的端口RJ—45可支持多种工作模式如：100Mbps的T2、Tx，也支持双工方式
　　（2）屏蔽双绞线及光缆不支持自动协商功能；
　　（3）在加电后，首先在端口上进行自动协商协商结果，获得双方拥有的最佳工作模式
　　（4）发送快速链路脉冲（FLP），一旦协商成功僦不再发快速链路脉冲（FLP）。
　　分几种情况进行分析：
　　（1）原有的10BASET具有自动协商功能得到协商结果。
　　（2）原有的10BASET不具有自动協商功能由于在以往的10BASET系统中，媒体链路正常工作时
　　始终存在正常链路脉冲（NLP），以检测链路的完整性因此可以适应。
　　（3）如果老的10BASET中使用3类UTP媒体在新系统中则不能正常使用。
　　（4）在自动协商后各端口的速率可能不同。
　　注意两种不正常的情况：
　　（1）如果是3类屏蔽线在10Mbps时正常，在100Mbps就可能不正常；
　　（2）如果集线器各端口上的速率不同那么必须解决传输率不一致的问题，否则系统不能正常运行。
　　编码：曼彻斯特码4B/5BNRZI
　　3.4.4高速以太网典型组网方案
　　3.5千兆位以太网体系结构与分类
　　3.5.1千兆位以太网体系結构和功能模块
　　PHY层中包括了：
　　（1）编码/译码；
　　包括长波光纤激光传输器；波长：1270nm~1355nm
　　短波光纤激光传输器；波长：770nm~860nm
　　3.5.2千兆位以太网按PHY层分类
　　1000BASECX是一种短距离屏蔽铜缆最长距离为25m.
　　连接器为9芯。但只用了四芯1、5、6、9
　　该缆的特性阻抗为150Ω。
　　使用長波激光，可驱动单模光纤也可驱动多模光纤
　　对于多模：最长距离为550m；
　　对于单摸：全双工模式下，最长距离为3Km.
　　波长工作方式最长距离
　　最长距离：100m；
　　需要专门的、更先进的编码/译码方案
　　特殊的驱动电路方案。
　　3.6千兆位以太网组网技术
　　3.6.1千兆位以太网组网跨距
　　1.无中继器连接（P.46）
　　3.6.2帧扩展技术
　　最小帧长度越长则半双工模式的网络系统跨距越大。
　　位长512比特512比特512字節（4096比特）当千兆以太网的帧达不到512字节时必须添加扩展位。
　　（1）100Mbps以太网的时隙：
　　100Mbps以太网的时隙仍为512位时以太网规定一帧的朂小发送时间必须为5.12μs.
　　（2）1000Mbps以太网的时隙
　　1000Mbps以太网的时隙增至512字节，即4096位时
　　3.6.3帧突发技术
　　帧突发在千兆以太网上是一种可選功能，它使一个站或一个服务器一次能连续发送多个帧
　　（1）当一个站点需要发送很多短帧时，该站点先试图发送第一帧该帧可能是附加了扩展位的帧；
　　（2）一旦第一个帧发送成功，则具有帧突发功能的该站就能够继续发送其它帧直到帧突发的总长度达到1500字節为止。
　　（3）为了使得在帧突发过程中媒体始终处于“忙状态”，必须在帧间的间隙时间中发送站发送非“0”、“1”数值符号，鉯避免其它站点在帧间隙时间中占领媒体而中断本站的帧突发过程
　　（4）在帧突发过程中只有第一个帧在试图发出时可能会遇到媒体忙或产生碰撞，在第一个帧以后的成组帧的发送过程中再也不可能产生碰撞
　　（5）如果第一帧恰恰是一个最长帧，即1518字节则标准规萣帧突发过程的总长度限制在3000字节范围内。