第1章 局域网技术基础
本章主要内容
●局域网体系结构与标准
●局域网的拓扑结构
●局域网的传输媒体
●局域网的互连
1.1 概 述
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、湿度、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）局域网的地理覆盖一般可达几十公里范围；
（3）局域网在传输媒体上的数据传输速率为10Mbps、100Mbps及1000Mbps。
1.1.3 局域网的技术要素
●体系结构与标准
●传输媒体
●拓扑结构
●数据编码
●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：
第一层： 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。
2.域网体系结构
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是相邻层的逻辑接口；
（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
1.么是MAC？
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体的访问，
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下还是在分布方式下来实现。
（1）集中方式：
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。
（2）分布方式：
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。
缺点：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.访问控制技术的分类
主要按同步和异步进行划分。
（1）同步技术：
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，因为每个站发送
数据是随机的。
（2）异步技术：
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.异步技术三种方法
（1）循环：
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据量或最大时间量来表示。
（2）预约：
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
某站需要发送信息时，提前预约时隙。
（3）竞争：
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
的方式为循环和竞争方式。
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子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，即多个不同的端点的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，每个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内有一个应用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（A，1）的帧均被拒绝，除非是来自（C，1）的帧。同样（C，1）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时，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。
1.2.4 寻址
1.信涉及三个因素：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
的。（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）主机
（3）网络
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”，如果和本站地址不同，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
将该数据交付给哪个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）。
3.SAP的分布
（1）在每两层之间均有SAP（服务访问点），物理层上没有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；
（3）组地址：
某用户希望将数据发送给特定NIU上的所有终端用户，或者给整个局域网上的所有终端用户，这就
需要组地址。
a.广播方式；
b.多址方式。
4.局域网寻址的多种方式
MAC地址LLC用户地址（服务访问点）
单个单个
单个多址
单个广播
多址广播
广播广播
多址单个
多址多址
广播单个
广播多址
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
特点：
（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的站点。
（5）目前局域网系统中均采用星型拓扑结构。
1．3．2 环形
特点：
（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成。
（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，没有交换机，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。
1.4.1 双绞线
1.物理描述
2.传输特性
（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
分类：
（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5Mbps或更高的速率可设定1Hz/1bps，如6MHzTV信道——5Mbp速率。
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。
1.4.3 光缆
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过。
1.4.4 无线传输媒体
分类：
（1）射频（RF）：900MHz、2.4GHz、5.8GHz(无需申请的频率)
（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,但收发之间可有障碍物；
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）中继器（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（在网络层实现互连）；
（4）网关（又称网间连接器，在传输层及以上实现互连）。
1.5.1 中继器
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。
1.5.2 集线器
集线器又称为集中器，用它作为一个中心节点，可连接多个传输媒体。集线器分为有源集线器，
无源集线器和智能集线器。
1.5.3 网桥
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网间的互连设备。
（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网工作站。
（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
只需一个网桥。
远程网桥：必须加上调制解调器，而且连接两个LAN时需要两个网桥。
1.5.4 路由器
1.主要功能：
（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。
2.路由器分为：
（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
第2章 以太网
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和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。
2.1 概述
1. 20世纪70年代中期，Xerox公司制定了以太网协议并进行实验，速率为2.94Mbps；
2.1980年，Xerox、Intel和DEC三公司联合发表DIX80，即以太网的标准；
3.1981年6月，IEEE802 LAN标准委员会成立；
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双工传输模式工作,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 以太网标准系列年份代号标准类型
198210BASE5802．3粗同轴电缆
198510BASE2802．3a细同轴电缆
199010BASET802．3I双绞线
199310BASEF802．3j光纤
1995100BASET802．3u双绞线
1997全双工以太网802．3x双绞线、光纤
19981000BASEX802．3z短屏蔽双绞线、光纤
20001000BASET802．3ab双绞线
2.3 以太网的功能模块
2.4 帧结构
2.4.1 以太网的帧结构
7 1 6 6 2 46~1500 4
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）
1.前导码
为101010。。。。。。，共56位，为了同步。
2.帧首定界符（SFD）
为10101011，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）
同上
5.类型（TYPE）
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是通过计算除前导码、SFD和FCS以外的内容得到的。
2.4.2 以太网与IEEE802.3（CSMA/CD标准）帧结构的比较
7 1 6 6 2 46~1500 4
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）
以太网帧结构
7 1 2/6 2/ 6 2 46~1500 0~46 4
前导码帧首定界符（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）
IEEE802.3（CSMA/CD标准）帧结构
说明：如果LLC—PDU＜46字节，则发送站的MAC子层自动填“0”代码于填充段PAD中。
以太网与IEEE802.3的区别：
比较以太网IEEE802.3
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）
以太网帧IEEE802.3帧
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
1.发送规则
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；则有：碰撞槽时间=2S/0.7C+2tPHY
因为Lmin/R=碰撞槽时间
所以：Lmin =（2S/0.7C+2tPHY ）×R （注意，原书中有错！） Lmin 称为最小帧长度。
碰撞槽时间在以太网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）
3.接收规则
（1）网络上的站点，如不发送，则接收；
（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。
2.6 选学内容
2.6.1 以太网时隙（slot time）
1.为什么要设置时隙？
（1）在以太网规则中，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，主机发送的帧很小，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A，A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，检测到冲突所需的时间
（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，则这个帧在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。所以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，连接最大长度为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间，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）冲突只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位时是主机捕获信道的时间，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.中继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）网桥和冲突的关系：
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。
5.100Mbps和1000Mbps以太网的时隙
（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。
6.坚持退避算法
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；
（2）1-坚持CSMA；
#假如介质是空闲的，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。
（3）P-坚持CSMA；
#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。
#假如介质是忙的，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-坚持
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，这样通道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，当第一次发生冲突时，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）当帧重复一次冲突时，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“。
2.7.2 收发器
#向媒体发送信号
#从媒体接收信号
#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以太网物理连接（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
10BASE510BASE210BASET10BASEFL
收发器外置设备内置芯片内置芯片内置芯片
媒体Φ10,50Ω同轴电缆Φ5,50Ω同轴电缆3、4、5类不屏蔽双绞线62．5/125
多模光缆
最长媒体段500m185m100m2km
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
最大跨距/媒体段数2．5km/5925m/5500m/54km/2
网卡上连接端9芯D型AUIBNC，T头RJ—45ST
2.8 10BASET以太网组网技术
2.8.1 10BASET以太网系统组成（P.30）
（1）双绞线连接
（2）系统配置
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：会产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。
2.8.2 10BASET集线器功能
（1）媒体上信号的再生和在定时
（2）检测碰撞
（3）端口的扩展功能
（4）混合连接10BASE5与10BASET及10BASE2以太网系统
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。
3.1 概述
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传输速率的以太 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。
10/100Mbps自适应局域网保证了从10Mbps向100Mbps平稳过渡。
3.2 高速以太网体系结构与分类
1.体系结构
MII：媒体独立接口
2.四种不同的100Mbps以太网物理层结构（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）若网卡上外置收发机，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。
2.媒体
注意：
（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；
3.线器
（1）分类
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、叠堆型和厢体型。
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）
St=2S/0.7C+2tPHY
考虑中继器的时延tr，并考虑中继器的个数为N，则有： St=2S/0.7C+2N tr +2tPHY 所以：S=0.35（L/R-2N tr -2tPHY ） 注意，L没有变，但R比10Mbps大了10倍。所以S小了许多。
2.跨距
跨距实际上反映了一个碰撞域，具体值见P.39。
3.4.2 自动协商与10M/100Mbps自适应功能
1.自动协商功能
（1）在使用双绞线的环境中，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，就不再发快速链路脉冲（FLP）。
（5）10M/100Mbps自适应功能
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不具有自动协商功能，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。
3.4.3 高速以太网与10BASET/FL组网性能比较
10BASET/FL100BASETX/FX
IEEE标准802．3i/j802．3u
拓扑结构星型星型
传输率10Mbps100Mbps
媒体3、4、5类UTP、MMF5类UTP、STP、SMF、MMF
最长媒体段UTP：100m；MMF：2KmUTP、STP：100m；MMF：2Km；SMF：40Km
编码：曼彻斯特码4B/5BNRZI
帧结构符合DIX802。3标准符合DIX、802。3标准
CSMA/CD同上同上
碰撞槽时间51．2μs（512bit）5．12μs（512bit）
碰撞域范围UTP：500m（四个中继器）2个中继器：UTP、STP：205m；MMF：228m；
UTP+MMF：216m；无中继器：UTP：100m；MMF：412m
3.4.4 高速以太网典型组网方案
S——交换机
3.5 千兆位以太网体系结构与分类
3.5.1 千兆位以太网体系结构和功能模块
1.体系结构
2.功能模块
PHY层中包括了：
（1）编码/译码；
（2）收发器；
?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
?铜缆收发器。
（3）媒体。
3.5.2 千兆位以太网按PHY层分类
1.1000BASEX类
（1）1000BASECX
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。
（2）1000BASELX
使用长波激光，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。
（3）1000BASESX
仅支持多模光纤。
波长工作方式最长距离
62．5μm全双工300m
50μm全双工525m
2.1000BASET（双绞线）
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）
2.有中继器连接
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。
1.各种速率下的位长：
速率10Mbps100Mbps1000Mbps
位长512比特512比特512字节（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。
2.100Mbps和1000Mbps以太网的时隙
（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。
3.6.3 帧突发技术
帧突发在千兆以太网上是一种可选功能，它使一个站或一个服务器一次能连续发送多个帧。
1.帧突发技术：
（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字节为止。
（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，以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，则标准规定帧突发过程的总长度限制在3000字节范围内。
第4章 交换型以太网
本章首先介绍以太网从共享型到交换型的变迁,并介绍交换型以太网的特点和以太网交换器的工作原理。然后比较详细地介绍以太网交换器的结构、交换方式、分类和典型应用。
4.1 概述
1.共享型以太网：
（1）由网卡、集线器/中继器、媒体三部分组成。整个系统的带宽只有10Mbps，处在一个冲突域范围。
（2）假设某系统共有n=20个节点，那么每个节点的带宽则为：10Mbps/20=0.5Mbps。
（3）共享型以太网存在的问题是：
受到CSMA/CD的约束，一个碰撞域的带宽是固定的；
在一个碰撞域的系统中，每个节点的带宽为：系统带宽/n；（n为节点数）
在一个碰撞域的系统中，可以是一个工作组，也可是多个工作组；
在多个工作组的碰撞域中，每个工作组的数据流广播到系统中所有的站，安全性不好。覆盖范围受到限制。
2.交换型以太网：
可解决共享型以太网的不足。
4.2 交换型以太网系统的特点
4.2.1 系统的特点
交换型以太网系统中的交换型集线器，也称以太网交换器，以其为核心连接站点或者网段。
交换型以太网系统的优点
（1）每个端口可以连接网段，也可连接站点。每个端口独享10Mbps的带宽；
（2）系统的最大带宽可达到端口带宽的n倍；
（3）交换器连接了多个网段，网段上运作都是独立的，被隔离的。但如果需要的话，独立网段之间通过其端口也可建立暂时的数据通道。
（4）被交换器隔离的独立网段上数据信息流不会随意广播到其它端口上去。
4.2.2 以太网交换器工作的逻辑机理
特点：
（1）交换器上可同时多个数据通道并存；
（2）端口间既隔离又连接；
（3）上图中共有30个数据通道，如果采用双工的方式，同时最多可通15个数据通道；
（4）从上图可看到，各端口信息流是被隔离的，如果要连通，必须进行控制，方可交互。
4.3 以太网交换器的结构
共有四种不同的结构：
1.软件执行交换结构
2.矩阵交换结构
3.总线交换结构
4.共享存储器交换结构
4.3.1 软件执行交换结构
4.3.2 矩阵交换结构
特点
（1）地址表：地址——输入/输出端口
（2）利用硬件交换，结构紧凑，交换速度快，时延小；
（3）不易于简单堆叠和集成。
（4）使用广泛，如：ATM。
注意：
（1）当输入端口与输出端口相等时，不会发生阻塞；
（2）当输入端口多于输出端口时，就会发生阻塞；
（3）为避免帧的丢失，必须增加缓冲区。
4.3.3 总线交换结构
总线交换结构的优点：
1.便于叠堆扩展；
2.容易监控和管理
3.容易实现帧的广播；
4.容易实现多个输入对一个输出，即客户机—服务器的方式。
4.3.4 共享存储器交换结构
特点：
（1）使用大量的高速RAM来输入数据；
（2）输入输出会产生时延；
（3）交换器结构简单；
（4）冗余结构比较复杂；
（5）适合小型交换器。
4.4 以太网交换器的交换方式
4.4.1 静态交换与动态交换
1.静态交换
端口间的通道连接是事先人工预定的。端口间并没有实现网段的隔离。被称为“端口交换机”。
2.动态交换
（1）是基于网桥工作机理的交换方式，根据透明网桥工作机理，动态交换端口间通道的形成是基于MAC地址的操作，根据输入端口上帧的目的地址来查看交换器中自学习生成的端口——地址表后，就能决定端口间的连接，形成帧传送通道。
（2）一次连接只能传送一帧。
（3）动态交换方式又分为存储转发和穿通两种方式。
4.4.2 存储转发交换方式
特点：
（1）交换时间长。每一帧必须全部接收完成后，才检查地址，再送出去；还需要串/并转换。
（2）可*性高。输入、输出都要进行差错检验。
4.4.3 穿通交换方式
特点：
（1）当输入端收到帧的开始6个字节后，交换器根据目的地址查端口——地址表，获得输出端地址后，就把整个帧导向输出端口；缩短了时延。
（2）可*性不高；
（3）适用于链路可*性高的环境中。
（4）穿通交换方式/存储转发共用，先采用穿通交换方式，若链路可*性差，则自动转到存储转发方式。得到最大的交换器的效率。
4.5 以太网交换器的分类
1.分类：
（1）单台（不可堆叠）
（2）可堆叠集成
（3）厢体模块
2．各类的使用
（1）单台（不可堆叠）
只能单台使用
（2）可堆叠交换器
可单台使用
多台堆叠使用时，必须在外部附加一个集成装置。
（3）厢体模块
三个优点
维修方便。每一个模块可以热插拔。
高可*性。 电源备份； 可采用无源母板；有备用交换引擎。
系统集成和配置灵活。
4.6 以太网交换器的典型应用
1.以太网应用的分类
（1）群组
（2）部门
（3）主干
群组部门主干
架构单台可叠堆集成厢体模块式
典型端口数8、12、2412-24，可成倍扩展12/模块，可成倍扩展
端口传输率10/100Mbps10/100Mbps，1Gbps100Mbps，1Gbps
高速端口1~2个 100Mbps1Gbps，ATM接服务器或干线1Gbps，ATM
支持其它网络FDDI，ATM
支持L3路由可能支持可能支持
典型背板带宽100~200Mbps4Gbps10Gbps以上
典型组网群组桌面联网小型楼宇或园区系统干线大中型楼宇或园区系统
干线
2.各种典型应用
（1）群组
一般集中在一个办公室，也可能在一个楼层，数据在一个小范围交互。
在这类交换机中，必须设置高速端口（如100Mbps），客户机独享10Mbps或者共享集线器的10Mbps，也可在交换机和站点之间在配置一种称为“端口交换机”的设备，“端口交换机”的设备采用静态交换方式，可人工灵活组合站点共享端口的10Mbps带宽。
（2）部门
对于小型楼宇或者小型园区的应用环境来说，除配置面向连接客户站群组交换器外，还需配置组成系统干线的交换器。
部门以太网交换器另一个特点是可堆叠以扩展交换器的端口和带宽。
（3）主干交换器
在中、大型楼宇或园区应用环境中，一般配置功能很强、性能很好的主干交换器。主干交换器具有厢式体架构。其模块上端口传输率通常为100Mbps或1000Mbps。
有的厢体除支持以太网外，还可插入FDDI模块，甚至还可插入ATM模块，因此交换器背板带宽可达10Gbps。
4.7 全双工以太网
4.7.1 全双工以太网技术的重要性
（1）虽然交换其本身工作已不受CSMA/CD的约束，但站点到交换器或交换器之间如果还采用半双工以太网传输的话，那么网段还是受到CSMA/CD的约束，使网段的媒体长度受到限制，尤其是在高速率情况下。
（2）鉴于以上情况，采用了全双工以太网技术。
4.7.2 全双工以太网技术特点
（1）全双工端口上采用两根传输线，收发分开；
（2）全双工以太网不受冲突域的限制，只于媒体衰耗有关；
（3）全双工以太网的传输带宽可提高一倍；
（4）在10Mbps端口传输率情况下，只有10BASET及10BASEFL支持全双工以太网；
（5）在100Mbps快速以太网情况下，除100BASET4外，其他都支持全双工以太网。
4.7.3 全双工以太网的组网应用
环网
目前常用的环网包括令牌环网和光纤分布式数据接口两种。
5.1 概述
1.以太网(10BASE5、10BASE2)的不足：
（1）不适应重负荷应用环境；
（2）无实时性能和优先权机制；
（3）在拓扑结构为公共总线的以太网上，媒体使用光纤比较困难；
（4）共享型以太网的覆盖范围受限于冲突域，无法进一步拓展。
2.环网的优点：
（1）适应重负荷应用环境；
（2）具有实时性能和优先权机制；
（3）环网的媒体可以使用光纤；
（4）覆盖范围较大，可达数十公里。
5.2 令牌环网媒体访问技术
5.2.1 令牌环操作
（1）令牌环技术的基础是使用了一个称之为令牌的特定比特串，当环上所有的站都处于空闲时，令牌沿着环旋转。
（2）当某站想发送帧时，必须等待直至收到空令牌才可发送。
（3）在轻负荷时，效率较低；
（4）在重负荷时，既公平又有效，各站按顺序发送。
5.2.2 MAC帧
1.帧格式
SD帧首定界符（1个8位位组）AC访问控制（1个8位位组）FC帧控制（1个8位位组）DA目的地址2~6个8位位组）SA源地址2~6个8位位组）INFO 信息0或多个8位位组）FCS 帧检验序列 (4个8位位组）ED帧尾定界符（1个8位位组）FS帧状态（1个8位位组）帧首序列 I FCS作用范围 I 帧尾序列
2.令牌格式
SDACED
3.帧首定界符（SD）
JK0JK000
J—非数据，与发送的“0”、“1”不同的编码，
K—非数据，与发送的“0”、“1”不同的编码，
4.访问控制（AC）
PPPTMRRR
PPP—优先级比特，共有8级优先级。当某站发送优先级为n的帧时，它必须等待，直到截获了优先级比n小或者等于n的空令牌，这九保证了高优先级的帧有更多的机会发送帧。为了避免各站将优先级抬高，在将令牌提升的站，发送完数据后，必须将令牌减下来。
T—令牌比特：令牌时，T=0；传输帧时，T=1。
M—监控比特：令牌环的维护是一种集中式管理，由一个监控站来管理，用于防止持久的数据帧或令牌帧，从令牌到帧时，M比特的数字转换。
在源站发出某帧时，，M=0，当一个帧第一次经过监控站时，M被置为1，当M=1的帧再次经过监控站时，该帧即被清除。
保证环路的最小时延，令牌的长度为24字节，这就要求环路至少应能容纳24比特，如长度不够，监控站就插入延时比特。
为了保证令牌的不丢失，每个监控站都设有一计时器，它设置为最长令牌持有时间，当在此时间内没有收到令牌时，即判定令牌丢失，这时监控站收回环路上的数据（若有），并发出一个新令牌。
RRR—预留比特
5.帧控制（FC）
FFZZZZZZ
FF=01 LLC数据帧
FF=00 MAC控制帧
当FF=00 时，ZZZZZZ 指出的是MAC帧的类型
6.帧尾定界符（ED）
JK1 JK1IE
J—非数据
K—非数据
I—中间帧比特（I=1，后面还有帧；I=0，后面没有帧了）
E—差错检验比特，检测出错，将E置位。
7.帧状态（FS）
ACrrACrr
A—地址识别比特，识别出地址，将A置位，否则，将A不置位；
C—帧已复制比特，帧已复制，将C置位，否则，将C不置位；
r—预留比特，一般置为“0”。
由于帧状态在FCS之外，因此重复一次，进行检错。
8.地址字段（MAC）
（1）源地址字段中的第一个比特总是为“0”。
目的地址中的第一个比特置成“0”，表示一个单地址；
目的地址中的第一个比特置成“1”，表示一个组地址；
全“1”的组地址是对环上所有工作的站的广播地址。
（2）对于48比特的地址字段，将其源和目的地址字段中的第2个比特置为“0”，表示是一全局管
理地址；
置为“1”，表示局部管理地址；
16比特地址：
15bit
I/G
16比特局部管理格式：
7bit环编号8bit站编号
I/G
48比特地址：
46bit地址
I/G U/L
48比特局部管理格式：
14bit环编号32bit站编号
I/G U/L
注意：令牌环规定使用屏蔽双绞线。
5.2.3 MAC基本操作
（1）一个站要发送，要等到令牌经过，它由AC字段中的令牌比特置为“0”来表明空令牌，被捕获得令牌的ED字段被该站吸收和丢弃；
（2）然后将其他都接在后面发送；
（3）该站可以连续地发送直到无数据或到令牌计时器满为止。（将ED字段中的I置为“1”）。
各站的情况：
每个站引入一比特的时延，
每个站都对通过帧进行差错检查，如果出错，就将ED字段中的E置位
每个站检测目的地址，如果是本站地址，就将A比特置“1“；
如果该站有足够的空间，就复制该帧，并将C比特置“1”。
源站能区别以下三种情况：
（1）目的站不存在/未被复制；
（2）目的站存在但帧未被复制；
（3）帧已被目的站复制。
发出帧的站应该将该帧从环上清除。
如果报告有错，MAC并不再重传，这是LLC层协议的职责。
5.3 差分曼彻斯特码
标准规定使用的数据速率是：4Mbps或16Mbps，采用曼彻斯特编码，编码规则为：“0”为比特时间开始和中间均跳变，“1”只在比特中间跳变。
J——比特开始时没有跳变，
K——比特开始时有跳变。
5.4 FDDI网媒体访问控制技术
5.4.1 FDDI 标准的范围
FDDI 标准的包含了MAC子层和物理层。标准分为四部分：
（1）媒体访问控制（MAC）
（2）物理层协议（PHY）
（3）物理媒体相关子层（PMD）
（4）层管理（LMT）
5.4.2 令牌环操作
注意：令牌环网与FDDI存在的差别:
（1）FDDI并不是通过改变一个比特来抓住令牌的;
（2）FDDI在一个站完成其帧发送后,即使尚未开始收到它发送的帧,也立即送出一新令牌，在环上可以有多个帧。
5.4.3 MAC帧
注意：对于FDDI的MAC实体间交换是以符号为单位的，每一符号对应4比特。这是因为FDDI是采用4B/5B的方式进行信息交换的。
1.FDDI的帧格式
（1）帧格式
PA前导码（16或更多个符号）SD帧首定界符（2个符号）FC帧控制（2个符号）
DA目的地址（4或12个符号）SA源地址（4或12个符号）INFO 信息0
或更多个符号对）FCS 帧检验序列 ED帧尾定界符（1个符号）FS帧状态
（3或更多个符号）
帧首序列 FCS作用范围 帧尾序列
（2）令牌格式
PASDFCED
（3）帧首定界符（SD）
J K
J—非数据（1个符号）
K—非数据（1个符号）
（4）帧控制（FC）
CLFFZZZZ
C—类别比特
L—地址长度比特
FF—格式比特
ZZZZ —控制比特
（5）帧尾定界符（ED）
T
T—终止符号
（6）令牌尾定界符（ED）
TT
T—终止符号
注意：帧尾定界符（ED）与令牌尾定界符（ED）的区别。
（7）帧状态（FS）
E A C
R/SR/SR/SR/SR/SR/ST
A—地址识别符
C—帧已复制符
E—检测到差错
注意：
如果附加的符号为奇数个，结尾用一个“T”结束；使总长度为8比特的整数倍.
如果附加的符号为偶数个，结尾用两个“T”结束。使总长度为8比特的整数倍.
（8）地址字段
（1）源地址字段中的第一个比特总是为“0”。
目的地址中的第一个比特置成“0”，表示一个单地址；
目的地址中的第一个比特置成“1”，表示一个组地址；
全“1”的组地址是对环上所有工作的站的广播地址。
（2）对于48比特的地址字段，将其源和目的地址字段中的第2个比特置为“0”，表示全局管理地址；
置为“1”，表示局部管理地址；
16比特地址：
15bit
I/G
48比特地址：
46bit地址
I/G U/L
I/G=0 单地址
I/G=1 组地址
U/L=0 全局管理地址；
U/L=1 局部管理地址。
FDDI帧的类型：详见P。73（由FC字段确定的各种类型）
各字段的说明:
1.前导码(PA):用来使帧与每一站的时钟建立同步,帧的始发为16个空闲符号,后继的转
发站可以改变字段的长度以与时钟同步.
2.帧首定界符(SD):表示一帧的开始.
3.帧控制(FC):
C——指明是同步还是异步；C=1，同步，C=0异步。
L——指明地址是16比特还是48比特；
FF——指明是LLC帧还是MAC帧，在MAC帧中，ZZZZ表示帧的形式；
4.目的地址(DA)
5.源地址（SA）
6.信息：0~n
7.帧检验序列（FCS）
8.帧尾定界符（ED）
9.帧状态（FS）
（1）E——检测到差错
（2）A——地址被识别
（3）C——帧以被识别
其中：R——表示断或假；
S——表示通或真。
如果附加的符号为奇数个，则FS以一个T结束。
FS字段还包括附加的控制字符。
*FDDI的类型 （P。73）
5.4.4 基本操作
1.一个站要发送，要等到令牌经过，它由FC字段中的FF比特置为“00“和ZZZZ比特置为“0000”
来表明；
2.该站在重复整个FC字段前，将令牌从环上吸收掉，以此来抓住令牌。
3.然后将其他都接在后面发送；
4.该站可以连续地发送直到无数据或到令牌计时器满为止。
*各站的情况：
每个站引入一比特的时延，作为检查、复制或者改变一比特所需的时间。
每个站都对通过的帧进行差错检查，如果出错，就将ED字段中的E置位；
每个站检测目的地址，如果是本站地址，就将A比特置“1“，还可将该帧复制下来，并将C比特置“1”。
如果该站有足够的空间，就复制该帧，并将C比特置“1”。
*源站能区别以下三种情况：
目的站不存在/未被复制；
目的站存在/未被复制；
帧已被目的站复制。
*发出帧的站应该将该帧从环上清除。
每个发送帧当其回到源站时都被该站吸收。通过检查帧尾序列中的状态指示符（E、A、C）来确定
传输的结果。
如果报告有错，MAC并不再重传，这是LLC层协议的职责。
5.5 FDDI网物理层
5.5.1 数据编码
几种常用的数字到模拟的编码技术
ASK
FSK
PSK
为了提取定时时钟，需对脉冲进行编码。（如将数据进行曼彻斯特编码，但效率不高。）
FDDI使用4B/5B编码
FDDI的编码方案如下：
（1）不采用简单的强度调制编码（用有无载波来确定），因同步信号难于提取；
（2）FDDI采用两级编码的方式，第一级选用4B/5B码，效率高，并保证出现跃变；
（3）第二级编码，将4B/5B码进一步编成NRZI（非立即归零码），改善接收的可*性；
NRZI（非立即归零码）为差分编码。
（4）NRZI（非立即归零码）的编码规则：“1”用跃变表示，“0”则不跃变。
（5）4B/5B码的选择基于这样一个保证，采用NRZI（非立即归零码），在一行中不允许出
现多于3个“0”的情况，提供同步信息。
（6）关于4B/5B码：除0~15数字外，其他的码还可代表其他意义，见P。75。
5.5.2 物理层中与媒体相关的部分
1．标准中含有加强可*性的技术规范，为以下三项技术：
站旁路：对故障站旁路；
布线集中器：用于星型布线中；
双环：使网络自动恢复。
2．关于光源与光纤
光源：可以为激光器和发光二极管；
光纤：用光纤直径与围绕纤芯包层的外径来确定。
62.5/125、85/125 一般用这种。
50/125、100/140
3．站的分类
A站：同时连接主环和副环的站；
B站：只连接主环的站。
令牌环网组网技术
5.5.3 令牌环网基本组成
5.5.4 星—环形组网结构
5.5.5 交换型令牌环网
FDDI网组网技术
5.5.6 应用领域
后端局域网：连接主服务器和大容量存储设备；
高速办公室网：他们要求从低速到高速的数据传输；
主干局域网：用一个大容量的局域网连接若干各集中器或交换器。
5．7．2 FDDI组网技术要点
星—环形拓扑结构
（1）单连接站和双连接站
A、B站的结合
（2）园区主干网
将集中器、交换器、服务器、网桥等按需要进行连接。
（30CDDI（TPDDI）
在不易用光缆连接的地方，用双绞线连接。
光缆口往往用作集中器之间的远距离连接，而双绞线用作近距离连接。
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