计算机局域网.ppt

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1、局域网,4.1 局域网概述 4.2 传统以太网 4.2.1 以太网的工作原理 4.2.2 传统以太网的连接方法 4.2.3 局域网常用传输媒体 4.3 以太网的 MAC 层 4.3.1 MAC 层的硬件地址 4.3.2 两种不同的 MAC 帧格式,第 4 章 局域网（续）,4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 4.4.2 在数据链路层扩展局域网 4.5 虚拟局域网 4.5.1 虚拟局域网的概念 4.5.2 虚拟局域网使用的以太网帧格式,第 4 章 局域网（续）,4.6 高速以太网 4.6.1 100BASE-T 以太网 4.6.2 吉比特以太网 4.6.3 10 吉比特以太网

2、4.7 其他种类的高速局域网 4.7.1 100VG-AnyLAN 局域网 4.7.2 光纤分布式数据接口 FDDI 4.7.3 高性能并行接口 HIPPI 4.7.4 光纤通道 4.8 无线局域网 4.8.1 无线局域网的组成 4.8.2 802.11 标准中的物理层 4.8.3 802.11 标准中的 MAC 层,4.1 局域网概述,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网具有如下的一些主要优点： 能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。 提高了系统的可靠性、可

3、用性和残存性。,局域网的拓扑,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,树形网,环形网,媒体共享技术,静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询。,4.2 传统以太网 4.2.1 以太网的工作原理,1. 两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 的 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网”应当是指符合

4、 DIX Ethernet V2 标准的局域网,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,局域网对 LLC 子层 是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,以后

5、一般不考虑 LLC 子层,由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。 很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。,2. 网卡的作用,网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 网卡的重要功能： 进行串行/并行转换。 对数据进行缓存。 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 实现以太网协议。,计算机通过网卡 和局域网进行通信,

6、CPU,高 速 缓 存,存储器,I/O 总线,计算机,至局域网,网络接口卡 （网卡）,串行通信,并行通信,网 卡,网卡的安装,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,CSMA/CD 协议 载波监听多点接入/碰撞检测,B向 D 发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受 B 发送的数据,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧

7、。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知

8、道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超

9、过一定的限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,电磁波在总线上的 有限传播速率的影响,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A

10、 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。,1 km,A,B,t,t = 0,单程端到端 传播时延记为,1 km,A,B,t,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端 传播时延记为,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,4. 争用

11、期,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type),发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。 定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min重传次数, 10 从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是

12、r 倍的基本退避时间。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。,争用期的长度,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,最短有效帧长,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,强化碰撞,当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止

13、发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。,人为干扰信号,A,B,t,B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。,4.2.2 传统以太网的连接方法,传统以太网可使用的传输媒体有四种： 铜缆（粗缆，细缆） 铜线（双绞线） 光缆 这样，以太网就有四种不同的物理层。,铜缆或铜线连接到以太网 的示意图,主机箱,主机箱,主机箱,双绞线,集线器,BNC T 型接头,收发器电缆,网卡,插入式 分接头,MAU,MDI,保护外层,外导体屏蔽层,内导体,收发器,D

14、B-15 连接器,BNC 连接器 插口,RJ-45 插头,星形网 10BASE-T,不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。,以太网在局域网中的统治地位,10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位

15、奠定了牢固的基础。,集线器的一些特点,集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。,具有三个端口的集线器,集 线 器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,4.2.3 局域网常用传输媒体,同轴电缆 双绞线 双绞线的制作步骤,同轴电缆 同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。有两种广泛使用的同轴电缆。一种是50欧姆电缆，用于数字传输

16、，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆（细缆）；另一种是75欧姆电缆，用于模拟传输，宽带同轴电缆（粗缆）。 细缆的最大传输距离是185米，粗缆的最大传输距离是500米，无论是细缆还是粗缆都最多只能连5段。 在局域网中很多地方同轴电缆已经被光缆所取代，但是在某些网络中还是以同轴电缆为主，比如：有线电视等。,同轴电缆,同轴电缆,双绞线（一般长度不超过100米） 双绞线是由两股互相绝缘的导线绞合在一起并封装在另一个绝缘护套里，绞合的金属线对产生互相屏蔽作用。 （1）屏蔽双绞线（ Shielded Twisted-pair） ：外层包一层皱纹状的屏蔽金属物质，抗干扰效果好但价格昂贵。 （2）非屏蔽双绞

17、线（ unshielded Twisted-pair）,屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP),以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音,EIA/TIA 为非屏蔽双绞线制定了布线标准,双绞线外没有任何附加屏蔽,（2）非屏蔽双绞线的接线方法：有四对细铜线组成，它们的颜色分别是：第一对（白蓝/蓝）、第二对（白橙/橙）、第三对（白绿/绿）、第四对（白棕/棕）。质量比较好的双绞线CAT5电缆第二对和第三对绞的多为4次/inch，第一对和第四对绞的少为3次/inch，绞的越多，屏蔽效果越好，抗干扰性能就越好。实际上在标准的以太网中用双绞线通信的过程中白橙/橙和白绿/绿这两对线在起作用。 （3）RJ-45头

18、（水晶头）：在用双绞线连接的网络中，双绞线和网络设备的连接处用RJ-45头。,(3)RJ-45头,(3)RJ-45头,RJ-45插座,（4）RJ-45头和CAT5的连接（网线的连接标准） ANSI：（American National Standards Institute ）美国国家标准协会 TIA：（Telecommunication Industries Association）电信工业协会 EIA：（Electronic Industries Association）电子工业协会 我们在使用UTP制作网线时，遵循ANSI/TIA/EIA568A（T568A）和ANSI/TIA/EIA5

19、68B （T568B）标准。网线的制作有两种方法： 其中：一种是两个头都按568B的线序来制作称为“直通线”，用于连接计算机和其他交换设备；另一种是一头做568A另一头做568B称为“交叉线”。交叉线现在较少使用，一般是用在双机互联上面（网卡接网卡）,（4）RJ-45头和CAT5的连接（网线的连接标准）,T568A排线线序,T568B排线线序,（4）RJ-45头和CAT5的连接（网线的连接标准）,八根芯线的作用,对应网卡的八角,(4)网线制作1,(4)网线制作2,详解如何制作双绞线,双绞线两端头通过RJ-45水晶头连接网卡和集线器，需在双绞线两端压制水晶头，压制水晶头需使用专用卡线钳制作。下图

20、是已经制作好的双绞线：,如何制作双绞线,首先，我们要了解一下制作双绞线的材料和工具：双绞线、RJ-45水晶头、压线钳、测线仪（如下图） RJ-45水晶头 双绞线,压线钳,测线仪,接下来以EIA/TIA 568B 标准来制作步骤：,（1) 利用斜口错剪下所需要的双绞线长度，然后再利用双绞线剥线切口将双绞线的外皮除去23厘米。 有一些双绞线电缆上含有一条柔软的尼龙绳，如果您在剥除双绞线的外皮时，觉得裸露出的部分太短，而不利于制作RJ45接头时，可以紧握双绞线外皮，再捏住尼龙线往外皮的下方剥开，就可以得到较长的裸露线。（如下图）,（2) 接下来就要进行拨线的操作。将裸露的双绞线中的橙色对线拨向自己的

21、左方，棕色对线拨向右方向，绿色对线拨向前方，蓝色对线拨向后方，如下图所示。 左：橙 ，前：绿 ，后：蓝 ，右：棕,（3）小心的剥开每一对线，因为我们是遵循EIATIA 568B的标准(白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕）排列好（如下图所示）。,（4）将裸露出的双绞线用剪刀或斜口钳剪齐。最后再将双绞线的每一根线依序放入RJ45接头的引脚内，第一只引脚内应该放白橙色的线，其余类推，如下图：,（5)确定双绞线的每根线是否按正确顺序放置，并查看每根线是否进入到水晶头的底部位置，如下图所示：,(6)用RJ45压线钳压接RJ45接头，把水晶头里的八块小铜片压下去后，使每一块铜片的尖角都触到一根铜线。如下图所示,（6

22、)重复步骤1到步骤6,再制作另一端的RJ45接头。因为工作站与集线器之间是直接对接，所以另一端RJ45接头的引脚接法完全一样。 （7）最后用测线仪测试网线和水晶头是否连接正常，如果两组1、2、3、4、5、6、7、8指标灯对应的灯同时亮，刚表示制作双绞线制作成功。（如下图所示）,网线制作线序简单记 水晶头制作方法分两种:一种是两个头都按568B的线序来制作称为“直通线”,另一种是一头做568A另一头做568B称为“交叉线”。交叉线现在较少使用，一般是用在双机互联上面（网卡接网卡）。大家只要掌握568B（橙绿蓝棕）的制作方法就行了，学校机房的交换机与电脑都是使用568B的直通线。 不管做568A或

23、者是568B都可以用以下最简单的记忆方法：(适用于568B和568A) 1.橙绿蓝棕(568B,直通线制作方法,568A是绿橙蓝棕) 2.混色在左.(4组线中分为纯色和混色两种,把它们按上述的线序一对对拆开) 3.四六对调(在第二步的基础上将第4条线与第6条线交换位置,实际上已经达到1-3,2-6互绞目的了.即568B的蓝-绿,或者是568A的蓝-橙) 4.铜片朝脸(水晶头有卡片的朝外,有8个铜片的向脸,将网线理直,插到底) 网线制时难点是:线序不要搞错。 其它的一些注意事项是：网线外皮要有一部份套在水晶头中间,具体长度要在实践中慢慢体味。,4.2.4 集线器,集线器是使用电子器件来模拟实际电

24、缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。,集线器（HUB）,功能： 放大接收到的信号 以太网的集中连接点 缺点： 无过滤 无路径检测、交换功能 不同速率的不能级联,集线器 -分类,按端口数量分 这是最基本的分类标准之一 目前主流集线器主要有8口、16口和24口等几大类,集线器 -分类,按提供的带宽划分 10Mbps集线器 100Mbps集线器 10/100Mbps双速集线器 也称：10/100Mbps自适应集线器,随着计算机技术

25、的发展，Hub又分为切换式、共享式和可堆叠共享式三种。 （1）切换式Hub 一个切换式Hub重新生成每一个信号并在发送前过滤每一个包，而且只将其发送到目的地址。切换式Hub可以使10Mbps和100Mbps的站点用于同一网段中。 （2）共享式Hub 共享式Hub提供了所有连接点的站点间共享一个最大频宽。例如，一个连接着几个工作站或服务器的100Mbps共享式Hub所提供的最大频宽为100Mbps，与它连接的站点共享这个频宽。共享式Hub不过滤或重新生成信号，所有与之相连的站点必须以同一速度工作（10Mbps或100Mbps）。所以共享式Hub比切换式Hub价格便宜。 （3）堆叠共享式Hub 堆

26、叠共享式Hub是共享式Hub中的一种，当它们级连在一起时，可看作是网中的一个大Hub。当6个8口的Hub级连在一起时，可以看作是1个48口的Hub,集线器（Hub）,集线器,集线器,4.3 以太网的 MAC 层 4.3.1 MAC 层的硬件地址,在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”，所以本课程也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,第 1,最高位 最先发送,最低位,最高位,最低位 最后发送,00110101 01111011 0001

27、0010 00000000 00000000 00000001,最低位 最先发送,最高位,最低位,最高位 最后发送,机构惟一标志符 OUI,扩展标志符,高位在前,低位在前,十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80,二进制表示的 EUI-48 地址：,第 1 字节,第 6 字节,字节顺序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,第 1,字节顺序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000,802.5 802.6,802.3 802.4,网卡上的硬件地址,路由器,

28、1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,路由器由于同时连接到两个网络上， 因此它有两块网卡和两个硬件地址。,网卡检查 MAC 地址,网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址. 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧（一对一） 广播(broadcast)帧（一对全体） 多播(multicast)帧（一对多）,4

29、.3.2 两种不同的 MAC 帧格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,MAC 帧,字节,6,6,2,4,IP 层,物理层,目的地址,源地址,长度/类型,FCS,MAC 层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始 定界符,7 字节,1 字节,数 据,MAC 子层,IP 层,LLC 子层,这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用,43 1497,1,1,1,DSAP,SSAP,控制,从以太网到IEEE 802.3,19

30、76年，Xerox公司建成世界上第一个CSMA/CD局域网（2.94Mbps），在一公里长的粗同轴电缆上连接了100多个个人工作站，此系统被称作以太网（Ethernet）。 以太网的成功促使Xerox、DEC和Intel联合开发该产品，并制定了一个10Mbps的以太网标准。IEEE 802.3标准正是建立在此标准之上。,IEEE 802 和Ethernet II,局域网中的多种帧格式产生的原因 1980 DEC,Intel,Xerox制订了Ethernet I的标准 1982 DEC,Intel,Xerox又制订了Ehternet II的标准 1982 IEEE开始研究Ethernet的国际标

31、准802.3 1983 Novell基于IEEE的802.3的原始版开发了专用的Ethernet帧格式 1985 IEEE推出IEEE 802.3规范 后来为解决EthernetII与802.3帧格式的兼容问题推出折衷的Ethernet SNAP格式,局域网扩展方式,按介质访问控制方式分类 共享介质局域网（用集线器扩展局域网 ） 交换局域网 目前在实际应用中大都采用交换局域网,共享式以太网的缺点,网络内节点共享信道带宽 例如：信道容量=10Mbps，如果网络内有10个节点，则每个节点平均只能拥有1/10的信道带宽。 因此，网络内节点增加将导致网络通信速率急速下降。,提高网络性能的方法,减小冲突

32、域 减小网络内广播的范围。将一个大的冲突域划分为多个小的冲突域。 例如：使用网桥、交换机隔离冲突域 将介质访问控制方法从共享式转变为交换式 例如：使用交换机,用多个集线器可连成更大的局域网,4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网,集线器,集线器,一系,二系,集线器,三系,三个独立的碰撞域,碰撞域,也称冲突域，就是同一时间内不允许同时发送数据的机器的范围，如使用HUB连接多台机器，由于这些机器在任一时间内只有一台机器可以对外发送数据，所以使用HUB连接的所有机器都在同一冲突域内，包括级联出去的。,100m,100m,5m,100m,100m,用多个集线器可连成更大的局域网,优点 使

33、原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,用集线器扩展局域网,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口,4.4.2 在数据链路层扩展局域网,1. 网桥的内部结构,站表,端口管理 软件,网桥协议 实体,端口 1,端口 2,缓存,网段

34、 B,网段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,端口,网桥,网桥,过滤通信量。 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（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。,使用网桥带来的好处,存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,使用网桥带来的缺点,集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。

35、若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。 在这一点上网桥的接口很像一个网卡。,网桥和集线器（或转发器）不同,目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)，各网桥自己决定如何选路。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。,2. 透明网桥,透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。 发现帧

36、到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。,3. 源路由网桥,1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。 交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。 以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。,4. 多端口网桥以太网交换机,交换机与集线器的区别,交换机的作用是对封装的数据包进行转发，并减少冲突域，隔离广播风暴。

37、从组网的形式看，交换机与集线器非常类似，但实际工作原理有很大的不同。 从OSI体系结构看，集线器工作在 OSI/RM的第一层，是一种物理层的连接设备，因而它只对数据的传输进行同步、放大和整形处理，不能对数据传输的短帧、碎片等进行有效的处理，不进行差错处理，不能保证数据的完整性和正确性。交换机工作在OSI的第二层，属于数据链路层的连接设备，不但可以对数据的传输进行同步、放大和整形处理，还提供数据的完整性和正确性的保证。,交换机与集线器的区别,从工作方式和带宽来看，集线器是一种广播模式，一个端口发送信息，所有的端口都可以接收到，容易发生广播风暴；同时集线器共享带宽，当两个端口间通信时，其它端口只能

38、等待。交换机是一种交换方式，一个端口发送信息，只有目的端口可以接收到，能够有效的隔离冲突域，抑制广播风暴；同时每个端口都有自己的独立带宽，两个端口间的通信不影响其它端口间的通信。,以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。 交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。,以太网交换机的特点,对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。 使用以太网交换机时，虽然在每个端口到

39、主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户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，因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。,独占传输媒体的带宽,用以太网交换机扩展局域网,集线器,集线器,集线器,一系,三系,二系,10BASE-T,至因特网,100 Mb/s,100 Mb/s,100 Mb/s,万维网 服务器,电子邮件 服务器,以太网 交换机,路由器,交换式以太网的提出,共享式以太网存在的问题 覆盖的地理范围有限 网络总带宽容量固定 不能支持多种速率 “交换”的提出 交换：网络连接设备从一个端口得到的信息只复制到目的端口 集线器-交

40、换机 使用交换设备将网络分段 将一个大型的以太网分割成2个或多个小型的以太网 每个段使用CSMA/CD介质访问控制方法维持段内用户的通信 段与段之间通过一种“交换”设备进行沟通 这种“交换”设备可以将在一段接收到的信息，经过简单的处理转发给另一段,以太网交换机的工作过程,交换式以太网的核心是一个以太网交换机。 交换机有一个高速背板，此背板通常被划分成多个以太网段，每个网段由一个模块支持并构成一个冲突域（ collision domain）。 当某个站点发送的数据帧到达交换机时，交换机上的以太网模块首先检查该帧的目的地址所指向的站点是否在同一个以太网模块上。如果是，就复制该帧，并把它复制到对应的

41、端口上；否则，就将该帧通过交换机的高速背板转发到另一个连接着目的站点的以太网模块上。,交换式以太网,交换式以太网,第三层交换技术,简单的说，第三层交换技术就是“第二层交换技术+第三层转发”。第三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。 一个具有第三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是两者的有机结合，而不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。,虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。 这些网段具有某些共同的需求。 每一个 VLAN

42、 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。,4.5 虚拟局域网 4.5.1 虚拟局域网的概念,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网

43、VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,当 B1 向 VLAN2 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。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1 都不会收到 B1 发出的广播信息。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换

44、机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成,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(即“广播风暴”)而引起性能恶化。,虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,4.5.2 虚拟局域网使用的 以太网帧格式,4.6 高速以太网 4.6.1 100BASE-T 以太网,速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CS

45、MA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。,100BASE-T 以太网的特点,可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。,三种不同的物理层标准,100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX 使用 2 对光纤。 100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。,4.6.2 吉比特以太网,允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。

46、 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。,吉比特以太网的物理层,1000BASE-X 基于光纤通道的物理层： 1000BASE-SX SX表示短波长 1000BASE-LX LX表示长波长 1000BASE-CX CX表示铜线 1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP,吉比特以太网的配置举例,1 Gb/s 链路,吉比特 交换 集线器,百兆比特或吉比特集线器,100 Mb/s 链路,中央服务器,4.6.3 10 吉比特以太网,10 吉比特

47、以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,吉比特以太网的物理层,局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。 为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。,端到端的以太网传输,10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。 这种工作方式的好处是： 成熟的技术 互操作性很好 在广域网中使用以太网时价格便宜。 统一的帧格式简化了操作和管理。,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网