《计算机网络基础》第3章局域网

1、第3章 局域网3 概述 32 局域网协议标准 33 以太网协议 34 以太网组网的发展原理 返回3局域网概述311基本概念312局域网的发展313局域网的特点314局域网的分类返回311基本概念一般来说，局域网是地理范围比较小的网络，“局域”是相对于城域和广域的范围来说的局域网应用非常广泛，大部分网络的应用都是以局域网的形式出现的，如企业网、校园网等都是以局域网作为最基本的网络应用单元，当需要与其它分支机构通信时，可以通过广域网互连的方式形成一个完整的信息管理系统当谈到局域网的时候有时可能是指一种网络类型有时可能是指一种网络应用系统有时还可能是指某种网络协议本章将以以太网作为实例介绍局域网通信

2、子网协议 返回312局域网的发展历史1试验阶段2产品化阶段3标准化阶段4发展阶段返回1试验阶段1969 年广域网 ARPAnet 研制成功 (是个广域网)当时许多大学和研究机构的工作人员都在致力于研究如何在一个比较小的地理范围之内，辟如说一个实验室、办公室或一栋楼房，把一些小型机等计算机设备通过通信设施连接起来，以便共享资源 1969 年，美国贝尔实验室研究了 Newhall 环形局域网 1972 年开发了 Pierce 环形网络 1974 年英国剑桥大学计算机研究室研究成功了著名的剑桥环局域网（Cambridge-Ring） 1976年美国 Xerox 公司 Palo Alto 研究中心利用

3、夏威夷大学 ALOHA 无线电网络系统原理成功开发了以太网（Ethernet） 返回2产品化阶段1980 年美国DEC 公司 、Intel 公司和Xerox 公司联合公布了以太规范 DIX 标准（局域网发展的里程碑）1985 年 IBM 公司又推出了它的 IBM Token Ring 环形局域网产品 3标准化阶段进入80 年代，局域网的研制工作开始由实验室走向产品化和标准化的阶段 1980 年 2 月，IEEE 学会下属的 802 局域网标准委员会宣告成立（开始对局域网进行标准化） 从1980年至今，802 委员会已陆续制定了环网、总线网、令牌总线网、光纤网、宽带网、城域网和无线网等多种局域网

4、标准 4发展阶段速度从10Mb/s发展到100Mb/s继之又发展到1Gb/s即千兆以太网使得以太网形成了从共享到交换；从半双工到全双工；从桌面到骨干；从局域网到城域网的系列技术 令牌环网逐渐失去了其应有的市场 FDDI环形网在局域骨干网领域也失去了与以太网的竞争力 宽带网ATM曾以其信元交换的特性与以太网在局域网领域竞争，最后也被淘汰出局 万兆以太网现在万兆（10Gb/s）以太网的标准已经发布（并且有了产品）10G以太网不只是提高了速度，更主要的是要把以太网用于广域网WAN领域这样以太网就可以实现：从LAN到MAN再到WAN的无缝连接从骨干传输网到接入网最后再到桌面 313局域网的特点 局域网

5、的定义：局域网是在较小的地理范围内，以共享资源为主要目的，把计算机等终端设备连接起来的一种计算机通信网络 返回局域网具有以下几个特点： 1局域网是在较小地理范围之内的网络 2局域网是专用网 3局域网的数据传输率高，误码率低 4局域网使用共享信道技术 5局域网价格低廉、组网容易、使用方便 314局域网分类 按拓扑结构分，可以把局域网分成总线型、树型、环型和星型 按使用介质分可以把局域网分成有线网和无线网 在有线网中，又包括双绞线、同轴电缆和光纤 无线局域网是指以红外、微波作为传输介质的网络 还可以按介质访问控制方式分返回其它分类有时还根据局域网使用的操作系统： 3COM 网Novell 网NT

6、网 32局域网协议标准321共享介质的访问控制322局域网体系结构323 IEEE802标准返回321共享介质的访问控制1共享介质访问控制方式2令牌环介质访问控制方式3随机访问返回1共享介质访问控制方式局域网最主要的特点是共享介质，又称为共享信道所谓共享介质就是所有站点（计算机）都连接在一条物理线路上当一个站点发送信息时，其他站点都可以收到，处于广播方式发送信息，因此，共享信道有时又称为广播信道与点对点的交换方式相比较，共享介质虽然比较简单、节省设备，但是带来的问题是如何进行控制，使两个站点不会同时发送信息，否则就将发生信息冲突人们把这种机制称为共享介质的访问控制方式返回介质访问控制方式的种类

7、有多种介质访问控制方式一般分为静态和动态两种例如多路复用即采用静态访问控制动态访问控制又分为两种，包括集中控制和分散控制集中控制要设置一个控制站，通过轮询的方式控制在同一个时刻只能有一个站点发送信息，这种方式由于效率低，在局域网中很少采用局域网采用分散控制分散控制又分为两种主要方式，一种是受控访问，称为令牌环访问控制方式还有一种是随机访问，称为以太网访问控制方式 2令牌环介质访问控制方式 环型网主要有三种介质访问控制方式：令牌环时间片寄存器插入在这三种方式中，令牌环是最主要的访问控制方式，已由IEEE 802委员会建议成为局域网协议标准之一，即IEEE 802.5，这里只讨论令牌环方式 在令牌

8、环网中，按照某一个固定的方向运行着一个信息帧。帧在经过某一个站点时，一般只产生一位的延迟，所以这种环型网属于广播方式在信息帧中有一个特殊的称为令牌的位组合，它控制信息帧的传输令牌经所有站点沿着环路运行，若某个站点没有信息可发，就把令牌传送到下一个站点若某个站点有信息可发，并且恰好得到令牌，则把要发送的信息复制到令牌帧上，并给出源、目的地址，然后修改令牌，使令牌帧传送到目的站点没有得到令牌的站点此时只能处于接收状态凡站点地址与令牌帧上目的地址不相符的站点，则把令牌帧继续传递下去若相符，则接收数据，修改应答字段，使令牌帧继续传送直至回到源发送站点源发送站点检查应答字段，若已正确接收，则释放令牌，以

9、便其他站点也有机会得到令牌，若目的站点没有正确接收，则重发此帧由于在任何时刻都只有一个令牌，并且只能有一个站点发送信息，所以不会发生信息冲突，实现了信道的访问控制。令牌环网的典型实例是美国贝尔实验室的Newhall环型网，如图3-1所示 图3-1 Newhall环网S表示帧的开始，E表示帧的结束，该环的令牌格式只有一位T，所以为了和用户数据严格区分开，只能依靠严格的帧格式位置来识别令牌位 IBM Token Ring1985年，IBM公司推出了基带环网IBM Token Ring，采用令牌访问控制方式，IEEE 802.5就是以此为基础制定的标准IBM Token Ring是一种星环型拓扑结构

10、，具有比较高的可靠性，支持4Mbps或16 Mbps的数据传输率，可以使用屏蔽双绞线、普通电话双绞线和光纤介质当使用屏蔽双绞线时可以连接2260台设备，网络的覆盖范围没有限制，只受站点数限制 FDDI1986年推出了一种称为光纤分布数据接口（Fibre Distributed Data Interface，FDDI）的环型局域网，传输速率是100Mbps，传输距离最大可以达到100公里FDDI的设计思想来自于IBM Token Ring，为了提供网络的可靠性，FDDI采用了双环结构FDDI作为局域网的主干是当时一个非常好的选择，但是由于价格等市场因素，加之ATM和快速以太网技术的出现，FDDI

11、没有得到继续发展，现在已经很少使用了 3随机访问随机访问是局域网中非常重要的一种共享介质访问控制方式，又称为多路访问技术，其设计灵感来自于美国夏威夷大学的无线校园网ALOHA因为夏威夷大学的各个系分布在一些岛屿上，所以ALOHA原来工作在无线信道上，后来经过改进使ALOHA可以工作在有线的同轴电缆上ALOHA发送数据采用典型的随机访问方式：任何一个站点都可以随机发送信息帧到信道上，每个站点都有一个定时机构，信息帧发出后开始定时，接收站收到帧后，如果校验正确，发回ACK，表示一次信息发送获得成功如果接收站收不到正确的帧则不作任何应答，原来的发送站在定时时间内如果收不到ACK，则认为帧在传输过程中

12、发生了冲突而必须重新发送由此可见，这种随机访问方式的特点是协议非常简单，但是也存在很多的问题 。如图 3-2所示 图3-2纯ALOHA访问方式ALOHA访问方式规定每个帧的长度一定，用t0的时间延迟来表示帧长，站点1发送的帧1成功，站点2发送的帧2与站点3发送的帧3发生冲突，说明发送信息失败，这时必须全部重发站点2发送的帧4与站点1发送的帧5又发生冲突，因此还必须重发，而站点3发送的帧6成功大量地重发信息必然导致信道拥塞，使得信息发送的效率下降，因此这种方式在结点数比较少或者信息量比较小时，发送信息时延小，信息传输率高但在结点数比较多或者信息量比较大时，信息发生冲突的机会加大，网络性能将急骤变

13、差 由于随机访问方式协议简单，因此人们开始不断进行研究和改进，从纯ALOHA一直到CSMA/CD方式，使得网络传输效率不断得到提高，最后达到了90%，这就是后来采用随机访问方式的以太网随机访问方式又称为总线竞争方式 受控访问随机访问：分散控制：集中控制探询轮询令牌环以太网动态静态 集中器等介质访问控制方式：共享介质访问的特点：局域网与广域网不同：广域网是点对点连接，广域网的各结点都是结点交换机局域网是共享信道共享信道的特点是一个结点发送信息多个结点都可以接收这种传输信息的方式又称作广播方式 322局域网体系结构回顾一下前面所讨论的内容广域网采用分组交换，通信子网一般分为三层，包括物理层、链路层

14、和网络层其中网络层的作用是实现交换、路由和流量控制局域网的通信子网与广域网有很多的不同，局域网是共享介质、广播方式，采用共享介质访问控制实现数据的发送与接收，因此局域网通信子网的体系结构与广域网存在着很大的区别，主要体现在：第一，局域网是共享介质的，不需要分组交换，因此基本上不需要网络层，或者说，局域网的网络层可以做的很薄第二，局域网通过共享介质访问控制实现数据的传输，而实现底层数据传输的功能是由链路层实现的，因此局域网链路层的功能变得比较复杂，也就是说，局域网的链路层可能要做的很厚，甚至要分为两个子层以便更好地实现链路层的功能第三，由于局域网采用不同的介质访问控制方式，因此很难制定一个统一的

15、链路层标准返回 IEEE 802局域网标准20世纪80年代初，许多标准化组织都在致力于局域网的标准化，美国电气和电子工程师协会IEEE 802委员制定了IEEE 802局域网标准，得到了ISO的认可，成为局域网的国际标准IEEE只制定了局域网物理层和链路层的标准，如果不考虑网络互连，可以不需要独立的网络层，而把网络层的部分功能合并到链路层高层协议遵从OSI的标准，由具体应用实现，因此IEEE802实质上只是一个通信子网的协议标准把链路层分为两个子层：逻辑链路控制子层（Logical Link Control，LLC）媒体控制子层（Medium Access Control，MAC）如图3-3所

16、示 图3-3 局域网标准该标准还描述了与OSI相比较的分层模型LLC子层的作用与以前的链路层作用相当，通过差错控制和流量控制功能实现无差错的LLC协议数据单元的传输MAC子层的功能是实现局域网共享信道的访问控制，把LLC子层的数据封装成帧并进行发送（或相反的接收过程），而且进行比特差错检测和寻址等 把链路层分为两个子层，其目的是为了由LLC子层屏蔽不同的介质和拓扑结构的局域网带来的差异这种差异体现在MAC子层的控制，这样高层协议就可以适用于各种局域网，包括总线网、令牌环网和令牌总线网等局域网对于高层是透明的，这是由于LLC子层的屏蔽作用所致323 IEEE802标准IEEE802局域网工作委员

17、会共设有若干个分委员会，分别负责制定相应的标准，有些标准还在不断的制定中 返回常用的标准包括：802.1：802标准的概述、体系结构、网络互连和网络管理。802.2：逻辑链路控制子层LLC标准，是高层协议与MAC子层间的接口。802.3：CSMA/CD协议标准，定义了CSMA/CD总线的MAC子层和物理层标准。802.4：令牌总线网，定义了令牌传递总线网的MAC子层和物理层标准。802.5：令牌环网，定义了令牌传递环网的MAC子层和物理层标准。802.11：无线局域网。802.12：100VG百兆网。802.15：无线个人区域网802.16：无线城域网802.20：无线广域网（标准正在制订中）

18、802.3：快速以太网。802.3z：千兆以太网。802.3ae：万兆以太网。图3-4所示为早期由ISO认可的几个有关标准间关系的分层结构图 图3-4 802标准间的关系802.2802.2是逻辑链路控制子层的标准，协议规定任何结构类型的局域网都必须有LLC子层（现在已经发生变化），不同局域网的MAC子层和物理层则分别描述 802.3802.3是关于采用CSMA/CD随机访问方式的标准，802.3与以太网规范虽然有些差异，但基本上是以以太网作为基准的，所以有时又把802.3称为以太网标准802.5802.5是令牌环网的标准，是以IBM Token Ring令牌环局域网作为基准的，所以有时又把8

19、02.5称为令牌环标准 以太网结点与网络之间的物理接口简单、使用方便，在负载量较小时性能优越但早期以太网的缺点是负载很重时，由于冲突增多，网络效率下降，到了交换型以太网时解决了这个问题令牌环网时延固定，适合于高负载下工作，但令牌环网的物理接口是有源的，可靠性差 33以太网协议331 CSMA/CD协议332以太网标准333帧格式334网络接口层返回331 CSMA/CD协议1972年底，Xerox公司Palo Alto研究中心的Metcalfe确信可以对夏威夷大学的ALOHA网络进行优化，提高信道的利用率于是Metcalfe和David Boggs一起设计了一个新的网络，并于1973年5月投入

20、运行他们把这个网络命名为以太网，最初的网络传输速率是2.94Mbps，后来又制定了10Mbps的以太网标准以太网是采用随机访问方式的局域网，但是与ALOHA不同，以太网采用了载波侦听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access Collision /Detection，CSMA/CD）技术网络上的计算机被称为工作站（站或站点），在站看来，总线有两种状态，一种是忙，一种是空闲。一个站不是完全随机发送信息到信道上的，而是在发送之前先侦听总线是否空闲，也就是说，是否有其它站正在发送信息，如果没有，则发送，如果有，则等待，这样就可以有效地减少信息的冲突 返回这种方式又

21、称为先听后发。由于载波侦听，减少了许多冲突机会，但冲突还是不可避免的，这是由于传输延迟造成的，如图3-5所示 站站tt冲突t0t1图3-5 传输延迟 站1发送的帧传输到站2需要一个延迟，在t0时刻站2侦听到信道空闲则发送信息，于是在t1时刻发生了冲突站间距离越远，越容易发生这种冲突于是CSMA/CD增加了冲突检测功能，实际上是一边发送帧，一边继续侦听，一旦侦听到发生了冲突，则立即停止发送，使信道进入空闲期，因而提高了信道的利用率在实际网络中，为了使每个站都能正确地判断是否发生了冲突，往往采取一种强化冲突的措施当发送站一旦发现发生了冲突，除立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号

22、，以便让所有站都知道现在已经发生了冲突。冲突后还必须适当地延迟一段时间准备重新发送 2发送数据的过程在发送数据之前，必须先进行侦听，如果总线忙就必须等待并继续侦听，如果总线空闲就把帧立即发出为了检测冲突，必须一边发送帧，一边继续侦听，直至没有冲突才意味着发送成功由于在侦听的整个过程中必须保证数据一直在发送，因此协议对以太网的MAC帧规定了一个最小帧长的限制，如果高层数据小于这个限制值就要进行填充如果在发送过程中检测到发生了冲突，则立即停止发送帧，并向总线发送一个冲突强化信号，让其它站知道发生了冲突，等待一段时间后再重发刚才的帧碰撞后形成的一个不完整的帧称为碎片，接收站必须丢弃 3接收数据的过程

23、网络上的站如果没有发送数据就处于接收数据状态接收一个帧时首先要判断是否为碎片，如果是碎片就丢弃，否则判断目的地址若与本站地址不符合就丢弃，若符合就进行CRC校验若校验错误就丢弃，否则就接收以上讨论的是目的地址为单地址的情况，CSMA/CD还规定了一种广播地址和组播地址。广播地址是为了把广播信息发往网络上所有站而设置的一种地址，当目的地址为全1时规定为广播地址，组播地址是为把信息发往某一个组的地址。对发往这两种目标地址的信息，接收站也必须接收 由此可见，随机访问方式是一种半双工数据传输方式，也就是说，两个站不能同时发送数据，当一个站发送数据时，其它站只能处于接收数据（侦听）状态包括令牌环网和以太

24、网在内的早期局域网都采用半双工方式以太网在推出了后来的交换技术后又推出了全双工数据传输技术，因而提高了数据传输效率 332以太网标准以太网有两个协议标准1980年9月，由DEC公司、Intel公司和Xerox公司合作提出了以太网规约DIX V1，是以太网的第一个标准DIX是这三个公司名字的缩写1982年又推出了第二版DIX Ethernet V2 返回IEEE 802委员会在以太网规约的基础上对以太网进行了标准化，这就是IEEE802.3协议标准IEEE 802.3与DIX Ethernet V2基本相似，只是对帧格式作了很小的改动这样导致以太网出现了两个协议标准：以太网协议标准IEEE 80

25、2.3这两个协议标准是兼容的，可以在同一个网络中运行人们一般所说的以太网是DIX Ethernet V2，而不是IEEE 802.3，但是有时不加以区别 两种以太网协议MAC帧的字段数相同，字节数也相同不同的是在帧的地址字段后有一个两字节的字段DIX Ethernet V2把这个字段定义成协议类型而IEEE802.3则把这个字段（同样是两字节）定义成长度/类型，其中的长度表示帧中数据字段的长度 局域网设置LLC子层以屏蔽不同的介质访问控制方式，IEEE802.3协议严格遵照这个规定，所以802.3的LLC子层先把上层PDU数据封装在LLC帧中，MAC子层再把LLC帧封装在MAC帧中，如图3-6

26、所示 IEEE802.3高层PDULLC首部LLC数据MAC数据MAC首部MAC尾部图3-6 802.3数据单元的关系 DIX Ethernet以太网协议则不然，DIX Ethernet没有LLC子层，直接把上层PDU数据封装在MAC帧中，并由类型字段指出上层协议的类型，如图3-7所示 DIX Ethernet高层PDUMAC数据MAC首部MAC尾部图3-7 DIX Ethernet数据单元的关系DIX Ethernet的这种封装现在看来是非常实用的，因为现在的局域网市场已经形成了以太网独占的局面，其它的MAC协议已经基本上不存在，LLC子层已经没有实际意义事实上现在很多公司的以太网产品中只有

27、MAC子层，没有LLC子层333帧格式MAC帧格式如图3-8所示 返回SFDCDASAPAFCSDATA7B1B6B6B2B4B46-1500B图3-8 DIX Ethernet MAC帧格式PA称前导码，共7个字节，内容是代码“10”的重复。它的作用是用来使物理收发信号在接收帧时达到稳定状态，PA在物理层由硬件产生SFD是帧开始定界符，它表示一个有效帧的开始，长度为1个字节，格式为10101011C是类型字段，占两个字节，其值表示高层协议的类型。DATA是高层传送的协议数据单元，DATA的长度是461500字节。长度不得低于46字节，否则需要比特填充为什么要填充呢？这是由于CSMA/CD协议

28、的特性规定的，协议规定发送站一边发送数据一边侦听是否发生冲突，如果帧太短，没等检测到冲突，帧已经发送完了，因此无法进行冲突检测FCS是帧校验序列，采用32位CRC循环冗余校验码 MAC地址计算机之间通信时要给出目的计算机地址，地址是网络上计算机的惟一标识，在DIX Ethernet协议中是MAC地址MAC地址都固化在网卡中，所以MAC地址有时又称为网卡地址。以太网帧格式中有两个地址，一个是源地址SA，一个是目的地址DA，下面以目的地址为例进行介绍。 以太网协议规定MAC地址为48位的二进制数，共6个字节，用12位十六进制数表示，例如“02-60-8C-00-AC-DE”表示成二进制的地址格式如

29、图3-9所示 00000010 01100000 10001100 00000000 10101100 11011110 图3-9 MAC地址 其中，前三个字节称为机构惟一标识符OUI，表示生产网卡的公司标识，由IEEE的RAC机构指定后三个字节称为扩展惟一标识符EUI，由生产网卡的公司指定这样可以保证所生产的网卡地址在全世界惟一需要说明的是地址格式最高字节（最左侧）的最低位规定为单站地址/多播地址标识符，该位为“0”表示是个单站地址，该位为“1”表示是个多播地址例如图3-9表示的地址是一个单站地址 从MAC帧格式可见，以太网帧中没有关于序号和确认的字段，那就是说，以太网在进行数据传输时没有可

30、靠性的保证以太网的MAC子层，也就是其链路层，只是尽力进行链路层帧的传输。与HDLC协议相比较，不进行连接，不进行差错控制，也不进行流量控制，是一种不可靠的数据传输，但事实证明，以太网的数据传输效率是很高的由于以太网是局域网，信道质量是可靠的，因此出现差错的几率很小 实际上，从以太网MAC帧格式中可以看出，以太网并非不进行差错控制，只不过差错控制的方式与HDLC不同HDLC是在本层进行差错控制以太网在本层即MAC层只进行差错检测当数据传输出现差错时采取的措施是丢弃帧，不在MAC层重发，然后交给高层协议处理例如，如果高层协议是TCP/IP协议就交由TCP层去处理 334网络接口层 所谓网络接口层

31、是借用TCP/IP协议的说法，把链路层（MAC）与物理层合称为网络接口层。如图3-10所示 返回图3-10 MAC和物理层的功能（1）MAC层MAC层的主要功能包括：第一，链路管理，即实现CSMA/CD协议功能第二，以帧的形式进行数据传输第三，数据的封装与解封发送时对来自LLC或者是IP的高层数据进行封装，然后通过物理层传输接收时进行解封，再把数据交由高层处理 （2）物理层 物理层的主要功能包括：第一，曼切斯特编码与译码。发送数据时进行编码，接收数据时进行译码第二，通过网络接口把站点接入网络（即信道）曼切斯特编码是一种性能非常好的二进制编码方法，可以保证数据传输在收发双方同步同步的含义是发送方

32、每发出一个代码，必须保证接收方能够正确地接收到一个代码 （3）物理规范物理规范也即物理层标准，规定网络的传输速率、所采用的传输介质、物理接口、数据传输距离以及网络最大跨距等对于传统以太网，一共有4个物理规范，如图3-11所示 图3-11以太网物理层标准10BASE-5。采用粗同轴电缆作为传输介质，数据传输距离为500m，最大跨距是2.8Km，采用15芯D型AUI物理接口10BASE-2。采用细同轴电缆作为传输介质，BNC T型物理接口，数据传输距离是185m，最大跨距是925m10BASE-T。采用双绞线作为传输介质，用集线器HUB组建成星型网，物理接口是RJ-45，传输距离是100m，最大跨

33、距是500m10BASE-F。采用光纤，也是用HUB进行连网，物理接口是ST，最大跨距是公里 在以上4个物理规范中，规定数据传输速率均为10Mbps不论采用任何介质，都有一个数据传输距离的限制，这是因为信号在线路中传输时将要产生衰减，这种衰减对于信息冲突检测将会产生影响采用中继设备对信号进行放大后可以扩大网络的传输距离，但是以太网对网络的最大跨距有一个限制，以防止频繁的信息冲突造成网络性能的下降在一定数据传输距离内没有采用中继设备时的一段网络被称为网段，是组成以太网的基本单元 34以太网的发展341传统以太网342交换型以太网343 VLAN344高速以太网返回341传统以太网1.基本概念2中

34、继器3集线器返回1.基本概念传统以太网，是指以随机访问CSMA/CD协议为基础的以太网，由于总线竞争的原因导致网段上存在着信息的冲突，因此对传统以太网的覆盖范围和站点数等都要加以限制，否则网络的性能将会变得非常差而导致不可用传统以太网包括的物理规范主要有采用同轴电缆的10BASE-5、10BASE-2和采用HUB与双绞线的10BASE-T 同轴电缆不容易布线，细同轴电缆BNC接口又存在着可靠性差的问题，所以基于同轴电缆的网络目前已经很少使用后来采用双绞线和HUB的星型结构虽然解决了不容易布线和可靠性差的问题，但是由于共享信道的特点，冲突域的问题依然没有解决所谓冲突域就是指在同一个共享信道内，容

35、易产生信息冲突的所有计算机的集合。处于同一个冲突域内的计算机在进行通信时不可避免地将要产生信息的冲突，这是共享信道型网络的固有缺陷，将会影响网络的各项指标以及网络性能这样的网络又被称为共享型网络。2中继器当网络的传输距离需要扩大时，可以采用中继器中继器是一种网络连接设备，可以把两个网段（或多个）连接起来，从而扩大网络的范围如图3-12所示是一个两端口的中继器组成的网络 图3-12 中继器中继器的作用是：从一个端口接收信号，然后对信号进行整形、放大，再从另外一个端口把信号转发出去因此，中继器是物理层连网设备物理层传输是以二进制代码形式，没有任何智能，去往所有站点（包括本端口的站点）的信号均进行转

36、发。结果是在扩大了网络范围的同时也扩大了冲突域，导致数据传输性能变坏因此中继器组成的网络仍然属于共享信道的，互连后的所有站点都在一个冲突域中由于网络的覆盖范围加大，站点数增加，导致网络的性能将会变差 3集线器集线器又称为HUB，是以太网中一种重要的连网设备，用集线器和双绞线组成的网络符合10BASE-T物理规范集线器的设计灵感来自于中继器，实际上集线器是一个多端口的中继器，如图3-13所示 图3-13 集线器用集线器可以组成星型网，站点中的网卡与集线器端口之间通过带有RJ-45插头的双绞线进行连接，因此这种连接方式比较可靠并且不容易松动与10BASE-2那种近似串联的方式不同，这种连接类似于并

37、联，当一个站点插头松动时不会影响到其它站点 集线器上一般可以有多个端口，每个端口连接一个站点，也可以连接别的集线器，形成级联结构，因此用多个集线器设备可以组成一个范围比较大的网络但是由于集线器与中继器的渊源关系，用集线器组成的网络所有的计算机仍然处在同一个冲突域中，网络的范围虽然扩大了，但同时网络的性能也会变得很差实际上用集线器组成的网络在物理上是星型的，受以太网冲突域的制约，在逻辑上仍然是总线型的 在传统以太网中，虽然存在着站点之间的冲突，但是10BASE-T仍然不失为一种重要的组网模式，主要体现是：第一，采用了带有RJ-45插头的双绞线，构成的星型网络提高了网络系统的可靠性第二，由双绞线传

38、输介质直接引入光纤应用于局域网，而应用光纤是提高网络性能的关键措施第三，因为双绞线特别适合于采用星型结构的综合布线，因此推动了大型局域网综合布线技术的发展 342交换型以太网 1网桥2交换机 3交换技术的演进返回1网桥网桥设备代替中继器可以把两个共享型的局域网连接起来，如图3-14所示 图3-14 网桥网桥也是一种网络互连设备，可以实现不同类型的局域网互连网桥实现网络互连是在MAC层实现的在网桥中存放着一张MAC地址表，如表3-1所示 表3-1 网桥中的地址表端口号 MAC地址 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1 2.2 2.3 表项包括端口号及每个端口所连接计算机的MAC地址设第一个端口

39、所连接计算机的MAC地址分别为1.1，1.2和1.3第二个端口所连接计算机的MAC地址分别为2.1，2.2和2.3 网络上某个站点，如1.1在发送MAC帧时都要给出目的站点的MAC地址例如设目的站点的MAC地址为2.3这个包含MAC地址的帧将被发送到网桥上网桥查找MAC地址表，发现这个站点在端口2上，于是在两个端口间形成一个临时的通路，并把帧转发到端口2当帧转发完毕后再立刻断开这个临时的通路 若目的站点的MAC地址为1.3，则1.3站点接收到这个帧同时这个帧也被发送到网桥上，网桥查找MAC地址表发现这个目的地址在本端口，于是丢弃这个帧，并且不予转发 由此看来，网桥具有智能，根据MAC地址对帧进

40、行转发，不符合地址条件的帧将被过滤掉可以看出，网桥既扩大了网络的范围，又没有扩大冲突域通过转发帧的作用扩大了网络的范围，通过过滤的作用又把两个网段隔开，冲突域被限制在各自的网段之内也就是说冲突域没有扩大，带宽却提高了1倍，因此网桥是一种性能非常好的连网设备网桥的MAC地址表可以通过自学习获得，启动后，地址表可能是个空表，随着网络系统不断运行，将逐渐形成所期待的转发地址表 2交换机 交换机是一种多端口网桥，遵循着网桥的工作原理。在交换机上存放着一个MAC地址表，对于进入端口的帧通过查找MAC地址表在不同的端口间进行转发，也就是交换。如图3-15所示是一个4端口的交换机模型 图3-15交换机原理通

41、信时，根据MAC地址，在两个端口之间（如1与3端口）可以形成一条独立的通路，对其它端口没有任何影响并且在多个端口之间可以形成多条同时传输数据的通路，也就是说，用交换机组网已经不存在总线竞争，因此也就摆脱了冲突域的限制，这是以太网技术上的又一个重大突破用交换机连网，扩大了网络连接的范围，增加了网络的带宽，提高了网络的性能，因此可以组成更大范围的网络 交换机与集线器交换机的外形很像集线器，交换机与集线器都是以太网的网络连接设备，但是交换机与集线器却有着截然不同的性能：第一，集线器工作在物理层，交换机工作在MAC子层，因此交换机具有智能。集线器是物理层设备，交换机是MAC层设备，是第二层网络设备第二

42、，用集线器连网，扩大了网络覆盖范围的同时也扩大了冲突域，降低了网络性能；用交换机连网，扩大了网络覆盖范围的同时又增加了网络的带宽，提高了网络的性能因此用集线器连成的网络被称为共享带宽型的网络，用交换机连成的网络被称为独享带宽型的网络举例假设每个端口都只连接一台计算机，一台传输速率为10Mbps并且具有24个端口的集线器，每个端口的计算机所获得的带宽是10/24 Mbps而一台传输速率同样为10Mbps并且具有24个端口的交换机，每台计算机所获得的带宽仍然是10Mbps，网络的总带宽却达到1024 Mbps可见用交换机组网，网络的总带宽提高了 交换机的连接交换机的连接与集线器类似，当要扩大网络范

43、围时，可以把交换机级联有了交换机以后，组网方式更加灵活了例如，交换机可以级联，形成一个较大规模的网络也可以把集线器连接到交换机上，形成一个既有共享、又有独享的复合性网络对于频繁访问的站点，如服务器，可以独享带宽，并且处在网络的最高层次对于带宽要求不高的站点，可以通过集线器共享带宽，并且处在网络比较低的层次。一个交换机与HUB组网的例子如图3-16所示图3-16 交换机与HUB组网广播地址如前所述，以太网是广播信道，当一个站点发送信息时其它所有站点都能“听”到。有时需要利用以太网的广播功能向网络上的所有站点发布信息对于网桥或交换机来说，具有过滤功能就意味着不允许广播信息通过。于是在网桥或交换机中

44、规定，当某一个站点需要发送广播信息时，可以给出一个全“1”地址，这样的地址称为广播地址，网桥或交换机必须予以转发这个规定虽然解决了广播信息的传输问题，但同时在具有多个网桥或交换机的网络中也容易引起一种称为“广播风暴”的现象，广播风暴对网络是有害的，需要尽可能避免 3交换技术的演进毫无疑问，由于交换技术的出现，使得以太网从共享带宽型跨越性地发展到了独享带宽型的局域网，使得以太网的性能发生了质的变化传统以太网的主要特点是协议简单，价格便宜，使用方便，但是传统以太网由于冲突域的限制，使得网络的覆盖范围被限制住了，处在同一个冲突域的站点数也被限制住了，影响了以太网的广泛应用交换技术导致了独享带宽型的网

45、络，独享带宽型的网络使得各个站点之间没有了冲突域的限制，网络的范围得到了扩大，网络上计算机的数量也没有了限制，网络的性能得到了明显提高因此交换型以太网是一种既简单、又便宜、又方便而且性能又好的的局域网交换技术为局域网的发展注入了活力，除了以太网以外，其它类型的局域网也开始采用交换技术，从而推动了局域网技术的发展 交换机技术的发展以太网交换机是一种非常重要的连网设备，是以太网技术发展过程中的又一个里程碑交换机使得以太网摆脱了冲突域的限制，网络的范围得到了扩大，网络的性能得到了提高但前面所讨论的交换机还只能称为普通的以太网交换机，在此基础上，以太网交换机又得到了进一步的发展，不断推出了全双工交换机

46、、具有VLAN功能的交换机以及三层交换机，使得以太网可以作为网络主干构成大型局域网例如现在很多大型的校园网、企业网甚至是城域网都可以由以太网构成，使得以太网成为了一种全面发展的网络 4全双工交换机从交换机的原理看，根据MAC地址进行通信时，在交换机每两个端口间将要形成一条独立的通路，与其它端口互不相干，同一个时刻，可以有多条这样的通路同时进行通信也就是说，交换机把以太网的冲突域局限在了一对端口间，因此提高了网络的带宽按照以太网的规定，在一条通路中，一个站点发送数据时，另一个站点只能接收，受CSMA/CD协议的约束，这种通信方式被称为半双工 全双工在两个端口间可以形成两条并行的信道，允许交换机端

47、口的一个信道发送，同时另一个信道接收，这样，带宽提高1倍，传输距离延长，不再受CSMA/CD协议的约束，而只受信号传输衰减的约束例如100BASE-FX以太网采用全双工后，带宽可以达到200Mbps，传输距离从原来的412 m可以延长到2 km 采用全双工技术不是对所有的以太网规范都适用，只对采用光纤介质的以太网才有意义，包括稍后将要介绍的100BASE-FX和1000BASE-LX等能够实现全双工传输，传输线路两端的设备必须都具有全双工的功能，包括网卡与交换机、上层与下层交换机全双工设备的价格一般都是比较高的，因此在半双工可以达到数据传输要求的情况下，不提倡必须使用全双工设备 343 VLA

48、N1基本概念2划分VLAN的方式3三层交换返回1基本概念交换机增大了网络带宽，但随之又出现了另外的问题：第一，交换机遵循着网桥的工作原理，网桥的工作机制决定了在网络中允许传输广播信息，但是广播信息消耗了网络带宽，并且容易引起广播风暴第二，用交换机可以组建大型局域网，这种大型网络由于站点众多，极易引起网络的安全问题，而且也不便于进行合理的网络规划为了解决上述问题，在以太网中采用了遵循802.1Q标准的VLAN技术 划分VLAN的好处按照802.1Q的标准，在具有交换机的网络中，可以把网络划分成一些逻辑上的工作组，这些工作组就是VLAN（Virtual LAN）。正常的信息，包括广播信息只能在这些

49、工作组内传输。如果把这些工作组看作是广播域，每一个VLAN就是一个广播域采用了VLAN技术后，使得广播信息局限在了广播域内，有效抑制了交换网络中的广播风暴，而且也解决了网络不安全的问题通过划分VLAN，把一个规模比较大的网络划分成若干逻辑上的工作组，信息只能在工作组内传输，从而保证了网络信息的安全划分VLAN使得一个大型局域网的组建成为可能，使得以太网可以成为大型网络的主干 2划分VLAN的方式如图3-17所示是对交换网络VLAN进行划分的例子 图3-17 VLAN划分在图中，由于某种需要，划分了三个VLAN，即VLAN1（a1,c1,c2）、VLAN2（a1,a2,a3）和VLAN3（b1,

50、b2,c3）在这个网络中，A交换机的所有工作站在第三个楼层，包括a1、a2、a3B交换机的所有工作站在第二个楼层，包括b1、b2C交换机的所有工作站在第一个楼层，包括c1、c2、c3从业务往来上可以看出：a1、c1和c2经常进行数据传输；a1、a2和a3经常进行数据传输b1、b2和c3经常进行数据传输根据以上的不同需要，进行了VLAN划分 按照VLAN的规则，只有在同一个VLAN内才可以进行信息传输，这样恰好满足了上述需要没有业务往来的工作站之间，出于安全的考虑，通过VLAN使之隔离开另外如果由于某些原因，导致某个VLAN信息量过载，也不会对其他VLAN造成影响 从图中可见，工作站a1可以既属

51、于VLAN1，又属于VLAN2，这样便于在两个VLAN间进行数据传输还可以看到，VLAN既可以在同一台交换机之内进行划分，也可以跨交换机进行划分，这种划分方法具有非常实际的意义例如一个用户的工作在部门之间发生调动时，只要把这个用户的工作站通过VLAN重新进行划分，无需改变所在的交换机端口，方便了网管员对网络用户的管理 划分VLAN有多种方式，不同的交换机产品可能采用不同的划分VLAN的方式，实现划分VLAN的能力也是不同的目前主要有按端口划分，这种划分方式最容易实现除此之外，还可以按MAC地址和IP地址等进行VLAN划分 3三层交换通过前面的讨论可以了解到，以太网交换机可以分成两种：普通交换机

52、和带有VLAN功能的交换机普通交换机可以划分冲突域，增加网络的带宽，但整个网络仍然处于同一个广播域，极有可能受到广播风暴的影响带有VLAN功能的交换机可以通过划分VLAN把网络分割成不同的广播域，提高了网络性能，但是VLAN之间的通信同时也不能进行 如何解决VLAN之间的通信？进一步分析可以发现，具有VLAN功能的交换机在第二层可以提供VLAN功能，但是在本层不可能解决VLAN之间的通信，如果要解决VLAN之间的通信只能通过第三层网络设备即路由器路由器是一种网络层的互连设备，属于OSI参考模型的第三层，因此利用路由器可以非常容易地实现VLAN之间的通信但是在局域网中如果为了解决VLAN之间的通

53、信而引入路由器，将会带来两个问题：第一个问题是，路由器接口的费用都是很高的，这样将会增加组建局域网的费用另一个问题是路由器对IP数据报的转发是通过软件方式实现的，这样将会降低局域网的速度于是人们提出了“三层交换”的思想，并研制了三层交换机 三层交换的基本思想是在交换机中增加路由模块，使原本第二层的交换机具有第三层的路由功能，这样的交换机称为三层交换机三层交换机把路由模块与交换模块做在同一个交换总线上，使之结合得更加紧密，同时对实现路由功能的软件进行优化，加快了分组的转发速度三层交换机可以通过第二层的交换功能实现分组在第三层的路由，在保持硬件高速交换性能的同时实现了VLAN之间的通信 三层交换机

54、在组建校园网、企业网以及城域网方面发挥了非常重要的作用正是由于普通的以太网交换机、全双工交换机、具有VLAN功能的交换机以及三层交换机这些设备，才使得以太网可以用来组建大型网络，并逐渐成为局域网的主干 344高速以太网高速以太网并不是某种以太网的类型而是指在以太网的发展过程中网络速率不断提高所推出的几种以太网，包括100兆的快速以太网、1千兆的吉比特以太网和1万兆的10G比特以太网这些以太网的推出，极大丰富了以太网的类型，为局域网的组建提供了更加灵活的空间 返回1快速以太网快速以太网即传输速率为100 Mbps的以太网，产品于1995年推出 百兆以太网有两种实现技术传输速率为百兆的以太网有两种

55、实现技术，因此形成了两个阵营以HP、AT&T和IBM为首的阵营支持100VG-AnyLAN技术，这种网络利用了一种需求优先权的技术，支持多媒体数据的传输。它对数据包进行分析，如果是时间敏感型的数据就优先放行。100VG-AnyLAN适合于多媒体应用，被IEEE规范为IEEE802.12标准还有一个是以3COM、Intel和Synoptics为首的阵营支持100BASE-X技术。100BASE-X，又称为快速以太网，采用以太网帧格式，遵循CSMA/CD规范，继承了10Mbps以太网的主要功能。由于这种技术具有延续性，升级容易，向下兼容，易于被人们学习、理解和接受，所以下面主要以100BASE-X为主对百兆以太网进行介绍 100BASE-X支持多种介质类型，包括3个介质规范：100BASE-TX、100BASE-T4和100BASE-FX。100BASE-TX支持两对5类UTP或STP双绞线100BASE-T4支持4对3、4、5类UTP双绞线100BASE-FX介质规范定义了在2束62.5/125光纤上1