建筑物信息设施系统：第3章 计算机网络系统

1、 第三章计算机网络系统第三章计算机网络系统计算机网络就其规模和用户数量，已是仅次于电话网络的全球第二大网络系统。计算机网络与人们的生活、工作、学习和娱乐密切相关，以至于现今社会一旦没有了计算机网络，后果不可想象。由于计算机网络承载的业务是以数字方式传递各种形式的信息，如文字、图形、图像、音视频等等，因此在有些工程设计标准和规范中又被称作信息网络系统。3.1 系统概述计算机网络是通信技术与计算机技术相结合一项综合技术，它将各自独立运行的计算机系统通过通信线路连接起来，实现包括硬件资源、软件资源和信息资源等各种资源的共享。3.1.1计算机网络的分类根据网络覆盖的范围，一般把计算机网络分为局域网（L

2、ocal Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。1.局域网LAN局域网的覆盖范围通常是在半径几米到几千米。其特征是数据传输速率高，系统安装维护简便，网络产权归属个人或某一个机构，非运营性质，可以任意增删用户，一般也不提供服务质量（Quality of Service，QoS）保障。网络的传输介质主要采用双绞线、光纤和同轴电缆。建筑物中的计算机网络就规模而言属于局域网范畴，企业网和校园网一般也属于局域网。2.城域网MAN顾名思义，城域网就是指可以覆盖一个城市范围的计算机网络，

3、通常网络的半径可以达到几十千米。城域网一般由专门的网络运营商管理和维护，可以承载多种业务的接入和分配，可以互联各种 LAN，通信协议复杂，网络可靠性要求高，具有 QoS机制和较高的网络安全要求。MAN一般采用光纤或微波传输技术。3.广域网WAN更大范围的计算机网络统称为广域网，由不同的网络或电信运营商共同管理和维护。除采用光纤和微波外，还大量使用通信卫星提供传输服务。提到广域网，必然会联想到因特网（Internet），两者是什么关系呢？1 第三章计算机网络系统因特网是一个特殊的网络，它的覆盖范围遍及全球。它的特殊之处在于在该网络中运行了一套专有的网络协议并有完整的网络地址分配与管理体制。3.1

4、.2计算机网络的拓扑结构与信道类型拓扑结构是一个数学术语，研究的是“点”和“线”的关系。在计算机网络中，通常把计算机主机和某些网络设备抽象成“点”，而把传输介质抽象成“线”，用来分析和研究计算机网络。计算机网络的拓扑结构一般可分为总线型、星型、环型、树型、网状型和不规则等几种形式。不同的拓扑结构使得计算机之间通信的信道有两种不同的类型，即点-点信道和广播信道。点-点信道类型又被称作存储-转发信道。1.总线型拓扑总线型拓扑如图 3-1（a）所示，所有的计算机通过一根总线连接起来。在这种拓扑中，任何一台计算机发送的信号，可以被网络中的所有计算机接收。因此总线型拓扑的网络信道是广播信道。总线型拓扑只

5、在局域网中采用，早期的以太网采用同轴电缆作为传输介质，其拓扑结构采用的就是总线型拓扑，如图 3-1（b）所示。总线型拓扑的网络具有结构简单，传输距离较大，线缆用量少的特点。其不足之处在于接入新的点不够方便，连接器用量多造成传输的可靠性低，往往一个点出故障影响整个网络的通信。工作站工作站工作站工作站工作站服务器(a)(b)图 3-1总线拓扑结构网络（a）拓扑结构；（b）同轴电缆以太网拓扑。2.星型拓扑星型拓扑如图 3-2（a）所示。在该拓扑中，有一个中心结点，其他结点之间的通信需经过中心结点的转发，因此星型拓扑网络一般是点 -点通信信道。星型拓扑既可以应用在局域网中，也可以应用在广域网中。目前广

6、泛使用的快速以太网和高速以太网以及 VSAT（Very Small Aperture Terminal）卫星网均为星型拓扑，如图 3-2（b）和（c）所示。在快速以太网和高速以太网中，中心结点就是网络交换机。星型拓扑结构的网络具有便于集中管理和增减网络结点（计算机）的特点，而且除中心结点之外的其他结点出现故障时不会影响整个网络。但是星型拓2 第三章计算机网络系统扑网络对中心结点的可靠性和传输处理能力要求高。早期的双绞线以太网（见图 3-3）从形式看似乎也是星型拓扑，但是从工作原理上讲，它是总线型拓扑，属于广播信道，只是将总线缩短到一个集线器（Hub）里了。因此这种网络从形式上讲是星型拓扑结构，

7、而实际上仍然是总线型拓扑结构。交换机（a）（b）（c）图 3-2星形拓扑结构网络（a）拓扑结构；（b）高速以太网；（c）VSAT卫星通信网。Hub总线Hub图 3-3采用 Hub组成的以太网本质上的总线型拓扑，形式上的星型拓扑3.环型拓扑环型拓扑中，各结点依次相连，组成一个闭合的环。环型结构有几种不同的形式，见图 3-4。3 第三章计算机网络系统（a）图是一个典型的环型（Loop）拓扑结构，通信信道采用点-点传输形式，结构本身具有链路容错功能。目前城域网 MAN和蜂窝移动通信网中的基站多采用这种拓扑结构。（b）图是交叉环拓扑结构，两个环在一个结点上有交叉，该结点既是左环上的一个点，又是右环上的

8、一个点。蓝牙网络采用了这种拓扑结构。（c）图是环型（Ring）的另一种形式，它是采用广播信道形式实现通信的，传送的信息在环上单向绕环运行，环上的每一个结点（计算机）都可以接收到环上的信息。但在同一时刻，环上只能有一台计算机发送信息。在早期的某些 LAN，如 IBM Token Ring曾采用这种拓扑结构。与上面提到的用 Hub组成的以太网相似，在 Token Ring网络中需采用一个称为 MAU（multistation Access Unit）的设备，计算机连接到该设备实现联网，如图 3-5所示。因此类似 Token Ring的网络，形式上是星型拓扑，实际上是环型拓扑。（d）图是一种双环拓扑

9、结构，两个环采用一主一备工作，正常情况下其工作状态与（c）图所示拓扑相同，一旦主环出现故障，可以启动备用环，因而具有自愈功能。因此双环网络又被称为自愈环网。第一个 100Mbps光纤局域网 FDDI（Fiber Distributed Data Interface）采用的就是这种拓扑结构。（a）（b）（c）（d）图 3-4环形拓扑结构网络（a）点对点环形拓扑；（b）交叉环拓扑；（c）广播式信道环形拓扑；（d）双环拓扑。4 第三章计算机网络系统图 3-5 Token Ring逻辑上的星形拓扑，物理上的环形拓扑4.树型拓扑树形拓扑结构如图 3-6所示，是一棵倒置的树，根在上，枝在下。树型拓扑可以看

10、作是多层星型拓扑的集成或扩充。在树型拓扑中，传输信道是点 -点形式的，并且是在相邻的两层之间进行信息传输，同层次之间没有直接的信息交换。树型拓扑是较大规模的局域网和广域网经常采用的拓扑形式。核心交换机服务器汇聚交换机服务器服务器接入交换机接入交换机（a）（b）图 3-6树型拓扑结构网络（a）拓扑结构；（b）三级交换机组成的局域网。5.网状型拓扑与不规则拓扑网状型拓扑与不规则拓扑结构如图 3-7所示。在网状型拓扑中，网络中的任何一个结点都与其他结点有直接相连的链路，采用点 -点信道传输方式，网络中任何一段链路出现故障不会影响任何一个结点的信息传输。因此，网状型拓扑的可靠性和鲁棒性很高。但是代价是

11、线路长、电路多，建设费用高。通常在校园网或企业网的核心层和广域网中的骨干结点采用网状型拓扑。不规则拓扑是网状拓扑的简化形式，任何一个网络结点均有两个以上的链路与其他结点相连。这种拓扑主要是在广域网中采用。5 第三章计算机网络系统（a）（b）图 3-7网状拓扑与不规则拓扑结构网络（a）网状拓扑；（b）不规则拓扑。3.1.3计算机网络体系结构计算机网络实质上是让不同的计算机之间实现通信。这是一个非常复杂的事情，为此，计算机网络系统的构建往往采用分层结构进行设计。众所周知，不同实体之间的通信需要有通信规约。层次化后的对应层之间便有相应的规约。在计算机网络专业中，这些规约被称为协议（protocol）

12、。其次，分层后各层之间应有功能划分，层与层之间需要有接口。计算机网络体系结构就是指分层、对等层间协议及上下层间的接口。简单地讲，计算机网络体系结构就是层和协议的集合。最早的计算机网络体系结构是 IBM在上世纪七十年代提出的 SNA（SystemNetwork Architecture），并且现在仍在使用。一些国际知名的 IT大公司也相继推出了各自的网络体系结构。1983年国际标准化组织 ISO（International StandardsOrganization）提出了一个网络参考模型，称为开放系统互连（ Open SystemInterconnection-Reference Model，

13、OSI-RM）。该体系结构是一个七层结构模型，如图 3-8所示。物理层的功能就是信道上比特流的传输，为传输的比特流建立规则。物理层信息传输单位为比特（bit）。物理层涉及通信接口的机械、电气和时序特性，与传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤和无线电频段密切相关。数据链路层的功能是在两个直接相连的线路（链路）上实现数据无差错传输，为达到此目的，信息是以帧为单位进行传输的。在该层还要处理流量控制和共享信道的访问控制事宜。网络层的功能主要是路由选择和网络拥塞控制，信息的传输和处理单位称为分组（Packet）或包。6 第三章计算机网络系统主机A主机B数据单元层次应用层协议表示层协议7应用层应用层APDU

14、层间接口654表示层会话层传输层表示层会话层传输层PPDU会话层协议传输层协议SPDUTPDU路由器通信子网内部协议路由器主机网络层 -协议321网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层分组主机数链层 -协议帧主机物理层 -协议比特通信子网图 3-8 OSI-RM模型体系结构传输层主要功能是实现网络中的两个计算机主机用户进程间无差错、高效的传输，提供可靠的端到端通信服务。会话层功能是为网络中需要进行数据发送和接收的计算机主机用户建立会话联系并管理会话。表示层的功能是完成被传输的信息的抽象表示和解释，包括格式变换、数据编码、加密/解密和压缩/解压缩

15、等。应用层负责处理计算机主机用户的各种网络应用业务，如电子邮件、web浏览、文件传输、网络聊天和电子商务等。OSI-RM体系结构非常完整和系统，可以用来分析任何一个计算机网络系统，也是学习和理解计算机网络的最好的模型。但是结构过于复杂，在实际的计算机网络中罕有应用。目前应用最为普遍的是 TCP/IP体系结构，又称 Internet体系结构。TCP/IP网络体系结构来源于 ARPANET，于 1974年提出，结构如图 3-9所示。它是一个四层结构。应用层Application Layer传输层Transport Layer互连网层Internet Layer网络接入层Host to Networ

16、k Layer图 3-9 TCP/IP网络体系结构7 第三章计算机网络系统TCP/IP结构的最下面一层称为主机至网络层，或网络接入层。但实际上这一层未被定义，没有规定任何协议，只是要求能够提供给其上层网络互连层一个访问接口，以便在其上传递 IP分组。互连网层是该体系结构中极为关键的部分，定义了分组的格式和协议，即 IP协议。它的功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组能够独立地经由不同的网络到达目的地。传输层的功能与 OSI-RM中的传输层功能相同。在这一层有三个端-端传输协议，即 TCP（Transport Control Protocol，传输控制协议）、UDP（User Datagr

17、amProtocol，用户数据报协议）和 SCTP（Stream Control Transport Protocol，流控制传输协议）。TCP是一个可靠的、面向连接的协议，提供无差错传输服务，并具有流量控制机制；UDP是一个不可靠的、无连接协议，提供准实时传输业务；SCTP是 2000年新定义的，是一个面向连接的协议。它对 TCP的缺陷进行了一些完善，具有适当的拥塞控制、防止泛滥和伪装攻击、更优的实时性能和多归属性支持。应用层包括各种高层协议，如 DNS（Domain Name System，域名系统）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）

18、、FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）、TELNET（远程登录协议）等。TCP/IP网络体系结构尽管不是标准化机构提出的标准，但由于应用范围广，用户众多，因而成为事实上的国际标准。3.2 局域网与广域网3.2.1局域网（LAN）技术与标准第一个大规模应用并被标准化的局域网是以太网。它诞生于 1976年，是由当时就职于 Xerox（施乐）公司的 Bob Metcalfe和 David Boggs发明的，然后由Digital Equipment Company（DEC）、Intel和 Xerox三家共同推出了以太网标准（DIX版）。该标准后来被 IEEE接纳，由专门

19、负责制定局域网标准的 802委员会对 DIX以太网标准做了微小修改，以 802.3命名。这就是后来广为人知的 IEEE802.3以太网协议。它是一个基于同轴电缆的总线网络，采用了 CSMA/CD（载波监听多路访问/碰撞检测）协议，传输速率可达 10Mb/s。随后 IEEE 802委员会相继推出了 802.4和 802.5局域网标准，分别是由General Motor（通用汽车公司）和 IBM（国际商用公司）推荐的。前者称为令牌总线网，也采用同轴电缆作为传输介质，是一个树形网，网络的传输速率可达2Mbps，传输速率虽没有以太网高，但结构灵活，覆盖范围更大，并且有优先级机制，很适合实时业务的应用。

20、后者叫做令牌环网，是一个环形网，传输介质可8 第三章计算机网络系统以是双绞线或光纤，传输速率为 4Mbps，采用双环结构，具有很高的可靠性。两者的共同之处是都采用令牌的方法解决共享传输信道的问题，其突出的特点是可以设置优先级、在网络传输荷载很大时仍可保持高的传输效率。上述三种网络在市场上曾呈鼎力之势，各自都有其忠诚的用户群和应用领域。令牌总线网的传统用户是制造业，令牌环网的主要市场是金融领域，而以太网主要是在行政办公领域。这种三足鼎立的局面在网络提速后被打破。以太网在1995年完成了升级，传输速率提高 10倍，达到 100Mbps。新的网络被称作快速以太网（fast Ethernet），对应的

21、标准是 IEEE 802.3u。升级后的网络与原先的10Mbps以太网完全兼容，联网规则几乎一样，并且联网的硬件设备价格没有太大变化。快速以太网的传输介质限定只采用双绞线和光纤，摈弃了连接不可靠的同轴电缆。其他两种网络也于 90年代完成提速，令牌总线网传输速率由 2Mbps提高到 20Mbps，令牌环网则从 4Mbps提高到 16Mbps。由于以太网管理简便、使用灵活、价格低廉、升级简单、兼容性高，获得了用户的认可，市场占有率快速提升，占据了大部分 LAN市场的份额，逐步将令牌环网和令牌总线网淘汰。1.以太网技术与IEEE802.3标准最初的以太网采用同轴电缆作为传输介质，总线拓扑结构，共享形

22、式的通信信道。为解决共享信道的争用问题，采用了 CSMA/CD（Carrier Sense MultipleAccess/Collision Detection，载波监听多路访问/碰撞检测）技术。该技术主要包括三个主要的算法，CSMA、碰撞检测和退避等待，其工作原理和流程简述如下：（1）如果有数据要发送，先监听信道，如果信道空闲，可以立即发送（以帧为传输单位）；（2）如果信道忙（被占用），则等待，直到信道空闲。（3）发送数据的同时，检测信道是否发生冲突。如果发生冲突，立即停止发送数据，并发送冲突提示信号。（4）等待一个随机时间，重复（1）。步骤（1）和（2）是指载波监听。步骤（3）是指冲突检测

23、，检测冲突的方法是通过检测信道中的信号电平和脉冲宽度实现的，冲突提示信号是一个高电平脉冲串。步骤（4）是退避等待，采用的是二进制指数退避算法，指数最高为 10，最大重传次数为 16，超过 16次后则丢弃该帧，并向上层报告。由此可见，网络中的计算机越多，发生碰撞的概率就越大，重传次数也就越高。这是用户越多上网速度越慢的原因。以太网帧格式如图 3-10（a）所示，由 6个字段组成。前导码用于发送端和接收端的时钟同步，共 8个字节，其中前 7个字节相同，为 10101010，最后一个字节为 10101011。9 第三章计算机网络系统字节数：字节数：86624615004前导码目的地址源地址类型数据C

24、RC（a）716624615004前导码起始目的地址源地址长度数据CRC（b）图 3-10 DIX以太网和 IEEE802.3帧格式（a）DIX格式；（b）802.3格式。目的地址是接收端地址。以太网规定了 5类地址，即单站地址、组播地址、广播地址、全局地址和局部地址。目的地址最高位为“0”是单站地址（普通地址），为“1”时是组播地址。全“1”地址为广播地址。次高位为“0”表示全局地址，由 IEEE指定，全球唯一。次高位为“1”表示局部地址，由网络管理员指定。可用地址共 46位，大约有 71013个全局地址。源地址即发送站的地址。类型指明其后的数据字段内容的网络协议类型，如 IP协议、IPX协

25、议等等。类型字段指定了应该将此帧交给哪个进程。数据字段有长度要求，最短 46字节，最长 1500字节。之所以有最短长度要求，是因为数据过短无法保证正确地检测碰撞。如果数据部分长度不足 46字节，需填充补足。CRC为循环校验，检验传输的帧是否有错，检验的范围只有地址、类型和数据部分，不包括前导码。IEEE吸纳以太网标准时，对 DIX帧的格式做出了两个微小改动，如图 3-10（b）所示。第一个改动是将前导码减少 1个字节，增加 1个字节的帧起始分界符，以便与 802.4和 802.5格式兼容。第二个改动是将类型字段改为长度字段，指明后面数据字段的长度。这样一来，使得两个标准的格式不再相同。有幸的是

26、，DIX标准中的类型字段都是大于 1500的。因此可以认为若该字段的值小于 1500，则是指数据字段的长度，若大于 1500，则是指数据的类型。因此两个标准是兼容的，但由于 802.3标准颁布时已有大量的厂家按 DIX标准推出了产品，所以DIX标准的产品在市场上占主导。以太网的物理层采用曼彻斯特编码，如图 3-11所示，高电平为+0.85V，低电平为-0.85V，而直流电源为 0V。这种编码的特点是在传输的每一比特的码元中央都有一次电平的跃变。这个跃变含有同步信息，被称为自同步码。前面提到的前导码采用曼彻斯特编码后就是一串方波脉冲，接收端收到后便可以调整时钟和频率，而不必配置高精度的时钟源，降

27、低了系统的复杂性，进而降低了造价。10 第三章计算机网络系统图 3-11曼彻斯特编码波形以太网有多种形式，其特性见表 3-1。它支持 4种传输介质，分别是 50粗同轴电缆、50细同轴电缆、双绞线和多模光纤，对应的系统分别被称为 10Base5、10Base 2、10Base-T和 10Base-F，其中“10”代表传输速率为 10Mbps，“Base”表示传输信号为基带信号，数字“5”和“2”代表传输的距离（不加中继设备的情况下）最大为 500m和 200m（实为 185m），“T”表示双绞线，“F”表示光纤。采用三类双绞线连网，从 Hub到计算机的最大距离为 100m，采用多模光纤可以支持

28、2000m。一个网络中允许串接最多 4个中继器。因此，用铜缆连网的最大距离为 2500m。表 3-1以太网特性特性10Base 51010Base 21010Base-T1010Base-F10传输速率（Mb/s）最大网段长度（m）拓扑形式5001851002000星总线总线星多模光纤传输介质粗同轴电缆细同轴电缆三类双绞线（62.5/125）特性阻抗（）连接器50DB-15 300.550BNC 1002.5100RJ455ST或 SC结点数/网段结点间最小间距（m）最大网段数5552.快速以太网与IEEE802.3u标准以太网的升级版称为快速以太网，采用与以太网完全相同的体系结构、帧格式和

29、CSMA/CD协议，但是传输速率提高 10倍，达到 100Mbps，并且与以太网完全兼容。快速以太网的标准被命名为 IEEE802.3u，于 1995年正式推出。传输速率的提高主要依靠物理层编码形式的改进。快速以太网不再使用曼彻斯特编码，而是采用更为高效和复杂的编码。另外一个较大的变化是在传输介质上。快速以太网摒弃了连接极不可靠的同轴电缆，只采用双绞线和光纤，包括单模光纤和两种多模光纤。与以太网相仿，快速以太网被冠以 100Base-xx，其主要特性列于表 3-2。11 第三章计算机网络系统表 3-2 IEEE802.3u快速以太网主要特性标准名称IEEE802.3u子类100Base-TX*

30、 100Base-T4100100Base-T2100100Base-FX* 100100传输速率(Mb/s)（双向）（双向）编码4B/5B1258B/6T25PAM554B/5B125时钟频率（MHz）25多模光纤（62.5/125）（50/125）单模光纤五类双绞线（两对）三类双绞线三类双绞线传输介质（4对）（2对）多模光纤2000m传输距离（m）100100100单模光纤10km* X表示全双工传输。快速以太网在组网方面仍然采用集线器（ Hub）。由于传输速率的提高和为了兼容以太网，快速以太网在传输距离方面付出了很大的代价。尽管 Hub到计算机的最长连网距离保持 100m，但是网络扩展时

31、，使用中继设备的数量下降一半，只允许两个，网络的最大直径为 205m。3.千兆以太网与IEEE802.3z/802.3ab为了兼容以太网和快速以太网，千兆以太网采用了与以太网和快速以太网完全相同的帧格式、帧长度、介质访问控制方法（CSMA/CD）和体系结构，网络传输速率达到 109bps，因此被称为千兆以太网或吉比特以太网。由于传输速率提高了 10倍，为保证一定的传输距离，千兆以太网不再使用集线器 Hub进行组网，而是采用网络交换机。有关网络交换技术将在本节稍后介绍。有关千兆以太网的标准有两个，分别是 IEEE802.3z和 IEEE802.3ab。IEEE802.3z于 1998年 6月获得

32、批准。该标准定义了三种传输介质，其中两种是光纤，一种是屏蔽双绞线，相应的系统分被称为 1000Base-SX、1000Base-LX和1000Base-CX。1999年 6月 IEEE802.3委员会公布了第二个千兆以太网标准IEEE802.3ab，定义了使用双绞线的 1000Base-T的规范。802.3z规定的物理层编码方式为 8B/10B，而 802.3ab规定的物理层编码方式为 4D-PAM5。由以太网工作原理可知，传输速率提高后，如果帧结构不变，势必要缩短传输距离，这将使得网络的实用性大大降低。为了保证一定的传输距离，千兆以太网在 CSMA/CD基础上增加了帧扩展和短帧突发机制。千兆

33、以太网主要特性简介如下。（1）1000Base-SX12 第三章计算机网络系统1000Base-SX仅支持 62.5/125m和 50/125m两种多模光纤，光源为770860nm（典型值 800nm）半导体激光器。若采用 62.5/125m多模光纤，全双工模式传输，最大距离 275m。采用 50/125m多模光纤，全双工模式可以传输 550m。1000Base-SX采用 SC光纤连接器。1000Base-SX可以在中小型的办公建筑中用作 LAN的主干系统。（2）1000Base-LX1000Base-LX不仅支持上述两种多模光纤，也支持单模光纤，光源采用波长为 12701355nm（典型值

34、1300nm）的半导体激光器。若采用多模光纤，全双工模式最大传输距离为 550m。使用单模光纤时，全双工模式可以传输 5000m。1000Base-LX也采用 SC光纤连接器。1000Base-LX可以在较大规模的校园网、企业网中用做主干线。（3）1000Base-CX1000Base-CX采用一种特殊规格的屏蔽双绞线TW屏蔽双绞线，特性阻抗为 150，使用 9针 D型连接器，最大传输距离为 25m，主要应用在数据机房内，连接高速服务器、存储阵列和交换机及路由器网络设备等。（4）1000Base-T1000Base-T采用 4对五类双绞线做传输介质，计算机到交换机之间的最大距离为 100m，网

35、络直径可达 200m。1000Base-T与 100Base-T、10Base-T兼容。千兆以太网一般用作局域网的主干线路和连接数据访问量很大的服务器等设备。4.万兆以太网与IEEE802.3ax在当今的信息社会，人们对带宽的需求是无止境的。千兆以太网尚未普及，更高速率的标准已陆续推出。万兆以太网又称 10G以太网，传输速率比千兆以太网提高 10倍。目前万兆以太网有三个标准，分别是 IEEE802.3ae、IEEE802.3ak和 IEEE802.3an。IEEE802.3ae 10G以太网标准于 2002年 7月通过，包括 10GBASEX、10GBASER、10GBASEW，既可应用于局域

36、网，也可应用于广域网。10GBASEX使用一种特紧凑包装，含有 1个较简单的 WDM器件、4个接收器和 4个在1300nm波长附近以大约 25nm为间隔工作的激光器，每一对发送器 /接收器在3.125Gbit/s速度（数据流速度为 2.5Gbit/s）下工作。10GBASER是一种使用64B/66B编码的串行接口，数据流为 10.000Gbit/s，因而产生的时钟速率为10.3Gbit/s。10GBASEW是广域网接口，与 SONET OC-192兼容，其时钟为9.953Gbit/s数据流为 9.585Gbit/s。10GBASE-SR/SW传输距离按照波长不同由 2m到 300m。10GBA

37、SE-LR/LW传输距离为 2m到 10km。10GBASE-ER/EW传输距离为 2m到 40km。13 第三章计算机网络系统IEEE802.3ak 10G以太网标准于 2004年 3月通过。 IEEE802.3ak又称10GBase-CX4，传输介质采用的是 CX4线缆（图 3-12所示），并且规定传输距离不能超过 15米。因此，该标准仅适用在诸如数据中心机房等应用环境，在机房里的机柜内或机柜间，交换机与交换机的高速互连，或者交换机与服务器的高速互连，在 15m以内的线缆长度下可以达到 10Gbps的速率。新标准对于交换机和服务器的集群提供了一个比光纤传输解决方案的成本低很多的解决办法，对

38、于大型的需要数据集中式的应用提供了一种选择。图 3-12支持 10G以太网的 CX4线缆IEEE802.3an 10G以太网标准于 2006年 6月通过。 IEEE802.3an又称10GBase-T，传输介质采用非屏蔽双绞线（UTP）或屏蔽双绞线（STP）。尽管没有在标准中特别说明，但是 5e类信道仍然可以支持 10GBASE-T的操作，只是传输距离较短。测试结果表明，使用 6类双绞线，传输距离可以超过55m，使用 6A类以上的线缆，10GBASE-T最长能够支持 100米的传输距离。当前 10G以太网主要应用于数据中心和企业网、校园网的核心层，连接服务器存储阵列与核心交换机以及核心交换机之

39、间的连接。5.交换式以太网在传统的共享型以太网中，网络的有效传输成功率随着接入网络的计算机数量的增加而下降，当超过 5台计算机同时上网后，传输成功的概率趋近于 1/e，以太网同时上网的用户数与成功传输的概率如图 3-13所示。提高网络的传输速率固然可以提高工作效率，但是提高速率受到很多技术限制，并且传输速率的提高总是落后于网络流量的增长速度。幸运的是还有另一种解决方案可以满足不断增长的对带宽或工作效率的需求，这就是交换式以太网。14 第三章计算机网络系统图 3-13以太网同时上网的用户数与成功传输的概率由图 3-13可知，当接入网络的计算机数量很少时，传输成功的概率很高，只有一台计算机在线时，

40、传输成功率为 100%，也就是说可以独享整个网络的带宽，这就是交换技术的由来。交换式以太网的核心是交换机，它有一个可进行高速数据交换的主板和若干接口插板。接口插板上有一个或多个 RJ45连接器（插座），或是光纤连接器。每一个插板相当于一个集线器（hub），连接的是一个以太网网段（共享域）。如果一个插板上只有一个端口，称为端口交换，可以独享网络带宽，如 10Mbps或 100Mbps。如果一个插板上有多个端口，称为段交换或板交换，该板上的所有端口共享一个 10 Mbps或 100Mbps带宽。显然，端口交换优于段交换。现代的以太网交换机多采用端口交换方式。交换式以太网系统与 IEEE802.3系

41、列的其他以太网完全兼容。现代的网络交换机可以配置不同的插板分别支持快速以太网、千兆以太网、万兆（10G）以太网直至 40G/100G以太网，甚至可以支持其他协议的网络，如 ATM、SONET等。6.虚拟局域网VLAN虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）是一项基于交换机系统的网络配置技术，它可以把连接在一台交换机上的多台计算机划分为多个不同的逻辑网络，彼此之间不能直接访问。VLAN技术的提出基于以下需求。（1）安全性。一个部门或工作组内部的信息不想被别人共享，而该部门或工作组与其他的部门或工作组连接在同一个网络设备上，无法分离。（2）负载均衡。网络中有些计

42、算机的访问量很大，负载重，而有些又非常小。连接在同一个网络上会影响上网的工作效率。（3）广播风暴。当一个网络中由于故障产生大量的广播帧，形成广播风暴，15 第三章计算机网络系统会使整个网络陷于瘫痪。网络规模越大，发生广播风暴的概率越高，影响越大。IEEE802委员会在 1996年 3月发布了一个有关虚拟局域网 VLAN的标准，这就是 IEEE802.1Q。在该标准中，对 VLAN定义为：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。利用 VLAN技术，既可以在一台网络交换

43、机上划分为多个逻辑网段，也可以跨交换机划分 VLAN。图 3-14为一个 VLAN划分的实例。在同一个 VLAN内，计算机可以像传统 LAN一样可以直接交换信息。不同 VLAN内的计算机则需要通过路由器或具有路由功能的三层交换机才能相互通信，即使它们可能连接在同一台网络交换机上。以太网交换机C3B3A4VLAN1VLAN2B2VLAN3以太网交换机C2A3C1以太网交换机B1A2A1以太网交换机图 3-14虚拟局域网 VLAN实现 VLAN必须采用支持 VLAN功能的交换机，换言之，交换机必须支持IEEE802.1Q协议。为实现以太网 VLAN，该协议将 802.3协议中的帧格式做了变动，增加

44、了 4个字节有关 VALN的域，其中 VLAN标识域有 12位，理论上可以划分 4096个 VLAN，但只有高端的交换机可以实现，一般交换机能够配置 200个左右的 VLAN。VLAN协议只对交换机提出要求，并不涉及连网的计算机（确切地说是网卡）。因此，802.1Q对以太网帧格式的改变并不影响计算机对以太网的接入。VLAN的划分有静态划分和动态划分两种方式。静态划分是按交换机的端口16 第三章计算机网络系统划分不同的 VLAN，与接入的计算机无关。动态划分则是按计算机的 MAC地址划分 VLAN，与交换机哪个端口连接无关。动态划分还可以根据不同的网络层协议或地址划分 VLAN。3.2.2无线局

45、域网(WLAN)技术与标准各种移动数据终端设备的不断出现和快速普及，催生了无线局域网 WLAN的快速发展。早期的移动数据终端设备主要是笔记本电脑和个人数字助理 PDA（Portable Digital Assistant），又称掌上电脑。如今，3G和 4G手机都具备了访问WLAN的功能，使得 WLAN拥有庞大的用户群。WLAN的工作要占用无线频谱资源，但与一般的移动通信系统不同，它占用的是非管制频段。国际电信联盟 ITU协调各国家的无线电管理部门预留了一些频段，用于开展工业、科学和医学方面的应用，称为 ISM（Industrial，Science和 Medical）频段，属于非管制频段。在 I

46、SM频段，允许任何人随意使用，但是对设备的发射功率有限制，通常是小于 1W，使得发射台覆盖很小的范围，避免相互干扰。ISM频段的具体位置各国有所不同，一般分为 3段。在我国，ISM的频段为 902928MHz（U频段）、2.42.5GHz（S频段）和 5.7255.875GHz（C频段）。WLAN目前的工作频段是 2.4GHz和 5GHz。WLAN的标准目前主要有 IEEE802委员会推出的 IEEE802.11系列标准、HomeRF工作组开发的 HomeRF标准和欧洲电信标准协会 ETSI（EuropeanTelecommunications Standards Institute）制定的

47、HiperLAN标准，其中 IEEE802.11系列标准应用最为广泛，获得众多厂商的支持，产品在 WLAN市场上居主导地位。本教材介绍基于 IEEE802.11的 WLAN所采用的技术。IEEE802.11系列标准包括以下几个标准：（1） IEEE802.11（2） IEEE802.11a（3） IEEE802.11b（4） IEEE802.11g（5） IEEE802.11n（6） IEEE802.11acIEEE802.11的体系结构如图 3-15所示。17 第三章计算机网络系统IP网络层IEEE802 逻辑链路控制协议（LLCP）数据链路层CSMA/CA802.11nOFDMQAM-64

48、MIMO802.11acOFDMQAM-256多用户MIMO8-SDMA802.11红外802.11FHSS802.11DSSS802.11aOFDM802.11bHR-DSSS802.11gOFDM物理层4-SDMA图 3-15 IEEE802.11协议栈1. IEEE802.11的物理层IEEE802.11是 IEEE在 1997年正式发布的第一个 WLAN标准。它在物理层上支持三种传输技术，红外、跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）和直序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）。红外传输使用漫射

49、传输方式，工作波长为 0.85m或 0.95m，传输速率 1Mbps或 2Mbps。FHSS工作频段 2.4GHz，使用了 79个子信道，每个子信道带宽 1Mhz，在每个信道上的最大滞留时间为 400ms，最大传输速率 1Mbps。DSSS也工作在 2.4GHz频段，使用巴克序列（Barker Sequence）扩频码，最大传输速率 2Mbps。1999年，IEEE先后推出了 802.11b和 802.11a两个升级标准。802.11b的物理层工作频率仍在 2.4GHz，但引入了高速直序列扩频（High Rate Direct SequenceSpread Spectrum，HR-DSSS）技

50、术，可以采用 Walsh/Hadamard编码，使最高速率可达 11Mbps，支持的传输速率有 1、2、5.5和 11Mbps，可与 802.11兼容。802.11a工作在 5GHz频段，使用了与之前的标准完全不同的正交频分多路复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术，最高传输速率可达54Mbps。但这使得该标准既不兼容 802.11b，也不兼容 802.11。为提高与其他标准的兼容性，2003年 7月推出了 IEEE802.11g标准。802.11g工作在 2.4GHz频段，物理层采用了两种调制方法。一种是与 802.11b兼

51、容的补码键控调制（Complementary Code Keying，CCK）结合 DSSS扩频，使最高传输速率提高到 24Mbps。另一种是 802.11a使用的 OFDM，最高速率达到 54Mbps。因此，802.11g实现了既与 802.11b兼容，可实现平滑升级，又能够将传输速率提高到与 802.11a相同的水平。 802.11g支持的强制速率为 1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、6Mbps、11Mbps、12Mbps和 24Mbps，可选速率为 9Mbps、18Mbps、36Mbps、48Mbps和 54Mbps。2009年 802.11n正式推出，它可同时工作在 2.4GHz

52、和 5GHz两个频段，意味着它既可以兼容 802.11a，又可以兼容 802.11b。802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化来充分提高 WLAN的吞吐率。802.11n主要的物理层技术涉及了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多进多出）、MIMO-OFDM、QAM-64、18 第三章计算机网络系统Short GI（Guard Interval，保护间隔）等技术。在 802.11n中，MIMO最多可以支持 4个空间码流（spatial stream）。除此之外，在该标准中增加了接入带宽，达到 40MHz，从而将物理层吞吐率提高到 600Mbps；采用多

53、天线技术后覆盖范围可以比 802.11a/b/g等扩大一倍。更新的 WLAN标准 802.11ac已在 2013年 12月获得批准。在这个标准中，工作频段只有 5GHz，接入带宽达到 80MHz和 160MHz，采用多用户 MIMO（空分多址 SDMA）、QAM-256、波束成型（Beam forming）等技术，MIMO支持的空间码流数比 802.11n增加一倍，达到 8个，传输速率最高达 7Gbps。不仅是在传输速率方面较以前的版本有大幅度的提高，而且在网络安全方面也有改进。在兼容性方面，802.11ac的物理层与 802.11n和 802.11a保持兼容。2. IEEE802.11的媒体

54、访问控制（MAC）协议由于是无线环境，与以太网类似，WLAN也存在多个站对共享信道的访问争用问题。但无线环境与有线环境不同，存在隐藏站和暴露站的问题，如图 3-16所示。因此，不能照搬有线环境下的 CSMA/CD协议。A的作用范围C的作用范围B的作用范围C的作用范围？ABCDABCD（a）（b）图 3-16无线环境的特殊性（a）隐藏站问题；（b）暴露站问题。为解决隐藏站和暴露站问题，IEEE802.11有两种介质访问控制机制。一种是分布式访问机制，称为 DCF（Distributed Coordination Function，分布式协调功能），另一种是集中访问机制，称为 PCF（Point

55、Coordination Function，点协调功能）。所有的 802.11都支持 DCF方式，PCF方式则是可选的。在分布式控制 DCF机制中，也采用了 CSMA类型的协议，但是与以太网的协议不同，称为载波监听多路访问 /碰撞避免（ Carrier Sense MultipleAccess/Collision Avoidance，CSMA/CA）。协议规定，各站在发送数据之前，首先监听信道，检测信道是否空闲。如果信道空闲，各站需等待一个随机时间（退避算法确定），然后发送，使得各站发送信号产生碰撞的概率减到最小。为了提高无线环境下传输的可靠性，CSMA/CA还采用了应答机制，即设置 ACK应

56、答帧。如果接收方正确收到信息，向发送方发出一个 ACK帧。否则，不发送，发19 第三章计算机网络系统送方重传。为消除隐藏站问题，CSMA/CA采取的是预约信道的方法，即 RTS/CTS机制。以图 3-16（a）为例，当 A站欲向 B站发送数据时，先向 B站发送一个发送请求短帧 RTS（Request To Send），长度为 30字节，包含了随后将要发送数据帧的长度信息。在 A站覆盖范围内，所有的站（包括 B站）都可以收到该 RTS帧，并且在足够长的时间内一直要保持沉默，以便 A站发送数据，B站除外。B站收到 A站的 RTS后，回复一个短帧 CTS（Clear To Send），表示已经做好了

57、准备，可以接收 A发送的帧。该帧同样也包含了准备接收的数据帧的长度。这样在 B站覆盖范围内的所有站收到该 CTS帧后，也被要求保持沉默，直到 B站完成接收。集中访问 PCF机制中有一个中心站，控制其他站对信道的访问，提供无竞争的数据传输访问。中心站采用轮询的方式，询问各站是否有数据发送，发送顺序由中心站控制，因此不会发生冲突或碰撞。这个中心站就是 WLAN中的 AP（Access Point）。802.11标准中规定了轮询机制，但是没有规定轮询频率和顺序，也没有规定各站的访问等级。802.11n对 MAC协议层做了进一步的优化。在 MAC层协议中，有许多固定的开销，共 34字节，尤其在帧间及传

58、输每帧收到的确认信息 ACK等情况下，这些开销甚至比整个数据帧要长。802.11n采用了帧汇聚技术，减少固定开销，改善了 MAC层。802.11n提供了两种帧汇聚的方法：MAC服务数据单元 MSDU（MAC Service Data Unit）汇聚和 MAC协议数据单元 MPDU（MAC Protocol DataUnit）汇聚。两种汇聚方法都使多个帧开销缩减为 1个，并且潜在的冲突时间及回退时间大大减少，对大量较小的帧的传送，如语音帧、TCP的 ACK帧等特别有益。如前所述，为了增加 MAC协议的可靠性，802.11的 MAC协议要求每一个除了组播和广播之外的帧都要被接收方确认。为配合帧汇聚

59、技术应用， 802.11n增加了组合确认（Block Acknowledgement）功能，通过使用一个 ACK帧来完成对多个 MPDU的应答，以降低这种情况下 ACK帧的数量，达到高性能与稳定性的综合要求。3.2.3广域网(WAN)技术与标准覆盖范围超过局域网的所有网络都可以看作为广域网。大多数广域网属于公共网络，一般由电信运营商或有线电视运营商承建、运营和管理。一些大的企事业单位或政府部门也有自己覆盖一个地区甚至全国的专用网络。广域网的结构和采用的技术与局域网有很大不同。在网络结构方面，广域网分为核心网和接入网两个层次，如图 3-17所示。20 第三章计算机网络系统用户网用户网用户网接入网

60、接入网接入网用户网用户网用户网接入网用户网用户网核心网图 3-17广域网结构核心网多采用网状拓扑结构，由网络结点，如结点交换机、多协议路由器、业务服务器等组成。核心网属于传送网，因此又称主干网。它的主要功能是保质、保量、高效地传送大量的信息流。接入网主要完成将用户或用户网络接入到核心网的任务，有关接入网的内容将在第 5章讲授。早期的计算机广域网大多借助于公共电话网（PSTN）实现，即使是ARPANET，也是租用的 AT&T（美国电话电报公司）的电话线路。第一代专门的数据通信网是基于 X.25协议的数据通信网。该协议是 ITU于 1974年提出的，并在上世纪 80年代做了多次修订。X.25网络是