网络结构与互连设备

第3章网络结构与互连设备

3.23.33.4以太网的产品标准3.5高速网络技术3.63.7广域网技术3.8本章小结练习题13.1局域网的标准 3.1.1局域网概述 局域网(LAN，LocalAreaNetwork)，顾名思义就是局部区域的计算机网络。在局域网中，连接在一起的计算机其分布范围一般在10 m以上和几千米之内，因此局域网的本质特征是分布距离短。另外，构成局域网的微机可以是不同厂家生产的，如IBM兼容机与Apple公司的Macintosh系统就可以连接在一起。2 根据用途和传输速率的不同，可以把局域网划分为四种： ●程控小交换机管理的局域网; ●局部区域网络; ●高速局部区域网络; ●宽带网。 这几类局域网是为了满足不同的要求而分别发展起来的,它们的性能、通信协议、数据交换方式、软/硬接口、传输介质以及网络拓扑结构等均有所区别。

详细性能指标在表3-l中给出。3表3-l局域网的一些性能参考指标4 3.1.2

局域网协议及模型 计算机连接成的局域网必须增加一些网络产品并对这些产品进行配置，购买的网络产品必须符合标准。一般创建一个网络必须遵循一定的标准，这些标准由国际标准化组织制定。网络标准给我们带来的好处是：可以把遵循标准的任何网络产品连接在一起。 前面我们已经学习了OSI参考模型。局域网遵循OSI模型，但采用广播通信方式，其体系结构与OSI参考模型有相当多的区别，如图3-1所示。5图3-1局域网模型与OSI/RM对比6 局域网不存在路由选择问题，因此局域网可以不要网络层，但局域网由于采用广播通信方式，必须要解决由于共享信道产生的信息冲突这个核心问题。 由于局域网的种类繁多，其物理媒体连接控制的方法也各不相同，为了使局域网中的数据链路层不至于过分复杂，一般将局域网的数据链路层划分为两个子层，即媒体接入控制或媒体访问控制MAC(MediumAccessControl)子层和逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层。7 与OSI参考模型相比，局域网的参考模型相当于OSI的最低两层。在局域网的数据链路层中，与物理媒体有关的问题都放在MAC子层，与物理媒体无关的问题都放在LLC子层。局域网对LLC子层是透明的，只有MAC子层才区分局域网的标准。 MAC子层的主要功能有： (1)将上层传下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，将帧拆卸)。 (2)实现和维护MAC协议。 (3)比特的差错检测。 (4)寻址。8 LLC子层完成的主要功能有： (1)建立和释放数据链路层的逻辑连接。 (2)提供与高层的接口。 (3)差错控制。 (4)给帧加上序号。 电气电子工程师协会(IEEE，TheInstituteofElectricalandElectronicEngineer)是世界上最大的专业组织之一，对于网络而言，IEEE的一项最了不起的贡献就是对IEEE802协议进行了定义。9 局域网的标准主要是由IEEE802委员会制定的。该委员会成立于1980年，它专门负责制定不同工业类型的网络标准，主要的几个标准参见表3-2。在局域网中，由于数据以编址帧的形式传输并且不存在立即交换等特点，高层协议对局域网来说并不那么重要。各局域网产品尽管高层软件不同，网络操作系统也有差别，但由于低层都采用了802局域网标准协议，因而几乎所有局域网都可以实现互连。10表3-2OSI与IEEE802标准的比较11 现在的IEEE802委员会共有以下12个分委员会: ● 802.1——概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。 ● 802.2——逻辑链路控制。它提供OSI的数据链路层两个子层中上面一个子层的功能。逻辑链路控制是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。 ●802.3——CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)。它定义了CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。 ● 802.4——令牌总线网。它定义了令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。12 ● 802.5——令牌环型网。它定义了令牌传递环型网的MAC子层和物理层的规范。 ● 802.6——城域网。它定义了城域网的MAC子层和物理层的规范。 ● 802.7——宽带技术。 ● 802.8——光纤技术。 ● 802.9——综合话音数据局域网。 ● 802.10——可互操作的局域网安全。 ● 802.11——无线局域网。 ● 802.12——新型高速局域网(100Mb/s)。13 现在IEEE的标准802.l～802.6已成为ISO的国际标准ISO8802.1～8802.6。 在IEEE802标准中，最常用的标准是IEEE802.3、IEEE802.4 和IEEE802.5，它们的介质访问控制方法分别为：带有冲突检测的载波监听多路访问方法(CSMA/CD)、令牌总线(TokenBus)方法和令牌环(TokenRing)方法。IEEE802标准中还为局域网的每一个节点规定了一个48位(bit)的全局地址。 目前，IEEE是世界上局域网全局地址的法定管理机构，负责分配高24位的地址。世界上所有生产局域网网卡的厂商都必须向IEEE购买高24位组成的序列号，而低24位由生产厂商自己决定。143.2典型的局域网标准

3.2.1以太网(Ethernet) 以太网的结构如图3-2所示。15图3-2以太网结构图16 以太网和IEEE802.3是两项较为相似的网络技术，都属于CSMA/CD局域网。CSMA/CD局域网上的每一个站点都能随时访问网络上的任何资源。CSMA/CD包含两方面的内容，即载波监听多路访问(CSMA)和冲突检测(CD)。 载波监听多路访问(CSMA)的工作原理：在数据传输之前，CSMA/CD局域网上的站点监听网络是否正在被使用，如果网络正在被使用，当前站点将处于等待和检测载波状态；如果网络未被使用，当前站点将开始传输数据。17 采用CSMA仍然会产生冲突，若CSMA/CD局域网上的两个站点同时监听网络，同时得知网络未被使用，则它们将同时开始传输数据；或者网络上有站点发送数据，由于信号在链路上传输有广播延迟，另一站点未检测到载波而发送数据。这两种情况都会导致网络冲突事件的发生，在此两种情况下同时发生的两个数据传输都是无效的，而且两个站点必须在之后的某个不同时刻重发数据。采用退避算法(该算法用来计算各站点的等待重新发送数据的时间)可以决定冲突的两个站点重发数据的时间。CSMA/CD局域网的站点能够检测冲突，所以它们知道何时可以重发数据。18 CSMA/CD方法可以简单地概括为以下几点： ●先听后发； ●边听边发； ●冲突停止； ●随机延迟后重发。 CSMA/CD方法经常用于总线型和树型拓扑结构网络中。 以太网和IEEE802.3局域网都属于广播网络，即网络上所有的站点都能监听到网络上的所有数据帧，而不管它们是不是数据帧的目标站点。网络上的每个站点都必须检查接收到的数据帧来判断它自身是否是数据帧的目标站点。如果是数据帧的目标站点，则将数据帧传送到当前站点的更高协议层作进一步的处理。19 从某种意义上来讲，以太网和IEEE802.3局域网之间也存在着一些差异。以太网提供的服务与OSI参考模型的物理层和数据链路层相一致；而IEEE802.3LAN仅仅规定了物理层和数据链路层的信道访问部分，并没有定义逻辑链路控制协议。通常情况下，以太网和IEEE802.3都通过硬件来实现，这些协议的物理实现可以是主机内的接口卡，也可以是主机内主电路板上的电路。20 3.2.2IEEE802.5标准：令牌环 1．环型局域网络工作原理 1)环型网的一般工作原理 环型网的拓扑结构是所有节点串行连接而形成的一个封闭环路。信息传输是单向和逐点传送的。信息沿环路而行，每经过一个节点按位或按帧转发一次。每个节点对信息都有地址识别能力，若地址符合，该站就是目的节点而将信息收下，否则继续向下传送。环型网的结构如图3-3所示，它由一高速数字通信信道和环接口组成，节点主机通过环接口连接到网内。21图3-3环型网结构图22 2)环接口 环接口在逻辑上由五部分组成：发送器(缓冲)、接收器(缓冲)、控制器、线驱动器和线接收器，如图3-4所示。23图3-4环接口逻辑框图24 线接收器接收来自环上的信息包，并送至接收方缓冲器。在进行地址识别后，如本节点为该信息包的目的地址，则将信息包放在缓冲器中暂存，然后送入本节点处理机或终端。对于已接收的信息包，是继续转发还是终止该信息包的传送决定于环的控制策略。线驱动器是向环路发送信息包的部件，具有再生放大作用。发送缓冲器担负向环路上传送信息包的任务，包括从接收器送来的转发信息包和从本站处理机送来的企图向网上发送的信息包。若本节点不是所传送信息包的目的地址，则经接收器送至发送器，然后经线驱动器将信息包送至环路，维持环信息的连续。控制器负责控制和调节环型网上的信息流量，检测信息的丢失，防止死锁和进行恢复等。25 环接口要有足够的输入输出缓冲空间，以存储本地处理机的输入输出信息和转发信息，并能进行必要的缓冲延迟。 线接收器和线驱动器以及相应的控制逻辑等也可看成是环接口的一个中继转发器。它仅产生1位或几位的时间延迟，但对信号进行了整形和放大，使其负载能力增强。这种方式称为按位转发，延迟时间仅有l位或几位。与此相对应的还有按帧转发方式，即必须把整个帧的信息都接收并存储下来，也称为存储转发。它的转发延迟时间较长，但易于实现分布式控制，通信的同步技术较易实现。26 3)环型网络的特点 环型网的主要特点有： (1)只有一条环路，信息单向流动，无路径选择问题，且由于每个节点都可以收到其他任何节点发送的信息，故容易实现广播式发送。 (2)环路是一个含有有源部件的信道，每个中继转发器都具有放大整形作用，其负载能力强，覆盖面积大。 (3)对信道访问的控制技术较简单，只要向下游节点发送信息的信道空闲就可发送，故消除了信息流的拥挤和堵塞等问题，简化了软件设计和额外开销。27 (4)接口的功能比较简单，节点的增减方便，网络的成本正比于节点的数量。 (5)环路适于多种传输介质,传输速率高,较适于实时传输。 除上述优点外，环型网也还存在一些缺点，主要是可靠性较差。由于环路中的中继转发器为有源器件，和无源的总线网相比，其故障率较高，而某一节点的故障可能导致整个环路断开而无法工作，但目前已有许多提高可靠性的方法。28 环型网较多采用分布式控制技术，即信息包的传输是自治的，对环路的管理与控制是分散的；也有的采用集中控制机构，网中设一个交换站，所有源工作站的信息包需经交换站转发至目的工作站，但采用集中控制机构的环型网较少；也有将二者相结合起来的环型网，即网上信息包的传送是分布式的，而对环路的管理和控制是集中式的。 令牌传递的基本思想是：令牌依次沿每个节点传送，使得每个节点都有平等发送信息包的机会。令牌有“空”和“忙”两个状态。“空”表示令牌没有被占用，即网中没有信息发送；“忙”表示令牌已被占用，即令牌正在携带信息发送。当“空”的令牌传送至正待发送信息包的节点时，此信息立即可以发送并将令牌置为“忙”标志。在一个节点占有令牌期间，其他节点只能处于接收状态。29 2.令牌传递环网(TokenPassingRing) 令牌传递环网简称令牌环。 令牌传递环网中，每个工作站的主要任务是： (1)转发从环路输入的比特流。 (2)不停地监视以下两种比特组合：本站地址和令牌。 令牌环的优点是：每当一站获得令牌后，可传送一变长信息。但因为规定由源站收回信息包，所以大约有50%的环路在传送无用信息，影响了传输效率。30 令牌环另外一个优点就是重负载时可以高效率地工作，整个网络不会有几个节点同时向网络发送数据，因此令牌环即使在重载时也不会因发生冲突而降低效率。 在设计令牌环时要考虑一个比特的“物理长度”。若令牌环上的数据传输速率为B Mb/s，则环节口设备每隔1/Bμs发出一个比特。31 3.2.3IEEE802.4标准：令牌总线局域网 令牌传递环网具有简单、经济、没有信息冲突等优点，但由于采取按位转发方式，环路上节点增多，信息延时也随之增加。采取CSMA/CD方式的总线网络，由于以竞争方式随机访问传输介质，因而一定会有冲突发生，且随着网络负载的增加，冲突愈加严重，网络延时不确定，可是总线具有广播式传输、任意节点间可直接进行通信等优点。 令牌总线局域网采用令牌传递总线访问控制方式，令牌传递总线访问控制称为令牌传递总线(TokenPassingBus)。32图3-5令牌传递总线网拓扑结构333.3局域网的组成 3.3.1网络服务器 前几年流行的各种微机局域网，它们大多使用集中控制型的专用服务器结构。网络服务器是网络的控制核心部件，一般由高档微机或由具有大容量硬盘的专用服务器担任。局域网的操作系统运行在服务器上，所有的工作站都以此服务器为中心，网络工作站之间的数据传输均需要服务器作为媒介，如Netwarev2.x及v3.x等网络。34 目前，主要流行的微机局域网操作系统是Client/Server(客户机/服务器)结构式的，它们的访问控制方式属于集中管理和分散处理型，这也是20世纪90年代以来局域网发展的趋势，如WindowsNT3.x、4.x和Windows2000，以及Netwarev4.x和v5.x等。对于简单的几台计算机则采用对等(PeertoPeer)网络。采用对等网络后，所有计算机之间能够直接共享设定的网络资源，无需网络服务器。 通常，无论采用哪种结构的局域网(对等网络除外)，在一个局域网内至少需要一个服务器，它的性能直接影响着整个局域网的效率，选择和配置好网络服务器是组建局域网的关键环节。35 目前，人们从不同的角度对网络服务器进行了分类，也就是说，网络服务器在充当文件服务器的同时，又可以充当多种角色的服务器。如某校园网的文件服务器在作为文件服务器的同时，还充当了打印服务器、邮件服务器、Web服务器、域名(DNS)服务器和动态主机配置协议(DHCP)服务器等多种类型的服务器。当这个文件服务器作为打印服务器时，应当有一台或多台打印机与它相连，通过内部打印和排队服务，使所有网络用户都可以共享这些打印机，并且管理各个工作站的打印工作。36 在网络中，也有将特殊功能的专用设备作为服务器使用的情况。如图3-6所示的通信服务器，它将远程计算机连入到局域网中，这样为人们把家里的计算机连入单位的局域网进行办公带来了方便。图中PSTN为电话系统。

37图3-6通信服务器将远程的计算机连入局域网383.3.2工作站或客户机 在网络环境中，工作站或客户机是网络的前端窗口，用户通过它访问网络的共享资源。工作站实际上就是一台计算机，它至少应当包括键盘、显示器、处理器CPU(包括RAM)。大多数工作站带有软驱和硬磁盘。39 通常用作工作站的机器是IBMPC和AppleMacintosh等微机。这些微机通过插在其中的网卡，经传输介质与网络服务器连接，用户可以通过工作站向局域网请求服务并访问共享的资源。工作站从服务器中取出程序和数据以后，用自己的CPU和RAM进行运算处理，然后将结果再存到服务器中去。 根据工作站的资源和运行方式可将工作站分为有盘工作站和无盘工作站。 内存是影响网络工作站性能的关键因素之一。40 3.3.3

网络适配器(网卡) 网络适配器又叫网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，简称“网卡”，是以太网中的必备设备。 网卡的基本功能有： (1)网卡实现工作站与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，接收和执行工作站与服务器送来的各种控制命令，完成物理层的功能。 (2)网卡实现局域网数据链路层的一部分功能，包括网络存取控制、信息帧的发送与接收、差错校验、串并代码转换等。

41 (3)网卡实现无盘工作站的复位及引导。 (4)网卡提供数据缓存能力。 (5)网卡还能实现某些接口功能。 网卡主要具有以下三个基本参数： (1)中断请求IRQ。中断级的设置是网卡硬件的重要参数之一。对IBMPC类型的网络或服务器，中断请求IRQ应选择中断控制器提供的IRQ0～IRQF的16级之一，如通常选IRQ3或IRQ4。 (2) DMA通道。DMA是直接存储器访问方式，允许网卡、网站与存储器直接进行数据传送，而不需通过CPU。典型计算机系统的DMA 3通道给网卡使用，其他通道则为硬盘和软盘驱动器所使用。有些网卡不需选择DMA参数。42 (3)存储基地址和I/O基地址。存储基地址和I/O基地址是两个独立的物理地址，它们的功能相似。网站或服务器上的每块网卡都使用一个指定的I/O块和一个存储缓冲区，用于网络卡与操作系统之间的信息传送。决定I/O块和存储空间地址的参数是I/O基地址和存储基地址。 对于无盘工作站上的网卡，需增加启动芯片，为了使网卡启动芯片中的服务程序能在工作站上正确执行，还需设置MemoryAddress(服务程序在计算机上执行的起始地址)。43 3.3.4传输介质 传输介质是网络中信息传输的媒体，是网络通信的物质基础之一。传输介质的性能特点对传输速率、通信的距离、可连接的网络节点数目和数据传输的可靠性等均有很大的影响，必须根据不同的通信要求，合理地选择传输介质。在局域网中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维等。 1.双绞线 双绞线(TwistedPair)是最普通的传输介质，它由两根绝缘的金属导线扭在一起而成，如图3-8所示。44图3-8无屏蔽双绞线(UTP)45 双绞线分为有屏蔽双绞线(STP)和无屏蔽双绞线(UTP)。有屏蔽双绞线外面环绕一圈金属屏蔽保护膜，可以减少信号传送时所产生的电磁干扰，但相对来讲价格较贵。 无屏蔽双绞线没有金属保护膜，对电磁干扰的敏感性较大，电气特性较差。它的最大优点是价格便宜，所以广泛应用于传输模拟信号的电话系统中。此类双绞线的最大缺点是绝缘性能不好，分布电容参数较大，信号衰减比较厉害；一般来说，传输速率不高，传输距离也很有限。46 在以太网中使用UTP双绞线时，它具有如下特征： ●物理星型配置； ●电缆最大长度为100m； ●电缆上的传输速度为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s； ●节点通过集线器、交换机连接； ●无外部终端电阻； ●每段的最大媒体延迟为1000ns。47 现在使用的UTP双绞线可分3类、4类、5类和超5类四种，这四种UTP的主要性能参数见表3-3。其中3类UTP适应了以太网(10 Mb/s)对传输介质的要求，是早期网络中重要的传输介质；4类UTP因其标准的推出比3类晚，而传输性能与3类UTP相比并没有提高多少，所以一般较少使用；5类UTP因价廉质优而成为快速以太网(100Mb/s)的首选介质；超5类UTP则使用在千兆位以太网(1000Mb/s)中。48表3-3UTP的主要性能参数49 2．同轴电缆 同轴电缆(CoaxialCable)是网络中最常用的保护套传输介质，共有四层，最内层是中心导体，从里往外依次分为透明绝缘层、金属网屏蔽层和黑色保护套，如图3-9所示。50图3-9同轴电缆51 按带宽和用途来划分，同轴电缆可以分为基带(BaseBand)和宽带(BroadBand)。 常用的同轴电缆线型号参见表3-4，具体介绍如下。 (1) RG-58A/U。该型号为用于l0Base-2，阻抗50 Ω，直径0.18英寸的同轴电缆线，又称细同轴电缆。它是计算机网络中最常见到的同轴电缆线，以以太网标准而言，常与BNC接头配合连接。 (2) RG-11。该型号为用于10Base-5，阻抗50 Ω，直径0.4英寸的同轴电缆线，又称粗同轴电缆。它需配合收发器(Transceiver)使用。 (3) RG-59U。该型号为阻抗75 Ω，直径0.25英寸的同轴电缆线，常用于电视电缆线，也可作为宽带的数据传输线，ARCnet网络用的就是此类电缆线。52表3-4常用的同轴电缆线53 3.光导纤维电缆 光导纤维电缆(OpticalFiber)简称光纤电缆或光缆。随着对数据传输速度的要求不断提高，光缆的使用日益普遍。对于计算机网络来说，光缆具有无可比拟的优势，也是目前和未来发展的方向。 光缆由纤芯、包层和护套层组成。其中纤芯由玻璃或塑料制成，包层由玻璃制成，护套由塑料制成，其结构参见图3-10。54图3-10光纤电缆55 (l)光纤通信的优点： ●传输速率高，目前实际可达到的传输速率为几十Mb/s至几千Mb/s。 ●抗电磁干扰能力强，重量轻，体积小，韧性好，安全保密性高等。 ●传输衰减极小，使用光纤传输时，可以实现在6～8km距离内不使用中继器的高速率数据传输。 光纤分为单模光纤和多模光纤。

56 (2)光纤通信的缺点： ●光纤通信多用于作为计算机网络的主干线。光纤的最大问题是与其他传输介质相比价格昂贵。 ●光纤衔接和光纤分支均较困难，而且在分支时，信号能量损失很大。 光纤的类型由模材料(玻璃式塑料纤维)、芯和外层尺寸所决定，芯的尺寸大小决定光的传输质量。常用的光纤有： ●8.3/125μm单模光纤(其内径为8.3μm，外径为125 μm)。 ●62.5/125μm、50/125μm、100/140μm多模光纤。57 光纤分布式数据接口(FDDI，FiberDistributedDataInterface)是由美国ANSIX3T9.5委员会于1982年制定的网络标准，它是目前惟一的高速局域网统一标准，数据传输速率达到100Mb/s甚至1000Mb/s。目前，FDDI已是一种成熟的网络技术，世界上很多厂商都提供FDDI网络产品。但FDDI技术也存在某些与光纤一样的不足。58 4.传输介质的选择 选择传输介质时应考虑的因素很多，但首先应当确定主要因素，然后再选择合适的传输介质。选择时可考虑的主要因素有：

●网络拓扑结构；

●网络连接方式；

●网络通信容量；

●系统传输时的可靠性要求；

●所传输的数据类型；

●环境因素，如网络覆盖的地理范围、节点间距等。59 3.3.5网络互连设备 在网络中，常用的网络互连设备有中继器、集线器、网桥、交换机、路由器等，它们在网络通信中起着关键的作用。各设备工作在OSI/RM模型的不同层次，具体参见图3-11所示。下面分别介绍这些设备的工作原理和使用场合。60图3-11网络互连设备的层次关系61 1.中继器(Repeater) 中继器是物理层的连接设备，可用不同电缆连接网段以扩展网络长度，这里的网段指一个使用任何中继设备的标准网络。中继器的原理是：由于数字信号在传输过程中，其高次谐波最易衰减而使信号变形，电缆上的阻抗、容抗也会使信号幅值和形状变小或失真，中继器在信号传输一定距离后对其进行整形和放大，但不对信号作校验等其他处理，故即使是一个错误的信息帧或信号中含有噪声，它都照样整形放大。图3-12所示为中继器的一种使用方法。62图3-12中继器连接两个以太网63 使用中继器进行网络互连时，应注意如下两点： (1)使用中继器互连以太网不能形成环路。 (2)必须遵循MAC协议的延时特性，不能用中继器将电缆无限地连接起来。MAC协议的延时特性主要指的是，使用中继器或集线器来扩展以太网络的范围必须符合中继规则，即在共享式以太网中，各站点传输信息时必须满足冲突域原则。网络中任何两个站点传输信息的总延时满足如下条件： (1)对10Mb/s以太网应用： (DTE延时+MAC延时+中继延时+电缆延时)≤25.6 μs64 其中，数据在任一网站内收发所花费的时间为DTE延迟，由网卡进行冲突检测和收发所花费的时间为MAC延迟，DTE和MAC延迟往往合并计算；走过一段电缆的时间为电缆延迟；通过中继器整形放大所花的时间为中继器延迟。所有延迟的总和应小于冲突域所规定的时间25.6μs。因为10Base以太网规定的信息帧的最小长度为512bit，发送1bit的时间是0.1μs，发完最小包需51.2μs，但是为保证按CSMA/CD协议正确地收发，总延时则只能限定在25.6μs之内，如图3-13所示。65图3-13冲突域的概念图66在图3-13中，A、B为任意两个网站，距离为L，垂直坐标为延迟时间t。设A站从t0时开始发送，t1时第1bit到达B站而A站已发完256bit，延时为25.6 μs。在此之前B站不知A站已发送，可在任意tx时间竞发，但在电缆M点发生冲突。B站在t1检测到了冲突而发出拥塞帧，A站在刚发完一个最小帧后即收到拥塞帧，从而知道最小帧已受损，双方都退回重新竞发。67 若A站发出的是一个大于512bit的长帧，则更能在发完之前侦听到冲突而退回重发，避免了资源浪费。若总延时大于最小帧长限制的25.6 μs，则A站发完较小帧之后，根本不知道该帧已受损而使错帧在网上广播。因此，以太网的冲突域可以保证在延时25.6 μs以内发现冲突，使得局域网内的任何网站都能正确执行CSMA/CD协议，而不会发生错误。或者说局域网内任何两节点间所有设备的总延时应小于25.6 μs，这就是组建局域网的根据，由此而制定了组建10Mb/s以太网的中继规则，即5-4-3-2-1中继规则。其中：5指网络中最多可有5个网段；4指全信道上最多可连4个中继器；3指其中3个网段可连有网络站点；2指有两个网段只用来延长网络距离，不连网站；1指构成一个共享式以太网。68 (2)对100Mb/s快速以太网应用：(DTE延时+MAC延时+中继延时+电缆延时)≤2.56 μs 100Mb/s快速以太网符合3-2-1中继规则，即在一个高速共享网络内，最多用2个Ⅱ类高速HUB，两网站之间最多经过3条电缆，但两个高速HUB之间的电缆长度不能超过5m。69 2.集线器(HUB) 网络集线器(HUB)有许多特点。最简单的集线器通过把逻辑Ethernet连接成物理上的星型拓扑结构而增加了网络的连通性，它实质是一个多端口中继器。稍微复杂一点的集线器(交换式集线器)用作网桥和路由器的替代品以便减少网络拥塞。高级集线器为FDDI、帧中继及ATM网络提供了非常高速的连通性。图3-14说明了10Base-T集线器与PC工作站连接的方式。70图3-1410Base-T集线器71 一般来说，集线器提供了下列一项或多项服务： ●容许在一个或多个LAN上连接大量计算机； ●减少网络拥塞； ●提供多协议服务,例如Ethernet与FDDI的连通； ●巩固网络主干； ●实现高速通信。72 最简单的集线器是用在EthernetLAN上的10Base-T(有关10Base-T网络标准将在后面详细论述)，它还是将工作组与小型或大型LAN连接的最流行方式之一。 局域网的管理由集线器上的软件而不是连到LAN上的一个个设备来完成。物理星型拓扑结构比物理总线拓扑结构更易于管理，因为一个端口只连接一个设备或者双绞线的菊花状链接(一台与另一台连接)使得设备范围受到限制。如果一个端口上的网卡出现故障，只要简单地使该端口失去作用，直到换了一块网卡，连在其他端口的工作站继续工作为止。73 集线器提供的接口通常有8口、16口和24口等几种，集线器能提供连接多种网络传输介质的接口，通常具有RJ-45和BNC两种接口或RJ-45、BNC和AUI三种接口。 集线器按性能还可分为Ⅰ类、Ⅱ类HUB。Ⅰ类HUB会把传来的模拟信号转变为数字信号再转发到其他端口，其延时较大，约为0.7 μs，可提供TX、T4端口。Ⅱ类HUB则不进换转换，直接转发，延时较小，约为0.35 μs，只提供一种TX或T4端口。由于二者延迟差别很大，因而对连接HUB的个数有明显的影响。74 3.网桥(Bridge) 1)网桥定义 网桥是一种在数据链路层实现互连的存储转发设备。大多数网络，尤其是局域网，其结构上的差异都体现在介质访问协议(MAC)之中，因而，网桥被广泛地用于局域网的互连。 2)网桥的功能和作用 (1)网桥的功能。 ①过滤和转发。 如图3-15所示。由于网桥只将应该转发的信息帧编排到它的通信流量中，因而提高了整体网络的效率。

75图3-15利用网桥连接两个LAN76 ②学习功能。 (2)网桥在实际应用中的作用。 网桥常常用来分割一个负载过重的网络，以均衡负载，增加网络的效率。使用网桥可以将忙碌的网络分成若干小段，因为设计良好的网络可以使多数分组不用跨越网桥即可传送，从而减少了独立网段上的信息流量。 ①扩展网络的物理尺寸。网桥的使用可以使网络设计者进一步延伸网络的距离，扩展网络的总尺寸。 ②网桥可以实现局域网(LAN)之间以及远程局域网和局域网之间的互相连接。 ③网桥可以连接不同传输介质的网络。773)在复杂网络环境中使用网桥的限制(1)拥有网桥的网络通常不能使用备用通道。(2)网桥不能对网络进行分析，以实现继续传输数据时的最快路由。在多种路由存在时，尤其是在那些路由较慢的广域网中，路由选择功能往往是最希望具备和最需要的能力。(3)网络不能过滤广播分组。因此，对于如何避免广播风暴，网桥无能为力。(4)网桥依赖于物理设备的地址。78 4)网桥的使用方式和分类 网桥可以用来互连两个同类网络，例如两个以太网之间的互连。网桥使用时的最简单形式是使用两端口的网桥互连两个局部网络，如图3-15所示。 从硬件配置的位置来分，网桥通常分为内部网桥和外部网桥两种。 从地理位置来分，网桥还可以分为近程网桥和远程网桥。如图3-16所示。79图3-16本地网桥和远程网桥的使用80 5)网桥的安装 (1)内部网桥的安装。 (2)外部网桥的安装。 4.路由器(Router) 1)路由器的作用 路由器(Router)与网桥的最大差别在于网桥实现网络互连发生在数据链路层，而路由器实现网络互连发生在网络层。在网络层上实现网络互连需要相对复杂的功能，比如路由的选择多路重发以及错误检测等均在这一层上用不同的方法来实现。与网桥相比，路由器在异构网互连能力、拥塞控制能力和网段的隔离能力等方面都要强于网桥。81 另外，路由器能够隔离广播信息，从而可以将广播风暴的破坏性隔离在局部的网段之内。路由器是局域网和广域网之间进行互连的关键设备，通常的路由器都具有负载平衡、阻止广播风暴、控制网络流量以及提高系统容错能力等功能。一般而言，路由器大都支持多协议，提供多种不同的物理接口，从而使不同厂家、不同规格的网络产品之间，以及不同协议的网络之间可以进行非常有效的网络互连。路由器的外形如图3-17所示。82图3-17路由器83 2)路由器的使用方式 从物理结构上看，路由器和网桥没有什么差别，它们都是由软件和硬件两部分组成的，而且网桥和路由器可以建立在同样的硬件平台上。但路由器在网络层互连网络，而网桥在数据链路层互连网络。因此，使用路由器连接的网络在处理方面的工作较多，为使路由器能以网桥的速度执行任务，使用路由器连接时，需要使用并行处理机或RISC结构。因此，一般路由器的价格比网桥贵。 路由器能在多个网络和介质之间提供网络互连的能力，用路由器可以实现多个网络相互连接，如图3-18所示。84 路由器工作在OSI七层模型的网络层，因而它与网络高层协议有关。 路由器在安装时需有许多初始配置，所以它的安装比较复杂。与网桥不同，路由器是与协议相关的，网间连接中每一种高层协议必须分开配置，必须为每一种协议提供一个单独协议的路由器。此外，由于路由器处于OSI七层模型的网络层，所以网络层以下的低层协议不能使用路由器。 综上所述，路由器的主要作用是连接多个网络和多种介质，它最突出的特点是路径选择功能。85图3-18用路由器实现网络的连接86 3)路由器的分类 路由器有下列几种分类： ●近程路由器和远程路由器； ●内部路由器和外部路由器； ●静态路由器和动态路由器； ●单协议路由器和多协议路由器等。 从硬件配置的位置来分，路由器通常分为内部路由器和外部路由器两种。 路由器在工作时需要有初始路径表，它使用这些表来识别其他网络以及通往其他网络的路径和最有效的选择方法。87 4)路由器的功能与特征 (1)路由器可以连接使用不同类型传输介质的局域网。 (2)路由器可以连接不同的网络，如网络编号不同的网络；还可以在各个网络和不同传输介质之间提供网络互连，例如，一台路由器可以连接若干个以太网和一个X.25网。 (3)路由器可以把广播风暴信息隔离在源网络内，从而减少和抑制了广播风暴。 (4)通过路由器发送数据的协议必须专门设计，以便支持路由选择功能。例如IP、IPX和AppleTalk协议是可以支持路由选择的协议，NetBEUI和DLC是不能进行路由选择的协议。88 (5)通常使用路由器将局域网连接到广域网上。设计好的广域网常常有多个通道，路由器能够确保各个通道得到有效的使用。 (6)不需要相互通信的网络之间保持永久连接。 (7)能够提供可靠传输、优先服务。 (8)使用路由器可使互连网络保持自己的管理控制范围，保证网络的安全。89 5)路由器的使用特点 (1)优点： ●可以合理、智能地选择最佳路径； ●路由器也可以作为网桥，以处理不可路由的协议，例如NetBEUI； ●在各个网络和不同传输介质之间提供网络互连； ●使用路由器可使互连网络保持自己的管理控制范围，保证网络的安全。90 (2)缺点： ●使用较多的时间进行处理，致使网络传输性能下降； ●安装和维护困难； ●价格较高； ●路由器连接网络时，需要它们在网络层以上的各层采用相兼容的协议。91 5.网关(Gateway) 网关又称信关，它所实现的网络互连发生在网络层之上，是网络层以上的互连设备的总称。 6.交换机(Switch) 交换机又称交换式集线器，分第二层交换机(功能相当于网桥，工作在OSI模型的数据链路层)、第三层交换机(功能相当于路由器，工作在OSI模型的网络层)和高层交换机(功能相当于网关，工作在OSI模型的网络层之上)，其外形如图3-19所示。92图3-19交换机93 交换机的外形与集线器非常相似，其主要特点是：所有端口平时都不连通。当工作站需要通信时，交换机能连通许多对端口，使每一对相互通信的工作站能像独占通信媒体那样，无冲突地传输数据；通信完成后断开连接。 交换机的交换方式有两种，即直通方式和传统的存储转发方式。943.4以太网的产品标准 3.4.1以太网的产品概述 1.以太网的拓扑结构 以太网的拓扑结构是总线型或星型，这是根据它的逻辑结构定义的，其使用的介质访问控制算法为“争用型”。我们还应该注意以太网中的逻辑结构和物理结构的关系。95 2.以太网的访问控制方式 以太网的访问控制方式采用CSMA/CD方式。 3.以太网的产品标准 以太网的产品符合IEEE802.3标准，传输速率为10Mb/s。 以太网及其主要参数见表3-5和表3-6。96表3-5常用以太网的主要参数97表3-6以太网的标准和主要参数

98 3.4.2

常见以太网标准 1.标准以太网(10Base-5) 标准以太网习惯上称为粗缆以太网，它采用RG-1150Ω同轴电缆为传输介质，规定每个工作站均通过网络接口板(AUI接口)、收发器电缆和收发器(Transceiver)与总线相连，如图3-20所示。99图3-2010Base-5网络结构100 一个10Base-5的组网实例如图3-20所示。 1)粗缆以太网的硬件基本配置

(1)网卡。 连网的每个节点需要一块带有15针AUI(DIX)接口的网卡。

(2)收发器。 粗缆以太网的每个节点需要通过一个安装在总线同轴电缆上的外部收发器(带有l5针AUI接口)连入网内。

(3)收发器电缆。 收发器电缆又称AUI电缆，用于节点中网卡与收发器的连接。

(4)电缆系统。101 粗缆以太网的电缆系统主要包括: ●RG-1150Ω粗同轴电缆；

●N-系列电缆连接头，安置在粗同轴电缆的两端；

●N-系列桶型连接器，在单根电缆不够时，通过它连接两条粗同轴电缆段； ●N-系列终端匹配器(也叫终端电阻),  安装在粗同轴电缆的两端，防止信号的反射，其中之一必须接地。102 (5)中继器。 中继器主要用来扩展作为总线的同轴电缆的长度和工作站(节点)的个数。 一个使用中继器扩展网络距离的10Base-5的组网实例如图3-21所示。103图3-21使用中继器扩展的10Base-5网络104 2)粗缆以太网主要技术参数 根据中继规则，在粗缆以太网中，当不使用中继器时，每段粗缆的最远传输距离为500m；如果使用中继器，一个粗缆以太网中最多允许使用4个中继器，连接5条最大长度为500m的粗同轴电缆，则使用中继器后的粗缆以太网的最大长度不能超过2500m。每个以太网段中连入的节点数最多为100个，最多有3个网段接入工作站，最大站点数为300个，两个相邻的收发器之间的最小距离为2.5m，收发器电缆长度为50m。105 3)粗缆以太网主要特点 使用粗缆以太网的优点是可靠性高，抗干扰能力强，作用距离长，并且适用于恶劣环境。由于粗缆线较贵，而且要求每个工作站都配置一个外部收发器和收发器电缆，因而成本较高、网络投资较大，这是粗缆以太网的主要缺点。106 2.细缆以太网(10Base-2) 采用细同轴电缆作为传输介质的以太网被称为细缆以太网。一个10Base-2的组网实例如图3-22所示。107图3-2210Base-2网络结构108 l)细缆以太网的硬件基本配置 (1)网卡。 连网的每个节点都需要一块网卡。如果连入普通台式计算机，则需要一块提供BNC接口的Ethernet网卡；如果连入便携式计算机，则需要一块PCMCIA卡或便携式Ethernet网卡。 (2) BNC-T型连接器。 细缆Ethernet的每个节点通过BNC-T型连接器(简称BNC接口)连入网内。 (3)电缆系统。109 用于细缆以太网的电缆系统主要包括: ●RG58A/U50Ω细同轴电缆； ●BNC电缆连接器，安置在细同轴电缆的两端； ●BNC桶型连接器，在单根电缆不够长时，通过它连接两条细同轴电缆段；

●BNC终端匹配器(也叫端接器或终端电阻),  安装在细同轴电缆的两端，防止信号的反射，其中之一必须接地。 (4)中继器。110 2)细缆以太网主要技术参数 根据中继规则，一个细缆以太网电缆每段最大长度为185m，最多使用4个中继器，所以最多连接5个电缆段，细缆的最大长度可以达到925m。连入细缆以太网一段中的节点数目最多为30个，最多有3个网段接入工作站，最大站点数为90个；两个相邻的BNC-T型连接器的距离应是0.5m的整数倍，最小距离为0.5m。每个段的两端都必须安装一个终端匹配器，并且有一端应接地，BNC-T型连接器与网卡上的BNC接口必须直接连接，中间不得接入任何电缆。111 3)细缆以太网主要特点 与粗缆连接方式比较起来，细缆系统造价低廉，安装容易。但由于电缆段中连入多个BNC-T型连接器，存在着多个BNC型连接头和BNC-T型连接器的连接点，因而同轴电缆连接的故障率较高，实践经验表明大部分故障出在传输介质方面，且故障不便查找和维护，某个站点的接头故障将可能导致整个网络瘫痪，系统可靠性受到影响。细缆以太网多用于小规模网络和实验室中。112 3．双绞线以太网(10Base-T) 10Base-T是采用无屏蔽的双绞线电缆作为传输介质的以太网，T(Twisted-pair)是双绞线电缆的英文缩写。 使用集线器和双绞线的以太网结构分为单集线器结构、多集线器级联结构、可叠加集线器结构。 1)双绞线以太网基本硬件配置 (1)集线器(HUB)。 ①HUB的组网功能。 ②HUB的信号强化功能。113 ③HUB能自动检测“碰撞”，在检测到“碰撞”信号后，会立即发送出一个阻塞(JAM)信号，以强化“冲突”信号，从而避免了由于介质上信号的衰减而使其他工作站“无法”侦听的情况。 ④HUB能自动指示出有故障的工作站，并切除其与网络的通信。 2)双绞线以太网结构 (1)单集线器结构。 典型的单集线器结构组网实例如图3-14所示。

(2)多集线器级联以太网结构。

114 对于规模较大，或节点(工作站)数超过单集线器的端口数目的以太网，通常采用多集线器级联接结构。多集线器级联有两种方法： ①使用双绞线，通过RJ-45端口级联，如图3-23所示。115图3-23双集线器级联的10Base-T网络结构116 ②

使用同轴电缆、光纤，通过集线器提供的向上连接的端口实现级联。 普通集线器一般都提供两类端口，一类是用于连接节点(工作站或服务器)的RJ-45端口，这类端口的数目一般是4、8、l2、16、24等；另一类是可以连接粗缆的AUI端口或连接细缆的BNC端口，也可以是光纤连接端口，这些端口被称为向上连接端口。利用集线器的向上连接端口级联可以扩大局域网覆盖范围。如果使用细缆连接两个集线器，细缆的单根电缆段的最大长度为185m，那么网中两节点的最大距离可达到385(l85+l00+100)m，如图3-24所示。117图3-2410Base-T通过细缆级联的双集线器网络结构118 (3)可叠加集线器以太网结构。 可叠加集线器适用于中、小企业连网环境。使用可叠加集线器以太网的典型结构如图3-25所示。119图3-25可叠加集线器网络结构120 3)双绞线以太网结构特点 (1)优点。

●检测故障容易。 ●安装、管理和使用简单。 ●成本低。 ●扩展方便。 ●改变网络布局容易。 ●网络组建方便灵活。121 (2)缺点。 ●中央节点的负荷过重，HUB出现故障将导致整段或全部网络瘫痪。 ●双绞线的抗干扰能力弱，因此选择时应十分注意它的电器特性，如阻抗、电容和延迟等。只有慎重选择并测试双绞线的型号和实际参数，才能充分发挥10Base-T网络的长处，保证网络的安全运行。 ●通信线路利用率低。122 综上所述，虽然各种类型的局域网上的传输介质可以是粗缆、细缆、双绞线和光纤，但是从当前的发展趋势来看，局域网正在由早期的粗缆、细缆向双绞线和光纤转换，网络的类型也正由单一形式向混合形式转换。其中最常见的是双绞线以太网和光纤形式的干线网混合连接，这主要是因为大多数的办公室内已装有双绞线，而光纤能提供优良的传输特性，如速度高、抗干扰能力强以及传输距离长等。我们也常从经济上考虑，使用粗缆、细缆作为干线与双绞线以太网的混合连接形式。1233.5高速网络技术3.5.1FDDI 光纤分布数据接口(FDDI，FiberDistributedDataInterface)标准是在20世纪80年代中期开发的。它提供了快于以太网或令牌环的高速数据通信。该标准由ANSIX3T9.5标准委员会定义，它提供的访问方法可在忙碌网络上获得有效的数据吞吐量。FDDI真正超过了以太网和令牌环，数据吞吐率为100 Mb/s。例如，一本完整的大不列颠百科全书在FDDI网段上发送只需20s的时间。124 FDDI在单一光纤线缆段上支持50个节点，最终的传输能力是每秒传输450000个帧。这个速率是以太网能力的30倍，以太网的最大传输速率是15000个帧每秒。FDDI支持由音频、视频和实时应用组成的网络通信。 1．访问方法 FDDI在网络通信中采用令牌传递，这一点与令牌环的访问方法类似。FDDI与标准令牌环不同之处在于采用了计时的令牌访问方法。FDDI令牌沿网络环从一个节点传递到另一个节点。125 如果节点没有传输数据的需要，则它拾起令牌并将其发给下一个节点。如果持有令牌的节点需要传输数据，则允许它在固定的时间内发送尽可能多的帧，这段固定时间称为目标令牌轮转时间(TTRT，TargetTokenRotationTime)。由于FDDI采用计时令牌方法，所以在给定时间内网络上有可能存在由多个节点发送的多个帧，这种能力使FDDI成为“高吞吐量体系结构(High-throughInputArchitecture)”。126 一旦某个节点发送了一帧，该帧就到达网络环上的下一个节点。每个节点要确定该帧是否发给自己，并且要检查帧是否出错。如果该节点是预期的目标节点，则它将该帧标记为已读过。同样，如果任何一个节点检测到一个错误，它就将帧中的一个状态位打上标记指出这是一个错误状态。当该帧返回到源发节点时，源发节点通过读返回帧就能确定它是否被目标节点接收，同时检查是否出现传输错误。如果检测到一个错误，则必须重传该帧。如没发现错误，则源发节点从环上吸收该帧。图3-26说明了FDDI计时令牌访问方法。127图3-26计时令牌访问法128 FDDI可发送两类包：同步包和异步包。同步传输用于对时间敏感的传输，例如音频、视频和实时传输(需要连续传输的应用)；异步传输用于通常的数据传输(不必连续突发发送)。在一个给定的网络上，TTRT的值等于每个节点的同步传输时间加上每个节点的最大帧绕环运行一周所需的时间总和。 FDDI令牌由前导码、起始定界符、帧控制和结尾定界符字段组成。129 2．FDDI错误管理 FDDI节点监督两种网络错误情形：长时间无活动和长时间不出现令牌。在第一种情况下，假定令牌已丢失；而在第二种情况下，可推测某一节点在连续不断地传输数据。 如果存在任何一种错误情况，检测到出错的节点发出一系列称为声明帧(ClaimFrame)的特殊帧。声明帧包含了一个建议的TTRT值。第一个节点立即停止传输，环上的第二个节点将自己建议的TTRT值与前一节点发来的值进行比较。比较之后，它就将较小的那个值放入声明帧传给下一个节点。直到声明帧到达最后一个节点，就选出了最小的TTRT值。此时，通过传输令牌而对环进行初始化，新的TTRT值将传到每个节点，直到到达最后一个节点为止。130 3．FDDI物理连通性 FDDI既可与单模光纤一起使用，也可与多模光纤一起使用。单模光纤线缆允许一束光进入光导纤维，而多模光纤线缆则允许在给定时间内多束光进入光导纤维。 单模光纤用于网络“主干”(连接网络的主要线缆)，在这里数据必须长距离传输。多模光纤则可应用于涉及短距离传输的桌面工作组。 FDDI网络具有数据传输冗余度，这种冗余带来了很强的可靠性。冗余是通过同时使用两个环达到的。一个环被定义为用于信息传输的主路由，另一个环则为被传输的信息提供了备份路由。当主环出现故障时，次环变为主环。在次环上运行的数据与主环上运行的数据方向相反。图3-27说明了FDDI双环。131图3-27高速双环132 如果在FDDI主环上发生一个故障，线缆的逻辑体系结构提供了绕接(Wrapping)功能。这意味着信号被导向备份路由，由此曲折迂回形成一个单环。图3-28显示了容错绕接方式。133图3-28容错绕接134 FDDI可连接两类节点。A类节点可同时连接到两个网络环上，它们是由网络设备组成的(如集中器)，网络发生故障时可以重新配置环以便绕接成单环，该类节点称为双连接站DAS(DualAttachmentStation)。B类节点为单连接站SAS(SingleAttachmentStation)，这些节点通过A类设备连接到FDDI网络上，是服务器或工作站，只能连接到一个方向的环路之中。当某个站点出现故障时，由DAS将它旁路，使主环继续工作，如图3-29所示。135图3-29用集中器DAS组成FDDI136 3.5.2ATM网络 多个通信标准，例如以太网、令牌环和FDDI等的存在已经表明需要一种国际标准，由CCITT开发的异步传输模式(ATM，AsynchronousTransferMode)就是这样一种标准，该标准在网络互连操作性上已获得广泛的认可。ATM被认可主要与下列三个因素相关： ●它是为处理数据、音频和视频传输而设计的； ●它可用于LAN和WAN通信，因为在地理距离上存在着很大的灵活性； ●它能满足高速通信。137 许多网络必须使用单独的媒体来传输音频、视频和数据，因为每一类信息的传输特征各不相同。音频和视频传输倾向于沿电缆的连续信号流，而且视频信号要占据很大的带宽。数据传输所需的带宽较小，但是突发传输。由于ATM能在单一网络媒体上处理音频、视频和数据，所以它能极大地节约网络资源。ATM可同时用于LAN和WAN通信，因而消除了区分短距离和长距离网络的需求。

138 如果所有的用户只实现一种网络系统(例如ATM)，则局域网、城域网和广域网的连通将相当简单。ATM因其能以千兆字节的速度处理数据传输从而引起网络工业界的注意。当越来越多的组织由于面向对象、多媒体和客户机/服务器应用而承受极大的网络数据吞吐量的压力时，ATM提供了更大的灵活性。 ATM格式的包称为信元(Cell)，信元的长度是固定的53个字节，其中包括一个5字节的信元头(Header)与48字节的用户数据。ATM是通过网络交换机进行连接的，网络交换机支配着信元从源到达目的地所取的路径(见图3-30)。139图3-30ATM路径选择140 交换技术允许网络处理许多不同类型的数据传送需求。与共享总线技术相比，ATM交换的优点可归纳为以下几点： ● ATM交换使得数据能以与发送数据类型相应的访问速度传输； ● ATM允许使用高带宽； ●每个ATM连接(通信会话)都有自己的带宽； ● ATM定义的连接过程更加清楚，因为这是由交换机点到点处理的。1413.5.3快速以太网技术1．100Base-T快速以太网100Base-T是在双绞线上传送l00Mb/s基带信号的以太网，仍使用IEEE802.3标准，即CSMA/CD协议，这种以太网又称为快速以太网(FastEthernet)。快速以太网典型结构如图3-31所示。142图3-31快速以太网和交换式以太网的典型组网图143 快速以太网标准除使用双绞线外，还可使用光缆。根据所使用的网络传输介质的不同，已经制定了以下三个标准： ●100Base-T使用两对5类UTP和STP双绞钱(网段长度100～150m)； ●100Base-T4使用四对3~5类UTP双绞线(网段长度100～150m)； ●100Base-FX使用光缆(多模光纤网段长度2000m，单模光纤网段长度10000m)。144 1) 100Base-T快速以太网技术标准 100Base-T是在双绞线以太网(10Base-T)基础上发展起来的一种快速以太网。 100Base-T快速以太网标准是对10Base-T标准的扩展，它保留了10Base-T在介质存取控制(MAC)层的CSMA/CD访问控制方法与数据传输的帧格式。 快速以太网与10Base-T明显不同之处是其物理层所支持的传输介质和信号编码方式不同。 100Base-T采用的介质独立接口MII(MediaIndependentInterface)将MAC层与传输介质分开。该接口分别支持100Base-TX、100Base-T4和100Base-FX，如表3-7所示。145表3-7三种快速以太网的物理层规范

146 2)100Base-T快速以太网技术特点 (1)100Base-T协议是10Base-T协议的扩展，因此，可以很容易地将10Base-T网络升级为100Mb/s的高速以太网。 (2)组网时，应根据需要将原来的部分10Base-T网卡更新为100Base-T网卡。100Base-T网卡一般都具有很强的自适应性能，可以自动识别10Mb/s和100Mb/s工作模式。也就是说，100Base-T网络允许两种工作方式并存于一个网络之中。

147 (3)100Base-T支持5类非屏蔽双绞线，因而不用更换全部传输介质就可以将10Mb/s以太网络升级为100Mb/s高速以太网。 (4)根据实际需要购置若干个交换式集线器。100Base-T网卡可以与交换式集线器连接，因此，可以将10Base-T、100Base-T和交换式局域网技术集成到一起。 由于100Base-T高速以太网具有很高的带宽，因此，可以用它作为中、小型局域网的主干网络，这样可以实现与现有的10Mb/s以太网的无缝连接和集成，或者与交换式以太网结合，提高网络性能，消除网络传输中的瓶颈问题。148 2．100Base-T高速交换式以太网 交换式快速局域网是在10/100Base-T双绞线以太网基础上发展起来的一种高速网络，它采用的关键设备是交换式集线器，简称交换机。交换式集线器与传统上使用的共享式集线器的主要区别介绍如下。1)共享介质式的传统快速局域网 我们将符合10Base-T标准的、基于共享介质工作原理的集线器称为共享式集线器。共享式集线器是10Base-T网络上使用的中心控制设备，它的工作原理是建立在共享介质基础上的，相应的介质访问控制方法是CSMA/CD、令牌环和令牌总线。这些访问控制方法保证了各节点能够公平地使用传输介质。149 2)交换式的快速局域网 交换式以太网由一个或多个网络交换机组成，交换式集线器是交换式局域网上使用的中心控制设备。在交换式局域网中，可以通过交换式集线器为所有节点建立并行、独立和专用速率的连接。150 交换式以太网的特点是： (1)充分保护原有双绞线以太网的投资，可以充分使用大部分的设施，例如可以保持原有的传输介质、网卡等。 (2)可以将原来超载的网络进行分割，或者是在原有基础上扩展新的主干网。 (3)可以向每个节点提供专用的带宽，因此可以确保专用服务器或客户机在带宽和延时方面的要求。 (4)可以支持广泛的传输介质，例如3、4、5类UTP和光纤等。当从10Base-T升级时可以只更新网络设备，而不必重新布线。151 3.5.4100VG-AnyLAN技术 100VG-AnyLAN也是100Mb/s的高速局域网，它综合了现有以太网和令牌环的优点。IEEE也为此技术制定了国际标准802.12。100VG-AnyLAN常简写为100VG。100VG技术不仅提高了局域网的传输速率，而且还改进了CSMA/CD协议中的某些部分以更好地支持多媒体传输，这正是100VG技术很有竞争力的原因。 100VG以100Mb/s的速率传输以太网和令牌环的帧信息，能使用多种传输媒体。152 100VG是一种无冲突局域网，用户可以在此网络上获得高达95％的吞吐量。它在媒体接入控制MAC子层运行一种新的协议——需求优先级(DemandPriority)协议。各工作站有数据要发送时，要向中心集线器发出请求，每个请求都标有优先级。一般的数据为普通优先级，而对时间敏感的多媒体应用数据(如话音、活动图像)则可定为高级优先级。中心集线器使用一种循环仲裁过程来管理网络的节点。它对各节点的请求连续进行快速循环扫描，检查来自节点的服务请求。153 高级优先级的请求可在普通优先级请求之前优先接入网络，因而可保证对时间敏感的一些应用提供所需的实时服务。集线器接收输入的数据帧并将其导向具有匹配目的地址的端口，从而提供了固有的网络数据安全性。优先级的标记(高级的或普通的)由用户应用软件完成。标记信息作为帧信息的一部分被送往媒体接入控制MAC子层。 l00VG支持10Base-T和令牌环的网络拓扑，因此现有的10Base-T以太网和令牌环的用户可以很方便地将现有的网络升级为100 Mb/s速率的网络。100Base-T还可通过FDDI或ATM与广域网相连。154 3.5.5千兆位以太网 千兆位以太网(GigabitEthernet)仍保留着10Base-T的帧格式，具有相同的媒体访问控制方法CSMA/CD和组网方法，只是把每个比特的发送时间由100 ns降低到了1 ns。为了适应高速传输，千兆位以太网的传输媒体采用光纤或短距离双绞线，并定义了一种千兆位媒体专用接口GMII(GigabitMediaIndependentInterface)，用以将MAC子层和物理层分隔开，使物理层在实现1000 Mb/s速率时所使用的传输媒体和信号编码方式的变化不影响MAC子层。千兆位物理层标准支持多种传输媒体，目前IEEE802.3委员会制定了四种传输媒体标准：155 ● 1000Base-SX：使用波长为850nm的多模光纤，光纤长度可以达到300~550m； ● 1000Base-LX：使用波长为1300nm的单模光纤，光纤长度可达3000m； ● 1000Base-CX：使用屏蔽双绞线，其长度可达25m； ● 1000Base-T：使用5类非屏蔽双绞线，其长度可以达到100m。

156 于是，可以按以下方法使用以太网组建企业网：桌面系统采用10Mb/s的以太网，部门系统采用速率为100Mb/s的100Base-T网络，企业级采用速率为1000Mb/s的千兆位以太网。由于这三种以太网有很多相似之处，并且很多企业已经大量使用了10Base-T，因而这样升级不会遇到困难。1573.6虚拟局域网 VLAN的划分有三种方式：基于端口(Port)、基于MAC地址和基于IP地址。通过划分VLAN，可以把数据交换限制在各个虚拟网的范围内，从而减少整个网络范围内广播包的传输，提高了网络的传输效率；同时各虚拟网之间不能直接进行通信，而必须通过路由器转发，起到了隔离端口的作用，为高级安全控制提供了可能，增强了网络的安全性。158 VLAN的适用性很广，在数据交换较频繁或对网络安全性要求比较高的环境均可使用，如： (1)在智能小区、校园、企业等应用环境，使用VLAN可使不同VLAN间的机器不能互相访问，为网络安全的控制提供良好保障。 (2)在游戏厅、多媒体实验室、大中型企业等环境，使用VLAN可大大减少网络中不必要的数据交换的数量，杜绝广播风暴，提升网络传输性能。159 3.6.1虚拟局域网的特征 如图3-32所示，以太网交换机在物理上将一个局域网分割成个别的冲突域，每个网段是一个广播域的一部分，在一个交换机上的网段总数与一个广播域相等，这表示所有网段上的所有节点都可以看到从网段上的各节点送出的广播。160图3-32传统的局域网分段161 虚拟局域网是一个网络设备或用户的逻辑分组，不受物理交换机网段的限制。不管网络设备的物理网段的位置怎样，在虚拟局域网上的设备或用户都可以根据功能、部门、应用程序等来重新分组。虚拟局域网的设置是在交换机中通过软件来完成的，它建立了一个不受物理区段限制且被视为子网的单一广播域，广播帧只会在相同的虚拟局域网内的连接端口之间交换。 在使用交换式设备的局域网中，使用虚拟局域网拓扑是一个非常经济有效的方式，它将网络用户群转化为虚拟工作组，而不用考虑网络的物理位置。图3-33即为虚拟局域网拓扑的一个例子。162图3-33虚拟局域网拓扑图163 虚拟局域网的主要特点如下： (1)虚拟局域网工作在OSI参考模型的数据链路层或网络层中。 (2)虚拟局域网之间的通信由网络层的路由所提供。 (3)虚拟局域网提供了一种控制网络广播的方法。 (4)网络管理员可以将指定用户划分到特定的虚拟局域网中。 使用虚拟局域网有以下优点： (1)使用虚拟局域网技术，可以很方便地将交换端口与连接的用户逻辑定义为工作组。164 (2)通过多个交换机将连接端口的用户分组，虚拟局域网可以扩充单一的建筑结构、相互连接的建筑，甚至是广域网(WAN)。 (3)虚拟局域网提供了一个有效的机制，用来控制网络结构的变动，降低了集线器与路由器重新分布的成本。许多移动需要重新布线，几乎所有的移动都需要新的工作站定址，而且集线器与路由器也要重新组态。使用虚拟局域网可以控制这些变动，重新划分工作组，同时能做到： ●去掉用户之间的物理边界； ●当用户移动时，增加解决方案的结构灵活性； ●提供主干系统组件间的互通性。165 (4)虚拟局域网可以提高网络的安全性。传统的共享式局域网的问题是很容易被渗透，只要嵌入可以使用的连接端口，接入的用户便可以访问区段中所有的流量。越大的分组，潜在的渗透访问