重要复试各科课件-计算机网络ch4局域网

计算机网络第4章局域网第4章局域网

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以太网的信道利用率*4.3以太网的

MAC

层

4.3.1MAC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

4.6.1100BASE-T以太网

4.6.2吉比特以太网

4.6.310吉比特以太网

4.7其他种类的高速局域网

4.7.1100VG-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

4.8.2802.11标准中的物理层

4.8.3802.11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DIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE的802.3标准。DIXEthernetV2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DIXEthernetV2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(LogicalLinkControl)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)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网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网以后一般不考虑LLC子层由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2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(NetworkInterfaceCard)，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。3.CSMA/CD协议B向

D发送数据CDAE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。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/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“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。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。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过一定的门限值时，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。1kmABt碰撞t=2

A检测到发生碰撞t=

B发送数据B检测到发生碰撞t=t=0单程端到端传播时延记为

1kmABt碰撞t=

B检测到信道空闲发送数据t=

/2发生碰撞t=2

A检测到发生碰撞t=

B发送数据B检测到发生碰撞t=ABABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2

A检测到发生碰撞STOPAB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(truncatedbinaryexponentialtype)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

，k10，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51.2s为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，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，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。数据帧干扰信号TJ人为干扰信号ABTBtB发送数据A检测到冲突开始冲突信道占用时间A发送数据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。CSMA/CD协议发送数据帧流程数据帧接收流程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（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆这样，以太网就有四种不同的物理层。10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制MAC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BNCT型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAUMDI保护外层外导体屏蔽层内导体收发器DB-15连接器BNC连接器插口RJ-45插头网卡的功能数据的封装与解封发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。链路管理主要是CSMA/CD协议的实现。编码与译码即曼彻斯特编码与译码。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100m。这种10Mb/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以太网的信道利用率我们假定：总线上共有N

个站，每个站发送帧的概率都是p。争用期长度为2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。帧长为L

(bit)，数据发送速率为C(b/s)，因而帧的发送时间为L/C=T0(s)。

以太网的信道利用率一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间使得信道上无信号在传播)时为止，共需平均时间为Tav。发送成功争用期争用期争用期2τ2τT0τt占用期争用期的平均个数NR

发送一帧所需的平均时间Tav…2τ以太网的信道利用率（续）令A为某个站发送成功的概率，则

A=P[某个站发送成功]=Np(1–p)N–1

(4-1)显然，某个站发送失败的概率为1

A。因此，

P[争用期为j个]=P[发送j次失败但下一次成功]=(1–A)jA

(4-2)争用期的平均个数等于帧重发的次数NR：(4-3)以太网的信道利用率（续）求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为：这里参数a

是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。

(4-4)(4-5)最大信道利用率若设法使A

为最大，则可获得最大的信道利用率。将(4-4)式对p求极大值，得出当p=1/N时可使A等于其极大值Amax：当N→∞时，Amax=1/e0.368。

(4-6)

将(4-6)式中的Amax值代入(4-4)式，即得出信道利用率的最大值Smax。取A=Amax=e1

0.368时，(4-4)式可简化为：若a→0，则信道利用率的最大值可达到100%。

信道利用率的最大值Smax

N→(4-7)a>1时的信道利用情况

（a=4）ABABt=T0ABABt=3T0t=4T0t=2T0ABt=5T0参数a=4使得信道利用率很低。考虑到T0

是帧长L与数据的发送速率C之比，于是参数a可写为：(4-9)式的分子正是时延带宽积，或以比特为单位的信道长度，而分母是以比特为单位的帧长。参数

a

可以很容易地和

时延带宽积联系起来(4-9)a=0.01时的信道利用情况参数a=0.01使得信道利用率很高。ABABt=t=0.5…ABt=100…ABt=100.54.3以太网的

MAC

层

4.3.1MAC

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48bit的“名字”称为“地址”，所以本书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001101010111101100010010000000000000000000000001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I/G比特I/G比特字节顺序第2第3第4第5第6第1字节顺序第2第3第4第5第6101011001101111001001000000000000000000010000000802.5802.6802.3802.4网卡上的硬件地址路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-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）4.3.2两种不同的MAC

帧格式常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIXEthernetV2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6624IP层物理层目的地址源地址长度/类型FCSMAC层1010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入数据MAC子层IP层LLC子层802.2LLC帧当长度/类型字段表示长度时802.3MAC帧以太网V2MAC帧这种802.3+802.2帧已经较少使用目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~150043~1497111DSAPSSAP111

控制数据字节DSAPSSAP控制IP数据报IP数据报MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式目的地址字段6字节MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式源地址字段6字节MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式类型字段2字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式数据字段46~1500

字节数据字段的正式名称是MAC

客户数据字段最小长度64字节

18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度

MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式FCS字段4

字节当传输媒体的误码率为1108

时，MAC子层可使未检测到的差错小于11014。当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式1010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列FCS查出有差错；数据字段的长度不在46~1500字节之间。有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。无效的MAC帧帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。帧间最小间隔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

一系二系三系集线器集线器集线器集线器主干集线器优点使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①②③网段B网段A1112①③⑤2②④⑥2站地址端口网桥网桥④⑤⑥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10Mb/s和100Mb/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用户层IPMAC站1用户层IPMAC站2物理层网桥1网桥2AB①②③④⑤⑥⑦⑧⑨用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T①⑨②⑧③④⑥⑦⑤物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN两个网桥之间还可使用一段点到点链路网桥和集线器（或转发器）不同共享以太网

一个冲突域内在一个特定时刻只能有一个站点发送数据帧，其它站点只能接收数据帧每个站点的带宽：10/nMb/s，随着n的增大，加上冲突的发生，每个站点的带宽将明显减少网桥阻止一个局域网的报文传输到另外一个局域网中去，让LAN1与LAN2两个局域网同时进行数据传输，从而缩小了冲突域，增加了网络的带宽冲突域1冲突域2网桥和集线器（或转发器）不同集线器在转发帧时，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。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。但网桥却没有网卡。

由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。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(transparentbridge)。“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IEEE802.1D。2.透明网桥(1)从端口x收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站MAC地址。(2)如有，则查找出到此MAC地址应当走的端口d，然后进行(3)，否则转到(5)。(3)如到这个MAC地址去的端口d=x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口d转发此帧。(4)转到(6)。(5)向网桥除x以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。(6)如源站不在转发表中，则将源站MAC地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。(7)更新计时器。(8)等待新的数据帧。转到(1)。网桥应当按照以下算法

处理收到的帧和建立转发表站地址：登记收到的帧的源MAC地址。端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。转发表中的MAC地址是根据源MAC地址写入的，但在进行转发时是将此MAC地址当作目的地址。如果网桥现在能够从端口x收到从源地址A发来的帧，那么以后就可以从端口x将帧转发到目的地址A。

网桥在转发表中

登记以下三个信息透明网桥使用了支撑树算法假设：站点A发送数据给站点C

站点C将分别通过网桥X和Y接收到两个重复的数据帧存在网络回路,有以下影响:第一种情况：产生重复数据帧假设：站点A发送数据给站点C，但网桥X和Y的站缓冲区内均没有C的记录

A发送给C的帧将在LAN1和LAN2之间产生两个不同方向的循环，C将接收到大量重复的帧，直到C向外发送数据帧存在网络回路,有以下影响:第二种情况：产生循环重复数据帧透明网桥使用了支撑树算法假设：站点A向外发送一个广播帧广播帧将在LAN1和LAN2之间产生两个不同方向的循环可以引起网络瘫痪，甚至影响计算机的正常运行存在网络回路,有以下影响:第三种情况：产生广播风暴透明网桥使用了支撑树算法支撑树协议（Spanning-TreeProtocol，IEEE802.1d）在存在冗余链路的情况下，在网络中标识出一条无环链路，作为工作链路，并临时关闭非工作链路中的网桥端口当网络中任何一条链路的状态发生变化时，网桥将根据生成树协议重新计算是否因为链路状态的改变而出现新的回路如果工作链路出现了故障导致帧不能通过，生成树协议将重新计算出一条新的无环链路，并打开临时关闭的网桥端口支撑树协议每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和它所知道的其他所有在网上的网桥。支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根(例如，选择一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点。当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法很花费时间。这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网，然后得出多个支撑树。支撑树的得出快速支撑树协议（RapidSpanning-TreeProtocol，IEEE802.1w）RSTP完全向下兼容802.1dSTP协议，除了和传统的STP协议一样具有避免回路、提供冗余链路的功能外，最主要的特点就是“快”如果一个局域网内的网桥都支持RSTP协议且管理员配置得当，一旦网络拓扑改变而要重新生成拓扑树只需要不超过1秒的时间（传统的STP需要大约50秒）支撑树协议透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。源路由(sourceroute)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(switchinghub)，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——以太网交换机以太网交换机原理以太网交换机原理交换方式直通交换(Cut-Through)测到目的地址字段，立即转发存储转发交换(StoreandForward)完整地接收整个数据，对数据进行差错检测以太网交换机原理交换方式存储转发交换方式与直通交换方式的比较存储转发交换方式直通交换方式转发时机等完整接收一个帧后再转发接收到目的地址后即进行转发转发延迟时间较长，且随帧长度不同而变化较短，且基本固定不变可靠性较高，不会转发错误帧和无用帧较低，存在转发错误帧，浪费带宽的情况适用网络差错率高、通信量大的网络差错率低的网络以太网交换机原理交换机结构总线型结构交换机。

基于并行总线结构的交换机采用一种由介质组成的单板背板。各端口之间的数据流必须经过这条总线进行传输，数据利用时分复用（TDM）方式进行传输，每个端口分配一个时隙。总线结构交换机总线带宽受背板总线传输最高速率的限制，使总线带宽一般限制在2Gbit/s左右。以太网交换机原理交换机结构共享存储器结构交换机。

共享存储器结构，各端口的输入、输出MAC帧直接从存储存入或取出。因而这类交换机完全不需要背板，比较容易实现。但在容量扩展到一定程度时，内存操作会产生时延，因此适合于小系统交换机。以太网交换机原理交换机结构矩阵结构交换机。

采用全矩阵方式，即每个端口模块都通过连接总线直接与其他端口模块相连，形成全网状背板。由于每个端口模块间均有连线，故不必设置中央交换阵列。背板总线容量等于端口模块间连接总线数犤N×（N－1）犦乘以点对点连接总线速率（1Gbit/s左右）。点对点结构交换机容量可以做得很大，但扩容困难。以太网交换机原理交换机结构比较

矩阵结构交换机造价高，扩容困难，不适合于大端口量的交换机。共享存储器交换机结构简单，在采用优化和分布处理技术后，也能达到很好的性能，因此广泛地应用在企业级的局域网中。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10Mb/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(10Mb/s)的N分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是10Mb/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N10Mb/s。这正是交换机的最大优点。独占传输媒体的带宽交换机的主要技术指标背板带宽——交换机背板总线或交换矩阵的总吞吐能力（GB）包转发率——以数据包为单位表示的交换能力（Mpps，百万包/每秒，一般几十到几百)。各厂商公布的都是以64字节定长包在设备上传输为测试标准。端口类型——以太网/令牌环/FDDI/ATM等端口速率——10/100/1000/10000Mbps端口密度——所有模块插槽均插满时的最大端口数堆叠能力——堆叠的带宽和台数VLAN数量——现在大多支持1000个以上的VLANMAC地址数量——交换机的地址存储表中最多可存储的MAC地址数，通常几千到几万，越多则数据转发速度越高线速三层交换——具有和二层交换相同的交换速率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100Mb/s100Mb/s100Mb/s万维网服务器电子邮件服务器以太网交换机路由器广播风暴:大量广播帧导致局域网性能下降.如ARP通过广播从IP地址中解析MAC地址）产生大量目标地址为广播地址的无用网络流量.解决方案:划分VLAN4.5虚拟局域网

4.5.1虚拟局域网的概念虚拟局域网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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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802.3MAC帧字节66246~15004MAC帧目地地址源地址长度/类型数据FCS长度/类型=802.1Q标记类型标记控制信息

1000000100000000VID2字节2字节插入4字节的VLAN标记4用户优先级CFIVLAN的划分方式基于端口（port-based）的VLAN特点：VLAN成员是通过交换机的端口组进行划分（如将某交换机的第1、3、5和7号端口划分为VLANA，而将其第2、4和6号端口划分为VLANB），包括支持跨交换机的VLAN（如将交换机X的第1和2号端口及交换机Y的第3、4、6号端口划分为VLANA，而将交换机X的3、4、5、6、7和8号端口及交换机Y的第1、2、5号端口划分为VLANB）。这种基于端口的方案仍是当前最常用的定义VLAN成员的方法优点：所有的厂商都支持，而且设置相当方便基于管理员（由管理员人工设置）安全性很好（只有网络管理员能修改设置）缺点：·每个端口只能支持一个VLAN，不能支持多个VLAN使用同一个物理网段（即交换机端口）的要求。不支持按业务分组。VLAN的划分方式VLAN的划分方式VLAN的划分方式基于MAC地址（MAC-based）的VLAN特点：根据MAC地址划分VLAN。优点：工作站移动到网络的其他物理位置时其VLAN成员的身份不变（特别适用于各种便携式电脑）。——“基于用户”可实现按业务分组可以形成“交迭的”VLAN——即一个站点可以同时属于多个VLAN。便于实现若干个业务群间的跨接通信（如销售主管和经理们需要同时在销售和市场两个VLAN中）。缺点：

VLAN设置相当麻烦基于协议（protocol-based）的VLAN特点：根据协议来划分VLAN，如将所有基于MAC地址的用户划分到一个VLAN中，其他的可以通过IP地址或IPX等协议进行划分。优点：用户可以同时处于多个VLAN中。“基于管理员”——如果他所管理一个大型网络运行有不同的协议，而不同的用户组则已经是不同通信类型的成员了。这种情况下，它可以用来分隔不同的通信类型。缺点：其他站点可以随意加入某个VLAN，只要配备相应的协议。VLAN的划分方式基于IP（IP-based）的VLAN特点：使用网络（如IP子网）地址确定VLAN成员资格。优点：可实现通过协议划分VLAN用户可以物理移动其工作站而不必重新设置每个工作站的网络地址（适用于纯TCP/IP网络）可以不需要使用帧标识（tagging）在交换机间的VLAN进行通信，降低了传输开销。网络管理员可以在VLAN管理软件中通过简单的拖放式操作规定哪个子网在哪个VLAN中，并将所有的用户与其子网一起分配。新用户加入可以由VLAN自动调整（因为交换机会发现它们位于哪个子网）缺点：需要解决IP地址盗用问题VLAN的划分方式基于策略（policy-based）的VLAN所谓“策略实际上就是各种可能行为的控制准则。它们按if-then结构工作，可以对网络中的不同对象（用户、管理员、应用软件及硬件的下部构造）的行为进行禁止、许可或强制。基于策略是最强大的VLAN方案。它使网络管理员可以使用任何VLAN策略的组合来建立适合自己需要的VLAN。一旦一个策略被下载到一台交换机中，它在整个网络中就得到全面应用，有关设备就将被加入到各VLAN中。基于策略的VLAN可以使用各种划分方法，包括上述所列的各种VLAN类型：MAC源地址，IP地址，及协议字段。也可以将不同的策略结合起来，形成一个策略，以满足网络管理员的特殊要求。但使用这种VLAN技术的设备和控制软件相当复杂，目前只有极少网络使用。VLAN的划分方式虚拟局域网的标准IEEE802.3ac标准

定义了以太网的帧格式的扩展,以便支持虚拟局域网.IEEE802.10标准

安全性方面的标准，定义了一个单独的协议数据单元，插在MAC的帧头和数据区域之间，可用作VLAN的标识域IEEE802.1Q标准VLAN互操作性的标准规定VLAN中MAC帧的格式，制定了诸如帧发送及校验、回路检测、对QoS参数的支持以及对网管系统的支持等三层交换机划分虚拟子网后存在的问题:VLAN之间的通信问题.解决方法探讨:

采用路由器实现:IP包途经每个路由器时，需经过排队、协议处理、寻址选路等软件处理环节，造成延时加大。使路由器在网络中成为瓶颈.

可采用三层交换技术三层交换机核心思路一次路由，随后交换。基本过程

假设两个使用IP协议的站点通过第三层交换机进行通信的过程，发送站点A在开始发送时，已知目的站的IP地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。要采用地址解析(ARP)来确定目的站的MAC地址。发送站把自己的IP地址与目的站的IP地址比较，采用其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定目的站是否与自己在同一子网内。若目的站B与发送站A在同一子网内，A广播一个ARP请求，B返回其MAC地址，A得到目的站点B的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC地址封包转发数据，第二层交换模块查找MAC地址表确定将数据包发向目的端口。若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站C通信，发送站A要向"缺省网关"发出ARP(地址解析)封包，而"缺省网关"的IP地址已经在系统软件中设置。这个IP地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。所以当发送站A对"缺省网关"的IP地址广播出一个ARP请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到目的站B的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP请求，目的站C得到此ARP请求后向第三层交换模块回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A。以后，当再进行A与C之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MAC地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。4.6高速以太网

4.6.1100BASE-T以太网速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。100BASE-T以太网又称为快速以太网(FastEthernet)。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100m。帧间时间间隔从原来的9.6s改为现在的0.96s。三种不同的物理层标准100BASE-TX使用2对UTP5类线或屏蔽双绞线STP。

100BASE-FX使用2对光纤。

100BASE-T4使用4对UTP3类线或5类线。

4.6.2吉比特以太网允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。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-SXSX表示短波长1000BASE-LXLX表示长波长1000BASE-CXCX表示铜线1000BASE-T使用4对5类线UTP

载波延伸(carrierextension)吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数a保持为较小的数值。吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为100m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为64字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为512字节。在短MAC帧后面加上载波延伸凡发送的MAC帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC帧的发送长度增大到512字节，但这对有效载荷并无影响。接收端在收到以太网的MAC帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。目地地址源地址数据长度数据FCSMAC帧的最小值=64字节载波延伸前同步码加上载波延伸使MAC帧长度=争用期长度512字节在以太网上实际传输的帧长分组突发当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到1500字节或稍多一些为止。发送的数据分组#1RRRRRRRR

分组#2

RRRR

分组#3RRR

分组#4争用期512字节将突发计时器设定为1500字节载波延伸载波监听全双工方式当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。吉比特以太网的配置举例1Gb/s链路吉比特交换集线器百兆比特或吉比特集线器100Mb/s链路中央服务器4.6.310

吉比特以太网10吉比特以太网与10Mb/s，100Mb/s和1Gb/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LANPHY。局域网物理层的数据率是10.000Gb/s。可选的广域网物理层WANPHY。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9.95328Gb/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10Mb/s到

10Gb/s的演进以太网从10Mb/s到10Gb/s的演进证明了以太网是：可扩展的（从10Mb/s到10Gb/s）。灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。易于安装。稳健性好。4.7其他种类的高速局域网4.7.1100VG-AnyLAN局域网使用集线器的100Mb/s高速局域网

4.7.2光纤分布式数据接口FDDI(FiberDistributedDataInterface)使用光纤作为传输媒体的令牌环形网

4.7.3高性能并行接口HIPPI(HIgh-PerformanceParallelInterface)主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存储器、图形工作站等）的高速接口4.7.4光纤通道(FibreChannel)4.8无线局域网

4.8.1无线局域网的组成有固定基础设施的无线局域网基本服务集

BSS扩展的服务集ESS基本服务集

BSSAB漫游接入点AP接入点AP分配系统DS门桥门桥802.x局域网因特网有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集ESS基本服务集BSSAB接入点AP接入点AP分配系统DS门桥门桥802.x局域网因特网一个基本服务集BSS包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信时都要通过本BSS的基站。有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集ESS基本服务集BSSAB接入点AP接入点AP分配系统DS门桥门桥802.x局域网因特网基本服务集中的基站叫做接入点AP(AccessPoint)其作用和网桥相似。扩展的服务集ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点AP接入点AP分配系统DS门桥门桥802.x局域网因特网一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到一个主干分配系统

DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(ExtendedServiceSet)。扩展的服务集ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点AP接入点AP分配系统DS门桥门桥802.x局域网因特网ESS还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非802.11无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。扩展的服务集ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点AP接入点AP分配系统DS门桥门桥802.x局域网因特网移动站A从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可保持与另一个移动站B进行通信。无固定基础设施的无线局域网

自组网络(adhocnetwork)

自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点自组网络没有上述基本服务集中的接入点AP而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络的应用前景在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的，移动自组网络

和移动IP并不相同移动IP技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。移动IP的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。4.8.2802.11标准中的物理层1997年IEEE制订出无线局域网的协议标准的第一部分，802.11。在1999年又制订了剩下的两部分，802.11a和802.11b。802.11的物理层有以下三种实现方法：跳频扩频FHSS直接序列扩频DSSS红外线

IR

802.11标准中的物理层（续）802.11a的物理层工作在5GHz频带，采用正交频分复用OFDM，它也叫做多载波调制技术（载波数可多达52个）。可以使用的数据率为6,9,12,18,24,36,48和56Mb/s。802.11b的物理层使用工作在2.4GHz的直接序列扩频技术，数据率为5.5或11Mb/s。4.8.3802.11标准中的MAC层

1.CSMA/CA协议

无线局域网却不能简单地搬用CSMA/CD协议。这里主要有两个原因。CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。A的作用范围无线局域网的特殊问题C的作用范围ABCD当A和C检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hiddenstationproblem)B的作用范围无线局域网的特殊问题C的作用范围ADCB？B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题(exposedstationproblem)CSMA/CA协议无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA协议。改进的办法是将CSMA增加一个碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。802.11就使用CSMA/CA协议。而在使用CSMA/CA的同时还增加使用确认机制。下面先介绍802.11的MAC层。

802.11的MAC层MAC层无争用服务争用服务分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)物理层2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.11MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。802.11

的

MAC

层在物理层之上包括两个子层MAC层无争用服务争用服务分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)物理层2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.11DCF子层在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此

DCF

向上提供争用服务。MAC层无争用服务争用服务分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)物理层2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.11PCF

子层使用集中控制的接入算法将发送数据权

轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生MAC层无争用服务争用服务分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)物理层2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.11帧间间隔IFS所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔

IFS(InterFrameSpace)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间