计算机网络第14讲

计算机网络（第十四讲）主讲：李勇二零一五年十月计算机网络讲义2上次课主要内容以太网传统以太网CSMA/cd协议争用期截断二进制指数退避算法传统以太网的信道利用率传统以太网的网络接口以太网的MAC层以太网的帧格式以太网的硬件地址扩展的局域网物理层扩展4.7.4扩展的局域网3在物理层扩展局域网1、利用中继器；2、集线器是一个多口的中继器；3、利用集线器的堆叠和级联在物理层扩展局域网；4、在物理层扩展网络，广播域和碰撞域都不发生改变，网络的性能受到极大的影响；5、要改善网络的性能，需要尽量减少碰撞的可能。减小碰撞域减小广播域6、如何减小碰撞域和广播域呢？1、减小碰撞域的分析1.通过减小碰撞域可以大大减少碰撞的概率；2.减少了碰撞的概率，提高了性能；3.对于广播帧来讲，即使减小了碰撞域，也不能减少碰撞的概率。1112132122

233132广播域碰撞域31112132122

233132广播域1-

p(1-p)8-141-

p(1-p)3-1碰撞域2碰撞域11-

p(1-p)3-12、物理分段5将上述过程，称为物理分段1、每个碰撞域为一个物理网段；2、物理分段在数据链路层实现。如何实现物理分段1、物理分段后，需要一个工作在数据链路层的设备将各个物理分段连接起来；2、该设备需要具有如下功能。该设备连接两个物理网段；该设备能接收来自两个物理网段的任何数据帧；对于广播帧，该设备象集线器一样工作；对于非广播帧，该设备首先获得数据帧中的目的MAC地址，然后根据该设备内部存放的MAC地址和物理网段对照表进行转发。3、物理分段示例1112132122

23广播域工作在数据链路层的设备碰撞域2碰撞域MAC地址碰撞域111碰撞域113碰撞域112碰撞域221碰撞域222碰撞域2232113DATAFCB6碰撞域1具有MAC地址为13的工作站向具有MAC地址21的工作站发送数据帧4、物理分段后的拓扑结构示意图物理分段后的以太网拓扑结构示意图75、网桥8该设备称为网桥1、网桥工作在数据链路层，用来连接不同的碰撞域；2、通过将一个大的碰撞域划分成小的碰撞域，减少碰撞的概率；3、利用网桥不能划分广播域，网桥对待广播帧和集线器一样处理；4、网桥内部存放一个MAC地址与物理网段的对照表，网桥通过对收到数据帧中包含的目的MAC地址处理实现数据帧的转发；5、网桥具有过滤功能，当网桥收到一个非广播数据帧后，并不是向所有的端口转发，而是根据数据帧中的目的MAC地址进行转发，正是利用此功能实现了碰撞域的划分；6、利用网桥可以改善网络的性能，实现网络的扩展；7、网桥通过对数据帧中的源MAC地址进行学习，从而构造MAC地址与物理网段的对照表。5-1、网桥的内部结构与工作原理站地址端口MAC11MAC22…………MACnn缓存端口1

端口2网桥协议实体端口管理软件端口n…站表网桥95-2、网桥的优点10细划碰撞域，过滤通信量，减少碰撞。扩大了网络的规模。提高了可靠性。可互连不同物理层，不同速率的网段。5-3、网桥的缺点11增加了时延。没有流量控制功能，缓存可能发生溢出。由于只细划了碰撞域，而广播域还是一个，因此可能会产生广播风暴。6-1、透明网桥12目前使用最多的是基于透明网桥原理的设备。所谓的“透明”的含义。1、站点发出的数据帧不知道要经过哪些网桥；2、网桥对各个网段来讲是没有影响的，也就是所谓的“看不见”；3、透明桥是一种既插既用的设备；4、透明桥对传输的数据帧不做任何的修改；5、透明桥的工作过程。通过数据帧中的源MAC地址进行学习；学习的内容包括:源站地址、端口和时间；定时更新站表；利用站表转发数据帧；表中如无有匹配表项，就进行广播。6-2、透明网桥的任务131.网桥不能修改它所转发的帧；2.网桥通过在端口上侦听数据帧中的源MAC地址来建立端口、

MAC地址映射表；3.网桥必须将它所接收到的广播帧转发到除接收端口之外的所有端口；4.如果一个数据帧的目的MAC地址是未知的，则网桥将该数据帧转发到除接收该帧端口之外的所有端口；5.当网桥接收到的数据帧的目的地址位于接收端口所连的网络上，网桥抛弃该帧，否则，转发该帧。在没有环路的网络中，透明网桥可以工作得非常好，但当网络中出现环路时，由于透明网桥不能像路由器那样知道数据帧可以经过多少次转发，就会造成报文在环路内不断循环、增生，造成广播风暴。6-3、透明网桥中的广播风暴当网桥A发出一个广播帧时，该广播帧将被转发到网桥B、网桥C。而网桥B、网桥C将通过环形拓扑将该广播帧再次转发到网桥A。如此下去广播帧将在具有冗余的环形拓扑中不断转发下去，形成广播风暴。由于该广播帧形成的广播风暴占据链路的带宽，将导致正常的数据帧不能被转发，从而使网络出现故障，最终导致网络不可用。广播帧A广播帧B广播帧C广播帧A1广播帧A2146-4、透明网桥中的生成树协议利用生成树协议避免广播风暴。利用生成树协议可以提供冗余链路，提高可靠性。图115图2图37、其他网桥16源路由网桥---令牌环的标准。多端口网桥—交换机。1、又称交换式集线器；2、能对网络实施物理分段；3、能扩大网络的覆盖范围；4、能改善网络的性能；5、在交换机上实现了众多的局域网技术，用于改善网络的性能可提高网络的可靠性。8、以太网交换机分类及二层交换机17以太网交换机分为：二层交换机、三层交换机和四层交换机。二层交换机工作在数据链路层，是多端口网桥。1、交换机内部具有输入/输出缓存；2、具有端口/MAC地址映射表-CAM表；3、实现了网桥的所有功能。8-1、交换机组网拓扑示意图物理拓扑是星型逻辑拓扑也是星型188-2、以太网二层交换机交换方式191.第二层以太网交换机工作在数据链路层；

2.以太网交换机具有流控制和差错控制功能；3.以太网交换机对输入的信号采取两种方法进行交换，存储转发模式和直通模式。8-3、存储转发方式所谓的存储转发模式是将整个数据帧读入交换机的高速缓存，进行检查，如果发现该数据帧是不完整的数据帧则将该数据帧抛弃，否则进行转发。这种方式提高了数据转发的效率；但由于要进行数据帧的拆开和重组，需要时间和资源，因此，这种方式将减低交换机的性能。缓存结果查询高速缓冲

存储器交换控制器端口地址

映射表以太网

端口检查20存储转发模式工作示意图218-4、直通方式所谓的直通方式是将以太网数据帧包含目标地址的前64

（或16）字节读入交换机的高速缓存，解析出目标MAC地址后进行交换这种方法速度快；但容易将不完整的或错误的数据帧交换出去。由于没有读取完整的数据帧，位于帧尾部的FCS不能被读出，不能进行差错校验；不能进行差错校验的结果是可能将错误的数据帧转发出去；对于某些只接受前16字节的交换机，由于不能判断是否发生碰撞，可能会转发不完整的数据帧。查询结果交换

控制器端口地址

映射表以太网

端口检查缓存直通模式工作示意图8-5、两种不同转发方式的比较22两种不同转发方式的比较1、直通式方式速度快、延时小，但可靠性差，容易扩散错误，使交换机效率减低，适用于网络传输质量较高的应用场合。没有外来干扰的机房、办公室光纤网络2、存储转发式可以将错误过滤掉，提高了交换机的交换效率和可靠性，但延时较大，速度较低，适用与网络传输质量较差的应用场合。工厂的生产车间开放的环境在某些厂家的交换机中还有介于存储转发式和直通式在产品，实际应用中应根据线路的质量设置交换机的交换方式。8-6、以太网二层交换机交换通道实现的方式在以太网二层交换机中存在着多条并行的数据交换通道。RAM串并转换串并转换输入输出CPU软件执行交换结构1、多条数据交换通道的实现方式软件执行交换结构；交换矩阵；共享的高速缓存；高速背板总线分时复用。输入输出交换矩阵交换总线输入输出高速背板总线共享高速缓存……23输入输出共享高速缓存8-7、多交换通道支持多个工作站同时进行数据交换2、多条数据交换通道可使多个工作站同时进行数据交换。不必在共享同一个媒体，是全双工传输的基础；与集线器相比，传输效率有质的提高；（3）CSMA/CD协议失效。以太网交换模块以太网交换模块交换引擎模块备用电源模块电源主模块母板插槽248-8、以太网二层交换机的容量25如果交换机每个端口的速率是C，具有N个端口，则交换机的容量为C

x

N。交换机的每个端口是一个独立的碰撞域。1、利用交换机将原来的碰撞域细划；2、当交换机的每个端口只连接一个工作站时，对于非广播帧将不会出现碰撞，性能最佳；3、交换机的端口也可连接一个集线器，这时，连接到集线器上的所有工作站构成一个碰撞域。8-9、以太网二层交换机全双工模式261、采用双绞线的星型网络使得以太网传输介质从共享型转入了专用型，并且采用交换式集线器或交换机，从而引入了一种高效的运行模式——全双工模式。所谓全双工，就是数据的发送和接收可以同时进行，互不干扰。2、每一个连接到交换机端口上的LAN均与端口上的以太网接口相连，而传统的以太网接口则要按CSMA/CD协议进行数据的传输，即包括载波监听、冲突检测和退避等机制，这是半双工操作的机制。要实现全双工操作必须屏蔽掉上述过程，使发送和接收能同时进行。3、全双工操作排除了半双工以太网中链路长度的限制。因为全双工操作不使用CSMA/CD，因此距离限制不再起作用，全双工以太网的链路长度仅受介质的物理传输特性限制。4、全双工操作可以增加链路容量。8-10、以太网二层交换机自动协商271、在实际应用中，以太网的运行有许多种组合，比如双工模式可以选择全双工和半双工，速率可以选择10Mbps或100Mbps

，物理介质可以选择五类双绞线和三类双绞线等等。这样如果对每个终端设备都进行手工配置，必然是一项繁杂而且不可维护的工作。为了应付这样多种多样的运行模式，自动协商应运而生。2、自动协商的主要功能就是使物理链路两端的设备自动通过交互信息，自动选择一种运行模式来运行。它只对双绞线以太网有效。自动协商的内容主要包括双工模式，运行速率，流量控制等内容，一旦协商通过，链路两端的设备就锁定在这样一种运行模式下，直到重新引导设备或重新插拔电缆。4.7.5

虚拟局域网28第二层交换机是工作在数据链路层的设备，因此，它只能减小碰撞域，而不能减小广播域。1、对于目的地址不明确的帧，仍采用广播形式；2、而广播帧则必须采用广播的形式；3、这些广播导致了巨大的碰撞可能，极大的影响网络的性能；4、要从根本上改变这种情况，在数据链路层无能为力；5、解决的办法是减小广播域，这必须有网络层参与。在细划了碰撞域（物理分段）之后，影响网络性能的将主要是以广播形式传播的广播帧。1、广播帧突破了碰撞域，在广播域内是封闭的；2、要解决这个性能问题，必须减小广播帧；3、减小广播帧是否会影响到网络的正常工作呢？1、网络业务流量的特点计算机局域网中的数据流量从应用的角度大体分为两种：1、在一个相对独立的范围内传播的本地流量2、在各个相对独立的范围之间的数据流量这与组织的各组成部门之间的关系恰好相吻合。一个部门的本地数据流量没有必要，也不应该传播到其他的部门。只有部门之间的数据流量才在各个部门之间流动。292、利用虚拟局域网细化广播域30上述的讨论给了细划广播域的可能。做如下设想:1、将各个部门划分为不同的广播域，则原来的局域网的一个广播域被划分成多个小的广播域；2、本地数据流量被限制在划分后的广播域内，性能会大大的改善；3、那么，各个广播域之间如何通讯呢？由于是广播域之间的通讯，数据链路层无能为力；各个广播域事实上是一个独立的局域网；局域网之间的通讯需要网络层的设备---路由器；利用路由设备在各个广播域之间进行通讯，将数据链路层和网络层的功能融合在一起，产生了第三层交换机。事实上，实现上述功能的技术就是虚拟局域网。细划广播域又称为逻辑分组。3、虚拟局域网划分原则虚拟局域网是由一些局域网物理网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。1、相同的部门；2、相同的业务。虚拟局域网与物理位置无关是指1、可以跨越不同的物理范围划分虚拟局域网；2、虚拟局域网在物理上是“透明”的，所谓的“虚拟”也正是此含义。CISCOSYSTEMSCISCOSYSTEMS314、虚拟局域网划分方法32虚拟局域网划分分为动态和静态两种也可以以端口、MAC地址和IP地址来划分5、虚拟局域网作用33细划了广播域，减少了碰撞，提高了性能。1、彻底解决了广播帧的问题；2、隔离了广播帧，避免了广播风暴的产生，从根本上解决了由广播帧带来的性能问题；3、提供了一种新的局域网应用组合的方法。改善了安全性。1、限制了本地流量；2、传统的网络监听成为了不可能；3、可以在不同虚拟局域网之间架设身份验证和流量控制。6、扩充局域网小结34可以采用物理分段和逻辑分段的方式改善网络性能。1、物理分段减小碰撞域，不改变广播域，在数据链路层实现，采用的设备是二层交换机，物理分段减少碰撞，不能消除广播帧带来的碰撞；2、逻辑分段减小了广播域，在数据链路层和网络层是，采用的设备是三层交换机，逻辑分段彻底消除了广播帧带来的碰撞。4.7.6

高速以太网35100BASE-T1Gbps快速以太网10Gbps和100Gbps以太网100BASE-T36MAC子层100BASETxUTP/STP5类（2对）100BASEFxMMFSMF100BASET4UTP3类（4对）100BASET2