第3章局域网课件

第3章局域网局域网发展史始于20世纪70年代；20世纪80年代后期，进入专业化生产和商品化的成熟阶段；20世纪90年代，在速度、带宽、服务质量等指标方面有了更大进展；是网络研究与应用中的一个活跃领域3.1局域网基本概念地理覆盖范围小：

通常不超过几十公里，甚至只在一幢建筑或一个房间内。数据的传输速率高：

最高可达10Gbit/s。通信质量高：

误码率在10-8~10-11

支持多种传输介质：

同轴电缆、双绞线、光纤、无线介质成本低、安装、扩充及维护方便

通常属于某个部门、企业或单位所有局域网的功能与应用功能：资源共享（硬件、软件资源）相互通信（数据传送与电子邮件）提高计算机系统的可靠性分布式计算和高性能计算环境应用：办公自动化生产自动化管理信息化银行业务处理军事指挥控制商务管理……问题：与局域网特性有关的主要技术要素有哪些？A：网络拓扑结构、传输介质与介质访问控制方法3.1.1常见局域网拓朴结构网络拓扑结构决定网络性能；局域网设计的目标是覆盖“有限的地理范围”基本通信机制上选择了“共享介质”方式和“交换”方式。在传输介质的物理连接、介质访问取控制方法上形成了自己的特点；在网络拓扑上的基本结构总线型环型（包括双环型）星型（包括扩展星型）局域网分类3.2局域网体系结构局域网的标准：IEEE802（ISO8802）IEEE802是一个标准系列：IEEE802,IEEE802.1～IEEE802.14其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC

高层

OSI

IEEE802物理层PHY由TCP/IP和NOS实现IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口3.2.1IEEE802局域网标准IEEE802标准的产生为了促进局域网产品的标准化以增加产品的互操作性，1980年2月，美国电气和电子工程师学会（IEEE）成立了局域网标准化委员会，简称IEEE802委员会，研究并制定了关于局域网的IEEE802标准。

通信介质分会：负责研究局域网中对应于ISO/OSI物理层的功能，包括局域网通信的物理传输特性、与数据链路层的接口信号访问控制分会：负责研究局域网中对应于ISO/OSI数据链路层的功能，主要涉及逻辑链路控制协议、介质访问控制协议及和网络层的接口高层接口分会：负责研究局域网中对应于ISO/OSI中网络层以上的高层的功能。IEEE802标准的说明IEEE802标准是一个标准体系，包含一系列不同的标准或规范。随着局域网技术的发展，该体系中在不断地增加新的标准和协议。目前主要有IEEE802.1－IEEE802.12等12种标准。…IEEE802.1A综述与体系结构(说明与OSI/ISO的对应关系)IEEE802.2逻辑链路控制(LLC)规范与协议802.3CSMA/CDPhysicalLayer802.4TokenBusPhysicalLayer802.5TokenRingPhysicalLayer802.6MANPhysicalLayer802.7FDDIPhysicalLayer802.8宽带网PhysicalLayer802.11无线网PhysicalLayerIEEE802.1B寻址、网络互连和网络管理IEEE802标准是一个标准体系，并且随着局域网技术的发展，该体系中在不断地增加新的标准和协议。

IEEE802标准系列中的主要标准802.2-逻辑链路控制802.3-CSMA/CD（以太网）

802.4-TokenBus（令牌总线）802.5-TokenRing（令牌环）802.6-分布队列双总线DQDB--MAN标准802.8–FDDI（光纤分布数据接口）802.11–WLAN（无线局域网）IEEE局域网标准的关注点

只关注OSI的物理层和数据链路层

首先，LAN是一种通信网，只涉及到有关的通信功能，至多与OSI七层模型中的下三层有关。其次，LAN基本上采用共享信道的技术，可以不设立单独的网络层。

不同局域网技术的区别主要在物理层和数据链路层；当不同技术的LAN需要在网络层实现互连时，可以借助其他已有的通用网络层协议如第7章中要介绍的IP协议。IEEE802标准ISO/OSI的对应层数据链路层物理层逻辑链路控制（LLC）介质访问控制（MAC）物理信号（PS）物理介质连接设备（PMA）物理介质

连接单元接口（AUI）介质访问单元（MAU）局域网模型局域网模型的有关说明物理层：

与OSI的物理层类似，主要规定比特流的传输与接收，描述所使用的信号电平的编码及解码，规定网络的拓朴结构，传输介质及介质的传输速率等。数据链路层：被分为LLC子层与MAC子层。

MAC子层--处理局域网中各站点对通信介质的争用问题，不同类型的局域网使用不同的介质访问控制协议；LLC子层--屏蔽MAC子层的具体实现，将其变成统一的LLC界面，从而向网络层提供一致的服务。3.2.2划分LLC与MAC子层的原因OSI模型中的数据链路层不具备局域网所需的介质访问控制功能；局域网基本上采用共享介质环境，从而数据链路层必须考虑介质访问控制机制；介质访问控制机制与物理介质、物理设备和物理拓扑等涉及硬件实现的部分直接有关；分为两个子层，可保证层服务的透明性，在形式上保持与OSI模型的一致性。使整个体系结构的可扩展性更好，以备将来接受新的介质与介质访问控制方法。局域网的数据链路层按功能划分为两个子层：LLC和MAC功能分解的目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。局域网的数据链路层的特点：局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播；支持介质访问控制功能；提供某些网络层的功能，如网络服务访问点(SAP)、多路复用、流量控制、差错控制、...MAC子层功能：实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。对不同的LAN标准，它们的LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层（和物理层）。PA3.3LLC的帧结构DSAPSSAP控制域数据

111/2长度可变单位：字节高层PDU

LLC首部

LLC数据IEEE802LAN的封装过程：LLC帧MAC帧MAC数据分组介质上传输的帧MAC首部MAC尾部MAC尾部MAC数据MAC首部面向连接服务与面向无连接

服务的比较面向连接就是指在数据传输之前双方需要为此建立一种连接，然后在该连接上实现有次序的分组传输，直到数据传送完毕连接才被释放；面向无连接则不需要为数据传输事先建立连接，其只提供简单的源和目标之间的数据发送与接收功能。面向连接服务的实现：虚电路

（VirtualCircuit）通信子网借以实现面向连接服务的工作方式，需要源与目标之间建立一条逻辑上的通信链路。涉及虚电路逻辑连接的三个阶段：

①虚电路对立②数据传输③虚电路拆除

在建立连接时，将从源端机器到目标机器的路由作为连接建立的一部分加以保存。在虚电路上传送的分组总是取相同的路径（路由）通过通信子网。虚电路分为永久虚电路(PVC)和呼叫虚电路(SVC)。ThereisconnectionestablishmentbeforetransmissionPacketscanarrivethedestinationthroughthesamepath.ThereisconnectionreleaseafterfinishingtransmissionDTEDCEDCEDTEDCEDCEDCEDCESourceDestination虚电路示例事先不需要在源与目标之间建立任何的连接。为每个分组选择独立的路由，不同的分组可以走不同的路由。DTEDCEDCEDTEDCEDCEDCEDCESourceDestination面向无连接服务的实现：数据报(Datagram)虚电路与数据报的比较

包交换方式数据报虚电路电路设置NOYES（建立、传输、拆除）地址每个Packet需完整的源/目的地址每个Packet仅含虚电路号状态信息有路由表，无连接表连接表路由选择每个包自由选择建立后勿需路由路由器失败的影响丢失失败时的分组所有经过失败路由器的VC失效传输质量同一报文的不同分组会出现乱序、重复、丢失同一报文的不同分组不会出现乱序/重复/丢失LLC的操作类别和类型LLC类别（Class）LLC操作类型（OperationType）

LLC1LLC2LLC3

Ⅰ支持

Ⅱ支持支持

Ⅲ支持支持Ⅳ支持支持支持通过服务访问点进行通信3.4局域网介质访问控制介质访问控制CSMA/CDToken

共享网络环境与冲突共享网络环境是指网络上的所有的设备通过一条公用的信道来传输数据。又称广播网络。当同一时刻这些设备中的多个节点试图发送数据时，就会发生冲突。冲突会使其所涉及的各节点的数据传输发生失败。通常将可能发生冲突的所有设备和与之相关的共享介质称为一个冲突域。信道共享技术分类信道共享技术TDMFDMSTDMATDM随机访问受控访问CSMACSMA/CD集中控制分散控制轮询令牌静态分配动态分配以太网令牌环网WDMCDM3.4.1物理地址/硬件地址/MAC地址MAC地址的长度为48位的二进制数，或12位的十六进制数前24比特代表厂商标识，后24比特为产品的序列号。3.4.1局域网介质访问控制介质访问控制：

解决共享或广播网络中，当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权。在局域网中，特从数据链路层中分出介质访问控制子层，用以完成信道分配或介质访问控制功能。使网络有更高的工作效率、可靠性和可扩展性。介质访问控制的类型集中式：

有一个单独的集中控制器或一个具有控制整个网络能力的节点来管理网络的通信。分布式：

无集中控制节点，各节点均处于平等地位。节点间的通信由各节点自身控制。进一步分为：

1)争用型介质访问控制协议，又称随机型的介质访问控制协议，如CSMA/CD。2)确定型介质访问控制协议，又称有序的访问控制协议，如令牌法。CSMA的流程图有待发帧？载波监听策略（分时隙）延迟到下一个时隙的开始发送等待2t收到ACK？出口NY延迟随机时间NYALOHA

lp?YN非坚持CSMA信道忙？选择0-1之间的随机数l信道忙？延迟tNNYYP坚持CSMACSMA/CD为“带冲突检测的载波侦听多点访问(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)”

的英文缩写：载波侦听CS是指网络中的各个站点都具备一种对总线上所传输的信号或载波进行监测的功能。多点访问MA指总线上的一个站点占用总线发送信号时，所有连到同一总线上的其他站点都可以通过各自的接收器收听，只不过目标节点会对所接收的信号进行进一步的处理，而非目标节点则忽略所收到的信号。冲突检测CD指一种检测或识别冲突的机制，是实现冲突退避的前提。CSMA/CD多个站点如何安全地使用共享信道？最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否可以立即发送？若有多个站点都在等待发送，必然冲突！解决：等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率）若信道忙，如何处理？继续监听：等到信道空闲后立即发送等到信道空闲后等待随机时间后再发送等待一段随机时间后再重新检测信道一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？以上方法均无法处理！CSMA/CD—带冲突检测的载波监听多路访问用于IEEE802.3以太网工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）；发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。站点1站点2距离L传播时延tCSMA/CD协议的时间槽时间槽——能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）若两站点之间传播时延为a，则时间槽＝2a。如下图所示：站点2发送帧碰撞站点1在t＝0时发送帧站点2停止发送当δ→0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽→2a。时间槽的意义：一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突；时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系！以太网中，时间槽＝51.2µs传输速率＝10Mb/s时，一个时间槽内可发送512bits，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）。由此可知：1.冲突只可能在一帧的前64字节内发生；2.帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；∴以太网规定，最小帧长度为64字节3.长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。想一想：什么情况下会产生碎片帧？与时间槽相关的几个网络参数采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：

Fmin＝kSR

k:系数可以看出：最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。

非常重要的结论！退避时间的确定（退避算法）CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法算法如下：1.令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）；2.k=min（重传次数，10）；3.r=在[0,1,…,(2k-1)]中随机取一个数；4.退避时间=rT。限定最大重传次数＝16，若发送16次仍不成功，则发送失败。CSMA/CD的优缺点控制简单，易于实现；网络负载轻时，有较好的性能：30％－40％以内延迟时间短、速度快网络负载重时，性能急遽下降：70％－80％以上冲突数量的增长使网络速度大幅度下降令牌控制法又称令牌(Token)传递机制或许可证法；令牌是一种特殊的控制帧，用来控制各个结点介质访问权限。令牌在环中沿固定方向逐站传送，只有获得令牌的节点才能启动帧的发送。CABD发送节点截获令牌并发送数据帧；其他节点转发或接收数据；发送节点取消数据帧并且重发令牌。

令牌环工作原理的详细说明各站点通过环接口连接成物理环型拓扑，令牌在该环中逐站传送。当一个站点想发送帧时，必须截获空闲令牌，并在启动数据帧的发送前将令牌帧中的忙/闲状态位置于“忙”。然后去掉令牌的尾部，加上数据，成为数据帧，发送到下一个结点。由于只存在一个令牌，所以任何时候，环中只能有一个节点发送数据，而其余站点只能允许接收帧。数据帧沿与令牌相同的方向传送，当数据帧沿途经过各站的环接口时，各站将该帧的目的地址与本站地址进行比较，若不相符，则转发该帧；若相符，则放入接收BUFFER以送入本站，并修改环上帧的接收状态位，然后向下一结点转发。修改后的帧在环上继续流动直到回到发送站，发送结点检查发送是否成功。如果发现数据帧没有被复制（传输失败），则重发该数据帧；如果传输成功，则清除该数据帧。若发送站数据发送完毕，则释放令牌。

TokenRing/802.5的操作举例AT=0T（c）帧循环一圈后,A将数据帧回收并放出空令牌AT=0TData（a）A有数据要发送,它抓住空令牌（b）AT=1A将令牌修改为数据帧头,并加挂数据发送TDataCData目的站点从环上拷贝数据TDataCTDataCTDataC令牌的附加功能数据帧中的帧状态字节可为帧自动提供确认。提供优先级预定位：当站点要发送优先级为n的帧时，其必须等到捕获了优先级小于或等于n的令牌。当数据帧经过某站时，该站可通过将为其想发送的帧的优先级写入数据帧中的预订位的方法为其的待发帧预订下一个令牌。但若预订位已被具有更高优先级的站点所预订，则该站放弃预订。在当前帧传完后，可产生一个具有预订优先级的新令牌。两种介质访问控制方式的比较

CSMA/CDToken随机MAC控制确定MAC控制协议简单，易于实现（有VLSI来实现CSMA/CD算法）

协议复杂，需维护环（初始化、新结点的加入、结点的删除、环恢复等）

不适合实时通信，无优先级

适合实时通信，支持优先级，支持非任意长度的短帧

适合于低负载环境，重负荷时，冲突增加，传输延迟增大，吞吐率下降

适合于重负荷环境，在重负荷时，有良好的延迟特性和吞吐率

802.3802.53.5常见局域网3.5.1传统以太网以太网的产生与发展70年代中期由施乐公司（BobMetcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网）最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的经DEC,Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准）DIXV1（1980）、DIXV2（1982）－EthernetII特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆1985年被采纳为IEEE802.3，支持多种传输媒体。“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”EthernetII和IEEE802.3二者区别很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展…

教材P108一种在以前被假定为电磁波的传播介质，具有绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特性。IEEE802.3以太网标准（主要的）传统以太网：10Mb/s802.3——粗同轴电缆802.3a——细同轴电缆802.3i——双绞线802.3j——光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u——双绞线，光纤千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z——屏蔽短双绞线、光纤802.3ab——双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s802.3ae——光纤以太网的物理层选项与标识方法速率、信号方式、介质类型速率（Mb/s）基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位:百米）或介质类型（T，F，X）10

Base

5传统以太网10Base5粗同轴10Base2细同轴10Base-TUTP

10Base-FMMF快速以太网和千兆以太网100Base-TUTP100Base-FMMF/SMF1000Base-XSTP/MMF/SMF1000Base-TUTPEthernet/802.3操作任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。ABCAC发送帧，目的地址为AABCA复制该帧A信号由终端电阻吸收ABC

C发现网络空闲终端电阻ABCB忽略该帧AEthernet/IEEE802.3帧格式PR：前导码

-10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD：帧首定界符

–10101011，表示一帧的开始DA/SA：目的/源MAC地址LEN：数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-1500Type：类型，高层协议标识LLC-PDU（Data）：数据，最少46字节,最多1500字节，不够时以Pad填充Pad：填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节FCS：帧校验序列（CRC-32）66246-15004字节FCSSATypeDADataPadEthernetIEEE802.32/62/6246-15004字节FCSSALENDALLC-PDUPad校验区间64-1518字节PRSFD

71PRSFD

71用途：保证帧长≥64字节MAC地址又称为物理地址，它是网络站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。MAC地址大多固化在网络站点的硬件中。一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口的个数。例如：安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址。IEEE802.3标准规定：MAC地址的长度为6个字节，共48位；可表示246≈70万亿个地址（有2位用于特殊用途）高24位称为机构惟一标识符OUI

，由IEEE统一分配给设备生产厂商；如3COM公司的OUI=02608C低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。也可以是2个字节，但这种格式的地址很少使用。I/GOUI（22位）G/LEI（24位）0=全局管理地址1=本地管理地址（一般不用）0=单播地址1=组播地址MAC地址的三种类型：单播地址：（I/G＝0）拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点。——点对点传输多播地址：（I/G＝1）拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点。——点对多点传输广播地址：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。——广播传输注意，以上分类只适用于目的地址。同轴电缆以太网粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强收发器

:发送/接收,冲突检测,电气隔离总线型拓扑

粗缆收发器AUI电缆NICVampiretap最大段长度500m每段最多站点数100≥2.5m网络最大跨度

2.5km

网络最多5个段

终端匹配器细缆BNC接头NIC细缆以太网（10Base2

）细同轴电缆，可靠性稍差

无外置收发器

轻便、灵活、成本较低总线型拓扑每段最大长度185m每段最多站点数30≥0.5m网络最大跨度

925m网络最多5个段

终端匹配器

双绞线的连接标准在以太网的标准中，10Mbps与100Mbps双绞线系统采用相同的线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。色标 Pin# Signal白橙

1 TD+橙

2 TD-白绿

3 RD+蓝

4 不用白蓝

5 不用绿

6 RD-白棕

7 不用棕

8 不用12345678当两个Hub连接时，要使用交叉连接方法。两台微机直接连接时，也可参考此接法。光纤以太网

使用光纤介质；两根62.5/125μm多模光纤，收发各一根

星形拓扑结构；通常用于远距离网络连接；

主要类型：

FOIRL（光纤中继器间链路）用于连接两个HUB（或中继器）链路间最大距离1km10Base-FL（用以替代FOIRL）

链路间最大距离2km

任意两节点间的中继器数≤6个光纤与其他介质可使用介质转换器进行转换介质转换器是可连接不同介质的中继器全双工以太网只能在双绞线和光纤链路上实现；收、发使用了不同的物理信道不再使用CSMA/CD机制，因此传输距离不受时间槽的限制；但要受到信号衰减的影响全双工操作的条件：使用双绞线或光纤；链路两端的设备都必须支持全双工操作；支持全双工的设备包括全双工网卡、网络交换机。局域网扩展什么情况下需要扩展？网络范围扩大更多的站点加入网络多个独立的局域网进行互联如何扩展？主要在三个层次上物理层数据链路层网络层在物理层上进行局域网扩展设备：总线网：中继器星形/环形网：集线器特点：一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个网段；扩展后的网络仍是一个冲突域。优缺点：简单、成本低网络规模不能太大站点数量：冲突随站点数量的增多而变得越来越严重地域范围：时间槽的限制只能互联相同类型的网络例：从分离的部门网络到统一的企业网络集线器人力资源部集线器市场部集线器技术开发部集线器财务部在数据链路层上进行局域网扩展设备：网桥、交换机特点：一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段；扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域；扩展后的网络仍是一个广播域。优缺点：冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；地域范围不再受时间槽的限制；远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上转发速度有所降低；不能隔离广播帧。在链路层上扩展局域网网桥/交换机独立的冲突域网段1HUB网段2HUB广播域在网络层上进行局域网扩展设备：路由器特点：一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络；扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。优缺点：隔离广播域，限制了广播帧的泛滥；地域范围可以任意扩展；能根据最佳路由转发分组；可以互联不同类型的网络；转发速度低，成本较高，维护复杂。财务部集线器技术开发部集线器市场部集线器人力资源部集线器在网络层上扩展局域网技术开发部路由器集线器财务部路由器集线器市场部路由器集线器路由器人力资源部集线器企业网/广域网3.5.2高速局域网10Mb/s满足应用要求吗？从10Mb/s向100Mb/s、1000Mb/s迁移起因：对主干带宽的需求80年代末开始，直到今天仍未停止主要产品FDDI快速以太网100VG-AnyLAN千兆以太网、万兆以太网最终胜利者是谁？关键：兼容(保护投资)、灵活、简易、技术成熟1.快速以太网（FastEthernet，FE）传输速率为100Mb/s的以太网，比传统以太网快10倍标准为IEEE802.3u拓扑结构为基于集线器的星形结构；传输介质只支持双绞线和光纤；帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3标准。提供了10/100Mb/s自适应功能；IEEE802.3u定义了4种不同的物理层标准（p128）100Base-TX：使用两对5类双绞线100Base-FX：使用62.5/125μm多模光纤100Base-T4：使用四对3类双绞线100Base-T2：使用两对3类双绞线100Base-TX的拓扑结构max.5mHUBHUB任意两个站点间最多允许3个链路段工作站工作站max.100m快速以太网的应用主干连接需要高带宽的服务器和高性能工作站网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站向桌面系统普及10Mb/s10MHUB企业网100Mb/s100MHUB100Mb/s服务器100Mb/s小型机100Mb/s100MHUB2.千兆位以太网和万兆位以太网千兆位以太网（GigabitEthernet，GE）技术进步的必然新的应用网络分布计算、计算机视频、网络存储快速以太网的迅速普及要求主干有更高的带宽两个主要标准IEEE802.3z，1998.6正式公布1000Base-SX，MMF/550m1000Base-LX，SMF/5000m1000Base-CX，屏蔽短铜缆/25mIEEE802.3ab，1999.6正式公布1000Base-T，UTP/100m千兆位以太网的特征1000Mb/s，全双工或半双工沿用10Mb/s传统以太网帧格式半双工仍使用CSMS/CD协议兼容10Base-T和100Base-T节点能力的自动协商速率提高到1000Mb/s时的网络跨距问题：为保持兼容，半双工时的最小帧长度仍规定为64字节，导致网络跨距缩短为不足20米，实用价值大大降低！解决方法：1.将时间槽扩展为512字节（是以前的8倍）；2.“载波扩展”技术：帧长不足512字节时，在其后填充特殊的符号至512字节；（想一想，是否完美？）“帧突发”技术：允许站点连续发送多个短帧解决短帧较多时网络传输效率低的问题短帧较多时将使网络传输效率大大降低。极端情况下，只有正常时的12%。使用“帧突发”技术后，效率可提高到72%，达到快速以太网的95％。链路两端的节点必须各自向对方通告自己的能力（速度、物理层类型、半/全双工）并自动选择合适的工作模式。千兆以太网的工作参数2/62/6246-150040-448字节≥64字节≥512字节FCSSALEN/TypeDALLC-PDU/DataPad载波扩展参数千兆以太网

快速以太网

传统以太网

时间槽(载波扩展)512字节时间64字节时间64字节时间帧间间隔

0.096μs0.96μs9.6μs重发上限

161616回退上限

101010拥塞序列长度

32位

32位

32位

最大帧长度

1518字节

1518字节

1518字节

最小帧长度64字节64字节64字节突发长度上限

8192字节

－－当帧长小于512字节时，需填充“载波扩展”符号千兆以太网的物理层技术1000Base-X信号编码与解码1000Base-T信号编码与解码1000Base-CX短铜缆收发器1000Base-LX1300nm长波光纤收发器1000Base-SX850nm短波光纤收发器1000Base-TUTP收发器25米2对短屏蔽铜缆5000米9μm单模光纤550/220米50/62.5μm多模光纤100米4对5类UTPMAC子层（全双工/半双工）更高层千兆位介质无关接口（GMII）千兆以太网的拓扑结构在半双工方式时，网络跨距减小很多：任意两个站点间最多只能有一个中继器（p139图4.42）在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器的特性有关：站点间允许有多台千兆设备，可以构造较大范围的网络（p140图4.43）千兆位交换机千兆位交换机千兆位路由器千兆以太网的应用交换机到交换机的连接或园区网之间的主干连接，例如两个校区之间的链路；将网络交换机之间的10/100M链路用1000M链路代替，可以显著地提高网络的整体性能。

具有高带宽需求的服务器集群或某些高性能工作站与网络主干之间的连接；通过网络服务器中配置的千兆以太网卡，可以建立与交换机之间的1000M连接，极大地提高了服务器的传输带宽。

企业网络或园区网络的主干；千兆位以太网交换机能同时支持多台100Mbit/s交换机、路由器、集线器和服务器等设备。同时，以千兆位以太网交换机为核心的主干网络能支撑更多的网段，每个网段有更多的节点及更高的带宽。

多机系统主机之间的互联。千兆位以太网应用举例(1)含千兆位以太网模块的交换机服务器服务器10/100M以太网交换机

100M共享集线器千兆位以太网模块提高关键网络服务器的速度服务器服务器含千兆位以太网模块的交换机千兆位以太网应用举例(2)千兆位以太网交换机千兆位以太网交换机千兆位以太网交换机10/100/1000M以太网交换机10/100/1000M以太网交换机10/100/1000M以太网交换机10/100/1000M以太网交换机千兆位以太网用于城域网主干千兆位以太网应用举例(3)1000Mbps千兆位以太网第三层交换机10/100/1000M以太网交换机交换机1000M以太网第二层交换机集线器100M交换式集线器网管工作站主服务器10Base-T以太交换机100Base-T共享集线器10M集线器FTP服务器WWW服务器DNS服务器MAIL服务器远程访问服务器PSTNINTERNET千兆以太网校园网方案1000Mbps1000Mbps1000Mbps防火墙路由器防火墙10Mbps100Mbps10/100Mbps10/100Mbps100Mbps千兆位以太网应用举例(4)万兆位以太网万兆位以太网的特征传输速率为10Gb/s；保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度；不再使用CSMA/CD协议；只能工作在全双工方式；只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；支持两种类型的物理层：10Gbit/s局域网物理层和10Gbit/s广域网物理层：多个万兆位以太网可以通过SONET/SDH网络实现广域连接，使用单模光纤时端到端的传输距离可达上百公里。

标准：IEEE802.3ae，2002年公布局域网物理层：10GBase-X和10GBase-R，MMF:300m，SMF:几十km；广域网物理层：10GBase-W，SMF:几百km以上。速度提高到10Gb/s所遇到的问题：不采用特殊措施，网络跨距将只有2米；若使用“载波扩展”（帧长至少4096字节），短帧的传输效率将降低到1.5％；同时使用“帧突发”，最大效率也只能达到30％；“载波扩展”的额外开销使吞吐率下降，冲突概率增大。解决方法：前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本抛弃CSMA/CD，只工作在全双工方式；只使用光纤介质（双绞线目前成本太高）。万兆位以太网的应用主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与端用户的直接连接。

3.5.3令牌环网（TokenRing)由IBM公司研制开发，其协议标准为IEEE802.5环型拓朴，令牌访问控制数据传输速率为4M或16M传输介质采用UTP或STP已被淘汰令牌帧数据/命令帧令牌环网在MAC子层采用令牌传送的介质访问控制方法

令牌环网（TokenRing)3.5.4FDDI（FiberDistributedDataInterface）FDDI是英文FiberDistributedDataInterface的缩写美国国家标准局（ANSI）于1989年制定的一种用于高速局域网的MAC标准，其协议标准为IEEE802.8采用光纤作为传输介质、反向旋转双环拓朴结构，令牌访问方式光信号码元传输率为125MBaud，采用４B/5B编码方法，所以相应的最大数据传输率为100Mbps。

FDDI的拓扑结构集中器集中器服务器主环次环FDDIDASSASSAS:单连站DAS:双连站

FDDI环的连接方式FDDI的性能特点较高数据传输速率大网络覆盖范围：

站点间的最大距离为2KM，网络的覆盖范围可达200／100KM，远远超过了局域网的覆盖范围，进入了大型校园网或城域网的领域

可提供特殊的服务高可靠性与安全性：

可靠性来源于其采用的双环拓朴结构、传输介质以及一些相应的控制措施；光纤具有良好的抗干扰性和保密性。互操作性强：

先有标准后有产品FDDI自愈环FDDI的优缺点主要优点：令牌传递协议消除了数据冲突；双环结构提供了优秀的容错能力；内建的网络管理能力；令牌传递协议能保证预知的、确定的时延；在现有的100Mbit/s的网络技术中，其网络覆盖范围最大，适用于大型LAN和MAN。主要缺点：协议比较复杂；安装和管理相对困难；价格昂贵，与快速以太网和千兆以太网相比，性能价格比低；与广泛使用的以太网之间进行互联比较困难。目前正逐渐被快速以太网和千兆以太网所替代。网桥FDDI集中器网桥网桥HUBPCPCswitchPCPCHUBPCPCHUBPCPCSERVER网管工作站网桥PCPCPC路由器WAN双环结构的FDDI校园主干网共享式以太网所存在的问题以集线器为中心的以太网，当连网的计算机数目增长时，每个主机获得的带宽急剧地减少，不能满足某些带宽要求较高的应用。以集线器扩展的网络，仍为一个冲突域，当节点数目增大时，冲突域也随之增长，重负荷下可能导致网络瘫痪。为解决共享式以太网所存在的上述问题，交换式以太网应运而生。3.5.5交换式以太网采用交换机为以太网中心。交换机的每个端口具有专用的带宽，常见的端口数有16，24，48或更多。支持星型拓朴或扩展星型拓朴改变了集线器的半双工工作模式，既可支持半双工，也可支持全双工传送。以太网发展史上的另一个里程碑。以交换机为中心的以太网，交换机为每个端口提供专用的带宽。交换式以太网还减少了冲突域的大小100M100M100M100M交换以太网

3层交换机3层交换技术解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。

什么是3层交换？

3层交换（也称多层交换技术或IP交换技术）是相对于传统交换概念而提出的。众所周知，传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第2层（数据链路层）进行操作的，而3层交换技术是在OSI网络模型中的第3层实现了数据报的高速转发。简单地说，3层交换技术就是：2层交换技术3层转发技术。三层交换原理

假设两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B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，则进行二层的转发。若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站B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地址其实是三层交换机的三层交换模块。当发送站A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时，如果三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址。否则三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址，三层交换模块保存此地址并回复给发送站A,同时将B站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。从这以后，当A向B发送的数据报便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。由于仅仅在路由过程中才需要三层处理，绝大部分数据都通过二层交换转发，因此三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。3层交换机种类

3层交换机可以根据其处理数据的不同而分为纯硬件和纯软件两大类。纯硬件的3层技术相对来说技术复杂，成本高，但是速度快，性能好，带负载能力强。其原理是，采用ASIC芯片，采用硬件的方式进行路由表的查找和刷新，如图7.20所示。当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在2层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行2层转发，否则将数据送至3层引擎。在3层引擎中，ASIC芯片查找相应的路由表信息，与数据的目的IP地址相对比，然后发送ARP数据报到目的主机，得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到2层芯片，由2层芯片转发该数据报。

ASIC

路由表

MAC地址表

端口A

端口B

查路由表

三层引擎

三层交换式芯片

查MAC地址表

1

4

3

2

纯硬件三层交换机原理

①端口A向三层交换模块发出ARP请求

②三层交换模块向端口B所在网段广播ARP请求

③端口B的ARP应答

④更新MAC地址表

当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层转发，否则将数据送至三层引擎。在三层引擎中，ASIC芯片查找相应的路由表信息，与数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据报到目的主机，得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二层芯片转发该数据报。

基于软件的3层交换机技术较简单，但速度较慢，不适合作为主干。其原理是，CPU用软件的方式查找路由表。

当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在2层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行2层转发，否则将数据送至CPU。CPU查找相应的路由表信息，与数据的目的IP地址相对比，然后发送ARP数据报到目的主机，得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到2层芯片，由2层芯片转发该数据报。因为低价CPU处理速度较慢，因此这种3层交换机处理速度较慢。

3.5.6ATM的产生背景N-ISDN的问题：不能真正提供电视信号、视频业务等许多高速率业务。作为在数字电话网基础上演变而来的技术，其主要业务仍是64kbps的电路业务，对技术发展的适应性很差。尽管用户通过标准用户－网络接口进入网络实现了多种业务的综合接入，但在网络内部，针对不同的业务，实际还是采用不同的交换方法，并未实现真正统一的综合交换。B-ISDN(BroadbandISDN)

被提了出来：以光纤为传输介质，提供远远高于一次群速率的传输信道，并针对不同的业务采用相同的交换方法，即致力于真正做到用统一的方式来支持不同的业务。ATM作为其中的关键技术却被保留了下来并成为高速广域网传输技术的重要基础。参考模型

包括三个面：用户面、控制面和管理面，而在每个面中又是分层的，分为物理层、ATM层、AAL层和高层。

用户平面：采用分层结构，提供用户信息流的传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等；控制平面：采用分层结构，完成呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放；管理平面：包括层管理和面管理。其中层管理采用分层结构，完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令。同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流；面管理不分层，它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。物理层ATM层ATM适配层ATM适配层高层协议高层协议控制面用户面管理面面管理层管理ATM的实现综合了电路交换的可靠性与分组交换的高效性，借鉴了两种交换方式的优点，采用了基于信元的统计时分复用技术。电路交换：采用时分复用方式，通信双方周期性地占用重复出现的时隙，信道以其在一帧中的时隙来区分，而且在通信过程中无论是否有信息发送，所分配的信道（时隙）均为相应的两端独占。该模式的实时性好，适合于发送对延迟敏感的数据，但信道带宽的浪费较大；分组交换：不分配任何时隙，采用存储转发方式，属于统计复用。该交换方式的灵活性好，适合突发性业务，且信道带宽的利用率高，但分组间不同的延时会导致传输抖动，因此不适合实时通信。

ATM的实现（续）综合信元(cell)是ATM用于传送信息的基本单元：采用53字节的固定长度。其中，前５个字节为信头，载有信元的地址信息和其他一些控制信息，后48个字节为信息段，装载来自各种不同业务的用户信息。固定长度的短信元可以充分利用信道的空闲带宽。信元在统计时分复用的时隙中出现，即不采用固定时隙，而是按需分配，只要时隙空闲，任何允许发送的单元都能占用。信元在底层采用面向连接方式传送，并对信元交换采用硬件以并行处理方式去实现，减少了结点的时延，其交换速度远远超过总线结构的交换机。ATM的组成ATM网络系统由ATM