第四章 以太网交换技术

2局域网是将较小地里区域内的各种数据通信设备连接在一起组成的通信网络。从硬件的角度看，一个局域网那个是由计算机、网络适配器、传输媒体及其他连接设备组成的集合体。从软件的角度看，局域网在网络操作系统的同一调度下给网络用户提供文件、打印和通信等软硬件资源共享服务功能。从体系结构看，一个局域网是由一系列层次结构的网络协议定义的。3第一种是功能上的定义，将局域网定义为一组台式计算机和其它设备，在有限的地理范围内，通过传输媒体以允许用户相互通信和共享计算机资源的方式互连在一起的系统。另外一种是技术上的定义，由特定类型的传输媒体（如电缆、光缆和无线媒体）和网络适配器互连在一起的计算机，并受网络系统监控的系统。4在传输速率为10Mbps的以太网（Ethernet）广泛应用的基础上，速率为100Mbps、1Gbps的高速Ethernet已进入实际应用阶段。由于速率为10Gbps以太网的物理层使用的是光纤通道技术，因此它有两种不同的物理层，一个应用于局域网的物理层，另一个应用于广域网与城域网的物理层。对于广域网应用，10Gbps以太网使用了光纤通道技术。由于10Gbps以太网的出现，以太网工作的范围已经从校园网、企业网主流选型的局域网，扩大到了城域网与广域网。51、拓扑结构2、传输介质3、访问控制方法通过局域网的三要素去理解每种局域网。6局域网的特点：（1）较小的地域范围：通常在几米到几十千米之内，常用于办公室、机关、工厂、学校等内部联网，但一般认为距离是0.1～25km。（2）高传输率和低误码率：一般为10～1000Mbps，万兆局域网也已出现。其误码率一般在10-11～10-8之间。（3）局域网的传输延迟小，一般在及毫秒～几十毫秒之间。（4）局域网一般为一个单位所建，在单位或部门内部控制管理和使用。（5）使用多种传输介质：包括双绞线、同轴电缆、光纤等。（6）易于安装、组建和维护，具有较强的灵活性。7（1）对等网对等网络非结构化地访问网络资源。对等网络中的每一台设备可以同时是客户机和服务器。（2）客户机/服务器网络通常将基于服务器的网络称为客户机/服务器网络。网络中的计算机划分为服务器和客户机。这种网络引进了层次结构，它是为了适应网络规模增大所需的各种支持功能设计的。（3）无盘工作站网无盘工作站顾名思义就是没有硬盘的计算机，是基于服务器网络的一种结构。无盘工作站利用网卡上的启动芯片与服务器连接，使用服务器的硬盘空间进行资源共享。81.服务器运行网络操作系统（NOS），提供硬盘、文件数据及打印机共享等服务功能，是网络控制的核心。2.工作站可以有自己的操作系统，能独立工作。3.网络接口设备将工作站式服务器连到网络上，实现资源共享和相互通信，数据转换和电信号匹配。包括网卡和接口设备。4.传输介质目前常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤等，室内布线常用5类及超5类双绞线，而楼与楼之间用光纤连接。9局域网的定义和组成LAN支持多对多的通信，即连在LAN中任何一个设备都能与网上的任何其他设备直接进行通信。LAN中的“设备”是广义的，它包括在传输介质上的任何设备。LAN地域范围是适中的，通常在10km之内。LAN是通过物理信道通信的，常用介质有同轴电缆、双绞线和光纤等。LAN的信道以适中的数据速率传输信息。局域网体系结构局域网参考模型

IEEE802标准局域网参考模型结合局域网自身特点，参考OSI/RM，IEEE802提出了局域网体系结构的参考模型（LAN/RM），它与OSI/RM的对应关系如图所示。LAN/RM中物理层和数据链路层的功能如下：（1）物理层（2）数据链路层①介质访问控制层MAC②逻辑链路控制层LLCIEEE802标准IEEE802为局域网LAN内的数字设备提供了一套连接的标准，后来又扩大到城域网MAN。这些标准分别是：IEEE802.1AIEEE802.1BIEEE802.2IEEE802.3IEEE802.4IEEE802.5IEEE802.6IEEE802.7IEEE802.8IEEE802.9IEEE802.10IEEE802.11IEEE802.12局域网介质访问控制方式载波侦听多路访问/冲突检测法令牌环访问控制方式令牌总线访问控制方式总线型拓扑结构的特点：所有结点都通过网卡直接连接到一条作为公共传输介质的总线上。总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。所有结点都可以通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。在“共享介质”方式的总线型局域网实现技术中，必须解决多个结点访问总线的介质访问控制(MAC，mediumaccesscontrol)问题。解决共享介质带来的“冲突”问题。16“多路访问”表示多台计算机直接连接在一根总线上。“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。“冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。“退避”发生冲突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。（二进制指数退避算法）B向

D发送数据

C

DAE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17载波侦听多路访问/冲突检测法载波侦听多路访问（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess）是一种适合于总线结构的具有信道检测功能的分布式介质访问控制方法，其控制手段称之为“载波侦听”。实际上，当一个站开始发送信息时，检测到本次发送有无冲突的时间很短，它不超过该站点与距离该站点最远站点信息传输时延的2倍。假设A站点与距离A站最远B站点的传输时延为T（图4-1所示），那么2T就作为一个时间单位。CSMA/CD又被称之为“先听后讲，边听边讲”，其具体工作过程概括如下：（1）先侦听信道，如果信道空闲则发送信息。（2）如果信道忙，则继续侦听，直到信道空闲时立即发送。（3）发送信息后进行冲突检测，如发生冲突，立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号（连续几个字节全1），通知总线上各站点冲突已发生，使各站点重新开始侦听与竞争。（4）已发出信息的各站点收到阻塞信号后，等待一段随机时间，重新进入侦听发送阶段。CSMA/CD发送过程可描述如图4-2所示。

CSMA/CD发送过程流程图CSMA按其算法的不同存在以下三种方式：（1）非-坚持CSMA（2）P-坚持CSMA（3）1-坚持CSMACSMA/CD听Packet当PCA要发一个数据包给PCD的时候,首先PCA要先听HUB的链路上是否有数据在跑,如果有那么PCA等待,如果没有那么PCA将数据包发出.这样的做法是由于HUB上的链路是共享的,所以采用了发数据包之前先进行冲突检测的方法,那么我们称为CSMA/CD.PCAPCBPCCPCD空闲CSMA/CD听有数据在转发继续听HUB上的链路是共享的,所以如果HUB上有数据在转发,那么此时PCA需要等待.CSMA/CD听Packet现在的情况是PCA和PCC都要发数据,但是两人刚才都检测到HUB上是空闲的.那么两人都发.结果发生了冲突.两人都同时启动BACKOFF动作.随机的生成一个秒数,再发数据包.如果再与其他PC发送的数据包冲突.那么再次BACKOFF,BACKOFF一共可进行15次.PCAPCBPCCPCD空闲听Packet随机秒数随机秒数BACKOFF令牌环访问控制方式令牌环是一种适用于环形网络的分布式介质访问控制方式，已由IEEE802委员会建议成为局域网控制协议标准之一，即IEEE802.5标准。在令牌环网中，令牌也叫通行证，它具有特殊的格式和标记。令牌有“忙（Busy）”和“空闲（Free）”两种状态。具有广播特性的令牌环访问控制方式，还能使多个站点接收同一个信息帧，同时具有对发送站点自动应答的功能。其访问控制过程如图4-3所示。传送过程返回本节令牌总线访问控制方式令牌总线访问控制方式（Token-Bus）是在综合了CSMA/CD访问控制方式和令牌环访问控制方式的优点基础上形成的一种介质访问控制方式。令牌总线控制方式主要用于总线型或树型网络结构中。该方式是在物理总线上建立一个逻辑环。如图所示，一个总线结构网络，如果指定每一个站点在逻辑上相互连接的前后地址，就可构成一个逻辑环。如图中A→B→D→E→A（C站点没有连入令牌总线中）。图总线结构中的令牌环返回本节仅适用于IEEE802.5的令牌环（TokenRing）网，“令牌”在环型链路中依次传递，所用的传输介质一般是同轴电缆。网络实现简单，建设费用低。传输速度较快。在令牌环网中允许的传输速率达16Mbps，比普通的10Mbps以太网要快许多。维护困难。扩展性差。访问控制方法：令牌。30容易实现。所使用的传输介质一般都采用双绞线，这种传输介质相对来说成本较低。结点扩展、移动方便。维护容易。一个结点出现故障不会影响其他结点的连接，可随意拆走故障结点。采用广播传送方式，只要任何一个结点发送信息，网络中的其他结点都可以收到，存在着一定的安全隐患。数据传输速度快。访问控制方法：共享式网络：CSMA/CD（集线器）交换式网络：转发表。（交换机）311.专用服务器结构又称为“工作站/文件服务器”结构，由若干台微机工作站与1台或多台文件服务器通过通信线路连接起来组成工作站存取服务器文件，共享存储设备。2．客户机/服务器模式（Client/Server，C/S）安装服务器软件的计算机称为服务器。安装客户端软件的计算机称为客户机。3．浏览器/服务器模式（Browser/Server，B/S）B/S结构是随着Internet技术的兴起，对C/S模式应用的扩展，是一种三层结构，用户工作界面是通过IE浏览器来实现的。（通用的客户机）3233美国电气与电子工程师协会IEEE（InstituteofElectricalandElectronicEngineers）于1980年2月成立了局域网络标准化委员会（简称IEEE802委员会），专门进行局域网标准的制定。经过多年的努力，IEEE802委员会公布了一系列标准，称为IEEE802标准。34将局域网链路层划分为两个子层，即介质访问控制（MediumAccessControl，MAC）子层和逻辑链路控制（LogicalLinkControl，LLC）子层。物理层的功能是：实现位（亦称比特流）的传输与接收、同步前序（Preamble）的产生与删除等，该层规定了所使用的信号、编码和介质，规定了有关的拓扑结构和传输速率。（例如，曼彻斯特编码、100M等）35与接入各种传输介质有关的问题都放在MAC子层。MAC子层还负责在物理层的基础上进行无差错的通信。更具体地讲，MAC子层的主要功能如下。（1）将上层交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）比特差错检测。（4）寻址。数据链路层中与介质接入无关的部分都集中在LLC子层。更具体些讲，LLC子层的主要功能如下。（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。36（1）IEEE802.1A概述和系统结构，IEEE802.1B寻址，网络管理和网际互连。（2）IEEE802.2逻辑链路控制。（3）IEEE802.3CSMA/CD总线访问控制方法及物理层技术规范。（4）IEEE802.4令牌总线访问控制方法及物理层技术规范。（5）IEEE802.5令牌环网访问控制方法及物理层规范。（6）IEEE802.6城域网访问控制方法及物理层技术规范。（7）IEEE802.7宽带技术。（8）IEEE802.8光纤技术（FDDI在802.3，802.4，802.5中的使用）。（9）IEEE802.9综合业务数字网（ISDN）技术。（10）IEEE802.10局域网安全技术。（11）IEEE802.1l无线局域网。（12）IEEE802.12新型高速局域网（100Mb/s）。3738以太网的体系结构：在LLC不变的情况下，只需改变MAC便能够适应不同的介质和访问方法，LLC与介质材料相对无关。除数据链路层分割为两个子层外，物理层确定了两个接口，即介质相关接口（MDI）和连接单元接口（AUI）。MDI随介质而改变，但不影响LLC和MAC的工作。介质访问控制协议：CSMA/CD。39100BASE-T的一个显著特点是它尽可能地采用了IEEE802.3以太网的成熟技术，因而很容易被移植到传统以太网的环境中。100BASE-T和传统以太网的不同之处在与物理层。原10Mbit/s以太网的附属单元接口由新的媒体无关接口所代替。IEEE802.3u新标准还规定了以下3种不同的物理层标准。100BASE-TX：支持两对五类非屏蔽双绞线（UTP）或两对一类屏蔽双绞线（STP）。一对五类UTP或一对一类STP用于发送，而另一对双绞线用于接受。因此，100BASE-TX是一个全双工系统，每个结点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。100BASE-T4：支持四对三类非屏蔽双绞线，其中三对用于数据传输，一对用于冲突检测。100BASE-FX：支持二芯的多模或单模光纤。100BASE-FX主要是用于高速主干网，从结点到集线器的距离可以达到2km，它是一种全双工系统。40411998年2月正式批准了千兆以太网的IEEE802.3z标准。1000BASE-T标准定义了千兆介质专用接口（GigabitMediaIndepentInterface），它将MAC子层与物理层分隔开，这样，物理层在实现1000Mbps速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。主要目标是制定一个千兆位以太网标准。这项标准的主要任务如下。（1）允许以1000Mb/s的速度进行半双工和全双工操作。（2）使用802．3以太网帧格式。（3）使用CSMA/CD访问方式，提供为每个冲突域分配一个转发器的支持。（4）使用10BASE-T和100BASE-T技术，提供向后兼容性。421000BASE-T标准可以支持多种传输介质，有以下4种有关传输介质的标准:①1000BASE-T，使用5类非屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到100m。②1000BASE-CX，使用屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到25m。③1000BASE-LX，使用波长为1300nm的单模光纤，长度可达1300nm的单模光纤，长度可达3000m。④1000BASE-SX，实用波长为850nm的多模光纤，长度可达300～550m。43IEEE协会在2002年6月12日，批准了10Gbps以太网的正式标准——802.3ae。万兆以太网与快速以太网和千兆以太网一样，是全双工的，因此它本身没有距离限制。它的优点是减少了网络的复杂性，兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，同时有望降低系统费用，并提供更快、更新的数据业务。万兆以太网最主要的特点包括:（1）保留802.3以太网的帧格式；（2）保留802.3以太网的最大帧长和最小帧长；（3）只使用全双工工作方式，彻底改变了传统以太网的半

双工的广播工作方式；（4）使用光纤作为传输介质（而不使用铜线）；（5）使用点到点链路，支持星型结构的局域网；（6）数据率非常高，不直接和端用户相连；（7）创造了新的光物理介质相关（PMD）子层。44万兆以太网标准包括10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W3种类型。10GBASE-X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3.125Gbps速度（数据流速度为2.5Gbps）下工作。10GBASE-R是一种使用64B/66B编码（不是在千兆以太网中所用的8B/10B）的串行接口，数据流为10.000Gbps，因而产生的时钟速率为10.3Gbps。10GBASE-W是广域网接口，与SONETOC-192兼容，其时钟为9.953Gbps，数据流为9.585Gbps。45交换式局域网是指以数据链路层的帧或更小的数据单元（信元）为数据交换单位，以交换设备为基础构成的网络。交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。典型的交换式局域网是交换式以太网（SwitchedEthernet），它的核心部件是以太网交换机（EthernetSwitch）。46以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器（Hub）连接。如果一个端口只连接一个结点，那么这个结点就可以独占l0Mbps的带宽，这类端口通常被称作“独享l0Mbps端口”；如果一个端口连接一个以太网集线器，那么这个端口将被以太网中的多个结点所共享，这类端口被称为“共享l0Mbps端口”。47（1）独占传输通道，独占带宽。（2）灵活的接口速度。（3）高度的可扩充性和网络延展性。（4）易于管理、便于调整网络负载的分布，有效地利用网络带宽。（5）交换式局域网可以与现有网络兼容，如交换式以太网与以太网和快速以太网完全兼容，它们能够实现无缝连接。（6）互联不同标准的局域网。局域网交换机具有自动转换帧格式的功能，因此它能够互联不同标准的局域网，如在一台交换机上能集成以太网、FDDI和ATM。48LAN交换模式决定了当交换机端口接收到一个帧时将如何处理这个帧。因此包（或分组）通过交换机所需要的时间取决于所选的交换模式。交换模式有如下三种。存储转发模式直通模式不分段方式存储转发模式：可以在接收缓冲里进行CRC检查、帧太短（<64B），帧太长（>1518B）。还可以匹配速度。直通模式：仅将帧头放到接收缓冲，只检查目的MAC地址。不分段方式：也称为改进的直通模式。（提供差错检验）49生成树协议拓扑结构的思路是:不论网桥(交换机)之间采用怎样物理联接,网桥(交换机)能够自动发现一个没有环路的拓扑结构的网路，这个逻辑拓扑结构的网路必须是树型的。生成树协议还能够确定有足够的连接通向整个网络的每一个部分。所有网络节点要么进入转发状态，要么进入阻塞状态,这样就建立了整个局域网的生成树。当首次连接网桥或者网络结构发生变化时，网桥都将进行生成树拓扑的重新计算。为稳定的生成树拓扑结构选择一个根桥,从一点传输数据到另一点,出现两以上条路径时只能选择一条距离根桥最短的活动路径。生成树协议这样的控制机制可以协调多个网桥(交换机)共同工作,使计算机网络可以避免因为一个接点的失败导致整个网络联接功能的丢失,而且冗余设计的网络环路不会出现广播风暴。生成树协议（SpanningTreeProtocol，STP）是网桥或交换机使用的协议，在后台运行，用于阻止网络第二层上产生回路（Loop）。50VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种协议，它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLANID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。拟局域网的好处是可以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态管理网络。511.根据端口来划分VLAN许多VLAN厂商都利用交换机的端口来划分VLAN成员。被设定的端口都在同一个广播域中。2.根据MAC地址划分VLAN根据每个主机的MAC地址来划分，即对每个MAC地址的主机都配置它属于哪个组。这种划分方法的最大优点就是当用户物理位置移动时，即从一个交换机换到其他的交换机时，VLAN不用重新配置。3.根据网络层划分VLAN根据每个主机的网络层地址或协议类型（如果支持多协议）划分，虽然这种划分方法是根据网络地址，比如IP地址，但它不是路由，与网络层的路由毫无关系。4.根据IP组播划分VLANIP组播实际上也是一种VLAN的定义，即认为一个组播组就是一个VLAN，这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展，当然这种方法不适合局域网，主要是效率不高。521.减少了因网络成员变化所带来的开销使用VLAN最大的优点就是能够减少网络中用户的增加、删除、移动等工作带来的隐含开销。2.虚拟工作组3.减少了路由器的使用在没有路由器的情况下，使用VLAN的可支持虚拟局域网的交换机可以很好地控制广播流量。4.有效地控制网络广播风暴5.增加了网络的安全性不使用VLAN时，网络中的所有成员都可以访问整个网络的其他所有计算机，资源安全性没有保证，同时加大了产生广播风暴的可能性。使用VLAN后，根据用户的应用类型5354无线局域网是指通过无线接入终端、无线接入点、无线路由器、无线网卡等网络设备使用相关网络传输标准所建立起来的局域网络55（1）无线网卡无线网卡是无线网络的重要组成部分，常见的有适合于笔记本电脑的PCMCIA接口和USB接口两种。（2）无线网桥（AP）也称为访问接入点，是在有线网络和无线网卡之间传递信号，同时具有网络管理的功能，一般一个AP可同时支持20～30台计算机接入网络。（3）天线天线是将信号源的网络信号传送到远处，传送的距离有信号源的输出功率和天线本身的增益值决定。天线分为指向型和全向型两种，前者适合于长距离点对点网络使用，后者适合于会场等小范围区域使用。56（1）IEEE802.1lb标准。IEEE802.11b标准使用2.4GHz的频段，采用直接序列扩频技术（DSSS）和补偿码键控调制技术（CCK），数据传输速率可达到11Mbps。（2）IEEE802.11a标准。IEEE802.11a标准使用5GHz的频段，采用跳频展频技术（FHSS），数据传输速率可达到54Mbps。由于IEEE802.1lb的最高数据传输速率仅达到11Mbps，（3）IEEE802.1lg标准。2001年11月，推出了新的技术标准IEEE802.1lg，它混合了IEEE802.1lb采用的补偿码键控调制技术(CCK)和IEEE802.1la采用跳频扩频技术（FHSS）。既可以在2.4GHz的频段提供11Mbps的数据传输速率，也可以在5GHz的频段提供54Mbps的数据传输速率。蓝牙（Bluetooth）技术蓝牙使用2.4GHz的频段，采用扩频技术，在蓝牙网络终端和无线局域网络中间提供低功率、低成本、较安全的短距离数据传送。蓝牙技术能够提供1Mbps左右的流量。目前在业界受到了广泛的支持，尤其在移动电话界的利用率较高。57优点：（1）网络建立成本低。（2）可靠性高。（3）移动性好。缺点：（1）传输速率低。（2）通信盲点。（3）外界干扰。（4）安全性。58根据局域网的组建规模和所采用的协议标准的不同，所用到的网络设备就不相同，组建网络的难易程度和建设费用也不相同。组建一般过程：1、需求分析2、拓扑结构设计3、设备选型4、安装和调试

硬件组装：双绞线制作、交换机安装、网卡安装等

软件安装：操作系统安装与配置、网卡驱动程序安装、

网络组件安装与设置等。5、管理与维护59粗缆以太网，又称标准以太网，即10BASE-5。10表示信号在电缆上的传输速率为10Mbps；BASE表示电缆上的信号是基带信号；5表示每一段电缆的最大长度是500m。主要组网设备：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（AUIcable）和收发器（Transceiver）与总线相联60①最大网段长度是500m；②工作站到收发器的最大距离是50m；③站点间的最小距离是2.5m；④最大网络站点数目是300个；⑤每段最大站点数目是100个；⑥最大网段数是5个，最多使用4个中继器，其中3个网段可以连接站点；⑦最大网络长度是2500m；⑧干线段的每一端均需有一个50Ω的终端电阻，其中之一必须接地。61主要组网设备细同轴电缆（细缆）作为传输介质。10BASE-2使用了RG-58型细缆和BNC-T型连接器，以线性总线进行布线。收发器的功能被移植到网卡上，因此，网络更加简单，更便于使用，性能价格比也较高。然而，它却限制了信号能够传送的最大距离。细缆以太网的每个结点通过BNC-T型连接器和带有BNC接口的网卡连入网内。62①最大网络结点数为90个；②每个网段最多支持30个结点；③结点间的最小距离是0.5m；④最大网络长度为925m；⑤最大网段长度为185m；⑥最大网段数是5个，最多