计算机网络与通信 张曾科 计算机网络与通信（第5章）

第5章局域网

()7/03/2013

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第5章局域网

5.1IEEE802局域网体系结构

5.2以太网工作原理

5.3传统以太网

5.4高速以太网

5.5交换式以太网

5.6虚拟局域网

5.7无限局域网

5.8非主流局域网

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,5.1IEEE802局域网体系结构

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02局域网参考模型

■IEEE802LAN/RM分为两层：

-数据链路层；

-物理层。

它们分别与OSI的数据链路层和物理层相对应。

■IEEE802SN/RM的数据链路层又分成两个子层:

■逻辑链路控制(LogicalLinkControl,LLC)子层；

■媒体接入控制(MediumAccessControl,MAC)子层。

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5.1.1IEEE802局域网参考模型

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j5.1.2媒体接入控制子层

■LAN拓扑和信道特点

-LAN主要采用总线(Bus)、环形(Ring)及星形(Star)拓扑

(Topology)o

-LAN的一个显著特点是网上的所有计算机使用一条共享信

道进行广播式通信。如果多个结点同时争用信道，就会产

生发送冲突(Collision),必须解决如何进行信道争用问

题。即媒体接入控制问题。

■LAN媒体接入控制方式

-受控接入：分为分集中式控制和分散式控制两种；

■随机接入。

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J5.12媒体接入控制子层

■MAC地址

-目的地址有三种类型：

■单播地址(UnicastAddress)。

■多播地址(MidticastAddress)。

■广播地址(BroadcastAddress)。

■IEEE的注册管理机构统一管理分配6个字节全球地址。

前3个字节是组织唯一标识符(OrganizationallyUnique

Identifier,OUI);后3个字节称为扩展标识符(Extended

Identifier),由生产厂家指派。

■通用名称EUI・48,EUI(ExtendedUniqueIdentifier)o

■l/G(Individual/Group)比特，即单地址/组地址比特。

■0L(Globe/Local)比特，即全球/本地比特。

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5.1.2媒体接入控制子层

以太网地址在网上的传送顺序

十六进制MAC地址：FC2E161A708B

组织唯一标识符(OUI)扩展标识符

第1字节第2字节第3字节第4字节第5字节第6字节

(I/G比特:FC2E161A708B

]001111110111010001101000010110000000111000110001V...

------------------------------------------------------------------------------A:比特序列

G/L比隼发送顺序：自左至右(字节：第》第6;字节内：低位A®位)

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.5.1.3逻辑链路控制子层

■LLC>址

-LLC子层地址：SARI*址，LLC服务访问点，标识网络层

的通信进程。

■LLC层提供的服务

-类型1——LLC1,不确认的无连接服务；

-类型2——LLC2,可靠的面向连接的服务;

-类型3——LLC3,带确认的无连接服务.

■LL/贞格式比特1717

I/GC/RSAP地址

DSAPSSAP控制数据。7/。3用q帧

字节111/2不定长

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5.2以太网工作原理

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$5.2.1以太网技术的发展

■1975年RobertMetcalfe和DavidBoggs研制成功了

以太网。

■1980年DIX1.0版以太网规范。1982年口供以2.0版作

为终结，称为DIX以太网。

■1983年底10Base5标准面世，IEEE802.3的第一个以

太网标准。

RobertMetcalfe

最初的以太网设计

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j5.2.1以太网技术的发展

以太网传输速率增长（b/s）

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52.1以太网技术的发展

IEEE802.3以太网标准

IEEE规批准速度站/拓扑网段长

以太网标准支持的媒体

范时间(b/s)网段结构（m）

10Base5802.3198310M100总线型50050。同轴电缆（粗）

10Base2802.3a198810M3Q总线型18550。同轴电缆（细）

lBase5802.3c1988IM星型250100。2对线3类

lOBaseT802.3i199010M1024星型100100Q2对线3类

10Broad36802.3b198810M100总线型180075Q同轴电缆

lOBaseF802.3i199210M星型2000多模光缆

对线类/

lOOBaseT802.3u1995100M星型100/2100Q5

100/4对线100。3/4/5类/多

(TX/T4/FX)2000模/单模光缆

lOOOBaseT802.3ab1000M星型100UTP,4对5类

25/屏蔽电缆/

lOOOBaseX802.3z19981000M星型

550/多模光缆/

(CX/SX/LX)550/5000多/单模光缆

lOGBaseR/W/X802.3ae200210G星型65-40k多模/单模兜缆"”

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5.22以太网媒体接入控制方式CSMA/CD

■带冲突检测的载波侦听多点接入(CarrierSense

MultipleAccesswithCollisionDetection,

CSMA/CD)o

■随机接入技术的先驱——ALOHA

■ALOHA的改进——CSMA

-增加了发前监听的机制，减少了发送冲突。

-CSMA有三种方式：

-非坚持CSMA。

-1坚持CSMA。

.P坚持CSMA。

CSMA的改进——CSMA/CD

■传播时延仍会引起发送冲突。

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5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD

■CSMA/CD工作流程

-CSMA/CD在CSMA的基础上增加了冲突检测的功能。

■帧间隙时间(InterFrameGap,IFG)O

CSMA/CD

工作流程图

07/03/2013

〔出口〕

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।52.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD

■截断二进制指数退避算法(TruncatedBinary

ExponentialBack-off)

冲突次数11=11+1

if1<n<16

thanm=min(n,10)

k在｛0,1,2,2m—1｝中随机取1个数

后退时间取为kX2T

elseifn>16

than放弃本次发送

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5.2.2以太网媒体接入控制方式CSMA/CD

■CSMA/CD冲突过程分析

■冲突过程

-冲突窗口(CollisionWindow)。2丁:信道的往返传播时延

(Round-TripPropagationDelay)

-冲突占用信道的时间。冲突占用信道的最大时间为：3C+7；

■冲突检测方法

■CSMA/CD时槽(TimeSlot)

■旧££802.3将时槽取为发送512位的时间，称为512位时。

■冲突域(CollisionDomain)

07/03/2013

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CSMA/CD冲突过程

AC

bus

a）离散时空图b）连续时空图

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*5.22以太网媒体接入控制方式CSMA/CD

-一个CSMA/CD以太网区域，同一个冲突域中的两个或多

个站点同时发送数据就会产生冲突，CSMA/CD在冲突域

内能正常进行冲突检测，超出冲突域就不能正常工作。

■以太网接收处理

-站点若不处于发送状态则处于接收状态。

-判断是否冲突碎片，若是丢弃之。

-识别目的地址。若与本站地址不符就丢弃此帧。

-传输差错校验和处理。

-判断是DIX以太网帧，还是IEEE802.3以太网帧，并进行

相应处理。

■以太网运行参数

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5.22以太网媒体接入控制方式CSMA/CD

以太网运行参数

参数（单位）10Mb/s100Mb/sIGb/s10Gb/s

位时（ns）1001010.1

时槽（位时/ys）512/51.2512/5.124096/4.096—

帧间距（比特怏）96/9.696/0.9696/0.09696/0.096

冲突重试限制（次）161616—

冲突回退限制（次）101010—

冲突阻塞信号（比特）323232—

最大帧长（字节）1518151815181518

最小帧长（字节）64646464

帧突发限制（字节）——819207/（土颌13

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5.2.3以太网传输特点

■半双工传输方式

■IEEE802.3X标准中有定义了全双工以太网

.共享总线带宽

-传输的不确定性

■无连接、不可靠的传输服务

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¥5.2.4以太网信道利用率

-假定:

■总线上有n个站，每个站在一个争用期内发送帧的概率均为p。

-帧长均为L(bit),数据发送速率为C(bit/s),因而帧的发送时间

T0=L/C(s)o

V—争用信道，平均K个争用期一AV--------占用信道

帧的平均

发送时间2T2T•••2r发送数据，7()T

发送一帧所需的平均时间入

假定一个帧是平均经K次冲突后发送成功的，那么令A］为在一个时槽内某

n1

一个特定的站发送成功的概率：A1=p(1-p)-

在一个时槽内有一个站发送成功的概率A=nA1=np(1-p)向

显然在一个时槽内发送失败的概率是1-A。争用期为i个的概率：P［争用

期为i个］=(18»

那么，平均的争用期次数即平均的帧重发次数K为i的均值：

00001_A

K=［争用期为i个］=£z(l-AyA=二-

i=0i=0A()7/03/2013

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$5.2.4以太网信道利用率

■以太网信道利用率S：

=T°—1T

a——

）

Tav2TK+TQ+T1+Q（2AT-1

其中a是归一化的传播时延。

-当P=l/〃时A取极大值，ax。

不同n卜的Amax和Kmin

n2481632641282565121024

A

max0.50.4220.3930.3800.3740.3710.3690.3690.3680.368

一11.3701.5451.6321.6741.6951.7101.7101.7171.717

■信道利用率的最大值：$"=击

・参数a对以太网性能的影响

a=c/"=cC/及。=总线单程比特长度/帧的比特长度。

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5.2.4以太网信道利用率

不同帧长下Smax—n关系

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j5.2.4以太网信道利用率

a=0.01时总线利用率a=4时总线利用率

07/03/2013

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$5.2.5以太网帧格式和数据封装

■以太网帧格式

DSAPSSAP控制数据

前导SFDDASA长度/类型数据PADFCS

字节712/62/620-15004

-长度/类型：2个字节，指明数据字段的长度或数据的

协议类型。DIX以太网标准中指定一位类型字段。老的

IEEE802.3标准定义为长度字段。1997年后新的IEEE

802.3标准修改为长度/类型字段。

07/03/2013

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j5.2.5以太网帧格式和数据封装

-以太网数据封装

-子网接入协议SNAP

IEEE802.3以太网使用长度字段时无法标识其数据字段

封装的网络层PDU的协议类型，有两种解决方案：

.由LLO头部中SAP实现，用于IEEE802体系。

-用于为DIX以太网开发的一些网络层软件定义了一个

5个字节的子网接入协议，用来标识所携带数据的协

议类型，称为隐式帧类型(ImplicitFrameType)o

07/03/2013

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j5.2.5以太网帧格式和数据封装

-以太网数据封装

46~1500B以太网帧数据字段

DASA类型数据(46-1500)FCS

6624

类型=0800IP数据报(4J1500)

2

类型=0806ARP请求/应答PDA

22818

a)DIX以太网中的封装格式(RFC894)

y-----------------------------------------------46-1500B以太网帧数据字段

y--------LLC头---—y——SNAP--------a

DSAPSSAPCntlOrgCode

DASA长度类型数据(38~1492)FCS

AAAA0300

662111324

类型=0800IP数据报(387492)

2

类型=0806ARP请求/应答PDA

2281007/03/2013

b)IEEE802.3以太网中的封装格式(RFC1042)

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5.3传统以太网

07/03/2013

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5.3.1物理层

10Mb/s以太网物理层、网络接口卡和中继器

计算机系统总线

总线接口

MAC

PLS中继单元

NIC

--AUI

物理层

PMA

媒体>MAU

MDI

()7/03/2013

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5.3.1物理层

■媒体连接单元(MediumAttachmentUnit,MAU),

也称为收发器(transceiver)。主要功能如下：

-连接传输媒体。

-信号发送与接收。

■冲突检测。

-超长控制。

■物理层信号(PhysicLayerSignaling,PLS)

主要功能如下：

■编码解码。

-载波监听。

■连接单元接口(AttachmentUnitInterface,ALII)

连接PLS^MALL()7/03/2013

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*5.3.2网络接口卡

■网络接口卡(NetworkInterfaceCard,NIC)

主要涉及物理层和MAC层，包括五个部分：

-媒体接入单元(MAU)。

-物理层信号(PLS)。

-连接单元接口(AUI)。

.MAC子层。

-计算机总线接口。

07/03/2013

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j5.3.3中继器和集线器

■中继器工作在IEEE802.3的物理层，接收、恢复

并转发物理信号，以扩展以太网。

中继器包括了MAU、AUI以及中继单元。

中继器扩展以太网受到CSMA/CD冲突域最大跨距

的限制。

■集线器(Hub)：多个端口的中继器即多口中继器，

使以太网形成星形结构，但逻辑上是总线结构，

因此被称为星形总线(Star-Shaped-Bus)。

07/03/2013

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5.3.4传统以太网及其联网方式

■粗缆以太网10Base5

AUI连接器

07/03/2013

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j5.3.4传统以太网及其联网方式

■细缆以太网10Base2

■光纤以太网10BaseF

■双绞线以太网1OBaseT

-引发的星形布线结构是以太网发展中的重大进展，

线路的设计安装类似普通的电话系统并可同时进

行。

-双绞线以太网扩展：hub间的级连和堆叠。

07/03/2013

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5.3.4传统以太网及其联网方式

10BaseT以太网连网示意图RJ45连接器

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5.4高速以太网

07/03/2013

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54110OBaseT

■1OOBaseT的特点

-MAC子层：

■保持了与1OMbit/s以太网同样的MAC子层；

.时槽变为5.12us,冲突域减小至i]200m。

-物理层：

与10Mb计/s以太网物理层的结构有所不同：

■媒体无关接口(MediumIndependentInterface,MH)

・协调子层(ReconciliationSublayer,RS)

・物理编码子层(PhysicalCodingSublayer,PCS)

■物理媒体连接(PhysicalMediumAttachment,PMA)

■物理媒体相关(PhysicalMediumDependent,PMD)

■媒体相关接口(MediumDependentInterface,MDI)

07/03/2013

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5.4.110OBaseT

物理层

媒体

07/03/2013

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54110OBaseT

1OOBaseT包括4个不同的物理层规范，支持多种媒体。

不再采用统一的曼彻斯特编码。

增加了10/10OMbit/sg动协商功能。

定义了I类和II类两种类型的中继器。

■100BaseT的物理层规范

-100BaseTX

与10BaseT有许多相似之处。使用5类UTP。采用4B/5B-

MLT3编码。

■100BaseT4

■100BaseT2

■100BaseFX()7/03/2013

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54110OBaseT

■1OOMbit/s以太网扩展

当传输媒体长度达到冲突域的最大跨距时，系统只能使用一

个I类中继器或两个11类中继器。

1OOBaseT最大网络跨距（m）

中继器类型铜缆光纤混合媒体

无中继器，计算机点对点连接100412不使用

1个I类中继器200272260（lOOmTX力口FX）

1个n类中继器200320308（lOOmTX力口FX）

2个n类中继器205228216（105mTX加FX）

07/03/2013

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:।5.4.1WOBaseT

■10/1OOMbit/s自动协商(Auto-Negotiation)模式

-自动协商功能位于物理层中PMD之下。

-准静态机制。

-工作在点到点链路上而不是整个网络。

■快速链路突发脉冲(FLP)序列。

-链路代码字(LCW)包含了自己的链路类型及流量控制配

置等信息。

-协商的内容包括：10M/1OOMbit/s线路速率、全双工/半

双工模式、不使用/使用全双工以太网的流量控制。

07/03/2013

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5.4.2千兆以太网

■千兆以太网的特点

-MAC子层

.与10Mbit/s和10OMbit/s以太网相同的帧格式和基本相同的

CSMA/CD协议。

■时槽增大到4096位，最大网络跨距可达到200m。

■增加了载波扩展措施。

-增加了帧突发的功能。

-物理层

和100Mb巾s以太网结构和功能相似，有如下变化：

■Mil扩展为千兆位媒体无关接口(GMII)。

-包括多个不同的物理层规范。

■主要使用8B/10B-NRZ编码方式。

■只能使用一个中继器。()7/03/2013

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5.4.2千兆以太网

07/03/2013

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.5.4.2千兆以太网

■千兆以太网物理层标准

-1000BaseX(802.32)

-100BaseLX

■10OBaseSX

■10OBaseCX

-1000BaseT(802.3ab)

千兆以太网各种物理层的链路长度限制(m)

50umMMF62.5umMMF10umSMF150QSTP5类UTP

物理层标准

半双工/全双工半双工/全双工半双工/全双工半双工/全双工半双工/全双工

WOOBaseSX110/550110/275

lOOOBaseLX110/550110/550110/5000

lOOOBaseCX25/25

lOOOBaseT100/100

07/03/2013

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$5.4.2千兆以太网

■载波扩展(CarrierExtension)

最小帧长的传输时间远小于时槽，不能正常进行冲突检测,

在MAC子层定义了载波扩展机制。

866246〜49344487字节

前导

目的地址源地址长度数据载波扩展

SFDFCS

V-------------------------最小帧长64B------------------------------L

v---------------------------------------------512B时槽-------------------------------------------

■帧突发(FrameBursting)

为改善短帧的传输效率，在MAC子层又定义了帧突发机制。

V-----------------------------------最大长度8192B---------------------------------------------------

前导扩展位前导前导前导

帧IFG帧2IFG帧3•••帧

SFD1(如需要)SFDSFDSFDn

—_512B___»

时槽一07/03/2013

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*5.4.2千兆以太网

■1000BaseX自动协商

-1OOOBaseTUT阡兆以太网

支持UTP自动协商功能。

■1OOOBaseX光纤千兆以太网

自动协商的特点是：

.只用于配置1OOOBaseX类型；

■是物理编码子层(PCS)的一个功能；

-重新定义了16比特的交换信息的格式。

07/03/2013

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5.4.3万兆以太网

-万兆以太网的特点

-MAC子层仍使用IEEE802.3帧格式。

-不再使用CSMA/8,只定义了全双工方式。

-定义了两种物理层：LAN物理层和WAN物理层。

-采用点对点连接，支持星形拓扑和结构化布线技术。

-物理层与千兆以太网物理层结构相似，GMII变为万兆

位媒体无关接口(XGMII)oWAN物理层10GbaseW增加

了广域网接口子层(WANInterfaceSublayer,WIS)O

07/03/2013

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45.4.3万兆以太网

逻辑链路层（LLC）

媒体接入控制层（MAC）

RSRSRS

物理层

物理媒体lOGbaseXlOGbaseRlOGbaseW

()7/03/2013

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j5.4.3万兆以太网

・万兆以太网物理层标准

■10GbaseX

-LAN类型的物理层，使用8W10B编码。

-只包含一个规范：并行的SN物理层10GbaseLX4。使用稀疏波

分复用(CWDM)技术，并列第配置了4对激光发送器/接收器，

组成了4条通道。

■并行物理层技术将原来速率很高的比特流拆分成多列，处理速

度降低，降低了对器件的要求。

■10GbaseR

■串行的SN类型的物理层，使用64B/66B编码。

■串行方式是指数据流发送接收直接进行，不拆分。在逻辑上比

并行技术简单，但对物理层器件的要求更高。

-包含3个规范：10GDaseSR>10GbaseLRff10GbaseERo

()7/03/2013

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j5.4.3万兆以太网

-10GbaseW

-串行的WAN类型的物理层，采用64B/66B编码，使用与

SDH/SONET基本一致的帧格式以及与OC192c相同的

9.58464GDit/s的数据传输速率。可以对SDH/SONET基础设

施提供访问能力。

-包含三个规范：

10GDaseSW;

10GDaseLW;

10GbaseEWo

■为实现万兆以太网和00192c帧格式和数据传输速率的转换

和适配，加入了一个WIS。

07/03/2013

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Jl5.4.3万兆以太网

■万兆以太网应用

PMD光纤类型传输距离应用

850nm串行50/125微米MMF65m数据中心

1310nmCWDM62.5/125微米MMF300m企业网、园区网

1310nmCWDM9.0微米SMF10km园区网、城域网

1310nm串行9.0微米SMF10km园区网、城域网

1550nm串行9.0微米SMF40km城域网、广域网

07/03/2013

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55.5交换式以太网

07/03/2013

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1|5.5.1简介

■CSMA/CD以太网有下述问题：

-任何时间内只能有一个工作站发送信息。

-各站点共享网络固定的带宽。

-由于冲突域的限制，难以构造较大规模的网络。

■20世纪90年代以太网交换机(Switch)能增加以太

网的带宽和规模，同时又能与传统的电缆线和网

络适配卡协调工作。

交换机本质上是一个高速的多口网桥(Midtiport

Bridge),工作在数据链路层的MAC子层，每个端

口都包含一个MA篌体，但不使用MAC地址。

07/03/2013

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&5.5.2网桥

站地址端口

桥接表MAC-I1

■工作原理MAC-21

MAC-31

MAC-42

MAC-52

••••••

网段A网段B

冲突域A冲突域B

站：①②③④⑤

a）网桥桥接不同的网段

站点站点

高层网桥高层

LLC桥接LLC

MACMAC"^MACMAC

PHPHPHPH

网段A网段B()7/03/2013

b）网桥工作在MAC层

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5.5.2网桥

网桥一般有两个端口，桥接两个网段。每个端口都有一块

网卡，有自己的MAC子层和物理层。基本功能是在不同LAN

网段之间转发帧。网桥主要特点：

-工作在MAC子层。

■进行帧过滤减少了通信量。

-隔离了冲突域，扩大了网络跨距。

-可连接不同类型的LAN。

■地址学习

■透明网桥(TransparentBridge),IEEE802.1d或

1908802.1do

-网桥刚刚连接到LAN上时，其桥接表是空的，采用洪泛法

(Flooding)转发它。

■逆向学习法(BackwardLearning),在转发过程中通过学

习把桥接表逐步建立起来。

原版教学配套课件

j5.5.3交换机

-2层交换机本质上是一个多口网桥，工作在MAC子层。通过

学习生成并维护一个包含端口-MAC地址映射的交换表，根

据交换表进行帧的转发。

-多个端口可以并行地工作，〃个端口数据传输率为尺Mbit/s

的以