《计算机网络技术基础教程》课件-第6章

第6章局域网技术基础6.1局域网技术概述6.2IEEE802协议6.3共享介质局域网的工作原理6.4高速局域网技术6.5交换式局域网技术6.6虚拟局域网技术6.7ATM局域网6.8组建小型办公网络实例 6.1局域网技术概述

6.1.1局域网的技术特点

1．局域网技术的早期特点

在局域网应用的早期，人们将局域网的主要特点归纳如下：

(1)局域网是一种数据通信网络。

(2)连入局域网的数据通信设备是广义的，包括计算机、终端与各种外部设备。

(3)局域网覆盖一个小的地理范围，从一个办公室、一幢大楼到几千米范围。

2．局域网技术的变化

随着局域网体系结构、协议标准研究的深入，操作系统的升级，光纤技术的引入，以及高速局域网技术的发展，局域网技术的特征与性能参数发生了很大的变化，早期对局域网的定义与分类也已发生了很大的变化。

从局域网应用的角度看，局域网的技术特点主要表现在以下几个方面：

(1)局域网覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求。

(2)局域网提供高数据传输速率(10～100Mb/s)、低误码率的高质量数据传输环境，数据传输速率高达1000Mb/s的高速局域网正在发展中。

(3)局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展。

(4)决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑结构、传输介质与介质访问控制方法。

(5)从介质访问控制方法的角度分类，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。6.1.2局域网的拓扑结构

局域网与广域网的一个重要区别是它们覆盖的地理范围不同。由于局域网设计的主要目标是覆盖一个公司、一所大学、一幢办公大楼的“有限的地理范围”，因此它从基本通信机制上选择了与广域网完全不同的方式，从“存储转发”方式改变为“共享介质”方式与“交换”方式。

局域网在传输介质、介质存取控制方法上形成了自己的特点。局域网在网络拓扑结构上主要分为总线型、环型与星型结构三种；在网络传输介质上主要采用双绞线、同轴电缆与光纤等。

1．总线型拓扑结构

总线型拓扑结构是局域网主要的拓扑结构之一。总线型局域网的拓扑结构如图6-1所示。其中，图6-1(a)给出了实际的总线型局域网的计算机连接情况，图6-1(b)所示为总线拓扑结构。总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式。总线型拓扑结构具有结构简单、实现容易、易于扩展、可靠性较高的优点。图6-1总线型局域网的拓扑结构总线型局域网的主要特点如下：

(1)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。

(2)总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。

(3)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。当一个结点通过总线传输介质以“广播”方式发送数据时，其他结点只能以“收听”方式接收数据。

(4)由于总线作为公共传输介质为多个结点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上结点通过总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”(Collision)，造成传输失败。“冲突”现象发生的示意如图6-2所示。

(5)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。图6-2总线型局域网中冲突的发

2．环型拓扑结构

环型拓扑结构是共享介质局域网的主要拓扑结构之一。环型局域网的拓扑结构如图6-3所示，其中图6-3(a)给出了实际的环型局域网中计算机连接方式，图6-3(b)给出了环型拓扑结构。图6-3环型局域网的拓扑结构在环型拓扑结构中，结点通过相应的网卡，使用点—点线路连接，构成闭合的环型。环中数据沿着一个方向绕环逐站传输。在环型拓扑结构中，多个结点共享一条环通路。为了确定环中的结点在什么时候可以插入传送数据帧，同样要进行介质访问控制，因此环型拓扑结构的实现技术中也要解决介质访问控制方法问题。与总线型拓扑结构一样，环型拓扑结构一般也采用某种分布式控制方法，环中每个结点都要执行发送与接收控制逻辑。

3．星型拓扑结构

在交换式局域网(SwitchedLAN)出现以后，才真正实现了物理结构与逻辑结构统一的星型拓扑结构。交换局域网的中心结点是一种局域网交换机，在典型的交换局域网中，结点可以通过点—点线路与局域网交换机连接。局域网交换机可以在多对通信结点之间建立并发的逻辑连接。典型的星型局域网的拓扑结构如图6-4所示。图6-4星型局域网的拓扑结构注意：以上是从局域网基本技术分类，以及构成局域网的基本组成单元的角度讨论了局域网拓扑结构问题，任何实际应用的局域网可能是一种或几种基本拓扑结构的扩展与组合。但是，对于组成复杂局域网络系统的构成单元，它们都应符合以上讨论的基本结构与工作原理。在星型局域网拓扑结构的讨论中，我们应该注意以下两个问题：

(1)星型拓扑结构的定义问题。根据星型拓扑结构的定义，星型拓扑中存在着中心结点，每个结点通过点—点线路与中心结点连接，任何两结点之间的通信都要通过中心结点转接。按照这种定义，普通的共享介质方式的局域网中不存在星型拓扑结构，但是以计算机交换分机(CBX，ComputerizedBranchExchange)为中心的局域网系统，就可以归为星型局域网拓扑结构。由于计算机交换分机没有标准化，因此没有将它作为一种基本的局域网类型进行讨论。

(2)逻辑结构与物理结构的关系问题。逻辑结构是指局域网结点间的相互关系与介质访问控制方法，而物理结构是指局域网外部连接形式。逻辑结构属于总线型与环型的局域网，在物理结构上也可以被看成星型的。最典型的是总线型的Ethernet，如果它的物理层采用

10BASE-T协议时，所有结点都通过双绞线连接到一个集线器上，从外部结构看其物理结构是星型的。而TokenRing从逻辑结构与介质存取方法上看是属于环型的，但它的物理结构是将一个环中的所有结点通过双绞线连接到一个多路连接单元上，从外部结构看也可以认为是星型的。6.1.3局域网传输介质

局域网常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道，早期应用最多的是同轴电缆。随着技术发展，双绞线与光纤的应用十分广泛。目前双绞线已能用于数据传输速率为100Mb/s、1Gb/s的高速局域网中，因此引起了人们普遍的关注。

在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势已经越来越明朗化。 6.2IEEE802协议

6.2.1IEEE802参考模型

1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会，简称IEEE802委员会，专门从事局域网标准化工作并制定了IEEE802标准。

IEEE802标准所描述的局域网参考模型与OSI参考模型的关系如图6-5所示。局域

网参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑

链路控制(LLC，LogicalLinkControl)子层与介质访问控制(MAC，MediaAccessControl)子层。

图6-5IEEE802参考模型与OSI参考模型的对应关系6.2.2IEEE802标准

IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE802标准。IEEE802标准之间的关系如图6-6所示。图6-6IEEE802标准之间的关系随着网络通信技术的发展，IEEE802标准在不断发展中。目前，IEEE802标准主要包括：

IEEE802.1标准：定义了局域网体系结构、网络互连以及网络管理与性能测试。

IEEE802.2标准：定义了逻辑链路控制(LLC)子层功能与服务。

IEEE802.3标准：定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范。

IEEE802.4标准：定义了令牌总线(TokenBus)介质访问控制子层与物理层规范。

IEEE802.5标准：定义了令牌环(TokenRing)介质访问控制子层与物理层规范。

IEEE802.6标准：定义了城域网(MAN)介质访问控制子层与物理层规范。

IEEE802.7标准：定义了宽带网络技术。

IEEE802.8标准：定义了光纤传输技术。

IEEE802.9标准：定义了综合语音与数据局域网(IVDLAN)技术。

IEEE802.10标准：定义了可互操作的局域网安全性规范(SILS)。

IEEE802.11标准：定义了无线局域网技术。 6.3共享介质局域网的工作原理

6.3.1介质访问控制方法

所谓介质访问控制方法，是指控制多个结点利用公共传输介质发送和接收数据的方法。介质访问控制方法是所有“共享介质”类型局域网都必须解决的问题。

介质访问控制方法需要解决以下几个问题：

(1)该哪个结点发送数据？

(2)在发送时会不会出现冲突？

(3)出现冲突时怎么办？为了实现对多结点使用共享介质发送和接收数据的控制，经过多年的研究，人们提出了很多种介质访问控制方法。目前被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法主要有以下三种：

(1)带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)方法。

(2)令牌总线(TokenBus)方法。

(3)令牌环(TokenRing)方法。从介质访问控制方法的角度，局域网可以分为共享介质局域网与交换局域网两类。IEEE802.2标准定义的共享介质局域网有以下三类：

(1)采用CSMA/CD介质访问控制方法的总线型局域网。

(2)采用TokenBus介质访问控制方法的总线型局域网。

(3)采用TokenRing介质访问控制方法的环型局域网。6.3.2CSMA/CD的工作原理

1．CSMA/CD方法的发展

目前应用最广泛的一类局域网是总线型局域网，即以太网(Ethernet)。它的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)方法。

在Ethernet中，任何结点都没有可预约的发送时间，它们发送数据的操作都是随机的，并且网中不存在集中控制的结点，网中结点都必须平等地争用发送时间。CSMA/CD方法用来解决多结点如何共享公用总线的问题，它属于随机争用型方法。IEEE802.3标准是在Ethernet规范的基础上制定的。最早采用随机争用技术的是美国夏威夷大学校园网，即地面无线分组广播网(ALOHA)。在研究局域网介质访问控制方法时，人们吸收了ALOHA方法的基本思想，增加了载波侦听功能，首先设计出数据传输速率为10Mb/s的Ethernet实验系统。在此基础上，Xerox、DEC与Intel等三家公司合作，在1980年9月第一次公布了Ethernet的物理层、数据链路层规范；1981年11月公布了EthernetV2.0规范。IEEE802.3标准是在EthernetV2.0规范的基础上制定的，它的制定推动了Ethernet技术的发展和广泛应用，很多集成电路厂商纷纷生产符合IEEE802.3标准的超大规模集成电路芯片，很多计算机软件公司纷纷开发出支持IEEE802.3标准的网络操作系统及各种应用软件。尤其在20世纪90年代，IEEE802.3标准中的物理层标准10Base-T的推出，使得Ethernet的性价比大大提高，这就使得Ethernet在各种局域网产品的竞争中占有明显的优势。高速Ethernet的100Base-T标准的推出，更进一步增强了Ethernet的竞争优势。目前，有的国家正在研究1Gb/s的高速Ethernet。

2．CSMA/CD方法的工作过程

在Ethernet中，如果一个结点要发送数据，它以“广播”方式将数据通过作为公共传输介质的总线发送出去，连在总线上的所有结点都能“收听”到这个数据信号。由于网中所有结点都可以利用总线发送数据，并且网中没有控制中心，因此冲突的发生将是不可避免的。为了有效地实现分布式多结点访问公共传输介质的控制策略，CSMA/CD的发送流程可以简单地概括为四点：先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟后重发。在采用CSMA/CD方法的局域网中，每个结点利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙闲状态。如果总线上已经有数据信号传输，则为总线忙；如果总线上没有数据传输，则为总线空闲。如果一个结点准备好发送的数据帧，并且此时总线处于空闲状态，那么它就可以开始发送。但是，如果在几乎相同的时刻，有两个或两个以上结点发送了数据，那么就会产生冲突，因此结点在发送数据时应该进行冲突检测。采用CSMA/CD方法的总线型局域网的工作原理如图6-7所示。图6-7CSMA/CD的工作原理所谓冲突检测，就是发送结点在发送数据的同时，将它发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，它们叠加后的信号波形将不等于任何结点发送的信号波形。当发送结点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时，表示总线上有多个结点在同时发送数据，冲突已经产生。如果在发送数据过程中没有检测出冲突，结点在发送结束后进入正常结束状态；如果在发送数据过程中检测出冲突，为了解决信道争用冲突，结点停止发送数据，随机延迟后重发。在Ethernet中，任何一个结点想发送数据的话，都要首先争取总线使用权。因此，结点从准备发送数据到成功发送数据，发送等待延迟时间是不确定的。

CSMA/CD方法可以有效地控制多结点对共享总线的访问，而且方法简单、容易实现。6.3.3TokenBus的工作原理

1．TokenBus的工作原理

IEEE802.4标准定义了总线拓扑结构的令牌总线(TokenBus)介质访问控制方法与相应的物理规范。

TokenBus是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”(Token)作为控制结点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。在采用TokenBus方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。令牌是一种特殊结构的控制帧，用来控制结点对总线的访问权。图6-8给出了正常的稳态操作时TokenBus的工作过程。图6-8TokenBus的工作原理所谓正常的稳态操作，是指在网络已完成初始化之后，各结点进入正常传递令牌与数据，并且没有结点要加入或撤出，没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态，此时每个结点有本站地址(TS)，并知道上一结点地址(PS)与下一结点地址(NS)。令牌传递规定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。环中令牌传递顺序与结点在总线上的物理位置无关，因此令牌总线网在物理上是总线型网，而在逻辑上是环型网。令牌帧含有一个目的地址，接收到令牌帧的结点可以在令牌持有最大时间内发送一个或多个帧。在发生以下这些情况时，令牌持有结点必须交出令牌：

(1)该结点没有数据帧等待发送。

(2)该结点已发送完所有待发送的数据帧。

(3)到达该结点令牌持有的最大时间。

2．TokenBus的环维护工作

与CSMA/CD方法相比，TokenBus方法比较复杂，需要完成大量的环维护工作，并且必须有一个或多个结点完成以下环的维护工作。

1)环初始化

在网络启动或故障发生后，必须执行环初始化过程，根据某种算法将所有环中结点排序，动态形成逻辑环。

2)新结点加入环

TokenBus方法必须有一种机制，周期性地为新结点加入环提供机会。

3)结点从环中撤出

TokenBus方法必须在任一结点从环中撤出后，将其前一结点、后一结点连接起来，以保持环的完整性。

4)环恢复

当环中出现令牌丢失或有多个令牌的情况时，TokenBus方法应能完成环恢复工作。

5)优先级

TokenBus方法能支持优先级服务要求，并以一种算法将共享总线的通信容量分配给不同优先级的帧，以确保高优先级与低优先级服务的通信容量的合理分配问题。

3．TokenBus的主要特点

TokenBus方法有以下几个主要特点：

(1)介质访问延迟时间有确定值。

(2)通过令牌协调各结点之间的通信关系，各结点之间不发生冲突，重负载下信道利用率高。

(3)支持优先级服务。6.3.4TokenRing的工作原理

1．TokenRing的工作原理

令牌环介质访问控制技术最早开始于1969年贝尔实验室的Newhall环网，最有影响的令牌环网是IBM公司的TokenRing，IEEE802.5标准是在IBM公司的TokenRing协议的基础上发展形成的。

在TokenRing中，结点通过环接口连接成物理环形。令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位标志令牌的忙/闲。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排列的顺序相同。图6-9给出了令牌环的基本工作过程。图6-9TokenRing的工作原理如果结点A有数据帧要发送，那么它必须等待空闲令牌的到来。当结点A获得空闲令牌之后，它将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后传送数据帧，结点B、C、D将依次接收到数据帧。如该数据帧的目的地址是C结点，则C结点在正确接收该数据帧后，在帧中标志出帧已被正确接收和复制。当结点A重新接收到自己发出的并已被目的结点正确接收的数据帧时，它将回收已发送的数据帧，并将忙令牌改成空闲令牌，再将空闲令牌向它的下一结点传送。

TokenRing控制方式具有与TokenBus方式相似的特点，环中结点访问延迟确定，适用于重负载环境，支持优先级服务。令牌环控制方式的缺点主要表现在环维护复杂、实现较困难。

2．IEEE802.5标准

IEEE802.5标准对以上技术进行了一些改进，主要表现在以下几点。

1)单令牌协议

环中只能存在一个有效令牌，单令牌协议可以简化优先级与环出错恢复功能的实现。

2)优先级位

令牌环支持多优先级方案，它通过优先级位来设定令牌的优先级。

3)监控站

环中设置一个中央监控站，通过令牌监控位执行环维护功能。

4)预约指示器

通过预约指示器进行令牌预约，可以控制每个结点利用空闲令牌发送不同优先级的数据帧所占用的时间。

IEEE802.5标准定义了25种MAC帧，用以完成环维护功能。这些功能主要包括环监控器竞争、环恢复、环查询、新结点入环、令牌丢失处理、多令牌处理、结点撤出、优先级控制等。 6.4高速局域网技术

6.4.1高速局域网技术概述

1.高速局域网的发展

推动局域网发展的直接原因是个人计算机的广泛应用。在过去的二十多年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍。从理论上讲，一台扩展工业标准结构(EISA)总线的微型机能产生大约250Mb/s的流量，如果Ethernet仍保持10Mb/s的数据传输速率，显然是不能够适应的。随着各种新的应用不断提出，个人计算机也已从初期简单的文字处理、管理信息等应用发展到分布式计算、多媒体应用，用户对局域网的带宽与性能有了更高的要求，同时新的基于Web的Internet/Intranet应用也要求更高的带宽，这些因素促使人们研究高速局域网技术，希望通过提高局域网的带宽和改善局域网的性能来适应各种新的应用环境的要求。传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，网中所有结点共享一条公共通信传输介质，典型的介质访问控制方法是CSMA/CD、TokenRing、TokenBus。介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质。在网络技术的讨论中，人们经常将数据传输速率称为信道带宽(简称带宽)。例如，Ethernet的数据传输速率为10Mb/s，那么它的带宽是10Mb/s，如果局域网中有N个结点，那么每个结点平均能分配到的带宽为10/NMb/s。显然，随着局域网规模不断扩大，结点数不断增加，每个结点平均能分配到的带宽将越来越少。因此，当网络结点数增大、网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会急剧下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。

2.高速局域网的解决方法

为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出了以下几种解决方案。

第一种方案：提高Ethernet的数据传输速率，从10Mb/s提高到100Mb/s，甚至提高到1Gb/s，这就导致了高速局域网的研究与产品的开发。在这个方案中，不论局域网的数据传输速率提高到100Mb/s还是1Gb/s，它的介质访问控制仍采用CSMA/CD方法。

第二种方案：将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，这就导致了局域网互连技术的发展。网桥与路由器可以隔离子网之间的交通量，使每个子网作为一个独立的小型局域网。通过减少每个子网内部结点数N的方法，使每个子网的网络性能得到改善，而每个子网的介质访问控制仍采用CSMA/CD的方法。第三种方案：将“共享介质”方式改为“交换”方式，这就导致了交换式局域网技术的发展。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。图6-10显示了共享介质局域网与交换式局域网在工作原理上的区别。图6-10共享介质局域网与交换式局域网的工作原理

3．局域网的分类方法

从目前的发展情况来看，局域网可以分为共享介质局域网(SharedLAN)和交换式局域网(SwitchedLAN)两类。

共享介质局域网可分为Ethernet、TokenBus、TokenRing与FDDI，以及在此基础上发展起来的FastEthernet、FastTokenRing、FDDIⅡ等。

交换式局域网可以分为SwitchedEthernet与ATMLAN，以及在此基础上发展起来的虚拟局域网。

局域网类型及相互之间的关系如图6-11所示。图6-11局域网类型及相互之间的关系6.4.2光纤分布式数据接口

1．FDDI的工作原理

光纤分布式数据接口(FDDI，FiberDistributedDataInterface)是一种以光纤作为传输介质的高速主干网。典型的FDDI作为主干网互连多个局域网的结构如图6-12所示。图6-12FDDI作为主干网互连多个局域网的结构

FDDI标准采用了IEEE802的体系结构和逻辑链路控制LLC协议。在研究了FDDI的MAC协议基础上，在物理层提出了物理层介质相关子层(PMD，PhysicalLayerMediumDependent)与物理层协议子层(PHY，PhysicalLayerProtocol)，1992年完成FDDI与SONET互连的接口标准研究。

FDDI是为数据传输设计的，为了传输语音、图像与视频业务，FDDIⅡ标准将从支持分组交换的FDDI的基本模式(BasicMode)扩展到混合模式(HybridMode)。混合模式可同时支持分组交换与线路交换。目前，正在研究FFOL标准，FFOL是一种新提出的2.4Gb/s局域网标准，具有综合数据服务的功能。

2．FDDI的技术特点

FDDI主要有以下技术特点：

(1)使用基于IEEE802.5的单令牌的环网介质访问控制MAC协议。

(2)使用IEEE802.2协议，与符合IEEE802标准的局域网兼容。

(3)数据传输速率为100Mb/s，连网的结点数小于等于1000，环路长度为100km。

(4)可以使用双环结构，具有容错能力。

(5)可以使用多模或单模光纤。

(6)具有动态分配带宽的能力，能支持同步和异步数据传输。

3．FDDI的应用环境

FDDI主要应用于以下几种环境：

(1)计算机机房网(称为后端网络)，用于计算机机房中大型计算机与高速外设之间的连接，以及对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境。

(2)办公室或建筑物群的主干网(称为前端网络)，用于连接大量的小型机、工作站、个人计算机与各种外设。

(3)校园网的主干网，用于连接分布在校园中各个建筑物中的小型机、服务器、工作站和个人计算机，以及多个局域网。

(4)多校园的主干网，用于连接地理位置相距几千米的多个校园网、企业网，成为一个区域性的互连多个校园网、企业网的主干网。6.4.3快速以太网

1．快速以太网的发展

随着局域网应用的深入，用户对局域网带宽提出了更高的要求。人们只有两条路可以选择：要么重新设计一种新的局域网体系结构与介质访问控制方法，以取代传统的局域网技术；要么保持传统的局域网体系结构与介质控制方法不变，设法提高局域网的传输速率。对目前已大量存在的Ethernet来说，既要保护用户已有的投资，同时又要增加网络的带宽，快速以太网(FastEthernet)就成为符合后一种要求的新一代高速局域网。

FastEthernet的传输速率比普通Ethernet快10倍，数据传输速率达到了100Mb/s。FastEthernet保留着传统的10Mb/s速率Ethernet的所有特征(相同的数据帧格式、相同的介质访问控制方法、相同的组网方法)，只是将传统Ethernet每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns。1995年9月，IEEE802委员会正式批准了FastEthernet标准(IEEE802.3u)。

2．快速以太网的协议结构

IEEE802.3u标准在LLC子层使用IEEE802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，只是在物理层做了一些必要的调整，定义了新的物理层标准(100BASE-T)。100BASE-T标准定义了介质专用接口(MII，MediaIndependentInterface)，它将MAC子层与物理层分隔开来，这样物理层在实现100Mb/s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。FastEthernet的协议结构如图6-13所示。图6-13FastEthernet的协议结构

100BASE-T标准可以支持多种传输介质。目前，100BASE-T有以下三种有关传输介质的标准。

(1) 100BASE-TX。100BASE-TX支持2对5类非屏蔽双绞线(UTP)或2对1类屏蔽双绞线(STP)。1对5类UTP或1对1类STP用于发送，而另1对双绞线用于接收。因此，100BASE-TX是一个全双工系统，每个结点可以同时以100Mb/s的速率发送与接收数据。

(2) 100BASE-T4。100BASE-T4支持4对3类非屏蔽双绞线UTP，其中3对用于数据传输，1对用于冲突检测。

(3) 100BASE-FX。100BASE-FX支持2芯的多模或单模光纤。100BASE-FX主要是用作高速主干网，从结点到集线器的距离可以达到2km，它是一种全双工系统。6.4.4千兆以太网

1．千兆以太网的发展

尽管快速以太网具有高可靠性、易扩展性、成本低等优点，并且成为高速局域网方案中的首选技术，但在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像这类应用中，人们不得不寻求有更高带宽的局域网。千兆以太网(GigabitEthernet)就是在这种背景下产生的。人们设想了一种用Ethernet组建企业网的全面解决方案：桌面系统采用传输速率为10Mb/s的Ethernet，部门级系统采用传输速率为100Mb/s的FastEthernet，企业级系统采用传输速率为1000Mb/s的GigabitEthernet。由于普通Ethernet、FastEthernet与GigabitEthernet有很多相似之处，并且很多企业已经大量使用了10Mb/sEthernet，因此局域网系统从普通Ethernet升级到FastEthernet或GigabitEthernet时，网络技术人员不需要重新进行培训。

相比之下，如果将现有的Ethernet互连到作为主干网的ATM局域网上(622Mb/s)，一方面由于Ethernet与ATM在工作机理上存在着较大的差异，在采用ATM局域网仿真时，ATM网的性能将会下降；另一方面网络技术人员需要重新进行培训。从以上分析中可以看出，GigabitEthernet有着很好的应用前景，它能否应用的关键在于协议是否标准化。

2．千兆以太网的协议结构

制定GigabitEthernet标准的工作是从1995年开始的。在1995年11月，IEEE802.3委员会成立了高速网研究组；在1996年8月，成立了802.3z工作组，主要研究使用多模光纤与屏蔽双绞线的GigabitEthernet物理层标准；在1997年初，成立了802.3ab工作组，主要研究使用单模光纤与非屏蔽双绞线的GigabitEthernet物理层标准。在1998年2月，IEEE802委员会正式批准了GigabitEthernet标准(IEEE802.3z)。

GigabitEthernet的传输速率比FastEthernet快10倍，数据传输速率达到1000Mb/s。GigabitEthernet保留着传统的10Mb/s速率Ethernet的所有特征(相同的数据帧格式、相同的介质访问控制方法、相同的组网方法)，只是将传统的Ethernet每个比特的发送时间由100ns降低到1ns。GigabitEthernet的协议结构如图6-14所示。图6-14GigabitEthernet的协议结构

IEEE802.3z标准在LLC子层使用IEEE802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，只是在物理层做了一些必要的调整，它定义了新的物理层标准(1000BASE-T)。1000BASE-T标准定义了千兆介质专用接口(GMII，GigabitMediaIndependentInterface)，它将MAC子层与物理层分隔开来，这样，物理层在实现1000Mb/s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。

1000BASE-T标准可以支持多种传输介质。目前，1000BASE-T有以下四种有关传输介质的标准：

(1) 1000BASE-T：1000BASE-T标准使用的是5类非屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到100m。

(2) 1000BASE-CX：1000BASE-CX标准使用的是屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到25m。

(3) 1000BASE-LX：1000BASE-LX标准使用的是波长为1300nm的单模光纤，光纤长度可以达到3000m。

(4) 1000BASE-SX：1000BASE-SX标准使用的是波长为850nm的多模光纤，光纤长度可以达到300～550m。 6.5交换式局域网技术

6.5.1交换式局域网的基本结构

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。为了保护用户已有的投资，局域网交换机一般是针对某类局域网(例如802.3标准的Ethernet或802.5标准的TokenRing)设计的。

典型的交换式局域网是交换式以太网，它的核心部件是以太网交换机。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10Mb/s的带宽，这类端口通常被称为“专用10Mb/s的端口”。如果一个端口连接一个10Mb/s的以太网，那么这个端口将被以太网中的多个结点所共享，这类端口就被称为“共享10Mb/s的端口”。典型的交换式以太网的结构如图6-15所示。图6-15交换式以太网的结构对于传统的共享介质Ethernet来说，当连接在Hub中的一个结点发送数据时，它将用广播方式将数据传送到Hub的每个端口，因此共享介质Ethernet的每个时间片内只允许有一个结点占用公用通信信道。交换式局域网从根本上改变了“共享介质”的工作方式，它可以通过以太网交换机支持交换机端口结点之间的多个并发连接，实现多结点之间数据的并发传输，因此交换式局域网可以增加网络带宽，改善局域网的性能与服务质量。6.5.2局域网交换机的工作原理

1．局域网交换机的工作原理

典型的局域网交换机结构与工作过程如图6-16所示。图中的交换机有六个端口，其中端口1、4、5、6分别连接了结点A、结点B、结点C与结点D，那么交换机的“端口号/MAC地址映射表”就可以根据以上端口号与结点MAC地址的对应关系建立起来。如果结点A与结点D同时要发送数据，那么它们可以分别在Ethernet帧的目的地址字段(DA)中填上该帧的目的地址。图6-16交换机的结构与工作过程例如，结点A要向结点C发送帧，那么该帧的目的地址DA=结点C；结点D要向结点B发送帧，那么该帧的目的地址DA=结点B。当结点A、结点D同时通过交换机传送Ethernet帧时，交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC地址映射表”的对应关系找出对应帧目的地址的输出端口号，那么它就可以为结点A到结点C建立端口1到端口5的连接，同时为结点D到结点B建立端口6到端口4的连接。这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。

2．交换机的帧转发方式

以太网交换机的帧转发方式可以分为以下三类。

1)直接交换方式

在直接交换(CutThrough)方式中，交换机只要接收并检测到目的地址字段，立即将该帧转发出去，而不管这一帧数据是否出错。帧出错检测任务由结点主机完成。这种交换方式的优点是交换延迟时间短，缺点是缺乏差错检测能力，不支持不同输入/输出速率的端口之间的帧转发。

2)存储转发交换方式

在存储转发(StoreandForward)方式中，交换机首先完整地接收发送帧并进行差错检测。如果接收帧是正确的，则根据帧目的地址确定输出端口号，然后再转发出去。这种交换方式的优点是具有帧差错检测能力，并能支持不同输入/输出速率的端口之间的帧转发，缺点是交换延迟时间将会增长。

3)改进的直接交换方式

改进的直接交换方式则将直接交换方式和存储转发交换方式结合起来，它在接收到帧的前64byte后，判断Ethernet帧的帧头字段是否正确，如果正确，则转发出去。这种方法对于短的Ethernet帧来说，其交换延迟时间与直接交换方式比较接近；而对于长的Ethernet帧来说，由于它只对帧的地址字段与控制字段进行了差错检测，因此交换延迟时间将会减少。6.5.3局域网交换机的技术特点

目前，局域网交换机主要是针对以太网来设计的。一般说来，局域网交换机主要有以下技术特点。

1．低交换传输延迟

局域网交换机的主要特点是它的低交换传输延迟。从传输延迟时间的量级来看，局域网交换机为几十微秒，网桥为几百微秒，而路由器为几千微秒。

2．高传输带宽

对于10Mb/s的端口，半双工端口带宽为10Mb/s，而全双工端口带宽为20Mb/s；对于100Mb/s的端口，半双工端口带宽为100Mb/s，而全双工端口带宽为200Mb/s。

3．允许10/100Mb/s共存

典型的局域网交换机允许一部分端口支持10BASE-T(速率为10Mb/s)，另一部分端口支持100BASE-T(速率为100Mb/s)，交换机可以完成不同端口速率之间的转换，使得10Mb/s与100Mb/s两种网卡共存。在采用了10/100Mb/s自动侦测技术时，交换机的端口支持

10/100Mb/s两种速率，以及全双工/半双工两种工作方式。端口能自动测试出所连接的网卡的速率是10Mb/s还是100Mb/s，以及是全双工工作方式还是半双工工作方式。端口能自动识别并做相应调整，从而大大减轻了网络管理的负担。

4．支持虚拟局域网服务

交换局域网是虚拟局域网的基础，目前的以太网交换机基本上都可以支持虚拟局域网服务。 6.6虚拟局域网技术

6.6.1虚拟网络的概念

虚拟网络(VLAN，VirtualNetwork)建立在交换技术基础上，如果将网络上的结点按工作性质与需要来划分成若干个“逻辑工作组”，那么一个逻辑工作组就是一个虚拟网络。在传统的局域网中，通常一个工作组是在同一个网段上，每个网段可以是一个逻辑工作组或子网，多个逻辑工作组之间通过实现互连的网桥或路由器来交换数据。如果一个逻辑工作组的结点要转移到另一个逻辑工作组时，就需要将结点计算机从一个网段撤出，连接到另一个网段上，甚至需要重新进行布线，因此逻辑工作组的组成就要受结点所在网段的物理位置的限制。虚拟网络建立在局域网交换机(或ATM交换机)之上，它以软件方式来实现逻辑工作组的划分与管理，逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制。同一逻辑工作组的成员不一定要连接在同一个物理网段上，它们可以连接在同一个局域网交换机上，也可以连接在不同的局域网交换机上，只要这些交换机是互连的即可。当一个结点从一个逻辑工作组转移到另一个逻辑工作组时，只需要通过简单的软件设定，而不需要改变它在网络中的物理位置。同一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上，但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。所以说，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。6.6.2虚拟局域网的实现

1．虚拟局域网的结构

虚拟局域网的概念是从传统局域网引申出来的。虚拟局域网在功能、操作上与传统局域网基本相同，它们的主要区别在于“虚拟”上，即虚拟局域网与传统局域网的组网方法不同。

虚拟局域网的一组结点可以位于不同的物理网段上，但是它们并不受结点所在物理位置的束缚，相互之间通信就好像在同一个局域网中一样。虚拟局域网可以跟踪结点位置的变化，当结点的物理位置改变时，无需人工进行重新配置。因此，虚拟局域网的组网方法十分灵活。图6-17给出了典型的虚拟局域网的物理结构与逻辑结构。图6-17虚拟局域网的物理结构与逻辑结构

2．虚拟局域网的组网方法

1)用交换机端口号定义虚拟局域网

许多早期的虚拟局域网都是根据局域网交换机的端口来定义虚拟局域网成员的。虚拟局域网从逻辑上把局域网交换机的端口划分为不同的虚拟子网，各虚拟子网相对独立，其结构如图6-18(a)所示。图中局域网交换机端口1、2、3、7、8组成VLAN1，端口4、5、6组成了VLAN2。虚拟局域网也可以跨越多个交换机，如图6-18(b)所示，局域网交换机1的1、2端口和局域网交换机2的4、5、6、7端口组成VLAN1，局域网交换机1的3、4、5、6、7、8端口与局域网交换机2的1、2、3、8端口组成VLAN2。图6-18用交换机端口号定义虚拟局域网成员

2)用MAC地址定义虚拟局域网

使用结点的MAC地址也可以定义虚拟局域网。这种方法的优点在于：由于结点的MAC地址是与硬件相关的地址，所以用结点的MAC地址定义的虚拟局域网，允许结点移动到网络其他物理网段。由于结点的MAC地址不变，所以该结点将自动保持原来的虚拟局域网成员地位。从这个角度看，基于MAC地址定义的虚拟局域网可以看做是基于用户的虚拟局域网。

用MAC地址定义虚拟局域网要求所有用户在初始阶段必须配置到至少一个虚拟局域网中，初始配置通过人工完成，随后就可以自动跟踪用户。但在大规模网络中，初始化时把上千个用户配置到某个虚拟局域网中显然是很麻烦的。

3)用网络层地址定义虚拟局域网

用结点的网络层地址，例如用IP地址来定义虚拟局域网的方法具有自己的优点：首先，它允许按照协议类型来组成虚拟局域网，这有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网；其次，用户可以随意移动工作站而无需重新配置网络地址，这对于使用TCP/IP协议的用户是特别有利的。

与用MAC地址定义虚拟局域网或用端口地址定义虚拟局域网的方法相比，用网络层地址定义虚拟局域网方法的缺点是性能比较差。检查网络层地址比检查MAC地址要花费更多的时间，因此用网络层地址定义虚拟局域网的速度会比较慢。

4)用IP广播组定义虚拟局域网

这种虚拟局域网是通过一组IP地址动态建立的。虚拟局域网中由叫做代理的设备对虚拟局域网中的成员进行管理。当IP广播包要送达多个目的结点时，就动态建立虚拟局域网代理，这个代理和多个IP结点组成IP广播组虚拟局域网。网络用广播信息通知各IP站，表明网络中存在IP广播组。结点如果响应信息，就可以加入IP广播组，成为虚拟局域网中的一员，与虚拟局域网中的其他成员通信。IP广播组中的所有结点属于同一个虚拟局域网，但它们只是特定时间段内特定IP广播组的成员。IP广播组虚拟局域网的动态特性提供了很高的灵活性，可以根据服务灵活地组建，而且可以跨越路由器与广域网互连。6.6.3虚拟局域网的优点

虚拟局域网有以下几个方面的优点。

1．确保网络的安全性

共享式局域网很难保证网络的安全性，这是因为只要用户连接到集线器的端口，就能访问该集线器网段上的所有其他用户。VLAN能保证网络的安全，主要在于能限制个别用户的访问及控制广播组的大小和位置，甚至可以锁定某台设备的MAC地址。

2．控制广播风暴

控制产生广播风暴的方法主要是网络分段和采用VLAN技术。通过网络分段可以把

广播风暴限制在一个网段中，避免其他网段发生广播风暴。采用VLAN技术，可以将某个交换机的端口划分到某个VLAN中，一个VLAN的广播风暴不会影响其他VLAN的性能。

3．简化网络管理

网络管理者可以借助VLAN很轻松地管理整个网络，例如，要给学校内部的行政管理建立一个工作组网络，其成员可以分布在学校的各个地方。此时，网络管理者只需设置几条命令就可以建立一个VLAN网络，再将这些行政管理人员的计算机设置到这个VLAN网络中。 6.7ATM局域网

异步传输模式(ATM，AsynchronousTransferMode)是一种数据传输技术，它适用于局域网和广域网，能以很高的数据传输速率支持各种类型的服务，尤其可用于支持宽带视频业务等高速实时通信，能提供可伸缩的吞吐率，根据通信的需要，数据的传输速率可在155Mb/s～2.4Gb/s之间进行调节。ATM采用点对点通信，随时可以保证需要的带宽，不会像共享式网络受到背景流量的影响。ATM技术提供了一种新型的局域网集成手段，可以实现与ATM广域网的无缝连接。6.7.1ATM局域网的系统配置

ATM局域网可以有多种配置，例如在传统的局域网中加入一个ATM交换机，再把交换机作为路由器和通信中继器，通过它把局域网连接到广域网上。

图6-19所示的是由四台ATM交换机构成的主干局域网，交换机之间建立标准的点对点连接，其他的传统局域网连到交换机上。交换机有多种局域网接口，接口的协议、数据传输速率和所连接的局域网一致。交换机必须具有速率转换和时间缓冲能力，进行局域网数据帧与ATM信元之间的变换。主干网除了连接本地各个局域网之外，还要有连接外部网络的能力。图6-19由ATM交换机构成的网络6.7.2ATM网络的应用

ATM网络主要应用于以下领域。

1．多媒体应用

由于视频点播、电视会议、远程医疗诊断、远程教学和娱乐需要，ATM所固有的支持多种业务质量、预留带宽的能力和动态建立呼叫的方式特别适用于多媒体信息的传输。

2．客户机/服务器结构

在客户机/服务器结构系统中，服务器要为很多的用户提供服务，所以服务器的吞吐能力关系到了整个系统的性能。而服务器接入ATM网络就可以解决传输速率、网络带宽的问题，并为更多的用户提供客户机服务。

3．高速主干网

在企业和校园环境中，可将ATM网络作为高速主干网分布在各个部门。众多的小规模LAN连接起来，不仅可以扩大网络规模，还可以提高网络性能。 6.8组建小型办公网络实例

某公司有员工100人左右，办公面积约2000m2，需要构建一个企业内部信息网络，以提升企业的工作效率与整体竞争力。该企业内部网络需要满足以下需求：

(1)提供企业内文件共享和打印服务；

(2)提高企业办公自动化水平；

(3)全体员工能够访问互联网；

(4)企业建立Web网站，宣传企业；

(5)为全体员工提供E-mail服务；

(6)为远程员工提供在线办公室服务。6.8.1组网的初步规划

1．选择合适的网络技术

企业内部网作为一个局域网，目前有多种网络技术可以选择，如以太网、令牌环网、令牌总线网、快速以太网、千兆以太网、FDDI等。

以太网、令牌环网和令牌总线网的传输速度慢，已不能满足现代对高速信息传输的要求。FDDI提供了100Mb/s的传输速率，采用光纤作为传输介质，可靠性高，但是安装比较困难、成本较高、维护专业性强，对于中小企业而言投资比较大。千兆以太网是对快速以太网的升级，虽然提供了1000Mb/s的传输速度，但是由于进入市场不久，相应产品的价格较高。

2．选择合适的网络拓扑结构

采用星型拓扑结构，各办公计算机设备配置100/10M网卡，通过双绞线连接到中央结点的Hub或交换机上。星型结构易于扩展，维护方便。6.8.2综合布线系统

在确定网络拓扑结构之后，需要解决网络中各设备的连接问题，即在建筑物中