物理层链路层的中继系统市公开课一等奖省赛课获奖课件

第三章和第四章部分问题讨论第1页1、局域网扩展扩展局域网惯用方法有：光纤扩展、中继器扩展和网桥扩展。

（1）、光纤扩展局域网光纤扩展局域网情况如图1所表示。用光纤和一对光纤收发器将两个局域网互联。当然，必须提供双向通信功效以使计算机能收发帧。使用一对光纤，使之能双向同时传送数据。光纤收发器主要优点是能连接远处局域网，而不改变原来局域网和计算机。普通用它来把一幢大楼内计算机连接到另一幢大楼内局域网中。第2页第3页

2、使用中继器扩展局域网中继器能够用来连接局域网。。每个中继器连接两个网段。中继器能侦听一个网段全部信号并转发到另外一个网段。第4页

3、使用网桥连接局域网网桥能连接局域网从而扩大局域网规模。每个网桥连接两个网段，并能转发一个网段帧到另外一个网段。网桥以混合模式侦听每个网段，这么能够确保网桥能收到每个穿越网段帧。然后网桥发送帧副本到另外一个网段上。网桥系统可用铜缆、光纤，租用串行线路或卫星频道来连靠近距离或远距离局域网网段。网桥检验所收到每个帧帧头中物理地址。网桥用源地址来判断计算机连到哪个网段上，并用目标地址来判断是否要转发该帧。因为网桥在不需要时就不转发帧，全部桥接网允许各自网段中计算机间通信同时进行。所以，桥接局域网性能要优于简单共享型局域网。第5页4、局域网互联将网络相互连接起来要使用一些中间设备(或中司系统)，称为中继(Relay)系统。依据中继系统所在层次，能够有以下五种中继系统：

(1)物理层中继系统，即转发器

(2)数据链路层中继系统，即网桥或桥接器。

(3)网络层中继系统，即路由器。

(4)网桥和路由器混合物桥路器(Brouter)，兼有网桥和路由器功效。

(5)在网络层以上中继系统，即网关(Gateway)。当中继系统是转发器时，普通不称为网络互联，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而依然是一个网络。高层网关因为比较复杂，当前使用得较少。所以普通讨论网络互联时都是指用交换机和路由器进行互联网络。第6页5集线器一些特点

集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线工作，所以整个系统依然像一个传统以太网那样运行。使用集线器以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用还是CSMA/CD

协议，并共享逻辑上总线。集线器很像一个多接口转发器，工作在物理层。

第7页含有三个接口集线器集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线第8页6.以太网MAC

层

MAC层硬件地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。802

标准所说“地址”严格地讲应该是每一个站“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种48位“名字”称为“地址”，所以本书也采取这种习惯使用方法，尽管这种说法并不太严格。第9页48位MAC地址IEEE注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段前三个字节(即高位24位)。地址字段中后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须确保生产出适配器没有重复地址。一个地址块能够生成224个不一样地址。这种48位地址称为MAC-48，它通用名称是EUI-48。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。第10页适配器检验MAC地址适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检验MAC帧中MAC地址.假如是发往本站帧则收下，然后再进行其它处理。不然就将此帧丢弃，不再进行其它处理。“发往本站帧”包含以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）第11页7．网桥网桥工作在数据链路层MAC子层，其基本功效是在不一样局域网段之间转发帧。网桥从端口接收该接口所连接网段上全部数据帧，每收到一个帧，就存在缓存区并进行差错效验；假如该帧没有出现传输错误而且目标站属于其它网段，则依据目标地址经过查找存有端口—MAC地址映射桥接表，找到对应转发端口，将它从该端口上转发出去，不然丢弃该帧。假如数据帧源站和目标站在同一个网段内，网桥不进行转发。其工作原理如图3—14所表示，网络初始化时，网桥接收来自网段1数据帧(对应接收端口为1)，检验其源物理地址，并将此物理地址和对应端口号写入工作表中，将目标站物理地址广播到连接网段上，然后将响应者物理地址和接收端口号写入桥接表中，工作一段时间后，网段上全部站都和端口号形成一个映射关系。桥接表建立好以后，网桥就依据表中对应关系判断数据帧是否需要转发。第12页第13页网桥工作原理图

第14页8．二层交换机二层交换机是具备桥接功效网络设备。能够这么了解：它等同于网络交换机上堆叠了网桥，不过，转发速度要比网桥快很多。二层交换机是数据链路层设备，它能够读取数据包中MAC地址信息并依据MAC地址来进行交换。交换机内部有一个地址表，这个地址表标明了MAC地址和交换机端口对应关系。当交换机从某个端口收到一个数据包，它首先读取包头中源MAC地址，这么它就知道源MAC地址机器是连在哪个端口上，它再去读取包头中目标MAC地址，并在地址表中查找对应端口，假如表中有与这个目标MAC地址对应端口，则把数据包直接复制到这端口上，假如在表中找不到对应端口则把数据包广播到全部端口上。当目标机器对源机器回应时，交换机又能够学习-目标MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对全部端口进行广播了。二层交换机就是这么建立和维护它自己地址表。因为二层交换机普通含有很宽交换总线带宽，所以能够同时为很多端口进行数据交换。假如二层交换机有N个端口，每个端口带宽是M，而它交换机总线带宽超出NXM，那么这个交换机就能够实现线速交换。二层交换机对广播包是不做限制，把广播包复制到全部端口上。

第15页9．路由器路由器是在第三层分组交换设备(或网络层中继设备)。路由器基本功效是把数据(IP报文)传送到正确网络，包含IP数据报传输路径选择和传送；子网隔离，抑制广播风暴；维护路由表，并与其它路由器交换路由信息；IP数据报差错处理及简单拥塞控制；实现对IP数据报过滤和记账。对于不一样规模网络，路由器侧重点有所不一样。在主干网上，路由器主要作用是路由选择。在地域网中，路由器主要作用是网络连接和路由选择，同时负责下层网络之间数据转发。在园区网内部，路由器主要作用是子网间报文转发和广播隔离。路由器每一接口连接一个子网，广播报文不能经过路由器广播出去，连接在路由器不一样接口子网属于不一样子网，子网范围由路由器物理划分。第16页以太网交换机特点以太网交换机每个接口都直接与主机相连，而且普通都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多正确接口，使每一对相互通信主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。以太网交换机因为使用了专用交换结构芯片，其交换速率就较高。第17页10局域网特点：1.共享传输信道。2.地理范围分布在局部地域。3.使用专用通信线路，信息传输速率较高，为10-1000Mbps，通常在100Mbps。4.通信时间延迟较低，可靠性很好，传送误码率低，普通为10-8-10-11之间。5.网络结构比较规范，有星型总线型和环型等。6.低层协议简单。7.多传输介质。第18页依照媒体访问控制方法进行分类CSMA/CD载波监听多路访问/冲突检测TokenPassing（令牌传递）令牌总线网tokenbus

令牌环网tokenring依据信道应用方式分类基带网（如以太网，带宽为10MHz，普通采取同轴电缆（50Ω）或双绞线作为传输介质。）宽带网（带宽为50Mhz，常采取宽带同轴电缆）第19页

11．三层交换机与路由器区分三层交换机也含有“路由”功效，能够执行传统路由器大多数功效。即使如此，三层交换机与路由器还是存在着相当大本质区分。

(1)适用环境不一样三层交换机路由功效通常比较简单，路由路径远没有路由器那么复杂。它主要用在局域网中子网间连接，提供快速数据交换功效，满足局域网不一样子网数据交换频繁应用特点。而路由器则不一样，它主要是为了满足不一样类型网络连接。即使也适合用于局域网子网之间连接，但它路由功效更多表达在不一样类型网络之间互联上，如局域网与广域网之间连接、不一样协议网络之间连接(如以太网和令牌环网连接)等。处理好各种复杂路由路径网络连接就是路由器最终目标，所以路由器路由功效通常非常强大。为了与各种类型网络连接，路由器接口类型非常丰富，而三层交换机则普通仅有同类型局域网接口，非常简单。第20页(2)性能表达不一样路由器和三层交换机在数据包交换操作上存在着显著区分。路由器普通由基于微处理器软件路由引擎执行数据包交换，而三层交换机经过硬件执行数据包交换。三层交换机在对第一个数据流进行路由后，它将会产生一个MAC地址与IP地址映射表，当一样数据流再次经过时，将依据此表直接从二层经过而不是再次路由，从而消除了路由器进行路由选择而造成网络延迟，提升了数据包转发效率。同时，三层交换机路由查找是针对数据流，它利用缓存技术，很轻易利用ASIC技术来实现，所以，能够大大节约成本，并实现快速转发。而路由器转发采取最长匹配方式，实现复杂，通常使用软件来实现，转发效率较低。

第21页从整体性能上比较话，三层交换机数据包转发性能要远优于路由器，非常适合用于数据交换频繁局域网中。而路由器即使路由功效非常强大，但它数据包转发效率远低于三层交换机，更适合于数据交换不是很频繁不一样类型网络互联。所以，假如把路由器，尤其是高档路由器用于局域网中，则在相当大程度上是一个浪费(就其强大路由功效而言)，而且还不能很好地满足局域网通信性能需求，影响子网间正常通信。第22页

(3)三层交换机含有优势①子网间传输带宽可任意分配。传统路由器每个接口连接一个子网，子网经过路由器进行传输速率被接口带宽所限制。而三层交换机则不一样，它能够把多个端口定义成一个虚拟网(VLAN)，把多个端口组成虚拟网作为虚拟网接口，该虚拟网内信息可经过组成虚拟网端口送给三层交换机，因为端口数可任意指定，子网间传输带宽没有限制。②合理配置信息资源。因为访问子网内资源速率和访问全局网中资源速率没有区分，子网设置单独服务器意义不大，经过在全局网中设置服务器群不但节约费用，更能够合理配置信息资源。

第23页

③降低成本。通常网络设计用交换机组成子网，用路由器进行子网间互联。当前采取三层交换机进行网络设计，既能够进行任意虚拟子网VLAN划分，又能够经过交换机三层路由功效完成子网间通信，为此节约了价格昂贵路由器。④交换机之间连接灵活。在计算机网络通信设备中，作为交换机，它们之间是不允许存在任何回路，而作为路由器，又能够采取多条通路(如主、备路由)来提升网络可靠性和平衡负载。为了处理这类矛盾，在三层交换机中，首先采取生成树算法来阻塞造成回路端口，在进行路由选择时，又能依然把阻塞掉通路作为能够选择路径来参加路由选择，从而极大地提升了交换机连接灵活性。总而言之，三层交换机与路由器之间存在着非常大本质区分。不论从哪方面来说，在局域网中进行多子网连接，最正确方案是选取三层交换机。在智能建筑计算机网络设计中，通惯用三层交换机来组建建筑内计算机网络，再用路由器与各种广域网相连。

第24页12．网关网关工作在OSI模型最高层——应用层。从一个网络向另一个网络发送信息，必须经过网关。网关实质上是一个网络通向其它网络IP地址。如图3—15所表示：有网络A和网络B，网络AIP地址范围为“192．168．1．1～192．168．1．254”，子网掩码为255．255．255．0；网络BIP地址范围为“192．168．2．1～192．168．2．254”，子网掩码为255．255．255．0。在没有路由器情况下，两个网络之间是不能进行TCP／IP通信，即使是两个网络连接在同一台交换机(或集线器)上，TCP／IP协议也会依据子N掩N(255．255．255．o)N定两个网络中主机处于不一样网络里。而要实现这两个网络之间通信，则必须经过网关。假如网络A中主机发觉数据包目标主机不在当地网络中，就把数据包转发给它自己网关，再由网关转发给网络B网关，网络B网关再转发给网络B某个主机。网络B向网络A转发数据包过程也是如此。

第25页第26页13局域网参考模型

4.2.1IEEE802参考模型

4.2.2IEEE802.1~6协议

4.2.3LLC与MAC主要功效

4.2.4MAC地址结构第27页IEEE802

►80年代早期:美国电气和电子工程师学会IEEE802委员会结合局域网本身特点，参考OSI/RM，提出了局域网参考模型（LAN/RM），制订出局域网体系结构,IEEE802标准诞生于1980年2月，故称为802标准。局域网设计中，关键技术原因在于三点：拓扑结构、传输媒体、媒体访问控制技术。

第28页在ISO开放系统互连模型（OSI/RM）中，其下三层主要包括是通信功效。在这方面局域网有本身特点。局域网内普通不需要中间交换，其拓扑结构简单，故路径选择功效可大大简化，流量控制等功效能够放到数据链路层中去实现，所以网络层可不设置。但按OSI观点，网上设备总是连接到网络层某个SAP上，网络层又必不可少。因为局域网种类繁多，其介质访问方法也各不相同，为了使局域网中数据链路层不致过于复杂，LAN/RM将其划分为两个子层，即媒体访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。

IEEE802参考模型第29页IEEE802.1A：概述及网络体系结构IEEE802.1B：寻址、网络管理和网际互连IEEE802.2：逻辑链路控制协议IEEE802.3：CSMA/CDIEEE802.4：令牌总线IEEE802.5：令牌环IEEE802.6：分布队列双总线（城域网标准）IEEE802.7：宽带技术IEEE802.8：光纤技术IEEE802.9：综合业务数据局域网IEEE802.10：交互局域网安全IEEE802.11：无线局域网IEEE802.12：优先级高速局域网100VG-AnyLANIEEE802.14：电缆电视（Cable-TV）第30页14MAC子层地址问题MAC地址48位，固化在网络接口卡ROM中，也称为物理地址。第31页15.局域网媒体访问控制方式802.3CSMA/CD总线网802.5Token-ring令牌环网802.4Token-Bus令牌总线网第32页总线网组网方式

（IEEE802.3规范）IEEE802.3标准是采取1-坚持CSMA/CD算法局域网不一样标准

10Base5--粗缆Ethernet10Base2--细缆Ethernet10BaseT--双绞线

10BaseF--光缆

10Broad36--宽带数据率（Mbps）基带或宽带段最大长度（百米）10Base5第33页IEEE802.3局域网络IEEE802.3标准是采取1-坚持CSMA/CD算法局域网,最惯用基带IEEE802.3局域网有4种,如表所表示。第34页10Base2局域网络电缆连接采取无源、标准BNCT型连接器,发送器装在计算机以太网控制板上。第35页第36页16.局域网IEEE802系列标准

三种局域网比较802.3优点使用最为广泛；算法简单；站点能够在网络运行中安装；轻负载时，延迟为0。缺点使用模拟器件，每个站点在发送同时要检测冲突；最短帧长64字节，对于短数据来讲开销太大；无优先级，发送是非确定性，不适合于实时工作；电缆最长2500米（使用中继器）；重负载时，冲突严重。第37页优点发送含有确定性，支持优先级，可处理短帧；使用宽带电缆，支持多信道；重负载时，吞吐量和效率较高。缺点:使用大量模拟装置；协议复杂；轻负载时，延迟大；极难用光纤实现。802.4第38页802.5优点使用点到点连接，完全数字化；使用线路中心，自动检测和消除电缆故障；支持优先级，允许短帧，但受令牌持有时间限制，不允许任意长帧；重负载时，吞吐量和效率较高。缺点中央监控；轻负载时，延迟大。第39页使用范围分布图第40页

802.3以太网802.5令牌环802.4令牌总线协议复杂性碰撞处理较复杂令牌和环维护复杂最复杂访问确定性不确定确定确定支持优先级不支持支持支持模拟技术碰撞检测使用完全数字化大量使用数据速率10-1000Mbps4，16Mbps1,5,10Mbps通信介质均可均可宽带同轴电缆可靠性好很好不好轻负载时网络性能无延迟有延迟有延迟重负载时网络性能急剧下降好安装简单较复杂复杂使用广泛性广泛普通不惯用适用场所中等负载情况下重负载，要求实时实时性要求极高.第41页17.100BASE-T以太网特点可在全双工方式下工作而无冲突发生。所以，不使用CSMA/CD协议。MAC帧格式依然是802.3标准要求。保持最短帧长不变，但将一个网段最大电缆长度减小到100m。帧间时间间隔从原来9.6

s改为现在0.96

s。第42页18.三种不一样物理层标准100BASE-TX使用2对UTP5类线或屏蔽双绞线STP。

100BASE-FX使用2对光纤。

100BASE-T4使用4对UTP3类线或5类线。

第43页19.吉比特以太网允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。使用802.3协议要求帧格式。在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）。与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。第44页吉比特以太网物理层1000BASE-X基于光纤通道物理层：1000BASE-SXSX表示短波长1000BASE-LXLX表示长波长1000BASE-CXCX表示铜线1000BASE-T使用4对5类线UTP

第45页全双工方式当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。第46页吉比特以太网配置举例1Gb/s链路吉比特交换集线器百兆比特或吉比特集线器100Mb/s链路中央服务器第47页2010

吉比特以太网10吉比特以太网与10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s以太网帧格式完全相同。10吉比特以太网还保留了802.3标准要求以太网最小和最大帧长，便于升级。10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10吉比特以太网只工作在全双工方式，所以没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议。第48页吉比特以太网物理层局域网物理层LANPHY。局域网物理层数据率是10.000Gb/s。可选广域网物理层WANPHY。广域网物理层含有另一个数据率，这是为了和所谓“Gb/s”

SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。为了使10吉比特以太网帧能够插入到OC-192/STM-64帧有效载荷中，就要使用可选广域网物理层，其数据率为9.95328Gb/s。

第49页端到端以太网传输10吉比特以太网出现，以太网工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端以太网传输。这种工作方式好处是：成熟技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格廉价。统一帧格式简化了操作和管理。

第50页21以太网从10Mb/s到

10Gb/s演进以太网从10Mb/s到10Gb/s演进证实了以太网是：可扩展（从10Mb/s到10Gb/s）。灵活（各种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。易于安装。稳健性好。第51页22使用高速以太网

进行宽带接入以太网已成功地把速率提升到1~10Gb/s，所覆盖地理范围也扩展到了城域网和广域网，所以现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。以太网接入主要特点是它可提供双向宽带通信，而且可依据用户对带宽需求灵活地进行带宽升级。采取以太网接入可实现端到端以太网传输，中间不需要再进行帧格式转换。这就提升了数据传输效率和降低了传输成本。第52页以太网接入举例：光纤到大楼FTTB100M10M10M100M吉比特以太网光结点汇接点1Gb/s1Gb/s高速汇接点GigaPoP