（通信与信息系统专业论文）中小型企业网络升级方案的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着企业信息化的发展，在网络上的应用需求越来越广，对带宽的要求也越来越 高，因此计算机网络建设的发展与普及，使得许多企事业单位在最近几年面临着组网 或网络升级的问题。根据实际情况，组建升级一个性能优良而实用的企业计算机网络 具有_ 定的研究价值。 论文以中小型企业网络升级为研究对象，并将研究的结果应用于江西钨业集团网 络升级改造中。江西钨业集团是一家拥有4 个矿、3 个分公司、1 个总公司的中型企 业，约有员工2 2 0 0 人2 0 0 0 年总公司建立了快速以太局域网，主要用于公司内部的信 息管理，如行政管理、生产管理、财务管理、营销管理。然而随着公司近几年规模的 不断扩大，分公司的建立及矿区的并购，分公司及矿区又都建立了各自的局域网，集 团公司从战略角度综合考虑，急需建立一个集团公司内能畅通无阻的互访，满足公司 行政管理、网络营销、财务管理、生产管理、生产培训、远程访问、视频会议等需求 的新网络。 在项目实施过程中首先从需求入手，针对以太网性能进行了详细研究，本着保护 现有投资的前提下，为该集团网络升级设计了自顶向下、平滑扩展到千兆以太网的方 案。随后从技术的角度详细介绍了网络技术选型、设备选型、v l a n 技术、网络安全 等。最后将研究方案应用到江西钨业集团的网络升级中并取得成功。 关键词：升级方案千兆以太网交换机 v l a n 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e i n f o r m a t i o n , p e o p l ed e m a n dm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n sa n dr e q u e s th i g l l e rb a n dw i d t h t h ed e v e l o p m e n ta n dt h ep o p u l a r i z a t i o no f c o m p u t e rn e t w o r km a k ee n t e r p r i s e so ri n s t i t u t i o n sf a c et h ei s s u eo ft os e t u po ru p g r a d et h e n e t w o r ki nr e c e n ts e v e r a ly e a r s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n , i ti sm e a n i n g f u lt os e tu pa n e t w o r ko rp m m o t et h e 脚o n n a n c e so f n e t w o r k t h i sa r t i c l et a l k sa b o u tt h eu p g r a d eo fs m a l la n dm e d i u m - s i z e de n t e r p r i s en e t w o r k , a p p l i e st h er e s u l tt oj i a n gw ug r o u p sn e t w o r ku p g r a d e t h ej i a n gw ug r o u pi sc o m p o s e d o ff o u rm i n e r a lf a c t o r y , t h r e ea f f i l i a t e dc o r p o r a t i o n , a n do n eh e a dc o r p o r a t i o n rh a s2 2 0 0 e m p l o y s i n2 0 0 0y e a r ，t h eh e a d e rc o r p o r a t i o nh a se s t a b l i s h e dt h ef a s te t h e r n e t , m a i n l yu s e di n t h e c o m p a n yi n t e r i o r i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t , s u c ha sa d m i n i s t r a t i o n , p r o d u c t i o n m a n a g e m e n t , f i n a n c i a lc o n t r 0 1 m a r k e t i n gm a n a g e m e n ta n ds oo i lh o w e v e rw i t l lt h e c o m p a n ys c a l ee x p a n s i o n , t h ea f f i l i a t e dc o m p a n yi na b u n d a n c ee s t a b l i s h e s ( m i n i n gf a c t o r y m e r g e r ) ，e a c hs u b s i d i a r yc o m p a n y ( m i n i n gf a c t o r y ) h a sa l le s t a b l i s h e dl o c a la r e an e t w o r k r e s p e c t i v e l y f r o mt h es t r a t e g i cc o n s i d e r a t i o n , t h eg r o u pc o m p a n yr e c o g n i z et h eu r g e n tt o e s t a b l i s h e sa l ln e vi n t e m a ln e t w o r kt om e e tt on e e d so fa d m i n i s t r a t i o n , n e t w o r km a r k e t i n g ， f i n a n c i a lc o n t r o l ，p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t , p r o d u c t i o nt r a i n i n g , l o n g - d i s t a n c ea c c e s s ，v i d e o f 卫e q u e n c yc o n f e r e n c ea n ds oo i l a f t e rp r o j e c tt e a mr e c e i v e dt h i ss u b j e c t , w ea n a l y s i sd e m a n dt h en e t w o r k ，h a v ea d e t a i l e ds t u d yo fp e r f o r m a n c e so fe t h e m e t a g a i n s tp r e m i s eo ft h ep r o t e c t i o no fe x i s t i n g i n v e s t m e n t s , at h e o r yo f u p g r a d et h ec o m p a n y sn e t w o r kt om i l l i o ne t h e m c tn e t w o r ki nt h i s p a p e r , t h en e t w o r kt e c h n o l o g ym o d e l s ，e q u i p m e n tm o d e l s , v l a nt e c l l r m l o g y ，n e t w o r k s e c u r i t y , e t ch a sb e e nd i s c u s s e d f i n a l l yab e s tc a s et ou p g r a d et h en e t w o r ko fj i a n gw u g r o u ph a sb e e nd e s i g n e d k e y w o r d s ：u p g r a d i n gp r o g r a mg i g a b i te t h e m c t s w i t c hv l a n 独创性声明 y1 0 1 6 2 9 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：捌日夺鎏 r 期：妒年甲v lm 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 升i 保密囵。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：2 - v 6 年甲月彳日 指导教师签名：稚奇蜀 日期：6 年7 月“晶 华中科技大学硕士学位论文 1 1 选题的背景 1 概述 近几年已经实现网络化的企业，已经通过百兆交换机连接到桌面以使得整个企业 跨度到了1 0 0 兆，但随着信息技术的高速发展和网络应用规模的不断扩大，网上信息量 呈爆炸性增长态势，特别是网络中传输的视频数据、音频数据等大量增加，网络中并 发数据量增大，突发性操作频繁，进而产生了网络访问量及数据传输量猛增的问题。 原有网络的传输能力以及实时性面临挑战，而用户对网络连接所需时间的要求也越来 越短，从而引发网络带宽需求与供应不足之间的矛盾；同时，移动接入业务需求也在 不断增加。于是，将骨干网络提升至千兆便成为了目前企业升级的重点，因此各企业 都在加快企业信息化的建设和发展，纷纷升级千兆企业网络，以满足用户对网络应用 的大量需求。具体而言主干网络升级通常由以下几个因素导致： ( 1 ) 公司业务扩大，联网工作站数量增加，网络规模需要扩大，出现带宽不足的 问题。 ( 2 ) 企业的网络应用需求增加( 如增加新的财务软件、数据仓库、e r p 、呼叫中 心、c r m 、电子商务等) ，造成并发数据增大，突发性操作频繁，对原有网络的安全 性、实时性提出挑战。 ( 3 ) 对网络安全、网络管理的需求 1 2 选题的意义 随着计算机网络应用的不断普及，在近期与未来将有更多的企业建立自己的计算 机局域网、城域网，同时原来建立计算机网络的企业，也存在不少面临升级的要求。 因此研究企业计算机网络升级方案，按照实际情况建立一个切实可行的企业计算机网 络，以满足企业的应用需求，对其他企业具有一定的借鉴价值。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文的主要内容 本文通过对江西钨业集团网络升级方案的研究，强调以现有网络分析为基础、网 络技术选型为依据，根据网络升级方案的原则进行设备的选型，网络安全的实施，最 后达到集团公司互联互访。本文主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 网络升级设计分析。包括设计升级环境、拓朴结构的选择、网络性能的评估、 升级的原则以及升级的设计目标。 ( 2 ) 网络技术选型详细论述了目前的主流网络技术：以太网、快速以太网、光 纤颁式数据接口、异步传输模式、千兆以太网以及1 0 g 以太网技术。 ( 3 ) 网络升级的一般方案。先主干后支于，然后更新更换网络设备和网络软件。 ( 4 ) 江西钨业集团网络升级方案的设计与实施：首先对现有网络进行分析、依据升 级原则进行升级改造、并合理进行设备选型。 ( 5 ) 网络安全：详细论述了网络的虚拟子网的划分、网络安全访问措施的实施等。 ( 6 ) 总结与展望：企业级网络的分层、分级的构建与互联、网络应用服务等。 2 华中科技大学硕士学位论文 2 网络升级设计分析 在网络升级过程中提出采用自顶向下网络分析方法【l l 。自顶向下网络分析很重要的 一个步骤就是检查企业现有网络，以便更好地判断如何满足网络可扩展性、性能和可 用性等预期设想。对现有网络的检查包括研究拓朴结构和物理结构，以及评估网络性 能等。通过了解现有网络的结构、用户及应用，可以分析企业网络的设计目标是否符 合实际在分析过程中，通过记录任何瓶颈或网络性能问题，并识别那些由于端口数 量或容量不足、不能满足新设计需求而需要被替换的网络互连设备和链路。最后针对 以上分析存在的问题一一进行升级改造。 2 1 如何设计升级环境 做好负载评估【2 1 ，在升级网络布线系统时，负载评估是非常重要的工作。首先要计 算网络节点的数量，然后要考虑网络应用对数据量传输的需求，设计时要具备前瞻性， 布线系统的平均目标生命周期例为1 5 年，与主要建筑物的整修周期一致。在这段时间 内，系统的计算机硬件，软件都将发生重大的变化，网络的吞吐量，可靠性和安全性 的要求肯定都要增加。因此在网络升级的设计上过度地节省资金是一个不明智的做法。 ( 1 ) 设计线缆布置。传统的布线通常采用架空地板走线的方式，它将所有管道( 空 调、供水等) 、电缆都聚集在地板和地面之间。此类布线方式有着明显的缺陷，不仅 电源线缆和数据线会相互干扰，而且一旦漏水( 如地板渗漏或空调管道漏水) ，线览 和设备都不可避免地受到影响，甚至导致网络中断、损坏。因而建议升级布线系统时 考虑采用桥架上走线方案，但此方案可能会影响建筑的整体结构，因此在选择桥架布 线时一定要选择对建筑影响小，且使用标准化1 4 j 部件的布线产品 ( 2 ) 线缆是否需屏蔽。双纹线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线，在升级布线时是 否需要采用屏蔽系统同样需要考虑。使用屏蔽系统主要为了满足信息安全性和抵抗电 磁干扰。随着企业中电子设备的增多，电磁信号的密度和强度都在逐渐增加，严重时 就会影响整个网络系统的正常运行。屏蔽系统在传输的抗干扰方面( 尤其是在高频的情 华中科技大学硕士学位论文 况下) 有很大的优势。所以对于周围电磁干扰比较强烈的地区，应首先考虑屏蔽系统， 在升级线缆前应当在企业环境中进行测试。当外界电磁场强度超过3 v m 时，就应考 虑屏蔽系统或光纤布线系统 5 , 6 1 2 2 拓朴结构的选择分析 设计网络逻辑拓朴b7 1 ，即常说的令牌网，总线网或是星形网。在设计网络逻辑结 构时需要根据具体需求来选择。 ( 1 ) 令牌环局域网，在简单的环形网中网络的任何部件出现损坏都将导致系统出 现故障，这样将阻碍整个系统的正常工作。如果选用这种结构，切记选择高级结构的 环形网，可以很大程度上弥补这一缺陷 ( 2 ) 总线形网络目前已经成为局域网的标准，其最大的问题就是碰撞。连接在总 线上的设备通过监听总线上传送的信息来检查发给自己的数据。当两个设备想在同一 时间内发送数据时，以太网上将发生碰撞现象，在大量数据访问时这个问题尤为严重。 ( 3 ) 星形网的组成通过中心设备将许多节点连接起来，可在不影响系统其他设备 工作的情况下很易地增加或减少设备。 目前的实际应用中，网络的物理拓朴结构一般都采用星形连接，星形连接在将用 户接入网络时具有更大的灵活性，当系统不断发展或当系统发生重太变化时，这种优 点将显得更加突出。为网络的平滑升级创造了先天条件。 2 3 网络评估 性能：核心系统采用高性能核心交换机，同时对二级节点的交换机进行升级，把 目前网络的骨干速度从百兆提高到千兆，并且把网络带宽要求高的工作站的接入速度 从十兆提升到百兆，从而消除网络带宽瓶颈。 可靠性：企业业务的运营与管理都是基于网络业务应用而实现的，网络系统稳定 可靠的运行是关键。因此通常将企业网络的核心层设备更新为无单点故障的高可靠性 交换机，并配置一台备份核心交换机当核心交换机出现问题时，管理员可在很短时 4 华中科技大学硕士学位论文 间内将系统切换到备份交换机上 安全性：通过对核心交换机作设置，实现对服务器的访问控制，增强整个系统的 安全性 易管理性：增设d h c p 服务器嗍，重新划分v l a n ，对各个网络上的工作站实行 动态口地址分配，提高网络的可管理性，降低网络管理的复杂程度。 可扩展性：核心交换机上预留足够的模块或端口，以满足今后因网络和系统的扩 大而扩容的要求 投资保护：网络升级必需充分考虑对原有网络设备的继续使用。 2 4 网络升级的原则 ( 1 ) 综合分析、全面考虑网络升级内容。在制定网络升级计划时，必须对整个公 司网络系统进行综合分析，找出影响网络性能的所有因素，针对影响因素的主次，分 别制定相应措施，合理配置资源，以最小的投入获得最佳的网络性能。另外在局域网 升级时除了考虑网络连接的提速问题外，还要注意其他服务设备的升级网络主干带 宽提高到千兆以后，其他的一些因素如服务器性能有可能成为新的瓶颈。 ( 2 ) 采用成熟的主流技术。从网络应用开始至今，已经有局域网络应用技术包括 令牌环网技术( t o k e nr i n g ) 、光纤分布式数据接口技术( f d d i ) 、异步传输模式技术( a t m ) 以及以太网技术( e t h e r e n t ) 等。目前由于以太网技术的数据传输率高、网络软件丰富、 安装连接简单及使用维护方便，可以实现从1 0 m 、1 0 0 m 到l o o o m 甚至更高速率的网 络升级，并具有较好的性价比，因此得到广泛的应用。千兆位以太网采用光纤和双绞 线为通信传输介质，使用和以太网及快速以太网相同的数据格式、c s m a c d 技术和 策略等 ( 3 ) 充分利用原有网络设备和线路，保护企业投资。网络升级不是一次性换掉所 有旧的设备，要根据网络的应用需求，在一些可以满足性能要求的网络节点上，使用 原有的设备。至于综合布线系统，重新布线的代价比较大，因此只要可以继续使用， 就不要废弃。比如可以利用和改造原有的网络线槽，对于一些原先使用的骨干设备可 华中科技大学硕士学位论文 降级作为支线设备使用等另外须特别注意千兆位以太网双绞线的标准，该双绞线标 准为i e e e s 0 2 3a b l 们，即在1 0 0 米距离内的5 类双绞线上传输千兆时参数标准。对此， 如果布线系统支持千兆位标准，无须升级就可用于干兆网，只要更换相应网络连接设 备。比如更换交换机千兆模块，服务器更换千兆位网卡就可实现网络平滑升级。否则 就必须对铺设网线进行测量和认证，如不合适就必须更换符合标准的千兆双绞线。 ( 4 ) 实用性与先进性。在进行网络升级改造时，应从网络应用的实际需求出发， 在满足当前需要的前提下，适当考虑未来的发展和应用变化比如培训中心图像、视 频数据较多，视频服务器的性能关系视频数据数据传输到桌面的效果以及未来的发展 要求，因此桌面客户机应考虑采用1 0 0 m 1 0 0 0 m 自适应网卡 ( 5 ) 为企业应用服务。从企业全局出发，做好总体数据规划，根据企业的主要业 务流程建立数据模型，统一数据处理平台，遵循开放标准，将企业各项资源信息化并 统一规范，奠定企业信息资源共享的基础。 2 5 网络升级的设计目标 ( 1 ) 新的网络主干采用具有第三层交换功能的干兆位以太网( gigab i te t h e m e t ) 以满足公司运作的各种要求。 ( 2 ) 新的主干网建设应能保护局域网的已有投资，要求与原有局域网实施优化整 合，并提供新网络的管理方案与管理策略。 ( 3 ) 新的主干设备应能满足企业最少用户接入访问的要求，同时还要考虑未来的 扩展性 ( 4 ) 支持虚拟网络( v l a n ) 。 ( 5 ) 网络应具有传递语音、图形，图像等多种信息媒休功能具备性能优越的资 源共享功能。 ( 6 ) 网管软件应具备对接入层交换设备进行远程可操作的能力。 ( 7 ) 面向未来可发展新业务( 如压缩语音、高清晰度图像) 。 6 华中科技大学硕士学位论文 3 网络技术选型 由于企业网络的横向连接主要是服务器和桌面p c 机的连接，体现为局域网方式， 各二级单位都建立了自己的局域网，因此研究的重点放在局域网。距离较近的二级公 司之间的互联依靠的是单模光纤连接、远程用户通过v p n 互连。网络安全采用三层交 换的v l a n 技术及支持v p n 的防火墙。 目前局域网技术主要有：以太网( e t h e m e t ) 、快速以太网( f a s t e t h e r n e t ) 、光纤分布式 数据接i = i ( f d d i ) 、异步传输模式( a t m ) 、千兆以太网( g i g a b i te t h c m e t ) 。l o g 以太网等。 由于以太网应用非常广泛，因此侧重讨论以太网技术 3 1 以太网( e t h e r n e 0 以太网最初是由美国x e r o x 公司和s t a n d f o r d 大学联合开发并于1 9 7 5 年推出的。 后来，由x e r o x 、i n t e l 和d e c 公司合作于1 9 8 0 年9 月第一次公布了e t h e m e t 的物理 层和数据链路层规范，成为世界上第一个局域网工业标准。i e e e s 0 2 3 国际标准是在 e t h e r n e t 标准基础上制定的。 目前，e t h e r n e t 按其传输速率可分成1 0 m b se t h e r n e t 、1 0 0 m b se t h e m e t 、1 0 0 0 m b s e t h e m e t ，每种e t h e m e t 又根据不同的物理介质有多种物理予标准，形成了一个i e e e 8 0 2 3 标准系列。无论何种e t h e r n e t ，其m a c 层均采用载波监听多路访问冲突检测 ( c a r r i e rs e n s em u l t i 【p i ea c 譬e s s c o l l i s i o nd e t e c t ，c s m a c d ) i e t h e m e = t 组网非常灵活和方便，可使用多种物理介质，以不同拓扑结构组网，并且 在轻载情况下具有较高的网络传输效率。它是目前国内外应用最为广泛的一种网络， 已成为网络技术的主流。 以太网技术具有以下几个特点： 1 ) 以太网采用标准化的数据格式，在系统中传输数据以太网帧格式和i e e e8 0 2 3 帧川格式分别见表3 1 和表3 - 2 。 7 华中科技大学硕士学位论文 表3 - l 以太网帧格式 i 8 b y t e s6 b y t e s 6 b y t e s 2 b y t e s4 6 - 1 5 0 0 b y t e s4 b y t e s 前同步目的源帧校验 信号地址地址 类型数据 序列 表3 - 2i e e e8 0 2 3 帧格式 7 b y t e s l 6 b y t e s6 b y t e s 2 b y t e s4 6 - 1 5 0 0 b y t e s 4 b y t e s 前同步 s 帧校验 f 目的源 长度数据 信号地址地址序列 n 由以上可见，i e e e s 0 2 3 的前同步信号加上起始帧定界符组成的同步信号( 以太网 上不存在时钟) ，作用类似于以太网帧的前同步信号；目的地址、源地址均采用4 8 位 的m a c 地址( 可以为1 2 位的m a c 地址，不常用) ；以太网帧和i e e e 8 0 2 3 最大的区别 在于第四个字节，以太网帧表示的是高层协议的数据类型，如0 x 0 8 0 0 表示的是妒， 而i e e e8 0 2 - 3 表示的是帧的长度，在后期i e e e 8 0 2 3 也增加了r a w , l l c ，s a p , s n a p 等四种类型来实现复用，同时该字段也改变为长度，类型字段；数据字段为实际传输的 数据，为6 4 至1 5 0 0 字节；帧检验序列为校验字段，校验整个数据段。由此可见两者 虽然相似但却不同，两者可以一起操作，i e e e 8 0 2 3 起源于i e e e 组织，并包含了8 0 2 2 和以太网技术 2 ) 介质访问控制协议( m e d i af l g c , e s sc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 由于传统的以太网采用共享介质的方式，介质访问控制协议为载波监听带碰撞检 测回退算法( c s m a c d ) ，即在传送一个帧时，站点要进行以下步骤： ( 1 ) 信道有信号正在传送，为载波； ( 2 ) 当连在以太网上的站点要传送一个帧时，它必须等到载波消失，因此它监听 载波信号，如载波消失则开始传送； ( 3 ) 当两个以上的站点在监听载波后同时传送数据，会产生碰撞，将影响数据传 送的效果，因此在数据发送后该站点检测到碰撞，则发出冲突信号( 3 2 b i t s ) ，并用回退 算法( 1 6 次，不断扩大等待时间) 尝试重新发送，以保证帧的准确发送 ( 4 ) 传送多个帧必须在两个帧之间等待一段等于帧间隙的时间( 9 6 b i t s 的时间) 。 8 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 介质分类 传输速率为共享l o b , c o p s ，分别存在1 0 b a s e 5 ( 粗同轴电缆，最大长度为5 0 0 米) 、 1 0 b a s e 2 ( 细同轴电缆，最大长度为1 8 5 米) 、1 0 b a s e tc 对3 类以上双绞线，最大长度 为1 0 0 米) 、1 0 b a s e f ( 含1 0 b a s e f l ，1 0 b a s e f p , 1 0 b a s e - f b 等三种光纤方式) 三种介质标 准以太网作为最早流行的网络技术，产品主要为集线器。目前只在一些小型的企业中 应用，同时设备供应商也逐步停止生产该类产品。但作为快速以太网、千兆以太网的 前身，其工作模式值得讨论。 3 2 快速以太l 网( f a s te t h e r n e 0 随着计算机硬件技术的不断发展，对网络的要求越来越高，因此设备供应商也加 快了网络产品的升级。快速以太n ( f a s te t h e m e t ) 就是其中的一种发展技术，并在1 9 9 5 年由i e e e 颁布了该项标准，名称为i e e e 8 0 2 3 u 。 ( 1 ) 快速以太网和传统以太网的比较，见表3 3 。 表3 - 3 快速以太网和传统以太网的比较 参数以太网快速以太网 传输速率 1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 介质访问控制协议 c s m a ，c dc s m a ，c d 时间片5 1 2 位时5 2 1 位时 帧际间隙9 6 u s ( 最小)0 9 6 u s ( 最小) 重试上限1 6 次1 6 次 后退上限1 0 ( 幂指数) 1 0 ( 幂指数) 拥挤规模 3 2 位3 2 位 最大帧数1 5 1 8 字节1 5 1 8 字节 最小帧数“字节6 4 字节 地址长度4 8 位4 8 位 9 华中科技大学硕士学位论文 由此可见，快速以太网具有和以太网相同的特性，只是以1 0 倍的速度获得在线上 传输的信息包。 ( 2 ) 介质分类 快速以太网存在四种介质类型：1 0 0 b a s e - t x ( 2 对5 类u r p 或s t p ) ，1 0 0 b a s e - t 2 ( 2 对3 类以上的u t p ) ，1 0 0 b a s e - t 4 ( 4 对3 类以上的u t p ) ，1 0 0 b a s e - f x ( 2 对单模或多 模光纤) ( 3 ) 自动协商模式 由于快速以太网和以太网存在多种u t p 介质类型( 向下兼容) ，因此快速以太网允 许在线路的两端自动调节到最快的速率，即自动协商模式。 ( 4 ) 全双工方式 传统的以太网在传输数据的同时，由于线路正在使用，因此无法接受数据，在全 双工方式下。由于数据传输、接收使用不同的线路，因此允许同时进行，这使原来的 线路带宽得到了1 0 倍的提升。 目前快速以太网的设备作为主干，在中小型企业中得到广泛的使用。 3 3 光纤分布式数据接口( f d d i ) 光纤分布式数据接口是二十世纪八十年代中期，为适应高性能工程工作站的分布 应用和网络的可靠性而开发的一项网络技术它采用光纤传输介质，令牌访问方式， 反向旋转的双环拓扑结构，并实现1 0 0 m b p s 的数据传输速率，结构上首先用1 0 0 m b p s 传输速率的光纤连成“环状”的通信主干网，各部分的子网通过网桥连接到f d d i 主干 网，就可形成局域网。自1 9 8 7 年以来，国际标准化组织( i s o ) 和美国国家标准局( a n s i ) 制定了一系列的标准，如介质访问控制( m a c ) 、物理层协议等，对实现各种f d d i 设备 的互操作非常有利。 双连接的f d d i 系统提供了天然的冗余性，对于主干应用或关键的服务器连接非 常有用，但在数据传输速率上比a t m 、千兆以太网低约一个数量级，且支持它的厂商 越来越少，基本已属于昨天的技术。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 4异步传输模式( 删) 进入2 0 世纪9 0 年代，异步传输模式【1 1 l 在局域网技术中异军突起，成为人们最关 注的技术之一a t m 是一种面向连接的快速分组交换技术，建立在硬件交换的基础上。 它可以为每个工作站分配专用带宽，每个交换机的端口都对应于某一单个节点，因此 在a t m 网络中不存在共享的访问方式不同于分组和帧交换的可变分组长度，a t m 将数据分割成固定长度的多个信元( c e l l ) ，每个信元为5 3 个字节，前5 个字节为通道号 和信道号，后4 8 个字节为传输的数据。a r m 网络的数据传输是面向连接的，这是因 为a t m 网络中的节点在发送任何数据之前，都预先建立称作“虚连接”的数据传送会话 a t m 网络首先确定两个站点之间的路由，通过数据传送路径上的交换机确保网中的资 源分配。各节点问的连接关系通过信元头中的虚连接表示来标记，交换机使用基于硬 件的交换，按照信元头中的虚连接来传输信元，之所以将其称为“异步”是因为信元可 以随应用的运行随时产生随时发送，而不必受采用帧结构的传输系统( 多为同步) 的限 制。事实上，a t m 技术具有内在的、对等实时性服务要求的支持，能够将不同类型的 数据在同一虚电路上传输。这种模式具有以下优点： ( 1 ) 大量的数据能够并行地在单一物理链路上传输，a t m 业务具有固有的可复 用性。 ( 2 ) 信元可以通过硬性交换，这将带来更高的吞吐量，而且以后随着处理器性能 的提高和成本的大幅度下降，这种技术可以不断地提供更高的性能价格比。 ( 3 ) 在传输a t m 固定长度信元时，网络能够排定数据的优先顺序，a t m 可以提 供确定( 即可预测的) 响应时间，这对时延敏感型业务( 如动态视频和音频，或者关键性 任务、交互式数据业务1 是必须的。这种新技术最大的吸引力是它的带宽宽度。a t m 技 术具有高度的可扩展性，无论是局域网、城域网甚至广域网，均是基于同一的信元交 换技术，所不同的仅仅是速率而己。而目前a t m 已商品化的速率可从1 5 5 m b p s ( 0 c 3 ) ，6 2 2 m b p s ( o c l 2 ) , 2 5 g b p s ( o c 4 8 ) ，因此理论上它是目前重要的网络技术之一。 a t m 虽是面向连接的网络，能保证一些突发重负载在网上传输，但由于a t m 在局域 网的所有应用需要l a n e 仿真来实现，不仅技术难度大，且带宽效率低，已证明不适 宜用作局域网。 华中科技大学硕士学位论文 3 5 千兆以太网( g i g a b i t e t h e r n e t ) 在快速以太网的官方标准提出后的一年，即1 9 9 8 年，对千兆以太网的研究工作就 已经开始了，这种技术能达到1 0 0 0 m b p s 的传输速率千兆以太网使用的是和l o m b p s , ， 1 0 0 m b p s 相同的以太网帧格式、帧长度和介质访问控制方法1 1 2 l ，并且可工作在半双工 ( 共享介质) 和全双工的模式下。它和其他以太网一样，提供无确认、无连接的( 数据报) 传递服务。一个帧的数据长度为4 6 - 1 5 0 0 个字节 7 1 。 3 5 1 千兆以太网协议 1 9 9 8 年6 月在千兆以太网联盟的推动下i e e e 正式发布了千兆以太网标准i e e e 8 0 2 3 把以太网的速率提高到了1 0 0 0 m b p s 。而在此之前的1 9 9 7 年，就已经有很多的 厂商追不及待地推出了千兆以太网的产品，给网络界带来了全新的解决方案。到了2 0 0 0 年，我们已经可以很清晰地看到，不仅以太网和快速以太网在桌面和工作组级网络中 打败了a t m ，在城域网中，千兆以太网也凭借其良好的兼容性和优异的性价比占据了 绝对的上风。可以预见未来随着价格的下跌，千兆以太网会象快速以太网一样普及。 1 ) 半双工千兆以太网m a c 层协议 对于快速以太网来说，5 1 2 位的时间槽内电波或光可以传输4 0 0 m 远，如果在千兆 以太网中，5 1 2 位的时间槽内电波或光的传输距离则只有4 0 m 远，采用星型拓扑结构 的半双工千兆以太网的覆盖半径只有2 0 m 。这样的距离覆盖范围在实际中无法得到大 规模推广为了解决这个问题，i e e e 对以太网的m a c 层协议作了第一次重大修改： 载波扩展和帧突发 ( 1 ) 载波扩展 为了使千兆以太网的距离覆盖范围达到实用标准，半双工千兆以太网时间槽长度 扩展到了4 0 9 6 位，这样半双工千兆以太网的距离覆盖范围扩展到了1 6 0 m 。为了兼容 以太网和快速以太网中的帧结构，半双工千兆以太网的最小帧长度仍需要保持为 6 4 b y t e 。但考虑到时间槽长度为5 1 2b y t e ，为了能够匹配时间糟的长度，当某个d t e 发送小于5 1 2 b y t e 帧时，半双工千兆以太网m a c 将在正常发送数据之后发送一个载波 1 2 华中科技大学硕士学位论文 扩展1 1 3 1 序列直到一个时间槽结科1 4 1 例如：某d t e 发送一个6 4b y t e 帧，m a c 将会在 其后加入5 1 2 - - 6 4 = 4 4 8 b y t e 的载波扩展序列。如果d t e 发送的帧长度大于5 1 2b y t e ，则 m a c 不做任何改变。在载波扩展的情况下，解决了半双工千兆以太网距离覆盖范围 的问题，但引入了一个新的问题：对于长度较小的以太网帧的发送效率降低了对于 一个6 4 b y t e 的帧来说，尽管发送速度较快速以太网增加了l o 倍，但发送时间增加了8 倍。这样的效率并未比快速以太网提高多少，为了解决半双工千兆以太网的效率问题， i e e e 又引入了帧突发这种技术。 ( 2 ) 帧突发 帧突剔1 4 1 的工作方式如下；对于d t e 发送的第一个小于5 1 2 b y t e 的帧，依然使用 载波扩展到5 1 2 b y t e ，但随后发送的小于5 1 2 b y t e 的短帧不再使用载波扩展，而是加入 9 6 b i t 的帧间隔序列后连续发送短帧，最长可以突发到6 5 5 3 6 位。这种做法可以成立的 原因在于一个正确配置的网络环境里，如果某个d t e 开始发送数据后，其他d t e 都 可以通过载波监听协议检测到其信号并抑制本身的数据发射使用了帧突发的半双工 千兆以太网的效率得到了改善，当一个d t e 连续的突发6 4 b y t e 帧并突发持续6 5 5 3 6 位 时，其效率约为7 2 。 2 ) 全双工千兆以太网m a c 层协议 在全双工千兆以太网中，由于每个千兆以太网d t e 在通信时独占一个信道，因此 不需要考虑以太网的冲突问题。自然，全双工千兆以太网也不受时间槽长度的限制， 从而也没有距离覆盖范围的限制。与半双工方式相比，全双工千兆以太网的m a c 层的 区别主要有以下几点： ( 1 ) 在接受活动中帧的发送不会被推迟； ( 2 ) 全双工方式下的冲突指示将被忽略； ( 3 ) 没有载波扩展，最小帧长度仍为“字节； ( 4 ) 没有帧突发。 在全双工交换式以太网中，如果多个输人端口同时向一个输出端口输出数据，那 么将会在输出端口产生拥塞，这时一些输入端口发送的帧将会被丢弃。如果在以太网 帧上承载的是t c p i p 协议的数据包，那么t c p 的传输机制会自动重发被丢弃的数据 华中科技大学硕士学位论文 包，可以想象每个产生了丢包的输入端口都将重新发包，引发新一轮的拥塞和丢包， 结果是导致网络的吞吐率大幅下降。为了避免丢包( 丢帧) 和重发现象的发生，i e e e 在m a c 层引入了8 0 2 3 x 流量控制协议来避免丢包现象发生流量控制的原理是当交 换机检测到发生拥塞的端口之后，就会向输入端口发送暂停帧，通知其抑制发送的流 量，最后达到消除拥塞流量控制并不能提高整个交换机的数据吞吐能力，但是避免 了在交换机内的丢包现象。 3 ) 一千兆以太网物理层协议 i e e e 定义了几种用于不同物理介质的千兆以太网接口，有1 0 0 0 b a s e - - c x ， 1 0 0 0 b a s e - - s x ，1 0 0 0 b a s e - - l x ，1 0 0 0 b a s e - - t ，其中1 0 0 0 b a s e - - c x 是用于1 5 5 f l 平 衡同轴电缆上的接口，在实际中没有真正的产品，1 0 0 0 b a s e - - t 是可用于5 类或更高类 别双绞线的接口，它的标准是i e e e s 0 2 3 a b ，这一标准于1 9 9 9 年6 月发布 1 0 0 0 b a s e s x 使用8 5 0 n m 波长激光的接口，只适用于多模光纤1 0 0 0 b a s e - - l x 使用 1 3 0 0 n m 波长激光的接口，适用于单模和多模光纤。1 0 0 0 b a s e - - s x 主要用于企业网和 企业网骨干1 0 0 0 b a s e - - l x 主要应用于城域网，现在城域网中另外一种应用较多的 是1 0 0 0 b a s e - - l h 的长距离千兆以太网光接口，一般使用1 3 0 0 n m 或1 5 5 0 n m 波长的激 光，可达到5 0 k m 以上甚至1 0 0 k m 的无中继传输距离。需要特别指出的是，由于e e 给出的是最恶劣传输条件下的千兆以太网传输距离，在实际应用中，各个厂商的产品 的传输距离远远超过标准的规定，如阿尔卡特的p o w e r r a i l 千兆路由交换机的 1 0 0 0 b a s e - - l x 接口在实际测试中可以无中继的传输2 2 k m 。 3 5 2 千兆以太网效率 半双工以太刚1 5 , 1 6 】的效率问题一直是其弱点，在一个半双工以太网里的工作站( 如 计算机) 数增加到某一门限值后，尽管每个工作站是以1 0 m b p s 速率发送数据，但由于 冲突的增加，每个工作站不得不等待很长时间后才有可能发送数据，因此每个工作站 得到的平均可用带宽急剧下降。在全双工的交换式以太网中，c s m a c d 协议中的c d 冲突检测机制不再需要，每台工作站可以得到独占的带宽。因此全双工交换式1 u , 1 6 1 以 太网的效率不再取决于网络内的工作站数，而是由以太网帧的长度而决定。 华中科技大学硕士学位论文 3 5 3 千兆以太网可靠性 从传统意义上，以太网被看作是一种局域网( l a n ) 技术，被大量的应用于企业 网中，因此以太网交换机和以太网的可靠性并没有被作为最关键的因素加以考虑。随 着交换式全双工快速以太网和千兆以太网的成熟，越来越多的运营商选择千兆以太网 作为局域网主干和城域网m a n 的首选技术，这时千兆以太网的可靠性就成为运营商 考虑的关键因素 用于兆以太网实现一个可靠的城域网，现在有三种成熟的技术： 1 ) 千兆以太网端口聚合 2 ) 千兆以太网l + l 备份 3 ) 用口路由来保证城域网可靠性 如果千兆以太网被用于承载m 业务，在网络层m 这一层次，也可以采用环型或网 状网拓扑结构，使用i p 路由协议来保证网络可靠性。 下面就这三种技术作一详细介绍。 ( 1 ) 千兆以太网端口聚合( p o r t t r u n k i n g ) 在千兆路由交换机中，可以将多个千兆以太网链路捆绑为一个虚拟的逻辑链路， 以达到增加带宽，可靠性的目的。这种技术叫做端口聚合( 链路捆绑) 。比较常见的是 将四个千兆以太网链路捆绑为一个链路，这时的带宽可达到单向4 g b p s 双向m b p s 。 在端口聚合中的多条千兆以太网键路可以实现负载分担，即使其中的一条链路的光纤 出现故障，逻辑链路仍会保持正常工作。端口聚会需要较多的光纤来构成，2 个端口的 端口聚合需要4 根光纤，3 个端口的聚会需要6 根光纤，4 个端口的端口聚会需要8 根光纤。 ( 2 ) 千兆以太同l + l 备份 和很多a t m 交换机里实现的a t m 物理链路1 + 1 备份相似，于兆以太网也可以实 现1 + 1 备份，即在一个千兆路由交换机的接口模块上，对应于一个千兆以太网链路， 实际用两个千兆以太网链路来连接，一条千兆以太网链路作为主用链路，另一条则作 为备用链路。当主用链路的光纤出现故障时，千兆路由交换机可以在i m s 的时间内把 华中科技大学硕士学位论文 数据切换到备用链路的光纤上传输在这种l + l 备份方式下，需要用四根光纤来完 成i g b p s 的传输带宽每一个千兆以太网链路需要l 发l 收两根光纤。 ( 3 ) 用口路由来保证城域网可靠性 如果是用千兆以太网来承载业务，那么就可以应用口路由协议的收敛特性来保 证城域网可靠性。