第5章 局域网(终稿).ppt

1、第5章 局域网,2,5.1 局域网概述 5.2 局域网介质访问控制方法 5.3 以太网技术 5.4 交换式以太网技术 5.5 虚拟局域网技术 5.6 无线局域网技术,本章主要内容,3,5.1 局域网（LAN）概述,1. 特点 覆盖范围小 房间、建筑物、园区范围 距离25km 高传输速率 10Mb/s1000Mb/s 低误码率 10-8 10-11 拓扑：总线、星形、环形 介质：UTP、Fiber、COAX 私有性：自建、自管、自用,4,5.1.2局域网关键技术,1、拓扑结构 星型网 环形网 总线网 2、传输形式 基带传输 宽带传输 3、介质访问控制方式 CSMA/CD(载波监听多路访问 ) 令

2、牌总线Token Bus 令牌环网 Token Ring,5,局域网分类,6,5.1.3 局域网体系结构与标准,各种类型的局域网及其设备缺乏统一的规范和标准，为了是各种网络设备相互兼容。国际标准化组织开展了局域网的标准化工作。,7,5.1.3 局域网体系结构与标准,1980年2月成立IEEE802委员会（IEEE - Institute of Electrical and lectronics Engineers INC，即电器和电子工程师协会）。该委员会制定了一系列局域网标准，称为IEEE802标准。 IEEE802参考模型： 1、LAN只是一个计算机通信网，不存在路由选择问题，因此局域网可

3、以不要网络层。 2、局域网的种类繁多，其媒体接入控制的方法也各不相同，远远不像广域网那样简单。 为了使局域网中的数据链路层不致过于复杂，将局域网的数据链路层划分为两个子层，即：媒体接入控制或媒体访问控制MAC（Medium Access Control）子层和逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子层，而网络的服务访问点SAP则在LLC子层与高层的交界面上。,8,IEEE 802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，解决最低两层（即物理层和数据链路层）的功能以及与网络层的接口服务、网际互连有关的高层功能。 IEEE 802 LAN参考模型与ISO/OSI参考模型的对应关

4、系如图所示：,9,IEEE 802 LAN的物理层,利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的传输与接收，数据的同步控制等。 IEEE 802规定了局域网物理层所使用的信号与编码、传输介质、拓扑结构和传输速率等规范。 采用基带信号传输； 数据的编码采用曼彻斯特编码； 传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光缆等； 拓扑结构可以是总线型、树型、星型和环型； 传输速率有10Mbps、16Mbps、100Mbps、1000Mbps。,10,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control

5、)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。,IEEE 802 LAN的数据链路层,11,IEEE 802 LAN的数据链路层,介质访问控制层（MAC子层）的功能-与接入各种传输媒体有关的问题都放在该层 MAC构成数据链路层的下半部，直接与物理层相邻，主要制定管理和分配信道的协议规范。 MAC子层与传输介质有关，主要功能是进行合理信道分配，解决信道竞争问题，支持LLC子层完成介质访问控制功能，为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。 逻辑链路控制层（LLC子层）的功能-数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在逻辑链路控制LLC子层 LLC在MAC子层的支持

6、下向网络层提供服务，与传输介质无关，独立于介质访问控制方法，隐藏了各种802网络之间的差异，向网络层提供一个统一的格式和接口。 将数据组成帧，并对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控制，使不可靠的物理链路变为可靠的链路。,12,IEEE 802标准系列： IEEE 802.1A 概述和系统结构,IEEE 802.1B 网络管理和网际互联。 IEEE 802.2 逻辑链路控制。 IEEE 802.3 CSMA/CD总线访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.4 令牌总线访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.5 令牌环网访问控制方法及物理层规范。 IEEE 802.6 城域网

7、访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.7 宽带技术。 IEEE 802.8 光纤技术。 IEEE 802.9 综合业务数字网（ISDN）技术。 IEEE 802.10 局域网安全技术。 IEEE 802.11 无线局域网。,13,IEEE802系列中各标准之间的关系,IEEE802标准是一个标准体系，并且随着局域网技术的发展，该体系中在不断地增加新的标准和协议。,14,5.2介质访问控制方法,介质访问控制方法要解决以下几个问题： 该哪个结点发送数据？ 发送时会不会出现冲突？ 出现冲突怎么办？ 介质访问控制方法： CSMA/CD(载波侦察听多路访问/冲突检测) 令牌总线Token B

8、us 令牌环网 Token Ring,15,总线型LAN中，所有的节点对信道的访问是以多路访问方式进行的。任一节点都可以将数据帧发送到总线上，所有连接在信道上的节点都能检测到该帧。 当目的节点检测到该数据帧的目的地址（MAC地址）为本节点地址时，就继续接收该帧中包含的数据，同时给源节点返回一个响应。当有两个或更多的节点在同一时间都发送了数据，在信道上就造成了帧的重叠，导致冲突出现。为了克服这种冲突，在总线LAN中常采用CSMA/CD协议，即带有冲突检测的载波侦听多路访问协议，它是一种随机争用型的介质访问控制方法。,5.2.1 CSMA/CD(载波侦察听多路访问/冲突检测),16,具有冲突检测的

9、载波监听多路访问CSMA/CD,CSMA/CD这种协议已广泛应用于局域网中。 其主要的原理是：使发送站点传输过程中仍继续监听媒体，以检测是否存在冲突。如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其它各有关站点。,17,CSMA/CD协议的工作过程,CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为： 先听后发、 边听边发、 冲突停发、 延迟重发。,18,CSMA/CD协议的特点,在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各节点通过竞争的方法强占对媒体的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。

10、因此，节点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。 结构简单、网络维护方便、增删节点容易，网络在轻负载（节点数较少）的情况下效率较高。但是随着网络中节点数量的增加，传递信息量增大，即在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明显下降。,19,5.2. 2令牌环,A,B,D,C,站点,干线耦合器,单向环,点到点链路,在令牌环介质访问控制方法中，使用了一个沿着环路循环的令牌。网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据，没有获取令牌的节点不能发送数据，因此，使用令牌环的LAN中不会产生冲突。,20,令牌环网的工作原理,令牌环网由一组用传输媒体串联而成的

11、多个工作站组成。（不能用以太网卡） 因为所有工作站都共有一条信道，所以也要解决冲突问题。 通过设置令牌来控制。 令牌：具有特殊性质的帧。平时不停地在环路上流动。 若各站无数据发送时，称为空闲令牌。 工作原理分三个步骤：,21,（1）截获令牌与发送帧,一个站要发送数据，必须先截获令牌，即空闲令牌传送到正准备发送数据的工作站时，该站将空闲令牌截获下来； 将空闲令牌的标志转变成信息帧的标志，此时令牌变为忙令牌； 再将要传送的数据字段加上去，构成要发送的非令牌帧送到环上。,22,（2）接收帧与转发帧,非令牌帧每经过一站，该站的转发器便将帧内的目的地址与本站地址相比较； 若相符：复制该帧，送入本站，并在

12、该帧加入已复制标志，同时将其转发至下一站（因为可能发送给多个站）。 若不符：只往下站转发。,23,（3）撤消帧与重新发令牌,当非令牌帧返回发送站时，源站不再进行转发，而是对返回的非令牌帧进行检查，判断是否发送成功： 若成功 撤消所发送数据帧，生成新令牌发送到环上。 若不成功（源站发现目的站并没有复制该帧） 重新发送该帧。,24,Token Ring/802.5的操作举例,25,Token Ring的特点,由于每个节点不是随机的争用信道，不会出现冲突，因此称它是一种确定型的介质访问控制方法，而且每个节点发送数据的延迟时间可以确定。 在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。 在重负载时，对各

13、节点公平，且效率高。 采用令牌环的局域网还可以对各节点设置不同的优先级，具有高优先级的节点可以先发送数据，比如某个节点需要传输实时性的数据，就可以申请高优先级。,26,5.2.3 令牌总线访问控制,CSMA/CD采用用户访问总线时间不确定的随机竞争方式，有结构简单、轻负载时时延小等特点，但当网络通讯负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延时增加，性能明显下降。 令牌环在重负荷下利用率高，网络性能对传输距离不敏感。但令牌环网控制复杂，并存在可靠性保证等问题。 令牌总线综合CSMA/CD与令牌环两种介质访问方式的优点的基础上而形成的一种介质访问控制方式。,27,令牌总线 这种方式采用总线网

14、络拓扑，但不同的是网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。为了保证逻辑闭合环路的形成，每个结点都动态地维护着一个连接表，该表记录着本结点在环路中的前继、后继和本结点的地址，每个结点根据后继地址确定下一占有令牌的结点 ，如图所示。,5.2.3 令牌总线访问控制,28,29,与令牌环一致，只有获得令牌的结点才能发送数据。在正常工作时，当结点完成数据帧的发送后，将令牌传送给下一个结点。 从逻辑上看，令牌是按地址的递减顺序传给下一个结点的。 而从物理上看，带有地址字段的令牌帧广播到总线上的所有结点，只有结点地址和令牌帧的目的地址相符的结点才有权获得令牌。,5.2.3 令牌总线访问控制,30,获得令牌的结

15、点，如果有数据要发送，则可立即传送数据帧，完成发送后再将令牌传送给下一个结点；如果没有数据要发送，则应立即将令牌传送给下一个结点。由于总线上每一结点接收令牌的过程是按顺序依次进行的，因此所有结点都有的访问权。为了使结点等待令牌的时间是确定的，需要限制每一结点发送数据帧的最大长度。 网络中令牌的传送是按逻辑环路进行的，而数据的传送却是在两站之间直接进行的，这样的网络称为逻辑环网。 。,5.2.3 令牌总线访问控制,31,Token Bus的特点,令牌总线适用于重负载的网络中，数据发送的延迟时间确定，适合实时性的数据传输等。 网络管理较为复杂，网络必须有初始化的功能，以生成一个顺序访问的次序。 令

16、牌总线访问控制的复杂性高：网络中的令牌丢失，出现多个令牌、将新节点加入到环中，从环中删除不工作的节点等。,32,逻辑环网与物理环网对比,物理环网：传送数据必须按环路进行，延迟长。 逻辑环网：传送数据有直接通路。所以逻辑环网延迟时间短。,33,逻辑环网与竞争型总线网对比,随着网络负载的增加，总线网冲突增加，效率迅速下降，而逻辑环网没有冲突问题，在重负载时具有较高的效率。 总线网各站平等，访问和响应都具有随机性，属于概率性网，不能满足实时性要求； 逻辑网引入优先权策略实现数据的优先传送。访问时间和响应时间都具有确定性，因而具有良好的实时性。工业控制中首选令牌总线网。,5.3 以太网技术,以太网的产

17、生与发展 70年代中期由施乐公司（Bob Metcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网） 最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的 经DEC, Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准） DIX V1（1980）、DIX V2（1982）Ethernet II 特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆 1985年被采纳为IEEE 802.3，支持多种传输媒体。 “带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范” Ethernet II和IEEE 802.3二者区别很小 仅是帧格式和支持的传输介质略有不同 目前已发展到万兆以太网

18、，仍在继续发展 ,一种在以前被假定为电磁波的传播介质，具有绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特性。,5.3.1 以太网的产生和发展,IEEE 802.3 以太网标准（主要的）,传统以太网：10Mb/s 802.3 粗同轴电缆 802.3a 细同轴电缆 802.3i 双绞线 802.3j 光纤 快速以太网（FE）：100Mb/s 802.3u 双绞线，光纤 千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s） 802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 802.3ab 双绞线 万兆以太网（10GE）：10Gb/s 802.3ae 光纤,Ethernet/802.3操作,任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD

19、协议； 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）； 只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据； 目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。,Ethernet / IEEE802.3帧格式,PR： 前导码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界符 10101011，表示一帧的开始 DA/SA：目的/源MAC地址 LEN： 数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-1500 Type： 类型，高层协议标识 LLC-PDU（Data）：数据，最少46字节, 最多1500字节，不够时以Pad填充 Pad： 填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节

20、 FCS： 帧校验序列（CRC-32）,用途：保证帧长64字节,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始 定界符,7 字节,1 字节,8 字节,插入,IP层,目的地址,源地址,类型,数 据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,以太网的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,目的地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,源地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,

21、以太网 V2 的 MAC 帧格式,类型字段 2 字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,数据字段 46 1500 字节,数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,FCS 字段 4 字节,当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。,当数据字段的长度小于 46 字节时，

22、应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。,为了达到比特同步， 在传输媒体上实际传送的 要比 MAC 帧还多 8 个字节,数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64

23、1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。,无效的 MAC 帧,帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。,帧间最小间隔,48 位的 MAC 地址,IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。 一个地址块可以生成224个不同的

24、地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。 “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。,IEEE802.3标准规定： MAC地址的长度为6个字节，共48位； 可表示24670万亿个地址（有2位用于特殊用途） 高24位称为机构惟一标识符OUI ，由IEEE统一分配给设备生产厂商； 如3COM公司的OUI=02608C 低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。,也可以是2个字节，但这种格式的地址很少使用。,I/G,OUI（22位）,G/L,EI（24位）,MAC地址的三种类型： 单播地址：（I/G0） 拥有单播地

25、址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点。点对点传输 多播地址：（I/G1） 拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点。点对多点传输 广播地址：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF） 拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输 注意，以上分类只适用于目的地址。,5.3.2 传统以太网,传统以太网可使用的传输媒体有四种： 铜缆（粗缆或细缆） 铜线（双绞线） 光缆 这样， IEEE 802.3就有四种不同的物理层（四种介质规范）。,10Mbps以太网的中继规则,大多数网络中都有对连接网段的转发器（集线器）数目的限制。在10Mbps的以太网中，使用 5-4-3

26、-2-1的规则： 总共允许有5个网段（每个网段500米）； 在信道上只允许连接4个转发器； 可以有3个网段连接客户机； 额外2个不能连接客户机的网段用于将网络延伸到其他位置； 以上组成1个大型的冲突域，最大站数1024个，全网直径2500米； 再增加网段或转发器会导致定时问题，影响以太网的冲突检测；,同轴电缆以太网,1 粗缆以太网（10BASE5） 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 总线型拓扑,2 细缆以太网（ 10Base2 ） 细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器 轻便、灵活、成本较低 总线型拓扑,每段最大长度 185m 每段最多站点数 3

27、0,0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,终端匹配器,双绞线（UTP），两头压接RJ45连接器； 所有站点都与HUB （集线器）相连接； HUB的作用：信号放大与整形 星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。 轻便、安装密度高、便于维护,NIC,HUB,双绞线以太网（10Base-T）,光纤以太网(10Base-F),使用光纤介质； 两根62.5/125m多模光纤，收发各一根 星形拓扑结构； 通常用于远距离网络连接； 主要类型： FOIRL（光纤中继器间链路） 用于连接两个HUB（或中继器） 链路间最大距离1 km 10Base-FL（用以替代FOIRL） 链路间最大距离2 km

28、任意两节点间的中继器数6个 光纤与其他介质可使用介质转换器进行转换 介质转换器是可连接不同介质的中继器,【例1】CSMA/CD在网络通信负荷（ ）时表现出较好的吞吐率与延迟特性。 A）较低 B）较高 C）平稳 D）较快 答案:A 【例2】CSMA/CD的发送流程可以简单地概括为四点：_、边听边发、_、随机延迟后重发。 答案:先听后发 冲突停止 【例3】在千兆以太网IEEE802.3Z标准中，IEEE802.3z标准在MAC子层使用CSMA/CD方法，在LLC子层使用哪个标准（ ） A）IEEE802.1 B）IEEE802.2 C）IEEE802.3 D）IEEE802.4 答案:B,例题,【

29、例4】以下哪个地址是Ethernet的物理地址？（ ） A)10.254.1.220 B)00-60-08-00-A6-38 C)10-65-08 D)10.0.0.1 答案:B,例题,扩展的局域网1 在物理层扩展局域网,主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器,以太网 集线器,光纤,光纤 调制解调器,光纤 调制解调器,某大学有三个系，各自有一个局域网,用多个集线器可连成更大的局域网,三个独立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中,一系,三系,二系,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,优点 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进

30、行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,用集线器扩展局域网,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口,2 在数据链路层扩展局域网,网桥使各网段成为隔离开的碰撞域,B2,B1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控

31、制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,使用网桥带来的缺点,集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。,网桥和集线器（或转发器）不同,3 用以太网交换机扩展局域网,一系,三系,二系,10BASE-T,至因特网,100 Mb/s,100 Mb/s,100 Mb/s,万维网 服务器,电子邮件 服务器,以太网 交换机,路由器,5.3.3 高速局域

32、网,问题： 局域网的规模不断的扩大，网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率急剧下降，网络传输延迟增长，网络服务质量下降 解决方法： 提高数据传输速率 用网桥与路由器隔离子网之间的交通量 将“共享介质方式”改为“交换方式” 交换式局域网的核心设备是局域网交换机，多个端口之间建立多个并发连接,快速以太网的传输速率比普通以太网快10倍，保留了传统以太网的所有特性，包括相同的数据帧格式、介质访问控制方式和组网方法。 标准：IEEE802.3 与以太网的区别： 每个比特的发送时间从100ns降低到10ns。 不再使用同轴电缆作为传输介质，而主要使用双绞线和光纤。 在MAC子层和物理层之间

33、增加了MII（介质独立性接口），使物理层在实现100Mbps速率时所使用的传输介质和编码方式的变化不会影响到MAC子层。,1. 快速以太网（Fast Ethernet，FE）,快速以太网的体系结构,1. 快速以太网（续）,快速以太网传输介质标准 100 BASE TX： 支持2对5类UTP或2对1类STP。距离可达100m 100 BASE T4 支持4对3类UTP，3对用于数据传输，1对用于冲突检测 100 BASE FX 支持2芯的单模或多模光纤，距离可达2km,1. 快速以太网（续）,100BASE-TX,100BASE-FX,100BASE-T4,传输介质,2对，STP,2对，5类UT

34、P,2条光纤,4对，3、4或5类UTP,信号技术,MLT-3,MLT-3,4B/5B、RZI,8B/6T、NRZ,数据速率,100Mbps,100Mbps,100Mbps,100Mbps,单线长度,100m,100m,100m,100m,网络跨度,200m,200m,400m,200m,快速以太网的应用 主干连接 需要高带宽的服务器和高性能工作站 网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站 向桌面系统普及,2.千兆位以太网,帧格式、介质访问控制方式和组网方法与以太网相同 定义了千兆介质专用接口GMII，将MAC子层和物理层分开,千兆以太网的物理层技术,千兆位介质无关接口（GMII）,千兆以

35、太网的组网方式 1000Base-SX 使用短波激光作为信号源的媒体技术 不支持单模光纤，仅支持62.5m和50m两种多模光纤。 对于62.5m多模光纤，全双工模式下最大传输距离为275m，对于50m多模光纤，全双工模式下最大传输距离为550m。 1000Base-LX 使用长波激光作为信号源的媒体技术 它可以驱动多模光纤和单模光纤 对于多模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离为550m；对于单模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离可达3km。,2.千兆位以太网（续）,千兆以太网的组网方式 1000Base-CX 传输介质：短距离屏蔽铜缆 最长距离达25m 1000BASE-T 第二个铜线标准

36、IEEE 802.3ab 使用5类无屏蔽双绞线的千兆以太网标准 最长传输距离为100m，网络直径可达200m,2.千兆位以太网（续）,千兆以太网的拓扑结构 在半双工方式时，网络跨距减小很多： 任意两个站点间最多只能有一个中继器 在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器的特性有关： 站点间允许有多台千兆设备，可以构造较大范围的网络,千兆以太网的应用 交换机到交换机的连接或园区网之间的主干连接，例如两个校区之间的链路； 将网络交换机之间的10/100M链路用1000M链路代替，可以显著地提高网络的整体性能。 具有高带宽需求的服务器集群或某些高性能工作站与网络主干之间的连接； 通过网络服务器中配置的

37、千兆以太网卡，可以建立与交换机之间的1000M连接，极大地提高了服务器的传输带宽。 企业网络或园区网络的主干； 千兆位以太网交换机能同时支持多台100Mbit/s交换机、路由器、集线器和服务器等设备。同时，以千兆位以太网交换机为核心的主干网络能支撑更多的网段，每个网段有更多的节点及更高的带宽。 多机系统主机之间的互联。,万兆位以太网的特征 传输速率为10Gb/s； 保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度； 不再使用CSMA/CD协议； 只能工作在全双工方式； 只使用光纤（多模或单模）作为传输介质； 支持两种类型的物理层：10Gbit/s局域网物理层和10Gbit/s广域网物理层： 多

38、个万兆位以太网可以通过SONET/SDH网络实现广域连接，使用单模光纤时端到端的传输距离可达上百公里。 标准：IEEE 802.3ae，2002年公布 局域网物理层： 10GBase-X和10GBase-R，MMF:300m，SMF:几十km； 广域网物理层： 10GBase-W，SMF:几百km以上。,3 万兆位以太网,【例】将传输速率达到或超过以下哪个范围的局域网称为高速局域网（ ）。 A)1Mb/s B)1Gb/s C)100Mb/s D)48kb/s 答案:C,例题,共享式以太网所存在的问题,以集线器为中心的以太网，当连网的计算机数目增长时，每个主机获得的带宽急剧地减少，不能满足某些带

39、宽要求较高的应用。 以集线器扩展的网络，仍为一个冲突域，当节点数目增大时，冲突域也随之增长，重负荷下可能导致网络瘫痪。 为解决共享式以太网所存在的上述问题，交换式以太网应运而生。,5.5 交换式以太网,交换式局域网的基本结构,1交换机的基本概念 “共享端口”“专用端口” 端口之间可有多个并发连接,交换式局域网的基本结构（续）,交换机的技术特点 低交换传输延迟 从传输延迟时间的量级来看，局域网交换机延迟为几十s，网桥为几百s，路由器为几千s。 高传输带宽 对于10Mbps的端口，半双工端口带宽为10Mbps，而全双工端口带宽为20Mbps； 对于100Mbps的端口，半双工端口带宽为100Mbp

40、s，而全双工端口带宽为200Mbps。 允许不同速率的端口共存 采用了自动侦测（Autosense）技术时，交换机端口可以同时支持10Mbps/100Mbps、全双工/半双工两种工作方式 支持虚拟局域网服务,局域网交换机的工作原理,交换机的工作原理,交换机对数据的转发是以网络节点计算机的MAC地址为基础的。,局域网交换机的工作原理（续）,2“端口号/MAC地址映射表”的建立与维护 需要解决两个问题： 交换机如何知道哪个结点连接到哪个端口； 当结点从交换机的一个端口转移到另一个端口时，交换机如何维护地址映射表。 交换机是利用“地址学习”方法来动态维护端口/MAC地址映射表。,局域网交换机的工作原

41、理（续）,3交换机的帧转发方式 直接交换方式(cut through)： 只要接收并检测到目的地址字段，立即将该帧转发出去，而不管这一帧是否出错，帧出错检测任务由主机完成。 优点：转发速度快 缺点：可靠性差 存储转发方式(store and forward)： 完整的接收发送帧，先进行差错检测，如果没错，则根据帧目的地址确定输出端口号，然后再转发出去。 优点：可靠性强 缺点：转发速度慢 改进的直接交换方式 转发速度和可靠性兼顾,交换式以太网举例,交换式以太网 采用交换机作为中央设备的以太网成为交换式以太网； 交换机提供了多个通道，允许多个用户之间同时进行数据传输 ；,【例】在交换式局域网中，如

42、果交换机采用直接交换方式，那么帧出错检测任务由( ) A)结点主机完成 B)交换机完成 C)交换机与结点共同完成 D)高层协议完成 答案:A,例题,一、问题的提出 二层交换的问题是，其工作是基于MAC地址，不涉及网络层的功能，没有路由能力，当转发目的地址不明的帧时，只能广播该帧，这样，在多个局域网经由网桥和交换机连接成的大网中，会造成广播风暴，造成拥塞。 路由器存在的问题是，路由器的大部分功能均由软件实现，造成延时长，吞吐率受到限制。由于路由器是无连接的设备，转发的一连串帧均是独立进行的，不可能利用帧间的联系以加快转发速度。例如发往同一目的地址的IP包尽管有相同的目的地址，经过路由器时，也是一

43、个一个数据包进行拆包和打包。路由器往往成为网络中的瓶颈。,三层交换技术,交换机是基于硬件结构的，对帧的转发处理过程非常简单，可以达到很高的吞吐量，尤其是虚拟局域网技术的出现，可以把不同位置、不同局域网中的主机分配到不同的VLAN中，成为一个独立的管理域，但VLAN间的通信又必须经过路由器才能实现。 一个想法是使交换机既保持高性能，又具有路由能力，这种思想导致了三层路由交换机的出现。三层交换机能够实现路由器的全部功能，主要用于企业网的组网。,三层交换技术就是将路由技术与交换技术合二为一的技术。三层交换机在对第一个数据流进行路由后，将会产生一个MAC地址与IP地址的映射表，当同样的数据流再次通过时

44、，将根据此映射表直接从二层进行交换而不是再次路由，提供线速性能，从而消除了路由器进行路由选择而造成网络的延迟，提高了数据包转发的效率。简单地说，三层交换技术就是：二层交换技术三层转发技术。 三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。,二、三层交换概念,二层交换技术从网桥发展到VLAN（虚拟局域网），在局域网建设和改造中得到了广泛的应用。第二层交换技术是工作在OSI七层网络模型中的第二层，即数据链路层。它按照所接收到数据包的目的MAC地址来进行转发，对于网络层或者高层协议来说是透明的。它不处理网络层的I

45、P地址，不处理高层协议的诸如TCP、UDP的端口地址，它只需要数据包的物理地址即MAC地址，数据交换是靠硬件来实现的，其速度相当快，这是二层交换的一个显著的优点。 但是，二层交换机不能处理不同IP子网之间的数据交换。传统的路由器可以处理大量的跨越IP子网的数据包，但是它的转发效率比二层低，因此要想利用二层转发效率高这一优点，又要处理三层IP数据包，三层交换技术就诞生了。,三、三层交换技术的产生原因,路由器一般通过微处理器执行数据包交换(软件实现路由)，而三层交换机通过硬件执行数据包交换。 处于同一个局域网中的各子网的互联，可以用三层交换机来代替路由器，但局域网必须与公网互联以实现跨地域的网络，

46、这时路由器就不可缺少。 三层交换机现在还不能提供完整的路由选择协议，而路由器则具备同时处理多个协议的能力。当连接不同协议的网络，像以太网和令牌环的组合网络，依靠三层交换机是不可能完成网间数据传输的。除此之外，路由器还具有第四层网络管理能力，这也是三层交换机所不具备的。所以，三层交换机并不等于路由器，也不可能完全取代路由器。,四、路由器和三层交换机功能对比分析,三层交换机可以根据其处理数据的不同而分为纯硬件和纯软件两大类。 （1）纯硬件的三层技术相对来说技术复杂，成本高，但是速度快，性能好，带负载能力强。其原理是，采用ASIC芯片，采用硬件的方式进行路由表的查找和刷新。如下页图。其工作原理如下所

47、述： 当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层转发，否则将数据送至三层引擎。在三层引擎中，ASIC芯片查找相应的路由表信息，与数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据包到目的主机，得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二层芯片转发该数据包。,五、三层交换机的分类,（2）基于软件的三层交换机技术较简单，但速度较慢，不适合作为主干。其原理是，采用CPU用软件的方式查找路由表。 当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层转发否则将数据送至CPU。CPU查找相应的路由

48、表信息，与数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据包到目的主机得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二层芯片转发该数据包。因为低价CPU处理速度较慢，因此这种三层交换机处理速度较慢。,六、三层交换机工作原理,（1）发送站点A在开始发送时，已知目的站的IP地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。要采用地址解析(ARP)来确定目的站的MAC地址。 （2）发送站把自己的IP地址与目的站的IP地址比较，采用其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定目的站是否与自己在同一子网内。 （3）若目的站B与发送站A在同一子网内，A广播一个ARP请求，B返回其MAC地址，A得到目的站点

49、B的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC地址封包转发数据，第二层交换模块查找MAC地址表确定将数据包发向目的端口。,（4）若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站C通信，发送站A要向缺省网关发出ARP(地址解析)封包，而缺省网关的IP地址已经在系统软件中设置。这个IP地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。所以当发送站A对缺省网关的IP地址广播出一个ARP请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到目的站B的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP请求，目的站C得到此ARP请求后向第三层交换模块回复其MAC地址，第三

50、层交换模块保存此地址并回复给发送站A。 （5）以后，当再进行A与C之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MAC地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。,六、三层交换机工作原理,5.6 虚拟局域网VLAN,5.6.1 虚拟局域网概念,将局域网上的用户或节点划分成若干“逻辑工作组” 逻辑组的用户或节点可以根据功能、部门、应用等因素划分而无须考虑它们所处的物理位置 利用以太网交换机就可以配置VLAN,利用共享式以太网需要做些什么？,一个逻辑工作组的站点需要移到另一个逻辑工作组（如站点从LAN1移动到LAN3） 一个逻辑工作组的站点需要物理位置的移动（如LAN1中的站点从1楼移动到3楼） 移动站点的物理位置或逻辑工作组有时需要重新布线,利用共享式以太网需要做些什么？,一个逻辑工作组的站点需要移到另一个逻辑工作组（如站点从LAN1移动到LAN3） 一个逻辑工作组的站点需要物理位置的移动（如LAN1中的站点从1楼移动到3楼） 以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理,在一台交换机上配