高速网络技术

1、第6章 高速网络技术自20世纪60年代末美国国防部高级研究计划局（ARPA）主持研制的ARPANET投入运行以来，计算机网络的发展就进入了一个崭新的纪元。70年代中期，CCITT制定了分组交换网标准X.25。70年代后期，微型计算机的广泛使用促进了局域网的普及。进入80年代以来，随着计算机及通信技术的发展以及通信业务的多媒体化，使得宽带通信技术获得了迅速发展。FDDI、ATM、千兆位以太网，当今的网络技术精彩纷呈。本章将着重介绍一些常用的高速网络技术。6.1 高速总线网数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术，能够为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽。电气

2、和电子工程师协会（IEEE）专门成立了快速以太网研究组评估以太网传输速率提升到100Mbps的可行性。该研究组织为快速以太网的发展确立了重要目标，但是在采用哪一种媒体访问方法的问题上却产生了严重的分歧，最终导致研究小组分化为快速以太网联盟和100VG-AnyLAN论坛两个不同的组织。每一个组织都制定了自己的以太网高速运行规范，即100BaseT和100VG-AnyLAN（适用于令牌环网）。千兆以太网是对IEEE 802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率（100Mbps）提高了10倍，达到了1 Gbps。因为千兆以太网是以太网技术的改进和提高，所以在以太网和

3、千兆以太网之间可以实现平滑升级。6.1.1 快速以太网1快速以太网的发展100BASE-T最初是基于Grand Tunction Networks公司的100BASE-X技术发展而来的，并由快速以太网（Fast Ethernet）联盟所推动。100BASE-T快速以太网标准是10BASE-T以太网（Ethernet）标准的扩展，它保留了众所周知的以太网观念，同时开发了新的传输技术，使网络速度提高了十倍。100BASE-T快速以太网由IEEE802.3u标准化。它已经可靠地运行了十多年，它保留了大家所熟悉的CSMA/CD协议，从而无需对在工作站的以太网卡上执行的软件和上层协议做任何修改，就可使局

4、域网上的10BASE-T和100BASE-T节点间相互通信，并且不需要协议转换。由于100BASE-T快速以太网直接由10BASE-T以太网标准发展而来，因此，它与10BASE-T一样采用了IEEE802.3 CSMACD的MAC协议层，并具有同样的星形拓扑结构。但100BASE-T具有独特的物理层结构，以支持100Mbps的数据传输速率，并可通过双绞线或光纤媒体来进行传输。2.100BASE-T的物理层100BASE-T和10BASE-T的区别在物理层标准和网络设计方面。100BASE-T的物理层包含三种传输介质选项：100BASE-TX、100BASE-FX和100BASE-T4。（1）1

5、00BASE-TX和100BASE-FX。100BASE-TX和100BASE-FX均采用两对链路，其中一对用于发送，另一对用于接收，每对链路可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。100BASE-TX使用两对5类非屏蔽双绞线（UTP）或两对一类屏蔽双绞线（STP），100BASE-FX则使用2芯的多模或单模光纤。100BASE-TX的100Mbps传输速率是通过加快发送信号（提高10倍）、使用高质双绞线以及缩短电缆长度实现的。100BASE-TX使用与以太网完全相同的标准协议，但物理层却采用ANSITP-PMD标准，信号编码与FDDI标准相同，采用4B/5B编码方案。它的处理速率高达1

6、25MHz以上的时钟信号，而每5个时钟周期为一组，每组发送4比特，从而保证100Mbps的传输速率。100BASE-FX无论是数据链路层还是物理层都采用与100BASE-TX相同的标准协议，它的信号编码也使用4B/5B编码方案。由于光纤介质固有的优点，所以100BASE-FX比铜线系统具有传输距离远、安全、可靠等优势。它的传输距离可达2km，因此，100BASE-FX常用于主干网连接或噪音干扰严重的场合。但在主干网应用中，由于其共享带宽所带来的问题，故很快被交换式100BASE-FX所代替。（2）100BASE-T4。是在低质量要求的4对3类非屏蔽双绞线上实现100Mbps数据速率而设计的，该

7、规范也可使用4类或5类非屏蔽双绞线。要想直接用一对3类非屏蔽双绞线获取100Mbps的数据速率几乎是不可能的。因此，100BASE-T4采用一种称为8B/6T的编码方案。该方案将原始数据流分为3股子数据流，分别在3对双绞线上传输，每个子信道的数据速率为33.3Mbps。第4对双绞线作为保留信道，可用于检测碰撞信号，在第四对线上没有数据发送。每个子信道中，（将每8位数据为单位映射成一个6位的信号码组）这样，子信道的信号传输速率便为33.3（6/8）=25Mbaud。（3）100VGAnyLan。是由HP公司和Proten公司的100BASEVG发展而来。随着IBM等公司加入，增加了对令牌环的支持

8、，从而产生100VGAnyLan。后被标准化为IEEE802.12。100VGAnyLan使用一种新的访问方法，称作按需优先级（Demand priority）。这种访问方法可以为不同类型的数据流分配不同等级的优先级，因此，100VGAnyLan适合传输多媒体信息和象电视会议等时间敏感型信息的传输。另外，100VGAnyLan能用令牌环（Token Ring）的帧格式，所以它为令牌环网向快速以太网的移植提供了一条路径。然而，由于100BASEVG抛弃了作为以太网根本特征的CSMA/CD，所以没有得到广泛承认。因此，一般所说的快速以太网指的是100BASE-T，而100BASE-VG则算是一种全

9、新的局域网标准。3.快速以太网的特点除了高速率外，快速以太网还具有以下特点：（1）采用所有一般以太网做媒体，从而保护了现有网络投资，无需改变网线。（2）采用现在流行的简单网络管理协议SNMP的网管软件和以太网管理信息库（以太MIB），所以完全兼容于现有的网管产品。（3）由于采用CSMA/CD协议，可与10BASE-T并行工作，避免了协议转换造成的系统开销，因此效率更高。（4）标准化已经形成，而代价却比较低廉。6.1.2 千兆位以太网1千兆以太网的发展随着多媒体技术，网络分布计算，桌面视频会议等应用的不断发展，用户对局域网的带宽提出了更高的要求；同时，100M快速以太网也要求主干网，服务器一级有

10、更高的带宽。另外，由于以太网的简单，实用，廉价及应用的广泛性，人们有迫切要求高网速技术与现有的以太网保持最大的兼容性。千兆以太网技术就是在这种需求背景下开始酝酿的。1996年3月成立的IEEE802.3Z工作组，专门负责千兆以太网的研究，并制定相应标准。千兆以太网使用原有以太网的帧结构、帧长及CSMA/CD协议，只是在低层将数据速率提高到了1Gbps。因此，它与标准以太网（10Mbps）及快速以太网（100Mbps）兼容。用户能在保留原有操作系统、协议结构、应用程序及网络管理平台与工具的同时、通过简单的修改，使现有的网络工作站廉价地升级到千兆位速率。2.千兆以太网的物理层协议千兆以太网的标准的

11、制定是从1995年开始，直到1998年2月，IEEE802委员会正式批准了千兆以太网标准（IEEE802.3z）。IEEE802.3z标准在LLC子层使用IEEE802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，只是在物理层作了一些必要的调整，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），它将MAC子层与物理层分隔开来。这样，物理层在实现1000Mbps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。千兆以太网的物理层协议包括1000BASE-SX、1000BASE-LX、1000BASE-CE、和1000BASE-

12、T等标准。（1）1000BASE-SX。使用芯径为50m及62.5m，工作波长为850nm的多模光纤，采用8B/10B编码方式，传输距离分别为525m和260m，适用于建筑物中同一层的短距离主干网。（2）1000BASE-LX。使用芯径为50m及62.5m的多模、单模光纤，工作波长为1300m，采用8B10B编码方式，传输距离分别是525m、550m和3000m，主要用于校园主干网。（3）1000BASE-CX。使用15平衡屏蔽双绞线（STP），采用8B/10B编码方式，传输速率为1.25Gbps，传输距离为25m，主要用于集群设备的连接，如一个交换机房的设备互联。（4）1000BASE-T。

13、使用4对5类非平衡屏蔽双绞线（UTP），传输距离为100m，主要用于结构化布线中同一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网已铺设的UTP电缆。3.千兆以太网的特点越来越拥挤的网络交通促使网络管理员寻求一种高速网络技术来解决带宽问题。尽管每个网络需要解决的问题都不相同，但千兆以太网具有以下优点：简单、直接的转移；低成本；支持新应用程序能力强；弹性化的网络设计。（1）简单、直接地转移到高性能平台。网络管理员面临的最重要问题是如何得到更高的带宽，而不改变现有的网络结构；千兆以太网可以做到这一点，它和以前的以太网以及快速以太网几乎一样；都支持相同的IEEE802.3帧格式以及全双工和流控制模式。

14、千兆以太网就是以太网，只是更快了。（2）以太网帧格式。千兆以太网和低速以太网的连接很简单，只需通过局域网交换机或路由器就可以了。千兆以太网采用和以太网、快速以太网一样的可变长的（641514字节）IEEE802.3帧格式，这使得千兆以太网的升级极为平滑，简单易行。相反，其他高速网络技术都采用不同的帧格式。比如，ATM采用的是一个定长的信元。当以太网、快速以太网与ATM连接时，交换机或路由器必须把ATM的信元转换为以太网的帧，反之亦然。（3）全双工和半双工方式。根据IEEE802.3x的定义，当两个节点以全双工模式通信时，线路上能同时发送和接收数据包。千兆以太网在全双工模式下遵循该标准进行通信。

15、1998年后，几乎所有的千兆以太网产品都支持全双工。千兆以太网也遵循标准以太网的流控制模式以避免冲突和拥挤。当工作在半双工模式下时，千兆以太网采用基本的CSMACD协议模式来解决共享媒体的线路争夺。在千兆速度下，千兆以太网CSMACD模式被增强了，以便维护一个更大的碰撞冲突范围；如果没有这种增强模式，长度较小的以太数据包将在传输节点侦听到冲突之前传输完毕，从而违背了CSMACD的规定。6.2 光纤分布式数据接口FDDI光纤分布式数据接口（FDDI）是一个使用光纤介质传输数据的高性能环形局域网。该标准是由美国国家标准协会（ANSI）在20世纪80年代确定的，其标准号为ANSIX3T9.5。FDD

16、I以光纤作为传输介质，它的逻辑拓扑结构是一个环，更确切地说是逻辑计数循环环（Logical Counter Rotating Ring），它的物理拓扑结构可以是环形，带树形或带星形的环。FDDI的数据传输速率可达100Mbps，覆盖的范围可达几公里。FDDI采用了IEEE802的体系结构，其数据链路层中的MAC子层可以在IEEE802标准定义的LLC下操作。FDDI的应用虽不及以太网那么普遍；但由于它具有较高的可靠性，且产品比较成熟，价格也不断下降，在很多领域仍然广泛应用。FDDI不仅可用于将高速的计算机连接起来，更常常被用作一个网的主干网。6.2.1 FDDI的双环结构FDDI网络由两个数据

17、传输方向相反的环组成。它用4束光纤芯组成两个环，一个环顺时针发送，另一个环逆时针发送，如图6-1（a）。当其中一个环发生故障时，另一个环代替，如果两个环同时在一个点断路则两个环连成一个单环，如图6-1（b），从而保证通信不断。FDDI最关键的特性之一就是容错，当站出现故障或链路断开时具有自恢复能力，使网络继续工作，从而大大提高了网络的可靠性。在FDDI的双环中，一个叫做主环，一个叫做次环，主环用于数据传输，次环则作为主环的备份。图6-1 FDDI的双环结构示意图FDDI规范定义了两种节点的入网方式。单端口连接点（SAS）连接到双环的一个环上，而双端口连接点（DAS）则连接在双环的两个环上。前者

18、比较便宜，但需要有源集中器，且无冗余功能，如一般工作站；后者比较贵且复杂，但可以提供冗余功能，如FDDI路由器、FDDI网桥和FDDI集中器等。采用星型拓扑，SAS通过集中器连接在主环上，该集中器可连接多个SAS入网，可以减少连接成本。采用集中器方式，可以保证在任何SAS掉电或故障情况下不影响FDDI环的运行，这一特性对于频繁开关电源的PC机或类似的设备连接到FDDI环上的情况特别有用。一个典型的FDDI站点如图6-2所示。图6-2 FDDI站点FDDI在一个单独的局域网上可以支持多达500个工作站，其最长的网络距离为200千米。6.2.2 FDDI标准FDDI是一种物理层和数据链路层标准，它

19、规定了光纤媒体、光收发器、信号传输速率和编解码、媒体访问控制、帧格式、分布式管理协议和允许使用的网络拓扑结构等规范。FDDI标准有四个组成部分（见图6-3），数据链路层的媒体访问控制子层MAC，物理层协议子层PHY，物理媒体相关子层PMD和站管理SMT。图6-3 FDDI协议体系结构及与OSI的相互关系1媒体访问控制子层MAC媒体访问控制子层MAC定义了媒体访问、编址、帧格式和令牌管理等规范，主要功能包括构成帧和令牌、从环路接收和发送帧、差错检测、环初始化、故障隔离等。FDDI的MAC协议接近802.5协议模型，为传输数据，站必须首先捕获一个令牌，然后发送一帧，当这帧从环上传回来时，将它从环上

20、撤销。FDDI与IEEE802.5的区别在于：在IEEE802.5中，直到数据帧全部发送到环上并且传回来之前发送站不会生成新令牌。而FDDI允许发送站一旦发送完一帧就可以把一个新的令牌放到环上。事实上，在一个环上可能同时存在好几个帧在传输。2物理层协议子层PHY物理层协议子层PHY定义了与介质无关的物理层部分，包括编码和解码、时钟同步等。完成100Mbps的数据传输，若用4B/5B编码方案，线路速率为125M；若用曼彻斯特编码，线路速率为200M。为了节约带宽，FDDI使用4B/5B编码方案，但是失去了曼彻斯特编码的自带同步性。FDDI网要求环周长最大距离为100km，相邻站点之间的距离2km

21、。如果使用单模光纤，站间的间距可达4060km。3物理媒体相关子层PMD物理媒体相关子层PMD协议定义了与介质相关的物理层部分，在一个FDDI网络中提供站之间数字的基带点到点通信；提供从一个站到另一个站传送编码位流所需要的服务。它定义并特征化光纤驱动器和接收器、线缆、连接器、电源供给、光旁通以及其他物理硬件有关的特性。PMD包括多模光纤的PMD标准MMF-PMD、单模光纤的PMD标准SMF-PMD和FDDI到SONET的物理层映射SPM标准。FDDI可以利用两种类型的光纤：单模和多模。单模光纤比多模光纤具有更高的带宽和更长的延伸距离；单模光纤通常用激光作为光源；多模光纤则利用发光二极管作为光源

22、。用于LAN范围的FDDI大多采用多模光纤，波长为1300nm，频宽为500MHz，衰减为1.5dbkm。用于WAN范围的FDDI则需要采用单模光纤。为了降低成本，扩大FDDI的应用范围，用双绞线作为FDDI网络的传输介质，其相应的标准为铜质分布式数据接口CDDI。它是一种基于双绞线的FDDI标准，在物理媒体相关子层采用一种称为TP-PMD的技术，通过UTP和STP两种电缆实现站点的连接，并支持100米的最大距离。4站管理SMT站管理SMT主要定义站的配置，环配置和环的控制功能。包括相邻站的识别；站的插入与删除和站的初始化；站的错误检测及失效隔离与恢复；站的流量检测和时序安排等。6.2.3 数

23、据编码在局域网中广泛使用差分曼彻斯特编码方案，其优点是每个比特信号都传送时钟信息，便于接收方进行时钟同步。但如果100Mbps的FDDI也采用差分曼彻斯特编码，则波特率为200Mbaud，这无疑增加了硬件实现的难度。为此，FDDI采用一种新的编码技术，称为4B/5B。在这种编码技术中，每次对4位数据进行编码，每4位数据编码成5位符号，用光的存在与否来表示5位符号中的每一位是1还是0。这种编码技术使效率提高为80。对100Mb/s的光纤网只需125MHz的元器件就可以实现。为了得到信号同步，采用二级编码的方法，先按4B/5B编码，然后再用一种称为倒相的不归零制编码（NRZI），其原理类似于差分编

24、码。4B/5B编码如表6-1。表6-1 4B/5B编码6.2.4 FDDI帧格式FDDI的帧格式如图6-4所示。图6-4 FDDI帧下面分别说明FDDI帧各个字段的含义。PA：前导位。用以和节点的时钟同步，对于每个节点预示着一个帧的到来。SD：开始定界符。一个字节，表明一个帧的开始，它包括与其他帧不同的信号模式。FC：帧控制。格式为“CLFFZZZZ”，C标识是同步帧还是异步帧，L标识使用16位地址还是48位地址，FF标识是LLC帧还是MAC控制帧，最后几位标识控制帧的类型。DA：目的地址，包含单路、多路或广播的地址。FDDI的目的地址包括6个字节。SA：源地址。标识发送帧的那个节点地址。FD

25、DI的源地址和目的地址一样，也包括6个字节。INFO：数据。包含上层传送过来的数据或者控制信息。FCS：帧检验序列。长度为4个字节。由源节点根据帧的内容填入循环冗余校验的值。目的节点重新计算该值，以判断该帧在传输过程中是否出现差错。如果出现差错，则该帧将被丢弃。ED：结束定界符。包含一些非数据信息用以标识帧结束。FS：帧状态。一个字节。使源节点可以判定是否该帧出现了差错和该帧是否被接收节点确认和复制。FDDI使用与IEEE802.5相似的媒体访问控制方案，即当某站获得空闲令牌后方可发送数据。但在令牌处理上是有区别的。在IEEE802.5令牌环网络中，一个站获得空闲令牌后发送一帧数据，中途目标站

26、将数据复制到自己的站中并在帧状态字节设置响应信息，该帧绕环一周返回源站，当源站将帧从环上取消后产生一个空闲令牌。这样环中任何时候都只有一帧在传输。在FDDI网络中，虽然也只有一个令牌，但源站发完数据帧后立即产生空闲令牌，下一站获得该空闲令牌后就可发送数据帧，而此时前一个站发出的帧可能还没有到达它的源站，因此环中可能同时存在多帧数据同时传输，大大提高了传输效率。每个站都能检测经过的帧，若发现错误，置E标志；若发现目的地址就是本站地址，置A标志，当数据已被复制到站内，置C标志。当帧被吸收时，通过检查FS字段内的状态标志可得知传输结果。如果发现错误或未被接收的情况，MAC协议实体并不试图重发而是把这

27、一情况报告给LLC，由LLC或更高层协议负责采取相应措施。6.3 交换局域网以太网、快速以太网、FDDI和令牌环网常被称为传统局域网，它们都是共享介质、共享带宽的共享式局域网。由于传统共享媒体局域网的共享特性（在一时间段，只有一台机器有权发送信息），网络系统的效率随着网络节点数目的增加和应用的深入而大大降低。在传统的网络应用环境中，共享式局域网确实提供足够的带宽，而随着网络多媒体技术的发展，共享式局域网就无法提供网络应用所需的带宽。为了得到更高的网络效率，人们只有增加更多的路由器，划分更多的子网段，使网络的投资和管理成本都急剧上升。将交换技术引入局域网，可以使局域网的各个端口并行地、安全地、同

28、时地相互传送信息，且交换以太网的带宽可以随着网络用户的增加而扩充，较好地解决局域网的带宽问题。目前已有交换以太网、交换令牌环、交换FDDI和ATM等交换局域网，其中交换以太网应用最为广泛。交换局域网已成为当今局域网技术的主流。6.3.1 共享与交换网络最初，LAN在共享的环境中运行，例如以太网、令牌网、FDDI等，它们有各自的规则来规范相应的数据传输。传统的以太网采用CSMACD技术，共享一个10兆的总线、集线器、重发器、集中器等，用一种广播形式来传递数据，每一个工作站能接收来自所有其他站点的数据，但是不能有两个站点同时发送数据，否则将发生碰撞。一旦发生碰撞，两个站点都停止发送，并且等待一定的

29、时间后重新采用CSMACD有关规则来发送数据。网桥、路由器、交换机都试图解决共享网络的效率问题，例如，一个两端口的网桥把一个以太网分为两个网段：每一个网段是一个共享以太网，这两个网段之间相对隔离只有数据需要传递到另一个网段时才需要网桥的转发。这样降低了碰撞发生，从而提高网络的效率。相反，路由器则实现不同逻辑网络的互连，同样能降低碰撞发生。从逻辑上讲，交换机是一个多端口的网桥，交换机和网桥不同之处在于：交换机比网桥转发速度快，因为交换机用硬件实现交换，网桥使用软件实现交换；交换机能提供不同速率的端口，连接不同带宽的局域网；交换机比网桥提供更多和更高密度的端口；网桥仅支持存储转发交换模式，而交换机

30、除了支持存储转发模式外，还提供一种直通模式。直通模式减少了网络响应和网络延迟时间，使交换速度更快，但它的可靠性比存储转发模式低。交换机可以以全双工或半双工方式传输数据。全双工交换机允许数据同时在一个端口发送和接收，这样，10M的以太网在一个端口上的吞吐量可以达到20M，100M的快速以太网端口吞吐量可以达到200M。6.3.2 交换机的帧转发方式交换以太网采用存储转发技术（Store and Forward）或直通（Cut-Through）技术来实现信息帧的转发。存储转发技术是将需发送的信息帧完全接收到并存放到输入缓存后再发送至目的端口，而直通技术，是在接收到信息帧时和交换式集线器中的目的地址

31、表相比较，查找到目的地址后就直接将信息帧发送到目的端口。1直接交换当接收到一个帧的目的地址（大约一个帧的前20到30字节）后马上决定转发的目的端口，并且开始转发，而不必等待接收到一个帧的全部字节后再进行转发。相对存储转发交换技术，它具有交换延迟时间短的优点；但是在传输过程中不能进行校验，缺乏差错检测能力，也不支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发。2存储转发交换交换机首先完整的接收发送帧，并先进行差错检测。如果接收帧是正确的，则根据帧目的地址确定输出端口号，然后在转发出去。相对于直通技术而言，传递延迟比较大，但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。有一些交换机可以同时

32、使用上述两种技术，当网络误码率比较低时采用直通技术，当网络误码率较高时则采用存储转发技术。这种交换机被称为自适应交换机。6.3.3 虚拟局域网虚拟局域网（VLAN）是以交换式网络为基础，把网络上的用户（终端设备）分为若干个逻辑工作组，每个逻辑工作组就是一个VLAN。它可以按功能或应用需求对局域网加以逻辑划分，而无须考虑成员所处的地理位置。VLAN并不是一种新型的局域网技术，而是交换网络为用户提供的一种服务。它允许网络管理员使用软件实现按业务功能、网络应用、组织机构或其他任何需要，灵活的划分虚拟网，增加或删除虚拟网成员。不同VLAN之间的互连与不同物理网络互连方式相同，例如通过路由器互连等。定义

33、VLAN成员的方法有多种，主要有以下几种：按交换机端口划分VLAN，按MAC地址划分VLAN，按网络层协议划分VLAN等。1按端口划分VLAN按端口划分VLAN是一种最通用的方法，是按交换机端口定义VLAN成员，每个端口只能属于一个VLAN。这种方法配置简单而且十分有效，尤其目前在许多交换机上提供了按端口划分VLAN的界面，使得按端口配置VLAN更加方便。缺点是不能把同一个物理端口划分到不同的VLAN中，且当一个客户机从一个端口移动到另一个端口时，网管人员必须重新配置它的VLAN成员身份。这种方法又称为VLAN的静态配置。2按MAC地址划分VLAN按MAC地址划分VLAN是按每个连接到交换机设

34、备的MAC地址（物理地址）划分VLAN成员。当你在一个交换机端口上连接一台集线器，在集线器上连接了多台设备，而这些设备需要加入不同的VLAN时，你就可以使用这种方法定义VLAN成员。因为它可以按用户划分VLAN，所以常把这种方法称为基于用户的VLAN划分。在使用基于MAC地址划分VLAN时，一个交换机端口有可能属于多个VLAN，这种划分方法会使端口接收多个VLAN的广播信息，势必造成端口的拥挤。3按网络层协议划分VLAN这种方法允许两种情况，一种可以按照网络层协议类型（TCP/IP、IPX、DECNET等）划分VLAN；另一种可以按网络地址（如TCP/IP的子网地址）即IP地址划分VLAN。这

35、种方法的优点是有利于组成基于应用的VLAN。图6-5是一个应用实例，在这个应用中，客户服务部、生产部、销售部等各自可以处在不同的地方，它们可以形成各自的VLAN，这些VLAN之间互不干扰，图6-5虚拟局域网应用实例可以运行各自的网络协议，比如，客户服务部运行TCPIP协议，生产部运行SPXIPX协议，而销售部运行NetBEUI协议，如果需要互连，则可以通过路由器、服务器等实现资源共享。6.4 ISDN目前的通信网络以专用目的为其特征，如电话网、闭路电视网、电路交换网等。即对每一种业务，都必须存在一种相应的网络进行信息传输。其中电话网是最普及和完善的网络。鉴于电话网不能有效地支持非话音业务，因而

36、产生了一些专用的数据网，其中Internet就是目前世界上最大的数据网。由于网络的专门化，使网络在不同业务的兼容性、灵活性和资源的利用率等方面存在严重的缺陷，主要表现在以下方面：每一种网络只为某一特定的业务而设计，通常不能适用于其他的业务。一个特定的业务网络很难适用于变化的或新的业务要求，缺乏足够的灵活性。各个独立的专用数据网都需要自己的网络设计、建设以及维护，造成人力、物力和资源的极大浪费。因此，建立一个与业务无关的，可以支持各种业务的数据网是非常必要的，对该网络的要求是它应能传输所有的业务，并在不同的业务之间灵活分配网络资源。这种网络就是综合业务数据网（ISDN），本节将就NISDN网络的

37、基础、体系结构及参考模型进行分析。6.4.1 ISDN的体系结构ISDN的体系结构主要是用户设备和ISDN交换系统之间的接口。一个重要的概念是数字位管道，即在用户设备和传输设备之间通过数据流的管道。不管这些数据流来自数字电话、数字终端或其他设备，这些数据流都可以双向通过管道。数字位管道使用位流的时分复用来支持多个独立的通道。在数字位管道的接口规范中定义了位流的确切格式以及位流复用的方式。目前已经定义了两种位管道的标准，如果需要的话，可以配置多个位管道。两种数字位管道接口都能同时提供声音和数据服务，能在同一传输通道上进行线路交换和分组交换。接口也能以不同的数据速率和专用网相连。这两个数字位管道标

38、准接口称为基本速率接口（BRI）和一次群速率接口（PRI）。BPI包括两个传输声音和数据的64Kbps通道（B通道）和一个传输控制信息和数据的16Kbps的分组交换数据通道（D通道），BRI一般用于小的系统。PRI包括23个B通道和1个64Kbps的D通道，或30个B通道和1个D通道，管道的速率达到1.544Mbps或2.048Mbps（对应于T1或E1电路）。PRI一般用于大容量系统，如公共ISDN网。N-ISDN网络结构示意图如图6-6。图6-6 N-ISDN网络结构示意图ISDN用户终端设备主要有网络终端（NT，Network Terminator）、终端适配器（TA，Terminal

39、Adapter）、终端设备（TE，Terminal Equipment）、ISDN代理服务器和ISDN路由器等。网络终端NT分为第一类网络终端（NT1）和第二类网络终端（NT2）两种。图中在用户设备和ISDN交换系统之间放置一个网络终端设备NT1，NT1放置在靠近用户设备这一边，利用电话线和几公里以外的交换系统相连。NT1主要完成终端信号和线路信号的转换。ISDN专用小交换机PBX即为第二类网络终端NT2，NT2和NT1连接，并对各种电话、终端以及其它设备提供真正的接口。终端适配器TA位于网络终端与非ISDN终端设备之间，用于将非ISDN设备连接到ISDN线路上，TA设备通常有两个RJ11插头

40、用来连接普通电话机或G3传真机，另有一个COM接口用来连接电脑的串口。终端设备TA分为第一类终端设备TE1和第二类终端设备TE2。TE1指ISDN标准终端设备，如ISDN数字电话机、G4传真机等，用户使用这些设备不需要TA，可以直接与NT相连；TE2指非ISDN终端设备，如普通模拟电话机、G3传真机、PC机等，连接TE2设备，必须使用TA。CCITT定义了四个参考点，称为R、S、T和U，如图6-6所示。U参考点连接ISDN交换系统和NT1，目前采用两线的铜芯双绞线，今后可能被光纤代替；T参考点是NT1上提供给用户的连接器；S参考点是NT2和ISDN终端的接口；R参考点是连接终端适配器和非ISD

41、N终端，R参考点使用很多不同的接口。6.4.2 ISDN协议的参考模型ISDN协议参考模型是建立在ISOOSI参考模型的分层通信原理基础上的，ISDN和它的区别在于多通道访问接口结构以及公共通道信令，ISDN包括了多种通信模式和能力：在公共通道信令控制下的线路交换连接在B通道和D通道上的分组交换通信用户与网络之间的信令用户之间的端到端信令在公共信令的控制下同时实现多种模式的通信ISDN协议参考模型的目标是对通过ISDN的用户信息和控制信息的信息流规定一个模式。用户信息包括数字化的声音、数据、文本、图像以及其他类型信息，这些信息应可以透明地通过ISDN或在网中进行诸如编码解码、数据加密、数据压缩

42、和协议转换等。控制信息是有关信令的信息，用以控制网络的连接，对已连接的网络服务进行转换等。6.5 异步传输模式ATMATM技术问世于20世纪80年代末,是一种正在兴起的、极具革命性的高速网络技术。国际电信联盟（ITU）和ATM论坛正在制定其技术规范。ATM被电信界认为是未来宽带基本网的基础。6.5.1 ATM的产生通信网络，特别是传统的网络都具有业务特定性的特点，也就是说某一特点的通信网络总是为满足某种特点的业务需求而设计的。例如：TELEX是用于传送文字信息的；CHINAPAC是用于数据传输的；PSTN用于话音业务；CATV用于视频服务。这些网络用于提供非特定业务时均存在诸多问题。实现网络综

43、合成为网络发展的需求和方向。80年代初，首次在ISDN上实现了话音和数据业务的综合。但综合业务数字网ISDN是建立在数字网基础上的，其业务主要针对64KBPS电路交换，带宽有限而不能适应新业务和新技术的要求，特别是高清晰图象的传输。新的网络体系要求：真正实现话音、数据和图象等业务的综合。能适应现有的和将来可能的业务。能在同一网络提供低至几KBPS，高至几百MBPS的速率.它将成为B-ISDN，宽带综合业务数字网。B-ISDN包括了N-ISDN的所有业务功能，但它并不是在N-ISDN上的改进，而是一种新型的网络结构，其核心技术就是异步传输模式ATM。虽然开发ATM的原意是希望用于BISDN，但由

44、于实施的复杂性，ATM最终首先被用于局域网。现在ATM已成为局域网主干网的主流技术之一。6.5.2 ATM的基本技术为了满足以更高的位速率传输多种业务信息的需要，ATM采用了更有效的传输技术，其基本技术如下：ATM真正具有电路交换和分组交换的双重性:ATM面向连接，它需要在通信双方向建立连接，通信结束后再由信令拆除连接。但它摈弃了电路交换中采用的同步时分复用，改用异步时分复用，收发双方的时钟可以不同，可以更有效地利用带宽。ATM的传送单元是固定长度53字节的CELL（信元），信头部分包含了选择路由用的VPI/VCI信息，因而它具有交换的特点。它是一种高速分组交换，在协议上它将OSI第三层的纠错

45、、流控功能转移到智能终端上完成，降低了网络时延，提高了交换速度。ATM中采用信元承载数据：在ATM中，将数据分割成小的，固定长度的包，我们称之为信元。信元的长度固定为53字节。短而固定的信元长度有助于确定信元时延和减少网络节点交换机上的缓冲区资源。53个字节中有5个字节的控制信息和48个字节净荷（即数据信息），协议负载大大减小。在ATM网络中，用户网络接口UNI定义了主机与ATM交换机之间的接口，网络网络接口NNI定义了两个ATM交换机之间的接口。两种接口对应的信元头格式有所不同，ATM的信元格式如图6-7。图6-7 ATM的信元格式GFC（Generic Flow Control）：一般流量

46、控制，它仅在UNI信元头中出现。但目前为止还没有应用，通常设置为0。VPI（Virtual Path Indentifier）：虚通道标识符，用于选择一个特定的虚通道。VCI（Virtual Channel Indication）：虚通路标识符，用于选定的虚通道中选定一个特定的虚通路。PT（Payload Type）：净荷类型。CLP（Cell Loss Priority）：信元丢失优先级，CLP为1时，表示如果网络处于拥塞，该信元可以丢弃。HEC（Header Error Control）：头部差错控制，用于检测信头中的错误，并可进行信头中单个比特的纠错。HEC虽属ATM信元头中，但由物理层

47、产生和进行校验。ATM具有虚通道/虚通路两级连接:虚通道（VP，Virtual Path）和虚通路（VC，Virtual Channel）都是用来描述ATM信元单向传输的路由。在一条物理链路中由多条虚通道，而在一条虚通道中又包含了多条虚通路。物理通道、虚通道和虚通路是ATM中的三个重要概念，三者之间的关系如图6-8所示。图6-8 虚通道VP和虚通路VC一条虚通道由虚通路和虚通道共同确定，VPI和VCI分别是虚通道和虚通路的标识符，用于标识一条虚连接。这种基于VP/VC的连接和交换，操作简便、处理时间也大大减少。6.5.3 ATM的体系结构ITU-T制定的ATM协议结构如图6-9。它由用户面、控

48、制面和管理面三部分组成。其功能如下：用户面：提供用户信息传输以及相关控制功能，如流量控制、差错控制等。控制面：用于完成呼叫和连接的控制，连接释放等功能。管理面：分为面管理和层管理。面管理不分层，执行与系统整体有关的管理功能，协调各平面之间的关系。层管理执行与各层实体中的资源和参数有关的管理功能。从ATM协议结构看，又可以分为4层：物理层、ATM层、ATM适配层和高层。图6-9 ATM协议结构1物理层ATM物理层分为物理介质相关子层（PM-Physical Media）和传输汇聚子层（TC-Transmission Coverage）。PM层负责在物理介质上正确传输和接收比特流，完成仅与介质相关

49、的功能，包括编码方案、操作模式、传输介质等。TC层实现信元流与比特流的转换、信元的定界与同步、速率适配等功能。典型的TC层采SONET（同步光纤网）/SDH（同步数字体系）物理接口。物理层处理与物理介质有关的问题，使确保二进制位的正确传输。2ATM层ATM层的主要功能包括信元的多路复用、信元的VPI/VCI转换、信元头部的产生和提取、流量控制等。ATM层是ATM的关键层，主要完成在对等的ATM层实体之间传送信元。3AAL层ATM适配层（AAL）位于ATM和高层应用之间，是应用与ATM网络的接口。AAL是为使ATM层能更好地支持各种类型的业务而设置的，这是面向业务的一个独立的层次。将ATM网络向

50、用户提供的服务分为A、B、C、D四类。ATM采用了AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5、多种适配层，以适应A级、B级、C级、D级四种不同的用户业务，业务描述如下：A级-固定比特率（CBR）业务:ATM适配层（AAL1），支持面向连接的业务，其比特率固定，常见业务为64Kbit/s话音业务，固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电路。B级-可变比特率（VBR）业务:ATM适配层2（AAL2）。支持面向连接的业务，其比特率是可变的。常见业务为压缩的分组语音通信和压缩的视频传输。该业务具有传递界面延迟特性，其原因是接收器需要重新组装原来的非压缩语音和视频信息。C级-面向连接的数据服务:AA

51、L3/4。该业务为面向连接的业务，适用于文件传递和数据网业务，其连接是在数据被传送以前建立的。它是可变比特率的，但是没有界面传递延迟特性。D级-无连接数据业务:常见业务为数据报业务和数据网业务。在传递数据前，其连接不会建立。AAL3/4或AAL5均支持此业务。6.5.4 局域网仿真ATM技术是一种全新的技术，与现有局域网采用的技术差别很大，而现有局域网普及和应用的程度很高，用户在网络软件、硬件上已作了很大的投资，因此，ATM与现有局域网的互操作性如何，现有网络能否不做大的变动就可充分利用ATM的优点，在ATM局域网建成之后，现有网络的适配卡、协议、应用软件能否继续使用，所有这些问题都关系到AT

52、M能否进入局域网市场，能否得到推广、普及。ATM论坛从1991年就开展将ATM技术应用于局域网的标准化工作。1994年底，ATM论坛完成了局域网仿真用户一网络接口（L-UNI，LAN Emulation User to-Network Interface）标准的草案。该标准定义了结构框架和业务接口、业务组成和功能、帧格式、客户服务器协议和程序。通过这个接口，现有局域网的用户可以和其他局域网用户以及ATM网上的服务器、路由器、网桥进行互通、互连、互操作。现有局域网上运行的协议和软件都可以在ATM网上继续运行，利用局域网技术可在ATM网上构造多个虚拟网仿真局域网（ELAN），它与物理拓扑无关，在逻

53、辑上仿真以太网或令牌环网。在ATM局域网中，工作站、计算机可以通过ATM网卡与ATM交换机相连，也可以通过现有局域网、LANATM转换器与ATM交换机相连。LANATM转换器接收局域网分组，去掉帧校验序列（FCS），并加上一个标志头，然后分组送给AAL5协议处理。在ATM主机中，一些高层协议如TCPIP、ODI、IPX都可以经过相似的处理。在整个协议结构中，其核心是一个称为LAN仿真的功能块，该功能块工作于OSI的第二层，独立于上层的协议。所以，它不仅可支持一些常用的可选择协议，如IP、IPX、DECnet、APPN等，还可支持不可选择协议，如NetBEUI、SNA等。对现有局域网上的用户来说

54、，整个系统（ATM呼叫建立、信元拆装等）是透明的，其运行环境仍和原局域网相同，但是网络互通时的速率却大大提高了。1ATM网络技术与802.3以太网之间的差异在ATM网中，其重要技术特性是，当两个站点要进行通信时，在传输数据之前需要先建立连接。即ATM提供面向连接服务，而以太网是无连接的。ATM地址采用NSAP格式，长度是20个字节，它与网络拓扑和所连接的设备端口有关。而以太网的MAC地址长度48位，与网络拓扑结构无关。ATM采用点到点的非广播服务，而以太网采用广播式传输技术。ATM的基本交换单元是信元，每个信元只有53个字节，而以太网是可变长的数据帧（641514字节）。2局域网仿真的主要功能

55、局域网仿真的主要功能如下：仿真以太网的无连接传输特性，使ATM网络对局域网的端站点呈现无连接特性。实现以太网到ATM网的数据转换。在发送数据端，LANE对以太网的可变长数据帧进行分段，将帧重新封装成信元，发送到ATM网上通过ATM网进行数据传输。在接收端，LANE把信元重新组合成以太网帧，发送到以太网上。仿真以太网的广播机制，让ATM支持点对多点的传输，即支持广播和多点广播。实现MAC地址到ATM地址的转换。在局域网中，端站点之间的通信是用6字节的MAC地址来表示源端和目的端，数据的传输是根据目的MAC地址进行的，而要通过ATM传送数据，首先需要根据ATM地址在两个端点之间建立一条虚连接，所以

56、LANE必须实现MAC地址和ATM地址之间的转换。提供与局域网MAC驱动器接口相同的服务，使高层协议能够继续使用。3LANE协议结构图6-10给出了LANE协议结构。局域网仿真工作在AAL层和高层协议之间。一个ATM网络通过一个网桥与一个以太网互连，当ATM网络中的主机希望与局域网中的主机通信时，首先要将IP分组变换成LANE帧，然后再装配成ATM信元传输，经过网桥后变换成MAC帧，最后又恢复为IP分组。图6-10 LANE协议结构4局域网仿真的基本系统构成LANE标准由局域网仿真用户到网络接口（LUNI）和局域网仿真网络到网络接口（LNNI）两部分组成。LUNI规定局域网仿真采用客户/服务器

57、模式，它由局域网仿真客户和局域网仿真服务器组成，具体包括：局域网仿真客户LEC（LAN Emulation Client）。LEC是局域网仿真客户，它是现有局域网与ATM的接入口，负责局域网帧到ATM信元的数据转换，并与LES共同完成MAC到ATM地址的转换功能。ATM的端设备称为LEC，如：一台装有ATM网卡的主机或是带有ATM接口的局域网交换机都是LEC。局域网交换机还可以作LEC代理，提供支持多个LEC的功能。每个LEC必须加入一个ELAN，才能与网上的其他站点通过ATM主干进行通信。LANE允许多个LEC加入同一个ELAN，而一个LEC可以加入到多ELAN中。局域网仿真服务器LES（L

58、AN Emulation Server）。LES是局域网仿真服务器，每个ELAN只需要一对LES和BUS。LES保存着ELAN中每个LEC的MAC地址与ATM地址的对应关系，实现MAC地址与ATM地址的转换功能。LES负责LEC的初始登记，它接收并回答LEC的局域网仿真地址解析请求（LEARP），并把MAC地址与ATM地址的影射关系保存起来。具有ATM端口的局域网交换机和路由器能提供LES和BUS的功能。广播未知地址服务器BUS（Broad cast and Unknown Server）。BUS用于模拟局域网的广播机制，它能够处理点到多点的数据传输。当LEC需要以广播方式传输数据时，则由BUS转发给其他的LEC，完成数据包的广播和多点广播。所以凡是要在ATM上传输以太网的广播帧时，都交给BUS，由BUS负责向ELAN中的所有LEC广