计算机网络技术与设件

第4章以太网技术4.1传输介质4.2局域网的网络拓扑4.310M以太网4.4快速以太网4.5千兆位以太网4.610GE万兆以太网4.7虚拟局域网4.8学习参考网址（略）1自从1985年提出10M以太网技术以来，局域网技术的发展经历了快速以太网、千兆以太网。由于以太网的发展保持很好兼容性，以太网已成为局域网的主流技术。本章重点介绍以太网各种技术及其应用。2常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信和卫星通信信道等。各种传输介质的传输特性不同，适用于各种不同的应用环境。4.1传输介质31.双绞线

双绞线的外观如图4-1所示。适合近距离传输，传输速率可达1000Mbps，用于传输模拟声音信息和传输数字信号。双绞线的价格较为低廉，应用广泛。图4-1双绞线4.1.1常用的传输介质4双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTPUnshildedTwistedPair)和屏蔽双绞线(STPShieldedTwistedPair)。屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。类似于同轴电缆，它必须配有支持屏蔽功能的特殊连结器和相应的安装技术。但它有较高的传输速率，100米内可达到155Mbps。双绞线技术也在不断发展，现在己有6类线。52.同轴电缆同轴电缆结构如图4-2所示。同轴电缆的平均特性阻抗为50±2Ω。图4-2同轴电缆结构示意图6计算机网络一般选用RG-8以太网粗缆和RG-58以太网细缆。基带同轴电缆特性:(1)50欧姆电缆，用于数字传输，多用于基带传输；(2)同轴电缆传输距离是几公里；(3)传输速率在10Mbps左右；(4)使用更长的电缆，使用中间放大器；(5)实现简单。7宽带同轴电缆特性:(1)75欧姆电缆，用于模拟传输；(2)有限电视电缆进行模拟信号传输。由于使用模拟信号，需要在接口处安放一个电子设备，用以把进入网络的比特流转换为模拟信号，并把网络输出的信号再转换成比特流；(3)宽带系统又分为多个信道，电视信号和数据混合传输；(4)传输距离远，实现复杂，传输速率在100-150Mbps。83.光纤光纤结构如图4-3所示。传输速率高、误码率低、保密性好。单模光纤传输距离长，但造价较高。目前，光纤网络中单个波最高传输速率为10Gbps，采用波分复用技术后传输速率更高。图4-3光纤结构示意图9根据不同的分类方法，光纤分类如下:(1)按传输模数分类单模光纤(SingleModeFiber)SMF:单模光纤的纤芯直径很小,在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模光纤(MultiModeFiber)MMF:多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。(2)按折射率分类跳变式光纤:纤芯和外层间的折射率按跳变模式变化的光纤。渐变式光纤:纤芯和外层间的折射率按渐变模式变化的光纤。10(4)按纤芯和外层尺寸分类，芯的尺寸大小决定光的传输质量。在网络工程中，一般用62.5μm/125μm规格的多模光纤，户外布线大于2公里时可选用单模光纤。实际应用中，常使用光缆，根据光缆内纤芯的数量来分类。1)单芯光缆,2)双芯光缆3)室外光缆24～144芯4.无线通信常用的介质有无线电波、微波、红外线、激光。WLAN无线局域网就是利用微波来传输信号。115.卫星通信

卫星通信系统是80年代末发展起来的新一代数字卫星通信系统。VSAT系统如图4-4所示。图4-4卫星通信示意图12VSAT糸统己经成为一种成熟的技术，可传输数据、话音、图像等多种综合业务。可与计算机联网，ISDN联网。VSAT糸统的出现在卫星通信技术的重大突破，代表了当前卫星通信发展的重要方向。VSAT网络由卫星转发器、主站和VSAT小站组成。特点: (1)卫星通信传输质量好、容量大；(2)组网灵活；(3)安装维护方便；(4)传输多种业务；(5)费用低廉；(6)适用于分散用户。131.电缆测试仪器Fluke电缆测试仪器基于Fluke先进的数字测试技术，DSP系列电缆测试仪完全满足当前所有的测试标准。可测量电缆链路质量，进行故障诊断，以17秒钟的速度完成一条电缆链路的测试。还可以快速指出由不良的连接、粗质的安装工艺和不正确的电缆类型等缺陷的位置。4.1.2电缆测试142.正确识别5类双绞线一个简单的办法用一条双绞线连接两台100Mbps的设备(网卡到网卡或网卡到HUB)，通信时用Windows95/98自带的monitor检测工具对其数据传输率进行监测。步骤如下:(1)选择“开始→程序→附件→系统工具→系统监视器”，将出现“系统监视器”窗口。(2)在“系统监视器”窗口中设置监视对象。(3)设置测试数据的输出方式。(4)进行测试153.标准5类双绞线标准5类线缆中应该有4对线。识别5类UTP时还应注意以下几点:(1)查看电缆外面的说明信息。(2)电缆是否易弯曲。双绞线应弯曲自然，以方便布线。(3)电缆中的铜芯是否具有较好的韧性。(4)电缆是否具有阻燃性。结构化布线是网络实现的基础，它能够支持数据、话音及图形图像等的传输要求。16网络拓扑是网络上节点的几何或物理布局，节点靠电缆段连在一起。常见的局域网的网络拓扑有星型拓扑、总线拓扑、环型拓扑、混合型网络拓扑。4.2局域网的网络拓扑171.总线拓扑

总线拓扑结构如图4-6所示。图4-6总线拓扑结构18特点:(1)采用一个信道作为传输媒体，所有站点通过相应的硬件接口都直接连到这一公共传输媒体上，或称总线上；(2)任何一个站发送的信号都沿着传输媒体传播，而且能被所有的其它站接受；(3)一次只能由一个设备传输信号；(4)通常采用控制策略来决定下一次哪一个站可以发送。19优点:(1)总线结构所需的电缆数量少，价格低；(2)总线结构简单，有较高可靠性；(3)易于扩充，增加或减少用户比较方便。缺点:(1)系统范围受到限制，一般在2km以内；(2)主干线公用，容易产生“瓶颈”；(3)干线的故障，引起整个系统的瘫痪。202.星型拓扑星型拓扑结构如图4-7所示。图4-7星型拓扑结构21特点: (1)各个节点各个节点通过点到点通信链路接到中央节点；(2)中央节点执行集中式通信控制。优点: (1)网络容易扩展；(2)容易做到故障诊断和隔离，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网；(3)星型结构的网络的访问控制比较简单。缺点:(1)中央节点的可靠性和冗余度方面的要求很高；(2)线路利用率不高。223.环型拓扑环型拓扑结构如图4-8所示。图4-8环型拓扑结构特点: (1)环型拓扑由站点和连接站点的链路组成一个闭合环；23(2)每个站点能够接受从一条链路传来的数据，并以同样速度串行地把数据沿环传送到另一个链路上；(3)每个站都有控制发送和接受的访问逻辑。优点: (1)电缆长度短；(2)增加或减少工作站时，仅需简单地连接；(3)使用光纤传输速率高。缺点: (1)节点的故障会引起全网故障；(2)检测故障困难；(3)媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式，则在负载很轻的情况下，等待时间相对来说比较长。244.混合型网络拓扑在实际使用的网络中，大部分网络都采用混合型网络拓扑，常见的混合型网络拓扑有星型总线结构和星型环形结构两种。25下面是10M以太网发展历程。1982年，IEEE把以太网技术标准定为802.3。1983年，IEEE公布粗缆以太网10Base2标准。1985年，IEEE公布细缆以太网10Base5标准802.3a。1985年，IEEE公布10Mbps中继器技术规范802.3c。1990年，IEEE公布双绞线以太网10Base-T标准802.3i。1993年，IEEE公布光缆以太网10Base-F标准802.3j。4.310M以太网

4.3.110M以太网技术261.10M以太网体系结构10M以太网体系结构的示意图如图4-9所示。图4-910M以太网体系结构272.802.3MAC帧格式MAC帧是MAC子层实体间交换的协议数据，帧格式如图4-10。图4-10MAC帧格式前导码P帧起始定界SFD目的地址DA源地址SA长度LENLLCPDU填充PAD帧校验序列FCS283.CSMA/CD介质访问方法 下面主要介绍介质访问控制技术，以太网MAC采用的方法是CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)，称为载波监听多址访问/冲突检测。CSMA/CD协议包含4个过程，即载波监听、冲突检测、冲突强化、冲突退避。CSMA/CD协议的工作流程如图4-11所示。29图4-11CSMA/CD工作流程图30(1)载波监听 节点在发送信息前检测总线上有无其它节点正在发送信息，如有则等待，否则发送。(2)冲突检测节点一边发送信息，一边从总线上接收信息进行比较不一致表示发生了冲突。(3)冲突强化节点在检测到冲突后，向总线上发送干扰串，以使各方都知道冲突的发生。接收端收到的是冲突碎片，它小于最短信包长度，被丢弃。(4)冲突退避CSMA/CD确定等待时间的算法是二进制指数退避算法。314.三种技术根据使用的传输介质，10M以太网通常有以下三种。(1)10Base-2*传输介质:细同轴电缆 *传输距离:<200m*连接器:BNC(2)10Base-5*传输介质:粗同轴电缆*传输距离:<500m*连接器:AUI(3)10Base-T*传输介质:非屏蔽双绞线*传输距离:<100m*连接器:RJ-45目前，10BASE-T得到了普遍使用，下面介绍10BASE-T技术的应用。321.硬件需求:*服务器为PCServer（PIIICPU）*客户端为PC(PII166以上）*PCI10M/100M快速网卡*SCSI硬盘阵列*HUB、五类双绞线网络中主要包含以下部件:*非屏蔽双绞线UTP*网络节点主机*网络接口卡4.3.210M以太网的应用33*集线器(HUB)设备*或者使用交换机网络节点通过非屏蔽双绞线与HUB相连。2.软件需求:*WindowsNT操作系统*客户端操作系统为Win95*工具软件3.采用星型拓扑网络拓朴如图4-12所示。34图4-12小型网络星型拓扑注意:10Base-T逻辑上是总线形结构，物理上是星形结构。351.概述快速以太网（FastEthernet）是一类新型的局域网，“快速”是指数据速率可以达到100Mbps，是标准以太网的数据速率的十倍。1995年快速以太网技术标准通过，即IEEE802.3u。4.4快速以太网

4.4.1快速以太网技术36有两种快速以太网技术:*100Base-T对应IEEE802.3u *100Base-VGAnyLAN对应IEEE802.12由于100Base-T技术保持了与10Base-T技术很好的兼容性，因此应用比较广泛。从介质访问控制方法分类，快速以太网分为共享式局域网和交换式局域网两种。372.快速以太网体系结构100Base-T以太网核心技术主要特点:(1)介质访问控制方法仍为CSMA/CD，信包格式、出错控制与IEEE802.3一致。(2)传输速率为100Mbps。(3)具有10/100Mbps自适应机制(Autonegotiation)，通过快速连接脉冲FLP测试对方设备能支持的最快速度，以其作为实际通信速度。(4)100Base-T设备可以与原10Base-T设备混合使用，为系统升级提供了方便的途径。100Base-T以太网体系结构的示意图如图4-13所示。38图4-13100BASE-T体系结构的示意图MACRSMIIPCSPMAPMDAutoNegMDI393.三种技术根据传输介质，快速以太网通常有以下三种。(1)100Base-T4*介质:3类UTP(4对双绞线)*编码:8B/6T编码*电缆长度:100m*优点:可使用3类UTP，兼容己有布线，保护投资(2)100Base-Tx*介质:5类UTP(2对双绞线)*编码:4B/5B编码*电缆长度:100m *优点:可工作在100M全双工模式(3)100Base-Fx*介质:多模光纤(2芯)*编码:4B/5B编码*电缆长度:2000m*优点:100M全双工，长距离注意:100Base-T技术不支持同轴电缆。40自适应机制(Autonegotiation)中自动检测的顺序依次是:100BASE-TX全双工，100BASE-T4，10BASE-T全双工，10BASE-T单工。4.100Base以太网的典型应用100经典网络结构如下图4-14所示。网络组成需下列硬件:*中心交换机*部门交换机*集线器*客户机*双绞线UTP41图4-14快速以太网网络结构示意图421.网络建设目标在全校范围内建立局域网并接入因特网。2.网络功能视频多媒体转换平台(2)节目广播服务器(3)节目点播服务器(4）Internet服务器(5)管理服务器4.4.2快速以太网的应用433.局域网的网络拓:采用星型拓扑，如图4-15所示。图4-15学校局域网网络拓扑444.系统运行环境(1)硬件 *服务器为PCServer（PII300以上）*客户端为PC(P166以上）*PCI10M/100M快速网卡*SCSIII硬盘阵列*交换机(光纤端口100M/1000M)、HUB*光纤、五类UTP(2)软件 *WindowsNT操作系统*WEBSERVERIIS*TCP/IP通信协议*客户端操作系统为Win95*数据库可选SQLServer或Oracle45千兆位以太网的优点如下: (1)简易性，与10/100兆以太网兼容；(2)可扩展性，千兆以太网高带宽，网络平滑升级；(3)可靠性，星形结构，综合布线；(4)经济性，千兆以太网提供最好的性能价格比；(5)可管理性，端到端的以太网技术，管理和实施简单，采用简单网管理协议；(6)支持新的带宽应用，资源预留协议RSVP，保证QOS。4.5千兆位以太网

4.5.1千兆位以太网技术46千兆位以太网技术已走向成熟，成为局域网络骨干的首选技术。1.1000Base-X主要特点与以太网和快速以太网一样，千兆位以太网(GigabitEthernet)只定义了物理层和介质访问控制子层。(1)支持速率为1000Mbps的半双工或全双工传输。(2)使用802.3帧格式。(3)半双工使用CSMA/CD介质访问控制方法，允许每一冲突域有一个中继器。(4)与10Base-T和100Base-T技术保持兼容。472.体系结构图4-16千兆位以太网体系结构的示意图MACRSGMIIPCSPMAPMDMDI483.千兆以太网的种类根据千兆位以太网物理层使用介质，千兆以太网有以下几种形式:(1)1000Base-LX应用范围:园区主干、建筑群主干(2)1000Base-SX应用范围:建筑群主干 (3)1000Base-CX应用范围:数据中心(4)1000Base-T应用范围:智能大厦、接线间491.主干交换机之间网络结构如下图4-17所示。

图4-17千兆位以太网交换机–交换机之间应用4.5.2千兆位以太网的应用502.交换机–服务器之间网络结构如下图4-18所示。图4-18千兆位以太网交换机––服务器间应用51如图4-19给出一些典型的大楼、园区乃至城域网络的解决方案。图4-193COM千兆解决方案4.5.33Com公司千兆以太网方案521.概述10GE万兆以太网最主要的特点包括:(1)保留802.3以太网的帧格式；(2)保留802.3以太网的最大帧长和最小帧长；(3)只使用全双工工作方式，彻底改变了传统以太网的半双工的广播工作方式；(4)使用光纤作为传输媒体(而不使用铜线)； (5)使用点对点链路，支持星形结构的局域网；4.610GE万兆以太网

4.6.110GE万兆以太网技术53(6)数据率非常高，不直接和端用户相连；(7)创造了新的光物理媒体相关(PMD)子层。2.10GE以太网体系结构10GE以太网分层体系结构如书中图4-20所示。(1)介质访问控制子层（MAC）(2)协调子层(RS)(3)质无关的10G接口(XGMII)(4)物理编码子层（PCS）(5)广域网接口子层(WINS)(6)物理介质相关子层（PMA）(7)物理介质独立子层(PMD)(8)媒体相关接口(MDI) 543.10G以太网物理层IEEE802.3HSSG小组制订了两种不同的物理介质标准，分别用于以太局域网和以太广域网。这两种物理层的共同点是共用一个MAC层，仅支持全双工操作方式，省略了CSMA/CD，采用光纤作为物理介质。广域网物理层（WANPHY）与局域网物理层（LANPHY）的区别在于广域网接口子层（WIS）包含一个简化的SONET/SDH帧编制器，如书中表4-1所示。55表4-110G以太网两种物理层子层10GELAN物理层10GELAN物理层

串行WDM串行MAC10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/sPCS64B/66B8B/10B64B/66BWIS

简化的SONET帧编制器PMA接口XSBIXAUIXSBIPMD1550nm1310nm850nm1310nm1550nm1310nm850nm线速度10.3Gbit/s4X3.125Gbit/s9.953Gbit/s56千兆以太网的物理层每发送8比特的数据要用10个比特组成编码数据段，网络带宽的利用率只有80%；万兆以太网则每发送64比特只用66个比特组成编码数据段，比特利用率达97%。虽然这是牺牲了纠错位和恢复位而换取的，但万兆以太网采用了更先进的纠错和恢复技术，确保数据传输的可靠性。物理层可进一步细分为4种具体的接口，每种接口都有其对应的最适宜的传输介质。57万兆以太网技术具有使用的方便性、网络的互操作性及简易性上等特点。10G以太网兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，降低了系统费用，并提供更快、更新的数据业务。是一种融合LAN/MAN/WAN的一种链路技术，可构建端到端的以太网链路。归纳起来10G以太网的应用包括10GE局域网、10GE城域网、10GE广域网、10GE网络存储。4.6.210GE万兆以太网的应用581.10GE在局域网中的应用包括以下几个方面(1)宽带交换机与宽带交换机互连；(2)骨干层中的LAN交换机上行10Gbps汇聚；(3)服务器到交换机间的高速数据链路(10Gbps)；(4)数据中心服务器群的数据交换务。10GE在局域网中的应用如图4-21所示。主干线路使用10GE，校园A、

校园B、数据数据中心、服务器群之间用10GE交换机的模块分别连接。

59图4-2110GE局域网应用602.10GE在城域网中的应用具体来说，10GE在城域网的应用主要有两种模式。(1)城域网宽带汇聚；(2)城域网骨干更新。如图4-22所示，城域网骨干采用10GE技术。61图4-2210GE城域网应用623.10GE在广域网中的应用 CiscoCatalyst6500和Cisco7600系列目前支持三种10Gb以太网模块:(1)10GBASE-LRSerial1310nm远距离10Gb以太网模块（在单模光纤上最远可以传输10公里）；(2)10GBASE-ERSerial1550nm扩展距离10Gb以太网模块（在单模光纤上最远可以传输40公里）；(3)10GBASE-EX4城域1550nm扩展距离10Gb以太网模块（在单模光纤上最远可以传输10-50公里）。63虚拟局域网(VLAN)是指根据需要和节点的性质，把节点分为若干个逻辑的网络，形成不同的虚拟工作组，而不必关心他们在网络上的实际物理位置的网络。虚拟局域网工作在OSI模型的第二和第三层，虚拟局域网提供了一种控制局域网网络风暴的方法。网络管理员可以定制虚拟局域网由哪些用户组成，并随时改变，使用虚拟局域网可以定制哪些节点之间可以互相通信，增加网络的安全性。在虚拟局域网的通信中，交换机是其中一种核心组件，使用虚拟局域网技术。4.7虚拟局域网

4.7.1虚拟局域网实现技术64大中型网络的维持费用大，使用虚拟局域网则可以解决、简化不少的问题。(1)可以简化节点的增删、移动和变化；(2)可以减少管理的费用；(3)更好地控制广播；(4)使网络的安全性提高；(5)把网络划分成更具伸缩性的子网。65根据采用的技术不同，虚拟局域网有以下几种形式。1.按交换机端口划分网络结构如下图4-23所示。将VLAN交换机上的物理端口和VLAN交换机内部的PVC（永久虚电路）端口分成若干个组，每个组构成一个虚拟网，相当于一个独立的VLAN交换机。这种按网络端口来划分VLAN网络成员的配置过程简单明了，是最常用的一种方式。主要缺点是不允许用户移动，一旦用户移动到一个新的位置，网络管理员必须配置新的VLAN。4.7.2虚拟局域网的类型66图4-23交换机物理端口VLAN672.按IP地址划分

基于IP子网的VLAN，可按照IPv4和IPv6方式来划分VLAN。其