宽带IP网络基础教程

第1章概述 本章介绍宽带IP网络的基本概念，主要内容包括： ●宽带IP网络的概念及发展过程 ●宽带IP网络的组成 ●宽带IP网络的特点 ●宽带IP网络的QoS ●宽带IP网络的关键技术及发展趋势

1.1宽带IP网络的概念及发展过程1.2宽带IP网络的组成1.3宽带IP网络的特点1.4宽带IP网络的QoS1.5宽带IP网络的关键技术及发展趋势1.1宽带IP网络的概念及发展过程

1.1.1宽带IP网络的概念 1、IP网络的概念 Internet是由世界范围内众多计算机网络（包括各种局域网、城域网和广域网）通过路由器和通信线路连接汇合而成的一个网络集合体，它是全球最大的、开放的计算机互联网。 互联网意味着全世界采用统一的网络互连协议，即采用TCP/IP协议的计算机都能互相通信，所以说，Internet是基于TCP/IP协议的网间网，也称为IP网络。 2、宽带IP网络的概念 由路由器和窄带通信线路互联起来的Internet是一个窄带IP网络，这样的网络只能传送一些文字和简单图形信息，无法有效地传送图像、视频、音频和多媒体等宽带业务。

所谓宽带IP网络是指Internet的交换设备、中继通信线路、用户接入设备和用户终端设备都是宽带的，通常中继线带宽为几至几十Gbit/s，接入带宽为1∽100Mbit/s。 在这样一个宽带IP网络上能传送各种音视频和多媒体等宽带业务，同时支持当前的窄带业务，它集成与发展了当前的网络技术、IP技术，并向下一代网络方向发展。 1.1.2宽带IP网络的发展过程 1、Internet发展的三个阶段Internet的基础结构大体上经历了三个阶段的演进（是有部分重叠的）。（1）Internet发展的第一阶段 在1983∽1984年，由美国的单个分组交换网ARPANET采用网络互连技术和TCP/IP协议，逐渐发展演变成早期的Internet。（2）Internet发展的第二阶段 1986年美国国家科学基金会NSF（NationalScienceFoundation）采用TCP/IP通信协议建立起NSFNET网络，要求所有NSF资助的网络都必须采用TCP/IP协议集，且与ARPANET连通，并逐渐取代了ARPANET网，形成了Internet。 此后，其他发达国家也相继建立了本国的TCP/IP网络，并连接到美国的Internet，逐步形成了覆盖全球的Internet。 第二阶段的Internet的网络结构是三级结构。（3）Internet发展的第三阶段 20世纪90年代，美国政府开始鼓励商业部门介入。 而且由于TCP/IP技术的推广，使得越来越多的国家将接入Internet列为促进本国国民经济发展的重要措施。 第三阶段的Internet的网络结构是多级结构。 2、宽带IP网络的发展 随着信息技术的发展，人们对信息的需求不断提高。

初期的Internet提供文件传输、电子邮件等数据业务，如今的Internet集图像、视频、声音、文字、甚至动画等为一体，即以传输多媒体宽带业务为主，由此Internet的发展趋势便是宽带化——向宽带IP网络发展，宽带IP网络技术则应运而生。1.2宽带IP网络的组成从宽带IP网络的工作方式上看，它可以划分为两大块：边缘部分和核心部分，如图1-3所示。图1-3IP网的边缘部分与核心部分 1.2.1IP网络的边缘部分 边缘部分由所有连接在IP网络上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。 在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类： ●客户服务器方式（C/S方式）——客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。 ●对等方式（P2P方式）——两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。 1.2.2IP网络的核心部分 组成——核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。 作用——为边缘部分提供连通性和交换。 1、核心部分的网络 核心部分的网络根据覆盖范围可分为广域网（WAN）和城域网（MAN）。 广域网（WAN）——在广域网内，通信的传输装置和媒介由电信部门提供，其作用范围通常为几十到几千公里。 城域网（MAN)——其作用范围在广域网和局域网之间(一般是一个城市)，作用距离为5∽50km。 核心部分的网络根据采用的通信方式不同包括分组交换网、帧中继网、ATM网等。 2、核心部分的路由器 路由器是IP网络中实现网络互连的关键构件，其任务是根据某种路由选择算法进行路由选择并转发收到的分组。1.3宽带IP网络的特点

宽带IP网络具有以下几个特点：（1）TCP/IP协议是宽带IP网络的基础与核心。（2）通过最大程度的资源共享，可以满足不同用户的需要，IP网络的每个参与者既是信息资源的创建者，也是使用者。（3）“开放”是IP网络建立和发展中执行的一贯策略，对于开发者和用户极少限制，使它不仅拥有极其庞大的用户队伍，也拥有众多的开发者。（4）网络用户透明使用IP网络，不需要了解网络底层的物理结构。（5）IP网络宽带化，具有宽带传输技术、宽带接入技术和高速路由器技术。（6）IP网络将当今计算机领域网络技术、多媒体技术和超文本技术等三大技术融为一体，为用户提供极为丰富的信息资源和十分友好的用户操作界面。1.4宽带IP网络的QoS

1.4.1宽带IP网络的QoS性能指标 1、IP网服务质量(QoS)的概念 IP网服务质量(QoS:QualityofService)是指IP数据包在一个或多个网络传输的过程中所表现的各种性能，它是对各种性能参数的具体描述。 这些性能参数包括带宽、时延、时延抖动、吞吐量和包丢失率等。 2、宽带IP网络的QoS性能指标 反映宽带IP网络的QoS性能指标主要有。 (1)带宽 过去的通信线路传输的是模拟信号，带宽本来是指信号具有的频带宽度，即该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，单位是赫（Hz）、千赫(kHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等。 在IP网络中，信道一般传输的是数据信号，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。 因此网络带宽表示从网络中的某一点到另一点所能通过的最高信息传输速率，单位是bit/s、kbit／s、Mbit／s、Gbit／s等。 (2)时延 IP网的时延是指IP数据从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。总时延=发送时延+传播时延+处理时延+处理时延（1-3）（3）时延抖动 时延抖动的定义是连续两个数据包时延的最大差值，用于描述数据包时延的变化程度。 IP网络是无连接的，可能导致同一传输流的数据包由于转发路径和网络状况的差异而产生不同的时延。（4）吞吐量 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的数据量,它反映实际上到底有多少数据量能够通过网络。 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。 (5)包丢失率 包丢失率反映了传输期间数据包的丢失程度，其定义是在特定时间间隔内丢失的数据包占传输数据包总数的比例。1.5宽带IP网络的关键技术及发展趋势 1.5.1宽带IP网络的关键技术 宽带IP网络的关键技术主要包括宽带传输技术、宽带接入技术和高速路由器技术。 1、宽带传输技术 目前常用的宽带传输技术主要有IPoverATM（POA）、IPoverSDH（POS）、IPoverDWDM和千兆以太网技术。（1）IPoverATM IPoverATM（POA）是IP技术与ATM技术的结合，它是在IP网路由器之间采用ATM网传输IP数据报。（2）IPoverSD IPoverSDH（POS）是IP技术与SDH技术的结合，是在IP网路由器之间采用SDH网传输IP数据报。（3）IPoverDWDM IPoverDWDM是IP与DWDM技术相结合的标志。 首先在发送端对不同波长的光信号进行复用，然后将复用信号送入一根光纤中传输，在接收端再利用解复用器将各不同波长的光信号分开，送入相应的终端，从而实现IP数据报在多波长光路上的传输。（4）千兆以太网技术 千兆以太网技术是在IP网路由器之间采用千兆以太网技术传输IP数据报。 2、宽带接入技术 宽带接入技术主要有ADSL、HFC、FTTX+LAN和无线宽带接入等（详见第6章）。 1.5.2宽带IP网络技术的发展趋势 宽带IP网络技术向光互联网方向发展，具体地说，宽带IP网络的宽带传输技术将主要采用IPoverDWDM。第2章宽带IP网络的体系结构 TCP/IP协议是宽带IP网络的基础与核心，本章介绍TCP/IP参考模型及各层协议，主要内容包括： ●TCP/IP参考模型 ●IP及辅助协议 ●UDP和TCP协议●应用层协议2.1TCP/IP参考模型2.2IP及辅助协议2.3UDP和TCP协议2.1TCP/IP参考模型 2.1.1TCP/IP分层模型 1、OSI参考模型（1）OSI-RM的分层结构图2-1OSI参考模型分层结构（2）各层功能概述 ①物理层（数据传送单位——比特） 功能——物理层提供用于建立、保持和断开物理连接的机械的、电气的、功能的和规程的手段。 简而言之，物理层提供有关同步和全双工比特流在物理媒体上的传输手段。 物理层典型的协议——RS232C，RS449／422／423，V．24，V．28，X．20和X．21等。 ②数据链路层（数据传送单位——帧）功能： ●负责数据链路的建立、维持和拆除。 ●差错控制 ●流量控制 常用的协议——基本型传输控制规程和高级数据链路控制规程(HDLC)。 ③网络层（数据传送单位——分组） 功能： ●路由选择 ●差错控制 ●流量控制 网络层的协议——X.25分组级协议 ④运输层（数据传送单位——报文） 功能——端到端的顺序控制、流量控制、差错控制及监督服务质量。 ⑤会话层 功能——负责进程间建立会话和终止会话，并且控制会话期间的对话。 提供诸如会话建立时会话双方资格的核实和验证，由哪一方支付通信费用，及对话方向的交替管理、故障点定位和恢复等各种服务。 会话层及以上各层中，数据的传送单位一般都称为报文，但与运输层的报文有本质的不同。 ⑥表示层 主要功能：代码转换、数据格式转换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等。 ⑦应用层 功能——确定应用进程之间通信的性质，以满足用户的需要。 同时应用层还要负责用户信息的语义表示，并在两个通信用户之间进行语义匹配。（3）信息在OSI参考模型各层的传递过程图2-2信息在各层之间的传递过程 2、TCP／IP分层模型 TCP／IP模型及与OSI参考模型的对应关系如图2-3所示。图2-3TCP／IP模型及与OSI参考模型的对应关系 ●网络接口层——对应OSI参考模型的物理层和数据链路层； ●网络层——对应OSI参考模型的网络层； ●运输层——对应OSI参考模型的运输层； ●应用层——对应OSI参考模型的5、6、7层。 2.1.2TCP／IP模型各层功能及协议 1、应用层 作用——为用户提供访问Internet的高层应用服务，例如文件传送、远程登录、电子邮件、WWW服务等。 协议——一组应用高层协议，即一组应用程序，主要有文件传送协议FTP、远程终端协议TELNET、简单邮件传输协议SMTP、超文本传送协议HTTP等等。应用层的数据传送单位是报文。 2、运输层 TCP/IP运输层的作用是提供应用程序间（端到端）的通信服务，确保源主机传送的数据正确到达目的主机。 运输层提供了两个协议： ●传输控制协议TCP ●用户数据报协议UDP 运输层的数据传送单位是TCP报文段或UDP报文（统称为报文段）。 3、网络层 网络层的作用是提供主机间的数据传送能力，其数据传送单位是IP数据报。 网络层的核心协议是IP协议，IP协议非常简单，它提供的是不可靠、无连接的IP数据报传送服务。 网络层的辅助协议是协助IP协议更好地完成数据报传送，主要有：（1）地址转换协议ARP——用于将IP地址转换成物理地址。

（2）逆向地址转换协议RARP——与ARP的功能相反，用于物理地址转换成IP地址。（3）Internet控制报文协议ICMP——用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括：差错控制、拥塞控制和路由控制等。(4)Internet组管理协议IGMP——IP多播用到的协议，利用IGMP使路由器知道多播组成员的信息。 4、网络接口层 网络接口层的数据传送单位是物理网络帧（简称物理帧或帧）。 主要功能：（1）发端负责接收来自网络层的IP数据报，将其封装成物理帧并且通过特定的网络进行传输；（2）收端从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，上交给网络层。 网络接口层没有规定具体的协议。 TCP／IP模型的网络接口层对应OSI参考模型的物理层和数据链路层，不同的物理网络对应不同的网络接口层协议。2.2IP及辅助协议 2.2.1IP协议（IPv4） 1、IP协议的特点 ●仅提供不可靠、无连接的数据报传送服务； ●IP协议是点对点的，所以要提供路由选择功能； ●IP（IPv4）地址长度为32比特。

2、IP地址（分类的IP地址） Internet为每一个上网的主机分配一个唯一的标识符，即IP地址。（1）IP地址的结构图2-5IP地址的结构（2）IP地址的表示方法 IP地址用点分十进制表示，好处是可以提高IP地址的可读性，而且可很容易地识别IP地址类别。 例2-1：某IP地址为10011000010100011000000100000000，将其表示成点分十进制形式。 解：此IP地址的点分十进制表示为

（3）IP地址的类别 根据网络地址和主机地址各占多少位，IP地址分成为五类，即A类到E类，如图2-6所示。图2-6IP地址的类别 目前Internet中一般采用A、B、C类地址，这三类地址归纳如表2-1所示。 几点说明： ●起始地址是指前8个比特表示的地址范围。 ●A类地址标识的网络种类为，减2的原因是：第一，IP地址中的全0表示“这个”（this）。 网络号字段为全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”。 第二，网络号字段为127（即01111111）保留作为本地软件环回测试本主机用。 ●每网主机数，减2的原因是：全0的主机号字段表示该IP地址是本主机所连接到的“单个网络”地址；全1的主机号字段表示该网络上的所有主机。 ●两级IP地址存在的缺点：一是IP地址空间的利用率有时很低；二是两级的IP地址不够灵活。 为了解决这些问题，Internet采用子网地址，由此IP地址结构由两级发展到三级。（4）子网地址和子网掩码 ①划分子网和子网地址 ●划分子网的目的——为了便于管理，一个单位的网络一般划分为若干子网，子网是按物理位置划分的。 为了标识子网和解决两级的IP地址的缺点，采用子网地址。 ●子网编址技术的概念——指在IP地址中，对于主机地址空间采用不同方法进行细分，通常是将主机地址的一部分分配给子网做为子网地址。图2-7三级IP地址结构 ②子网掩码 子网掩码的作用： ●表示子网和主机地址位数； ●将某台主机的IP地址和子网掩码相与可确定此主机所在的子网地址。 子网掩码的长度也为32比特，与IP地址一样也用点分十进制表示。 已知一个IP网络的子网掩码，将其点分十进制转换为32比特的二进制，其中“1”代表网络地址和子网地址字段；“0”代表主机地址字段。 3、无分类编址（无分类域间路由选择）CIDR（1）CIDR的主要特点 ①CIDR不再划分A类、B类和C类地址，也不再划分子网地址，因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间。 ②CIDR使用各种长度的“网络前缀”来代替分类地址中的网络号和子网号。 ③IP地址是无分类的两级编址。（2）CIDR的记法 CIDR一般表示为： IP地址::={<网络前缀>,<主机号>} CIDR也可以采用斜线记法，具体为：在IP地址后面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的比特数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中1比特的个数）。 例如，CIDR地址0/22（其二进制表示为11000100000111000100000100011110）表示网络前缀占22比特，为1100010000011100010000主机号占10比特，为0100011110需要注意的是，上例CIDR的斜线记法指的是一个单个的IP地址。（3）CIDR地址块 CIDR将网络前缀都相同的连续的IP地址组成CIDR地址块。 一个CIDR地址块是由起始地址（地址块中的最小地址）和地址块中的地址数来决定的。 CIDR地址块的表示方法有以下几种： ①斜线记法 例如，/20表示的地址块共有个地址，为地址块的起始地址。 （在不需要指出地址块的起始地址时，也可将这样的地址块简称为“/20地址块”）。 这个地址块的最小地址：,最大地址：55其实主机号全0的和主机号全的155不用，所以此地址块实际共有个地址。 ②将点分十进制中低位连续的0省略例如，/12可简写为56/12 ③用二进制表示例如，/12可写为001110000000××××××××××××××××××××（20个×可以是任意值，但全0和全1的主机号一般不使用） ④网络前缀的后面加一个星号*的表示方法 例如：/12可写为001110000000* 在星号*之前是网络前缀，而星号*表示IP地址中的主机号。 需要注意的是，见到斜线记法表示的地址时，一定要根据上下文弄清它是指一个单个的IP地址还是指一个地址块。（4）CIDR的掩码 CIDR虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（但不叫子网掩码）。 掩码的表示：网络前缀所占的比特数均为1，主机号所占的比特数均为0。 4、IP数据报格式 IP数据报的格式如图2-8所示。图2-8IP数据报格式 首部各字段的作用： ●版本（4bit）——指出IP协议的版本，目前的IP协议版本号为4(即IPv4)。 ●首部长度（4bit）——以32比特（4字节）为单位指示IP数据报首部的长度。 IP数据报首部长度为20∽60字节。 ●服务类型（8bit）——用来表示用户所要求的服务类型，具体包括优先级、可靠性、吞吐量和时延等。 ●总长度（16bit）——以字节为单位指示数据报的长度，数据报的最大长度为65535字节。 ●标识、标志和片偏移字段（共32bit）——控制分片和重组。 ●生存时间(8bit)——记为TTL，控制数据报在网络中的寿命，其单位为秒。 ●协议(8bit)字段——指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的网络层决定将数据部分上交给哪个处理过程。 ●首部检验和(16bit)字段——对数据报的首部进行差错检验。 ●源地址和目的地址——各占4字节，即发送主机和接收主机的IP地址。 ●可选字段——用来支持排错、测量以及安全等措施。 ●填充——IP数据报报头长度为32bit的整倍数，假如不是，则由填充字段添“0”补齐。 5、IP数据报的传输（1）在发送端 源主机在网络层将运输层送下来的报文组装成IP数据报，然后将IP数据报送到网络接口层。 在网络接口层对IP数据报进行封装，形成可以在物理网络中传输的帧，然后送到物理网络上传输。 每个物理网络都规定了物理帧的大小，物理网络不同，帧的大小限制也不同，物理帧的最大长度称为最大传输单元MTU。 一个物理网络的MTU由硬件决定，通常情况下是保持不变的。（2）在网络中传输 源主机所发送的IP数据报在到达目的主机前，可能要经过由若干个路由器连接的许多不同种类的物理网络。 路由器对IP数据报要进行以下处理：路由选择、传输延迟控制和分片（需要的话，进行分片）等。 ①路由选择 每个路由器都要根据目的主机的IP地址对IP数据报进行路由选择。 ②传输延迟控制 为避免由于路由器路由选择错误，至使数据报进入死循环的路由，而无休止地在网中流动，IP协议对数据报传输延迟要进行特别的控制。 为此，每当产生一个新的数据报，其报头中“生存时间”字段均设置为本数据报的最大生存时间，单位为秒。 随着时间流逝，路由器从该字段减去消耗的时间。 一旦TTL小于0，便将该数据报从网中删除，并向源主机发送出错信息。 ③分片 ●分片的概念 IP数据报要通过许多不同种类的物理网络传输，而不同的物理网络MTU大小的限制不同。为了选定最佳的IP数据报大小，以实现所有物理网络的数据报封装，IP协议提供了分片机制，在MTU较小的网络上，将数据报分成若干片进行传输。 分片是在MTU不同的两个网络交界处路由器中进行的，而片重组是由目的主机完成。 IP数据报在传输过程中可以多次分片，但不能重组。 ●分片方法 每片与原始数据报具有相同的格式，每片中包括片头和部分数据报数据。 其中，片头大部分是复制原始数据报的报头，只增加了少量表示分片信息的比特（我们认为片头=报头）；而片数据≤MTU-片头，另外在求片数据大小时，注意分片必须发生在8字节的整倍数。 ●分片控制 数据报报头中，与控制分片和重组有关的三个字段为标识、标志和片偏移。 标识——占16bit，标识字段是目的主机赋予数据报的标识符，其目的是确保目的主机能重组分片为数据报。 分片时，该字段必须原样复制到新的片头中。 当分片到达时，目的主机使用标识字段和源地址来识别分片属于哪个数据报。 标志——占3bit，如图2-12所示。图2-12标志字段的意义 标志字段目前只有前两位有意义。 标志字段的最低位MF

1表示后面“还有分片”，MF

0表示这已是最后一个分片；标志字段中间的一位是DF，意思是“不能分片”，只有当DF

0时才允许分片。 片偏移——占13bit，指出某片数据在初始数据报数据区中的偏移量，其偏移量以8个字节为单位指示（所以分片必须发生在8字节的整倍数）。（3）在接收端 当所传数据流到达目的主机时，首先在网络接口层识别出物理帧，然后去掉帧头，抽出IP数据报送给网络层。 如果IP数据报在传输过程中进行了分片，目的主机要进行重组。 2.2.2Internet控制报文协议（ICMP） 1、ICMP的作用 ICMP是IP协议正常工作的辅助协议，是TCP/IP提供的用以解决差错报告与控制的主要手段。 ICMP的控制功能包括：差错控制、拥塞控制和路由控制等。 2、ICMP报文的封装及格式（1）ICMP报文的封装图2-13ICMP报文的封装（2）ICMP报文格式 ICMP报文格式如图2-14所示。图2-14ICMP报文格式 ICMP报文分为报头和数据区两大部分，其中报头包含：类型字段、代码字段和校验和字三项。 各部分的作用为：●类型字段——占8比特，表示ICMP报文类型。 ●代码字段——占8比特，用于进一步区分某种类型中的几种不同情况。 ●校验和字段——占16比特，提供对整个ICMP报文的差错校验。 ●参数字段——占32比特，这部分内容与ICMP的类型有关（没有可不用）。 ●数据字段——ICMP报文数据区含有出错IP数据报报头及其前64比特数据，这些信息将由ICMP提供给发送主机，以确定出错数据报。 3、ICMP报文的类型 ICMP报文包括两种类型：ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。（1）ICMP差错报告报文 ICMP差错报告报文主要有： ●目的不能到达 ●源站抑制 ●数据报超时 ●参数问题 ●重定向（改变路由）（2）ICMP询问报文 ICMP询问报文主要有： ●回送请求和回答报文 ●时间戳请求和回答报文 ●掩码地址请求和回答报文 ●路由器询问和通告报文 2.2.3ARP和RARP1、地址转换协议ARP（1）地址转换协议ARP的作用 地址转换协议ARP的作用： 在Internet中，每一个物理网络中的主机都具有自己的物理地址，并且这些主机不能直接识别IP地址。 即IP地址是不能直接用来通信的，在实际链路上传送数据帧时，必须使用物理地址。 所以在Internet中要求提供实现物理地址与IP地址转换的协议。 地址转换协议ARP的作用是将IP地址转换为物理地址。 2、逆向地址转换协议RARP 逆向地址解析协议RARP的作用是将物理地址转换为IP地址。 2.2.4IP多播及IGMP 1、IP多播的基本概念 IP多播就是在IP网上进行一对多的通信，即由一个源点发送到许多个终点。 IP多播可以分为两种：一种是只在本局域网上进行硬件多播，另一种是在IP网的范围进行多播。 2、Internet组管理协议IGMP IGMP的作用：路由器为建立多播转发路由必须了解每个多播组成员在Internet中的分布，所以主机应该能将其所在的多播组通知给本地路由器。 主机与本地路由器之间使用IGMP来进行多播组成员信息的交互。 在此基础上，本地路由器再与其他多播路由器通信，传播多播组的成员信息，并建立多播路由。2.3UDP和TCP协议 2.3.1可靠传输的原理 运输层几种保证可靠传输的协议。 1、停止等待协议 停止等待协议规定：发送端采用停止等待发送方式，即每发送一个报文段就暂停下来，等待接收端的确认。 停止等待协议的优点是实现简单，但缺点是由于采用停止等待发送方式，通信信道的利用率不高。 为了提高通信信道的利用率，满足数据传输高效率的要求，可采用连续发送方式。 即发送端能够连续发送报文段，而不是在每发送完一个报文段后，就停下来等待接收端的确认。 发送端在连续发送报文段的同时，接收对方的确认。 若某报文段有错（或丢失），则将出错（或丢失）报文段或出错（或丢失）报文段及以后的各报文段重发。 这种协议称为自动重发请求ARQ(AutomaticRepeatreQuest)协议。 根据重发方式的不同分为连续ARQ协议和选择重发ARQ协议。 2、连续(ARQ)协议（1）连续ARQ协议工作原理 连续ARQ协议的重发方式是返回重发，即发送端从出错（或丢失）报文段及以后的各报文段都要重发。 连续ARQ协议的工作原理如图2-18所示。图2-18连续ARQ协议的工作原理 连续ARQ协议在处理报文段丢失时的方法与处理报文段出错的方法相同，仍是采用超时定时器，从丢失的某个报文段及以后的各报文段都要重发。 值得说明的是，在连续AQR协议的实际应用中，为减少接收端的开销，不必对每个接收正确的报文段立即应答，而是在连续收到多个正确的报文段后，只对最后的一个发出确认，表示为ACK（n）。 其中序号n有两层意思：一是向发送端表明确认发送序号为n-1及以前各个报文段；二是向发送端表示期望接收序号为n的报文段。（2）滑动窗口协议 滑动窗口协议的作用是限制已发送出去但未被确认的报文段的数目，这样既可以循环重复使用报文段的序号，减少系统的额外开销，又能实现流量控制。 滑动窗口协议的具体实现是在发送端设定发送窗口，接收端设接收窗口。 ①发送窗口 发送窗口的作用及意义——发送窗口用来对发送端进行流量控制。 发送窗口的尺寸代表在还没有收到对方确认的条件下，发送端最多可以发送的报文段个数。 发送窗口的意义如图2-19所示。图2-19发送窗口的意义 ②接收窗口 接收窗口用来控制接收报文段。 只有当接收到的报文段的序号落在接收窗口内，才允许将该报文段收下；否则，一律丢弃。 接收窗口的尺寸用表示。 在连续ARQ协议中，窗口的意义如图2-21所示。图2-21窗口的意义 3、选择重传ARQ协议 选择重发ARQ协议与连续ARQ协议不同的是发端只重传有错（或丢失）的报文段，收端只丢弃有错的报文段，其后的报文段先在缓冲存储区中暂时存储，等重新收到刚才有错现在正确的报文段（或丢失的报文段），按序排好后，一并送交主机。 选择重发ARQ协议的工作原理如图2-23所示。图2-23选择重发ARQ协议的工作原理（1） 连续ARQ协议在处理报文段丢失时的方法与处理报文段出错的方法相同，仍是采用超时定时器，发送端只重发丢失的某个报文段。 在TCP/IP体系中，为了提高传输效率，一般采用选择重传ARQ协议，为了进行流量控制，也要使用滑动窗口协议。 对于选择重传ARQ协议，接收窗口不应大于发送窗口，若用n比特进行编号，接收窗口的值为。 2.3.2协议端口 1、协议端口的概念 协议端口简称端口，它是TCP/IP模型运输层与应用层之间的逻辑接口，即运输层服务访问点TSAP。 2、端口的作用 当某台主机同时运行几个采用TCP/IP协议的应用进程时，需将到达特定主机上的若干应用进程相互分开。 为此，TCP/UDP提出协议端口的概念，同时对端口进行编址，用于标识应用进程。 2.3.3用户数据报协议UDP 1、UDP的特点（1）提供协议端口来保证进程通信（区分进行通信的不同的应用进程）；（2）提供不可靠、无连接、高效率的数据报传输，UDP本身没有拥塞控制和差错恢复机制等，其传输的可靠性则由应用进程提供。 UDP适于高效率、低延迟的网络环境。 2、UDP报文格式 UDP报文格式如图2-25示。图2-25UDP报文格式 UDP报文由UDP报头和UDP数据组成，其中UDP报头由4个16比特字段组成，各部分的作用为： ●信源端口字段——用于标识信源端应用进程的地址，即对信源端协议端口编址。 ●信宿端口字段用——用于标识信宿端应用进程的地址，即对信宿端协议端口编址。 ●长度字段——以字节为单位表示整个UDP报文长度，包括报头和数据，最小值为8（报头长）。 ●校验和字段——此为任选字段，其值置“0”时表示不进行校验和计算；全为“1”时表示校验和为“0”。 UDP校验和字段对整个报文即包括报头和数据进行差错校验。 数据字段——该字段包含由应用协议产生的真正的用户数据。 2.3.4传输控制协议TCP 1、TCP的特点（1）提供协议端口来保证进程通信。（2）提供面向连接的全双工数据传输。采用TCP协议时数据通信经历连接建立、数据传送和连接释放三个阶段。（3）高可靠的按序传送数据的服务。为实现高可靠传输，TCP提供了确认与超时重传机制、流量控制、拥塞控制等服务。 2、TCP报文段的格式 TCP报文段的格式如图2-26所示。图2-26TCP报文段的格式 TCP报文段包括两个字段：首部字段和数据字段。 首部各字段的作用为：（1）源端口字段——占2字节，用于标识信源端应用进程的地址。（2）目的端口字段——占2字节，用于标识目的端应用进程地址。（3）序号字段——占4字节。TCP连接中传送的数据流中的每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。（4）确认号字段——占4字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据部分第一个字节的序号。（5）数据偏移——占4bit，它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多少个字节。即指示首部长度，以4字节为单位指示。（6）保留字段——占6bit，保留为今后使用，但目前应置为0。（7）6个比特集——说明报文段性质的控制比特。（8）窗口字段——占2字节。窗口字段用来控制对方发送的数据量，单位为字节。TCP连接的一端根据设置的缓存空间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方的发送窗口的上限。（9）检验和字段——占2字节。对整个TCP报文段（包括首部和数据部分）进行差错检验。（10）紧急指针字段——占16bit。紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号。（11）选项字段——长度可变。TCP只规定了一种选项，即最大报文段长度MSS。MSS告诉对方TCP：“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节”。 3、TCP通信过程的三个阶段 采用TCP协议时数据通信经历连接建立、数据传送和连接释放三个阶段。（1）运输连接建立图2-27TCP运输连接建立过程 TCP运输连接的建立采用三次握手，原因是防止已失效的连接请求报文又传送到接收端而产生错误。（2）数据传输 假设每次传输的TCP报文段中的数据字段为100个字节。 ①正常数据传输图2-28正常数据传输 ②数据丢失与重发图2-29数据丢失与重发

（3）运输连接释放 为保证连接释放时不丢失数据，TCP连接释放采用文雅释放方式。 过程是：一方发出连接释放请求后并不立即撤除连接，而要等待对方确认；对方收到释放请求后，发确认报文，并撤除连接；发起方收到确认后最后撤除连接。 4、TCP的流量控制 TCP协议中，数据的流量控制是由接收端进行的，即由接收端决定接收多少数据，发送端据此调整传输速率。 接收端实现控制流量的方法是采用“滑动窗口”，在TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限。 滑动窗口一般原理：发送窗口的尺寸代表在还没有收到对方确认的条件下，发送端最多可以发送的报文段个数。 TCP采用滑动窗口进行流量控制，窗口大小的单位是字节，道理与滑动窗口一般原理是一样的。 为了便于理解，我们在分析时往往将以字节为单位的窗口值等效成报文段个数。 TCP采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。 在通信的过程中，接收端可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的发送窗口上限值(可增大或减小)，这样使传输高效且灵活。 滑动窗口的原理如图2-30所示。（a）(b)(c)图2-30滑动窗口的原理示意图 5、TCP的拥塞控制（1）拥塞控制与流量控制的区别： ●流量控制——考虑接收端的接收能力，对发送端发送数据的速率进行控制，以便使接收端来得及接收，是在给定的发送端和接收端之间的点对点的通信量的控制。 ●拥塞控制——既要考虑到接收端的接收能力，又要使网络不要发生拥塞，以控制发送端发送数据的速率，是与整个网络有关的。 即拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。（2）拥塞控制的原理 TCP是通过控制发送窗口的大小进行拥塞控制。 设置发送窗口的大小时，既要考虑到接收端的接收能力，又要使网络不要发生拥塞，所以发送端的发送窗口应按以下方式确定：发送窗口=Min[通知窗口，拥塞窗口] 通知窗口其实就是接收窗口，接收端根据其接收能力许诺的窗口值，是来自接收端的流量控制。 接收端将通知窗口的值放在TCP报文段的首部中，传送给发送端。 拥塞窗口cwnd是发送端根据网络拥塞情况得出的窗口值，是来自发送端的流量控制。 拥塞窗口同接受窗口一样，也是动态变化的。 发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的报文段发送出去。 但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的报文段数。（3）拥塞控制的方法 几种拥塞窗口的变化方法（也就是拥塞控制的方法）： ●慢开始和拥塞避免 ●快重传和快恢复第3章局域网技术 本章介绍局域网的相关内容，主要包括： ●局域网概述 ●传统以太网 ●扩展的以太网 ●高速以太网 ●交换式局域网 ●虚拟局域网（VLAN） ●无线局域网3.1局域网概述3.2传统以太网3.3扩展的以太网3.4高速以太网3.5交换式局域网3.6虚拟局域网（VLAN）3.1局域网概述

3.1.1局域网的定义及特征 1、局域网的定义 局域网又称局部区域网，一般我们把通过通信线路将较小地理区域范围内的各种数据通信设备连接在一起的通信网络称为局域网。

2、局城网的特征 (1)网络范围较小。(2)传输速率较高，传输时延小。 (3)误码率低。 (4)结构简单容易实现。 (5)通常属于一个部门所有。 3.1.2局域网的组成

局域网的组成包括硬件和软件两部分。 1、硬件（1）传输介质。局域网常用的传输介质是双绞线（包括屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP）、同轴电缆和光纤；另外，也可使用无线电波或红外线传输数据，此类局域网称为无线局域网。

(2)工作站和服务器。工作站指的是计算机或设备(DTE)；服务器是局域网的核心，它可向各站提供用户通信和资源共享服务。(3)工作站和服务器与局域网相连的接口(通信接口)。 2、软件 为了使网络正常工作，除了网络硬件外，还必须有相应的网络协议和各种网络应用软件，构成完整的网络系统。 3.1.3局域网的分类 局域网可以从不同的角度分类。 1、按传输媒介分类 ●有线局域网——是使用双绞线、同轴电缆和光纤等有线传输媒介传输数据的局域网。 ●无线局域网——是利用无线电波或红外线等传输数据的局域网。 2、按用途、速率分类 ●常规局域网LAN——它的传输速率相对较低，一般为1∽20Mbit/s。 ●高速局域网HSLN——其传输速率大于等于100Mbit/s。 3、按是否共享带宽分类 ●共享式局域网——各站点共享传输媒介的带宽。 ●交换式局域网——各站点独享传输媒介的带宽。 4、按拓扑结构分类 如果按拓扑结构的不同进行分类，局域网有：星形网、总线形网、环形网、树形网等，其中用得比较多的是星形、总线形和环形。 3.1.4局域网标准 1、局域网参考模型 局域网参考模型如图3-4所示，为了比较对照，将OSI参考模型画在旁边。图3-4局域网参考模型（1）物理层 主要功能： ●负责比特流的曼彻斯特编码与译码(局域网一般采用曼彻斯特码传输)； ●为进行同步用的前同步码的产生与去除； ●比特流的传输与接收。 （2）数据链路层 局域网的数据链路层划分为两个子层，即：介质访问控制或媒体接入控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层。

①媒体接入控制(MAC)子层数据链路层中与媒体接入有关的部分都集中在MAC子层，MAC子层主要负责介质访问控制，其具体功能为：将上层交下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，即帧拆卸)、比特差错检测和寻址等。

②逻辑链路控制(LLC)子层数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在LLC子层，LLC子层的主要功能有：建立和释放逻辑链路层的逻辑连接、提供与高层的接口、差错控制及给帧加上序号等。 不同类型的局域网，其LLC子层协议都是相同的。（3）服务访问点SAP 在LLC子层的顶部有多个服务访问点LSAP； MAC子层的顶部只有一个服务访问点MSAP； 物理层的顶部分别只有一个服务访问点PSAP。（4）协议数据单元PDU图3-6LLCPDU和MACPDU的关系 2、IEEE802标准 ·802．1——有关局域网体系结构、网络互连、网络管理和性能测量等标准。·802．2——LLC子层协议。·802．3——总线形局域网MAC子层和物理层技术规范。 ·802．4——令牌总线局域网MAC子层和物理层技术规范。 ·802．5——令牌环局域网MAC子层和物理层技术规范。 ·802．6——城域网(MAN)MAC子层和物理层技术规范。 ·802．7——宽带局域网访问控制方法与物理层规范。 ·802．8——光纤局域网访问控制方法与物理层规范。

·802．9——话音数据综合局域网标准。 ·802．10——局域网的安全与保密规范。 ·802．11——无线局域网标准。 ·802．1Q——虚拟局域网(VLAN)标准。3.2传统以太网 3.2.1以太网的概念 传统以太网具有以下典型的特征： ●采用灵活的无连接的工作方式； ●对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方确认——提供的服务是不可靠的交付（即尽最大努力的交付）。 ●采用曼彻斯特编码作为线路传输码型。 ●传统以太网属于共享式局域网，即传输介质作为各站点共享的资源。 ●共享式局域网要进行介质访问控制，以太网的介质访问控制方式为载波监听和冲突检测(CSMA／CD)技术。 3.2.2CSMA／CD技术 1、CSMA／CD控制方法 CSMA代表载波监听多路访问。 它是“先听后发”，也就是各站在发送前先检测总线是否空闲，当测得总线空闲后，再考虑发送本站信号。 CD表示冲突检测，即“边发边听”，各站点在发送信息帧的同时，继续监听总线，当监听到有冲突发生时（即有其他站也监听到总线空闲，也在发送数据），便立即停止发送信息。 归纳起来CSMA／CD的控制方法为： ●一个站要发送信息，首先对总线进行监听，看介质上是否有其他站发送的信息存在。 如果介质是空闲的，则可以发送信息。

●在发送信息帧的同时，继续监听总线，即“边发边听”。 当检测到有冲突发生时，便立即停止发送，并发出报警信号，告知其他各工作站已发生冲突，防止它们再发送新的信息介入冲突。 若发送完成后，尚未检测到冲突，则发送成功。

●检测到冲突的站发出报警信号后，退让一段随机时间，然后再试。 2、争用期 以太网的端到端往返时延2τ称为争用期，或碰撞窗口（设总线上单程端到端传播时延为τ）。 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2τ就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。 3、数据帧的最短帧长 某个站正在发送时产生冲突而中断发送的帧称为冲突的帧，它们都是很短的帧。 冲突的帧是无效帧，在接收端应该被丢弃。 为了能辨认哪些是发生冲突而应丢弃的短帧和哪些是真正有用的短帧，且尽量简化处理，所以规定了合法数据帧的最短帧长。 因为发送数据的站最长经过争用期这段时间即可检测到碰撞，所以合法数据帧的最短帧长则应是争用期时间2τ内所发送的比特（或字节）数。 4、CSMA/CD总线网的特点(1)竞争总线 (2)冲突显著减少(3)轻负荷有效(4)广播式通信(5)发送的不确定性(6)总线结构和MAC规程简单 3.2.3以太网的MAC子层协议 1、以太网的MAC子层功能

以太网的MAC子层有两个主要功能：（1）数据封装和解封（2）介质访问管理 2、MAC地址（硬件地址） IEEE802标准为局域网规定了一种48bit的全球地址，即MAC地址（MAC帧的地址），它是指局域网上的每一台计算机所插入的网卡上固化在ROM中的地址，所以也叫硬件地址或物理地址。 MAC地址的前3个字节由IEEE的注册管理委员会RAC负责分配，凡是生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE的RAC购买由这三个字节构成的一个号（即地址块）；地址字段的后3个字节由厂家自行指派，称为扩展标识符。 一个地址块可生成224个不同的地址。 3、MAC帧格式 以太网的两个标准 ●IEEE802.3标准 ●DIXEthernetV2——没有LLC子层（TCP/IP体系经常使用） 以太网MAC帧格式有两种标准：IEEE的802.3标准和DIXEthernetV2标准。（1）IEEE802．3标准规定的MAC子层帧结构图3-11IEEE802．3标准规定的MAC子层帧结构 ①地址字段 地址字段包括目的MAC地址字段和源MAC地址字段，都是6个字节。 ②数据长度字段 数据长度字段是2字节。它以字节为单位指出后面的数据字段长度。 ③数据字段与填充字段(PAD) 数据字段就是LLC子层交下来的LLC帧，其长度是可变的，但最短为46字节，最长为1500字节。

④帧检验(FCS)字段 IEE802．3标准中规定MAC帧的FCS为4个字节，采用循环冗余校验(CRC)。 FCS负责校验的字段包括：目的地址、源地址、数据长度、数据字段、填充字段及FCS本身。 ⑤前导码与帧起始定界符 在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节，即前导码与帧起始定界符。 它们的作用是这样的： 当一个站在刚开始接收MAC帧时，可能尚未与到达的比特流达成同步，由此导致MAC帧的最前面的若干比特无法接收，而使得整个MAC帧成为无用的帧。 为了解决这个问题，MAC帧向下传到物理层时还要在帧的前面插入8个字节，它包括两个字段。 第一个字段是前导码(PA)，共有7个字节，编码为1010……，即1和0交替出现，其作用是使接收端实现比特同步前接收本字段，避免破坏完整的MAC帧。 第二个字段是帧起始定界符(SFD)字段，它为1个字节，编码是10101011，表示一个帧的开始。（2）DIXEthernetV2标准的MAC帧格式TCP/IP体系经常使用DIXEthernetV2标准的MAC帧格式，此时局域网参考模型中的链路层不再划分LLC子层，即链路层只有MAC子层。图3-12DIXEthernetV2标准的MAC帧格式 DIXEthernetV2标准的MAC帧格式由5个字段组成，它与IEEE802.3标准的MAC帧格式除了类型字段以外，其他各字段的作用相同。 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。 另外，当采用DIXEthernetV2标准的MAC帧格式时，其数据部分装入的不再是LLC帧，而是网络层的分组或IP数据报。 3.2.4几种传统以太网 1、10BASE5(粗缆以太网) 10BASE5的名字的含义为：信号传输速率10Mbit／s(10)，基带传输(BASE)，一个网段上的最大长度为500m(5)。图3-13粗缆以太网示意图（1）粗同轴电缆 单段同轴电缆的最大长度被限制为500m。

（2）工作站在粗缆以太网中允许每个同轴电缆段最多只能安装100个站。

（3）服务器 服务器是LAN的核心，它是为各工作站用户提供网络共享功能及通信功能的。（4）收发器 收发器的功能： ●从工作站经收发器电缆得到数据向同轴电缆发送，或反过来，从同轴电缆接收数据经收发器电缆送给工作站。●检测在同轴电缆上发生的数据帧的冲突。

●在同轴电缆和电缆接口的电子设备之间进行电气隔离。 ●当收发器或工作站出故障时，保护同轴电缆不受其影响，此项功能即为超长控制。

（5）网卡 网卡的主要功能：●数据的封装与解封 ●链路管理——主要是CSMA／CD协议的实现。 ●编码与译码——即曼彻斯特编码与译码。（6）中继器 中继器又称为转发器，它可以消除信号由于经过一长段电缆而造成的失真和衰减。 10BASE5任意两个站之间最多可以有5个同轴电缆段，即可以最多有4个中继器。 可见10BASE5允许的最大网络直径为。 2、10BASE2(细缆以太网) 10BASE2与10BASE5的区别：（1）10BASE2使用细同轴电缆。（2）不用外接的收发器，网卡本身有收发器功能。（3）10BASE2只允许每个网段30个站。

（4）10BASE2单网段的最大长度降到185m(约200m)。（5）10BASE2仍保持10BASE5的4中继器/5网段的设计能力，但允许的最大网络直径降为。如果不使用中继器，则单个网段的最大长度可扩展到300m。 3、10BASE-T(双绞线以太网) 10BASE-T的标准IEEE802.3i。（1）10BASE-T以太网的拓扑结构图3-1510BASE-T拓扑结构示意图 几个要点： ●集线器一般集线器（所连局域网为共享式局域网）交换集线器（具有交换功能，所连局域网为交换式局域网） ●图中的集线器为一般集线器（简称集线器），它就像一个多端口转发器，每个端口都具有发送和接收数据的能力。 但一个时间只允许接收来自一个端口的数据，可以向所有其它端口转发。 当每个端口收到终端发来的数据时，就转发到所有其它端口，在转发数据之前，每个端口都对它进行再生、整形，并重新定时。 集线器往往含有中继器的功能，它工作在物理层。 ●采用一般集线器连接的以太网物理上是星形拓扑结构，但从逻辑上看是一个总线形网（一般集线器可看作是一个总线），各工作站仍然竞争使用总线。 所以这种局域网仍然是共享式网络，它也采用CSMA／CD规则竞争发送。●集线器与站点之间的最大距离为100m。

●一个集线器所连的站点最多可以有30个(实际目前只能达24个)。 ●可以把多个集线器连成多级星形结构的网络，这样就可以使更多的工作站连接成一个较大的局域网（集线器与集线器之间的最大距离为100m）。 10BASE-T一般最多允许有4个中继器（中继器的功能往往含在集线器里）级联。（2）10BASE-T以太网的组成 10BASE-T以太网的组成有：集线器、工作站、服务器、网卡、中继器和双绞线等。 4、10BASE-F(光缆以太网) 光缆以太网采用单模或多模光缆作为传输介质，也是星型拓扑结构，最大网段长度根据不同的情况可以是500m，1000m或2000m。 每个集线器所连的站点理论上最多也为30个，且最多允许使用4个中继器。3.3扩展的以太网 3.3.1在物理层扩展以太网 在物理层扩展以太网，可以使用转发器和集线器。 1、使用转发器扩展以太网 转发器（即中继器）工作在物理层，利用转发器连接网段是在物理层扩展以太网。

2、使用集线器扩展以太网 集线器也工作在物理层，使用集线器扩展以太网的示意图如图3-18所示。图3-18使用集线器扩展以太网 图3-18中一、二、三系集线器分别连接的是单个网段，主干集线器是起扩展以太网的作用的，它把各系的以太网连接起来，成为一个更大的以太网。 3.3.2在数据链路层扩展以太网 在数据链路层扩展以太网使用网桥。 1、网桥的工作原理 网桥有2-4个端口，其工作原理示意图如图3-19所示（图中的网桥假设有两个端口）。图3-19网桥的工作原理示意图 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，并不是向所有的端口转发此帧，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端口。 2、使用网桥扩展以太网的优缺点（1）优点 ●过滤通信量，隔离碰撞域。 ●扩大了网络的覆盖范围。 ●提高了可靠性。 ●网桥可连接不同物理层、不同MAC子层和不同速率的网段。（2）缺点 ●存储转发增加了时延。 ●在MAC子层并没有流量控制功能。 ●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。 3、网桥的类型 网桥有两种类型：透明网桥和源站选路网桥，它们分别遵循IEEE802．1和IEEE802．5标准。3.4高速以太网 3.4.1100BASE-T快速以太网1、100BASE-T的特点(1)传输速率高(2)沿用了10BASE-T的MAC协议

(3)可以采用共享式或交换式连接方式 ●共享式连接方式 ●交换式连接方式(4)适应性强 网卡既可作为100BASE-T网卡，又可降格为10BASE-T网卡使用。(5)经济性好 性能价格比高。（6）网络范围变小 由于传输速率升高，导致信号衰减增大，所以100BASE-T比10BASE-T的网络范围小。 2、100BASE-T的标准 100BASE-T快速以太网的标准为IEEE802．3u，是现有以太网IEEE802．3标准的扩展。

●MAC子层——100BASE-T快速以太网的MAC子层标准与802．3的MAC子层标准相同。 所以，100BASE-T的帧格式、帧携带的数据量、介质访问控制机制、差错控制方式及信息管理等，均与10BASE-T的相同。

●物理层标准——IEEE802．3u规定了100BASE-T的四种物理层标准：100BASE-TX、100BASE-FX、100BASE-T4和100BASE-T2。 3、100BASE-T快速以太网的组成 快速以太网和一般以太网的组成是相同的，即由工作站、网卡、集线器、中继器、传输介质及服务器等组成。

4．100BASE-T快速以太网的拓扑结构 100BASE-T快速以太网基本保持了10BASE-T以太网的网络拓扑结构，即所有的站点都连到集线器上，在一个网络中最多允许有两个中继器。 3.4.2千兆位以太网1、千兆位以太网的要点 千兆位以太网的标准——IEEE802．3z标准。（1）千兆位以太网的运行速度比1O0Mbit/s快速以太网快10倍，可提供1Gbit/s的基本带宽。（2）千兆位以太网采用星形拓扑结构。（3）千兆位以太网使用和10Mbit/s、100Mbit/s以太网同样的以太网帧，与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。（4）当工作在半双工(共享介质)模式下，它使用和其他半双工以太网相同的CSMA／CD介质访问控制机制(其中作了一些修改以优化1Gbit/s速度的半双工操作)。

（5）支持全双工操作模式。大部分千兆位以太网交换器端口将以全双工模式工作，以获得交换器间的最佳性能。（6）千兆位以太网允许使用单个中继器。（7）干兆位以太网采用8B／10B编码方案。 2、千兆位以太网的物理层标准 千兆位以太网的物理层标准有四种： ●1000BASE-LX（IEEE802．3z标准）●1000BASE-SX（IEEE802．3z标准） ●1000BASE-CX（IEEE802．3z标准）●1000BASE-T（IEEE802．3ab标准） 3.4.310Gbit/s以太网

10Gbit/s以太网的标准——802.3ae标准。 1、10Gbit/s以太网的特点 ●数据传输速率是10Gbit/s。 ●传输介质为多模或单模光纤。 ●10Gbit/s以太网使用与10Mbit/s，100Mbit/s和1Gbit/s以太网完全相同的帧格式。 ●线路信号码型采用8B/10B和MB810两种类型编码。 ●10Gbit/s以太网只工作在全双工方式，显然没有争用问题，也就不必使用CSMA/CD协议。 2、10Gbit/s以太网的物理层标准 10吉比特以太网的物理层标准包括局域网物理层标准和广域网物理层标准。（1）局域网物理层标准（LANPHY） ●10000BASE-ER ●10000BASE-LR ●10000BASE-SR（2）广域网物理层WANPHY ●10000BASE-SR ●10000BASE-L4 ●10000BASE-SW3.5交换式局域网 3.5.1交换式局域网的基本概念1、交换式局域网的概念 交换式局域网所有站点都连接到一个交换式集线器或局域网交换机上，如图3-22示。图3-22交换式局域网示意图 交换式集线器或局域网交换机具有交换功能，它们的特点是：所有端口平时都不连通，当工作站需要通信时，交换式集线器或局域网交换机能同时连通许多对端口，使每一对端口都能像独占通信媒体那样无冲突地传输数据，通信完成后断开连接。 由于消除了公共的通信媒体，每个站点独自使用一条链路，不存在冲突问题，可以提高用户的平均数据传输速率，即容量得以扩大。 2、交换式局域网的功能（1）隔离冲突域（2）扩展距离（3）增加总容量（4）数据率灵活性 3、局域网交换机的分类 按所执行的功能不同，局域网交换机（实际指的是以太网交换机）可以分成两种。（1）二层交换 如果交换机按网桥构造，执行桥接功能，由于网桥的功能属于OSI参考模型的第二层，所以此时的交换机属于二层交换。 二层交换是根据MAC地址转发数据，交换速度快，但控制功能弱，没有路由选择功能。（2）三层交换 如果交换机具备路由能力，而路由器的功能属于OSI参考模型的第三层，此时的交换机属于三层交换。 三层交换是根据IP地址转发数据，具有路由选择功能。 三层交换是二层交换与路由功能的有机组合。 4、二层交换技术（1）二层交换的原理 二层交换机内部有一个反映各站的MAC地址与交换机端口对应关系的MAC地址表。

当交换机的控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的MAC地址对照表以确定目的MAC的站点挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口。 MAC地址表中若无目的MAC地址，则将数据包广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。 交换机MAC地址表的建立与数据交换的具体过程如下。 ①交换机刚刚加电启动时，其MAC地址表是空的。 此时交换机并不知道与其相连的不同的MAC地址的终端站点位于哪一个端口。 它根据缺省规则，将不知道目的MAC地址对应哪一个端口的呼入帧发送到除源端口之外的其他所有端口上。 ②交换机是基于数据帧的源MAC地址来建立MAC地址表的。 具体是当交换机从某个端口接收到数据帧时，首先检查其发送站点的MAC地址与交换机端口之间的对应关系是否已记录在MAC地址表中，若无，则在MAC地址表中加入该表项。 ③交换机是基于目的MAC地址来转发数据帧的。 对收到的每一个数据帧，交换机查看MAC地址表，看其是否已经记录了目的MAC地址与交换机端口间的对应关系，若查找到该表项，则可将数据帧有目的地转发到指定的端口，从而实现数据帧的过滤转发。（2）二层交换机的功能 ①地址学习功能 ②数据帧的转发与过滤功能③广播或组播数据帧④交换机的消除回路功能 5、三层交换技术（1）三层交换的原理 假设两个使用IP协议的站点要通过第三层交换机进行通信。 站点A在开始发送时，已知目的IP地址，但不知道在局域网上发送所需要的目的MAC地址。 要采用地址解析协议ARP来确定目的MAC地址。 具体有以下两种情况： ①通信的两个站点位于同一个子网内站点A要和站点B通信：A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，从其软件中配置的子网掩码得出子网地址来确定目的站点是否与自己在同一子网内。 若是，则根据MAC地址进行二层的转发。 ②通信的两个站点不在同一个子网内 A要和C通信：若两个站点不在同一子网内，A要向三层交换模块广播出一个ARP请求。 如果三层交换模块在以前的通信过程中已经知道C站的MAC地址，则向发送站A回复C的MAC地址。 A通过二层交换模块向C转发数据。 若三层交换模块不知道C站的MAC地址，则根据路由信息广播一个ARP请求，C站收到此ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址，三层交换模块保存此地址并回复给发送站A，同时将C站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。 此后，A向C发送的数据包便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。（2）三层交换的优势 三层交换机具有高性能、安全性、易用性、可管理性、可堆叠性、服务质量及容错性的技术特点。 3.5.3全双工局域网 1、全双工局域网的概念 全双工局域网每个站点可以同时发送和接收数据，一对线用于发送数据，另一对线用于接收数据。 交换技术是实现全双工局域网的必要前提。 交换式局域网并不自动就是全双工操作，只有在交换机中设置了全双工端口以及做一些相应的改进，交换式局域网才是全双工局域网。

2、全双工局域网的优点（1）由于同时发送和接收，这在理论上可以使传输速度翻一番。（2）网段长度不再受共享介质半双工局域网计时要求的限制，它只受介质系统本身传输信号能力的限制。3.6虚拟局域网（VLAN）

3.6.1VLAN的概念 VLAN并没有严格的定义，它的大致概念为： VLAN大致等效于一个广播域，即VLAN模拟了一组终端设备，虽然它们位于不同的物理网段上，但是并不受物理位置的束缚，相互间通信就好像它们在同一个局域网中一样。 VLAN从传统LAN的概念上引申出来，在功能和操作上与传统LAN基本相同，提供一定范围内终端系统的互连和数据传输。

它与传统LAN的主要区别在于“虚拟”二字。 即网络的构成与传统LAN不同，由此也导致了性能上的差异。 交换式局域网的发展是VLAN产生的基础，VLAN是一种比较新的技术。 3.6.2划分VLAN的好处 1、VLAN的技术特点（1）虚拟局域网的覆盖范围不受距离限制。（2）虚拟局域网建立在交换网络的基础之上，交换设备包括以太网交换机、ATM交换机、宽带路由器等。（3）一个VLAN能够跨越多个交换机，一个VLAN是一个逻辑的子网。（4）虚拟局域网属于OSI参考模型中的第二层技术，能充分发挥网络的优势，体现交换网络高速、灵活、易管理等特性，VALN是交换网络的灵魂。（5）虚拟局域网较普通局域网有更好的网络安全性。 2、划分VLAN的好处 由于VLAN可以分离广播域，所以它为网络提供大量的好处，主要包括：（1）提高网络的整体性能（2）成本效率高（3）网络安全性好（4）可简化网络的管理 3.6.3划分VLAN的方法 1、根据端口划分VLAN（1）单交换机端口定义VLAN（2）多交换机端口定义VLAN 2、根据MAC地址划分VLAN 3、根据IP地址划分VLAN 3.6.4VLAN标准1、IEEE802．1Q IEEE802．1Q是IEEE802委员会制定的VLAN标准。2、Cisco公司的ISL协议ISL(InterSwitchLink)协议是由Cisco开发的，它支持实现跨多个交换机的VLAN。 3.6.5VLAN之间的通信 VLAN之间的通信主要采用路由器技术。 VLAN之间通信一般采用两种路由策略，即集中式路由和分布式路由。

1、集中式路由 集中式路由策略是指所有VLAN都通过一个中心路由器实现互联。 对于同一交换机（一般指二层交换机）上的两个端口，如果它们属于两个不同的VLAN，尽管它们在同一交换机上，则在数据交换时也要通过中心路由器来选择路由。

2、分布式路由分布式路由策略是将路由选择功能适当地分布在带有路由功能的交换机上（指三层交换机），同一交换机上的不同VLAN可以直接实现互通。第4章宽带IP城域网 本章介绍有关宽带IP城域网的相关内容，主要包括： ●宽带IP城域网基本概念 ●宽带IP城域网的分层结构 ●宽带IP城域网的带宽扩展与管理 ●宽带IP城域网的用户接入认证 ●宽带IP城域网的IP地址规划4.1宽带IP城域网基本概念4.2宽带IP城域网的分层结构4.3宽带IP城域网的带宽扩展与管理4.4宽带IP城域网的用户接入认证4.5宽带IP城域网的IP地址规划4.1宽带IP城域网基本概念 4.1.1宽带IP城域网的概念 城域网——