第05章局域網(wǎng)技術(shù)

1、5.1.1 交換式局域網(wǎng) 交換式局域網(wǎng)的核心設(shè)備使局域網(wǎng)交換機(jī)，它的特點(diǎn)是低交換延遲；能支持不同的傳輸速率和工作模式以及支持虛擬局域服務(wù)。局域網(wǎng)交換機(jī)可以在它的多個端口之間建立多個并發(fā)連接。它主要采用兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式：快捷交換方式與存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式。 典型的交換式局域網(wǎng)使交換式以太網(wǎng)，它的核心部件是以太網(wǎng)交換機(jī)。以太網(wǎng)交換機(jī)可以有多個端口，每個端口可以單獨(dú)與一個結(jié)點(diǎn)連接，也可以與一個共享介質(zhì)式的以太網(wǎng)集線器連接。 1999年IEEE公布了關(guān)于VLAN的802.1Q標(biāo)準(zhǔn)。一個邏輯工作組的結(jié)點(diǎn)可以分布在不同的物理網(wǎng)段上，但它們之間的通信就像在同一個物理網(wǎng)段上一樣。可以根據(jù)功能或應(yīng)用等因素將它們組織起來

2、，相互之間的通信就好像它們在同一個網(wǎng)段中一樣。 局域網(wǎng)的組網(wǎng)方法一般以以下四種：（1）虛擬網(wǎng)絡(luò)建立在局域網(wǎng)交換機(jī)之上（2）用MAC地址定義虛擬網(wǎng)（3）用網(wǎng)絡(luò)層地址定義虛擬網(wǎng)（4）IP廣播組虛擬局域網(wǎng) 國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定了OSI模型。這個模型把網(wǎng)絡(luò)通信的工作分為7層，OSI參考模型的全稱是開放系統(tǒng)互連參考模型，它是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standard Organization，ISO）提出的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互連模型。 各層的功能分別如下： （1）物理層 該層為上層協(xié)議提供了一個傳輸數(shù)據(jù)的物理媒體。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為比特。（2）數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質(zhì)上提

3、供可靠的傳輸。該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯、重發(fā)等。這一層的數(shù)據(jù)的單位稱為幀（frame）。（3）網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由選擇。此外，還實(shí)現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)際互連等功能。這一層的數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)包。（4）傳輸層 傳輸層是第一個端到端，即主機(jī)到主機(jī)的層次，它將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。同時，該層還處理端到端的差錯控制和流量控制問題。這一層的數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)段。（5）會話層會話層管理主機(jī)之間的會話進(jìn)程，即負(fù)責(zé)建立、管理、終止進(jìn)程之間的會話。會話層還利用在數(shù)據(jù)中插入校驗(yàn)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。（6）表示層表示層對上層數(shù)據(jù)或信息進(jìn)

4、行變換以保證一個主機(jī)應(yīng)用層信息可以被另一個主機(jī)的應(yīng)用程序理解。表示層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)的加密、壓縮、格式轉(zhuǎn)換等。（7）應(yīng)用層應(yīng)用層為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。5.2.1 Ethernet的命名 因此通過Ethernet的各物理層標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行命名，它的名稱由三部分組成。表5-1 Ethernet的物理層標(biāo)準(zhǔn)命名格式x為該Ethernet數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，單位是Mb/s；Type為傳輸?shù)姆绞?，基帶或頻帶；y為網(wǎng)絡(luò)的最大長度，單位是100m；Name是局域網(wǎng)的名稱。 10BASE-T 的組網(wǎng)由網(wǎng)卡、集線器、交換機(jī)、雙絞線等設(shè)備組成。結(jié)點(diǎn)都通過雙絞線連接到一個集線器上，當(dāng)其中一個結(jié)點(diǎn)

5、發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，任何一個結(jié)點(diǎn)都可以收到消息，由于集線器工作在物理層，所以每次只能有一個結(jié)點(diǎn)能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，而其他的結(jié)點(diǎn)都處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。 按照使用集線器的方式，雙絞線的組網(wǎng)方法可以有： 1. 單一集線器結(jié)構(gòu) 2. 多集線器級聯(lián)結(jié)構(gòu) 3. 堆疊式集線器結(jié)構(gòu)。 與10BASE-5和10BASE-2相比，它有如下特點(diǎn)： （1）安裝簡單、擴(kuò)展方便；網(wǎng)絡(luò)的建立靈活、方便，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的大小，選擇不同規(guī)格的交換機(jī)連接在一起，形成所需要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 （2）網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性強(qiáng)。因?yàn)閿U(kuò)充與減少工作站都不會影響或中斷整個網(wǎng)絡(luò)的工作。 （3）集線器或交換機(jī)具有很好的故障隔離作用。當(dāng)某個工作站與中央節(jié)點(diǎn)之間的連接

6、出現(xiàn)故障時，也不會影響其他節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行；甚至當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一個集線器或交換機(jī)出現(xiàn)故障時，也只會影響到與該集線器或交換機(jī)直接相連的節(jié)點(diǎn)。 1IEEE 802.3u協(xié)議 1995 年頒布的IEEE 802.3u，可支持100M 的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且與100 BASE-T 一樣可支持共享式與交換式兩種使用環(huán)境，在交換式Ethernet環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。IEEE 802.3u 在MAC 子層仍采用CSMA/CD 作為介質(zhì)訪問控制協(xié)議，并保留了IEEE 802.3 的幀格式。但是，為了實(shí)現(xiàn)100M 的傳輸速率，在物理層作了一些重要的改進(jìn)。 2MII接口 為了屏蔽下層不同的物理細(xì)節(jié)，100BASE-

7、T為MAC 和高層協(xié)議提供了一個100M 傳輸速率的公共透明接口，其功能與Ethernet的AUI接口相同。MII接口向上通過MAC子層的接口提供載波偵聽與沖突檢測的信號，向下支持10Mb/s與100Mb/s的接口，同時集線器可與其交換控制信息。 3100BASE-TX、100BASE-T4與100BASE-FX 100BASE-T一般包括：100BASE-TX、100BASE-T4與100BASE-FX 3種傳輸介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。 物理層協(xié)議線纜線纜對數(shù)最大分段長度編碼優(yōu)點(diǎn)100BASE-T43類4類 5類UTP4對3對：數(shù)據(jù)傳輸1對：檢測沖突100m8B/6T3類UTP100BASE-TX5類UT

8、P/RJ45接頭1類UTP/DB-9接頭2對2對100m4B/5B全雙工100BASE-FX62.5UM單模/12UM多模光纖ST或SC光纖連接器2對415m4B/5B-NRZI全雙工長距離4全雙工與半雙工 全雙工是指接收與發(fā)送采用兩個相互獨(dú)立的通道，可同時進(jìn)行，互不干擾。而半雙工則是接收與發(fā)送共用一個通道，同一時刻只能發(fā)送或只能接收，所以半雙工可能會產(chǎn)生沖突。 5100Mb/s與10Mb/s速率的自動協(xié)商 在100Base-T問世以后，在Ethernet的連接器上出現(xiàn)的信號可能是多種不同的Ethernet信號包括10Base-T半雙工、10base-T全雙工、100base-TX半雙工、10

9、0Base-TX全雙工或100Base-FX全雙工等工作模式中的任一種。為了簡化管理，推出了10Mb/s與100Mb/s的自動協(xié)商模式。 （1）100BASE-TX或100BASE-FX全雙工模式 （2）100BASE-T4 （3）100BASE-TX半雙工模式 （4）100BASE-T全雙工模式 （5）100BASE-T半雙工模式 100Mb/s與10Mb/s速率的自動協(xié)議一般來說，具有以下功能： （1）確定雙絞線的遠(yuǎn)端設(shè)備使用的是何種工作模式 （2）向其他結(jié)點(diǎn)發(fā)布這個遠(yuǎn)端設(shè)備的工作模式 （3）協(xié)調(diào)并確定雙方的工作模式 （4）選擇兩方最高性能的工作模式 重點(diǎn)提示：重點(diǎn)提示：快速Etherne

10、t在保持傳統(tǒng)的Ethernet幀結(jié)構(gòu)與介質(zhì)訪問控制方法不變的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)傳速率提高到了100Mb/s, IEEE 802委員會于1995正式批準(zhǔn)快速Ethernetr的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是IEEE 802.3u。5.3.1 中繼器 中繼器工作于物理層，它對高層協(xié)議是透明的。其一，它只能對傳輸介質(zhì)上的信號進(jìn)行信號增強(qiáng)與轉(zhuǎn)發(fā)；其二，他的作用只是增加傳輸距離，它不改變幀的內(nèi)容；其三，它所連接的幾個網(wǎng)絡(luò)段仍屬于這個局域網(wǎng)，只要該局域網(wǎng)中任一結(jié)點(diǎn)發(fā)送了數(shù)據(jù)，其他的結(jié)點(diǎn)都可以接收到這個數(shù)據(jù)，它們共享了一個沖突域。因此，中繼器不屬于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備。 理論上說，中繼器是可以把網(wǎng)絡(luò)延長到任意的傳輸距離，但一般網(wǎng)絡(luò)都有限制

11、一對工作站之間所加入的中繼器的最大數(shù)量。Ethernet中限制最多只能使用4 個中繼器，即最多由5 個網(wǎng)段組成。 重點(diǎn)提示：重點(diǎn)提示：中繼器工作在物理層，它的作用是將衰減后的信號經(jīng)過接收、放大、整形后再向與它相連的另一個纜段發(fā)送出去。中繼器使用的目的是增傳輸介質(zhì)的長度，它所連接的結(jié)點(diǎn)仍然共享一個沖突域，所以中繼器不屬于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備。 集線器的英文稱為“Hub”，即是“中心”的意思，集線器的主要功能是對接收到的信號進(jìn)行再生整形放大，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時，把所有結(jié)點(diǎn)集中在以它為中心的節(jié)點(diǎn)上，建立起一個物理上的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它工作于物理層并采用CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方式。 集線器在工作時具

12、有以下兩個特點(diǎn)。 （1） 集線器只是一個多端口的信號放大設(shè)備，它在網(wǎng)絡(luò)中只起到信號放大和發(fā)送作用。 （2） 集線器只與它的上連設(shè)備進(jìn)行通信，而同層的各端口之間不會直接進(jìn)行通信，而是通過上連設(shè)備再將信息廣播到所有端口上。 1網(wǎng)橋的功能及工作原理 網(wǎng)絡(luò)類似于中繼器，也是用于連接兩個網(wǎng)絡(luò)段，但它工作在數(shù)據(jù)鏈路層。網(wǎng)絡(luò)在工作時要先分析幀的地址字段，再決定是否把收到的幀轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)段上去。即網(wǎng)橋接收到數(shù)據(jù)幀后，先檢查幀的源地址與目的地址，如果兩個地址在同一個網(wǎng)絡(luò)段上，就不轉(zhuǎn)發(fā)；如果兩個地址在不同的網(wǎng)絡(luò)段上，就把幀轉(zhuǎn)發(fā)到目的地址所在的網(wǎng)絡(luò)段上。 2網(wǎng)橋使用的原因 （1）許多大學(xué)的院系或公司的部門都有各

13、自的局域網(wǎng)，主要用于連接他們自己的個人計算機(jī)、工作站以及服務(wù)器。由于各院系或部門的工作性質(zhì)不同，因此選用了不同的局域網(wǎng)，而它們之間又需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互交流，因而需要網(wǎng)橋。 （2）一個單位的建筑樓在地理位置上較分散，并且相距較遠(yuǎn)，在各個地點(diǎn)建立一個局域網(wǎng)，再用網(wǎng)橋連接起來，可以節(jié)省開銷。 （3）有時需要將一個邏輯上單一的局域網(wǎng)分成多個局域網(wǎng)。（4）在有些情況下，相距較遠(yuǎn)的兩臺主機(jī)之間的物理距離太遠(yuǎn)，來回時延過長，網(wǎng)絡(luò)仍將不能正常工作。唯一的辦法是將局域網(wǎng)分段，在各段之間放置網(wǎng)橋。 （5）在一個單獨(dú)的局域網(wǎng)中，一個有缺陷的結(jié)點(diǎn)不斷地輸出無用的信息，這將破壞局域網(wǎng)的正常運(yùn)行。網(wǎng)橋可以設(shè)置在局域網(wǎng)中的

14、關(guān)鍵部位，用于防止因單個結(jié)點(diǎn)失常而破壞整個系統(tǒng)。保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。 （6）大多數(shù)局域網(wǎng)接口都有一種混雜工作方式，在這種方式下，計算機(jī)接收所有的幀。如果網(wǎng)中多處設(shè)置網(wǎng)橋并謹(jǐn)慎地攔截?zé)o須轉(zhuǎn)發(fā)的重要信息。 3網(wǎng)橋的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.1與IEEE 802.5分別制定了透明網(wǎng)橋與源路由網(wǎng)橋的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 透明網(wǎng)橋的MAC地址表在網(wǎng)橋剛剛連接到局域網(wǎng)的時候是空的，但是透明網(wǎng)橋有一種有效的地址學(xué)習(xí)機(jī)制，可以使MAC地址表內(nèi)容從無到有，逐漸地建立起來。 網(wǎng)橋互聯(lián)時難免會出現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖5-10所示，這樣可能使網(wǎng)橋反復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)同一個幀，給網(wǎng)絡(luò)增加了不必要的負(fù)擔(dān)，為了解決這個問題，透明網(wǎng)橋使用了生成樹算

15、法，而由該算法所制定的協(xié)議即稱為生成樹協(xié)議。生成樹協(xié)議的核心思想是讓網(wǎng)橋能夠自動發(fā)現(xiàn)一個沒有環(huán)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的子網(wǎng)，也就是一個生成樹。 這種算法是從根網(wǎng)橋的選擇開始的。根網(wǎng)橋是整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的核心，所有的數(shù)據(jù)實(shí)際上都要通過根網(wǎng)橋。根網(wǎng)橋的選擇即是從網(wǎng)絡(luò)中選擇一個作為屬性拓?fù)涞臉涓?；再讓每一個網(wǎng)橋決定通向該根網(wǎng)橋的最短路徑，這樣，各網(wǎng)橋就可以知道如何到達(dá)這個“中心”；接下來，每個局域網(wǎng)選擇其指定的網(wǎng)橋，或者與根網(wǎng)橋最接近的網(wǎng)橋。指定的網(wǎng)橋?qū)褦?shù)據(jù)從局域網(wǎng)發(fā)送到根網(wǎng)橋；最后，是每個網(wǎng)段要選擇一個根端口，所謂根端口也即“用來向根網(wǎng)橋發(fā)送數(shù)據(jù)的端口”，它一般是該網(wǎng)段距離根網(wǎng)橋最近的端口，網(wǎng)段上的每一個端口

16、，甚至連接到終端系統(tǒng)的端口，都將參加這個根端口選擇，除非你將一個端口設(shè)置為“忽略”。一個網(wǎng)段只能有一個根端口，其它的端口都處于阻塞狀態(tài)，稱為阻塞端口。 生成樹協(xié)議有以下幾個特點(diǎn)： （1）生成樹協(xié)議提供一種控制環(huán)路的方法 采用這種控制環(huán)路的方法，在連接發(fā)生問題的時候，Ethernet能夠繞過出現(xiàn)故障的連接。 （2）生成樹中的根網(wǎng)橋是一個邏輯的中心 生成樹協(xié)議監(jiān)視整個網(wǎng)絡(luò)的通信。最好不要依賴設(shè)備的自動選擇去挑選哪一個網(wǎng)橋會成為根網(wǎng)橋。 （3）生成樹協(xié)議重新計算的開銷很大 恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置主機(jī)連接端口并推薦使用快速生成樹協(xié)議。 4網(wǎng)橋的分類 網(wǎng)橋多種有分類方式： （1）從網(wǎng)橋的幀轉(zhuǎn)發(fā)策略來分 可以將網(wǎng)橋分

17、為透明網(wǎng)橋和源路由網(wǎng)橋。 （2）從網(wǎng)橋的端口數(shù)來分 可以將網(wǎng)橋分為雙端口網(wǎng)橋與多端口網(wǎng)絡(luò)。 （3）從網(wǎng)橋的連接線路來分 可以將網(wǎng)橋分為普通局域網(wǎng)網(wǎng)橋、無線網(wǎng)橋與遠(yuǎn)程網(wǎng)橋。 5.3.4 交換機(jī) 交換機(jī)可以在它的多個端口之間建立并發(fā)連接，交換式Ethernet是典型的交換式局域網(wǎng)，它的核心部件就是Ethernet交換機(jī)。5.4.1 綜合布線系統(tǒng)的概念 綜合布線系統(tǒng)（Premises Distributed System，PDS），它是一種集成化通用傳輸系統(tǒng)，在建筑物和園區(qū)范圍內(nèi)，利用雙絞線或光纜來傳輸信息，同時可以連接電話、計算機(jī)、會議電視和監(jiān)視電視等設(shè)備的結(jié)構(gòu)化信息傳輸系統(tǒng)。 綜合布線系統(tǒng)使用標(biāo)

18、準(zhǔn)的雙絞線和光纖，支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸。它一般使用物理分層星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。1系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2子系統(tǒng)組成 綜合布線系統(tǒng)是由6個獨(dú)立的子系統(tǒng)所組成，這6個子系統(tǒng)為： （1）工作區(qū)子系統(tǒng) （2）配線子系統(tǒng) （3）干線子系統(tǒng) （4）設(shè)備間子系統(tǒng) （5）管理子系統(tǒng) （6）建筑群子系統(tǒng)3系統(tǒng)的主要部件（1）傳輸介質(zhì)綜合布線系統(tǒng)中常用的傳輸介質(zhì)為雙絞線和光纜 （2）連接部件 建筑群配線架（CD）。 建筑群干線電纜、建筑群干線光纜。 建筑物配線架（BD）。 建筑物干線電纜、建筑物干線光纜。 樓層配線架（FD）。 水平電纜、水平光纜。 轉(zhuǎn)接點(diǎn)（TP）。 信息插座（IO）。 通信引出端（TO）。4設(shè)備配置 綜合布

19、線系統(tǒng)的設(shè)備配置主要是指各種配線架、布線子系統(tǒng)、傳輸介質(zhì)以及通信引出端等的配置。圖5-14 中小型單棟建筑的綜合布線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 在每個基本型工作區(qū)的干線中至少配有2對雙絞線。 在每個增強(qiáng)型工作區(qū)的干線電纜中至少有3對雙絞線。6系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 現(xiàn)在，綜合布線在參考系統(tǒng)布線的標(biāo)準(zhǔn)時，一般從以下幾個標(biāo)準(zhǔn)體系入手： （1）國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 11801； （2）北美標(biāo)準(zhǔn)ANSI/TIA/EIA 568-B； （3）歐洲標(biāo)準(zhǔn)CELENEC EN50173； （4）中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T50311-2000和GB/T 50312-2000。 我們在對布線的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇時，主要考慮下面兩方面的因素： （1）用戶指

20、定，比如一些在華的歐洲公司，比較傾向于采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)。 （2）根據(jù)綜合布線的性質(zhì)和功能由布線系統(tǒng)集成商推薦選定。 7特點(diǎn)（1）兼容性 （2）開放性 （3）靈活性 2配線子系統(tǒng)設(shè)計 配線子系統(tǒng)是將干線子系統(tǒng)線路延伸到用戶的工作區(qū)。該系統(tǒng)是從各個子配線間出發(fā)連向各個工作區(qū)的信息插座。3干線子系統(tǒng)設(shè)計 干線子系統(tǒng)是綜合布線系統(tǒng)的主干，它包括供干線電纜走線用的垂直或水平通道；連接設(shè)備間與網(wǎng)絡(luò)接口、連接設(shè)備間與建筑群子系統(tǒng)、連接干線接線間與各衛(wèi)星接線間以連接主設(shè)備間和計算機(jī)中心間的電纜。 干線子系統(tǒng)設(shè)計要遵守以下4點(diǎn)原則：（1）確定所需的電纜對數(shù)與和主干電纜時要考慮語音和數(shù)據(jù)信號的共享原則。（2）最短、最安全、最經(jīng)濟(jì)等方面來進(jìn)行路由選擇。（3）干線電纜可采用點(diǎn)對點(diǎn)端接，也可采用分去遞減端接或電纜直接連接的方法。（4）若設(shè)備間與計算機(jī)中心機(jī)房處于不同地點(diǎn)，則應(yīng)把語音電纜接入設(shè)備間，數(shù)據(jù)電纜