第5章局域網(wǎng)基礎(chǔ)

第5章局域網(wǎng)基礎(chǔ)局域網(wǎng)的發(fā)展方向速度越來越快距離越來越遠(yuǎn)有線向無線過渡2023/1/132內(nèi)容目錄局域網(wǎng)概述1

各種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)介紹2現(xiàn)代以太網(wǎng)技術(shù)3虛擬局域網(wǎng)42023/1/1335.1局域網(wǎng)概述5.1.1局域網(wǎng)的定義和特點(diǎn)◆局域網(wǎng)LAN(LocalAreaNet)是一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它將有限地理范圍內(nèi)的多種信息設(shè)備聯(lián)接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和資源共享?！羝渲饕攸c(diǎn)：1覆蓋有限的地理范圍。2具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較低的誤碼率。3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)方便等特點(diǎn)，一般由一個(gè)單位或部門建設(shè)、管理及維護(hù)。2023/1/134決定局域網(wǎng)特性三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)傳輸介質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介質(zhì)訪問控制方法本章難點(diǎn)MAC(MediaAccessControl)2023/1/135

5.1.2局域網(wǎng)的組成工作站（PC機(jī)）服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)接口卡集線器、交換機(jī)傳輸介質(zhì)2023/1/1361.PC機(jī)PC機(jī)通過網(wǎng)卡經(jīng)傳輸介質(zhì)連接到集線器或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及其它PC機(jī)之間的通信。2.服務(wù)器在集中控制型局域網(wǎng)中，通常設(shè)置專門的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器作為局域網(wǎng)的核心控制計(jì)算機(jī)，用于控制局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)資源及網(wǎng)絡(luò)用戶管理。5.1.2局域網(wǎng)的組成2023/1/137網(wǎng)卡：網(wǎng)絡(luò)接口卡,簡稱NIC（NetworkIntefaceCard），又稱網(wǎng)絡(luò)適配器。網(wǎng)卡的分類按傳輸介質(zhì)訪問方法：以太網(wǎng)卡、令牌環(huán)網(wǎng)卡、FDDI網(wǎng)卡、ATM網(wǎng)卡等；按帶寬：10Mbps、100Mbps、10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)卡、1000M網(wǎng)卡和10G網(wǎng)卡等；按傳輸介質(zhì)分類，目前主流網(wǎng)卡可分為雙絞線以太網(wǎng)（RJ-45接口）、光纖接口網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡（常為USB接口）3.網(wǎng)卡:網(wǎng)絡(luò)接口卡卡2023/1/1382023/1/139網(wǎng)卡的功能是在發(fā)送方將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)信號發(fā)送到傳輸介質(zhì)上，在接收方網(wǎng)卡將從傳輸介質(zhì)上接收到信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。具體來講，網(wǎng)卡有如下功能：數(shù)據(jù)的封裝與解封：即將邏輯鏈路（LLC）子層交下來的LLC幀加上MAC（介質(zhì)訪問控制）子層的首部和尾部，成為MAC幀。接收時(shí)MAC層剝?nèi)ナ撞亢臀膊浚纬蒐LC幀，然后送交LLC子層；鏈路管理：主要是MAC子層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；編碼與譯碼：即曼徹斯特編碼與譯碼。網(wǎng)卡的功能2023/1/1310

每個(gè)網(wǎng)卡在出廠時(shí)都賦予了一個(gè)全世界范圍內(nèi)唯一的物理地址。沒有兩個(gè)網(wǎng)卡具有相同的物理地址。物理地址固化在網(wǎng)卡的ROM中，被稱為網(wǎng)卡的物理地址或MAC地址MAC地址長度為48位，6個(gè)字節(jié)，常用16進(jìn)制數(shù)表達(dá)，如IEEE的注冊管理委員會RAC(RegistrationAuthorityCommittee)是局域網(wǎng)全球物理地址的法定管理機(jī)構(gòu)，所有的網(wǎng)卡制造商向IEEE申請購買一個(gè)由前3個(gè)字節(jié)組成網(wǎng)卡地址塊，每個(gè)制造商只能使用所購買的許可范圍內(nèi)的地址。網(wǎng)卡的物理地址2023/1/13114.集線器集線器（Hub）是局域網(wǎng)中重要的部件之一。集線器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多端口的中繼器，工作在OSI參考模型的物理層?；诩€器的網(wǎng)絡(luò)屬于共享介質(zhì)局域網(wǎng)，即共享總線帶寬。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，集線器與交換技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了交換式集線器（Hub/Switch）。交換式集線器是一種新型的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，它不但能使網(wǎng)絡(luò)分段，而且還增加了線路交換功能，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸挕?023/1/13122023/1/13135.交換機(jī)交換機(jī)是現(xiàn)代局域網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，負(fù)責(zé)局域網(wǎng)內(nèi)各站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信。站點(diǎn)和交換機(jī)間采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，交換機(jī)接收所有站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)幀目的地址將其轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)站點(diǎn)。集線器就是一種采用共享式工作狀態(tài)的設(shè)備，采用廣播的形式傳輸數(shù)據(jù)。而交換機(jī)上的所有端口均有獨(dú)享的信道帶寬，以保證每個(gè)端口上數(shù)據(jù)的快速有效傳輸。2023/1/13146.傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)系統(tǒng)。它將網(wǎng)絡(luò)中的各站點(diǎn)從物理上連接起來，從而能夠進(jìn)行各類數(shù)據(jù)和信息傳輸。傳輸介質(zhì)的質(zhì)量和傳輸性能直接影響著網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量和傳輸性能。傳輸介質(zhì)像交通道路一樣是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施。局域網(wǎng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境可采用有線、無線等多種傳輸介質(zhì)。2023/1/13155.2IEEE802局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)5.2.1局域網(wǎng)模型與標(biāo)準(zhǔn)5.2.2IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)5.2.3IEEE802.5令牌環(huán)5.2.4IEEE802.4令牌總線網(wǎng)2023/1/13165.2IEEE802局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)5.2.1局域網(wǎng)模型與標(biāo)準(zhǔn)

1.局域網(wǎng)模型◆隨著早期局域網(wǎng)的不斷發(fā)展，局域網(wǎng)產(chǎn)品的數(shù)量和種類不斷增加。為了能規(guī)范局域網(wǎng)的發(fā)展，業(yè)界迫切希望有一個(gè)局域網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)。

◆1980年2月，美國電氣和電子工程師學(xué)會IEEE成立了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(IEEE802委員會)，專門從事局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，并且制定了IEEE802局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。2023/1/13171.局域網(wǎng)模型LLC子層基本功能是完成數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)幀傳輸和控制。LLC層對于所有的LAN協(xié)議來說都是相同的。MAC子層基本功能是解決共享介質(zhì)的競爭使用問題。它包含了數(shù)據(jù)傳遞所必須的同步、標(biāo)記、流量和差錯控制的規(guī)范，并包括下一個(gè)接收數(shù)據(jù)幀站點(diǎn)的物理地址。MAC協(xié)議對于不同的LAN是不同的。2023/1/13182.局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)，該系列標(biāo)準(zhǔn)包括以下四類：(1)IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)定義了局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)際互連、網(wǎng)絡(luò)管理和性能測試.(2)IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)定義了邏輯鏈路控制子層LLC的功能與服務(wù).2023/1/1319(3)不同局域網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)此類分別定義了不同介質(zhì)訪問控制的標(biāo)準(zhǔn)，其中最重要的為802.3標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3：CSMA/CD總線網(wǎng)，即CSMA/CD總線網(wǎng)的MAC子層和物理層技術(shù)規(guī)范。IEEE802.4：令牌總線網(wǎng)，即令牌總線網(wǎng)的MAC子層和物理層技術(shù)規(guī)范。IEEE802.5：令牌環(huán)形網(wǎng)，即令牌環(huán)形網(wǎng)的MAC子層和物理層技術(shù)規(guī)范。IEEE802.6：城域網(wǎng)，即城域網(wǎng)的MAC子層和物理層技術(shù)規(guī)范。IEEE802.7：寬帶局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.8：光纖傳輸標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.9：綜合話音數(shù)據(jù)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.10：可互操作的局域網(wǎng)安全性規(guī)范。2023/1/1320(4)無線網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11：無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，目前有802.11、802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等標(biāo)準(zhǔn)，主要用于100m范圍內(nèi)的無線數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.14：電纜調(diào)制解調(diào)器(CableModem)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15：無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于10m內(nèi)的短距離無線通信，主要技術(shù)為藍(lán)牙等。IEEE802.16：無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，也被稱為WiMax技術(shù)，主要用于10km范圍內(nèi)的固定及移動無線數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.20：無線廣域網(wǎng)，基于IP的無線全移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2023/1/1321IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系2023/1/13225.2.2IEEE802.3傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)概述

◆802.3局域網(wǎng)又可稱為以太網(wǎng)

◆這種網(wǎng)絡(luò)最早是由美國公司Xerox（施樂）研究成功的。IEEE802.3是在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上制訂的局域網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)。

◆術(shù)語:以太網(wǎng)、CSMA/CD

和IEEE802.3

是通用的。2023/1/13235.2.2IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

物理層：

◆802.3標(biāo)準(zhǔn)將物理層又細(xì)分為兩個(gè)子層，即物理信令PLS(PhysicalSignaling)子層和物理介質(zhì)連接件PMA(PhysicalMediumAttachment)子層。PLS子層的主要功能是進(jìn)行曼徹斯特編碼／譯碼，以及進(jìn)行載波監(jiān)聽，并向MAC層提供服務(wù)。PMA子層的主要功能是完成沖突檢測、超長控制以及發(fā)送／接收串行比特流。

◆按照802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，PLS子層和PMA子層可在不同設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，也可在同一個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)PLS子層和PMA子層不同的實(shí)現(xiàn)方法，形成了802.3以太網(wǎng)的兩種物理層結(jié)構(gòu)。2023/1/13242023/1/13255.2.2IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

MAC層：以太網(wǎng)不提供任何確認(rèn)接收到幀的應(yīng)答機(jī)制，確認(rèn)必須在高層完成。這使它成為一種不可靠的介質(zhì)。IEEE802.3定義了一種具有7個(gè)字段的MAC數(shù)據(jù)幀，最短要求是64字節(jié)，最長要求是1518字節(jié)。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。Bytes

7

1

6

6

246～1500

4前導(dǎo)碼起始分界符目的地址源地址PDU長度數(shù)據(jù)FCS2023/1/1326MAC層

Bytes

7

1

6

6

2

46～1500

4

前導(dǎo)碼

起始分界符

目的地址

源地址

PDU長度

數(shù)據(jù)

FCS

前導(dǎo)碼也稱為前同步碼，占7個(gè)字節(jié)、56位，每個(gè)字節(jié)固定為10101010，其作用是警告系統(tǒng)接收即將到來的數(shù)據(jù)幀并提供時(shí)鐘脈沖，使接收方實(shí)現(xiàn)比特同步。2023/1/1327MAC層

Bytes

7

1

6

6

2

46～1500

4

前導(dǎo)碼

起始分界符

目的地址

源地址

PDU長度

數(shù)據(jù)

FCS

起始分界符占1個(gè)字節(jié)，位模式固定為10101011，它表示一個(gè)有效MAC幀的開始,即MAC幀長度從此字段以后的目的地址字段開始計(jì)算。2023/1/1328MAC層

Bytes

7

1

6

6

2

46～1500

4

前導(dǎo)碼

起始分界符

目的地址

源地址

PDU長度

數(shù)據(jù)

FCS

目的地址字段占用6個(gè)字節(jié)、48位，標(biāo)記數(shù)據(jù)幀下一個(gè)目的站的物理地址，即MAC地址。MAC子層有三類目的地址，即單個(gè)地址、組地址和廣播地址。當(dāng)最高位為“0”時(shí)，為單個(gè)地址，為“1”時(shí)，為組地址，當(dāng)全為“1”時(shí)，為廣播地址。2023/1/1329MAC層

Bytes

7

1

6

6

2

46～1500

4

前導(dǎo)碼

起始分界符

目的地址

源地址

PDU長度

數(shù)據(jù)

FCS

源地址字段占用6個(gè)字節(jié)、48位，它和目的地址長度相同，但是沒有組地址。2023/1/1330MAC層

Bytes

7

1

6

6

2

46～1500

4

前導(dǎo)碼

起始分界符

目的地址

源地址

PDU長度

數(shù)據(jù)

FCS

PDU長度字段占用兩個(gè)字節(jié)，指明PDU的字節(jié)數(shù)。2023/1/1331MAC層

Bytes

7

1

6

6

2

46～1500

4

前導(dǎo)碼

起始分界符

目的地址

源地址

PDU長度

數(shù)據(jù)

FCS

數(shù)據(jù)字段即是從LLC子層交下來的整個(gè)LLC幀，占46～1500個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)字段有一個(gè)最小長度要求—46字節(jié)。當(dāng)LLC子層傳輸下來LLC幀不夠長時(shí)，需要在此字段進(jìn)行數(shù)據(jù)填充。由于數(shù)據(jù)字段最短是46字節(jié)，最長為1500字節(jié)，則MAC幀的最短要求是64字節(jié)，最長要求是1518字節(jié)(從目的地址字段到FCS字段)。2023/1/1332MAC層

Bytes

7

1

6

6

2

46～1500

4

前導(dǎo)碼

起始分界符

目的地址

源地址

PDU長度

數(shù)據(jù)

FCS

FCS序列字段占用4個(gè)字節(jié)，提供對目的地址、源地址、PDU長度、數(shù)據(jù)字段等前4個(gè)字段的CRC檢驗(yàn)。2023/1/1333幾種傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3MACMAC層物理層10BASE-5粗同軸電纜10BASE-2細(xì)同軸電纜10BASE-TUTP雙絞線10BASE-F光纜10BROADS-36寬帶同軸電纜IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)系列2023/1/1334(1)10BASE-5：粗以太網(wǎng)10BASE-5的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線型10BASE-5所采用的傳輸介質(zhì)是50Ω、直徑為0.4英寸的基帶粗同軸電纜，所以10BASE-5又稱為粗纜以太網(wǎng)?！?”表示每一段電纜的最大長度為500M。如果距離需要延長，就要安裝第二個(gè)網(wǎng)段，兩個(gè)網(wǎng)段之間用中繼器或路由器連接2023/1/13352023/1/1336(2)10BASE-2：細(xì)以太網(wǎng)10BASE-2又稱為細(xì)纜以太網(wǎng)，使用的同軸電纜直徑為0.25英寸，它是作為10BASE-5的一種替代方案而制定的。每個(gè)網(wǎng)段長度較短，最長只有185M。

對于許多小型網(wǎng)來說，10BASE-2是一個(gè)即廉價(jià)又簡單的方案，所以往往用于PC局域網(wǎng)2023/1/13372023/1/1338(3)10BASE-T“T”代表雙絞線星型網(wǎng)。10BASE-T采用以集線器為中心的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)的RJ-45插頭與五類非屏蔽雙絞線UTP連接網(wǎng)卡和集線器。因?yàn)閁TP雙絞線的傳輸質(zhì)量相對較差，每個(gè)網(wǎng)段的距離只有100M10BASE-T以太網(wǎng)奠定了后續(xù)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)2023/1/13392023/1/1340(4)幾種以太網(wǎng)比較類型特性10BASE-510BASE-210BASE-T10BASE-FL10BASE-FB10BASE-FPIEEE規(guī)范802.3802.3a802.3i802.3i批準(zhǔn)時(shí)間1983198819901992傳輸媒體50Ω粗同軸電纜50Ω細(xì)同軸電纜3類/5類UTP85nm光纖信號傳輸技術(shù)基帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線形星形最大網(wǎng)段長度/m50018510020002000500每段最多結(jié)點(diǎn)數(shù)10030-1024102433線纜直徑/mm1050.4~0.662.5/125μm2023/1/13415.2.3IEEE802.5令牌環(huán)令牌環(huán)網(wǎng)最早于1969年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制成功，由于環(huán)上僅有一個(gè)令牌，故又稱為單令牌網(wǎng)令牌環(huán)網(wǎng)是一種環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用曼徹斯特編碼，屬于共享介質(zhì)局域網(wǎng)。為了避免沖突，一個(gè)令牌環(huán)中只允許有一個(gè)令牌。令牌是一種特殊的MAC控制幀，當(dāng)環(huán)正常工作，令牌總是沿著物理環(huán)單向移動。2023/1/13421.令牌環(huán)的工作原理令牌環(huán)中只允許有一個(gè)令牌，即為單令牌方式。令牌是一種特殊的MAC控制幀，當(dāng)環(huán)正常工作時(shí)，令牌總是沿著物理環(huán)單向移動。結(jié)點(diǎn)A有數(shù)據(jù)發(fā)送給結(jié)點(diǎn)C，必須等到空閑令牌到來。當(dāng)結(jié)點(diǎn)A獲得空閑令牌后，而且優(yōu)先級允許持有它，則將令牌標(biāo)志由“閑”置為“忙”，然后開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。當(dāng)數(shù)據(jù)幀經(jīng)過目的地站C，一方面復(fù)制，一方面轉(zhuǎn)發(fā)給下一站。數(shù)據(jù)幀回到A，A結(jié)點(diǎn)檢測并吸收，再生成一新令牌繼續(xù)流動，等待要發(fā)送數(shù)據(jù)的站截獲它。2023/1/13432023/1/13442.令牌環(huán)MAC幀格式

IEEE802.5定義了3種MAC幀的格式：◆令牌幀◆數(shù)據(jù)幀◆異常終止幀2023/1/1345(1)令牌幀◆SD為起始定界符，標(biāo)志著幀的開始；◆ED為結(jié)束定界符，標(biāo)志著幀的結(jié)束;◆AC為訪問控制字段。PPP是優(yōu)先級位，T是令牌位，M是監(jiān)督位，RRR為預(yù)約優(yōu)先級位。PPP位與RRR位在沒有優(yōu)先級的環(huán)路中不起任何作用，都被置為0.在有優(yōu)先級的環(huán)路中，3個(gè)字節(jié)的優(yōu)先級字段PPP可以構(gòu)成8種不同的優(yōu)先級。2.令牌環(huán)MAC幀格式2023/1/13462.令牌環(huán)MAC幀格式Bytes111SDACED12345678PPPTMRRR令牌幀的格式(1)令牌幀2023/1/13472.令牌環(huán)MAC幀格式SDACFCDASADATAFCSEDFS11166>=0411Byte數(shù)據(jù)幀的格式（2）數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀共有9個(gè)字段，其中SD和AC字段和含義與令牌幀完全相同。FC表示幀控制字段DA為目的地址字段，占6個(gè)字節(jié)SA為源地址字段，占6個(gè)字節(jié)DATA為數(shù)據(jù)字段，令牌環(huán)網(wǎng)對幀沒有最大長度的限制FCS為幀效驗(yàn)序列，占4個(gè)字節(jié)EFS為幀結(jié)束序列，包括ED和FS兩個(gè)字段2023/1/13482.令牌環(huán)MAC幀格式（3）異常終止幀終止幀僅僅包括起始界符SD和結(jié)束界符ED，不包括任何數(shù)據(jù)信息。它可可由發(fā)送站點(diǎn)產(chǎn)生，用來停止發(fā)送站點(diǎn)的發(fā)送，也可以由監(jiān)控站點(diǎn)產(chǎn)生，用來清除線路上舊的傳輸。2023/1/13495.2.4IEEE802.4令牌總線網(wǎng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)具有實(shí)現(xiàn)簡單、延遲小等優(yōu)點(diǎn)，但是，隨著負(fù)載的增加，沖突會急劇增加，網(wǎng)絡(luò)性能會明顯下降令牌環(huán)形網(wǎng)具有重負(fù)載下效率高、網(wǎng)絡(luò)性能對距離不敏感以及站點(diǎn)具有公平訪問等優(yōu)越性能，但環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在檢錯和可靠性問題802.4標(biāo)準(zhǔn)令牌總線網(wǎng)綜合這兩種局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。令牌總線網(wǎng)在物理結(jié)構(gòu)上是總線結(jié)構(gòu)，在邏輯結(jié)構(gòu)上卻是環(huán)形結(jié)構(gòu)2023/1/13505.3現(xiàn)代以太網(wǎng)技術(shù)5.3.1交換機(jī)的工作原理與分類5.3.2快速以太網(wǎng)5.3.3千兆以太網(wǎng)5.3.4萬兆以太網(wǎng)2023/1/13515.3現(xiàn)代以太網(wǎng)技術(shù)作為主流的局域網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)在TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接口層中占據(jù)重要地位，是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接口層實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)現(xiàn)代以太網(wǎng)技術(shù)是指以快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)為代表的新興以太網(wǎng)技術(shù)?，F(xiàn)代以太網(wǎng)技術(shù)采用交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組建局域網(wǎng)。目前，就現(xiàn)代以太網(wǎng)的應(yīng)用情況而言，快速以太網(wǎng)已經(jīng)逐漸普及，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)大量應(yīng)用，萬兆以太網(wǎng)也已投入使用2023/1/13525.3.1交換機(jī)的工作原理與分類

1.交換機(jī)的工作原理◆交換機(jī)端口數(shù)量多為4的倍數(shù)◆交換機(jī)使用MAC地址表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。交換機(jī)建立自身MAC地址表也是一個(gè)學(xué)習(xí)過程，通過廣播的方式，在工作過程中不斷地收集數(shù)據(jù)幀的地址信息去建立MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表?！粼摫碇饕悄康腗AC地址和轉(zhuǎn)發(fā)端口號，用于標(biāo)明某個(gè)目的MAC地址應(yīng)該由交換機(jī)的哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)。2023/1/1353交換機(jī)工作原理如圖所示，PC1連接交換機(jī)的E0/2端口，PC4連接交換機(jī)的E0/8端口，當(dāng)PC1發(fā)送數(shù)據(jù)幀給PC4時(shí)，交換機(jī)從E0/2端口接收到數(shù)據(jù)幀，然后檢查該數(shù)據(jù)幀的目的地址得到目的MAC地址M4，接下來在已經(jīng)建立的MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)表中查到M4對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)端口為E0/8端口，最后將該數(shù)據(jù)幀從E0/8端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。2023/1/1354典型交換局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)工作組交換機(jī)部門級交換機(jī)工作組交換機(jī)應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)庫服務(wù)器企業(yè)級交換機(jī)部門級交換機(jī)2023/1/13555.3.1網(wǎng)橋與交換機(jī)

2.交換機(jī)的分類常見的交換機(jī)有多種不同的類型，下面就從不同的角度介紹一下交換機(jī)的分類。(1)根據(jù)傳輸速度劃分根據(jù)交換機(jī)傳輸速度的不同，可以將局域網(wǎng)交換機(jī)分為以太網(wǎng)交換機(jī)、快速以太網(wǎng)交換機(jī)、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、萬兆以太網(wǎng)交換機(jī)、等。2023/1/13565.3.1網(wǎng)橋與交換機(jī)2.交換機(jī)的分類(2)根據(jù)應(yīng)用層次劃分根據(jù)交換機(jī)所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)層次，我們又可以將網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)劃分為可分為企業(yè)級交換機(jī)、園區(qū)網(wǎng)交換機(jī)、部門級交換機(jī)、工作組交換機(jī)和桌面型交換機(jī)五種。(3)根據(jù)交換機(jī)的結(jié)構(gòu)劃分按交換機(jī)的結(jié)構(gòu)可將交換機(jī)分為：固定端口交換機(jī)、模塊化交換機(jī)兩種不同的結(jié)構(gòu)。2023/1/13575.3.2快速以太網(wǎng)快速以太網(wǎng)是從10Base–T發(fā)展而來的，所以保留著傳統(tǒng)的10Base系列Ethernet的所有特征，即相同的幀格式、相同的介質(zhì)訪問控制方法CSMA/CD、相同的組網(wǎng)方法，只是把每個(gè)比特發(fā)送時(shí)間由100ns降至10ns。因此，用戶只要更換一張網(wǎng)卡，再安裝一個(gè)100Mbps的集線器或交換機(jī)，就可以很方便地由10Base-T以太網(wǎng)直接升級到100Mbps，而不必改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所有在10Base-T上的應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)軟件的功能也都可以保持不變。1995年5月，IEEE802委員會正式通過作為新規(guī)范的快速以太網(wǎng)100Base-T標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3u。2023/1/1358FastEthernet協(xié)議結(jié)構(gòu)100Base-T標(biāo)準(zhǔn)包括三種物理層標(biāo)準(zhǔn)，即100Base-TX，100Base-T4與100Base-FX。100Base-TX與10Base-T有許多相似之處，都是使用2對5類非屏蔽雙絞線或 STP，其中一對用于發(fā)送，一對用于接收，其最大網(wǎng)段長度為100M100Base-T4使用4對無屏蔽雙絞線，其中3對用于傳輸數(shù)據(jù)，第4對作為沖突檢測時(shí)的接收信道。2023/1/1359三種快速以太網(wǎng)性能比較類型特性100Base-TX100Base-FX100Base-T4傳輸介質(zhì)5類UTP或STP多?；騿文９饫wUTP/3/4/5類要求線對數(shù)224發(fā)送線對數(shù)113最大固定長度100m150/412/2000m100m全雙工通信能力有有無2023/1/13605.3.3千兆以太網(wǎng)

1.發(fā)展背景◆隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，許多網(wǎng)絡(luò)給用戶提供交換式10BASE-T和100BASE-T連接?！粼谂_式機(jī)和服務(wù)器上采用這些技術(shù)，以及提高網(wǎng)絡(luò)的訪問速度都會使局域網(wǎng)的主干網(wǎng)承受更大的壓力◆千兆以太網(wǎng)就在這種背景下產(chǎn)生了，并且在近兩年得到的迅速的應(yīng)用，尤其是很多的主干網(wǎng)都采用了千兆以太網(wǎng)2023/1/13615.3.3千兆以太網(wǎng)

2.技術(shù)概述千兆以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)遵守同樣的以太網(wǎng)通信規(guī)程，即采用相同的幀格式和相同的介質(zhì)訪問控制方式，只是把傳統(tǒng)以太網(wǎng)中每個(gè)比特的發(fā)送時(shí)間由100ns降低到1ns。由于它與10MbpsEthernet、100MbpsFastEthernet有許多相同之處，并且現(xiàn)在許多企業(yè)已經(jīng)大量使用了100Mbps的快速以太網(wǎng)，因此，局域網(wǎng)從快速以太網(wǎng)升級到千兆以太網(wǎng)非常容易，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員和用戶不需要重新培訓(xùn)。2023/1/13625.3.3千兆以太網(wǎng)2.技術(shù)概述

◆1995年11月IEEE802委員會成立了高速網(wǎng)研究組。1996年8月成立了802.3z工作組，主要研究使用光纖與短距離屏蔽雙絞線(STP)的千兆以太網(wǎng)物理層的標(biāo)準(zhǔn)。

◆1997年成立了802.3ab工作組，主要研究使用長距離光纖與非屏蔽雙絞線(UTP)的千兆以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)?！羟д滓蕴W(wǎng)定義了一種千兆位介質(zhì)獨(dú)立接口GMII(GigabitMediaIndependentInterface)，將MAC子層與物理層隔離，使物理層在1000Mbps速率時(shí)，使用的傳輸介質(zhì)和信號編碼方式不會影響MAC子層?！羟д滓蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)可以支持多種傳輸介質(zhì)，目前包括四種介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：1000Base-CX，1000Base-SX，1000Base-LX，1000Base-T。2023/1/13635.3.3千兆以太網(wǎng)3.IEEE802.3z1998年6月，IEEE802委員會批準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它為三種傳輸介質(zhì)定義了標(biāo)準(zhǔn)：1000Base-CX，1000Base-SX，1000Base-LX。1000Base-CX的最大傳輸距離為25m，需使用150Ω屏蔽雙絞線STP，以1.25Gbps的串行速率在一種專用電纜上傳輸。1000Base-SX標(biāo)準(zhǔn)使用62.5/125μm的多模光纖，支持275m的傳輸距離；使用50/125μm的多模光纖，支持550m的傳輸距離。1000Base-LX使用單模光纖，支持傳輸距離為3000m。2023/1/13645.3.3千兆以太網(wǎng)4.IEEE802.3ab1999年6月IEEE802委員會又批準(zhǔn)了1000Base-T標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ab，它定義了在5類4對非屏蔽雙絞線UTP上運(yùn)行千兆以太網(wǎng)的物理層，可支持100m的傳輸距離。1000Base-T可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的線纜設(shè)施。1000Base-T價(jià)格低廉，不易破壞并具有良好性能?！羰紫?，它可以后向兼容10/100Mbps以太網(wǎng)技術(shù)；◆其次，很多的1000Base-T產(chǎn)品都將支持100/1000自動協(xié)商功能，因此可以直接在快速以太網(wǎng)絡(luò)中通過升級實(shí)現(xiàn)◆第三，1000Base-T是一種高性能技術(shù)，它每傳輸100億比特，其中錯誤的數(shù)據(jù)位不會超過一個(gè)2023/1/1365幾種千兆以太網(wǎng)對比千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)類型介質(zhì)規(guī)格傳輸距離(m)IEEE.802.3z1000Base-CX雙絞線150ΩSTP25IEEE.802.3z1000Base-SX光纖62.5/125μm多模275IEEE.802.3z1000Base-SX光纖50/125μm多模550IEEE.802.3z1000Base-LX光纖9/125μm單模5000IEEE802.3ab1000Base-T雙絞線5類/超5類UTP1002023/1/13665.3.4萬兆以太網(wǎng)1.IEEE802.3ae2002年6月萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ae被正式批準(zhǔn)。萬兆以太網(wǎng)與原來的以太網(wǎng)模型完全相同，有相同的MAC層，采用同樣的MAC幀結(jié)構(gòu)。2023/1/13675.3.4萬兆以太網(wǎng)

2.IEEE802.3ak與IEEE802.3an萬兆以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)布初期僅使用光纖作為傳輸介質(zhì)，就不可避免的存在成本較高、組建、管理維護(hù)技術(shù)要求高等問題，在一定程度上影響了萬兆以太網(wǎng)的推廣和普及。因此，IEEE先后推出了基于銅纜的萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，分別于2004年3月推出IEEE802.3ak標(biāo)準(zhǔn)，于2006年6月公布IEEE802.3an標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3ak采用四對同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，其傳輸距離為15m，其目標(biāo)定位為數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器之間的高速連接。IEEE802.3an標(biāo)準(zhǔn)采用擴(kuò)展六類非屏蔽雙絞線(Cat6A)作為標(biāo)準(zhǔn)傳輸介質(zhì)，要求擴(kuò)展六類雙絞線滿足500MHZ的傳輸性能，最遠(yuǎn)傳輸距離為100m。IEEE802.3an可用于數(shù)據(jù)中心和高速局域網(wǎng)的布線。2023/1/1368萬兆以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比

標(biāo)準(zhǔn)名稱介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)PMD介質(zhì)類型介質(zhì)規(guī)格傳輸距離(m)應(yīng)用目標(biāo)IEEE802.3ae10GBase-SR850nmLAN接口光纖50/125μm多模65/300數(shù)據(jù)中心IEEE802.3ae10GBase-LR1310nmLAN接口光纖單模10,000城域網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)IEEE802.3ae10GBase-ER1550nmLAN接口光纖單模40,000城域網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)IEEE802.3ae10GBase-LX41310nm波分復(fù)用LAN接口光纖62.5/125μm多模300企業(yè)網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)IEEE802.3ae10GBase-LW1310nmWAN接口光纖單模10,000城域網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)IEEE802.3ae10GBase-EW1550nmWAN接口光纖單模40,000城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)IEEE802.3ak10GBase-CX4專用接口同軸電纜四對雙同軸55數(shù)據(jù)中心IEEE802.3an10GBase-TRJ45接口雙絞線擴(kuò)展6類UTP(500MHZ)100局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心2023/1/13695.4虛擬局域網(wǎng)

5.4.1VLAN的概述

5.4.2VLAN的分類

5.4.3劃分VLAN的意義2023/1/13705.4.1VLAN的概述在交換式以太網(wǎng)中，有時(shí)結(jié)點(diǎn)會發(fā)出一種特殊的、以本機(jī)地址為源地址、以廣播地址為目的地址的幀，稱為廣播幀。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)增多后，廣播數(shù)量會急劇增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率會大幅下降。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算機(jī)達(dá)到一定數(shù)量后（一般限制在200臺以內(nèi)），就必須將一個(gè)大的廣播域劃分為幾個(gè)小的廣播域，以減小廣播對網(wǎng)絡(luò)造成的危害。分隔廣播域有若干種方案。最簡單的方法是物理LAN分割，即將一個(gè)完整的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，通過一個(gè)能夠隔離廣播的路由器連接起來。其次，就是采用虛擬局域網(wǎng)VLAN的方式。2023/1/1371

◆所謂虛擬局域網(wǎng)是將網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)按需要劃分成若干個(gè)邏輯工作小組，每一個(gè)邏輯工作小組構(gòu)成一個(gè)虛擬局域網(wǎng)?！敉贿壿嫻ぷ鹘M的站點(diǎn)不受物理位置束縛和限制，可以分布在不同的物理網(wǎng)段上，但通信就像位于同一個(gè)物理網(wǎng)段和同一個(gè)交換機(jī)上一樣。如下圖所示。5.4.1VLAN的概述2023/1/1372VLAN結(jié)構(gòu)示意2023/1/1373VLAN分割與物理LAN分割不同之處在于：（1）物理LAN工作在OSI參考模型中的第2層；VLAN工作在OSI參考模型的第2層和第3層；（2）物理LAN分割后各網(wǎng)段通過交換機(jī)進(jìn)行通信；VLAN之間的通信是通過第3層的路由器完成的；（3）VLAN提供了一種控制網(wǎng)絡(luò)廣播的方法；（4）VLAN分割需要網(wǎng)絡(luò)管理員為VLAN分配用戶；（5）VLAN通過定義哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)可以和其它結(jié)點(diǎn)通信，與物理LAN分割相比能提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

5.4.