《現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件第6章

第6章現(xiàn)代局域網(wǎng)技術(shù)6.1100M快速以太網(wǎng)6.2以太網(wǎng)的交換技術(shù)6.31Gb/s高速以太網(wǎng)技術(shù)6.4光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI習(xí)題6.1.1快速以太網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

100?M快速以太網(wǎng)的基本思想是：保留802.3幀格式和CSMA/CD協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸從10?Mb/s提高到100?Mb/s，相應(yīng)位的時(shí)隙從100?ns減小到10?ns。從技術(shù)上講，100?M以太網(wǎng)可以完全照搬原來(lái)的10BASE5、10BASE2的標(biāo)準(zhǔn)，但因?yàn)槭褂肬TP和集線器的10BASE-T優(yōu)點(diǎn)突出，所以100?M以太網(wǎng)基本上采用UTP與集線器的組網(wǎng)方式，而不再使用帶有分接頭或BNC接頭的同軸電纜。從OSI層次來(lái)看，快速以太網(wǎng)與傳統(tǒng)10?M以太網(wǎng)一樣仍然占有數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖6-1所示。從IEEE802標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，它具有MAC子層和物理層(包括物理介質(zhì))的功能。100?M以太網(wǎng)有三種不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)，每種物理層連接不同的介質(zhì)，適合于不同的布線要求。6.1100?M快速以太網(wǎng)圖6-1高速以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

(1)100BASE-TX：使用2對(duì)5類UTP雙絞線，一對(duì)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對(duì)用于接收數(shù)據(jù)。

(2)?100BASE-T4：使用4對(duì)3類UTP雙絞線，一對(duì)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一對(duì)用于接收數(shù)據(jù)。另兩對(duì)則是雙向的，將100?M的數(shù)據(jù)信號(hào)分配到3對(duì)電纜傳輸，從而降低了對(duì)電纜的要求。一般將100BASE-TX和100BASE-T4統(tǒng)稱為100BASE-T。站點(diǎn)與集線器的最大距離不超過(guò)100?m。

(3)?100BASE-FX：使用內(nèi)徑為62.5?μm，外徑為125μm的多模光纜。用它的一對(duì)光纜中的一路作發(fā)送，另一路作接收。站點(diǎn)與服務(wù)器的最大距離為185?m，服務(wù)器與工作站之間的最大距離為400?m。也可以使用單模光纖，最大距離可達(dá)2?km。6.1.2快速以太網(wǎng)系統(tǒng)的組成快速以太網(wǎng)系統(tǒng)的組成包括(如圖6-2所示)：●網(wǎng)絡(luò)適配器(網(wǎng)卡)?！裢庵檬瞻l(fā)器與收發(fā)器電纜。●集線器?！耠p絞線或光纖電纜。圖6-2100?M快速以太網(wǎng)系統(tǒng)的組成

100?M快速以太網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)適配器(網(wǎng)卡)與集線器連接有兩種方式。若網(wǎng)卡上內(nèi)置收發(fā)器，則網(wǎng)卡與集線器均通過(guò)RJ-45連接器連接無(wú)屏蔽雙絞線(與10BASE-T相同)；若是無(wú)收發(fā)器的網(wǎng)卡，則要配置外置收發(fā)器，在網(wǎng)卡上有一個(gè)40芯MII(介質(zhì)獨(dú)立接口)連接器，通過(guò)MII連接器外接收發(fā)器，再通過(guò)外接收發(fā)器用雙絞線與集線器連接。對(duì)于100BASE-FX以太網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)卡配置了SC連接器連接62.5/125多模光纜集線器，若使用外置光纜收發(fā)器，網(wǎng)卡也要通過(guò)40芯MII連接器連接外置光纜收發(fā)器。

100?M快速以太網(wǎng)系統(tǒng)的集線器是星形結(jié)構(gòu)的核心。集線器多種多樣?！癜唇Y(jié)構(gòu)分類：共享型和交換型?！癜唇橘|(zhì)分類：100BASE-TX(使用雙絞線的集線器)和100BASE-FX(使用光纜的集線器)?！癜丛O(shè)備分類：?jiǎn)闻_(tái)非擴(kuò)展型和可擴(kuò)展疊堆型。一般集線器配置了8～24個(gè)端口，但不論多少端口，整個(gè)系統(tǒng)也只能是100?M帶寬的。端口數(shù)越多，則每個(gè)站點(diǎn)獲得的帶寬越少，因此一般端口數(shù)不超過(guò)24個(gè)。而交換型集線器能使整個(gè)系統(tǒng)的帶寬大大拓展。有關(guān)交換型以太網(wǎng)后面將作詳細(xì)介紹。疊堆型集線器就是把單個(gè)端口數(shù)有限的集線器疊堆成一個(gè)端口數(shù)成倍增加的疊堆式集線器，常用于小型系統(tǒng)中的干線設(shè)備。光纜作為介質(zhì)為系統(tǒng)擴(kuò)展帶寬帶來(lái)極好的前景，光纜系統(tǒng)不僅有較強(qiáng)的抗干擾和抗信息泄漏的能力，而且有利于系統(tǒng)中設(shè)備之間距離的延伸。集線器到桌面可延伸到2?km(多模光纜)及40?km(單模光纜)。使用雙絞線的集成器價(jià)格低廉，安裝方便。目前使用雙絞線，在100?M傳輸率情況下，介質(zhì)段最長(zhǎng)不超過(guò)100?m。6.1.3快速以太網(wǎng)與10BASE-T/FL性能比較

100?M快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3u是從802.3標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過(guò)來(lái)的，它繼承了10BASE-T和10BASE-FL技術(shù)，并進(jìn)一步發(fā)展。100M快速以太網(wǎng)與10BASE-T/FL在MAC子層和物理層的性能上有相同之處，也有明顯的區(qū)別，比較如表6-1所示。從兩者在物理層的比較來(lái)看，除傳輸率相差10倍外，100BASE-TX環(huán)境中傳輸介質(zhì)的選擇只能是5類UTP，但增加了150?Ω特性阻抗的STP；在100BASE-FX環(huán)境中增加單模光纜SMF作為傳輸介質(zhì)。在物理層中，另一明顯差別在于編碼技術(shù)，快速以太網(wǎng)100BASE-TX/FX采用的代碼和編碼技術(shù)與FDDI標(biāo)準(zhǔn)相同，即采用了4B/5B代碼表示和NRZI編碼技術(shù)，在介質(zhì)上以時(shí)鐘為125?M的信號(hào)波特率來(lái)獲得100?M的代碼傳輸率。NRZI編碼技術(shù)與曼徹斯特編碼完全不同，它以信號(hào)跳變表示“1”，不跳變(即高或低電平)表示“0”來(lái)編碼4B/5B代碼。從兩者在MAC子層上的比較來(lái)看，由于幀結(jié)構(gòu)完全相同，因而其最大幀和最小幀長(zhǎng)度也完全相等(分別為1516?B和64?B)。兩者傳輸率相差10倍后，每一位的時(shí)間寬度也相差10倍，100BASE-TX/FX為0.01?μs，而10BASE-T/FL為0.1?μs。在兩者CSMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式機(jī)制完全一樣的情況下，碰撞槽時(shí)間在快速以太網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境中比10?Mb/s傳輸率以太網(wǎng)系統(tǒng)小了10倍。碰撞槽時(shí)間的明顯差別，反映到碰撞域范圍上也有明顯的差別。不論是10BASE-T/FL還是100BASE-TX/FX，它們對(duì)于交換和全雙工技術(shù)均是支持的。對(duì)于交換技術(shù)而言，除了所有端口均為10?M或100?M的交換式集線器外，在10?M交換式集線器上配置了1～2個(gè)100?M端口作為上連端口，在100?M交換集線器上配置了1～2個(gè)1?G的上連端口，上連端口用以連接服務(wù)器或(和)系統(tǒng)高速干線。對(duì)于100?M傳輸率的全雙工技術(shù)說(shuō)來(lái)，由于快速以太網(wǎng)的碰撞域范圍較小，因此在10BASE-TX/FX環(huán)境中使用全雙工技術(shù)以拓寬整個(gè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的范圍比在10?M以太網(wǎng)環(huán)境中更為重要和迫切。6.2以太網(wǎng)的交換技術(shù)6.2.1以太網(wǎng)交換的概念眾所周知，過(guò)去使用的10BASE5、10BASE2、10BASE-T以太網(wǎng)，甚至100BASE以太網(wǎng)系統(tǒng)均是一種共享式以太網(wǎng)系統(tǒng)，已越來(lái)越不能滿足多媒體應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。在整個(gè)系統(tǒng)中，受到CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式的制約，各站點(diǎn)去競(jìng)爭(zhēng)和共享網(wǎng)絡(luò)的帶寬，那么整個(gè)系統(tǒng)的帶寬只是10?Mb/s，因而整個(gè)系統(tǒng)處在一個(gè)碰撞域范圍中。在此范圍中連接的站，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每個(gè)站都可能往介質(zhì)上發(fā)送幀，那么每個(gè)站要占用介質(zhì)的幾率就是1/n(n為站數(shù))。比如說(shuō)，在10?M共享型以太網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)碰撞域中，每個(gè)站得到的帶寬只能是10?M/n，若n＝20，則每個(gè)站獲得的帶寬為500?kb/s。在一個(gè)碰撞域中站數(shù)越多，則每個(gè)站得到的帶寬越少，也就是說(shuō)，每秒往介質(zhì)上最多能發(fā)送的數(shù)據(jù)量越少。當(dāng)然，以上討論每個(gè)站獲得的帶寬是一個(gè)平均數(shù)。強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)的一個(gè)碰撞域中，每個(gè)連接的站都在爭(zhēng)用介質(zhì)，以太網(wǎng)受到CSMA/CD的制約后，所有的站均在爭(zhēng)用介質(zhì)而共同分割帶寬，這就是所謂的“共享型”以太網(wǎng)。綜上所述，共享型以太網(wǎng)系統(tǒng)的不足之處在于：●受到CSMA/CD的約束，一個(gè)碰撞域的帶寬是固定的，對(duì)于10?M和100?M以太網(wǎng)環(huán)境而言，其系統(tǒng)的帶寬分別為10?Mb/s和100?Mb/s。●在一個(gè)碰撞域的系統(tǒng)中，每一個(gè)站點(diǎn)的平均帶寬為系統(tǒng)帶寬的1/n，其中n為站點(diǎn)數(shù)。當(dāng)n越大，即站點(diǎn)數(shù)越多時(shí)，每一站點(diǎn)得到的平均帶寬越小。●在一個(gè)碰撞域的系統(tǒng)中，可以只有一個(gè)工作組，也可能有多個(gè)工作組。在多個(gè)組的情況下，每個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)組中某個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行，其他組等待，即系統(tǒng)的帶寬被多個(gè)組所分割?！裨诙鄠€(gè)組的碰撞域中，每個(gè)組運(yùn)行的數(shù)據(jù)流被廣播到系統(tǒng)的所有站點(diǎn)上去，即除了本組的所有站點(diǎn)外，其他組的站點(diǎn)也都能感覺(jué)到該數(shù)據(jù)流的存在。因此共享型以太網(wǎng)對(duì)要求數(shù)據(jù)有一定安全性的環(huán)境來(lái)說(shuō)是不合適的?！馤AN的覆蓋范圍(即碰撞域的覆蓋范圍)受到CSMA/CD的制約。自從10BASE-T技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)后，由于其星形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以集線器為中心連接各個(gè)站點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)，為以太網(wǎng)系統(tǒng)中同一時(shí)刻建立多個(gè)數(shù)據(jù)通道提供了必要的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)80年代后期，即10BASE-T出現(xiàn)后不久，就出現(xiàn)了交換式以太網(wǎng)集線器。到了90年代，隨著快速以太網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，快速以太網(wǎng)的交換技術(shù)和產(chǎn)品得到了更快發(fā)展和廣泛應(yīng)用。交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)中的交換式集線器也稱為以太網(wǎng)交換器或以太網(wǎng)交換機(jī)，以它為核心設(shè)備連接站點(diǎn)或者網(wǎng)段(如圖6-3所示)，交換器的各端口之間同時(shí)可以形成多個(gè)數(shù)據(jù)通道，端口之間幀的輸入和輸出已不再受到CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議的約束。比如，圖6-3中在交換機(jī)上同時(shí)存在了4個(gè)數(shù)據(jù)通道，它們可以是站與站、站與網(wǎng)段或者網(wǎng)段與網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)通道。網(wǎng)段是由多個(gè)站點(diǎn)構(gòu)成的一個(gè)共享借助的集合，一般一個(gè)共享式集線器連接若干個(gè)站點(diǎn)就構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)段。圖6-3以太網(wǎng)交換機(jī)內(nèi)部具有多個(gè)通道既然不受CSMA/CD的約束，且在交換內(nèi)同時(shí)存在多個(gè)通道，那么就系統(tǒng)帶寬來(lái)說(shuō)不再是只有10?M(對(duì)10BASE-T環(huán)境)或100?M(對(duì)100BASE-TX環(huán)境)，而與交換器所具有的端口數(shù)有關(guān)?？梢哉J(rèn)為，若每個(gè)端口為10?M，則整個(gè)系統(tǒng)帶寬可達(dá)10?M×n，其中n為端口數(shù)，若n＝10，則系統(tǒng)帶寬可達(dá)100?M。因此，拓寬整個(gè)系統(tǒng)帶寬是交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)最明顯的特點(diǎn)。在系統(tǒng)中包括了多個(gè)工作組的情況下，可以讓每個(gè)組單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)段，然后用一臺(tái)交換器連接多個(gè)網(wǎng)段。這些網(wǎng)段的運(yùn)行是獨(dú)立的，雖然用交換器連接了這些網(wǎng)段，但不會(huì)像共享型集線器那樣，一個(gè)網(wǎng)段上的信息流擴(kuò)散到其他端口，以致影響其他網(wǎng)段上組的運(yùn)行。通過(guò)交換器可以隔離各個(gè)獨(dú)立網(wǎng)段的運(yùn)行，不使信息流在各個(gè)端口上廣播。但另一方面，當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立組需要交換數(shù)據(jù)時(shí)，交換器也能在兩個(gè)獨(dú)立組所在網(wǎng)段建立一條端口間的臨時(shí)數(shù)據(jù)通道，一旦交換結(jié)束，該通道隨即斷開。因此，交換器既能隔離網(wǎng)段又能保證網(wǎng)段間的連接功能。綜上所述，交換型以太網(wǎng)系統(tǒng)與共享型以太網(wǎng)系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：●每個(gè)端口上可以連接站點(diǎn)，也可以連接一個(gè)網(wǎng)段。不論是站點(diǎn)或網(wǎng)段均獨(dú)占10?M(或100?M)帶寬?！裣到y(tǒng)的最大帶寬可以達(dá)到端口帶寬的n倍(其中n為端口數(shù))。n越大，系統(tǒng)能達(dá)到的帶寬越高?！窠粨Q器連接了多個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段都是獨(dú)立的、被隔離的。通過(guò)端口可以建立網(wǎng)段間的數(shù)據(jù)通道?！癖唤粨Q器隔離的獨(dú)立網(wǎng)段上數(shù)據(jù)流信息不會(huì)傳播到其他端口上，具有一定的數(shù)據(jù)安全性?！袢舳丝谥С秩p工傳輸方式，則端口介質(zhì)長(zhǎng)度不受CSMA/CD制約，可以延伸距離；若端口只支持半雙工傳輸方式，則交換器的作用是連接網(wǎng)段以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。6.2.2以太網(wǎng)交換機(jī)的工作原理用以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)中，在交換機(jī)上完全擺脫了CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式的約束，交換機(jī)上同時(shí)存在著多個(gè)數(shù)據(jù)通道，交換機(jī)端口上連接的網(wǎng)段其信息流不會(huì)在其他端口上廣播等特點(diǎn)反映了其工作原理與共享型集線器完全不同。用共享型集線器組成的系統(tǒng)，在物理上看似星型結(jié)構(gòu)，但實(shí)際它的作用僅僅是作為物理層的中繼器，因此在邏輯上仍舊是一個(gè)具有多點(diǎn)接入的公共總線，也就是說(shuō)，在邏輯上，共享型集線器上的各站點(diǎn)遵循著CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。對(duì)于交換機(jī)組成的系統(tǒng)，物理上是星形連接的，并且同時(shí)有多個(gè)數(shù)據(jù)通道并存，在端口之間既隔離又連接的功能反映在邏輯上可以認(rèn)為是一個(gè)受控制的多端口開關(guān)矩陣。圖6-4表示以太網(wǎng)交換機(jī)的工作原理，它有5個(gè)端口，2個(gè)不同口之間具有1個(gè)邏輯開關(guān)，這樣在交換器上可以存在20個(gè)邏輯開關(guān)控制著20個(gè)數(shù)據(jù)通道，每個(gè)數(shù)據(jù)通道實(shí)際上反映了1個(gè)端口發(fā)送幀、另一個(gè)端口接收幀的邏輯現(xiàn)象。顯然，正常工作時(shí)1個(gè)端口不能同時(shí)向2個(gè)及2個(gè)以上端口發(fā)送幀(廣播或組播幀除外)，1個(gè)通道上也不能同時(shí)進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸(全雙工數(shù)據(jù)傳輸除外)。圖6-4以太網(wǎng)交換機(jī)的工作原理6.2.3以太網(wǎng)交換機(jī)的交換方式

1．靜態(tài)交換與動(dòng)態(tài)交換方式在靜態(tài)交換方式下，端口間的通道連接由人工預(yù)先在交換機(jī)中設(shè)定，端口間連接通道是固定的。若要改變端口間的連接通道，則必須人工重新配置，這種靜態(tài)交換的交換機(jī)并未實(shí)現(xiàn)端口間網(wǎng)段的隔離，而是一個(gè)類似于硬件的連接，一旦配置完成，端口間就一直按照固定的連接方式進(jìn)行幀的交換。有一種稱為“端口交換機(jī)”的產(chǎn)品就采用了靜態(tài)交換方式。動(dòng)態(tài)交換方式完全不同于靜態(tài)交換方式，它基于網(wǎng)橋工作原理。動(dòng)態(tài)交換雖然最終也實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)端口之間的連接，形成一個(gè)幀交換通道，但通道實(shí)現(xiàn)的機(jī)制不同于用人工進(jìn)行配置的靜態(tài)交換方式。根據(jù)透明網(wǎng)橋工作原理，動(dòng)態(tài)交換端口間通道的形成是基于MAC地址的操作，根據(jù)輸入端口上幀的目的地址查找“端口-地址”表，就能決定端口間的連接，形成幀傳送通道。而在連接過(guò)程中，只傳送一個(gè)幀，之后，通道自動(dòng)斷開。連接過(guò)程實(shí)際上與幀傳送同時(shí)進(jìn)行，且傳送一幀作一次連接。目前，動(dòng)態(tài)交換方式的交換機(jī)被廣泛采用，雖然其有各種各樣的特點(diǎn)，但從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，可以分為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)(StoreForward)、穿通(CutThrough)以及碎片丟棄(FragmentFree)三種方式。

2．存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換是動(dòng)態(tài)交換方式中最常用的一種方式。當(dāng)幀從端口進(jìn)入交換機(jī)時(shí)，首先把接收到的整個(gè)幀暫存在該端口的高速緩存中(如圖6-5所示)。交換機(jī)根據(jù)緩存中幀的目的地址查“端口-地址”表(通過(guò)自學(xué)習(xí)生成的)，得到輸出端口號(hào)，然后把幀轉(zhuǎn)發(fā)到輸出端口，經(jīng)輸出端口高速緩存后輸出到目的站上。圖6-5存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換工作方式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式最主要的優(yōu)點(diǎn)是幀的傳輸可靠。從源站到目的站傳輸幀的過(guò)程中，分別進(jìn)行了兩次鏈路差錯(cuò)檢驗(yàn)，首先是從源站到交換器輸入端口這一段鏈路上進(jìn)行第一次幀的傳輸后的差錯(cuò)檢驗(yàn)。差錯(cuò)檢驗(yàn)的內(nèi)容包括去除由于鏈路產(chǎn)生碰撞而形成的幀碎片以及CRC檢驗(yàn)。若CRC檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，則要求源站重發(fā)幀直至CRC檢驗(yàn)正確為止，否則指出鏈路有故障而要求排除故障。第二次差錯(cuò)檢驗(yàn)發(fā)生在輸出端口至目的站的鏈路上。差錯(cuò)檢驗(yàn)同樣包括去除碎片和CRC檢錯(cuò)糾錯(cuò)過(guò)程。因此在可靠性較差的鏈路環(huán)境中選用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式是比較合適的。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式的主要缺點(diǎn)在于通過(guò)交換機(jī)有較長(zhǎng)的延遲時(shí)間，自輸入端接收的幀經(jīng)串/并行轉(zhuǎn)換后，完整地存放在高速緩存中，整個(gè)過(guò)程要消耗較多的時(shí)間開銷。當(dāng)找到輸出端口號(hào)后，幀的輸出又要經(jīng)過(guò)并/串轉(zhuǎn)換過(guò)程消耗時(shí)間。顯然，幀的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，消耗的時(shí)間越多。

3．穿通交換方式穿通交換方式針對(duì)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，它借助于幀的目的地址，當(dāng)輸入端接收到幀開始的6個(gè)字節(jié)(目的地址)后，交換機(jī)根據(jù)目的地址查“端口-地址”表，獲得輸出端口號(hào)后，就把整個(gè)幀導(dǎo)向輸出端口，避免了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式中幀的串/并、并/串轉(zhuǎn)換和緩存的時(shí)間消耗。穿通交換方式最主要的優(yōu)點(diǎn)是端口間交換時(shí)間短，但是這種優(yōu)點(diǎn)是以犧牲幀傳輸?shù)目煽啃宰鳛榇鷥r(jià)的，顯然在幀傳輸過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)，一直到目的站接收到幀后，才做一次差錯(cuò)檢驗(yàn)，去除碎片以及CRC檢錯(cuò)糾錯(cuò)。此時(shí)的碎片有可能發(fā)生在源站與交換機(jī)的鏈路上，而碎片還要經(jīng)過(guò)交換機(jī)遍及到目的站的鏈路。同樣，CRC錯(cuò)誤的發(fā)生也可能在開始的那段鏈路上而一直傳到目的站才被發(fā)現(xiàn)，此后，目的站要求源站重發(fā)幀。如此跨越兩個(gè)鏈路及交換機(jī)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)過(guò)程消耗了大量時(shí)間，特別是當(dāng)鏈路的可靠性較差時(shí)，穿通交換方式會(huì)在差錯(cuò)檢驗(yàn)過(guò)程中消耗較多的時(shí)間。因此穿通方式適用于鏈路可靠性較高的環(huán)境中，在此環(huán)境中，可以充分發(fā)揮穿通方式交換時(shí)間短的特點(diǎn)。

4．碎片丟棄交換方式碎片丟棄交換方式是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和穿通兩種交換方式的折中方案。當(dāng)交換機(jī)的輸入端口上幀輸入到了512?bit時(shí)，交換器就可以根據(jù)前6個(gè)字節(jié)目的地址查交換機(jī)中的“端口-地址”表，獲得輸出端口號(hào)后，就把幀導(dǎo)向輸出端口，完成端口間幀的交換。這種交換方式在源站和交換機(jī)輸入端口的鏈路上仍不進(jìn)行CRC差錯(cuò)檢驗(yàn)和糾錯(cuò)，而若鏈路上出現(xiàn)碎片，必定是長(zhǎng)度小于512?bit的殘幀，則被鏈路的終端自動(dòng)丟棄。只有當(dāng)幀的長(zhǎng)度超過(guò)512?bit時(shí)(認(rèn)為是一個(gè)完全的幀)，才能夠轉(zhuǎn)發(fā)到輸出端口，從輸出端口至目的站的這段鏈路上仍會(huì)出現(xiàn)碰撞而使目的站丟棄幀碎片。從源站至目的站，經(jīng)過(guò)2段鏈路和1個(gè)交換機(jī)，幀傳輸?shù)腃RC檢驗(yàn)工作與穿通交換方式一樣，只在目的站上進(jìn)行。若CRC檢驗(yàn)有錯(cuò)，則目的站要求源站重發(fā)該幀直至目的站接收正確為止，否則按鏈路故障處理(在若干次重發(fā)幀的CRC檢錯(cuò)后)，要求排除鏈路故障。碎片丟棄交換方式只是穿通交換方式的一種改進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)在于前段鏈路上產(chǎn)生的幀碎片不會(huì)傳播到目的站。顯然，由于必須在512?bit后才開始幀的交換，與穿通交換方式比較，交換延遲時(shí)間要長(zhǎng)。對(duì)于可靠性較差的鏈路環(huán)境，碎片丟棄交換方式與穿通交換方式一樣會(huì)消耗大量的時(shí)間在CRC檢錯(cuò)和糾錯(cuò)過(guò)程上，并未顯出其交換方式的特點(diǎn)。碎片交換方式的交換機(jī)適合在鏈路可靠且前段鏈路重負(fù)荷(即容易產(chǎn)生碰撞)的環(huán)境中使用，才能進(jìn)行高效率的幀交換工作。6.2.4以太網(wǎng)交換機(jī)的分類以太網(wǎng)交換機(jī)大致可分為單臺(tái)(不可疊堆)、可疊堆式以及廂體模塊式三類。由于交換機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與共享式集線器完全不同，因此交換機(jī)不像共享式集線器那樣容易疊堆集成。因此早期的以太網(wǎng)交換機(jī)不能疊堆，只能單臺(tái)使用。疊堆集成并不是簡(jiǎn)單地把設(shè)備物理上疊堆在一起，而是邏輯上仍是單臺(tái)設(shè)備的串接。對(duì)于共享型集線器來(lái)說(shuō)，疊堆集成后便成為端口數(shù)目成倍增長(zhǎng)的另一臺(tái)共享型集線器，并非幾臺(tái)共享型集線器物理上簡(jiǎn)單地串接。而交換機(jī)疊堆后，不僅端口數(shù)量成倍增長(zhǎng)，而且整個(gè)疊堆設(shè)備在邏輯上構(gòu)成完整的一臺(tái)交換機(jī)，該交換機(jī)的帶寬成倍增長(zhǎng)。這是共享型集線器所不可比擬的?？莎B堆的交換機(jī)設(shè)備可以單臺(tái)使用，但若把它們疊堆時(shí)，為了連接各臺(tái)交換機(jī)，在外部附加一個(gè)集成裝置作為背板總線(如圖6-6所示)。如果交換機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用總線交換結(jié)構(gòu)，則附加裝置比較簡(jiǎn)單；如果交換機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用矩陣交換結(jié)構(gòu)，則附加裝置就比較復(fù)雜。圖6-6交換機(jī)的疊堆方式廂體模塊式交換機(jī)是疊堆集成的進(jìn)一步發(fā)展(如圖6-7所示)。每一個(gè)單獨(dú)的交換機(jī)以模塊式插入廂體中的母板上，母板結(jié)構(gòu)猶如疊堆集成交換的附加裝置，每一交換機(jī)模塊上提供了8～16個(gè)端口。若交換機(jī)的端口處在同一模塊上，則就在該模塊上完成端口間的幀交換工作，不必跨越母板；若交換的端口處在兩個(gè)不同的模塊上，則完成幀交換工作必須經(jīng)過(guò)母板上的傳輸總線，即幀從一個(gè)模塊跨越母板后到達(dá)另一模塊。母板上為交換模塊提供了若干個(gè)固定插槽，母板總線的帶寬至少應(yīng)該是所有模塊帶寬的總和。

圖6-7廂體模塊結(jié)構(gòu)廂體模塊式交換機(jī)不僅結(jié)構(gòu)完整、緊湊，而且擴(kuò)展和管理方便。除此之外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：●維修方便：廂體上每一個(gè)模塊都可以熱插拔，即模塊有故障后，可以不關(guān)電源更換模塊?！窀呖煽啃裕涸O(shè)備運(yùn)行高可靠性反映在三個(gè)方面。一是電源備份；二是可以采用無(wú)源母板結(jié)構(gòu)；三是母板上有源的交換引擎(Engine)可以另用模塊，并且該交換引擎模塊也采用雙備份技術(shù)?！裣到y(tǒng)集成和配置靈活：在廂體中不僅可以插入多種以太網(wǎng)交換模塊，例如100?M模塊或10?M模塊，而且還可以插入FDDI或ATM模塊。這樣在一個(gè)廂體中，就可以集成多種網(wǎng)絡(luò)。更進(jìn)一步，還可插入路由器等設(shè)備模塊。6.2.5以太網(wǎng)交換機(jī)的結(jié)構(gòu)

1．軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上借助于CPU與RAM的硬件環(huán)境，以特定的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)交換機(jī)端口之間的幀交換(如圖6-8所示)。從A端口輸入串行傳輸?shù)膸?，進(jìn)入交換機(jī)后把幀的串行代碼轉(zhuǎn)換成并行代碼暫存在快速RAM中，此時(shí)CPU檢查幀中的目的地址，并把幀的目的地址與RAM中已經(jīng)存在的“端口-地址”表相比較，獲得輸出端口號(hào)B，這樣輸入與輸出端口間就建立了交換連接。此后，即把RAM中寄存的幀轉(zhuǎn)向輸出端口，并把并行代碼再轉(zhuǎn)換成串行代碼從輸出端口輸出。圖6-8軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)原理由于交換中所有的功能均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此這是一種比較靈活的結(jié)構(gòu)，但是也存在著交換機(jī)疊堆困難，無(wú)法處理信息的廣播，以及隨著功能的增加性能下降等缺點(diǎn)。特別是當(dāng)交換機(jī)的端口數(shù)越來(lái)越多時(shí)，僅靠一個(gè)CPU執(zhí)行軟件來(lái)處理多組端口間通道同時(shí)工作，負(fù)擔(dān)很重難以承受，因此該結(jié)構(gòu)逐漸被淘汰。

2．矩陣交換結(jié)構(gòu)

隨著VLSI芯片技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以完全采用硬件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)(如圖6-9(a)所示)。一個(gè)矩陣交換結(jié)構(gòu)的交換機(jī)，其內(nèi)部主要由4部分組成：輸入、輸出、交換矩陣以及控制處理。圖6-9矩陣交換方式(a)矩陣交換結(jié)構(gòu)；(b)矩陣交換邏輯原理幀從輸入端輸入后，根據(jù)幀的目的地址，在交換機(jī)的“端口-地址”表中找到輸出端口號(hào)，根據(jù)這個(gè)輸出端口號(hào)就能在交換矩陣中找到一條路徑，達(dá)到所希望的輸出端口。當(dāng)輸入和輸出端口數(shù)相等時(shí)，便組成一對(duì)一的通道，輸出端口上不會(huì)產(chǎn)生幀傳輸擁塞現(xiàn)象。但當(dāng)輸入端口與輸出端口數(shù)不等時(shí)，特別當(dāng)輸出端口數(shù)目小于輸入端口數(shù)目時(shí)，在輸出端口處會(huì)產(chǎn)生幀的擁塞。為了避免擁塞而導(dǎo)致幀的丟失，必須在輸入和輸出部分增加幀的緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)中進(jìn)行幀的排隊(duì)。如果局域網(wǎng)的幀具有優(yōu)先權(quán)機(jī)制，那么在輸入或輸出部分中還必須保證高優(yōu)先權(quán)的幀優(yōu)先處理。交換矩陣的邏輯機(jī)制如圖6-9(b)所示，當(dāng)幀輸入時(shí)，接通了合適的交換開關(guān)連接到矩陣的輸出端上去。圖上表示了3個(gè)交換通道同時(shí)接通進(jìn)行幀的交換。矩陣交換的優(yōu)點(diǎn)是利用硬件交換，結(jié)構(gòu)緊湊，交換速度快，延遲時(shí)間短。但這種結(jié)構(gòu)的交換機(jī)不便于簡(jiǎn)單疊堆以擴(kuò)展端口數(shù)和帶寬，而交換機(jī)上端口數(shù)的擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變動(dòng)較大，不僅交換矩陣要重新設(shè)計(jì)和配置，且輸入和輸出部分的緩沖和排隊(duì)功能也變得越來(lái)越強(qiáng)。矩陣交換由于其多條通道獨(dú)立工作，因此對(duì)于每個(gè)通道的工作情況的監(jiān)控隨著端口數(shù)目的增加也變得越難于實(shí)現(xiàn)，不利于交換機(jī)性能監(jiān)控和運(yùn)行管理。從交換矩陣工作的特點(diǎn)明顯地看到，這種結(jié)構(gòu)要在交換矩陣中實(shí)現(xiàn)幀的廣播傳送是有困難的。即使矩陣交換結(jié)構(gòu)有以上不足，但由于交換速度快，硬件延遲時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因而目前很多交換機(jī)產(chǎn)品仍采用這種結(jié)構(gòu)。

3．總線交換結(jié)構(gòu)總線交換結(jié)構(gòu)(如圖6-10所示)的交換機(jī)在它的母板上配置了一條總線，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，各個(gè)端口均可以往總線上發(fā)送幀，即各個(gè)輸入端口所發(fā)送到總線上的幀均按時(shí)隙在總線上傳輸。對(duì)于輸出端口，當(dāng)幀輸入時(shí)，根據(jù)幀的目的地址獲得輸出端口號(hào)，在確定的端口上輸出幀。圖6-10總線交換結(jié)構(gòu)總線交換結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)便于疊堆擴(kuò)展。與軟件執(zhí)行和矩陣交換兩種結(jié)構(gòu)相比，總線交換結(jié)構(gòu)的交換機(jī)疊堆和集成(以擴(kuò)展端口數(shù)和帶寬)比較容易實(shí)現(xiàn)。

(2)容易監(jiān)控和管理。由于所有輸入和輸出的信息流量均集中在總線上，不像矩陣交換結(jié)構(gòu)那樣分散在各個(gè)端口間的通道上，因此對(duì)交換機(jī)性能監(jiān)控和管理比較容易。

(3)容易實(shí)現(xiàn)幀的廣播。從一個(gè)輸入端口上輸入的幀在總線結(jié)構(gòu)上很容易廣播到所有輸出端口上輸出。

4．共享型存儲(chǔ)器交換結(jié)構(gòu)共享型存儲(chǔ)器交換結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是使用大量的高速RAM來(lái)存儲(chǔ)輸入數(shù)據(jù)(如圖6-11所示)。由于數(shù)據(jù)直接從存儲(chǔ)器傳輸?shù)捷敵龆丝冢蚨诮粨Q機(jī)中完全不需要復(fù)雜的背板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這種結(jié)構(gòu)的交換機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)疊堆擴(kuò)展，但擴(kuò)展到一定程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生延時(shí)。另外，由于在這種結(jié)構(gòu)中增加冗余交換引擎不僅復(fù)雜，而且成本高，因此，它最適合于小型交換機(jī)，或者疊堆式交換機(jī)和廂體模塊式交換機(jī)中的交換模塊。圖6-11共享存儲(chǔ)器交換6.2.6以太網(wǎng)交換機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

1．“端口–地址”表大小在交換機(jī)中，數(shù)據(jù)幀能按目的地址正確轉(zhuǎn)發(fā)取決于對(duì)“端口-地址”表的使用。同樣，交換機(jī)能支持多少數(shù)目的工作站，也取決于“端口-地址”表中表項(xiàng)的數(shù)目。因此，交換機(jī)中“端口-地址”表的大小被視為影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能力的一個(gè)約束條件?！岸丝?地址”表的大小有兩個(gè)影響因素：每個(gè)端口支持的地址數(shù)目以及交換機(jī)支持的地址數(shù)目。每一個(gè)“端口-地址”表約束條件僅在端口支持網(wǎng)段連接時(shí)有效；交換機(jī)支持的地址總數(shù)代表了對(duì)整個(gè)交換機(jī)有影響的約束條件。許多以太網(wǎng)交換機(jī)每個(gè)端口最多可以支持1024個(gè)地址用于連接網(wǎng)站或網(wǎng)段，而交換機(jī)總共能支持的地址數(shù)為8192個(gè)，這意味著，一臺(tái)有16個(gè)端口的交換機(jī)，如果其中已有8個(gè)端口滿負(fù)荷工作，那么余下的8個(gè)端口將不能利用，因?yàn)樵摻粨Q器已經(jīng)用完了所有地址表的表項(xiàng)。所以，必須綜合考慮每個(gè)端口和交換機(jī)所支持的地址數(shù)目，將兩者與所期望的條件做比較。

2．體系結(jié)構(gòu)交換機(jī)有三種基本體系結(jié)構(gòu)：①使用專用集成電路(ASIC)；②使用復(fù)雜指令系統(tǒng)(CISC)；③使用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(RISC)。使用ASIC結(jié)構(gòu)通常延時(shí)會(huì)很低，性能也很高，但是由于其在升級(jí)時(shí)電路必須被替換，所以升級(jí)難以完成。而使用CSIC和RISC結(jié)構(gòu)的交換機(jī)，它們都利用可置換ROM中的指令進(jìn)行工作。雖然這些區(qū)別看起來(lái)微不足道，但有時(shí)卻會(huì)造成很大影響。舉個(gè)例子，為了實(shí)施虛擬局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，需要把交換器升級(jí)。如果交換機(jī)是基于ASIC的，可能需要請(qǐng)技術(shù)人員到公司進(jìn)行升級(jí)。而如果交換機(jī)是基于RISC或CISC的，則可以簡(jiǎn)單地從廠商的WWW網(wǎng)址或電子公告牌下載新發(fā)布的軟件來(lái)進(jìn)行升級(jí)。

3．自適應(yīng)端口為了提供一種從10?M升級(jí)到100?M帶寬的機(jī)制，國(guó)家半導(dǎo)體公司開發(fā)了一套名為Nway的芯片組。該芯片組有自動(dòng)感知數(shù)據(jù)傳輸率的能力，這就是所謂的自適應(yīng)能力。這種能力使得交換機(jī)端口既可以支持10?M速率，又可以支持100?M速率。但是，這個(gè)特性僅當(dāng)連接一個(gè)10/100?M網(wǎng)卡時(shí)有效。否則，對(duì)這些數(shù)據(jù)傳輸率不固定的端口，必須用交換機(jī)控制臺(tái)來(lái)設(shè)定其運(yùn)行速度。

4．母板傳輸率交換機(jī)的母板傳輸率可以確定該交換機(jī)支持大量并發(fā)交叉連接的能力和進(jìn)行廣播傳輸?shù)哪芰?。舉個(gè)例子，假設(shè)一臺(tái)64端口的10BASE-T交換機(jī)的母板傳輸率為400?Mb/s，而該交換機(jī)最多可以支持64/2＝32個(gè)交叉連接，它的母板傳輸率至少必須為32×10?Mb/s＝320?Mb/s。然而，當(dāng)某個(gè)端口接收幀的目的地址在“端口-地址”表中無(wú)法找到時(shí)，交換機(jī)將把該幀廣播輸出到除接收端口外的所有端口。所以，在非阻塞模式下，該交換機(jī)必須有64×10?Mb/s＝640?Mb/s的傳輸率才能滿足要求。

5．幀碎片預(yù)防在有些交換機(jī)中，大多數(shù)的幀碎片(不正常結(jié)束的幀)都是在一定時(shí)間內(nèi)幀發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的，這段時(shí)間等于接收64個(gè)字節(jié)的時(shí)間。在10?M的以太網(wǎng)上，這段時(shí)間等于51.2?μs。在穿通式交換環(huán)境中，延時(shí)被最小化，而幀碎片有可能被送往目的地址。為了防止這種情況發(fā)生，有些交換器允許用戶增加一段51.2?μs的延時(shí)，這使交換機(jī)有足夠長(zhǎng)的時(shí)間確認(rèn)幀的長(zhǎng)度，如果幀長(zhǎng)足夠大，它極有可能不是幀碎片。另一些交換機(jī)簡(jiǎn)單地把51.2?μs的延時(shí)綁定到穿通方式，使其也具有這種錯(cuò)誤預(yù)防特性。不管是哪一種方法，這段延時(shí)僅對(duì)支持以太網(wǎng)網(wǎng)段的穿通式交換器有效。

6．“胖通道”術(shù)語(yǔ)“胖通道”指高速端口。它是一個(gè)主要由10?M端口構(gòu)成的交換機(jī)中的100?M端口，或者10/100?M、100?M交換器中的155?MATM端口或千兆以太網(wǎng)端口。

7．過(guò)濾率和轉(zhuǎn)發(fā)率過(guò)濾率表示交換機(jī)在一段確定的時(shí)間內(nèi)，解釋幀目的地址的能力。而轉(zhuǎn)發(fā)率則表示在一段確定時(shí)間內(nèi)，交換機(jī)所轉(zhuǎn)發(fā)的幀的數(shù)目。過(guò)濾率和轉(zhuǎn)發(fā)率決定著交換機(jī)解釋和轉(zhuǎn)發(fā)幀的能力。在考慮這兩個(gè)指標(biāo)時(shí)，理解以太網(wǎng)上最大的幀傳輸率非常重要。在一個(gè)10?M以太網(wǎng)中，幀和幀之間有9.6?μs的距離。既然以太網(wǎng)幀的最大長(zhǎng)度為1526字節(jié)，而每個(gè)位脈沖的時(shí)間是100?ns，我們可以計(jì)算出每幀的時(shí)間：

9.6?μs＋1526?byte×8?bit/byte×100?ns/bit＝9.6?μs＋12?208?bit×100?ns/bit＝1.23?ms所以，在1秒鐘內(nèi)最多會(huì)有1/1.23?ms＝812個(gè)最長(zhǎng)幀通過(guò)。對(duì)于72字節(jié)的最短幀，每幀的時(shí)間計(jì)算如下：

9.6?μs＋72?byte×8?bit/byte×100?ns/bit＝67.2×10－6s因此，在10?M的以太網(wǎng)上，一秒鐘內(nèi)最多有1/67.2×10－6＝14?880個(gè)最短幀通過(guò)。如果使用100?M快速以太網(wǎng)，最小幀和最大幀的傳輸率是10?M網(wǎng)絡(luò)的10倍，則快速以太網(wǎng)每秒傳輸?shù)淖钚妥畲髱瑪?shù)分別為148?800個(gè)和8120個(gè)。要注意，這里是指交換機(jī)上每個(gè)端口的幀傳輸率。

8．流量控制流量控制是指對(duì)傳輸過(guò)程進(jìn)行有序的調(diào)節(jié)。在一個(gè)交換的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，流量控制常被用來(lái)防止丟失數(shù)據(jù)和隨后的數(shù)據(jù)重傳。造成數(shù)據(jù)丟失的原因是，在源端口和目的端口之間數(shù)據(jù)傳輸率不匹配。比如，一臺(tái)服務(wù)器通過(guò)100?M快速以太網(wǎng)接口與交換機(jī)相連，而一臺(tái)客戶機(jī)通過(guò)10?M以太網(wǎng)接口與交換機(jī)相連，服務(wù)器對(duì)客戶機(jī)發(fā)出的查詢做出應(yīng)答。如果交換機(jī)內(nèi)部不使用緩沖器，這種速度不匹配必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。通過(guò)使用緩沖器，數(shù)據(jù)能夠以100?Mb/s的速度進(jìn)入交換機(jī)，而以10?M的速度傳出。然而，既然進(jìn)入速度是傳出速度的10倍，緩沖器很快就會(huì)用完，而且如果服務(wù)器傳輸大量的數(shù)據(jù)，緩沖器可能會(huì)溢出，導(dǎo)致隨后傳給交換機(jī)的數(shù)據(jù)丟失。因此，除非緩沖器無(wú)限大(但這是不可能的)，否則數(shù)據(jù)丟失的可能性將永遠(yuǎn)存在。數(shù)據(jù)丟失也可能發(fā)生在多個(gè)源端口競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)同一個(gè)目的端口的時(shí)候。如果每個(gè)源端口和目的端口的運(yùn)行速度都相同，只要有兩個(gè)源端口競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)同一個(gè)目的端口就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。因此，需要有一種機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)交換機(jī)的數(shù)據(jù)流。這種機(jī)制就是流量控制。所有的以太網(wǎng)交換機(jī)或者在每個(gè)端口設(shè)有緩沖器，或者有一個(gè)中央存儲(chǔ)器充當(dāng)緩沖器。各種交換機(jī)的緩沖器的區(qū)別主要在容量上。有的交換機(jī)每個(gè)端口有128?K、256?K甚至1?M或2?M字節(jié)的緩沖器，而有的交換機(jī)可能僅有10或20個(gè)最大幀的臨時(shí)存儲(chǔ)能力。為了防止緩沖器溢出，通常采用三種技術(shù)：背壓法、軟件法和不控制法。

9．全雙工端口大多數(shù)以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)四對(duì)線中的兩對(duì)進(jìn)行不同方向的傳輸，使交換機(jī)具備了全雙工的雙向傳輸能力。全雙工技術(shù)可以被應(yīng)用于10BASE-T連接、快速以太網(wǎng)連接以及大多數(shù)有端口交換功能的交換機(jī)。由于在網(wǎng)段上有可能發(fā)生碰撞，所以進(jìn)行網(wǎng)段交換的交換機(jī)端口就不能支持全雙工傳輸。

10．Jabber控制

Jabber是指長(zhǎng)度超過(guò)1518字節(jié)的以太幀。Jabber通常是由硬件故障和碰撞引起的，接收設(shè)備由于錯(cuò)誤地解釋該幀中的數(shù)據(jù)而受到影響。帶有Jabber控制能力的穿通式交換機(jī)會(huì)把該幀分割成正確的長(zhǎng)度，而存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式交換機(jī)通常會(huì)自動(dòng)丟棄Jabber幀。

11．延時(shí)延時(shí)是指從第一個(gè)位到達(dá)源端口起到第一個(gè)位離開目的端口之間的這段時(shí)間。穿通式交換器的延時(shí)大約是40?μs；而存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式交換機(jī)中，72字節(jié)幀的延時(shí)在80～90?μs之間，最長(zhǎng)的1500字節(jié)幀的延時(shí)在1250～1300?μs之間。在通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行一個(gè)雙向信息交換的過(guò)程(比如一個(gè)客戶機(jī)/服務(wù)器會(huì)話)中，延時(shí)會(huì)造成時(shí)間信息的中斷。對(duì)于每次數(shù)據(jù)交流，交換機(jī)引起的最小等待時(shí)間等于交換機(jī)延時(shí)的兩倍，這就降低了交換機(jī)的有效吞吐率。穿通式交換機(jī)的延時(shí)最小，這對(duì)傳輸視頻或音頻信息很重要。

12．管理最常用的管理交換機(jī)的方法是：在每個(gè)交換機(jī)端口中加入RMON支持，這使得SNMP控制臺(tái)可以通過(guò)每個(gè)交換機(jī)所支持的RMON對(duì)象組收集統(tǒng)計(jì)信息。由于逐個(gè)對(duì)各個(gè)端口收集統(tǒng)計(jì)信息非常耗費(fèi)時(shí)間，大多數(shù)支持RMON的交換器機(jī)創(chuàng)建了一個(gè)統(tǒng)計(jì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)以便于查詢。

13．模塊插入方式廂體模塊式交換機(jī)支持兩種不同的模塊插入方式：斷電(SwitchPowerdown)插入和熱(Hot)插入。斷電插入要求先把交換機(jī)切換到非工作狀態(tài)，然后把它徹底關(guān)閉。熱插入方式則允許把模塊加入到正在運(yùn)行的交換機(jī)中，而不會(huì)對(duì)設(shè)備和用戶造成影響。目前絕大部分交換器均采用熱插入方式。

14．端口緩沖區(qū)的大小為了彌補(bǔ)交換機(jī)自身的速度與連接在端口上的工作站或網(wǎng)段的運(yùn)行速度之間的差距，交換機(jī)的端口都設(shè)有緩沖存儲(chǔ)器。某些交換機(jī)增大端口緩沖區(qū)的容量是為了使它能夠與流量控制機(jī)制共同發(fā)揮作用，而有些交換機(jī)則把端口緩沖存儲(chǔ)器作為流量控制的替代品。如果端口緩沖區(qū)僅僅被用作速度補(bǔ)償，它的大小可能會(huì)被限制在幾千字節(jié)內(nèi)。當(dāng)端口緩沖存儲(chǔ)器和流量控制機(jī)制配合使用或自身充當(dāng)流量控制機(jī)制時(shí)，每個(gè)端口的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到64?K、128?K或256?K字節(jié)，甚至可以達(dá)到1?M或2?M字節(jié)。

15．端口模塊支持大多數(shù)以太網(wǎng)交換機(jī)都能支持以太網(wǎng)絡(luò)，但是，在不同廠商或產(chǎn)品系列之間，所支持的網(wǎng)絡(luò)類型有很大差別。對(duì)以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，需要支持10BASE-2、10BASE-5、10BASE-T以及100BASE-T等局域網(wǎng)連接端口模塊。另外，對(duì)于其他許多不同類型的局域網(wǎng)，使用交換機(jī)需要提供交換端口模塊支持，比如對(duì)FDDI、全雙工Token-Ring、ATM等連接的支持。模塊化的以太網(wǎng)交換機(jī)可以添加翻譯橋模塊，使得通過(guò)同一塊背板就可以支持不同類型的網(wǎng)絡(luò)。

16．生成樹算法以太網(wǎng)使用生成樹算法來(lái)防止出現(xiàn)回路。如果存在回路，會(huì)導(dǎo)致幀被不斷地重復(fù)控制。在一個(gè)橋接的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，通過(guò)使用橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元(BPDU)實(shí)現(xiàn)對(duì)生成樹算法的支持。通過(guò)BPDU使得多個(gè)網(wǎng)橋可以選出一個(gè)根橋，對(duì)一個(gè)無(wú)回路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥_(dá)成共識(shí)。

17．交換機(jī)類型交換機(jī)的各個(gè)端口可以支持一個(gè)或多個(gè)地址。如果每個(gè)端口支持一個(gè)地址，它就是一臺(tái)基于端口的交換機(jī)。如果每個(gè)端口支持多個(gè)地址，它就被認(rèn)為是一臺(tái)基于網(wǎng)段的交換機(jī)，即使該交換機(jī)的一些或所有端口上只連接了一臺(tái)工作設(shè)備。

18．交換方式以太網(wǎng)交換機(jī)有三種交換方式運(yùn)行：穿通式、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式和兩者混合式?；旌戏绞礁鶕?jù)幀錯(cuò)誤率閾值把穿通方式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式結(jié)合起來(lái)，也就是說(shuō)，混合式交換機(jī)的初始狀態(tài)可能被設(shè)置為穿通方式，交換機(jī)在每個(gè)幀通過(guò)時(shí)，計(jì)算它的CRC值，并和幀的CRC字段的值做比較。當(dāng)幀錯(cuò)誤率到達(dá)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，交換器就把運(yùn)行方式切換到存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，在該方式下，錯(cuò)誤幀會(huì)被丟棄。

19．虛擬局域網(wǎng)支持虛擬局域網(wǎng)可以被看成是一個(gè)組播域，該域是按照交換機(jī)端口、MAC地址或一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)來(lái)劃分的。因此，在說(shuō)明以太網(wǎng)交換機(jī)的功能時(shí)，要對(duì)VLAN生成方法作出評(píng)價(jià)。使用VLAN的主要好處在于：生成臨時(shí)工作組，限制廣播傳輸以及提高安全水平。6.2.7以太網(wǎng)交換機(jī)的組網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用雖然以太網(wǎng)交換機(jī)的技術(shù)指標(biāo)不僅在不同廠商之間，而且在同一廠商的不同產(chǎn)品之間都存在相當(dāng)大的區(qū)別。但是，可以根據(jù)這些設(shè)備的端口的運(yùn)行速度(表6-2列出了五種基本類型的以太網(wǎng)交換機(jī))，將這些交換機(jī)歸納為兩大類：支持單一數(shù)據(jù)傳輸率的交換機(jī)和支持多種數(shù)據(jù)傳輸率的交換機(jī)。支持多種數(shù)據(jù)傳輸率的交換機(jī)通常被用在層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，對(duì)于單一數(shù)據(jù)傳輸率的交換機(jī)，由于其具有特定的數(shù)據(jù)傳輸率，通常應(yīng)用于某一層次。

1．多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖6-12表示了通常使用的一種兩層交換型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。高層交換機(jī)的作用：充當(dāng)了一種干線連接機(jī)制，使得用戶在越過(guò)群組邊界后，可以訪問(wèn)通常被稱為全局服務(wù)器的共享服務(wù)器。低層交換機(jī)的作用：使得對(duì)一個(gè)特定部門內(nèi)部的共享服務(wù)器(也稱部門服務(wù)器)的訪問(wèn)更加方便。圖6-12兩層交換型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)這種分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般也可使用其他類型的低層交換機(jī)以及干線交換機(jī)，例如FDDI交換器、ATM交換器。通?？梢詫?duì)這種分層交換型網(wǎng)絡(luò)做一種變動(dòng)：把部門級(jí)和全局服務(wù)器都連在上層交換機(jī)上，這樣所有服務(wù)器處于同一位置，有利于訪問(wèn)和控制，通常被稱為服務(wù)器群。但是，如果高層交換機(jī)發(fā)生了故障，所有服務(wù)器將會(huì)受到影響。此外，一旦搭建了服務(wù)器群，所有傳輸都需要至少經(jīng)過(guò)兩次交換。而在前一種方案中，那些部門服務(wù)器被連接在部門級(jí)交換機(jī)上，對(duì)于那些連接部門交換機(jī)的群組用戶，大多數(shù)傳輸都發(fā)生在部門交換機(jī)上。

2．組網(wǎng)技術(shù)事實(shí)上，并不存在用以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)的固定模式，要根據(jù)一個(gè)特定的環(huán)境決定交換機(jī)的使用。所以，對(duì)以太網(wǎng)交換功能的選擇，可以看成是如何使用交換功能并將其集成在一起，形成不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1)群組級(jí)交換對(duì)于大多數(shù)桌面應(yīng)用程序來(lái)講，10?M的傳輸能力是足夠的。這意味著，典型的群組可以使用基本的10?M以太網(wǎng)交換機(jī)，附帶一些100?M端口或者具有胖通道功能，就可以和一個(gè)或多個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接。圖6-13表示在群組內(nèi)，使用一臺(tái)10/100?M以太網(wǎng)交換機(jī)的情況。圖6-13群組交換系統(tǒng)在使用如圖6-13中的交換機(jī)時(shí)應(yīng)注意，網(wǎng)段可能是由一些地理位置相近的工作站組成的，也可能是直接連接的工作站，這取決于所使用的交換機(jī)的類型和把幾臺(tái)工作站連接到集線器上的能力。使用網(wǎng)段是否有意義，取決于工作站的活動(dòng)情況以及地理鄰接特征。在交換機(jī)到服務(wù)器的連接中，除非服務(wù)器設(shè)置了多個(gè)訪問(wèn)端口(這在10?Mb/s的運(yùn)行速度下不會(huì)導(dǎo)致瓶頸)，否則應(yīng)當(dāng)考慮使用100?M的連接。這是因?yàn)?，大多?shù)服務(wù)器經(jīng)常有40～60MB的數(shù)據(jù)輸入輸出。如果服務(wù)器裝有多處理器，其可能有100?MB的數(shù)據(jù)輸入輸出。所以，使用100?M連接，并有大小合適的端口緩沖存儲(chǔ)器，就可以在群組級(jí)交換上大大提高客戶/服務(wù)器運(yùn)行性能。

2)部門級(jí)交換當(dāng)一個(gè)群組擴(kuò)大或幾個(gè)群組結(jié)合在一起形成一個(gè)部門時(shí)，要考慮使用兩層交換式網(wǎng)絡(luò)。第一層(即低層)的交換機(jī)專門支持特定的群組(包括本地服務(wù)器)。上層的一個(gè)或幾個(gè)交換機(jī)既被用來(lái)連接群組交換器，也被用來(lái)為群組用戶提供對(duì)部門服務(wù)器的訪問(wèn)通道，對(duì)這些服務(wù)器的訪問(wèn)越過(guò)了群組的界限。上層交換機(jī)或交換機(jī)組被用來(lái)連接群組交換機(jī)，通常稱上層交換機(jī)為主干交換機(jī)。圖6-14代表了一種用一個(gè)主干交換機(jī)連接兩個(gè)群組交換機(jī)的情況。圖6-14部門級(jí)交換系統(tǒng)圖由于主干交換機(jī)為群組交換機(jī)之間提供互連，并且提供對(duì)部門服務(wù)器的訪問(wèn)通道，因而主干交換機(jī)的可靠性要求比群組交換機(jī)大得多，所以，應(yīng)當(dāng)考慮在主干交換機(jī)中使用冗余電源、冗余交換引擎及其他關(guān)鍵模塊的備份。否則，一個(gè)模塊出現(xiàn)故障會(huì)造成一個(gè)或幾個(gè)端口連接失效。如果有一個(gè)或幾個(gè)冗余的端口模塊，就可以在端口發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)重新連接，而不影響整個(gè)通信。在使用一臺(tái)或幾臺(tái)主干交換機(jī)時(shí)還應(yīng)注意，這些交換機(jī)直接影響群組之間的吞吐率以及與部門服務(wù)器的信息交換。大多數(shù)情況下使用專門的100?M以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行主干工作。如果經(jīng)濟(jì)能力不能夠承受這類交換機(jī)，為了提供群組互連以及與部門服務(wù)器的連接，也可以選用配有足夠多的100?M端口的10/100?M交換機(jī)。雖然使用100?M的主干以太網(wǎng)交換機(jī)可以為大多數(shù)應(yīng)用程序提供足夠的帶寬，但是，它不能保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)特性，QoS要求為那些具有高優(yōu)先權(quán)的通信保留一定帶寬，這些通信要求無(wú)論在何時(shí)，都可以獲得一個(gè)經(jīng)過(guò)交換機(jī)的專用通道。有QoS要求的數(shù)據(jù)源包括：視頻會(huì)議、音頻/電話通信以及其他類型的有時(shí)間控制的傳輸，它們通常都屬于多媒體應(yīng)用的范疇。雖然在低交換負(fù)載下，以太網(wǎng)交換機(jī)可以提供一個(gè)可以接受的性能水平，但是當(dāng)傳輸量增加時(shí)，文件傳輸和交互式請(qǐng)求應(yīng)答通信會(huì)影響多媒體應(yīng)用程序。在這種情況下，可以考慮使用ATM交換機(jī)(ATM交換機(jī)將在后續(xù)章節(jié)討論)。

3)企業(yè)級(jí)交換在部門級(jí)交換之上，利用路由器連接地理上分散的部門，這樣形成了一個(gè)企業(yè)級(jí)以太交換網(wǎng)，它可能分布在同一城市、不同城市、一個(gè)或幾個(gè)省、一個(gè)國(guó)家或者全球的不同位置。圖6-15表示在一臺(tái)主干交換機(jī)上連接一臺(tái)路由器的情況，該路由器把主干交換機(jī)和廣域網(wǎng)相連。究竟用一個(gè)還是用幾個(gè)路由器根據(jù)特定的組網(wǎng)要求確定。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮究竟用一個(gè)還是幾個(gè)交換機(jī)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能。此外，用全雙工方式進(jìn)行本地和部門服務(wù)器之間的連接，千兆位交換機(jī)的出現(xiàn)為構(gòu)造層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了新的解決方案。圖6-15企業(yè)級(jí)交換系統(tǒng)6.2.8全雙工交換以太網(wǎng)技術(shù)從共享型以太網(wǎng)發(fā)展到交換型以太網(wǎng)，這是局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍，關(guān)鍵是解決了系統(tǒng)的帶寬問(wèn)題，使系統(tǒng)的帶寬成十、成百倍地增長(zhǎng)。目前交換機(jī)的帶寬可以達(dá)到千兆數(shù)量級(jí)，這是共享型以太網(wǎng)技術(shù)不可想象的。以太網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)的高帶寬環(huán)境中，每個(gè)站點(diǎn)所能使用的帶寬從獨(dú)占10?M達(dá)到了獨(dú)占100?M，甚至更高。它為客戶端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用提供了足夠富裕的帶寬。以太網(wǎng)交換機(jī)隔離網(wǎng)段的功能，實(shí)際上是把一個(gè)大范圍的CSMA/CD碰撞域分割成若干個(gè)小范圍的CSMA/CD碰撞域，也就是說(shuō)，以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中碰撞域的連接和幀交換才使系統(tǒng)帶寬得以增長(zhǎng)。圖6-16表示在系統(tǒng)中有兩個(gè)互連的以太網(wǎng)交換機(jī)分別連接了若干站點(diǎn)，雖然交換機(jī)設(shè)備本身工作時(shí)已不再受到CSMA/CD的約束，但在站點(diǎn)到交換機(jī)和交換機(jī)之間如果還是采用傳統(tǒng)的半雙工以太網(wǎng)傳輸方式的話，那么這些網(wǎng)段上不管采用雙絞線還是光纜仍要受到CSMA/CD的約束，結(jié)果導(dǎo)致這些網(wǎng)段的介質(zhì)長(zhǎng)度受到限制。如果在10?M環(huán)境下還不十分明顯的話，那么到了100?M快速以太網(wǎng)環(huán)境中，CSMA/CD碰撞域的介質(zhì)長(zhǎng)度(或稱網(wǎng)段跨距)就會(huì)受到很大影響，顯然在1?G以太網(wǎng)環(huán)境中，碰撞域的介質(zhì)長(zhǎng)度會(huì)受到更大影響。圖6-16半雙工傳輸?shù)呐鲎灿蛞虼?，?dāng)交換以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展到一定階段后，不僅要求整個(gè)系統(tǒng)的帶寬要達(dá)到一定高度，而且還要求整個(gè)系統(tǒng)的覆蓋范圍也要有一定的保證，特別在100?M及1?G以太網(wǎng)環(huán)境中，使用光纜作為介質(zhì)的情況下，若再使用受到CSMA/CD約束的半雙工技術(shù)和產(chǎn)品，則覆蓋范圍的問(wèn)題將尤為突出。為了解決上述問(wèn)題，推出了全雙工以太網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品，并在1997年定義了IEEE802.3x技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。全雙工以太網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)為：它是用來(lái)說(shuō)明以太網(wǎng)設(shè)備端口的一種傳輸技術(shù)，與傳統(tǒng)半雙工以太網(wǎng)端口技術(shù)的區(qū)別在于端口間兩對(duì)雙絞線(或兩根光纖)可以同時(shí)接收和發(fā)送幀，不再受到CSMA/CD的約束，在端口發(fā)送幀時(shí)不再會(huì)發(fā)生幀的碰撞，已不存在所謂的碰撞域。這樣，端口之間介質(zhì)的長(zhǎng)度僅僅受到數(shù)字信號(hào)在介質(zhì)上傳輸衰變的影響，而不受碰撞域的約束。圖6-17表示兩個(gè)端口之間全雙工傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，端口上設(shè)有端口控制功能模塊和收發(fā)器功能模塊，端口上使用全雙工還是傳統(tǒng)的半雙工操作一般可以自適應(yīng)，也可以人工設(shè)置。當(dāng)全雙工操作時(shí)，幀的發(fā)送和接收可以同時(shí)進(jìn)行，這樣與傳統(tǒng)半雙工操作方式比較，傳輸鏈路的帶寬提高了一倍，即端口支持10?Mb/s或者100?Mb/s傳輸率，而其帶寬卻分別是20?M和200?M。在全雙工傳輸幀時(shí)，端口上既無(wú)監(jiān)聽的機(jī)制，鏈路上又不會(huì)多路訪問(wèn)，也不再需要碰撞檢測(cè)，傳統(tǒng)半雙工方式下的介質(zhì)訪問(wèn)控制CSMA/CD的機(jī)制已不存在。圖6-17端口之間全雙工傳輸顯然，在10?M端口傳輸率情況下，只有10BASE-T及10BASE-FL支持全雙工操作；而在100?M快速以太網(wǎng)情況下，除了100BASE-T4外，100BASE-TX、100BASE-FX、100BASE-T2均支持全雙工操作；千兆位以太網(wǎng)僅有1000BASE-X支持全雙工操作。也就是說(shuō)，只有鏈路上提供獨(dú)立的發(fā)送和接收介質(zhì)才能支持全雙工操作。表6-3說(shuō)明了在10?M和100?M支持全雙工操作的各類以太網(wǎng)其網(wǎng)段的最長(zhǎng)距離，并與傳統(tǒng)半雙工方式操作受碰撞域限定的網(wǎng)段最長(zhǎng)距離進(jìn)行比較。從表中可知，使用雙絞線介質(zhì)，100?m的距離對(duì)于半雙工操作來(lái)說(shuō)并非是碰撞域的跨距，仍是數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)的最長(zhǎng)距離，因此不論是10?M還是100?M環(huán)境，全雙工操作并未占有優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于媒體采用的光纜介質(zhì)來(lái)說(shuō)，10BASE-FL在兩種情況下，光纜最長(zhǎng)距離均為2?km，這是因?yàn)樵?0?M傳輸率情況下，由碰撞域決定的半雙工網(wǎng)段最長(zhǎng)距離要大于2?km，2?km的光纜仍是數(shù)字信號(hào)在光纜上傳輸?shù)淖铋L(zhǎng)距離。惟有在100BASE-FX的以太網(wǎng)中，全雙工網(wǎng)段距離可達(dá)2?km，而傳統(tǒng)的半雙工操作情況下，由于受到CSMA/CD的約束，碰撞域的跨距決定了網(wǎng)段最長(zhǎng)距離為412?m，因此，100BASE-FX使用了全雙工以太網(wǎng)技術(shù)后在延伸網(wǎng)段距離上受益最大。其他10?M和100?M類型的以太網(wǎng)使用全雙工技術(shù)后僅僅拓寬了網(wǎng)段的帶寬。很明顯，除1?G以太網(wǎng)外，使用全雙工以太網(wǎng)技術(shù)既能在帶寬又能在端口之間的連接距離上受益的只有使用光纜的100?M快速以太網(wǎng)。若圖6-18中站點(diǎn)與交換機(jī)端口之間和交換機(jī)端口之間均以100BASE-FX全雙工操作方式連接，則鏈路上帶寬將增加至200?M，端口間的最長(zhǎng)連接距離可達(dá)2?km。圖6-18用全雙工方式連接的交換機(jī)對(duì)于客戶端，由于訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，發(fā)送和接收的負(fù)載往往是很不均衡的，因此，用全雙工操作方式連接客戶端，可將距離延伸至2?km；對(duì)于服務(wù)器，由于會(huì)受到許多客戶端的同時(shí)訪問(wèn)，發(fā)送和接收的負(fù)載一般較接近均衡，所以使用全雙工操作方式增加了帶寬后，使服務(wù)器減少瓶頸，但由于系統(tǒng)服務(wù)器往往與系統(tǒng)主交換機(jī)放置在一起，因此在延伸距離上顯得沒(méi)必要；對(duì)于交換機(jī)之間的連接來(lái)說(shuō)，用100BASE-FX全雙工連接，即使是在園區(qū)環(huán)境中，互連的交換機(jī)往往也不處在一個(gè)大樓中，距離較遠(yuǎn)，這種情況下，采用全雙工操作方式在延伸連接距離和拓展帶寬上均能得益。6.31?Gb/s高速以太網(wǎng)技術(shù)6.3.11?Gb/s高速以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1?Gb/s(千兆位)高速以太網(wǎng)是近幾年推出的高速局域網(wǎng)技術(shù)，以適應(yīng)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷需求。它在局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)上與ATM形成競(jìng)爭(zhēng)格局。1996年3月發(fā)布了千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE802.3z規(guī)范。其數(shù)據(jù)傳輸率為1000?Mb/s，它基本保留了原以太網(wǎng)MAC層CSMA/CD協(xié)議，但對(duì)CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行了重要改動(dòng)，增加了一些新的特性。它對(duì)物理層沒(méi)有重新設(shè)計(jì)新協(xié)議，而是“嫁接”了ANSIX3T11的光纖通道物理層協(xié)議，傳輸介質(zhì)可以采用：①阻抗為150?Ω的屏蔽雙絞線(STP)，其標(biāo)準(zhǔn)為1000BASE-CX，傳輸距離為25?m；②5類非屏蔽雙絞線，其標(biāo)準(zhǔn)為1000BASE-T，傳輸距離為100?m；③使用短波長(zhǎng)光源的1000BASE-SX標(biāo)準(zhǔn)，該物理層標(biāo)準(zhǔn)支持62.5?μm和50?μm兩種直徑的多模光纖，傳輸距離分別為440?m和550?m；④使用長(zhǎng)波長(zhǎng)光源的1000BASE-LX標(biāo)準(zhǔn)，該物理層標(biāo)準(zhǔn)支持62.5?μm和50?μm兩種直徑的多模光纖和直徑為5?μm的單模光纖，傳輸距離分別為250m、550?m和3km。表6-4給出了千兆位以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)與距離的關(guān)系。千兆位以太網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)的功能模塊如圖6-19所示。圖6-19千兆位以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和功能模塊千兆位以太網(wǎng)與快速以太網(wǎng)相比，有其明顯的優(yōu)勢(shì)。

(1)千兆位以太網(wǎng)的速度10倍于快速以太網(wǎng)，而且從現(xiàn)有的傳統(tǒng)以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)可以平滑地過(guò)渡到千兆位以太網(wǎng)。

(2)千兆位以太網(wǎng)同樣支持半雙工和全雙工兩種工作方式。由于全雙工連接不需要CSMA/CD協(xié)議，從而解決了長(zhǎng)期困繞網(wǎng)絡(luò)的主干擁擠問(wèn)題。

(3)千兆位以太網(wǎng)可以將現(xiàn)有的10?M以太網(wǎng)和100?M快速以太網(wǎng)連接起來(lái)，通過(guò)1000?M的鏈路與千兆位以太網(wǎng)相連，從而組成更大容量的主干網(wǎng)。

(4)用千兆位以太網(wǎng)取代FDDI將獲得10倍于FDDI的帶寬，同時(shí)可消除以太網(wǎng)和FDDI之間的協(xié)議轉(zhuǎn)化。

(5)千兆位以太網(wǎng)雖然在數(shù)據(jù)、話音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)方面還不能提供真正意義上的服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證，但千兆位以太網(wǎng)的高帶寬能克服傳統(tǒng)以太網(wǎng)的一些弱點(diǎn)，提供更高的服務(wù)性能。6.3.2幀擴(kuò)展技術(shù)為了與以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)兼容，千兆位以太網(wǎng)傳輸最小幀長(zhǎng)度還是64字節(jié)，最大幀長(zhǎng)度還是1518字節(jié)。但為了在兩個(gè)相距200?m的站點(diǎn)之間同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)能夠檢測(cè)到?jīng)_突，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，千兆位以太網(wǎng)引入了幀擴(kuò)展和分組猝發(fā)傳輸技術(shù)。所謂幀擴(kuò)展，就是適當(dāng)增加幀的長(zhǎng)度，即雖然千兆位以太網(wǎng)最小幀長(zhǎng)度仍然為64字節(jié)(512位)，但實(shí)際傳輸?shù)膸L(zhǎng)度是512字節(jié)，以保證在數(shù)據(jù)發(fā)送期間站點(diǎn)能夠檢測(cè)到?jīng)_突并采取相應(yīng)的措施。幀擴(kuò)展技術(shù)是在不改變IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最小幀長(zhǎng)度的情況下提出的一種解決辦法。把幀由64字節(jié)擴(kuò)展到512字節(jié)(即4096位)，若形成的幀小于512字節(jié)，則在發(fā)送時(shí)要在幀的后面添上擴(kuò)展位，填充到512字節(jié)再發(fā)送到介質(zhì)上。擴(kuò)展位是一種非“0”、“1”數(shù)值的符號(hào)。若形成的幀已大于或等于512字節(jié)，則發(fā)送時(shí)不必添加擴(kuò)展位。這種解決辦法使得在介質(zhì)上傳輸?shù)膸L(zhǎng)度至少有512字節(jié)，這樣，在半雙工模式下大大擴(kuò)展了碰撞域，介質(zhì)的跨距得到延伸。顯然，在全雙工模式下，由于不受CSMA/CD約束，無(wú)碰撞域概念，因此在全雙工模式下，在介質(zhì)上的幀不必?cái)U(kuò)展到512字節(jié)。6.3.3幀猝發(fā)技術(shù)幀擴(kuò)展技術(shù)保證了在千兆位以太網(wǎng)的半雙工模式下獲得比較大的地理跨距，但如果這種技術(shù)長(zhǎng)時(shí)間處在大量短幀傳輸?shù)膽?yīng)用環(huán)境中，就會(huì)造成系統(tǒng)帶寬的浪費(fèi)，大大降低半雙工模式下的傳輸性能。為解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一種“幀猝發(fā)”技術(shù)。使用幀猝發(fā)使一個(gè)站(特別是服務(wù)器)一次能連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀，當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)需要發(fā)送很多短幀時(shí)，該站點(diǎn)先試圖發(fā)送第一幀，該幀可能是附加了擴(kuò)展位的幀。一旦第一個(gè)幀發(fā)送成功，則具有幀猝發(fā)功能的站就能夠繼續(xù)發(fā)送其他幀，直到幀猝發(fā)的總長(zhǎng)度達(dá)到1500字節(jié)為止。為了使在幀猝發(fā)過(guò)程中介質(zhì)始終處在“忙狀態(tài)”，發(fā)送站必須在幀間的間隙時(shí)間中發(fā)送非“0”、“1”數(shù)值符號(hào)，以避免其他站點(diǎn)在幀間隙時(shí)間中占領(lǐng)介質(zhì)而中斷本站的幀猝發(fā)過(guò)程。幀猝發(fā)過(guò)程中只有第一個(gè)幀在要發(fā)出時(shí)可能會(huì)遇到介質(zhì)忙或產(chǎn)生碰撞，在第一個(gè)幀以后的成組幀的發(fā)送過(guò)程中再也不可能產(chǎn)生碰撞，以“幀起始限制”(FrameStartLimit)參數(shù)控制成組幀發(fā)送的長(zhǎng)度(該長(zhǎng)度必須不超過(guò)1500字節(jié))。如果第一個(gè)幀恰好是一個(gè)最長(zhǎng)幀(即1518字節(jié))，則規(guī)定幀猝發(fā)過(guò)程的總長(zhǎng)度限制在3000字節(jié)范圍內(nèi)。顯然，只有半雙工模式才可能使用幀猝發(fā)技術(shù)以彌補(bǔ)發(fā)送大量短幀時(shí)系統(tǒng)效率的急劇下降。當(dāng)采用全雙工模式時(shí)，就不存在幀猝發(fā)的選擇問(wèn)題。采用幀擴(kuò)展和幀猝發(fā)這兩種技術(shù)可以把千兆位以太網(wǎng)的碰撞檢測(cè)域擴(kuò)展到200?m，而在傳送大數(shù)據(jù)幀時(shí)網(wǎng)絡(luò)利用率可達(dá)90%。6.4.1FDDI體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

FDDI標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)分四部分(如圖6-20所示)：●介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)●物理層協(xié)議(PHY)●物理介質(zhì)相關(guān)子層(PMD)●層管理(LTM)6.4光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI圖6-20FDDI的體系結(jié)構(gòu)

FDDI將OSI的物理層分成PHY子層和PMD子層兩部分。其中最低的子層PMD是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中惟一真正與物理介質(zhì)打交道的層次，它定義了光纖和連接器的規(guī)格型號(hào)以及光傳輸接口的特性要求等內(nèi)容。PHY規(guī)定了線路的狀態(tài)、時(shí)鐘處理和編碼技術(shù)等方面的細(xì)節(jié)。而FDDI數(shù)據(jù)鏈路層的功能也由兩個(gè)子層來(lái)實(shí)現(xiàn)(MAC和LLC)。其中MAC子層主要完成令牌管理、差錯(cuò)檢測(cè)、尋址、介質(zhì)訪問(wèn)和幀結(jié)構(gòu)定義等功能。LLC仍屬于IEEE802.2邏輯鏈路控制，該層不屬于FDDI標(biāo)準(zhǔn)范圍。層管理LTM的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)上述幾個(gè)層次的有效控制，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理能力，提供對(duì)站的連接、配置、故障恢復(fù)等管理功能。

FDDI采用了4B/5BNRZ編碼。對(duì)于100?Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，在光纖上傳送的光信號(hào)碼元速率相當(dāng)于125?Mbaud，只比數(shù)據(jù)率增大25%。在5?bit碼的32種組合中只使用其中的24個(gè)。

FDDI的主要特性有：

(1)用基于IEEE802.5令牌環(huán)標(biāo)準(zhǔn)的令牌MAC協(xié)議。

(2)使用IEEE802.2LLC協(xié)議，因而與IEEE802局域網(wǎng)兼容。

(3)利用多模光纖進(jìn)行傳輸，并使用有容錯(cuò)能力的雙環(huán)拓?fù)洹?/p>

(4)數(shù)據(jù)傳輸率為100?Mb/s，光信號(hào)碼元傳輸速率為125Mbaud。

(5)支持1000個(gè)物理連接(若都是雙連接站，則為500個(gè)站)。

(6)最大站間距離為2?km(使用多模光纖)，環(huán)路長(zhǎng)度為100?km，即光纖總長(zhǎng)度為200?km。

(7)具有動(dòng)態(tài)分配帶寬的能力，故能同時(shí)提供同步和異步數(shù)據(jù)服務(wù)。

(8)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度最大為4500字節(jié)。

FDDI主要的應(yīng)用是作為校園網(wǎng)環(huán)境的主干網(wǎng)。這種環(huán)境的特點(diǎn)是站點(diǎn)分布在多個(gè)建筑物中，F(xiàn)DDI作為低速網(wǎng)絡(luò)互連的主干網(wǎng)。在20世紀(jì)90年代初FDDI得到了較快的發(fā)展，但隨著100?M快速以太網(wǎng)的推出，F(xiàn)DDI因其芯片過(guò)于復(fù)雜，價(jià)格昂貴，在與100?M局域網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中，F(xiàn)DDI的市場(chǎng)份額已逐漸下降。6.4.2FDDI網(wǎng)絡(luò)的組成

FDDI一般情況下使用多模光纖，因?yàn)樵?00?M的速率下，使用多模光纖比較經(jīng)濟(jì)。多模光纖用廉價(jià)的發(fā)光管LED代替半導(dǎo)體激光器。它傳輸?shù)恼`碼率一般小于2.5×10－10。

FDDI采用一種自恢復(fù)機(jī)制的雙環(huán)結(jié)構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，兩個(gè)環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸方向相反。在正常情況下，只有一個(gè)環(huán)路(稱為主環(huán))在工作，而另一環(huán)路作為備份(稱為輔環(huán))。一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，無(wú)論是線路故障還是站點(diǎn)故障，F(xiàn)DDI網(wǎng)絡(luò)都會(huì)通過(guò)卷繞自動(dòng)將雙環(huán)重構(gòu)為一個(gè)單環(huán)，從而保證網(wǎng)絡(luò)不會(huì)中斷，這是FDDI區(qū)別于其他局域網(wǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)。顯然，當(dāng)主環(huán)和輔環(huán)都正常時(shí)，F(xiàn)DDI環(huán)路的總長(zhǎng)度大約是單環(huán)的兩倍。這時(shí)一個(gè)站要支持兩個(gè)環(huán)，環(huán)路的吞吐量必然要下降。當(dāng)出現(xiàn)多處故障時(shí)，F(xiàn)DDI將變?yōu)槎鄠€(gè)分離的小環(huán)型網(wǎng)繼續(xù)工作。

FDDI網(wǎng)絡(luò)支持兩種類型的工作站：

(1)雙連接站(DAS，DualAttachmentStation)，也稱A類站，圖6-21中畫的站點(diǎn)就是DAS站。它包含兩套物理層器件(PMD和PHY)以及一個(gè)或兩個(gè)MAC實(shí)體，它可直接連在FDDI雙環(huán)上。當(dāng)DAS工作站發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)卷繞或光旁路開關(guān)將該站點(diǎn)隔離出去。

(2)單連接站(SAS，SingleAttachmentStation)，也稱B類站。它只包含一套物理層器件和一個(gè)MAC實(shí)體，它必須通過(guò)一個(gè)稱為集中器的設(shè)備才能連入FDDI網(wǎng)絡(luò)。

FDDI網(wǎng)絡(luò)在邏輯上是一種雙環(huán)結(jié)構(gòu)，但在物理上，這種環(huán)型結(jié)構(gòu)是由多個(gè)雙連接站DAS首尾相接構(gòu)成的。圖6-21說(shuō)明了雙環(huán)的工作情況，圖中的方框代表一個(gè)站點(diǎn)。每個(gè)站點(diǎn)中的小黑方點(diǎn)代表MAC實(shí)體邏輯連接。圖6-21FDDI的雙環(huán)結(jié)構(gòu)(a)正常情況；(b)鏈路有故障；(c)站點(diǎn)有故障在FDDI環(huán)上還有兩種類型的設(shè)備：雙連接集中器(DAC，DualAttachmentConcentrator)和單連接集中器(SAC，SingleAttachmentConcentrator)。工作站通過(guò)這兩種設(shè)備連入FDDI環(huán)上。DAC可以直接連在FDDI雙環(huán)上，它本身可以與多個(gè)SAS、DAS、SAC相連。而SAC用于連接多個(gè)SAS，再通過(guò)DAC連入FDDI環(huán)。圖6-22(a)表示SAS通過(guò)集中器加入環(huán)路的情況，一旦某一個(gè)SAS站有故障，集中器就將它旁路掉，使主環(huán)繼續(xù)工作。圖6-22(b)表示一個(gè)FDDI環(huán)加入了多個(gè)集中器，每個(gè)集中器連接多個(gè)SAS站的情況。FDDI通過(guò)光旁路繼電器保證環(huán)路的暢通。當(dāng)環(huán)路斷開時(shí)，光旁路繼電器可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行旁路，使它不進(jìn)入有故障的站點(diǎn)。圖6-22用集中器組成的FDDI網(wǎng)絡(luò)(a)有故障的SAS被旁路掉；(b)在FDDI環(huán)路中加入多個(gè)集中器6.4.3FDDI工作原理

1．建立物理連接

FDDI網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)行時(shí)，層管理(LMT)一直監(jiān)視著環(huán)的運(yùn)行狀況并管理著所有站點(diǎn)的活動(dòng)。層管理中的連接管理模塊負(fù)責(zé)在站點(diǎn)之間的雙向光纜上建立起端到端的物理連接。站點(diǎn)通過(guò)傳送與接收某些特定的線路狀態(tài)序列來(lái)與其相鄰站點(diǎn)交換端口類型和連接規(guī)則等信息，并對(duì)物理連接的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，一旦檢測(cè)到故障，就用跟蹤診斷的方法來(lái)確定故障原因，對(duì)故障進(jìn)行隔離，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置。

2．環(huán)路初始化在完成站點(diǎn)的物理連接后，還要對(duì)環(huán)路進(jìn)行初始化。在對(duì)環(huán)進(jìn)行初始化工作之前，首先要確定目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間(TTRT)，各個(gè)站點(diǎn)都可通過(guò)聲明幀提出它的TTRT值。FDDI網(wǎng)絡(luò)按照既定的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則來(lái)確定TTRT的值，由被選中TTRT值的那個(gè)站點(diǎn)來(lái)完成環(huán)的初始化工作。確定TTRT值的過(guò)程通常叫做聲明過(guò)程。聲明過(guò)程是用來(lái)確定TTRT值的。當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)或多個(gè)站點(diǎn)的MAC實(shí)體發(fā)出聲明請(qǐng)求時(shí)，環(huán)進(jìn)入聲明過(guò)程。在聲明過(guò)程中，每個(gè)站點(diǎn)連續(xù)不斷地發(fā)送聲明幀。聲明幀包含站點(diǎn)源地址和目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間(TTRT)。環(huán)上其他站點(diǎn)接收到某個(gè)聲明幀后，將聲明幀中的TTRT值與本站的TTRT值進(jìn)行比較。如果前者大于后者，站點(diǎn)就轉(zhuǎn)發(fā)聲明幀，同時(shí)停止發(fā)送自己的聲明幀；如果前者小于后者，該站點(diǎn)就刪除此聲明幀時(shí)，并發(fā)送自己的聲明幀。聲明幀中包含本站建議的TTRT值。當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)接收到自己發(fā)出的聲明幀時(shí)，該站就贏得了對(duì)環(huán)進(jìn)行初始化的權(quán)力。如果兩個(gè)或更多的站點(diǎn)使用的TTRT值相同，那么地址值最大的站點(diǎn)將優(yōu)先贏得對(duì)環(huán)進(jìn)行初始化的權(quán)力。贏得初始化環(huán)權(quán)力的站點(diǎn)通過(guò)發(fā)送一個(gè)令牌來(lái)初始化環(huán)，這個(gè)令牌將不會(huì)被環(huán)上的其他站點(diǎn)捕獲而通過(guò)環(huán)。環(huán)上的其他站點(diǎn)在接收到該令牌后，將重新設(shè)置自己的工作參數(shù)，使本站點(diǎn)從初始化狀態(tài)轉(zhuǎn)為正常工作狀態(tài)。當(dāng)該令牌回到源站點(diǎn)時(shí)，環(huán)初始化工作宣告結(jié)束，環(huán)路進(jìn)入穩(wěn)定操作狀態(tài)，各站點(diǎn)便可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳送。

3．?dāng)?shù)據(jù)傳輸

FDDI數(shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和刪除三個(gè)過(guò)程。在FDDI環(huán)網(wǎng)中，要想發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)必須等待令牌到達(dá)該站點(diǎn)并將令牌捕獲后，才能發(fā)送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)幀，直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完或直到THT超時(shí)為止。最后，站點(diǎn)釋放一個(gè)新令牌到環(huán)。

FDDI環(huán)上的每一個(gè)站點(diǎn)隨時(shí)都在監(jiān)聽經(jīng)過(guò)本站點(diǎn)的幀，站點(diǎn)通過(guò)比較幀中的目的地址來(lái)決定是否接收該幀。如果該幀的目的地址與站點(diǎn)地址匹配，則站點(diǎn)接收該幀，同時(shí)將此幀F(xiàn)S字段的“A”標(biāo)志位置“1”，表示目的站點(diǎn)存在。在接收該幀的同時(shí)，站點(diǎn)還對(duì)該幀進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)。如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則站點(diǎn)將幀中的數(shù)據(jù)字段復(fù)制下來(lái)，并將該幀F(xiàn)S字段的“C”標(biāo)志位置“1”，表示該幀已被目的站點(diǎn)接收；如果發(fā)現(xiàn)CRC錯(cuò)，則將該幀F(xiàn)S字段的“E”標(biāo)志位置“1”。站點(diǎn)在接收幀的同時(shí)，還要把該幀轉(zhuǎn)發(fā)到下一站點(diǎn)。發(fā)送站點(diǎn)在發(fā)送完數(shù)據(jù)后將繼續(xù)監(jiān)聽經(jīng)過(guò)站點(diǎn)的幀。當(dāng)發(fā)送站點(diǎn)檢測(cè)到某數(shù)據(jù)幀的源地址與本站點(diǎn)的地址相同時(shí)，立即停止轉(zhuǎn)發(fā)該幀并將其置為無(wú)效幀，使已轉(zhuǎn)發(fā)到環(huán)上的部分幀信息在到達(dá)下一站點(diǎn)時(shí)被當(dāng)作幀碎片而丟棄，以免這些幀碎片在環(huán)上繼續(xù)繞行。然后發(fā)送站點(diǎn)負(fù)責(zé)將該幀剩余部分從環(huán)上刪除，并同時(shí)檢查幀中的FS字段。如果FS字段中“A”和“C”標(biāo)志位都為“1”，則說(shuō)明該幀已被目的站點(diǎn)成功接收；如果只有“A”標(biāo)志位為“1”，則說(shuō)明目的站點(diǎn)存在，但沒(méi)有接收該幀，這說(shuō)明幀在傳輸過(guò)程中發(fā)生