1、第第8章章 网络体系结构网络体系结构本章主要内容本章主要内容局域网的特点与主要指标局域网的特点与主要指标局域网的参考模型与协议标准局域网的参考模型与协议标准以太网、以太网、FDDI无线局域网、虚拟局域网无线局域网、虚拟局域网8.1 局域网（局域网（LAN）概述）概述u1. 特点特点u覆盖范围小覆盖范围小u房间、建筑物、园区范围房间、建筑物、园区范围u距离距离25kmu高传输速率高传输速率u10Mb/s1000Mb/su低误码率低误码率u10-8 10-11u拓扑：总线、星形、环形拓扑：总线、星形、环形u介质：介质：UTP、Fiber、COAXu私有性：自建、自管、自用私有性：自建、自管、自用u
2、2. 局域网的局域网的关键技术关键技术u拓扑结构（逻辑、物理）拓扑结构（逻辑、物理）u总线型总线型、星形星形、环形、树形、环形、树形u介质访问方法介质访问方法uCSMA/CD、Token-passingu信号传输形式信号传输形式u基带基带、宽带、宽带u以上三种技术决定了局域网的特征以上三种技术决定了局域网的特征LAN典型拓扑结构典型拓扑结构n总线型总线型: 所有结点都直接连接到共享信道所有结点都直接连接到共享信道n星型星型 : 所有结点都连接到中央结点所有结点都连接到中央结点n环型环型 : 节点通过点到点链路与相邻节点连接节点通过点到点链路与相邻节点连接BusStarRingABCADCBAB
3、CAT3. 局域网体系结构局域网体系结构u局域网的标准：局域网的标准：IEEE802（ISO8802）uIEEE802是一个标准系列：是一个标准系列：IEEE802, IEEE802.1IEEE802.14u其体系结构只包含了两个层次：其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层数据链路层，物理层u数据链路层又分为逻辑链路控制逻辑链路控制和介质访问控制介质访问控制两个子层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC介质访问控制介质访问控制 MAC高层高层 OSI IEEE 802物理层物理层PHY由由TCP/IP和和NOS实现实现IEEE802描述了最低两层的
4、功能以及它们为网络层提供的服务和接口IEEE802标准系列中的主要标准标准系列中的主要标准u802.2 - 逻辑链路控制逻辑链路控制u802.3 - u802.4 - u802.5 - u802.6 - u802.8 u802.11 WLAN（无线局域网）（无线局域网）IEEE802体系结构示意图体系结构示意图u数据链路层在不同的子标准中定义u分别对应于LLC子层和MAC子层 802.3CSMA/CD802.4Token Bus802.5Token Ring802.6DQDB802.8FDDI802.2 LLC数据链路层数据链路层 物理层物理层LLCMAC802.1D Bridge8 0 2
5、体系结构体系结构PHY网际互联网际互联局域网的物理层局域网的物理层u功能：功能：u位流的传输；位流的传输；u同步前序的产生与识别；同步前序的产生与识别；u信号编码和译码。信号编码和译码。uIEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。质和不同的介质访问控制方法。u两个接口：两个接口：u连接单元接口（连接单元接口（AUI）可选，仅用于粗同轴电缆）可选，仅用于粗同轴电缆u介质相关接口（介质相关接口（MDI）u屏蔽不同介质的特性，使之不影响屏蔽不同介质的特性，使之不影响MAC子层的操作子层的操作局域网的数据链路层局域网的数据链路层u
6、按功能划分为两个子层：按功能划分为两个子层：LLC和和MACu功能分解的目的：功能分解的目的：u将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。分开，以适应不同的传输介质。u解决共享信道解决共享信道(如总线如总线)的介质访问控制问题，使的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。uLLC： 与介质、拓扑无关；与介质、拓扑无关； uMAC：与介质、拓扑相关。：与介质、拓扑相关。u局域网局域网的数据链路层的特点：的数据链路层的特点：u局域网局域网链路支持多路访问，支持成组地
7、址和广播；链路支持多路访问，支持成组地址和广播；u支持介质访问控制功能；支持介质访问控制功能；u提供某些网络层的功能，如网络服务访问点提供某些网络层的功能，如网络服务访问点(SAP)、多路、多路复用、流量控制、差错控制、复用、流量控制、差错控制、.uMAC子层功能：实现、维护子层功能：实现、维护MAC协议，差错检测，协议，差错检测，寻址。寻址。uLLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧组帧/拆帧、建立拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。号处理，提供某些网络层功能。u对不同的对不同的LA
8、N标准，它们的标准，它们的LLC子层都是一样的，区别子层都是一样的，区别仅在仅在MAC子层（和物理层）。子层（和物理层）。PALLC的帧结构的帧结构DSAPSSAP控制域控制域数据数据 111/2长度长度可变可变 单位：字节单位：字节高层高层PDU LLC首部首部 LLC数据数据IEEE802 LAN的封装过程：的封装过程：LLC帧帧MAC帧帧MAC数据数据分组分组介质上传介质上传输的帧输的帧MAC首部首部MAC尾部尾部MAC尾部尾部MAC数据数据MAC首部首部局域网的网络层和高层局域网的网络层和高层uIEEE 802标准没有定义网络层和更高层标准没有定义网络层和更高层：u没有路由选择功能没有
9、路由选择功能u局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接u流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成链路层完成u网络层和更高层通常由协议软件（如网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议、协议、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实协议）和网络操作系统来实现。现。8.2 介质访问控制方法介质访问控制方法u局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道。问题：个站点共享同一信道。问题：u各站点如何访问共享信道？各站点如何访问共享信道？u如何解
10、决同时访问造成的冲突（信道争用）？如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？u解决以上问题的方法称为解决以上问题的方法称为介质访问控制方法介质访问控制方法。u两类介质共享技术：两类介质共享技术：u静态分配（静态分配（FDM、WDM、TDM、CDM）u不适用于局域网不适用于局域网u动态分配（随机接入、受控接入）动态分配（随机接入、受控接入）uCSMA/CD、Token-Passing信道共享技术分类信道共享技术分类信道共享技术信道共享技术TDMFDMSTDMATDM随机访问随机访问受控访问受控访问CSMACSMA/CD集中控制集中控制分散控制分散控制轮询轮询令牌令牌静态分配静态分配动态分配动态分配
11、以太网以太网令牌环网令牌环网WDMCDM局域网中的介质访问控制方法局域网中的介质访问控制方法u常见的有两种：常见的有两种：u载波检测多路访问载波检测多路访问/冲突检测（冲突检测（CSMA/CD）uCarrier Sense Multiple Access/Collision Detect u采用采用随机访问技术随机访问技术的的竞争型竞争型介质访问控制方法介质访问控制方法u令牌传递（令牌传递（Token Passing）uToken RinguToken BusuFDDIu采用采用受控访问技术受控访问技术的的分散控制型分散控制型介质访问控制方法介质访问控制方法1. CSMA/CDu多个站点如何安
12、全地使用共享信道？多个站点如何安全地使用共享信道？u最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否最简单的思路：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。正在发送（即信道忙否）。u若信道空闲，是否可以立即发送？若信道空闲，是否可以立即发送？u若有多个站点都在等待发送，必然冲突！u解决：等待一段随机时间随机时间后再发（降低了冲突概率）u若信道忙，如何处理？若信道忙，如何处理？u继续监听：u等到信道空闲后立即发送u等到信道空闲后等待随机时间后再发送u等待一段随机时间后再重新检测信道u一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？u以上方法均无法处理！uC
13、SMA/CD带冲突检测的带冲突检测的载波监听多路访问载波监听多路访问u用于用于IEEE802.3以太网以太网u工作原理：工作原理：u发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；u如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；u在发送过程中，仍需继续监听在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（停止发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）；）；u发送发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检
14、测到发生了冲突。到发生了冲突。u等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。u归结为四句话：归结为四句话：u发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。CSMA/CD操作的流程图操作的流程图媒体忙？媒体忙？发送发送帧帧碰撞？碰撞？发发送送完？完？发送发送JamJamN16?N16?YesYesNoNoNoNoYesYes发送成功发送成功YesYes发送失败发送失败NoNo延迟随机时间延迟随机时间NoNoYesYes发送发送碰撞次数碰撞次数N+1N+1站点1站点2距离Lt a0t2ta传播时延t tCSM
15、A/CD协议的时间槽协议的时间槽u时间槽时间槽能够检测到冲突的时间区间能够检测到冲突的时间区间（也称为（也称为争用时隙争用时隙或或碰撞窗口碰撞窗口）u若两站点之间传播时延为若两站点之间传播时延为a，则时间槽，则时间槽2a。如。如下图下图所示：所示：t a 站点2发送帧碰撞站点1在t0时发送帧2ta站点2停止发送当0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽2a。u时间槽的意义：时间槽的意义：u一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突；次发送不会再发生冲突；u时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系！时间槽与网络
16、跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系！u以太网中，时间槽以太网中，时间槽51.2su传输速率传输速率10Mb/s时，时，一个时间槽内可发送一个时间槽内可发送512bits，即，即64字节（所以也称一个时间槽长度为字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）字节） 。u由此可知：由此可知：u1. 冲突只可能在一帧的前冲突只可能在一帧的前64字节内发生；字节内发生；u2. 帧长度小于帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；字节时，将无法检测出冲突；u以太网规定，最小帧长度为以太网规定，最小帧长度为64字节字节u3. 长度小于长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。字节的帧（碎片帧）都是无效帧。u想一
17、想：什么情况下会产生碎片帧？想一想：什么情况下会产生碎片帧？与时间槽相关的几个网络参数与时间槽相关的几个网络参数u采用采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的的局域网中，由于时间槽的限制，限制，传输速率传输速率R、网络跨距网络跨距S、最小帧长最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：三者之间必须满足一定的关系： FminkSR k:系数系数u可以看出可以看出：u最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；u传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；u网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长
18、度就应该越大。网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。 u非常重要的结论！非常重要的结论！退避时间的确定（退避算法）退避时间的确定（退避算法）uCSMA/CD采用了采用了截断二进制指数退避算法截断二进制指数退避算法u算法如下：算法如下：u1. 令基本退避时间令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）；（即时间槽长度）；u2. k=min（重传次数，（重传次数，10）；）；u3. r=在在 0, 1, , (2k-1) 中随机取一个数；中随机取一个数；u4. 退避时间退避时间=rT。u限定最大重传次数限定最大重传次数16，若发送，若发送16次仍不成次仍不成功，则发送失败。功，则发送失败。C
19、SMA/CD的优缺点的优缺点u控制简单，易于实现；控制简单，易于实现；u网络负载轻时，有较好的性能：网络负载轻时，有较好的性能：u3040以内以内u延迟时间短、速度快延迟时间短、速度快u网络负载重时，性能急剧下降：网络负载重时，性能急剧下降：u7080以上以上u冲突数量的增长使网络速度大幅度下降冲突数量的增长使网络速度大幅度下降2. 令牌传递（令牌传递（Token Passing）ABDC站点站点干线耦合器干线耦合器单向环单向环点到点链路点到点链路u主要用于主要用于IEEE802.5令牌环网令牌环网u拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环Token Ring/
20、802.5的操作的操作u哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。）的特殊帧来控制的。只有持只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待等待；u拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；自己的数据进行发送；u目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；u数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令
21、牌，使其余的站点能获得帧的发送权。牌，使其余的站点能获得帧的发送权。Token Ring/802.5的操作举例AT（c）帧循环一圈后帧循环一圈后,A将数据帧回收将数据帧回收并放出空令牌并放出空令牌ATData（a）A有数据要发有数据要发送送, 它抓住空它抓住空令牌令牌（b）AA将令牌修改为将令牌修改为数据帧头数据帧头, 并加并加挂数据发送挂数据发送TDataCData目的站点从环目的站点从环上拷贝上拷贝数据数据TDataCTDataCTDataCIEEE802.5的帧结构令牌帧令牌帧数据帧数据帧/控制帧控制帧起始起始 访问控制访问控制 帧控制帧控制目的地址目的地址源地址源地址数据数据FCS结束
22、结束帧状态帧状态1112/62/6 04 1 1P P P T M R R R优优先先级级位位令令牌牌位位监监督督位位预预约约位位起始起始 访问访问控制控制结束结束111访问控制字段包括：访问控制字段包括： 优先级位优先级位与与优先级预约优先级预约位位。 令牌位令牌位：帧类型标识。：帧类型标识。 0：令牌帧；：令牌帧； 1：信息：信息/控制帧控制帧 监督位监督位：防止无效帧无限循环。：防止无效帧无限循环。令牌环网的实际结构星型环路ABCDE集线器集线器8.3 传统以太网传统以太网u70年代中期由施乐公司（年代中期由施乐公司（Bob Metcalfe）提出，数据率）提出，数据率为为2.94Mb/
23、s，称为，称为Ethernet（以太网）（以太网）u最初人们认为电磁波是通过最初人们认为电磁波是通过“以太以太”来传播的来传播的u经经DEC, Intel和和Xerox公司改进为公司改进为10Mb/s标准（标准（DIX标准）标准）u特征：基带传输、总线拓扑、特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CDIEEE 802.3，支持多种传输媒体。，支持多种传输媒体。u“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”uEthernet II和和IEEE 802.3二者区别很小二者区别很小u仅是帧格式和支持的传输介质略有不同仅是帧格式和支持的传输介质略
24、有不同u目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展 一种在以前被假定为电一种在以前被假定为电磁波的传播介质，具有磁波的传播介质，具有绝对连续性、高度弹性、绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特性。极其稀薄等特性。IEEE 802.3 以太网标准（主要的）以太网标准（主要的） 传统以太网：传统以太网：10Mb/s 802.3 粗同轴电缆粗同轴电缆 802.3a 细同轴电缆细同轴电缆 802.3i 双绞线双绞线 802.3j 光纤光纤 快速以太网（快速以太网（FE）：）：100Mb/s 802.3u 双绞线，光纤双绞线，光纤 千兆以太网（千兆以太网（GE）：）：1000M
25、b/s（1Gb/s） 802.3z 屏蔽短双绞线、光纤屏蔽短双绞线、光纤 802.3ab 双绞线双绞线 万兆以太网（万兆以太网（10GE）：）：10Gb/s 802.3ae 光纤光纤 以太网的物理层选项与标识方法以太网的物理层选项与标识方法 速率、信号方式、介质类型速率、信号方式、介质类型速率（速率（Mb/s）基带或宽带基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位每段最大长度（单位:百米）或百米）或介质类型（介质类型（T，F，X）10 Base 5传统以太网传统以太网10Base5 粗同轴粗同轴10Base2 细同轴细同轴10Base-T UTP 10Base-F MMF快速以太网和千兆以
26、太网快速以太网和千兆以太网100Base-T UTP100Base-F MMF/SMF1000Base-X STP/MMF/SMF1000Base-T UTPEthernet/802.3操作操作任何站点发送数据时都要遵循任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议；协议；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。ABCAC 发送帧，目的地址为发送帧，目的地址为
27、A ABCA 复制该帧复制该帧A信号由终端电阻吸收信号由终端电阻吸收ABC C 发现网络空闲发现网络空闲终端电阻终端电阻ABCB 忽略该帧忽略该帧AEthernet / IEEE802.3帧格式帧格式PR： 前导码前导码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步序列，用于使接收方与发送方同步SFD： 帧首定界符帧首定界符 10101011，表示一帧的开始，表示一帧的开始DA/SA：目的：目的/源源MAC地址地址LEN： 数据长度（数据部分的字节数），取值范围：数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-1500Type： 类型，高层协议标识类型，高层协议标识LLC-PDU（Data）
28、：数据，最少）：数据，最少46字节字节, 最多最多1500字节，不够时以字节，不够时以Pad填充填充 Pad： 填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节字节FCS： 帧校验序列（帧校验序列（CRC-32）6 6 2 46-1500 4字节字节 FCSSATypeDADataPadEthernetIEEE 802.3 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节字节FCSSALENDALLC-PDUPad 校验区间校验区间64-1518 字节字节PR SFD 7 1PRSFD 7 1用途：保证帧长64字节MAC地址地址u又称为又称为物理地址物理地址
29、，它是网络，它是网络站点的站点的全球全球唯一唯一的的标识标识符，与其物理位置无关符，与其物理位置无关。u注意：注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。层。u网络站点的每一个网络接口都有一个网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。地址。uMAC地址大多固化在网络站点的硬件中。地址大多固化在网络站点的硬件中。u一个站点允许有多个一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点地址，个数取决于该站点网络接口的个数。例如：网络接口的个数。例如：u安装有多块网卡的计算机；安装有多块网卡的计算机；u有多个以太网接口的路由器。有多个以太网接口的路由器
30、。u网络接口的网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址可以认为就是宿主设备的网络地址。地址。uIEEE802.3标准规定：标准规定：uMAC地址的长度为地址的长度为6个字节个字节，共，共48位；位；u可表示可表示24670万亿个地址（有万亿个地址（有2位用于特殊用途）位用于特殊用途）u高高24位位称为机构惟一标识符称为机构惟一标识符OUI ，由，由IEEE统一分配统一分配给给设备生产设备生产厂商厂商；u如如3COM公司的公司的OUI=02608Cu低低24位位称为扩展标识符称为扩展标识符EI，由厂商由厂商自行自行分配分配给每给每一块网卡或设备的网络硬件接口一块网卡或设备的网络硬件接口
31、。也可以是也可以是2 2个字节，个字节，但这种格式的地址但这种格式的地址很少使用。很少使用。I/GOUI（22位）位）G/LEI（24位）位）0=全局管理地址全局管理地址1=本地管理地址（一般不用）本地管理地址（一般不用）0=单播地址单播地址1=组播地址组播地址uMAC地址的三种类型：地址的三种类型：u单播地址单播地址：（I/G0）u拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点。点对点传输点对点传输u多播地址多播地址：（I/G1）u拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点。点对多点传输点对多点传输u广播地址广播地址：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）u
32、拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输广播传输u注意，以上分类只适用于注意，以上分类只适用于目的地址目的地址。同轴电缆以太网同轴电缆以太网粗缆以太网（粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器收发器 : 发送发送/接收接收, 冲突检测冲突检测, 电气隔离电气隔离总线型拓扑总线型拓扑 粗缆粗缆收发器收发器AUI 电缆电缆NICVampire tap最大段长度最大段长度 500m每段最多站点数每段最多站点数 1002.5m网络最大跨度网络最大跨度 2.5km 网络最多网络最多5个段个段 终端匹配器终端匹配器细缆细缆BNC接头
33、接头NIC细缆以太网（细缆以太网（ 10Base2 ）细同轴电缆，可靠性稍差细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器无外置收发器 轻便、灵活、成本较低轻便、灵活、成本较低总线型拓扑总线型拓扑每段最大长度每段最大长度 185m每段最多站点数每段最多站点数 300.5 m网络最大跨度网络最大跨度 925 m 网络最多网络最多5个段个段 终端匹配器终端匹配器 双绞线（双绞线（UTP），两头压接），两头压接RJ45连接器；连接器； 所有站点都与所有站点都与HUB （集线器）相连接；（集线器）相连接； HUB的作用：信号放大与整形的作用：信号放大与整形 星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。星形拓扑，但逻辑拓
34、扑结构仍然是总线。 轻便、安装密度高、便于维护轻便、安装密度高、便于维护NICHUB每段最大长度每段最大长度 100m多台多台HUB级连级连可以支持更多站点可以支持更多站点双绞线以太网（双绞线以太网（10Base-T）u双绞线的连接标准双绞线的连接标准u在以太网的标准中，10Mbps与100Mbps双绞线系统采用相同的线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。色标色标 Pin# Signal白橙白橙 1 TD+橙橙 2 TD-白绿白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8u当两个HUB连
35、接时，要使用交叉连接交叉连接方法。u两台微机直接连接时，也可参考此接法。光纤以太网光纤以太网使用光纤介质；使用光纤介质； 两根两根62.5/125m多模光纤，收发各一根多模光纤，收发各一根 星形拓扑结构；星形拓扑结构； 通常用于远距离网络连接；通常用于远距离网络连接； 主要类型：主要类型： FOIRL（光纤中继器间链路）（光纤中继器间链路） 用于连接两个用于连接两个HUB（或中继器）（或中继器） 链路间最大距离链路间最大距离1 km 10Base-FL（用以替代（用以替代FOIRL） 链路间最大距离链路间最大距离2 km 任意两节点间的中继器数任意两节点间的中继器数6个个 光纤与其他介质可使用
36、介质转换器进行转换光纤与其他介质可使用介质转换器进行转换介质转换器是可连接不同介质的中继器介质转换器是可连接不同介质的中继器全双工以太网全双工以太网u只能在双绞线和光纤链路上实现；u收、发使用了不同的物理信道u不再使用CSMA/CD机制，因此传输距离不受时间槽的限制；u但要受到信号衰减的影响u全双工操作的条件：u使用双绞线或光纤；u链路两端的设备都必须支持全双工操作；u支持全双工的设备包括全双工网卡、网络交换机。8.4 局域网扩展局域网扩展u 什么情况下需要扩展？u网络范围扩大u更多的站点加入网络u多个独立的局域网进行互联u如何扩展？u主要在三个层次上u物理层u数据链路层u网络层u在物理层上进
37、行局域网扩展u设备：u总线网：中继器u星形/环形网：集线器u特点：u一个网段网段上的信号信号不加选择地被复制复制到另一个网段网段；u扩展后的网络仍是一个冲突域冲突域。u优缺点：u简单、成本低u网络规模不能太大u站点数量：冲突随站点数量的增多而变得越来越严重u地域范围：时间槽的限制u只能互联相同类型的网络 例：从分离的部门网络到统一的企业网络例：从分离的部门网络到统一的企业网络集线器人力资源部集线器市场部集线器技术开发部集线器财务部u在数据链路层上进行局域网扩展u设备：u网桥、交换机u特点：u一个网段网段上的帧帧有条件地被转发转发到另一个网段网段；u扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域冲突
38、域；u扩展后的网络仍是一个广播域广播域。u优缺点：u冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；u地域范围不再受时间槽的限制；u远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上u转发速度有所降低；u不能隔离广播帧。在链路层上扩展局域网在链路层上扩展局域网网桥网桥/交换机交换机独立的冲突域独立的冲突域网段网段1HUB网段网段2HUB广播域广播域u在网络层上进行局域网扩展u设备：u路由器u特点：u一个网络网络上的分组分组有条件地被转发转发到另一个网络网络；u扩展后的网络被路由器分隔成多个子网子网。u优缺点：u隔离广播域，限制了广播帧的泛滥；u地域范围可以任意扩展；u能根据最佳路由转发分组；u可以互联不同类型的网
39、络；u转发速度低，成本较高，维护复杂。财务部集线器技术开发部集线器市场部集线器人力资源部集线器在网络层上扩展局域网在网络层上扩展局域网技术开发部路由器集线器财务部路由器集线器市场部路由器集线器路由器人力资源部集线器企业网企业网 / 广域网广域网8.5 高速局域网高速局域网u10Mb/s满足应用要求吗？u从10Mb/s向100Mb/s、1000Mb/s迁移u起因：对主干带宽的需求u80年代末开始，直到今天仍未停止u主要产品uFDDIu快速以太网快速以太网u100VG-AnyLANu千兆以太网千兆以太网、万兆以太网万兆以太网u最终胜利者是谁？u关键：兼容 (保护投资)、灵活、简易、技术成熟u传输速
40、率为传输速率为100Mb/s的以太网，的以太网，比比传统以太网传统以太网快快10倍倍u标准为IEEE802.3uu拓扑结构为基于集线器的星形结构；u传输介质只支持双绞线双绞线和光纤光纤；u帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3标准，网络覆盖范围最多200米。u提供了提供了10/100Mb/s自适应功能；自适应功能；uIEEE802.3u定义了定义了4种不同的物理层标准种不同的物理层标准u100Base-TX：使用两对5类双绞线u100Base-FX：使用62.5/125m多模光纤u100Base-T4：使用四对3类双绞线u100Base-T2：使用两对3类双绞线1. 1. 快速以太网（
41、快速以太网（Fast EthernetFast Ethernet，FEFE）100Base-TX100Base-TX的拓扑结构的拓扑结构max. 5mHUBHUB任意两个站点任意两个站点间最多允许间最多允许3个个链路段链路段工作站工作站工作站工作站max. 100m100Mbps Ethernetu100Base-T传输介质 100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T4传输介质传输介质2对，STP2对，5类UTP2条光纤4对，3、4或5类UTP信号技术信号技术MLT-3MLT-34B5B、RZI8B6T、NRZ数据速率数据速率100Mbps100Mbps100Mbps100Mb
42、ps单线长度单线长度100m100m100m100m网络跨度网络跨度200m200m400m200m100Base-TXu物理层：u两对双绞线连接，电缆最长100米u125MHz的信号在传输过程中衰减过大uMLT-3编码方案u将传输信号的能量集中在30MHz以下，增强抗干扰能力 u采用3种水平电压：一个正电压(+V)、一个负电压(V)、 一个零电压(0)，编码规则为：u如果下一个输入位是0，下一位输出值与前面的那一位一样。u如果下一个输入位是1，下一位输出值将包含一个跳变：u如果前一位的输出是V或V，下一位的输出是0；u如果前一位的输出是0，下一位的输出是非0。其符号与最近的那个非0输出的符号
43、相反。 MLT-3编码方案100Base-TXu编码的基本步骤u把4B5B/NRZI信号转变回NRZ信号；u经过扰频技术产生一个更一致的频谱分布。u扰频后的比特流用MLT-3编码。常用的编码位串 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 NRZ-L码 NRZ-I码 双极性码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 4B5B编码 把每个4 bit 表达为一个5 bit 的符号4B/5B编码在采用NRZ-I码(占用频带较窄)时,连续出现的0码过多,会使通信因缺少信号跃变而丢失位同步, 采用4B/5B编码的目的就是避免在传输的位流中出现连续3个以上的0。011110101001210100310101
44、401010501011601110701111810010910011A10110B10111C11010D11011E11100F11101100Base-FXu使用两条光纤。一条用于发送，一条用于接收。u为了保证站点能够检测到冲突，限制媒体的跨段距离最长可达415米。u采用4B/5B- NRZI码编码方案，为了转换成光信号，采用了强度调制技术：1用一个光脉冲表示，0用无脉冲或极小强度的光脉冲表示 100Base-T4u为了在低质量的3类UTP上提供100Mbps的数据速率而设计的。u采用了4对双绞线，其中三对用于数据传输，另外一对用于冲突检测，所连接的网段的长度最长为100米u源数据流被
45、分割成3条，每条的有效速率为33.3Mbps。100Base-T4u100BASE-T4采用8B6T块编码方案。u每个信号（三元信号）有三种取值（正电压、负电压、零电压），编码的数据以8比特组成的块来处理，映射成一个6比特的块，其中每个比特用一个三元信号来表示，映射出来的比特流轮流在三条输出信道上传输 MBaud25313386位元 “00100110” 转换为 “+00-00” 8B6T8B6T编码范例编码范例u快速以太网的应用快速以太网的应用u主干连接主干连接u需要高带宽的服务器和高性能工作站需要高带宽的服务器和高性能工作站u网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站u向桌面系统普及向
46、桌面系统普及10Mb/s10M HUB企业网企业网100Mb/s100M HUB100Mb/s服务器100Mb/s小型机100Mb/s100M HUB共享式以太网存在的主要问题u覆盖的地理范围有限u以太网覆盖的地理范围随网络速度的增加而减小u网络总带宽容量固定u以太网的固定带宽被网络中的所有节点共同拥有u节点增加，冲突概率增大，带宽浪费也越严重u不能支持多种速率u以太网的传输介质是共享的交换的提出u共享以太网存在的问题的解决方法：分段u何谓分段？u将大型以太网分割成两个或多个小型以太网u每个段使用CSMA/CD介质访问控制方法维持段内用户的通信u段与段之间通过“交换”设备沟通u交换设备在一段接
47、收信息，经处理后转发给另一段利用集线器组成的大型共享式以太网利用集线器组成的大型共享式以太网交换设备的类型u交换设备有多种类型u常见的交换设备u局域网交换机：工作于数据链路层，连接较为相似的网络u路由器：工作于互联层，实现异型网络互联以太网交换机组网u将一台计算机直接连到交换机端口u该计算机独享该端口提供的带宽u将一个网段连到交换机端口u该网段上的所有计算机共享该端口提供的带宽以太网交换机的工作过程数据转发方式u直接交换u测到目的地址字段，立即转发u存储转发交换u完整地接收整个数据，对数据进行差错检测u改进的直接交换u接收数据头部，判断头部字段是否正确地址学习u建立端口/MAC地址映射表需要解
48、决的问题u交换机怎样知道哪台计算机连接哪个端口u交换机怎样维护地址映射表以保持其“新鲜”u地址学习u读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口（节点只要发送信息，交换机就能建立该表项）u利用计时器维护表项的“新鲜”性通信过滤u目的：隔离本地信息，避免不必要的数据流动u方法：u利用端口/MAC地址映射表和帧的目的地址决定是否转发或转发到何处u如果地址表中不存在帧的目的地址，交换机则需要向除发送端口以外的所有端口转发通信过滤举例生成树协议u交换机级联是否可以出现环路？u集线器级联不能出现环路（无论是水平还是树型结构）u交换机级联可以出现环路（交换机执行生成树协议）u生成树协议u通过实现生成树协议相互的
49、交换信息u利用交换的信息将网络中的环路断开u逻辑上形成一种树型结构u按照逻辑结构转发信息生成树协议举例虚拟局域网VLANu什么是虚拟局域网？u将局域网上的用户或节点划分成若干“逻辑工作组”u逻辑组的用户或节点可以根据功能、部门、应用等因素划分而无须考虑它们所处的物理位置u利用以太网交换机就可以配置VLAN 利用共享式以太网需要做些什么？u 一个逻辑工作组的站点需要移到另一个逻辑工作组（如站点从LAN1移动到LAN3）u 一个逻辑工作组的站点需要物理位置的移动（如LAN1中的站点从1楼移动到3楼）u 移动站点的物理位置或逻辑工作组有时需要重新布线利用共享式以太网需要做些什么？u 一个逻辑工作组的
50、站点需要移到另一个逻辑工作组（如站点从LAN1移动到LAN3）u 一个逻辑工作组的站点需要物理位置的移动（如LAN1中的站点从1楼移动到3楼）u 以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理VLAN的组网方法u静态VLANu交换机上的VLAN端口由管理员静态分配u这些端口保持这种配置直到人工改变它们u动态VLANu交换机上VLAN端口是动态分配的u分配原则通常以MAC地址、逻辑地址或数据包的协议类型为基础在一台交换机上配置VLAN跨越多台交换机的VLANVLAN的优点u减少网络管理开销u控制广播活动u提供较好的网络安全性u利用现有的集线器以节省开支u千兆位以太网（千兆位以太网（Gigabit Ethe
