1、第四章第四章 局域网局域网n局域网概述局域网概述n局域网的体系结构局域网的体系结构n以太网以太网n传统以太网n快速以太网n千兆以太网n虚拟局域网局域网主要内容局域网主要内容n令牌环网n令牌总线网n逻辑链路控制LLCn局域网的扩展技术局域网的扩展技术n工业以太网n现场总线现场总线局域网概述局域网概述n局域网的定义局域网的定义n一个小范围小范围的计算机网络计算机网络，设备通常集中在一个地理区域中。n通常为一个单位或部门所拥有，站点数站点数量有限量有限。n一个大学校园或一栋建筑中的网络通常就是一个局域网。n传输范围小传输范围小;n较高的数据传输速率，可以获得1Mbps10Gbps甚至更高的传输速率；
2、n误码率低。n有广播功能。n便于系统的扩展，设备位置可灵活调整。n系统的可靠性、可用性和残存性高。系统的可靠性、可用性和残存性高。局域网的特点局域网的特点局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构局域网的基本组成局域网的基本组成n硬件：计算机系统和通信系统硬件：计算机系统和通信系统n网络服务器网络服务器:提供网络服务，共享资源，网络管理。n网络工作站网络工作站：客户机n网络接口卡网络接口卡（网络适配器、网卡）：实现计算机和传输介质之间的物理连接。n其它网络设备其它网络设备：集线器（HUB）、中继器、交换机（Switch）、网桥、路由器（Router）。n传输介质传输介质：非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、基带同
3、轴电缆、光缆。局域网的基本组成局域网的基本组成n软件软件n网络系统软件网络系统软件n网络操作系统（NOS）n网络协议软件n网络通信软件n网络应用软件网络应用软件为用户提供实际的网络应用。局域网的网络协议设计需要考虑的问题局域网的网络协议设计需要考虑的问题：n如何向网络应用提供无差别的传输服务提供无差别的传输服务？n该采用什么样的网络协议体系结构？该采用什么样的网络协议体系结构？n如何实现不同拓扑结构和传输介质的局域网局域网互联互联？即异构局域网之间的通信。n异构局域网的设计和实现有无共同的内容？n采用什么样的通信介质和拓扑结构通信介质和拓扑结构最合适？n各站点如何进行身份识别和认证身份识别和认
4、证等问题。局域网的体系结构局域网的体系结构n对应OSI/RM模型的最低两层：n物理层物理层：n透明传输位流，规定信号编码、传输媒体、拓扑结构及数据率n数据链路层数据链路层n802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层n介质访问控制子层介质访问控制子层 MAC（Medium Access Control）n逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）局域网的体系结构局域网的体系结构n与接入到传输媒体有关传输媒体有关的内容都放在MAC子层。nLLC子层则与传输媒体无关传输媒体无关，不管采用何种MAC协议的局域网对LLC子层的高层协议来说都是透明的，即LLC子
5、层为高层协议提供透明的帧传输服务子层为高层协议提供透明的帧传输服务。局域网的体系结构局域网的体系结构nMAC子层：子层：n数据链路层中与接入传输媒体有关的问题。n负责在物理层的基础上进行无差错的通信。nMAC子层的主要功能子层的主要功能：n将将LLC层提供的数据封装成帧层提供的数据封装成帧n接收时将帧拆卸并提交给接收时将帧拆卸并提交给LLC层；层；n实现和维护实现和维护MAC协议；协议；n差错检测和控制；差错检测和控制；n编址和寻址；编址和寻址；n介质共享等介质共享等实现和维护实现和维护MAC协议协议局域网的体系结构局域网的体系结构n帧类型分类：帧类型分类：n单播单播(unicast)帧：帧：
6、n一对一通信，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。n广播广播(broadcast)帧：帧：n一对所有通信，即发送给所有站点的帧(全1地址)。n多播多播(multicast)帧：帧：n一对多通信，即发送给一部分站点的帧。局域网的体系结构局域网的体系结构nLLC子层负责数据链路层中与传输介质无关的子层负责数据链路层中与传输介质无关的部分，其主要功能是：部分，其主要功能是：n建立和释放数据链路层的逻辑连接；建立和释放数据链路层的逻辑连接；n提供与高层的接口；提供与高层的接口；n差错控制；差错控制；n帧编号；帧编号；n发送时，接收高层来的数据，调用发送时，接收高层来的数据，调用MAC层来完成层
7、来完成传输服务；传输服务；n接收时，提取接收时，提取MAC层中的携带数据，并提交给其层中的携带数据，并提交给其高层协议。高层协议。局域网的体系结构局域网的体系结构nLLC子层提供服务：子层提供服务：n操作类型操作类型1：不确认的无连接服务不确认的无连接服务n可用于点对点传输服务，特别适合于广播和多播通信应用；n操作类型操作类型2：面向连接服务面向连接服务n开销较大，每次通信需要经过连接建立、数据传送、连接断开等三个阶段；n操作类型操作类型3：带确认的无连接服务带确认的无连接服务n用于传送某些非常重要且对时间要求很强的信息应用。n如运动控制系统或自动化系统中的数据通信应用。局域网的体系结构局域网
8、的体系结构nLLC子层相对要稳定一些子层相对要稳定一些，MAC子层则随着技术子层则随着技术的进步而不停地更新或升级。的进步而不停地更新或升级。n局域网的物理层：局域网的物理层：n同OSI/RM模型一致，主要接收来自MAC子层的数据，负责透明传输比特流负责透明传输比特流。n规定信号编码、传输介质、拓扑结构及数据率等工作。IEEE委员会委员会802工作组的局域网协议概述工作组的局域网协议概述n由一系列的协议标准组成，合称由一系列的协议标准组成，合称IEEE 802标准标准，n在物理层和MAC子层上有所不同，LLC层以上是相同的。nIEEE 802标准分为几个部分，每一部分是单独的一个标准分为几个部
9、分，每一部分是单独的一个协议标准。协议标准。IEEE802标准系列中的主要标准标准系列中的主要标准n802.1-定义定义IEEE 802 标准和标准和OSI/RM模型之间的关系模型之间的关系n802.2-逻辑链路控制逻辑链路控制n802.3-n802.4-n802.5-n802.6-n802.8 n802.9标准：综合数据声音网标准：综合数据声音网n802.10标准：多个网络进行互操作时的标准安全模型标准：多个网络进行互操作时的标准安全模型n802.11 WLAN（无线局域网）（无线局域网）n802.14标准：定义了交互式电视网标准标准：定义了交互式电视网标准n802.15标准：短距离无线网标
10、准标准：短距离无线网标准n802.16标准：无线城域网接入标准标准：无线城域网接入标准n802.20标准：无线广域网接入标准。标准：无线广域网接入标准。802.3标准和以太网标准和以太网n1976年，Xerox公司建成了一个2.94Mbps的CSMA/CD网络系统，在14m的电缆上连接了100多个工作站。n因历史上人们曾认为电磁波是通过因历史上人们曾认为电磁波是通过“以太以太”传播的，因此该传播的，因此该网络被命名为以太网。网络被命名为以太网。n1980年，DEC公司、Intel公司和Xerox公司联合推出了10Mbps以太网规约的第一个版本DIX V1。n1982年又修改为第二版规约，称为年
11、又修改为第二版规约，称为DIX Ethernet V2。nIEEE委员会的802工作组于1983年制订了第一个第一个IEEE的局域网标准，其编号为的局域网标准，其编号为802.3。n802.3标准与以太网的区别：标准与以太网的区别：n802.3标准描述了标准描述了运行在各种介质上的从从1Mbps-10Mbps的的1-坚持型坚持型CSMA/CD系统系统的整个家族整个家族nDIX Ethernet V2标准只针对标准只针对10Mbps；n帧格式中，二者的一个字段也有所不同帧格式中，二者的一个字段也有所不同。802.3标准和以太网标准和以太网802.3标准与以太网标准与以太网nIEEE802.3协议
12、定义了CSMA/CD系统的一个家族，可以组建各种形式的CSMA/CD局域网n经过激烈的市场竞争后，以太网在局域网市场中已经过激烈的市场竞争后，以太网在局域网市场中已经取得了垄断地位，几乎成了局域网的代名词。经取得了垄断地位，几乎成了局域网的代名词。n随着网络技术、传输技术、通信技术和电子元器件制造技术的发展，新的传输介质、网络结构和工作机制的以太网不断出现，IEEE 802.3 工作组给这些新型工作组给这些新型以太网制订了相应的一系列国际标准以太网制订了相应的一系列国际标准时间时间标准名称标准名称标准描述标准描述对应标准代码对应标准代码1983IEEE802.3CSMA/CD以太网标准以太网标
13、准10 Base-51985IEEE细缆以太网标准细缆以太网标准10 Base-21985IEEE802.3b宽带同轴电缆以太网标准宽带同轴电缆以太网标准10 Base-361987IEEE802.3e双绞线以太网标准双绞线以太网标准1 Base-51990IEEE802.3i双绞线以太网标准双绞线以太网标准10 Base-T1993IEEE802.3j光纤以太网标准光纤以太网标准10 Base-F1995IEEE802.3u快速以太网标准快速以太网标准100 Base-T1996IEEE802.3x全双工交换式以太网标准全双工交换式以太网标准10 Base-TX1997IEEE802.3y全
14、双工交换式快速以太网标准全双工交换式快速以太网标准100 Base-TX1997IEEE802.3y全双工交换式快速光纤以太网标准全双工交换式快速光纤以太网标准100 Base-FX1998IEEE802.3z光纤千兆以太网标准光纤千兆以太网标准1000 Base-X1999IEEE802.3ab双绞线千兆以太网标准双绞线千兆以太网标准1000 Base-T2002IEEE802.3ae万兆位光纤以太网标准万兆位光纤以太网标准10 GBen传统以太网标准传统以太网标准；n快速以太网标准；快速以太网标准；n千兆位以太网标准；千兆位以太网标准；n万兆位以太网协议标准；万兆位以太网协议标准；802.
15、3标准与以太网标准与以太网传统以太网的传统以太网的CSMA/CD协议协议n为了通信的简便，以太网采取了两种措施：为了通信的简便，以太网采取了两种措施：n(1)采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。先建立连接就可以直接发送数据。n(2)以太网对发送数据帧不进行编号，也不要求以太网对发送数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。对方发回确认。所以，以太网提供的服务是不可靠的交付，所以，以太网提供的服务是不可靠的交付，即即尽最大努力的交付尽最大努力的交付。n剩下的一个重要的问题是如何协调总线上的剩下的一个重要的问题是如何协调总线上的各
16、计算机的工作，即各计算机的工作，即该采用什么样的介质共该采用什么样的介质共享协议？享协议？B向向 D发送数据发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻匹配电阻不接受不接受不接受不接受不接受不接受接受接受B只有只有 D 接受接受B 发送的数据发送的数据2023-1-1824传统以太网传统以太网n传统以太网传统以太网n数据传输速率为10Mbps的1-坚持坚持CSMA/CD以太网n传统传统802.3局域网局域网n数据传输速率在1-10Mbps之间的1-坚持坚持CSMA/CD局域网n网络通信协议网络通信协议遵循局域网的网络体系结构遵循局域网
17、的网络体系结构n采用同轴电缆、光纤、双绞线等传输介质采用同轴电缆、光纤、双绞线等传输介质802.3标准的物理层及介质规范标准的物理层及介质规范nIEEE802.3标准的传输介质命名规范如为：标准的传输介质命名规范如为：n 802.3局域网传输介质及物理层规范简介：局域网传输介质及物理层规范简介：n1Base-5：第一个使用UTP的局域网标准，采用曼彻斯特编码，速率为1Mbps；采用基带传输、单工工作方式。采用星型拓扑结构、最大传输距离500米。n10Base-5：使用特征阻抗为50欧姆的粗同轴电缆；数据传输速率为10Mbps；线路信号码型为曼彻斯特编码；最大传输距离为500米；半双工方式工作；
18、使用15针附加单元接口（AUI）连接器；拓扑结构为总线型；n10Base-2：使用特征阻抗为50欧姆的细同轴电缆；数据传输速率为10Mbps；线路信号码型为曼彻斯特编码；最大传输距离为185米；使用同轴电缆接插件BNC和T型连接头来完成线缆与网络设备之间的连接；总线型拓扑结构。n10Base-T：使用双绞线作为传输介质；数据传输速率为10Mbps；线路信号码型为曼彻斯特编码；采用星型拓扑结构，节点通过标准的RJ45接插件、非屏蔽双绞线UTP连接网卡和集线器；网卡与集线器之间的非屏蔽双绞线UTP长度为100米。n10Base-F：基于光纤有源及无源星型网络的基于光纤有源及无源星型网络的10Mbp
19、s以太网标准；以太网标准；n10Base-FB：线路信号码型为4B/5B编码；采用光纤将网卡与有源集线器连接，单个10Base-FB网段最长可达2000米。n10Base-FP：定义了利用无源集线器连接光纤的以太网；采用物理星型拓扑结构；网卡与无源集线器之间用光纤连接；最大距离可达500米；线路码型为4B/5B编码。n10Base-FL：10Mbps基带光链路；线路码型为曼彻斯特编码；使用62.5/125m双工光缆；节点到集线器的长度不得超过2000米。802.3局域网传输介质及物理层规范介绍：局域网传输介质及物理层规范介绍：n10 Broad-36：n基带传输；n传输速率10Mbps；n最大
20、网段3600米；n采用FDM技术，使用同轴电缆进行模拟信号传输。nFOIRL：n中继器件光纤链路的数据传输速率为10Mbps；n拓扑结构为星型；n传输介质为两芯光缆；n半双工方式工作，最大网段长度1000米；n全双工方式工作，最大距离可达1000米以上；n连接器采用SMA型光纤连接器或ST型光纤连接器；n线路信号码型为4B/5B编码。802.3局域网传输介质及物理层规范介绍：局域网传输介质及物理层规范介绍：802.3标准及传统以太网的工作原理标准及传统以太网的工作原理n链路共享协议是1-坚持型坚持型n工作原理工作原理n若站点有数据发送，先监听信道；若站点有数据发送，先监听信道；n若站点发现信道
21、空闲，则发送数据；n若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后立刻开始发送数据；n一边发送数据一边进行冲突检测；一边发送数据一边进行冲突检测；n若产生冲突若产生冲突，则立刻停止发送数据，同时发送一个加强冲突的短帧，加强线路冲突，同时采用二进制指数退避算法等待一随机时间，然后重新开始发送过程；n当冲突次数达到允许的最大上限当冲突次数达到允许的最大上限以后，则停止发送，同时则停止发送，同时向上层提供线路状况反馈。向上层提供线路状况反馈。传统以太网传统以太网CSMA/CD协议的协议的参数选择参数选择？n要监听多久为空才发送？要监听多久为空才发送？n要监听多久才知道自己正确发送？要监听多久才知道自己正
22、确发送？n监听不为空要等多久？监听不为空要等多久？n发现碰撞后要等多久？发现碰撞后要等多久？n如何监听？如何监听？n。IEEE802.3 帧格式帧格式n802.3帧也称为帧也称为MAC帧。帧。n8个字节的前导字符n前7个字节称为前导码前导码，内容是十六进制数0 xAA；n第8个字节是帧起始符帧起始符SOF，内容是十六进制数0 xAB，标识着帧的开始n前导码会产生10MHz、持续时间为5.6s的方波信号，接收收站点能够从中得到位同步时钟得到位同步时钟IEEE802.3 帧格式帧格式n数据长度域：数据长度域：（2字节，取值在01500之间）n数据：（01500个字节）n校验和校验和：CRC校验（4
23、个字节），校验区间：DAPADn填充填充：（046字节）n源源MAC地址和目的地址和目的MAC地址地址n每个字段长度可以是可以是2个字节或个字节或6个字节个字节n10Mbps以太网中只使用6个字节的MAC地址。n6个字节的目的个字节的目的MAC地址分类如下地址分类如下：n目的目的MAC地址类：地址类：nI/G0：单播地址单播地址；nI/G1：多播地址多播地址；nU/L0：全局地址全局地址；nU/L=1：局部地址局部地址。n48位地址中的高位地址中的高24位由位由IEEE分配分配n制造网卡的厂家都必须向制造网卡的厂家都必须向IEEE购买这购买这24位高地址，也被称为位高地址，也被称为地址块或厂家
24、代码。地址块或厂家代码。n低低24位地址由厂家分配。位地址由厂家分配。n填充字段：填充字段：n当数据量少数据量少，不满足不满足CSMA/CD协议所需要的最小协议所需要的最小帧长时帧长时，就必须在数据字段后面以字节为单位加入以字节为单位加入填充字段填充字段，以保证整个帧的最小长度大于CSMA/CD协议所要求的最小帧长，保证协议正常工作。n填充字段长度的计算为：填充字段长度的计算为：IEEE802.3 帧格式帧格式6地址长度2长度数据长度填充字段长度最小帧Ethernet v2帧格式n帧的最小长度为帧的最小长度为72字节（字节（含前导字段），含前导字段），最大长度为最大长度为1526字节字节；n目
25、的地址目的地址字段标识目的站点；字段标识目的站点；n源地址源地址字段标识源站点。字段标识源站点。n源地址总只能是单播地址。源地址总只能是单播地址。n目的地址可以是单播地址、多播地址和广播地址。目的地址可以是单播地址、多播地址和广播地址。n帧校验序列帧校验序列FCS：n长度为长度为4个字节；个字节；n采用采用CRC循环冗余校验技术，对从目标循环冗余校验技术，对从目标MAC地址字段到数据地址字段到数据字段之间的内容进行校验；字段之间的内容进行校验；Ethernet v2帧格式n类型字段：类型字段：n长度为长度为2个字节；个字节；n标识携带上层数据的类型，即来自于哪一个上层标识携带上层数据的类型，即
26、来自于哪一个上层协议；协议；n如0 x0800代表IP协议数据；0 x809B代表AppleTalk协议数据；0 x8137代表Novell类型协议数据等。n 数据字段：数据字段：n携带用户数据；携带用户数据；n长度字节数由数据量大小决定，一般在461500字节之间；n如果小于46字节，上层协议必须使用全0字节予以补足，以满足最小帧长要求。nEthernet 802.3 raw帧帧：Novell公司在1983年公布的专用以太网标准帧格式nEthernet 802.3 SAP 帧：帧：IEEE在1985年公布的Ethernet 802.3 的SAP版本以太网格式。nEthernet 802.3
27、SNAP帧帧：IEEE在1985年公布的Ethernet 802.3 的SNAP版本以太网格式。802.3标准的争用期与最小帧长标准的争用期与最小帧长n在802.3标准标准所描述的10Mbps、长度为2500米，有四个中继器的局域网中，争用期的时间长度为51.2s。因此，该局域网中的的最小帧长最小帧长为：5121010102.5166数据发送速率最小帧长争用期n 802.3标准中标准中n最小帧长度为64字节。n最多需要46个字节的填充数据。n对于其它传输速率和线路长度的对于其它传输速率和线路长度的802.3网络或以太网，其最小帧网络或以太网，其最小帧长和填充长度的计算过程和上面类似。长和填充长
28、度的计算过程和上面类似。n可以看出，在固定长度的网段上采用802.3标准设计网络，若传输速率越高，则最小帧长度就越长，所需的填充字段就越多。802.3标准的退避时间算法标准的退避时间算法n802.3 标准标准中对发生冲突后的退避等待时间选择给出了一种推荐算法，称为二进制指数后退算法二进制指数后退算法，简称BEB（Binary Exponential Backoff）算法。n算法的主要思想：算法的主要思想：n确定基本退避时间，一般是取争用期长度 ，也称为1个时间片；n确定参数R，从 中随机选取R，其中 ，式中，n为冲突次数，i为退让极限。n当ni时，k=n；n当ni时，k=i；n当n=j时，其中
29、j为尝试极限，放弃发送，并通知高层。n一旦选取退让参数以后，本次退避的时间为 。kR20R),min(ink n例：例：设冲突次数为3，冲突极限i为15，争用期为51.2s，则参数？n即可以在08之间来选择退避的时间片数，再乘以争用期就为本次退避时间。若R5,，则退避时间为256s。n802.3 标准中标准中对发生冲突后允许退避极限值允许退避极限值做了规定，连续退避超过16次后，就停止尝试发送，直接向高层协议汇报直接向高层协议汇报，由高层协议来进行处理。指数退避（指数退避（Exponential Backoff）:n目的目的:使得重发的企图能够与推测出的当前负载相适应n在重负荷下，随机等待的时
30、间将更长些n原理：原理：n首次冲突:从0,1中选择 K；延迟的时长为 K x 512 bit 传输时间n第二次冲突后:从 0,1,2,3选择Kn在10次或更多的冲突发生后：从 0,1,2,3,4,1023选择K802.3标准的退避时间算法标准的退避时间算法802.3标准的优点标准的优点n使用最为广泛；n算法简单；n站点可以在网络运行中安装；n使用无源电缆；n轻负载时，延迟为0。802.3标准的缺点标准的缺点n每个站点在发送的同时要检测冲突；每个站点在发送的同时要检测冲突；n最短帧长最短帧长64字节，对于短数据来讲开销太大；字节，对于短数据来讲开销太大；n无优先级，发送是非确定性的，不适合于实无
31、优先级，发送是非确定性的，不适合于实时工作；时工作；n电缆最长电缆最长2500米（使用中继器）；米（使用中继器）；n速率提高时，帧传输时间减少，竞争时间不速率提高时，帧传输时间减少，竞争时间不变（变（2），），效率降低；效率降低；n重负载时，冲突严重。重负载时，冲突严重。快速以太网快速以太网n数据传输速率为数据传输速率为100Mbps的高速局域网的高速局域网。nMAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定。n保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到缆长度减小到 100 m。n单个比特的发送时间由100ns降低到10ns。n分类：n共享介质式快速以太
32、网共享介质式快速以太网n交换式快速以太网交换式快速以太网。快速以太网的帧格式快速以太网的帧格式n快速以太网的物理层用一个特殊的“流起流起始定界符始定界符”替换了前导码的第一个字节，帧尾增加了1个字节的“流结束定界符流结束定界符”。快速以太网的主要特点快速以太网的主要特点n传输速率为传输速率为100Mbps；n采用传统以太网的传输介质，采用传统以太网的传输介质，可利用现有的网络投资，无需重建线路。n采用1坚持-CSMA/CD协议，可与可与10Mbps的传统以太网兼容运的传统以太网兼容运行行。n采用特殊的线路之后，可提供全双工通信方式可提供全双工通信方式，总带宽可达200Mbps。n具有自动协商功
33、能自动协商功能，能自动适应电缆两端最高可用的通信速率。n采用基于SNMP协议的网管软件及管理信息库MIB，兼容现有的兼容现有的网络管理产品。网络管理产品。快速以太网的体系结构快速以太网的体系结构nIEEE802.3u 标准标准定义了快速以太网的运行规范nLLC子层使用子层使用IEEE 802.2标标准；准；nMAC子层使用CSMA/CD方法；n定义了新的物理层标准定义了新的物理层标准，即100Base-T。n保留了10Mbps传统以太网的体系结构，采用相同的LLC协议。nIEEE802.3u定义了快速以太网的物定义了快速以太网的物理层标准理层标准100Base-T，n100Base-T支持多种
34、类型的传输介质，制定的传输介质标准有四种：n100Base-TXn100Base-T4n100Base-T2n100Base-FX快速以太网物理层技术规范快速以太网物理层技术规范千兆以太网简介千兆以太网简介n千兆以太网增加了网络系统的带宽，提高了千兆以太网增加了网络系统的带宽，提高了通信服务质量；通信服务质量；n用作骨干网络时，能够在不降低性能的前提下支持更多的网络分段和节点；n能够聚集下层交换机，提供高速交换路径；能够聚集下层交换机，提供高速交换路径；n解决现存快速以太网转发的瓶颈问题。解决现存快速以太网转发的瓶颈问题。n有了千兆以太网交换机后，可将原来的100Base-T系统设备转移到底层
35、，主干实现无阻塞的同时底层也可获得更多的带宽。千兆以太网简介千兆以太网简介n千兆以太网也是一种以太网千兆以太网也是一种以太网n产品主要有：交换机、上连/下连模块、网卡、GbE路由器等。n数据传输速率是数据传输速率是1Gbps；n千兆以太网采用1坚持-CSMA/CD协议、帧格式和帧大小，完全兼容传统以太网和快速以完全兼容传统以太网和快速以太网；太网；n支持全双工操作；支持全双工操作；n为适应高数据传输速率的需求，千兆以太网对为适应高数据传输速率的需求，千兆以太网对10Mbps传统以太网标准做了修改，主要为以下几个方面：传统以太网标准做了修改，主要为以下几个方面：n千兆以太网争用期改变：千兆以太网
36、争用期改变：n对CSMA-CD协议以太网而言，由于必须要在争用期内检测到冲突，所以冲突信号的往返延迟直接影响到了网络的覆盖范围网络的覆盖范围。n对于10Mbps 和100Mbps以太网而言，争用期为512位时间。n对千兆以太网而言，如果保留512位时间的争用期，网络覆盖范围将减少至20多米，而没有实用价值。n因此，为了使千兆以太网能够正常工作，争用期增因此，为了使千兆以太网能够正常工作，争用期增加为加为512字节时间，使字节时间，使CSMA/CD千兆以太网的覆盖千兆以太网的覆盖范围增加至范围增加至100m左右。左右。n载波扩展技术：载波扩展技术：n千兆以太网中采用了“载波扩展载波扩展”技术来使
37、最小帧长度和千兆位半双工操作中的争用期分开来。n发送操作发送操作：n发送帧时，如果帧长度大于512字节，那么MAC层将给上层返回“发送结束”状态；n如果帧长度小于512字节，则发送结束状态将被抑制，且物理层将发送一个特殊的“扩展载波”符号序列，直到512字节时间结束为止；n该特殊符号序列在帧校验比特序列后发送，不是帧的一部分，接收方以特殊的方式处理；n如果在帧发送过程中产生了冲突，即在数据发送或载波发送过程中发生了冲突，那么发送器将放弃发送，并发送一个32位的加强冲突序列。n接收操作：接收操作：n如果接收到的帧长度（包括扩展域）的时间小于争用期，该帧将被丢弃，即使已经成功地接收到一个有效帧，也
38、必须抛弃；n如果接收帧有效、争用期已过且未检测到冲突，该帧将被交给MAC层用于匹配和帧校验检查。n安装、使用和维护简单；安装、使用和维护简单；n兼容性和可扩展性强：n采用星型网络结构，可靠性高：采用星型网络结构，可靠性高：n采用了网络管理技术，可管理性强；n性价比高，应用范围广。n目前千兆以太网已经发展成为主流以目前千兆以太网已经发展成为主流以太网技术。太网技术。千兆以太网的优点：千兆以太网的优点：n千兆以太网保留着传统以太网的所有特征千兆以太网保留着传统以太网的所有特征（帧格式、（帧格式、CSMA/CD协议、组网方式等），协议、组网方式等），只是将传统以太网每个比特的发送时间由只是将传统以太
39、网每个比特的发送时间由100ns降低到降低到1ns。nIEEE802.3z标准规定：标准规定：n在LLC子层使用IEEE802.2标准；n在MAC子层使用CSMA/CD技术；n定义了新的物理层标准（1000Base-T）。n千兆以太网的物理层标准千兆以太网的物理层标准定义了4种标准n1000Base-SX、n1000Base-LX、n1000Base-CXn1000Base-T。千兆以太网的网络体系结构千兆以太网的网络体系结构千兆以太网的帧结构千兆以太网的帧结构nEthernet 802.3z 标准规范中千兆位以太网扩标准规范中千兆位以太网扩充帧格式。充帧格式。n在IEEE 802.3 标准规
40、范的以太网信号的基本帧结构的基础上增加了一个扩充区扩充区，使帧长度不少于512字节；n扩充区的比特不是数据比特扩充区的比特不是数据比特，作用是扩大占用载体最作用是扩大占用载体最短要求时间，延长网络的覆盖范围。短要求时间，延长网络的覆盖范围。n 虚拟局域网虚拟局域网n所有计算机组成一个大的物理局域网；所有计算机组成一个大的物理局域网；n将计算机设备按照功能和需求划分为若干组，每组划分为一个逻辑网段，每个逻辑网段是1个虚拟局域网；n一个传统局域网可划分为多个逻辑网段，即多个VLAN；nVLAN中的站点是通过软件定义而不是硬件定义；中的站点是通过软件定义而不是硬件定义；n站点可在多个VLAN之间移动
41、；nVLAN可以隔离广播信息；n连接在不同交换机上的站点可以使用VLAN技术组成一个或多个VLAN；nVLAN中的站点之间通信时就像传统局域网一样；中的站点之间通信时就像传统局域网一样；nVLAN之间不能直接相互通信之间不能直接相互通信,相互通信必通过网络层协议实现相互通信必通过网络层协议实现。nVLAN示例示例：n某个单位拥有财物、开发和办公三个部门，出于安全和管理方面的考虑，希望每个部门的计算机可以无障碍通信，部门之间的通信则需要进行控制。由于地理位置和设备限制，办公、开发和财物部门的共用相同交换机，建成为一个传统局域网n采用采用VLAN技术可以容易地实现。技术可以容易地实现。n根据需求，
42、财物、开发和办公三个部门个分配1个VLAN，把各个部门所属的计算机站点划分到对应的逻辑网段中形成VLAN；VLAN之间不能互相访问，隔离广播信息；因此可以满足该部门的用户需求。虚拟据局域网的划分n分配VLAN站点的常用方法有三种。VLAN的配置可通过人工配置的配置可通过人工配置实现，也可自动配置实现。实现，也可自动配置实现。n按交换机端口号分配按交换机端口号分配：n把交换机上两个或两个以上的端口所连接的计算机站点分配为一个VLAN的站点。n按计算机站点的按计算机站点的MAC地址分配：地址分配：n使用48位的MAC地址作为分组依据，可指定一组MAC地址的计算机为VLAN1的站点，另一组MAC地址
43、的计算为VLAN2的成员。依此类推n按计算机站点的按计算机站点的IP地址分配：地址分配：n使用站点的网络层IP地址作为分配依据，可以指定一组IP地址的计算机为VLAN1的成员，指定另一组IP地址的计算机为VLAN2的成员。依此类推。虚拟局域网的帧格式nIEEE802.1Q标准定义了标准定义了VLAN的操作规范。的操作规范。nVLAN帧是以太网帧的扩充，各字段含义与传统以太帧是以太网帧的扩充，各字段含义与传统以太网一致。网一致。n4字节的字节的VLAN标记字段标记字段n最大帧长度为最大帧长度为1522字节。字节。虚拟局域网的帧格式nVLAN标记字段分为两个字段：n前两字节是前两字节是VLAN标记
44、类型字段标记类型字段，取值为0 x8100；n后两字节是后两字节是VLAN标识符字段标识符字段，分为3个部分，n前3个比特是用户优先级字段，n第4比特是规范格式指示位CFI，n其它的12个比特是VLAN标识符VID，表示帧属于哪一个虚拟局域网。n发送时，交换机就会在帧中插入VLAN标记，包含该VLAN的编号；n当交换机收到一个VLAN标记帧时，根据帧的VLAN编号把它映射到对应VLAN网段。n删除标记后按传统局域网的方法进行帧交换。虚拟局域网的优点nVLAN只能通过支持VLAN功能的网管交换机实现，普通交换机无法实现建立VLAN。nVLAN的优点为的优点为：n可抑制广播信息，使其不会溢出到另外
45、的VLAN中；n可建立自己的私有安全网络；n在网络中添加、移动设备时，或设备的配置发生变化时，能够减轻网络管理人员的负担；n实现了虚拟网段，不同位置的站点可像在一个传统局域网中那样通信等。IEEE802.5协议及令牌环网n环网环网是由多段物理介质和站点相互串接而形成的环形网络。n传输介质传输介质可以使用同轴电缆、双绞线或光纤等。令牌环网工作原理n令牌网采用受控的介质访问控制方式受控的介质访问控制方式n按顺序在各个站点之间传递令牌n谁得到令牌，谁就获得数据发送权。n在环形结构局域网中，某一时刻允许发送数据的站点只有一个。n令牌令牌是一个标志发送权的短帧，也称为令牌帧，长度为3字节。n初始化环网n
46、每个站都拥有一个MAC地址，站点分为监督站监督站和一般工作站一般工作站；n监督站负责产生一个令牌帧并放入环网中传输；n当环上各站都没有数据发送时，令牌在网中依次传递；n若有站点想发送数据，则该站点在令牌到达的时候，把令牌帧全若有站点想发送数据，则该站点在令牌到达的时候，把令牌帧全部接收下来，不再往环中传递；发送数据帧到环中；部接收下来，不再往环中传递；发送数据帧到环中；n数据帧在环中依次传递，每一个经过的站点都会接收并检查目的MAC地址是否是自己，如果不是，则继续往下一站转发，如果是本站，则接收数据帧，保存副本，然后对数据帧中的标志位取反，然后再把该数据帧重新送入环中继续往下传递继续往下传递；
47、n发送站收到修改后的数据帧后，检查其中的标志位，判断该帧是否被正确接收。n如果该站还有数据发送，则继续发下一帧数据；如果该站还有数据发送，则继续发下一帧数据；n如果没有数据发送，则重新生成令牌帧，放入环中如果没有数据发送，则重新生成令牌帧，放入环中。令牌环网工作过程令牌环网工作过程n环网中每个站点都都有两种工作模式：侦侦听模式和发送模式。听模式和发送模式。n侦听模式侦听模式：n每个站点接收比特并把比特延时复制并输出。n当站点接到令牌帧时，站点进入发送模式。n发送模式：发送模式：n站点不再从接口接收比特并复制输出，而是把自己的数据送入环中。n帧长度没有限制。令牌环网工作原理IEEE802.5 标
48、准的物理层规范n传输介质为屏蔽双绞线；传输介质为屏蔽双绞线；n数据传输速率为1Mbps或4Mbps；n采用差分曼彻斯特编码，电压绝对值采用差分曼彻斯特编码，电压绝对值大小为大小为3.04.5V。n定义了相应的帧格式、编址和寻址方式、令牌帧格式、编址和寻址方式、令牌网的工作机制网的工作机制等。n令牌环网的数据帧格式为：IEEE802.5 标准的MAC层规范nSD字段和字段和ED分别是开始界符和结束界符，两个字段采用采用物理层编码违例码成帧技术；n帧控制字段（帧控制字段（FC）用来区分数据帧和其它各种控制帧；n目的目的MAC地址字段、源地址字段、源MAC地址字段地址字段和FCS字段字段的含义与IE
49、EE802.3完全相同；n数据字段数据字段是有效的上层数据，长度没有限制；nAC字段字段是访问控制字段，包含了令牌位、监视位、优先级位和预定位。n帧状态字段帧状态字段（FS）包2个特殊比特A和C；n当一帧通过目的站点接口时，站点将A置1；n若复制到本站内，则C比特置1。n当发送站从环中收到自己发出的返回帧以后，它将检查A和C的比特值，可知帧传输后的状态，n有有3种组合存在：种组合存在：nA=0，C=0，表示目的站不存在或未上电；nA=1，C=0，表示目的站存在但未被接收nA=1，C=1，表示目的站存在且被复制。令牌帧格式n只有3个字段组成，分别是开始界符、结束界符和开始界符、结束界符和控制字段
50、控制字段，控制字段的定义和数据帧一致n当某站点有优先级为N的数据帧要发送时，它必须先捕获优先级等它必须先捕获优先级等于或低于于或低于N的令牌；的令牌；n当数据帧经过某站时，该站可以把它想要发送数据帧的优先级写入数据帧的预定位中，来为自己预定一个令牌帧预定一个令牌帧；n当前帧传完以后，可以产生一个具有预定优先级的令牌帧。令牌环网工作过程n环上无数据传输时，3字节的令牌帧一直在网络中循环循环；n站点有数据传输的时候，抓住令牌帧抓住令牌帧，把令牌位由0变1，变为数据帧的起始序列；n然后站点输出正常数据帧数据帧；n数据帧传输一个循环后检查检查A、C两个比特的值两个比特的值来确认结果确认结果。n令牌环网
