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1、1、局域网的特点 地域范围小：局域网用于办公室、机关、工厂、学校等内部联网,其范围没有严格的定义，但一般认为距离为0.125km。误码率低：局域网具有较高的数据传输速率，传输速率一般为100M1000Mbit/s，误码率在10-810-11之间。传输延时小：局域网中的传输延时很小，一般在几毫秒几十毫秒之间。传输速率高：目前,局域网的传输速率在100Mbit/s以上,如155Mbit/s、655Mbit/s、Gbit/s、10Gbit/s等。支持多种传输介质：可根据不同的性能需要选用价格低廉的双绞线、同轴电缆或价格较贵的光纤,以及无线传输介质。,第5章 局域网5.1 局域网概述,第5章 局域网5
2、.1 局域网概述,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。,局域网的拓扑,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,环形网,局域网的性能特点,2、局域网的性能 决定局域网特性的主要技术有3个方面：连接各种设备的拓扑结构、数据传输介质和介质访问控制方法。拓扑结构:局域网及城域网的典型拓扑结构为星型、环型、总线型和树型结构等。传输介质：同轴电缆、双绞线、光纤、电磁波等。对于不便
3、使用有线介质的场合，可以采用微波、卫星、红外线等作为局域网的传输介质，已获得广泛应用的无线局域网就是其典型例子。介质访问控制方法：也称为网络的访问控制方式,是指网络中各结点之间的信息通过介质传输时如何控制、如何合理完成对传输信道的分配、如何避免冲突,同时,又使网络有最高的工作效率及高可靠性等。,介质访问控制方法,将传输介质的频带有效地分配给网络上各结点的方法称为介质访问控制方法。适合总线结构的带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）方法。适合环型结构的令牌环（Token Ring）方法。适合环型结构的令牌总线（Token Bus）方法。评价一个介质访问控制方法的好坏有3个基本要素：协议是
4、否简单；信道利用率是否高效；网络上各结点是否公平。,DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 的 802.3 标准。DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,局域网的参考模型与标准,局域网的参考模型与标准,1、局域网参考模型 局域网的体系结构只包含了数据链路层和物理层,其中，数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层。,局域网的参考模型与标准,2、局域网的标准 1980年2月
5、，电器和电子工程师协会(IEEE)成立了局域网标准委员会,专门从事局域网标准化工作,并制订了IEEE 802标准。IEEE 802系列标准之间的内部关系如图所示。,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,局域网对 LLC 子层是透明的,局 域 网,
6、网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据链路层,站点 2,LLC 子层看不见下面的局域网,以后一般不考虑 LLC 子层,由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。,5.1.4 适配器的作用,网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network Interface Card)，或“网卡”。适配器的重要功能：进行串行/并行转换。对数
7、据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。,计算机通过适配器和局域网进行通信,硬件地址,至局域网,适配器（网卡）,串行通信,CPU 和存储器,生成发送的数据处理收到的数据,把帧发送到局域网从局域网接收帧,计算机,IP 地址,并行通信,课件制作人：谢希仁,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,5.1.5 CSMA/CD 协议,B向 D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,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受B 发送的数据,以太网的广播方式发送,总线上的每一个
8、工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A,C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施,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。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的
9、数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有
10、其他计算机发送的数据信号。,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,局域网介质访问控制方法,带冲突检测的载波
11、监听多路访问 带冲突检测的载波监听多路访问是一种随机争用的介质访问控制方法。它的控制过程包括3个步骤:载波侦听：是指用电子技术检测总线上有没有其它计算机发送的数据信号，以免发生碰撞。冲突检测：在每个站发送帧期间,同时具有检测冲突的能力。一旦遇到冲突，则立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通报总线上各站点已发生冲突。多路访问：当检测到冲突并在发完阻塞信号后,需要等待一个随机时间，然后再用CSMA的算法重新发送。争用方式：在总线上的每个结点都能随时发送信息，但在同一时刻只允许一对结点可以通信，否则，就会导致信号相互叠加，造成数据错误，这就是线路争用带来的问题。,电磁波在总线上的有限传播速率的影
12、响,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。,1 km,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,传播时延对载波监听的影响,1 km,A,B,t,t=B 检测到信道空闲发送数据,t=/2发生碰撞,A,B,A,B,t=0 A 检测到信道空闲发送数据,A,B,t=0,A,B,单程端到端传播时延记为,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以太网不能
13、进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,碰撞窗口,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,二进制指数类型退避算法(truncated binary exponential type),发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。基本退避时间
14、取为争用期 2。从整数集合0,1,(2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。参数 k 按下面的公式计算：k=Min重传次数,10当 k 10 时，参数 k 等于重传次数。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。,争用期的长度,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,How to select the size of the random delay after a collisio
15、n?,If a packet has collided n successive times(n15)then the node chooses a random number K with equal probabilities from the set 0,1,2,.,2m-1 where m:=min10,n;the node then wait for K512 bit times(K51.2 us)当冲突产生后，时间被分割成离散的时间片。对于802.3，时间片为51.2 usAfter the first collision(n=1)0,1 512 bit times 第一次冲突后，
16、站点等待0或1个时间片后重新尝试发送,30,collision,After the two collisions(n=2)0,1,2,3 512 bit times 第二次冲突后，站点从0，1，2，3随机选择1个并等待相应时间片后重新尝试发送After the three collisions(n=3)0,1,2,3,4,5,6,7 512 bit timesAfter i successive collisions(n=i)0,1,2,2i-1 512 bit timesn10，0,1,2,1023 512 bit timesn=16,the protocol gives up the tr
17、ansmission attempt after 16 successive collisions 发生16次冲突后，表明有硬件冲突，CSMA/CD协议控制器将不再采取任何动作，而是通过主机发出中断报告错误，进一步的恢复留待高层软件完成。,最短有效帧长,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,强化碰撞,当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming sig
18、nal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。,人为干扰信号,A,B,t,A 检测到冲突,信道占用时间,B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。,CSMA/CD的流程图,媒体忙？,发送帧,碰撞？,发送完？,发送Jam,N16?,Yes,No,No,Yes,发送成功,Yes,发送失败,No,延迟随机时间,No,Yes,发送帧,碰撞次数N+,5.2 局域网组网方法,传统以太网,以太网(Ethernet)是基于总线型的广播式网络，在现有的局域网标准中，它是最早标准化的局域网，也是目前最成熟、最成功、应用最广泛的一种局域网技
19、术。对于10Mbit/s传统以太网，IEEE 802.3定义了4种规范。,数据传输速率（Mbps）,基带Base,网段最大长度（百米）或介质类型（T，F）,10 Base-5,传统以太网,1、粗缆以太网（10Base-5）用粗同轴电缆组建的网络称为粗缆以太网，又可表示为10Base-5，它是最早出现的以太网。,粗缆以太网粗同轴电缆、收发器、收发器电缆、网络适配卡、终接器等5部分组成。,传统以太网,2、细缆以太网（10Base-2）10Base-2是总线型细同轴电缆以太网的简略标示符。,10Base-2主要由细同轴电缆、网络适配卡、BNC电缆连接器等3部分组成。,传统以太网最初是使用粗同轴电缆，
20、后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub),传统以太网,3、双绞线以太网（10Base-T）10Base-T是IEEE 802委员会于1990年9月正式建立的非屏蔽双绞线传输10Mbit/s基带以太网标准，逻辑上为总线型拓扑的网络，称为共享式集线器。实际上，双绞线以太网是一个物理上的星型拓扑结构，所以当一条电缆出现故障时只影响它所连接的那台计算机。10Base-T由双绞线、双绞线连接器、网络适配卡、集线器等组成。,使用集线器的星形拓扑,不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用
21、两对双绞线，分别用于发送和接收。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。,集线器,两对双绞线,RJ-45 插头,以太网在局域网中的统治地位,10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,集线器的一些特点,集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总
22、线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。T它的每个接口仅仅简单转发比特，不进行碰撞检测。,具有三个接口的集线器,集线器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,5.3 以太网的 MAC 层1.MAC 层的硬件地址,在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,47,平面地址(flat address)和层次地址(hierar
23、chical address),平面地址也叫作非层次地址，就是在分配地址时按顺序号一个个地挨着分配。层次地址是将整个地址再划分为几个部分，而每部分按一定的规律分配号码。像我们的电话号码就是一种层次号码。局域网的 6 字节的地址是一种平面地址。适配器根据全部的 48 位地址决定接收或丢弃所收到的 MAC 帧。,48,Ethernet物理地址,Ethernet地址 网络物理地址 物理网络地址;Ethernet地址=Manufacture ID+NIC ID 24bit+24bit 公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00
24、-60-8C IBM 08-00-5A典型的Ethernet地址：00-60-8C-01-28-12Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。,49,I/G 位,IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual/Group。当 I/G 位=0时，地址字段表示一个单个站地址。当 I/G 位=1时表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。,50,第 1,最高位最先发送,最低位,最高位,最低位最后发送,00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001,最低位最先发送,最高位,最低位,最高
25、位最后发送,机构惟一标志符 OUI,扩展标志符,高位在前,低位在前,十六进制表示的 EUI-48 地址：AC-DE-48-00-00-80,二进制表示的 EUI-48 地址：,第 1 字节,第 6 字节,I/G 比特,I/G 比特,字节顺序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,第 1,字节顺序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000,802.5802.6,802.3802.4,802.5802.6,适配器检查 MAC 地址,适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC
26、 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）,52,网卡上的硬件地址,路由器,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-11-D2-F6,路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。,2.MAC 帧的格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIX
27、Ethernet V2 标准IEEE 的 802.3 标准最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,前同步码,帧开始定界符,7 字节,1 字节,8 字节,插入,IP层,目的地址,源地址,类型,数 据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,以太网的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,目的地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,源地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,
28、类型字段 2 字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,数据字段 46 1500 字节,数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部=数据字段的最小长度,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,FCS 字段 4 字节,当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。,当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保
29、证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。,为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节,数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以
30、太网不负责重传丢弃的帧。,无效的 MAC 帧,帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。,帧间最小间隔,某大学有三个系，各自有一个局域网,三个独立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,5.4 扩展的局域网5.4.1 在物理层扩展局域网,用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中,一系,三系,二系,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地
31、理范围。缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,用集线器扩展局域网,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口,5.4.2 在数据链路层扩展局域网,网桥的工作过程,1.网桥的内部结构,站表,接口管理 软件,网桥协议 实体,缓存,接口 1,接口 2,A,B,C,接口 1,1,1,1,2,A,C,E,2,B,D,F,2,站地址,接口
32、,网桥,网桥,D,E,F,接口 1,接口 2,接口 2,过滤通信量。扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。,使用网桥带来的好处,网桥使各网段成为隔离开的碰撞域,网桥 1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,网桥 2,存储转发增加了时延。在MAC 子层并没有流量控制功能。具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,使用网桥带来的缺点,用户层,IP,
33、MAC,A,用户层,IP,MAC,B,物理层,网桥 1,网桥 2,用户数据,IP-H,MAC-H,MAC-T,PPP-H,PPP-T,物理层,DL,R,MAC,物理层,物理层,DL,R,物理层,物理层,LAN1,LAN2,两个网桥之间还可使用一段点到点链路,网桥不改变它转发的帧的源地址,集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。,网桥和集线器（或转发器）不同,目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥
34、对各站来说是看不见的。透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。,2.透明网桥,若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。,网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表,地址 接口,转发表的建立过程举例,网桥 1,A,B,C,D,E,F,1,2
35、,1,2,地址 接口,网桥 2,在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。,网桥在转发表中登记以下三个信息,网桥的自学习和转发帧的步骤归纳,网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。转发帧
36、。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。如有，则按转发表中给出的接口进行转发。若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。,这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,透明网桥使用了生成树算法,局域网 2,局域网 1,网桥 2,网桥 1,A,F,不停地兜圈子,A 发出的帧,网络资源白白消耗了,互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈
37、子。为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。,生成树的得出,生成树（spanning tree）算法,网桥互联的环状结构,网桥工作原理归纳为：学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。,注：网络交换机工作原理与网桥类似可看成是一个多端口的高速网桥（工作在链路层上）,透明网桥的优缺点：优点：容易配置、安装，无需管理 缺点：不能保证最佳路由,透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经
38、过的路由。发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。,3.源路由网桥,源路由网桥的优缺点：优点：网桥功能可以很简单；可以用最佳路由传送。缺点：源站计算路由费时；主机负担重。,3.源路由网桥,Lan 1,Lan 2,Lan 3,Lan 4,B2,B4,B1,B3,X,Z,LAN1bridge B1LAN 3bridge B3LAN 2,LAN1bridge B2LAN 4bridge B4LAN 2,3.两种网桥的比较,透明网桥,源选径网桥,服务类型,无连接,面向连
39、接,对源站的透明性,完全透明,不透明,配置、管理,自动配置，容易管理,人工方法,选择的路由,次佳,最佳,目的地确定方法,逆向学习,探测帧,故障处理及拓扑变化,网桥负责,主机负责,复杂性和开销,网桥负担,主机负担,1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。,4.多接口网桥以太网交换机,以太网交换
40、机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。,以太网交换机的特点,对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。,独占传输媒体的带宽,交换机在转发数据帧时，遵循以下规则：如果数据帧的
41、目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则向交换机所有端口（除源端口）转发。如果数据帧的目的MAC地址是单播地址，但这个MAC地址并不在交换机的地址表中，则向所有端口（除源端口）转发。如果数据帧的目的MAC地址在交换机的地址表中，则打开源端口与目标端口之间的数据通道，把数据帧转发到目标端口上。如果数据帧的目的MAC地址与数据帧的源MAC地址在一个网段（同一个端口）上，则丢弃此数据帧，不发生交换。,工作原理,用以太网交换机扩展局域网,一系,三系,二系,10BASE-T,至因特网,100 Mb/s,100 Mb/s,100 Mb/s,万维网服务器,电子邮件 服务器,以太网交换机,路由器,虚拟局域网
42、VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。,利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网:VLAN1,VLAN2 和 VLAN3,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,
43、A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,B1 发送数据时，工作站 A1,A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。,以太网交换机,A4,B1,以太网交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,
44、A2,A1,A3,C2,B2,以太网交换机,以太网交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2和 VLAN3 的构成,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。,虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,虚拟局域网使用的以太网帧格式,802.3MAC 帧,字节,6,6,2,46 1500,4,目地地址,源地址,长度/类型,数 据,FCS,长度/类型=802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
45、 0 0 0 0 0 VID,2 字节,2 字节,插入 4 字节的 VLAN 标记,4,用户优先级,CFI,5.6 高速以太网5.6.1 100BASE-T 以太网,速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。,100BASE-T 以太网的特点,可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大
46、电缆长度减小到 100 m。帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。,100 Mb/s 以太网的三种不同的物理层标准,100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。100BASE-FX 使用 2 对光纤。100BASE-T4使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。,3.6.2 吉比特以太网,允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。,100 0BASE-
47、T支持5类非屏蔽双绞线UTP距离可达100m 1000 BASE-CX支持屏蔽双绞线STP距离可达25m 1000BASE-LX支持单模光纤距离可以达到3000m1000BASE-SX支持多模光纤距离可以达550m,吉比特以太网的物理层,吉比特以太网的配置举例,1 Gb/s 链路,吉比特交换集线器,百兆比特或吉比特集线器,100 Mb/s 链路,中央服务器,5.6.3 10 吉比特以太网和100 吉比特以太网,10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。10
48、吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,10 G以太网的物理层标准,10GBASE-SR 光缆，300 m，多模光纤（0.85 m）10GBASE-LR 光缆，10 km，单模光纤（1.3 m）10GBASE-ER 光缆，40 km，单模光纤（1.5 m）10GBASE-CX4 铜缆，15 m，4 对双芯同轴电缆(twinax)10GBASE-T 铜缆，100 m，4 对 6A 类UTP 双绞线,以太网从 10 Mb/s 到100 Gb/s 的演进,以太网从 10 Mb/s 到 100 Gb/s 的演进证明了以太网是：可扩展的（从 10 Mb/s 到 100 Gb/s）。灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。易于安装。稳健性好。,5.6.4 使用高速以太网进行宽带接入,以太网已成功地把速率提高到 1 10 Gb/s，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。,
