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1、第6章 局域网交换技术第6章 局域网交换技术6.1 局域网的基本概念 6.2 第二层交换 6.3 第三层交换 6.4 第四层交换 思考题 第6章 局域网交换技术6.1 局域网的基本概念6.1.1 局域网的体系结构局域网的体系结构在20世纪80年代初由IEEE 802委员会开始制定，到目前为止已经产生了多个关于局域网的标准，它们统称为IEEE 802标准系列，著名的包括CSMA/CD(习惯称为Ethernet)、令牌环、令牌总线、无线局域网WLAN等。第6章 局域网交换技术与OSI比较，局域网主要的设计思想是在共享介质上以广播分组方式实现计算机间的通信，因而它不要求网络提供路由选择和中间交换等功
2、能，因此IEEE 802参考模型没有定义网络层，只定义了数据链路层和物理层的功能。其中，数据链路层分为两个子层：介质访问控制MAC(Medium Access Control)子层和逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层。引入独立的MAC子层的原因是，传统的第二层协议中没有定义共享介质的访问控制逻辑，而且独立的MAC子层也允许同一个LLC可以灵活地选择接入不同的物理网络。不同的局域网标准之间的差别主要在物理层和MAC子层，而在LLC子层则是兼容的。第6章 局域网交换技术按OSI的观点，有关传输介质的规格和网络拓扑结构的说明应比物理层还低，但对局域网来说这两者却至关重
3、要，因而在 802模型中包含了对两者详细的规定。图6.1是局域网参考模型与OSI参考模型的对比。图中物理层的主要功能是：(1) 信号的编/解码。(2) 前缀的生成与删除(用于同步)。(3) 比特的传输和接收。(4) 传输介质的的规格说明等。第6章 局域网交换技术图6.1 IEEE 802的参考模型与OSI模型的比较第6章 局域网交换技术MAC子层负责共享介质的访问控制，它与具体的物理介质有关，其主要功能包括：(1) 发端传输时将上层来的数据封装成帧后进行发送(接收时执行相反的动作)。(2) 差错检测。(3) LAN传输介质访问控制。第6章 局域网交换技术LLC子层独立于具体的局域网类型(总线、
4、令牌环、令牌总线等)，是各类局域网的公共部分，其主要功能有：(1) 数据链路层逻辑连接的建立和释放。(2) 提供与高层的接口。(3) 差错控制、流量控制等。第6章 局域网交换技术6.1.2 Ethernet标准IEEE 802.3定义了一种基带总线局域网标准，其速率为共享总线10 Mb/s。该标准包含MAC子层和物理层的内容。根据物理层介质的不同，Ethernet可分为10BASE-2(基带细同轴)、10BASE-5(基带粗同轴)、10BASE-T(基带双绞线)、10BASE-FL(基带光纤)几种类型。在MAC子层，共享介质的访问控制采用CSMA/CD协议(Carrier Sense Mult
5、iple Access with Collision Detection)。由于历史的原因，人们习惯上将采用IEEE 802.3标准的局域网称为Ethernet。第6章 局域网交换技术1CSMA/CD协议Ethernet的MAC层采用带冲突检测的载波监听多路访问技术(CSMA/CD协议)，它是一种典型的随机访问或竞争技术，即多站点共享一条物理介质时，每个站点传输信息时都没有预先安排的时间，并且何时传输信息不可预测，因此它是随机访问，并且每一次传输要和其它站点争用总线使用权，因此它又是一种竞争技术。由于信号传输时延的存在，总会发生两个或多个站点同时占用介质传输数据帧的冲突情况。为解决这一问题，C
6、SMA/CD采用了每个站点边发送边监听的技术，其规则是：第6章 局域网交换技术(1) 监听介质是否空闲，若空闲就传输，否则转第二步。(2) 一直监听到信道空闲，然后马上传输。(3) 在传输的过程中同时继续监听，若发现冲突，则发出一个短小的干扰信号，进行冲突强化，以使所有站点都知道发生了冲突并停止传输。(4) 发送完干扰信号，等待一段随机的时间后，再重新传输(从第一步开始)。第6章 局域网交换技术实现冲突检测的方法很多，最简单的一种是比较接收到的信号的电压的大小。在基带传输时，当两个信号叠加在一起时，电压的波动值比正常值大一倍，因而只要检测到电压的波动值超过某一门限值时，就可判定发生了冲突，但该
7、方法不适用于站点较远的情况。另一种方法是在发送帧的同时也接收帧，将收到的信号进行逐比特的比较，若发现不符就判定发生了冲突。对于采用曼彻斯特编码的局域网，由于码字的过零点在正常情况下总在正中间位置，因此当发生碰撞时，通过检测过零点位置的变化就可以判断是否发生了冲突。第6章 局域网交换技术2Ethernet帧结构图6.2(a)描述了MAC地址的具体结构。图6.2(b)描述了802.3协议的帧结构，它由以下字段组成：(1) 前导码(preamble)：一个0和1交替的7字节串，接收者用它来建立位同步。(2) 帧起始定界符SFD(start of frame delimiter)：为10101011序
8、列，指明帧的实际起始位置。第6章 局域网交换技术(3) 目的地址：指明该帧的接收者，标准允许2字节和6字节两种长度的地址形式，但10 M基带以太网只使用6字节地址。目的地址的最高位标识地址的性质，“0”代表这是一个单播地址，“1”则代表这是一个群地址，群地址用于实现多播通信(multicast)。目的地址取值为全“1”则代表这是一个广播帧。(4) 源地址：指明发出该帧的源站点。(5) 长度：指明LLC数据字段以字节为单位的长度。第6章 局域网交换技术(6) LLC数据：由LLC子层提供的数据。(7) 填充(PAD)：为保证帧的长度满足要进行的适当的冲突检测，802.3标准规定帧的最小长度必须大
9、于等于64字节，但又允许LLC数据字段长度为0，因而在某些情况下必须增加填充字节。(8) FCS：帧校验序列。 第6章 局域网交换技术图6.2 MAC地址的结构和802.3的帧结构 (a) MAC地址的具体结构；(b) 802.3的帧结构第6章 局域网交换技术3Ethernet物理层介质对于具体可选用的物理层的实现方案，IEEE 802.3制定了一个简明的表示法：例如10BASE2中的10代表传输速率是10 Mb/s，BASE代表采用基带信号方式，2代表一个网段的长度是200米。第6章 局域网交换技术表6.1 IEEE 802.3 10 Mb/s物理层的介质选项第6章 局域网交换技术4百兆Et
10、hernet100兆Ethernet指100BASE-T或快速Ethernet，IEEE 802.3委员会于1995制定了快速Ethernet标准802.3，新标准作为对802.3的补充和扩充，保持了和原有标准的兼容性。快速Ethernet在MAC子层仍然使用CSMA/CD协议，帧结构和帧的最小长度也保持不变，但帧的发送间隔从9.6 s减少到0.96 s，以支持在共享介质上的100 Mb/s基带信号的传输速率。第6章 局域网交换技术快速Ethernet标准也定义了多种物理介质的选项规范，它们都要求在两个节点之间使用两条物理链路：一条用于信号发送 ，另一条用于信号接收。其中：100BASE-TX
11、要求使用一对屏蔽双绞线(STP)或五类无屏蔽双绞线(UTP)；100BASE-FX使用一对光纤；100BASE-T4使用4对三类或5类UTP,它主要是为目前存在的大量话音级的UTP设计的。快速Ethernet与传统Ethernet保持了良好的兼容性，用户只需要更换一块100M网卡和相关的互连设备，就可以将网络升级到100 Mb/s，网络的拓扑结构和上层应用软件均可以保持不变。目前，大多数100 M网卡均支持自动协商机制，可以自动识别10或100 M的网络，确定自己的实际工作速率。第6章 局域网交换技术5千兆Ethernet千兆Ethernet标准在IEEE 802.3委员会制定的802.3z中
12、定义，它与Ethernet和快速Ethernet的工作原理相同。在定义新的介质和传输规范时，千兆Ethernet保留了CSMA/CD协议和MAC帧格式，帧间隔则提升到0.096 s。目前千兆Ethernet标准包含的主要物理层介质选项如下：(1) 1000BASE-LX：使用62.5 m或50 m多模光纤，最长网段距离为550 m；采用10 m单模光纤，最长网段距离为5 km。工作波长范围为12701355 nm。第6章 局域网交换技术(2) 1000BASE-SX：使用62.5 m多模光纤，最长网段距离为275 m；采用50 m多模光纤，最长网段距离为550 m。工作波长范围为770860
13、nm。(3) 1000BASE-T：使用4对五类UTP, 最长网段距离为100 m。第6章 局域网交换技术上述选项中除1000BASE-T使用4D-PAM5编码方案外，其它 都使用8B/10B方案。目前来看，千兆Ethernet技术主要应用于两个方面：(1) 在局域网方面主要用于组建骨干网络。在局域网交换机 到交换机的互连中使用千兆Ethernet接口，例如长距离使用光纤 ，短距离则使用铜线，以解决由于100兆Ethernet普及后，对骨干网带宽的压力。在局域网中的另外一个应用是交换机至信息服 务器的连接，以解决信息访问瓶颈。(2) 在广域网和城域网中，由于千兆Ethernet与ATM技术相比
14、，不但技术简单，而且成本低，提供宽带的的能力也强于 ATM，与现有的企业、机构局域网互通简单，因而它目前也被 广泛用于组建基于IP的城域网和IP广域骨干网。第6章 局域网交换技术6.1.3 共享介质局域网的缺点如前所述，Ethernet是一种共享介质技术，在MAC层中采用 了CSMA/CD技术，其特点是：任何时候，网络只允许一个终端发送数据，其它终端则处于接收状态；网络实际上工作在串行 方式下；整个网络的带宽为大家共享；适用于终端数目不多的 低速数据业务环境。其它局域网技术如令牌环、令牌总线、 FDDI也具有相同的特点。为更好的解释交换式局域网技术，我们先解释下面三个术语：(1) 网段：指由连
15、接在同一共享介质上、相互能听到对方发出的广播帧且处在同一冲突碰撞区域的站点组成的网络区域。第6章 局域网交换技术(2) 冲突域：指在共享介质型局域网中，会发生冲突碰撞的区域。在一个冲突域中，同时只能有一个站点发送数据。(3) 广播域：当局域网上任意一个站点发送广播帧时，凡能收到广播帧的区域称为广播域，这一区域中的所有站点称为处在同一个广播域。共享介质局域网最大的缺点是：当网络规模增大，用户数目增多时，数据传输时延会急剧上升。为解决这一问题，引入了网桥和路由器技术对网络进行分段，此时网桥和路由器的每一个端口连接一个网段，每个网段是一个独立的冲突域，不同网段内的通信相互不会影响，这在一定程度上解决
16、了冲突增加导致的性能下降问题。第6章 局域网交换技术网桥出现在20世纪80年代早期，是一种用于连接相同或相似类型局域网(也称为同构网络)的双端口设备。网桥工作在OSI/RM的第二层(MAC层)，由于所有设备都使用相同的协议，它所做的工作很简单，就是根据MAC帧中的目的MAC地址转发帧，且不对所接收的帧做任何修改。通过网桥互连在一起的局域网是个一维平面网络，即仍然属于同一个广播域。常规的网桥除了不能互连异构网络外，也不能解决局域网中大量广播分组带来的广播风暴问题。第6章 局域网交换技术路由器出现在20世纪80年代末，它是一种用于互连不同类型网络(也称为异构网络)的通用设备，工作在OSI/RM的第三层(目前均指IP层)。它能够处理不同网络之间的差异，例如编址方式、帧的最大长度、接口等方面的差异，其功能远比网桥复杂。通过路由器互连的局域网被分割成不同的IP子网，每一个IP子网是一个独立的广播域。引入路由器主要有两个优点：一是利用网络层地址转发分组，路由器可以有效地隔离广
