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1、高速局域网技术 1 高速局域网的研究方法 1. 高速局域网的发展推动局域网发展的直接因素是个人计算机的广泛应用。在过去的20年中，计算机的处理速度提高了百万倍，而网络数据传输速率只提高了上千倍。个人计算机处理速度迅速上升，而价格却在飞快下降，这进一步促进了个人计算机广泛的应用。大量用于办公自动化与信息处理的计算机必然要连网，这就使局域网的规模不断增大，网络通信量的进一步增加。同时，个人计算机也已从初期简单的文字处理、管理信息等应用发展到分布式计算、多媒体应用，用户对局域网的带宽与性能提出了更高的要求。传统的局域网技术是建立在共享介质的基础上，网中所有结点共享一条公共通信传输介质，需要使用介质访
2、问控制方法来控制结点传输数据。在网络技术中，人们经常将数据传输速率简称为带宽。例如，如果以太网的数据传输速率为10Mbps，那么它的带宽是10Mbps。如果局域网中有n个结点，那么每个结点平均能分配到的带宽为10Mbps/n。显然，随着局域网规模不断扩大，结点数的不断增加，每个结点平均能分配到的带宽将越来越少。因此，当网络结点数增大，网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率与网络服务质量将会急剧下降。为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出了以下几种解决方案：(1) 提高Ethernet的数据传输速率，从10Mbps提高到100Mbps，甚至1Gbps、10Gbps，这就导
3、致了高速局域网的研究与产品的开发。在这个方案中，无论局域网的数据传输速率提高到100Mbps还是1Gbps、10Gbps，它的介质访问控制仍采用CSMA/CD方法。(2) 将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网，这就导致了局域网互连技术的发展。网桥与路由器可以隔离子网之间的交通量，使每个子网作为一个独立的小型局域网。通过减少每个子网内部结点数n的方法，使每个子网的网络性能得到改善，而每个子网的介质访问控制仍采用CSMA/CD的方法。(3) 将共享介质方式改为交换方式，这就导致了交换局域网技术的发展。交换局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连
4、接。2. 局域网的分类方法从目前的发展情况来看，局域网可以分为以下两类： 共享介质局域网（shared LAN）、交换式局域网（switched LAN）。局域网产品之间的关系如图4.10所示。共享介质局域网可以分为以太网、令牌总线、令牌环与FDDI，以及在此基础上发展起来的快速以太网、千兆以太网、FDDI 等。交换式局域网可以分为交换式以太网、ATM局域网仿真、IP over ATM与MPOA，以及在此基础上发展起来的虚拟局域网。图 4.102快速以太网传统的共享介质局域网主要有以太网、令牌总线与令牌环，而目前应用最广泛的是以太网。人们认为，90年代局域网技术的一大突破是使用非屏蔽双绞线的1
5、0 BASE-T标准的出现。10 BASE-T标准的广泛应用导致了结构化布线技术的出现，使得使用非屏蔽双绞线、速率为10Mbps的以太网遍布世界各地。1. 快速以太网的发展随着局域网应用的深入，用户对局域网带宽提出了更高的要求。人们只有两条路可以选择：要么重新设计一种新的局域网体系结构与介质访问控制方法，去取代传统的局域网技术；要么保持传统的局域网体系结构与介质控制方法不变，设法提高局域网的传统速率。对目前已大量存在的以太网来说，要保护用户已有的投资，同时又要增加网络的带宽，快速以太网（fast Ethernet）是符合后一种要求的新一代高速局域网。快速以太网的传输速率比普通以太网快10倍，数
6、据传输速率达到了100Mbps。快速以太网保留着传统以太网的所有特征，包括相同的数据帧格式、介质访问控制方法与组网方法，只是将每个比特的发送时间由100ns降低到了10ns。1995年9月，IEEE 802委员会正式批准了快速以太网标准（IEEE 802.3 u）。2. 快速以太网的协议结构IEEE 802.3 u标准在LLC子层使用IEEE 802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，只是在物理层作了一些必要的调整，定义了新的物理层标准（100 BASE-T）。100 BASE-T标准定义了介质专用接口（MII，media independent interface），它将MAC 子
7、层与物理层分隔开来。这样，物理层在实现100Mbps 速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。快速以太网的协议结构如图4.11所示。图 4.11100 BASE-T标准可以支持多种传输介质。目前，100 BASE-T有以下三种有关传输介质的标准：(1) 100 BASE-TX支持两对5类非屏蔽双绞线（UTP）或两对一类屏蔽双绞线（STP）。一对5类UTP或一对一类STP用于发送，而另一对双绞线用于接收。因此，100 BASE-TX是一个全双工系统，每个结点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。(2) 100 BASE-T 4支持4对3类非屏蔽双绞线，其中3对用于数
8、据传输，一对用于冲突检测。(3) 100 BASE-FX支持2芯的多模或单模光纤。100 BASE-FX主要是用作高速主干网，从结点到集线器的距离可以达到2km，它是一种全双工系统。3千兆以太网 1. 千兆以太网的发展尽管快速以太网具有高可靠性、易扩展性、成本低等优点，并且成为高速局域网方案中的首选技术，但在数据仓库、桌面电视会议、三维图形与高清晰度图像这类应用中，人们不得不寻求拥有更高带宽的局域网。千兆以太网（gigabit Ethernet）就是在这种背景下产生的技术。人们设想一种用以太网组建企业网的全面解决方案：桌面系统采用传输速率为10Mbps的以太网，部门级系统采用传输速率为100M
9、bps的快速以太网，企业级系统采用传输速率为1000Mbps的千兆以太网。由于普通以太网、快速以太网与千兆以太网有很多相似之处，并且很多企业已大量使用了以太网。因此，局域网系统升级到快速以太网或千兆以太网时，网络技术人员不需要重新进行培训。相比之下，如果将现有的以太网互连到作为主干网的622Mbps的ATM局域网上，一方面由于以太网与ATM工作方式存在着较大的差异，在采用ATM局域网仿真时，ATM网的总体性能将会下降；另一方面网络技术人员需要重新进行培训。从以上分析中可以看出，千兆以太网有着很好的应用前景，它能否应用的关键在于协议是否标准化。2. 千兆以太网的协议结构制定千兆以太网标准的工作是
10、从1995年开始的。1995年11月，IEEE 802.3委员会成立了高速网研究组。1996年8月，成立了802.3 z工作组，主要研究使用多模光纤与屏蔽双绞线的千兆以太网物理层标准。1997年初，成立了802.3 ab工作组，主要研究使用单模光纤与非屏蔽双绞线的千兆以太网物理层标准。1998年2月，IEEE 802委员会正式批准了千兆以太网标准（IEEE 802.3 z）。IEEE 802.3 z标准在LLC子层使用IEEE 802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，只是在物理层作了一些必要的调整，它定义了新的物理层标准（1000 BASET）。1000 BASET标准定义了千兆介
11、质专用接口（GMII，gigabit media independent interface），它将MAC 子层与物理层分隔开来。这样，物理层在实现1000Mbps 速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。千兆以太网的协议结构如图4.12所示。图 4.121000 BASE-T标准可以支持多种传输介质。目前，1000 BASE-T有以下几种有关传输介质的标准：1000 BASE-T使用的是5类非屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到100m。1000 BASE-CX使用的是屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到25m。1000 BASE-LX使用的是波长为1300nm的单模光纤，光纤长度
12、可以达到3000m。1000 BASE-SX使用的是波长为850nm的多模光纤，光纤长度可以达到300550m。4.6 交换式局域网技术在传统的共享介质局域网中，所有结点共享一条公共通信传输介质，不可避免将会有冲突发生。随着局域网规模的扩大，网中结点数的不断增加，每个结点平均能分配到的带宽越来越少。因此，当网络通信负荷加重时，冲突与重发现象将大量发生，网络效率将会急剧下降。为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出将共享介质方式改为交换方式，从而促进了交换式局域网的发展。4.6.1交换式局域网的基本结构交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接
13、。图4.13显示了共享介质局域网与交换局域网工作原理的区别。为了保护用户已有的投资，局域网交换机一般是针对某种局域网设计的。典型的交换式局域网是交换式以太网（switched Ethernet），它的核心部件是以太网交换机（Ethernet switch）。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个以太网集线器（hub）连接。对于传统的共享介质以太网来说，当连接到集线器中的一个结点发送数据时，它将用广播方式将数据传送到集线器的每个端口。交换式局域网从根本上改变了共享介质的工作方式，它可以通过以太网交换机支持交换机端口结点之间的多个并发连接，可以实现多结点之间数据的
14、并发传输。因此，交换式局域网可以增加网络带宽，改善局域网的性能与服务质量。图 4.134.6.2局域网交换机的工作原理1. 局域网交换机的工作原理典型的局域网交换机结构与工作过程如图4.14所示。图中的交换机有6个端口，其中端口1、4、5、6分别连接了结点A、结点B、结点C与结点D。那么交换机的端口号/MAC地址映射表就可以根据以上端口号与结点MAC地址的对应关系建立起来。如果结点A与结点D同时要发送数据，那么它们可以分别在以太网帧的目的地址字段（DA， destination address）中填上该帧的目的地址。例如，结点A要向结点C发送帧，那么该帧的目的地址DA=结点C；结点D要向结点B
15、发送，那么该帧的目的地址DA=结点B。当结点A、结点D同时通过交换机传送以太网帧时，交换机的交换控制中心根据端口号/MAC地址映射表的对应关系找出对应帧目的地址的输出端口号，那么它就可以为结点A到结点C建立端口1到端口5的连接，同时为结点D到结点B建立端口6到端口4的连接。这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。图 4.142. 交换机的帧转发方式以太网交换机的帧转发方式可以分为以下三类：(1) 直接交换方式在直接交换（cut through）方式中，交换机只要接收并检测到目的地址字段，立即将该帧转发出去，而不管这一帧数据是否出错。帧出错检测任务
16、由结点主机完成。这种交换方式的优点是交换延迟时间短;缺点是缺乏差错检测能力，不支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发。(2) 存储转发交换方式在存储转发（store and forward）方式中，交换机首先完整的接收发送帧，并先进行差错检测。如果接收帧是正确的，则根据帧目的地址确定输出端口号，然后再转发出去。这种交换方式的优点是具有帧差错检测能力，并能支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发，缺点是交换延迟时间将会增长。(3) 改进直接交换方式改进的直接交换方式则将二者结合起来，它在接收到帧的前64字节后，判断以太网帧的帧头字段是否正确，如果正确则转发出去。这种方法对于短的以太网帧来说，其交换延迟时间与直接交换方式比较接近；而对于长的以太网帧来说，由于它只对帧的地址字段与控制字段进行了差错检测，因此交换延迟时间将会减少。4.7虚拟局域网技术交换式局域网是虚拟局域网的基础。近年来，随着交换式局域网技术的飞速发展，交换局域网结构逐渐取代了传统的共享介质局域网。交换技术的发展为虚拟局域网的实现提供了技术基础。4.7.1虚拟网络的概念虚拟网络（virtual network）是建立在交换技术基
