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1、第二章第二章 以太网与环网技术以太网与环网技术 目目 录录第二章第二章 以太网与环网技术以太网与环网技术以太网技术以太网技术 共享式以太网与交换式以太网共享式以太网与交换式以太网环网环网2.1 2.1 以太网技术以太网技术2.1.1 标准以太网标准以太网从从2020世纪世纪8080年代至今，随着信息技术的发展，以太网标准及其产品不断地更新年代至今，随着信息技术的发展，以太网标准及其产品不断地更新和扩展，在拓扑结构、传输速率和相应的传输介质方面有了很大的变化。其主和扩展，在拓扑结构、传输速率和相应的传输介质方面有了很大的变化。其主要技术及标准，见表要技术及标准，见表2-12-1。表表2-1 2-
2、1 以太网的标准与相关技术以太网的标准与相关技术2.1.1 标准以太网标准以太网1.10BASE5(1.10BASE5(粗缆以太网粗缆以太网) )粗缆粗缆EthernetEthernet又称标准的又称标准的EthernetEthernet，因为这是最初实现的一种。如图，因为这是最初实现的一种。如图2-12-1所示，所示，既为一个粗电缆既为一个粗电缆EthernetEthernet布线方案。粗缆布线方案。粗缆EthernetEthernet干线上的每个站点使用一个干线上的每个站点使用一个转发器和电缆连接。该转发器与那些用于细缆转发器和电缆连接。该转发器与那些用于细缆EthernetEtherne
3、t的的BNCBNC连接器不同，它连接器不同，它是一个提供工作站与粗缆电气隔离的小盒子。是一个提供工作站与粗缆电气隔离的小盒子。 图图2-1 10BASE-52-1 10BASE-5网络的组成网络的组成2.1.1 标准以太网标准以太网2.10BASE2 (2.10BASE2 (细缆以太网细缆以太网) )细缆细缆EthernetEthernet的电缆在物理上较粗缆的电缆在物理上较粗缆EthernetEthernet电缆容易处理，它不需要站电缆容易处理，它不需要站点使用收发器。它的电缆便宜，但干线段的长度不如粗缆点使用收发器。它的电缆便宜，但干线段的长度不如粗缆EthernetEthernet那么长
4、，那么长，如图如图2-22-2所示为一个细缆所示为一个细缆EthernetEthernet网络。网络。图图2-2 10BASE-22-2 10BASE-2网络的组成网络的组成2.1.1 2.1.1 标准以太网标准以太网3.10BaseT(3.10BaseT(双绞线以太网双绞线以太网) )10BaseT10BaseT网络所使用的硬件，如图网络所使用的硬件，如图2-32-3所示。带有所示。带有RJ-45RJ-45插座的以太网卡，它插在计算机的扩展槽插座的以太网卡，它插在计算机的扩展槽中，使该计算机成为网络的一个结点，以便连接入网。中，使该计算机成为网络的一个结点，以便连接入网。3 3类以上的类以上
5、的UTPUTP电缆（双绞线），这是电缆（双绞线），这是10BaseT10BaseT网络定义的传输介质。电缆两端各接一个网络定义的传输介质。电缆两端各接一个RJ-45RJ-45连接器，一端连接网卡，另一端连接集连接器，一端连接网卡，另一端连接集线器；线器；10Base-T10Base-T集线器是集线器是10Base-T10Base-T网络技术的核心。集线器是一个具有中继器特性的有源多口网络技术的核心。集线器是一个具有中继器特性的有源多口转发器，其功能是接收从某一端口发送来的信号，进行重新整形再转发给其他端口。集线器有转发器，其功能是接收从某一端口发送来的信号，进行重新整形再转发给其他端口。集线器
6、有8 8口、口、1212口、口、1616口和口和2424口等多种类型。有些集线器除了提供多个口等多种类型。有些集线器除了提供多个RJ-45RJ-45端口外，还提供端口外，还提供BNCBNC和和AUIAUI插插座，支持座，支持UTPUTP、细同轴电缆和粗同轴电缆的混合连接。、细同轴电缆和粗同轴电缆的混合连接。图图2-3 10BASET2-3 10BASET以太网系统结构以太网系统结构2.1.1 2.1.1 标准以太网标准以太网4.10BaseF(4.10BaseF(光纤以太网光纤以太网) ) 10BaesF10BaesF是是10Mbps 10Mbps 光纤以太网，它使用多模光纤传输介质，在介质上
7、传输光纤以太网，它使用多模光纤传输介质，在介质上传输的是光信号，而不是电信号。因此，的是光信号，而不是电信号。因此，10BaseF10BaseF具有传输距离长、安全可靠、具有传输距离长、安全可靠、可避免电击的危险等优点。由于光纤适宜连接相距较远的站点，所以可避免电击的危险等优点。由于光纤适宜连接相距较远的站点，所以10BaseF10BaseF常用于建筑物间的连接，它能够构建园区主干网（如北京大学早期常用于建筑物间的连接，它能够构建园区主干网（如北京大学早期的校园主干网采用就是的校园主干网采用就是10BaseF10BaseF技能），并能实现工作组级局域网与主干网技能），并能实现工作组级局域网与主
8、干网的连接。因为号传输的特点是背单方向，适合于端到端式的通信，因此的连接。因为号传输的特点是背单方向，适合于端到端式的通信，因此10BaseF10BaseF以太网呈星状或放射状结构。以太网呈星状或放射状结构。2.1.2 快速以太网快速以太网1.1.快速以太网的分类快速以太网的分类（1 1）100BASET2 100BASET2 可使用可使用2 2对音频或者数据对音频或者数据3 3、4 4、5 5类类UTPUTP电缆。一对用于发送数据，一对用户接电缆。一对用于发送数据，一对用户接收数据，可以实现全双工操作；符合收数据，可以实现全双工操作；符合EIA586EIA586结构化布线标准；使用结构化布线
9、标准；使用10BASET10BASET相同的相同的RJ-45RJ-45连接器；连接器；它的最大网段长度为它的最大网段长度为100100米。米。（2 2）100BASET4 100BASET4 一种可使用一种可使用3 3、4 4、5 5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术，它使类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术，它使用用4 4对双绞线，对双绞线，3 3对用于传送数据，对用于传送数据，1 1对用于检测冲突信号。在传输中使用对用于检测冲突信号。在传输中使用8b/6t8b/6t编码方式，信号编码方式，信号频率为频率为25MHz25MHz，符合，符合EIA586EIA586结构化布线标准。
10、使用同结构化布线标准。使用同10BASET10BASET相同的相同的RJ-45RJ-45连接器。它的最大网段连接器。它的最大网段长度为长度为100100米。米。（3 3）100BASE-TX 100BASE-TX 一种用一种用5 5类数据非屏蔽双绞线的快速以太网技术。使用两对双绞线，一对用类数据非屏蔽双绞线的快速以太网技术。使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B4B/5B编码方式，信号频率为编码方式，信号频率为125MHz125MHz。符合符合EIA586EIA586的的5 5类布线标准和类布线标准和IBMIBM的的STP
11、1STP 1类布线标准。使用同类布线标准。使用同10BASE-T10BASE-T相同的相同的RJ-45RJ-45连接器。它连接器。它的最大网段长度为的最大网段长度为100100米。它支持全双工的数据传输。米。它支持全双工的数据传输。（4 4）100BASE-FX 100BASE-FX 一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模光纤和多模光纤（一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模光纤和多模光纤（62.562.5和和125um125um）。在传输中使用）。在传输中使用4B/5B4B/5B编号方式，信号频率为编号方式，信号频率为125MHz125MHz。它使用。它使用MIC/FDDIMIC/FDD
12、I连接器、连接器、STST连接连接器或器或SCSC连接器。它最大网段长度为连接器。它最大网段长度为150m150m、412m412m、2000m2000m或更长至或更长至1010公里长至公里长至1010公里，这与所使用公里，这与所使用的光纤类型和工作模式有关。它支持全双工的数据传输。的光纤类型和工作模式有关。它支持全双工的数据传输。100BASE-FX 100BASE-FX 特别适合于有电气干扰的特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或保密环境等情况下的使用。环境、较大距离连接、或保密环境等情况下的使用。2.1.2 快速以太网快速以太网2.2.快速以太网与快速以太网与10BASE-T/F1
13、0BASE-T/F组网性能比较组网性能比较快速以太网标准快速以太网标准IEEE802.3uIEEE802.3u是从是从802.3802.3（特别是（特别是802.3i/g802.3i/g）标准发展而来的，）标准发展而来的，它继承了它继承了10BASE-T10BASE-T和和10BASE-F10BASE-F技术，并进一步发展，两者在技术，并进一步发展，两者在MACMAC子层和子层和PHYPHY层的性能上有相同之处，也有明显的区分，比较见表层的性能上有相同之处，也有明显的区分，比较见表2-22-2。注：注：UTPUTP非屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线、STPSTP屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、MMFMMF多模
14、光纤、多模光纤、SMFSMF单模光纤、单模光纤、NRZINRZI不归不归“0”0”反相。反相。2.1.3 千兆以太网千兆以太网1.1.千兆以太网的分类千兆以太网的分类（1 1）1000BASE-X 1000BASE-X 千兆位以太网技术中易实现的方案，也是目前已经使用的解决方千兆位以太网技术中易实现的方案，也是目前已经使用的解决方案，案，1000BASE-X1000BASE-X包括了包括了1000BASE-CX1000BASE-CX、LXLX和和SXSX三种，但它们的三种，但它们的PHYPHY层中均采用层中均采用8B/10B8B/10B的编码的编码/ /译码方案。对于收发器部分三者差别较大，原
15、因在于三者所分别对应的传输译码方案。对于收发器部分三者差别较大，原因在于三者所分别对应的传输介质以及在媒体上所采用的信号源方案不同所致。介质以及在媒体上所采用的信号源方案不同所致。（2 2）1000BASE-LX 1000BASE-LX 一种收发器上使用长波激光（一种收发器上使用长波激光（LWLLWL）作为信号源的媒体技术，这）作为信号源的媒体技术，这种收发器上配置了激光波长为种收发器上配置了激光波长为1270nm-1355nm1270nm-1355nm（一般为（一般为1300nm1300nm）的光纤激光传输器，）的光纤激光传输器，它可以驱动多模光纤，也可驱动单模光纤，其芯径为它可以驱动多模光
16、纤，也可驱动单模光纤，其芯径为62.5m62.5m的多模光纤、的多模光纤、50m50m的的多模光纤和多模光纤和10m10m的单模光纤。的单模光纤。对于多模光缆，在全双工模式下，最长距离可达对于多模光缆，在全双工模式下，最长距离可达550m550m；对于单模光缆，全双工模式；对于单模光缆，全双工模式下最长距离达下最长距离达3km3km。连接光缆所使用的。连接光缆所使用的SCSC型光纤连接器，与型光纤连接器，与100Mbps100Mbps快速以太网快速以太网1000BASE-FX1000BASE-FX使用的型号相同。使用的型号相同。（3 3）1000BASE-SX 1000BASE-SX 一种在收
17、发器上使用短波激光（一种在收发器上使用短波激光（SWLSWL）作为信号源的媒体技术，）作为信号源的媒体技术，这种收发器上配置了激光波长为这种收发器上配置了激光波长为770nm770nm860nm860nm（一般为（一般为800nm800nm）的光纤激光传输器，）的光纤激光传输器，不支持单模光纤，仅支持多模光纤，其芯径为不支持单模光纤，仅支持多模光纤，其芯径为62.5m62.5m的多模光纤和的多模光纤和50m50m的多模光的多模光纤。纤。2.1.3 千兆以太网千兆以太网（4 4）1000BASE-CX 1000BASE-CX 使用铜缆的两种千兆以太网技术之一，另一种是使用铜缆的两种千兆以太网技术
18、之一，另一种是1000BASE-T1000BASE-T。1000BASE-CX1000BASE-CX的媒体是一种短距离屏蔽铜缆，最长距离达的媒体是一种短距离屏蔽铜缆，最长距离达25m25m，这种屏蔽电缆不是符，这种屏蔽电缆不是符合合ISO11801ISO11801标准的标准的STPSTP，而是一种特殊规格高质量平衡双绞线对的，而是一种特殊规格高质量平衡双绞线对的TWTW型带屏蔽的铜缆。型带屏蔽的铜缆。连接这种电缆的端口上配置连接这种电缆的端口上配置9 9芯芯D D型连接器。型连接器。 （5 5）1000BASET 1000BASET 一种使用一种使用5 5类类UTPUTP的千兆位以太网技术，其
19、标准为的千兆位以太网技术，其标准为IEEE802.3abIEEE802.3ab，不，不同于同于1000BASE-X1000BASE-X的的IEEE802.3zIEEE802.3z。最长的媒体距离与。最长的媒体距离与100BASE-TX100BASE-TX一样，达一样，达100m,100m,这种这种5 5类类UTPUTP上距离为上距离为100m100m的技术从的技术从100Mbps100Mbps传输率升级到传输率升级到1000Mbps1000Mbps，对用户来说可以在原，对用户来说可以在原来使用来使用5 5类类UTPUTP的布线系统中，传输的带宽可升级的布线系统中，传输的带宽可升级1010倍，但
20、是要实现这样的技术，不倍，但是要实现这样的技术，不能采用能采用1000BASE-X1000BASE-X所使用的所使用的8B/10B8B/10B编码编码/ /译码方案以及信号驱动电路，代之以专门的译码方案以及信号驱动电路，代之以专门的更先进的编码更先进的编码/ /译码方案和特殊的驱动电路方案。译码方案和特殊的驱动电路方案。在上述以太网中，不论传输介质是同轴电缆、双绞线或是光纤，也不论传输速度是在上述以太网中，不论传输介质是同轴电缆、双绞线或是光纤，也不论传输速度是10Mbps10Mbps、100Mbps100Mbps或是或是1000Mbps1000Mbps，它们的介质访问控制方法都采用，它们的介
21、质访问控制方法都采用CSMA/CDCSMA/CD。2.1.3 千兆以太网千兆以太网2.2.千兆位以太网的组网跨距千兆位以太网的组网跨距组网跨距即是系统的覆盖范围。在设计系统时，跨距是组网必须要考虑的问题之一。以下分别组网跨距即是系统的覆盖范围。在设计系统时，跨距是组网必须要考虑的问题之一。以下分别讨论有、无中继器连接的两种情况。讨论有、无中继器连接的两种情况。对于铜缆又要区分采用的是对于铜缆又要区分采用的是TWTW型屏蔽双绞线还是型屏蔽双绞线还是5 5类不屏蔽双绞线。在有如此之多的媒体选择情类不屏蔽双绞线。在有如此之多的媒体选择情况下，还要区分是处在半双工模式还是在全双工模式下连网，半双工模式
22、即是处在况下，还要区分是处在半双工模式还是在全双工模式下连网，半双工模式即是处在CSMA/CDCSMA/CD约束约束下的碰撞域范围，全双工模式不必考虑下的碰撞域范围，全双工模式不必考虑CSMA/CDCSMA/CD的约束，仅是有效数字信号在媒体上传输的最长的约束，仅是有效数字信号在媒体上传输的最长距离。各种情况下的组网跨距，见表距离。各种情况下的组网跨距，见表2-32-3。2.1.3 千兆以太网千兆以太网3.3.帧扩展技术帧扩展技术帧扩展技术是在不改变帧扩展技术是在不改变802.3802.3标准所规定的最小帧长度情况下提出一种解决办法，如标准所规定的最小帧长度情况下提出一种解决办法，如图图2-4
23、2-4所示。把帧一直扩展到所示。把帧一直扩展到512512字节即字节即40964096位。即若形成的帧小于位。即若形成的帧小于512512字节，则在发字节，则在发送时要在帧的后面添上扩展位，达到送时要在帧的后面添上扩展位，达到512512字节发送到媒体上去。字节发送到媒体上去。图图2-4 2-4 帧的扩展帧的扩展2.1.3 千兆以太网千兆以太网4.4.帧突发技术帧突发技术帧突发在千兆位以太网上是一种可选功能，它使一个站（特别是服务器）帧突发在千兆位以太网上是一种可选功能，它使一个站（特别是服务器）一次能连续发送多个帧，如图一次能连续发送多个帧，如图2-52-5所示。所示。图图2-5 2-5 帧
24、突发过程帧突发过程2.1.4 万兆以太网万兆以太网万兆以太网是当前最新的以太网技术，它的传输速率可以达到万兆以太网是当前最新的以太网技术，它的传输速率可以达到10Gbps10Gbps。万兆以太网。万兆以太网技术的研究始于技术的研究始于19991999年底，当时成立了年底，当时成立了IEEE802.3aeIEEE802.3ae工作组，并于工作组，并于20022002年年6 6月月1212日正日正式发布式发布802.3ae 10GE802.3ae 10GE标准，目前标准，目前IEEE802.3akIEEE802.3ak任务组工程师仍在为铜缆万兆以太网任务组工程师仍在为铜缆万兆以太网（10Gbase
25、-CX410Gbase-CX4）制定标准。）制定标准。万兆以太网并非将以太网速率简单地提高到万兆以太网并非将以太网速率简单地提高到1010倍，有很多复杂的技术问题需要解决。倍，有很多复杂的技术问题需要解决。万兆以太网主要具有以下特点：万兆以太网主要具有以下特点：万兆以太网的帧格式与标准以太网、快速以太网、千兆以太网的帧格式完全相同。万兆以太网的帧格式与标准以太网、快速以太网、千兆以太网的帧格式完全相同。万兆以太网仍然保留了万兆以太网仍然保留了802.3802.3标准对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定。这就标准对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定。这就使用户在将其已有的以太网升级时，仍便于和较
26、低速率的以太网进行通信。使用户在将其已有的以太网升级时，仍便于和较低速率的以太网进行通信。由于数据传输速率高达由于数据传输速率高达10Gbps10Gbps，因此万兆以太网的传输介质不再使用铜质的双绞线，因此万兆以太网的传输介质不再使用铜质的双绞线，而只使用光纤。它使用长距离的光纤收发器与单模光纤接口，以便能够在广域网和而只使用光纤。它使用长距离的光纤收发器与单模光纤接口，以便能够在广域网和城域网的范围内工作。它也可以使用较便宜的多模光纤，但传输距离限制在城域网的范围内工作。它也可以使用较便宜的多模光纤，但传输距离限制在6565300300米。米。万兆以太网只能工作在全双工模式，因此不存在冲突的
27、问题。由于不使用万兆以太网只能工作在全双工模式，因此不存在冲突的问题。由于不使用CSMA/CDCSMA/CD协议与，这就使得万兆以太网的传输距离不再受冲突检测的限制。协议与，这就使得万兆以太网的传输距离不再受冲突检测的限制。2.2 2.2 共享式以太网与交换式以太网共享式以太网与交换式以太网2.2.1 共享式以太网共享式以太网在交换式以太网出现以前，以太网系统均为共享式以太网系统，在整个系在交换式以太网出现以前，以太网系统均为共享式以太网系统，在整个系统中，受到统中，受到CSMA/CDCSMA/CD介质访问控制方式的制约，整个系统中只是网卡（站）、介质访问控制方式的制约，整个系统中只是网卡（站
28、）、集线器集线器/ /中继器、媒体三个组成部分，如图中继器、媒体三个组成部分，如图2-62-6所示。所示。图图2-6 2-6 共享式以太网共享式以太网2.2.1 共享式以太网共享式以太网1.1.介质访问控制技术（介质访问控制技术（CSMA/CDCSMA/CD）（1 1）载波侦听）载波侦听 在在 CSMA/CD CSMA/CD 接入方法中，要发送报文的所有网络设备必接入方法中，要发送报文的所有网络设备必须在发送之前进行侦听。须在发送之前进行侦听。（2 2）多路访问）多路访问 如果设备之间的距离造成一台设备的信号延时，也就是说，如果设备之间的距离造成一台设备的信号延时，也就是说，另一台设备无法检测
29、到信号，则另一台设备可能也会开始发送。另一台设备无法检测到信号，则另一台设备可能也会开始发送。（3 3）冲突检测）冲突检测 当设备处于侦听模式下，它可以检测到共享介质中何时发当设备处于侦听模式下，它可以检测到共享介质中何时发生冲突，因为所有设备均可检测到信号振幅的增长高于正常水平。生冲突，因为所有设备均可检测到信号振幅的增长高于正常水平。（4 4）堵塞信号和随机回退）堵塞信号和随机回退 检测到冲突之后，发送设备将发出堵塞信号。检测到冲突之后，发送设备将发出堵塞信号。堵塞信号通知其它设备发生了冲突，以便它们调用回退算法。堵塞信号通知其它设备发生了冲突，以便它们调用回退算法。2.2.1 共享式以太
30、网共享式以太网（5 5）CSMA/CDCSMA/CD的发送流程的发送流程 CSMA/CDCSMA/CD的工作流程可以简单地概括为的工作流程可以简单地概括为“先听后发，边发先听后发，边发边听，冲突停止，延迟重发边听，冲突停止，延迟重发”，其发送流程，如图，其发送流程，如图2-72-7所示。所示。图图2-7 以太网以太网/IEEE802.3 CSMA/CD的发送流程的发送流程2.2.1 共享式以太网共享式以太网（6 6）CSMA/CDCSMA/CD的接收规则的接收规则 以太网以太网IEEE802.3 CSMA/CDIEEE802.3 CSMA/CD的接收流程，如图的接收流程，如图2-82-8所示。
31、所示。图图2-8 2-8 以太网以太网/IEEE802.3 CSMA/CD/IEEE802.3 CSMA/CD的接收流程的接收流程2.2.2 交换式以太网交换式以太网1.1.交换式以太网系统的特点交换式以太网系统的特点交换式以太网系统中的交换式集线器，也称以太网交换机，以其为核心连接站点或交换式以太网系统中的交换式集线器，也称以太网交换机，以其为核心连接站点或者网段。如图者网段。如图2-92-9所示，交换机的各端口之间同时可以形成多个数据通道，端口之间所示，交换机的各端口之间同时可以形成多个数据通道，端口之间帧的输入和输出已不再受到帧的输入和输出已不再受到CSMA/CDCSMA/CD介质访问控
32、制协议的约束。图中在交换机上同时介质访问控制协议的约束。图中在交换机上同时存在了存在了3 3个数据通道，它们可以是站与站、站与网段之间。网段即是多个站点构成一个数据通道，它们可以是站与站、站与网段之间。网段即是多个站点构成一个共享媒体的集合，一般是一个共享式集线器连接若干个站点构成一个网段。个共享媒体的集合，一般是一个共享式集线器连接若干个站点构成一个网段。2.2.2 交换式以太网交换式以太网2.2.以太网交换机的工作原理以太网交换机的工作原理交换机的优点交换机的优点 共享式以太网采用的设备是集线器，交换式以太网采用的共享式以太网采用的设备是集线器，交换式以太网采用的设备是交换机。设备是交换机
33、。交换机的工作原理其实最根本的是要理解交换机的工作原理其实最根本的是要理解“共享共享”（ShareShare）和）和“交换交换”（SwitchSwitch）这两个概念。集线器是采用共享方式进行数据传输的，而我）这两个概念。集线器是采用共享方式进行数据传输的，而我们在这里要讲的交换机则是采用们在这里要讲的交换机则是采用“交换交换”方式进行数据传输的。我们可以方式进行数据传输的。我们可以把把“共享共享”和和“交换交换”理解成公路。理解成公路。“共享共享”方式就是来回车辆共用一个方式就是来回车辆共用一个车道的单车道公路，而车道的单车道公路，而“交换交换”方式则是来回车辆各用一个车道的双车道方式则是来
34、回车辆各用一个车道的双车道公路。公路。2.2.2 交换式以太网交换式以太网3. 3. 以太网的帧结构以太网的帧结构介质访问控制子层的功能是以太网的核心技术，它决定了以太网的主机网络性能。介质访问控制子层的功能是以太网的核心技术，它决定了以太网的主机网络性能。在讨论该子层的功能时，首先要了解以太网的帧结构，帧结构如图在讨论该子层的功能时，首先要了解以太网的帧结构，帧结构如图2-102-10所示。所示。图图2-10 2-10 以太网帧格式以太网帧格式2.2.3 以太网交换机的结构及交换方式以太网交换机的结构及交换方式1.1.以太网交换机结构以太网交换机结构自从交换式以太网技术及其产品发展以来，以太
35、网交换机的结构随着应用的需求和自从交换式以太网技术及其产品发展以来，以太网交换机的结构随着应用的需求和技术的发展也在不断发展和改进，总的来说，以太网交换机存在四种不同的结构。技术的发展也在不断发展和改进，总的来说，以太网交换机存在四种不同的结构。（1 1）软件执行交换结构）软件执行交换结构 这种结构存在于先期的一些交换机产品中，它的结构实际这种结构存在于先期的一些交换机产品中，它的结构实际上借助于上借助于CPUCPU与与RAMRAM的硬件环境，以特定的软件来实现交换机端口之间的帧的交换。的硬件环境，以特定的软件来实现交换机端口之间的帧的交换。如图如图2-112-11所示。所示。图图2-11 2
36、-11 软件执行交换结构软件执行交换结构2.2.3 以太网交换机的结构及交换方式以太网交换机的结构及交换方式（2 2）矩阵交换结构）矩阵交换结构 随着随着VLSIVLSI芯片技术的发展，使得构成一个以太网交换芯片技术的发展，使得构成一个以太网交换机完全采用硬件的方法来实现，如图机完全采用硬件的方法来实现，如图2-122-12所示，一个矩阵交换结构的交换所示，一个矩阵交换结构的交换机，其内部主要由机，其内部主要由4 4部分组成：输入、输出、交换造成矩阵以及控制处理。部分组成：输入、输出、交换造成矩阵以及控制处理。图图2-12 2-12 矩阵交换结构矩阵交换结构2.2.3 以太网交换机的结构及交换
37、方式以太网交换机的结构及交换方式交换矩阵的逻辑机理如图交换矩阵的逻辑机理如图2-132-13所示，当帧输入时，接通了合适的交换开关所示，当帧输入时，接通了合适的交换开关连接以矩阵的输出端上去。图上表示了连接以矩阵的输出端上去。图上表示了3 3人交换通道同时接通进行帧的交换。人交换通道同时接通进行帧的交换。图图2-13 2-13 交换矩阵的逻辑机理交换矩阵的逻辑机理2.2.3 以太网交换机的结构及交换方式以太网交换机的结构及交换方式（3 3）总线交换结构）总线交换结构 当前有许多厂家的交换机产品采用总线交换结构，如图当前有许多厂家的交换机产品采用总线交换结构，如图2-142-14所所示，在交换机
38、的母板上配置了一条总线，采用时分复用技术，各个端口均可以往总示，在交换机的母板上配置了一条总线，采用时分复用技术，各个端口均可以往总线上发送帧，即各个输入端口所发关到总线上的帧均按时隙在总线上传输。对于输线上发送帧，即各个输入端口所发关到总线上的帧均按时隙在总线上传输。对于输出端口，当帧输入时，根据帧的目的地址获得输出端口号，在确定的端口上输出帧。出端口，当帧输入时，根据帧的目的地址获得输出端口号，在确定的端口上输出帧。图图2-14 2-14 总线交换结构示意图总线交换结构示意图2.2.3 以太网交换机的结构及交换方式以太网交换机的结构及交换方式（4 4）共享存储器交换结构）共享存储器交换结构
39、 共享存储器交换结构的特点是使用大量的高速共享存储器交换结构的特点是使用大量的高速RAMRAM来输来输入数据，如图入数据，如图2-152-15所示。由于数据通过存储直接从输入传输到输出，因而交换机的所示。由于数据通过存储直接从输入传输到输出，因而交换机的结构比较简单，交换机可以不需要背板，比较容易实现。但结构比较简单，交换机可以不需要背板，比较容易实现。但RAMRAM操作会产生延时，且操作会产生延时，且冗余结构比较复杂，所以该结构最适合小型交换机。冗余结构比较复杂，所以该结构最适合小型交换机。 图图2-15 2-15 共享存储器交换结构共享存储器交换结构2.2.3 以太网交换机的结构及交换方式
40、以太网交换机的结构及交换方式2.2.交换机的数据转发方式交换机的数据转发方式交换机的交换方式有多种类型，包括直接交换方式、存储转发交换和改进式的直接交换机的交换方式有多种类型，包括直接交换方式、存储转发交换和改进式的直接交换方式。交换方式。（1 1）直接交换方式（）直接交换方式（Cut throughCut through） 在直通交换中，交换机在收到数据时立即处在直通交换中，交换机在收到数据时立即处理数据，即使传输尚未完成。交换机只缓冲帧的一部分，缓冲的量仅足以读取目的理数据，即使传输尚未完成。交换机只缓冲帧的一部分，缓冲的量仅足以读取目的 MAC MAC 地址，以便确定转发数据时应使用的端
41、口。地址，以便确定转发数据时应使用的端口。（2 2）存储转发交换方式）存储转发交换方式(Store and forward) (Store and forward) 存储转发交换方式中，交换机首先存储转发交换方式中，交换机首先完整地接收发送帧，它将数据存储在缓冲区中，直到接收完整的帧。存储过程期间，完整地接收发送帧，它将数据存储在缓冲区中，直到接收完整的帧。存储过程期间，交换机分析帧以获得有关其目的地的信息。交换机分析帧以获得有关其目的地的信息。（3 3）改进式的直接交换方式）改进式的直接交换方式 在改进式的直接交换方式中，交换机在转发之前存储在改进式的直接交换方式中，交换机在转发之前存储帧的
42、前帧的前 64 64 个字节。可以将改进式的直接交换视为存储转发交换和直接交换之间的个字节。可以将改进式的直接交换视为存储转发交换和直接交换之间的折衷。改进式的直接交换只存储帧的前折衷。改进式的直接交换只存储帧的前 64 64 个字节的原因是，大部分网络错误和冲个字节的原因是，大部分网络错误和冲突都发生在前突都发生在前 64 64 个字节。个字节。2.2.4 交换机的端口技术交换机的端口技术1.1.端口速率端口速率（1 1）标准以太网）标准以太网 标准以太网是最早的一种交换以太网，实现了真正的端口带宽独标准以太网是最早的一种交换以太网，实现了真正的端口带宽独享，其端口速率为固定享，其端口速率为
43、固定10M10M，它包括电端口和光端口两种。，它包括电端口和光端口两种。（2 2）快速以太网）快速以太网 快速以太网是标准以太网的升级，为了兼容标准以太网技术，它快速以太网是标准以太网的升级，为了兼容标准以太网技术，它实现了端口速率的自适应，其支持的端口速率有实现了端口速率的自适应，其支持的端口速率有10M10M、100M100M和自适应三种方式。它也和自适应三种方式。它也包括电端口和光端口两种。包括电端口和光端口两种。（3 3）千兆以太网）千兆以太网 同样千兆以太网为了兼容标准以太网技术和快速以太网技术，也同样千兆以太网为了兼容标准以太网技术和快速以太网技术，也实现了端口速率的自适应，其支持
44、的端口速率有实现了端口速率的自适应，其支持的端口速率有10M10M、100M100M、1000M1000M和自适应方式。和自适应方式。它也包括电端口和光端口。它也包括电端口和光端口。（4 4）端口速率自协商）端口速率自协商 从几种以太网标准可以知道它们都支持多种端口速率，那么从几种以太网标准可以知道它们都支持多种端口速率，那么在实际使用中，它们究竟使用何种速率与对端进行通信呢？在实际使用中，它们究竟使用何种速率与对端进行通信呢？2.2.4 交换机的端口技术交换机的端口技术2.2.端口的工作模式端口的工作模式由于以太网技术发展的历史原因，出现了半双工和全双工两种端口工作模式。为了由于以太网技术发
45、展的历史原因，出现了半双工和全双工两种端口工作模式。为了网络设备的兼容，目前新的交换机端口既支持全双工工作模式，也支持半双工工作网络设备的兼容，目前新的交换机端口既支持全双工工作模式，也支持半双工工作模式。可以手工配置也可以自动协商来决定端口究竟工作在何种模式。模式。可以手工配置也可以自动协商来决定端口究竟工作在何种模式。auto auto 选项设置双工模式自动协商。启用自动协商时，两个端口通过通信来决定最选项设置双工模式自动协商。启用自动协商时，两个端口通过通信来决定最佳操作模式。佳操作模式。full full 选项设置全双工模式。选项设置全双工模式。half half 选项设置半双工模式。
46、选项设置半双工模式。对于快速以太网和对于快速以太网和 10/100/1000 10/100/1000 端口，默认为端口，默认为 autoauto。对于。对于 100BASE-FX 100BASE-FX 端口，默端口，默认为认为 fullfull。当。当 10/100/1000 10/100/1000 端口设置为端口设置为 10Mb/s 10Mb/s 或或 100Mb/s 100Mb/s 时，它们可在半双工时，它们可在半双工或全双工模式下工作，而当设置为或全双工模式下工作，而当设置为 1000Mb/s 1000Mb/s 时，它们只能以全双工模式工作。时，它们只能以全双工模式工作。2.2.4 交换
47、机的端口技术交换机的端口技术3.3.端口类型端口类型不同的网络设备根据不同的需求具有不同的网络接口，目前以太网接口有不同的网络设备根据不同的需求具有不同的网络接口，目前以太网接口有MDIMDI（Medium Dependent InterfaceMedium Dependent Interface）和）和MDI-XMDI-X两种类型。两种类型。MDIMDI称为介质相关称为介质相关接口，接口，MDI-XMDI-X称为介质非相关接口（称为介质非相关接口（MIIMII）。我们常见的以太网交换机所提）。我们常见的以太网交换机所提供的端口都属于供的端口都属于MDI-XMDI-X接口，而路由器和接口，而路
48、由器和PCPC提供的属于提供的属于MDIMDI接口。在过去，接口。在过去，特定设备之间的连接，比如交换机到交换机或交换机到路由器的连接，曾特定设备之间的连接，比如交换机到交换机或交换机到路由器的连接，曾经需要指定的电缆类型（交叉电缆或直通电缆）。而现在，可以在经需要指定的电缆类型（交叉电缆或直通电缆）。而现在，可以在 CLI CLI 中中使用使用 mdix auto mdix auto 接口配置命令来启用自动介质相关接口交叉接口配置命令来启用自动介质相关接口交叉 (auto-MDIX) (auto-MDIX) 功能。功能。2.2.4 交换机的端口技术交换机的端口技术4.4.端口聚合端口聚合从上
49、述需求可以看出端口聚合主要应用于以下场合：从上述需求可以看出端口聚合主要应用于以下场合：（1 1）交换机与交换机之间的连接）交换机与交换机之间的连接 汇聚层交换机到核心层交换机或核心层汇聚层交换机到核心层交换机或核心层交换机之间。交换机之间。（2 2）交换机与服务器之间的连接）交换机与服务器之间的连接 集群服务器采用多网卡与交换机连接提集群服务器采用多网卡与交换机连接提供集中访问。供集中访问。（3 3）交换机与路由器之间的连接）交换机与路由器之间的连接 交换和路由器采用端口聚合可以解决广交换和路由器采用端口聚合可以解决广域网和局域网连接瓶颈。域网和局域网连接瓶颈。（4 4）服务器与路由器之间的
50、连接）服务器与路由器之间的连接 集群服务器采用多网卡与路由器连接提集群服务器采用多网卡与路由器连接提供集中访问。供集中访问。特别是在服务器采用端口聚合时，需要专有的驱动程序配合完成。特别是在服务器采用端口聚合时，需要专有的驱动程序配合完成。2.2.4 交换机的端口技术交换机的端口技术5.5.流量控制流量控制当通过一个端口的流量过大，超过了它的处理能力时，就会发生端口阻塞。当通过一个端口的流量过大，超过了它的处理能力时，就会发生端口阻塞。流量控制的作用是防止在出现塞的情况下丢帧。网络拥塞一般是由于线速流量控制的作用是防止在出现塞的情况下丢帧。网络拥塞一般是由于线速不匹配（如不匹配（如100100
51、M M向向10M10M端口发送数据）和突发的集中传输，它可能导这端口发送数据）和突发的集中传输，它可能导这几种情况：延时增加、丢包、重传增加，网络资源不能有效利用。几种情况：延时增加、丢包、重传增加，网络资源不能有效利用。在半双工方式下，流量控制是通过背压技术（在半双工方式下，流量控制是通过背压技术（backpressurebackpressure）实现的，模）实现的，模拟产生碰撞，使得信息源降低发送速度。拟产生碰撞，使得信息源降低发送速度。在全双工方式下流量控制一般遵循在全双工方式下流量控制一般遵循IEEE802.3xIEEE802.3x标准。标准。IEEE802.3xIEEE802.3x规
52、定了一规定了一种种6464字节的字节的“Pause”Pause”帧，告诉信息源暂停一段时间再发送信息。帧，告诉信息源暂停一段时间再发送信息。2.2.4 交换机的端口技术交换机的端口技术6.6.端口镜像端口镜像实现端口镜像的条件：实现端口镜像的条件： 端口镜像中的源和目的端口的速率必须匹配，否则可能会丢弃数据。端口镜像中的源和目的端口的速率必须匹配，否则可能会丢弃数据。 在使用端口镜像时，源和目的端口必须位于同一在使用端口镜像时，源和目的端口必须位于同一VLANVLAN内。内。 目的端口可以通过指定一个以太接口来设置。目的端口可以通过指定一个以太接口来设置。 可以创建多个镜像会话，它们可以共享同
53、一个目的端口，也可以各自采用可以创建多个镜像会话，它们可以共享同一个目的端口，也可以各自采用各自的目的端口。应该注意避免从多个源端口发送过多的通信量到目的的各自的目的端口。应该注意避免从多个源端口发送过多的通信量到目的的端口。端口。 缺省状态下，端口镜像会镜像所有接收和发送的数据。缺省状态下，端口镜像会镜像所有接收和发送的数据。2.2.4 交换机的端口技术交换机的端口技术7.7.端口端口-MAC-MAC地址绑定地址绑定在有些场合，比如网络教室或办公室，里大部分网络终端的在有些场合，比如网络教室或办公室，里大部分网络终端的IPIP地址是内部地址是内部私有的，由网络管理员来分配，为防止有人无意把自
54、已的私有的，由网络管理员来分配，为防止有人无意把自已的IPIP地址修改为另地址修改为另外一个正在使用的外一个正在使用的IPIP地址而产生冲突，而这种冲突往往会产生很糟糕的后地址而产生冲突，而这种冲突往往会产生很糟糕的后果，轻者使另一台终端无法接入网络，更糟糕的是被修改的果，轻者使另一台终端无法接入网络，更糟糕的是被修改的IPIP整个网络的整个网络的代理网关或共享打印机的代理网关或共享打印机的IPIP，这样整个网络就会瘫痪了，共享打印机也不，这样整个网络就会瘫痪了，共享打印机也不能使用了，这是网络管理员不能忍受的。最好的解决办法就是交换机的端能使用了，这是网络管理员不能忍受的。最好的解决办法就是
55、交换机的端口和终端的口和终端的MACMAC地址或地址或IPIP地址绑定，绑定的好外是显而易见的，网络管理员地址绑定，绑定的好外是显而易见的，网络管理员静态地指定每个交换机的端口报所对应的终端，终端的静态地指定每个交换机的端口报所对应的终端，终端的MACMAC或或IPIP地址在交换地址在交换机里存储下来，用户改变了机里存储下来，用户改变了MAC MAC 或或IPIP后，其连接就会被拒绝。这样做的另后，其连接就会被拒绝。这样做的另一个好处是，当一个非授权的终端接入到交换机上时，也同样会被拒绝。一个好处是，当一个非授权的终端接入到交换机上时，也同样会被拒绝。2.3 2.3 环网环网2.3.1 令牌环
56、网令牌环网1.1.令牌环介质访问控制方法令牌环介质访问控制方法令牌环技术的基础是使用了一个称之为令牌的特定比特串，当环上所有的令牌环技术的基础是使用了一个称之为令牌的特定比特串，当环上所有的站都牌空闲时，令牌沿着环旋转。当某一站想发送帧时必须等待直至检测站都牌空闲时，令牌沿着环旋转。当某一站想发送帧时必须等待直至检测到经过该站的令牌为止。该站抓住令牌并改变令牌中的一个比特，然后将到经过该站的令牌为止。该站抓住令牌并改变令牌中的一个比特，然后将令牌转变成一帧的帧首。这时，该站可以在帧首后面加挂上帧的其余字段令牌转变成一帧的帧首。这时，该站可以在帧首后面加挂上帧的其余字段并进行发送。此时，在环上不
57、再有令牌，因此其它想发送的站必须等待。并进行发送。此时，在环上不再有令牌，因此其它想发送的站必须等待。这个帧将绕环一整周后由发送站将它清除。发送站已经完成其帧的发送，这个帧将绕环一整周后由发送站将它清除。发送站已经完成其帧的发送，并且所发送的帧的前沿已回到了本站（在绕环运行一整圈后），发送站将并且所发送的帧的前沿已回到了本站（在绕环运行一整圈后），发送站将在环上插进一个新的令牌。这种机理能保证任一时刻只有一个站可以发送。在环上插进一个新的令牌。这种机理能保证任一时刻只有一个站可以发送。当某站释放一个新的令牌时，它下游的第一个站若有数据要发送，将能够当某站释放一个新的令牌时，它下游的第一个站若有
58、数据要发送，将能够抓住这个令牌并进行发送。抓住这个令牌并进行发送。2.3.1 令牌环网令牌环网令牌环的工作过程，如图令牌环的工作过程，如图2-162-16所示，假定工作站所示，假定工作站A A想向工作站想向工作站C C发送帧，图（发送帧，图（a a）表示工作站）表示工作站A A等等待令牌从上游邻站到达本站，以便有发送机会。图（待令牌从上游邻站到达本站，以便有发送机会。图（b b）表示工作站）表示工作站A A将帧发送到环上，工作站将帧发送到环上，工作站C C对发往它的帧进行拷贝，并继续将该帧转发到环上。图（对发往它的帧进行拷贝，并继续将该帧转发到环上。图（c c）表示工作站）表示工作站A A等待
59、接收它所发的帧，等待接收它所发的帧，并将帧从环上撤离，不再向环上转发。图（并将帧从环上撤离，不再向环上转发。图（d d）表示当工作站接收到帧的最后一比特时，便产生）表示当工作站接收到帧的最后一比特时，便产生令牌，并将令牌通过环传给下游邻站，随后对帧尾部的响应比特进行处理。或者将令牌传递给令牌，并将令牌通过环传给下游邻站，随后对帧尾部的响应比特进行处理。或者将令牌传递给下游工作站，所谓早期释放。下游工作站，所谓早期释放。图图2-16 2-16 令牌环的工作过程令牌环的工作过程2.3.1 令牌环网令牌环网2.2.令牌环网的组成令牌环网的组成2020世纪世纪8080年代中期，令牌环网产品刚刚问世，要
60、组成一个网络，其基本组年代中期，令牌环网产品刚刚问世，要组成一个网络，其基本组成如图成如图2-172-17所示。所示。图图2-17 2-17 令牌环网的基本组成令牌环网的基本组成2.3.2 FDDI网网FDDIFDDI可以用来以光纤作为光纤作为传输介质的高速主干网，它可以用于局域网与计可以用来以光纤作为光纤作为传输介质的高速主干网，它可以用于局域网与计算机互联，典型的算机互联，典型的FDDIFDDI作为主干网互联多个局域网的主干环网结构，如图作为主干网互联多个局域网的主干环网结构，如图2-182-18所示。所示。图图2-18 FDDI2-18 FDDI主干网结构主干网结构2.3.2 FDDI网
61、网1.FDDI1.FDDI标准的范围标准的范围FDDIFDDI标准采用了标准采用了IEEE802IEEE802的体系结构和逻辑链路控制的体系结构和逻辑链路控制LLCLLC协议，标准包括介协议，标准包括介质访问控制（质访问控制（MACMAC）、物理层协议（）、物理层协议（PHYPHY）、物理媒体相关子层（）、物理媒体相关子层（PMDPMD）和层）和层管理（管理（LMTLMT）四部分。）四部分。2.2.令牌环的操作过程令牌环的操作过程与与IEEE802.5IEEE802.5一样，一样，FDDIFDDI的的MACMAC协议是一个令牌环协议。令牌环的基本操作协议是一个令牌环协议。令牌环的基本操作（不包
62、含优先级和维护机制），对（不包含优先级和维护机制），对802.5802.5与与FDDIFDDI来说是十分相似的。这里我来说是十分相似的。这里我们来重温一下这种基本操作，并指出这两种协议的在这方面的一些差别。们来重温一下这种基本操作，并指出这两种协议的在这方面的一些差别。2.3.2 FDDI网网如图如图2-192-19列出了列出了FDDIFDDI网的令牌工作过程。网的令牌工作过程。 图图2-19 FDDI2-19 FDDI网的令牌环操作过程网的令牌环操作过程2.3.2 FDDI网网3.3.数据编码数据编码为了将数字数据作为一种信号来发送，需要对它进行某种形式的编为了将数字数据作为一种信号来发送，
63、需要对它进行某种形式的编码。编码的形式决定于传输介质的性质、数据速率以及其它一些限码。编码的形式决定于传输介质的性质、数据速率以及其它一些限制，譬如价格。光纤本是一种模拟舆媒体，信号只能在光频范围内制，譬如价格。光纤本是一种模拟舆媒体，信号只能在光频范围内传输。传输。4.FDDI4.FDDI网物理层中与媒体相关的部分网物理层中与媒体相关的部分FDDIFDDI标准规定了一个数据速率为标准规定了一个数据速率为100Mbps100Mbps，采用，采用NRZI-4B/5BNRZI-4B/5B编码方编码方案的光纤环型网，它所采用的波长为案的光纤环型网，它所采用的波长为1300nm1300nm。2.3.2
64、 FDDI网网5.FFDDI5.FFDDI的应用环境的应用环境（1 1）计算机机房网（后端网络）计算机机房网（后端网络） 用于计算机机房中大型计算机与高速外用于计算机机房中大型计算机与高速外设之间的连接，以及对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境。设之间的连接，以及对可靠性、传输速度与系统容错要求较高的环境。（2 2）办公室或建筑物群的主干网（前端网络）办公室或建筑物群的主干网（前端网络） 用于连接大量的小型机、用于连接大量的小型机、工作站、个人计算机与各种外设。工作站、个人计算机与各种外设。（3 3）校园网的主干网）校园网的主干网 用于连接分布在校园中各个建筑物中的小型机、服用于连接分布在校园中各个建筑物中的小型机、服务器、工作站和个人计算机以及多个局域网。务器、工作站和个人计算机以及多个局域网。（4 4）多校园的主干网）多校园的主干网 用于连接地理位置相距几千米的多个校园网、企业用于连接地理位置相距几千米的多个校园网、企业网，成为一个区域性的互联多个校园网、企业网的主干网。网，成为一个区域性的互联多个校园网、企业网的主干网。祝同学们学习愉快！祝同学们学习愉快！
