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1、第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.1 局域网的标准局域网的标准3.2 典型的局域网标准典型的局域网标准3.3 局域网的组成局域网的组成3.4 以太网的产品标准以太网的产品标准3.5 高速网络技术高速网络技术3.6 虚拟局域网虚拟局域网3.7 广域网技术广域网技术 3.8 本章小结本章小结练习题练习题第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.1 局域网的标准局域网的标准3.1.1 局域网概述局域网(LAN，Local Area Network)，顾名思义就是局部区域的计算机网络。在局域网中，连接在一起的计算机其分布
2、范围一般在10m以上和几千米之内，因此局域网的本质特征是分布距离短。另外，构成局域网的微机可以是不同厂家生产的，如IBM兼容机与Apple公司的Macintosh系统就可以连接在一起。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 根据用途和传输速率的不同，可以把局域网划分为四种：程控小交换机管理的局域网;局部区域网络;高速局部区域网络;宽带网。这几类局域网是为了满足不同的要求而分别发展起来的,它们的性能、通信协议、数据交换方式、软/硬接口、传输介质以及网络拓扑结构等均有所区别。详细性能指标在表3-l中给出。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 表3-l 局域网的一些性能参考指标
3、第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.1.2 局域网协议及模型计算机连接成的局域网必须增加一些网络产品并对这些产品进行配置，购买的网络产品必须符合标准。一般创建一个网络必须遵循一定的标准，这些标准由国际标准化组织制定。网络标准给我们带来的好处是：可以把遵循标准的任何网络产品连接在一起。前面我们已经学习了OSI参考模型。局域网遵循OSI模型，但采用广播通信方式，其体系结构与OSI参考模型有相当多的区别，如图3-1所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-1 局域网模型与OSI/RM对比第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 局域网不存在路由选择问题，
4、因此局域网可以不要网络层，但局域网由于采用广播通信方式，必须要解决由于共享信道产生的信息冲突这个核心问题。由于局域网的种类繁多，其物理媒体连接控制的方法也各不相同，为了使局域网中的数据链路层不至于过分复杂，一般将局域网的数据链路层划分为两个子层，即媒体接入控制或媒体访问控制MAC(Medium Access Control)子层和逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 与OSI参考模型相比，局域网的参考模型相当于OSI的最低两层。在局域网的数据链路层中，与物理媒体有关的问题都放在MAC子层，与物理媒体无关的问题都放在
5、LLC子层。局域网对LLC子层是透明的，只有MAC子层才区分局域网的标准。MAC子层的主要功能有：(1)将上层传下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，将帧拆卸)。(2)实现和维护MAC协议。(3)比特的差错检测。(4)寻址。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 LLC子层完成的主要功能有：(1)建立和释放数据链路层的逻辑连接。(2)提供与高层的接口。(3)差错控制。(4)给帧加上序号。电气电子工程师协会(IEEE，The Institute of Electrical and Electronic Engineer)是世界上最大的专业组织之一，对于网络而言，IEEE的一
6、项最了不起的贡献就是对IEEE 802协议进行了定义。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 局域网的标准主要是由IEEE 802委员会制定的。该委员会成立于1980年，它专门负责制定不同工业类型的网络标准，主要的几个标准参见表3-2。在局域网中，由于数据以编址帧的形式传输并且不存在立即交换等特点，高层协议对局域网来说并不那么重要。各局域网产品尽管高层软件不同，网络操作系统也有差别，但由于低层都采用了802局域网标准协议，因而几乎所有局域网都可以实现互连。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 表3-2 OSI与IEEE 802标准的比较第第3章章 网络结构与互连设备网络结
7、构与互连设备 现在的IEEE 802委员会共有以下12个分委员会:802.1概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。802.2逻辑链路控制。它提供OSI的数据链路层两个子层中上面一个子层的功能。逻辑链路控制是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。802.3CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)。它定义了CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。802.4令牌总线网。它定义了令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 802.5令牌环型网。它定义了令牌传递环型网的MAC子层和物理层的规范。802.6城域网。它定义了城域网的
8、MAC子层和物理层的规范。802.7宽带技术。802.8光纤技术。802.9综合话音数据局域网。802.10可互操作的局域网安全。802.11无线局域网。802.12新型高速局域网(100 Mb/s)。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 现在IEEE的标准802.l802.6已成为ISO的国际标准ISO 8802.18802.6。在IEEE 802标准中，最常用的标准是IEEE 802.3、IEEE 802.4 和IEEE 802.5，它们的介质访问控制方法分别为：带有冲突检测的载波监听多路访问方法(CSMA/CD)、令 牌 总 线(Token Bus)方 法 和 令 牌 环(T
9、oken Ring)方法。IEEE 802标准中还为局域网的每一个节点规定了一个48位(bit)的全局地址。目前，IEEE是世界上局域网全局地址的法定管理机构，负责分配高24位的地址。世界上所有生产局域网网卡的厂商都必须向IEEE购买高24位组成的序列号，而低24位由生产厂商自己决定。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.2 典型的局域网标准典型的局域网标准3.2.1 以太网(Ethernet)以太网的结构如图3-2所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-2 以太网结构图第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 以太网和IEEE 802.3是两项较
10、为相似的网络技术，都属于CSMA/CD局域网。CSMA/CD局域网上的每一个站点都能随时访问网络上的任何资源。CSMA/CD包含两方面的内容，即载波监听多路访问(CSMA)和冲突检测(CD)。载波监听多路访问(CSMA)的工作原理：在数据传输之前，CSMA/CD 局域网上的站点监听网络是否正在被使用，如果网络正在被使用，当前站点将处于等待和检测载波状态；如果网络未被使用，当前站点将开始传输数据。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 采用CSMA仍然会产生冲突，若CSMA/CD局域网上的两个站点同时监听网络，同时得知网络未被使用，则它们将同时开始传输数据；或者网络上有站点发送数据，由
11、于信号在链路上传输有广播延迟，另一站点未检测到载波而发送数据。这两种情况都会导致网络冲突事件的发生，在此两种情况下同时发生的两个数据传输都是无效的，而且两个站点必须在之后的某个不同时刻重发数据。采用退避算法(该算法用来计算各站点的等待重新发送数据的时间)可以决定冲突的两个站点重发数据的时间。CSMA/CD 局域网的站点能够检测冲突，所以它们知道何时可以重发数据。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 CSMA/CD方法可以简单地概括为以下几点：先听后发；边听边发；冲突停止；随机延迟后重发。CSMA/CD方法经常用于总线型和树型拓扑结构网络中。以太网和IEEE 802.3局域网都属于广
12、播网络，即网络上所有的站点都能监听到网络上的所有数据帧，而不管它们是不是数据帧的目标站点。网络上的每个站点都必须检查接收到的数据帧来判断它自身是否是数据帧的目标站点。如果是数据帧的目标站点，则将数据帧传送到当前站点的更高协议层作进一步的处理。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 从某种意义上来讲，以太网和IEEE 802.3 局域网之间也存在着一些差异。以太网提供的服务与OSI参考模型的物理层和数据链路层相一致；而IEEE 802.3 LAN仅仅规定了物理层和数据链路层的信道访问部分，并没有定义逻辑链路控制协议。通常情况下，以太网和IEEE 802.3都通过硬件来实现，这些协议的物
13、理实现可以是主机内的接口卡，也可以是主机内主电路板上的电路。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.2.2 IEEE 802.5标准：令牌环1环型局域网络工作原理1)环型网的一般工作原理环型网的拓扑结构是所有节点串行连接而形成的一个封闭环路。信息传输是单向和逐点传送的。信息沿环路而行，每经过一个节点按位或按帧转发一次。每个节点对信息都有地址识别能力，若地址符合，该站就是目的节点而将信息收下，否则继续向下传送。环型网的结构如图3-3所示，它由一高速数字通信信道和环接口组成，节点主机通过环接口连接到网内。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-3 环型网结构图第第3章
14、章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 2)环接口环接口在逻辑上由五部分组成：发送器(缓冲)、接收器(缓冲)、控制器、线驱动器和线接收器，如图3-4所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-4 环接口逻辑框图 第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 线接收器接收来自环上的信息包，并送至接收方缓冲器。在进行地址识别后，如本节点为该信息包的目的地址，则将信息包放在缓冲器中暂存，然后送入本节点处理机或终端。对于已接收的信息包，是继续转发还是终止该信息包的传送决定于环的控制策略。线驱动器是向环路发送信息包的部件，具有再生放大作用。发送缓冲器担负向环路上传送信息包的任务，
15、包括从接收器送来的转发信息包和从本站处理机送来的企图向网上发送的信息包。若本节点不是所传送信息包的目的地址，则经接收器送至发送器，然后经线驱动器将信息包送至环路，维持环信息的连续。控制器负责控制和调节环型网上的信息流量，检测信息的丢失，防止死锁和进行恢复等。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 环接口要有足够的输入输出缓冲空间，以存储本地处理机的输入输出信息和转发信息，并能进行必要的缓冲延迟。线接收器和线驱动器以及相应的控制逻辑等也可看成是环接口的一个中继转发器。它仅产生1位或几位的时间延迟，但对信号进行了整形和放大，使其负载能力增强。这种方式称为按位转发，延迟时间仅有l位或几位。
16、与此相对应的还有按帧转发方式，即必须把整个帧的信息都接收并存储下来，也称为存储转发。它的转发延迟时间较长，但易于实现分布式控制，通信的同步技术较易实现。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3)环型网络的特点环型网的主要特点有：(1)只有一条环路，信息单向流动，无路径选择问题，且由于每个节点都可以收到其他任何节点发送的信息，故容易实现广播式发送。(2)环路是一个含有有源部件的信道，每个中继转发器都具有放大整形作用，其负载能力强，覆盖面积大。(3)对信道访问的控制技术较简单，只要向下游节点发送信息的信道空闲就可发送，故消除了信息流的拥挤和堵塞等问题，简化了软件设计和额外开销。第第3章
17、章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备(4)接口的功能比较简单，节点的增减方便，网络的成本正比于节点的数量。(5)环路适于多种传输介质,传输速率高,较适于实时传输。除上述优点外，环型网也还存在一些缺点，主要是可靠性较差。由于环路中的中继转发器为有源器件，和无源的总线网相比，其故障率较高，而某一节点的故障可能导致整个环路断开而无法工作，但目前已有许多提高可靠性的方法。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 环型网较多采用分布式控制技术，即信息包的传输是自治的，对环路的管理与控制是分散的；也有的采用集中控制机构，网中设一个交换站，所有源工作站的信息包需经交换站转发至目的工作站，但采用集
18、中控制机构的环型网较少；也有将二者相结合起来的环型网，即网上信息包的传送是分布式的，而对环路的管理和控制是集中式的。令牌传递的基本思想是：令牌依次沿每个节点传送，使得每个节点都有平等发送信息包的机会。令牌有“空”和“忙”两个状态。“空”表示令牌没有被占用，即网中没有信息发送；“忙”表示令牌已被占用，即令牌正在携带信息发送。当“空”的令牌传送至正待发送信息包的节点时，此信息立即可以发送并将令牌置为“忙”标志。在一个节点占有令牌期间，其他节点只能处于接收状态。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 2.令牌传递环网(Token Passing Ring)令牌传递环网简称令牌环。令牌传递环
19、网中，每个工作站的主要任务是：(1)转发从环路输入的比特流。(2)不停地监视以下两种比特组合：本站地址和令牌。令牌环的优点是：每当一站获得令牌后，可传送一变长信息。但因为规定由源站收回信息包，所以大约有50%的环路在传送无用信息，影响了传输效率。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 令牌环另外一个优点就是重负载时可以高效率地工作，整个网络不会有几个节点同时向网络发送数据，因此令牌环即使在重载时也不会因发生冲突而降低效率。在设计令牌环时要考虑一个比特的“物理长度”。若令牌环上的数据传输速率为BMb/s，则环节口设备每隔1/Bs发出一个比特。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连
20、设备 3.2.3 IEEE 802.4标准：令牌总线局域网令牌传递环网具有简单、经济、没有信息冲突等优点，但由于采取按位转发方式，环路上节点增多，信息延时也随之增加。采取CSMA/CD方式的总线网络，由于以竞争方式随机访问传输介质，因而一定会有冲突发生，且随着网络负载的增加，冲突愈加严重，网络延时不确定，可是总线具有广播式传输、任意节点间可直接进行通信等优点。令牌总线局域网采用令牌传递总线访问控制方式，令牌传递总线访问控制称为令牌传递总线(Token Passing Bus)。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-5 令牌传递总线网拓扑结构第第3章章 网络结构与互连设备网络结
21、构与互连设备 3.3 局域网的组成局域网的组成3.3.1 网络服务器前几年流行的各种微机局域网，它们大多使用集中控制型的专用服务器结构。网络服务器是网络的控制核心部件，一般由高档微机或由具有大容量硬盘的专用服务器担任。局域网的操作系统运行在服务器上，所有的工作站都以此服务器为中心，网络工作站之间的数据传输均需要服务器作为媒介，如Netware v2.x及v3.x等网络。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 目前，主要流行的微机局域网操作系统是Client/Server(客户机/服务器)结构式的，它们的访问控制方式属于集中管理和分散处理型，这也是20世纪90年代以来局域网发展的趋势，
22、如Windows NT 3.x、4.x和Windows 2000，以及Netware v4.x和v5.x等。对于简单的几台计算机则采用对等(Peer to Peer)网络。采用对等网络后，所有计算机之间能够直接共享设定的网络资源，无需网络服务器。通常，无论采用哪种结构的局域网(对等网络除外)，在一个局域网内至少需要一个服务器，它的性能直接影响着整个局域网的效率，选择和配置好网络服务器是组建局域网的关键环节。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 目前，人们从不同的角度对网络服务器进行了分类，也就是说，网络服务器在充当文件服务器的同时，又可以充当多种角色的服务器。如某校园网的文件服务器
23、在作为文件服务器的同时，还充当了打印服务器、邮件服务器、Web服务器、域名(DNS)服务器和动态主机配置协议(DHCP)服务器等多种类型的服务器。当这个文件服务器作为打印服务器时，应当有一台或多台打印机与它相连，通过内部打印和排队服务，使所有网络用户都可以共享这些打印机，并且管理各个工作站的打印工作。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 在网络中，也有将特殊功能的专用设备作为服务器使用的情况。如图3-6所示的通信服务器，它将远程计算机连入到局域网中，这样为人们把家里的计算机连入单位的局域网进行办公带来了方便。图中PSTN为电话系统。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备
24、图3-6 通信服务器将远程的计算机连入局域网第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.3.2 工作站或客户机在网络环境中，工作站或客户机是网络的前端窗口，用户通过它访问网络的共享资源。工作站实际上就是一台计算机，它至少应当包括键盘、显示器、处理器CPU(包括RAM)。大多数工作站带有软驱和硬磁盘。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 通常用作工作站的机器是IBM PC和 Apple Macintosh等微机。这些微机通过插在其中的网卡，经传输介质与网络服务器连接，用户可以通过工作站向局域网请求服务并访问共享的资源。工作站从服务器中取出程序和数据以后，用自己的CPU和RA
25、M进行运算处理，然后将结果再存到服务器中去。根据工作站的资源和运行方式可将工作站分为有盘工作站和无盘工作站。内存是影响网络工作站性能的关键因素之一。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.3.3 网络适配器(网卡)网络适配器又叫网络接口卡NIC(Network Interface Card)，简称“网卡”，是以太网中的必备设备。网卡的基本功能有：(1)网卡实现工作站与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，接收和执行工作站与服务器送来的各种控制命令，完成物理层的功能。(2)网卡实现局域网数据链路层的一部分功能，包括网络存取控制、信息帧的发送与接收、差错校验、串并代码转换等。第第
26、3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备(3)网卡实现无盘工作站的复位及引导。(4)网卡提供数据缓存能力。(5)网卡还能实现某些接口功能。网卡主要具有以下三个基本参数：(1)中断请求IRQ。中断级的设置是网卡硬件的重要参数之一。对IBM PC类型的网络或服务器，中断请求IRQ应选择中断控制器提供的IRQ0IRQF的16级之一，如通常选IRQ3或IRQ4。(2)DMA通道。DMA是直接存储器访问方式，允许网卡、网站与存储器直接进行数据传送，而不需通过CPU。典型计算机系统的DMA3通道给网卡使用，其他通道则为硬盘和软盘驱动器所使用。有些网卡不需选择DMA参数。第第3章章 网络结构与互连设备网
27、络结构与互连设备(3)存储基地址和I/O基地址。存储基地址和I/O基地址是两个独立的物理地址，它们的功能相似。网站或服务器上的每块网卡都使用一个指定的I/O块和一个存储缓冲区，用于网络卡与操作系统之间的信息传送。决定I/O块和存储空间地址的参数是I/O基地址和存储基地址。对于无盘工作站上的网卡，需增加启动芯片，为了使网卡启动芯片中的服务程序能在工作站上正确执行，还需设置Memory Address(服务程序在计算机上执行的起始地址)。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.3.4 传输介质传输介质是网络中信息传输的媒体，是网络通信的物质基础之一。传输介质的性能特点对传输速率、通信
28、的距离、可连接的网络节点数目和数据传输的可靠性等均有很大的影响，必须根据不同的通信要求，合理地选择传输介质。在局域网中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维等。1.双绞线双绞线(Twisted Pair)是最普通的传输介质，它由两根绝缘的金属导线扭在一起而成，如图3-8所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-8 无屏蔽双绞线(UTP)第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 双绞线分为有屏蔽双绞线(STP)和无屏蔽双绞线(UTP)。有屏蔽双绞线外面环绕一圈金属屏蔽保护膜，可以减少信号传送时所产生的电磁干扰，但相对来讲价格较贵。无屏蔽双绞线没有金属保护膜，对电磁
29、干扰的敏感性较大，电气特性较差。它的最大优点是价格便宜，所以广泛应用于传输模拟信号的电话系统中。此类双绞线的最大缺点是绝缘性能不好，分布电容参数较大，信号衰减比较厉害；一般来说，传输速率不高，传输距离也很有限。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 在以太网中使用UTP双绞线时，它具有如下特征：物理星型配置；电缆最大长度为100 m；电缆上的传输速度为10 Mb/s、100 Mb/s、1000 Mb/s；节点通过集线器、交换机连接；无外部终端电阻；每段的最大媒体延迟为1000 ns。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 现在使用的UTP双绞线可分3类、4类、5类和超5类四
30、种，这四种UTP的主要性能参数见表3-3。其中3类UTP适应了以太网(10Mb/s)对传输介质的要求，是早期网络中重要的传输介质；4类UTP因其标准的推出比3类晚，而传输性能与3类UTP相比并没有提高多少，所以一般较少使用；5类UTP因价廉质优而成为快速以太网(100 Mb/s)的首选介质；超5类UTP则使用在千兆位以太网(1000 Mb/s)中。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 表3-3 UTP的主要性能参数第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 2同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable)是网络中最常用的保护套传输介质，共有四层，最内层是中心导体，从里往外依次
31、分为透明绝缘层、金属网屏蔽层和黑色保护套，如图3-9所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-9 同轴电缆第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 按带宽和用途来划分，同轴电缆可以分为基带(Base Band)和宽带(Broad Band)。常用的同轴电缆线型号参见表3-4，具体介绍如下。(1)RG-58A/U。该型号为用于l0Base-2，阻抗50，直径0.18英寸的同轴电缆线，又称细同轴电缆。它是计算机网络中最常见到的同轴电缆线，以以太网标准而言，常与BNC接头配合连接。(2)RG-11。该型号为用于10Base-5，阻抗50，直径0.4英寸的同轴电缆线，又称粗
32、同轴电缆。它需配合收发器(Transceiver)使用。(3)RG-59U。该型号为阻抗75，直径0.25英寸的同轴电缆线，常用于电视电缆线，也可作为宽带的数据传输线，ARCnet网络用的就是此类电缆线。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 表3-4 常用的同轴电缆线第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.光导纤维电缆光导纤维电缆(Optical Fiber)简称光纤电缆或光缆。随着对数据传输速度的要求不断提高，光缆的使用日益普遍。对于计算机网络来说，光缆具有无可比拟的优势，也是目前和未来发展的方向。光缆由纤芯、包层和护套层组成。其中纤芯由玻璃或塑料制成，包层由玻璃制
33、成，护套由塑料制成，其结构参见图3-10。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-10 光纤电缆第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备(l)光纤通信的优点：传输速率高，目前实际可达到的传输速率为几十Mb/s至几千Mb/s。抗电磁干扰能力强，重量轻，体积小，韧性好，安全保密性高等。传输衰减极小，使用光纤传输时，可以实现在68 km距离内不使用中继器的高速率数据传输。光纤分为单模光纤和多模光纤。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备(2)光纤通信的缺点：光纤通信多用于作为计算机网络的主干线。光纤的最大问题是与其他传输介质相比价格昂贵。光纤衔接和光纤分支均较困难，
34、而且在分支时，信号能量损失很大。光纤的类型由模材料(玻璃式塑料纤维)、芯和外层尺寸所决定，芯的尺寸大小决定光的传输质量。常用的光纤有：8.3/125m单 模 光 纤(其 内 径 为 8.3m，外 径 为125m)。62.5/125m、50/125m、100/140m多模光纤。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 光纤分布式数据接口(FDDI，Fiber Distributed Data Interface)是由美国ANSI X3T9.5委员会于1982年制定的网络标准，它是目前惟一的高速局域网统一标准，数据传输速率达到100 Mb/s甚至1000 Mb/s。目前，FDDI已是一种成
35、熟的网络技术，世界上很多厂商都提供FDDI网络产品。但FDDI技术也存在某些与光纤一样的不足。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 4.传输介质的选择选择传输介质时应考虑的因素很多，但首先应当确定主要因素，然后再选择合适的传输介质。选择时可考虑的主要因素有：网络拓扑结构；网络连接方式；网络通信容量；系统传输时的可靠性要求；所传输的数据类型；环境因素，如网络覆盖的地理范围、节点间距等。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.3.5 网络互连设备在网络中，常用的网络互连设备有中继器、集线器、网桥、交换机、路由器等，它们在网络通信中起着关键的作用。各设备工作在OSI/RM模
36、型的不同层次，具体参见图3-11所示。下面分别介绍这些设备的工作原理和使用场合。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-11 网络互连设备的层次关系第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 1.中继器(Repeater)中继器是物理层的连接设备，可用不同电缆连接网段以扩展网络长度，这里的网段指一个使用任何中继设备的标准网络。中继器的原理是：由于数字信号在传输过程中，其高次谐波最易衰减而使信号变形，电缆上的阻抗、容抗也会使信号幅值和形状变小或失真，中继器在信号传输一定距离后对其进行整形和放大，但不对信号作校验等其他处理，故即使是一个错误的信息帧或信号中含有噪声，它都照样整
37、形放大。图3-12所示为中继器的一种使用方法。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-12 中继器连接两个以太网 第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 使用中继器进行网络互连时，应注意如下两点：(1)使用中继器互连以太网不能形成环路。(2)必须遵循MAC协议的延时特性，不能用中继器将电缆无限地连接起来。MAC协议的延时特性主要指的是，使用中继器或集线器来扩展以太网络的范围必须符合中继规则，即在共享式以太网中，各站点传输信息时必须满足冲突域原则。网络中任何两个站点传输信息的总延时满足如下条件：(1)对10 Mb/s以太网应用：(DTE延时+MAC延时+中继延时+电缆延
38、时)25.6s第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 其中，数据在任一网站内收发所花费的时间为DTE延迟，由网卡进行冲突检测和收发所花费的时间为MAC延迟，DTE和MAC延迟往往合并计算；走过一段电缆的时间为电缆延迟；通过中继器整形放大所花的时间为中继器延迟。所有延迟的总和应小于冲突域所规定的时间25.6s。因为10Base以太网规定的信息帧的最小长度为512 bit，发送1bit的时间是0.1s，发完最小包需51.2s，但是为保证按CSMA/CD协议正确地收发，总延时则只能限定在25.6s之内，如图3-13所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-13 冲突域的
39、概念图 第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 在图3-13中，A、B为任意两个网站，距离为L，垂直坐标为延迟时间t。设A站从t0时开始发送，t1时第1 bit到达B站而A站已发完256 bit，延时为25.6s。在此之前B站不知A站已发送，可在任意tx时间竞发，但在电缆M点发生冲突。B站在t1检测到了冲突而发出拥塞帧，A站在刚发完一个最小帧后即收到拥塞帧，从而知道最小帧已受损，双方都退回重新竞发。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 若A站发出的是一个大于512 bit的长帧，则更能在发完之前侦听到冲突而退回重发，避免了资源浪费。若总延时大于最小帧长限制的25.6s，则
40、A站发完较小帧之后，根本不知道该帧已受损而使错帧在网上广播。因此，以太网的冲突域可以保证在延时25.6s以内发现冲突，使得局域网内的任何网站都能正确执行CSMA/CD协议，而不会发生错误。或者说局域网内任何两节点间所有设备的总延时应小于25.6s，这就是组建局域网的根据，由此而制定了组建10 Mb/s以太网的中继规则，即5-4-3-2-1中继规则。其中：5指网络中最多可有5个网段；4指全信道上最多可连4个中继器；3指其中3个网段可连有网络站点；2指有两个网段只用来延长网络距离，不连网站；1指构成一个共享式以太网。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备(2)对100 Mb/s快速以太网
41、应用：(DTE延时+MAC延时+中继延时+电缆延时)2.56s100 Mb/s快速以太网符合3-2-1中继规则，即在一个高速共享网络内，最多用2个类高速HUB，两网站之间最多经过3条电缆，但两个高速HUB之间的电缆长度不能超过5 m。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 2.集线器(HUB)网络集线器(HUB)有许多特点。最简单的集线器通过把逻辑Ethernet连接成物理上的星型拓扑结构而增加了网络的连通性，它实质是一个多端口中继器。稍微复杂一点的集线器(交换式集线器)用作网桥和路由器的替代品以便减少网络拥塞。高级集线器为FDDI、帧中继及ATM网络提供了非常高速的连通性。图3-1
42、4说明了10Base-T集线器与PC工作站连接的方式。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-14 10Base-T集线器 第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 一般来说，集线器提供了下列一项或多项服务：容许在一个或多个LAN上连接大量计算机；减少网络拥塞；提供多协议服务,例如Ethernet与FDDI的连通；巩固网络主干；实现高速通信。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 最简单的集线器是用在Ethernet LAN上的10Base-T(有关10Base-T网络标准将在后面详细论述)，它还是将工作组与小型或大型LAN连接的最流行方式之一。局域网的管理由
43、集线器上的软件而不是连到LAN上的一个个设备来完成。物理星型拓扑结构比物理总线拓扑结构更易于管理，因为一个端口只连接一个设备或者双绞线的菊花状链接(一台与另一台连接)使得设备范围受到限制。如果一个端口上的网卡出现故障，只要简单地使该端口失去作用，直到换了一块网卡，连在其他端口的工作站继续工作为止。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 集线器提供的接口通常有8口、16口和24口等几种，集线器能提供连接多种网络传输介质的接口，通常具有RJ-45和BNC两种接口或RJ-45、BNC和AUI三种接口。集线器按性能还可分为类、类HUB。类HUB会把传来的模拟信号转变为数字信号再转发到其他端口
44、，其延时较大，约为0.7s，可提供TX、T4端口。类HUB则不进换转换，直接转发，延时较小，约为0.35s，只提供一种TX或T4端口。由于二者延迟差别很大，因而对连接HUB的个数有明显的影响。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3.网桥(Bridge)1)网桥定义网桥是一种在数据链路层实现互连的存储转发设备。大多数网络，尤其是局域网，其结构上的差异都体现在介质访问协议(MAC)之中，因而，网桥被广泛地用于局域网的互连。2)网桥的功能和作用(1)网桥的功能。过滤和转发。如图3-15所示。由于网桥只将应该转发的信息帧编排到它的通信流量中，因而提高了整体网络的效率。第第3章章 网络结构
45、与互连设备网络结构与互连设备 图3-15 利用网桥连接两个LAN 第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 学习功能。(2)网桥在实际应用中的作用。网桥常常用来分割一个负载过重的网络，以均衡负载，增加网络的效率。使用网桥可以将忙碌的网络分成若干小段，因为设计良好的网络可以使多数分组不用跨越网桥即可传送，从而减少了独立网段上的信息流量。扩展网络的物理尺寸。网桥的使用可以使网络设计者进一步延伸网络的距离，扩展网络的总尺寸。网桥可以实现局域网(LAN)之间以及远程局域网和局域网之间的互相连接。网桥可以连接不同传输介质的网络。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3)在复杂网络环境
46、中使用网桥的限制(1)拥有网桥的网络通常不能使用备用通道。(2)网桥不能对网络进行分析，以实现继续传输数据时的最快路由。在多种路由存在时，尤其是在那些路由较慢的广域网中，路由选择功能往往是最希望具备和最需要的能力。(3)网络不能过滤广播分组。因此，对于如何避免广播风暴，网桥无能为力。(4)网桥依赖于物理设备的地址。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 4)网桥的使用方式和分类网桥可以用来互连两个同类网络，例如两个以太网之间的互连。网桥使用时的最简单形式是使用两端口的网桥互连两个局部网络，如图3-15所示。从硬件配置的位置来分，网桥通常分为内部网桥和外部网桥两种。从地理位置来分，网桥
47、还可以分为近程网桥和远程网桥。如图3-16所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-16 本地网桥和远程网桥的使用 第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 5)网桥的安装(1)内部网桥的安装。(2)外部网桥的安装。4.路由器(Router)1)路由器的作用路由器(Router)与网桥的最大差别在于网桥实现网络互连发生在数据链路层，而路由器实现网络互连发生在网络层。在网络层上实现网络互连需要相对复杂的功能，比如路由的选择多路重发以及错误检测等均在这一层上用不同的方法来实现。与网桥相比，路由器在异构网互连能力、拥塞控制能力和网段的隔离能力等方面都要强于网桥。第第3章章
48、 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 另外，路由器能够隔离广播信息，从而可以将广播风暴的破坏性隔离在局部的网段之内。路由器是局域网和广域网之间进行互连的关键设备，通常的路由器都具有负载平衡、阻止广播风暴、控制网络流量以及提高系统容错能力等功能。一般而言，路由器大都支持多协议，提供多种不同的物理接口，从而使不同厂家、不同规格的网络产品之间，以及不同协议的网络之间可以进行非常有效的网络互连。路由器的外形如图3-17所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-17 路由器第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 2)路由器的使用方式从物理结构上看，路由器和网桥没有什么差别
49、，它们都是由软件和硬件两部分组成的，而且网桥和路由器可以建立在同样的硬件平台上。但路由器在网络层互连网络，而网桥在数据链路层互连网络。因此，使用路由器连接的网络在处理方面的工作较多，为使路由器能以网桥的速度执行任务，使用路由器连接时，需要使用并行处理机或RISC结构。因此，一般路由器的价格比网桥贵。路由器能在多个网络和介质之间提供网络互连的能力，用路由器可以实现多个网络相互连接，如图3-18所示。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 路由器工作在OSI七层模型的网络层，因而它与网络高层协议有关。路由器在安装时需有许多初始配置，所以它的安装比较复杂。与网桥不同，路由器是与协议相关的，
50、网间连接中每一种高层协议必须分开配置，必须为每一种协议提供一个单独协议的路由器。此外，由于路由器处于OSI七层模型的网络层，所以网络层以下的低层协议不能使用路由器。综上所述，路由器的主要作用是连接多个网络和多种介质，它最突出的特点是路径选择功能。第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 图3-18 用路由器实现网络的连接第第3章章 网络结构与互连设备网络结构与互连设备 3)路由器的分类路由器有下列几种分类：近程路由器和远程路由器；内部路由器和外部路由器；静态路由器和动态路由器；单协议路由器和多协议路由器等。从硬件配置的位置来分，路由器通常分为内部路由器和外部路由器两种。路由器在工作时需