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1、第 3 章 数据链路层第四讲第四讲 以太网交换机与高速以太网以太网交换机与高速以太网u以太网交换机u高速以太网交换式集线器(switching hub)，常被称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层），于1990年问世，可明显提高以太网的性能。以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，通常都有十几个接口。1.以太网交换机 以太网交换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。以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换（专发）速率就较高。以太网交
2、换机的特点独占传输媒体的带宽u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。u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。用以太网交换机组网 一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 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虚拟拟局局域域网网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置
3、无关的逻辑组。u这些网段具有某些共同的需求。u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。它由IEEE的802.1Q定义。利用交换机可以方便地实现VLAN。虚拟局域网（Virtual）以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局
4、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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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
5、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。802.3MAC 帧字节66246 15004MAC 帧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 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虚拟局域网的以太网帧格式2.高速以太网速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高
6、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电缆长度减小到 100 m。帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为的 0.96 s。三种不同的物理层标准 100BASE-TXu使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。100BASE-FX u使用 2 对光
7、纤。100BASE-T4u使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。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。吉比特以太网物理层的两个标准 1000BASE-X 基于光纤通道（FC）的物理层：u1000BASE-SX SX表示短波长（传输距离为275m和550m两种）u1000BASE-LX LX表示长波长（5km）u1000BASE-CX CX表示铜线（25m）1000BASE-T 基于
8、现有以太网u使用 4对 UTP5线 （100m）载波延伸(carrier extension)吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小的数值。吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。在短 MAC 帧后面加上载波延伸 凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。接收端在收到
9、以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。目地地址源地址数据长度数 据FCSMAC 帧的最小值=64 字节载波延伸前同步码加上载波延伸使 MAC 帧长度=争用期长度512 字节在以太网上实际传输的帧长分组突发 当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。发送的数据 分组#1 RRRRRRRR 分组#2 RRRR 分组#3 RRR 分组#4争用期 512 字节将突发计时器设定为 1500 字节载波延伸载波监听 当吉
10、比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。吉比特以太网的组网 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10 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 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吉比特以太网的两种不同物理层 局域网物理层 LAN
11、PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。u为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。端到端的以太网传输 10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。这种工作方式的好处是：u成熟的技术u互操作性很好u在广域网中使用以太网时价格便宜。u统一的
12、帧格式简化了操作和管理。以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 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。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。以太网接入举例：光纤到
13、大楼 FTTB 100 M10 M10 M100 M吉比特以太网光结点汇接点1 Gb/s1 Gb/s高速汇接点 GigaPoP其他种类的高速局域网或接口光纤分布式数据接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface)u使用光纤作为传输媒体的令牌环形网 高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interface)u主要用于超级计算机与一些外围设备（如海量存储器、图形工作站等）的高速接口光纤通道(Fibre Channel)练习题一个16端口的以太网交换机，其冲突域和广播域的个数分别为（）。A.1，1B.1，16C.16，1D.16，16练习题采用有12个10Mbit/s端口的半双工以太网交换机组建局域网，每个站点可获得的平均带宽为（）。A.0.083Mbit/sB.0.83Mbit/sC.8.3Mbit/sD.10Mbit/s练习题交换型网络的优点是（）。A.重载时可以高效率工作B.能够方便地增加网络的站数C.网络上的计算机可平等地访问介质D.环上平均传送时延比帧的平均发送时延要小练习题下列不能分割碰撞域的设备是（）。A.集线器B.网桥C.交换机D.路由器能分割广播域的设备有哪些？作业3-27，3-28，3-29