第6章 局域网交换技术, 20世纪70年代末以后，随着微电子和计算机技术的发展，个人计算机逐渐得到广泛的应用，促使计算机局域网LAN（Local Area Network）技术快速地发展，并在计算机网络中占据了非常重要的地位。, 早期的局域网设备（如集线器）大都采用广播方式进行通信，信息传输效率很低。 随着交换技术的引入，局域网的性能和扩展能力得到了大幅提高，应用范围和业务承载能力也发生了质的变化。,6.1 局域网的基本概念, 局域网是将分散在有限地理范围内的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络。 它通过功能完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和资源共享。, 美国电气电子工程师协会（IEEE）于1980年2月成立的局域网标准化委员会（简称802委员会）专门对局域网的标准进行研究，并提出了LAN的定义。 LAN是指在中等地域范围内（如25km以内），多个独立设备通过较高速率的物理信道直接互连通信的数据通信系统。, 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和节点数目均有限。 在网络发展的早期，与广域网相比，局域网具有较高的数据传输速率、较小的时延和较低的误码率。, 但随着光纤通信技术的发展和普遍使用，现在，广域网也具有很高的速率和很低的误码率。,6.1.1 网络拓扑结构, 网络拓扑是由网络节点设备和通信介质构成的网络结构图，分为物理拓扑结构和逻辑拓扑结构。,1物理拓扑, 以网络设备实际物理位置为依据生成的拓扑图，称为物理拓扑。 常见的拓扑结构有总线形、环形、星形、树形及网形网等。,（1）总线状。,图61 总线形拓扑结构,（2）环形。,图62 环形拓扑结构,（3）星形。,图63 星形拓扑结构,（4）树形。,图64 树形拓扑结构,（5）网状网。,图65 完全网状网结构,2逻辑拓扑, 物理拓扑是由传输线路和网络设备等的实际物理分布决定的。 逻辑拓扑则是由数据在网络节点间传输的路线决定的。, 两者的分类方式基本相同，但逻辑拓扑通常与介质访问控制（MAC）方法及协议密切相关。 可以通过路由器或交换机等设备对网络的逻辑拓扑结构进行动态配置。,6.1.2 传输介质, 传输介质是指连接网络设备的中间介质，也就是信号传输的媒体。 传输介质包括有线传输介质和无线传输介质。, 有线传输介质是指利用电缆或光缆等充当传输导体的传输介质，如双绞线、同轴电缆和光缆等；无线传输介质是指利用电波或光波充当传输导体的传输介质，如无线电波、微波、红外线和卫星信道等。 下面主要介绍同轴电缆、双绞线和光纤等有线传输介质。,1同轴电缆,图66 同轴电缆,2双绞线, 双绞线（Twisted Pair）是由两条相互绝缘的导线按照一定的规则互相缠绕（一般沿顺时针方向缠绕）在一起制成的一种通用配线，是综合布线工程中最常用的一种传输介质。, 把两根绝缘的导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，一根导线在传输中辐射的电磁波会与另一根线上发出的电磁波抵消。 双绞线过去主要用于传输模拟信号，现在同样用于数字信号的传输。, 双绞线分为非屏蔽双绞线（UTP，Unshilded Twisted Pair）和屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair）。 屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹，以减小辐射，价格相对较高，并且需要支持屏蔽功能的特殊连接器和相当的安装技术，但是传输速率比相应的非屏蔽双绞线高。, 按照其电气特性，可以将双绞线分为以下几种。 （1）1类（CAT-1）双绞线 （2）2类（CAT-2）双绞线 （3）3类（CAT-3）双绞线 （4）4类（CAT-4）双绞线,（5）5类（CAT-5）双绞线 （6）超5类（CAT-5E）双绞线 （7）6类（CAT-6）双绞线 （8）7类（CAT-7）双绞线,3光纤, 光纤是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。 光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为“光缆”。, 光缆（optical fiber cable）由若干根光纤构成的缆芯和外护层所组成，具有很好的电磁绝缘性能，信号衰变小，传输距离较长。 光纤主要有两种类型：单模光纤和多模光纤（“模”指的是入射角）。, 单模光纤的纤芯直径很小，约为810m，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大，距离远，一般由激光作为光源，多用于远程通信。, 多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤，一般由二极管发光，多用于网络布线系统。 与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。,6.2 局域网标准与体系结构,6.2.1 局域网标准IEEE 802工作组 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师协会）是一个国际化的非营利性专业组织，负责电气相关技术的研究。, IEEE是世界领先的标准化组织之一，拥有全球近175个国家的36万多名会员。 IEEE标准协会（IEEE-SA，IEEE Standards Association）负责标准的制定和维护工作。, IEEE标准涉及到工业生产的很多方面，其中的IEEE 802系列就是关于LAN/MAN的系列标准。, IEEE 802指的是一组与局域网和城域网有关的IEEE标准。 具体来说，IEEE 802标准仅限于承载可变长分组的网络（分组长度固定的数据网不在此标准之列）。, IEEE 802的工作涉及局域网和城域网的物理层和MAC层规范，对应于OSI参考模型的下两层。, IEEE 802标准由IEEE 802 LAN/MAN标准委员会（LMSC，LAN/MAN Standards Committee）负责维护，其中得到广泛应用的标准包括以太网、令牌环、无线局域网等标准。, LMSC执行委员会（Executive Committee）下设工作组（WG，Working Group）、研究组（SG，Study Group）、技术顾问组（TAG，Technical Advisory Group）。,与IEEE 802相关的标准如表6-2所示，IEEE 802工作组的更多具体情况请参见http:/www.ieee802.org。,6.2.2 局域网体系结构,1协议体系结构,图6-7 IEEE 802参考模型,2LLC子层,（1）LLC的功能。 网络层与LLC子层之间界面的服务规范：用于描述LLC及其以下各层为网络层提供的服务。, LLC子层与MAC子层之间界面的服务规范：用于描述LLC子层要求MAC子层提供的服务。 LLC子层与LLC子层间的服务规范：用于描述提供给LLC子层的管理服务。,图6-8 IEEE 802参考模型中各层关系示意图,（2）LLC子层与网络层的接口与服务。, 无确认的无连接服务。 带确认的无连接服务。 面向连接的服务。,（3）LLC子层与MAC子层的接口与服务。, LLC子层通过MAC子层的服务访问点（MSAP）来使用MAC子层为它提供的服务。 LLC子层通过使用MAC子层提供的服务，与对等实体的LLC子层交换LLC数据单元，完成LLC子层的功能。, MAC子层可以提供多种可供选择的介质访问控制方式，通过MSAP支持LLC子层时，MAC子层负责实现帧的寻址和识别。 MAC子层到MAC子层的操作通过对等层之间协议来实现。, MAC子层向LLC子层提供服务时使用的原语包括：MA-DATA.request、MA-DATA.indication和MA-DATA.confirm等。,（4）LLC子层与LLC子层之间的服务规范。, DSAP字段,图6-9 LLC的PDU格式,图6-10 DSAP字段结构, SSAP字段图6-11 SSAP字段结构, 控制字段,图6-12 控制字段结构, LLC数据,图6-13 LLC PDU与MAC帧,3MAC子层, MAC子层负责共享介质的访问控制，与具体的物理介质有关。 发送端MAC子层将上层传来的数据封装成帧后送往物理层，接收端MAC子层将数据从接收帧中恢复出来，传送给其上层用户。, 同时还要实现差错检测及传输介质的访问控制等功能。,6.2.3 组网设备,（1）冲突域 （2）广播域 （3）网段,1中继器和集线器 2桥接和交换,图6-14 局域网交换机结构,3路由器,6.2.4 以太网, 以太网是最早出现的局域网，也是目前最常见、最具有代表性的局域网。 1973年，施乐（Xerox）公司开发出了一种采用总线竞争式介质访问方法（起源于夏威夷大学研制的ALOHA网络）的设备互连技术，并将这项技术命名为“以太网（Ethernet）”。, 1979年，Xerox与DEC、Intel共同起草了DIX 1.010Mbit/s以太网规范。 1980年2月，IEEE成立了专门负责制定局域网/城域网标准的IEEE 802委员会，它制定的IEEE 802.3标准对基于总线的局域网进行了规范。, 1982年，DIX修改并发布了以太网新标准DIX 2.0。 1984年到1985年，IEEE 802委员会公布了局域网的五项标准IEEE 802.1IEEE 802.5。, 以太网从问世至今，一直在不断改进，速率等级也从10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s提高到了10Gbit/s。,1以太网的MAC地址,图6-15 以太网MAC地址的结构,2以太网帧结构,（1）前导字符。,图6-16 前导字符结构,（2）以太网帧格式。,图6-17 DIX 2.0及802.3帧结构,3介质访问方法, CSMA/CD（Carrier SenSe Multiple Access/Collision Detection）协议是对ALOHA协议（美国夏威夷大学开发的一种数据链路层协议，是一种随机访问协议）的改进，适用于总线形网络。, 在总线形结构中，所有设备都直接连到同一条物理信道上，该信道负责任意两个设备之间的数据传送。 节点以帧的形式发送数据，帧的头部含有目的节点和源节点的地址。, 帧在信道上是以广播方式传播的，所有连接在信道上的设备都能检测到该帧。 某个节点检测到目的地址为本节点地址时，就接收帧中所携带的数据，并按规定的链路协议给源节点返回一个响应。, 任何时刻，当一个节点采用这种方式发送数据帧时，都可能有其他节点同时在向总线上发送帧，这样，在信道上就会发生信号冲突。, 为减少冲突的发生，源节点在发送帧之前，首先要监听信道上是否有其他节点发送的载波信号。 若监听到载波信号，则推迟发送，直到信道恢复空闲为止。, 此外，开始发送数据之后，还需要对信道继续进行监听，若监听到干扰信号，就表示出现了冲突，需要立即停止发送。,（1）以太网时间槽。 （2）载波监听多路访问（CSMA）。 非坚持CSMA 1-坚持CSMA P-坚持CSMA,（3）带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD。 （4）带冲突避免的载波监听多路访问CSMA/CA。,4以太网类型, 下面简要介绍局域网发展过程中出现的几种以太网。 除了这些正式标准以外，许多厂商根据市场和应用需求，比如为了支持更长距离的传输，还制定了一些专用的标准。,（1）10M以太网。, 10Base5（又称粗缆以太网） 10Base2（又称细缆以太网） 10Base-T 10Base-F,（2）快速以太网。, 100Base-T。 100VG-AnyLAN。,图6-18 100BaseT快速以太网的介质类型,（3）吉比特以太网。, 工作原理 在吉比特以太网中，可以以1 000Mbit/s的速度进行半双工和全双工操作。, 物理介质：, 吉比特以太网除了对MAC子层协议进行了修改之外，其物理层也