计算机网络笔记三 以太网

第3章 以太网

"以太网"这个名字起源于一个科学假说：19世纪科学家们普遍认为光是通过一种叫以太的物质传播的。时至今日，以太的存在早就被爱因斯坦狭义相对论否定了，而以太网却成了主流的计算机网络，依旧为人类传递着光和电磁信息。

3.1概述

1. 以太网诞生

以太网是美国Xerox（施乐）公司的Palo Alto研究中心于1975年研制成功的，其核心技术起源于ALOHA网。

20世纪70年代初，Bob Metcalfe对ALOHA系统进行改进，提出一种总线型局域网的设想。

1972年，Bob Metcalfe和David Boggs开发出第一个实验性网络，采用无源的同轴电缆作为总线来传输数据，传输率为2.94 Mbps。

1976年7月，他们发表具有里程碑意义的论文《Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks》，以历史上用于表示传播电磁波的物质——以太（Ether）命名这种新网络，以太网诞生了！

2. 以太网标准化和商业化

在短短几年间就成功完成了标准化和商业化（表3.1）。

表3.1    以太网产业化年表

年代	大事记
1977	Metcalfe申请以太网专利
1978	Metcalfe和Boggs研制的以太网中继器（Repeater）获得专利
1980.9	以太网的工业标准DIX Ethernet V1.0出台
1982	DIX Ethernet V2.0（DIX V2）公布
1982	第一个支持DIX V2的超大规模集成电路芯片（以太网控制器）面世
1982.9	3COM公司推出世界上第一款商用以太网产品Etherlink，其后，DIX规范为工业界广泛接受，成为事实上的局域网工业标准
1983	在DIX基础上，IEEE 802委员会的802工作组制订了第一个IEEE的局域网标准IEEE 802.3，定义的数据速率为10 Mbps

 

3. 以太网的发展

图3.1给出了以太网技术的发展过程。

路由器路由器图3.1    以太网技术的发展过程

3.2基本组成与原理

3.2.1标准以太网：总线型

早期的10Mbps以太网称之为标准以太网，实际上是一种总线型局域网，结构如图3.2所示。

路由器路由器图3.2    总线型以太网结构

1. 同轴电缆

路由器路由器

图3.3    同轴电缆的结构

 

 

 

 

 

 

 

 

注：

10BASE-2：传输速率10Mb/s；BASE基带传输，传输距离200M。

10BASE-5：传输速率10Mb/s；BASE基带传输，传输距离500M。

2. 网卡

网卡（NIC）也叫网络适配器。

目前常见的总线插槽类型有：PCI 和 PCMCIA等。

图3.4    网卡外观

 

 

 

 

 

 

 

 

网卡的主要功能：

(1) 发送。就是将需要传输的数据先缓存，然后组织成以太网帧发送出去，其中包括：加入帧头、自动生成校验数据作为帧尾。对帧（二进制流）数据进行编码，然后帧变成传输介质可以传输的信号发送出去。在帧开始和结束处加入帧同步，以便对方识别。

(2) 接收。就是接收传输介质上的的信号，变成数据帧，校验它的正确性后缓存起来，然后通知CPU。

3. 硬件地址

网卡包含一个48位的编号称为硬件地址。48位地址又称为EUI – 48，EUI表示扩展的唯一标识符。在网卡生产过程中，就将该地址写入网卡的只读存储器。

IEEE仅仅分配给前3字节中的23位，另外一位用于标识（I/G）。该位为0表示单个站地址；该位为1表示单个组地址。

 

机构唯一标识符（OUI）（24位）

网卡厂商自行编号（24位）

 

【例】IEEE分配给3COM公司的前3字节中一个为00-60-08，在两个十六进制数之间用一个连字符隔开。某块网卡分配后24位为00-A6-38，则这个网卡的MAC地址为00-60-08-00-A6-38。

3.2.2数据传输的基本单元：MAC帧

1983年，IEEE802委员会的802.3工作组制定了第1个IEEE的以太网标准IEEE802.3，数据传输速率为10Mb/s。它把数据链路层分成LLC子层和MAC子层。

图3.5 LLC和MAC

以太网出现两种MAC帧结构：

一种是以太网DIX V2标准定义的帧结构；

一种是IEEE802.3标准定义的MAC帧结构。

DIX V2标准定义帧成为MAC帧，帧结构如图3.6所示。。

路由器路由器图3.6 DIX V2帧结构

IEEE802委员会    802.3工作组：

DIX V2帧由以下6个部分组成。

1. 前同步码与帧开始定界符字段

第一个字段是7个字节的前同步码（1和0交替），作用是使接收端网卡在收帧时能够迅速调整其时钟频率，与发送端的时钟同步（位同步，即比特同步）。

第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011。它的前六位的作用和前同步码一样，最后的两个连续的1就是告诉接收端网卡："帧的信息马上就要来了，请你注意接收！"。

1. 目的地址和源地址字段

源地址是发送者的网卡EUI-48。

目的地址3类：

（1）目的地址为EUI-48（其中I/G=0），表示单一结点地址，该帧只被与网卡EUI-48与目的地址相同的结点接收。

（2）目的地址EUI-48（其中I/G=1），表示是多点地址，该帧被一组结点接收。

（3）目的地址为全1表示是广播地址，该帧将被所有结点接收。

1.     类型字段

类型字段表示的是网络层使用的协议类型。例如：

Ox0800：表示网络层使用IP协议；

Ox8137：表示网络层使用NetWare的IPX协议。

1.     数据字段

数据字段是结点待发送的数据部分。数据长度在46~1500字节之间。

数据字段的最小长度为46字节。如果帧的数据字段值小于它，应该将它填满。填充字符是任意的，不计入长度字段值中。

1.     帧校验字段

帧校验字段（FCS）是为了检测网卡接收的MAC帧有无差错而专门设置的。

使用了循环冗余检验CRC的检错技术，生成多项式为CRC-32：

P(X) = X³² +X²⁶ +X²³ +X²² +X¹⁶ +X¹² +X¹¹ +X¹⁰ +X⁸ +X⁷ +X⁵ +X⁴ +X² +X + 1

校验范围是：目的地址、源地址、类型、数据字段，并不包括前同步码与帧开始定界符。

3.2.3发送和接收数据：CSMA/CD协议

1. 基本思想

路由器路由器图3.7    CSMA/CD的工作过程

有人将CSMA/CD的工作过程形象地比喻成很多人在一间黑屋子中举行讨论会，参加会议的人都只能听到其他人的声音。每个人在说话前必须先倾听，只有等会场安静下来后，他才能够发言。

 

 

 

 

 

 

 

 

路由器路由器图3.8    结点的数据发送流程

 

在以太网中，如果一个结点（例如结点A）要发送数据，它以"广播"方式通过总线发送一个数据帧，连在总线上的所有结点都能"收听"到这个数据帧。

由于网中的所有结点都可以利用总线发送数据，并且网络中没有控制中心，因此冲突的发生将不可避免。

2. 以太网数据发送流程分析

CSMA/CD发送流程可以简单概括为四点：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。图3.8给出了以太网结点的数据发送流程。

(1)    载波侦听

每个以太网结点利用总线发送数据时，首先需要侦听总线是否空闲。

路由器路由器图3.9    总线忙闲状态的判断

以太网的物理层规定发送的数据采用曼彻斯特编码方式。图3.9给出了总线电平跳变与总线忙闲状态的判断。

 

 

 

(2)    冲突发生

电磁波在电缆中的传播速率只有光速的65%左右（1.95×l0⁵ km/s）。

当某个结点监听到总线是空闲时，总线并非一定是真的空闲。图3.10所示的例子可以说明这种情况。

路由器路由器图3.10    冲突发生的原因

在A开始发送数据大约5μs（=1/1.95×l0⁵ km/s）后，B才有可能收到该数据帧。

在这段时间内，结点B并不"知道"A已发出数据，它就有可能也发数据。当出现这种情况时，结点A与B就发生"冲突"。

(3) 冲突检测

从发出数据到获知冲突发生，最长时间是结点A向结点B处于网络的两端时的情况。图3.11所示。

路由器路由器图3.11    冲突窗口的概念

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

如果电磁波结点A向结点B的之间为传播时延τ，等到冲突信号再传回结点A时，已经过了两倍的传播延迟2τ。将2τ称为争用期，也称为冲突窗口。

由于以太网物理层协议规定了总线最大长度，因此冲突窗口值为51.2μs。

标准以太网数据传输速率为10 Mbps，冲突窗口可发送512 bit（即64 Byte）数据，这就是以太网最短帧的长度。

(4)    发现冲突、停止发送

路由器路由器图3.12    强化冲突

强化冲突：当发送数据的结点一旦发现发生了冲突时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送32比特或48比特的人为干扰信号，以便让总线上所有结点都知道现在已经发生了冲突（图3.12）。对于10 Mbps以太网，需要3.2（或4.8）μs。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

总线被占用的时间=T_B+T_J+τ+9.6 μs

(5)    随机延迟重发

以太网协议规定一个帧的最大重发次数为16。

为了公平地解决信道争用问题，采用典型的CSMA/CD后退延迟算法为：

        τ＝2^k·R·α

其中：

τ为重新发送所需的后退延迟时间：

k为本次发送产生的冲突次数，重发次数n，k ＝min（n，10），：

路由器路由器图3.13    结点的数据接收流程

α为冲突窗口值（51.2μs），R为以其地址为初始值产生一个随机数。

2. 以太网接收流程的分析

图3.13给出了以太网结点的数据接收流程。

(1) 启动数据帧接收。

(2) 判断接收的数据帧长度。如果接收帧的长度小于规定的最短帧长（64字节）则表明冲突发生，应该丢弃该帧，结点重新进入等待接收状态。

(3) 检查帧的目的地址。如果目的地址为单一结点地址，并且是本结点地址，则接收此帧；如果目的地址是组地址，接收结点属于该组，则接收此帧；如果目的地址是广播地址，则接收此帧；如果目的地址不符，则丢弃此帧。

(4) 检测数据长度是否正确。如果CRC校验正确，但数据长度不对，则报告"帧长度错"并进入结束状态。如果CRC校验与数据长度都正确，则拆卸帧取出其中的数据，报告"成功接收"并进入结束状态。

3.2.4总线以太网扩展：中继器、网桥

1. 中继器扩展以太网距离

(1) 使用中继器延长总的距离

图3.14    放大信号

中继器（Repeater）也叫转发器，如图3.14所示，它就像使声音变大的扩音器一样，将在传输介质中衰减的信号放大，以增加线缆的传输距离。

 

 

 

 

 

 

(2) 最小帧长度限制总的距离

因为以太网DIX V2帧最小64字节，在最小帧发送结束前，如果没有检测到发送冲突。那么，发送者即认为发送成功。这实际上就限定了最大传输距离。

最多可以分为5个电缆段，用4个中继器连接。10BASE-5: 500mx5= 2500m。

2. 网桥扩展以太网距离

网桥（Bridge）又称桥接器，是一种存储转发设备。它工作在数据链路层，当它收到一个帧时，先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口。

1)    网桥的内部结构

最简单的网桥有两个端口。网桥的每个端口与一个局域网网段相连。网桥的组成结构如图3.15所示。

路由器路由器图3.15    网桥的工作原理

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) 通过自学习建立转发表

网桥刚开始时，其转发表是空的。

1. 若网桥端口x收到一个无差错的帧，则在转发表中查找目的MAC地址。

1.     如没有该MAC地址，转到过程(3)。否则查找出连接该MAC地址对应的端口d。如 端口d=x，则丢弃此帧，则从端口d转发此帧。转到过程(4)。
   1.     向网桥除x以外的所有端口转发此帧。
2. 如源结点不在转发表中，则将它的MAC地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置登记时间。

   3) 设置登记时间更新当前网络拓扑状态

   网桥中的端口管理软件周期性地扫描转发表中的项目。只要是在一定时间（例如几分钟）以前登记的都要删除。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络拓扑状态。

   4)    透明网桥

   目前使用得最多的网桥是透明网桥。

   "透明"是指局域网上的结点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各结点来说是看不见的。但这样可能出现兜圈子，如图3.16。

   

   路由器路由器图3.16    网桥引起的兜圈子

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   采用支撑树算法，使得构成的转发路径既连通又不存在回路，从而可以避免帧在网络中不断地兜圈子。

   5) 使用网桥扩展以太网的优点

   使用网桥扩展以太网的优点如下。

   (1) 过滤通信量。网桥工作在链路层，可以使以太网各网段成为隔离开的冲突域。如图3.17所示。

   1. 扩大了物理范围，增加了整个以太网上结点计算机的最大数目。

   (3) 提高了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段。

   (4) 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率（如10 Mbps和100 Mbps）的以太网。

   

   路由器路由器图3.17    隔离碰撞域

    

    

    

    

    

    

   6) 使用网桥扩展以太网的缺点

   使用网桥扩展以太网也有以下缺点。

   1. 不可避免地增加了转发的时延。
3. 当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。

   (3) 网桥只适合于用户数不太多（不超过几百个），否则有时还会因传播过多的广播信息而产生广播风暴。

   3.3集线器组成的以太网

   3.3.1集线器及其传输介质

   1. 集线器

   具有多个端口的中继器称为集线器（Hub）。因为集线器上的多个端口将各介质段物理地连接在一起，而它本身则成为网络的中心点，如图3.18所示。

   

   图3.18    Hub星型网络

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   按照对输入信号的处理方式，Hub可分为无源Hub、有源Hub和智能Hub。

   按结构和功能，Hub可分为独立型Hub、堆叠式Hub和底盘模块化Hub三种样式。

   最普通的集线器是独立型的（图3.19），它结构简单、价格低廉。堆叠式Hub（图3.20）是稍微复杂一些的集线器。它最显著的特征是可以直接彼此相连。

                   

   图3.19    普通集线器                    图3.20    堆叠式Hub

   底盘Hub是一种模块化的设备，其底板插槽可插入多种类型的模块。广泛用于大型网络中。

   

   图3.21

   2. 双绞线连接

   (1) 双绞线标准

   路由器路由器

   图3.23    RJ-45的引脚功能

   每条双绞线电缆两头都要安装RJ-45连接器（俗称水晶头），如图3.22所示。其中8根双绞线的作用如图3.23所示。

   路由器路由器

   图3.22    RJ-45接头

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   其中，1、2引脚为数据发送；3、6引脚为数据接收；4、5、7、8引脚未用。

   (2)    计算机网卡与集线器的连线

   用双绞线连接计算机和集线器时，两端的RJ-45头中的双绞线的分布排列必须完全一致，称为"直通"的排列方式，如图3.24所示。

   路由器路由器

   图3.24    双绞线的"直通"连线

    

   

    

    

   注意：1、2必须是一对，用于数据发送；3、6必须是一对，用于数据接收。

   RJ-45接头一端连接在网卡上的RJ-45接口，另一端则连到集线器上的RJ-45端口。

   (3)    计算机之间的连线

   路由器路由器

   图3.25    双绞线的"交叉"连线

   计算机之间通过双绞线连接，则应采用"交叉"连接的方式，如图3.25所示，即：1、3交叉，2、6交叉。

    

    

    

    

   

    

   根据结构化布线系统的标准ISO/IEC11801，单根双绞线的最大长度为100 m。

   3.光纤连接

   路由器路由器

   图3.26    光纤以太网连接

   光纤以太网络也呈星型结构，所不同的只是网络中心为光Hub，计算机上安装光缆网卡，如图3.26所示。

    

    

    

    

    

    

    

   光纤的一端与光Hub连接，另一端与网卡连接。

   根据网卡的不同，光纤与网卡有两种连接方法：

   （1）把光纤收发器内置于网卡中；

   （2）外置光收发器连接。

   由于光纤介质适宜连接相距较远的站点，所以常用于建筑物间的连接。

   4. 混合连接

   以Hub为核心，以双绞线和光纤混合构成的典型以太网系统，如图3.27所示。

   

   路由器路由器图3.27    典型以太网组网结构

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   1. 网络的拓扑

   通常所说的Hub指的是共享式集线器，是没有鉴别能力的设备，它会精确地再生所收到的信号（包括错误信号），用广播方式转发给每个端口上。如图3.28所示。

   

   图3.28

   （1）物理上形成星状拓扑结构，辑上仍然是总线型网络。

   （2）一台100Mbps快速以太网Hub，设端口数为n，每个结点得到的带宽则是100Mbps/n。

   3.3.3    集线器的级联

   级联和堆叠是Hub组成的以太网扩展的两种方法，由此增加网络结点数量、扩大网络范围。在实际应用中，使用得最多的方法是级联。

   1.    级联

   通常，Hub上标有"UPLink"或"MDI"字样的端口就是级联端口。实现级联的方法有以下两种。

   (1)    标准级联方法。

   使用标准双绞线连接下级Hub的级联端口（UPLink）和上级Hub的普通RJ-45端口，如图3.29所示。

   路由器路由器

   图3.29    Hub的标准级联方法

    

    

    

    

    

    

    

    

   (2)    交叉级联方法。

   用交叉双绞线直接连接两个Hub的普通RJ-45口，如图3.30所示。

   路由器路由器

   图3.30    Hub的交叉级联方法

    

    

    

    

    

    

    

   2.    堆叠

   使用网络连接设备厂家提供的专用堆叠电缆把两台集线器通过专用堆叠端口连接起来，称为堆叠。但是，不同公司的网络设备的堆叠端口和堆叠电缆线的标准一般不同，不能通用。

   3. 级联与堆叠的差别

   级联与堆叠都能增加网络的结点数，但两者之间是有差别的。

   (1)    连接端口不同

   级联一般通过Hub上的Uplink级联端口和普通RJ-45 端口相连，几乎所有Hub都支持级联；而堆叠只能通过网络设备上的专用堆叠端口连接，但是只有少数网络设备才提供堆叠端口。

   (2)    连接线和连接距离不同

   级联使用的是双绞线，单根线理论上最长是为100m；而堆叠却需要采用专用的堆叠电缆，其长度一般在1m之内。

   (3)    连接层数与个数

   级联的设备有上下级别和层次之分。考虑到信号的稳定性和可靠性，级联的层数一般不能超过4层（即最大传输距离500Mx2=1000M），如图3.31所示。

   路由器路由器

   图3.31    3层Hub进行标准级联

    

    

    

    

    

    

    

    

   而Hub经过堆叠之后，在逻辑上成为一个设备，因此不受到连接层数的制约，但要受到堆叠个数的限制，不同公司的产品的最大堆叠个数是不相同的。

   4. 仍然是同一个冲突域

   用Hub连接起来的以太网构成了一个更大的冲突域，最大总吞吐量并没有提高。

   例如图3.32(a)为3个独立的冲突域，每台计算机分得的带宽为100Mbps/n。

   图3.32(b)为1个独立的冲突域，每台计算机分得的带宽为100Mbps/3n。

   

   图3.32(b)    一个扩展的以太网

    

   

   图3.32(a)    三个独立的以太网

    

   3.4交换机组成的以太网

   3.4.1以太网交换机

   1. 概述

   以太网交换机是交换式以太网的核心构件，其功能类似于网桥。

   网桥的端口数很少，一般只有2～4个，而以太网交换机通常都有十几个端口（图3.33）。

   

   图3.33    普通以太网交换机

   

    

   当主机需要通信时，交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占传输介质那样，无冲突地传输数据。

   它和透明网桥一样，计算机对应的端口通过自学习自动地逐步建立。

   2. 工作原理: 多端口的网桥

   通过图3.34给出了交换机的结构与工作过程。

   图中的交换机有6个端口，其中端口1、4、5、6分别连接结点A、B和E、C、D，地址映射表根据以上端口号与结点MAC地址建立对应关系。

   

   图3.34    交换机的结构与工作过程

    

   （1）当结点A、结点D同时通过交换机传送以太网帧时，即同时建立多个并发连接。

   （2）当结点B向结点E发送数据帧，交换机发现结点B与结点E同在一个端口，丢弃该帧。

   （3）当结点A向结点F发送数据帧，交换机发现结点F在地址映射表中并不存在，交换机将向除结点A所在端口1之外的所有端口转发信息。（广播）

   （4）当结点F向结点A发送数据帧时，交换机获得结点F与交换机端口的对应关系，并将得到的信息存储到地址映射表中。（自学习）

   3. 交换机种类

   企业级交换机：从外观上看，一般来讲企业级交换机都是机架式（图3.35），作为骨干交换机支持500个信息点以上的大型企业应用；

   部门级交换机：可以是机架式（插槽数较少，见图3.36）或固定配置式，支持300个信息点以下的中型企业应用；

   工作组级交换机：为固定配置式，支持100个信息点以内的单位或小型企业应用；

   小型（办公室或家庭）交换机：带宽在100Mbps及以下，结构则相对简单，且多是桌面型的。

   

   图3.35    Cisco Nexus 7000

   

   图3.36    Cisco WS-C2960

    

    

    

    

    

   4. 背板带宽

   一台背板带宽为2.4Gbps的24端口交换机，每端口平均分配100Mbps的带宽，足以满足大多数数据传输业务的要求，而网络中心主干交换机的背板带宽一般都达到几十甚至几百Gbps。

    

   从广义上来看，网络交换机分为两类：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台，常用的有ATM交换机、电话交换机、光交叉连接OXC设备等。而局域网交换机就是上面所讲的以太网交换机，用于局域网络内端系统（如PC机、工作站、服务器及网络打印机等）的连接。

   5. 交换容量

   对于普通10Mbps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（10M）的n分之一。

   在使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是10M，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对端口的交换机的总容量为n×10Mbps。这正是交换机的最大优点。

   6. 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3类。

   （1）直通交换方式

   路由器路由器

   图3.37    直通转发

   在直通交换方式中，交换机只要接收帧并检测到目的地址，就立即将该帧转发出去（图3.37），而不用判断这帧数据是否出错。帧出错检测任务由结点完成。

   这种交换方式的优点是交换延迟短；缺点是缺乏差错检测能力，不支持不同速率端口之间的帧转发。

    

    

    

    

    

    

    

   （2）存储转发交换方式

   路由器路由器

   图3.38    存储转发

   首先将数据帧完整接收，存入高速缓冲存储器并进行差错检测。如果接收帧正确，则根据目的地址确定输出端口，然后再转发出去。（图3.38）

   这种交换方式的优点是具有差错检测能力，并支持不同速率端口之间的帧转发；缺点是交换延迟将会增长。

    

    

    

    

    

    

    

   （3）自适应方式（直通/存储转发）

   当网络性能好时，采用"直通"的交换方式；

   当网络性能差时，采用"存储一转发"的交换方式。

   3.4.2交换式以太网

   用以太网交换机作核心设备组建的以太网就是交换式以太网。

   1. 基于交换式集线器的以太网

   这种交换机所有结点可能会同时执行发送动作，一个端口输入的信息将无法直接交换到"活动着"的输出端口，因为该端口正在发送或者接收MAC帧。

   交换机中设置了缓存装置，暂时存储输入的帧，并等待输出端口的空闲。

   2. 基于全双工交换机的以太网

   （1）全双工工作

   一般情况下，交换机端口和网卡都是半双工的工作方式，MAC帧的发送和接收不是同时进行的。

   全双工以太网产品，使得附接在全双工交换机端口的每个结点可以同时进行MAC帧的发送和接收。

   对于10 Mbps的交换机在理论上达到了每个端口具有20 Mbps的传输能力（发送和接收各为10 Mbps）。

   （2）全双工的通信不仅要求交换机和网卡均具有独立的收发装置，对于双绞线要求4对，还要求与之对应的网络软件（包括高层协议软件）的支持。

   （3） 不会发生冲突。使用独立的点到点专用信道，不存在共享介质访问的问题。

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   图3.39    全双工交换机工作示意图

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   3.4.3虚拟局域网VLAN

   随着交换式以太网技术的飞速发展，为虚拟局域网的实现提供了技术基础。

   1. 虚拟局域网的概念

   VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。

   每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，按照这个标识符，以太网交换机可以很方便地传输到相同的逻辑组。

   【例】用4个交换机10个站构成的局域网网络拓扑如图3.40所示。

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   图3.40    虚拟局域网VLAN的构成

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   （1）将9个工作站划分为3个虚拟局域网：VLAN1、VLAN2和VLAN3。即VLAN1：（A1，A2，A3）；VLAN2：（B1，B2，B3）；VLAN3：（C1，C2，C3）。

   （2）在相同的VLAN中广播。例如，工作站B1～B3同属于虚拟局域网VLAN2，当B1向工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3都会收到广播的信息，虽然它们没有和B1连在同一个交换机上。

   虚拟局域网限制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而引起性能恶化。

   1. 虚拟局域网标准

   1988年IEEE批准了802.3ac标准，这个标准定义了以太网的帧格式的扩展，以便支持虚拟局域网。

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   图3.41    VLAN标记

   当数据链路层检测到MAC帧的源地址字段后面的长度／类型字段的值是Ox8100时，就知道现在插入了4字节的VLAN标记。于是就接着检查后两个字节的内容。

   3.5以太网的升级与组网实践

   3.5.1快速以太网

   1995年9月IEEE将100BASE-X的快速以太网制定为正式的国际标准，即IEEE 802.3u，是对原有802.3标准的补充。快速以太网的标准得到了所有主流网络厂商的支持。

   1. 设计思路

   100BASE-T标准定义了介质专用接口（MII），它将MAC子层与物理层分隔开。

   这样，物理层在实现100Mbps速率时使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响到MAC子层。图3.42给出了快速以太网的协议结构。

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   图3.42    快速以太网的协议结构

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   快速以太网支持全双工与半双工两种模式。

   1. 物理层标准

   快速以太网标准只支持双绞线和光缆连接，不支持同轴电缆。规定了以下3种不同的物理层标准。

   (1)    100BASE-TX

   使用2对UTP (或STP) 5类线，其中一对用于发送，另一对用于接收。

   信号的编码采用"多电平传输3（MLT-3）"的编码方法, 其编码规则如下：

   1. 即用正、负和零3种电平传送信号。
   2. 当输入一个0时，下一个输出值不变。

   c. 当输入一个1时，下一个输出值要变化：若前一个输出值为正值或负值，则下一个输出值为零；若前一个输出值为零，则下一个输出值与上次的一个非零输出值的符号相反。

   (2)    100BASE-FX

   使用2根光纤，其中一根用于发送，另一根用于接收。

   信号的编码采用4B/5B-NRZI编码，其编码规则如下：

   1. NRZI即不归零1制：当"1"出现时信号电平在正值与负值之间变化一次。

   b. 4B/5B编码：就是将数据流中的每4 bit作为一组，然后按编码规则将每一个组转换成为5bit，其中至少有2个"1"，保证信号码元至少发生两次跳变。

   1. 100BASE-T4

   使用4对UTP 3类线或5类线。信号采用886T-NRZ（不归零）的编码方法。其编码规则如下：

   a. 886T编码是将数据流中的每8 bit作为一组，然后转换为每组6 bit的三元制码元。

   b. 它使用3对线同时传送数据（每一对线以Mbps的速率传送数据），用1对线作为冲突检测的接收信道。

   1. 10/100Mbps速率自适应

   为了更好地与大量现存的10BASE-T的以太网兼容，快速以太网设计成在一个局域网中支持10Mbps与100Mbps速率的网卡共存的速率自动协商又称速率自适应机制。

   3.5.2千兆以太网（GE）

   1.产生背景

   在电视会议、三维图形与高清晰度图像等应用中，人们不得不寻求更高带宽的局域网。

   如果将当时已有的以太网互联到作为主干网的622Mbps的ATM局域网上，由于以太网与ATM的工作机理存在着较大的差异，会出现异型网互联的复杂问题

   千兆以太网（又叫吉比特以太网GE）就是在这种背景下产生的。

   2.关键技术

   千兆以太网仍然采用CSMA/CD的MAC访问技术和DIX V2（802.3）帧格式，支持共享式、交换式、半双工和全双工的操作，可与原有的100 Mbps和10 Mbps以太网作无缝连接。为此，采用下列两种技术：

   （1）载波延伸

   千兆以太网采用了一种名叫载波延伸的办法，即仍然保持一个网段的最大长度为100 m，使最短帧长仍为64字节，以保持兼容性，但同时将争用期长度增大为512字节，如图3.43所示。

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   图3.43    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。

   1. 分组突发

   当原来仅64字节长的短帧填充到512字节时，所填充的448字节就造成了很大的开销。

   

   路由器路由器图3.44    分组突发可连续发送多个短分组

   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。但随后的一些短帧则可一个接一个地发送，这样就形成了一串突发的分组数据，直到达到1500字节或稍多一些为止，如图3.44所示。

    

    

    

    

    

    

    

   当千兆以太网工作在全双工方式下时，不需要使用冲突检测，也不使用载波延伸和分组突发。

   3. 协议结构与物理层标准

   1000BASE -T标准定义了千兆介质独立接口（GMII），它将MAC子层与物理层分隔开来。在物理层实现1 Gbps传输速率时，传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。图3.45给出了千兆以太网的协议结构。

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   图3.45    千兆以太网的协议结构

    

    

    

    

    

    

    

    

    

   千兆以太网的物理层共有以下两类标准。

   (1)    1000BASE-X（802.3z标准）

   基于光纤通道的物理层，即FC-0和FC-1。使用的介质有以下3种。

• 1000BASE-SX

  SX表示短波长（使用850 nm激光器）。使用纤芯直径为62.5µm和50µm的多模光纤时，传输距离分别为275 m和550 m。

• 1000BASE-LX

  LX表示长波长（使用1 300 nm激光器）。使用纤芯直径为62.5µm和50µm的多模光纤时，传输距离为550 m。使用纤芯直径为10µm的单模光纤时，传输距离为5 km。

• 1000BASE-CX

  CX表示铜线。使用两对短距离的屏蔽双绞线电缆，传输距离为25 m。

  (2)    1000BASE-T（802.3ab标准）

  使用4对5类UTP，传送距离为100 m。

  1000BASE-T的推出最大限度地保护了用户在已建以太网方面的投资，原有的布线系统可以直接升级到千兆以太网。

  4. 应用领域

  目前千兆以太网的应用十分广泛，已经成为组建企业或者校园主干网络的主流技术。事实上，在千兆以太网进入企业的同时，它也在向城域网（MAN）和广域网（WAN）扩展。

  3.5.3现代以太网系统的组建

  1. 典型连接

  以太网交换机一般都具有多种速率的端口，例如，可以有10Mbps、100Mbps和1Gbps的端口的各种组合，这就大大方便了各种不同情况的用户。

  图3.46举出了一个简单的例子来说明交换机的典型连接结构。

  

  路由器路由器图3.46    用以太网交换机连网

   

   

   

   

   

   

   

  2. 交换机的联合使用

  计算机以太网卡的速度可以是10Mbps，也可以是100Mbps，在组网时往往是根据应用需求，合理地选择和网卡速度匹配的交换机。图3.47给出了一个用100Mbps交换机与10Mbps交换机联合组网的实例。

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  图3.47    100Mbps与10Mbps交换机联合组网

   

   

   

   

   

   

   

   

   

  3. 千兆以太网络

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  图3.48    千兆交换以太网应用实例

  图3.48给出了千兆交换以太网应用实例，一台千兆交换机作为网络的主干设备，连接了若干台100 Mbps交换机和服务器，构成了千兆主干网。

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

  在实际组建企业网时，一般都将几种不同性能的交换机（10 Mbps交换机、100 Mbps交换机、1 000 Mbps交换机）结合使用，采用层次结构，1 000 Mbps交换机作为主干设备，为最高层；100 Mbps交换机作为中间层设备，10 Mbps交换机作为用户端交换机。

  在使用以太网交换机时，每个端口配置的速率可以不统一。

  【例】一个以太网系统的核心交换机硬件配置如下。

  ①    10/100Mbps端口：24个，全双工

  ②    1000Mbps端口：2个，全双工

  求系统总容量？

  解答:

  用24台配置100M以太网卡的计算机接24个10/100M端口，FE速率自适应机制会使24个端口全部工作在100Mbps速率，再加上全双工速率加倍，容量为：

  100Mbps×24×2＝4800Mbps（4.8Gbps）

  两个1000Mbps端口接两个千兆以太网网段，并且全双工速率倍增，容量为：

  1000Mbps×2×2＝4000Mbps（4Gbps）

  系统总容量为：

  4.8Gbps＋4Gbps＝8.8Gbps

  4. 应用案例

  下面给出一个实际的应用案例。图3.49为中国矿业大学校园网拓扑图，这是一个典型的层次结构的千兆以太网系统。

   

  

  图3.49    中国矿业大学千兆校园网拓扑图

  3.6高速以太网

  3.6.1万兆以太网（10GE）

  1.主要特点

  万兆以太网并非将千兆以太网的速率简单提高到10倍，其中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。

  (1)    万兆以太网帧格式与标准以太网、快速以太网、千兆以太网帧格式相同。

  (2)    万兆以太网仍保留802.3标准对以太网最小和最大帧长度的规定。在用户将已有的以太网升级时，仍便于和较低速率的以太网通信。

  (3)    万兆以太网不再使用双绞线，而是使用光纤作为唯一的传输介质。它使用长距离（超过40 km）的光收发器与单模光纤，以便能在广域网和城域网范围内工作。它也能使用较便宜的多模光纤，但是传输距离限制在65～300 m。

  (4)    万兆以太网只有全双工工作方式，因此不存在介质争用的问题。由于不使用CSMA/CD协议，这样网络的传输距离不受冲突检测的限制。

  2.物理层协议

  万兆以太网的物理层使用的是光纤通道技术，因此它的物理层协议需要修订。万兆以太网有两种不同的物理层标准。

  (1)    局域网物理层（LAN PHY）标准

  万兆以太网的局域网物理层的传输速率为10 Gbps。每个万兆以太网交换机可以支持10个千兆以太网端口。

  (2)    广域网物理层（WAN PHY）标准

  万兆以太网的广域网物理层符合光纤通道速率体系SONET/SDH的OC - 192/STM - 64标准。OC - 192/STM - 64的速率是9.953 28 Gbps（不是精确的10 Gbps）。

  3.应用领域

  现在已经有不少企业和高等院校将自己的网络升级到万兆，图3.50是东南大学2010年新建设的校园网主干拓扑结构图。

  

  图3.50    东南大学校园网主干拓扑结构图(2010年)

  东南大学有好几个校区：四牌楼校区、浦口校区、丁家桥校区和九龙湖校区。

  这些校区之间相距很远，分布于方圆十几公里至几十公里的城区范围，传统局域网的千兆以太网技术已经无能为力了。而10GE以太网由于突破了局域网范围，尤其适合这类多校区的综合性大学作为建设校园网的最佳解决方案！

  3.6.2十万兆以太网（40/100GE）

  1. 艰难的诞生历程

  2010年6月17日，融合40G/100G的IEEE 802.3ba规范获得批准，以太网跨入了十万兆时代！

  新标准支持40Gbps速率下100米多模光纤传输、10米铜线传输和1米背板传输。在100Gbps领域则支持10公里、40公里单模光纤传输、100米多模光纤传输、10米铜线传输。40Gbps主要面向服务器，而100Gbps则面向网络汇聚和骨干。

  2. 重大技术创新

1. 下一代相干技术

在光网络产品中引入下一代相干技术，使运营商可以优化高速率传送网络系统，克服传输速率超过100G而造成的严重耗损。

1. 全光交换技术

由ROADM发展起来的基于40G/10G波长的全光交换技术将应用于骨干/核心网的节点，这项新技术已趋于成熟，将在近期获得规模应用，收端电子补偿的技术已实现毫秒级的光倒换，奠定了全光网结构的基础，并将在100G系统中得到应用。

1. 以太网高速接口技术

   支撑100G以太网接口的关键技术主要包含物理层（PHY）通道汇聚技术、多光纤通道及波分复用（WDM）技术。物理介质相关（PMD）子层满足100Gbps速率带宽，新的芯片技术支持到40nm工艺，这些提供了开发下一代高速接口的可能。

   3.6.3以太网的未来

   802.3ba标准解决了数据中心、运营商网络和其他流量密集高性能计算环境中数量越来越多的应用的宽带需求。而数据中心内部虚拟化和虚拟机数量的繁衍，以及融合网络业务、视频点播和社交网络等的需求也是推动制订该标准的幕后力量。

   100G以太网到来之后的猜想：下一代以太网，具有惊人的可能性。10G、40G、100G　长期共存，据RHK预测，100G最早可能在2010年在骨干网络有所应用，其大规模应用应在2013年以后，从而形成10G、40G、100G业务长期共存的局面。