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第 9 章 局域网体系结构

第 9 章 局域网体系结构. 2005 年 8 月 计算机系网络教研室 田华. 了解 1 FastEthernet 标准种类 2 千兆位以太网标准 3 万兆位以太网标准 4 交换式以太网概念 理解 1 网桥的工作原理 2 交换机工作原理 3 VLAN 概念 3 三层交换的概念. 掌握 1 100BASE-TX 、 100BASE-T4 、 100BASE-FX 组网规则 2 CISCO 交换机基本配置命令和配置 VLAN 方法. 9.6 高速局域网 学习目标. 共享式以太网的缺点. 网络内节点共享信道带宽

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第 9 章 局域网体系结构

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  1. 第9章 局域网体系结构 2005年8月 计算机系网络教研室 田华

  2. 了解 1 FastEthernet标准种类 2 千兆位以太网标准 3 万兆位以太网标准 4 交换式以太网概念 理解 1网桥的工作原理 2交换机工作原理 3 VLAN概念 3 三层交换的概念 掌握 1 100BASE-TX、100BASE-T4、100BASE-FX组网规则 2 CISCO交换机基本配置命令和配置VLAN方法 9.6高速局域网 学习目标

  3. 共享式以太网的缺点 • 网络内节点共享信道带宽 • 例如：信道容量=10Mbps，如果网络内有10个节点，则每个节点平均只能拥有1/10的信道带宽。 • 因此，网络内节点增加将导致网络通信速率急速下降。

  4. 提高网络性能的方法 • 提高网络信道容量 • 采用带宽更大的介质 • 例如：CAT 3 -> CAT 5 • 减小冲突域 • 减小网络内广播的范围。将一个大的冲突域划分为多个小的冲突域。 • 例如：使用网桥、交换机隔离冲突域 • 将介质访问控制方法从共享式转变为交换式 • 例如：使用交换机

  5. 网桥 • 网桥的工作原理 • 网桥的种类 • 网桥的功能

  6. 网桥的工作原理 • 网桥保存一份所连接站点和其端口对应关系的站表 • 网桥从端口1、2接收网段上的帧 • 收到1帧，缓存该帧 • 进行差错校验，正确转5，出错丢掉。 • 查找站表。判断如果属于同一个网段，丢掉，否则转相应断口 网桥 1 2

  7. 网桥的应用 • 网桥是用网桥软件实现的。 • 网桥应用： • 桥接2个网段：计算机+双网卡+网桥软件 • 桥接不同链路层

  8. 网桥的种类 • 透明网桥 • IEEE 801.1(D) • 各网桥自己决定如何选路 • 源站选路网桥 • IEEE 801.5 • 发送帧的源站点负责路由选择，即源站选路网桥。 • 源站选路网桥假定每个站在发送帧时都已清楚知道发往目的站的路径，并将详细的路由信息放在帧的首部。

  9. 网桥的功能和缺点 • 功能 • 过滤通信流量 • 扩大物理范围 • 提高了可靠性 • 网络性能提高 • 缺点 • 网桥处理增加时延 • 在MAC子层没有流量控制 • 不同MAC子层的网段通过网桥相连，需要进行帧修改，增加时延

  10. 9.6.4交换式以太网 • 交换式以太网的提出 • 以太网交换机的工作原理 • 交换式以太网

  11. 交换式以太网的提出 • 共享式以太网存在的问题 • 覆盖的地理范围有限 • 网络总带宽容量固定 • 不能支持多种速率 • “交换”的提出 • 交换：网络连接设备从一个端口得到的信息只复制到目的端口 • 集线器->交换机 • 使用交换设备将网络分段 • 将一个大型的以太网分割成2个或多个小型的以太网 • 每个段使用CSMA/CD介质访问控制方法维持段内用户的通信 • 段与段之间通过一种“交换”设备进行沟通 • 这种“交换”设备可以将在一段接收到的信息，经过简单的处理转发给另一段

  12. 以太网交换机的工作原理 • 以太网交换机的工作过程 • 以太网交换机的结构 • 数据转发方式 • 地址学习 • 通信过滤

  13. 1 2 3 4 1 2 3 4 以太网交换机的结构 • 共享内存 • 所有交换端口共享一块中央内存，依赖中心交换引擎（交换处理模块）提供全端口的高性能连接。 • 交叉总线 • 端口和端口之间建立直接的点对点连接（交叉线矩阵） • 混合交叉总线 • 将一体的交叉矩阵划分成小的矩阵，中间通过一条高性能总线连接。 • 环形总线结构

  14. 以太网交换机的工作过程 • 交换式以太网的核心是一个以太网交换机。 • 交换机有一个高速背板，此背板通常被划分成多个以太网段，每个网段由一个模块支持并构成一个冲突域（ collision domain）。 • 当某个站点发送的数据帧到达交换机时，交换机上的以太网模块首先检查该帧的目的地址所指向的站点是否在同一个以太网模块上。如果是，就复制该帧，并把它复制到对应的端口上；否则，就将该帧通过交换机的高速背板转发到另一个连接着目的站点的以太网模块上。

  15. 交换式以太网

  16. 数据转发方式 改进的直接交换 存储转发 直接交换 • 直接交换 • 边接收边检测，检测出MAC地址就转发，不检错 • 不支持不同速率的端口之间的数据交换 • 存储转发 • 接收并存储数据，检错发现正确后再转发数据 • 交换延迟长 • 检错，支持不同速率端口之间的数据交换 • 改进的直接交换 • 判断数据头是否正确

  17. 地址学习 • 读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口 地址学习

  18. 交换机内存图

  19. 交换式以太网

  20. 半双工/全双工模式 • 半双工 • 集线器将各站点连接到一条传输介质 • 全双工 • IEEE 802.3x • 物理传输介质必须是适用全双工的（站点拥有独立的发送线路和接收线路。所以10base-T、10base-2、10base-5、10base-F、100base-T4，都不能用于全双工）。 • 两个站之间的链路具有单独的发送/接收信道。CSMA/CD不再适用。 • 两个站都需要进行全双工操作。

  21. 快速以太网-fastEthernet • IEEE 802.3u • IEEE 802.3u MAC子层= IEEE 802.3MAC子层 • 帧格式、接口、协议规程均与802.3相同 • IEEE 802.3u物理层 • 速率：100Mbps。 • 802.3u只使用hub和交换机进行组网 • 传输介质：双绞线和光纤 • 802.3u标准化了三种布线方案 • 100Base-T4 • 100Base-TX • 100Base-FX

  22. 快速以太网的物理层标准 1 0 0 B a s e - T X 1 0 0 B a s e - F X 1 0 0 B a s e - T 4 支持全双工 是 是 否 电缆对数 两对双绞线 一对光纤 四对双绞线 电缆类型 UTP Cat 5 STP Type 1 多模/单模光纤 UTP Cat 3 网段最大距离（不加中继器） 1 0 0 m 中继器-DTE：150 m DTE-DTE：412m 全双工DTE-DTE：2 k m 单模全双工DTE-DTE：104 m 1 0 0 m 接口类型 R J - 4 5/ D B 9 M I C（FDDI），S T，S C R J - 4 5 覆盖范围 205m 205m 用途 100M局域网 工作组和建筑物之间的主干网 100M局域网 编码 4B/5B差分不归零制编码 4B/5B差分不归零制编码 8B/6T不归零制编码 波特率 125M 125M 25M

  23. 100Base-T4 3类双绞线的布线方案 • 网段长度：100米 • 信号编码： 8B/6T编码 • 信号速率： 25M波特/每对双绞线 • 使用全部四对双绞线 • 一对总是作为输入，一对总是作为输出，另外两对根据当前的传输方向进行切换，即在当前传输方向上可以使用三对双绞线。 • 每对双绞线使用3状态信号（即信号状态可为0、1或2），使用8B/6T编码，则每对线速率= 8/6 ×25M =33.3Mbps 。 • 当前传输方向上数据速率=8/6 ×25M × 3 = 100Mbps • 另一方向上数据速率= 8/6 ×25M =33.3Mbps。

  24. 100Base-T4组网器件 • 计算机 • 100Base-T4网卡 • 3类双绞线 • 100Base-T4集线器

  25. 100Base-TX 5类双绞线的布线方案 • 使用两对双绞线 • 一对用于输入，一对用于输出 • 信号速率：125M波特/每对 • 信号编码：4B/5B编码（即每4比特数据编码成5比特的信号） => 数据速率/每对双绞线=125M×4/5 = 100Mbps。

  26. 4B/5B编码 • 将4bit数据组成的奈培（nib）变换成由5bit数据组成的码字。 • 4B/5B编码的目的就是将数据包的起始符、帧结束、空载与控制功能等符号都编成码组进行传输

  27. 100Base-TX组网器件 • 计算机 • 100Base-TX网卡 • 3类双绞线 • 100Base-TX集线器 • 100Base-TX交换机

  28. 100Base-FX光纤布线方案 • 使用两条多模光纤 • 一条用于输入，一条用于输出 • 每条的数据速率均为100Mbps • 网段长度：2000米 • 100Base-T4和100Base-TX统称为100Base-T

  29. 100Base-FX组网器件 • 服务器+100Base-FX网卡 • 工作站+ 100Base-TX网卡 • 光纤收发器 • 单模/多模光纤 • 支持100Base-FX的交换机

  30. I类、II类中继器 • I类中继器 • 信号中继放大 • 编码转换 • II类中继器 • 信号中继放大

  31. 100Base冲突直径设计规则 • 10Base以太网的最小帧长：64Byte=512bit • 100Base以太网的传输速率：100Mbps • 100Base以太网的T=512bit/100Mbps=5.12 μs • 100Base –TX：0.5*2+0.556*2*m+(0.7或0.46)*2*n < 5.12 • 100Base –FX：0.5*2+0.5*2*m+(0.7或0.46) *2*n < 5.12

  32. 100mUTP 100mUTP 100mUTP 200m 5mUTP 100mUTP 100mUTP 205m 100base网络直径设计规则 1个I类FX中继器 1个I/II类中继器 272m 2个I/II类中继器

  33. 100base网络直径设计规则

  34. 10M以太网提速 • 使用10Mbps交换机连接各站点 • 配置快速以太网 • 使用10/100M自适应网卡 • 使用5类UTP • 使用10/100M自适应集线器 • 使用交换机分割主干网段

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