1、3.13.23.33.43.5以太網(wǎng)的發(fā)展和網(wǎng)卡以太網(wǎng)的發(fā)展和網(wǎng)卡總線形以太網(wǎng)總線形以太網(wǎng)共享以太網(wǎng)共享以太網(wǎng)網(wǎng)網(wǎng) 橋橋交換式以太網(wǎng)交換式以太網(wǎng)3.63.73.83.9快速以太網(wǎng)快速以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)萬(wàn)兆以太網(wǎng)（萬(wàn)兆以太網(wǎng)（10GE）十萬(wàn)兆以太網(wǎng)（十萬(wàn)兆以太網(wǎng)（40/100GE）1以太網(wǎng)的發(fā)展以太網(wǎng)的發(fā)展圖3.1所示為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法的簡(jiǎn)單示意圖。1995年，傳輸速率為100Mbps的快速以太網(wǎng)（FE）出現(xiàn)。1999年，傳輸速率為1Gbps的千兆以太網(wǎng)（GE，又稱吉比特以太網(wǎng)）出現(xiàn)。2002年，傳輸速率為10Gbps的萬(wàn)兆以太網(wǎng)（10GE）出現(xiàn)。2010年，傳輸速率為100Gbps的

2、十萬(wàn)兆以太網(wǎng)（100GE）出現(xiàn)。2網(wǎng)卡網(wǎng)卡網(wǎng)卡（NIC）也叫網(wǎng)絡(luò)適配器，是計(jì)算機(jī)及其連接網(wǎng)絡(luò)的接口。在臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器上通常使用PCI網(wǎng)卡（見(jiàn)圖3.2），或者將網(wǎng)卡直接做在主板上，而筆記本電腦同時(shí)配備有線網(wǎng)卡和無(wú)線網(wǎng)卡。 網(wǎng)卡的主要功能分為發(fā)送和接收：網(wǎng)卡的主要功能分為發(fā)送和接收：（1）發(fā)送。就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先緩存，然后組織成以太網(wǎng)幀發(fā)送出去，其中包括：加入幀頭、自動(dòng)生成校驗(yàn)數(shù)據(jù)作為幀尾。對(duì)幀（二進(jìn)制流）數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后幀變成傳輸介質(zhì)可以傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)送出去。（2）接收。就是接收傳輸介質(zhì)上的信號(hào)，變成數(shù)據(jù)幀，校驗(yàn)它的正確性后緩存起來(lái)，然后通知CPU。為了統(tǒng)一管理以太網(wǎng)的硬件地址，保證每塊以太

3、網(wǎng)卡的地址是全球唯一的，IEEE注冊(cè)管理委員會(huì)為每個(gè)網(wǎng)卡生產(chǎn)商分配以太網(wǎng)物理地址的前24位，即公司標(biāo)識(shí)也稱為機(jī)構(gòu)唯一標(biāo)識(shí)符（OUI），后面的24位由網(wǎng)卡廠商自行分配。具體表示如下：以太網(wǎng)的48物理地址通常用6個(gè)十六進(jìn)制數(shù)表示，2個(gè)十六進(jìn)制數(shù)之間用“-”號(hào)隔開(kāi)，如圖3.3所示。【例例3.1】 IEEE分配給3COM公司的前3字節(jié)中的一個(gè)為00-60-08。3COM公司為某塊網(wǎng)卡分配后24位為00-A6-38，則這個(gè)網(wǎng)卡的MAC地址為00-60-08-00-A6-38。3.2.1 基本組成與工作原理基本組成與工作原理 最初以太網(wǎng)是一種總線形局域網(wǎng)。總線形結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。DIX V2標(biāo)準(zhǔn)定義幀成

4、為MAC幀，幀結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。1前同步碼與幀開(kāi)始定界符前同步碼與幀開(kāi)始定界符為了接收端迅速實(shí)現(xiàn)位同步，在幀的前面插入8字節(jié)（由硬件生成），它由兩個(gè)字段構(gòu)成。第一個(gè)字段是7個(gè)字節(jié)的前同步碼（1和0交替），作用是使接收端網(wǎng)卡在接收幀時(shí)能夠迅速調(diào)整其時(shí)鐘頻率，與發(fā)送端的時(shí)鐘同步（位同步，即比特同步）。第二個(gè)字段是幀開(kāi)始定界符，定義為10101011。它的前6位的作用和前同步碼一樣，最后兩個(gè)連續(xù)的1就是告訴接收端網(wǎng)卡：“幀的信息馬上就要來(lái)了，請(qǐng)你注意接收！”2目的地址和源地址字段目的地址和源地址字段目的地址則有可能是單播、多播或者廣播地址。如果目的地址的第一個(gè)字節(jié)的最低位是0，那么這個(gè)地址就是單播

5、地址（接收者網(wǎng)卡EUI-48）；反之則是多播地址。如圖3.6所示。3類型字段類型字段類型字段表示的是網(wǎng)絡(luò)層使用的協(xié)議類型。例如：當(dāng)類型字段值等于0 x0800時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議；當(dāng)類型字段值等于0 x0806時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)層使用ARP協(xié)議；當(dāng)類型字段值等于0 x8137時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)層使用NetWare的IPX協(xié)議。4數(shù)據(jù)字段數(shù)據(jù)字段數(shù)據(jù)字段是結(jié)點(diǎn)待發(fā)送的數(shù)據(jù)部分。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在461500字節(jié)之間。5幀校驗(yàn)字段幀校驗(yàn)字段幀校驗(yàn)字段（FCS）是為了檢測(cè)網(wǎng)卡接收的MAC幀有無(wú)差錯(cuò)而專門(mén)設(shè)置的。1使用中繼器延長(zhǎng)總的距離使用中繼器延長(zhǎng)總的距離信號(hào)在同軸電纜中進(jìn)行傳輸時(shí)有衰減并且會(huì)受到噪聲的干擾，使得

6、有用的數(shù)據(jù)信號(hào)隨著傳輸距離的增加會(huì)變得越來(lái)越弱，信號(hào)在粗纜上可傳輸500m，在細(xì)纜上只能傳輸185m。2以太網(wǎng)最小幀長(zhǎng)度限制總的距離以太網(wǎng)最小幀長(zhǎng)度限制總的距離在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，最多可以分為5個(gè)電纜段，用4個(gè)中繼器連接。這樣，粗纜以太網(wǎng)（10BASE-5）延長(zhǎng)后的最大總線長(zhǎng)度為2500m。如圖3.7所示。1以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)流程分析以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)流程分析圖3.8給出了以太網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送流程。（1）載波偵聽(tīng)。每個(gè)以太網(wǎng)結(jié)點(diǎn)利用總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要偵聽(tīng)總線是否空閑。以太網(wǎng)的物理層規(guī)定發(fā)送的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼方式。圖3.9給出了總線電平跳變與總線忙閑狀態(tài)的判斷。（2）沖突發(fā)生。電磁波在電纜中的傳播速

7、率大約為2l05 km/s。如果結(jié)點(diǎn)A與結(jié)點(diǎn)B之間相距L km，電磁波傳播時(shí)延為= L/（2l05）。因?yàn)锳開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)大約后，B才有可能收到該數(shù)據(jù)幀。在這段時(shí)間內(nèi)，結(jié)點(diǎn)B并不“知道”A已發(fā)出數(shù)據(jù)，它檢測(cè)到信道空閑就有可能也發(fā)數(shù)據(jù)。圖3.10所示的例子可以說(shuō)明這種情況。（3）沖突檢測(cè)。從電子學(xué)的具體實(shí)現(xiàn)角度看，進(jìn)行沖突檢測(cè)可以有兩種方法：比較法：發(fā)送結(jié)點(diǎn)在發(fā)送幀的同時(shí)，將其發(fā)送信號(hào)波形與從總線上接收到的信號(hào)波形進(jìn)行比較。編碼違例判決法：檢查從總線上接收的信號(hào)波形，若不符合曼徹斯特編碼規(guī)律，就說(shuō)明已經(jīng)出現(xiàn)了沖突。（4）發(fā)現(xiàn)沖突，停止發(fā)送。以太網(wǎng)采取一種叫做強(qiáng)化沖突的措施。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)點(diǎn)一旦發(fā)現(xiàn)

8、發(fā)生了沖突時(shí)，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要再繼續(xù)發(fā)送人為干擾信號(hào)，以便讓總線上所有結(jié)點(diǎn)都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了沖突（見(jiàn)圖3.11）。（5）隨機(jī)延遲重發(fā)。以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定一個(gè)幀的最大重發(fā)次數(shù)為16。如果重發(fā)次數(shù)超過(guò)16，則認(rèn)為線路故障，進(jìn)入“沖突過(guò)多”結(jié)束狀態(tài)。如果重發(fā)次數(shù)n16，則允許結(jié)點(diǎn)隨機(jī)延遲再重發(fā)。為了公平地解決信道爭(zhēng)用問(wèn)題，需要確定后退延遲算法。該算法可以表示為：=2kR2以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)流程的分析以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)流程的分析圖3.12給出了以太網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收流程。3.3.1 集線器集線器及其傳輸介質(zhì)1集線器集線器具有多個(gè)端口的中繼器稱為集線器（Hub）。集線器上的多個(gè)端口將各介質(zhì)段物理地連接在

9、一起，同時(shí)把所有端系統(tǒng)集中在以它為中心的結(jié)點(diǎn)上。 2雙絞線連接雙絞線連接每條雙絞線電纜兩頭都要安裝RJ-45連接器（俗稱水晶頭），其中8根雙絞線的作用如圖3.15所示。 用雙絞線連接計(jì)算機(jī)和集線器時(shí)，兩端的RJ-45頭中雙絞線的分布排列必須完全一致，稱為標(biāo)準(zhǔn)“直通”的排列方式，如圖3.16所示。3光纖連接光纖連接光纖以太網(wǎng)也呈星形結(jié)構(gòu)，所不同的只是網(wǎng)絡(luò)中心為光集線器。光纖的一端與光集線器連接，另一端與網(wǎng)卡連接。如圖3.17所示。基于集線器組成的網(wǎng)絡(luò)雖然物理上是星形結(jié)構(gòu)，但邏輯上仍然是總線結(jié)構(gòu)。如圖3.18所示。1級(jí)聯(lián)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)的方法有以下兩種：一是使用標(biāo)準(zhǔn)雙絞線連接下級(jí)集線器的級(jí)聯(lián)端口（UP

10、Link）和上級(jí)集線器的普通RJ-45端口。二是在集線器沒(méi)有級(jí)聯(lián)端口時(shí)，用交叉雙絞線直接連接兩個(gè)集線器的普通RJ-45口也可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，如圖3.19所示。2堆疊堆疊使用網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備廠家提供的專用堆疊電纜把兩臺(tái)集線器通過(guò)專用堆疊端口連接起來(lái)，稱為堆疊。如圖3.20所示。3沖突域沖突域例如，圖3.21所示為3個(gè)獨(dú)立的沖突域，每個(gè)沖突域包含n臺(tái)計(jì)算機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)分得的帶寬為100Mbps/n。圖3.22所示為一個(gè)獨(dú)立的沖突域，每臺(tái)計(jì)算機(jī)分得的帶寬為100Mbps/3n。1網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)橋的每個(gè)端口與一個(gè)局域網(wǎng)網(wǎng)段相連。網(wǎng)橋的組成結(jié)構(gòu)如圖3.23所示。2通過(guò)自學(xué)習(xí)建立轉(zhuǎn)發(fā)表通過(guò)自學(xué)習(xí)建

11、立轉(zhuǎn)發(fā)表（1）若網(wǎng)橋端口x收到一個(gè)無(wú)差錯(cuò)的幀，則在轉(zhuǎn)發(fā)表中查找目的MAC地址。（2）如沒(méi)有該MAC地址，轉(zhuǎn)到過(guò)程（3）。否則查找出連接該MAC地址對(duì)應(yīng)的端口d。如果端口d=x，則丟棄此幀；否則從端口d轉(zhuǎn)發(fā)此幀。轉(zhuǎn)到過(guò)程（4）。（3）向網(wǎng)橋除x以外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)此幀。（4）如源結(jié)點(diǎn)不在轉(zhuǎn)發(fā)表中，則將它的MAC地址加入到轉(zhuǎn)發(fā)表，登記該幀進(jìn)入網(wǎng)橋的端口號(hào)x，設(shè)置登記時(shí)間。3透明網(wǎng)橋透明網(wǎng)橋“透明”是指局域網(wǎng)上的結(jié)點(diǎn)并不知道所發(fā)送的幀將經(jīng)過(guò)哪幾個(gè)網(wǎng)橋，因?yàn)榫W(wǎng)橋?qū)Ω鹘Y(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是看不見(jiàn)的。但這樣可能出現(xiàn)兜圈子現(xiàn)象，如圖3.24所示。4使用網(wǎng)橋擴(kuò)展以太網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)使用網(wǎng)橋擴(kuò)展以太網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)（1）過(guò)濾通信量。網(wǎng)橋

12、工作在鏈路層，可以使以太網(wǎng)各網(wǎng)段成為隔離開(kāi)的沖突域。如圖3.25所示。（2）擴(kuò)大了物理范圍，增加了整個(gè)以太網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的最大數(shù)目。（3）提高了可靠性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，一般只影響個(gè)別網(wǎng)段。（4）可互聯(lián)不同物理層、不同MAC子層和不同速率的以太網(wǎng)。使用網(wǎng)橋擴(kuò)展以太網(wǎng)也有以下缺點(diǎn)：使用網(wǎng)橋擴(kuò)展以太網(wǎng)也有以下缺點(diǎn)：（1）由于網(wǎng)橋?qū)邮盏膸却鎯?chǔ)和查找轉(zhuǎn)發(fā)表，然后才轉(zhuǎn)發(fā)，因此不可避免地增加了轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延。（2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)荷很重時(shí)，網(wǎng)橋中緩存的存儲(chǔ)空間可能不夠而發(fā)生溢出，以至產(chǎn)生幀丟失的現(xiàn)象。（3）網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時(shí)還會(huì)因傳播過(guò)多的廣播信息而產(chǎn)生廣播風(fēng)暴。3.5

13、.1 以太網(wǎng)交換機(jī)以太網(wǎng)交換機(jī) 以太網(wǎng)交換機(jī)是交換式以太網(wǎng)的核心構(gòu)件，其功能類似于網(wǎng)橋。網(wǎng)橋的端口數(shù)很少，而以太網(wǎng)交換機(jī)通常都有幾十個(gè)端口。因此，它實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)多端口的網(wǎng)橋。1工作原理：多端口的網(wǎng)橋工作原理：多端口的網(wǎng)橋圖中的交換機(jī)有6個(gè)端口，其中端口1、4、5、6分別連接結(jié)點(diǎn)A、B和E、C、D，地址映射表根據(jù)以上端口號(hào)與結(jié)點(diǎn)MAC地址建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。2交換機(jī)的種類交換機(jī)的種類（1）企業(yè)級(jí)交換機(jī)：從外觀上看，一般來(lái)講企業(yè)級(jí)交換機(jī)都是機(jī)架式，作為骨干交換機(jī)支持500個(gè)信息點(diǎn)以上的大型企業(yè)應(yīng)用。（2）部門(mén)級(jí)交換機(jī)：可以是機(jī)架式或固定配置式，支持300個(gè)信息點(diǎn)以下的中型企業(yè)應(yīng)用。（3）工作組級(jí)交換機(jī)

14、：為固定配置式，支持100個(gè)信息點(diǎn)以內(nèi)的單位或小型企業(yè)應(yīng)用。（4）小型（辦公室或家庭）交換機(jī)：帶寬在100Mbps及以下，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且多是桌面型的。3背板帶寬背板帶寬以太網(wǎng)交換機(jī)由于使用了專用的交換結(jié)構(gòu)芯片，其交換速率很高，交換機(jī)的速率一般由背板帶寬來(lái)表示。常見(jiàn)交換機(jī)的背板帶寬從幾Gbps到上百Gbps不等。4全雙工工作方式全雙工工作方式共享式以太網(wǎng)為半雙工工作方式，發(fā)送和接收不能同時(shí)進(jìn)行，所有端口共享信道帶寬。1虛擬局域網(wǎng)的虛擬局域網(wǎng)的構(gòu)建構(gòu)建 虛擬局域網(wǎng)是在現(xiàn)有局域網(wǎng)上提供的劃分邏輯組的一種服務(wù)，由IEEE802.1q標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定。VLAN是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無(wú)關(guān)的邏輯

15、組，而這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。【例例3.2】 用4個(gè)交換機(jī)連接9個(gè)站構(gòu)成3個(gè)虛擬局域網(wǎng)。2虛擬局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)虛擬局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個(gè)4字節(jié)的標(biāo)識(shí)符，如 圖3.29所示，稱為VLAN標(biāo)記（tag），用來(lái)指明發(fā)送該幀的工作站屬于哪一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。1MAC子層子層快速以太網(wǎng)仍然保持相同的48比特地址、相同的MAC幀格式以及最小幀長(zhǎng)和最大幀長(zhǎng)。可向下兼容標(biāo)準(zhǔn)10Mbps以太網(wǎng)。2工作方式工作方式快速以太網(wǎng)支持半雙工和全雙工工作方式。3自動(dòng)協(xié)商自動(dòng)協(xié)商自動(dòng)協(xié)商允許兩個(gè)設(shè)備對(duì)操作的模式或數(shù)據(jù)率進(jìn)行協(xié)商。使一個(gè)最大容量為10 Mbps的設(shè)備能夠與最大容量為100 Mbps的

16、設(shè)備在較低的數(shù)據(jù)率下互相通信。4實(shí)現(xiàn)方案實(shí)現(xiàn)方案快速以太網(wǎng)在物理層的實(shí)現(xiàn)可劃分為二線和四線兩大類。二線實(shí)現(xiàn)可以使用屏蔽雙絞線電纜STP（100BASE-TX）或光纜（100BASE-FX）。四線實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)只能使用非屏蔽雙絞線電纜UTP（100BASE-T4）。特 性100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T4媒體線對(duì)數(shù)最大長(zhǎng)度STP2100m光纜22000mUTP4100m圖3.30所示為每種實(shí)現(xiàn)方法的簡(jiǎn)單示意圖。根據(jù)應(yīng)用需求，100Mbps交換機(jī)與10Mbps交換機(jī)可以組合使用，如圖3.31所示。1MAC子層子層為了能夠與前兩代以太網(wǎng)兼容，千兆以太網(wǎng)支持半雙工方式。它原封不動(dòng)

17、地保留MAC子層，使用相同的48比特地址、相同的幀格式以及最小幀長(zhǎng)和最大幀長(zhǎng)。2半雙工模式半雙工模式為了保存最小幀長(zhǎng)，已定義的解決方案有3種：（1）傳統(tǒng)的方式。在傳統(tǒng)方式下，保持幀的最小長(zhǎng)度與傳統(tǒng)以太網(wǎng)一致（512比特）。（2）載波延伸。為了使網(wǎng)絡(luò)可以更長(zhǎng)，就要增加最小幀長(zhǎng)度。載波延伸定義幀的最小長(zhǎng)度為512字節(jié)（4096比特），也就是說(shuō)最小幀長(zhǎng)是原來(lái)的8倍。如圖3.32所示。（3）幀突發(fā)。如果有一連串的短幀要發(fā)送，那么載波延伸就顯得非常低效。為了提高效率，人們提出了幀突發(fā)。這種模式不再為每個(gè)幀附加擴(kuò)充位，而是一次發(fā)送多個(gè)幀。3實(shí)現(xiàn)方案實(shí)現(xiàn)方案表3.2為千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法。特 性1000BAS

18、E-SX1000BASE-LX1000BASE-CX1000BASE-T4媒體線對(duì)數(shù)最大長(zhǎng)度光纜（短波）2550m光纜（長(zhǎng)波）25000mSTP225m5類UTP4100m圖3.34所示為千兆以太網(wǎng)每種實(shí)現(xiàn)方法的簡(jiǎn)單示意圖。4應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例（1）千兆以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)。圖3.35給出了千兆交換以太網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)例，一臺(tái)千兆交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的主干設(shè)備，連接了若干臺(tái)100 Mbps交換機(jī)和服務(wù)器，構(gòu)成了千兆主干網(wǎng)。（2）千兆以太網(wǎng)作為校園主干網(wǎng)絡(luò)圖3.36為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)校園網(wǎng)拓?fù)鋱D，這是一個(gè)典型的層次結(jié)構(gòu)的千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)。萬(wàn)兆以太網(wǎng)主要具有以下特點(diǎn)。（1）幀格式與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)幀格式相同。（2）保留802.3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以太