計算機網絡（第十四講）主講：李勇二零一五年十月計算機網絡講義2上次課主要內容以太網傳統以太網CSMA/cd協議爭用期截斷二進制指數退避算法傳統以太網的信道利用率傳統以太網的網絡接口以太網的MAC層以太網的幀格式以太網的硬件地址擴展的局域網物理層擴展4.7.4擴展的局域網3在物理層擴展局域網1、利用中繼器；2、集線器是一個多口的中繼器；3、利用集線器的堆疊和級聯在物理層擴展局域網；4、在物理層擴展網絡，廣播域和碰撞域都不發生改變，網絡的性能受到極大的影響；5、要改善網絡的性能，需要盡量減少碰撞的可能。減小碰撞域減小廣播域6、如何減小碰撞域和廣播域呢？1、減小碰撞域的分析1.通過減小碰撞域可以大大減少碰撞的概率；2.減少了碰撞的概率，提高了性能；3.對于廣播幀來講，即使減小了碰撞域，也不能減少碰撞的概率。1112132122

233132廣播域碰撞域31112132122

233132廣播域1-

p(1-p)8-141-

p(1-p)3-1碰撞域2碰撞域11-

p(1-p)3-12、物理分段5將上述過程，稱為物理分段1、每個碰撞域為一個物理網段；2、物理分段在數據鏈路層實現。如何實現物理分段1、物理分段后，需要一個工作在數據鏈路層的設備將各個物理分段連接起來；2、該設備需要具有如下功能。該設備連接兩個物理網段；該設備能接收來自兩個物理網段的任何數據幀；對于廣播幀，該設備象集線器一樣工作；對于非廣播幀，該設備首先獲得數據幀中的目的MAC地址，然后根據該設備內部存放的MAC地址和物理網段對照表進行轉發。3、物理分段示例1112132122

23廣播域工作在數據鏈路層的設備碰撞域2碰撞域MAC地址碰撞域111碰撞域113碰撞域112碰撞域221碰撞域222碰撞域2232113DATAFCB6碰撞域1具有MAC地址為13的工作站向具有MAC地址21的工作站發送數據幀4、物理分段后的拓撲結構示意圖物理分段后的以太網拓撲結構示意圖75、網橋8該設備稱為網橋1、網橋工作在數據鏈路層，用來連接不同的碰撞域；2、通過將一個大的碰撞域劃分成小的碰撞域，減少碰撞的概率；3、利用網橋不能劃分廣播域，網橋對待廣播幀和集線器一樣處理；4、網橋內部存放一個MAC地址與物理網段的對照表，網橋通過對收到數據幀中包含的目的MAC地址處理實現數據幀的轉發；5、網橋具有過濾功能，當網橋收到一個非廣播數據幀后，并不是向所有的端口轉發，而是根據數據幀中的目的MAC地址進行轉發，正是利用此功能實現了碰撞域的劃分；6、利用網橋可以改善網絡的性能，實現網絡的擴展；7、網橋通過對數據幀中的源MAC地址進行學習，從而構造MAC地址與物理網段的對照表。5-1、網橋的內部結構與工作原理站地址端口MAC11MAC22…………MACnn緩存端口1

端口2網橋協議實體端口管理軟件端口n…站表網橋95-2、網橋的優點10細劃碰撞域，過濾通信量，減少碰撞。擴大了網絡的規模。提高了可靠性。可互連不同物理層，不同速率的網段。5-3、網橋的缺點11增加了時延。沒有流量控制功能，緩存可能發生溢出。由于只細劃了碰撞域，而廣播域還是一個，因此可能會產生廣播風暴。6-1、透明網橋12目前使用最多的是基于透明網橋原理的設備。所謂的“透明”的含義。1、站點發出的數據幀不知道要經過哪些網橋；2、網橋對各個網段來講是沒有影響的，也就是所謂的“看不見”；3、透明橋是一種既插既用的設備；4、透明橋對傳輸的數據幀不做任何的修改；5、透明橋的工作過程。通過數據幀中的源MAC地址進行學習；學習的內容包括:源站地址、端口和時間；定時更新站表；利用站表轉發數據幀；表中如無有匹配表項，就進行廣播。6-2、透明網橋的任務131.網橋不能修改它所轉發的幀；2.網橋通過在端口上偵聽數據幀中的源MAC地址來建立端口、

MAC地址映射表；3.網橋必須將它所接收到的廣播幀轉發到除接收端口之外的所有端口；4.如果一個數據幀的目的MAC地址是未知的，則網橋將該數據幀轉發到除接收該幀端口之外的所有端口；5.當網橋接收到的數據幀的目的地址位于接收端口所連的網絡上，網橋拋棄該幀，否則，轉發該幀。在沒有環路的網絡中，透明網橋可以工作得非常好，但當網絡中出現環路時，由于透明網橋不能像路由器那樣知道數據幀可以經過多少次轉發，就會造成報文在環路內不斷循環、增生，造成廣播風暴。6-3、透明網橋中的廣播風暴當網橋A發出一個廣播幀時，該廣播幀將被轉發到網橋B、網橋C。而網橋B、網橋C將通過環形拓撲將該廣播幀再次轉發到網橋A。如此下去廣播幀將在具有冗余的環形拓撲中不斷轉發下去，形成廣播風暴。由于該廣播幀形成的廣播風暴占據鏈路的帶寬，將導致正常的數據幀不能被轉發，從而使網絡出現故障，最終導致網絡不可用。廣播幀A廣播幀B廣播幀C廣播幀A1廣播幀A2146-4、透明網橋中的生成樹協議利用生成樹協議避免廣播風暴。利用生成樹協議可以提供冗余鏈路，提高可靠性。圖115圖2圖37、其他網橋16源路由網橋---令牌環的標準。多端口網橋—交換機。1、又稱交換式集線器；2、能對網絡實施物理分段；3、能擴大網絡的覆蓋范圍；4、能改善網絡的性能；5、在交換機上實現了眾多的局域網技術，用于改善網絡的性能可提高網絡的可靠性。8、以太網交換機分類及二層交換機17以太網交換機分為：二層交換機、三層交換機和四層交換機。二層交換機工作在數據鏈路層，是多端口網橋。1、交換機內部具有輸入/輸出緩存；2、具有端口/MAC地址映射表-CAM表；3、實現了網橋的所有功能。8-1、交換機組網拓撲示意圖物理拓撲是星型邏輯拓撲也是星型188-2、以太網二層交換機交換方式191.第二層以太網交換機工作在數據鏈路層；

2.以太網交換機具有流控制和差錯控制功能；3.以太網交換機對輸入的信號采取兩種方法進行交換，存儲轉發模式和直通模式。8-3、存儲轉發方式所謂的存儲轉發模式是將整個數據幀讀入交換機的高速緩存，進行檢查，如果發現該數據幀是不完整的數據幀則將該數據幀拋棄，否則進行轉發。這種方式提高了數據轉發的效率；但由于要進行數據幀的拆開和重組，需要時間和資源，因此，這種方式將減低交換機的性能。緩存結果查詢高速緩沖

存儲器交換控制器端口地址

映射表以太網

端口檢查20存儲轉發模式工作示意圖218-4、直通方式所謂的直通方式是將以太網數據幀包含目標地址的前64

（或16）字節讀入交換機的高速緩存，解析出目標MAC地址后進行交換這種方法速度快；但容易將不完整的或錯誤的數據幀交換出去。由于沒有讀取完整的數據幀，位于幀尾部的FCS不能被讀出，不能進行差錯校驗；不能進行差錯校驗的結果是可能將錯誤的數據幀轉發出去；對于某些只接受前16字節的交換機，由于不能判斷是否發生碰撞，可能會轉發不完整的數據幀。查詢結果交換

控制器端口地址

映射表以太網

端口檢查緩存直通模式工作示意圖8-5、兩種不同轉發方式的比較22兩種不同轉發方式的比較1、直通式方式速度快、延時小，但可靠性差，容易擴散錯誤，使交換機效率減低，適用于網絡傳輸質量較高的應用場合。沒有外來干擾的機房、辦公室光纖網絡2、存儲轉發式可以將錯誤過濾掉，提高了交換機的交換效率和可靠性，但延時較大，速度較低，適用與網絡傳輸質量較差的應用場合。工廠的生產車間開放的環境在某些廠家的交換機中還有介于存儲轉發式和直通式在產品，實際應用中應根據線路的質量設置交換機的交換方式。8-6、以太網二層交換機交換通道實現的方式在以太網二層交換機中存在著多條并行的數據交換通道。RAM串并轉換串并轉換輸入輸出CPU軟件執行交換結構1、多條數據交換通道的實現方式軟件執行交換結構；交換矩陣；共享的高速緩存；高速背板總線分時復用。輸入輸出交換矩陣交換總線輸入輸出高速背板總線共享高速緩存……23輸入輸出共享高速緩存8-7、多交換通道支持多個工作站同時進行數據交換2、多條數據交換通道可使多個工作站同時進行數據交換。不必在共享同一個媒體，是全雙工傳輸的基礎；與集線器相比，傳輸效率有質的提高；（3）CSMA/CD協議失效。以太網交換模塊以太網交換模塊交換引擎模塊備用電源模塊電源主模塊母板插槽248-8、以太網二層交換機的容量25如果交換機每個端口的速率是C，具有N個端口，則交換機的容量為C

x

N。交換機的每個端口是一個獨立的碰撞域。1、利用交換機將原來的碰撞域細劃；2、當交換機的每個端口只連接一個工作站時，對于非廣播幀將不會出現碰撞，性能最佳；3、交換機的端口也可連接一個集線器，這時，連接到集線器上的所有工作站構成一個碰撞域。8-9、以太網二層交換機全雙工模式261、采用雙絞線的星型網絡使得以太網傳輸介質從共享型轉入了專用型，并且采用交換式集線器或交換機，從而引入了一種高效的運行模式——全雙工模式。所謂全雙工，就是數據的發送和接收可以同時進行，互不干擾。2、每一個連接到交換機端口上的LAN均與端口上的以太網接口相連，而傳統的以太網接口則要按CSMA/CD協議進行數據的傳輸，即包括載波監聽、沖突檢測和退避等機制，這是半雙工操作的機制。要實現全雙工操作必須屏蔽掉上述過程，使發送和接收能同時進行。3、全雙工操作排除了半雙工以太網中鏈路長度的限制。因為全雙工操作不使用CSMA/CD，因此距離限制不再起作用，全雙工以太網的鏈路長度僅受介質的物理傳輸特性限制。4、全雙工操作可以增加鏈路容量。8-10、以太網二層交換機自動協商271、在實際應用中，以太網的運行有許多種組合，比如雙工模式可以選擇全雙工和半雙工，速率可以選擇10Mbps或100Mbps

，物理介質可以選擇五類雙絞線和三類雙絞線等等。這樣如果對每個終端設備都進行手工配置，必然是一項繁雜而且不可維護的工作。為了應付這樣多種多樣的運行模式，自動協商應運而生。2、自動協商的主要功能就是使物理鏈路兩端的設備自動通過交互信息，自動選擇一種運行模式來運行。它只對雙絞線以太網有效。自動協商的內容主要包括雙工模式，運行速率，流量控制等內容，一旦協商通過，鏈路兩端的設備就鎖定在這樣一種運行模式下，直到重新引導設備或重新插拔電纜。4.7.5

虛擬局域網28第二層交換機是工作在數據鏈路層的設備，因此，它只能減小碰撞域，而不能減小廣播域。1、對于目的地址不明確的幀，仍采用廣播形式；2、而廣播幀則必須采用廣播的形式；3、這些廣播導致了巨大的碰撞可能，極大的影響網絡的性能；4、要從根本上改變這種情況，在數據鏈路層無能為力；5、解決的辦法是減小廣播域，這必須有網絡層參與。在細劃了碰撞域（物理分段）之后，影響網絡性能的將主要是以廣播形式傳播的廣播幀。1、廣播幀突破了碰撞域，在廣播域內是封閉的；2、要解決這個性能問題，必須減小廣播幀；3、減小廣播幀是否會影響到網絡的正常工作呢？1、網絡業務流量的特點計算機局域網中的數據流量從應用的角度大體分為兩種：1、在一個相對獨立的范圍內傳播的本地流量2、在各個相對獨立的范圍之間的數據流量這與組織的各組成部門之間的關系恰好相吻合。一個部門的本地數據流量沒有必要，也不應該傳播到其他的部門。只有部門之間的數據流量才在各個部門之間流動。292、利用虛擬局域網細化廣播域30上述的討論給了細劃廣播域的可能。做如下設想:1、將各個部門劃分為不同的廣播域，則原來的局域網的一個廣播域被劃分成多個小的廣播域；2、本地數據流量被限制在劃分后的廣播域內，性能會大大的改善；3、那么，各個廣播域之間如何通訊呢？由于是廣播域之間的通訊，數據鏈路層無能為力；各個廣播域事實上是一個獨立的局域網；局域網之間的通訊需要網絡層的設備---路由器；利用路由設備在各個廣播域之間進行通訊，將數據鏈路層和網絡層的功能融合在一起，產生了第三層交換機。事實上，實現上述功能的技術就是虛擬局域網。細劃廣播域又稱為邏輯分組。3、虛擬局域網劃分原則虛擬局域網是由一些局域網物理網段構成的與物理位置無關的邏輯組，而這些網段具有某些共同的需求。1、相同的部門；2、相同的業務。虛擬局域網與物理位置無關是指1、可以跨越不同的物理范圍劃分虛擬局域網；2、虛擬局域網在物理上是“透明”的，所謂的“虛擬”也正是此含義。CISCOSYSTEMSCISCOSYSTEMS314、虛擬局域網劃分方法32虛擬局域網劃分分為動態和靜態兩種也可以以端口、MAC地址和IP地址來劃分5、虛擬局域網作用33細劃了廣播域，減少了碰撞，提高了性能。1、徹底解決了廣播幀的問題；2、隔離了廣播幀，避免了廣播風暴的產生，從根本上解決了由廣播幀帶來的性能問題；3、提供了一種新的局域網應用組合的方法。改善了安全性。1、限制了本地流量；2、傳統的網絡監聽成為了不可能；3、可以在不同虛擬局域網之間架設身份驗證和流量控制。6、擴充局域網小結34可以采用物理分段和邏輯分段的方式改善網絡性能。1、物理分段減小碰撞域，不改變廣播域，在數據鏈路層實現，采用的設備是二層交換機，物理分段減少碰撞，不能消除廣播幀帶來的碰撞；2、邏輯分段減小了廣播域，在數據鏈路層和網絡層是，采用的設備是三層交換機，邏輯分段徹底消除了廣播幀帶來的碰撞。4.7.6

高速以太網35100BASE-T1Gbps快速以太網10Gbps和100Gbps以太網100BASE-T36MAC子層100BASETxUTP/STP5類（2對）100BASEFxMMFSMF100BASET4UTP3類（4對）100BASET2