第6章 局域网交换技术-3

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2．Ethernet帧结构 图6.2(a)描述了MAC地址的具体结构。图6.2(b)描述了802.3 协议的帧结构，它由以下字段组成： (1) 前导码(preamble)：一个0和1交替的7字节串，接收者用 它来建立位同步。 (2) 帧起始定界符SFD(start of frame delimiter)：为
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与OSI比较，局域网主要的设计思想是在共享介质上以广播
分组方式实现计算机间的通信，因而它不要求网络提供路由选
择和中间交换等功能，因此IEEE 802参考模型没有定义网络层， 只定义了数据链路层和物理层的功能。其中，数据链路层分为 两个子层：介质访问控制MAC(Medium Access Control)子层和逻 辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层。引入独立的MAC子
第6章 局域网交换技术
6.1 局域网的基本概念 6.2 第二层交换 6.3 第三层交换 6.4 第四层交换 思考题
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6.1 局域网的基本概念
6.1.1 局域网的体系结构
局域网的体系结构在20世纪80年代初由IEEE 802委员会开
始制定，到目前为止已经产生了多个关于局域网的标准，它们
统称为IEEE 802标准系列，著名的包括CSMA/CD(习惯称为 Ethernet)、令牌环、令牌总线、无线局域网WLAN等。
802模型中包含了对两者详细的规定。图6.1是局域网参考模型与 OSI参考模型的对比。 图中物理层的主要功能是： (1) 信号的编/解码。 (2) 前缀的生成与删除(用于同步)。 (3) 比特的传输和接收。
(4) 传输介质的的规格说明等。
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OSI参考模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 传输介质 IEEE 802的参考模型 高层协议 逻辑链路控制LLC 介质访问控制MAC 物理层 传输介质 LLC业务 访问点 IEEE 802 标准 的范围
双绞线(STP)或五类无屏蔽双绞线(UTP)；100BASE-FX使用一
对光纤；100BASE-T4使用4对三类或5类UTP,它主要是为目前 存在的大量话音级的UTP设计的。
快速Ethernet与传统Ethernet保持了良好的兼容性，用户只
需要更换一块100M网卡和相关的互连设备，就可以将网络升级 到100 Mb/s，网络的拓扑结构和上层应用软件均可以保持不变。 目前，大多数100 M网卡均支持自动协商机制，可以自动识别 10或100 M的网络，确定自己的实际工作速率。
图6.2 MAC地址的结构和802.3的帧结构 (a) MAC地址的具体结构；(b) 802.3的帧结构
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3．Ethernet物理层介质 对于具体可选用的物理层的实现方案，IEEE 802.3制定了 一个简明的表示法： <以Mb/s为单位的传输速率> <信号调制方式><以百米为单 位的网段的最大长度> 例如10BASE2中的10代表传输速率是10 Mb/s，BASE代表
采用基带信号方式，2代表一个网段的长度是200米。
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表6.1 IEEE 802.3 10 Mb/s物理层的介质选项
10BASE5 同轴电缆(粗) 基带(曼彻斯特码) 总线 500 100 10 mm 10BASE2 同轴电缆(细) 基带(曼彻斯特码) 总线 185 30 5 mm 10BASE-T 非屏蔽双绞线 基带(曼彻斯特码) 星型 100 — 0.4～0.6 mm 10BASE-F 850nm 光纤对 基带(曼彻斯特码) 星型 500 33 62.5/125μ m
传输介质 编码技术 拓扑结构 最大段长/m 每段最大节点数 线缆直径
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4．百兆Ethernet 100兆Ethernet指100BASE-T或快速Ethernet，IEEE 802.3委
员会于1995制定了快速Ethernet标准802.3μ，新标准作为对802.3
的补充和扩充，保持了和原有标准的兼容性。
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(2) 1000BASE-SX：使用62.5 μm多模光纤，最长网段距离 为275 m；采用50 μm多模光纤，最长网段距离为550 m。工作波 长范围为770～860 nm。 (3) 1000BASE-T：使用4对五类UTP, 最长网段距离为100 m。
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上述选项中除1000BASE-T使用4D-PAM5编码方案外，其它 都使用8B/10B方案。目前来看，千兆Ethernet技术主要应用于两 个方面：
层的原因是，传统的第二层协议中没有定义共享介质的访问控
制逻辑，而且独立的MAC子层也允许同一个LLC可以灵活地选 择接入不同的物理网络。不同的局域网标准之间的差别主要在
物理层和MAC子层，而在LLC子层则是兼容的。
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按OSI的观点，有关传输介质的规格和网络拓扑结构的说明
应比物理层还低，但对局域网来说这两者却至关重要，因而在
共享介质局域网最大的缺点是：当网络规模增大，用户数
目增多时，数据传输时延会急剧上升。为解决这一问题，引入 了网桥和路由器技术对网络进行分段，此时网桥和路由器的每 一个端口连接一个网段，每个网段是一个独立的冲突域，不同 网段内的通信相互不会影响，这在一定程度上解决了冲突增加
导致的性能下降问题。
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网桥出现在20世纪80年代早期，是一种用于连接相同或相 似类型局域网(也称为同构网络)的双端口设备。网桥工作在
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6.1.2 Ethernet标准 IEEE 802.3定义了一种基带总线局域网标准，其速率为共享 总线10 Mb/s。该标准包含MAC子层和物理层的内容。 根据物理层介质的不同，Ethernet可分为10BASE-2(基带细 同轴)、Байду номын сангаас0BASE-5(基带粗同轴)、10BASE-T(基带双绞线)、
10101011序列，指明帧的实际起始位置。
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(3) 目的地址：指明该帧的接收者，标准允许2字节和6字节 两种长度的地址形式，但10 M基带以太网只使用6字节地址。目
的地址的最高位标识地址的性质，“0”代表这是一个单播地址，
“1”则代表这是一个群地址，群地址用于实现多播通信 (multicast)。目的地址取值为全“1”则代表这是一个广播帧。 (4) 源地址：指明发出该帧的源站点。 (5) 长度：指明LLC数据字段以字节为单位的长度。
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实现冲突检测的方法很多，最简单的一种是比较接收到的 信号的电压的大小。在基带传输时，当两个信号叠加在一起时， 电压的波动值比正常值大一倍，因而只要检测到电压的波动值 超过某一门限值时，就可判定发生了冲突，但该方法不适用于 站点较远的情况。 另一种方法是在发送帧的同时也接收帧，将收到的信号进 行逐比特的比较，若发现不符就判定发生了冲突。对于采用曼 彻斯特编码的局域网，由于码字的过零点在正常情况下总在正 中间位置，因此当发生碰撞时，通过检测过零点位置的变化就 可以判断是否发生了冲突。
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6.1.3 共享介质局域网的缺点
如前所述，Ethernet是一种共享介质技术，在MAC层中采用 了CSMA/CD技术，其特点是：任何时候，网络只允许一个终端 发送数据，其它终端则处于接收状态；网络实际上工作在串行 方式下；整个网络的带宽为大家共享；适用于终端数目不多的 低速数据业务环境。其它局域网技术如令牌环、令牌总线、 FDDI也具有相同的特点。
多站点共享一条物理介质时，每个站点传输信息时都没有预先
安排的时间，并且何时传输信息不可预测，因此它是随机访问， 并且每一次传输要和其它站点争用总线使用权，因此它又是一 种竞争技术。由于信号传输时延的存在，总会发生两个或多个 站点同时占用介质传输数据帧的冲突情况。为解决这一问题，
CSMA/CD采用了每个站点边发送边监听的技术，其规则是：
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(6) LLC数据：由LLC子层提供的数据。 (7) 填充(PAD)：为保证帧的长度满足要进行的适当的冲突 检测，802.3标准规定帧的最小长度必须大于等于64字节，但又 允许LLC数据字段长度为0，因而在某些情况下必须增加填充字
节。
(8) FCS：帧校验序列。
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地址的前24位 I/G U/I 组织惟一标识符UNI 该位为0代表地址全局分配,为1代表局部分配 该位为0代表单一地址,为1代表群地址 MAC地址 地址的前24位 局部分配的地址 24位 (a) 7byte 前导码 1byte SFD 6byte 目的地址 (b) 6byte 源地址 2byte 长度 ≥0 LLC数据 ≥0 填充 4byte FCS
图6.1 IEEE 802的参考模型与OSI模型的比较
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MAC子层负责共享介质的访问控制，它与具体的物理介 质有关，其主要功能包括：
(1) 发端传输时将上层来的数据封装成帧后进行发送(接收
时执行相反的动作)。 (2) 差错检测。 (3) LAN传输介质访问控制。
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LLC子层独立于具体的局域网类型(总线、令牌环、令牌总 线等)，是各类局域网的公共部分，其主要功能有： (1) 数据链路层逻辑连接的建立和释放。 (2) 提供与高层的接口。 (3) 差错控制、流量控制等。
为更好的解释交换式局域网技术，我们先解释下面三个术 语： (1) 网段：指由连接在同一共享介质上、相互能听到对方发 出的广播帧且处在同一冲突碰撞区域的站点组成的网络区域。
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(2) 冲突域：指在共享介质型局域网中，会发生冲突碰撞的 区域。在一个冲突域中，同时只能有一个站点发送数据。 (3) 广播域：当局域网上任意一个站点发送广播帧时，凡能 收到广播帧的区域称为广播域，这一区域中的所有站点称为处 在同一个广播域。
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(1) 监听介质是否空闲，若空闲就传输，否则转第二步。 (2) 一直监听到信道空闲，然后马上传输。 (3) 在传输的过程中同时继续监听，若发现冲突，则发出一 个短小的干扰信号，进行冲突强化，以使所有站点都知道发生
了冲突并停止传输。