[互联网]交换型以太网与全双工以太网组网技术

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【精品课件】交换型以太网与全双工以太网组网技术

各层特性
层次化结构的优点
1. 各层功能分工明确，便于设计、实现和调试
2. 充分发挥不同规格交换器的功能 3. 层次结构使内部网的信息流与业
务流的流向、流量基本一致
以交换机为中心组网的拓扑结构
通过交换机与不同网络的连接
6.6 全双工以太网
6.6.1 全双工以太网技术的重要性
增加带宽、扩展网段长度
6.6.3 全双工以太网技术的应用
选择以太网交换器的要点：
1. 交换技术存储转发、直通、自适应……
2. 吞吐量和背板速度吞吐量指所有端口同时收发数据速率的总和
3. 端口传输速率
4. 延迟时间接收到数据直至目的端口开始发送
5. 端口MAC地址个数 MAC地址个数越多，每个端口可以
连接的主机就越多 6. 全双工能力 7. 虚拟网（VLAN）能力 8. 网络管理能力
发送与接收可同时进行，不会发生冲突碰撞。所以不受CSMA/CD的约束，扩展了网段长度。
6.6.2 全双工以太网技术特点
•由一对线连接，发送与接收同时进行 •点对点的通信
不可以用HUB •速率提高一倍 •扩展距离
实际上仅对100BASE FX有意义。其余标准下因受电光信号本身的传输损耗影响，在实际应用中并不能加长距离。
Shanghai Jiaotong University
《计算机组网原理》
原理篇第六章交换型以太网与全双工以太网
组网技术
本章重点
以太网交换机是企业内部组网的中心设备
为什么要使用以太网交换机交换机的基本工作原理交换机的结构几种不同的交换方式交换机分类基于交换机的组网方式采用交换机构建全双工以太网选择以太网交换机的要点

交换式以太网的全双工、半双工与CSMACD的关系

大家都知道，以太网工作模式有两种，一种是全双工工作模式，一种是半双工工作模式。

我们看分析一下这两个模式下到底是不是用CSMA/CD冲突检测机制。

一,在全双工工作模式下的以太网使用CSMA/CD检测机制来避免冲突吗？在这一工作模式下的以太网是不需要使用CSMA/CD冲突检测机制的。

我们知道，全双工工作模式下可以完成同时接收和发送数据。

我们想想，网卡可能会在同一时刻发送两个数据包吗？这是不可能的。

绝对不可能会出现在同一时刻网卡接收到两个或两个以上同时需要发送数据的请求，就连CPU也不可能同时做到在同一时刻处理两个或两个以上指令呀。

这个时候，如果我们假设网卡启用CSMA/CD机制来检测冲突，请问他检测哪一条冲突通道呢？我们可要知道，网卡在接收到需要发送的数据包后，就像排队一样一个一个往外发送，怎么可能会冲突呢？这个时候有人可能要问了，那接收呢？它可能会和接收的冲突呀？其实这么想就错了。

全双工工作模式下，我们将使用双绞线中的2对线进行工作。

一对用于发送，一对用于接收。

那么既然发送和接收是分开的2条链路，就不存在冲突的问题了。

就像在高速公路上，有一个车道是由东往西行驶车道，一个车道是由西往东行驶车道。

那么，你说两车对开，各行驶于各自的车道，有可能会冲撞吗？所以，全双工工作模式下是不需要使用CSMA/CD冲突检测机制的。

二在半双工工作模式下的以太网使用CSMA/CD检测机制来避免冲突吗？我想这个问题只要是网管或者是CCNA 的工程师们都应该知道，在这一工作模式下的以太网是需要使用CSMA/CD冲突检测机制的。

我们知道，半双工模式下虽然可以实现在同一链路上进行发送和接收，但不是在同一时间。

这就必须使用CSMA/CD冲突检测机制来避免冲突的发生。

半双工工作模式的典型接入设备就是集线器。

至于为什么，请大家认真复习一下CCNA中的这一节内容。

这里就不做详细的讨论了。

三.我们都说交换机中有智能设备，如CPU和缓存。

为什么工作在半双工模式下的交换机，还会使用CSMA/CD呢？这个问题问得特别好。

全双工以太网技术

全双工以太网技术2008-12-06 23:15:21 作者：admin来源：浏览次数：1142 网友评论 1 条全双工以太网技术全双工以太网技术所谓全双工(Full-Duplex)是指在一条网络链路上可以同时进行数据接收和发送。

广域网中的链路通常是全双工的，但局域网以前一直工作在半双工方式下。

因为在总线方式下采用的是CSMA/CD技术，虽然使用了两对双绞线与集线器进行连接，一对用于发送，另一对用于接收，但根据CSMA/CD技术规定，在发送时必须在接收电缆上“监听”冲突信号，而不能接收数据。

因此只能工作在半双工方式下，否则就会产生冲突。

由于半双工以太网受到了CSMA/ CD的约束，使得这些网段上的传输线路的长度（或者称为网段跨距）受到限制，进而影响了网络的覆盖范围，而且网络带宽越高，影响越大。

采用交换机来连接网络以后，交换机的每个端口只连接一个工作站。

交换机的端口和工作站都分别使用一对线路进行发送，而从另一对线路上接收，这样就不会再产生冲突，也就不需要在发送帧的同时用接收电缆监听冲突信号，因此就能够使用全双工方式进行通信。

在网络结构和连线不变的情况下，以全双工方式进行工作，使网络的带宽提高了一倍，如图3-4所示。

有些公司称自己的交换机能够支持20Mbps或200Mbps的网络传输，实际上就是10Mb ps或100Mbps网络采用全双工交换以太网的变相说法。

全双工以太网技术的使用不仅提高了网络速度，而且也可以拓宽以太网的覆盖范围，比如1 00Base-FX的半双工以太网网段的最长距离为412m，而100Base-FX的全双工以太网网段的最长距离可以达到2 000m。

在实际组网时，交换机与交换机之间、交换机与单个工作站之间一般都采用了全双工传输方式。

如果交换机的端口中连接的是集线器，在集线器中再连接了多个工作站，那么这些工作站还是只能工作在半双工传输方式下。

同时对于工作在全双工传输方式下的工作站必须使用支持全双工工作方式的网卡。

组网技术小结

组网技术小结组网技术是计算机网络领域的重要内容，主要用于实现不同设备之间的互联和通信。

随着计算机网络的发展和普及，组网技术也在不断更新和创新，在不同的应用场景中有着不同的实现方式和技术选型。

一、局域网组网技术局域网（Local Area Network，LAN）是在有限的范围内实现设备互联的网络。

常用的局域网组网技术有以太网、无线局域网和局域网交换机。

以太网是最常用的局域网组网技术，是一种基于CSMA/CD协议的传输技术。

通过网卡、以太网线和集线器连接设备，实现设备之间的通信。

无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是利用无线传输技术实现设备之间的通信，常用的无线局域网组网技术有Wi-Fi技术。

Wi-Fi技术基于IEEE 802.11协议，使用2.4GHz或5GHz频段进行无线信号传输，具有覆盖范围广、灵活性高等优点。

局域网交换机是一种用于局域网内部的设备的互联和通信的网络设备。

通过使用交换机，可以提高局域网的性能和可靠性，实现设备之间的直接通信，减少冲突和碰撞。

二、广域网组网技术广域网（Wide Area Network，WAN）是连接不同地点的局域网或设备的网络。

常用的广域网组网技术有电话线路、光纤传输、无线传输和虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）。

电话线路是传统的广域网组网技术之一，利用电话线路进行数据传输。

缺点是传输速度慢、带宽狭窄。

光纤传输是一种高速、大容量的广域网组网技术。

利用光纤进行数据传输，具有传输速度快、带宽宽广等优点。

无线传输是利用无线通信技术进行广域网组网。

常见的无线传输技术有无线电、微波、卫星等。

虚拟专用网络是在公共网络上构建专用网络的技术。

通过加密和隧道技术，实现数据在公共网络上的安全传输，可用于远程办公、分支机构互联等场景。

三、数据中心网络组网技术数据中心是大规模计算和存储的集中地。

数据中心网络组网技术主要用于数据中心内部的设备互连和通信。

交换式以太网组网技术

从端口和外形上很难区分交换机和集线器
交换机的类型： 10Mb/s交换机、100Mb/s交换机和10Mbps/100Mbps 自适应交换机
2.网卡
10Mb/s、100Mb/s和10Mbps/100Mbps自适应以太网卡
整理版ppt课件
24
交换式以太网中的电缆
1.计算机与交换机连接直通电缆
2.交换机与交换机级联上行端口（级联端口）与普通端口：直通电缆普通端口与普通端口：交叉电缆
2.地址学习
读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口（节点只要发送信息，交换机就能建立该表项）
利用计时器维护表项的“新鲜”性
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11
通信过滤
1.目的：隔离本地信息，避免不必要的数据流动
2.方法：
利用端口/MAC地址映射表和帧的目的地址决定是否转发或转发到何处
如果地址表中不存在帧的目的地址，交换机则需要向
1.交换设备有多种类型
2.常见的交换设备
局域网交换机：工作于数据链路层，连接较为相似的网络
路由器：工作于互联层，实现异型网络互联
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7
以太网交换机组网
将一台计算机直接连到交换机端口
该计算机独享该端口提供的带宽
将一个网段连到交换机端口
该网段上的所有计算机共享该端口提供的带宽
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8
以太网交换机的工作过程
整理版ppt课件
9
数据转发方式
直接交换
测到目的地址字段，立即转发
存储转发交换
完整地接收整个数据，对数据进行差错检测
改进的直接交换
接收数据头部，判断头部字段是否正确
整理版ppt课件
10

全双工交换式以太网实时通信研究

维普资讯
２０年８８０月
西北工业大学学报
ＪｕｎｌｏｒｈｓｅｎＰｌｔｅｎｅｌｎｖｒｉｙｏｒａｆＮｏｔｗｅｔｒｏｙｅｈｉａｉｅｓｔＵ
Ａｕ．ｇ
２００８
第２卷第４６期
术是ＭＩ —ＴＤ１５Ｂ总线［。ＬＳ一５３１它是一个１ｐ】Ｍｂｓ的
婪无损失整形器并与优先权管理方法相结合来获得
实时通信。
命令／响应式多路数据总线技术，有一个集中控制具系统。如今，随着航空系统越来越复杂，令／命响应式体系的局限性也日益突出，切需要开发一种新的迫
关键词：双工交换式以太网，全实时性，网络演算，流量整形，先权优
中图分类号：Ｐ９．１Ｔ３３１文献标识码：Ａ文章编号：００２５（０８０ — ４６０１０ — ７８２０）４０７ — ５
几十年来，军事航空通信中广泛应用的总线技
用ＣＭＡ／Ｄ技术，有冲突发生。是，ＳＣ没但当所有的
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数据流试图同时共享网络元素时，如果缓冲区超负
载，就要发生拥塞ｒ。因此，输实时分组时就不能传
保证有限延迟，要采取其它的技术来避免信息丢需失从而保证一个低延迟的实时通信。
这项技术最初的设计并不是为了实时通信，但

以太网交换及二层协议培训

以太网交换及二层协议培训一、以太网交换概述以太网是一种常用的局域网技术，通过以太网交换可以构建高速、可靠的网络环境。

以太网交换是指在局域网中使用交换机将数据包从一个端口转发到另一个端口，并通过合适的算法来决定数据包的转发路径。

以太网交换可以提供快速的数据转发、广播域划分、数据冲突的避免等功能。

二、以太网交换的基本原理以太网交换的基本原理是通过学习和转发机制实现数据包的转发。

当交换机收到一个数据包时，交换机会根据数据包中的目的MAC地址来学习源MAC地址与端口的对应关系，同时建立转发表。

之后，当交换机收到数据包时，交换机会检查转发表，根据目的MAC地址找到对应的端口，并将数据包转发到对应的端口上。

如此反复，数据包可以在交换机之间快速、准确地转发。

三、以太网交换的优势相比传统的集线器，以太网交换具有以下优势：1.提供更高的带宽：以太网交换可以同时传输多个数据包，大大提高了局域网的带宽。

2.提供更快的转发速度：交换机使用专用的硬件进行转发，而不需要进行广播，因此具有更快的转发速度。

3.实现广播域划分：以太网交换可以将局域网划分为多个广播域，可以减少广播带来的网络拥塞。

4.避免冲突：通过学习和转发机制，以太网交换可以避免数据冲突，提高了数据传输的稳定性和可靠性。

四、二层协议的概念二层协议又称为数据链路层协议，主要用于控制物理链接和局域网内的数据传输。

二层协议是在物理层之上建立的，用于解决数据包的传输问题。

常见的二层协议有以太网协议、令牌环协议等。

五、以太网交换的二层协议以太网交换使用的主要二层协议是以太网协议，它定义了数据包的格式以及数据包的传输规则。

以太网协议在数据包中使用MAC地址来标识设备，通过MAC地址实现数据包的转发和定位。

以太网协议还包括了一些控制帧，用于实现数据链路的控制和管理。

六、以太网交换的改进和发展随着网络的发展，以太网交换也不断进行改进和发展。

其中一项重要的改进是VLAN（虚拟局域网）技术的应用。

交换式以太网组网技术

存储转发
交换机首先存储整个数据帧，然后根据MAC地址表进行转发。这种方式可以避免风暴，但交换速度较慢。
碎片丢弃
交换机在接收到小于一定长度（如64字节）的数据帧时，直接丢弃该帧。这种方式可以有效减少网络中的小包流量，提高网络性能。
03 交换式以太网的组网技术
CHAPTER
星型拓扑结构
交换式以太网组网技术
目录
CONTENTS
• 引言 • 交换式以太网的基本原理 • 交换式以太网的组网技术 • 交换式以太网的性能优化 • 交换式以太网的应用场景 • 总结与展望
01 引言
CHAPTER
交换式以太网的发展历程
01
02
03
起源
以太网技术起源于20世纪 70年代，最初是为了实现简单、经济的局域网连接。
网状拓扑结构
总结词
网状拓扑结构是一种复杂的以太网组网方式，其中节点之间有多条通信路径。
VS
详细描述
在网状拓扑结构中，节点之间有多条通信路径，每个节点都可以直接或间接地与其他节点通信。这种结构提供了高可用性和灵活性，但需要复杂的配置和管理，同时成本也较高。
04 交换式以太网的性能优化
CHAPTER
交换机通过学习源MAC地址，自动建立和维护MAC地址表。当 MAC地址发生变化时，地址表会自动更新。
去抖动处理
对于网络中的重复帧，交换机进行去抖动处理，确保只转发一次有效帧。
交换式以太网的交换方式
直通交换
交换机在接收到数据帧时，立即从相应的端口转发出去，不需要存储整个数据帧。这种方式交换速度快，但无法处理风暴。
前导码
用于同步，由7个字节的10101010和1个字节的101010101组成。

全双工以太网技术

广域网中的链路通常是全双工的，但局域网以前一直工作在半双工方式下。

因此只能工作在半双工方式下，否则就会产生冲突。

采用交换机来连接网络以后，交换机的每个端口只连接一个工作站。

在网络结构和连线不变的情况下，以全双工方式进行工作，使网络的带宽提高了一倍，如图3-4所示。

有些公司称自己的交换机能够支持20Mbps或200Mbps的网络传输，实际上就是10Mb ps或100Mbps网络采用全双工交换以太网的变相说法。

在实际组网时，交换机与交换机之间、交换机与单个工作站之间一般都采用了全双工传输方式。

如果交换机的端口中连接的是集线器，在集线器中再连接了多个工作站，那么这些工作站还是只能工作在半双工传输方式下。

同时对于工作在全双工传输方式下的工作站必须使用支持全双工工作方式的网卡。

[转载]集线器、交换机、路由器和全双工、半双工

[转载]集线器、交换机、路由器和全双⼯、半双⼯[转载]集线器、交换机、路由器和全双⼯、半双⼯集线器什么是集线器在认识集线器之前，必须先了解⼀下中继器。

在我们接触到的⽹络中。

最简单的就是两台电脑通过两块⽹卡构成“双机互连”，两块⽹卡之间通常是由⾮屏蔽双绞线来充当信号线的。

因为双绞线在传输信号时信号功率会逐渐衰减，当信号衰减到⼀定程度时将造成信号失真，因此在保证信号质量的前提下，双绞线的最⼤传输距离为100⽶。

当两台电脑之间的距离超过100⽶时，为了实现双机互连。

⼈们便在这两台电脑之间安装⼀个“中继器”。

它的作⽤就是将已经衰减得不完整的信号经过整理。

⼜⼀次产⽣出完整的信号再继续传送。

中继器就是普通集线器的前⾝，集线器实际就是⼀种多port的中继器。

集线器⼀般有4、8、16、24、32等数量的RJ45接⼝，通过这些接⼝，集线器便能为对应数量的电脑完毕“中继”功能。

因为它在⽹络中处于⼀种“中⼼”位置。

因此集线器也叫做“Hub”。

集线器的⼯作原理集线器的⼯作原理⾮常easy，以图2为例。

图中是⼀个具备8个port的集线器。

共连接了8台电脑。

集线器处于⽹络的“中⼼”。

通过集线器对信号进⾏转发。

8台电脑之间能够互连互通。

详细通信过程是这种：假如计算机1要将⼀条信息发送给计算机8。

当计算机1的⽹卡将信息通过双绞线送到集线器上时，集线器并不会直接将信息送给计算机8，它会将信息进⾏“⼴播”--将信息同⼀时候发送给8个port，当8个port上的计算机接收到这条⼴播信息时，会对信息进⾏检查，假设发现该信息是发给⾃⼰的，则接收，否则不予理睬。

由于该信息是计算机1发给计算机8的，因此终于计算机8会接收该信息，⽽其他7台电脑看完信息后，会由于信息不是⾃⼰的⽽不接收该信息。

集线器的特点1. 共享宽带集线器是⼀种“共享”设备，集线器本⾝不能识别⽬的地址，当同⼀局域⽹内的A主机给B主机数据传输时，数据包在以集线器为架构的⽹络上是以⼴播⽅式传输的，由每⼀台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。

交换式以太网组网与PON组网对比分析

交换式以太网组网与PON组网对比分析交换式以太网组网是一种基于以太网技术的局域网组网方式。

它采用交换机进行数据包的转发和交换。

交换式以太网组网的主要特点在于灵活、可扩展和高性能。

它支持多种协议和应用，可以轻松构建复杂的网络拓扑，适用于大型企业、学校和数据中心等场景。

交换式以太网组网的优点包括：1. 高带宽：交换式以太网组网可以提供高达10Gbps甚至更高的传输速率，适用于大流量数据传输和高带宽应用。

2.低延迟：交换式以太网组网在数据传输过程中的延迟较低，适合对实时性要求较高的应用，如语音、视频和游戏等。

3.灵活性：交换式以太网组网可以根据需求进行灵活的网络拓扑设计和扩展。

它可以支持多种不同的设备和协议，方便接入各种网络设备和终端。

4.安全性：交换式以太网组网可以通过VLAN、ACL和防火墙等功能来提供网络安全保护，确保数据的机密性和完整性。

然而，交换式以太网组网也存在一些限制和缺点。

首先，它需要复杂的配置和管理，需要有专业的技术人员进行维护。

其次，交换式以太网组网通常需要使用光纤等高质量的传输介质，因此成本较高。

与交换式以太网组网相比，PON（Passive Optical Network）组网是一种基于光纤技术的组网方式。

它通过光纤将数据传输到终端用户，具有高带宽、低成本和广覆盖等优势。

PON组网的主要特点包括：1. 高带宽：PON组网可以提供高带宽的传输速度，通常可以达到1Gbps，满足大流量数据传输和高带宽应用的需求。

2.低成本：PON组网采用的光纤传输介质具有较低的成本。

由于光纤可以多路复用，可以覆盖大范围的用户，因此可以有效降低网络建设和维护的成本。

3.广覆盖：PON组网可以通过单根光纤覆盖大范围的用户，可以满足城市和农村等不同地区的网络需求。

4.易于管理：PON组网使用的光纤传输介质无需外部供电，传输距离较长，安装和维护相对简单。

然而，PON组网也存在一些限制和缺点。

首先，PON组网的带宽是共享的，当用户数较多时，带宽可能会受到限制。

以太网交换机参数如何解决之困惑

以太网交换机参数如何解决之困惑以太网交换机是网络中常见的设备之一，它的参数设置对于网络的稳定运行和高效数据传输非常重要。

然而，对于很多人来说，以太网交换机的参数设置可能会带来一些困惑。

下面我将详细介绍以太网交换机的常见参数以及如何解决这些困惑。

1.端口速率和双工模式：以太网交换机的每个端口都有一个参数称为速率，它指定了该端口的最大传输速率。

常见的速率包括10Mbps、100Mbps和1000Mbps。

另外，还有一个参数是双工模式，它决定了该端口是全双工还是半双工。

全双工可以同时进行发送和接收操作，而半双工只能进行其中一个操作。

对于这两个参数的设置，我们需要根据网络的需求和设备的兼容性来进行选择和配置。

2.VLAN（虚拟局域网）设置：VLAN是一种虚拟化技术，允许将一个物理局域网划分成多个逻辑的虚拟局域网。

通过VLAN设置，我们可以将网络中的计算机和设备按照功能或者部门进行分组，从而提高网络的安全性和管理性。

对于VLAN的设置，我们需要首先确定划分的标准，然后在交换机上进行相应的配置。

3.STP（生成树协议）配置：STP是一种网络协议，用于解决网络中的环路问题。

当网络中存在环路时，数据包可能会无限循环地在环路中传播，导致网络拥塞和性能下降。

STP可以通过选择合适的路径来解决这个问题，并且在网络发生改变时进行动态调整。

对于STP的配置，我们需要确定根交换机和非根交换机的位置，并设置相应的参数，以确保网络中不存在环路。

4.QoS（服务质量）设置：QoS是一种网络技术，用于优化网络资源的分配和管理，从而提供一定的服务质量保证。

通过设置QoS参数，我们可以根据不同应用的需求，对网络带宽进行分配和优先级排序。

例如，对于视频会议和音频流量，我们可以设置较高的优先级，以确保实时性和流畅性。

对于QoS的设置，我们需要根据网络中的应用需求和带宽限制进行适当的配置。

5.SNMP（简单网络管理协议）配置：SNMP是一种用于管理和监控网络设备的通信协议。

以太网业务及组网应用

以太网业务及组网应用1. 介绍以太网是一种常见的局域网技术，广泛应用于各个领域。

它是一种基于IEEE 802.3标准的局域网协议，主要用于计算机网络之间的数据传输。

在现代网络中，以太网已经成为一种非常重要的网络技术。

2. 以太网业务以太网可以支持多种不同的业务，并且可以根据用户的需求进行灵活的配置。

以下是一些常见的以太网业务：2.1 数据传输以太网最常见的用途是进行数据传输。

通过以太网，可以传输各种类型的数据，包括文本、图像、音频和视频等。

以太网提供了高带宽和低延迟的特性，使得数据传输变得高效且可靠。

2.2 远程访问以太网还可以用于远程访问。

通过以太网，可以远程连接到其他计算机或网络设备，进行远程管理、维护和监控等操作。

远程访问可以大大提高效率，减少了人工干预的需要。

2.3 云计算云计算是现代计算机领域的一个热门话题，而以太网是实现云计算的基础。

以太网提供了高带宽和可靠性，可以支持大规模的数据传输和处理，满足云计算对网络性能的要求。

3. 以太网组网应用以太网可以用于不同规模的网络组网，从小型办公室网络到大规模的企业网络都可以使用以太网技术。

以下是一些常见的以太网组网应用：3.1 以太网交换机以太网交换机是组网中非常重要的设备，用于连接不同的网络设备。

通过以太网交换机，可以将多个终端设备连接在一起，实现数据的传输和交换。

以太网交换机提供了高速的数据转发和端口的扩展，能够满足网络中的大量数据传输需求。

3.2 局域网（LAN）局域网是以太网最常见的组网形式之一。

通过以太网，可以将多个计算机和网络设备连接在一起，实现数据的共享和通信。

局域网通常用于小型办公室或家庭网络中，提供了高效的数据传输和共享资源的能力。

3.3 广域网（WAN）广域网是以太网组网的另一种应用形式。

通过以太网，可以连接不同地区或不同组织的局域网，实现远程数据传输和通信。

广域网通常用于大型企业或跨地区的网络中，提供了高速和可靠的数据传输能力。

【doc】高速以太网技术和交换式以太网技术剖析

高速以太网技术和交换式以太网技术剖析第l7卷第l2期1996年12月小型微型计算机系统MlNI—MICR0SYSTEMSV o1】7No.】2Dec.1996～3Z高速以太网技术和交换式以太网技术剖析弋1f;1;清华大学计算机系,jE京100084)摘要高速以太网和交换式以太网技术是解决传统以太网的带宽危机的两项重要技术.末文中,首先对高速以太网和交换式以太网技术进行了深入,全面地分析.最后.针对结合这两项技术的产品FastSwitch10/100,利用对等通信性能的驯试程序,对这.词’一船控1引言J/CD.DPP以太罔最初由Xerox公司研制成功,此后在DEC和Intel公司的支持下,联合制定了以太网的规范.1EEE在此基础上制定了IEEE802.3标准.如今,以太罔已经发展成为应用最为广泛的计算机联网形式.随着网络应用的普及以及多媒悻应用的不断发展,传统的共享带宽的以太网无法满足网上各站点对带宽的要求.于是.出现了三种主要的解决方法.徽划分技术.利用网桥和路由器设备具有隔离网络上不必要的数据流量的特点,将网络划分成多个网段,然后利用网桥,路由器设备将各个罔段连接起来.然而,随着微划分的深入,跨越网段的数据传输不断增加;并且采用大量的网桥和路由器设备,不仅会使网络投资巨增.叉会明显地增大网络通信的延迟时间.高速以太网技术通挝提高网络的共享带宽来提高各站点的实际带宽.但是仍存在着每个站点的实际带宽随网络上的站点数增加而减少的问题交换式以太网技术.为了从根本上解决站点的实际带宽随站点数增加而减少的问题,将交换技术引入传统的以太网中,为所有站点同时提供独占的带宽.本文中,首先对高速以太网技术和交挟式以太罔技术进行了深入地剖析.随后对应用这两项新技术的实际产品的性能进行了测试,从而对这两项新技术所带来的性能的提高有了定性和定量的了解.2高速以太网技术剖析在高速以太同领域中形成了两个IEEE的标准;IEEE802.3u描述的100Base—T高速以9960528收稿t国家攀壁计划研究珂目和博士点基金资助项目枉彀,博士研究生.主要研究方向是网络并行计算12期杜毅:高速以太同技术和交换式以太同技术剖析太网,仍措用csMA/cD的MAC协议HEEE802.1z描述的]00Base—vG高速以太网,采用DPP(DemandPriorityProtocol,请求优先协议)的MAC协议.由于它们都沿用了传统以太网的帧格式,因此它们都自称为高速以太网.然而,由于]00Base--VG抛弃了作为以太网根本特征的CSMA/CD,没有得到广泛地承认.因此,一般所说的高速以太网指的是100Base—T,而100Base—VG则算是一种全新的局域网标准不过.在本文中为了进行对比,仍对100Base--VG技术进行了剖析.2.1l00Base—T1OOBase—T保留了以太网的根本特征,采用csMA/cD的MAC协议.csMA/cD(具有冲突检测的载波监听多路访问,CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)是一种随机争用媒体方式,每一站点的发送都是随机发生的,当多个站点同时往媒体上发送信息时,就发生了冲突.站点检测到冲突后停止发送,并按二进制指数退避算法等待一段随机时间,然后再重新尝试发送.lOOBase—T与传统以太网的差别主要在物理层.目前,100Base—T的物理层有两种形式:100Base—X它采用的媒体是5类无屏蔽双绞线(UTP),1类屏蔽双绞线(STP)以及光纤.与]0Base—T一样,100Base--X只使用2对双绞线.1对用于数据发送,1对用于数据接收和冲突检测.它采用了多级编码技术,将来自数据链路层的位流先进行4B/5B块编码(即把4位二进制码组编码成5位二进制码组),再进行NRZI(反相不归零制)编码,最后经ML T一3编码输出.ML T一3是一种3电平编码,它有四种跳变形式.每一种跳变形式可以表示两个二进制位.利用ML T一3编码能够把信号的频率降低到原来的一半. 4T+.它采用的媒体是3类,5类UTP.4T+使用4对双绞线,其中3对用于数据的接收/发送,1对用于冲突检测.4T+也采用多级编码技术,将来自数据链路层的位流先进行8B/6T块编码(即把8位二进制码组编码成6位三进制码组),再经NRZI 编码输出到3对双绞线上2.2100Base—VG100Base—VG采用DPP的MAC协议.其主要思想是,由集线器循环查询并仲裁各个站点的网络访问请求.并为这些请求提供不同的优先级.高优先级的请求能够先于低优先级的请求得到服务.当有多个同优先级的请求时,仍以循环方式仲裁.当低优先级的请求被挂起超过一定时间时,集线器会自动提高其优先级,从而保证所有站点公平地访问网络.lOOBase—VG物理层称为Quartet,所用媒体为3类,5类UTP.Quartet 使用4对双绞线,但由于1OOBase—VG中不存在冲突,因此4对双绞线都用于数据接收/发送.Quartet也采用多级编码,将来自数据链路层的位流先进行5B/6B块编码(即把5位二进制码组编码成6位二进制码组),再经NRZI编码输出到4对双绞线上.2.3100Base—T与lOOBase—VG的比较高速以太网中没有采用传统以太网的曼彻斯特编码,这是固为要使用曼彻斯特编码实现100Mbps的数据传输率.媒体上信号的波特率将达200M,这是双绞线所无法承受的.高速以太网为了在双绞线上实现lOOMbps的数据传输率,综合采用了以下手段:提高数据信号本身的时钟频率(受双绞线物理特性的限制不能无限提高)使用多对双绞线并行传输信号编码上采取多级编码技术,压缩信息量100Base—T和]00Base—VG对比如表1所示.CSMA/CD协议是竞争性的,所有站点都小型微型计算机系统1996拒无法预先确定何时能够得到网络的控制权因此100Base--T在网络负载较轻时,效率很高}当网络负载很重时,由于频繁地发生冲突并执行退避及重发操作,造成网络带宽的浪费,效率明显降低.而与之相比,DPP协议是确定性的,所有的站点能够得到公平的访问网络的机会.因此lOOBase—VG在网络负载重或者需要保证网络的最大延迟时间时,工作得很好,能够充分利用网络的带宽.表卜lOOBase--T和lOOBase--VG的对比另外.由于两者采用了不同的MAC协议,所以100Base—T的集线器的结构要相对简单一些,而它的网卡的结构则要相对复杂一些.3交换式以太网技术剖析交换式以太网是基于帧交换(frameswitching)技术的,由交换集线器(switchinghub)进行快速的帧交换,同时为所有端口提供数据的传递服务,能给每一对端口提供独占的网络带宽.在传统的以太网中,各个站点是共享整个网络的带宽.由于采用竞争式MAC协议,当多个站点同时拉送时会发生冲突,需要执行退避和重发等操作-从而造成了带宽的浪费.这种浪费会随发送站点数的增加而迅速加剧.因此,共享式以太网上每个发送站点所实际占有的带宽会随其它发送站点数的增加而减少,而且当发送站点数超过一定值时整个网络的效率急剧下降与此相比,交换式以太网以交换所需延迟的代价来保证给每个站点提供恒定值的带宽(仅略低于共享式以太网的网络带宽,损失部分由交换延迟引起).只要各发送站点不同时向相同的目的站点发送,就不会发生冲突,此时若干对站点的发送可以同时进行.10Base~T形式的共享式以太网与交换式以太网十分相似,它们的拓扑结构在物理上都是呈现星形结构.然而10Base--T在逻辑上是总线结构的.而交换式以太网在逻辑上仍旧是星形结构的.之所以会有这个不同,是因它们所使用的集线器的不同造成的.lOBase—T集线器是将输入帧向所有其它端rn作广播转发,当发生冲突时所有的端rn都受到影响.因此,10Base—T的集线器也被称为多端口中继器.而交换集线器的转发只针对输入帧中目的地址所对应的端口当然交换集线器中也存在着冲突问题,但是当发生冲突时仅涉及相关的端口,其它端口不受影响.交换式以太网中帧交换的实现有两种形式;利用高速主干总线或开关网络实现.应用高速主干总线实现交换就是利用它的高带宽.通过共享总线达到各个端口并行交换数据的目的.FastSwitch1O/1O0的内部就是采用1Gbps的高速主干总线来实现帧交换的.4通信-能测试环境在进行通信性能的测试中.使用了两台Pentium/60,32MB内存,EISA/ISA总线的服务器.每台服务器与交换集线器FastSwitch10/100相连.使用的操作系统是NetWare3.11.下12期杜彀:高速以太网技术和交换式太网技术剖析29面将分别介绍测试环境中的两个重要组成部分:交换集线器和NetWare系统4.IFastSwiteh10/100我们所使用的交换集线器FastSwiteh10/100是美国GrandJunction公司产品.它除了采用了交换式以太网技术外,还采用了高速以太网100Base—T技术.l00Base—X晟早就是由GrandJunction公司提出的FastSwitch10/100共有26个网络端口.即2个100Mbps的高速端口,24个10Mbps的个体端口.FastSwitch10/100的所有端口都是交换式的.FastSwiteh10/100提供的极限的网络带宽可达220Mbps.相比之下,lOBase--T集线器只有lOMbps的共享带宽,只能供一对端口传送FastSwltch10/100具有三种不同的转发模式;4.1.1快速转发(FastForward)模式此时,交换集线器在接收到输入帧的目的地址(即该帧的前48位)后.就根据目的地址确定相应输出端口并建立到达输出端口的通路.进行帧的转发.由于对输入帧未做任何检查.因此对输入帧的检查与过滤工作必须由软件来完成,这无疑加重了操作系统的负担.这种转发方式也被称为cut—through.4.1.2无碎片转发(FragmentFree)模式此时,交换集线器只有在完整地接收到输入帧的前512位(即前64个字节)后开始转发.这是因为在以太网上,由于冲突会产生碎片(即断帧),其长度小于512位无碎片转发模式能自动过滤掉这些碎片,减少不必要的网络流量.4.1.3存储转发(Store—and—Forward)模式.此时,交换集线器在完整地接收并存储输入帧之后,对输入帧做适当的完整性和合法性检查,过滤掉有错误的帧,然后再转发.不同交换模式具有不同的交换延迟以两个个体端口的数据转发为倒.快速转发模式的延迟时间最短,为3O微秒’无碎片转发模式次之,为70微秒;存储转发模式最长,其延迟时间随所转发帧的长度而线性增长(70~1228微秒).在我们的测试中,FastSwltch10/100使用的是快速转发模式.4.2NetWare系统由于我们所使用的1OOMbps的FastNIC100EISA网卡,只提供了NetWare的驱动程序因此,为了保证所测得数据的可比性,我们所有的测试均是在NetWare环境中进行的.NetWare是Novell公司的32位的多线程的网络操作系统.NetWare 的一个重要特点是.它是非抢先式的操作系统,即所有的线程都拥有同样的优先级,只有当正在运行的线程主动地放弃对CPU的控制权时,其它的线程才有机会得到运行.如果某个正在运行的线程出现问题时,有可能会因为它始终不让出控制权,而使整个系统崩溃.所以,NetWare又被称为”好人环境”.Novell公司认为,这种非抢先的环境有助于提高系统的运行效率. NetWare系统中所有的应用程序都是以NLM(NetWareLoadableModule)的形式出现由于NetWare的非抢先的特点,因此在我们所编写的通信性能的测试程序中,为了保证每个线程不会过多地占用CPU资源,利用了NetWare提供的信号量(semaphore)机制并且每个线程都主动地放弃对CPU的控制权,以保证整个系统的正常工作.这一点对于编写NLM程序来说,是至关重要的小型微型计算机系统5通信性能测试结果及分析决定网络系统的通信性能的两个重要因素是网络的延迟时间和吞吐率在实际应用中,用户对网络性能所关心的主要是两个方面:传输长度较小的消息时的延迟时间和传输长度较大消息时的吞吐率.因此,我们的测试工作主要是围绕着这两个方面展开的.测试程序的伪码如图1所示.传输数据时使用的是IPX协议(每一帧中最大的数据量为1470字节)在测试中,为避免偶然因素对测试数据准确性的干扰,本文中所列举的数据均是两百次测试结果之平均值.另外,通过对数据传输往返时间的测定,可以避开两台机器的时钟同步问题.’图1对等通信的性能测试程序的[为码为了比较lOOMbps的高速以太网与传统的lOMbps以太网的性能差异,我们针对GrandJunction公司的FastNIC100EISA网卡(1OOMbps),Intel公司的Flash32EIsA和EtherEx-press16ISA网卡(均为lOMbps),利用对等通信的测试程序分别进行了性能测试.测试结果如图2和强3所示(图中Express8所示血线表示,利用EtherExpressl6提供的设置程序,将其数据交换宽度强制设为8位时的测试结果).从强中我们很容易看出,利用100Mbps的高速以太网进行数据传输所达到的吞吐率并不是1OMbps以太网的10倍.事实上,在传输64KB的数据时,FastNIC32的吞吐率只有6.49Mbps(带宽的利用率仅为6.5),只是Flash32的1.40倍,是Expressl6的2.05倍,是Ex—press8的3.25倍不过,相对lOMbps的以太网来说,1OOMbps的高速以太网的确具有更小的网络延迟和更大的网络带宽.只是其各项性能并未超过许多而已从中我们可以发现,在制约网络性能的各项因素中,最主要的固索还是网络的接口部分(包括,总线,网卡等硬件,以及接口驱动程序等软件)另外,高速以太网更适合于连续的大量数据的传输.例如.用于连接多媒体数据库的服务器时,将会提高它的带宽利用率.频繁的大数据量的传输环境是高速以太同的最佳应用环境.为了对比交换式以太网和传统的共享式以太网的性能差异,我们只测试了10Mbps的交换端口的性能.我们利用另外两台计算机动态地为网络制造恒定的背景数据流量,来模拟实际应用中的网络状态.通过改变数据流量的大小,来模拟网络的轻载(背景数据流量为3Mbps,12期杜毂:高速以太网技术和交换式以太网技术削析3l占网络带宽的3O)和重载(背景数据流量为6Mbps,占网络带宽的60~)状态+井测试在这两种状态下网络的通信性能.,I—=_!lI===l乏士,一1—o一r_二==——:≤::E一『消息的长度(单位:字节}:量s哥】意.消息的长度【单位:宇节J图2对等通信中消息长度与延迟时间的关系曲线图3对等通信中消息长度与吞吐辜的关系曲线由于交换式以太网能够为每一对通信空鲁点提供独占的带宽,困此在测试一对站点的通信性能时,用另一对站点制造的背景数据流量对其没有影响.而对于共享式以太网来说,网络的状态直接影响着网络的通信性能.具体的数据如表2所示.表2不同网络状况下对等通信的延迟时间(单位:毫秒)的比较从表中明显可见,网络平静情况下共享式以太网的延迟时间略低于交换式以太网的延迟时间+这是因为交换式以太网存在着交换延迟+如果交换集线器使用的是存储转发模式,那么性能的差距会更大.以传输64KB的消息为例,轻载时的共享式以太网中,延迟时间为199.37毫秒,比网络平静时增加了22+而网络重载时延迟时间为238.84毫秒.增加了46.由此可见,在共享式以太网中网络负载状况对网络通信的性能有着显着的影响,并且随着网络负载的加重+对其的影响也越来越明显.而在交换式以太网中网络通信的性能不受背景数据流量的影响.6结论事实上,最为成熟的100Mbps的高速网络技术是FDDI(光纤分布式数据接口).然而.FDDI的生产成本较高,安装和维护十分复杂,使其难以替代现有的以太网.虽然,现在也已有了廉价的所谓的铜缆FDDI(即CDDI),但是由于它与以太网的不兼容,因而难以实现从现有的以太网向CDDI的平稳过镀.另外,FDDI还是共享网络带宽的.同样存在着共享式网络的通病.在交换式网络方面,还有现在非常热门的基于信元交换(cellswitching)技术的A TM.A TM除了具有交换的特点外,还可以提供更高的网络带宽.然而由于A TM价格昂贵.尚未制定出统一的标准.并且也难以实现从现有的以太网的平稳过渡.小型微型计算机系境而高速以太网和交换式以太网与传统的以太网兼容,并且价格又相对便宜.因此,在很长的一段时问内,高速以太网技术和交换式以太网技术会成为应用晟广泛的网络技术.当然,它们也将会不断发展,例如,现在已经有了基于100Mbps的太网交换集线器,并且在交换集线器中也逐步增加了网桥,路由器的功能.国外目前正在研制1Gbps的高速以太网技术.此外,要想提高网络的利用率,光靠改进网络设备还是远远不够的.还需要努力减少网络与计算机的接口部分的开销.参考文献GrandJunctionNetworksInc..FastSwish10/1O0InstallationGukle.Rev.10 .Ottobet1993DaveAndrews.HighStakesfor一speedEthernet.Byte,October1993]aekT.Moes,FastEth…t:AnEv~lutI㈣yAherniforHigh—SpedNe 【wnrkg,DataCommunication,August1993ThomasE.Andersonetal,High——SpeedSwitchSchedulingforL~’al——AreaNetworks.ACMTrans.onCom—puttrSystem.Novumbetl993 RoBerlMandeviIlEthernetSwitchesEvaluat~1.D|LtnCommunications.M arch1994RoBertMandevil1e,Client—ServcrChallengeiFDDl0rEThernetSwitches ,DataCommunue~tions…M1994STephenSaunders,EthernetGearsUpfor100Mhit/s.DataCommunications. JanuaTy1993ANAL YSISOFFASTETHERNETANDSWITCHED ETHERNETTECHNIOUESDuYiComputerDepartment?TsinghuaUniversitytBelji~g10~)84) AbstractFastEthernetandSwitchedEthernetaretwoveryimportanttechniqu esthatwe canapplytosolvethebandwidthproblemofthetraditionalEthernet.Inthispap er,weana—lyzethetechniquesofFastEthernetandSwitchedEthernetcomprehensivelT hen,wein+trodueeanetworkprodfietFastSwiteh10/100,whichcombinesthetechnique sofFastEthernetandSwitchedEthernet,Throughtheanalysisbaaedonthepeer——to——peercommunica—t0nperformance.weunderstandtheperformanceimprovementthatthesetwo techniquesleadto.KeywordsFastE~herner,SwitchedEtherner.SharedEthernet.MediaAceess Contro1.CSMA/CD.DPP。

以太网、交换式以太网

数据链路层被分为介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。在LLC不变的情况下，只需改变MAC子层就可以适应不同的介质和访问方法。
以太网体系结构
IEEE 802.3中规定的MAC子层协议包括帧格式和CSMA/CD协议两部分，下面我们主要介绍IEEE 802.3帧格式。目前，大多数TCP/IP应用都是用Ethernet V2帧格式，也就是现在所称的IEEE 802.3的以太网帧格式，如图5-8所示。
以太网交换机（LAN Switch）有两个主要功能：
一是在发送结点和接收结点之间建立一条虚连接，
二是转发数据帧。
交换机的帧转发方式:
（1）直通转发交换方式。
（2）存储转发交换方式。
本节结束
第 5 章局域网技术
以太网交换式以太网
计算机网络技术
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7
前导符
1
起始符
6
目的MAC 地址
6
源MAC 地址
2
长度
2
类型
46～1 500
数据
PAD
图5-8 IEEE 802.3以太网帧格式
单位：字节 4
CRC
以太网的物理层规范
IEEEE 802.3委员会在定义可选的物理配置方面表现了极大的多样性和灵活性。为了区分各种可选用的实现方案，该委员会给出了一种简明的表示方法：

半双工和全双工以太网

半双工和全双工以太网半双工（half-duplex）是指传输过程中同时只能向一个方向传输。

一方的数据传输结束之后，另外一方再回应。

也就是说同时只有一个节点能够传输，如果两个节点同时传输数据的话，网络中就会出现拥堵。

半双工以太网采用CSMA/CD协议，以防止产生冲突。

如果产生冲突，就允许重传。

如果使用集线器组建以太网，则必须工作在半双工模式，因为端站点必须能够检测到冲突。

在Cisco看来，半双工以太网-典型的为10BaseT，只有30%～40%的效率。

因为一个大的10BaseT网络通常最多只给出3～4Mb/s的带宽。

全双工以太网使用两对电缆线，而不像半双工模式那样使用一对电缆线。

全双工模式在发送设备的发送方和接收设备的接收方之间采用点到点的连接，这就意味着在全双工数据传送方式下，可以得到更高的传输速率。

由于发送数据和接收数据是在不同的电缆线上完成的，因此不会产生冲突。

全双工以太网之所以不会产生冲突，是因为它就像带多个入口的高速公路，而不是像半双工方式所提供的只有一条入口的路。

全双工以太网能够在两个方向上提供100%的效率。

比如，可以用运行在全双工方式下的10Mb/s以太网得到20Mb/s的传输速率，或者将FastEthernet的传输速率提高200Mb/s，这是很了不起的。

但是，这种速率有时被称为聚合速率，也就是说，你需要获得100%的效率，就像生活中的事情一样，这不可能完全得到保证，如图1-43所示。

全双工以太网可以用于下列三种情况。

交换机到主机的连接。

交换机到交换机的连接。

使用交叉电缆的从主机到主机的连接。

最后，请记住下列重点。

在全双工模式下，不会有冲突域。

专用的交换机端口可用于全双工结点。

主机的网卡和交换机端口必须能够运行在全双工模式下。

半双工意味着同一媒体的发送和接收是异步进行的。

全双工则相反，有单独的发送和接收通路。

全双工链路是扩展快速以太网（100Mbps）的关键。

全双工的链接网段不能超过两个设备，可以是网卡或交换机端口。