实训3交换式以太网

实训3交换式以太网在计算机网络新应用技术发展过程中，局域网技术一直是最为活跃的领域之一。

局域网技术已经在企业、机关、学校乃至家庭中得到了广泛的应用。

本次实训利用多台计算机和交换机构建一个小型的交换式以太网。

【实训内容】◎局域网的特点（拓扑结构、工作模式、连接介质、介质访问控制方法）◎常用联网设备（交换机、路由器）◎以太网的特点以及新技术.1准备知识.1.1局域网局域网（LAN，Local Area Networks）是指在较小的地理范围内，将有限的通信设备互联起来的计算机通信网络。

从功能的角度来看，局域网具有以下几个特点：1．传输速率高局域网内计算机间数据传输速度非常快，根据传输介质和网络设备的不同，线路所提供的带宽最小也能达到10Mbps，稍快一些可达到100Mbps、1000Mbps，甚至是10Gbps，所以能支持计算机之间的高速通信，时延较低。

无论是普通的办公自动化、多媒体教学还是视频点播，都能非常轻松地实现。

2．区域范围小不同地传输介质所能够提供的传输距离是不同的。

一般，双绞线为100米，多模光纤为200～500米、单模光纤则可以达到10千米～100千米。

虽然借助于单模光纤和相应的网络设备，可以将局域网的传输访问扩大至数十千米，局域网往往不会拥有如此巨大的规模。

通常情况下，只需要使用多模光纤将各建筑物连接起来。

除非由于合并（如高等院校间的合并）或吞并（如企业间的购并）等特殊原因，将原来相隔较远的两个或两个以上地域内的计算机连接起来而形成的网络，才会用到单模光纤。

3．误码率低相对于广域网和城域网由于局域网的传输距离较短、经过的网络连接设备少，且受到外界干扰的程度也小，所以数据在传输过程中的误码率也相对较低。

误码率通常可控制在10-8。

4．易于维护和管理局域网通常由一个单位或组织建设和拥有，易于维护和管理5．局域网的拓扑结构网络中的计算机等设备要实现互联，就需要以一定的结构方式进行连接，这种连接方式就叫做"拓扑结构"。

常见的网络拓扑结构主要有以下四大类：星型结构、环型结构、总线型结构、复合型结构。

1)星型结构星型拓扑结构（Star Tpology）是目前在局域网中应用得最为普遍的一种，在企业网络中几乎都是采用这一方式。

星型网络几乎是Ethernet（以太网）网络专用，它是因网络中的各工作站节点设备通过一个网络集中设备（如集线器或者交换机）连接在一起，各节点呈星状分布而得名。

这类网络目前用的最多的传输介质是双绞线，如常见的五类线、超五类双绞线等。

它的基本连接图示如图3-1所示。

图3-1星型拓扑结构星形拓扑结构网络的优点：网络节点扩展、移动方便；维护容易：一个节点出现故障不会影响其它节点的连接，可任意拆走故障节点；星形拓扑结构网络的缺点：费用高，因为每台计算机都需要独立电缆连接的集线设备，所以使用的电缆往往都很多，布线难；一旦集线设备出现故障，整个网络立即陷入瘫痪。

2)环型结构这种结构的网络形式主要应用于令牌网中，在这种网络结构中各设备是直接通过电缆来串接的，最后形成一个闭环，整个网络发送的信息就是在这个环中传递，通常把这类网络称之为"令牌环网"。

这种拓扑结构网络示意图如图3-2所示。

图3-2环形拓扑结构环形拓扑结构的优点：实现简单，投资最小；当网络设备众多时，由于不会引起冲突，所以传输速度比较快。

（在令牌网中允许有16Mbps的传输速度，它比普通的10Mbps以太网要快许多。

当然随着以太网的广泛应用和以太网技术的发展，以太网的速度也得到了极大提高，目前普遍都能提供100Mbps的网速，远比16Mbps要高。

）环形拓扑结构的缺点：维护困难，任何一个节点出了故障都会造成整个网络的中断、瘫痪，维护起来非常不便。

扩展性能差，如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器才能连接。

3)总线型结构总线网络拓扑结构中所有设备都直接与总线相连，它所采用的介质一般也是同轴电缆（包括粗缆和细缆），不过现在也有采用光缆作为总线型传输介质的，如后面我们将要讲的ATM网、Cable Modem所采用的网络等都属于总线型网络结构。

它的结构示意图如图2-3所示。

图3-3总线网络拓扑结构总线型拓扑结构网络的优点：组网费用低，这种结构根本不需要另外的互联设备，是直接通过一条总线进行连接，所以组网费用较低；网络用户扩展较灵活，需要扩展用户时只需要添加一个接线器即可；维护较容易，单个节点失效不影响整个网络的正常通信。

总线型拓扑结构网络的缺点：如果总线一断，则整个网络或者相应主干网段就瘫痪；这种网络因为各节点是共用总线带宽的，所以在传输速度上会随着接入网络的用户的增多而下降。

4)混合型拓扑结构混合型网络拓扑结构主要用于较大型的局域网中，是由前面所讲的各种网络结合在一起的网络结构，如图3-4所示。

图3-4混合型网络拓扑结构.1.2以太网1．什么是以太网广域网、城域网、局域网是网络的覆盖范围来划分的。

而以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于七十年代。

早期Ethernet(以太网）定义的标准有三个方面：●传输速率为10Mbps的常用局域网（LAN）标准。

●在以太网中，所有计算机被连接一条同轴电缆上●采用具有冲突检测的载波感应多处访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。

但是如今以太网更多的被用来指各种采用CSMA/CD 技术的局域网。

以太网的帧格式与IP 是一致的，特别适合于传输IP 数据。

以太网由于具有简单方便、价格低、速度高等。

基本上，以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。

在星型或总线型配置结构中，集线器/交换机/网桥通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。

【知识点】什么叫CSMA/CD方法？以太网采用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测方法，Carrier Sense Multiple Access/Collision Derect），实现对总线的访问控制。

在以太网中，任何节点都没有可预约的发送时间，它们的发送都是随机的。

同时，网络中不存在集中控制节点，所有节点都必须平等地争用发送时间。

以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播网络。

以太网的工作过程如下：当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行：第一步：帧听信道上收否有信号在传输。

如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续帧听，直到信道空闲为止。

第二步：若没有帧听到任何信号，就传输数据第三步：传输的时候继续帧听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送一个拥塞序列，以警告所有的节点）第四步：若未发现冲突则发送成功，计算机会返回到帧听信道状态。

简单的概括为16个字：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发，如图3-5所示。

【注意】每台计算机一次只允许发送一个包，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待9.6微秒（以10Mbps运行）。

图3-5 CSMA/CD的发送流程1)以太网接收在接受过程中，以太网中各节点需要监测信道的状态。

如果发现信号畸变，说明信道中有两个或多个节点同时发送数据，冲突发生，这时必须停止接收，并将接受到的数据废弃；如果在整个接收过程中没有发生冲突，接收点在收到一个完整的数据后即可以对数据进行接收处理，如图3-6所示：。

图3-6 CSMA/CD的发送流程2)MAC地址在以太网中，每个节点都是通过“广播”进行的，也就是说，如果发送成功，以太网上的所有节点都能正确收到该信息。

当然，在大多数情况下，以太网中的一个节点总是希望与另外一个节点（而不是所有节点）通信。

这样，节点通过网络接收到正确的数据后，需要判断是不是发给自己的，如果是就继续处理该信息。

如果不是，则废弃该信息。

那么局域网上的计算机利用MAC地址表示自己身份。

由于CSMA/CD采用竞争机制，在高负载时，冲突的几率的增大会对网络性能产生一定影响。

但是，由于其方法简单，容易实现。

因此被广泛用于各个领域，在局域网上占有绝对主导的地位。

2．共享式以太网和交换式以太网我们需要完成的试验是组建一个交换式以太网。

那么共享式以太网和交换式以太网这两者有什么区别呢？1)共享式以太网共享式以太网的典型代表是使用10Base2/10Base5的总线型网络和以集线器为核心的星型网络。

集线器的英文名称是HUB，工作在物理层上。

其主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离。

在今天，稍大一点的网络已经不再使用集线器。

主要的原因是：●集线器上连接的所有主机共享同一带宽，同一时间只能有一台主机发送数据；●A主机给B主机传输数据时，所有节点都会接收到同一信息，绝大部分数据流量是无效的，容易出现一些不安全因素。

●集线器不能提供网络管理的功能。

在使用集线器的以太网中，集线器将很多以太网设备集中到一台中心设备上，这些设备都连接到集线器中的同一物理总线结构中。

从本质上讲，以集线器为核心的以太网同原先的总线型以太网无根本区别。

以集线器为核心的共享式以太网，并不处理或检查其上的通信量，仅通过将一个端口接收的信号重复分发给其他端口来扩展物理介质。

所有连接到集线器的设备共享同一介质，其结果是它们也共享同一冲突域、广播和带宽。

因此集线器和它所连接的设备组成了一个单一的冲突域。

如果一个节点发出一个广播信息，集线器会将这个广播传播给所有同它相连的节点，因此它也是一个单一的广播域。

它的弊端在于：由于所有的节点都接在同一冲突域中，不管一个帧从哪里来或到哪里去，所有的节点都能接受到这个帧。

随着节点的增加，大量的冲突将导致网络性能急剧下降。

而且集线器同时只能传输一个数据帧，这意味着集线器所有端口都要共享同一带宽。

2)交换式以太网在交换式以太网与共享式以太网最大区别是用交换机代替了集线器。

交换机的英文名称之为“Switch”，它是集线器的升级换代产品，工作在数据链路层上。

早期，交换机由于比较昂贵，适用范围并不广泛在。

随着网络传输媒体类型的日益丰富，图形、图像及各种流媒体等多媒体内容的出现，人们对网络数据传输速度和传输性能的要求日益提高。

集线器由于它的共享介质传输、单工数据操作和广播数据发送方式等都先天决定了很难满足用户的上述速度和性能要求。

在用户的需求下和网络设备开发商的努力下－－交换机（Switch）出现了，如图3-7。

交换机的性能价格比与集线器由很多的优势：主要体现在以下几个方面：交换机每个端口都有独立、固定的带宽；交换机采用内部交换矩阵，使得多个数据通信能够并发进行；交换机能够根据目的地址将数据发往指定的端口，降低了冲突几率同时提升了网络安全性；交换机能够进行软件设置，从而实现较为复杂的网络管理功能。