1、第第6章章局域網交換技術局域網交換技術 20世紀世紀70年代末以后，隨著微電子和計算年代末以后，隨著微電子和計算機技術的發展，個人計算機逐漸得到廣泛機技術的發展，個人計算機逐漸得到廣泛的應用，促使計算機局域網的應用，促使計算機局域網LAN（Local Area Network）技術快速地發展，并在計）技術快速地發展，并在計算機網絡中占據了非常重要的地位。算機網絡中占據了非常重要的地位。 早期的局域網設備（如集線器）大都采用早期的局域網設備（如集線器）大都采用廣播方式進行通信，信息傳輸效率很低。廣播方式進行通信，信息傳輸效率很低。 隨著交換技術的引入，局域網的性能和擴隨著交換技術的引入，局域網的

2、性能和擴展能力得到了大幅提高，應用范圍和業務展能力得到了大幅提高，應用范圍和業務承載能力也發生了質的變化。承載能力也發生了質的變化。局域網的基本概念局域網的基本概念6.16.1局域網標準與體系結構局域網標準與體系結構6.26.2交換式局域網交換式局域網6.36.3局域網技術的發展局域網技術的發展 6.1 局域網的基本概念局域網的基本概念 局域網是將分散在有限地理范圍內的多局域網是將分散在有限地理范圍內的多臺計算機通過傳輸媒體連接起來的通信網臺計算機通過傳輸媒體連接起來的通信網絡。絡。 它通過功能完善的網絡軟件，實現計算它通過功能完善的網絡軟件，實現計算機之間的相互通信和資源共

3、享。機之間的相互通信和資源共享。 美國電氣電子工程師協會（美國電氣電子工程師協會（IEEE）于）于1980年年2月成立的局域網標準化委員會（簡月成立的局域網標準化委員會（簡稱稱802委員會）專門對局域網的標準進行研委員會）專門對局域網的標準進行研究，并提出了究，并提出了LAN的定義。的定義。 LAN是指在中等地域范圍內（如是指在中等地域范圍內（如25km以以內），多個獨立設備通過較高速率的物理內），多個獨立設備通過較高速率的物理信道直接互連通信的數據通信系統。信道直接互連通信的數據通信系統。 局域網最主要的特點是：網絡為一個單局域網最主要的特點是：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和節點數目均有

4、限。位所擁有，且地理范圍和節點數目均有限。 在網絡發展的早期，與廣域網相比，局在網絡發展的早期，與廣域網相比，局域網具有較高的數據傳輸速率、較小的時域網具有較高的數據傳輸速率、較小的時延和較低的誤碼率。延和較低的誤碼率。 但隨著光纖通信技術的發展和普遍使用，但隨著光纖通信技術的發展和普遍使用，現在，廣域網也具有很高的速率和很低的現在，廣域網也具有很高的速率和很低的誤碼率。誤碼率。6.1.1 6.1.1 網絡拓撲結構網絡拓撲結構 網絡拓撲是由網絡節點設備和通信介質網絡拓撲是由網絡節點設備和通信介質構成的網絡結構圖，分為物理拓撲結構和構成的網絡結構圖，分為物理拓撲結構和邏輯拓撲結構。邏輯拓撲結構。

5、1 1物理拓撲物理拓撲 以網絡設備實際物理位置為依據生成的以網絡設備實際物理位置為依據生成的拓撲圖，稱為物理拓撲。拓撲圖，稱為物理拓撲。 常見的拓撲結構有總線形、環形、星形、常見的拓撲結構有總線形、環形、星形、樹形及網形網等。樹形及網形網等。（1 1）總線狀。）總線狀。 圖圖6 1 總線形拓撲結構總線形拓撲結構 （2 2）環形。）環形。圖圖6 2 環形拓撲結構環形拓撲結構（3 3）星形。）星形。 圖圖6 3 星形拓撲結構星形拓撲結構 （4 4）樹形。）樹形。 圖圖6 4 樹形拓撲結構樹形拓撲結構 （5 5）網狀網。）網狀網。 圖圖6 5 完全網狀網結構完全網狀網結構2 2邏輯拓撲邏輯拓撲 物理

6、拓撲是由傳輸線路和網絡設備等的物理拓撲是由傳輸線路和網絡設備等的實際物理分布決定的。實際物理分布決定的。 邏輯拓撲則是由數據在網絡節點間傳輸邏輯拓撲則是由數據在網絡節點間傳輸的路線決定的。的路線決定的。 兩者的分類方式基本相同，但邏輯拓撲兩者的分類方式基本相同，但邏輯拓撲通常與介質訪問控制（通常與介質訪問控制（MAC）方法及協議）方法及協議密切相關。密切相關。 可以通過路由器或交換機等設備對網絡可以通過路由器或交換機等設備對網絡的邏輯拓撲結構進行動態配置。的邏輯拓撲結構進行動態配置。6.1.2 6.1.2 傳輸介質傳輸介質 傳輸介質是指連接網絡設備的中間介質，也傳輸介質是指連接網絡設備的中間介

7、質，也就是信號傳輸的媒體。就是信號傳輸的媒體。 傳輸介質包括有線傳輸介質和無線傳輸介質。傳輸介質包括有線傳輸介質和無線傳輸介質。 有線傳輸介質是指利用電纜或光纜等充當有線傳輸介質是指利用電纜或光纜等充當傳輸導體的傳輸介質，如雙絞線、同軸電纜傳輸導體的傳輸介質，如雙絞線、同軸電纜和光纜等；無線傳輸介質是指利用電波或光和光纜等；無線傳輸介質是指利用電波或光波充當傳輸導體的傳輸介質，如無線電波、波充當傳輸導體的傳輸介質，如無線電波、微波、紅外線和衛星信道等。微波、紅外線和衛星信道等。 下面主要介紹同軸電纜、雙絞線和光纖等下面主要介紹同軸電纜、雙絞線和光纖等有線傳輸介質。有線傳輸介質。1 1同軸電纜同

8、軸電纜圖圖6 6 同軸電纜同軸電纜2 2雙絞線雙絞線 雙絞線（雙絞線（Twisted Pair）是由兩條相互絕）是由兩條相互絕緣的導線按照一定的規則互相纏繞（一般緣的導線按照一定的規則互相纏繞（一般沿順時針方向纏繞）在一起制成的一種通沿順時針方向纏繞）在一起制成的一種通用配線，是綜合布線工程中最常用的一種用配線，是綜合布線工程中最常用的一種傳輸介質。傳輸介質。 把兩根絕緣的導線按一定密度互相絞在一把兩根絕緣的導線按一定密度互相絞在一起，可降低信號干擾的程度，一根導線在傳起，可降低信號干擾的程度，一根導線在傳輸中輻射的電磁波會與另一根線上發出的電輸中輻射的電磁波會與另一根線上發出的電磁波抵消。磁

9、波抵消。 雙絞線過去主要用于傳輸模擬信號，現在雙絞線過去主要用于傳輸模擬信號，現在同樣用于數字信號的傳輸。同樣用于數字信號的傳輸。 雙絞線分為非屏蔽雙絞線（雙絞線分為非屏蔽雙絞線（UTP，Unshilded Twisted Pair）和屏蔽雙絞線）和屏蔽雙絞線（STP，Shielded Twisted Pair）。）。 屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁箔包裹，以減屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁箔包裹，以減小輻射，價格相對較高，并且需要支持屏蔽小輻射，價格相對較高，并且需要支持屏蔽功能的特殊連接器和相當的安裝技術，但是功能的特殊連接器和相當的安裝技術，但是傳輸速率比相應的非屏蔽雙絞線高。傳輸速率比相應的非屏蔽

10、雙絞線高。 按照其電氣特性，可以將雙絞線分為以按照其電氣特性，可以將雙絞線分為以下幾種。下幾種。（1）1類（類（CAT-1）雙絞線）雙絞線（2）2類（類（CAT-2）雙絞線）雙絞線（3）3類（類（CAT-3）雙絞線）雙絞線（4）4類（類（CAT-4）雙絞線）雙絞線（5）5類（類（CAT-5）雙絞線）雙絞線（6）超）超5類（類（CAT-5E）雙絞線）雙絞線（7）6類（類（CAT-6）雙絞線）雙絞線（8）7類（類（CAT-7）雙絞線）雙絞線 3 3光纖光纖 光纖是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔軟光纖是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔軟細絲，具有把光封閉在其中并沿軸向進行傳細絲，具有把光封閉在其中并沿軸向

11、進行傳播的導波結構。播的導波結構。 光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆，光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆，包覆后的纜線即被稱為包覆后的纜線即被稱為“光纜光纜”。 光纜（光纜（optical fiber cable）由若干根光纖構）由若干根光纖構成的纜芯和外護層所組成，具有很好的電磁成的纜芯和外護層所組成，具有很好的電磁絕緣性能，信號衰變小，傳輸距離較長。絕緣性能，信號衰變小，傳輸距離較長。 光纖主要有兩種類型：單模光纖和多模光光纖主要有兩種類型：單模光纖和多模光纖（纖（“模模”指的是入射角）。指的是入射角）。 單模光纖的纖芯直徑很小，約為單模光纖的纖芯直徑很小，約為810m，在給定的工作波長

12、上只能以單一模式傳輸，在給定的工作波長上只能以單一模式傳輸，傳輸頻帶寬，傳輸容量大，距離遠，一般傳輸頻帶寬，傳輸容量大，距離遠，一般由激光作為光源，多用于遠程通信。由激光作為光源，多用于遠程通信。 多模光纖是在給定的工作波長上，能以多個多模光纖是在給定的工作波長上，能以多個模式同時傳輸的光纖，一般由二極管發光，模式同時傳輸的光纖，一般由二極管發光，多用于網絡布線系統。多用于網絡布線系統。 與單模光纖相比，多模光纖的傳輸性能較差。與單模光纖相比，多模光纖的傳輸性能較差。6.2 6.2 局域網標準與體系結構局域網標準與體系結構6.2.1 局域網標準局域網標準IEEE 802工作組工作組 IEEE（

13、Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣電子工程師協，電氣電子工程師協會）是一個國際化的非營利性專業組織，會）是一個國際化的非營利性專業組織，負責電氣相關技術的研究。負責電氣相關技術的研究。 IEEE是世界領先的標準化組織之一，擁是世界領先的標準化組織之一，擁有全球近有全球近175個國家的個國家的36萬多名會員。萬多名會員。 IEEE標準協會（標準協會（IEEE-SA，IEEE Standards Association）負責標準的制定和）負責標準的制定和維護工作。維護工作。 IEEE標準涉及到工業生產的很多方面，標準涉及到工業生

14、產的很多方面，其中的其中的IEEE 802系列就是關于系列就是關于LAN/MAN的系列標準。的系列標準。 IEEE 802指的是一組與局域網和城域網指的是一組與局域網和城域網有關的有關的IEEE標準。標準。 具體來說，具體來說，IEEE 802標準僅限于承載可標準僅限于承載可變長分組的網絡（分組長度固定的數據網變長分組的網絡（分組長度固定的數據網不在此標準之列）。不在此標準之列）。 IEEE 802的工作涉及局域網和城域網的的工作涉及局域網和城域網的物理層和物理層和MAC層規范，對應于層規范，對應于OSI參考模參考模型的下兩層。型的下兩層。 IEEE 802標準由標準由IEEE 802 LAN

15、/MAN標標準委員會（準委員會（LMSC，LAN/MAN Standards Committee）負責維護，其中得到廣泛應）負責維護，其中得到廣泛應用的標準包括以太網、令牌環、無線局域用的標準包括以太網、令牌環、無線局域網等標準。網等標準。 LMSC執行委員會（執行委員會（Executive Committee）下設工作組（下設工作組（WG，Working Group）、）、研究組（研究組（SG，Study Group）、技術顧問）、技術顧問組（組（TAG，Technical Advisory Group）。）。與與IEEE 802相關的標準如表相關的標準如表6-2所示，所示，IEEE 802

16、工作組的更多具體情況請參見工作組的更多具體情況請參見。6.2.2 6.2.2 局域網體系結構局域網體系結構1協議體系結構協議體系結構圖圖6-7 IEEE 802參考模型參考模型2 2LLCLLC子層子層（1）LLC的功能。的功能。 網絡層與網絡層與LLC子層之間界面的服務規范：子層之間界面的服務規范：用于描述用于描述LLC及其以下各層為網絡層提供及其以下各層為網絡層提供的服務。的服務。 LLC子層與子層與MAC子層之間界面的服務子層之間界面的服務規范：用于描述規范：用于描述LLC子層要求子層要求MAC子層提子層提供的服務。供的服務。 LLC子層與子層與

17、LLC子層間的服務規范：用子層間的服務規范：用于描述提供給于描述提供給LLC子層的管理服務。子層的管理服務。圖圖6-8 IEEE 802參考模型中各層關系示意圖參考模型中各層關系示意圖（2 2）LLCLLC子層與網絡層的接口與服務。子層與網絡層的接口與服務。 無確認的無連接服務。無確認的無連接服務。 帶確認的無連接服務。帶確認的無連接服務。 面向連接的服務。面向連接的服務。 （3 3）LLCLLC子層與子層與MACMAC子層的接口與服務。子層的接口與服務。 LLC子層通過子層通過MAC子層的服務訪問點子層的服務訪問點（MSAP）來使用）來使用MAC子層為它提供的服子層為它提供的服務。務。 LL

18、C子層通過使用子層通過使用MAC子層提供的服務，子層提供的服務，與對等實體的與對等實體的LLC子層交換子層交換LLC數據單元，數據單元，完成完成LLC子層的功能。子層的功能。 MAC子層可以提供多種可供選擇的介質子層可以提供多種可供選擇的介質訪問控制方式，通過訪問控制方式，通過MSAP支持支持LLC子層子層時，時，MAC子層負責實現幀的尋址和識別。子層負責實現幀的尋址和識別。 MAC子層到子層到MAC子層的操作通過對等層子層的操作通過對等層之間協議來實現。之間協議來實現。 MAC子層向子層向LLC子層提供服務時使用的子層提供服務時使用的原語包括：原語包括：MA-DATA.request、MA-

19、DATA.indication和和MA-DATA.confirm等。等。（4 4）LLCLLC子層與子層與LLCLLC子層之間的服務規范。子層之間的服務規范。 DSAP字段字段 圖圖6-9 LLC的的PDU格式格式 圖圖6-10 DSAP字段結構字段結構 SSAP SSAP字段圖字段圖6-11 SSAP6-11 SSAP字段結構字段結構 控制字段控制字段 圖圖6-12 控制字段結構控制字段結構 LLC LLC數據數據圖圖6-13 LLC PDU與與MAC幀幀3 3MACMAC子層子層 MAC子層負責共享介質的訪問控制，與具子層負責共享介質的訪問控制，與具體的物理介質有關。體的物理介質有關。 發

20、送端發送端MAC子層將上層傳來的數據封裝成子層將上層傳來的數據封裝成幀后送往物理層，接收端幀后送往物理層，接收端MAC子層將數據從子層將數據從接收幀中恢復出來，傳送給其上層用戶。接收幀中恢復出來，傳送給其上層用戶。 同時還要實現差錯檢測及傳輸介質的訪同時還要實現差錯檢測及傳輸介質的訪問控制等功能。問控制等功能。6.2.3 6.2.3 組網設備組網設備（1）沖突域）沖突域（2）廣播域）廣播域（3）網段）網段 1中繼器和集線器中繼器和集線器2橋接和交換橋接和交換圖圖6-14 局域網交換機結構局域網交換機結構3路由器路由器6.2.4 6.2.4 以太網以太網 以太網是最早出現的局域網，也是目前最以太

21、網是最早出現的局域網，也是目前最常見、最具有代表性的局域網。常見、最具有代表性的局域網。 1973年，施樂（年，施樂（Xerox）公司開發出了一）公司開發出了一種采用總線競爭式介質訪問方法（起源于種采用總線競爭式介質訪問方法（起源于夏威夷大學研制的夏威夷大學研制的ALOHA網絡）的設備互網絡）的設備互連技術，并將這項技術命名為連技術，并將這項技術命名為“以太網以太網（Ethernet）”。 1979年，年，Xerox與與DEC、Intel共同起草了共同起草了DIX 1.010Mbit/s以太網規范。以太網規范。 1980年年2月，月，IEEE成立了專門負責制定局成立了專門負責制定局域網域網/城

22、域網標準的城域網標準的IEEE 802委員會，它制委員會，它制定的定的IEEE 802.3標準對基于總線的局域網標準對基于總線的局域網進行了規范。進行了規范。 1982年，年，DIX修改并發布了以太網新標準修改并發布了以太網新標準DIX 2.0。 1984年到年到1985年，年，IEEE 802委員會公布委員會公布了局域網的五項標準了局域網的五項標準IEEE 802.1IEEE 802.5。 以太網從問世至今，一直在不斷改進，速率以太網從問世至今，一直在不斷改進，速率等級也從等級也從10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s提提高到了高到了10Gbit/s。1 1以太網的以太網

23、的MACMAC地址地址圖圖6-15 以太網以太網MAC地址的結構地址的結構2 2以太網幀結構以太網幀結構（1）前導字符。）前導字符。 圖圖6-16 前導字符結構前導字符結構（2 2）以太網幀格式。）以太網幀格式。圖圖6-17 DIX 2.0及及802.3幀結構幀結構3 3介質訪問方法介質訪問方法 CSMA/CD（Carrier SenSe Multiple Access/Collision Detection）協議是對）協議是對ALOHA協議（美國夏威夷大學開發的一協議（美國夏威夷大學開發的一種數據鏈路層協議，是一種隨機訪問協議）種數據鏈路層協議，是一種隨機訪問協議）的改進，適用于總線形網絡。

24、的改進，適用于總線形網絡。 在總線形結構中，所有設備都直接連到在總線形結構中，所有設備都直接連到同一條物理信道上，該信道負責任意兩個同一條物理信道上，該信道負責任意兩個設備之間的數據傳送。設備之間的數據傳送。 節點以幀的形式發送數據，幀的頭部含節點以幀的形式發送數據，幀的頭部含有目的節點和源節點的地址。有目的節點和源節點的地址。 幀在信道上是以廣播方式傳播的，所有連接幀在信道上是以廣播方式傳播的，所有連接在信道上的設備都能檢測到該幀。在信道上的設備都能檢測到該幀。 某個節點檢測到目的地址為本節點地址時，某個節點檢測到目的地址為本節點地址時，就接收幀中所攜帶的數據，并按規定的鏈路就接收幀中所攜帶

25、的數據，并按規定的鏈路協議給源節點返回一個響應。協議給源節點返回一個響應。 任何時刻，當一個節點采用這種方式發送數任何時刻，當一個節點采用這種方式發送數據幀時，都可能有其他節點同時在向總線上發據幀時，都可能有其他節點同時在向總線上發送幀，這樣，在信道上就會發生信號沖突。送幀，這樣，在信道上就會發生信號沖突。 為減少沖突的發生，源節點在發送幀之為減少沖突的發生，源節點在發送幀之前，首先要監聽信道上是否有其他節點發前，首先要監聽信道上是否有其他節點發送的載波信號。送的載波信號。 若監聽到載波信號，則推遲發送，直到若監聽到載波信號，則推遲發送，直到信道恢復空閑為止。信道恢復空閑為止。 此外，開始發送

26、數據之后，還需要對信此外，開始發送數據之后，還需要對信道繼續進行監聽，若監聽到干擾信號，就道繼續進行監聽，若監聽到干擾信號，就表示出現了沖突，需要立即停止發送。表示出現了沖突，需要立即停止發送。（1）以太網時間槽。）以太網時間槽。 （2）載波監聽多路訪問（）載波監聽多路訪問（CSMA）。）。 非堅持非堅持CSMA 1-堅持堅持CSMA P-堅持堅持CSMA （3）帶沖突檢測的載波監聽多路訪）帶沖突檢測的載波監聽多路訪問問CSMA/CD。 （4）帶沖突避免的載波監聽多路訪）帶沖突避免的載波監聽多路訪問問CSMA/CA。 4 4以太網類型以太網類型 下面簡要介紹局域網發展過程中出現的下面簡要介紹局

27、域網發展過程中出現的幾種以太網。幾種以太網。 除了這些正式標準以外，許多廠商根據除了這些正式標準以外，許多廠商根據市場和應用需求，比如為了支持更長距離市場和應用需求，比如為了支持更長距離的傳輸，還制定了一些專用的標準。的傳輸，還制定了一些專用的標準。（1 1）10M10M以太網。以太網。 10Base5（又稱粗纜以太網）（又稱粗纜以太網） 10Base2（又稱細纜以太網）（又稱細纜以太網） 10Base-T 10Base-F （2 2）快速以太網。）快速以太網。 100Base-T。 100VG-AnyLAN。 圖圖6-18 100BaseT快速以太網的介質類型快速以太網的介質類型（3 3）吉

28、比特以太網。）吉比特以太網。 工作原理工作原理 在吉比特以太網中，可以以在吉比特以太網中，可以以1 000Mbit/s的速度進行半雙工和全雙工操作。的速度進行半雙工和全雙工操作。 物理介質：物理介質： 吉比特以太網除了對吉比特以太網除了對MAC子層協議進行子層協議進行了修改之外，其物理層也與了修改之外，其物理層也與10M及及100M以以太網有所不同。太網有所不同。 在吉比特以太網標準在吉比特以太網標準IEEE 802.3z中定義中定義了三種傳輸介質：多模光纖、單模光纖和了三種傳輸介質：多模光纖、單模光纖和同軸電纜。同軸電纜。 IEEE 802.3ab則將非屏蔽雙絞線定義為則將非屏蔽雙絞線定義為

29、傳輸介質。傳輸介質。（4 4）10G10G以太網。以太網。 以太網在局域網中占有絕對的優勢。以太網在局域網中占有絕對的優勢。 但在很長的一段時間內，人們普遍認為但在很長的一段時間內，人們普遍認為由于帶寬以及傳輸距離上的限制，以太網由于帶寬以及傳輸距離上的限制，以太網不能用于城域網和廣域網中。不能用于城域網和廣域網中。 萬兆（萬兆（10G）以太網的出現改變了人們對）以太網的出現改變了人們對以太網的看法。以太網的看法。 10GBase-SR 10GBase-LR 10GBase-ER 10GBase-LX4 10GBase-CX4 10GBase-T 10GBase-LRM （5）40G/100G

30、以太網。以太網。 6.3 6.3 交換式局域網交換式局域網 如如6.2.4節所述，以太網是一種共享介質型節所述，以太網是一種共享介質型網絡，整個網絡的帶寬為網上所有節點共享，網絡，整個網絡的帶寬為網上所有節點共享，任意時刻，網絡上只允許一個節點發送數據，任意時刻，網絡上只允許一個節點發送數據，其他節點則處于接收狀態。其他節點則處于接收狀態。 其他局域網，如令牌環、令牌總線、其他局域網，如令牌環、令牌總線、FDDI也具有相同的特點。也具有相同的特點。 共享介質型局域網存在的最大不足是：當共享介質型局域網存在的最大不足是：當節點增加、網絡規模擴大時，數據傳輸時延節點增加、網絡規模擴大時，數據傳輸時

31、延會急劇上升，造成網絡性能的下降。會急劇上升，造成網絡性能的下降。 隨著計算機網絡的普及、各種業務和應用隨著計算機網絡的普及、各種業務和應用的發展，用戶對帶寬和服務質量的要求越來的發展，用戶對帶寬和服務質量的要求越來越高，傳統的共享介質型局域網難以滿足組越高，傳統的共享介質型局域網難以滿足組網和用戶不斷增長的需求。網和用戶不斷增長的需求。 因此，在局域網中引入類似廣域網中的交因此，在局域網中引入類似廣域網中的交換設備，優化網絡結構，提高網絡性能，為換設備，優化網絡結構，提高網絡性能，為用戶提供更好的服務勢在必行。用戶提供更好的服務勢在必行。 交換機的基本功能是根據目的地址進行路交換機的基本功能

32、是根據目的地址進行路由選擇，將輸入端口的數據轉發到相應的輸由選擇，將輸入端口的數據轉發到相應的輸出端口。出端口。 在局域網中，交換機選路時所依據的目在局域網中，交換機選路時所依據的目的地址可以是第二層的的地址可以是第二層的MAC地址、第三層地址、第三層的的IP地址，也可以第四層的端口地址。地址，也可以第四層的端口地址。 據此，引出了局域網第二、三、四層交據此，引出了局域網第二、三、四層交換的概念。換的概念。6.3.1 6.3.1 第二層交換第二層交換 目前，局域網中應用最多的是第二層交換目前，局域網中應用最多的是第二層交換機，它對分組的轉發是以目的地的機，它對分組的轉發是以目的地的MAC地地址

33、為基礎進行的，由于址為基礎進行的，由于MAC層處于層處于OSI參考參考模型的第二層，因此將其稱為第二層交換。模型的第二層，因此將其稱為第二層交換。 有時也將第二層交換機稱作交換型集線器。有時也將第二層交換機稱作交換型集線器。 第二層交換機具備下列基本功能：第二層交換機具備下列基本功能：（1）根據）根據MAC地址控制轉發業務流。地址控制轉發業務流。（2）在端口間建立交換式連接。）在端口間建立交換式連接。（3）支持特殊服務功能，如包過濾、）支持特殊服務功能，如包過濾、流量控制、網絡管理等。流量控制、網絡管理等。1工作過程工作過程2轉發方式轉發方式 根據第二層交換機對數據轉發處理方式根據第二層交換機

34、對數據轉發處理方式的不同，可以將轉發方式分為下列三種。的不同，可以將轉發方式分為下列三種。（1）直通方式（）直通方式（cut-through）。）。 （2）存儲轉發方式（）存儲轉發方式（store-and-forward）。）。 （3）自由分段方式（）自由分段方式（fragment-free）。）。 3 3廣播風暴與路由環路廣播風暴與路由環路 交換機把原本處于同一個沖突域的主機分交換機把原本處于同一個沖突域的主機分隔開來，便于提高網絡性能。隔開來，便于提高網絡性能。 但這樣做同時又引入了一個新問題但這樣做同時又引入了一個新問題單單點故障（點故障（single point failure），即當

35、交換機），即當交換機出現故障時，原本能夠通信的主機就不能通出現故障時，原本能夠通信的主機就不能通信了。信了。 避免單點故障可以使用冗余技術，即用兩避免單點故障可以使用冗余技術，即用兩臺交換機連接被分隔開的網段，一臺交換機臺交換機連接被分隔開的網段，一臺交換機出現故障，仍然可以通過另一臺交換機進行出現故障，仍然可以通過另一臺交換機進行通信。通信。 這樣雖然解決了單點故障或失效的問題，這樣雖然解決了單點故障或失效的問題，但由于網段間存在兩條路徑，可能會產生但由于網段間存在兩條路徑，可能會產生環路。環路。 環路的產生將引起廣播風暴和轉發表不環路的產生將引起廣播風暴和轉發表不穩定問題。穩定問題。（1）

36、廣播風暴。）廣播風暴。 （2）路由環路。）路由環路。 圖圖6-19 廣播風暴的形成廣播風暴的形成 圖圖 6-20 轉發表不穩定轉發表不穩定4 4生成樹協議（生成樹協議（Spanning Tree ProtocolSpanning Tree Protocol）（1）生成樹協議的基本規則。）生成樹協議的基本規則。 選擇一個根橋：一個物理網段上只能有選擇一個根橋：一個物理網段上只能有一個根橋，根橋上的所有端口都是指定端一個根橋，根橋上的所有端口都是指定端口，都可以轉發數據。口，都可以轉發數據。 非根橋上用來和根橋相連的根端口只能非根橋上用來和根橋相連的根端口只能有一個，只有根端口可以轉發數據。有一個

37、，只有根端口可以轉發數據。 其余端口不是根端口，將被阻塞。其余端口不是根端口，將被阻塞。（2 2）根橋的選擇：）根橋的選擇： 使用生成樹算法的交換機通過網橋協議使用生成樹算法的交換機通過網橋協議數據單元（數據單元（BPDU）定期交換配置信息。）定期交換配置信息。 BPDU中包括橋中包括橋ID（Bridge ID，由優先，由優先級和交換機級和交換機MAC地址組成）信息。地址組成）信息。 橋橋ID最小的交換機被選為根橋。最小的交換機被選為根橋。（3 3）非根橋上根端口的選擇：）非根橋上根端口的選擇： 非根橋上只有一個端口（根端口）可以到非根橋上只有一個端口（根端口）可以到達根橋，根端口是到達根橋路

38、徑開銷最低的達根橋，根端口是到達根橋路徑開銷最低的端口。端口。 如多個端口到達根橋的路徑開銷相等，則如多個端口到達根橋的路徑開銷相等，則比較端口的比較端口的MAC地址，地址，MAC地址最小的被地址最小的被選為根端口。選為根端口。6.3.2 6.3.2 第三層交換第三層交換 第三層為網絡層，主要任務是為分組尋第三層為網絡層，主要任務是為分組尋找合適的路由。找合適的路由。 傳統的路由器使用軟件和通用傳統的路由器使用軟件和通用CPU來實來實現對分組的轉發，延遲比較大，轉發速度現對分組的轉發，延遲比較大，轉發速度比較慢，第三層交換正是針對這個問題提比較慢，第三層交換正是針對這個問題提出的。出的。 所謂

39、第三層交換并非只使用第三層功能，所謂第三層交換并非只使用第三層功能，而是把第三層的路由功能與第二層的交換而是把第三層的路由功能與第二層的交換功能結合起來，實現分組的快速轉發。功能結合起來，實現分組的快速轉發。1 1傳統路由技術傳統路由技術 傳統路由器的作用主要體現在實現異構網絡傳統路由器的作用主要體現在實現異構網絡的互連、抑制廣播風暴以及實現不同子網的的互連、抑制廣播風暴以及實現不同子網的獨立自治三個方面。獨立自治三個方面。 傳統路由器是基于傳統路由器是基于IP地址來進行路由選擇的。地址來進行路由選擇的。 聯網路由器必須人工或通過路由協議建立聯網路由器必須人工或通過路由協議建立和維護路由表，路

40、由表中的表項標識了分組和維護路由表，路由表中的表項標識了分組的下一跳的下一跳IP地址。地址。 路由器收到一個分組后，首先將該分組的路由器收到一個分組后，首先將該分組的第二層首部去掉，查看（包含第二層首部去掉，查看（包含IP地址的）第地址的）第三層首部；然后根據目的三層首部；然后根據目的IP地址查詢路由表，地址查詢路由表，以確定分組的下一跳地址；一旦確定了轉發以確定分組的下一跳地址；一旦確定了轉發端口再用相應的第三層和第二層信息對分組端口再用相應的第三層和第二層信息對分組進行打包，將分組轉發出去。進行打包，將分組轉發出去。 如果在路由表中查不到相應的目的地址，如果在路由表中查不到相應的目的地址，

41、路由器會將分組丟棄，并向源主機返回一路由器會將分組丟棄，并向源主機返回一條信息。條信息。2 2第三層交換的基本原理第三層交換的基本原理 第三層交換機相當于一個帶有路由功能的第三層交換機相當于一個帶有路由功能的二層交換機，它并不只是把路由器的軟硬件二層交換機，它并不只是把路由器的軟硬件簡單疊加在二層交換機上，而是將兩者有機簡單疊加在二層交換機上，而是將兩者有機地結合了起來。地結合了起來。圖圖6-21 三層交換機組網示意圖三層交換機組網示意圖3 3與路由器的主要區別與路由器的主要區別 第三層交換機主要用于局域網組網，在局第三層交換機主要用于局域網組網，在局域網環境下提供高速數據交換，滿足局域網域網

42、環境下提供高速數據交換，滿足局域網對可擴展性、服務性能、網管和安全等方面對可擴展性、服務性能、網管和安全等方面的要求。的要求。 第三層交換與路由器的主要區別主要體現第三層交換與路由器的主要區別主要體現在以下方面。在以下方面。（1）傳統路由器復雜的路由處理與）傳統路由器復雜的路由處理與強大的功能主要通過軟件實現，而第強大的功能主要通過軟件實現，而第三層交換機則大量采用專用集成電路三層交換機則大量采用專用集成電路ASIC來實現，可以提供線速的數據來實現，可以提供線速的數據轉發。轉發。（2 2）第三層交換具有跨層協議處理能）第三層交換具有跨層協議處理能力。力。 路由器通常只處理第三層控制信息而無法路

43、由器通常只處理第三層控制信息而無法讀懂第二層控制信息；第三層交換可以直接讀懂第二層控制信息；第三層交換可以直接理解第二層控制信息，處理分組時，不需要理解第二層控制信息，處理分組時，不需要進行逐個分組的拆包打包。進行逐個分組的拆包打包。（3）在路由器中，每個分組都要經）在路由器中，每個分組都要經第三層處理再轉發；在第三層交換機第三層處理再轉發；在第三層交換機中，并不要求所有分組都經過第三層中，并不要求所有分組都經過第三層處理再轉發。處理再轉發。6.3.3 6.3.3 第四層交換第四層交換1基本概念基本概念 隨著寬帶網絡的普及，基于隨著寬帶網絡的普及，基于IP技術的各種技術的各種應用迅速發展，局域

44、網承擔的業務流量越來應用迅速發展，局域網承擔的業務流量越來越繁重，業務對網絡的要求越來越高。越繁重，業務對網絡的要求越來越高。 根據業務性質的不同，要求網絡提供區根據業務性質的不同，要求網絡提供區別化服務是網絡發展的必然，比如讓對時別化服務是網絡發展的必然，比如讓對時延較敏感的業務以及較重要的數據優先通延較敏感的業務以及較重要的數據優先通過。過。 第二層和第三層交換技術由于無法感知業第二層和第三層交換技術由于無法感知業務特征，因此難以做到真正的優先級服務；務特征，因此難以做到真正的優先級服務；第四層交換具有業務感知能力，可對網絡資第四層交換具有業務感知能力，可對網絡資源進行最優分配，提高服務質

45、量，實現負載源進行最優分配，提高服務質量，實現負載均衡和安全控制等。均衡和安全控制等。 OSI參考模型的第四層是傳輸層。參考模型的第四層是傳輸層。 傳輸層負責源節點和目標節點之間應用進傳輸層負責源節點和目標節點之間應用進程的端到端的通信，使用的主要協議為傳輸程的端到端的通信，使用的主要協議為傳輸控制協議控制協議TCP和用戶數據報協議和用戶數據報協議UDP。 TCP和和UDP的報文首部包含了端口號，通的報文首部包含了端口號，通過端口號可以唯一地區分數據屬于什么應用過端口號可以唯一地區分數據屬于什么應用（例如（例如HTTP、SMTP、FTP等）。等）。 這樣，網絡節點就可以區分所收到的分組這樣，網

46、絡節點就可以區分所收到的分組類型，把它交給合適的高層軟件，或指導分類型，把它交給合適的高層軟件，或指導分組進行排隊和轉發。組進行排隊和轉發。 通常將端口號和設備通常將端口號和設備IP地址的組合稱為地址的組合稱為“Socket（套接字）（套接字）”。 TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為端口號提供的附加信息可以為交換機所用，這是第四層交換的基礎。交換機所用，這是第四層交換的基礎。 所謂第四層交換就是利用第四層所謂第四層交換就是利用第四層（TCP/UDP）協議提供的附加信息進一步）協議提供的附加信息進一步改進路由和交換功能，以增強網絡靈活性，改進路由和交換功能，以增強網絡靈活性，提高服務性能。

47、提高服務性能。2 2主要功能主要功能 第四層交換機通常都支持多層交換，主要第四層交換機通常都支持多層交換，主要用于企業主干網和基于用于企業主干網和基于TCP/IP的寬帶網絡，的寬帶網絡，要求在支持高性能的前提下，為不同應用提要求在支持高性能的前提下，為不同應用提供不同的服務質量保證，確保關鍵應用的服供不同的服務質量保證，確保關鍵應用的服務質量。務質量。 主要功能包括以下幾點。主要功能包括以下幾點。（1）提供線速交換能力，尤其是在）提供線速交換能力，尤其是在千兆以太網中。千兆以太網中。（2）實現路由器的所有功能。）實現路由器的所有功能。（3）根據應用類型提供不同級別的）根據應用類型提供不同級別的

48、服務能力。服務能力。（4）網絡流量管理能力。）網絡流量管理能力。 第四層交換通常要經過以下三個步驟。第四層交換通常要經過以下三個步驟。（1）由）由IP分組的業務類型字段識別分組的業務類型字段識別不同的應用流。不同的應用流。（2）為不同的應用數據流提供優先）為不同的應用數據流提供優先級排隊和調度。級排隊和調度。（3）為應用數據流建立捷徑或快速）為應用數據流建立捷徑或快速轉發。轉發。3 3四層交換的實現與應用四層交換的實現與應用 第四層交換除了依據第二層和第三層的地第四層交換除了依據第二層和第三層的地址信息外，還要根據第四層信息來對分組進址信息外，還要根據第四層信息來對分組進行排隊轉發，因而協議處

49、理的工作量大于第行排隊轉發，因而協議處理的工作量大于第三層交換。三層交換。 由于第四層交換主要用于需要改善網絡性由于第四層交換主要用于需要改善網絡性能的主干網絡，對分組的處理速度要像第三能的主干網絡，對分組的處理速度要像第三層交換一樣達到線速，所以第四層交換功能層交換一樣達到線速，所以第四層交換功能大都采用大都采用ASIC來實現。來實現。 同時其內部往往配置大容量緩沖區，以針同時其內部往往配置大容量緩沖區，以針 對不同的應用進行流量排隊。對不同的應用進行流量排隊。6.4 6.4 局域網技術的發展局域網技術的發展1CE業務業務 MEF定義了下列定義了下列3類類CE業務：業務：（1）E-LINE：

50、這是最簡單的基本業：這是最簡單的基本業務類型，常被稱為專線業務，可以傳務類型，常被稱為專線業務，可以傳送各種分組數據。送各種分組數據。（2）E-LAN：提供局域網的單播、：提供局域網的單播、多播、學習和多播、學習和IP分組傳遞能力。分組傳遞能力。（3）E-TREE：是：是E-LAN的簡約形的簡約形式，數據幀由一個特定的源點多播至式，數據幀由一個特定的源點多播至所有的目的地，其典型應用是連接至所有的目的地，其典型應用是連接至家庭用戶的視頻廣播。家庭用戶的視頻廣播。2 2CECE技術技術 IEEE、IETF和和ITU-T基于以太網、基于以太網、MPLS和光傳輸技術，提出了增強以太網、和光傳輸技術，提出了增強以太網、MPLS和光環網三大類電信級以太網技術。和光環網三大類電信級以太網技術。（1）增強以太網技術）增強以太網技術 （2）MPLS （3）光環網技術）光環網技