局域网络系统.DOC

金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 11 页 第三章第三章 局域网络局域网络系统系统 3.1 局域网技术基础局域网技术基础 当前网络技术飞速发展，建立网络不只是简单地将计算机在物理上连接起来， 而是要合理地规划和设计整个网络系统、充分利用现有的各种资源，建立遵循标 准的高效、可靠、具有扩充性的实用网络系统。 目前，开放式系统及客户机/服务器应用平台已被广泛采用，各种高速网络传 输标准不断形成，例如：快速以太网、千兆以太网、ATM 等。智能化网络专用 设备和网络管理系统的普遍应用，提高了网络性能和网络管理能力。网络容错技 术更加成熟，增强了网络的抗故障能力，出现了众多成熟的网络容错设备和系统。 性能价格比极高的网络交换（Network Switching）技术及相应产品，极大地提 高了现有网络带宽的利用率，网络吞吐量得到显著改善，彻底改变了传统局域网 的面貌。 3.1.1 局域网分类局域网分类 （（1）对等式网络）对等式网络 所谓“对等”是指网络中计算机的地位是一样的，即所有计算机既是资源的 提供者又是资源的享用者。例如，由若干台 Windows 95/98 计算机组成的网络 就是一个典型的对等式网络系统。对等式网络投资少，但规模小并且没有集中的 安全措施。 （（2）专用服务器局域网系统）专用服务器局域网系统 该类局域网中有若干个专用服务器，一般使用小型机或 PC 服务器来担当网 络中心的角色，它们的任务是向网络用户提供网络服务，如应用程序（数据库服 务） 、文件共享、电子邮件、打印机以及 CD-ROM 的共享等。 服务器除了以上描述的功能外，还有用户帐号管理、网络安全审计和数据的 完整备份等，使得整个系统得以安全可靠的运行。 专用服务器局域网除了服务器以外，还有提供访问服务器能力的 PC 机，即 网络中的客户机。客户机既能独立运行完成用户的数据处理任务又能通过访问中 心服务器完成更多的工作，如客户/服务器（Client/Server）应用系统的处理任务。 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 12 页 客户机和服务器通过各自的网卡以及连接电缆连接起来组成一个专用服务器 网络系统。 3.1.2 局域网传输介质局域网传输介质 局域网常用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤，此外还有无线传输介质： 如微波、红外线、激光等。 （（1）双绞线）双绞线 双绞线（Twisted Pair Line）是目前最为常用的局域网传输介质，一般由 4 对呈螺旋线排列的绝缘导线组成，每对导线相互扭绞在一起，可以使线对之间的 电磁干扰减至最小。双绞线既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号，比 较适合于短距离传输。局域网采用双绞线作为传输介质时，其传输速率取决于所 采用的芯线质量、传输距离、驱动和接收信号等因素。 目前，在局域网中所使用的双绞线有非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair） 。每一类又分为若 干等级，如 UTP 分为 3 类、4 类、5 类，它们的传输带宽分别为 16MHz、20MHz、100MHz。当前应用最为广泛的是 5 类非屏蔽双绞线。 在局域网中经常使用的网线是 5 类 UTP，按照普遍遵循的 EIA/TIA 568A/B 标准，在 RJ45 接头中的线对排列方式如下图所示： 白绿 绿 白橙 兰 白兰 橙 白棕 棕 白橙 橙 白绿 兰 白兰 绿 白棕 棕 只有按上述对应关系对双绞线和 RJ-45 头进行正确压接，才能保证线路的连 通性。 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 13 页 （（2）同轴电缆）同轴电缆 同轴电缆（Coaxial Cable）是原来在局域网中应用较为广泛的一种传输介质， 目前已经基本上被淘汰。同轴电缆由内、外两个导体组成，内导体是单股或多股 线，呈圆柱形的外导体通常由编织线组成，并围裹着内导体。内导体使用规则间 隔的固体绝缘材料来固定，外导体用一个塑料罩来覆盖。在局域网中主要使用两 种同轴电缆：一种是 50 欧电缆，主要用于基带信号传输，传输带宽为 1~20Mbps，如细缆和粗缆就是 50 欧电缆；另一种是 75 欧公用天线电视 （CATV）电缆，既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号。 （（3）光纤）光纤 光导纤维（Optical Fiber）是一种能传送光波的介质，它的内层是具有较高 折射率的光导玻璃纤维，外层包裹一层折射率较低的材料，利用不断的全反射来 传送被调制的光信号。实际上，光纤在覆盖可见光谱和部分红外线光谱的范围内 起着波导作用。光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、高速率的数据 传输，而且具有很好的保密性能。光纤的衔接和分支较为困难，一般只适应于点 到点或环行连接。由于光纤的频带宽、传输距离远、传输速率高，能够传输数据、 声音及图象等信息，使之成为最有发展前途的传输介质。 （（4）无线介质）无线介质 在不便敷设电缆的场合，可采用无线介质，即采用电磁波、微波、红外线或 激光作为传输介质。  微波：其通信技术已比较成熟，局域网可直接利用微波收发机进行通信， 或用作中继接力来扩大传输距离。  红外线：通过发送和接收电信号调制的非相干红外线，即可形成一条通信 链路，一般适用于室内近距离范围。  激光：利用对相干激光的调制解调，可实现激光通信。 3.1.3 IEEE 802 局域网络标准局域网络标准 为了推动局域网技术的应用，规范局域网产品的开发，IEEE（国际电子与电 气工程师协会）于 1980 年初成立了 802 委员会，专门从事局域网标准化方面的 工作。该委员会分成三个分会：  通信介质（或称媒体）分会：该分会的研究领域对应于 ISO/OSI 参考模 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 14 页 型的物理层，该层主要涉及局域网通信的物理传输特性以及标准的物理介 质与链路接口的性质。  信号存取控制分会：该分会的研究领域对应于 ISO/OSI 参考模型的数据 链路层，该层主要涉及逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）协议 和介质访问控制（MAC，Media Access Control）协议，以及该层与物理 层和网络层的接口。  高层接口分会：该分会负责检查局域网对 ISO/OSI 参考模型高层（即从 网络层到应用层）的影响。 IEEE 802 是一个标准系列，并不断地增加新的标准，现有的主要标准有：  IEEE 802.1A：体系结构  IEEE 802.1B：寻址、网间互连及网络管理  IEEE 802.2：通用的 LLC 规范  IEEE 802.3：CSMA/CD 访问控制方法和物理层技术规范  IEEE 802.3i：10Base-T 访问控制方法和物理层技术规范  IEEE 802.3u：100Base-T 访问控制方法和物理层技术规范  IEEE 802.4：Token - Bus 访问控制方法和物理层技术规范  IEEE 802.5：Token - Ring 访问控制方法和物理层技术规范  IEEE 802.8：FDDI 访问控制方法和物理层技术规范  IEEE 802.11：无线网访问控制方法和物理层技术规范 在 IEEE 802 标准中规定了物理层和数据链路层两个层次： （（1）物理层）物理层 物理层由 4 个部分组成：物理介质、物理介质连接设备（PMA） 、访问单元 接口（AUI） 、物理收发信号（PLS）子层。 （（2）数据链路层）数据链路层 数据链路层包含了两个子层：逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control） 子层和介质访问控制子层（MAC，Media Access Control）子层。 介质访问控制（MAC）子层：其主要功能是控制对传输介质的访问。不同 类型的 LAN 所使用的介质访问控制方法是不同的，例如，有 CSMA/CD、Token-Bus、Token-Ring、FDDI 等。 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 15 页 逻辑链路控制（LLC）子层：它提供了面向连接和面向非连接两种服务类 型，其中面向连接的服务能够提供可靠的通信。该子层提供的主要功能是 数据帧的封装和拆封，为高层提供网络服务的逻辑接口。 3.2 常见局域网类型简介常见局域网类型简介 3.2.1 以太网络（以太网络（Ethernet）） 以太网（Ethernet）最初是由美国 Xerox 公司和 Stanford 大学联合开发并于 1975 年推出的。后来，由 Xerox、Intel 和 DEC 公司合作于 1980 年 9 月第一次 公布了 Ethernet 的物理层和数据链路层的详细技术规范，成为世界上第一个局 域网工业标准。IEEE 802.3 国际标准是在 Ethernet 标准的基础上制定的。现在， 根据不同的物理介质又发展为多种子标准，形成了 IEEE 802.3 标准系列。 以太网采用的是争用型介质访问控制（MAC）协议 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect） ，即载波监听多路访问/冲突检测。 CSMA/CD 是一种分布式介质访问控制协议，网络中的各个节点都能独立地决定 数据帧的发送与接收。 CSMA/CD 协议的帧发送工作过程如下： 1） 一个节点要发送信息帧，首先要监听总线，以确定介质上是否有其它站点 正在发送信息。 2） 如果介质是空闲的，则可以发送；如果介质是忙碌的，则要继续监听，一 直等到介质空闲时方可发送。 3） 在发送信息帧的同时，还要继续监听总线。一旦监听到冲突发生，便立即 停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号来加强冲突，以便通知总线上各 个节点已发生冲突。这样，通道的容量不致因传送已损坏的帧而白白浪费。 4） 冲突发生后，需要随机延迟一个时间量，再去争用总线，通常采用的延迟 算法是二进制指数退避算法。 CSMA/CD 协议的帧接收过程如下：总线上的非发送节点总是处于监听总线 状态；当总线上有信号时，则启动帧接收过程；对于接收到的帧，要进行如下的 帧有效性检查： 1） 滤除因冲突而产生的“帧碎片” ，即当接收的帧长度小于最小帧长限制时， 则认为是不完整的帧而将它丢掉。 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 16 页 2） 检查帧的目的地址字段（DA）是否与本节点地址相匹配。如果不匹配，则 说明不是发送给本节点的而将它丢掉。 3） 进行帧的 CRC 校验，如果 CRC 校验有错，则丢弃该帧。 4） 进行帧长度检验，接收到的帧长必须是 8 位的整数倍，否则丢弃该帧。 5） 最后将有效的帧提交给 LLC 子层。 以太网组网简单，性能稳定，价格低廉，受到广大用户的青睐，是目前网络 安装数目最多的一种网络，在网络技术发展过程中起着主导作用。随着实际应用 对网络带宽需求的不断增加，以太网朝着交换式、高速网络的方向发展，以进一 步提升网络的性能，目前快速以太网和千兆以太网也得到了广泛的应用。 3.2.2 令牌环网络（令牌环网络（Token Ring）） 令牌环（Token-Ring）网是一种适用于环形网络的分布式介质访问控制方法。 这种介质访问控制方法是确定型的，即通过一种叫做令牌（Token）的特殊帧来 控制网络各个站点有序地对介质进行访问，因而不会产生任何冲突。令牌环网的 主要优点在于其介质访问方式的确定性和可调整性，另一个优点是采用点到点的 信号传输方式。 Token-Ring 最初是由美国 IBM 公司于 1984 年推出的，后来由 IEEE 将其确 定为 IEEE 802.5 标准。 令牌环的一般工作过程： 1） 在不使用优先级的工作情况下，要发送的工作站必须等待空令牌经过本站， 然后将令牌位由 0 置 1，表示获取该令牌，并将数据紧接在忙令牌后发送。 数据帧绕环一周返回后，若发送站还有数据要发送且令牌持有计时器未超 时，则可以继续发送数据；否则，该站便发出一个空令牌。 2） 处于接受状态的各个工作站对环路进行监听，每个站都可以检验帧的传输 错误。如果检测到错误，则将帧的错误检测位置位。 3） 如果工作站检测到自己的地址，则将帧的地址识别位置为 1；如果他还拷 贝了该帧，则将帧的帧拷贝位置为 1。这样使得发送站能够区别下面三种 情况： 目的工作站不存在或未工作； 目的工作站存在但未拷贝帧； 目的工作站存在且拷贝帧。 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 17 页 令牌环采用一种分布式的优先级调度算法来支持站点的优先访问，为优先级 较高的站点提供足够的带宽。令牌环协议使用三个二进制位提供八级优先级，并 允许进行优先级预约，以保障高优先级的站点能够尽早地获得空令牌来发送数据。 令牌环协议提供了一种令牌维护机制来检测和修正令牌环中所出现的各种错 误状态，如令牌丢失或数据帧永远绕环循环等。 802.5 采用是一种分布式的维护机制。它设有两个计时器：一个是较长的无 令牌计时器（TNT） ；另一个是较短的有效帧计时器（TVX） 。 IBM Token-Ring 则采用的是集中式的维护机制。它指定一个站点为有源令 牌监控器。监控器通过超时值与最大的帧完全通过环路所需时间进行比较来检测 令牌是否丢失。 单从技术角度而论，Token-Ring 技术要比 Ethernet 技术先进得多，其令牌 传递机制的效率是 Ethernet 冲突检测机制所无法比拟的。然而现实市场情况却 不尽然，Ethernet 占有了绝对的优势。这是由于 Ethernet 的产品价格低廉，扩 展灵活，在交换式网络和高速网络上技术得以长足的进步。同时，Token-Ring 产品的主要生产厂商 IBM 公司放弃了将此项技术作为未来局域网络技术的打算， 使得 Token-Ring 网络前途黯淡。 3.2.3 FDDI 网络网络 光纤分布式数据接口 FDDI（Fiber Distributed Data Interface）是以光纤为 传输介质的局域网标准。美国国家标准化协会（ANSI）的 X3T9.5 委员会于 1982 年就开始着手 FDDI 标准的制定工作。 FDDI 采用双环结构，主环进行正常的数据传输，次环为冗余的备用环。 FDDI 采用令牌传递的访问控制协议，传输速率高达 100Mb/s，覆盖区域可 达 100km，可连接 500 多个站点，站点间最大距离为 2km。 ISO 和 IEEE 分别将 FDDI 技术接纳为国际标准，即 ISO9314 和 IEEE 802.8。 FDDI 采用以下几种传输介质和连接设备： 1） 光纤：单模光纤和多模光纤； 2） 光纤连接器； 3） 光信号旁路开关：这是一个可选件，用它增加网络的可靠性； 4） 光发送器和接收器：中心波长为 1.3μm。 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 18 页 上述的物理介质相关层的特性，确定了 FDDI 所能达到的最大链路长度和误 码率。对于多模光纤，链路长度可达 4km；对于单模光纤，I 型收发器的最大链 路长度为 10~15km，II 型收发器的最大链路长度为 40~60km，并允许单模光纤 和多模光纤混合使用。 FDDI 介质访问操作和 IEEE 802.5 一样都采用令牌访问控制协议，即只有获 得令牌的站点才有权发送数据。但 FDDI 有两点与 802.5 不同：一是 FDDI 规定 发送站在获得令牌后，将令牌取下，数据帧独立发送；二是 FDDI 采用多令牌机 制，允许发送站在发送完数据帧后，立即产生一个新令牌发送到环上，以提高介 质的利用率。 FDDI 所采用的定时令牌循环协议，确保了所有的站点都能以均等的机会访 问介质。每个站占用令牌的时间将随着网络负载的大小自动进行调整，以便公平 且有限地访问介质。 FDDI 由于其特有的双环结构，在系统安全级别较高的应用领域，占据了一 定的市场；但是，因为网络建设投资大，维护费用高，一直没有得到更为广泛的 应用。 3.2.4 ATM 网络网络 为了解决宽带 ISDN（B-ISDN）的传送问题，在 1988 年，CCITT 在蓝皮书 中把快速分组交换的这种技术定名为异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode） 。在 1990 年，CCITT 公布了面向 B-ISDN 的 ATM 技术详细规范建议书。 1991 年，由 600 多位会员组成的 ATM 论坛（ATM Forum）宣告成立，专门从 事 ATM 技术规范的制订工作。 ATM 网络的主要优点有以下几个方面： 1） 采用虚电路交换方式，通过异步时分复用技术实现点对点、点对多点和多 点对多点的虚电路连接，能够按业务需要动态地分配网络带宽。 2） 进一步简化了网络功能，将差错控制及流量控制等功能留给用户终端去处 理。 3） 信息传输以信元（Cell）为单位，每个信元固定为 53 个字节，信元体中可 以携带任何类型的信息。这种短小而固定的信元传输可以缩小网络传输延 迟。 4） ATM 定义了多种不同速率的物理接口，对不同的应用提供不同的传输带宽， 并可支持 100Mb/s 以上的高速传输。 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 19 页 ATM 采用了信元（Cell）的概念，信元是一种固定长度（53 字节）的包。 信元由 5 字节信头（Header）和 48 字节信息域（Information Field）组成。由 于这种定长的特点，使得网络的时延可以预测并可以得到控制。 由于使用了固定长结构，采用了信元同步的概念，并且尽量精减了信头的功 能，使得信元交换可以高速来完成。同时信元交换继承了包交换统计复用的概念， 增加了网络的灵活性、提高了带宽利用率。 ATM 是一种面向连接（Connect Oriented）的技术，利用 VPI、VCI 号码建 立连接，进行信元统计复用和交换。一个物理端口上可以有许多逻辑链路存在， 用 VPI、VCI 号码可以方便的把它们区分出来，取代了电路交换中固定时隙的方 法，这样一来带宽利用率低的缺点也被克服了，从而节省了大量的带宽资源。 ATM 层提供的基本服务是完成 ATM 网络上的用户和设备间的信息传播，信 息传播需要在用户和设备之间建立连接来实现，而连接则要按 ATM 网络端点间 的虚联接或虚电路概念来建立。ATM 网络是利用端点间的虚连接或虚电路概念 来建立连接的。连接分为永久虚电路和交换虚电路： 1） 永久虚电路（PVC） ，它是通过人工的网络路径映射在 ATM 网络端点之间 建立的连接，必须由人工干预才能释放。 2） 交换虚电路（SVC） ，它是通过连接设备间的信令协议动态地在 ATM 网络 端点之间建立的连接。这种连接可根据应用、设备和 ATM 设施的要求动 态地建立或撤销，而无需人工干预。 无论是 PVC 还是 SVC，都是使用了虚路径连接（VPC）和虚通道连接 （VCC）的概念来建立连接的。虚路径（VP）和虚通道（VC）好似大小不同的 管道，许多站点相同和/或具有相同服务质量保证（QoS）的 VC 小管道合起来被 装进一个 VP 的大管道里。每个 VP 和 VC 都分别具有一个标号 VPI 和 VCI。虚 连接由一段一段的管道连接起来，不同的虚连接靠信元中的 VPI 和 VCI 共同确 定。通常情况下，ATM 连接是双向的，两个方向上的 VPI 和 VCI 被赋予相同的 值。VPI 和 VCI 的值不是端到端的概念，只是一段连接的意义（只是一段管道的 标号） ，不同连接段的 VPI 和 VCI 不尽相同。虽然在定义 ATM 信头格式的时候 保留了数量巨大的连接能力，但在具体设备接口板上支持的 VC 和 VP 数量是有 限的，各厂家的设备在此点性能上有所差异。 VP 和 VC 交换在网络节点内部进行，有两种交换模式： 1） VP 交换：经过交换机后，只改变 VPI 的值，而 VCI 的值不变； 2） VC 交换：经过交换机后，VPI 和 VCI 的值都改变。 为了使同一个 VP 里的 VC 具有相同的 QoS 和路由，分组是一种很好的策略， 可以把许多 VC 分成不同的组（group） ，分装在不同的 VP 里。这样不但业务种 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 20 页 类、流向明晰，网络也可以只对 VP 进行交换和管理，显然 VP 的数量要比 VC 的数量少得多，从而大大减轻了网络的负担。 通常所说的 ATM-SVC 只是就 VC 连接（VCC）而言，现在的 VP 连接只能 做到永久性的（Permanent VPC）或半永久性的（Semi-Permanent VPC） ，交 换型 VP 连接（Switched VPC）将来可能会随着信令的完善而实现。 ATM 采用了层次化的结构。为了实现对多媒体业务的传输，ATM 中定义了 AAL（ATM Adaptation Lager）层。高层业务要通过 AAL 层进行适配，适配成 48 字节的 ATM 净荷（Payload）后被送到 ATM 层；ATM 层把正确的信头加到 Payload 上再一并送到物理层；物理层把信元适配成传输系统的格式，传送到远 端。远端反过程操作，从而完成整个传送过程。 ATM 技术是迄今为止最为复杂的网络技术，很多技术还不完善，标准也还未 健全，新技术不断被补充进来，各厂家的设备也随着技术的发展而不断地改进更 新。 3.2.5 快速以太网快速以太网 快速以太网是指传输速率为 100Mb/s 的以太网。进入 90 年代后，随着多媒 体信息技术的成熟和发展，对网络传输质量提出了更高的要求，以太网所能提供 的带宽已不能满足需要。于是，一些大公司联合起来研究和开发新的高速网络技 术。具有代表性的高速网络技术是由 3Com、Intel、Sun 和 Bay Networks 等公 司组成的快速以太网联盟研制的 100Base-T 技术，它在 MAC 层仍采用 CSMA/CD 协议，而在物理层则提供 100Mb/s 的传输速率。IEEE 确定 100BASE-T 为 802.3u 标准。 100BASE-T 标准定义了三种物理层标准：100BASE-T4、100BASE-TX 和 100BASE-FX，分别支持不同的传输介质。MAC 层通过一个介质独立接口 （MII）与三种物理层协议中的一个相连接。 1） 100BASE-T4：是 4 对无屏蔽双绞线电缆系统，支持 3 类、4 类和 5 类 UTP 电缆。采用 8B6T 编码，再经过不归零编码后输出到 3 对数据线上， 即在 3 类 UTP 电缆上实现了 100Mb/s 的传输速率。 2） 100BASE-TX：是 2 对 UTP 电缆系统，支持 5 类 UTP 和 1 类屏蔽双绞线 （STP）电缆。采用 4B5B 编码器和收发器。它规定 5 类 UTP 电缆采用 RJ45 连接器，而 1 类 STP 电缆采用 9 芯 D 型（DB-9）连接器。 3） 100BASE-FX：是多模光纤系统，使用 2 芯 62.5/125μm 光纤。采用 4B5B 编码器、收发器以及 MIC、ST 或 SC 连接器。 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 21 页 100BASE-FX 规定节点之间的距离为 400 米，而 100BASE-T4 和 100BASE-TX 规定节点之间的距离为 100 米。 快速以太网的最大优势在于它直接从成熟的 10BaseT 技术发展而来，因此 可以达到高性能、低造价的目的，是目前网络设备中性能价格比最高的产品。与 FDDI 相比，快速以太网的传输速率同为 100Mbps，而在价格上快速以太网有明 显优势。 3.2.6 千兆以太网千兆以太网 千兆以太网技术是 IEEE802.3 以太网技术的延伸。千兆以太的技术标准已经 由 IEEE 802.3z 和 IEEE 802.3ab 工作组完成制订工作，并且网络厂商相继推出 各种千兆以太网交换模块，应用面逐渐扩大。 为了将网络传输速度从 100Mbps 加速到 1000Mbps，协议在物理接口层上 作了一些改变。从数据链路层以上，千兆以太网与快速以太网的协议标准是一致 的。为了提升速度，千兆以太网集合了两种协议 IEEE802.3 以太网协议和 ANSI X3T11 光纤通道协议，如下图所示： 集合了两种技术意味着既发展了 ANSI X3T11 高速物理接口技术，同时保留 了 IEEE802.3 以太网的帧格式，向下兼容已普遍安装的媒体方式以及全双工或 半双工等。 千兆以太网还利用以太网的传统存取方法，即载波监听多路访问/冲突检测 （CSMA/CD），并在协议上增加一些新的特性，以解决在高速环境里与标准的 以太网帧结构相一致的物理特性问题，其中最著名的特性就是载体扩展和分组猝 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 22 页 发传输。所谓载体扩展是适当加长控制帧，以保证可靠地检测冲突。但是载体扩 展也可能耗费大量的带宽，因为控制帧传送间隔较短，一般每隔几个数据帧就要 传送控制帧。而分组猝发则可以弥补载体扩展的不足，它可让载体扩展只用于猝 发数据帧的第一帧。单帧猝发限制在 3KB 左右，以防止一个节点占据整个网络。 采用这两种技术，有可能把千兆以太网的冲突检测域扩展到 200 米，对于传送大 的数据帧时，可使网络利率达 90％。 千兆以太网有全双工和半双工两种工作方式。半双工千兆以太网转发器所起 的作用与传统的共享媒体汇接相似。全双工千兆以太网由所有的交换机和一些转 发器提供支持。由于全双工连接专用于单一系统，如服务器或交换机，所以它不 需要 CSMA/CD。服务器或交换机的存储缓冲区很大，能够解决端口临时争用问 题。 千兆以太网技术采用 3 种传输介质：单模或多模长波（LW）光纤，即 1000BaseLX 标准；多模短波（SW）光纤，即 1000BaseSX；150Ω 非屏蔽双 绞铜线，即 1000BaseCX 标准。IEEE 802.3ab 委员会已经测试了用非屏蔽双绞 铜线作为千兆以太网传输介质的可能性，1000BaseT 标准容许在已经大量使用 的 5 类非屏蔽双绞铜线上采用千兆以太网技术。 光通道技术容许全双工状态下通过 1.062 倍千兆信号。千兆以太网提升了它 的信号速率到 1.25Gbps。通过 8B/10B 编码方式，数据传输速率达到 1000Mbps。 （（1）长波和短波光纤）长波和短波光纤 千兆以太网技术支持 2 种波长：长波（1000 BaseLX）和短波（1000 BaseSX） 。两种技术的关键不同是费用和距离。光纤中的激光利用折射在光纤芯 中传输。由于光波长不同，在光缆上传输时，各种波长的激光容易出现侵占作用。 长波和短波激光利用这种作用在光纤中传输。短波激光费用较低，但传输距离短； 长波激光费用较高，但传输距离长。 在光纤传输介质上，千兆以太网既支持多模光纤也支持单模光纤。对于多模 光纤上，有两种模式：62.5 微米直径和 50 微米直径，可同时支持 2 种波长的激 光源。50 微米光纤的传输距离比 62.5 微米光纤传输的距离稍长。由于单模光纤 仅对长波激光源的传输作了优化处理，所以，单模光纤仅能传输长波激光。单模 光纤一般采用 9 微米的光芯和 1300 毫微米的激光光源，可支持更长的传输距离。 （（2））150 欧姆平衡式屏蔽双绞线（欧姆平衡式屏蔽双绞线（1000BaseCX）） 在短距离传输时（25 米或更短） ，千兆以太网容许在特别的 150 欧姆平衡式 屏蔽双绞线上使用。这是一种新类型的电缆，既不属于 UTP 也不属于 IBM 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 23 页 TYPE I 或 II。为了最小化由于电压不同所造成的安全和冲撞问题，发送器和接 收器共享了一个公共的区域。回波串扰在每一个连接器端都被减少到 20db 以下， 以减小传输信号失真。1000BaseCX 的连接器将是一个 DB-9 连接器。一种新类 型的连接器正在由 Aero-Marine 公司开发，它的型号为 HSSDC（High-Speed Serial Data Connector） ，具体标准也正在草拟当中。 这种标准主要应用在短距的数据交换中心或者 Internet/Intranet 连接上。 在 IEEE802.3z 标准中，各种介质的传输距离如下图所示： 千兆以太网络技术作为最新的高速以太网络技术，给用户带来了提高核心网 络带宽的有效解决方案。它将以太网技术作为基础，为网络主干提供 1Gbps 的 带宽，同时可以无缝升级现有的以太网络。千兆位以太网与其他速度相当的高速 网络技术相比，价格较低，同时在网络管理上相对比较简单。 3.3 局域网设备简介局域网设备简介 局域网设备的作用是使一个网络用户能访问其它网络的资源，使不同网络上 的用户能够互相通信和交换信息。根据它们所工作的网络层次和工作原理可分为 以下几种常见类型： 1） 中继器：工作在 OSI 模型的物理层，在不同电缆段之间复制位信号； 2） 网桥：工作在 OSI 模型的数据链路层，在局域网之间存储转发数据帧； 3） 交换机：将多端口桥接器功能集成于集线器中，为分段的网络提供交换连 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 24 页 接功能； 4） 路由器：工作在 OSI 模型的网络层，在不同的网络之间存储转发数据分组。 3.3.1 中继器中继器 中继器（Repeater）是在物理层上实现局域网网段互连的，用于扩展局域网 网段的长度。由于中继器只在两个局域网网段间实现电气信号的恢复与整形，因 此它仅用于连接相同的局域网段。它的优点是安装简便，价格便宜，但每个局域 网中接入的中继器的数量将受时延和衰耗的影响，因而必须加以限制。 根据不同的用户需求和用途，市场上的中继器产品有很多类型：双口中继器、 多口中继器、集线器（HUB） 、多路复用器、模块中继器和缓冲中继器等。 集线器在最初时是为了扩展单根电缆的细缆以太网而产生的，在其中一个端 口接收弱信号，经集线器内部放大后，将它们发往另一端口。在 10BASE-T 出 现时，集线器稍作改变以适应新的信号模式，但保持其信号再生的基本目的。它 将从某一端口发来的数据帧锁住，重建数据流，并将它们传给其余端口。所有其 它相连的站点，根据 CSMA/CD 规则将查看这个帧，并延迟自己帧的发送。按此 方式，在该集线器的所有端口是共享总带宽的。 3.3.2 网桥网桥 网桥（Bridge）是一种帧存储转发设备，用来对同类型或不同类型的局域网 进行互连。从互联网络的结构看，网桥的功能为数据连接设备（DCE）级的端到 端的连接；从协议的层次看，网桥是在 LLC 层对数据帧进行存储转发。网桥应 当有足够的缓存空间，以满足高峰负载的要求。从转发的角度，网桥必须具备寻 址和路由选择功能。 1） 帧格式转换：在不同局域网之间进行互连时，由于各种局域网的 MAC 子 层执行不同的网络协议，它们之间存在着以下的差异。 帧格式不同； 帧的最大帧长不同； 数据传输速率不同； 对于以上差异，网桥通常采用封装和翻译的方法进行处理。 2） 网桥的路由选择：网桥必须具有路由选择功能，当网桥收到一个帧后，通 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 25 页 过路由选择功能选择相应的路径，将帧转发给下一个网络，直至到达目的 网络地站点。根据路由选择算法的不同，网桥可分为透明桥和源路由选择 桥。 透明桥：透明地转发帧； 源路由桥：采用的是源路由选择算法。 3.3.3 交换机交换机 共享式网络主要存在以下问题： 1） 多个节点共享一段有冲突的传输介质； 2） 随着 Client/Server 体系结构的发展，客户端需要更多地与服务器交换信息， 导致网络的通信量成倍地增加； 3） 多媒体信息，尤其是图像信息的实时传输，需要占用大量的网络带宽。 为了解决共享式网络的问题，在传统共享式网络的基础上，发展了交换式网 络（Switching Networks）结构。交换式网络结构为用户提供独占的、点到点的 连接，以降低网络传输延迟。交换式网络不是像共享式网络那样把报文分组广播 到每个节点，而是在节点间沿着指定的路径传输报文分组。实现交换式网络的关 键设备就是网络交换机。 网络交换机从工作原理上分为两种，静态交换机和动态交换机。 静态交换机是在多个共享网段上进行的，并且每个网段都有多个端口来共享。 内部各个网端上段口的配置、迁移、增加及修改则由网络管理员通过网络管理软 件来完成。 动态交换机是以提高网络可用带宽为主要目标的。他能够动态地提供多条端 点到端点的并行通信链路，使多个工作站能够同时在各自的专用的链路上进行点 到点的通信而互不干扰，消除了共享网段所带来的冲突、拥挤、阻塞现象，大大 增加了网络的吞吐量，减少了网络的延迟，提高了网络的可用带宽。 从交换机的结构上，可以分为固定式、堆叠式和模块式三种。 固定式交换机端口固定，每个集线器都是一个单独的网络设备。 堆叠式交换机是一种通过外部电缆连接进行扩充的交换机，每个可堆叠式交 换机既可单独使用，也可以堆叠起来使用。 模块式交换机采用机箱方式，通过可热插拔式模块添加端口，模板的数量和 类型都可根据用户的需求来配置。模板之间通过机箱内的高速总线来连接，整体 金税工程二期网络培训教材 第三章 局域网络系统 中国计算机软件与技术服务总公司 第 26 页 性能好。 3.3.4 路由器路由器 路由器于八十年代初问世，它是一种典型的网络层（第三层）设备，用于连 接执行相同网络层协议的局域网（LAN） ，完成网络层中继的任务。路由器的功 能大致可分为以下几点： 1） 网络分段：这是路由器最主要的功能之一，即可根据实际需求将整个网络 分割成不同的网段，换句话说，路由器可以将不同的 LAN 进行互连。 2） 隔离广播：路由器能够阻止广播流量从一个 LAN 到另外一个 LAN，因而 减少了整个网络的广播流量，以避免形成广播风暴。 3） 路由选择：这是路由器的基本功能，路由器按照某种路由通信协议生成路 由表。路由表中列出网络中所能到达的各个网段，以及各网段间的路径情 况。如果到某一网段有一条以上路径，则基于预先确定的准则选择最优的 路径，也可同时使用多条路径，以实现冗余和负载均衡。 4） 地址解析：当路由器将数据传输到目的网段后，就需要通过地址解析功能 确定目的节点的地址（一般为第二层） ，完成数据传输。 5） 广域网连接：路由器一般用于广域网连接，具有广域网接口，可用于连接 多种广域网通信线路，如：X.25、DDN、帧中继等。 6） 数据处理：路由器可对所传输的数据进行过滤、压缩、加密、优先级等处 理。 路由器（Router）是实现网络层服务的设备，它提供了各种各样、各种速率 的链路或子网接口。路由器是一个主动的、智能的网络节点，它可以对资源进行 动态控制。 路由器的基本工作过程如下：路由器在网络中，收到一个数据包（包括广播 包在内） ，就要将该数据包第二层（数据链路层）