建筑物信息設(shè)施系統(tǒng)：第3章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1、 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就其規(guī)模和用戶數(shù)量，已是僅次于電話網(wǎng)絡(luò)的全球第二大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與人們的生活、工作、學(xué)習(xí)和娛樂密切相關(guān)，以至于現(xiàn)今社會(huì)一旦沒有了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，后果不可想象。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)是以數(shù)字方式傳遞各種形式的信息，如文字、圖形、圖像、音視頻等等，因此在有些工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中又被稱作信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。3.1 系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合一項(xiàng)綜合技術(shù)，它將各自獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過通信線路連接起來，實(shí)現(xiàn)包括硬件資源、軟件資源和信息資源等各種資源的共享。3.1.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，一般把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為局域網(wǎng)（L

2、ocal Area Network，LAN）、城域網(wǎng)（Metropolitan Area Network，MAN）和廣域網(wǎng)（Wide Area Network，WAN）。1.局域網(wǎng)LAN局域網(wǎng)的覆蓋范圍通常是在半徑幾米到幾千米。其特征是數(shù)據(jù)傳輸速率高，系統(tǒng)安裝維護(hù)簡便，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)權(quán)歸屬個(gè)人或某一個(gè)機(jī)構(gòu)，非運(yùn)營性質(zhì)，可以任意增刪用戶，一般也不提供服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保障。網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)主要采用雙絞線、光纖和同軸電纜。建筑物中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就規(guī)模而言屬于局域網(wǎng)范疇，企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)一般也屬于局域網(wǎng)。2.城域網(wǎng)MAN顧名思義，城域網(wǎng)就是指可以覆蓋一個(gè)城市范圍的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，

3、通常網(wǎng)絡(luò)的半徑可以達(dá)到幾十千米。城域網(wǎng)一般由專門的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商管理和維護(hù)，可以承載多種業(yè)務(wù)的接入和分配，可以互聯(lián)各種 LAN，通信協(xié)議復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)可靠性要求高，具有 QoS機(jī)制和較高的網(wǎng)絡(luò)安全要求。MAN一般采用光纖或微波傳輸技術(shù)。3.廣域網(wǎng)WAN更大范圍的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為廣域網(wǎng)，由不同的網(wǎng)絡(luò)或電信運(yùn)營商共同管理和維護(hù)。除采用光纖和微波外，還大量使用通信衛(wèi)星提供傳輸服務(wù)。提到廣域網(wǎng)，必然會(huì)聯(lián)想到因特網(wǎng)（Internet），兩者是什么關(guān)系呢？1 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因特網(wǎng)是一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)，它的覆蓋范圍遍及全球。它的特殊之處在于在該網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行了一套專有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并有完整的網(wǎng)絡(luò)地址分配與管理體制。3.1

4、.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與信道類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)數(shù)學(xué)術(shù)語，研究的是“點(diǎn)”和“線”的關(guān)系。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，通常把計(jì)算機(jī)主機(jī)和某些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備抽象成“點(diǎn)”，而把傳輸介質(zhì)抽象成“線”，用來分析和研究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般可分為總線型、星型、環(huán)型、樹型、網(wǎng)狀型和不規(guī)則等幾種形式。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得計(jì)算機(jī)之間通信的信道有兩種不同的類型，即點(diǎn)-點(diǎn)信道和廣播信道。點(diǎn)-點(diǎn)信道類型又被稱作存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)信道。1.總線型拓?fù)淇偩€型拓?fù)淙鐖D 3-1（a）所示，所有的計(jì)算機(jī)通過一根總線連接起來。在這種拓?fù)渲?，任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送的信號(hào)，可以被網(wǎng)絡(luò)中的所有計(jì)算機(jī)接收。因此總線型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)信道是廣播信道。總線型拓?fù)渲?/p>

5、在局域網(wǎng)中采用，早期的以太網(wǎng)采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的就是總線型拓?fù)洌鐖D 3-1（b）所示。總線型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡單，傳輸距離較大，線纜用量少的特點(diǎn)。其不足之處在于接入新的點(diǎn)不夠方便，連接器用量多造成傳輸?shù)目煽啃缘停粋€(gè)點(diǎn)出故障影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。工作站工作站工作站工作站工作站服務(wù)器(a)(b)圖 3-1總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（a）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（b）同軸電纜以太網(wǎng)拓?fù)洹?.星型拓?fù)湫切屯負(fù)淙鐖D 3-2（a）所示。在該拓?fù)渲校幸粋€(gè)中心結(jié)點(diǎn)，其他結(jié)點(diǎn)之間的通信需經(jīng)過中心結(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，因此星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)一般是點(diǎn) -點(diǎn)通信信道。星型拓?fù)浼瓤梢詰?yīng)用在局域網(wǎng)中，也可以應(yīng)用在廣域網(wǎng)中。目前廣

6、泛使用的快速以太網(wǎng)和高速以太網(wǎng)以及 VSAT（Very Small Aperture Terminal）衛(wèi)星網(wǎng)均為星型拓?fù)?，如圖 3-2（b）和（c）所示。在快速以太網(wǎng)和高速以太網(wǎng)中，中心結(jié)點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有便于集中管理和增減網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)（計(jì)算機(jī)）的特點(diǎn)，而且除中心結(jié)點(diǎn)之外的其他結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。但是星型拓2 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)撲網(wǎng)絡(luò)對(duì)中心結(jié)點(diǎn)的可靠性和傳輸處理能力要求高。早期的雙絞線以太網(wǎng)（見圖 3-3）從形式看似乎也是星型拓?fù)?，但是從工作原理上講，它是總線型拓?fù)洌瑢儆趶V播信道，只是將總線縮短到一個(gè)集線器（Hub）里了。因此這種網(wǎng)絡(luò)從形式上講是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，

7、而實(shí)際上仍然是總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交換機(jī)（a）（b）（c）圖 3-2星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（a）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（b）高速以太網(wǎng)；（c）VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)。Hub總線Hub圖 3-3采用 Hub組成的以太網(wǎng)本質(zhì)上的總線型拓?fù)?，形式上的星型拓?fù)?.環(huán)型拓?fù)洵h(huán)型拓?fù)渲?，各結(jié)點(diǎn)依次相連，組成一個(gè)閉合的環(huán)。環(huán)型結(jié)構(gòu)有幾種不同的形式，見圖 3-4。3 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（a）圖是一個(gè)典型的環(huán)型（Loop）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信信道采用點(diǎn)-點(diǎn)傳輸形式，結(jié)構(gòu)本身具有鏈路容錯(cuò)功能。目前城域網(wǎng) MAN和蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中的基站多采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（b）圖是交叉環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩個(gè)環(huán)在一個(gè)結(jié)點(diǎn)上有交叉，該結(jié)點(diǎn)既是左環(huán)上的一個(gè)點(diǎn)，又是右環(huán)上的

8、一個(gè)點(diǎn)。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)采用了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（c）圖是環(huán)型（Ring）的另一種形式，它是采用廣播信道形式實(shí)現(xiàn)通信的，傳送的信息在環(huán)上單向繞環(huán)運(yùn)行，環(huán)上的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)（計(jì)算機(jī)）都可以接收到環(huán)上的信息。但在同一時(shí)刻，環(huán)上只能有一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送信息。在早期的某些 LAN，如 IBM Token Ring曾采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與上面提到的用 Hub組成的以太網(wǎng)相似，在 Token Ring網(wǎng)絡(luò)中需采用一個(gè)稱為 MAU（multistation Access Unit）的設(shè)備，計(jì)算機(jī)連接到該設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，如圖 3-5所示。因此類似 Token Ring的網(wǎng)絡(luò)，形式上是星型拓?fù)洌瑢?shí)際上是環(huán)型拓?fù)?。（d）圖是一種雙環(huán)拓?fù)?/p>

9、結(jié)構(gòu)，兩個(gè)環(huán)采用一主一備工作，正常情況下其工作狀態(tài)與（c）圖所示拓?fù)湎嗤坏┲鳝h(huán)出現(xiàn)故障，可以啟動(dòng)備用環(huán)，因而具有自愈功能。因此雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)又被稱為自愈環(huán)網(wǎng)。第一個(gè) 100Mbps光纖局域網(wǎng) FDDI（Fiber Distributed Data Interface）采用的就是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（a）（b）（c）（d）圖 3-4環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（a）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)環(huán)形拓?fù)?；（b）交叉環(huán)拓?fù)?；（c）廣播式信道環(huán)形拓?fù)洌唬╠）雙環(huán)拓?fù)洹? 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖 3-5 Token Ring邏輯上的星形拓?fù)?，物理上的環(huán)形拓?fù)?.樹型拓?fù)錁湫瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3-6所示，是一棵倒置的樹，根在上，枝在下。樹型拓?fù)淇梢钥?/p>

10、作是多層星型拓?fù)涞募苫驍U(kuò)充。在樹型拓?fù)渲?，傳輸信道是點(diǎn) -點(diǎn)形式的，并且是在相鄰的兩層之間進(jìn)行信息傳輸，同層次之間沒有直接的信息交換。樹型拓?fù)涫禽^大規(guī)模的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)經(jīng)常采用的拓?fù)湫问健：诵慕粨Q機(jī)服務(wù)器匯聚交換機(jī)服務(wù)器服務(wù)器接入交換機(jī)接入交換機(jī)（a）（b）圖 3-6樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（a）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（b）三級(jí)交換機(jī)組成的局域網(wǎng)。5.網(wǎng)狀型拓?fù)渑c不規(guī)則拓?fù)渚W(wǎng)狀型拓?fù)渑c不規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3-7所示。在網(wǎng)狀型拓?fù)渲?，網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)都與其他結(jié)點(diǎn)有直接相連的鏈路，采用點(diǎn) -點(diǎn)信道傳輸方式，網(wǎng)絡(luò)中任何一段鏈路出現(xiàn)故障不會(huì)影響任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)的信息傳輸。因此，網(wǎng)狀型拓?fù)涞目煽啃院汪敯粜院芨摺５谴鷥r(jià)是

11、線路長、電路多，建設(shè)費(fèi)用高。通常在校園網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)的核心層和廣域網(wǎng)中的骨干結(jié)點(diǎn)采用網(wǎng)狀型拓?fù)洹２灰?guī)則拓?fù)涫蔷W(wǎng)狀拓?fù)涞暮喕问?，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)均有兩個(gè)以上的鏈路與其他結(jié)點(diǎn)相連。這種拓?fù)渲饕窃趶V域網(wǎng)中采用。5 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（a）（b）圖 3-7網(wǎng)狀拓?fù)渑c不規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（a）網(wǎng)狀拓?fù)?；（b）不規(guī)則拓?fù)洹?.1.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是讓不同的計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信。這是一個(gè)非常復(fù)雜的事情，為此，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建往往采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。眾所周知，不同實(shí)體之間的通信需要有通信規(guī)約。層次化后的對(duì)應(yīng)層之間便有相應(yīng)的規(guī)約。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)中，這些規(guī)約被稱為協(xié)議（protocol）

12、。其次，分層后各層之間應(yīng)有功能劃分，層與層之間需要有接口。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是指分層、對(duì)等層間協(xié)議及上下層間的接口。簡單地講，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是層和協(xié)議的集合。最早的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是 IBM在上世紀(jì)七十年代提出的 SNA（SystemNetwork Architecture），并且現(xiàn)在仍在使用。一些國際知名的 IT大公司也相繼推出了各自的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO（International StandardsOrganization）提出了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)參考模型，稱為開放系統(tǒng)互連（ Open SystemInterconnection-Reference Model，

13、OSI-RM）。該體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)七層結(jié)構(gòu)模型，如圖 3-8所示。物理層的功能就是信道上比特流的傳輸，為傳輸?shù)谋忍亓鹘⒁?guī)則。物理層信息傳輸單位為比特（bit）。物理層涉及通信接口的機(jī)械、電氣和時(shí)序特性，與傳輸介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜、光纖和無線電頻段密切相關(guān)。數(shù)據(jù)鏈路層的功能是在兩個(gè)直接相連的線路（鏈路）上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯(cuò)傳輸，為達(dá)到此目的，信息是以幀為單位進(jìn)行傳輸?shù)?。在該層還要處理流量控制和共享信道的訪問控制事宜。網(wǎng)絡(luò)層的功能主要是路由選擇和網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，信息的傳輸和處理單位稱為分組（Packet）或包。6 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主機(jī)A主機(jī)B數(shù)據(jù)單元層次應(yīng)用層協(xié)議表示層協(xié)議7應(yīng)用層應(yīng)用層APDU

14、層間接口654表示層會(huì)話層傳輸層表示層會(huì)話層傳輸層PPDU會(huì)話層協(xié)議傳輸層協(xié)議SPDUTPDU路由器通信子網(wǎng)內(nèi)部協(xié)議路由器主機(jī)網(wǎng)絡(luò)層 -協(xié)議321網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層分組主機(jī)數(shù)鏈層 -協(xié)議幀主機(jī)物理層 -協(xié)議比特通信子網(wǎng)圖 3-8 OSI-RM模型體系結(jié)構(gòu)傳輸層主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)計(jì)算機(jī)主機(jī)用戶進(jìn)程間無差錯(cuò)、高效的傳輸，提供可靠的端到端通信服務(wù)。會(huì)話層功能是為網(wǎng)絡(luò)中需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的計(jì)算機(jī)主機(jī)用戶建立會(huì)話聯(lián)系并管理會(huì)話。表示層的功能是完成被傳輸?shù)男畔⒌某橄蟊硎竞徒忉專ǜ袷阶儞Q、數(shù)據(jù)編碼、加密/解密和壓縮/解壓縮

15、等。應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理計(jì)算機(jī)主機(jī)用戶的各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)，如電子郵件、web瀏覽、文件傳輸、網(wǎng)絡(luò)聊天和電子商務(wù)等。OSI-RM體系結(jié)構(gòu)非常完整和系統(tǒng)，可以用來分析任何一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是學(xué)習(xí)和理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的最好的模型。但是結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在實(shí)際的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中罕有應(yīng)用。目前應(yīng)用最為普遍的是 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，又稱 Internet體系結(jié)構(gòu)。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)來源于 ARPANET，于 1974年提出，結(jié)構(gòu)如圖 3-9所示。它是一個(gè)四層結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層Application Layer傳輸層Transport Layer互連網(wǎng)層Internet Layer網(wǎng)絡(luò)接入層Host to Networ

16、k Layer圖 3-9 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)7 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)TCP/IP結(jié)構(gòu)的最下面一層稱為主機(jī)至網(wǎng)絡(luò)層，或網(wǎng)絡(luò)接入層。但實(shí)際上這一層未被定義，沒有規(guī)定任何協(xié)議，只是要求能夠提供給其上層網(wǎng)絡(luò)互連層一個(gè)訪問接口，以便在其上傳遞 IP分組。互連網(wǎng)層是該體系結(jié)構(gòu)中極為關(guān)鍵的部分，定義了分組的格式和協(xié)議，即 IP協(xié)議。它的功能是使主機(jī)可以把分組發(fā)往任何網(wǎng)絡(luò)，并使分組能夠獨(dú)立地經(jīng)由不同的網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的地。傳輸層的功能與 OSI-RM中的傳輸層功能相同。在這一層有三個(gè)端-端傳輸協(xié)議，即 TCP（Transport Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）、UDP（User Datagr

17、amProtocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）和 SCTP（Stream Control Transport Protocol，流控制傳輸協(xié)議）。TCP是一個(gè)可靠的、面向連接的協(xié)議，提供無差錯(cuò)傳輸服務(wù)，并具有流量控制機(jī)制；UDP是一個(gè)不可靠的、無連接協(xié)議，提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸業(yè)務(wù)；SCTP是 2000年新定義的，是一個(gè)面向連接的協(xié)議。它對(duì) TCP的缺陷進(jìn)行了一些完善，具有適當(dāng)?shù)膿砣刂啤⒎乐狗簽E和偽裝攻擊、更優(yōu)的實(shí)時(shí)性能和多歸屬性支持。應(yīng)用層包括各種高層協(xié)議，如 DNS（Domain Name System，域名系統(tǒng)）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，簡單郵件傳輸協(xié)議）

18、、FTP（File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議）、TELNET（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）等。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)盡管不是標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)提出的標(biāo)準(zhǔn)，但由于應(yīng)用范圍廣，用戶眾多，因而成為事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)。3.2 局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)3.2.1局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)第一個(gè)大規(guī)模應(yīng)用并被標(biāo)準(zhǔn)化的局域網(wǎng)是以太網(wǎng)。它誕生于 1976年，是由當(dāng)時(shí)就職于 Xerox（施樂）公司的 Bob Metcalfe和 David Boggs發(fā)明的，然后由Digital Equipment Company（DEC）、Intel和 Xerox三家共同推出了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（DIX版）。該標(biāo)準(zhǔn)后來被 IEEE接納，由專門

19、負(fù)責(zé)制定局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的 802委員會(huì)對(duì) DIX以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)做了微小修改，以 802.3命名。這就是后來廣為人知的 IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議。它是一個(gè)基于同軸電纜的總線網(wǎng)絡(luò)，采用了 CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測）協(xié)議，傳輸速率可達(dá) 10Mb/s。隨后 IEEE 802委員會(huì)相繼推出了 802.4和 802.5局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，分別是由General Motor（通用汽車公司）和 IBM（國際商用公司）推薦的。前者稱為令牌總線網(wǎng)，也采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，是一個(gè)樹形網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率可達(dá)2Mbps，傳輸速率雖沒有以太網(wǎng)高，但結(jié)構(gòu)靈活，覆蓋范圍更大，并且有優(yōu)先級(jí)機(jī)制，很適合實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

20、后者叫做令牌環(huán)網(wǎng)，是一個(gè)環(huán)形網(wǎng)，傳輸介質(zhì)可8 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以是雙絞線或光纖，傳輸速率為 4Mbps，采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，具有很高的可靠性。兩者的共同之處是都采用令牌的方法解決共享傳輸信道的問題，其突出的特點(diǎn)是可以設(shè)置優(yōu)先級(jí)、在網(wǎng)絡(luò)傳輸荷載很大時(shí)仍可保持高的傳輸效率。上述三種網(wǎng)絡(luò)在市場上曾呈鼎力之勢，各自都有其忠誠的用戶群和應(yīng)用領(lǐng)域。令牌總線網(wǎng)的傳統(tǒng)用戶是制造業(yè)，令牌環(huán)網(wǎng)的主要市場是金融領(lǐng)域，而以太網(wǎng)主要是在行政辦公領(lǐng)域。這種三足鼎立的局面在網(wǎng)絡(luò)提速后被打破。以太網(wǎng)在1995年完成了升級(jí)，傳輸速率提高 10倍，達(dá)到 100Mbps。新的網(wǎng)絡(luò)被稱作快速以太網(wǎng)（fast Ethernet），對(duì)應(yīng)的

21、標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.3u。升級(jí)后的網(wǎng)絡(luò)與原先的10Mbps以太網(wǎng)完全兼容，聯(lián)網(wǎng)規(guī)則幾乎一樣，并且聯(lián)網(wǎng)的硬件設(shè)備價(jià)格沒有太大變化。快速以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)限定只采用雙絞線和光纖，擯棄了連接不可靠的同軸電纜。其他兩種網(wǎng)絡(luò)也于 90年代完成提速，令牌總線網(wǎng)傳輸速率由 2Mbps提高到 20Mbps，令牌環(huán)網(wǎng)則從 4Mbps提高到 16Mbps。由于以太網(wǎng)管理簡便、使用靈活、價(jià)格低廉、升級(jí)簡單、兼容性高，獲得了用戶的認(rèn)可，市場占有率快速提升，占據(jù)了大部分 LAN市場的份額，逐步將令牌環(huán)網(wǎng)和令牌總線網(wǎng)淘汰。1.以太網(wǎng)技術(shù)與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)最初的以太網(wǎng)采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共享形

22、式的通信信道。為解決共享信道的爭用問題，采用了 CSMA/CD（Carrier Sense MultipleAccess/Collision Detection，載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測）技術(shù)。該技術(shù)主要包括三個(gè)主要的算法，CSMA、碰撞檢測和退避等待，其工作原理和流程簡述如下：（1）如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送，先監(jiān)聽信道，如果信道空閑，可以立即發(fā)送（以幀為傳輸單位）；（2）如果信道忙（被占用），則等待，直到信道空閑。（3）發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，檢測信道是否發(fā)生沖突。如果發(fā)生沖突，立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，并發(fā)送沖突提示信號(hào)。（4）等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，重復(fù)（1）。步驟（1）和（2）是指載波監(jiān)聽。步驟（3）是指沖突檢測

23、，檢測沖突的方法是通過檢測信道中的信號(hào)電平和脈沖寬度實(shí)現(xiàn)的，沖突提示信號(hào)是一個(gè)高電平脈沖串。步驟（4）是退避等待，采用的是二進(jìn)制指數(shù)退避算法，指數(shù)最高為 10，最大重傳次數(shù)為 16，超過 16次后則丟棄該幀，并向上層報(bào)告。由此可見，網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)越多，發(fā)生碰撞的概率就越大，重傳次數(shù)也就越高。這是用戶越多上網(wǎng)速度越慢的原因。以太網(wǎng)幀格式如圖 3-10（a）所示，由 6個(gè)字段組成。前導(dǎo)碼用于發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘同步，共 8個(gè)字節(jié)，其中前 7個(gè)字節(jié)相同，為 10101010，最后一個(gè)字節(jié)為 10101011。9 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)字節(jié)數(shù)：字節(jié)數(shù)：86624615004前導(dǎo)碼目的地址源地址類型數(shù)據(jù)C

24、RC（a）716624615004前導(dǎo)碼起始目的地址源地址長度數(shù)據(jù)CRC（b）圖 3-10 DIX以太網(wǎng)和 IEEE802.3幀格式（a）DIX格式；（b）802.3格式。目的地址是接收端地址。以太網(wǎng)規(guī)定了 5類地址，即單站地址、組播地址、廣播地址、全局地址和局部地址。目的地址最高位為“0”是單站地址（普通地址），為“1”時(shí)是組播地址。全“1”地址為廣播地址。次高位為“0”表示全局地址，由 IEEE指定，全球唯一。次高位為“1”表示局部地址，由網(wǎng)絡(luò)管理員指定。可用地址共 46位，大約有 71013個(gè)全局地址。源地址即發(fā)送站的地址。類型指明其后的數(shù)據(jù)字段內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型，如 IP協(xié)議、IPX協(xié)

25、議等等。類型字段指定了應(yīng)該將此幀交給哪個(gè)進(jìn)程。數(shù)據(jù)字段有長度要求，最短 46字節(jié)，最長 1500字節(jié)。之所以有最短長度要求，是因?yàn)閿?shù)據(jù)過短無法保證正確地檢測碰撞。如果數(shù)據(jù)部分長度不足 46字節(jié)，需填充補(bǔ)足。CRC為循環(huán)校驗(yàn)，檢驗(yàn)傳輸?shù)膸欠裼绣e(cuò)，檢驗(yàn)的范圍只有地址、類型和數(shù)據(jù)部分，不包括前導(dǎo)碼。IEEE吸納以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì) DIX幀的格式做出了兩個(gè)微小改動(dòng)，如圖 3-10（b）所示。第一個(gè)改動(dòng)是將前導(dǎo)碼減少 1個(gè)字節(jié)，增加 1個(gè)字節(jié)的幀起始分界符，以便與 802.4和 802.5格式兼容。第二個(gè)改動(dòng)是將類型字段改為長度字段，指明后面數(shù)據(jù)字段的長度。這樣一來，使得兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的格式不再相同。有幸的是

26、，DIX標(biāo)準(zhǔn)中的類型字段都是大于 1500的。因此可以認(rèn)為若該字段的值小于 1500，則是指數(shù)據(jù)字段的長度，若大于 1500，則是指數(shù)據(jù)的類型。因此兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是兼容的，但由于 802.3標(biāo)準(zhǔn)頒布時(shí)已有大量的廠家按 DIX標(biāo)準(zhǔn)推出了產(chǎn)品，所以DIX標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品在市場上占主導(dǎo)。以太網(wǎng)的物理層采用曼徹斯特編碼，如圖 3-11所示，高電平為+0.85V，低電平為-0.85V，而直流電源為 0V。這種編碼的特點(diǎn)是在傳輸?shù)拿恳槐忍氐拇a元中央都有一次電平的躍變。這個(gè)躍變含有同步信息，被稱為自同步碼。前面提到的前導(dǎo)碼采用曼徹斯特編碼后就是一串方波脈沖，接收端收到后便可以調(diào)整時(shí)鐘和頻率，而不必配置高精度的時(shí)鐘源，降

27、低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，進(jìn)而降低了造價(jià)。10 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖 3-11曼徹斯特編碼波形以太網(wǎng)有多種形式，其特性見表 3-1。它支持 4種傳輸介質(zhì)，分別是 50粗同軸電纜、50細(xì)同軸電纜、雙絞線和多模光纖，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)分別被稱為 10Base5、10Base 2、10Base-T和 10Base-F，其中“10”代表傳輸速率為 10Mbps，“Base”表示傳輸信號(hào)為基帶信號(hào)，數(shù)字“5”和“2”代表傳輸?shù)木嚯x（不加中繼設(shè)備的情況下）最大為 500m和 200m（實(shí)為 185m），“T”表示雙絞線，“F”表示光纖。采用三類雙絞線連網(wǎng)，從 Hub到計(jì)算機(jī)的最大距離為 100m，采用多模光纖可以支持

28、2000m。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中允許串接最多 4個(gè)中繼器。因此，用銅纜連網(wǎng)的最大距離為 2500m。表 3-1以太網(wǎng)特性特性10Base 51010Base 21010Base-T1010Base-F10傳輸速率（Mb/s）最大網(wǎng)段長度（m）拓?fù)湫问?001851002000星總線總線星多模光纖傳輸介質(zhì)粗同軸電纜細(xì)同軸電纜三類雙絞線（62.5/125）特性阻抗（）連接器50DB-15 300.550BNC 1002.5100RJ455ST或 SC結(jié)點(diǎn)數(shù)/網(wǎng)段結(jié)點(diǎn)間最小間距（m）最大網(wǎng)段數(shù)5552.快速以太網(wǎng)與IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的升級(jí)版稱為快速以太網(wǎng)，采用與以太網(wǎng)完全相同的體系結(jié)構(gòu)、幀格式和

29、CSMA/CD協(xié)議，但是傳輸速率提高 10倍，達(dá)到 100Mbps，并且與以太網(wǎng)完全兼容?？焖僖蕴W(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)被命名為 IEEE802.3u，于 1995年正式推出。傳輸速率的提高主要依靠物理層編碼形式的改進(jìn)。快速以太網(wǎng)不再使用曼徹斯特編碼，而是采用更為高效和復(fù)雜的編碼。另外一個(gè)較大的變化是在傳輸介質(zhì)上?？焖僖蕴W(wǎng)摒棄了連接極不可靠的同軸電纜，只采用雙絞線和光纖，包括單模光纖和兩種多模光纖。與以太網(wǎng)相仿，快速以太網(wǎng)被冠以 100Base-xx，其主要特性列于表 3-2。11 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)表 3-2 IEEE802.3u快速以太網(wǎng)主要特性標(biāo)準(zhǔn)名稱IEEE802.3u子類100Base-TX*

30、 100Base-T4100100Base-T2100100Base-FX* 100100傳輸速率(Mb/s)（雙向）（雙向）編碼4B/5B1258B/6T25PAM554B/5B125時(shí)鐘頻率（MHz）25多模光纖（62.5/125）（50/125）單模光纖五類雙絞線（兩對(duì)）三類雙絞線三類雙絞線傳輸介質(zhì)（4對(duì)）（2對(duì)）多模光纖2000m傳輸距離（m）100100100單模光纖10km* X表示全雙工傳輸。快速以太網(wǎng)在組網(wǎng)方面仍然采用集線器（ Hub）。由于傳輸速率的提高和為了兼容以太網(wǎng)，快速以太網(wǎng)在傳輸距離方面付出了很大的代價(jià)。盡管 Hub到計(jì)算機(jī)的最長連網(wǎng)距離保持 100m，但是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時(shí)

31、，使用中繼設(shè)備的數(shù)量下降一半，只允許兩個(gè)，網(wǎng)絡(luò)的最大直徑為 205m。3.千兆以太網(wǎng)與IEEE802.3z/802.3ab為了兼容以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)采用了與以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)完全相同的幀格式、幀長度、介質(zhì)訪問控制方法（CSMA/CD）和體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達(dá)到 109bps，因此被稱為千兆以太網(wǎng)或吉比特以太網(wǎng)。由于傳輸速率提高了 10倍，為保證一定的傳輸距離，千兆以太網(wǎng)不再使用集線器 Hub進(jìn)行組網(wǎng)，而是采用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。有關(guān)網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)將在本節(jié)稍后介紹。有關(guān)千兆以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，分別是 IEEE802.3z和 IEEE802.3ab。IEEE802.3z于 1998年 6月獲得

32、批準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了三種傳輸介質(zhì)，其中兩種是光纖，一種是屏蔽雙絞線，相應(yīng)的系統(tǒng)分被稱為 1000Base-SX、1000Base-LX和1000Base-CX。1999年 6月 IEEE802.3委員會(huì)公布了第二個(gè)千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ab，定義了使用雙絞線的 1000Base-T的規(guī)范。802.3z規(guī)定的物理層編碼方式為 8B/10B，而 802.3ab規(guī)定的物理層編碼方式為 4D-PAM5。由以太網(wǎng)工作原理可知，傳輸速率提高后，如果幀結(jié)構(gòu)不變，勢必要縮短傳輸距離，這將使得網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性大大降低。為了保證一定的傳輸距離，千兆以太網(wǎng)在 CSMA/CD基礎(chǔ)上增加了幀擴(kuò)展和短幀突發(fā)機(jī)制。千兆

33、以太網(wǎng)主要特性簡介如下。（1）1000Base-SX12 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1000Base-SX僅支持 62.5/125m和 50/125m兩種多模光纖，光源為770860nm（典型值 800nm）半導(dǎo)體激光器。若采用 62.5/125m多模光纖，全雙工模式傳輸，最大距離 275m。采用 50/125m多模光纖，全雙工模式可以傳輸 550m。1000Base-SX采用 SC光纖連接器。1000Base-SX可以在中小型的辦公建筑中用作 LAN的主干系統(tǒng)。（2）1000Base-LX1000Base-LX不僅支持上述兩種多模光纖，也支持單模光纖，光源采用波長為 12701355nm（典型值

34、1300nm）的半導(dǎo)體激光器。若采用多模光纖，全雙工模式最大傳輸距離為 550m。使用單模光纖時(shí)，全雙工模式可以傳輸 5000m。1000Base-LX也采用 SC光纖連接器。1000Base-LX可以在較大規(guī)模的校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)中用做主干線。（3）1000Base-CX1000Base-CX采用一種特殊規(guī)格的屏蔽雙絞線TW屏蔽雙絞線，特性阻抗為 150，使用 9針 D型連接器，最大傳輸距離為 25m，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)，連接高速服務(wù)器、存儲(chǔ)陣列和交換機(jī)及路由器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。（4）1000Base-T1000Base-T采用 4對(duì)五類雙絞線做傳輸介質(zhì)，計(jì)算機(jī)到交換機(jī)之間的最大距離為 100m，網(wǎng)

35、絡(luò)直徑可達(dá) 200m。1000Base-T與 100Base-T、10Base-T兼容。千兆以太網(wǎng)一般用作局域網(wǎng)的主干線路和連接數(shù)據(jù)訪問量很大的服務(wù)器等設(shè)備。4.萬兆以太網(wǎng)與IEEE802.3ax在當(dāng)今的信息社會(huì)，人們對(duì)帶寬的需求是無止境的。千兆以太網(wǎng)尚未普及，更高速率的標(biāo)準(zhǔn)已陸續(xù)推出。萬兆以太網(wǎng)又稱 10G以太網(wǎng)，傳輸速率比千兆以太網(wǎng)提高 10倍。目前萬兆以太網(wǎng)有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是 IEEE802.3ae、IEEE802.3ak和 IEEE802.3an。IEEE802.3ae 10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)于 2002年 7月通過，包括 10GBASEX、10GBASER、10GBASEW，既可應(yīng)用于局域

36、網(wǎng)，也可應(yīng)用于廣域網(wǎng)。10GBASEX使用一種特緊湊包裝，含有 1個(gè)較簡單的 WDM器件、4個(gè)接收器和 4個(gè)在1300nm波長附近以大約 25nm為間隔工作的激光器，每一對(duì)發(fā)送器 /接收器在3.125Gbit/s速度（數(shù)據(jù)流速度為 2.5Gbit/s）下工作。10GBASER是一種使用64B/66B編碼的串行接口，數(shù)據(jù)流為 10.000Gbit/s，因而產(chǎn)生的時(shí)鐘速率為10.3Gbit/s。10GBASEW是廣域網(wǎng)接口，與 SONET OC-192兼容，其時(shí)鐘為9.953Gbit/s數(shù)據(jù)流為 9.585Gbit/s。10GBASE-SR/SW傳輸距離按照波長不同由 2m到 300m。10GBA

37、SE-LR/LW傳輸距離為 2m到 10km。10GBASE-ER/EW傳輸距離為 2m到 40km。13 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)IEEE802.3ak 10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)于 2004年 3月通過。 IEEE802.3ak又稱10GBase-CX4，傳輸介質(zhì)采用的是 CX4線纜（圖 3-12所示），并且規(guī)定傳輸距離不能超過 15米。因此，該標(biāo)準(zhǔn)僅適用在諸如數(shù)據(jù)中心機(jī)房等應(yīng)用環(huán)境，在機(jī)房里的機(jī)柜內(nèi)或機(jī)柜間，交換機(jī)與交換機(jī)的高速互連，或者交換機(jī)與服務(wù)器的高速互連，在 15m以內(nèi)的線纜長度下可以達(dá)到 10Gbps的速率。新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于交換機(jī)和服務(wù)器的集群提供了一個(gè)比光纖傳輸解決方案的成本低很多的解決辦法，對(duì)

38、于大型的需要數(shù)據(jù)集中式的應(yīng)用提供了一種選擇。圖 3-12支持 10G以太網(wǎng)的 CX4線纜IEEE802.3an 10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)于 2006年 6月通過。 IEEE802.3an又稱10GBase-T，傳輸介質(zhì)采用非屏蔽雙絞線（UTP）或屏蔽雙絞線（STP）。盡管沒有在標(biāo)準(zhǔn)中特別說明，但是 5e類信道仍然可以支持 10GBASE-T的操作，只是傳輸距離較短。測試結(jié)果表明，使用 6類雙絞線，傳輸距離可以超過55m，使用 6A類以上的線纜，10GBASE-T最長能夠支持 100米的傳輸距離。當(dāng)前 10G以太網(wǎng)主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)的核心層，連接服務(wù)器存儲(chǔ)陣列與核心交換機(jī)以及核心交換機(jī)之

39、間的連接。5.交換式以太網(wǎng)在傳統(tǒng)的共享型以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的有效傳輸成功率隨著接入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)數(shù)量的增加而下降，當(dāng)超過 5臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)上網(wǎng)后，傳輸成功的概率趨近于 1/e，以太網(wǎng)同時(shí)上網(wǎng)的用戶數(shù)與成功傳輸?shù)母怕嗜鐖D 3-13所示。提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率固然可以提高工作效率，但是提高速率受到很多技術(shù)限制，并且傳輸速率的提高總是落后于網(wǎng)絡(luò)流量的增長速度。幸運(yùn)的是還有另一種解決方案可以滿足不斷增長的對(duì)帶寬或工作效率的需求，這就是交換式以太網(wǎng)。14 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖 3-13以太網(wǎng)同時(shí)上網(wǎng)的用戶數(shù)與成功傳輸?shù)母怕视蓤D 3-13可知，當(dāng)接入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)數(shù)量很少時(shí)，傳輸成功的概率很高，只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)在線時(shí)，

40、傳輸成功率為 100%，也就是說可以獨(dú)享整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬，這就是交換技術(shù)的由來。交換式以太網(wǎng)的核心是交換機(jī)，它有一個(gè)可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換的主板和若干接口插板。接口插板上有一個(gè)或多個(gè) RJ45連接器（插座），或是光纖連接器。每一個(gè)插板相當(dāng)于一個(gè)集線器（hub），連接的是一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)段（共享域）。如果一個(gè)插板上只有一個(gè)端口，稱為端口交換，可以獨(dú)享網(wǎng)絡(luò)帶寬，如 10Mbps或 100Mbps。如果一個(gè)插板上有多個(gè)端口，稱為段交換或板交換，該板上的所有端口共享一個(gè) 10 Mbps或 100Mbps帶寬。顯然，端口交換優(yōu)于段交換?，F(xiàn)代的以太網(wǎng)交換機(jī)多采用端口交換方式。交換式以太網(wǎng)系統(tǒng)與 IEEE802.3系

41、列的其他以太網(wǎng)完全兼容?，F(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)可以配置不同的插板分別支持快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、萬兆（10G）以太網(wǎng)直至 40G/100G以太網(wǎng)，甚至可以支持其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，如 ATM、SONET等。6.虛擬局域網(wǎng)VLAN虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）是一項(xiàng)基于交換機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)，它可以把連接在一臺(tái)交換機(jī)上的多臺(tái)計(jì)算機(jī)劃分為多個(gè)不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，彼此之間不能直接訪問。VLAN技術(shù)的提出基于以下需求。（1）安全性。一個(gè)部門或工作組內(nèi)部的信息不想被別人共享，而該部門或工作組與其他的部門或工作組連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，無法分離。（2）負(fù)載均衡。網(wǎng)絡(luò)中有些計(jì)

42、算機(jī)的訪問量很大，負(fù)載重，而有些又非常小。連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上會(huì)影響上網(wǎng)的工作效率。（3）廣播風(fēng)暴。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中由于故障產(chǎn)生大量的廣播幀，形成廣播風(fēng)暴，15 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，發(fā)生廣播風(fēng)暴的概率越高，影響越大。IEEE802委員會(huì)在 1996年 3月發(fā)布了一個(gè)有關(guān)虛擬局域網(wǎng) VLAN的標(biāo)準(zhǔn)，這就是 IEEE802.1Q。在該標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì) VLAN定義為：VLAN是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的、與物理位置無關(guān)的邏輯組，這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。每一個(gè)VLAN的幀都有一個(gè)明確的標(biāo)識(shí)符，指明發(fā)送這個(gè)幀的工作站是屬于哪一個(gè)VLAN。利用 VLAN技術(shù)，既可以在一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換

43、機(jī)上劃分為多個(gè)邏輯網(wǎng)段，也可以跨交換機(jī)劃分 VLAN。圖 3-14為一個(gè) VLAN劃分的實(shí)例。在同一個(gè) VLAN內(nèi)，計(jì)算機(jī)可以像傳統(tǒng) LAN一樣可以直接交換信息。不同 VLAN內(nèi)的計(jì)算機(jī)則需要通過路由器或具有路由功能的三層交換機(jī)才能相互通信，即使它們可能連接在同一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上。以太網(wǎng)交換機(jī)C3B3A4VLAN1VLAN2B2VLAN3以太網(wǎng)交換機(jī)C2A3C1以太網(wǎng)交換機(jī)B1A2A1以太網(wǎng)交換機(jī)圖 3-14虛擬局域網(wǎng) VLAN實(shí)現(xiàn) VLAN必須采用支持 VLAN功能的交換機(jī)，換言之，交換機(jī)必須支持IEEE802.1Q協(xié)議。為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng) VLAN，該協(xié)議將 802.3協(xié)議中的幀格式做了變動(dòng)，增加

44、了 4個(gè)字節(jié)有關(guān) VALN的域，其中 VLAN標(biāo)識(shí)域有 12位，理論上可以劃分 4096個(gè) VLAN，但只有高端的交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)，一般交換機(jī)能夠配置 200個(gè)左右的 VLAN。VLAN協(xié)議只對(duì)交換機(jī)提出要求，并不涉及連網(wǎng)的計(jì)算機(jī)（確切地說是網(wǎng)卡）。因此，802.1Q對(duì)以太網(wǎng)幀格式的改變并不影響計(jì)算機(jī)對(duì)以太網(wǎng)的接入。VLAN的劃分有靜態(tài)劃分和動(dòng)態(tài)劃分兩種方式。靜態(tài)劃分是按交換機(jī)的端口16 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分不同的 VLAN，與接入的計(jì)算機(jī)無關(guān)。動(dòng)態(tài)劃分則是按計(jì)算機(jī)的 MAC地址劃分 VLAN，與交換機(jī)哪個(gè)端口連接無關(guān)。動(dòng)態(tài)劃分還可以根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議或地址劃分 VLAN。3.2.2無線局

45、域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)各種移動(dòng)數(shù)據(jù)終端設(shè)備的不斷出現(xiàn)和快速普及，催生了無線局域網(wǎng) WLAN的快速發(fā)展。早期的移動(dòng)數(shù)據(jù)終端設(shè)備主要是筆記本電腦和個(gè)人數(shù)字助理 PDA（Portable Digital Assistant），又稱掌上電腦。如今，3G和 4G手機(jī)都具備了訪問WLAN的功能，使得 WLAN擁有龐大的用戶群。WLAN的工作要占用無線頻譜資源，但與一般的移動(dòng)通信系統(tǒng)不同，它占用的是非管制頻段。國際電信聯(lián)盟 ITU協(xié)調(diào)各國家的無線電管理部門預(yù)留了一些頻段，用于開展工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，稱為 ISM（Industrial，Science和 Medical）頻段，屬于非管制頻段。在 I

46、SM頻段，允許任何人隨意使用，但是對(duì)設(shè)備的發(fā)射功率有限制，通常是小于 1W，使得發(fā)射臺(tái)覆蓋很小的范圍，避免相互干擾。ISM頻段的具體位置各國有所不同，一般分為 3段。在我國，ISM的頻段為 902928MHz（U頻段）、2.42.5GHz（S頻段）和 5.7255.875GHz（C頻段）。WLAN目前的工作頻段是 2.4GHz和 5GHz。WLAN的標(biāo)準(zhǔn)目前主要有 IEEE802委員會(huì)推出的 IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)、HomeRF工作組開發(fā)的 HomeRF標(biāo)準(zhǔn)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) ETSI（EuropeanTelecommunications Standards Institute）制定的

47、HiperLAN標(biāo)準(zhǔn)，其中 IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最為廣泛，獲得眾多廠商的支持，產(chǎn)品在 WLAN市場上居主導(dǎo)地位。本教材介紹基于 IEEE802.11的 WLAN所采用的技術(shù)。IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：（1） IEEE802.11（2） IEEE802.11a（3） IEEE802.11b（4） IEEE802.11g（5） IEEE802.11n（6） IEEE802.11acIEEE802.11的體系結(jié)構(gòu)如圖 3-15所示。17 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)層IEEE802 邏輯鏈路控制協(xié)議（LLCP）數(shù)據(jù)鏈路層CSMA/CA802.11nOFDMQAM-64

48、MIMO802.11acOFDMQAM-256多用戶MIMO8-SDMA802.11紅外802.11FHSS802.11DSSS802.11aOFDM802.11bHR-DSSS802.11gOFDM物理層4-SDMA圖 3-15 IEEE802.11協(xié)議棧1. IEEE802.11的物理層IEEE802.11是 IEEE在 1997年正式發(fā)布的第一個(gè) WLAN標(biāo)準(zhǔn)。它在物理層上支持三種傳輸技術(shù)，紅外、跳頻擴(kuò)頻（Frequency Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)HSS）和直序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）。紅外傳輸使用漫射

49、傳輸方式，工作波長為 0.85m或 0.95m，傳輸速率 1Mbps或 2Mbps。FHSS工作頻段 2.4GHz，使用了 79個(gè)子信道，每個(gè)子信道帶寬 1Mhz，在每個(gè)信道上的最大滯留時(shí)間為 400ms，最大傳輸速率 1Mbps。DSSS也工作在 2.4GHz頻段，使用巴克序列（Barker Sequence）擴(kuò)頻碼，最大傳輸速率 2Mbps。1999年，IEEE先后推出了 802.11b和 802.11a兩個(gè)升級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。802.11b的物理層工作頻率仍在 2.4GHz，但引入了高速直序列擴(kuò)頻（High Rate Direct SequenceSpread Spectrum，HR-DSSS）技

50、術(shù)，可以采用 Walsh/Hadamard編碼，使最高速率可達(dá) 11Mbps，支持的傳輸速率有 1、2、5.5和 11Mbps，可與 802.11兼容。802.11a工作在 5GHz頻段，使用了與之前的標(biāo)準(zhǔn)完全不同的正交頻分多路復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)，最高傳輸速率可達(dá)54Mbps。但這使得該標(biāo)準(zhǔn)既不兼容 802.11b，也不兼容 802.11。為提高與其他標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，2003年 7月推出了 IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)。802.11g工作在 2.4GHz頻段，物理層采用了兩種調(diào)制方法。一種是與 802.11b兼

51、容的補(bǔ)碼鍵控調(diào)制（Complementary Code Keying，CCK）結(jié)合 DSSS擴(kuò)頻，使最高傳輸速率提高到 24Mbps。另一種是 802.11a使用的 OFDM，最高速率達(dá)到 54Mbps。因此，802.11g實(shí)現(xiàn)了既與 802.11b兼容，可實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，又能夠?qū)鬏斔俾侍岣叩脚c 802.11a相同的水平。 802.11g支持的強(qiáng)制速率為 1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、6Mbps、11Mbps、12Mbps和 24Mbps，可選速率為 9Mbps、18Mbps、36Mbps、48Mbps和 54Mbps。2009年 802.11n正式推出，它可同時(shí)工作在 2.4GHz

52、和 5GHz兩個(gè)頻段，意味著它既可以兼容 802.11a，又可以兼容 802.11b。802.11n主要是結(jié)合物理層和MAC層的優(yōu)化來充分提高 WLAN的吞吐率。802.11n主要的物理層技術(shù)涉及了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多進(jìn)多出）、MIMO-OFDM、QAM-64、18 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Short GI（Guard Interval，保護(hù)間隔）等技術(shù)。在 802.11n中，MIMO最多可以支持 4個(gè)空間碼流（spatial stream）。除此之外，在該標(biāo)準(zhǔn)中增加了接入帶寬，達(dá)到 40MHz，從而將物理層吞吐率提高到 600Mbps；采用多

53、天線技術(shù)后覆蓋范圍可以比 802.11a/b/g等擴(kuò)大一倍。更新的 WLAN標(biāo)準(zhǔn) 802.11ac已在 2013年 12月獲得批準(zhǔn)。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，工作頻段只有 5GHz，接入帶寬達(dá)到 80MHz和 160MHz，采用多用戶 MIMO（空分多址 SDMA）、QAM-256、波束成型（Beam forming）等技術(shù)，MIMO支持的空間碼流數(shù)比 802.11n增加一倍，達(dá)到 8個(gè)，傳輸速率最高達(dá) 7Gbps。不僅是在傳輸速率方面較以前的版本有大幅度的提高，而且在網(wǎng)絡(luò)安全方面也有改進(jìn)。在兼容性方面，802.11ac的物理層與 802.11n和 802.11a保持兼容。2. IEEE802.11的媒體

54、訪問控制（MAC）協(xié)議由于是無線環(huán)境，與以太網(wǎng)類似，WLAN也存在多個(gè)站對(duì)共享信道的訪問爭用問題。但無線環(huán)境與有線環(huán)境不同，存在隱藏站和暴露站的問題，如圖 3-16所示。因此，不能照搬有線環(huán)境下的 CSMA/CD協(xié)議。A的作用范圍C的作用范圍B的作用范圍C的作用范圍？ABCDABCD（a）（b）圖 3-16無線環(huán)境的特殊性（a）隱藏站問題；（b）暴露站問題。為解決隱藏站和暴露站問題，IEEE802.11有兩種介質(zhì)訪問控制機(jī)制。一種是分布式訪問機(jī)制，稱為 DCF（Distributed Coordination Function，分布式協(xié)調(diào)功能），另一種是集中訪問機(jī)制，稱為 PCF（Point

55、Coordination Function，點(diǎn)協(xié)調(diào)功能）。所有的 802.11都支持 DCF方式，PCF方式則是可選的。在分布式控制 DCF機(jī)制中，也采用了 CSMA類型的協(xié)議，但是與以太網(wǎng)的協(xié)議不同，稱為載波監(jiān)聽多路訪問 /碰撞避免（ Carrier Sense MultipleAccess/Collision Avoidance，CSMA/CA）。協(xié)議規(guī)定，各站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先監(jiān)聽信道，檢測信道是否空閑。如果信道空閑，各站需等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間（退避算法確定），然后發(fā)送，使得各站發(fā)送信號(hào)產(chǎn)生碰撞的概率減到最小。為了提高無線環(huán)境下傳輸?shù)目煽啃?，CSMA/CA還采用了應(yīng)答機(jī)制，即設(shè)置 ACK應(yīng)

56、答幀。如果接收方正確收到信息，向發(fā)送方發(fā)出一個(gè) ACK幀。否則，不發(fā)送，發(fā)19 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)送方重傳。為消除隱藏站問題，CSMA/CA采取的是預(yù)約信道的方法，即 RTS/CTS機(jī)制。以圖 3-16（a）為例，當(dāng) A站欲向 B站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先向 B站發(fā)送一個(gè)發(fā)送請(qǐng)求短幀 RTS（Request To Send），長度為 30字節(jié)，包含了隨后將要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長度信息。在 A站覆蓋范圍內(nèi)，所有的站（包括 B站）都可以收到該 RTS幀，并且在足夠長的時(shí)間內(nèi)一直要保持沉默，以便 A站發(fā)送數(shù)據(jù)，B站除外。B站收到 A站的 RTS后，回復(fù)一個(gè)短幀 CTS（Clear To Send），表示已經(jīng)做好了

57、準(zhǔn)備，可以接收 A發(fā)送的幀。該幀同樣也包含了準(zhǔn)備接收的數(shù)據(jù)幀的長度。這樣在 B站覆蓋范圍內(nèi)的所有站收到該 CTS幀后，也被要求保持沉默，直到 B站完成接收。集中訪問 PCF機(jī)制中有一個(gè)中心站，控制其他站對(duì)信道的訪問，提供無競爭的數(shù)據(jù)傳輸訪問。中心站采用輪詢的方式，詢問各站是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送順序由中心站控制，因此不會(huì)發(fā)生沖突或碰撞。這個(gè)中心站就是 WLAN中的 AP（Access Point）。802.11標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了輪詢機(jī)制，但是沒有規(guī)定輪詢頻率和順序，也沒有規(guī)定各站的訪問等級(jí)。802.11n對(duì) MAC協(xié)議層做了進(jìn)一步的優(yōu)化。在 MAC層協(xié)議中，有許多固定的開銷，共 34字節(jié)，尤其在幀間及傳

58、輸每幀收到的確認(rèn)信息 ACK等情況下，這些開銷甚至比整個(gè)數(shù)據(jù)幀要長。802.11n采用了幀匯聚技術(shù)，減少固定開銷，改善了 MAC層。802.11n提供了兩種幀匯聚的方法：MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元 MSDU（MAC Service Data Unit）匯聚和 MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元 MPDU（MAC Protocol DataUnit）匯聚。兩種匯聚方法都使多個(gè)幀開銷縮減為 1個(gè)，并且潛在的沖突時(shí)間及回退時(shí)間大大減少，對(duì)大量較小的幀的傳送，如語音幀、TCP的 ACK幀等特別有益。如前所述，為了增加 MAC協(xié)議的可靠性，802.11的 MAC協(xié)議要求每一個(gè)除了組播和廣播之外的幀都要被接收方確認(rèn)。為配合幀匯聚

59、技術(shù)應(yīng)用， 802.11n增加了組合確認(rèn)（Block Acknowledgement）功能，通過使用一個(gè) ACK幀來完成對(duì)多個(gè) MPDU的應(yīng)答，以降低這種情況下 ACK幀的數(shù)量，達(dá)到高性能與穩(wěn)定性的綜合要求。3.2.3廣域網(wǎng)(WAN)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍超過局域網(wǎng)的所有網(wǎng)絡(luò)都可以看作為廣域網(wǎng)。大多數(shù)廣域網(wǎng)屬于公共網(wǎng)絡(luò)，一般由電信運(yùn)營商或有線電視運(yùn)營商承建、運(yùn)營和管理。一些大的企事業(yè)單位或政府部門也有自己覆蓋一個(gè)地區(qū)甚至全國的專用網(wǎng)絡(luò)。廣域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和采用的技術(shù)與局域網(wǎng)有很大不同。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，廣域網(wǎng)分為核心網(wǎng)和接入網(wǎng)兩個(gè)層次，如圖 3-17所示。20 第三章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用戶網(wǎng)用戶網(wǎng)用戶網(wǎng)接入網(wǎng)

60、接入網(wǎng)接入網(wǎng)用戶網(wǎng)用戶網(wǎng)用戶網(wǎng)接入網(wǎng)用戶網(wǎng)用戶網(wǎng)核心網(wǎng)圖 3-17廣域網(wǎng)結(jié)構(gòu)核心網(wǎng)多采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，如結(jié)點(diǎn)交換機(jī)、多協(xié)議路由器、業(yè)務(wù)服務(wù)器等組成。核心網(wǎng)屬于傳送網(wǎng)，因此又稱主干網(wǎng)。它的主要功能是保質(zhì)、保量、高效地傳送大量的信息流。接入網(wǎng)主要完成將用戶或用戶網(wǎng)絡(luò)接入到核心網(wǎng)的任務(wù)，有關(guān)接入網(wǎng)的內(nèi)容將在第 5章講授。早期的計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)大多借助于公共電話網(wǎng)（PSTN）實(shí)現(xiàn)，即使是ARPANET，也是租用的 AT&T（美國電話電報(bào)公司）的電話線路。第一代專門的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是基于 X.25協(xié)議的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。該協(xié)議是 ITU于 1974年提出的，并在上世紀(jì) 80年代做了多次修訂。X.25網(wǎng)絡(luò)是