《接入網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用》課件第6章

第6章以太網(wǎng)接入技術(shù)6.1以太網(wǎng)接入技術(shù)概述

6.2以太網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)

6.3用以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建IP接入網(wǎng)

6.4小結(jié)

思考題與習(xí)題

6.1以太網(wǎng)接入技術(shù)概述

6.1.1以太網(wǎng)接入技術(shù)與IP接入網(wǎng)

隨著Internet的迅猛發(fā)展，IP已經(jīng)占據(jù)了各種終端應(yīng)用的主導(dǎo)地位，沒有任何人再會懷疑今后網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流是IP，如何更高效、高速、廉價地傳送IP數(shù)據(jù)，是今后電信網(wǎng)絡(luò)研

究的主題。接入網(wǎng)也在向著高效、高速、廉價地傳送IP包的方向發(fā)展。到目前為止，各種接入網(wǎng)技術(shù)(如xDSL、CableModem)之所以能夠發(fā)展起來，就技術(shù)發(fā)展而言，關(guān)鍵是適

應(yīng)了當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，滿足了用戶對IP接入的要求。

IP接入網(wǎng)中所蘊(yùn)藏的巨大市場空間是各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商關(guān)注的焦點(diǎn)，如何占領(lǐng)市場，如何在未來的競爭中立足，成為他們考慮的核心。因此，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商紛紛涉足IP接入市場，并且在努力尋求對自己最有利的技術(shù)。已經(jīng)商用化的xDSL、CableModem都存在著一個相同的問題：設(shè)備比較昂貴，協(xié)議相對復(fù)雜。提到廉價，人們很自然地會想到以太網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到今天，特別是交換型以太網(wǎng)設(shè)備和全雙工以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得人們將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到公用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境成為可能。所謂以太網(wǎng)接入技術(shù)，就是把以前用在局域網(wǎng)中的以太網(wǎng)技術(shù)用于公用電信網(wǎng)的接入網(wǎng)中，來解決用戶的寬帶接入問題。目前的以太網(wǎng)接入可以為用戶提供10～100Mb/s的寬帶接入能力。以太網(wǎng)接入技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢，正以前所未有的速度得到應(yīng)用?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)的寬帶接入網(wǎng)給用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，能夠兼容所有帶標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的終端，用戶不需要另配任何新的接口卡或協(xié)議軟件，這正是它十分廉價的原因所在。以太網(wǎng)承載IP已被局域網(wǎng)廣泛使用，其高效、高速的性能已被市場所證明。以太網(wǎng)技術(shù)用于接入網(wǎng)，顯然能夠滿足IP接入網(wǎng)的要求?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)的接入網(wǎng)方案，已經(jīng)成為xDSL、HFC方案強(qiáng)有力的競爭者。6.1.2以太網(wǎng)接入的優(yōu)點(diǎn)

以太網(wǎng)，即Ethernet，既是一種計算機(jī)接入局域網(wǎng)絡(luò)的連接標(biāo)準(zhǔn)，又是一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)共享的通信協(xié)議。以太網(wǎng)采用具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入CSMA/CD技術(shù)，主機(jī)只有在檢測到線路空閑時才能發(fā)送數(shù)據(jù)，如果檢測到?jīng)_突，即其它主機(jī)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，它會過一段時間再次試發(fā)送，直至把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。1990年9月，802.3i/10Base-T標(biāo)準(zhǔn)正式通過，依靠新的10Base-T中繼器、雙絞線介質(zhì)(MAU)和網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)，以太網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用。隨后，快速以太網(wǎng)、交換式以太網(wǎng)等技術(shù)的出現(xiàn)使以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。千兆以太網(wǎng)技術(shù)和無碰撞全雙工光纖技術(shù)則進(jìn)一步拓寬了以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍。以太網(wǎng)的普及性、高速的傳輸速度和低成本的特性使其成為事實(shí)上的局域網(wǎng)硬件和網(wǎng)絡(luò)連接的標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，以太網(wǎng)技術(shù)開始在城域網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)中得到越來越多的應(yīng)用。以太網(wǎng)技術(shù)本身的優(yōu)勢加上寬帶IP接入網(wǎng)發(fā)展的需求促進(jìn)了以太網(wǎng)技術(shù)在IP接入網(wǎng)中的應(yīng)用。由于以太網(wǎng)的幀格式和IP數(shù)據(jù)格式是一致的，用以太網(wǎng)傳輸IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，中間沒有任何格式轉(zhuǎn)換問題。隨著快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳輸速率可提高到100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s。而光纖傳輸技術(shù)的進(jìn)步使得千兆以太網(wǎng)在單模光纖上的無中繼傳輸距離可達(dá)100千米以上，各種速率的以太網(wǎng)不僅可以構(gòu)成局域網(wǎng)，也可以構(gòu)成城域網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)。利用現(xiàn)有光纖線路，用各種速率的以太網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)寬帶IP接入網(wǎng)，是一種經(jīng)

濟(jì)有效的方法。以太網(wǎng)接入的設(shè)備成本低。由于以太網(wǎng)協(xié)議在局域網(wǎng)中占統(tǒng)治地位，因此目前世界上已經(jīng)有一個巨大而又成熟的以太網(wǎng)設(shè)備市場。而其它寬帶接入設(shè)備的市場規(guī)模遠(yuǎn)不如以太網(wǎng)設(shè)備。組成以太網(wǎng)的設(shè)備如以太網(wǎng)卡、Hub(集線器)、以太網(wǎng)交換機(jī)等，技術(shù)非常成熟，可以由中小型企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)。ADSL利用銅制電話線傳輸數(shù)據(jù)，可以利用現(xiàn)有的銅線資源，但存在出線率低的問題，網(wǎng)絡(luò)總成本不低。利用HFC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建寬帶IP接入網(wǎng)，可以利用原有的HFC線路和機(jī)房，但是需要對其進(jìn)行雙向改造，初期投資較大。另外由于HFC采用模擬頻分復(fù)用的方式傳輸，光網(wǎng)部分需要超線性激光器和大量的解調(diào)器，因而其設(shè)備費(fèi)用昂貴。以太網(wǎng)接入可以利用已有的光網(wǎng)部分和新建小區(qū)的五類線資源，或者重新布線，但是無論是用戶終端設(shè)備還是用于接入的交換機(jī)設(shè)備，其價格都比ADSL和HFC設(shè)備的價格便宜得多，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的費(fèi)用也較低?？傮w而言，以太網(wǎng)接入方式在網(wǎng)絡(luò)成本上占有一定的優(yōu)勢。以太網(wǎng)接入的速率高。ADSL可以達(dá)到下行8Mb/s、上行1Mb/s的傳輸速率，但是由于電話線線路質(zhì)量參差不齊，實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到這一傳輸速率。HFC作為接入網(wǎng)，其下行速率可以達(dá)到40Mb/s，為光節(jié)點(diǎn)小區(qū)內(nèi)用戶共享，上行最高可達(dá)2Mb/s。每個光節(jié)點(diǎn)小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)在1000或2000以內(nèi)，即使只有小部分用戶使用IP接入服務(wù)，每個用戶擁有的帶寬依然很有限。以太網(wǎng)接入方式利用先進(jìn)的路由器、交換機(jī)等設(shè)備將10Mb/s、100Mb/s甚至1Gb/s的接口送到大樓、樓層和家庭，用戶可以獨(dú)享10Mb/s甚至100Mb/s的帶寬。另外，10Gb/s以太網(wǎng)產(chǎn)品也陸續(xù)投放市場，以太網(wǎng)接入方式在傳輸速率上具有很好的可擴(kuò)展性。以太網(wǎng)接入可以充分利用以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢，為用戶提供靈活方便的寬帶接入。全球企事業(yè)單位的以太網(wǎng)用戶已達(dá)1億多，目前以每年3000萬的數(shù)目增長。對用戶而言，特別是對原來的企業(yè)網(wǎng)或者校園網(wǎng)用戶而言，以太網(wǎng)是他們最為熟悉的組網(wǎng)技術(shù)，用戶很容易接受以太網(wǎng)接入的方式。目前流行的操作系統(tǒng)與以太網(wǎng)都有很好的兼容性，在這些操作系統(tǒng)上還有大量與以太網(wǎng)技術(shù)兼容的應(yīng)用軟件可供使用。

以太網(wǎng)技術(shù)能夠支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化布線，有利于接入網(wǎng)的施工建設(shè)。結(jié)構(gòu)化布線有利于降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本和縮短建設(shè)時間，從而促進(jìn)以太網(wǎng)接入方式的推廣應(yīng)用。以太網(wǎng)技術(shù)當(dāng)初就是針對IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計的，因此與IP有很好的適應(yīng)性，有利于提高IP接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)利用率和對多業(yè)務(wù)的承載能力。

以太網(wǎng)接入適合我國多數(shù)居民的居住環(huán)境。以太網(wǎng)接入用戶通過五類線與公網(wǎng)連接，而普通五類線的服務(wù)范圍一般不超過100m。我國絕大多數(shù)城鎮(zhèn)居民住在公寓式樓房中，100m的服務(wù)半徑可以覆蓋幾十戶甚至上百戶居民。歐美等發(fā)達(dá)國家的別墅式住宅就不適合用以太網(wǎng)技術(shù)來解決寬帶接入。這是以太網(wǎng)接入技術(shù)能在我國迅速發(fā)展而沒有在歐美國家推廣的主要原因，歐美國家主要通過ADSL和CableModem技術(shù)來解決普通住宅用戶的寬帶接入問題。總之，在接入網(wǎng)中采用以太網(wǎng)技術(shù)，符合我國城市小區(qū)化聚居、人口密度高的特點(diǎn)，可以用較低的成本、較快的速度建設(shè)寬帶IP接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、用戶服務(wù)選擇及用戶策略控制和網(wǎng)絡(luò)安全等功能，實(shí)現(xiàn)真正的寬帶接入。 6.2以太網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)

6.2.1以太網(wǎng)從十兆到千兆

以太網(wǎng)最初是由Xerox公司研制而成的，并且在1980年由DEC公司和Xerox公司共同使之規(guī)范成形。后來它被作為802.3標(biāo)準(zhǔn)為電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)所采納。

以太網(wǎng)的基本特征是采用一種稱為載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)的共享訪問方案，即多個工作站都連接在一條總

線上，所有的工作站都不斷向總線上發(fā)出監(jiān)聽信號，但在同一時刻只能有一個工作站在總線上進(jìn)行傳輸，而其它工作站必須等待其傳輸結(jié)束后再開始自己的傳輸。沖突檢測方法保證了只能有一個站在電纜上傳輸。早期以太網(wǎng)的傳輸速率為10Mb/s。

1.以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

采用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路存取和沖突檢測)介質(zhì)訪問控制方式的局域網(wǎng)技術(shù)，最初由Xerox公司于1975年研制成功，1979年7月到1982年間，由DEC、Intel和Xerox三家公司制定了以太網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范DIX，以此為基礎(chǔ)形成的IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在1989年正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。在20多年中以太網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，產(chǎn)生了多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)10Base5：原始的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，使用直徑10mm的50Ω粗同軸電纜，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，站點(diǎn)網(wǎng)卡的接口為DB-15連接器，通過AUI電纜，用MAU(介質(zhì)附屬裝置)栓接到同軸電纜上，末端用50Ω/1W的電阻端接(一端接在電氣系統(tǒng)的地線上)；每個網(wǎng)段允許有100個站點(diǎn)，每個網(wǎng)段最大允許距離為500m，網(wǎng)絡(luò)直徑為2500m，即可由5個500m長的網(wǎng)段和4個中繼器組成。使用基帶信號傳輸10M速率，采用曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)。

(2)10Base2：為降低10Base5的安裝成本和復(fù)雜性而設(shè)計。使用廉價的R9-58型50Ω細(xì)同軸電纜，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的BNC連接器，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)卡通過T形接頭連接到細(xì)同軸電纜上，末端連接50Ω端接器；每個網(wǎng)段允許30個站點(diǎn)，每個網(wǎng)段最大允許距離為185m，仍保持10Base5的4中繼器/5網(wǎng)段設(shè)計能力，允許的最大網(wǎng)絡(luò)直徑為5×185=925m。使用基帶信號傳輸10M速率，采用曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)。與10Base5相比，10Base2以太網(wǎng)更容易安裝，更容易增加新站點(diǎn)，能大幅度降低費(fèi)用。

(3)10Base-T：1990年通過的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)。10Base-T使用兩對非屏蔽雙絞線，一對線發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對線接收數(shù)據(jù)，用RJ-45連接器作為端接器，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，信號頻率為20MHz，必須使用3類或更好的UTP電纜；布線按照EIA568標(biāo)準(zhǔn)，站點(diǎn)—中繼器和中繼器—中繼器的最大距離為100m。保持了10Base5的4中繼器/5網(wǎng)段的設(shè)計能力，使10Base-T局域網(wǎng)的最大直徑為500m。10Base-T的集線器和網(wǎng)卡每16秒就發(fā)出“滴答”(Hear-beat)脈沖，集線器和網(wǎng)卡都要監(jiān)聽此脈沖，收到“滴答”信號表示物理連接已建立，10Base-T設(shè)備通過LED向網(wǎng)絡(luò)管理員指示鏈路是否正常。雙絞線以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)的主要進(jìn)步之一，10Base-T因?yàn)閮r格便宜、配置靈活和易于管理而流行起來，現(xiàn)在占整個以太網(wǎng)銷售量的90%以上。

(4)10Base-F：使用光纜的以太網(wǎng)，使用雙工光纜，一條光纜用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一條光纜用于接收數(shù)據(jù)；使用ST連接器，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)直徑為2500m，定義了幾種不同的規(guī)范：

①10Base-FL：10Base-F中使用最多的部分，只有10Base-FL連接時，光纜鏈路段的長度可達(dá)2000m，與FOIRL設(shè)備混用時，混合段的長度可達(dá)1000m。②10Base-FB:用來說明一個同步信令骨干網(wǎng)段，用于在一個跨越遠(yuǎn)距離的轉(zhuǎn)發(fā)主干網(wǎng)系統(tǒng)中將專用的10Base-FB同步信令中繼器連接在一起。單個10Base-FB網(wǎng)段最長可達(dá)2000m。

③10Base-FP:用來說明點(diǎn)對點(diǎn)的連接方式，一個網(wǎng)段的長度可達(dá)500m。一個光纜無源星型耦合器最多可連接33

臺計算機(jī)。

(5)100Base-T:以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的100M版，1995年5月正式通過了快速以太網(wǎng)/100Base-T規(guī)范，即IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)，是對IEEE802.3的補(bǔ)充。與10Base-T一樣采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但100Base-T包含4個不同的物理層規(guī)范，并且包含了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫娴脑S多新規(guī)則。

(6)100Base-TX:使用兩對5類非屏蔽雙絞線或1類屏蔽雙絞線，一對用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對用于接收數(shù)據(jù)，最大網(wǎng)段長度為100m，布線符合EIA568標(biāo)準(zhǔn)；采用4B/5B編碼法，使其可以125MHz的串行數(shù)據(jù)流來傳送數(shù)據(jù)；使用MLT-3(多電平傳輸-3)波形法來降低信號頻率到125/3=41.6MHz。100Base-TX是100Base-T中使用最廣的物理層規(guī)范。

(7)100Base-FX：使用多模(62.5或125μm)或單模光纜，連接器可以是MIC/FDDI連接器、ST連接器或廉價的SC連接器。最大網(wǎng)段長度根據(jù)連接方式的不同而變化，例如，對于多模光纖的交換機(jī)—交換機(jī)連接或交換機(jī)—網(wǎng)卡連接最大允許長度為412m，如果是全雙工鏈路，則可達(dá)到2000m。100Base-FX主要用于高速主干網(wǎng)，或遠(yuǎn)距離連接，或有強(qiáng)電氣干擾的環(huán)境，或要求有較高安全保密鏈接的環(huán)境。

(8)100Base-T4：為了利用大量的3類音頻級布線而設(shè)計。它使用4對雙絞線，3對用于同時傳送數(shù)據(jù)，第4對線用于沖突檢測時的接收信道，信號頻率為25MHz，因而可以使用數(shù)據(jù)級3、4或5類非屏蔽雙絞線，也可使用音頻級3類線纜。最大網(wǎng)段長度為100m，采用EIA568布線標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)闆]有專用的發(fā)送或接收線路，所以100Base-T4不能進(jìn)行全雙工操作。100Base-T4采用比曼徹斯特編碼法高級得多的6B/6T編碼法。

(9)100Base-T2：隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，只用兩對3類UTP線就可以傳送100Mb/s的數(shù)據(jù)，因而針對100Base-T4不能實(shí)現(xiàn)全雙工的缺點(diǎn)，IEEE開始制定100Base-T2標(biāo)準(zhǔn)。100Base-T2采用兩對音頻或數(shù)據(jù)級3、4或5類UTP電纜，一對用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對用于接收數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)全雙工操作；采用RJ-45連接器，最長網(wǎng)段為100m，符合EIA568布線標(biāo)準(zhǔn)。采用名為PAM5x5的5電平編碼方案。

(10)自動協(xié)商模式：100Base-T問世以后，在以太網(wǎng)RJ-45連接器上出現(xiàn)的信號可能是5種以上不同的以太網(wǎng)信號(10Base-T、10Base-T全雙工、100Base-TX、100Base-TX全雙工和100Base-T4)中的任一種。為了簡化管理，IEEE推出了Nway(IEEE自動協(xié)商模式)，它能使集線器和網(wǎng)卡知道線路另一端能有的速度，把速度自動調(diào)節(jié)到線路兩端能達(dá)到的最高速度(優(yōu)先的順序?yàn)椋?00Base-T2全雙工、100Base-T2、100Base-TX全雙工、100Base-T4、100Base-TX、100Base-T全雙工、10Base-T)。這是增強(qiáng)型的10Base-T鏈路一體化信號方法，并與鏈路一體化反向兼容。這種技術(shù)避免了由于信號不兼容可能造成的網(wǎng)絡(luò)損壞。具有這種特性的裝置仍允許人工選擇可能的模式。千兆以太網(wǎng)技術(shù)作為最新的高速以太網(wǎng)技術(shù)，給用戶帶來了提高核心網(wǎng)絡(luò)的有效解決方案，這種解決方案的最大優(yōu)點(diǎn)是繼承了傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)價格便宜的優(yōu)點(diǎn)。

千兆技術(shù)仍然是以太網(wǎng)技術(shù)，它采用了與10M以太網(wǎng)相同的幀格式、幀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、全/半雙工工作方式、流控模式以及布線系統(tǒng)。由于該技術(shù)不改變傳統(tǒng)以太網(wǎng)的桌面應(yīng)用、操作系統(tǒng)，因此可與10M或100M的以太網(wǎng)很好地配合工作。升級到千兆以太網(wǎng)不必改變網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、網(wǎng)管部件和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，能夠最大程度地投資保護(hù)，因此該技術(shù)的市場前景十分看好。

為了能夠偵測到64Bytes數(shù)據(jù)包的碰撞，Gigabit以太網(wǎng)所支持的距離更短。Gigabit以太網(wǎng)支持的網(wǎng)絡(luò)類型見表6-1。表6-1

Gigabit以太網(wǎng)支持的網(wǎng)絡(luò)類型千兆以太網(wǎng)技術(shù)有兩個標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纖和短程銅線連接方案的標(biāo)準(zhǔn)，目前已完成了標(biāo)準(zhǔn)制定工作。IEEE802.3ab制定了5類雙絞線上較長距離連接方案的標(biāo)準(zhǔn)。

千兆以太網(wǎng)最初主要用于提高交換機(jī)與交換機(jī)之間或交換機(jī)與服務(wù)器之間的連接帶寬。10/100Mb/s交換機(jī)之間的千兆連接將極大地提高網(wǎng)絡(luò)帶寬，使網(wǎng)絡(luò)可以支持更多的10M或100M的網(wǎng)段；也可以通過在服務(wù)器中增加千兆網(wǎng)卡，將服務(wù)器與交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸速度提升至前所未有的境界。千兆網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)被所有主要的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品廠商所支持，其中包括HP、3Com、Cisco等公司。千兆以太網(wǎng)主要有以下幾方面的特點(diǎn)：

(1)簡易性：千兆以太網(wǎng)繼承了以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)的簡易性，因此其技術(shù)原理、安裝實(shí)施和管理維護(hù)都很簡單。

(2)擴(kuò)展性：由于千兆以太網(wǎng)采用了以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)的基本技術(shù)，因此由10Base-T、100Base-T升級到千兆以太網(wǎng)非常容易。

(3)可靠性：由于千兆以太網(wǎng)保持了以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)的安裝維護(hù)方法，采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此網(wǎng)絡(luò)具有很高的可靠性。

(4)經(jīng)濟(jì)性：千兆以太網(wǎng)是10Base-T和100Base-T的繼承和發(fā)展，一方面降低了研究成本，另一方面由于10Base-T和100Base-T的廣泛應(yīng)用，作為其升級產(chǎn)品，千兆以太網(wǎng)的大量應(yīng)用只是時間問題，為了爭奪千兆以太網(wǎng)這個巨大市場，幾乎所有著名的網(wǎng)絡(luò)公司都生產(chǎn)千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品，因此其價格將會快速下降。千兆以太網(wǎng)與ATM等寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，其價格優(yōu)勢非常明顯。

(5)可管理維護(hù)性：千兆以太網(wǎng)采用基于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視(RMON)等網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，許多廠商開發(fā)了大量的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，使千兆以太網(wǎng)的集中

管理和維護(hù)非常簡便。

(6)廣泛應(yīng)用性：千兆以太網(wǎng)為局域主干網(wǎng)和城域主干網(wǎng)(借助單模光纖和光收發(fā)器)提供了一種高性能價格比的寬帶傳輸交換平臺，使得許多寬帶應(yīng)用能施展其魅力。例如在千兆以太網(wǎng)上開展視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)和虛擬電子商務(wù)等。

2.以太網(wǎng)工作原理

以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。圖6-1以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖以太網(wǎng)/IEEE802.3通常使用專門的網(wǎng)絡(luò)接口卡或通過系統(tǒng)主電路板上的電路實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)使用收發(fā)器與網(wǎng)絡(luò)媒體進(jìn)行連接。收發(fā)器可以完成多種物理層功能，其中包括對網(wǎng)絡(luò)碰撞進(jìn)行檢測。收發(fā)器可以作為獨(dú)立的設(shè)備通過電纜與終端站連接，也可以直接被集成到終端站的網(wǎng)卡當(dāng)中。

以太網(wǎng)采用廣播機(jī)制，所有與網(wǎng)絡(luò)連接的工作站都可以看到網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)。通過查看包含在幀中的目標(biāo)地址，能夠確定是否進(jìn)行接收或放棄。

如果證明數(shù)據(jù)確實(shí)是發(fā)給自己的，工作站將會接收數(shù)據(jù)并傳遞給高層協(xié)議進(jìn)行處理。以太網(wǎng)采用CSMA/CD媒體訪問機(jī)制，任何工作站都可以在任何時間訪問網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，工作站首先需要偵聽網(wǎng)絡(luò)是否空閑，如果網(wǎng)絡(luò)上沒有任何數(shù)據(jù)傳送，工作站

就會把所要發(fā)送的信息投放到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。否則，工作站只能等待網(wǎng)絡(luò)下一次出現(xiàn)空閑的時候再進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

作為一種基于競爭機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以太網(wǎng)允許任何一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)空閑時發(fā)送信息。因?yàn)闆]有任何集中式的管理措施，所以非常有可能出現(xiàn)多臺工作站同時檢測到網(wǎng)絡(luò)

處于空閑狀態(tài)，進(jìn)而同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。這時，發(fā)出的信息會相互碰撞而導(dǎo)致?lián)p壞。工作站必須等待一段時間之后，重新發(fā)送數(shù)據(jù)。補(bǔ)償算法用來決定發(fā)生碰撞后，工作

站應(yīng)當(dāng)在何時重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀。圖6-2所示為以太網(wǎng)/IEEE802.3幀的基本組成。圖6-2以太網(wǎng)/IEEE802.3幀的基本組成如圖所示，以太網(wǎng)和IEEE802.3幀的基本結(jié)構(gòu)如下：

(1)前導(dǎo)碼：由0、1間隔代碼組成，可以通知目標(biāo)站做好接收準(zhǔn)備。IEEE802.3幀的前導(dǎo)碼占用7個字節(jié)，緊隨其后的是長度為1個字節(jié)的幀首定界符(SOF)。以太網(wǎng)幀把SOF包含在了前導(dǎo)碼當(dāng)中，因此，前導(dǎo)碼的長度擴(kuò)大為8個字節(jié)。

(2)幀首定界符(SOF)：IEEE802.3幀中的定界字節(jié)，以兩個連續(xù)的代碼1結(jié)尾，表示一幀實(shí)際開始。

(3)目標(biāo)和源地址：表示發(fā)送和接收幀的工作站的地址，各占據(jù)6個字節(jié)。其中，目標(biāo)地址可以是單址，也可以是多點(diǎn)傳送或廣播地址。

(4)類型(以太網(wǎng))：占用兩個字節(jié)，指定接收數(shù)據(jù)的高層協(xié)議。

(5)長度(IEEE802.3)：表示緊隨其后的以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)段的長度。

(6)數(shù)據(jù)(以太網(wǎng))：在經(jīng)過物理層和邏輯鏈路層的處理之后，包含在幀中的數(shù)據(jù)將被傳遞給在類型段中指定的高層協(xié)議。雖然以太網(wǎng)版本2中并沒有明確做出補(bǔ)齊規(guī)定，但是以太網(wǎng)幀中數(shù)據(jù)段的長度最小應(yīng)當(dāng)不低于46個字節(jié)。

(7)數(shù)據(jù)(IEEE802.3)：IEEE802.3幀在數(shù)據(jù)段中對接收數(shù)據(jù)的上層協(xié)議進(jìn)行規(guī)定。如果數(shù)據(jù)段長度過小，使幀的總長度無法達(dá)到64個字節(jié)的最小值，那么相應(yīng)軟件將會自動填充數(shù)據(jù)段，以確保整個幀的長度不低于64個字節(jié)。

(8)幀校驗(yàn)序列(FSC)：該序列包含長度為4個字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)值(CRC)，由發(fā)送設(shè)備計算產(chǎn)生，在接收方被重新計算，以確定幀在傳送過程中是否被損壞。

1.早期的以太網(wǎng)

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的初期，網(wǎng)絡(luò)僅僅是應(yīng)用于一些簡單的文件處理、數(shù)據(jù)庫共享、文件傳輸?shù)?，通信量較少，工作站也不多。在這種情況下，10Base-2、10Base-5等總線型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)使用同軸電纜為傳輸媒體，以共享10Mb/s速度傳送數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，處理量的增加，雖然通過采用高速網(wǎng)卡增加網(wǎng)段和減少每個網(wǎng)段的工作站數(shù)可以減輕每個網(wǎng)段的壓力，提高網(wǎng)絡(luò)的速度和可靠性。但是，總線型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)仍暴露出大量的缺陷。首先是可靠性差，總線上任何一點(diǎn)的問題都會影響到整個網(wǎng)段的工作，導(dǎo)致網(wǎng)段上的工作響應(yīng)慢

甚至死機(jī)，而且維護(hù)困難，不易查到故障點(diǎn)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)段的增加，這方面的缺陷越來越嚴(yán)重，直到整個網(wǎng)絡(luò)阻塞癱瘓。

2.廣泛應(yīng)用的10Base-T結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

針對總線型網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了10Base-T結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)采用結(jié)構(gòu)化布線，能有效地降低網(wǎng)絡(luò)引起的網(wǎng)絡(luò)故障，按照結(jié)構(gòu)化布線要求，采用標(biāo)準(zhǔn)的雙絞線(UTP5，五類線)將所有的線從控制室面板引至各個工作站所在的墻座，并將網(wǎng)絡(luò)的故障點(diǎn)局限在工作站與墻座間及服務(wù)器和面板之間的連接上，采用10Base-T的結(jié)構(gòu)和集線器Hub可以基本消除總線型結(jié)構(gòu)帶來的網(wǎng)絡(luò)故障引起的網(wǎng)絡(luò)問題，而且由于Hub本身具有的容錯功能，工作站之間的錯誤基本上可以不相互影響，網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的組合靈活方便，可以方便地增加或減少網(wǎng)段上的站點(diǎn)及調(diào)整網(wǎng)段，提供了可靠性高、易于維護(hù)和擴(kuò)充的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為今后上升至100Mb/s和更高速提供了極大的靈活性和方便性。

3.效率更高的交換式(Switching)以太網(wǎng)絡(luò)

采用結(jié)構(gòu)化布線和10Base-T結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，雖然能較好地提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但是服務(wù)器和所有的工作站間仍是在10Mb/s的通道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)信息量增大，雖然通過增加網(wǎng)段的方式可以增加服務(wù)器和工作站間的通信帶寬，減少單個網(wǎng)段的工作站數(shù)，提高服務(wù)器和工作站的通信速度，但是由于服務(wù)器必須對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，處理服務(wù)器內(nèi)各網(wǎng)段的包接收發(fā)送請求，協(xié)調(diào)網(wǎng)段間的工作，因此隨著網(wǎng)段的增加，服務(wù)器的負(fù)荷越來越重，直接影響到服務(wù)器處理各種事件的能力和對各種請求的響應(yīng)，使網(wǎng)絡(luò)整體速度變慢，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞，特別是網(wǎng)絡(luò)主干上的阻塞。在這種情形下，只有采用更高速的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，才能徹底解決網(wǎng)絡(luò)阻塞問題。目前成熟的有FDDI和Switching技術(shù)，但因FDDI設(shè)備造價太高，一個網(wǎng)絡(luò)工作不宜全部采用FDDI產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)，一般只是用FDDI做主干，用傳統(tǒng)以太網(wǎng)做分支，兩者相結(jié)合組成整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時采用Switching技術(shù)解決FDDI與傳統(tǒng)以太網(wǎng)之間的接口轉(zhuǎn)換問題，并提供高速的主干通道，采用多項(xiàng)技術(shù)提供高速的網(wǎng)絡(luò)信息包交換，解決大流量網(wǎng)絡(luò)信息阻塞的問題。

4.交換式以太網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備——以太網(wǎng)交換機(jī)

20世紀(jì)90年代初，隨著計算機(jī)性能的提高及通信量的驟增，傳統(tǒng)局域網(wǎng)的負(fù)荷越來越重，漸漸超出了自身所能承受的最大負(fù)荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，大大提高了局域網(wǎng)的性能。與基于網(wǎng)橋和路由器的共享媒體的局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)能顯著增加帶寬。加入交換技術(shù)，就可以建立地理位置相對分散的網(wǎng)絡(luò)，使局域網(wǎng)交換機(jī)的每個端口可以平行、安全、同時地互相傳輸信息，而且使局域網(wǎng)可以高度擴(kuò)充。以太網(wǎng)交換機(jī)的發(fā)展事實(shí)上為以太網(wǎng)技術(shù)用于接入網(wǎng)準(zhǔn)備了良好的技術(shù)條件。

1)從網(wǎng)橋、多端口網(wǎng)橋到交換機(jī)

局域網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展要追溯到兩端口網(wǎng)橋。橋是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用來連接相似的局域網(wǎng)。從互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)看，橋是屬于DCE(DataCommunicationEquipment,數(shù)據(jù)通主設(shè)備)的端到端的連接；從協(xié)議層次看，橋是在邏輯鏈路層對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，與中繼器在第一層、路由器在第三層的功能相似。兩端口網(wǎng)橋幾乎是和以太網(wǎng)同時發(fā)展的。

以太網(wǎng)交換技術(shù)(Switch)是在多端口網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上于20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的，實(shí)現(xiàn)OSI模型的下兩層協(xié)議，與網(wǎng)橋有著千絲萬縷的關(guān)系，甚至被業(yè)界人士稱為“許多聯(lián)系在一起的網(wǎng)橋”，因此現(xiàn)在的交換式技術(shù)并不是什么新的標(biāo)準(zhǔn)，而只是現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用而已，是一種改進(jìn)了的局域網(wǎng)橋，與傳統(tǒng)的網(wǎng)橋相比，它能提供更多的端口(4～88)、更好的性能、更強(qiáng)的管理功能以及更便宜的價格。當(dāng)然，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也賦予了交換機(jī)許多新的功能。現(xiàn)在某些局域網(wǎng)交換機(jī)也實(shí)現(xiàn)了OSI參考模型的第三層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了簡單的路由選擇功能，目前很火的第三層交換就是指這個。以太網(wǎng)交換機(jī)與電話交換機(jī)相似，除了提供存儲轉(zhuǎn)發(fā)(StoreandForword)方式外,還提供了其它的橋接技術(shù)，如直通方式(CutThrough)。

2)實(shí)現(xiàn)交換的基本技術(shù)

(1)端口交換：端口交換技術(shù)最早出現(xiàn)在插槽式的集線器中，這類集線器的背板通常劃分有多條以太網(wǎng)段(每條網(wǎng)段為一個廣播域)，不用網(wǎng)橋或路由連接，網(wǎng)絡(luò)之間是互不相通的。以太主模塊插入后通常被分配到某個背板的網(wǎng)段上，端口交換用于將以太模塊的端口在背板的多個網(wǎng)段之間進(jìn)行分配和平衡。

(2)幀交換：幀交換是目前應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)交換技術(shù)，它通過對傳統(tǒng)傳輸媒介進(jìn)行微分段，提供并行傳送的機(jī)制，以減小沖突域，獲得高的帶寬。一般來講，每個公司的產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)技術(shù)均會有差異，但對網(wǎng)絡(luò)幀的處理方式基本上都可歸結(jié)為以下兩種：

· 直通交換：提供線速處理能力，交換機(jī)只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前14個字節(jié)，便將網(wǎng)絡(luò)幀傳送到相應(yīng)的端口上。直通方式的以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)可以理解為在各端口間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機(jī)。它在輸入端口檢測到一個數(shù)據(jù)包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內(nèi)部的動態(tài)查找表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出端口，在輸入與輸出交叉處接通，把數(shù)據(jù)包直通到相應(yīng)的端口，實(shí)現(xiàn)交換功能。由于不需要存儲，因此延遲非常小，交換非常快，這是它的優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是：因?yàn)閿?shù)據(jù)包的內(nèi)容并沒有被以太網(wǎng)交換機(jī)保存下來，所以無法檢查所傳送的數(shù)據(jù)包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力，由于沒有緩存，因此不能將具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通，而且，當(dāng)以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的端口增加時，交換矩陣會變得越來越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)困難。

· 存儲轉(zhuǎn)發(fā)：通過對網(wǎng)絡(luò)幀的讀取進(jìn)行驗(yàn)錯和控制。存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方式，它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲起來，然后進(jìn)行CRC檢查，在對錯誤包進(jìn)行處理之后，才取出數(shù)據(jù)包的目的地址，通過查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口送出包。正因?yàn)槿绱?，存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時延時大，這是它的不足，但是它可以對進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯誤檢測，尤其重要的是它可以支持不同速度的輸入輸出端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。

(3)信元交換：ATM技術(shù)是解決目前網(wǎng)絡(luò)通信中眾多難題的一種技術(shù)方案。ATM采用固定長度(53個字節(jié))的信元交換。由于長度固定，因而便于用硬件實(shí)現(xiàn)。ATM采用專用的非差別連接，并行運(yùn)行，可以通過一個交換機(jī)同時建立多個節(jié)點(diǎn)，但并不會影響每個節(jié)點(diǎn)之間的通信能力。ATM還容許在源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間建立多個虛擬鏈接，以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM采用了統(tǒng)計時分電路進(jìn)行復(fù)用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的帶寬可以達(dá)到25M、155M、622M甚至數(shù)吉比的傳輸能力。

目前在接入交換機(jī)中多采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的幀交換。

3)以太網(wǎng)交換機(jī)的工作過程

以太網(wǎng)交換機(jī)核心部分的工作過程包括地址檢索、地址學(xué)習(xí)和地址老化處理三部分，這三個部分是圍繞在交換機(jī)內(nèi)部維護(hù)的端口號-MAC地址查找表進(jìn)行的。

交換機(jī)從某一端口收到一個以太網(wǎng)幀后，將立即在其內(nèi)存中的地址表(端口號-MAC地址)進(jìn)行查找，以確認(rèn)該目的MAC的網(wǎng)卡連接在哪一個端口上，然后將該幀轉(zhuǎn)發(fā)至該端口。如果在地址表中沒有找到該MAC地址，也就是說，該目的MAC地址是首次出現(xiàn)，交換機(jī)就將數(shù)據(jù)包廣播到所有端口。擁有該MAC地址的網(wǎng)卡在接收到該廣播幀后，將立即做出應(yīng)答，從而使交換機(jī)將其端口的“MAC地址”添加到MAC地址表中。換言之，當(dāng)交換機(jī)從某一節(jié)點(diǎn)收到一個幀時(廣播幀除外)，將對地址表執(zhí)行兩個動作，一是檢查該幀的源MAC地址是否已在地址表中，如果沒有，則將該MAC地址加到地址表中，這樣以后就知道該MAC地址在哪一個端口；二是檢查該幀的目的MAC地址是否已在地址表中，如果該MAC地址已在地址表中，則將該幀發(fā)送到對應(yīng)的端口即可，而不必像集線器那樣將該幀發(fā)送到所有端口，只須將該幀發(fā)送到對應(yīng)的端口，這樣可使那些既非源端口又非目的端口的端口間仍然可以進(jìn)行相互間的通信，從而提供了比集線器更高的傳輸速率。如果該MAC地址不在地址表中，則將該幀發(fā)送到其它所有端口(源端口除外)，相當(dāng)于該幀是一個廣播幀。這就是所謂的地址檢索。地址學(xué)習(xí)是指地址表的建立和補(bǔ)充過程。交換機(jī)在剛剛打開電源時，其MAC地址表是一片空白。交換機(jī)根據(jù)以太網(wǎng)幀中的源MAC地址來更新地址表。當(dāng)一臺計算機(jī)打開電源后，安裝在該系統(tǒng)中的網(wǎng)卡會定期發(fā)出空閑包或信號，交換機(jī)即可據(jù)此得知它的存在以及其MAC地址，這就是所謂的自動地址學(xué)習(xí)。由于交換機(jī)能夠自動根據(jù)收到的以太網(wǎng)幀中的源MAC地址更新地址表的內(nèi)容，因此交換機(jī)使用的時間越長，學(xué)到的MAC地址就越多，未知的MAC地址就越少，因而廣播的包就越少，速度就越快。那么，交換機(jī)是否會永久性地記住所有的端口號-MAC地址關(guān)系呢？不是的。由于交換機(jī)中的內(nèi)存畢竟有限，因此，能夠記憶的MAC地址數(shù)量也是有限的。既然不能無休止地記憶所有的MAC地址，那么就必須賦予其相應(yīng)的忘卻機(jī)制，從而吐故納新。事實(shí)上，交換機(jī)內(nèi)部設(shè)定了一個自動老化時間(Auto-aging)，若某MAC地址在一定時間內(nèi)(默認(rèn)為300秒)不再出現(xiàn)，那么，交換機(jī)將自動把該MAC地址從地址表中清除。當(dāng)下一次該MAC地址重新出現(xiàn)時，將會被當(dāng)做新地址處理。這就是地址老化處理過程。綜上所述，交換機(jī)作為當(dāng)前局域網(wǎng)的主要連接設(shè)備，與集線器相比具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，目前正有全面取代集線器之勢。隨著交換技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)交換機(jī)的價格急劇下降，交換到桌面已是大勢所趨。如果網(wǎng)絡(luò)上擁有大量的用戶、繁忙的應(yīng)用程序和各式各樣的服務(wù)器，而且還未對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做出任何調(diào)整，那么整個網(wǎng)絡(luò)的性能可能會非常低。最為有效的解決方法就是用交換機(jī)替代原來的集線器，當(dāng)然交換機(jī)的價格會比集線器貴些，但目前來說應(yīng)該完全可以接受，況且網(wǎng)絡(luò)的性能會因此提高很多。

4)交換式以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

只需要將共享式以太網(wǎng)的Hub更換為以太網(wǎng)交換機(jī)，即可將網(wǎng)絡(luò)從共享式以太網(wǎng)升級為交換式以太網(wǎng)。由于不需要改變網(wǎng)絡(luò)其它硬件，包括電纜和用戶的網(wǎng)卡，因此可使用戶網(wǎng)絡(luò)升級的費(fèi)用降到最低。

交換可使高速(100Mb/s)與低速網(wǎng)絡(luò)(10Mb/s)在一個網(wǎng)絡(luò)里共存，實(shí)現(xiàn)不同速率網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同。目前大多數(shù)交換式以太網(wǎng)都具有100Mb/s的端口，通過與之相對應(yīng)的100Mb/s的網(wǎng)卡接到服務(wù)器上，暫時解決了10Mb/s的瓶頸，成為網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)升級時首選的方案。交換式以太網(wǎng)同時提供多個通道，比傳統(tǒng)的共享式集線器能提供更高的帶寬。傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)采用廣播式通信方式，每次只能在一對用戶間進(jìn)行通信，如果發(fā)生碰撞還得重試，而交換式以太網(wǎng)允許在不同的用戶對之間同時進(jìn)行傳送，比如，一個16端口的以太網(wǎng)交換機(jī)允許16個站點(diǎn)(8對)使用8條鏈路進(jìn)行通信。

特別是在時間響應(yīng)方面的優(yōu)點(diǎn)，使得局域網(wǎng)交換機(jī)倍受青睞。它以比路由器低的成本提供了比路由器寬的帶寬、高的速度，除非有上廣域網(wǎng)(WAN)的要求，否則，交換機(jī)有替代路由器的趨勢。

除了極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的效率外，交換機(jī)還具備許多高級特性，這些高級特性又進(jìn)一步提高了以太網(wǎng)的性能。

5.以太網(wǎng)交換機(jī)的高級特性

現(xiàn)代交換機(jī)具有極為廣泛的一系列高級特性。交換機(jī)的設(shè)計人員花費(fèi)大量的時間于交換機(jī)的各種細(xì)節(jié)中。他們盡全力提高性能價格比，使他們的產(chǎn)品對用戶來說越來越有吸引力。除了完成基本的交換功能外，設(shè)計人員還為交換機(jī)設(shè)計了一些富有創(chuàng)意的或有趣的特性，這些特性已成為用于以太網(wǎng)接入的交換機(jī)的必備特性。

· 智能反壓：一些交換機(jī)可以在端口上有選擇地實(shí)施反壓。例如，如果交換機(jī)在端口4檢測到了擁塞，而且知道所有緩存的分組全部來自端口3、6和7，那么它可以只在這些端口上實(shí)施反壓。

· 生成樹：通常在設(shè)備之間會要求有冗余線路。例如，一個工作組可以并行地連接到兩個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上。這可以產(chǎn)生兩個交換機(jī)都可以檢測出的一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，其中一條不被使用。如果工作的線路失效，為防止與用戶失去連接，另外一條線路會自動啟用。采用生成樹和冗余線路是非常復(fù)雜的專門課題。

· 支持10／100Mb/s雙速率：目前交換機(jī)的每個端口支持以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)。連接設(shè)備的速率通常是自動檢測。這類交換機(jī)可以從現(xiàn)有的以太網(wǎng)系統(tǒng)過渡到快速以太網(wǎng)。

· 模塊化端口：如前所述，運(yùn)行交換機(jī)有一個或多個模塊化端口，包含可以支持100Base-TX、100Base-T4或者100Base-T4PHY的插槽。

· 模塊化的上行線路：非常類似于模塊化端口，它們支持FDDI、ATM甚至快速以太網(wǎng)的上行線路模塊。

· 端口分網(wǎng)段：一些新型交換機(jī)允許端口的分組，從而看起來像一個交換機(jī)。例如，一個12個端口交換機(jī)可以被分成三個邏輯上的交換機(jī)，端口1—4、5—8和9—14組成三個交換機(jī)(經(jīng)常稱做虛擬局域網(wǎng))。廣域網(wǎng)在如何使它們的交換機(jī)支持端口的分段上非常富有創(chuàng)造性。

· 廣播速率限制：當(dāng)一個交換網(wǎng)絡(luò)變得很大時，廣播便成了一個問題?？梢詫粨Q機(jī)的每一端口設(shè)定一個最大廣播速率。例如，在通向另一交換機(jī)的全雙工端口上，將發(fā)送的廣播限制在一個固定的數(shù)量上。這樣，如果廣播端口的廣播速率超過了這個數(shù)量，那么這個端口的廣播包就被丟棄。需說明的是，不像丟棄分組那樣，丟棄少量廣播包一般不會對網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生影響，這是由以太網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)決定的。

· 千兆比特上行線路：1996年，IEEE開始了在吉比特以太網(wǎng)方面的工作。吉比特以太網(wǎng)比快速以太網(wǎng)還要快10倍。吉比特以太網(wǎng)上行接口現(xiàn)在已經(jīng)比較普遍。

·廣域網(wǎng)線路：正如模塊化的上行線路，一些廠商的交換機(jī)允許接入類似ISDN和幀中繼的線路，還經(jīng)常會有內(nèi)置的尋路由功能。對于一個遠(yuǎn)端辦公室，這是非常經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)閺V域網(wǎng)線路免去了一個單獨(dú)的廣域網(wǎng)接口。

總而言之，交換機(jī)不像快速以太網(wǎng)中繼器，它們是異常復(fù)雜的設(shè)備。大多數(shù)現(xiàn)代交換機(jī)運(yùn)行良好，并通過了最大業(yè)務(wù)量和最大吞吐量測試。

6.交換機(jī)與虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

交換技術(shù)的發(fā)展，允許區(qū)域分散的組織在邏輯上成為一個新的工作組，而且同一工作組的成員能夠改變其物理地址而不必重新配置節(jié)點(diǎn)，這就用到所謂的虛擬局域網(wǎng)技術(shù)(VLAN)。用交換機(jī)建立虛擬網(wǎng)就是使原來的一個大廣播區(qū)(交換機(jī)的所有端口)邏輯地分為若干個子廣播區(qū)，在子廣播區(qū)里的廣播封包只會在該廣播區(qū)內(nèi)傳送，其它的廣播區(qū)是收不到的。VLAN通過交換技術(shù)將通信量進(jìn)行有效分離，從而更好地利用帶寬，并可從邏輯的角度出發(fā)將實(shí)際的LAN基礎(chǔ)設(shè)施分割成多個子網(wǎng)，它允許各個局域網(wǎng)運(yùn)行不同的應(yīng)用協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1)虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

交換式以太網(wǎng)使用透明橋接(TransparentBridging)技術(shù)，該技術(shù)由IEEE802.1協(xié)議給出明確的定義。所謂透明，是針對主機(jī)而言的，主機(jī)不需要知道其它主機(jī)所在的位置，而交換機(jī)將負(fù)責(zé)把一個主機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀傳給另一個主機(jī)。

有很多用戶在局域網(wǎng)建設(shè)的初期人員較少，因此對網(wǎng)絡(luò)的要求也不高，而且為了節(jié)約成本，很多企業(yè)網(wǎng)都采用了通過路由器實(shí)現(xiàn)分段的簡單結(jié)構(gòu)，如圖6-3所示。在這樣的網(wǎng)絡(luò)下，每一個局域網(wǎng)上的廣播數(shù)據(jù)包都可以被該段上的所有設(shè)備收到，而無論這些設(shè)備是否需要。

企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，特別是多媒體在企業(yè)局域網(wǎng)中的應(yīng)用，使每個部門內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸量非常大。此外，由于公司發(fā)展中遺留下來的一些問題，使得一個部門的員工不能相對集中辦公。更重要的是，公司的財務(wù)部門需要越來越高的安全性，不能和其它的部門混用一個以太網(wǎng)段，以防止數(shù)據(jù)竊聽。這些新問題需要更靈活地配置局域網(wǎng)，因此就產(chǎn)生了虛擬局域網(wǎng)(VirtualLAN)技術(shù)。圖6-3簡單的網(wǎng)絡(luò)分段

VLAN概念的引入，使交換機(jī)承擔(dān)了網(wǎng)絡(luò)的分段工作，而不再使用路由器來完成。VLAN的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6-4所示。VLAN可控制廣播，安全性和靈活性高，并具有可擴(kuò)展性。圖6-4

VLAN的網(wǎng)絡(luò)分段通過使用VLAN，能夠把原來一個物理的局域網(wǎng)劃分成很多個邏輯意義上的子網(wǎng)，而不必考慮具體的物理位置，每一個VLAN都可以對應(yīng)于一個邏輯單位，如部門、車間和項(xiàng)目組等。由于在相同VLAN內(nèi)的主機(jī)間傳送的數(shù)據(jù)不會影響到其它VLAN上的主機(jī)，因此減少了數(shù)據(jù)交互的可能性，極大地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2)VLAN的端口聚合

VLAN端口聚合(Trunking)是一種封裝技術(shù)，它是一條點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路，鏈路的兩端可以都是交換機(jī)，也可以是交換機(jī)和路由器，還可以是主機(jī)和交換機(jī)或路由器。Trunk的主

要功能就是僅通過一條鏈路就可以連接多個VLAN，和圖6-4進(jìn)行比較，很明顯，在兩個交換機(jī)之間節(jié)省了兩條鏈路，如圖6-5所示。圖6-5一條鏈路連接多個VLAN示意圖

Trunk封裝可以有以下兩種方式：

①ISL(InterSwitchLink)：ISL是Cisco公司的專有封裝方式，因此僅在Cisco的設(shè)備上支持。ISL會在原來的幀

上再添加一個26字節(jié)的幀頭和4個字節(jié)的幀尾，幀頭中包含了VLAN的信息，幀尾中包含循環(huán)校驗(yàn)碼CRC，以保證新幀的數(shù)據(jù)完整性。ISL主要用在以太網(wǎng)上。

②IEEE802.1Q：這是一個有關(guān)Trunk封裝方式的標(biāo)準(zhǔn)，很多廠商的設(shè)備都支持這個標(biāo)準(zhǔn)。和ISL不同，IEEE802.1Q是在數(shù)據(jù)幀的中間位置加上4個字節(jié)的標(biāo)識，前2個字節(jié)是標(biāo)記協(xié)議標(biāo)識(TagProtocolIdentifier，TPID)，0x8100代表IEEE802.1Q，后2個字節(jié)為標(biāo)記控制信息(TagControlInformation，TCL)，其中就包含了VLAN的信息。 6.3用以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建全I(xiàn)P接入網(wǎng)

采用以太網(wǎng)技術(shù)為用戶提供寬帶接入，千兆到小區(qū)、百兆到大樓、十兆到家庭是普遍采用的一種模式，也可以是千兆到大樓、百兆到樓層、十兆入戶的方式。這種方案使用戶具有高速接入、平滑升級的能力，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商也可以降低施工建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的成本。方案的前提條件是光纖到小區(qū)或者光纖到大樓。國內(nèi)眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商按照這種實(shí)施方案建設(shè)

的寬帶IP接入網(wǎng)已經(jīng)覆蓋國內(nèi)許多城市，并繼續(xù)以驚人的速度蓬勃發(fā)展。6.3.1以太接入網(wǎng)需要解決的問題

以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在局域網(wǎng)的應(yīng)用中獲得了極大的成功，占據(jù)著主導(dǎo)地位，其設(shè)備價格也相當(dāng)?shù)土Ｒ虼?，使用以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建寬帶IP接入網(wǎng)對電信運(yùn)營商很有吸引力。但是這種局域網(wǎng)的技術(shù)能否應(yīng)用到接入網(wǎng)這樣一個公用網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中,還需要認(rèn)真研究。

寬帶IP接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)具備對設(shè)備進(jìn)行配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等管理功能。

IP接入網(wǎng)網(wǎng)管信息的傳輸應(yīng)具有獨(dú)立的通道，以保證其可靠性。將以太網(wǎng)技術(shù)用于IP接入時對網(wǎng)絡(luò)管理的要求比用于計算機(jī)互聯(lián)的以太網(wǎng)有更高的要求，具體表現(xiàn)在網(wǎng)管實(shí)時性、安全性、功能的完備性等方面。目前對以太網(wǎng)接入網(wǎng)的網(wǎng)管還沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，不利于技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，因此迫切需要制定一個相應(yīng)的管理功能規(guī)范，為以太網(wǎng)接入的發(fā)展鋪平道路。

由于接入網(wǎng)是一個公用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此其要求與局域網(wǎng)這樣一個私有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求會有很大的不同，主要反映在用戶管理、安全管理、業(yè)務(wù)管理和計費(fèi)管理上。所謂用戶管理,指的是用戶需要到接入網(wǎng)運(yùn)營商那里進(jìn)行開戶登記，并且在用戶進(jìn)行通信時對用戶進(jìn)行認(rèn)證、授權(quán)。對所有運(yùn)營商而言，掌握用戶信息是十分重要的，從而便于對用戶的管理，因此需要對每個用戶進(jìn)行開戶登記。而在用戶進(jìn)行通信時，要杜絕非法用戶接入到網(wǎng)絡(luò)中，占用網(wǎng)絡(luò)資源，影響合法用戶的使用，因此需要對用戶進(jìn)行合法性認(rèn)證，并根據(jù)用戶屬性使用戶享有其相應(yīng)的權(quán)力。所謂安全管理,指的是接入網(wǎng)需要保障用戶數(shù)據(jù)(單播地址的幀)的安全性，隔離攜帶用戶個人信息的廣播消息(如地址解析協(xié)議(ARP)、動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)消息等)，防止關(guān)鍵設(shè)備受到攻擊。對每個用戶而言，當(dāng)然不希望他的信息別人能夠接收到，因此要從物理上隔離用戶數(shù)據(jù)(單播地址的幀)，保證用戶的單播地址的幀只有該用戶可以接收到，不像在局域網(wǎng)中，因?yàn)槭枪蚕砜偩€方式，所以單播地址的幀總線上的所有用戶都可以接收到。另外，由于用戶終端是以普通的以太網(wǎng)卡與接入網(wǎng)連接，在通信中會發(fā)送一些廣播地址的幀(ARP、DHCP消息等)，而這些消息會攜帶用戶的個人信息(如用戶MAC(媒質(zhì)訪問控制)地址等)，如果不隔離這些廣播消息而讓其它用戶接收到，就容易發(fā)生MAC／IP地址仿冒，影響設(shè)備的正常運(yùn)行，中斷合法用戶的通信過程。在接入網(wǎng)這樣一個公用網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，保證其中設(shè)備的安全性是十分重要的，需要采取一定的措施，防止非法進(jìn)入其管理系統(tǒng)造成設(shè)備無法正常工作，以及某些惡意的消息影響用戶的正常通信。所謂業(yè)務(wù)管理，指的是接入網(wǎng)需要支持組播業(yè)務(wù)，需要為保證QoS提供一定的手段。由于組播業(yè)務(wù)是未來Internet上的重要業(yè)務(wù)，因此接入網(wǎng)應(yīng)能夠以組播方式支持這項(xiàng)業(yè)務(wù)，而不是以點(diǎn)到點(diǎn)的方式來傳送組播業(yè)務(wù)。另外為了保證業(yè)務(wù)的QoS，接入網(wǎng)需要提供一定的帶寬控制能力，例如保證用戶最低接入速率，限制用戶最高接入速率，從而支持對業(yè)務(wù)的QoS保證。

所謂計費(fèi)管理，指的是接入網(wǎng)需要提供有關(guān)計費(fèi)的信息，包括用戶的類別(是賬號用戶還是固定用戶)、用戶使用時長、用戶流量等數(shù)據(jù)，支持計費(fèi)系統(tǒng)對用戶的計費(fèi)管理。在把當(dāng)初以信息共享為目的的以太網(wǎng)技術(shù)用于多用戶環(huán)境的電信級接入時，還需妥善解決用戶信息隔離的問題，這是達(dá)到接入網(wǎng)可運(yùn)營的基本要求。具體可以通過采用物理隔離、VLAN等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，以保證用戶信息的安全?；诙丝趧澐諺LAN的方式可以在邏輯上實(shí)現(xiàn)用戶信息的隔離，但是VLAN功能首先會增加網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)擔(dān)，并且端口之間

物理信息通道依然存在，用VLAN實(shí)現(xiàn)信息隔離的安全性還有待驗(yàn)證。端口物理隔離使不同用戶端口之間無法直接通信，來自不同用戶端口的信息的交互必須通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)接，可以較好地解決用戶信息隔離的問題。電信級IP接入網(wǎng)有一定的QoS要求，目前的以太網(wǎng)接入設(shè)備遵照IEEE802.1p標(biāo)準(zhǔn)，可以基于端口、MAC地址、IP地址和應(yīng)用為業(yè)務(wù)設(shè)定優(yōu)先級，提供一定的QoS保證。以太網(wǎng)接入方式所提供的QoS與電路方式相比，尚有不足。如何在IP接入網(wǎng)中更好地提供QoS保證，還有待進(jìn)一步研究。在信息產(chǎn)業(yè)部制定的《基于以太網(wǎng)技術(shù)的寬帶接入網(wǎng)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，提出了基于以太網(wǎng)技術(shù)的寬帶接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及用戶側(cè)設(shè)備和局側(cè)設(shè)備應(yīng)該具有的功能，為解決上述部分問題提供了方案。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了“用戶側(cè)設(shè)備不同的UNI端口之間在物理層和MAC層是相互隔離的，即同一用戶側(cè)設(shè)備不同UNI端口之間的任何通信必須經(jīng)過局側(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)接”，解決了用戶信息隔離的問題；規(guī)定了半雙工和全雙工方式下的流控方式；用DHCP和PPPoE進(jìn)行IP地址的動態(tài)分配，以充分利用有限的IP地址資源；利用SNMP作為網(wǎng)絡(luò)管

理的協(xié)議，規(guī)定用獨(dú)立的網(wǎng)管通道傳遞網(wǎng)管信息，實(shí)現(xiàn)集中網(wǎng)管，但是還沒有相應(yīng)的網(wǎng)管功能的要求。6.3.2基于VLAN的以太網(wǎng)接入技術(shù)方案

以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到今天，特別是交換型以太網(wǎng)設(shè)備和全雙工以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得人們開始思考將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到公用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，主要的解