計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第14講

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第十四講）主講：李勇二零一五年十月計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義2上次課主要內(nèi)容以太網(wǎng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)CSMA/cd協(xié)議爭(zhēng)用期截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法傳統(tǒng)以太網(wǎng)的信道利用率傳統(tǒng)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口以太網(wǎng)的MAC層以太網(wǎng)的幀格式以太網(wǎng)的硬件地址擴(kuò)展的局域網(wǎng)物理層擴(kuò)展4.7.4擴(kuò)展的局域網(wǎng)3在物理層擴(kuò)展局域網(wǎng)1、利用中繼器；2、集線器是一個(gè)多口的中繼器；3、利用集線器的堆疊和級(jí)聯(lián)在物理層擴(kuò)展局域網(wǎng)；4、在物理層擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，廣播域和碰撞域都不發(fā)生改變，網(wǎng)絡(luò)的性能受到極大的影響；5、要改善網(wǎng)絡(luò)的性能，需要盡量減少碰撞的可能。減小碰撞域減小廣播域6、如何減小碰撞域和廣播域呢？1、減小碰撞域的分析1.通過(guò)減小碰撞域可以大大減少碰撞的概率；2.減少了碰撞的概率，提高了性能；3.對(duì)于廣播幀來(lái)講，即使減小了碰撞域，也不能減少碰撞的概率。1112132122

233132廣播域碰撞域31112132122

233132廣播域1-

p(1-p)8-141-

p(1-p)3-1碰撞域2碰撞域11-

p(1-p)3-12、物理分段5將上述過(guò)程，稱為物理分段1、每個(gè)碰撞域?yàn)橐粋€(gè)物理網(wǎng)段；2、物理分段在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)。如何實(shí)現(xiàn)物理分段1、物理分段后，需要一個(gè)工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備將各個(gè)物理分段連接起來(lái)；2、該設(shè)備需要具有如下功能。該設(shè)備連接兩個(gè)物理網(wǎng)段；該設(shè)備能接收來(lái)自兩個(gè)物理網(wǎng)段的任何數(shù)據(jù)幀；對(duì)于廣播幀，該設(shè)備象集線器一樣工作；對(duì)于非廣播幀，該設(shè)備首先獲得數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址，然后根據(jù)該設(shè)備內(nèi)部存放的MAC地址和物理網(wǎng)段對(duì)照表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。3、物理分段示例1112132122

23廣播域工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備碰撞域2碰撞域MAC地址碰撞域111碰撞域113碰撞域112碰撞域221碰撞域222碰撞域2232113DATAFCB6碰撞域1具有MAC地址為13的工作站向具有MAC地址21的工作站發(fā)送數(shù)據(jù)幀4、物理分段后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖物理分段后的以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖75、網(wǎng)橋8該設(shè)備稱為網(wǎng)橋1、網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，用來(lái)連接不同的碰撞域；2、通過(guò)將一個(gè)大的碰撞域劃分成小的碰撞域，減少碰撞的概率；3、利用網(wǎng)橋不能劃分廣播域，網(wǎng)橋?qū)Υ龔V播幀和集線器一樣處理；4、網(wǎng)橋內(nèi)部存放一個(gè)MAC地址與物理網(wǎng)段的對(duì)照表，網(wǎng)橋通過(guò)對(duì)收到數(shù)據(jù)幀中包含的目的MAC地址處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)；5、網(wǎng)橋具有過(guò)濾功能，當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)非廣播數(shù)據(jù)幀后，并不是向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)，而是根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，正是利用此功能實(shí)現(xiàn)了碰撞域的劃分；6、利用網(wǎng)橋可以改善網(wǎng)絡(luò)的性能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展；7、網(wǎng)橋通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而構(gòu)造MAC地址與物理網(wǎng)段的對(duì)照表。5-1、網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理站地址端口MAC11MAC22…………MACnn緩存端口1

端口2網(wǎng)橋協(xié)議實(shí)體端口管理軟件端口n…站表網(wǎng)橋95-2、網(wǎng)橋的優(yōu)點(diǎn)10細(xì)劃碰撞域，過(guò)濾通信量，減少碰撞。擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。提高了可靠性?？苫ミB不同物理層，不同速率的網(wǎng)段。5-3、網(wǎng)橋的缺點(diǎn)11增加了時(shí)延。沒(méi)有流量控制功能，緩存可能發(fā)生溢出。由于只細(xì)劃了碰撞域，而廣播域還是一個(gè)，因此可能會(huì)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴。6-1、透明網(wǎng)橋12目前使用最多的是基于透明網(wǎng)橋原理的設(shè)備。所謂的“透明”的含義。1、站點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)幀不知道要經(jīng)過(guò)哪些網(wǎng)橋；2、網(wǎng)橋?qū)Ω鱾€(gè)網(wǎng)段來(lái)講是沒(méi)有影響的，也就是所謂的“看不見(jiàn)”；3、透明橋是一種既插既用的設(shè)備；4、透明橋?qū)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)幀不做任何的修改；5、透明橋的工作過(guò)程。通過(guò)數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址進(jìn)行學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括:源站地址、端口和時(shí)間；定時(shí)更新站表；利用站表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀；表中如無(wú)有匹配表項(xiàng)，就進(jìn)行廣播。6-2、透明網(wǎng)橋的任務(wù)131.網(wǎng)橋不能修改它所轉(zhuǎn)發(fā)的幀；2.網(wǎng)橋通過(guò)在端口上偵聽(tīng)數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址來(lái)建立端口、

MAC地址映射表；3.網(wǎng)橋必須將它所接收到的廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)到除接收端口之外的所有端口；4.如果一個(gè)數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是未知的，則網(wǎng)橋?qū)⒃摂?shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到除接收該幀端口之外的所有端口；5.當(dāng)網(wǎng)橋接收到的數(shù)據(jù)幀的目的地址位于接收端口所連的網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)橋拋棄該幀，否則，轉(zhuǎn)發(fā)該幀。在沒(méi)有環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中，透明網(wǎng)橋可以工作得非常好，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路時(shí)，由于透明網(wǎng)橋不能像路由器那樣知道數(shù)據(jù)幀可以經(jīng)過(guò)多少次轉(zhuǎn)發(fā)，就會(huì)造成報(bào)文在環(huán)路內(nèi)不斷循環(huán)、增生，造成廣播風(fēng)暴。6-3、透明網(wǎng)橋中的廣播風(fēng)暴當(dāng)網(wǎng)橋A發(fā)出一個(gè)廣播幀時(shí)，該廣播幀將被轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)橋B、網(wǎng)橋C。而網(wǎng)橋B、網(wǎng)橋C將通過(guò)環(huán)形拓?fù)鋵⒃搹V播幀再次轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)橋A。如此下去廣播幀將在具有冗余的環(huán)形拓?fù)渲胁粩噢D(zhuǎn)發(fā)下去，形成廣播風(fēng)暴。由于該廣播幀形成的廣播風(fēng)暴占據(jù)鏈路的帶寬，將導(dǎo)致正常的數(shù)據(jù)幀不能被轉(zhuǎn)發(fā)，從而使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用。廣播幀A廣播幀B廣播幀C廣播幀A1廣播幀A2146-4、透明網(wǎng)橋中的生成樹協(xié)議利用生成樹協(xié)議避免廣播風(fēng)暴。利用生成樹協(xié)議可以提供冗余鏈路，提高可靠性。圖115圖2圖37、其他網(wǎng)橋16源路由網(wǎng)橋---令牌環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)。多端口網(wǎng)橋—交換機(jī)。1、又稱交換式集線器；2、能對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施物理分段；3、能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；4、能改善網(wǎng)絡(luò)的性能；5、在交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)了眾多的局域網(wǎng)技術(shù)，用于改善網(wǎng)絡(luò)的性能可提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。8、以太網(wǎng)交換機(jī)分類及二層交換機(jī)17以太網(wǎng)交換機(jī)分為：二層交換機(jī)、三層交換機(jī)和四層交換機(jī)。二層交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，是多端口網(wǎng)橋。1、交換機(jī)內(nèi)部具有輸入/輸出緩存；2、具有端口/MAC地址映射表-CAM表；3、實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)橋的所有功能。8-1、交換機(jī)組網(wǎng)拓?fù)涫疽鈭D物理拓?fù)涫切切瓦壿嬐負(fù)湟彩切切?88-2、以太網(wǎng)二層交換機(jī)交換方式191.第二層以太網(wǎng)交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層；

2.以太網(wǎng)交換機(jī)具有流控制和差錯(cuò)控制功能；3.以太網(wǎng)交換機(jī)對(duì)輸入的信號(hào)采取兩種方法進(jìn)行交換，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式和直通模式。8-3、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式所謂的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式是將整個(gè)數(shù)據(jù)幀讀入交換機(jī)的高速緩存，進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)幀是不完整的數(shù)據(jù)幀則將該數(shù)據(jù)幀拋棄，否則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率；但由于要進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的拆開和重組，需要時(shí)間和資源，因此，這種方式將減低交換機(jī)的性能。緩存結(jié)果查詢高速緩沖

存儲(chǔ)器交換控制器端口地址

映射表以太網(wǎng)

端口檢查20存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式工作示意圖218-4、直通方式所謂的直通方式是將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含目標(biāo)地址的前64

（或16）字節(jié)讀入交換機(jī)的高速緩存，解析出目標(biāo)MAC地址后進(jìn)行交換這種方法速度快；但容易將不完整的或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀交換出去。由于沒(méi)有讀取完整的數(shù)據(jù)幀，位于幀尾部的FCS不能被讀出，不能進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)；不能進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)的結(jié)果是可能將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)出去；對(duì)于某些只接受前16字節(jié)的交換機(jī)，由于不能判斷是否發(fā)生碰撞，可能會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)不完整的數(shù)據(jù)幀。查詢結(jié)果交換

控制器端口地址

映射表以太網(wǎng)

端口檢查緩存直通模式工作示意圖8-5、兩種不同轉(zhuǎn)發(fā)方式的比較22兩種不同轉(zhuǎn)發(fā)方式的比較1、直通式方式速度快、延時(shí)小，但可靠性差，容易擴(kuò)散錯(cuò)誤，使交換機(jī)效率減低，適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量較高的應(yīng)用場(chǎng)合。沒(méi)有外來(lái)干擾的機(jī)房、辦公室光纖網(wǎng)絡(luò)2、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式可以將錯(cuò)誤過(guò)濾掉，提高了交換機(jī)的交換效率和可靠性，但延時(shí)較大，速度較低，適用與網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量較差的應(yīng)用場(chǎng)合。工廠的生產(chǎn)車間開放的環(huán)境在某些廠家的交換機(jī)中還有介于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式和直通式在產(chǎn)品，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)線路的質(zhì)量設(shè)置交換機(jī)的交換方式。8-6、以太網(wǎng)二層交換機(jī)交換通道實(shí)現(xiàn)的方式在以太網(wǎng)二層交換機(jī)中存在著多條并行的數(shù)據(jù)交換通道。RAM串并轉(zhuǎn)換串并轉(zhuǎn)換輸入輸出CPU軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)1、多條數(shù)據(jù)交換通道的實(shí)現(xiàn)方式軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)；交換矩陣；共享的高速緩存；高速背板總線分時(shí)復(fù)用。輸入輸出交換矩陣交換總線輸入輸出高速背板總線共享高速緩存……23輸入輸出共享高速緩存8-7、多交換通道支持多個(gè)工作站同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換2、多條數(shù)據(jù)交換通道可使多個(gè)工作站同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。不必在共享同一個(gè)媒體，是全雙工傳輸?shù)幕A(chǔ)；與集線器相比，傳輸效率有質(zhì)的提高；（3）CSMA/CD協(xié)議失效。以太網(wǎng)交換模塊以太網(wǎng)交換模塊交換引擎模塊備用電源模塊電源主模塊母板插槽248-8、以太網(wǎng)二層交換機(jī)的容量25如果交換機(jī)每個(gè)端口的速率是C，具有N個(gè)端口，則交換機(jī)的容量為C

x

N。交換機(jī)的每個(gè)端口是一個(gè)獨(dú)立的碰撞域。1、利用交換機(jī)將原來(lái)的碰撞域細(xì)劃；2、當(dāng)交換機(jī)的每個(gè)端口只連接一個(gè)工作站時(shí)，對(duì)于非廣播幀將不會(huì)出現(xiàn)碰撞，性能最佳；3、交換機(jī)的端口也可連接一個(gè)集線器，這時(shí)，連接到集線器上的所有工作站構(gòu)成一個(gè)碰撞域。8-9、以太網(wǎng)二層交換機(jī)全雙工模式261、采用雙絞線的星型網(wǎng)絡(luò)使得以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)從共享型轉(zhuǎn)入了專用型，并且采用交換式集線器或交換機(jī)，從而引入了一種高效的運(yùn)行模式——全雙工模式。所謂全雙工，就是數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以同時(shí)進(jìn)行，互不干擾。2、每一個(gè)連接到交換機(jī)端口上的LAN均與端口上的以太網(wǎng)接口相連，而傳統(tǒng)的以太網(wǎng)接口則要按CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，即包括載波監(jiān)聽(tīng)、沖突檢測(cè)和退避等機(jī)制，這是半雙工操作的機(jī)制。要實(shí)現(xiàn)全雙工操作必須屏蔽掉上述過(guò)程，使發(fā)送和接收能同時(shí)進(jìn)行。3、全雙工操作排除了半雙工以太網(wǎng)中鏈路長(zhǎng)度的限制。因?yàn)槿p工操作不使用CSMA/CD，因此距離限制不再起作用，全雙工以太網(wǎng)的鏈路長(zhǎng)度僅受介質(zhì)的物理傳輸特性限制。4、全雙工操作可以增加鏈路容量。8-10、以太網(wǎng)二層交換機(jī)自動(dòng)協(xié)商271、在實(shí)際應(yīng)用中，以太網(wǎng)的運(yùn)行有許多種組合，比如雙工模式可以選擇全雙工和半雙工，速率可以選擇10Mbps或100Mbps

，物理介質(zhì)可以選擇五類雙絞線和三類雙絞線等等。這樣如果對(duì)每個(gè)終端設(shè)備都進(jìn)行手工配置，必然是一項(xiàng)繁雜而且不可維護(hù)的工作。為了應(yīng)付這樣多種多樣的運(yùn)行模式，自動(dòng)協(xié)商應(yīng)運(yùn)而生。2、自動(dòng)協(xié)商的主要功能就是使物理鏈路兩端的設(shè)備自動(dòng)通過(guò)交互信息，自動(dòng)選擇一種運(yùn)行模式來(lái)運(yùn)行。它只對(duì)雙絞線以太網(wǎng)有效。自動(dòng)協(xié)商的內(nèi)容主要包括雙工模式，運(yùn)行速率，流量控制等內(nèi)容，一旦協(xié)商通過(guò)，鏈路兩端的設(shè)備就鎖定在這樣一種運(yùn)行模式下，直到重新引導(dǎo)設(shè)備或重新插拔電纜。4.7.5

虛擬局域網(wǎng)28第二層交換機(jī)是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備，因此，它只能減小碰撞域，而不能減小廣播域。1、對(duì)于目的地址不明確的幀，仍采用廣播形式；2、而廣播幀則必須采用廣播的形式；3、這些廣播導(dǎo)致了巨大的碰撞可能，極大的影響網(wǎng)絡(luò)的性能；4、要從根本上改變這種情況，在數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)能為力；5、解決的辦法是減小廣播域，這必須有網(wǎng)絡(luò)層參與。在細(xì)劃了碰撞域（物理分段）之后，影響網(wǎng)絡(luò)性能的將主要是以廣播形式傳播的廣播幀。1、廣播幀突破了碰撞域，在廣播域內(nèi)是封閉的；2、要解決這個(gè)性能問(wèn)題，必須減小廣播幀；3、減小廣播幀是否會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)的正常工作呢？1、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流量從應(yīng)用的角度大體分為兩種：1、在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的范圍內(nèi)傳播的本地流量2、在各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的范圍之間的數(shù)據(jù)流量這與組織的各組成部門之間的關(guān)系恰好相吻合。一個(gè)部門的本地?cái)?shù)據(jù)流量沒(méi)有必要，也不應(yīng)該傳播到其他的部門。只有部門之間的數(shù)據(jù)流量才在各個(gè)部門之間流動(dòng)。292、利用虛擬局域網(wǎng)細(xì)化廣播域30上述的討論給了細(xì)劃廣播域的可能。做如下設(shè)想:1、將各個(gè)部門劃分為不同的廣播域，則原來(lái)的局域網(wǎng)的一個(gè)廣播域被劃分成多個(gè)小的廣播域；2、本地?cái)?shù)據(jù)流量被限制在劃分后的廣播域內(nèi)，性能會(huì)大大的改善；3、那么，各個(gè)廣播域之間如何通訊呢？由于是廣播域之間的通訊，數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)能為力；各個(gè)廣播域事實(shí)上是一個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)；局域網(wǎng)之間的通訊需要網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備---路由器；利用路由設(shè)備在各個(gè)廣播域之間進(jìn)行通訊，將數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的功能融合在一起，產(chǎn)生了第三層交換機(jī)。事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)上述功能的技術(shù)就是虛擬局域網(wǎng)。細(xì)劃廣播域又稱為邏輯分組。3、虛擬局域網(wǎng)劃分原則虛擬局域網(wǎng)是由一些局域網(wǎng)物理網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無(wú)關(guān)的邏輯組，而這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。1、相同的部門；2、相同的業(yè)務(wù)。虛擬局域網(wǎng)與物理位置無(wú)關(guān)是指1、可以跨越不同的物理范圍劃分虛擬局域網(wǎng)；2、虛擬局域網(wǎng)在物理上是“透明”的，所謂的“虛擬”也正是此含義。CISCOSYSTEMSCISCOSYSTEMS314、虛擬局域網(wǎng)劃分方法32虛擬局域網(wǎng)劃分分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種也可以以端口、MAC地址和IP地址來(lái)劃分5、虛擬局域網(wǎng)作用33細(xì)劃了廣播域，減少了碰撞，提高了性能。1、徹底解決了廣播幀的問(wèn)題；2、隔離了廣播幀，避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生，從根本上解決了由廣播幀帶來(lái)的性能問(wèn)題；3、提供了一種新的局域網(wǎng)應(yīng)用組合的方法。改善了安全性。1、限制了本地流量；2、傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)成為了不可能；3、可以在不同虛擬局域網(wǎng)之間架設(shè)身份驗(yàn)證和流量控制。6、擴(kuò)充局域網(wǎng)小結(jié)34可以采用物理分段和邏輯分段的方式改善網(wǎng)絡(luò)性能。1、物理分段減小碰撞域，不改變廣播域，在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)，采用的設(shè)備是二層交換機(jī)，物理分段減少碰撞，不能消除廣播幀帶來(lái)的碰撞；2、邏輯分段減小了廣播域，在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層是，采用的設(shè)備是三層交換機(jī)，邏輯分段徹底消除了廣播幀帶來(lái)的碰撞。4.7.6

高速以太網(wǎng)35100BASE-T1Gbps快速以太網(wǎng)10Gbps和100Gbps以太網(wǎng)100BASE-T36MAC子層100BASETxUTP/STP5類（2對(duì)）100BASEFxMMFSMF100BASET4UTP3類（4對(duì)）100BASET2