第4章 交换型以太网
本章首先介绍以太网从共享型到交换型的变迁,并介绍交换型以太网的特点和以太网交换器的工作 原理 。然后比较详细地介绍以太网交换器的结构、交换方式、分类和典型应用。
4.1 概述
1.共享型以太网：
（1）由网卡、集线器/中继器、媒体三部分组成。整个系统的带宽只有10Mbps，处在一个冲突域范围。
（2）假设某系统共有n=20个节点，那么每个节点的带宽则为：10Mbps/20=0.5Mbps。
（3）共享型以太网存在的问题是：
?受到CSMA/CD的约束，一个碰撞域的带宽是固定的；
?在一个碰撞域的系统中，每个节点的带宽为：系统带宽/n；（n为节点数）
?在一个碰撞域的系统中，可以是一个工作组，也可是多个工作组；
?在多个工作组的碰撞域中，每个工作组的数据流广播到系统中所有的站， 安全 性不
好。
?覆盖范围受到限制。
2.交换型以太网：
可解决共享型以太网的不足。
4.2 交换型以太网系统的特点
4.2.1 系统的特点
交换型以太网系统中的交换型集线器，也称以太网交换器，以其为核心连接站点或者网段。
交换型以太网系统的优点
（1）每个端口可以连接网段，也可连接站点。每个端口独享10Mbps的带宽；
（2）系统的最大带宽可达到端口带宽的n倍；
（3）交换器连接了多个网段，网段上运作都是独立的，被隔离的。但如果需要的话，独立网段之
间通过其端口也可建立暂时的数据通道。
（4）被交换器隔离的独立网段上数据信息流不会随意广播到其它端口上去。
4.2.2 以太网交换器工作的逻辑机理
特点：
（1）交换器上可同时多个数据通道并存；
（2）端口间既隔离又连接；
（3）上图中共有30个数据通道，如果采用双工的方式，同时最多可通15个数据通道；
（4）从上图可看到，各端口信息流是被隔离的，如果要连通，必须进行控制，方可交互。
4.3 以太网交换器的结构
共有四种不同的结构：
1.软件执行交换结构
2.矩阵交换结构
3.总线交换结构
4.共享存储器交换结构
4.3.1 软件执行交换结构
4.3.2 矩阵交换结构
特点
（1）地址表：地址——输入/输出端口
（2）利用硬件交换，结构紧凑，交换速度快，时延小；
（3）不易于简单堆叠和集成。
（4）使用广泛，如：ATM。
注意：
（1）当输入端口与输出端口相等时，不会发生阻塞；
（2）当输入端口多于输出端口时，就会发生阻塞；
（3）为避免帧的丢失，必须增加缓冲区。
4.3.3 总线交换结构
总线交换结构的优点：
1.便于叠堆扩展；
2.容易监控和 管理
3.容易实现帧的广播；
4.容易实现多个输入对一个输出，即客户机—服务器的方式。
4.3.4 共享存储器交换结构
特点：
（1）使用大量的高速RAM来输入数据；
（2）输入输出会产生时延；
（3）交换器结构简单；
（4）冗余结构比较复杂；
（5）适合小型交换器。
4.4 以太网交换器的交换方式
4.4.1 静态交换与动态交换
1.静态交换
端口间的通道连接是事先人工预定的。端口间并没有实现网段的隔离。被称为“端口交换机”。
2.动态交换
（1）是基于网桥工作机理的交换方式，根据透明网桥工作机理，动态交换端口间通道的形成是基于MAC地址的*作，根据输入端口上帧的目的地址来查看交换器中自学习生成的端口——地址表后，就能决定端口间的连接，形成帧传送通道。
（2）一次连接只能传送一帧。
（3）动态交换方式又分为存储转发和穿通两种方式。
4.4.2 存储转发交换方式
特点：
（1）交换时间长。每一帧必须全部接收完成后，才 检查 地址，再送出去；还需要串/并转换。
（2）可靠性高。输入、输出都要进行差错检验。
4.4.3 穿通交换方式
特点：
（1）当输入端收到帧的开始6个字节后，交换器根据目的地址查端口——地址表，获得输出端地址后，就把整个帧导向输出端口；缩短了时延。
（2）可靠性不高；
（3）适用于链路可靠性高的环境中。
（4）穿通交换方式/存储转发共用，先采用穿通交换方式，若链路可靠性差，则自动转到存储转发方式。得到最大的交换器的效率。
4.5 以太网交换器的分类
1.分类：
（1）单台（不可堆叠）
（2）可堆叠集成
（3）厢体模块
2．各类的使用
（1）单台（不可堆叠）
只能单台使用
（2）可堆叠交换器
可单台使用多台堆叠使用时，必须在外部附加一个集成装置。
（3）厢体模块
三个优点
?维修方便。每一个模块可以热插拔。
?高可靠性。 电源备份； 可采用无源母板；有备用交换引擎。
?系统集成和配置灵活。
4.6 以太网交换器的典型应用
1.以太网应用的分类
（1）群组
（2）部门
（3）主干
群组部门主干
架构单台可叠堆集成厢体模块式
典型端口数8、12、2412-24，可成倍扩展12/模块，可成倍扩展
端口传输率10/100Mbps10/100Mbps，1Gbps100Mbps，1Gbps
高速端口1~2个 100Mbps1Gbps，ATM接服务器或干线1Gbps，ATM
支持其它 网络 FDDI，ATM
支持L3路由可能支持可能支持
典型背板带宽100~200Mbps4Gbps10Gbps以上
典型组网群组桌面联网小型楼宇或园区系统干线大中型楼宇或园区系统
干线
2.各种典型应用
（1）群组
一般集中在一个办公室，也可能在一个楼层，数据在一个小范围交互。
在这类交换机中，必须设置高速端口（如100Mbps），客户机独享10Mbps或者共享集线器的10Mbps，也可在交换机和站点之间在配置一种称为“端口交换机”的设备，“端口交换机”的设备采用静态交换方式，可人工灵活组合站点共享端口的10Mbps带宽。
（2）部门
对于小型楼宇或者小型园区的应用环境来说，除配置面向连接客户站群组交换器外，还需配置组成系统干线的交换器。部门以太网交换器另一个特点是可堆叠以扩展交换器的端口和带宽。
（3）主干交换器
在中、大型楼宇或园区应用环境中，一般配置功能很强、性能很好的主干交换器。主干交换器具
有厢式体架构。其模块上端口传输率通常为100Mbps或1000Mbps。
有的厢体除支持以太网外，还可插入FDDI模块，甚至还可插入ATM模块，因此交换器背板带宽可达10Gbps。
4.7 全双工以太网
4.7.1 全双工以太网技术的重要性
（1）虽然交换其本身工作已不受CSMA/CD的约束，但站点到交换器或交换器之间如果还采用半双工以太网传输的话，那么网段还是受到CSMA/CD的约束，使网段的媒体长度受到限制，尤其是在高速率情况下。
（2）鉴于以上情况，采用了全双工以太网技术。
4.7.2 全双工以太网技术特点
（1）全双工端口上采用两根传输线，收发分开；
（2）全双工以太网不受冲突域的限制，只于媒体衰耗有关；
（3）全双工以太网的传输带宽可提高一倍；
（4）在10Mbps端口传输率情况下，只有10BASET及10BASEFL支持全双工以太网；
（5）在100Mbps快速以太网情况下，除100BASET4外，其他都支持全双工以太网。
4.7.3 全双工以太网的组网应用
第5章 环 网
目前常用的环网包括令牌环网和光纤分布式数据接口两种。
5.1 概述
1.以太网(10BASE5、10BASE2)的不足：
（1）不适应重负荷应用环境；
（2）无实时性能和优先权机制；
（3）在拓扑结构为公共总线的以太网上，媒体使用光纤比较困难；
（4）共享型以太网的覆盖范围受限于冲突域，无法进一步拓展。
2.环网的优点：
（1）适应重负荷应用环境；
（2）具有实时性能和优先权机制；
（3）环网的媒体可以使用光纤；
（4）覆盖范围较大，可达数十公里。
5.2 令牌环网媒体访问技术
5.2.1 令牌环*作
（1）令牌环技术的基础是使用了一个称之为令牌的特定比特串，当环上所有的站都处于空闲时，令牌沿着环旋转。
（2）当某站想发送帧时，必须等待直至收到空令牌才可发送。
（3）在轻负荷时，效率较低；
（4）在重负荷时，既公平又有效，各站按顺序发送。
5.2.2 MAC帧
1.帧格式
SD帧首定界符（1个8位位组）AC访问控制（1个8位位组）FC帧控制（1个8位位
组）DA目的地址2~6个8位位组）SA源地址2~6个8位位组）INFO 信息0或多个8位位组）FCS 帧检验序列 (4个8位位组）ED帧尾定界符（1个8位位组）FS帧状态（1个8位位组）帧首序列 I FCS作用范围 I 帧尾序列
2.令牌格式
SDACED
3.帧首定界符（SD）
JK0JK000
J—非数据，与发送的“0”、“1”不同的编码，
K—非数据，与发送的“0”、“1”不同的编码，
4.访问控制（AC）
PPPTMRRR
PPP—优先级比特，共有8级优先级。当某站发送优先级为n的帧时，它必须等待，直到截获了优先级比n小或者等于n的空令牌，这九保证了高优先级的帧有更多的机会发送帧。为了避免各站将优先级抬高，在将令牌提升的站，发送完数据后，必须将令牌减下来。
T—令牌比特：令牌时，T=0；传输帧时，T=1。
M—监控比特：令牌环的维护是一种集中式管理，由一个监控站来管理，用于防止持久的数据帧或令牌帧，从令牌到帧时，M比特的数字转换。
在源站发出某帧时，，M=0，当一个帧第一次经过监控站时，M被置为1，当M=1的帧再次经过监控站时，该帧即被清除。
保证环路的最小时延，令牌的长度为24字节，这就要求环路至少应能容纳24比特，如长度不够，
监控站就插入延时比特。
为了保证令牌的不丢失，每个监控站都设有一计时器，它设置为最长令牌持有时间，当在此时间内没有收到令牌时，即判定令牌丢失，这时监控站收回环路上的数据（若有），并发出一个新令牌。
RRR—预留比特
5.帧控制（FC）
FFZZZZZZ
FF=01 LLC数据帧
FF=00 MAC控制帧
当FF=00 时，ZZZZZZ 指出的是MAC帧的类型
6.帧尾定界符（ED）
JK1 JK1IE
J—非数据
K—非数据
I—中间帧比特（I=1，后面还有帧；I=0，后面没有帧了）
E—差错检验比特，检测出错，将E置位。
7.帧状态（FS）
ACrrACrr
A—地址识别比特，识别出地址，将A置位，否则，将A不置位；
C—帧已复制比特，帧已复制，将C置位，否则，将C不置位；
r—预留比特，一般置为“0”。
由于帧状态在FCS之外，因此重复一次，进行检错。
8.地址字段（MAC）
（1）源地址字段中的第一个比特总是为“0”。
目的地址中的第一个比特置成“0”，表示一个单地址；
目的地址中的第一个比特置成“1”，表示一个组地址；
全“1”的组地址是对环上所有工作的站的广播地址。
（2）对于48比特的地址字段，将其源和目的地址字段中的第2个比特置为“0”，表示是一全局管
理地址；
置为“1”，表示局部管理地址；
16比特地址：
15bit
I/G
16比特局部管理格式：
7bit环编号8bit站编号
I/G
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