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5.4 交换式局域网

5.4.1 局域网的分段与交换式局域网
1.网段微化
在开始介绍共享介质网络时,读者大多都会担心,要是各个站点同时发送信
息,岂不乱套了吗?学习了共享介质系统中多点发送的控制方法,这种担心似乎
就小多了。不过,还是不可掉以轻心。实际上,由于多个节点共享同一介质,整
个系统处于一个碰撞域范围内,对于有N个节点的网络,每个站点发送的概率
只有1/N,或者说每个站点平均只占有系统带宽的1/N。随着站点的增加,碰撞
的几率也会增加,监听/检测—退避—监听/检测—退避……又不断出现碰撞,网
· 9 1 1 · 第5章 IEEE802模型与局域网
络的效率大大降低,用户由于等待时间过长而难以忍耐。再加上退让时间,有可
能使网络无法运行。解决这一问题的最初努力就是将网络分割成一些网段,使
网络中的一部分站点能够并行地发送数据。
把一个网络分割成子网的设备称为网桥(Bridge),也称桥接器。从另一个角
度来讲,使用网桥可以将多个局域网连接起来,实现距离的扩展。网桥的主要用
途有:
�用于同构型(第3~7层完全相同)LAN间的连接;
�扩展工作站的平均占有频带;
�扩展LAN的地址范围;
�进行网段微化,将局域网分段成几个子网,以提高信息流量和网络性能。
网桥可安装在文件服务器上,称为内桥;也可以安装在工作站上,称为外桥。
图5.14为用网桥连接局域网和远程网的示意图,连接两个远程网时,每端各需
要一个网桥。
图5.14 用网桥连接局域网和远程网
2.网桥的工作原理
简单的网桥有两个端口,复杂的网桥可以有多个端口。下面以图5.15所示
的两端口网桥为例来介绍网桥的基本原理。
两端口网桥连接两个网段。由于每段都分别是一种广播传送方式,系统工
作时,网桥的每个端口都会接收到所连接的网段上传送的各种帧。每收到一个
帧,将其先存放在网段的缓冲区中。如校验无差错,且该帧是要发送到别的网段
的帧,则通过查找站表,将收到的帧发送到对应的端口,进入相应的网段中。若
不是发往别的网段的帧,就将之丢弃,使之不发往别的网段,不增加别的网段的
负担。网桥工作的特点是,收到MAC帧后,不剥离MAC域,只是完整地把帧中
继到目的站点所在的网段中。
网桥是通过内部的端口管理软件和网桥协议实体来工作的。
· 0 2 1 · 第2篇 计算机网络体系结构
图5.15 网桥的基本原理
3.交换式以太网
网段微化减少了站点对总线的竞争,但在较大型的网络中,过多地分割会使
得整个网络的结构和管理变得十分复杂,并使成本随之增加。交换式网络则从
根本上改变了共享介质工作方式,它可以通过交换机在多端口之间实现多个并
发连接,实现多个节点间的并发通信,以增加带宽,改善网络性能和服务质量。
图5.16示出了一个交换式以太网结构。
图5.16 交换式以太网结构
· 1 2 1 · 第5章 IEEE802模型与局域网
5.4.2 交换式局域网工作原理
1.交换设备的基本操作
交换技术是相对于共享技术而言的。共享技术是指多个计算机或设备共享
一个传输介质。连接在Hub中的一个节点发送数据时,将以广播方式将数据传
送到Hub的每一个端口。这样,当有多个设备同时发送数据时,就会产生碰撞。
交换式局域网从根本上改变了“共享介质”的工作方式,它是“有目的地”转发数
据,通过交换机端口之间的数据交换,形成多个并发连接,从一个端口进入的数
据被送到相应的目的端口,不影响其他端口,因而不会发生碰撞。
交换式网络的核心部件是交换机。目前的局域网交换机主要是针对
Ethernet设计的。一个交换机能将网络分成几个较小的碰撞域(如以太网)或较
小的环(如环网),给每个站提供专用的信息通道,分配更多的带宽。大多数交换
机具有将低速网络连接到高速网络的能力。
在第3章中已经介绍过,交换就是将数据从一条链路转发到另一条链路。
局域网交换技术是OSI参考模型第2层———数据链路层上的交换技术,它所交
换的对象是帧,也就是转发帧。
在图5.17所示的交换式局域网中,交换机共有6个端口,其中的4个端口
1、4、5、6连接有节点A、B、C、D。交换机中的“端口号-MAC地址映射表”可以建
立端口号与节点的MAC地址间的对应关系。端口之间可以根据需要同时建立
多条连接。当有两个节点要同时发送数据(如节点A要向节点C、节点D要向节
点B发送数据)时,只要分别在帧中写上目标地址,交换机根据“端口号-MAC
地址映射表”就可以实现同时转发。
由上面的讨论可知,一个交换式局域网的交换设备———交换机必须保证两
项基本的操作:
�交换数据帧;
�维护交换地址表。
2.交换模式
交换机是构成整个交换网络的关键设备。交换机所使用的技术影响着交换
网络的性能。根据具体采用的交换技术不同,交换机可分为不同的类型。目前
常用3种交换模式:存储转发(StoreandForward)、直通(CutThrough)和无碎片直
通(FragmentFreeCutThrough)。
(1)直通模式
直通方式也叫快速转发(Fast-Forward)模式,这种交换机接收到数据帧时,
· 2 2 1 · 第2篇 计算机网络体系结构
图5.17 一个交换式局域网的工作过程
找到了的目的地址便立即将帧转发出去,不做差错和过滤处理。
(2)无碎片模式
“碎片”是指在信息发送过程中突然发生冲突时,由于双方立即停止发送数据
帧在网上形成的残缺不全的帧。碎片是无用的信息垃圾,必须将它们清除。无碎
片直通模式首先存储接收到的数据帧的部分字节(前64个字节),然后进行差错检
验,发现有错,立即滤除,并要求发方重发该帧;如未发现错,则立即转发出去。
(3)存储转发模式
存储转发模式是指交换机接收到数据帧后,先存储在一个共享缓冲区中,然
后进行过滤(滤掉不健全的帧和有冲突的帧)和CRC差错校验,之后才将数据按
目的地址发送到指定的端口。如果CRC校验失败,即将该帧丢弃。
在3种交换模式中,存储转发模式具有较高的交换质量,但要检测的数据段
多,处理速度慢,故适合于网络主干的连接。直通模式是其中速度最快的一种,
但由于对任何帧都不做过滤处理,因而误码率较高。无碎片直通模式是前两种
模式的折中。
3.交换机与集线器间的区别
交换机的作用是对封装的数据包进行转发,并减少冲突域,隔离广播风暴。
· 3 2 1 · 第5章 IEEE802模型与局域网
从组网的形式看,交换机与集线器非常相似,但实际工作原理有很大不同。
从OSI体系结构看,集线器工作在OSI/RM的第1层,是一种物理层的连接
设备,因而它只对数据的传输做同步、放大和整形处理,不能对数据传输的短帧、
碎片等进行有效处理,不进行差错处理,不能保证数据的完整性和正确性。交换
机工作在OSI的第2层,属于数据链路层的连接设备,不但可以对数据的传输进
行同步、放大和整形,还提供完整性和正确性的保证。
从工作方式和带宽看,集线器是一种广播模式,一个端口发送信息,所有的
端口都可以接收到,容易发生广播风暴;同时它共享带宽,当两个端口间通信时,
其他端口只能等待。交换机是一种交换方式,一个端口发送信息,只有目的端口
可以接收到,能够有效地隔离冲突域,抑制广播风暴;同时每个端口都有自己的
独立带宽,两个端口间通信不影响其他端口间的通信。
4.交换机与网桥的比较
局域网交换机(EthernetSwitch)在OSI/RM的第二层(或者说在IEEE802.2
层)上运行,采用帧交换技术。它在功能上与多口网桥有些类似,但有显著不同。
网桥一般用于连接各个网段,而局域网交换机既能连接网段又能连接单机,并且
多是连接单机的。局域网交换机提供辨认MAC地址能力,将主机和它所连接的
端口相联系,在收到数据帧时能根据目的地址将其转发到相应的端口。
5.交换机和路由器、网桥相互之间的比较
(1)要区别交换机和路由器,首先要区分广播域和碰撞域。交换机的主要
功能是将LAN的碰撞域分段成一些较小的碰撞域,用于满足一个组织的各部分
对带宽的要求。例如,可以将100Mb/s的带宽分配给一些100Mb/s、10Mb/s的
用户,但它们还属于同一广播域,一个广播域中产生的业务,仍然转发给它的各
碰撞域。路由器将网络分解成多个广播域,它的数据包过滤作用,只允许特定的
数据包通过,限制了广播风暴扩散的可能性,限制了不支持协议的数据包的发
送,控制网络间的数据传输流量,并限制了以未知网络为目的地的数据包的发
送,可以提供防火墙服务用的过滤方法。
(2)路由器是位于第3层的网际的互联设备,可用于不同网络的互连。多
协议路由器不仅可以实现异构网(不同类型局域网)间的互连,还可以实现局域
网与广域网间的互连。总之,路由器所连接的物理网络的低2层协议可以各不
相同,但第3层必须相同。多协议路由器可以实现网络层协议转换,它通过支持
多种协议数据的转发,实现异种网互连。一般说来,异种网络互连与多个子网互
连都应采用路由器来完成。因此路由器比交换机需要更多的信息。
而交换机的转发策略只按每一帧中的MAC地址相对简单地决定转发目的
· 4 2 1 · 第2篇 计算机网络体系结构
地,不考虑数据帧中隐藏更深的其他信息。
(3)网桥和交换机仅支持广播型拓扑结构,不支持环路型拓扑结构。路由
器可以支持复杂网络拓扑结构。
(4)路由器是一种具有一定智能的通用设备,它具有智能化的分组转发功
能,可以选择最优路径转发分组,也可以限制路由选择信息的传播,藉此可以进
行分组滤波,提供网络安全。交换机则是一种专用设备,它所连接的各碰撞域属
于同一广播域,主要功能是提供附加带宽,能进行带宽分配。
(5)从过滤网络流量的角度来看,路由器的作用与交换机和网桥非常相似。
但是与工作在网络物理层、从物理上划分网段的交换机不同,路由器使用专门的
软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。例如,一台支持IP协议的路由器可以
把网络划分成多个子网段,只有指向特殊IP地址的网络流量才可以通过该路由
器。对于每一个接收到的数据包,路由器都会重新计算其校验值,并写入新的物
理地址。因此,使用路由器转发和过滤数据的速度往往要比只查看数据包物理
地址的交换机慢。但是,对于那些结构复杂的网络,使用路由器可以提高网络的
整体效率。
应当说明的是,目前交换技术同路由技术正在相互融合,形成了交换式路由
器和路由式交换机。
6.局域网交换机的类型
目前,Ethernet的物理层协议主要对应于10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s三种
传输速率,所以Ethernet交换机有以下几种:
�10M交换机———只支持10Mb/s端口。
�100M交换机———只支持100Mb/s端口。
�10M+100M交换机———一部分端口支持10Mb/s,一部分端口支持100Mb/s。
�100M+1000M交换机———一部分端口支持100Mb/s,一部分端口支持
1000Mb/s。
�10M+100M+1000M交换机———一部分端口支持10Mb/s,一部分端口支
持100Mb/s,一部分端口支持1000Mb/s。
有些交换机还带有10Mb/s/100Mb/s的自适应端口,有的厂家(如Luncent
Technologies)将交换机做成模块式的,插上不同的模块,就成为不同的端口。
5.4.3 虚拟局域网VLAN
近年来,交换局域网由于其性能较高而交换成本低廉,已经基本上取代了共
享介质局域网,得到了广泛的应用,同时也促进了交换技术的发展。在此基础上,
· 5 2 1 · 第5章 IEEE802模型与局域网
一种新的网络技术———虚拟局域网VLAN(VirtualLAN)又呈现在人们的面前。
VLAN建立在交换技术的基础上,通过交换机“有目的地”发送数据,灵活地
进行逻辑子网(广播域)的划分,而不像传统的局域网那样把站点束缚在所处的
物理网络之中。
VLAN的形成方法很多,区别主要在对其成员资格的定义上。下面介绍4
种通用的方法。
1.端口VLAN
图5.18所示为两种形式的端口VLAN:单交换机VLAN和多交换机VLAN。
它们都是LAN交换机。可以简单明了地看出,通过交换机的端口定义,可以将
连接在一台交换机上的节点划分为不同的子网,也可以将连接在不同交换机上
的节点划分在一个子网中。
图5.18 端口定义VLAN
端口定义VLAN是早期的VLAN定义方法。它虽配置简单,但有一定的限
制:不允许不同的VLAN包含相同的物理网段,并且要将用户从一个端口移动到
另一个端口时,必须对VLAN的成员重新配置。
2.MACVLAN
MACVLAN是一种基于用户的VLAN,它用终端系统的MAC地址来定义
VLAN。由于MAC地址是与硬件相关、固定于工作站的网络接口卡(NIC)之内
的,因此MAC定义的VLAN允许工作站移动到网络的其他物理网段中,又能保
持原来的VLAN成员资格,因为它的MAC地址没有变。
MACVLAN的不足之处在于,它要求所有用户在初始阶段必须配置到至少
一个VLAN中;初始配置必须由人工完成,然后才可以自动跟踪用户。这对用户
较多的大型网络是非常烦琐的。
3.第三层VLAN
第三层VLAN是用物理层地址或协议类型(若支持多协议)来定义VLAN的
成员资格。在第三层定义VLAN有以下优点:
· 6 2 1 · 第2篇 计算机网络体系结构
�减少交换机之间交换VLAN成员信息的工作量;
�用户可以随意移动工作站而无须重新配置网络地址,特别适合TCP/IP
用户(对其他协议,如IPX、DECnet要差一些);
�按协议类型定义VLAN成员,有利于组成面向业务或应用的VLAN。
5.5 无线局域网WLAN
5.5.1 WLAN传输方式和频段范围
一般而言,凡是采用采用无线传输介质的计算机局域网都称为无线局域网
WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)。表5.3列出了在WLAN中使用的无线频段
范围与其他物理参数。
表5.3 WLAN介质物理参数
频 段 1GHz~3GHz
10GHz~
30GHz
红 外
传输技术 窄带调制 扩展频谱 窄带调制
定向波束红外线(DB/IR)方式
点对点方式 反射方式
扩散红外线
(DF/IR)方式
传输速度 数百kb/s~10Mb/s>100Mb/s可达50Mb/s可达10Mb/s
几十kb/s~
10Mb/s
通信距离 100m(无须视距)
几十米
(无须视距)
>50m(视距)—(无须视距)
数米~20米
(无须视距)
移动支持 一般 好 一般 不支持 不支持 差
成本 低 高 高 高 高 低
使用许可 需要
ISM频段
不需要
需要 不需要 不需要 不需要
由表中可以看出,目前WLAN的传输速率可以从几百千比特到十几兆比
特,其传输方式基本上有三种。
1.扩频方式
在扩频方式中,数据基带信号的频谱被扩展几倍到几十倍后被射频发射出
去。这种方式以牺牲带宽为代价,换来通信系统高抗干扰能力和高安全性,并由
于单位频带内的功率降低而减小了对其他电子设备的干扰。扩频方式的WLAN
一般采用ISM频段(即工业、科学、医学频段———Industrial,Scientific,Medical频
· 7 2 1 · 第5章 IEEE802模型与局域网
段)。欧美日等国家各设置有自己的ISM频段范围,如美国联邦通信委员会FCC
规定的ISM频段为902~928MHz、3.4~3.484MHz、4.725~4.850MHz三个频
段。若发射功率以及带外辐射超过FCC的规定,应当向FCC提出专门申请。
2.窄带调制方式
窄带调频方式的信号频谱不作任何扩展地直接发射出去。与扩频方式相
比,它的频带利用率高,但要选用专用频段,并需要经FCC批准。
3.红外线方式
用红外线作为WLAN的传输方式最大优点是不受其他无线电信号的干扰,
也不对其他无线电设备造成干扰,因而不受国家无线电管理委员会的限制。但
是,它几乎不能穿透非透明物体,使其应用受到较大限制。采用红外线作为通信
介质,适合于低成本、跨平台、点到点的高速数据连接,尤其适合嵌入式的系统和
设备,主要应用于设备互连(完成不同设备内文件与数据的交换)、信息开关(数
据终端与Internet互连)。
5.5.2 无线局域网的结构
连接在无线局域网中的设备通常称为站。按照移动性可以把站分为三类。
�固定站:如台式计算机和其他有线局域网中的设备。
�半移动站:经常改变使用场所的站,一般在移动状态下不需要保持与网
络通信。
�移动站:在移动过程中也需要与网络通信的站,如车载计算机等。
无线局域网可以在普通局域网的基础上通过无线Hub、无线接入站(AP)、无
线网桥、无线Modem以及无线网卡等实现,形成不同的网络结构。下面介绍几
种结构形式。
1.Hub接入型
采用无线Hub可以组建星型WLAN,并可以在此基础上组建类似于交换以
太网工作方式的WLAN。
2.基站接入型
这是一种采用移动蜂窝通信网接入方式组建WLAN的方式。这时,各站点
之间是通过基站接入-交换数据、互相连接。利用这种方式,可以实现各移动站
通过交换中心的自组网,还可以通过广域网远地站点组建自己的工作网络。
3.网桥接入型
网桥接入型可用于实现不同局域网之间的互连。它不仅提供两个局域网之
· 8 2 1 · 第2篇 计算机网络体系结构
间的物理层与数据链路层的连接,还为用户提供较高层的路由和协议转换。
4.无中心接入型
无中心结构允许网中任意两个站点间直接通信,是一种分布式对等结构方式。
5.5.3 IEEE802.11协议
IEEE802委员会的802.11工作委员会成立于1990年7月,1998年完成
802.11的制定工作。
如图5.19所示,IEEE802.11规定WLAN的最小构件是基本服务集BSS
(BasicServiceSet)。在一个BSS内,所有的站均运行同样的MAC协议并且以争
用方式共享同一介质。一个BSS可以是独立的系统;也可以通过接入点(Access
Pointer)连接到主干网上,与其他BSS连接或与有线网络连接,组成扩展服务集
ESS(ExtendedServiceSet)。
图5.19 IEEE802.11结构
WLAN协议栈是IEEE802模型的一个子集。它的标准化也主要表现在LLC
以下———MAC层和物理层。这两层的标准由IEEE802.11定义。
1.物理层
IEEE802.11协议定义了WLAN所使用的无线频段以及调制方式,并进一步
分为802.11、802.11b和802.11a三种类型:
�IEEE802.11使用2.4GHz频带,传送速率为1Mb/s;
�IEEE802.11b使用2.4GHz频带,标称传送速率为11Mb/s,实际为7Mb/s
~8Mb/s;
�IEEE802.11a使用5GHz频带,传送速率为54Mb/s。
2.4GHz频带是一个容易受微波炉、无绳电话和其他无线设备干扰的频带,
· 9 2 1 · 第5章 IEEE802模型与局域网
5GHz频带是一个干扰较小的频带。
下面说明WLAN的三种主要物理层实现方法。
(1)跳频扩频(FHSS)
跳频扩频使用2.4GHz的ISM频带,共有79个信道频道可供跳频使用,第
一个频道的中心频率为2.402GHz,以后每隔1MHz为一个信道。视不同的频移
键控技术,基本接入速率为1Mb/s或2Mb/s。
(2)直接序列扩频(DSSS)
直接序列扩频使用2.4GHz的ISM频带,接入速率为1Mb/s或2Mb/s。
(3)红外(IR)
红外方式使用波长850~950nm的红外线传送数据,速率为1~2Mb/s。
2.MAC层
从原则上讲,IEEE802.11的MAC层协议与有线局域网的MAC协议并无本
质上的区别。在图5.20中给出了IEEE802.11的MAC层结构,称为DFWMAC
(分布式基础无线网MAC)。它可以为本地链路控制层提供两种服务:竞争服务
和无竞争服务。
图5.20 IEEE802.11协议结构
(1)竞争服务
在有竞争的情况下,WLAN像以太网一样,用载波侦听的方法将访问介质的
决定分布到每个节点。但是由于在无线局域网上信号的动态范围很广,发送站
难于有效地识别是噪音还是自己发送的信号,因而要检测冲突不现实,无法沿用
原有的CSMA/CD,而是采用了带有冲突避免的载波多路侦听协议CSMA/CA
(CollisionAvoidance)作为MAC层的协议。
CSMA/CA并不能完全避免冲突,但可以减少碰撞几率。如图5.21所示,
CSMA/CA的访问规则如下:
�任何一个站点在发送数据之前,还是要先监听载波,确认信道空闲时,发
· 0 3 1 · 第2篇 计算机网络体系结构
送探询帧,仅当信道空闲一个IFS(帧间隙)的间隙时间后仍然空闲,才发送数据。
�如果介质忙(包括侦听中发现忙、在IFS时间内发现忙),站点要推迟一
个随机时间后重新尝试。
�一旦当前的数据传送完毕,站点要再延迟一个IFS时间;如果在这段时
间内介质仍然忙,站点就使用二进制退避算法并继续监听介质,直到介质空闲。
�接收端在收到数据后,等信道空闲一个IFS时间后才发出回答帧,否则
推迟一个随机时间后重新尝试。
图5.21 发送站点使用IFS的CSMA访问规则
分布式基础无线网MAC算法DFWMAC是一种分布式访问控制机制,由
MAC的分布式协调功能子层DCF实现。为了实现优先级机制,DCF使用了三种
不同长度的IFS。
�SIFS(短IFS):最短IFS,用于优先级最高、需要立即处理的情况,如发送
确认(ACK)帧、发前清除(CTS,先发一个小的发送要求———RTF,成功后接收方
立即用CTS响应,迫使其他站点推迟对介质的占用)以及轮询响应(在无竞争服
务中使用)等。
�PIFS(点协调IFS):中等优先级,在无竞争服务中使用。
�DIFS(分布式协调IFS):最长IFS,用于异步竞争访问的最小延时。
(2)无竞争服务
无竞争服务采用集中访问控制,包括集中轮询主管的轮询,由一个中央的决
策者协调访问请求,实现可以选择的访问———点协调功能PCF。这种机制适合
于下列情形:
�几个互连的WLAN;
�一个与有线主干网相连的基站;
�实时性强的点;
�高优先级的站点。
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PCF在DCF的顶部实现,它在发出轮询时使用PIFS,将所有异步帧都排除
在外,并使优先级高的站点可以先发送。
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