图片 21

集线器的基本功能是信息分发,交换式局域网

在交换式局域网中交换与路由选择之间的最优平衡是什么?

3、网关的分类

共享介质局域网

 

下面我将介绍三种主要的共享介质局域网: 
以太网, FDDI和令牌环网。 (其中最主要,最重要的是以太网)

 

总之,在交换式局域网中,如果必须在多个子网间进行信息包的传送的话,则必须接受IP寻址方案的限制。同时,也不能应用于IPX和其它非寻址协议。但对于一个正确设计的交换式局域网而言,寻址能力的限制仅仅对不同网络的站点间的IP通信流发生作用。在大多数情况下,我们可能把所有局部的IPX通信流和所有的非可寻址通信流放在一个交换式局域网内,而不用经过任何路由器。这将在后面的交换式局域网部分加以详细阐述。

  6.介质相关:交换机作为桥接设备也能完成不同链路层和物理层之间的转换,但
这种转换过程比较复杂,不适合ASIC实现,势必降低交换机的转发速度。因此目前交换机主要完成相同或相似物理介质和链路协议的网络互连,而不会用来在物
理介质和链路层协议相差甚元的网络之间进行互连。而路由器则不同,它主要用于不同网络之间互连,因此能连接不同物理介质、链路层协议和网络层协议的网络。
路由器在功能上虽然占据了优势,但价格昂贵,报文转发速度低。
  近几年,交换机为提高性能做了许多改进,其中最突出的改进是虚拟网络三层交换

交换式局域网

 

【注意】
典型的交换式局域网是交换式以太网

 

相比于共享介质型局域网, 
交换式局域网是一种“非共享介质网络”
局域网中的计算机不是连接到同一条链路,
而是和交换机端口形成一对一的连接
。 交换机, 构成了交换式局域网的核心,
如下图所示:

图片 1

 

图片 2

 

 

总而言之,在局域网中交换与路由选择最显著的差异在于:信息包经过路由器要比经过交换机需要复杂得多的处理。因此,在取得同一性能水平的前提下,路由器的花费比交换机的花费多许多,而且,一个包经过交换机比要经过路由器花的时间少一些,从而交换机提供了更短的延迟;但另一方面,可以用路由器的处理能力来提供比交换机更大程度的控制。

     1.转发基于第三层地址的业务流;

令牌环网

结构特性

 

这里可参考前面令牌环介质访问控制方法那一节

 

令牌环网的发展

令牌环网源自IBM开发的令牌环局域网技术,前面的FDDI其实是在令牌环网的基础上进行扩展的一个产物。
由于建设价格高居不下以及所支持的提供商逐渐减少的原因,除了IBM的环境以外始终未能得到普及,并且随着以太网的广泛使用,人们已经不再使用令牌环技术(也是被以太网踢出了历史和市场的舞台)

 

●提供对从属在局域网上的资源进行安全访问的机制

 

CSMA/CD

CSMA/CD的全称叫载波监听多路访问/冲突检测技术(Carrier
Sense Multiple Access/Collision),
它是一种争用协议:网络中各个站采用先到先得的方式占用信道发送数据,如果多个网站同时发送帧,则会产生冲突现象。

 

下面我们把CSMA/CD分成两部分介绍:

 

1.CSMA
(载波监听多路访问)

 

在一个由多个节点共享的信道中,
一个节点在传输帧前先监听信道:

  • 如果监听到信道空闲,那么就开始传输帧
  • 如果监听到信道正忙,那么等到监听到信道空闲的的时候再传输帧

 

图片 3

 

图片 4

2.
CD(冲突检测)

 

但是仅仅CSMA技术是不够的,因为可能有一种情况:
发送帧前监听的时候,信道是空闲的,但在发送帧的过程中,
有其他节点发送的帧经过信道而发生碰撞

所以从发送数据开始到结束该节点都要做冲突检测(CD)的工作

 

  • 如果没有检测到冲突,帧的发送将正常完成
  • 如果某个节点在发送帧的过程中检测到了冲突(来自其他节点的信号能量),那么它将先后发生以下过程:

             1.
停止传输它的帧

           
 2. 发送一个48比特的阻塞(jam)信号

             3.
随机延时一段时间后进行重发, 这个阶段被称作是指数后退(exponential
backoff)
阶段

 

图片 5

 

图片 6

 

在开始讨论在局域网中交换和路由选择各自的作用之前,首先应该明白这两种技术的差别。局域网交换机有点像网桥,通常它们互连同种类型的局域网段,如都是以太网段或都是令牌环网段的情形。它们在端口之间透明地传送信息,以令牌环网为例,就是用源路由选择的方法。透明交换机对端站是不可见的
,它们通过检查传送到它们端口的局域网段中的所有信息包来进行学习,从而得知各站点的位置,并根据在每个信息包中的目的网络地址把信息包送往适当的端口。这也意味着它们的运作独立于与端站之间互相通信的协议,不管是TCP/IP协议,还是Novell
IPX,NETBIOS或者IBM的SNA协议。令牌环网的源路由选择交换机与透明交换机不同之处仅在于,源路由选择交换机是根据由端站往每个信息包中插入的信息来把信息包送往相应的端口,同样这也是独立于下层网络协议的。

四、第三层交换机和路由器的区别

共享介质局域网面临的难题和交换式以太网的出现

 

前面我们介绍的这些共享介质局域网(FDDI,令牌环网,以太网)在发展的过程中遇到了一些共同的难题:

 

它们所使用的介质访问控制方法(如CSMS/CD,令牌环技术),
是用来保证每个节点都能公平地使用公共传输介质的,所以随着局域网规模不断扩大,一个局域网里的节点不断增加——

  • 每个节点能分到的平均带宽越来越少(在一个10Mbps的局域网中有N个节点,那么每个节点能分到的平均带宽为10Mbps
    / N)
  • 冲突和重发大量发生,网络效率急剧下降,网络传输时延也将会增长

 

为此,
人们发展出了交换式局域网

 

提供安全访问的机制

  2.数据链路层(即第二层,层L2),即网桥或桥接器(bridge)。

参考书籍

《计算机网络-自顶向下》      
作者 James F. Kurose

《计算机网络技术基础教程》
作者  刘四清, 龚建萍 (教科书)

《图解TCP/IP》                    
作者  竹下隆史,荒井透, 刘田幸雄

许多大型的组织很幸运地申请到了一个B类地址甚至一个A类地址。B类地址支持在一个子网中多达65534个站点。而A类地址甚至允许在一个子网中可有1600万个站点。现在IANA极不乐意再分配新的A类地址或B类地址,因为剩下的已经不多了。如果要想申请得一个A类或B类地址,则必须给出非常充分的理由。

 
 在地区网中,路由器的主要作用是网络连接和路由选择,即连接下层各个基层网络单位--园区网,同时负责下层网络之间的数据转发。
  在园区网内部,路由器的主要作用是分隔子网。早期的互连网基层单位是局域网(LAN),其中所有主机处于同一逻辑网络中。随着网络规模的不断扩大,局
域网演变成以高速主干和路由器连接的多个子网所组成的园区网。在其中,处个子网在逻辑上独立,而路由器就是唯一能够分隔它们的设备,它负责子网间的报文转
发和广播隔离,在边界上的路由器则负责与上层网络的连接。

FDDI

(采用令牌环的介质访问控制方法)

FDDI全称是光纤分布式数据接口(Fiber
Distributed Data Interface,FDDI)
是一个使用光纤的介质的高性能局域网,
它的传输速率是100Mbps,网络覆盖的最大距离可达200KM。

 

FDDI的结构特点

 

FDDI的最大特点是它的双环结构:
一个环顺时针发送信号,另一个环逆时针发送信号,分别被称为主环(Primary
Ring)和副环(Secondary Ring),
主环用于传输数据,副环作为备份,这样的设计使得FDDI具有一定程度的容错能力

  • 当一个环发生故障,则使用另一个环代替
  • 如果两个环在一个点发生断路,则两个环连成一个单环

 图片 7

 

 

图片 8

FDDI的发展

 

由于FDDI具有高速/技术成熟/双环结构的特点,所以曾经在主干网上或计算机间的高速连接上广泛地使用了FDDI,但随着以太网的快速发展(快速以太网的出现)以及相比之下价格高昂的问题,FDDI就逐渐淡出了应用领域
(被以太网踢出了历史和市场的舞台)

 

另一方面,路由器被设计成具有把任何类型的网络信息包传送到任何其他类型网络的能力,它们对端站是不透明的:事实上,当一个以太网的端站想要路由器另一端的站点进行通信时,它只是对相应的路由器进行寻址,而不是目的站点。当一个路由器从一个以太网段收到一个要发往另一个网段的信息包时,路由器取出报文的头部,检查报头中的目的地址,然后根据这些信息查询相应的表,确定这个目的站点是否位于它的一个直接相连的局域网段中,否则,该信息包应被送往另一个路由器,在作出相应的决定后,这个路由器将为这个信息包添加新的报头并将它发送出去。

 
 综上所述,交换机一般用于LAN-WAN的连接,交换机归于网桥,是数据链路层的设备,有些交换机也可实现第三层的交换。路由器用于WAN-WAN之间
的连接,可以解决异性网络之间转发分组,作用于网络层。他们只是从一条线路上接受输入分组,然后向另一条线路转发。这两条线路可能分属于不同的网络,并采
用不同协议。相比较而言,路由器的功能较交换机要强大,但速度相对也慢,价格昂贵,第三层交换机既有交换机线速转发报文能力,又有路由器良好的控制功能,
因此得以广播应用。

局域网的定义

局域网(Local
Area NetWork,
LAN)是将较小的地理区域内的计算机或数据终端设备连接在一起的通信网络。

 

在交换式局域网中路由选择的作用是什么?

三、第二层交换机和路由器的区别

介质访问控制方法

 

当前对网络协议和软件的类型和用法的趋势是:倾向于减少在局域网中的广播通信流量。例如,对NetBIOS协议(一个大量使用广播的协议)的使用正日益减少。同时,新的特性不断地被Novell公司吸收入NetWare
4.X 版本,包括NetWare 目录服务(NetWare Directory
Services)和对NetWare连接状态协议(NetWare Link State
Protocol)的支持,从而减少SAP(Service Advertising Protocol)和RIP(Routing
Information Protocol)协议的通信流。

  传统交换机从网桥发展
而来,属于OSI第二层即数据链路层设备。它根据MAC地址寻址,通过站表选择路由,站表的建立和维护由交换机自动进行。路由器属于OSI第三层即网络层
设备,它根据IP地址进行寻址,通过路由表路由协议产生。交换机最大的好处是快速,由于交换机只须识别帧中MAC地址,直接根据MAC地址产生选择转发端
口算法简单,便于ASIC实现,因此转发速度极高。但交换机的工作机制也带来一些问题。
  1.回路:根据交换机地址学习和站表建立算法,交换机之间不允许存在回路。一旦存在回路,必须启动生成树算法,阻塞掉产生回路的端口。而路由器的路由
协议没有这个问题,路由器之间可以有多条通路来平衡负载,提高可靠性。
  2.负载集中:交换机之间只能有一条通路,使得信息集中在一条通信链路上,不能进行动态分配,以平衡负载。而路由器的路由协议算法可以避免这一
点,OSPF路由协议算法不但能产生多条路由,而且能为不同的网络应用选择各自不同的最佳路由。

局域网的分类

局域网可以分成两大类:
共享介质局域网(Shared LAN)和交换式局域网(Switched LAN)

这两大类还可以进一步细分:

共享介质局域网
以太网, 令牌环网和FDDI

交换式局域网
交换以太网,ATM局域网和在此基础上发展起来的虚拟局域网

 

图片 9

 图片 10

 

 

NetBIOS 寻址

 
 “交换”是今天网络里出现频率最高的一个词,从桥接到路由到ATM直至电话系统,无论何种场合都可将其套用,搞不清到底什么才是真正的交换。其实交换一
词最早出现于电话系统,特指实现两个不同电话机之间话音信号的交换,完成该工作的设备就是电话交换机。所以从本意上来讲,交换只是一种技术概念,即完成信
号由设备入口到出口的转发。因此,只要是和符合该定义的所有设备都可被称为交换设备。由此可见,“交换”是一个涵义广泛的词语,当它被用来描述数据网络第
二层的设备时,实际指的是一个桥接设备;而当它被用来描述数据网络第三层的设备时,又指的是一个路由设备
  我们经常说到的以太网交换机实际是一个基于网桥技术的多端口第二层网络设备,它为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低时延、低开销的通
路。

交换机表的组成

交换机表包含三部分内容:

 

1.
节点的MAC地址

2.
节点连接的交换机接口

3.
用于节点的表项放置在表中的时间

毫无疑问,在今天通过网桥互连的大型局域网中,广播风暴会导致十分严重的网络服务丢失问题。然而,该问题的出现主要源于迄今为止仍缺乏足够重视的三个事实:

=====================================================================

交换机的自学习(self-learning)

交换机具有强大的自学习功能:
它的交换表能够自动地,动态的建立,
即不需要来自网络管理员或者配置协议的任何干预。

 

实现方式具体如下:

  1. 交换表初始为空
  2. 对于在某接口接收到的每个入帧,该交换机在其表中存储:
    <1>该帧源地址字段中的MAC地址(是源地址不是目的地址!) 
    <2>该帧到达的接口    <3> 当前时间
  3. 在经过一段时间(称为老化期
    aging
    time)后,交换机如果没有接收到以该地址作为源地址的帧,就在表中删除这个地址。
    以这种方式,如果一台PC被另外一台PC替代,
    原来的PC的MAC地址将会从该交换机表中被删除掉

          

例如:

假设在9:
39 分,源地址为01-12-23-34-45-56的一个帧从接口2到达。
假设这个地址不在交换机表中,交换机将在它的表中增加一个新选项:

图片 11

 

图片 12

 

当然,路由器完成的功能不止这些。当将局域网连接到广域网上时,路由器承担了许多协议的转换工作,如从局域网的协议到针对专用线路或电话线路连接的点到点协议,或者帧中继。但这些功能因所连接的广域网的不同而有所差异,这里我们只关心在交换式局域网中的情形,因此,我们的焦点就放在上述四个基本功能上。

2、网桥、交换机工作在2层,靠物理地址工作,解决CSMA/CD的冲突问题,网桥基于软件,现在用的不多,只有个概念,交换机是基于硬件的网桥(ASIC)。

令牌环(Token-Ring)

令牌环是一种适用于环形网络的介质访问控制方法,这种技术的关键在于一个叫做“令牌”的特殊的帧

  • “令牌”帧沿着环路循环
  • 当各个节点没有信息发送时,令牌被标记为空闲状态
  • 当一个节点要发送信息时,则等待空闲令牌通过本站,然后将令牌改为忙状态,紧随其后将数据发送到环上。
  • 为了防止令牌的丢失或重复,必须设置一个监控站,以保证环路中有且只有一个令牌在绕行

 

图片 13

 

 

优点:

  • 因为令牌的作用,每次只能有一个节点在发送数据,不必担心冲突问题
  • 每个节点都有通过平等循环获得令牌的机会,即使网络拥堵也不会导致性能下降

缺点:

  •  
    要设置监控站以维护令牌, 比较复杂。

 

图片 14

 

 

网络设计的目标

路由器与网桥的差别

以太网

 

以太网的发展

 

以太网的发展非常快速,
先后经历了以下四个阶段:

  • 传统以太网
    (10Mbps Ethernet)
  • 快速以太网
    (100Mbps Ethernet)
  • 吉位以太网
    (1000Mbps Ethernet)
  • 万兆位以太网(10000
    Mbps Ethernet)

以太网的分类

 

如下图所示,以太网有众多不同的类型。其中,
100BASE中的100, 1000BASE中的1000以及10G
BASE中的20G分别指的是10Mbps,100Mbps和10Gbps的传输速率
后面追加的5,2,T,F则表示的是传输介质

 

图片 15

 

图片 16

 

以太网的市场状况

 

现在,以太网几乎完全占领着现有的有线局域网市场。
面对其他的局域网技术例如令牌环,FDDI和ATM的挑战,
以太网不断演化和发展并保持着它的地位
。 所以说,以太网是到目前为止最流行的局域网技术

 

以太网成功的原因

  • 以太网是第一个广泛部署的高速LAN,因为它部署得早,所以网络管理员非常熟悉以太网,当其他LAN技术问世的时候,他们不愿意转而用之
  • 令牌环,FDDI和ATM在价格上比以太网更昂贵,
    在技术上,它们也比以太网更复杂
  • 起初,其他LAN技术(如FDDI和ATM)的优势是数据速率高,然而却被后来发展出来的快速以太网等追平甚至超越
  • 以太网硬件(如适配器和交换机)很便宜

 

子网间信息包的传输

补充:

交换式局域网带来的好处

(相比于共享介质型局域网,)

 

1.
解决平均带宽问题把“共享”变成“独享”, 
不用担心用户增多造成的每个节点平均带宽减少的问题

2.
消除碰撞 : 在使用交换机构建的局域网中,
没有因碰撞而浪费的带宽

3.
灵活的接口速度
在共享介质型局域网中,不能在同一个局域网中连接不同速率的站点(如10Base-5仅能够连接10Mbps的站点)
而在交换式局域网中,
由于每个站点都独享介质,在交换机上可以配置10Mbps,100Mbps的自适应的端口,
用于连接不同速率的站点,接口速度有很大的灵活性

4.
能够互联不同标准的局域网:如在一台交换机上能集成以太网,FDDI和ATM

5.
能实现全双工通信

 

共享介质型局域网只能实现半双工通信
同一时刻只能发送数据或接受数据

 

图片 17

 

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交换式局域网实现了全双工通信
能同时发送数据和接收数据

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在局域网中把交换机与路由器物理地连接起来的最好办法是什么?

  3.可以完成特殊服务,如报文过滤或认证;

交换表的工作过程

举个例子:

 

假定具有目的地址DD-DD-DD-DD-DD-DD的帧从交换机接口X到达,
交换机用MAC地址DD-DD-DD-DD-DD-DD索引它的表,
可能存在的三种情况如下:

1.
表中有一个表项将DD-DD-DD-DD-DD-DD和接口Y (Y ≠ X)相连起来,
在这种情况下, 交换机将该帧发送到和Y接口相连的节点 ,执行转发功能

2. 
表中有一个表项将DD-DD-DD-DD-DD-DD和接口X相连起来(刚好该帧就是从接口X到达的,没有转发必要),
该交换机通过丢弃该帧执行过滤功能

3.
如果表中没有针对DD-DD-DD-DD-DD-DD的表项。 在这种情况下,
交换机向和交换机相连的所有节点广播该帧。

 

IPX 寻址

1、HUB工作在1层,只起信号再生功能。

决定局域网性能的因素

决定局域网性能的主要有三个因素:
传输介质, 拓扑结构, 介质访问控制方法

1. 
传输介质

常用的传输介质包括双绞线,同轴电缆和光纤等,
此外,还有用于建筑物间通信的无线传输。传输介质的特性将影响网络数据通信的质量。

2.
拓扑结构

常用的局域网拓扑结构有星型结构,总线型结构,环型结构,树型结构和混合型结构

3.
介质访问控制方法

介质访问控制方法是局域网最重要的一项基本技术,因为它对局域网体系结构,工作过程和网络性能产生了决定性影响。常用的介质访问控制方法包括:
CSMA/CD, 和令牌环

 

具有多年网络管理经验的系统管理员可能知道广播风暴。在一个大型网络中,一个高等级的广播通信流可能暂时轰炸网络的某一部分,造成站点失去与服务器的连接,于是当这些站点试图重建它们的连接时引发了更多的广播通信流,因此引起的连锁反应就是广播风暴。最终迅速增长的广播通信流会淹没整个网络,使整个网络陷入瘫痪

  当中继系统是转发器时,一般不称之为网络互联,因为这仅仅是把一个网络扩大了,而这仍然是一个网络。高层网关由于比较复杂,目前使用得较少。因此一般讨论网络互连时都是指用交换机和路由器进行互联的网络。本文主要阐述交换机和路由器及其区别。

交换机的功能

交换机有两项功能:
过滤(filtering)转发(forwarding)

过滤
交换机决定一个帧是应该转发到某个接口还是应当将其丢弃的功能

转发
决定一个帧应该被导向哪个接口

 

这两项功能是由交换机表(switch
table)完成

 

交换机表图示

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●具有对通信模式进行调节的弹性

集线器:
集线器的基本功能是信息分发,它把一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号重新生成,一些集线器整理信号的时序以提供所有端口间的同步数据通信。

●容易配置和安装

   五、结论

在交换式局域网中,由路由器完成的基本功能主要有四种,对它们有清楚的了解有助于我们明白路由选择在交换式局域网中担任的角色,这四个功能为:

  对于不同规模的网络,路由器的作用的侧重点有所不同。

总而言之,今天的交换式局域网中广播风暴的风险被极大地夸大了。如果把适度的注意点移到如何更好的配置交换式局域网上,那没有理由不能构建拥有数千个结点的大型局域网,而且仍具有良好的性价比和可扩展性等好处。

  1.IP数据报的转发,包括数据报的寻径和传送;

路由选择在交换式局域网中担任的角色

 
 1.子网间传输带宽可任意分配:传统路由器每个接口连接一个子网,子网通过路由器进行传输的速率被接口的带宽所限制。而三层交换机则不同,它可以把多个
端口定义成一个虚拟网,把多个端口组成的虚拟网作为虚拟网接口,该虚拟网内信息可通过组成虚拟网的端口送给三层交换机,由于端口数可任意指定,子网间传输
带宽没有限制。
  2.合理配置信息资源:由于访问子网内资源速率和访问全局网中资源速率没有区别,子网设置单独服务器的意义不大,通过在全局网中设置服务器群不仅节省
费用,更可以合理配置信息资源。

由于影响局域网广播通信量的因素很多,因此很难给出一个通用的衡量指标。然而,实际的网络测定表明,即使用一般的网桥或交换机连接有几百个甚至几千个结点的局域网
,平均的广播通信量一般不会超过每秒10-30个信息包,在偶尔发生的高峰期每秒也最多只有
100-150个信息包。而每秒30个广播包意味占用大约以太网信道的千分之二点五,(这里假定广播信息包平均长度为100字节)。因此广播流对整个网络性能的影响是可以忽略的。

  在第三层交换技术出现之前,几乎没有必要将路由功能器件和路由器区别开来,他们完全是相同的:提供路由功能正在路由器的工作,然而,现在第三层交换机完全能够执行传统路由器的大多数功能。作为网络互连的设备,第三层交换机具有以下特征:

尽管局域网上的广播流对网络性能的影响甚微,但同样的情况却不适用于广域网的连接。在这种情形下,广播通信流将占用宝贵的广域网带宽的相当一部分,而路由器在这种环境中起着最小化广播通信的影响的作用。

  5.在网络层以上的中继系统,即网关(gateway).

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