第 1 章 局域网交换技术基础

1.1 OSI模型1.2 TCP/IP 模型及协议1.3 以太网简介

1.2.1 TCP/IP模型 1.2.2 TCP/IP ——协议 应用层 1.2.3 TCP/IP ——协议 传输层 1.2.4 TCP/IP ——协议 网际互联层 1.2.5 TCP/IP ——协议 网技接口层 1.2.6 OSI参考模型与 TCP/IP参考模

型的比较

1.2 TCP/IP 模型和协议

TCP/IP 模型分为 4 层：应用层、传输层、 Internet （网际）层和网络（接口）层。

TCP/IP 是一组协议的总称， TCP 和 IP 是其中最主要的两个协议， TCP/IP 体系还包含其他协议。

1.2.1 TCP/IP 模型

应用层

物理层

链路层

网络层

传输层

会话层

表示层 应用层

网络 接口层

网际层

传输层

其他 NSP HTTP DNS SMTP FTP TELNET

IGMPICMP

NVPUDPTCP

IP

其他PDNARPANETEthernet

ARP RARP

OSI TCP/IP TCP/IP协议族

TCP/IP 模型将 OSI 参考模型中的会话层和表示层的功能合并到应用层实现。 TCP/IP 将所有与应用相关的内容都归为一层，并保证为下一层适当地将数据分组。

常见的应用层协议有以下几种： FTP—— 文件传输协议。 HTTP—— 超文本传输协议。 SMTP—— 简单邮件传输协议。 DNS—— 域名系统。 TFTP—— 简单文件传输协议。 TELNET—— 远程终端访问协议。

1.2.2 TCP/IP 协议——应用层

传输层的功能是使源端主机和目标端主机上的对等实 体可以进行端对端可靠的数据传输服务，主要处理可靠 性、流量控制和重传等典型问题。

传输层有两个协议： TCP 和 UDP 。 TCP 协议是一个面向连接的、可靠的协议。它将一

台主机发出的字节流无差错地发往互联网上的其他主机。 TCP 协议还要处理端到端的流量控制，以避免缓慢接收的接收方没有足够的缓冲区接收发送方发送的大量数据。

UDP 协议是一个不可靠的、无连接协议，主要适用于不需要对报文进行排序和流量控制的场合。

1.2.3 TCP/IP 协议——传输层

该层是整个 TCP/IP 协议栈的核心，其功能是把分组发往 目标网络或主机。同时，为了尽快地发送分组，可能需要 沿不同的路径同时进行分组传递。因此，分组到达的顺序 和发送的顺序可能不同，还需要上层对分组进行排序。

该层有 5 个重要协议： IP ：网际协议 ； ICMP ：网际控制报文协议 ； ARP ：地址解析协议 ； RARP ：反向地址解析协议 ； IGMP ： Internet 组管理协议 。

1.2.4 TCP/IP 协议——网际互联层

网络接口层是 TCP/IP 参考模型的最底层。实际上 TCP/IP 参考模型没有真正描述这一层的实现，只是要求能够提供给其上层——网络互连层一个访问接口，以便在其上传递 IP 分组。

在发送方：网络接口层先将 IP 数据包前面加上自己机器的 MAC 地址，以及目的 MAC 地址，这时加上 MAC 地址的数据称为帧，网络接口曾最后用对应的物理设备——网卡，将这个帧以比特流的方式发送到网络上。

在接收方：网络接口层用网卡接收到了比特流，读取比特流中的帧，将帧中的 MAC 地址去掉，就成了 IP 数据包，传递给了上一层网络层。

1.2.5 TCP/IP 协议——网际接口层

模型设计的差别： OSI 参考模型是在具体协议制定 之前对具体协议的制定进行约束； TCP/IP 正好相反，模型实际上只 不过是对已有协议的抽象描述。

层数和层间调用关系不同： OSI 协议分为 7 层， TCP/IP 协议是 4 层。在 OSI 中，层间不能有越级 调用关系； TCP/IP 协议在保持基 本层次结构的前提下，允许直接 使用更低层次提供的服务。

应用层

表示层会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

应用层

传输层

Internet 层

网络接口层

1.2.6 OSI 和 TCP/IP 参考模型的比较

对可靠性的强调不同： OSI认为数据传输的可靠性应 该由点到点的数据链路层和端 到端的传输层来共同保证，而 TCP/IP认为，可靠性是端到端 的问题，应该由传输层解决。 可靠性的工作是由主机完成。

应用层

表示层会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

应用层

传输层

Internet 层

网络接口层

1.3.1 以太网的发展和分类 1.3.2 以太网的拓扑结构和传输介质 1.3.3 全双工以太网

1.3 以太网简介

以太网的发展1973年， Xerox开发了一种设备互连技术并将这项技术命

名为“以太网（ Ethernet ）”。 Ethernet采用了总线竞争式的介质访问方法，它的问世是局城网发展史上的一个重要里程碑。

1979年， Xerox 与 DEC 、 Intel共同起草了一份 10 Mbps 以太网物理层和数据链路层的规范，称为 DIX 1.0 。

1980年 2月， IEEE 成立了专门负责制定局域网络标准的 IEEE 802委员会。该委员会开始研究一系列局域网（ LAN ）和城域网（ MAN ）标准，这些标准统称为 IEEE 802 标准。

1982年， DIX修改并发布了自己的以太网新标准： DIX 2.0 。1983年， Novell根据 IEEE 802.3规范发布了 Novell专用的

以太网帧格式，常被称为 802.3 原始帧格式（ 802.3 raw ）。1984-1985年， IEEE 802委员会公布了五项标准 IEEE 802.

1～ IEEE 802.5 。其中，公布了两种 802.3 帧格式，即 802.3 SAP 和 802.3 SNAP 。

后来， IEEE 802 标准被国际标准化组织 ISO修订并作为国际标准，称为 ISO 8802 。

1.3.1 以太网的发展和分类

标准以太网 IEEE802.3的一些以太网标准：

10Base-5 使用粗同轴电缆，最大网段长度为 500m ，基带传输方法；

10Base-2 使用细同轴电缆，最大网段长度为 185m ，基带传输方法；

10Base-T 使用双绞线电缆，最大网段长度为 100m ；1Base-5 使用双绞线电缆，最大网段长度为 500m ，

传输速度为 1Mbps ；10Broad-36 使用同轴电缆 (RG-59/U CATV) ，最大网段长度为 3600m ，是一种宽带传输方式；

10Base-F 使用光纤传输介质，传输速率为 10Mbps 。

1.3.1 以太网的发展和分类

100Mbps快速以太网标准又分为 : 100BASE-TX：使用 5 类无屏蔽或屏蔽双绞线的快速以太网技术。

它使用两对双绞线，一对发送数据，一对接收。在传输中使用 4B/5B编码方式，信号频率为 125MHz。符合 EIA586的 5 类布线标准和 IBM的 SPT 1类布线标准。使用 RJ-45连接器，最大网段长度为 100 米。支持全双工。

100BASE-FX：使用光缆的快速以太网技术，使用单模和多模光纤。多模光纤连接的最大距离为 550 米，单模光纤连接的最大距离为 3000 米。在传输中使用 4B/5B 编码方式，信号频率为 125MHz。它使用MIC/FDDI 连接器、 ST 连接器或 SC 连接器。它的最大网段长度与所使用的光纤类型和工作模式有关，支持全双工，适合于有电气干扰的、较大距离连接、或高保密环境等情况下。

100BASE-T4：可使用 3 、 4、 5 类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。使用 4对双绞线， 3 对传送数据， 1 对检测冲突信号。使用 8B/6T编码方式，信号频率为 25MHz，符合 EIA586结构化布线标准，使用 RJ-45连接器，最大网段长度为 100 米。

1.3.1 以太网的发展和分类

千兆以太网 千兆以太网技术有两个标准 :IEEE802.3z和 IEEE802.3ab。

IEEE802.3z 工作组负责制定光纤 (单模或多模 )和同轴电缆的全双工链路标准。 IEEE802.3z定义了基于光纤和短距离铜缆的 1000Base-X，采用 8B/10B编码技术，信道传输速度为 1.25Gbit/s，去耦后实现 1000Mbit/s传输速度。

IEEE802.3ab 工作组负责制定基于 UTP 的半双工链路的千兆以太网标准，产生 IEEE802.3ab标准及协议。 IEEE802.3ab定义基于 5 类 UTP 的 1000Base-T 标准，其目的是在 5 类 UTP 上以 1000Mbit/s 速率传输 100m。

1.3.1 以太网的发展和分类

以太网的拓扑结构 总线型：所需的电缆少、价格低、管理成本高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。早期以太网多使用总线型的拓扑结构，采用同轴缆作为传输介质，连接简单，通常在小规模的网络中不需要专用的网络设备，但由于其固有缺陷，已经被以集线器和交换机为核心的星型网络所代替。

星型：管理方便、容易扩展、需要专用的网络设备作为网络的核心节点、需要更多的网线、对核心设的可靠性要求高。采用专用的网络设备（如集线器或交换机）作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上。星型网络虽然需要的线缆比总线型多，但布线和连接器比总线型的要便宜。此外，星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很大的规模，因此得到了广泛的应用，被绝大部分的以太网所采用。

1.3.2 以太网的拓扑结构和传输介质

以太网的传输介质 以太网可以采用多种连接介质，包括同轴缆、双绞线和光纤等。其中双绞线多用于从主机到集线器或交换机的连接，而光纤则主要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点链路上。同轴缆作为早期的主要连接介质已经逐渐趋于淘汰。

双绞线：双绞线是现在最普通的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组成，典型直径为 1毫米。 两根线绞接在一起是为了防止其电磁感应在邻近线对中产生干扰信号。现行双绞线电缆中一般包含 4 个双绞线对，具体为橙 1/橙 2 、蓝 4/蓝 5 、绿 6/绿 3 、棕 3/棕白 7 。计算机网络使用 1-2 、 3-6 两组线对分别来发送和接收数据。双绞线分为屏蔽 (shielded)双绞线 STP 和非屏蔽 (Unshielded)双绞线 UTP 。

以太网的传输介质 同轴电缆 :

同轴电缆以单根铜导线为内芯， 外裹一层绝缘材料，外覆密集网状导体，最外面是一层保护性塑料。同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。

为 50Ω同轴电缆，用于传输数字信号，即基带同轴电缆；细缆按 10BASE2 介质标准直接连到网卡的T 型头连接器 ( 即 BNC 连接器 )上，单段最大长度为185 米，最多可接 30个工作站，最小站间距为 0.5米。75Ω同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。粗缆要符合 10BASE5介质标准，使用时需要一个外接收发器和收发器电缆， 单根最大标准长度为 500 米，可靠性强，最多可接 100台计算机，两台计算机的最小间距为 2.5m。

以太网的传输介质 光导纤维 :

利用内部全反射原理来传导光束的传输介质。光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、传输距离长 (2公里以上 ) 、传输率高 ( 可达数千Mbps) 、抗干扰性强 ( 不会受到电子监听 ) ， 是构建安全性网络的理想选择 , 有单模和多模之分 :

单模 ( 模即Mode ，入射角 ) 单模：中心玻璃芯很细(芯径一般为 9 或 10μm) ，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，单模光纤多用于通信业。 多模光纤：中心玻璃芯较粗 (50 或 62.5μm) ，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里，多用于网络布线系统。

微波传输和卫星传输等无线介质无线传输方式均以空气为传输介质，以电磁波为传输载体，联网方式较为灵活。

全双工和半双工 半双工

传输模式实现以太网载波监听多路访问冲突检测。传统的共享 LAN 是在半双工下工作的，在同一时间只能传输单一方向的数据。当两个方向的数据同时传输时，就会产生冲突，这会降低以太网的效率。

全双工 使用双绞线中两个独立的线路，传输是采用点对点连接，这等于没有安装新的介质就提高了带宽。 通常，交换机端口和网卡都是以半双工的工作方式，MAC 帧的发送和接受不能同时进行， 对所有的用户，共享以太网都依赖单条共享介质，因此在技术上不可能同时发送和接收。 全双工以太网是指交换机的端口和网卡都以全双工的工作方式，可以同时进行 MAC 帧的发送和接收。

1.3.3 全双工以太网

全双工 全双工以太网是有关以太网设备端口的传输技术，与半双工以太网技术的区别是： 每个端口和交换机背板之间都存在两条逻辑通路。每个端口可以同时进行两种操作：帧的发送和接收。 在可以进行全双工传输的端口上设有两个模块：端口控制模块和收发器模块，在全双工操作相对于半双工操作方式，带宽增加了一倍。同时，载波侦听功能和冲突检测功能也已不再需要，彻底摆脱了 CSMA/CD 的束缚。

1.3.3 全双工以太网

全双工以太网结构

自动协商机制 自动协商的目的是给共享一条链路的两台设备提供一种交换信息的方法，并自动配置它们工作在最优能力下。 它允许设备用一种方式“讨论”可能的传输速率，然后选择双方可接受的最佳速率。它们使用叫做快速链路脉冲的 FLP交换各自传输能力的通告。 自动协商就是一种在两台设备间达到可能的最大传输速率的方式。它允许设备用一种方式“讨论”可能的传输速率，然后选择双方可接受的最佳速率。它们使用叫做快速链路脉冲的 FLP交换各自传输能力的通告。FLP 可以让对端知道源端的传输能力是怎样的。当交换 FLP 时，两个站点根据以下从高到低的优先级侦测双方共有的最佳方式。其协商顺序如下：1000BASE-T全双工→ 1000BASE-T→100BASE-T2 全双工→ 100BASE-TX 全双工→ 100BASE-T2→100BASE-T4→100BASE-TX→10BASE-T 全双工→ 10BASE-T 。

1.3.3 全双工以太网

第一章小结OSI 模型

OSI 模型及功能 OSI七层协议及功能

TCP/IP 模型和协议 TCP/IP 模型 各层协议功能

以太网简介 以太网分类和拓扑结构 以太网传输介质 全双工以太网和自动协商机制