第3章局域网设备及组网配置方案

人民邮电出版社全国十一五规划教材1编著：斯桃枝等局域网技术与局域网组建人民邮电出版社全国十一五规划教材2编著：斯桃枝等第3章局域网设备及组网配置方案人民邮电出版社全国十一五规划教材3编著：斯桃枝等本章主要内容：中继器集线器网桥第二层交换机路由器人民邮电出版社全国十一五规划教材4编著：斯桃枝等3.1中继器由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。中继器（RPrepeater）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的一种网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。按媒体的不同有光纤、双绞线、同轴电缆等各种类型的中继器，图3-1是一款单模光纤到单模光纤的信号中继器，主要实现光信号在单模光纤与单模光纤介质之间的透明传输，使光信号在1310nm单模光纤上可以传输到距离40公里及以上。图3-1光纤中继器人民邮电出版社全国十一五规划教材5编著：斯桃枝等由于在复制放大的同时也放大了噪声，因此网络中中继器飞个数受到限制，超过这个限制，难保正确地接收信号。例如在10M总线型以太网中，5-4-3规则指的是网络中可划分5个网段，可用4个中继器连接，最多只有3个网段允许有设备，可以挂接计算机，其他2个网段只是延长网络传输距离。在100M以太网中，最多可用两个中继器。中继器能延长网络，但由于时间的延迟，中继器不能用于连接远程网络。不同厂家的光纤中继器（分单模或多模），所能延长的传输距离各不相同。理论上光纤中继器的个数不受到限制，但在实际应用中最多使用一个光纤中继器。中继器所连接的网络在同一冲突域（指两个终端工作站同时在网络线路上发送数据的情况，如果两个工作站都发送数据，就会产生冲突，因此在此网络范围内同一时间最多只能有一个工作站发送数据，表明属于同一冲突域）和同一广播域内（当一台主机向所有主机发送广播数据包时，若网络中所有主机都要接收该广播数据包，并检查广播数据包的内容，称网络上的这些主机共同构成了一个广播域）。人民邮电出版社全国十一五规划教材6编著：斯桃枝等集线器（Hub）就是多口中继器，它是星形以太网拓扑结构中的共享设备，主要提供信号放大和中转的功能，它把从一个端口接收到的信号向其它所有端口分发出去。集线器有多种接口方式：与双绞线连接使用RJ―45接口；与细缆连接使用BNC接口；与粗缆连接使用AUI接口；与光纤连接，可选ST、SC、FC光接口。四路/八路（端口数）、单模/多模光收发器。如图3-2所示：型号ME-M277-S8F为1路RS-232/RS-485（RS-422）转八路单模光纤转换器。3.2集线器图3-2RS232/422/485转多路光纤集线器（ST接口）人民邮电出版社全国十一五规划教材7编著：斯桃枝等集线器的工作机制：当集线器没有上联设备仅作为星形共享设备时，它从一个端口接收到数据信号，由于信号从源端口到集线器的传输过程中已有了衰减，所以集线器将该信号进行整形放大，使被衰减的信号再生(恢复)到发送时的状态，然后转发到其他所有处于工作状态的端口上。当集线器与上联设备(如交换机)相联时，同一集线器中的各端口之间不直接进行通信，而是通过上联设备再将信息广播到所有的端口上。因此，同一集线器的两个不同端口之间进行通信时，都必须经过两步操作：第一步是将信息上传到上联设备；第二步是上联设备再将该信息广播到所有端口上。集线器的主要功能特点：从OSI体系结构上看，集线器属于物理层设备，它无法处理数据传输过程中的丢弃、延时、碎片等现象，也不能保证数据传输的准确性和完整性。人民邮电出版社全国十一五规划教材8编著：斯桃枝等从工作方式上看，集线器采用CSMA/CD算法，它接收某站点发出的信息，经放大后，向其它所有端口上的计算机广播。对一些大型网络来说，容易产生广播风暴，降低网络传输效率。从带宽上看，集线器的所有端口共享带宽，只有一个端口能够进行数据传输工作，其它端口必须等待。因此，端口与端口之间容易产生冲突。同时集线器只能在半双工模式下工作。从维护角度上看，对端口上连接的所有工作站采用集中式管理。当连接在集线器某一端口上的计算机或网线出现故障时，不会影响整个网络运行。通过集线器上的指示灯，很快就能进行故障定位。人民邮电出版社全国十一五规划教材9编著：斯桃枝等3.3网桥网桥在延长网络跨度上类似于中继器，但它还能作为两个网络的桥梁，使两个不同网络中的计算机相互通信。网桥可以看作一个“低层的路由器”。路由器工作在网络层，根据IP地址转发，网桥工作在数据链路层，根据MAC地址（物理地址）进行转发。3.3.1网桥的工作机制图3-3显示网桥连接了两个集线器HUB1及HUB2，假设4台主机的子网掩码都为255.255.255.0，主机1的MAC地址：1111.1111.1111，IP地址为192.168.1.10；主机2的MAC地址：2222.2222.2222，IP地址为192.168.1.11，显然主机1、主机2在一个网段内并连接到HUB1；主机3的MAC地址：3333.3333.3333，IP地址为192.168.2.20；主机4的MAC地址：4444.4444.4444，IP地址为192.168.2.22，同样主机3、主机4连接HUB2在另一个网段内。人民邮电出版社全国十一五规划教材10编著：斯桃枝等•当主机1向主机2发送数据时，先检测HUB1是否空闲，若空闲则发送数据，否则等待。发送后，HUB1将向除主机1相连端口之外的所有其它端口发送数据帧。当此数据帧到达主机2，被主机2接收。同时此数据帧到达网桥，网桥查看自己的MAC地址与端口的对照表，从中发现主机2和主机1都在自己的同一个端口上（源端口与目标端口相同），随即将此帧丢弃（此过程称为过滤，以减少网络流量）。因此HUB2不会收到此数据帧。图3-3网桥连接的共享式以太网人民邮电出版社全国十一五规划教材11编著：斯桃枝等当主机1向主机3发送数据时，其数据传输过程与前述相同。网桥接收到数据帧后，查看自己的MAC地址与端口的对照表，发现主机3在自己的另一端口上，与主机1不在同一网段内，于是转发此数据帧到HUB2，由HUB2向自己的所有端口广播，从而主机3和主机4均可接收到该数据帧。从网桥的工作机制可知，网桥可以将一个冲突域分割为两个，即HUB1与HUB2分属不同的冲突域，每个冲突域共享自己的总线信道带宽。人民邮电出版社全国十一五规划教材12编著：斯桃枝等在WindowsXP中，集成了连接不同网段的网桥功能。下面介绍WindowsXP网桥的建立过程。在WindowsXP的计算机上安装两张网卡，网卡1对应“本地连接”，网卡2对应“本地连接2”，如图3-4所示。3.3.2WindowsXP网桥的建立图3-4WindowsXP网桥的配置人民邮电出版社全国十一五规划教材13编著：斯桃枝等配置“本地连接”（网卡1）的IP地址为10.0.0.1，子网掩码为255.255.255.0，网关为10.0.0.1，配置“本地连接2”（网卡2）的IP地址为192.168.1.1，子网掩码为255.255.255.0，网关为192.168.1.1。在“本地连接”（网卡1）上右击鼠标，选中“新建网桥（CreateBridge）”，WindowsXP即会出现一个“网桥（NetworkBridge）的图标。由于此时只有一个网络接口存在于网桥中，因此网桥还暂时不能工作（网桥图标上有红叉）。在“本地连接2”（网卡2）上同样执行一次“新建网桥（CreateBridge）”的操作，此时可以看到网桥的图标已发生变化（显示正常工作状态）。右击网桥图标，选择“属性”，可以检查两个网络接口的各项属性，如网卡名称，各自绑定的IP地址等。人民邮电出版社全国十一五规划教材14编著：斯桃枝等与网卡1在同一网络的所有计算机，必须指定网关为10.0.0.1，如计算机A的IP地址为10.0.0.10，子网掩码为255.255.255.0，网关为10.0.0.1。与网卡2在同一网络的所有计算机必须指定网关为192.168.1.1，如计算机B的IP地址为192.168.1.10，子网掩码为255.255.255.0，网关为192.168.1.1。在计算机A上命令行内键入“ping192.168.1.10”，如能收到“Replyfrom192.168.1.10……”的回应，即可说明网桥工作正常，两网段已经连通并可互传文件。人民邮电出版社全国十一五规划教材15编著：斯桃枝等3.4二层交换二层交换机的主要特点如下：从OSI体系结构上来看，二层交换机属于数据链路层上的设备，它不仅对数据的传输起到同步、放大和整形作用，而且还能在数据传输过程中过滤短帧、碎片等，不会出现数据包丢弃、传送延时等现象，保证了数据传输的正确性。从工作方式上来看，交换机检测到某一端口发来的数据包，根据其目标MAC地址，查找交换机内部的“端口—地址”表，找到对应的目标端口，打开源到目标端口之间的数据通道，将数据包发送到对应的目标端口上。从带宽上来看，交换机上每个端口都独占带宽，对12个端口10M的交换机，总带宽为12*10=120M。同时交换机还支持全双工。从维护角度上来看，交换机的维护比较简单的。交换机上的每个接口属于一个冲突域，不同的接口属于不同的冲突域，交换机上所有的接口属于同一个广播域。人民邮电出版社全国十一五规划教材16编著：斯桃枝等3.4.1交换机的工作机制交换机在数据通信中完成两个基本的操作：构造和维护MAC地址表；交换数据帧：打开源端口与目标端口之间的数据通道，把数据帧转发到目标端口上。构造和维护交换地址表交换机在重新启动或手工清除MAC地址表后，MAC地址表没有任何MAC地址的记录，如图3-6所示。图3-6MAC地址空表人民邮电出版社全国十一五规划教材17编著：斯桃枝等假设主机A向主机C发送数据包，因为现在MAC地址表为空，所以端口E0将从数据包中提取源MAC地址，将此MAC地址记录到MAC地址表中，同时向其它所有的端口发送此数据包，如果某一主机在接收到此数据包后，将提取目标MAC地址，并与自己网卡的MAC地址进行比较，如果相等，则接收此数据包；否则丢弃此数据包。如图3-7所示。图3-7向接收到的数据帧自学习源MAC地址人民邮电出版社全国十一五规划教材18编著：斯桃枝等如果主机A、B、C、D都已经向其它主机发送数据包，则MAC地址表将会有4条记录。如图3-8所示。图3-8MAC地址表学习完毕人民邮电出版社全国十一五规划教材19编著：斯桃枝等现在假设主机A向主机C发送数据包，交换机会提取数据包的目的MAC地址，通过查找MAC地址表，有一条记录的MAC地址与目的MAC地址相等，而且知道此目的MAC所对应的端口为E2，此时E0端口会将数据包直接转发到E2端口，如图3-9所示。图3-9查已有的MAC地址表项人民邮电出版社全国十一五规划教材20编著：斯桃枝等交换数据帧交换机在转发数据帧时，遵循以下规则：如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则向交换机所有端口（除源端口）转发；如果数据帧的目的MAC地址是单播地址，但这个MAC地址并不在交换机的地址表中，则向所有端口（除源端口）转发；如果数据帧的目的MAC地址在交换机的地址表中，则打开源端口与目标端口之间的数据通道，把数据帧转发到目标端口上；如果数据帧的目的MAC地址与数据帧的源MAC地址在一个网段（同一个端口）上，则丢弃此数据帧，不发生交换。以图3-10为例介绍具体的数据帧交换过程：当主机1发送广播帧时，交换机从E1端口接收到目的MAC地址为ffff.ffff.ffff的数据帧，则向E2、E3和E4端口转发该数据帧。人民邮电出版社全国十一五规划教材21编著：斯桃枝等当主机1与主机3通信时，交换机从E1端口接收到目的MAC地址为0011.2FD6.3333的数据帧，查找交换地址表后发现0011.2FD6.3333不在表中，因