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CH3数据链路层(4)


计算机网络
扩展以太网

本节课内容
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物理层扩展以太网 在数据链路层扩展以太网 高速以太网

3.5.1 在物理层扩展局域网
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一个学院的三个系各有一个10BASE-T局 域网(如图5-10(a)所示),可通过一个主 干集线器互相连接起来,成为一个更

大 的扩展的局域网(如图5-10(b)所示)。

图5-10

用多个集线器连成更大的局域网

用集线器扩展局域网
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优点
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使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进 行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。

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缺点
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碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不能 用集线器将它们互连起来。

3.5.2 在数据链路层扩展局域网
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在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层,它根据 MAC 帧的目 的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时, 并不是向所有的端口转发此帧,而是先检查此 帧的目的 MAC 地址,然后再确定将该帧转发 到哪一个端口

1. 网桥的内部结构
网桥
站表 站地址 端口 1 ① ② 1 ③ 1 ④ 2 2 ⑤ ⑥ 2 端口 2

端口管理 软件 端口 1

网桥协议 实体
缓存

网桥

网段 A ① ② ③ ④

网段 B ⑤ ⑥

使用网桥带来的好处
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过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速 率(如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网)的局 域网。

使用网桥带来的缺点
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存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延 更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和 通信量不太大的局域网,否则有时还会因传播 过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓 的广播风暴。

站1

两个网桥之间还可使用一段点到点链路
① ②

站2 用户层 IP

用户层
IP

网桥 1

MAC MAC R DL ③ A ④ 物理层 物理层 物理层 LAN ①⑨ ②⑧ ③④⑥⑦ ⑤ DL-H MAC-H

网桥 2 R MAC DL ⑥ 物理层 物理层
⑤ 用户数据

⑨ ⑧ B ⑦ LAN

MAC
物理层

IP-H MAC-T DL-T

R──中继机制 H──首部 T──尾部 图5-12 两个网桥之间有点到点的链路

2. 透明网桥
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目前使用得最多的网桥是透明网桥 (transparent bridge)。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送 的帧将经过哪几个网桥,因为网桥对各站来说 是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备,其标准是 IEEE 802.1D。

网桥应当按照以下算法 处理收到的帧和建立转发表
(1) 从端口 x 收到无差错的帧(如有差错即丢弃),在转发表中查找目 的站 MAC 地址。 (2) 如有,则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d,然后进行(3),否 则转到(5)。 (3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x,则丢弃此帧(因为这表示不需 要经过网桥进行转发)。否则从端口 d 转发此帧。 (4) 转到(6)。 (5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧(这样做可保证找到目的站)。 (6) 如源站不在转发表中,则将源站 MAC 地址加入到转发表,登记该帧 进入网桥的端口号,设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中, 则执行(7)。 (7) 更新计时器。 (8) 等待新的数据帧。转到(1)。

网桥在转发表中 登记以下三个信息
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站地址:登记收到的帧的源 MAC 地址。 端口:登记收到的帧进入该网桥的端口号。 时间:登记收到的帧进入该网桥的时间。 转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址 写入的,但在进行转发时是将此 MAC 地址 当作目的地址。
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如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发 来的帧,那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目 的地址 A。

帧在网络中有可能不断地兜圈子
⑤ 网桥 1 转发的帧 ③ ⑥ F2

F1

网桥 2 转发的帧
④ 局域网 2

网桥 1 A


不停地 兜圈子 网络资源白白消耗了


网桥 2
局域网 1

F A 发出的帧 假定帧F的目的地址均不在这两个网桥的转发表中

透明网桥使用了支撑树算法
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为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。 透明网桥使用了一个支撑树(spanning tree) 算法,即互连在一起的网桥在进行彼此通信后, 就能找出原来的网络拓扑的一个子集,在这个 子集里整个连通的网络中不存在回路,即在任 何两个站之间只有一条路径。

支撑树的得出
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每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由 生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和 它所知道的其他所有在网上的网桥。 支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根 (例如,选择一个最小序号的网桥),然后以 最短路径为依据,找到树上的每一个结点。 当互连局域网的数目非常大时,支撑树的算 法很花费时间。这时可将大的互连网划分为 多个较小的互连网,然后得出多个支撑树。

3. 源路由网桥
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透明网桥容易安装,但网络资源的利用不充分。 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路 由信息放在帧的首部中。 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧, 每个发现帧都记录所经过的路由。 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源 站在得知这些路由后,从所有可能的路由中选择出 一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的 首部,都必须携带源站所确定的这一路由信息。

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4.多端口网桥——以太网交换机

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1990 年 问 世 的 交 换 式 集 线 器 (switching hub),可明显地提高局域网 的性能。交换式集线器常称为以太网交 换机(switch)或第二层交换机(表明这种 交换机工作在数据链路层)。

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“交换机”并无准确的定义和明确的概 念,而现在的很多交换机已混杂了网桥 和路由器的功能。
以太网交换机实质上就是一个多端口的 网桥。

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交换机原理
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交换机和网桥的工作原理是一样的。即 查询MAC地址表转发。有一显著不同: 交换机是基于硬件的转发,可以实现更 高的端口密度和更快的转发速率。 交换机解决了冲突的问题,也解决了网 络带宽利用率的问题。

共享式以太网与交换式以太网区别
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共享以太网是一种广播网络,A发送数据 到B时,HUB本身没有智能,它会转发A 信息给网上的所有计算机,而C、D是不 需要的,是被动的。

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对于普通10 Mbit/s的共享式以太网, 若共有N个用户,则每个用户占有的平 均带宽只有总带宽(10 Mbit/s)的N分之 一。

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交换机则是一个智能设备,通过查表进行转发,网上 可同时有多台计算机通信而互不干扰,互不影响。比 如机器A发送给机器B,与此同时,机器C可以发送数 据给机器D。就达到了网络带宽增加并避免了冲突的 效果。

交换式以太网功能

交换式以太网地址学习功能
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当网络第一次使用时, 机器A发送数据给机器 C,当发送数据通过交 换机的时候,交换机是 不知道机器C的地址的, 但是交换机却知道机器 A的源地址,据此,交 换机可以智能的学习到 机器A的地址表项。

智能转发
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当机器A要转发数据至 机器C的时候,交换机 可以检查机器A传出的 以太帧里的目的MAC 地址,查表,找到目 的地址的端口,为E2, 然后交换机将机器A发 送的帧直接发至E2端 口,而不打扰E1和E3 端口。这就是交换机 的智能转发。

交换机的转发与过滤
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机器A将数据发 送到机器C,从 e0端口上接收 到的帧会从e2 端口上送出来, 这个过程叫转 发;而在这个 过程中不包括 对e1和e3的操 作,这个过程 叫过滤。

防止回路
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靠stp(spanning-tree protocol--生 成树协议,STP协议是一个二层的链路 管理协议,它在提供链路冗余的同时防 止网络产生环路。)树实现。

冲突域
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在以太网中,如果某个CSMA/CD网络上的两台计算 机在同时通信时会发生冲突,那么这个CSMA/CD网 络就是一个冲突域。如果以太网中的各个网段以中继 器连接,因为不能避免冲突,所以它们仍然是一个冲 突域。 冲突域就是连接在同一导线上的所有工作站的集合,或 者说是同一物理网段上所有节点的集合,或以太网上竞 争同一带宽的节点集合

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HUB、网桥、交换机冲突域
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HUB是无智能的信号驱动器,有入必出,整个 由HUB组成的网络是一个冲突域。 用 网桥划分多个缆段,多个缆段之间没有冲 突,但一个缆段中有冲突(各个缆段中用HUB 连接),一个缆段中的一个冲突是一个冲突域, 一个冲突域(即同一缆段中的)都能收到所有 被发送的帧,因为HUB是完全复制的 交换机的一个接口下的网络是一个冲突域,所 以交换机可以隔离冲突域。

交换机中每一个接口下的网络是一个冲突域。 它是由交换机隔开的一个个缆段或说网段

交换机广播域
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是一个更大的概念,是指广播信息所能达到的 范围。比如一台机器发送一条以太广播信息, 最远能传到的地方,也就是广播域的范围。在 网络中,hub中继广播,桥和交换机中继广播, 路由器不中继广播,也就是说,只要网络中不 经过路由器的以太广播都可以无限制的传播。 广播域是由路由器隔开的一个个网络。 路由器的一个接口下的网络是一个广播域。所 以路由器可以隔离广播域。

广播域与冲突域
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广播域(Broadcast Domain)是一个逻辑上的计算机组,该组内的 所有计算机都会收到同样的广播信息。
冲突域:在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的 帧

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广播域:网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合
冲突域是基于第一层(物理层),广播域是基于第二层(数据链 路层)

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广播域就是说如果站点发出一个广播信号后能接收到这个信号的 范围。通常来说一个局域网就是一个广播域。冲突域:一个站点 向另一个站点发出信号。除目的站点外,有多少站点能收到这个 信号。这些站点就构成一个冲突域。

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HUB 所有端口都在同一个广播域,冲突域内。
Switch所有端口都在同一个广播域内,而每一个端口 就是一个冲突域。 Router的每个端口属于不同的广播域。 广播域消耗带宽浪费资源,比如A,B,C三台主机处 于同一个广播域,此时A需要向B发送数据包,但同时 C也可以收到该数据包,此时C需要进行处理判断之后 才能摒弃该数据包,这已经浪费了资源和带宽。

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交换机特性
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交换机每个端口所连接的缆段或说网段都是一 个独立的冲突域。 交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内, 也就是说,交换机不隔绝广播(唯一的例外是 在配有VLAN的环境中)。 交换机是依据帧头的信息进行转发,因此交换 机是一个工作在第二层的网络设备。它不检查 ip地址, 不检查上层的端口号,仅检查以太帧 的目的MAC地址。 数据转发的分类。1、直通转发 2、存储转发

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在使用以太网交换机时,虽然在每个端 口到主机的数据率还是10 Mbit/s,但 由于一个用户在通信时是独占的,而不 是和其他网络用户共享传输媒体的带宽, 因此,对于拥有N对端口的交换机的总 容量为N ? 10 Mbit/s。 图5-14所示为一个以太网交换扩展局域 网的例子。

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以太网交换机扩展局域网
万维网 服务器 100 Mb/s 电子邮件 服务器 一系 集线器 路由器 100 Mb/s 以太网 交换机 二系 集线器 100 Mb/s 三系 集线器 10BASE-T 至因特网

图5-14

用以太网交换机扩展局域网

广播风暴
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以太网交换机使得冲突域被缩小到交换机的每 一个端口。但这些主机属于同一个广播域。网 络中任一台主机发送广播报文将转发给该广播 域内所有主机,这样网络利用率就会大大下降。 网络中传播过多广播信息而引起网络性能恶化 现象称为广播风暴。 为避免广播风暴,可减小广播域内的主机数, 也就是将大的广播域隔离成多个较小的广播域, 这样主机发送的广播报文只能在自己所属的某 个小广播域内传送,从而提高整个带宽利用率。

虚拟局域网
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虚拟局域网,是一种通过将局域网内的设备逻辑 地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟 工作组的技术 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与 物理位置无关的逻辑组。 ? 这些网段具有某些共同的需求。 ? 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符,指 明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服 务,而并不是一种新型局域网。

VLAN技术
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在VLAN技术中,规定凡是具有VLAN功 能的交换机在转发数据报文时,都需要 确认该报文属于某一个VLAN,并且该报 文只能被转发到属于同一个VLAN端口或 主机。 每一个VLAN代表了一个广播域,它不能 接收来自不同VLAN用户的广播报文。

以太网 交换机

A4 VLAN1

B3

C3

VLAN2
B2

VLAN3 C2

以太网 交换机

A3

以太网 交换机

C1 A2

B1

A1
以太网 交换机

三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成

以太网 交换机

A4 VLAN1

B3

C3

VLAN2
B2

VLAN3 C2

以太网 交换机

A3

以太网 交换机

C1 A2

B1

A1

当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时, , VLAN 三个虚拟局域网 VLAN1 以太网 2 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。 交换机 和 VLAN 的构成
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以太网 交换机

A4 VLAN1

B3

C3

VLAN2
B2

VLAN3 C2

以太网 交换机

A3

以太网 交换机

C1 A2

B1

A1

B1 发送数据时,工作站 A1, A2 和 VLAN , VLAN 三个虚拟局域网 C1 1 以太网 2 交换机 都不会收到 B1 发出的广播信息。 和 VLAN 的构成
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以太网 交换机

A4 VLAN1

B3

C3

VLAN2
B2

VLAN3 C2

以太网 交换机

A3

以太网 交换机

C1 A2

B1

A1

虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 以太网 不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶 交换机 和 VLAN3 的构成 化。

3.6.1 100BASE-T 以太网
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3.6 高速以太网

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速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称 为高速以太网。 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的 星型拓扑以太网,仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太 网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。

课件制作人:谢希仁

100BASE-T 以太网的特点
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可在全双工方式下工作而无冲突发生。 因此,不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 保持最短帧长不变,但将一个网段的最 大电缆长度减小到 100 m。 帧间时间间隔从原来的 9.6 ?s 改为现在 的 0.96 ?s。
课件制作人:谢希仁

三种不同的物理层标准
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100BASE-TX
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使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 使用 2 对光纤。
使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

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100BASE-FX
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100BASE-T4
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课件制作人:谢希仁

3.6.2 吉比特以太网
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允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种 方式工作。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议 (全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议)。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向 后兼容。
课件制作人:谢希仁

吉比特以太网的物理层
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1000BASE-X 层:
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基于光纤通道的物理

1000BASE-SX SX表示短波长 1000BASE-LX LX表示长波长 1000BASE-CX CX表示铜线

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1000BASE-T
使用 4对 5 类线 UTP

课件制作人:谢希仁

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吉比特以太网仍保持一个网段最大长度为100m, 但采用载波延伸的办法使最短帧长仍为64字节, 同时将争用期增大到512字节。

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凡发送的MAC帧长不足512字节时,就用一些
特殊字符填充在帧的后面,使MAC帧的发送长

度增大到512字节,但这对有效载荷并无影响,
如图5-25所示。

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吉比特以太网还增加一种功能称为分组突发

(packet bursting)。这就是当很多短帧要发
送时,第一个短帧要采用上面所说的载波延 伸的方法进行填充。但随后的一些短帧则可 一个接一个地发送,它们之间只需留有必要 的帧间最小间隔即可。这样就形成了一串分 组的突发,直到达到1500字节或稍多一些为 止,如图5-26所示。
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图5-27是吉比特以太网的一种配置举例。

全双工方式
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当吉比特以太网工作在全双工方式时 (即通信双方可同时进行发送和接收数 据),不使用载波延伸和分组突发。

课件制作人:谢希仁

吉比特以太网的配置举例
中央服务器

100 Mb/s 链路吉比特 1 Gb/s 链路 交换 集线器

百兆比特或吉比特集线器

课件制作人:谢希仁

3.6.3 10 吉比特以太网
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10 吉比特以太网与 10 Mb/s,100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定 的以太网最小和最大帧长,便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光 纤作为传输媒体。 10 吉比特以太网只工作在全双工方式,因 此没有争用问题,也不使用 CSMA/CD 协 议。
课件制作人:谢希仁

吉比特以太网的物理层
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局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的 数据率是 10.000 Gb/s。 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物 理层具有另一种数据率,这是为了和所谓的 “Gb/s”的 SONET/SDH(即OC192/STM-64)相连接。
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为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC192/STM-64 帧的有效载荷中,就要使用可选的 广域网物理层,其数据率为 9.95328 Gb/s。

课件制作人:谢希仁

端到端的以太网传输
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10 吉比特以太网的出现,以太网的工作范 围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到 城域网和广域网,从而实现了端到端的以太 网传输。 这种工作方式的好处是:
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成熟的技术 互操作性很好 在广域网中使用以太网时价格便宜。 统一的帧格式简化了操作和管理。
课件制作人:谢希仁

以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进
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以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证 明了以太网是: 可扩展的(从 10 Mb/s 到 10 Gb/s)。 灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/ 交换)。 易于安装。 稳健性好。

课件制作人:谢希仁

3.6.4 使用高速以太网 进行宽带接入
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以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s , 所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网, 因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。 以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通 信,并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带 宽升级。 采用以太网接入可实现端到端的以太网传输,中 间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据 的传输效率和降低了传输的成本。

以太网接入举例:光纤到大楼 FTTB
高速汇接点 GigaPoP
1 Gb/s 10 M

吉比特以太网 光结点汇接点

10 M

100 M 1 Gb/s 100 M

作业
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7、9、10、18、20、22、28、32


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