3.4 共享介质局域网和交换局域网
3.4.1共享介质局域网的工作原理
及存在的问题
3.4.2 交换局域网的特点
3.4.3 交换局域网的工作原理
3.4.4 局域网交换机技术
第 3章 局域网
3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题
传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，
网中所有结点共享一条公共通信传输介质，典型的介质访
问控制方式是 CSMA/CD,Token Ring,Token Bus。介质
访问控制方式用来保证每个结点都能够“公平”的使用公
共传输介质。 IEEE 802.2标准定义的共享介质局域网有以
下三种：
? 采用 CSMA/CD介质访问控制方式的总线型局域网。
? 采用 Token Bus介质访问控制方式的总线型局域网。
? 采用 Token Ring介质访问控制方式的环型局域网。
第 3章 局域网
3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题
目前应用最广的一类局域网是第一种，即以太网（ Ethernet）。
10Base-T以太网的中心连接设备是集线器（ Hub），它是对“共享
介质” 总线型局域网结构的一种改进。用集线器作为以太网的中心
连接设备时，所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。这样的以
太网在 物理结构上是星型结构,但它在 逻辑上仍然是总线型结构,
并且在 MAC层仍然采用 CSMA/CD介质访问控制方式。当集线器接
收到某个结点发送的帧时，它立即将数据帧通过广播方式转发到其
它端口。
第 3章 局域网
3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题
在 10Base-T的以太网中, 如果网中有 N个结点, 那么
每个结点平均能分到的带宽为 10Mbps/N。 显然, 当局域
网的规模不断的扩大, 结点数 N不断增加时, 每个结点平
均能分到的带宽将越来越少 。 因为 Ethernet的 N个结点共享
一条 10Mbps的公共通信信道, 所以当网络结点数 N增大,
网络通信负荷加重时, 冲突和重发现象将大量发生, 网络
效率急剧下降, 网络传输延迟增长, 网络服务质量下降 。
为了克服网络规模和网络性能之间的矛盾, 人们提出了将
,共享介质方式, 改为, 交换方式, 的方案, 这就推动了
,交换局域网, 技术的发展 。 交换局域网的核心设备是局
域网交换机, 它可以在它的多个端口之间建立多个并发连
接 。 图 3.6简单说明了交换局域网的工作原理, 图中交换机
为站点 A 和站点 E,站点 B 和 F,站点 C和站点 D分别建立
了并行, 独立的三条链路, 使之能同时实现 A和 E,B和 F、
C和 D之间的通信 。
第 3章 局域网
3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题
图 3.6 交换局域网的工作原理
第 3章 局域网
3.4.2 交换局域网的特点
我们以交换以太网（ Switch Ethernet）为例说明交换
局域网的共同特点。交换以太网是指以数据链路层的帧为
数据交换单位，以以太网交换机为基础构成的网络。它根
本上解决了共享以太网所带来的问题。其特点如下：
? 允许多对站点同时通信，每个站点可以独占传输
通道和带宽。
? 灵活的接口速率
? 具有高度的网络可扩充性和延展性
? 易于管理、便于调整网络负载的分布，有效地利
用网络带宽
? 交换以太网与以太网、快速以太网完全兼容，它
们能够实现无缝连接
? 可互连不同标准的局域网。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
1,交换局域网的基本结构
交换局域网的核心设备是局域网交换机，它可以在它
的多个端口之间建立多个并发连接。为了保护用户已有的
投资，局域网交换机一般是针对某类局域网（例如 802.3标
准的 Ethernet或 802..5标准的 Token Ring）设计的。
典型的交换局域网是交换以太网（ Switched
Ethernet），它的核心部件是以太网交换机。以太网交换
机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，
也可以与一个共享介质式的以太网集线器（ Hub）连接。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
如果一个端口只连接一个结点, 那么这个结点就可以
独占整个带宽, 这类端口通常被称作, 专用端口, ；如果
一个端口连接一个与端口带宽相同的以太网, 那么这个端
口将被以太网中的所有结点所共享, 这类端口被称为, 共
享端口, 。 典型的交换以太网的结构如图 3.7所示 。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
图 3.7 交换以太网的结构示意图
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
2,局域网交换机的工作原理
典型的局域网交换机结构与工作过程如图 3.8所示 。
图中的交换机有 6个端口, 其中端口 1,4,5,6分别连接
了结点 A,结点 B,结点 C与结点 D。 那么交换机的, 端口
号 /MAC地址映射表, 就可以根据以上端口号与结点 MAC
地址的对应关系建立起来 。 如果结点 A与结点 D同时要发
送数据, 那么它们可以分别在 Ethernet帧的目的地址字段
（ DA） 中添上该帧的目的地址 。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
图 3.8 交换机的结构与工作过程
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
例如，结点 A要向结点 C发送帧，那么该帧的目的地址
DA=结点 C；结点 D要向结点 B发送帧，那么该帧的目的地
址 DA=结点 B。当结点 A，结点 D同时通过交换机传送
Ethernet帧时，交换机的交换控制中心根据“端口号 /MAC
地址映射表”的对应关系找出帧的目的地址的输出端口号，
那么它就可以为结点 A到结点 C建立端口 1到端口 5的连接，
同时为结点 D到结点 B建立端口 6到端口 4的连接。这种端口
之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在
多个端口之间建立多个并发连接。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
以太网交换机的帧转发方式可以分为以下三类：
? 直接交换方式
? 存储转发方式
? 改进直接交换方式
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
1,交换机与集线器的区别
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 。 从组网的形式看, 交换机与集线器
非常类似, 但实际工作原理有很大的不同 。
从 OSI体系结构看, 集线器工作在 OSI/RM的第一层,
是一种物理层的连接设备, 因而它只对数据的传输进行同
步, 放大和整形处理, 不能对数据传输的短帧, 碎片等进
行有效的处理, 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的第二层, 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
形处理, 还提供数据的完整性和正确性的保证 。
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
从工作方式和带宽来看, 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；同时集线器共享带宽, 当两个端口间通信时, 其
它端口只能等待 。 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, 能够有效的隔离冲突域,
抑制广播风暴；同时每个端口都有自己的独立带宽, 两个
端口间的通信不影响其它端口间的通信 。
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
2,交换机的技术特点
目前，局域网交换机主要是针对以太网设计的。一般
来说，局域网交换机主要有以下几个技术特点。
? 低交换传输延迟
? 高传输带宽
? 允许 10Mbps/100Mbps共存
? 支持虚拟局域网服务
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
3,第三层交换技术
简单的说, 第三层交换技术就是, 第二层交换技术 +第三层
转发, 。 第三层交换技术的出现, 解决了局域网中网段划分之
后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面, 解决了传统
路由器低速, 复杂所造成的网络瓶颈问题 。
一个具有第三层交换功能的设备, 是一个带有第三层路由功
能的第二层交换机, 但它是两者的有机结合, 而不是简单地把
路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上 。
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
其工作原理如下：假设两个使用 IP协议的站点 A,B通
过第三层交换机进行通信，发送站点 A在开始发送时，把
自己的 IP地址与 B站的 IP地址比较，判断 B站是否与自己在
同一子网内。若目的站 B与发送站 A在同一子网内，则进行
第二层的转发。若两个站点不在同一子网内，如发送站 A
要与目的站 B通信，发送站 A要向“缺省网关”发出 ARP
（地址解析）封包，而“缺省网关”的 IP地址其实是第三
层交换机的第三层交换模块。当发送站 A对“缺省网关”
的 IP地址广播出一个 ARP请求时，如果第三层交换模块在
以前的通信过程中已经知道 B站的 MAC地址，则向发送站
A回复 B的 MAC地址。否则第三层交换模块根据路由信息
向 B站广播一个 ARP请求,B站得到此 ARP请求后向第三层
交换模块
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
回复其 MAC地址,B站得到此 ARP请求后向第三层交换模
块回复其 MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给
发送站 A，同时将 B站的 MAC地址发送到第二层交换引擎
的 MAC地址表中。从这以后，当 A向 B发送的数据包便全
部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。由于仅仅在
路由过程中才需要第三层处理，绝大部分数据都通过第二
层交换转发，因此第三层交换机的速度很快，接近第二层
交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。可以相
信，随着网络技术的不断发展，第三层交换机有望在大规
模网络中取代现有路由器的位置。
3.4.1共享介质局域网的工作原理
及存在的问题
3.4.2 交换局域网的特点
3.4.3 交换局域网的工作原理
3.4.4 局域网交换机技术
第 3章 局域网
3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题
传统的局域网技术是建立在“共享介质”的基础上，
网中所有结点共享一条公共通信传输介质，典型的介质访
问控制方式是 CSMA/CD,Token Ring,Token Bus。介质
访问控制方式用来保证每个结点都能够“公平”的使用公
共传输介质。 IEEE 802.2标准定义的共享介质局域网有以
下三种：
? 采用 CSMA/CD介质访问控制方式的总线型局域网。
? 采用 Token Bus介质访问控制方式的总线型局域网。
? 采用 Token Ring介质访问控制方式的环型局域网。
第 3章 局域网
3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题
目前应用最广的一类局域网是第一种，即以太网（ Ethernet）。
10Base-T以太网的中心连接设备是集线器（ Hub），它是对“共享
介质” 总线型局域网结构的一种改进。用集线器作为以太网的中心
连接设备时，所有结点通过非屏蔽双绞线与集线器连接。这样的以
太网在 物理结构上是星型结构,但它在 逻辑上仍然是总线型结构,
并且在 MAC层仍然采用 CSMA/CD介质访问控制方式。当集线器接
收到某个结点发送的帧时，它立即将数据帧通过广播方式转发到其
它端口。
第 3章 局域网
3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题
在 10Base-T的以太网中, 如果网中有 N个结点, 那么
每个结点平均能分到的带宽为 10Mbps/N。 显然, 当局域
网的规模不断的扩大, 结点数 N不断增加时, 每个结点平
均能分到的带宽将越来越少 。 因为 Ethernet的 N个结点共享
一条 10Mbps的公共通信信道, 所以当网络结点数 N增大,
网络通信负荷加重时, 冲突和重发现象将大量发生, 网络
效率急剧下降, 网络传输延迟增长, 网络服务质量下降 。
为了克服网络规模和网络性能之间的矛盾, 人们提出了将
,共享介质方式, 改为, 交换方式, 的方案, 这就推动了
,交换局域网, 技术的发展 。 交换局域网的核心设备是局
域网交换机, 它可以在它的多个端口之间建立多个并发连
接 。 图 3.6简单说明了交换局域网的工作原理, 图中交换机
为站点 A 和站点 E,站点 B 和 F,站点 C和站点 D分别建立
了并行, 独立的三条链路, 使之能同时实现 A和 E,B和 F、
C和 D之间的通信 。
第 3章 局域网
3.4.1 共享介质局域网的工作原理及存在的问题
图 3.6 交换局域网的工作原理
第 3章 局域网
3.4.2 交换局域网的特点
我们以交换以太网（ Switch Ethernet）为例说明交换
局域网的共同特点。交换以太网是指以数据链路层的帧为
数据交换单位，以以太网交换机为基础构成的网络。它根
本上解决了共享以太网所带来的问题。其特点如下：
? 允许多对站点同时通信，每个站点可以独占传输
通道和带宽。
? 灵活的接口速率
? 具有高度的网络可扩充性和延展性
? 易于管理、便于调整网络负载的分布，有效地利
用网络带宽
? 交换以太网与以太网、快速以太网完全兼容，它
们能够实现无缝连接
? 可互连不同标准的局域网。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
1,交换局域网的基本结构
交换局域网的核心设备是局域网交换机，它可以在它
的多个端口之间建立多个并发连接。为了保护用户已有的
投资，局域网交换机一般是针对某类局域网（例如 802.3标
准的 Ethernet或 802..5标准的 Token Ring）设计的。
典型的交换局域网是交换以太网（ Switched
Ethernet），它的核心部件是以太网交换机。以太网交换
机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，
也可以与一个共享介质式的以太网集线器（ Hub）连接。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
如果一个端口只连接一个结点, 那么这个结点就可以
独占整个带宽, 这类端口通常被称作, 专用端口, ；如果
一个端口连接一个与端口带宽相同的以太网, 那么这个端
口将被以太网中的所有结点所共享, 这类端口被称为, 共
享端口, 。 典型的交换以太网的结构如图 3.7所示 。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
图 3.7 交换以太网的结构示意图
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
2,局域网交换机的工作原理
典型的局域网交换机结构与工作过程如图 3.8所示 。
图中的交换机有 6个端口, 其中端口 1,4,5,6分别连接
了结点 A,结点 B,结点 C与结点 D。 那么交换机的, 端口
号 /MAC地址映射表, 就可以根据以上端口号与结点 MAC
地址的对应关系建立起来 。 如果结点 A与结点 D同时要发
送数据, 那么它们可以分别在 Ethernet帧的目的地址字段
（ DA） 中添上该帧的目的地址 。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
图 3.8 交换机的结构与工作过程
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
例如，结点 A要向结点 C发送帧，那么该帧的目的地址
DA=结点 C；结点 D要向结点 B发送帧，那么该帧的目的地
址 DA=结点 B。当结点 A，结点 D同时通过交换机传送
Ethernet帧时，交换机的交换控制中心根据“端口号 /MAC
地址映射表”的对应关系找出帧的目的地址的输出端口号，
那么它就可以为结点 A到结点 C建立端口 1到端口 5的连接，
同时为结点 D到结点 B建立端口 6到端口 4的连接。这种端口
之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在
多个端口之间建立多个并发连接。
第 3章 局域网
3.4.3 交换局域网的工作原理
以太网交换机的帧转发方式可以分为以下三类：
? 直接交换方式
? 存储转发方式
? 改进直接交换方式
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
1,交换机与集线器的区别
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 。 从组网的形式看, 交换机与集线器
非常类似, 但实际工作原理有很大的不同 。
从 OSI体系结构看, 集线器工作在 OSI/RM的第一层,
是一种物理层的连接设备, 因而它只对数据的传输进行同
步, 放大和整形处理, 不能对数据传输的短帧, 碎片等进
行有效的处理, 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的第二层, 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
形处理, 还提供数据的完整性和正确性的保证 。
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
从工作方式和带宽来看, 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；同时集线器共享带宽, 当两个端口间通信时, 其
它端口只能等待 。 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, 能够有效的隔离冲突域,
抑制广播风暴；同时每个端口都有自己的独立带宽, 两个
端口间的通信不影响其它端口间的通信 。
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
2,交换机的技术特点
目前，局域网交换机主要是针对以太网设计的。一般
来说，局域网交换机主要有以下几个技术特点。
? 低交换传输延迟
? 高传输带宽
? 允许 10Mbps/100Mbps共存
? 支持虚拟局域网服务
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
3,第三层交换技术
简单的说, 第三层交换技术就是, 第二层交换技术 +第三层
转发, 。 第三层交换技术的出现, 解决了局域网中网段划分之
后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面, 解决了传统
路由器低速, 复杂所造成的网络瓶颈问题 。
一个具有第三层交换功能的设备, 是一个带有第三层路由功
能的第二层交换机, 但它是两者的有机结合, 而不是简单地把
路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上 。
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
其工作原理如下：假设两个使用 IP协议的站点 A,B通
过第三层交换机进行通信，发送站点 A在开始发送时，把
自己的 IP地址与 B站的 IP地址比较，判断 B站是否与自己在
同一子网内。若目的站 B与发送站 A在同一子网内，则进行
第二层的转发。若两个站点不在同一子网内，如发送站 A
要与目的站 B通信，发送站 A要向“缺省网关”发出 ARP
（地址解析）封包，而“缺省网关”的 IP地址其实是第三
层交换机的第三层交换模块。当发送站 A对“缺省网关”
的 IP地址广播出一个 ARP请求时，如果第三层交换模块在
以前的通信过程中已经知道 B站的 MAC地址，则向发送站
A回复 B的 MAC地址。否则第三层交换模块根据路由信息
向 B站广播一个 ARP请求,B站得到此 ARP请求后向第三层
交换模块
第 3章 局域网
3.4.4 局域网交换机技术
回复其 MAC地址,B站得到此 ARP请求后向第三层交换模
块回复其 MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复给
发送站 A，同时将 B站的 MAC地址发送到第二层交换引擎
的 MAC地址表中。从这以后，当 A向 B发送的数据包便全
部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。由于仅仅在
路由过程中才需要第三层处理，绝大部分数据都通过第二
层交换转发，因此第三层交换机的速度很快，接近第二层
交换机的速度，同时比相同路由器的价格低很多。可以相
信，随着网络技术的不断发展，第三层交换机有望在大规
模网络中取代现有路由器的位置。
