在二層交換網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的是采用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（Ethernet）。目前，全世界的局域網(wǎng)90%以上是采用以太網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)的。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入接入網(wǎng)和城域網(wǎng)領(lǐng)域。在本講中，筆者提出了以太網(wǎng)交換技術(shù)中存在虛電路的新觀點(diǎn)。

1 以太網(wǎng)的分類(lèi)

以太網(wǎng)的特點(diǎn)是多個(gè)數(shù)據(jù)終端共享傳輸總線。以太網(wǎng)按其總線的傳輸速率可劃分為10 Mbit/s以太網(wǎng)、100 Mbit/s以太網(wǎng)、1 000 Mbit/s（吉比特）以太網(wǎng)以及10 Gbit/s以太網(wǎng)等；以太網(wǎng)按其總線的傳輸介質(zhì)可劃分為同軸電纜以太網(wǎng)、雙絞線以太網(wǎng)以及光纖（多模、單模）以太網(wǎng)。

2 載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）協(xié)議

共享式以太網(wǎng)的核心思想是多個(gè)主機(jī)共享公共傳輸通道。在電話通信中采用了時(shí)分、頻分或碼分等方法，使多個(gè)用戶終端共享公共傳輸通道。但在數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)是突發(fā)性的，若占用固定時(shí)隙、頻段或信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，會(huì)造成資源上的浪費(fèi)。

若多個(gè)主機(jī)共享公共傳輸通道（總線）而不采取任何措施，必然會(huì)產(chǎn)生碰撞與沖突。CSMA/CD協(xié)議正是為解決多個(gè)主機(jī)爭(zhēng)用公共傳輸通道而制定的。

（1） 載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA）　　

每個(gè)以太網(wǎng)幀（MAC幀）均有源主機(jī)和宿主機(jī)的物理地址（MAC地址）。當(dāng)網(wǎng)上某臺(tái)主機(jī)要發(fā)送MAC幀時(shí)，應(yīng)先監(jiān)聽(tīng)信道。如果信道空閑，則發(fā)送；如果發(fā)現(xiàn)信道上有載波（指基帶信號(hào)），則不發(fā)送，等信道空閑時(shí)立即發(fā)送或延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間再發(fā)送，從而大大減少碰撞的次數(shù)。

（2） 碰撞檢測(cè)（CD）

對(duì)于碰撞檢測(cè)，在一般情況下，當(dāng)總線上的信號(hào)擺動(dòng)超過(guò)正常值時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生沖突。這種檢測(cè)方法容易出錯(cuò)，因?yàn)樾盘?hào)在線路上傳播時(shí)存在衰耗，當(dāng)兩個(gè)主機(jī)相距很遠(yuǎn)時(shí)，另一臺(tái)主機(jī)的信號(hào)到達(dá)時(shí)已經(jīng)很弱，與本地主機(jī)發(fā)送的信號(hào)疊加時(shí)，達(dá)不到?jīng)_突檢測(cè)的幅度，就會(huì)出錯(cuò)。為此，IEEE 802?郾3標(biāo)準(zhǔn)中限制了線纜的長(zhǎng)度。目前，應(yīng)用較多的沖突檢測(cè)方法是主機(jī)的發(fā)送器把數(shù)據(jù)發(fā)送到線纜上，該主機(jī)的接收機(jī)又把數(shù)據(jù)接收回來(lái)，然后與發(fā)送數(shù)據(jù)相比，判別是否一致。若一致，則無(wú)沖突發(fā)生；若不一致，則表示有沖突發(fā)生。

3 MAC幀格式

每一幀以7個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)碼開(kāi)始，前導(dǎo)碼為“1010”交替碼，其作用是使目的主機(jī)接收器時(shí)鐘與源主機(jī)發(fā)送器時(shí)鐘同步。緊接著是幀開(kāi)始分界符字節(jié)“10101011”，用于指示幀的開(kāi)始。

幀包括兩個(gè)地址：目的地址和源地址。目的地址最高位如為“0”，則表示普通地址；如為“1”，則表示組地址。地址的次高位用于區(qū)分是局部地址還是全局地址。局部地址由局部網(wǎng)絡(luò)管理者分配，離開(kāi)這個(gè)局部網(wǎng)，該地址就毫無(wú)意義。全局地址由IEEE統(tǒng)一分配，以保證全世界沒(méi)有兩個(gè)主機(jī)具有相同的全局地址。允許大約有7×1013個(gè)全局地址。全局地址可用于全球性的MAC幀尋址。數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度給出數(shù)據(jù)域中存在多少個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，其值為0～1 500。數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度為“0”是合法的，但太短的幀在傳送過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，其中一個(gè)原因就是：當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)，便停止發(fā)送，這時(shí)一部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送到線纜上，而目的主機(jī)卻無(wú)法簡(jiǎn)單區(qū)分這是正確幀還是垃圾幀。為此，IEEE規(guī)定：正確長(zhǎng)度必須大于64字節(jié)，如果小于64字節(jié)，那么必須用填充字段填充到幀的最小長(zhǎng)度。

4 以太網(wǎng)的互聯(lián)

根據(jù)OSI 7層模型，以太網(wǎng)可以在低3層和高3層上互聯(lián)。實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的網(wǎng)元設(shè)備有中繼器、集線器、網(wǎng)橋、路由器、交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)。

4.1 中繼器

中繼器工作在OSI 7層模型的物理層。因?yàn)閿?shù)字脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一定距離的傳輸后，會(huì)產(chǎn)生衰耗和波形失真，在接收端引起誤碼。中繼器的作用是再生（均衡放大、整形）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)，擴(kuò)展局域網(wǎng)的范圍。

中繼器工作在物理層，對(duì)高層協(xié)議是完全透明的。用中繼器相聯(lián)的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)鏈路層而言相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，中繼器僅起到擴(kuò)展距離的作用，而不能提供隔離和擴(kuò)展有效帶寬的作用。

4.2 集線器（Hub）

集線器就像一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的多端口轉(zhuǎn)發(fā)器，每個(gè)端口都具有發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的能力。當(dāng)某個(gè)端口收到連在該端口上的主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，就轉(zhuǎn)發(fā)至其它端口。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前，每個(gè)端口都對(duì)它進(jìn)行再生、整形，并重新定時(shí)。

集線器可以互相串聯(lián)，形成多級(jí)星型結(jié)構(gòu)，但相隔最遠(yuǎn)的兩個(gè)主機(jī)受最大傳輸延時(shí)的限制，因此只能串聯(lián)幾級(jí)。當(dāng)連接的主機(jī)數(shù)過(guò)多時(shí)，總線負(fù)載很重，沖突將頻頻發(fā)生，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率下降。

與中繼器一樣，集線器工作在OSI 7層模型的物理層，不能提供隔離作用，相當(dāng)于一個(gè)多端口的中繼器。

4.3 網(wǎng)橋　　

網(wǎng)橋工作在OSI 7層模型的鏈路層（MAC層）。當(dāng)一個(gè)以太網(wǎng)幀通過(guò)網(wǎng)橋時(shí)，網(wǎng)橋檢查該幀的源和目的MAC地址。如果這兩個(gè)地址分別屬于不同的網(wǎng)絡(luò)，則網(wǎng)橋?qū)⒃揗AC幀轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，反之不轉(zhuǎn)發(fā)。所以，網(wǎng)橋具有過(guò)濾與轉(zhuǎn)發(fā)MAC幀的功能，能起到網(wǎng)絡(luò)間的隔離作用。對(duì)共享型網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)間的隔離意味著提高了網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬。

網(wǎng)橋最簡(jiǎn)單的形式是連接兩個(gè)局域網(wǎng)的兩端口網(wǎng)橋。在多個(gè)局域網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，為不降低網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬，可以采用多端口網(wǎng)橋或以太網(wǎng)交換機(jī)。但采用這些工作在鏈路層的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，存在以下缺點(diǎn)：

（1） 多端口網(wǎng)橋或以太網(wǎng)交換機(jī)只有簡(jiǎn)單的路由表，當(dāng)某一端口收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，若設(shè)備根據(jù)其目的地址找不到對(duì)應(yīng)的輸出端口時(shí)，即對(duì)所有端口廣播這個(gè)包，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)較大時(shí)易引起廣播風(fēng)暴；

（2） 多端口網(wǎng)橋或以太網(wǎng)交換機(jī)無(wú)鏈路層協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，因此不能做到不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，例如以太網(wǎng)與X.25、FR、N-ISDN和ATM等網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

4.4 路由器

在路由器中存放有龐大而復(fù)雜的路由表，并能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、�?fù)荷的改變及時(shí)維護(hù)該路由表。當(dāng)路由器找不到某一端口輸入的數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的輸出端口時(shí)，即刪除該包。因?yàn)槁酚善鲝U除了廣播機(jī)制，所以可以抑制廣播風(fēng)暴。

4.5 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)工作在OSI 7層模型的高3層，即對(duì)話層、表示層和應(yīng)用層。網(wǎng)關(guān)用于兩個(gè)完全不同網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，其特點(diǎn)是具有高層協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能。網(wǎng)關(guān)最典型的應(yīng)用是IP電話網(wǎng)關(guān)。IP電話網(wǎng)關(guān)將時(shí)分復(fù)用的64 kbit/s編碼話音和No?郾7共路信令轉(zhuǎn)換為IP包，送入Internet進(jìn)行傳輸，從而使PSTN和Internet兩個(gè)完全不同的網(wǎng)絡(luò)可以互聯(lián)互通。

5 以太網(wǎng)交換機(jī)　　

5.1 以太網(wǎng)交換機(jī)的基本原理

大型網(wǎng)絡(luò)為了提高網(wǎng)絡(luò)的效率，需要將網(wǎng)絡(luò)在鏈路層上進(jìn)行分段，以提高網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬。對(duì)于小型網(wǎng)絡(luò)，可以利用網(wǎng)橋?qū)�網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段；對(duì)于大型網(wǎng)絡(luò)，往往采用以太網(wǎng)交換機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分段，即利用以太網(wǎng)交換機(jī)將一個(gè)共享型以太網(wǎng)分割成若干個(gè)網(wǎng)段。分段后的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為交換型以太網(wǎng)。在交換型以太網(wǎng)中，工作在每一網(wǎng)段中的主機(jī)對(duì)介質(zhì)的爭(zhēng)用仍采用CSMA/CD機(jī)制，而聯(lián)接各網(wǎng)段的交換機(jī)則采用路由機(jī)制。若某一共享型以太網(wǎng)帶寬為M，共帶有N臺(tái)主機(jī)，則每臺(tái)主機(jī)平均帶寬為M/N。若在該網(wǎng)內(nèi)引入一臺(tái)8端口的以太網(wǎng)交換機(jī)，將該網(wǎng)分割為8個(gè)網(wǎng)段，則每一網(wǎng)段帶寬仍為M，而總帶寬則拓寬至8M。

目前，大中型以太網(wǎng)中引入了多臺(tái)交換機(jī)的級(jí)聯(lián)工作方式。處在用戶級(jí)的交換機(jī)一般可做到1個(gè)端口接1臺(tái)主機(jī)，則該主機(jī)可享用所連接端口的全部帶寬，無(wú)需競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源。

在以太網(wǎng)中引入交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)分段后，是否能使網(wǎng)絡(luò)容量無(wú)限擴(kuò)大？答案是否定的。因?yàn)樵谝蕴�網(wǎng)交換機(jī)中對(duì)MAC幀的尋址采用了廣播方式，網(wǎng)絡(luò)太大時(shí)易引起廣播風(fēng)暴。這就需要有路由器對(duì)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)層上進(jìn)行分段。路由器將計(jì)算機(jī)網(wǎng)分割成若干個(gè)子網(wǎng)，從而縮小了其底層以太網(wǎng)的廣播域，抑制了廣播風(fēng)暴。

5.2 以太網(wǎng)交換機(jī)的路由方式　　

當(dāng)該交換機(jī)中的某一個(gè)端口接收到一個(gè)MAC幀時(shí)，交換機(jī)的首要任務(wù)是根據(jù)該MAC幀的目的地址尋找輸出端口，然后向該輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)MAC幀。通常情況下，在以太網(wǎng)交換機(jī)中存有一張路由表，該表根據(jù)所接收MAC幀的目的地址，為每個(gè)MAC幀選擇輸出端口。

（1） 固定路由

固定路由是指交換機(jī)有一張人工配置的路由表，表上標(biāo)明各端口及其所對(duì)應(yīng)的目的地址。固定路由雖然不失為一種路由方式，但如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過(guò)大，則配置路由表將變成一項(xiàng)很繁重的工作，再加上交換機(jī)所處的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會(huì)變更網(wǎng)絡(luò)配置或增刪主機(jī)，網(wǎng)絡(luò)管理員很難使路由表及時(shí)更新來(lái)適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。

（2） 自學(xué)習(xí)路由　　

在實(shí)際應(yīng)用中，通常通過(guò)自學(xué)習(xí)方法來(lái)建立一張動(dòng)態(tài)路由表，以自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。該動(dòng)態(tài)路由表可在人工建立的路由表的基礎(chǔ)上，通過(guò)自學(xué)習(xí)過(guò)程不斷修改而得到。

所謂自學(xué)習(xí)，即是根據(jù)到達(dá)每一端口MAC幀的源地址來(lái)建立或刷新路由表。假設(shè)交換機(jī)從X端口收到一個(gè)MAC幀，檢查該MAC幀的源地址為A地址，則說(shuō)明凡是目的地址為A地址的MAC幀，應(yīng)該通過(guò)X端口轉(zhuǎn)發(fā)。從X端口收到源地址為A地址的MAC幀后，交換機(jī)控制部分檢查路由表。若路由表中目的地址一項(xiàng)無(wú)A地址，則在X端口對(duì)應(yīng)的目的地址項(xiàng)中增加A地址內(nèi)容；若表中目的地址一項(xiàng)有A地址，但其對(duì)應(yīng)端口為Y端口，則需修改路由表。由上可見(jiàn)，以太網(wǎng)交換機(jī)利用廣播幀和自學(xué)習(xí)的方法來(lái)建立路由表，一旦配置好路由表，后續(xù)的以太幀根據(jù)目的MAC地址（未使用標(biāo)記）和路由表選擇路由，從而形成一條從源主機(jī)到目的 主機(jī)的虛電路。