一、局域网技术

1.1局域网的基本概念：

局域网Local Area Network (简称:LAN)，是一种私有网络，一般在一座建筑物内或建筑物附近，比如家庭、办公室或工厂。局域网络被广泛用来连接个人计算机和消费类电子设备，通过网络传输介质将网络服务器、网络工作站、打印机等网络互联设备连接起来，实现系统管理文件，共享应用软件、办公设备，发送工作日程安排等通信服务。使它们能够共享资源和交换信息。并通过专用数据线路与其他地方的局域网或数据库连接，形成更大范围的信息处理系统。

优点：局域网为封闭型网络，在一定程度上能够防止信息泄露和外部网络病毒攻击，具有较高的安全性。

缺点：一旦发生黑客攻击等事件，极有可能导致局域网整体出现瘫痪，网络内的所有工作无法进行，甚至泄露大量公司机密，对公司事业发展造成重创。

1.2局域网的发展过程：

20世纪70年代初，一些大学和研究机构提出了不同的局域网技术设计思想，1975年，美国施乐公司（Xerox）研制出了基于总线的局域网产品——以太网（Ethernet），20世纪80年代，局域网已经得到了广泛的应用，占主导地位的技术主要有以太网、令牌环网和令牌总线网3种。这三种的数据格式和控制方式都各不相同。为了解决标准化问题，美国电气和电子工程师协会（IEEE）成立了局域网标准委员会，简称IEEE 802 委员会，主要研究局域网内部的数据传输和控制，不考虑路由和交换机，针对的时OSI参考模型里的数据链路层和物理层。

1.3局域网协议模型：

IEEE 802 委员会将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）和介质访问控制（Media Access Control，MAC）。与接入各种传输介质有关的内存放在MAC层，LLC层与传输介质无关，LLC层必须采用相同的技术和协议，MAC层则可以采用不同的技术和协议。到了20世纪90年代，以太网逐渐在竞争中脱颖而出，很多设备制造商的产品不再使用LLC协议，而是直接将数据封装在以太网的MAC帧中。

二、以太网技术

2.1以太网基本概念

以太网（ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。

以太网是现实世界中最普遍的一种计算机网络。以太网有两类：

第一类是经典以太网，运行速度从3~10 Mbps不等；

第二类是交换式以太网，使用了一种称为交换机的设备连接不同的计算机。可运行在100、1000和10000Mbps那样的高速率，分别以快速以太网、千兆以太网和万兆以太网的形式呈现。是目前使用最广泛的网络形式。

以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机来进行网络连接和组织。如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。
 

CSMA/CD原理 以太网中采用载波监听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）作为介质控制访问方法。其原理为：每一个结点在发送数据前先检测总线上是否有其他结点发送数据。如果有，则暂时不发送数据，要等到信道变为空闲状态后再发送数据。由于以太网使用的时曼彻斯特编码，各结点检测的是总线上是否有高低电平的变化，所以这个过程称为 “ 载波监听 ” ；由于存在传输延迟问题，当有多个结点在总线上发送数据时，总线上的信号电压会因为叠加而增大，当超过某个阈值时，就认为总线上有多个结点在同时发送数据，即产生了“冲突”，这一过程称为 “ 冲突检测 ” 。当发生冲突时，就立即停止发送数据，等待一段时间再发送。

CSMA/CD 基本思想简单概括为：“先监听，再发送；边发送，边监听。”

2.2 以太网MAC帧格式

为了能在局域网中方便的找到各个结点，IEEE 802 委员会制定了一套标识规则，即用一个 48bit(6B) 二进制数作为局域网的全球地址，标识每一块局域网适配器（网卡）。这个地址在适配器生产时就固化到其ROM中，称为局域网适配器的物理地址或MAC地址。计算机只有安装了局域网适配器才能接入局域网，所以局域网适配器的MAC地址可以认为是该计算机在局域网中的地址。

在以太网的MAC层，数据是以帧的形式存在的，以太网的MAC帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2 标准和IEEE 802.3 标准，两者的帧格式基本相同，唯一区别是V2帧中设置两个字节作为类型字段，用于标记上一层所使用的协议类型，而802.3帧定义这两个字节为长度或类型字段。目前使用最广的是V2帧格式。

 以太网V2帧结构

各字段含义：

目的地址和源地址： 均为48bit。

类型： 上层所使用的协议，如TCP/IP等。

数据： 从上层接收到的数据报文，长度限定为46~1500B之间，如果最短数据不足46B，则填充到46B。

FCS： 帧检测序列，采用循环冗余CRC校验对收到的MAC帧进行差错检测。

经典以太网用一个长电缆蜿蜒围绕着建筑物，这根电缆连接着所有的计算机。

2.2 经典以太网

经典以太网用一个长电缆蜿蜒围绕着建筑物，这根电缆连接着所有的计算机。

2.3 交换式以太网

交换式以太网的核心是一个交换机，它包含一块连接所有端口的高速背板。从外面看交换机很像集线器，它们都是一个盒子，通常拥有4-48个端口，每个端口都有一个标准的RJ-45连接器用来连接双绞电缆。交换机只把帧输出到该帧想去的端口。通过简单的插入或者拔出电缆就能完成添加或者删除一台机器。

2.5 以太网的扩展

随着以太网的普及，人们需要以太网覆盖更广阔的区域，容纳更多的主机，这时就需要对以太网进行扩展。扩展的方法根据使用设备所在层次的不同，分为物理层扩展和数据链路层扩展。物理层扩展使用的设备主要有中继器（Repeater）和集线器（Hub），数据链路层扩展使用的设备主要有网桥（Bridge）和交换机（Switch）。

在物理层拓展以太网：

用多个集线器可连成更大的局域网，在数量上扩展。

优点:

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。

缺点

碰撞域增大了，每一台计算机与另一台计算机通信都要通过主干集线器给所有计算机发送数据，但总的吞吐量并未提高。计算机数量越多效率越低，所以计算机数量不宜超过30台。

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。

在数据链路层扩展拓展以太网：

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，并不是向所有的接口转发此帧，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接口。

 假设①~⑥表示的MAC地址分别为 MA~MF;

• 通讯前，网桥并不知道接口1和2分别对应哪些MAC地址，当通过一次信之后，网桥就学习到了，接口1对应MAC地址MA、MB、MC；接口2对应MAC地址MD、ME、MF;
• 之后的通讯中，如果是同一接口所对应MAC地址间的通讯，比如MA 与 MB通信，网桥就不会把数据通过接口2传给接口2对应的MAC地址，即把数据传输线路一分为二，接口1对应地址间通信时不影响接口2对应地址间的通信，不会出现占线问题，提高了信道的利用率。

网桥使各网段成为隔离开的碰撞域：

优点：

• 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。

缺点：

• 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。

三、以太网物理层概述

以太网遵守 IEEE 802.3 标准。目前为通过光缆和双绞线电缆的运行定义

了四种数据速率：

（1）10 Mbps - 10Base-T 以太网

（2）100 Mbps - 快速以太网

（3）1000 Mbps - 千兆以太网

（4）10 Gbps - 万兆以太网

3.6 局域网

3.6.1局域网基本概念和体系结构
局域网，简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联组成的计算机组，它使用的是广播信道而不是点对点信道。
局域网的特点：
1.覆盖范围小，几千米之内。
2.使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高（10Mb/s~10Gb/s) 。
3.通信延迟短，误码率低，可靠性高。
4.各站关系平等，共享传输信道。
5.多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

局域网拓扑结构

星型拓扑：n台计算机就会有n个链路相连

局域网介质访问控制方法
1.CSMA/CD：常用于总线型局域网，也用于树形网络
2.令牌总线：用于总线型局域网，也用于树形网络。它是把总线型或树形网络中各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。
3.令牌环：用于环形局域网，如令牌环网。逻辑上的拓扑结构是环形，物理上的拓扑结构是星型。

局域网的分类
1.以太网：逻辑拓扑总线型，物理拓扑星型（IEEE 802.3局域网）
2.令牌环网：逻辑拓扑环形，物理拓扑星型（IEEE 802.5局域网）
3.FDDI网：逻辑上环形拓扑，物理上双环拓扑（IEEE 802.8（光纤））
4.ATM网：较新型的单元交换技术，使用53字节固定长度的单元进行交换。
5.无线局域网：采用IEEE802.11标准，无线局域网的通信介质是空气。无线局域网比WIFI覆盖的范围更广（IEEE 802.11）
IEEE 802.8:光纤技术咨询组，对应FDDI

MAC子层和LLC子层
IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层和物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。
LLC负责对网络层提供服务，识别网络层协议，然后对他们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。为网络层提供服务：无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送。
MAC子层对物理层提供服务。主要功能包括数据帧的封装、卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。
思维导图：

3.6.1 以太网
以太网是指几大公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术。
可以说，只要局域网采用CSMA/CD技术，就可以说它是以太网。
以太网在局域网各种技术中占统治性地位：
1.造价低廉2.目前应用最广泛3.比令牌环网，ATM网便宜简单4.可以满足网络速率要求

以太网2个标准：
1.DIX Ethernet V2:第一个局域网产品（以太网）规约
2.IEEE 802.3:IEEE 802委员会802.3工作组指定的第一个以太网标准。
以太网=802.3局域网

以太网提供无连接、不可靠的服务：
无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”
不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。
以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。
无差错接收是指错误帧直接丢弃，可靠传输是指发来的都要接收，需要解决发送中发生的问题。

以太网传输介质与拓扑结构的发展

10BASE-T以太网（常考）
10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线（UTP），传输速率是10Mb/s。

每个比特对应2个码源，采用CSMA/CD说明它会发生冲突和碰撞。

适配器和MAC地址
计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的

适配器上装有处理器和存储器（包括RAM（随机存储器）、ROM（只读存储器））
ROM上有计算机硬件地址MAC地址。
在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址（实际上是标识符）
MAC地址：每个适配器有1个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己指定。常用6个16进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。
最常用的MAC帧是以太网V2的格式

以太网中最小帧长为64字节
以太网V2与IEEE 802.3的区别：1.第三个字段是长度/类型2.当长度/类型字段值小于0x0600时，数据字段必须装入LLC子层。

高速以太网：速率大于100Mb/s的以太网
1.100BASE-T以太网
在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。
2.吉比特以太网
在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突
3.10吉比特
10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。只支持全双工，无争用问题，不会发生冲突。

思维导图：

3.6.3无线局域网
无线局域网的通用标准：IEEE 802.11

802.11的MAC帧头格式（重要）


假设A,B想要通信，A附近有个基站叫AP1，B附近有个基站较AP2，AP就是无线接入点，也叫基站。如果A,B想要通信，A把数据给AP1,AP1给AP2，AP2给B。
上述与4个地址的对应关系如下图：

802.11的MAC帧头格式包含下面几种：

前面讲的是WDS，也就是Address1~Address4都使用的类型。

目录

局域网

网络拓扑

局域网介质访问控制方法

局域网的分类

以太网

以太网传输介质与拓扑结构的发展

适配器与MAC地址

以太网MAC帧

高速以太网

有固定基础设施的无线局域网

无固定基础设施的无线局域网

广域网

PPP协议

PPP组成部分

PPP的帧格式

PPP协议状态图

HDLC协议​

PPP与HDLC的比较

扩展以太网

冲突域

在物理层扩展以太网

在数据链路层扩展以太网

 

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局域网

局域网(Local Area Network) :简称LAN, 是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。

特点1:覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。

特点2:使用专门]铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网，数据传输速率高(10Mb/s ~ 10Gb/s)。

特点3:通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。

特点4:各站为平等关系，共享传输信道。

特点5:多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

决定局域网的主要要素为:网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

网络拓扑

局域网介质访问控制方法

最早以太网是将计算机连接到总线上，这种方式需要在发送数据的时候指明目的地址，收到数据帧的时候与自己的适配器(在下面)地址进行比对，一致则留下，不一致丢弃。为了通信方便，以太网采取：1.无连接工作方式：不必建立连接就可以直接发送数据，不要求对方发回确认。2.使用曼切斯特编码形式，每一个码元分成两个相等的间隔。

1.CSMA/CD常用于总线型局域网，也用于树型网络。特点：多点接入；载波监听(每个站步听的检测信道)；碰撞检测(边发送变监听)

2.令牌总线常用于总线型局域网，也用于树型网络 它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定 顺序如按接口地址大小排列形成一 个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。

3.令牌环用 于环形局域网，如令牌环网

局域网的分类

1.以太网：以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网(10Mbps) 、快速以太网(100Mbps) 、 千兆以太网( 1000 Mbps)和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD.

2.令牌环网 物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。已是“明日黄花”。

3.FDDI网(Flber Distributed Data Interface)物理 上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

4.ATM网(Asynchronous Transfer Mode)较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。

5.无线局域网(Wireless Local Area Network; WLAN)采用IEEE 802.11标准。

以太网

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公 司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术。

以太网在局域网各种技术中占统治性地位:

1.造价低廉(以太网网卡不到100块) ;

2.是应用最广泛的局域网技术;

3.比令牌环网、ATM网便宜，简单;

4.满足网络速率要求: 10Mb/s~10Gb/s.

以太网两个标准

DIX EthernetV2:第一个局域网产品(以太网)规约。

IEEE 802.3: IEEE 802委员会802.3工作组制定的第一个IEE的以太网标准。( 帧格式有一丢丢改动)

因为厂商的商业竞争，IEEE 802委员会被迫指定了几个不同的局域网标准：802.4令牌总线网、802.5令牌环网等。

IEEE 802委员为了使数据链路层更好的适应多种局域网标准，将数据链路层划 分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

LLC与MAC分别与网络层和物理层相连 所以会有不同的作用。

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层。

但是到了后面以太网的垄断，TCP/IP体系经常使用的局域网只剩下DIX Ethernet V2，所以IEEE制定的LLC作用已经消失了。

以太网传输介质与拓扑结构的发展

1999年IEEE制定出星型以太网10BASE-T的标准802.3i。

适配器与MAC地址

计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的。

网络接口板 网络接口卡NIC (network interface card) NOW，不再使用单独网卡。

适配器上装有处理器和存储器(包括RAM和ROM)。

ROM上有计算机硬件地址MAC地址。

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。[ 实际上是标识符]

MAC地址:每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家(由IEEE规定)，后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

以太网MAC帧

最常用的MAC帧是以太网V2的格式。

 

第三个字段是类型，用来标识上一层用的什么协议。

一个数据帧的最小长度为64字节，减去目的地址等的18字节，就剩下46字节。

FCS使帧检测序列，用的CRC。

在数据帧前面会插入一个帧开始定界符，每一个帧会有间隔，曼切斯特编码特点是一个bit内由=有两个码元，所以发送的时候会优电压变化，发送完成就没有电压变化了，所以在前数4个字节，就可以知道什么时候结束。

为什么会有前导码，因为一个站开始接收数据帧的时候，由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步，前面的若干字节就无法接收。帧开始定界符后面的两个11就是提示开始接收MAC帧。

在通信过程中，要先把信息发送给基站（发送端）,通过基站发送给对应的基站，接受端和目的地址也是不一样的，接收端是接收的基站，目的地址就是对方的主机。

 

高速以太网

 

有固定基础设施的无线局域网

如果有墙信号就会减弱，A发给基站AP1，AP1通过线传给AP2，AP2在发送给B，实现漫游，每一个Wifi都是一个基站。

无固定基础设施的无线局域网

 

广域网

广域网(WAN, Wide Area Network)，通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术。

广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分 组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网(Internet) 是世界范围内最大的广域网。

广域网：网络+链路+物理；局域网：链路+物理

PPP协议

点到点协议（Point to Point Protocol，PPP）是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。 这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。

用户通常都要连接到某个ISP(isp是为用户提供信息业务、增值业务等多种业务的电信运营商。任何一家互联网企业都需要办理isp许可证，只有拥有isp许可证，国家才会允许该运营商进入互联网服务企业。)才能接入到互联网。PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信的是偶所使用的数据链路层协议。

其应满足的要求为：

无需满足的要求

纠错 流量控制 序号 不支持多点线路

可靠传输由运输层的TCP协议负责，音系数据链路层PPP协议不需要纠错，不需要设置序号，不需要进行流量控制。PPP协议只支持点对点的链路通信。所以PPP只支持全双工。

PPP组成部分

LCP是物理连接，NCP是逻辑连接，只有都链接了才算入网成功

PPP的帧格式

PPP的首部为4个字段，尾部为2个字段。A、C字段至今也没给出定义，两个字段实际上没有携带PPP帧信息。

PPP使用字节填充或者0比特填充来防止信息字段中出现和标志字段一样的比特组合，实现透明传输。

PPP协议状态图

当用户拨号接入ISP后，就建立了一条从用户个人电脑到ISP的物理连接。这时，用户和人电脑向ISP发送了一系列的链路控制协议LCP分组，以便建立LCP连接。之后要进行网络层的配置，NCP给新接入的用户个人电脑分配了一个临时的IP地址。

HDLC协议

现在HDLC协议很少用了，PPP使用的更广泛。

PPP与HDLC的比较

HDLC比较可靠，但是数据链路层不要求可靠，可靠交由上层实现。

扩展以太网

冲突域

冲突域是同一片冲突域只能有一台电脑发送信息

主干集线器可以扩大冲突域：实现跨域通信,扩大以太网的范围，但是通信效率降低

在物理层扩展以太网

电信号转换为光信号，光信号在转换电信号。光纤带来的时延很小，带宽很宽。如上图，三个独立的碰撞域可以通过主干集线器连接起来，形成更大的以太网。可以跨冲突域通信并且扩大了以太网的覆盖范围。但是也有缺点：

1.通过集线器连接的冲突域的吞吐量不变，原来每个冲突域的吞吐量为A，在连接之后整个以太网的吞吐量还是A。当某一个冲突域之间在发消息的时候，会进行广播，那么其他两个冲突域就不能发消息了。

2.如果不同的冲突域使用不同的以太网技术(如使用不同速率的网卡，那么大家就只能工作在最低速率)，那么就不能用集线器互联。

在数据链路层扩展以太网

网桥&交换机

网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，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一一个接口， 或者是把它丢弃(即过滤)。

网桥优点: .

1.过滤通信量，增大吞吐量。

2.扩大了物理范围。

3.提高了可靠性。

4.可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

网桥分类：透明网桥

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表也会很快更新，在自学习

源路由网桥

 

交换机就是多接口的网桥
以太网交换机的两种交换方式

直通式交换机： 查完目的地址(6B) 就立刻转发。 延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换。

存储转发式交换机 ：将帧放入高速缓存，并检查否正确，正确则转发，错误则丢弃。 延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换。