【文章內(nèi)容簡介】 問控制問題 共享介質(zhì)解決的 3個問題：哪個結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)？發(fā)送時是否有沖突？有沖突如何處理？ 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲是結(jié)點間通過網(wǎng)卡利用點到點線路連接形成閉合的環(huán)型。環(huán)中的數(shù)據(jù)沿著同一個方向逐站傳輸。 環(huán)型結(jié)構(gòu)中，多個站點共享一條環(huán)通路，為 了確定哪個結(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)，同樣需要進行介質(zhì)訪問控制。 環(huán)型結(jié)構(gòu)通常采用分布式控制方法，環(huán)中每個結(jié)點都要執(zhí)行發(fā)送和接收的控制邏輯。 ： 局域網(wǎng)介質(zhì)類型：同軸電纜、雙絞線、光纖和無線通道。 局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方法： 3類 : 帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（ CSMA/CD） 總線網(wǎng) 令牌總線（ token bus） 總線網(wǎng) 令牌環(huán)（ token ring） 環(huán)型網(wǎng) 4. IEEE802參考模型 IEEE802(局域網(wǎng)標準委員會 )，專門從事局域網(wǎng)標準化工作。重點是解決局部范圍內(nèi)的計算機組網(wǎng)問題。研究者只需要面對 OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，網(wǎng)絡(luò)層及以上高層不屬于局域網(wǎng)協(xié)議的研究范圍。 局域網(wǎng)領(lǐng)域中有典型的三種技術(shù)：以太網(wǎng)、令牌總線和令牌環(huán)。 數(shù)據(jù)鏈路層的功能復(fù)雜，設(shè)計者將鏈路層分為兩部分： LLC （邏輯鏈路控制子層）和 MAC（介質(zhì)訪問控制子層）。 解決方案：不同的局域網(wǎng)在 LLC中必須使用相同的協(xié)議。 LLC子層與傳輸介質(zhì)和介質(zhì)訪問控制方法無關(guān)。 在 MAC子層和 物理層中不同局域網(wǎng)可以采用不同協(xié)議。 5. IEEE802標準 IEEE802標準規(guī)定了局域網(wǎng)中不同層次（數(shù)據(jù)鏈路層和物理層）中的標準。 可簡單分為 3類： ?定義局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互連、網(wǎng)絡(luò)管理與性能測試的 ?定義邏輯鏈路控制（ LLC）的功能與服務(wù)的 。 ?定義不同介質(zhì)訪問控制技術(shù)的相關(guān)標準。 80 10 ?如下圖： 二、以太網(wǎng) 1976年 7月， Bob在 ALOHA網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出總線型局域網(wǎng)的設(shè)計思想，并提出沖突檢測、載波偵聽與隨機后退延遲算法 ，將這種局域網(wǎng)命名為以太網(wǎng)（ Ether）。 以太網(wǎng)的核心技術(shù)是： 介質(zhì)訪問控制方法 CDMA/CD. 這種方法解決了多結(jié)點共享公用總線的問題。 早期以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)是同軸電纜，后用雙絞線，再后用光纖。 （ 1）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送流程 沖突：多個站點同時利用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收不正確。 總線網(wǎng)沒有控制中心，如果一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，以廣播方式通過總線發(fā)送，每一個站點都能收到數(shù)據(jù)幀，其它站點也可以同時發(fā)送，因此沖突不可避免。 實現(xiàn)公共傳輸介質(zhì)的控制策略 ，需要解決的問題是： 載波偵聽，沖突檢測，沖突后的處理方法。 CSMA/CD發(fā)送流程可簡單概括為：先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停止，延遲重發(fā)。 如下圖： （ a）載波偵聽 結(jié)點利用總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先偵聽總線是否空閑，以太網(wǎng)規(guī)定發(fā)送數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼。判斷總線是否空閑可以判斷總線上是否有電平跳變。不發(fā)生跳變總線空閑。此時如果有結(jié)點已準備好發(fā)送數(shù)據(jù)，可以啟動發(fā)送。 （ b）沖突檢測方法 載波偵聽不能完全消除沖突，原因是數(shù)字信號是以一定的速率傳輸?shù)?。例如：結(jié)點 A發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，離他 1000m距離的結(jié)點在一定 的時間延遲后才能收到數(shù)據(jù)幀，此時間段內(nèi)如果 B也發(fā)送數(shù)據(jù)，造成沖突。 從物理層上看，沖突時多個信號疊加，導(dǎo)致波形不同于任何結(jié)點的波形信號。 解決方案：結(jié)點 A 發(fā)送數(shù)據(jù)前，先發(fā)送偵聽信號，如果偵聽信號在最大距離傳輸時間 2倍時，沒有沖突信號出現(xiàn)，結(jié)點 A肯定取得總線的訪問權(quán)。 沖突信號的延遲時間 =2*D/V 其中： D是結(jié)點到最遠結(jié)點的距離， V表示信號傳輸速度，信號往返的時間為延遲時間。 進行沖突檢測的方法有兩種：比較法和編碼違例法。 比較法：將發(fā)送信號波形與從總線上接收的信號比較， 如果不同說明有沖突。 體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)互連 11 違例編碼法：檢 查總線上的波形是否符合曼徹斯特編碼規(guī)則，不符合說明有沖突。 （ c）沖突解決方案 發(fā)現(xiàn)沖突，停止發(fā)送 如果發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中檢測出沖突，為解決信道爭用沖突，發(fā)送結(jié)點停止發(fā)送，隨機延遲后重發(fā)的流程。 隨機延遲后重發(fā)的第一步：發(fā)送沖突加強信號，目的是延續(xù)沖突的持續(xù)時間，使得網(wǎng)絡(luò)中的所有結(jié)點都能檢測出沖突的存在，并立即丟棄沖突幀，提高信道利用率。 隨機延遲重發(fā) 以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定每幀的最大重發(fā)次數(shù)不得超過 16次，若超過則認為線路故障。 為公平解決信道爭用問題，需要確定后退延遲算法。典型的 CSMA/CD采用二進制指數(shù)退避算 法，退避延遲時間計算為： t=2k R a 其中： a是沖突窗口大小， R是隨機數(shù)， k為沖突次數(shù)，定義 k的最大值，一旦 k是最大值時是最后一次發(fā)送。每次的延遲時間都會根據(jù)公式求出。 以太網(wǎng)中任何結(jié)點都需要通過 CSMA/CD 方法爭取總線使用權(quán)，從準備發(fā)送到成功發(fā)送時間不確定。因此又稱為隨機爭用介質(zhì)訪問控制方法。簡單易實現(xiàn)。 （ 2）以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu) PA： 前同步碼 10101010序列，用于使接收方與發(fā)送方同步 SFD： 幀首定界 10101011 DA： 目的 MAC地址； SA： 源 MAC地址 LEN：數(shù)據(jù)長度（數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)）（ 01500B） Type： 類型。高層協(xié)議標識 LLC PDU+pad 最少 46字節(jié) , 最多 1500字節(jié) Pad：填充字段，保證幀長不少于 64字節(jié) (若 Data域≥ 46字節(jié)，則無 Pad) FCS： 幀校驗序列（ CRC32） （ 3）以太網(wǎng)接收流程 如果一個結(jié)點利用總線成功發(fā)送數(shù)據(jù)，其它結(jié)點都應(yīng)該處于接收狀態(tài)。所有結(jié)點只要不發(fā)送數(shù)據(jù)，就應(yīng)該處于接收狀態(tài)。 一個結(jié)點接收幀，首先判斷幀的長度。（規(guī)定了最小長度，若小與最小長度，沖突，丟棄該幀，結(jié)點重新進入接收狀態(tài)） 如果沒 有沖突，結(jié)點接收幀后首先檢查幀的目的地址。（目的地址單一地址或組地址或廣播地址，屬于自己則保留，否則丟棄） 地址匹配后確認是自己應(yīng)該接收的幀，進一步進行 CRC校驗。 如果校驗正確，則進一步檢測 LLC數(shù)據(jù)長度是否正確。出錯則報告 ” 幀長度錯 “ ，否則報告 ” 成功接收 ” ，進入結(jié)束狀態(tài)。 如果檢驗出錯，首先判斷該幀是否是 8 為的整數(shù)倍，是，表示沒有丟失位，則記錄 ” 幀檢驗錯 “ ，否則報告 ”幀位錯 “ ，進入結(jié)束狀態(tài)。 以太網(wǎng)協(xié)議將接收出錯分為 3類：幀檢驗錯、幀長度錯與幀位錯。 每個站點都可以接收到所有來自 其他站點的數(shù)據(jù) 為決定那個站點接收，需要尋址機制來標識目的站點 目的站點將該幀復(fù)制，其他站點則丟棄該幀 12 IEEE802標準為每個 DTE規(guī)定了一個 48位的全局地址，它是站點的全球唯一的標識符，與其物理位置無關(guān)?！?MAC地址（物理地址） MAC地址為 6字節(jié)（ 48位）。 MAC地址的前 3個字節(jié)（高 24位）由 IEEE統(tǒng)一分配給廠商，低 24位由廠商分配給每一塊網(wǎng)卡。 網(wǎng)卡的 MAC地址可以認為就是該網(wǎng)卡所在站點的 MAC地址。 三、高速局域網(wǎng)工作原理 傳統(tǒng)局域網(wǎng)技術(shù) 建立在 ” 共享介質(zhì) “ 的基礎(chǔ)上，網(wǎng)中所有結(jié)點共享一條公共傳輸介質(zhì)，典型的控制方法有：CSMA/CD、令牌環(huán)和令牌總線。 介質(zhì)訪問控制方法使得每個節(jié)點都能夠 ” 公平 “ 使用公共傳輸介質(zhì)，如果網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點數(shù)目增多，每個結(jié)點分配的帶寬將越來越少，沖突和重發(fā)現(xiàn)象將大量增加，網(wǎng)絡(luò)效率急劇下降，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t增長，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量下降。 解決方案： （ 1）增加公共線路的帶寬。優(yōu)點：仍然是局域網(wǎng)保護用戶已有的投資。 （ 2）將大型局域網(wǎng)劃分成若干個用網(wǎng)橋或路由連接的子網(wǎng)。 優(yōu)點：每個子網(wǎng)作為小型局域網(wǎng)，隔離子網(wǎng)間的通 信量，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。 （ 3）將共享介質(zhì)改為交換介質(zhì) 優(yōu)點：交換式局域網(wǎng)的設(shè)備是交換機，可以在多個端口之間建立多個并發(fā)連接。交換方式出現(xiàn)后，局域網(wǎng)分為：共享式和交換式局域網(wǎng)。 以太網(wǎng)采用相同的幀格式，同樣的介質(zhì)訪問控制與組網(wǎng)方法，將速率從 10Mbps 提高 10 倍到 100Mbps。解決方法只要在 MAC 子層使用 CSMA/CD，在物理層進行必要調(diào)整，定義新的物理層標準。形成快速以太網(wǎng)標準。 100baseT 標準定義了介質(zhì)獨立接口，它將 MAC 子層與物理層隔開，傳 輸介質(zhì)和信號編碼方式的變化不會影響 MAC子層。 100BASET的有關(guān)傳輸介質(zhì)標準主要有 3種： （ 1） 100baseTX：支持 2對 5類非屏蔽雙絞線或 2對 1類屏蔽雙絞線；其中 1對用來發(fā)送， 1對用來接收，是全雙工系統(tǒng)，每個結(jié)點可同時以 100Mbps發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 （ 2） 100baseT4：支持 4對 3類非屏蔽雙絞線，其中 3對用于數(shù)據(jù)傳輸， 1對用于沖突檢測。 （ 3） 100baseFX：支持 2芯的單?；蚨嗄９饫w，主要用于高速主干網(wǎng)，從結(jié)點到集線器的距離可達 2km。是全雙工系統(tǒng)。 在電 視會議、三維圖形與高清晰圖像應(yīng)用中，需要使用更高帶寬的局域網(wǎng)。 設(shè)想方案： （ 1）桌面 10M,部門采用快速以太網(wǎng) 100M，企業(yè)級采用 1G的千兆以太網(wǎng)。 （ 2）將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連入到 ATM網(wǎng)上，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接。 。 方法： 在物理層做一些必要調(diào)整，定義了 1000BASET標準。支持多種傳輸介質(zhì)。 4種標準： 13 （ 1） 1000baseT:5類非屏蔽雙絞線，距離 100m。 （ 2） 1000baseCX：屏蔽雙絞線，長可到 25m。 （ 3） 1000baseLX： 使用波長 1300nm的單模光纖，長可 3000m。 （ 4） 1000baseSX：波長 850nm的多模光纖，長可 300～ 550m。 萬兆以太網(wǎng)，使用光纖做傳輸介質(zhì)。不存在爭用問題，不再使用 CSMA/CD協(xié)議。 四、交換式局域網(wǎng)與虛擬局域網(wǎng) （ 1）交換機的基本概念 交換機可以有多個端口，每個端口可以連接一個結(jié)點，也可連接共享介質(zhì)的集線器（ HUB）；實現(xiàn)多個端口的并發(fā)連接和多個節(jié)點的并發(fā)傳輸。交換機通常針對某種局域網(wǎng)設(shè)計，交換式局域網(wǎng)的核心設(shè)備是局域網(wǎng)交換機。 （ 2）交換機的特點 :低交換延遲 ,支持不同傳輸速率和工作模式（交換機端口支持不同的傳輸速率，交換機可完成不同端口速率之間轉(zhuǎn)換） ,支持虛擬局域網(wǎng)服務(wù)（交換式局域網(wǎng)是虛擬局域網(wǎng)的基礎(chǔ)） 交換機需要建立端口號 /MAC地址映射表，某臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時，利用幀的目的地址，通過映射表找到對應(yīng)端口號，將數(shù)據(jù)從一個端口送到另一個端口。 關(guān)鍵問題： （ 1）交換機如何知道哪個結(jié)點連接哪個端口？ （ 2）當(dāng)結(jié)點從交換機的一個端口轉(zhuǎn)移到另一個端口時，交換機如何來修改地址映射表？ 交換機通過 ” 地址學(xué) 習(xí) “ 方法獲得。 “ 地址學(xué)習(xí) ” 是指通過讀取幀的源地址并記錄交換機的端口號；在得到端口號與 MAC地址的對應(yīng)關(guān)系后，交換機檢查端口號 /MAC地址映射表是否存在對應(yīng)關(guān)系，如果存在就更新該表項紀錄，如果沒有就加入到地址映射表中。 交換機加入或更新端口號 /MAC地址映射表時，加入或更新的表項增加一個計時器，當(dāng)計時器溢出前沒有再次捕捉到該端口與 MAC 的對應(yīng)關(guān)系，將該表項刪除。通過刪除過時的表項，交換機維持一個精確的端口號 /MAC地址映射表。 交換機的幀轉(zhuǎn)發(fā)方式 以太網(wǎng)交換機的幀轉(zhuǎn)發(fā)方式包含 3類： ?直通交換 方式 交換機只要接收幀并檢測目的地址，就立即將該幀轉(zhuǎn)發(fā)出去，不用判斷是否出錯。幀出錯檢測由結(jié)點完成。優(yōu)點：交換延遲短；缺點：缺乏檢錯，不支持不同速率端口之間的幀轉(zhuǎn)發(fā)。 ?存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式 交換機需要完整接收幀并進行差錯檢測。優(yōu)點：具有差錯檢測能力，并支持不同速率端口間的幀轉(zhuǎn)發(fā)；缺點：交換延遲將會延長。 ?改進直通交換方式 結(jié)合上述兩種方式，接收到前 64B后，判斷幀頭是否正確，正確轉(zhuǎn)發(fā)。 對短幀而言，交換延遲同直通交換延遲；對長幀而言，因為只對幀頭（地址和控制字段）檢測，交換延遲將會減少。 擬局域網(wǎng)的工作原理 （ 1）虛擬網(wǎng)絡(luò)概念：建立在交換機技術(shù)基礎(chǔ)上，將局域網(wǎng)上的結(jié)點按工作性質(zhì)與需要劃分成若干個 “ 邏輯工作組 ” ，一個邏輯工作組就是一個虛擬網(wǎng)絡(luò)。 虛擬網(wǎng)絡(luò)以軟件方式實現(xiàn)邏輯工作組的劃分與管理，工作組的結(jié)點不受物理位置的限制（相同工作組的結(jié)點不一定在相同的物理網(wǎng)段上，只要能夠通過交換機互聯(lián)）。從一個工作組到另一個工作組時，只要通過軟件設(shè)定，無需改變結(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的物理位置。 （ 2）組網(wǎng)方法：（ 4種） ?利用