第5章局域網(wǎng)技術(shù)

1、第5章 局域網(wǎng)技術(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用5.1 局域網(wǎng)的基本概念n5.1.1 局域網(wǎng)的主要特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)n局域網(wǎng)的特性主要有以下幾個(gè)方面：n（1）局域網(wǎng)屬于某一組織機(jī)構(gòu)所有。如一個(gè)工廠、學(xué)校、企事業(yè)單位等內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，因此LAN的設(shè)計(jì)、安裝、使用等均不受公共網(wǎng)絡(luò)的束縛。n（2）局域網(wǎng)覆蓋范圍有限，通常在數(shù)百米至數(shù)公里之內(nèi)。n（3）局域網(wǎng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，一般在1-100Mbps之間。目前已出現(xiàn)速率高達(dá)1000Mbps的局域網(wǎng)。n（4）具有較低誤碼率。局域網(wǎng)采用短距離基帶傳輸，可以使用高質(zhì)量的傳輸媒體，出現(xiàn)差錯(cuò)的機(jī)會少，可靠性高。局域網(wǎng)的誤碼率一般在10-11-10-8。n（5）局域網(wǎng)容易組裝、

2、組建和維護(hù)，具有較好的靈活性。2. 局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)n有三方面的技術(shù)決定著局域網(wǎng)的特性：n（1）傳輸介質(zhì)n局域網(wǎng)可使用多種傳輸介質(zhì)。雙絞線是最常用的一種傳輸介質(zhì)，原來只用于低速基帶局域網(wǎng)，現(xiàn)在10Mb/s或100Mb/s乃至1Gb/s的局域網(wǎng)也使用雙絞線。同軸電纜的速率一般為10Mb/s，而75歐的同軸電纜可用到幾百M(fèi)b/s。光纖具有很好的抗電磁干擾特性和很寬的頻帶，速率可達(dá)100Mb/s甚至1Gb/s。（2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)n為了進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，人們引用了拓?fù)鋵W(xué)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的概念。通常，我們將節(jié)點(diǎn)和鏈路連接而成的幾何圖形稱為該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指它的各個(gè)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的方法。如第

3、一章所述，局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、總線型、環(huán)型及樹形結(jié)構(gòu)。如圖5-1所示： 圖5-1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3）介質(zhì)訪問控制方法n局域網(wǎng)的信道是廣播信道,所有節(jié)點(diǎn)都連到一個(gè)共享信道上,所用的訪問技術(shù)稱為多路訪問技術(shù)。多路訪問技術(shù)可分為受控訪問和隨機(jī)訪問。n受控訪問的特點(diǎn)是用戶不能隨機(jī)地發(fā)送信息而必須服從一定的控制。受控訪問又可分集中式控制和分散式控制。集中式控制主要是多點(diǎn)線路探詢（POLL）方式，主站首先發(fā)出一個(gè)簡短的詢問消息，次站如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則以否定應(yīng)答（NAK）來響應(yīng)。如果次站在收到詢問消息后正好有數(shù)據(jù)要發(fā)送，可立即發(fā)送數(shù)據(jù)。分散式控制主要是令牌環(huán)局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處于平等地位，但是數(shù)據(jù)的發(fā)送要

4、通過令牌（Token）的獲得來實(shí)現(xiàn)。n隨機(jī)訪問的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處于平等地位，所有的用戶可隨機(jī)地發(fā)送信息，各節(jié)點(diǎn)的通信是由各節(jié)點(diǎn)自身控制完成的，如載波監(jiān)聽多路訪問和碰撞檢測（CSMA/CD）。5.1.2 局域網(wǎng)參考模型n1.局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)n局域網(wǎng)是一個(gè)通信網(wǎng)，只涉及到相當(dāng)于OSI/RM通信子網(wǎng)的功能。由于內(nèi)部大多采用共享信道的技術(shù)，所以局域網(wǎng)通常不單獨(dú)設(shè)立網(wǎng)絡(luò)層。局域網(wǎng)的高層功能由具體的局域網(wǎng)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。nIEEE 802標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)參考模型如圖5-2所示，該模型包括了OSI/RM最低兩層（物理層和鏈路層）的功能，也包括網(wǎng)間互連的高層功能和管理功能。從圖中可見，OSI/RM的數(shù)據(jù)鏈路層

5、功能，在局域網(wǎng)參考模型中被分成媒體訪問控制MAC（Medium Access Control）和邏輯鏈路控制LLC（Logical Link Control）兩個(gè)子層。圖5-2 IEEE802參考模型n因?yàn)閷蚕斫橘|(zhì)的局域網(wǎng)要解決介質(zhì)訪問控制問題，因此數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個(gè)子層,與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對LLC子層來說都是透明的。nMAC子層的主要功能是:具體管理通信實(shí)體訪問信道而建立數(shù)據(jù)鏈路的控制過程，包括幀的封裝和拆封、物理介質(zhì)傳輸差錯(cuò)的檢測、尋址、實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問控制協(xié)議等。nLLC子層的主要功能是:提供一個(gè)或多個(gè)服務(wù)訪問

6、點(diǎn)，以復(fù)用的形式建立多點(diǎn)多點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信鏈路，并包括連接管理(建立和釋放連接)、差錯(cuò)控制、按序傳輸及流量控制等。nMAC子層和LLC子層合并在一起，近似等效與OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。LLC子層的協(xié)議與局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)的類型無關(guān)，它對各種不同的類型的局域網(wǎng)都適用。而MAC子層協(xié)議卻與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问郊皞鬏斀橘|(zhì)的類型直接相關(guān)，其主要作用是介質(zhì)訪問控制和對信道資源的分配。例如：局域網(wǎng)主要采用的協(xié)議有：CSMA/CD，令牌總線，令牌環(huán)等。5.1.3 LAN的IEEE802標(biāo)準(zhǔn)n美國的電器和電子工程師協(xié)會IEEE（institute of electrical and electroni

7、cs engineers）在1980年2月成立了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化委員會（簡稱IEEE 802 委員會），專門從事局域網(wǎng)的協(xié)議制訂，形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，稱為IEEE802標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO采納，作為局域網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)系列，稱為ISO 8802標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)局域網(wǎng)的多種類型，規(guī)定了各自的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、媒體訪問控制方法、幀的格式等內(nèi)容。目前IEEE已經(jīng)指定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有十多個(gè)，主要的標(biāo)準(zhǔn)如下：nIEEE 802.1：綜述局域網(wǎng)的尋址機(jī)制體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)際互連。nIEEE 802.2：定義邏輯鏈路控制子層（LLC）的功能與服務(wù)。nIEEE 802.3：描述CSMA/CD介質(zhì)訪問協(xié)議及采用

8、該協(xié)議的廣播式局域網(wǎng)的物理層規(guī)范。nIEEE 802.4：描述Token Bus介質(zhì)訪問協(xié)議及采用該協(xié)議的總線局域網(wǎng)的物理層規(guī)范。nIEEE 802.5：描述Token Ring介質(zhì)訪問協(xié)議及采用該協(xié)議的環(huán)型局域網(wǎng)的物理層規(guī)范。nIEEE 802.6：關(guān)于城域網(wǎng)的分布式隊(duì)列雙總線DQDB（Distributed Queue Dual Bus）的標(biāo)準(zhǔn)等。nIEEE 802.7：描述寬帶技術(shù)進(jìn)展。nIEEE 802.8：描述光纖技術(shù)進(jìn)展。nIEEE 802.9：描述語音和數(shù)據(jù)綜合局域網(wǎng)技術(shù)。nIEEE 802.10：描述局域網(wǎng)的安全與解密問題。nIEEE 802.11：描述無線局域網(wǎng)技術(shù)。nIEE

9、E 802.12：描述用于高速局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問方法及相應(yīng)的物理層規(guī)范。上述標(biāo)準(zhǔn)之間的相互關(guān)系如圖5-3所示：圖5-3 IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)5.1.4邏輯鏈路控制（LLC）子層n1.功能特點(diǎn)及服務(wù)訪問點(diǎn)LLC SAPn由于LAN不設(shè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)層，屬于網(wǎng)絡(luò)層的某些功能就由LLC子層完成。對于數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，只要在幀中給出源地址和目的地址即可，不用建立連接。一個(gè)主機(jī)中可能有多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，它們可能同時(shí)與其它的一些進(jìn)程進(jìn)行通信，因而一個(gè)主機(jī)的LLC層應(yīng)設(shè)多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)（L-SAP），來自多個(gè)L-SAP的服務(wù)在LLC子層中進(jìn)行復(fù)用。 圖5-4給出LLC層支持多路復(fù)用的例子。2.LLC子層提供的服務(wù)和服務(wù)原

10、語nIEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)包含以下三方面服務(wù)：n（1） LLC子層與高層的接口服務(wù)規(guī)范；n（2）LLC子層與MAC子層接口服務(wù)規(guī)范；n（3） LLC子層與MAC子層管理功能的接口服務(wù)規(guī)范。LLC子層提供三種服務(wù)類型：n操作類型1： 即LLC1，不確認(rèn)的無連接服務(wù)；n操作類型2： 即LLC2，面向連接的服務(wù)；n操作類型3： 即LLC3，帶確認(rèn)的無連接服務(wù)；3.LLC幀格式nLLC 的協(xié)議數(shù)據(jù)單元即LLC PDU結(jié)構(gòu)與HDLC的類似,將幀分為三類，如圖5-5所示。LLC PDU幀格式共有4個(gè)字段，即目的服務(wù)訪問點(diǎn)DSAP字段、源服務(wù)訪問點(diǎn)SSAP字段、控制字段和數(shù)據(jù)字段。一般稱DSAP字段和SSA

11、P字段為地址字段。圖5-5 LLC的PDU結(jié)構(gòu)DSAP：目的服務(wù)訪問點(diǎn)；SSAP：源服務(wù)訪問點(diǎn)I/G=0單個(gè)DSAP；I/G=1組DSAP；C/R=0命令幀；C/R=1監(jiān)督幀5.1.5 介質(zhì)訪問控制MAC子層nMAC子層要完成MAC幀的封裝、解封和介質(zhì)訪問控制兩個(gè)主要功能。1.MAC層的硬件地址n在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址或MAC地址（因?yàn)檫@種地址用在MAC幀中）。n 802標(biāo)準(zhǔn)為局域網(wǎng)規(guī)定了一種48bit的全球地址，是指局域網(wǎng)上的每一臺計(jì)算機(jī)所插入的網(wǎng)卡的地址。即前一節(jié)我們介紹的MAC地址。 n現(xiàn)在IEEE的注冊管理委員會RAC（Registration Authority Comm

12、ittee）是局域網(wǎng)全球地址的法定管理機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)分配地址字段的前三個(gè)字節(jié)（即高位24位）。這個(gè)號的正式名稱是機(jī)構(gòu)惟一標(biāo)識符OUI（Organizationally Unique Identifier）。世界上凡是生產(chǎn)局域網(wǎng)網(wǎng)卡的廠家都必須向IEEE購買由這三個(gè)字節(jié)構(gòu)成的一個(gè)號（即地址塊）。地址字段中的后三個(gè)字節(jié)（即低位24位）則是由廠家自行指定，稱為擴(kuò)展標(biāo)識符（extended identifier），只要保證生產(chǎn)的網(wǎng)卡沒有重復(fù)地址即可?？梢娪靡粋€(gè)地址塊可以生成224個(gè)不同的地址。用這種方式得到的48bit地址稱為MAC-48。但注意：24bit的OUI不能夠單獨(dú)使用標(biāo)識一個(gè)公司，因?yàn)橐粋€(gè)公

13、司可能有幾個(gè)OUI，也可能幾個(gè)小公司合起來購買一個(gè)OUI。在生產(chǎn)網(wǎng)卡時(shí)這種六字節(jié)的MAC地址已被固化在網(wǎng)卡的只讀存儲器（ROM）中。nIEEE規(guī)定地址字段的最低第1位I/G比特。當(dāng)I/G比特為0時(shí)，地址字段表示一個(gè)單個(gè)的站地址。當(dāng)I/G比特為1時(shí)表示組地址，用來進(jìn)行多播。因此IEEE只分配地址字段的前三個(gè)字節(jié)中的23位。當(dāng)I/G比特分別為0或1時(shí)，一個(gè)地址塊可分別生成224個(gè)單個(gè)站地址和224個(gè)組地址。n由于網(wǎng)卡是插在計(jì)算機(jī)中，因此網(wǎng)卡上的硬件地址就可用來標(biāo)識插有該網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)。網(wǎng)卡從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個(gè)MAC幀就首先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址。如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進(jìn)行其他的處理

14、。否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他的處理。這樣就不浪費(fèi)主機(jī)的處理機(jī)和內(nèi)存資源。這里“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀： n單播幀（一對一），即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。n廣播幀（一對全體），即發(fā)送給所有站點(diǎn)的幀（全1地址）。n多播幀（一對多），即發(fā)送給一部分站點(diǎn)的幀。n所有的網(wǎng)卡都至少應(yīng)當(dāng)能夠識別前兩種幀，即能夠識別單播和廣播地址。有的網(wǎng)卡可用編程方法識別多播地址。當(dāng)操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，它就將網(wǎng)卡初始化，使網(wǎng)卡能夠識別某些多播地址。2.MAC幀格式nMAC層從LLC層接收一塊數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的媒體訪問控制，然后把數(shù)據(jù)傳輸出去。和其他協(xié)議層一樣，MAC層會組裝一個(gè)MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU

15、）,這個(gè)PDU又叫做MAC幀。MAC PDU分為MAC控制字段、目的MAC地址、源MAC地址、LLC字段和循環(huán)校驗(yàn)字段CRC。MAC控制 目的MAC地址源MAC幀地址LLCCRC5.2 局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方法n介質(zhì)訪問控制方式指如何控制信號在介質(zhì)上傳輸，常用的有CSMA/CD、令牌環(huán)、令牌總線等。5.2.1 CSMA/CD和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)n在總線型/樹型和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣的介質(zhì)訪問控制技術(shù)是載波監(jiān)聽多路訪問和碰撞檢測（CSMA/CD），CSMA/CD是一種總線爭用協(xié)議，由ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議發(fā)展而來。為說明CSMA/CD的機(jī)理，先介紹ALOHA和CSMA。 1.ALOH

16、A協(xié)議n70年代，美國夏威夷大學(xué)設(shè)計(jì)了一種巧妙地解決信道分配問題的新算法。這項(xiàng)成果被稱為ALOHA系統(tǒng)。該系統(tǒng)最初是用于基于地面的無線廣播通信。其工作原理很簡單：n每一個(gè)站只要有數(shù)據(jù)要發(fā)送,就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上。如果一個(gè)站在整個(gè)發(fā)送過程中,沒有其它站發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送便成功。如果一個(gè)站在發(fā)送時(shí),正好有其它站在發(fā)送數(shù)據(jù),或者在發(fā)送過程中有另一站發(fā)送數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生沖突。結(jié)果,使沖突各站所發(fā)的幀出錯(cuò),必須重發(fā)。但重發(fā)時(shí),各站在發(fā)送時(shí)間上應(yīng)互相錯(cuò)開,即等待一段隨機(jī)時(shí)間再重發(fā)。若又發(fā)生沖突,則再等待一段隨機(jī)時(shí)間重發(fā),直到重發(fā)成功為止。由于這種純ALOHA協(xié)議的隨意性，各站沖突機(jī)會很大，導(dǎo)致效率低下，其吞吐

17、量不足18%。n一種改進(jìn)的方案稱為時(shí)隙ALOHA，其發(fā)送方法將信道劃分為等長的時(shí)間片(Time Slot)。時(shí)間片的長度等于數(shù)據(jù)幀到達(dá)目的地的最大時(shí)延，要求每一幀只能在時(shí)間片開始時(shí)傳輸，所有的站在時(shí)間上同步起來。如果兩個(gè)站發(fā)送的信息產(chǎn)生在不同的時(shí)隙，則不會產(chǎn)生沖突。這樣就減少了因兩幀部分重疊引起的沖突。這時(shí)如果在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)有兩個(gè)以上的幀發(fā)送,那就會完全重疊而產(chǎn)生沖突。產(chǎn)生沖突后，分別延遲隨機(jī)個(gè)數(shù)的時(shí)間片后重發(fā),直至發(fā)送成功。這樣減少了沖突機(jī)會，其信道的吞吐量提高到37%。2.載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議CSMAnCSMA(Carries Sense Multiple Access)稱為載波監(jiān)聽多路訪

18、問,是對ALOHA協(xié)議的一種改進(jìn)協(xié)議。也叫做先聽后講（LBT），其工作原理是：即每個(gè)站在發(fā)送幀之前首先監(jiān)聽信道上是否有其他站點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù),如果信道空閑，該站點(diǎn)便可傳輸數(shù)據(jù)；否則，該站點(diǎn)將暫不發(fā)送數(shù)據(jù)，而是避讓一段時(shí)間后再做嘗試。這就需要有一種退避算法來決定避讓的時(shí)間，根據(jù)監(jiān)聽后的策略,有三種不同的協(xié)議。即:1堅(jiān)持型、非堅(jiān)持型、P堅(jiān)持型。 堅(jiān)持型算法（堅(jiān)持型算法（1-堅(jiān)持算法）堅(jiān)持算法）n當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先監(jiān)聽信道，看是否有其他站點(diǎn)正在傳送數(shù)據(jù)。如果信道正忙，則繼續(xù)監(jiān)聽，直至檢測到信道是空閑，立即發(fā)送。如果有沖突，則等待一隨機(jī)量的時(shí)間，然后重新開始。若兩個(gè)站同時(shí)監(jiān)聽到信道空閑，立即

19、發(fā)送，必定沖突，即沖突概率是1，故稱之為1-堅(jiān)持算法。堅(jiān)持算法。n這種算法的優(yōu)點(diǎn)是：只要媒體空閑，站點(diǎn)就立即可發(fā)送，避免了媒體利用率的損失；其缺點(diǎn)是：假若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免。非堅(jiān)持算法非堅(jiān)持算法n在該協(xié)議中，站點(diǎn)比較“理智”，不像第一種協(xié)議那樣“貪婪”，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，站點(diǎn)也會監(jiān)聽信道的狀態(tài)，如果信道是空閑的，它就開始發(fā)送。如果信道正忙，該站點(diǎn)將不再繼續(xù)監(jiān)聽，則等待一隨機(jī)的時(shí)間，再重復(fù)上述過程。n采用隨機(jī)的重發(fā)延遲時(shí)間可以減少沖突發(fā)生的可能性。其缺點(diǎn)是很可能在再次監(jiān)聽之前信道已空閑了，從而產(chǎn)生了浪費(fèi)。P-堅(jiān)持算法堅(jiān)持算法n這種方式適合于時(shí)隙信道，其工作過程如下：當(dāng)

20、一個(gè)站點(diǎn)要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先監(jiān)聽信道，如果檢測到信道是空閑，則以P的概率發(fā)送，而以（1-P）的概率推遲到下一個(gè)時(shí)隙。一個(gè)時(shí)間單位通常等于最大傳播時(shí)延的2倍。如果該站檢測到信道忙，則等到下一個(gè)時(shí)隙再重復(fù)上述過程。直到發(fā)送成功或另外一站開始發(fā)送為止。nP-堅(jiān)持算法是一種既能像非堅(jiān)持算法那樣減少沖突，又能像1-堅(jiān)持算法那樣減少媒體空閑時(shí)間的折中方案。問題在于如何選擇P的值，這要考慮到避免重負(fù)載下系統(tǒng)處于的不穩(wěn)定狀態(tài)。假如媒體是忙時(shí)，有N個(gè)站有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，一旦當(dāng)前的發(fā)送完成時(shí)，將要試圖傳輸?shù)恼镜目偲谕麛?shù)為NP。如果選擇P過大，使NP1，表明有多個(gè)站點(diǎn)試圖發(fā)送，沖突就不可避免。最壞的情況是，隨著沖突概

21、率的不斷增大，而使吞吐量降低到零。所以必須選擇適當(dāng)P值使NP1。當(dāng)然P值選得過小，則媒體利用率又會大大降低。3.CSMA/CD介質(zhì)訪問控制n在CSMA中，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前要進(jìn)行監(jiān)聽，所以減少了沖突的機(jī)會。但由于信道傳播時(shí)延的存在，即使總線上兩個(gè)站點(diǎn)沒有監(jiān)聽到載波信號而發(fā)送幀時(shí)，仍可能會發(fā)生沖突。例如，其中一個(gè)先發(fā)送信息，由于傳送時(shí)延使另一個(gè)站點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)信道是空閑的，于是也發(fā)送信息，結(jié)果兩個(gè)站點(diǎn)的信息在途中沖突，但兩個(gè)站均不知道，一直要將余下的部分發(fā)送完，等到有錯(cuò)再重新發(fā)送，使總線的利用率降低。nCSMA/CD(Carries Sense Multiple Access/Collision Dete

22、ction)稱為載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測,是對CSMA的改進(jìn)方案,增加了稱為沖突檢測的功能。當(dāng)幀開始發(fā)送后,就檢測有無沖突發(fā)生,稱為邊發(fā)邊聽。如果檢測到?jīng)_突發(fā)生,則沖突各方就必須停止發(fā)送。n發(fā)送站點(diǎn)傳輸過程中仍繼續(xù)監(jiān)聽信道，以檢測是否存在沖突。如果發(fā)生沖突，信道上可以檢測到超過發(fā)送站點(diǎn)本身發(fā)送的載波信號的幅度，由此判斷出沖突的存在。一旦檢測到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串阻塞信號，用以通知總線上其它各有關(guān)站點(diǎn)。這樣，通道容量就不致因白白傳送已受損的幀而浪費(fèi)，可以提高總線的利用率。這種方案稱做載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測協(xié)議，簡寫為CSMA/CD，這種協(xié)議已廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中。（1）CS

23、MA/CD的思想nCSMA/CD是一種采用爭用的方法來決定對媒體訪問權(quán)的協(xié)議，這種爭用協(xié)議只適用于邏輯上屬于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)， CSMA/CD 是廣播式局域網(wǎng)中最著名的介質(zhì)訪問協(xié)議。 先聽后說：n所謂載波偵聽，就是指通信設(shè)備在準(zhǔn)備發(fā)送信息之前，偵聽通信介質(zhì)上是否有載波信號。若有，表示通信介質(zhì)當(dāng)前被其他通信設(shè)備占用，應(yīng)該等待；否則，表示通信介質(zhì)當(dāng)前處于空閑狀態(tài)，可以立即向其發(fā)送信息。所謂多路訪問，就是說明是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接于總線上，即多個(gè)通信設(shè)備共享同一通信介質(zhì)。由此可知，是通信節(jié)點(diǎn)競爭對通信媒體的使用。其特點(diǎn)可簡單地概括為“先聽后說” LBT（Listen

24、Before Talk）。邊說邊聽：n多個(gè)通信設(shè)備同時(shí)偵聽到介質(zhì)空閑而一起發(fā)送信息，這樣，通信介質(zhì)上必然會產(chǎn)生信息沖突（碰撞）。沖突檢測（CD）的思想是：通信設(shè)備在發(fā)送和傳輸信息的過程中偵聽通信介質(zhì)，如果發(fā)現(xiàn)通信介質(zhì)上出現(xiàn)沖突，則立即停止信息的發(fā)送。強(qiáng)化碰撞：n為了使每個(gè)站都盡可能早地知道是否發(fā)生了碰撞，還采取一種強(qiáng)化碰撞措施，就是當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要發(fā)送一阻塞信息以加強(qiáng)沖突，使正在發(fā)送信息的其他通信設(shè)備都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。n延遲一隨機(jī)時(shí)間，重復(fù)這一過程，直到某一極限值（一般為16）時(shí)，放棄這項(xiàng)信息的發(fā)送。（2）介質(zhì)忙/閑的載波偵聽與沖突檢測技術(shù)

25、n在CSMA/CD中，通過檢測總線上的信號存在與否來實(shí)現(xiàn)載波監(jiān)聽。沖突檢測是指計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)，收發(fā)器同時(shí)檢測信道上電壓的大小，如果發(fā)生沖突，總線上的信號電壓擺動(dòng)值將會增大（互相疊加），超過一定的門限值時(shí)，表明產(chǎn)生了碰撞。在發(fā)生碰撞時(shí)，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。因此，一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。（3）CSMA/CD中的時(shí)延nCSMA/CD的代價(jià)是用于檢測沖突所花費(fèi)的時(shí)間。對于基帶總線而言，最壞情況下用于檢測一個(gè)沖突的時(shí)間等于任意兩個(gè)站之間傳播時(shí)延的兩倍。從一個(gè)站點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)站點(diǎn)開始接收數(shù)據(jù)

26、，也即載波信號從一端傳播到另一端所需的時(shí)間，稱為信號傳播時(shí)延。信號傳播時(shí)延（s）=兩站點(diǎn)的距離（m）/信號傳播速度（200m/s）。 圖5-6 CSMA/CD中的延遲4.退避算法n在CSMA/CD算法中，一旦檢測到?jīng)_突并發(fā)完阻塞信號后，為了降低再次沖突的概率，需要等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，然后再使用CSMA方法試圖傳輸。為了保證這種退避操作維持穩(wěn)定，延遲時(shí)間采用一種稱為二進(jìn)制指數(shù)退避算法，其規(guī)則如下：n（1）發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，不是立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是推遲一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間。這樣做是為了推遲重傳而再次發(fā)生沖突的概率減小。n（2）定一個(gè)基本的推遲時(shí)間，一般為兩倍的傳輸延遲2t。n（3）定義一個(gè)參數(shù)K

27、，K=min重傳次數(shù)，10。n（4）離散的整數(shù)集合0，1，2，3，2k-1中隨機(jī)取一個(gè)數(shù)r，重傳需推遲的時(shí)間為T=r.2t。n（5）重傳16次仍不成功時(shí)，丟棄該幀，向高層報(bào)告5.2.2 令牌總線訪問控制和IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)n1.令牌總線結(jié)構(gòu)n最長等待時(shí)間可知的一個(gè)簡單系統(tǒng)是環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)中各站點(diǎn)依次發(fā)送幀。如果共有幾個(gè)站，每站發(fā)送一幀需要T秒，任一幀獲得發(fā)送機(jī)會的等待時(shí)間不會超過NT秒。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是802.4標(biāo)準(zhǔn)，它被稱為令牌總線（Token bus）網(wǎng)。n令牌總線介質(zhì)訪問方法是在綜合兩種介質(zhì)訪問優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上形成的一種介質(zhì)訪問方法,即將令牌訪問方法應(yīng)用在總線型網(wǎng)絡(luò)中。n實(shí)現(xiàn)辦法是將總線上各站點(diǎn)組成

28、邏輯環(huán): 在物理結(jié)構(gòu)上它是一個(gè)總線結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)，但是在邏輯結(jié)構(gòu)上，又成了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。和令牌環(huán)一樣，站點(diǎn)只有取得令牌，才能發(fā)送幀，而令牌在邏輯環(huán)上依次循環(huán)傳遞。n在令牌總線網(wǎng)中，令牌的傳遞次序與環(huán)型不同；在環(huán)網(wǎng)上是沿物理上靠近的站點(diǎn)傳，在令牌總線上傳遞的次序與總線上物理位置無關(guān)，而是沿邏輯環(huán)上的順序傳送的。如圖5-7所示:圖5-7 令牌總線結(jié)構(gòu)2.令牌總線的特點(diǎn)n（1）不可能產(chǎn)生沖突。n（2）站點(diǎn)有公平的訪問權(quán)。n（3）每個(gè)站點(diǎn)傳輸之前必須等待的時(shí)間總量總是“確定”的。3.令牌總線的操作n（1）環(huán)初始化：即生成一個(gè)順序訪問的次序。n（2）令牌傳遞算法：邏輯環(huán)按遞減的站地址次序組成，剛發(fā)完

29、幀的站點(diǎn)將令牌傳遞給后繼站，后繼站應(yīng)立即發(fā)送數(shù)據(jù)或令牌幀，原先釋放令牌的站監(jiān)聽到總線上的信號，便可確認(rèn)后繼站已獲得令牌。n（3）站插入環(huán)算法：必須周期性地給未加入環(huán)的站點(diǎn)以機(jī)會，將它們插入到邏輯環(huán)的適當(dāng)位置中。如果同時(shí)有幾個(gè)站要插入時(shí)，可采用帶有響應(yīng)窗口的爭用處理算法。n（4）站退出環(huán)算法：可以通過將其前趨站和后繼站連到一起的辦法，使不活動(dòng)的站退出邏輯環(huán)，并修正邏輯環(huán)遞減的站地址次序。n（5）故障處理：網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，這包括令牌丟失引起斷環(huán)，重復(fù)地址等。網(wǎng)絡(luò)需對這些故障做出相應(yīng)的處理。4.令牌總線介質(zhì)訪問方法的優(yōu)缺點(diǎn):n（1）優(yōu)點(diǎn):n無沖突、信道利用率高：它可以傳遞很短的幀，傳遞速率快；各站

30、點(diǎn)有公平訪問權(quán)：各站點(diǎn)取得令牌時(shí)間固定，適用于實(shí)時(shí)過程控制；比令牌環(huán)延遲時(shí)間短：因?yàn)榱钆骗h(huán)傳送報(bào)文必須按環(huán)路進(jìn)行，而邏輯環(huán)有直接通路。n（2）缺點(diǎn):算法復(fù)雜。5.2.3 令牌環(huán)（Token Ring）訪問控制IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)n令牌環(huán)是由環(huán)接口及一段點(diǎn)點(diǎn)鏈路連接而成的環(huán),工作站連接到環(huán)接口上。介質(zhì)是共享的但非廣播的。環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-8所示。1.令牌環(huán)的工作原理n（1）環(huán)初始化（建立一邏輯環(huán)），然后產(chǎn)生一空令牌，在環(huán)上流動(dòng)。n（2）希望發(fā)送數(shù)據(jù)的站等待，直到它檢測 到下一個(gè)空令牌的到來。n（3）發(fā)送站拿到空令牌后，將其置為忙狀態(tài)，同時(shí)在忙令牌的后面發(fā)送數(shù)據(jù)。n（4）當(dāng)令牌“忙”時(shí)，由

31、于網(wǎng)上無空令牌，想發(fā)送數(shù)據(jù)的站必須等待。n（5）數(shù)據(jù)經(jīng)環(huán)傳遞時(shí)，各站將其目的地址和本站地址比較，相符則接收同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)；否則只轉(zhuǎn)發(fā)。n（6）發(fā)送數(shù)據(jù)沿環(huán)循環(huán)一周再回到發(fā)送站，由發(fā)送站將該幀從環(huán)上移去，同時(shí)釋放令牌（將其狀態(tài)改為“閑”）發(fā)往下一站。2環(huán)接口n環(huán)接口又稱轉(zhuǎn)發(fā)器，是令牌環(huán)型網(wǎng)的主要部件。環(huán)接口的主要功能是收發(fā)信息，識別和產(chǎn)生令牌、插零刪零、識別地址、進(jìn)行CRC校驗(yàn)等。n環(huán)接口有兩種工作方式：監(jiān)聽方式和發(fā)送方式。在監(jiān)聽方式下，環(huán)接口一方面將進(jìn)入的比特流轉(zhuǎn)發(fā)出去，同時(shí)檢測幀中地址是否為本站地址。如果是就將幀復(fù)制到接收緩沖區(qū)。有數(shù)據(jù)要發(fā)送的站還要監(jiān)聽空令牌的到來。進(jìn)入發(fā)送方式后，該站將空令牌變

32、為忙令牌，將發(fā)送緩沖區(qū)中準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)送到環(huán)上去，當(dāng)發(fā)送的幀回收并產(chǎn)生新的令牌后立即轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)聽方式。如圖5-9。圖5-9 環(huán)接口5.3 傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)n 以太網(wǎng)是由Xerox公司于70年代開發(fā)的一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)，使用同軸電纜（粗纜）作為網(wǎng)絡(luò)媒體，采用CSMA/CD機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10Mbps。但是如今以太網(wǎng)一詞被用來指各種采用CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)。而IEEE802.3規(guī)范則是基于最初的以太網(wǎng)技術(shù)于1980年制定的。以太網(wǎng)版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)，與IEEE802.3規(guī)范相互兼容。5.3.1 粗纜以

33、太網(wǎng)n最初的以太網(wǎng)布線方案10BASE-5，被非正式地稱為粗纜以太網(wǎng)（thick wire Ethernet），因?yàn)槠渫ㄐ沤橘|(zhì)是一根大的同軸電纜，每隔2.5m一個(gè)標(biāo)志，標(biāo)明分接頭插入處。連接處通常采用插入式分接頭（vampire tap），將其觸針小心地插入到同軸電纜的內(nèi)芯。 10BASE-5表示的意思是：工作速率為10Mb/s，采用基帶信號，最大支持的網(wǎng)段長為500m。n粗網(wǎng)使用的網(wǎng)卡不包括模擬硬件，也不處理模擬信號。例如，網(wǎng)卡不檢測載波信號，不把位串轉(zhuǎn)換成適合傳輸?shù)南鄳?yīng)的電平，也不把傳入的信號轉(zhuǎn)換成位串。作為替代，處理這些事情的模擬硬件是一種叫做收發(fā)器（ transceiver）的獨(dú)立設(shè)備

34、。每臺計(jì)算機(jī)需要一個(gè)收發(fā)器。從物理上講，收發(fā)器直接連接到以太網(wǎng)上，電纜連接收發(fā)器與計(jì)算機(jī)中的網(wǎng)卡。這樣，收發(fā)器總是遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)。例如，在辦公樓里收發(fā)器可能連接鋪設(shè)在過道天花板中的以太網(wǎng)上。把NIC連接到收發(fā)器的電纜被稱為連接單元接口（ Attachment Unit Interface，A U I）電纜，NIC和收發(fā)器上的連接器被稱為AUI連接器。如圖5-10：n收發(fā)器的功能如下：n（1）從計(jì)算機(jī)經(jīng)收發(fā)器電纜得到數(shù)據(jù)向同軸電纜發(fā)送，或反過來，從同軸電纜接收數(shù)據(jù)經(jīng)收發(fā)器電纜送給計(jì)算機(jī)。n（2）檢測在同軸電纜上發(fā)生的數(shù)據(jù)幀的碰撞。n（3）在同軸電纜和電纜接口的電子設(shè)備之間進(jìn)行電氣隔離。n（4）當(dāng)收發(fā)

35、器或所連接的計(jì)算機(jī)出故障時(shí)，保護(hù)同軸電纜不受影響。n對同軸電纜的長度要加以限制。這是因?yàn)樾盘栄乜偩€傳播時(shí)必然產(chǎn)生衰減。若總線太長，則經(jīng)總線傳播時(shí)的信號將會衰減變得很弱，以致影響載波監(jiān)聽和碰撞檢測的正常工作。因此，以太網(wǎng)所用的這種同軸電纜的最大長度被限制為500m。若實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需要跨越更長的距離，就必須采用轉(zhuǎn)發(fā)器（Repeater）將信號放大整形后再轉(zhuǎn)發(fā)出去。5.3.2細(xì)纜以太網(wǎng)線n很多硬件允許以太網(wǎng)使用比最初的粗纜更細(xì)、更柔軟的同軸電纜。這種正式名稱為10BASE-2，并且非正式名稱為細(xì)纜以太網(wǎng)（ thin wire Ethernet）。10BASE-2表示的意思是：工作速率為10Mb/s,采用

36、基帶信號，最大支持的網(wǎng)段長為185m。 布線方案與粗網(wǎng)布線方案相比有三個(gè)主要的不同點(diǎn)：n（1）細(xì)纜通常在安裝與運(yùn)行方面比粗網(wǎng)要便宜。n（2）因?yàn)橥瓿墒瞻l(fā)器功能的硬件被做在網(wǎng)卡內(nèi)，所以不需要外部收發(fā)器。n（3）細(xì)纜不使用AUI電纜來連接網(wǎng)卡與通信介質(zhì)，而是使用一個(gè)BNC連接器（BNC connector）直接連接到每臺計(jì)算機(jī)的后部。在細(xì)網(wǎng)的安裝過程中，同軸電纜在每對機(jī)器之間延伸。電纜不需要拉成直線，它可以松散地鋪設(shè)在計(jì)算機(jī)之間的桌子上、地板下面或者管道里。 圖5-11說明細(xì)纜的布線方案。 5.3.3雙絞線以太網(wǎng)n以太網(wǎng)布線方案的第三種類型表明了供應(yīng)商是如何發(fā)明一種新的布線方案而導(dǎo)致了一種未預(yù)期的

37、物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第三種類型與粗纜及細(xì)纜以太網(wǎng)區(qū)別很大，這種方案的正式名稱是10BASE-T，但它通常被稱為雙絞線以太網(wǎng)（ twisted pair Ethernet ），或簡稱T P以太網(wǎng)（ TP Ethernet）。已經(jīng)成為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10BASE-T根本不使用同軸電纜。事實(shí)上， 10BASE-T以太網(wǎng)并沒有像其他布線方案那樣的共享物理介質(zhì)，相反地，10BASE-T擴(kuò)展了連接多路復(fù)用的思想：以一個(gè)電子設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的中心。這個(gè)電子設(shè)備叫做以太網(wǎng)集線器（ Ethernet Hub）。像其他布線方案一樣，10BASE-T要求每臺計(jì)算機(jī)都有一塊網(wǎng)絡(luò)接口卡和一條從網(wǎng)卡到集線器的直接連接。這一連接使用雙絞

38、線和RJ-45連接器。連接器的一端插入計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡中，另一端插入集線器。這樣，每臺計(jì)算機(jī)到集線器都有一條專用連接，并且不用同軸電纜。 圖5-12表明了10BASE-T布線方案。n集線器技術(shù)是連接多路復(fù)用器概念的擴(kuò)展。集線器中的電子部件模擬物理電纜，使整個(gè)系統(tǒng)像一個(gè)傳統(tǒng)以太網(wǎng)一樣運(yùn)行。例如，連接在集線器上的計(jì)算機(jī)必須有一個(gè)物理以太網(wǎng)地址；每臺計(jì)算機(jī)必須使用CSMA/CD來取得網(wǎng)絡(luò)控制及標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式。事實(shí)上，軟件并不區(qū)分粗纜以太網(wǎng)、細(xì)纜以太網(wǎng)及10Base-T，網(wǎng)絡(luò)接口負(fù)責(zé)處理細(xì)節(jié)以及屏蔽任何不同點(diǎn)。盡管所有集線器都能容納多臺計(jì)算機(jī)，但集線器還是有許多種尺寸。一個(gè)典型的小型集線器有4或5個(gè)端口

39、，每個(gè)端口都能接入一條連接。這樣，一個(gè)集線器足以在一個(gè)小組中連接所有計(jì)算機(jī)（如在一個(gè)部門中）。較大的集線器能容納幾百條連接。集線器的特點(diǎn)如下：n（1）表面上看，使用集線器的局域網(wǎng)在物理上是一個(gè)星形網(wǎng)，但由于集線器是使用電子器件來模擬實(shí)際電纜線的工作，因此整個(gè)系統(tǒng)仍然像一個(gè)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)那樣運(yùn)行。也就是說，使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個(gè)總線網(wǎng)，各工作站使用的還是CSMA/CD協(xié)議，并共享邏輯上的總線。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)計(jì)算機(jī)必須競爭對傳輸媒體的控制，并且在一個(gè)特定時(shí)間至多只有一臺計(jì)算機(jī)能夠發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，這種10BASE-T以太網(wǎng)又稱為星形總線（star-shaper bus）。 n（2）一個(gè)集線器

40、有許多端口，每個(gè)端口通過RJ-45插頭用兩對雙絞線與一個(gè)工作站上的網(wǎng)卡相連。因此，一個(gè)集線器很像一個(gè)多端口的轉(zhuǎn)發(fā)器。n（3）集線器和轉(zhuǎn)發(fā)器都是工作在物理層，它的每個(gè)端口都具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能。當(dāng)集線器的某個(gè)端口接收到工作站發(fā)來的比特時(shí)，就簡單地將該比特向所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)。若兩個(gè)端口同時(shí)有信號輸入（即發(fā)生碰撞），那么所有的端口都收不到正確的幀。n（4）集線器采用了專門的芯片，進(jìn)行自適應(yīng)串音回波抵消。這樣就可使端口轉(zhuǎn)發(fā)出去的較強(qiáng)信號不至于對該端口接收到的較弱信號產(chǎn)生干擾。每個(gè)比特在轉(zhuǎn)發(fā)之前還要進(jìn)行再生整形并重新定時(shí)。5.3.4三種布線方案的比較名稱名稱電纜電纜最大網(wǎng)段長最大網(wǎng)段長度度節(jié)點(diǎn)數(shù)節(jié)點(diǎn)

41、數(shù)/段段優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)10BASE-5粗同軸電纜500m100用于主干很好10BASE-2細(xì)同軸電纜200m30最便宜的系統(tǒng)10BASE-T雙絞線100m1024易于維護(hù)5.4交換式以太網(wǎng)n由于傳統(tǒng)共享媒體局域網(wǎng)的共享特性（在一時(shí)間段，只有一臺機(jī)器有權(quán)發(fā)送信息），網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效率隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加和應(yīng)用的深入而大大降低。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中，共享式局域網(wǎng)確實(shí)提供足夠的帶寬。而隨著網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的發(fā)展，共享式局域網(wǎng)就無法提供網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所需的帶寬。為了得到更高的網(wǎng)絡(luò)效率，人們只有增加更多的路由器，劃分更多的子網(wǎng)段，使網(wǎng)絡(luò)的投資和管理成本都急劇上升。將交換技術(shù)引入局域網(wǎng)，可以使局域網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)并行地、安

42、全地、同時(shí)地相互傳送信息，且交換以太網(wǎng)的帶寬可以隨著網(wǎng)絡(luò)用戶的增加而擴(kuò)充，較好地解決局域網(wǎng)的帶寬問題。n傳統(tǒng)式的以太網(wǎng)采用CSMA/CD技術(shù)，共享一個(gè)10M的總線、集中器等，用一種廣播形式來傳遞數(shù)據(jù)，每一個(gè)工作站能接收來自所有其他站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但是不能有兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則會發(fā)生碰撞，一旦發(fā)生碰撞，兩個(gè)站點(diǎn)都停止發(fā)送，并且等待一定的時(shí)間后重新采用CSMA/CD有關(guān)規(guī)則來發(fā)送數(shù)據(jù)。n交換式以太網(wǎng)的核心設(shè)備是交換式集線器，交換式集線器又叫以太網(wǎng)交換機(jī)，通常有十幾個(gè)端口。因此，以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)多端口的網(wǎng)橋，工作在數(shù)據(jù)鏈路層。此外，以太網(wǎng)交換機(jī)的每個(gè)端口都直接與主機(jī)相連，工作在全雙工方式

43、。當(dāng)主機(jī)需要通信時(shí)，交換機(jī)能同時(shí)連通許多對端口，每一對相互通信的主機(jī)都像獨(dú)占通信媒體那樣，進(jìn)行無碰撞地傳輸數(shù)據(jù)，通信完成后就斷開連接。以太網(wǎng)交換機(jī)由于使用了專用的交換機(jī)芯片，因此其交換速率較高。n對于普通10Mb/s的共享式以太網(wǎng)，若共有N個(gè)用戶，則每個(gè)用戶占有的平均帶寬只有總帶寬（10Mb/s）的N 分之一。在使用以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)，雖然在每個(gè)端口到主機(jī)的數(shù)據(jù)率還是10Mb/s，但由于一個(gè)用戶在通信時(shí)是獨(dú)占而不是和其他網(wǎng)絡(luò)用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此擁有N對端口的交換機(jī)的總?cè)萘繛镹10Mb/s。這正是交換機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)。n數(shù)據(jù)速率為10Mb/s的共享式以太網(wǎng)，10個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用的平

44、均傳輸速率為1Mb/s。16端口的以太網(wǎng)交換機(jī)（2個(gè)100Mb/s，14個(gè)10Mb/s），進(jìn)行通信時(shí)，總?cè)萘繛椋海?100 + 1410）Mb/s。n共享式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)到交換式以太網(wǎng)時(shí)，所有的接入設(shè)備（軟件、硬件、網(wǎng)卡等）都不需要做任何改動(dòng)，也就是說，所有的接入設(shè)備繼續(xù)使用CSMA/CD協(xié)議。此外，只要增加集線器的容量，整個(gè)系統(tǒng)的容量是很容易擴(kuò)充的。n交換以太網(wǎng)采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)或直通(Cut-Through)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息幀的轉(zhuǎn)發(fā)。存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)是將需發(fā)送的信息幀完全接收到并存放到輸入緩存后再發(fā)送至目的端口，而直通技術(shù)是在接收到信息幀時(shí)和交換式集線器中的目的地址表相比較，查找到目的地址后就直接將信息

45、幀發(fā)送到目的端口。5.5虛擬局域網(wǎng)VLANn虛擬局域網(wǎng)是物理局域網(wǎng)虛擬化的結(jié)果。虛擬化就是把局域網(wǎng)的成員(主機(jī)、網(wǎng)橋/交換機(jī))按照一定分組規(guī)則劃分到不同的集合中，每一個(gè)集合就是一個(gè)VLAN。n為了討論上的方便，我們把前面介紹的局域網(wǎng)稱為物理LAN。VLAN與物理LAN之間的關(guān)系如圖5-15所示。VLAN與物理LAN的區(qū)別包括：n(1）位于不同物理LAN中的主機(jī)可以屬于同一個(gè)VLAN中，而位于同一個(gè)物理LAN的主機(jī)可以屬于不同的VLAN中。n（2）同一VLAN中的不同物理LAN上的主機(jī)可以直接通信，而位于同一物理LAN的屬于不同VLAN的主機(jī)不能直接通信。5.5.1為什么要?jiǎng)澐諺LANnVLAN

46、的引入出于以下原因：n（1）安全管理方面的需要： n（2）節(jié)省布線成本的需要： n（3）VLAN可以限制LAN中的廣播通信量： 5.5.2 VLAN的主要類型n從概念上講，可以根據(jù)各種分組規(guī)則劃分VLAN。但是，得到實(shí)際應(yīng)用的分組規(guī)則包括三個(gè)，即基于端口分類、基于MAC地址分類和基于IP地址分類。1.基于端口的VLANn如果根據(jù)LAN成員位于的交換機(jī)的端口進(jìn)行分組，這樣得到的VLAN稱為基于端口的VLAN(Port Based)。2.基于MAC地址的VLANn如果根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址進(jìn)行分組，這樣得到的VLAN稱為基于MAC地址的VLAN。 3.基于IP地址的VLANn如果根據(jù)與計(jì)算

47、機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口卡關(guān)聯(lián)的IP地址進(jìn)行分組，這樣得到的VLAN稱為基于IP地址的VLAN。 VLAN的成員關(guān)系如下表5-2所示。端口12345678VIDxxyxyyyyMAC地址ABCDEFGHVIDxxxyxyyy(b)基于MAC 地址的VMIBn(a)基于端口VLAN的VMIB(c)基于IP地址的VMIBIP地址10.1.1.110.1.1.220.1.1.120.1.1.230.1.1.130.1.1.230.1.1.330.1.1.4VIDxxxxyyyy5.5.3 VLAN的主要標(biāo)準(zhǔn)n主要的VLAN標(biāo)準(zhǔn)化組織是IEEE，它制定的與VLAN相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE802.1D、IEEE802.

48、10、IEEE802.1p和IEEE802.1Q。我們主要介紹與VLAN關(guān)系比較密切的IEEE802.1p和IEEE802.1Q。1.IEEE 802.1pnIEEE802.1p標(biāo)準(zhǔn)對以下方面的問題提出規(guī)范，即用戶優(yōu)先權(quán)、VLAN成員關(guān)系和端口模式。n(1)用戶優(yōu)先權(quán)n具有不同延時(shí)、吞吐率要求的幀被分配了不同的優(yōu)先級別。優(yōu)先權(quán)決定幀在輸出端口緩沖隊(duì)列中的先后，換句話說，優(yōu)先級高的用戶數(shù)據(jù)被優(yōu)先發(fā)送。n(2)VLAN成員關(guān)系nIEEE802.1p定義了組地址解析協(xié)議(Group Address Resolution Protocol，GARP)。GARP的作用是管理VLAN成員關(guān)系，例如注冊成員

49、關(guān)系和發(fā)布成員關(guān)系。n(3)端口模式n模式1：端口工作在該模式時(shí)，端口不對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，到所有目的地址的幀都會被端口轉(zhuǎn)發(fā)。n模式2：端口工作在該模式時(shí)，到所有未注冊地址的幀會被端口轉(zhuǎn)發(fā)。n模式3：端口工作在該模式時(shí)，到所有未注冊地址的幀被過濾。2.IEEE802.1QnIEEE802.1Q目的在于制定兼容各種專有VLAN的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)對以下方面的問題提出了規(guī)范，即端口規(guī)則、VLAN成員關(guān)系和VLAN幀格式。n(1)端口規(guī)則n入口規(guī)則：它規(guī)定當(dāng)幀進(jìn)入端口時(shí)，哪些幀被過濾掉。n出口規(guī)則：它規(guī)定當(dāng)幀離開端口時(shí)，哪些幀被過濾掉。(2)VLAN成員關(guān)系nIEEE802.1Q提出了V

50、LAN成員關(guān)系解析協(xié)議(VLAN Membership Resolution Protocol，VMRP)，用于定義VLAN成員關(guān)系。另外，VRMP還可以自動(dòng)配置端口規(guī)則。VMRP兼容IEEE802.1p定義的GARP。(3)VLAN幀格式nIEEE802.1Q定義了統(tǒng)一的在VLAN之間通信使用的幀格式，如圖5-19所示。5.5.4VLAN標(biāo)簽交換n前面講到，由于VLAN重新劃分了物理LAN成員的邏輯連接關(guān)系，因此，原來連接在一個(gè)交換機(jī)或處在一個(gè)IP子網(wǎng)的主機(jī)之間的通信受到了限制。VLAN成員之間的尋址不再簡單地按照橋接方式的MAC地址或是路由方式的IP地址進(jìn)行。VLAN幀在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備設(shè)備中

51、的轉(zhuǎn)發(fā)根據(jù)VLAN標(biāo)簽中的尋址結(jié)構(gòu)VID進(jìn)行，這就是VLAN標(biāo)簽交換的含義。VLAN標(biāo)簽交換n(1)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備要給物理LAN幀貼上標(biāo)簽。標(biāo)簽由IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。n(2)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備建立和維護(hù)VID與端口的關(guān)聯(lián)。VID與端口關(guān)聯(lián)由GARP/VRMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。n(3)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備根據(jù)VID與端口的關(guān)聯(lián)，把攜帶某個(gè)VID的VLAN幀從與該VID關(guān)聯(lián)的端口轉(zhuǎn)發(fā)。VLAN標(biāo)簽交換過程如圖5-20所示。當(dāng)目的主機(jī)與源主機(jī)不在同一個(gè)交換機(jī)時(shí)，例如圖5-21所示的情形。 5.5.5配置VLANn交換機(jī)給物理LAN幀貼標(biāo)簽根據(jù)的是VMIB，那么，VMIB是如何建立的呢？我們介紹3Com公司Supe

52、rStack Switch 3000 10/100交換機(jī)設(shè)置VMIB的過程。SuperStack Switch 3000 10/100是10Mbit/s與100Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)交換機(jī)，它在交換式局域網(wǎng)中應(yīng)用廣泛，在Switch 3000上設(shè)置VLAN具有一定的代表性。在Switch 3000上設(shè)置VLAN的過程n（1）第一個(gè)階段，首先由網(wǎng)絡(luò)管理員按照VLAN成員分組規(guī)則定義VLAN成員關(guān)系。VLAN成員分組規(guī)則是在網(wǎng)絡(luò)工程的設(shè)計(jì)工作中確定的。網(wǎng)絡(luò)管理員定義VLAN成員關(guān)系的工具是3Com Transcend Enterprise Manager for Windows軟件，安裝該軟件的

53、主機(jī)一般作為VLAN服務(wù)器，它保存了VLAN成員關(guān)系數(shù)據(jù)庫。（2）第二個(gè)階段n交換機(jī)通過與主機(jī)和VLAN服務(wù)器之間交換信息，自動(dòng)進(jìn)行VLAN設(shè)置。這個(gè)過程對用戶透明。n自動(dòng)選擇模式下設(shè)置基于MAC地址的VLAN過程的第二階段n第1步：交換機(jī)從活動(dòng)端口上獲得以太網(wǎng)工作站網(wǎng)卡的MAC地址(假設(shè)是08004e50e31)。開始時(shí)，該MAC地址尚未在交換機(jī)中VLAN成員登記表中登記，其對應(yīng)的VID字段為空，如圖5-22所示。5.5.6 設(shè)計(jì)VLANnVLAN設(shè)計(jì)的工作主要包括以下三個(gè)方面：n確定VLAN的類型n確定VLAN成員n規(guī)劃VLAN中的路由5.6高速局域網(wǎng)技術(shù)n快速以太網(wǎng)是一個(gè)新的IEEE局域

54、網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，于1995年由原來制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3工作組完成。它為現(xiàn)有廣大以太網(wǎng)用戶提供了一個(gè)平滑升級的方案。快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的正式名為100Base-T（由3COM、INTEL所組成的快速以太網(wǎng)聯(lián)盟所制定），由IEEE802.3u規(guī)范。另外由HP、AT&T和IBM所組成的100VG-AnyLAN論壇支持的100VG-AnyLAN采用請求優(yōu)先的介質(zhì)訪問方法，由IEEE802.12規(guī)范。 n為了支持各種類型的介質(zhì)，快速以太網(wǎng)提供了三種類型的發(fā)送接收器，兩種用于雙絞線（即100Base-T4：使用四對三類或四類或五類UTP；100Base-TX：使用兩對五類UTP或兩對阻抗為150歐姆的S

55、TP），一種用于光纖（即100Base-FX）。5.6.1 100Mb/s以太網(wǎng)n1.100BASE-T技術(shù)n100BASE-T又稱為快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet），它是使用10BASE-T的CSMA/CD媒體訪問控制方法在雙絞線上傳送100Mbps基帶信號的星形拓?fù)湟蕴W(wǎng)。n100BASE-T的網(wǎng)卡有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，能夠自動(dòng)識別10Mbps和100Mbps,所有在100BASE-T上的應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)軟件都可以保持不變。nIEEE于1995年正式通過了100BASE-T快速以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，即802.3u標(biāo)準(zhǔn)。100BASE-T規(guī)定了以下三種不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)，如表5-3所示。名稱名稱

56、傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)最大距離最大距離100Base-T43類（類（4類、類、5類）類）UTP100米米100Base-TX5類類UTP或或1類類STP100米米100Base-FX光纖光纖2000米米2. 100BASE-VG技術(shù)n100BASE-VG是一種使用集線器的100Mbps高速局域網(wǎng)，它的含義是指在語音級UTP電纜上進(jìn)行100Mbps速率傳輸，且適合于以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)，因此100BASE-VG也稱為100VG-AnyLAN，其中VG代表Voice Grade，而Any則表示能使用多種傳輸媒體。100BASE-VG常簡寫為100VG，它的IEEE標(biāo)準(zhǔn)為802.12。5.6.2 1000Mb

57、/s以太網(wǎng)nIEEE在1997年通過了關(guān)于吉比以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)802.3z，并在1998年將其定為正式標(biāo)準(zhǔn)。n吉比特以太網(wǎng)仍使用原有以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)、幀長及CSMA/CD協(xié)議，僅在底層將數(shù)據(jù)速率提高到了1Gbps，因此與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及快速以太網(wǎng)兼容。吉比特以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)802.3z考慮以下幾個(gè)要點(diǎn)：n（1）允許在1Gbit/s下全雙工和半雙工兩種方式工作。n（2）使用802.3協(xié)議規(guī)定的幀格式。n（3）在半雙工方式下使用CSMA/CD協(xié)議（全雙工方式不需要使用CSMA/CD協(xié)議）。n（4）在10BASE-T和100BASE-T技術(shù)向后兼容。n吉比特以太網(wǎng)的物理層使用兩種成熟的技術(shù)：一種來自現(xiàn)有的以太網(wǎng)，

58、另一種則是ANSI制定的光纖通道。采用成熟技術(shù)就能大大縮短吉比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)時(shí)間。n吉比特以太網(wǎng)的物理層包括兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。n1.1000BASE-X（802.3z標(biāo)準(zhǔn)） n2.1000BASE-T（802.3ab標(biāo)準(zhǔn)）5.6.3 10吉比特以太網(wǎng)n就在吉比以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3z通過后不久，在1999年3月，IEEE成立了高速研究組HSSG（High speed Study Group），其任務(wù)是致力于10 吉比以太網(wǎng)的研究。10吉比以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.3ae委員會進(jìn)行制定，10吉比以太網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)在2002年完成。10吉比以太網(wǎng)又叫萬兆以太網(wǎng)。n10吉比以太網(wǎng)并非將吉比以太網(wǎng)的速率簡

59、單地提高到10倍，這里有許多技術(shù)上的問題要解決。 n10吉比以太網(wǎng)的幀格式于10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s以太網(wǎng)的幀格式完全相同。10吉比以太網(wǎng)還保留了802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小和最大幀長。這就使用戶在將其已有的以太網(wǎng)進(jìn)行升級時(shí)，仍能和較低速率的以太網(wǎng)很方便地通信。n由于數(shù)據(jù)速率很高，10吉比以太網(wǎng)不再使用銅線而只是使用光纖作為傳輸媒體。它使用長距離（超過40km）的光收發(fā)器與單模光纖接口，以便能夠在廣域網(wǎng)和城域網(wǎng)的范圍工作。10吉比以太網(wǎng)也可使用較便宜得多模光纖，但傳輸距離為65300m。n10吉比以太網(wǎng)只工作在全雙工方式，因此不存在爭用問題，也不使用CSMA/CD協(xié)議。

60、這就使得10吉比以太網(wǎng)的傳輸距離不再受進(jìn)行碰撞檢測的限制而大大提高了。n吉比以太網(wǎng)的物理層是使用以有的光纖通道技術(shù)，而10吉比以太網(wǎng)的物理層則是新開發(fā)的。10吉比以太網(wǎng)由下述兩種不同的物理層。n（1）局域網(wǎng)物理層LAN PHYn（2）可選的廣域網(wǎng)物理層WAN PHY5.7無線局域網(wǎng)WLANn5.7.1WLAN組網(wǎng)方式nWLAN包括兩種組網(wǎng)方式，即分布式方式和集中控制方式。n1.分布式方式n在分布式方式中，主機(jī)可以在無線通信覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)并自動(dòng)建立點(diǎn)到點(diǎn)的連接。主機(jī)之間通過爭用信道直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而無需其他設(shè)備參與控制。 2.集中控制方式n在集中控制方式中，所有無線節(jié)點(diǎn)及有線局域網(wǎng)要與一個(gè)稱為