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41局域网概述

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第4章局域网
4.1局域网概述
4.2传统的共享介质局域网
4.3高速局域网
4.4 千兆以太网和万兆以太网
4.5交换式局域网
4.6无线局域网
4.7局域网组网设备在计算机网络技术中、局域网(LAN)技术发展得最早也最为迅速,由于它是网络信息管理与信息服务的基础、因此也是应该重点学习与掌握的内容.本章系统地讨论局域网概念,共享介质局域网,高速局域网,交换局域网和无线局域网等的工作原理,以及简单局域网的组网方法等.
我们知道,按信息传输距离的长短和联接方式可将网络分为局域网和广域网.局域网是在有限的地理范围内(一般不超过几公里)、一个机房,一幢大楼,一个学校或一个单位内部的计算机、外设和网络互联设备联接起来形成的网络系统.近年来,由于网络应用的飞速发展,由局域网互连形成的城域网技术也是当前计算机网络技术发展最快的领域之一.
4.1.1局域网的特点从应用的角度看,局域网有以下4个方面的技术特点:
(1)局域网覆盖有限的地理范围,它适用于校园、机关,公司、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求.
(2)局域网提供高数据传输速率Mbps)和低误码率的高质量信息传输环境.
(3)决定局域性的主要技术要素为网络拓扑,传输介质和介质访问控制方法.
(4)局域网一般属于一个单位所有、易于建立,维护,管理与扩展.
4.1.2局域网的传输介质类型
局域网常用的传输介质有:同轴电缆,双绞线,光纤与无线通信信道.早期应用最多的是同轴电缆.随着技术的发展,双绞线和光纤的应用迅速普及.尤其是双绞线,目前已用于数据传输速率为100Mbps和1Gbps的高速局域网中、因此引起了人们普遍的关注.
在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线,在远距离传输中使用光纤,在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势已经明朗化.
4.1.3局域网拓扑结构在第一章我们简单介绍了计算机网络的五种拓扑结构:总线结构,环形结构,星形结构,树形结构和网状结构.局域网在网络拓扑结构上主要采用总线型,环型与星型结构三种.从介质访问控制方法的角度看,局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类.
总线型和传统的环形拓扑结构局域网的介质访问控制方法采用的都是共享介质方式,传输介质主要采用同轴电缆.
星型拓扑中存在着中心结点、其它结点通过点到点线路与中心结点连接,任何两结点之间的通信都要通过中心结点转接.按照这种定义、普通的共享介质方式的局域网中不存在星型拓扑.然而、以共享型集线器(Hub)为中心的局域网从物理结构(局域网的外部连接形式)上也可以看成是星型的,但逻辑结构(局域网的结点间的相互关系及介质访问控制方法)属于总线型,即相当于将总线收缩到一个点(Hub).Hub的端口除了具有共享的特点外,也提供信号整型和放大的功能.共享集线器局域网解决了总线局域网因总线故障而使整个网络瘫痪以及网络连接达到极限而难于扩展等问题.在出现交换式局域网(Switched LAN)后,才真正出现了物理结构与逻辑结构统一的星型拓扑结构.交换局域网的中心结点是局域网交换机.在典型的交换局域网中、结点通过点到点线路与局域网交换机连接.局域网交换机可以在多对通信结点之间建立并发的逻辑连接.共享集线器局域网和交换局域网中的传输介质一般都采用双绞线.
4.1.4 局域网的参考模型和I标准
1. 局域网的参考模型在第3章中我们介绍了计算机网络的体系结构和国际标准化组织(ISO)提出的开放的系统互联参考模型(OSI).由于该模型已得到广泛认同、并提供了一个便于理解,易于开发和加强标准化的统一的计算机网络体系结构,因此局域网参考模型参考了OSI参考模型.根据局域网的特征、局域网的体系结构一般仅包含OSI参考模型的最低两层:物理层和数据链路层.如图4-1所示.
(1)物理层物理层的主要作用是确保在通信信道上二进制位信号的正确传输.其主要功能包括信号的编码与解码、同步前导码的生成与去除,二进制位信号的发送与接收,错误校验(CRC校验)功能等.局域网物理层制定标准规范的主要内容有:
①局域网支持的传输介质及相应的传输距离.
②传输速率.
③物理接口的机械特性,电气特性,性能和规程特性.
④传输信号的编码方案.局域网的编码方案有:曼彻斯特、差分曼彻斯特、4B5B,8B6T和8B10B等.
⑤错误校验码及同步信号的产生与删除.
⑥拓扑结构.
⑦物理信令(PLS),物理层向介质访问控制子层提供的服务原语、包括请求,证实,指示原语.
(2)数据链路层数据链路层的主要作用是介质访问控制.由于不同的局域网技术,不同的传输介质,不同的网络拓扑结构的介质访问控制方法不尽相同、因此在数据链路层不可能定义一种与介质无关的统一的介质访问控制方法.为了简化协议设计的复杂性,局域网参考模型将数据链路层分为两个独立的子层:逻辑链路控制子层(Logical Link Control,LLC)和介质访问控制子层(Media Access Control,MAC).
①MAC子层介质访问控制子层(MAC)构成数据链路层的下半部,它直接与物理层相邻.MAC子层的一个功能是支持LLC子层完成介质访问控制功能,MAC子层为不同的物理介质定义了介质访问控制标准.MAC子层的另一个主要的功能是在发送数据时,将从上一层接受的数据组装成带MAC地址和差错检测字段的数据帧;在接收数据时拆帧,并完成地址识别和差错检测.
②LLC子层逻辑链路控制子层(LLC)构成数据链路层的上半部,与网络层和MAC子层相邻.LLC子层在MAC子层的支持下向网络层提供服务.LLC子层与传输介质无关,隐藏了各种局域网技术之间的差别、向网络层提供一个统一的信号格式与接口.LLC子层的作用是在MAC子层提供的介质访问控制和物理层提供的比特服务的基础上,将不可靠的信道处理为可靠的信道,确保数据帧的正确传输.
LLC子层的功能主要是建立,维持和释放数据链路,提供一个或多个服务访问点、为网络层提供面向连接的或无连接的服务.另外,LLC子层还提供差错控制,流量控制和发送顺序控制等功能.
2. IEEE 802标准1980年2月,IEEE成立了局域网标准委员会(简称IEEE 802委员会),专门从事局域网标准化工作,并制定了IEEE 802标准.IEEE 802各标准之间的关系如图4-2所示.
IEEE 802标准主要包括:
(1)I标准,定义了局域网体系结构,网络互联、以及网络管理与性能测试.
(2)I标准,定义了逻辑链路控制(LLC)子层功能与服务.
(3)I标准,定义了CSMACD总线介质访问控制子层和物理层规范.在物理层定义了四种不同介质的10Mbps的以太网规范、包括10Base-5(粗同轴电缆),10Base-2(细同轴电缆),10Base-F(多模光纤)和10Base-T(无屏蔽双绞线UTP).另外,到目前为止I工作组还开发了一系列标准:
. Iu标准,100M快速以太网标准,现已合并到I中.
. Iz标准,光纤介质千兆以太网标准规范.
. Iab标准,传输距离为100米的5类无屏蔽双绞线千兆以太网标准规范.
. Iae标准,万兆以太网标准规范.
(4)I标准,定义了令牌总线(Token Bus)介质访问控制子层与物理层规范.
(5)I标准,定义了令牌环(Token Ring)介质访问控制子层与物理层规范.
(6)I标准,定义了城域网(MAN)介质访问控制子层与物理层规范.
(7)I标准,定义了宽带网络技术.
(8)I标准,定义了光纤传输技术.
(9)I标准,定义了综合语音与数据局域网(IVD LAN)技术.
(10)I标准,定义了可互操作的局域网安全性规范(SILS).
(11)I标准,定义了无线局域网介质访问控制方法和物理层规范、主要包括:
. Ia,工作在5GHz频段,传输速率为54Mbps的无线局域网标准;
. Ib,工作在2.4GHz频段,传输速率为11Mbps的无线局域网标准;
. Ig,工作在2.4GHz频段,传输速率为54Mbps的无线局域网标准;
(12)I标准, 定义了100VG-AnyLAN快速局域网访问方法和物理层规范.
(13)I标准,定义了交互式电视网(Cable Modem)技术.
(14)I标准,定义了无线个人局域网(WPAN)技术.
(15)I标准,定义了宽带无线局域网技术.
(16)I标准,正在制定的弹性分组环(RPR)标准.
(17)I标准,正在制定的宽带无线局域网标准规范.
4.1.5局域网的介质访问控制方法从介质访问控制方法的角度看,局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类.传统局域网采用共享介质的工作方式.为了对多个结点使用共享介质方式发送和接收数据进行控制,人们提出了很多种介质访问控制方法,其中被普遍采用并形成国际标准的主要有以下三种:
(1)带有冲突检侧的载波侦听多路访问(CSMACD)方法(2)令牌总线(Token Bus)方法(3)令牌环(Token Ring)方法交换式局域网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.
I标准定义的共享介质局域网有以下三类:・采用CSMACD介质访问控制方法的总线型局域网;・采用Token Bus介质访问控制方法的总线型局域网;・采用Token Ring介质访问控制方法的环型局域网.以下分别介绍它们的工作原理.
4.2.1以太网的工作原理
1. CSMACD方法的发展在局域网中、应用最广的一类局域网是总线型局域网,即以太网(Ethernet).它的核心技术是随机争用型介质访问控制方法,即带有冲突检测的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision 方法.
CSMACD方法用来解决多结点如何共享公用总线的问题.在以太网中、任何结点都没有可预约的发送时间,它们的发送都是随机的,并且网中不存在集中控制的结点、网中结点都必须平等地争用发送时间,这种介质访问控制属于随机争用型方法.I标准是在Ethernet规范的基础上制定的.
最早采用随机争用技术的是美国夏威夷大学校园网,即地面无线分组广播网(ALOHA).在研究局域网介质访问控制方法时,人们吸收了ALOHA方法的基本思想,增加了载波侦听功能,首先设计出数据传输速率为10Mbps的Ethernet试验系统.在此基础上,Xerox,DEC与Intel等三家公司合作,在1980年9月第一次公布了Ethernet的物理层,数据链路层规范;1981年11月公布了Ethernet V2.0规范.I标准是在Ethernet V2.0规范的基础上制定的,它的制定推动了以太网技术的发展和广泛应用.尤其是20世纪90年代,I标准中的物理层标准10 BASE-T的推出、使得以太网性能价格比大大提高,也使得以太网在各种局域网产品的竞争中占有明显的优势.随后的高速以太网,1000兆以太网和10G以太网标准的相继推出、更进一步增强了以太网的竞争的优势.
2. CSMACD方法的工作过程在以太网中、如果一个结点要发送数据,它将以广播方式把数据通过作为公共传输介质的总线发送出去,连在总线上的所有结点都能收听到这个数据信号.由于网中所有结点都可以利用总线发送数据,并且网中没有控制中心、因此冲突的发生将是不可避免的.为了有效地实现分布式多结点访问公共传输介质的控制策略,CSMACD的发送流程可以简单地概括为四点:先听后发,边听边发,冲突停止,随机延迟后重发.
CSMACD方法的工作过程是,局域网中的每个结点利用总线发送数据时,首先要侦听总线的忙闲状态.如果总线上已经有数据信号传输,则为总线忙;如果总线上没有数据传输,则为总线空闲.如果一个结点准备好发送的数据帧,并且此时总线处于空闲状态、那么它就可以开始发送.但是,同时还存在着一种可能,那就是在几乎相同的时刻,有两个或两个以上结点发送了数据,那么就会产生冲突、因此结点在发送数据时应该进行冲突检测.
所谓冲突检测,就是结点在发送数据的同时,将它发送的信号与从总线上接收到的信号进行比较.如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号,它们叠加后的信号波形将不等于任何结点发送的信号波形.当发送结点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时,表示总线上有多个结点在同时发送数据,冲突已经产生.如果在发送数据过程中没有检测出冲突、结点在发送结束后进入正常结束状态;如果在发送数据过程中检测出冲突、为了解决信道争用冲突、结点停止发送数据,并一直监听,直到信道空闲时重发数据.
在以太网中、CSMACD方法可以有效地控制多结点对共享总线的访问,方法简单并且容易实现.但是,任何一个结点如果想发送数据的话、都要等待信道空闲.因此,结点从准备发送数据到成功发送数据,发送等待延迟时间是不确定的.
4.2.2令牌总线的工作原理
1. 令牌总线的工作原理概述尽管以太网技术已经成为当今局域网的主流技术,但是在以太网应用的初期,很多对工厂自动化感兴趣的人对I持保留意见.这是因为以太网的CSMACD方法,使得结点从准备发送数据到成功发送数据,等待延迟的时间是不确定的,有时甚至是漫长的,这就使得该协议不适用于实时系统.
I标准定义了总线拓扑的令牌总线(Token Bus)介质访问控制方法与相应的物理规范.Token Bus是一种在总线拓扑中利用令牌(Token)作为控制结点访问公共传输介质的介质访问控制方法.在采用Token Bus方法的局域网中、任何一个结点只有取得令牌后才能使用共享总线去发送数据,并且结点持有令牌有最长时间限制.因此,Token Bus介质访问控制方法是确定型的,比较适用于实时系统.令牌是一种特殊结构的控制帧,用来控制结点对总线的访问权.图4-3给出了正常稳态操作时Token Bus的工作过程.
所谓正常稳态操作,是指在网络已完成初始化之后,各结点进入正常传递令牌与数据状态、并且没有结点要加入或撤出、也没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态.此时,每个结点有本站地址(TS),并知道上一结点地址(PS)和下一结点地址(NS).令牌传递规定由高地址向低地址、最后由最低地址向最高地址依次循环传递令牌、从而在一个物理总线上形成一个逻辑环.环中令牌传递顺序与结点在总线上的物理位置无关.因此,令牌总线网在物理上是总线网,而在逻辑上是环形网.
令牌帧含有一个目的地址、所有结点持有令牌都有一个最长时间限制.接收到令牌帧的结点可以在持有令牌的最长时间内发送一个或多个帧.但是在发生以下这些情况时,持有令牌的结点必须交出令牌:・该结点没有数据帧等待发送.・该结点已发送完所有待发送的数据帧.・该结点持有令牌的最大时间到了.
4.2.3令牌环的工作原理
1. 概述令牌环(Token Ring)介质访问控制技术最早开始于1969年贝尔实验室的Newhall环网,最有影响的令牌环网是IBM公司的Token Ring.I标准是在IBM公司的Token Ring协议基础上发展形成的.
在Token Ring中、结点通过环接口与通信介质连接成物理环形局域网.令牌也是一种特殊的介质访问控制帧.令牌帧中有一位标志令牌的忙闲.当环正常工作时,令牌总是沿着物理环单向逐站传送、传送顺序与结点在环中排列的顺序相同.图4-4给出了令牌环的基本工作过程.
如果结点A有数据帧要发送、它必须等待空闲令牌的到来.当结点A获得空闲令牌之后,它将令牌标志位由闲变为忙,然后传送数据帧.结点B,C,D.将依次接收到数据帧.如该数据帧的目的地址是C结点、则C结点在正确接收该数据帧后,在帧中标志出该帧已被正确接收和复制.当A结点重新接收到自己发出的,已被目的结点正确接收的数据帧时,它将回收己发送的数据帧,井且将忙令牌修改成空闲令牌、然后将空闲令牌传送给它的下一结点.
Token Ring控制方式具有与Token Bus方式相似的特点:环中结点访问延迟确定,适用于重负载环境、支持优先级服务.令牌环控制方式的缺点主要表现在:环维护复杂,实现较困难.
个人计算机的广泛应用,推动了计算机技术的飞速发展,使得个人计算机处理速度迅速上升,然而价格却飞速下降、这又进一步促进了个人计算机更广泛的应用,同时也促使局域网规模的不断增大.网络通信量进一步增加,使得局域网的带宽已不能适应网络通信量日益增加的要求.各种新的应用不断提出、特别是多媒体技术的广泛应用和基于Web的的应用,对局域网的带宽与性能有了更高的要求.这些因素促使着人们研究高速局域网技术,以提高局域网的带宽,改善局域网的性能.
为了提高局域网的带宽,改善局域网的性能,人们提出了以下几种解决方案.
第一种方案:提高以太网的数据传输速率,从10 Mbps提高到100 Mbps,甚至提高到1Gbps以上,这就推动了高速局域网的研究与产品的开发.在这个方案中、无论局域网的数据传输速率提高到100Mbps还是1Gbps,它的介质访问控制仍采用CSMACD方法.
第二种方案:将一个大型局域网划分成多个用网桥或路由器互连的子网.网桥与路由器可以隔离子网之间的通信量,使每个子网作为一个独立的小型局域网.通过减少每个子网内部结点数的方法,使每个子网的网络性能得到改善,而每个子网的介质访问控制仍采用CSMACD的方法.这就推动了局域网互连技术的发展.
第三种方案:将共享介质方式改为交换方式,这就推动了交换式局域网技术的发展.交换式局域网的核心设备是局域网交换机、局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接,因此每个用户可以独享网络带宽,从而大大提高了网络通信的速度和性能.交换式局域网的出现,是网络发展的重要里程碑.因此,可以将局域网分为以下两大类:・共享介质局域网(Shared LAN)・交换式局域网(Switched LAN)
其中、共享介质局域网又可分为Ethernet, Token Bus, Token Ring与FDDI(光纤分布式数据接口)以及在此基础上发展起来的Fast Ethernet, Fast Token Ring, FDDI II等.交换式局城网可以分为Switched Ethernet与ATM局域网,以及在此基础上发展起来的虚拟局域网等.
4.3.1快速以太网随着局域网应用的深入发展,用户对局域网带宽提出了更高的要求,传统的10Mbps局域网已经不能满足人们的需求.人们只有两条路可以选择:要么重新设计一种新的局域网体系结构与介质访问控制方法,去取代传统的局域网技术;要么保持传统的局域网体系结构与介质访问控制方法不变,设法提高局域网的传输速率.对目前己大量存在的Ethernet网来说,要保护用户已有的投资,同时又要增加网络的带宽,快速以太网(Fast Ethernet)是符合后一种要求的新一代高速局域网.
1995年9月,IEEE 802委员会正式批准了快速以太网标准(Iu).快速以太网的传输速率是普通以太网的10倍、数据传输速率达到100Mbps;它保留着传统的1Ombps以太网的所有特征:a,相同的数据帧格式;b,相同的介质访问控制方法;c,相同的组网方法,例如使用最多的非屏蔽双绞线组网方法.快速以太网只是将传统以太网每个比特的发送时间由100ns减少到了10ns.
Iu标准在LLC子层使用I标准,在MAC子层使用CSMACD方法,与I不同的只是在物理层做了一些必要的调整,定义了新的物理层标准(100 BASE-T). 100 BASE-T标准定义了介质专用接口(MII, Media Independent Interface),它将MAC子层与物理层分隔开来.这样,物理层在实现100Mbps速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层.快速以太网的协议结构如图4-6所示.
100BASE-T标准可支持多种传输介质.目前100BASE-T有以下三种传输介质的标准:
100BASE-TX支持2对5类非屏蔽双绞线(UTP)或2对1类屏蔽双绞线(STP).1对5类UTP或1类STP用于发送、而另1对双绞线用于接收.因此,定义的100BASE-TX是一个全双工系统,每个结点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据.100BASE-TX采用4B5B编码方案.
100BASE-T4支持4对3类非屏蔽双绞线UTP.开发100BASE-T4的目的是为了充分利用10BASE-T使用的3类非屏蔽双绞线资源.在4对3类非屏蔽双绞线中、其中3对用于数据传输,1对用于冲突检测.100BASE-T4通过改变编码方案达到100Mbps的数据传输速率.100BASE-T4采用8B6T编码方案.
100BASE-FX支持2芯的多模或单模光纤.当时设计100BASE-FX主要是用作高速主干网,从结点到集线器的距离可以达到2km,它也是一种全双工系统,也采用4B5B编码方案.
尽管快速以太网具有高可靠性,易扩展,低成本等优点、并且己成为高速局域网方案中的首选技术,但是在数据仓库,3D图形与高清晰度图像,桌面电视会议,网络流媒体服务等的应用中、还是显得力不从心、人们不得不寻求具有更高带宽的局域网.千兆位以太网(Gigabit Ethernet)和万兆位以太网(10 Gigabit Ethernet)就是在这种背景下产生的.
由于以太网,快速以太网,千兆位以太网和万兆位以太网有很多相似之处,并且很多网络己经大量使用了10Mbps的以太网,因此局域网系统从普通以太网升级到快速以太网或千兆位以太网时,不但升级成本较低,而且网络技术人员不需要重新进行培训、因此促使了以太网技术的飞速发展.
相比之下,如果将现有的以太网或快速以太网互联到作为主干网的622 Mbps的 Transfer Mode,异步传输模式)局域网上,一方面由于Ethernet与ATM工作机理存在着较大差异,在采用ATM局域网仿真时,AIM网的性能将会下降;另一方面网络技术人员需要重新进行培训.
目前普遍采用以太网组建企业网的全面解决方案为:桌面系统采用传输速率为10Mbps或10100Mbps自适应的Ethernet,部门级系统采用传输速率为100 Mbps的Fast Ethernet,企业级系统采用传输速率为1000Mbps的Gigabit Ethernet.并且正在向桌面系统采用100Mbps的Ethernet,部门级系统采用1000 Mbps的Gigabit Ethernet,企业级系统采用传输速率为10000Mbps的10 Gigabit Ethernet的方向发展.
4.5.1交换式局域网的基本结构交换式局域网以数据链路层的帧为数据交换单位、其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一类局域网(例如802.3标准的以太网或802.5标准的令牌环网)设计的.
典型交换式局域网是交换式以太网(Switched Ethernet),它的核心部件是以太网交换机(Ethernet Switch).以太网交换机有多个端口,每个端口可以单独与一个结点连接或与一个共享介质式的以太网集线器(Hub)连接,也可以与另一个以太网交换机连接(级联).实际上,1000Mbps和10Gbps以太网都是全双工网络,在1000Mbps和10Gbps层次不使用集线器而使用交换机、因此在1000Mbps和10Gbps层次的以太网都是交换式局域网.
如果100M交换机的一个端口只连接一个结点、那么这个结点就可以独占100 Mbps的带宽,这类端口通常被称做专用1O0Mbps端口;如果一个端口连接一个1O0Mbps的以太网(例如连接一个100Mbps的以太网集线器,其上的24个端口连接24台计算机)、那么这个端口将被以太网中的多个结点所共享、这类端口被称为共享10OMbps端口.典型的交换式以太网的结构如图4-8所示.
对于传统的共享介质以太网来说,当连接在Hub中的一个结点发送数据时,它将用广播方式将数据传送到Hub的每个端口.因此,共享介质以太网的每个时间片内只允许有一个结点占用公用通信信道.交换式局域网从根本上改变了共享介质的工作方式,它可以通过以太网交换机支持交换机端口结点之间的多个并发连接,实现多结点之间数据的并发传输.因此,交换式局域网可以大大增加网络带宽,改善局域网的性能与服务质量.
交换机的端口类型也可以分为两类:半双工端口与全双工端口.所谓全双工端口,是指该端口允许连接的计算机同时发送与接收数据.对于10Mbps的端口,半双工端口带宽为10Mbps,而全双工端口带宽为20Mbps;对于100Mbps的端口,半双工端口带宽为100Mbps,而全双工端口带宽为200Mbps.
传统的局域网只能工作在半双工状态.因为在总线结构中、采用CSMACD介质访问控制方法连网的计算机要么处于发送状态、要么处于数据接收状态、两者必居其一.普通的以太网卡是半双工的网卡.如果一台计算机选用了全双工网卡,并且连接到支持全双工工作的交换机端口,那么这台计算机就能够同时发送与接收数据.在网络结构与网络连线不变的情况,采用全双工工作方式,可以使网络结点的数据吞吐量增加一倍.对于局域网服务器应用来说,采用全双工技术是很有价值的.
4.5.2 局域网交换机的工作原理局城网交换机工作在OSI模型的第二层即数据链路层,接收和发送数据帧.典型的局域网交换机结构与工作过程如图4-9所示.图中的交换机有8个端口,其中端口1,2,4,7分别连接了结点A,结点B,结点C和结点D.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和结点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)中填上该帧的目的地址.
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和结点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对应帧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l到端口4的连接,同时为结点D到结点B建立端口7到端口2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.
4.5.3 以太网交换机的交换方式
1. 以太网的帧结构如上所述,局域网交换机的工作对象为数据链路层的帧.以太网数据帧的结构如图4-10所示.它以7字节的前导开始,接着是1字节的帧开始标志.然后是目的地址和源地址、又称MAC地址、一般为单播(Unicast)地址(首位为0);如果网卡可工作于混杂(Promiscuous)模式,以太网也支持组播(Multicast)地址(首位为1);所有位都为1的地址为广播地址、目的地址为广播地址的帧将被以太网上的所有站点接受.地址字段的次高位表示全局本地地址、其中全局地址6个字节,由IEEE分配给网卡厂商,全球唯一;本地地址2字节,由网络管理员分配.在一个网络中要么用全局地址、要么用本地地址.长度字段表示用户数据的实际长度.用户数据字段小于1500字节.填充字段的目的是保证整个帧的长度不小于64字节,因此填充字段的长度小于46字节.检验和字段用于检验帧传输过程中可能出现的错误.
2. 以太网交换机的交换方式以太网交换机的交换方式可以分为以下三类.
(1)直通方式在直通交换(Cut Through)方式中、当交换机接收并检测到目的地址字段,立即将该帧转发出去,而不管这一帧数据是否出错.帧出错检测任务由结点主机完成.这种交换方式的优点是交换的延迟时间短、缺点是缺乏差错检测能力.由于由于不进行存储,不支持不同输入输出速率的端口之间的帧转发,而且容易丢包.
(2)存储转发交换方式在存储转发(Store Forward)方式中、交换机首先完整地接收帧,然后首先进行差错检测.如果接收的帧是正确的,则根据帧的目的地址确定的输出端口号转发出去,否则不予转发.这种交换方式的优点是具有帧差错检测能力、并能支持不同输入输出速率端口之间的帧转发;缺点是交换延迟时间将会较长.随着交换技术的不断发展和成熟,存储转发交换方式与直接交换方式之间的速度差距越来越小,因此存储转发交换方式是目前应用最为广泛的方式.
(3)改进的交换方式
①改进的直通交换方式,又叫碎片隔离方式.它检查接收到帧的长度是否够64字节,如果小于64字节,说明是假包则丢弃;如果大于64字节则转发出去.这种方式也不提供数据校验、其交换延迟时间介于直通交换方式与存储转发交换方式之间.
②直通存储转发自适应方式.根据单位时间内出错帧的概率决定采用两种方法中的一种.当单位时间内出错帧的概率小于某个阈值时采用直通交换方式;当单位时间内出错帧的概率大于该阈值时采用存储转发交换方式.自适应交换方式结合两种交换方式的优点、可以提高交换机的数据交换速率.
4.5.4 局域网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.
(1)低交换传输延迟局域网交换机的主要特点是它的低交换传输延迟.从传输延迟时间来看,局域网交换机、网桥和路由器三者的传输延迟时间之比大约为(2)高传输带宽交换机的每个端口独享网络带宽.对于10Ombps交换机的端口,半双工端口带宽为10OMbps,而全双工端口带宽为20OMbps.对于千兆位和万兆位以太网交换机、每个端口的带宽更高.
(3)允许共存由于采用了自动侦测(Autosense)技术,交换机的端口支持Mbps三种速率,以及全双工半双工两种工作方式.端口能自动测试出所连接的网卡的速率是1Ombps,100Mbps还是1000Mbps,是全双工还是半双工方式.端口能自动识别井做出相应的调整,从而大大减轻了网络管理的负担.
(4)支持虚拟局域网服务交换式局域网是虚拟局域网的基础、目前的以太网交换机基本上都可以支持虚拟局域网服务.通过虚拟局域网可以方便地调整网络负载的分布、提高带宽的利用率,网络的可管理性和安全性(详见第5章).
所谓无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN),就是在工作站和设备之间,不再使用通信电缆,而采用无线通信方式.一般地说,凡是采用无线通信方式的计算机局域网都可以称之为无线局域网.无线局域网不仅能够满足移动和特殊应用领域连网的要求,还能覆盖有线网络难于涉及的范围.无线局域网作为有线局域网的补充、即将发挥越来越重要的作用.
1990年7月,IEEE 802委员会成立了I工作组,专门从事无线局域网的研究,负责制定无线局域网的介质访问控制(MAC)子层协议和物理层标准.
1997年6月,IEEE发布了用于无线局域网的802.11标准WLAN标准允许通过不同的媒体进行数据传输,可以使用的媒体包括红外线和两种在不需要获得许可的2.4kMHz频段上的无线电传输:跳频扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)和直序扩频(Direct Sequence Spread 传播的频谱是20世纪40年发的一种调制技术,可以在一个很宽的无线电波段内传输信号.这一技术是数据通信的理想选择,因为它对无线电干扰不很敏感,几乎不产生干扰.
无线网络设备制造商通常给出的都是网卡的最大传输速率.已经定义的无线局域网标准有IIb,OpenAir和HomeRF(如表4-3所示).上述基于I标准的网卡数据传输速率为2Mbps.基于OpenAir标准和HomeRF标准的网卡使用跳频扩频传输协议,数据传输速率为1.6Mbps.Ib标准(也叫WiFi)使用直序扩频协议,数据传输速率可达11Mbps以上.不幸的是,这些标准并不能协同工作,同一网络中的所有网卡必须基于同一种标准.
表4-3无线协议一览表联网标准最大传输速率(Mbps)波段传输协议最大覆盖范围(英尺)I
2.4∽2.485 直序扩频跳频扩频
4.7.1 网卡1网卡的基本概念网络接口卡(NIC,Network Interface Card)又称网卡,它是构成网络的基本部件.网卡连接局域网中的计算机和传输介质.典型的网卡结构如图4-14所示.
2网卡的分类方法根据网卡所支持的物理层标准与主机接口的不同、网卡可以分为不同的类型.
(1)按照网卡支持的计算机种类分类,主要分为以下两类:・标准以太网卡,用于台式计算机连网.・PCMCIA网卡,用于便携式计算机.PCMCIA是个人计算机内存卡国际协会(Personal Computer Memory Card International Association)制定的一种便携机插卡标准,它仅适用于将便携机连入局域网.
(2)按照网卡支持的传输速率分类,主要分为以下五类:・10100Mbps自适应网卡・Mbps自适应网卡1O100Mbp自适应网卡可同时支持1Ombps和100Mbps的传输速率Mbps自适应网卡可同时支持1Ombps,100Mbps和1000Mbps的传输速率,它们均能自动侦测出网络的传输速率.
(3)按网卡所支持的传输介质类型分类,主要分为以下四类:・双绞线网卡,目前常用的非屏蔽双绞线网卡使用RJ-45接口.・粗缆网卡,使用AUI接口.・细缆网卡,使用BNC接口.・光纤网卡,使用F0接口.多数以太网卡通常是将几种类型的接口集成在一块网卡上.例如等二合一网卡,以及AUIBNCRJ-45三合一网卡.这些具有多种接口的网卡,可以适用于不同类型传输介质的连接要求.有些简易以太网卡只提供AUI,BNC,RJ-45接口中的一种.目前、由于非屏蔽双绞线的普遍使用,只提供RJ-45接口的以太网卡很流行.
(4)按网卡所支持的总线类型分类,主要分为以下两类:・ISA网卡,支持16位的ISA总线,目前已很少使用.・PCI网卡,支持32位的PCI总线,是目前使用最多的网卡.
4.7.2 转发器与集线器1转发器转发器(Repeater)又称中继器或放大器,工作在OSI的物理层,实现电气信号的无失真转发.信号沿传输介质传播时会有衰减和畸变,这种衰减和畸变会使得接收方无法正确识别信号.转发器通过接收,放大,整形和转发,从而使信号的波形和强度达到所要求的指标.
转发器用于互联两个相同类型的网段(例如:两个以太网段),其主要功能是延伸网线的长度,扩张网段的距离和连接不同的传输介质,从而实现信息位的转发.用转发器连接的网段仍然属于同一个子网,因此,从某种意义上说,转发器并不能算真正的网络互联设备.
局域网上的粗缆收发器只能提供驱动500 m同轴电缆的能力;用细缆组网,细缆的长度也不能超过185 m,超过这个范围,电气信号在电缆中传输所引起的衰减将使接收方结点难以正确地识别、这时,可用转发器延伸电缆的长度.如图5-1所示、转发器将两个网段(网段1,网段2)互联、使得网段得以延伸.以太网布线工程中必须遵循5-4-3原则,即两个站点之间最多有5个以太网网段和4个转发器,5个网段中最多有3个网段有站点相连,其余网段只能用来扩展网段的距离.因此,如果用粗缆组网,站点之间的最大长度为2500m;用细缆组网,站点之间的最大长度为925m.
另外,转发器还可以连接不同的传输介质,如图5-2所示、楼1和楼2分别有一个局域网,连接了楼内的计算机设备.要使两个楼的网络互联、可以用光纤作为传输介质.如果楼1,楼2的交换机上没有光纤端口,则可以利用转发器,实现交换机上RJ - 45端口与光纤口的转换,进行传输介质的改变(双绞线光纤双绞线),使得两个楼的网络通过光纤互联.
2集线器集线器(Hub)是转发器的一种、也工作在物理层.实际上它是一种多端口(RJ-45接口)的转发器,相当于将总线网的总线和转发器浓缩到集线器中.相比总线型转发器来说,Hub克服了总线单一通路的限制,同时它可以分割有故障的站点、使其它站点能正常工作,有效地提高了以太网网的可靠性.另外,用双绞线组网还有价格便宜,易扩展,易布线,易维护和管理等优点.由于这些特点、双绞线已经取代了同轴电缆,成为以太网最重要的组网介质.
集线器具有多个端口(端口数一般为但连接这些端口的所有计算机仍然处在同一个网段.与总线网段不同的是,每个端口上的计算机发出的信息都通过集线器放大,整形并且以广播的形式发向所有的端口.所有计算机仍然采用CSMACD方式竞争带宽的使用,共享整个集线器的带宽,即在任一时刻,只能有一台计算机发送数据,只能有两台计算机之间进行通信(一台发送、一台接收).堆叠集线器和单一集线器一样,其上的所有端口都属于同一个网段.利用集线器级联可以扩大网络覆盖的范围.与转发器一样,最多只能有四台集线器相互串联、如果用双绞线级联、每根双绞线的长度不超过100m,因此,两台计算机之间的最大长度为500m.并且、所有集线器上的计算机仍然属于同一个子网.如图4-17所示、3个集线器级联、接入这3个集线器上的所有计算机仍然属于同一个子网,共享网络带宽.
3 网桥与交换机网桥和交换机都是工作在OSI模型的数据链路层的网络互联设备.所不同的是,网桥既可以实现相同类型子网之间的连接,也可以实现不同类型子网之间的连接;而交换机是设计用来在同种子网之间实现高速连接的网络互联设备.
(1)网桥的功能与应用网桥又称网络桥接器,作为网络互联设备,网桥提供了一种扩展LAN的方法.早期的网桥是为把那些具有相同物理层和MAC子层的局域网互联起来而设计的,后来也用于具有不同MAC协议的局域网的互联.网桥和转发器(包括集线器)的主要差别在于:网桥可用于互联两个独立的子网,实现信息帧的存储转发;而转发器仅用于同一子网的延伸、它转发所有的电气信号,实现将信息位从一个网段传送到另一个网段.
网桥执行OSI模型的数据链路层及其下层的协议转换,适用于相同网络或仅在低两层有差别的网络之间的互联、其体系结构如图5-3所示.网桥接收一个帧(Frame),并将其在数据链路层进行检验和检查,然后将该帧交给物理层,转发到另一个不同的网络.网桥在转发这些帧之前可能对数据链路层的帧头做一些改变,以进行数据链路层上的协议转换,但它并不修改帧所携带的用户数据.由于网桥实现MAC子层的连接,对于遵循IEEE802标准的局域网是完全透明的.
一个网桥可以连接多个子网,它们的类型可以相同也可以不同、网桥接收它所连接的每个子网中的所有的帧并将它们转发到目的子网.连接N个子网的网桥有N个相应的不同或相同的MAC子层和物理层.
(2). 网桥的特点网桥在转发帧的过程中、除了进行数据链路层上的协议转换,还具有以下功能和特点:
地址过滤.利用网桥互联的网络应当可以容纳不同数据链路层的编址格式(如各种MAC地址)、因此,网桥应能够识别各种地址、并根据数据帧的信宿地址、有选择地让数据帧穿越网桥.实际上,目前很多网桥产品都添加了各种过滤功能,允许用户进行设置,以滤去不希望被转发的帧.例如:单向地禁止对某个子网的访问,以确保子网的安全性.
帧限制.网桥不对帧进行分段,只进行必要的帧格式转换,以适应不同的子网.超过信宿结点所在子网帧长度限制的帧将被网桥丢弃.因此,当采用网桥支持不同LAN之间的互联时,更高层的协议应当保证被传送的信息长度的一致性.帧限制另一方面的目的是为了维护各个子网的独立性,不允许控制帧和要求应答的信息帧穿越网桥.
监控功能.网桥作为接入它的每个子网的一部分,参与对子网的监控和对信息帧的校验.由于网桥具有协议转换,子网监控和信息帧校验等功能,网桥必须具有存储转发的能力、这也是网桥区别于转发器的关键之一.存储有利于网桥对被转发的帧进行差错校验、网桥不应将有差错的帧转发到其他子网上.同一网络内是否对差错帧进行处理则根据该子网的约定.网桥的工作过程包括接收帧,检查帧和转发帧3个步骤.
缓冲能力.网桥应当具有一定的缓冲能力、以解决穿越网桥的信息量临时超载的问题,即:网桥应当可以解决数据传输速率不匹配的子网之间的互联.事实上,即使是速率相同的网络进行互联、这种缓冲能力也是必需的.
透明性.网桥的引入不应该影响原有子网的通信能力、不应产生信宿结点无法检测的差错.
(3) 网桥的路径选择我们知道,网桥直接连接两个或多个子网.一方面,作为这些子网上的结点、参与子网的运行;另一方面,根据数据帧中的地址进行帧的转发.帧转发的过程实质上也是帧的路径选择过程,经过路径选择后,网桥将帧发往适当的端口.目前、常用的路径选择方法有两种、对应有两种类型的网桥:透明网桥和指定路径网桥.
透明网桥透明网桥也称为学习型网桥或自适应网桥,该网桥内部动态地维护着结点的地址映射表数据库,根据该地址映射表,网桥决定收到的帧的转发.由于局域网的运行完全不受网桥的影响、因此被称为透明网桥.透明桥适合于总线型(如:以太网,令牌总线网)或树型结构的网络互联.
源路径选择桥源路径选择桥也称指定路径桥,这种桥的原理来源于IBM的令牌环.由发送的源结点判断所发送的帧是送往本地子网,还是送给其他网络,选择帧传输的确切路径,并把它放在要传输的帧中.
如果发送的源结点知道所发送的帧传输的确切路径,可以直接传输.如果源结点不知道路径,则发送一个具有测试功能的广播帧.接到广播帧的网桥检查广播帧中的RI(路由信息)字段,如果本网桥号已经在RI中(即该帧由本网桥转发过),不做任何处理;否则,向RI中增加本网桥及端口信息,并将该帧转发到与之连接且网号未在帧中出现的其它子网.当信宿结点接到该测试帧后,向源发结点返回一个应答帧.应答帧中包含了所需的路径信息,并沿着测试帧途经的路径反向传递.由于广播的缘故、源发结点可能会收到多个应答帧,通常是通过某种算法从中选择一条(最佳)路径.
源路径选择桥的优点是可以获得最佳的路径,其缺点是测试帧的发送增加了网络的信息流量,有可能形成广播风暴,甚至可能导致网络拥塞现象的出现.
(4)交换机
利用网桥互联子网的应用十分广泛、例如:一个企业的各个部门根据各自不同的需要可能已经形成了各种类型的局域网络,当部门之间希望互联时,网桥是较好的互联设备.同样,由于网桥具有分隔子网的功能,如果一个企业拥有很多的计算机和服务器,而仅组成一个共享网络,则对网络的带宽要求很高,并且难以实现.采用网桥来划分子网,使得大部分访问集中在子网内部,从而可以获得较高的响应速度.
如果所连接的是同一种网络,网桥的功能就可以大大简化,从而就可以提高效率.目前、组建局域网常用的以太网交换机、就是一种简化的网桥,用于以太网之间的互联.以太网交换机具有如下特点:
①交换机处理相同的帧格式,交换速度快.一般的网桥,由于互联的是两个或两个以上不同类型的网络,在数据帧转发时,需要进行数据帧的协议转换,这种协议转换是通过软件实现的,因此网桥的帧转发的速度比较慢.而交换机互联的是相同类型的网络,在数据帧转发时无需进行帧格式转换,大大提高了交换机的数据交换速度.
②交换机具有少量的地址表,以提高交换机的查表速度.
③支持多个独立的数据流、具有较高的吞吐量.一般的网桥同一时刻只有一对端口通信,而交换机同一时刻可有多对端口通信.
④交换机内部采用硬件交换,交换速度快.
⑤交换机具有分割子网的功能.与一般的网桥一样,交换机也可以用来分割子网(在数据链路层).
⑥提供一定的存储能力.为避免转发帧在输出端口的冲突、交换机往往配置一定的缓存,用于缓存输入或待输出的帧,因此可以实现不同速率网络互联(自适应能力).
⑦交换机的每个端口独享指定的带宽.如10M100M1000M的交换机、每个端口可独享的网络带宽.
综上所述,交换机的多个端口可以连接多个相同类型的子网,它可以在多对端口之间同时实现数据帧的高速转发,帧转发速度是网桥的10倍以上.另外,现代的交换机还可以设计用于OSI参考模型第三层或更高层的交换(详见下节).由于无与伦比的高性能,目前交换机已经成为网络互联的最佳设备,得到了日益广泛的应用.
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第四章局域网- -

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