局域网技术基础Word格式文档下载.docx
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局域网概述
局域网的特点
为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务
覆盖地理范围小，在房间、建筑物、园区范围
传输速率高，一般在10Mbps～1000Mbps
误码率低（一般在10^-8～10^-10），时延小
决定局域网特性的主要技术有3个方面：
用以传输数据的传输介质：
双绞线、同轴电缆、光纤、无线；
用以连接各种设备的拓扑结构；
用以共享资源的介质访问控制方法。
这3种技术在很大程度上决定了传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量和利用率，以及网络应用等各种网络特性。
其中最重要的是介质访问控制方法，它对网络特性具有十分重要的影响。
局域网一般采用媒体共享技术，使众多用户可以合理而方便地共享通信媒体资源。
静态划分信道：
如频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等；
动态媒体接入控制：
信道并非固定分配给用户
随机接入：
用户可以随机地发送信息，因此需要解决好碰撞问题；
受控接入：
用户不能随机地发送信息，必须服从一定的控制，如探询。
传统以太网
局域网参考模型：
一般都采用IEEE制订的802标准体系
IEEE802标准只定义了物理层和数据链路层两层，并根据LAN的特点，把数据链路层分成逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl）子层和介质访问控制MAC（MediumAccessControl）子层；
还加强了数据链路层的功能，把网络层中的寻址、排序、流控和差错控制等功能放在LLC子层来实现。
IEEE802标准中对局域网各层的功能定义：
物理层：
处理在物理链路上发送、传递和接收非结构化的比特流，包括对带宽的频道分配和对基带的信号调制、建立、维持、撤消物理链路，处理机械的、电气的和过程的特性。
介质访问控制层MAC：
成帧/拆帧，实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。
根据网络的具体拓扑方式以及传输介质的类型，控制对传输介质的访问，和对信道资源的分配。
逻辑链路控制层LLC：
向高层提供统一的链路访问形式，建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，为高层提供网络服务的逻辑接口，能够实现差错控制和流量控制
以太网标准
以太网的两个标准
DIXV2
1975年美国施乐（Xerox）公司研制成功的一种基带总线局域网，数据率2.94Mb/s。
1980年，DEC公司、Intel公司和Xerox公司联合提出了10Mb/s以太网的第一个版本DIXV1
1982年，该版本又修改为DIXEthernetV2。
IEEE802.3
1983年，IEEE制订了第一个以太网标准802.3，数据率为10Mb/s，它与DIXV2版本差别很小。
分隙ALOHA协议
基本思想：
把信道时间分成离散的时间段，段长为一个帧所需的发送时间。
每个站点只能在时段开始时才允许发送。
其他过程与纯ALOHA协议相同。
信道效率
与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8%。
CSMA/CD协议
总线方式接入
竞争使用总线，随机发送
只有地址与目的地址相同的站点才接收，实现一对一通信
采用无连接通信，数据帧不编号，也不确认
为控制传输媒体的使用，以太网采用了载波侦听多点接入/碰撞冲突协议
多点接入：
多个用户共用一条线路
载波侦听：
每一站点在发送数据之前，先检测总线上是否有其它计算机发送数据。
如果有，则暂不发送，以免冲突。
碰撞检测：
计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，如发现冲突，则停止发送，发出瞬间干扰信号，通知其它站点发生了冲突，然后等待一段随机时间后再发送。
1-坚持型CSMA（1-persistentCSMA）
原理
若站点有数据发送，先监听信道；
若站点发现信道空闲，则发送；
若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。
优点：
减少了信道空闲时间；
缺点：
增加了发生冲突的概率；
广播延迟对协议性能的影响：
广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差
非坚持型CSMA（nonpersistentCSMA）
若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；
减少了冲突的概率；
增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；
信道效率比1-坚持CSMA高，传输延迟比1-坚持CSMA大。
p-坚持型CSMA（p-persistentCSMA）
适用于分隙信道
若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q=1-p延迟至下一个时隙发送。
若下一个时隙仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时隙被其他站点所占用；
若信道忙，则等待下一个时隙，重新开始发送；
若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。
碰撞检测
当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，帧中数据被破坏，无法从中恢复出有用的信息来。
每一个正在发送数据的站点边发送边监听，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突，然后等待一段随机时间后再次发送。
为什么站点在信道空闲时发送数据还会存在冲突？
使用CSMA/CD时，计算机只能进行半双工通信。
每个站点在发送数据后的一小段时间内可能遭遇冲突。
争用期：
以太网的端到端往返时延2τ—碰撞窗口
二进制指数类型退避算法：
让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是立即发送数据，而是推迟（退避）一个随机时间，以减小再次发生冲突的概率。
确定基准退避时间，一般为争用期2τ
定义参数k=Min[重传次数，10]，表示重传次数，但k超过10时取10
从离散的整数集合[0,1,…,2k-1]中取出一个数r，重传所需的时延就是基本退避时间的r倍
当重传达16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。
以太网取51.2μs为争用期长度。
对于10Mb/s的以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。
如在64字节之前无冲突，则后续的数字就不会发生冲突。
争用期51.2μs还包含转发器所增加的时延等多种因素，因此大于往返时延。
最短有效帧长为64字节。
如果有冲突产生，一定在发送的前64字节之内。
强化冲突：
当发送数据的站一旦发现冲突，除了立即停止发送数据外，还继续发送若干比特的人为干扰信号（jamming），以便让所有其它用户都知道发生了冲突。
传统以太网的连接方法
传统以太网可使用的传输媒体有四种：
铜缆（粗缆或细缆）
铜线（双绞线）
光缆
这样，以太网就有四种不同的物理层。
使用粗同轴电缆的以太网：
计算机中的网卡使用DB-15连接器与收发器电缆（即AUI电缆）相连，AUI电缆另一端与收发器相连。
收发器的主要功能：
经电缆收发数据
在同轴电缆上检测数据帧的冲突
在同轴电缆和电缆接口的电子设备之间进行电气隔离
当收发器或计算机发生故障时，保护同轴电缆不受影响。
当传输距离超过500米时，粗同轴电缆之间可通过转发器相连，但最长不超过2500米。
使用细同轴电缆的以太网：
每段长度不超过185米，线缆与计算机网卡之间通过BNC口连接
网卡的主要功能：
数据的封装与解封
链路管理
编码与译码
使用10BASE-T的以太网：
以双绞线取代同轴电缆：
10BASE-T使用两对无屏蔽双绞电话线，一对线发送数据，另一对线接收数据；
使用RJ-45的8针模块插头。
和其它以太网媒体一样，10BASE-T使用曼彻斯特编码，信号频率是20M赫兹，并且必须使用3类或更高类别的UTP电缆。
10BASE-T具有链接一体化的特征，使电缆安装和故障查找变得容易了。
每隔16毫秒，集线器和网卡都发出“滴答”（heart-beat）脉冲，它们也都要查听此信号，收到滴答信号表示物理连接已经建立。
用多端口集线器连接计算机，每个站到集线器不超过100米。
10BaseF：
使用光纤作为媒体，在距离和传输特性上优点明显。
集线器
使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。
一个集线器有许多端口，很像一个多端口转发器。
集线器和转发器都工作在物理层
集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。
堆叠式集线器可由4——8个集线器堆叠成一个更大的集线器。
以太网的MAC层
MAC层的硬件地址
著名文献SHOC78：
名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。
严格地讲：
名字应当与系统的所在地无关。
802标准为局域网规定了一种48bit的全球地址，是指局域网上的每一台计算机所插入的网卡上固化在ROM中的地址。
局域网上的计算机更换一块新网卡，它的局域网的“地址”就改变了，虽然物理位置没变，接入的局域网也没变。
一台笔记本电脑从一个地方移到另外一个地方并接入局域网，其局域网的“地址”没变，物理位置、接入的网络都变了。
总结：
802标准所说的“地址”严格的讲应当是每一个站的“名字”或标识符。
802标准为6个字节局域网全球地址的法定管理机构RAC（RegistrationAuthorityCommittee），负责分配地址字段6个字节中的前3个字节（高24位）。
局域网卡的生产厂家必须购买由这3个字节构成的一个号（即地址块），其正式名称为OUI（OrganizationallyUniqueIdentifier）。
地址字段中的后3个字节（即低24位）则由厂家自行指派，称为扩展的惟一标识符（ExtendedUniqueIdentifier），只要保证生产出的网卡没有重复地址即可，可见一个地址块可以生成224个不同的地址。
MAC地址即硬件地址、物理地址也是网卡地址或网卡标识符EUI-48。
IEEE规定地址字段的第一字节的最低位I/G（Individual/Group）比特。
当I/G比特为0时，地址字段表示一个单个站地址；
当I/G比特为1时，表示组地址，用来进行多播。
IEEE制定的二进制EUI-48地址有两种不同的记法（如P109图4-15）
第一种记法是802.5和802.6采用的标准：
每一个字节的高位写在最左边
第二种记法是802.3和802.4采用的标准：
每一个字节的高位写在最右边。
IEEE标准规定：
地址字段第1字节的最低第2位为G/L（Global/Local）位。
当G/L=1时表示全球管理（保证全球无相同的地址）；
当G/L=0时表示本地管理，用户可以任意分配网络上的地址。
以太网一般不使用G/L位。
网卡每接收一个MAC帧首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址。
如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他处理；
否则，将此帧丢弃，不再进行其他处理。
“发往本站的帧”包括三种帧：
单播（unicast）帧（一对一）：
收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。
广播（broadcast）帧（一对全体）：
发送给所有站点的帧（全1地址）。
多播（multicast）帧（一对多）：
发送给一部分站点的帧。
注意：
所有的网卡都最至少能识别前两种帧。
以太网的两种不同的MAC帧格式
常用的以太网MAC帧格式有两种标准：
DIXEthernetV2标准
IEEE的802.3标准
最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
无效的MAC帧
数据字段的长度与长度字段的值不一致；
帧的长度不是整数个字节；
用收到的帧检验序列FCS查出有差错；
数据字段的长度不在46~1500字节之间。
有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。
对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。
以太网不负责重传丢弃的帧。
帧间最小间隔
帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。
一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。
这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。
在物理层扩展局域网
设备：
转发器和集线器
多级结构的集线器局域网的优点：
不同局域网的计算机之间可以通信。
扩大了局域网的地理覆盖范围。
多级结构的集线器局域网的缺点：
通过集线器互连在一起的局域网组成了一个更大的共同的碰撞域。
采用不同以太网技术的局域网互连，不能用集线器。
因为此时它只是一个多端口的转发器，不能缓存帧
高速以太网
快速以太网
100Base-T以太网
100Base-T以太网：
在双绞线上传送100Mb/s的基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3和CSMA/CD协议，称为快速以太网。
用户只需要更换一张网卡，并配上100Mb/s的集线器/交换机，就可以方便地从10Base-T升级到100Base-T。
100Base-T能识别并自适应10Mb/s和100Mb/s的以太网。
标准：
1995年，IEEE通过802.3u标准，实际上是802.3的一个补充。
原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特时间从100ns缩短为10ns。
对10Mbps802.3LAN的改进：
一种方法是改进10Base-5或10Base-2，采用CSMA/CD，最大电缆长度减为1/10，未被采纳；
另一种方法是改进10Base-T，使用HUB，被采纳：
当数据率提高10倍时，为保持最短帧长不变，网段的电缆长度减为100米，帧间间隔从原来的9.6μs改为现在的0.96μs。
100BASE-TMAC与10Mbps经典以太网MAC几乎完全一样，例如两者都具有下列参数值：
时隙=512位时，重试次数极限=16，退避次数极限=10，碰撞加强（jam）信号长度=32比特，地址位长度=48比特，最大帧长=1518字节，最小帧长=512比特（64字节），唯一不同的参数就是帧际间隙时间，10Mbps是9.6微秒（最小值），快速以太网（100Mbps）是0.96微秒（最小值）。
100BASE-TMAC以10倍速度使用传统的以太网MAC。
100BASE-T标准允许包括多种物理层协议，现在已有三个不同的100BASE-T物理层规范，其中的两个标准支持长度为100米的无屏蔽双绞线，第三个标准支持单模或多模光缆。
表4-1列出了三种媒体类别的主要参数值。
有时人们把100BASE-TX和100BASE-FX合在一起称作100BASE-X。
100Base-TX
使用2对5类平衡双绞线或150屏蔽平衡电缆，1对用于发送，另1对用于接收，可实现全双工通信；
信号能量主要集中在30MHz以下，以便减少辐射的影响；
信号编码采用MLT-3多电平传输编码方法，用正、负和零电平实现三元制进行编码：
当输入一个“0”时，下一个输出值不变；
当输入一个“1”时，下一个输出值要变化：
若前一个输出值为正值或负值，则下一个输出值为零；
若前一个输出值为零，则下一个输出值与上一次的一个非零输出值的符号相反。
100Base-T4
使用4对UTP3类或5类线，同时使用3对线同时传送数据（每对数据率为33.5MB/s），用1对作为冲突检测的接收信道；
传输距离最长为100m；
信号采用8B6T-NRZ编码方法：
将数据流中的每0位作为一组，然后按规则转换为每组6位的三元制码元。
千兆以太网——吉比特以太网
1997年，IEEE通过802.3Z标准，允许在1Gb/s下实现全双工/半双工通信；
仍采用802.3协议规定的帧；
在半双工通信方式下使用CSMA/CD协议，全双工下方式不需要使用CSMA/CD协议
与10Base-T和100Base-T技术向后兼容
吉比特以太网的物理层使用了两种成熟的技术：
一种来自现有的以太网，另一种来自ANSI制订的光纤通道。
吉比特网的物理层共有两个标准：
1000Base-X（802.3z标准）：
基于光纤通道的物理层，即FC-0和FC-1，使用的媒体有：
1000Base-SX：
使用短波长（850nm）的激光器，采用纤芯直径为62.5μm和50μm的多模光纤时，传输距离为275m和550m。
1000Base-LX：
使用长波长（1300nm）的激光器，采用纤芯直径为62.5μm和50μm的多模光纤时，传输距离为550m；
采用纤芯直径为10μm的单模光纤时，传输距离为5Km。
1000Base-CX：
使用铜线，如采用两对短距离的屏蔽双绞线电缆，传输距离为25m。
1000Base-T（802.3ab标准）：
使用4对5类双绞线，传送距离为100m。
吉比特以太网在半双工方式下必须进行冲突检测，由于数据率的提高，使一个网段的最大长度保持在100m，采用了“载波延伸”的办法，使最小帧长仍为64字节，将最大争用时间增大为512字节。
吉比特网还增加了分组突发的功能：
当很多短帧要发送时，第一个短帧仍需载波延伸进行填充，随后的帧可一个接一个发送，只需相互间留有必要的帧间最小间隔。
10吉比特网——万兆以太网
2002年6月，IEEE802.3ae委员会制订了万兆以太网标准。
万兆以太网的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s完全相同，并保留了802.3标准规定的最帧长和最大帧长，以便能和已有的以太网兼容与升级。
万兆以太网只使用光纤作为传输媒体，使用长距离（超过40Km）的光收发器与单模光纤接口，可在广域网和城域网范围内工作。
如使用多模光纤，传输距离为65——300m。
万兆以太网只工作在全双工方式下，不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。
万兆以太网使用自己物理层标准，共有两种：
局域网物理层LANPHY，数据率精确为10Gb/s；
可选的广域网物理层WANPHY，以便和所谓的“Gb/s”的SONET/SDH（实际为9.58464Gb/s）相连接。
万兆以太网的工作范围从局域网扩展到广域网，实现端到端的以太网传输，好处如下：
以太网是成熟的技术，需在更大的范围内试验。
以太网的互操作性好
以太网的价格低廉，能适应多种传输媒体
端到端的以太网使用的帧的格式全部是以太网的格式，无需转换就可互连。
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