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第10章 局域网基础知识(2)

(1)FDDI

FDDI使用双环结构,两个环上的数据在相反方向上传输,可以在100km以上的距离支持500台计算机。双环由主环和备用环组成,在正常情况下,主环用于数据传输,备用环闲置,从而提高了FDDI的可靠性。网络具有定时令牌(只有拿到令牌的站才能发送数据,否则只能接收)协议的特性,支持多种拓扑结构,传输介质为光纤。

(2)CCDI

CCDI是FDDI的一种变型,采用双绞铜缆为传输介质,数据传输速率通常为100Mbps。

(3)FDDI‐2

FDDI‐2是FDDI的扩展协议,支持语音、视频及数据传输。

(4)FDDT

FDDT是FDDI的另一个变种协议,被称为全双工技术,采用与FDDI相同的网络结构,但传输速率可以达到200Mbps。

3.异步传输模式网(ATM)

综合业务数字网(ISDN)是集话音、图像和数据为一体的多媒体通信网。在20世纪90年代初,美国和日本已经开始了ISDN的研究和使用。B‐ISDN是宽带的通信网,需要一种全新的数据传输模式,于是异步传输模式(ATM)诞生了。

1990年,国际电报电话咨询委员会(CCITT)正式建议将ATM作为实现B‐ISDN的一项技术基础。这样,以ATM为机制的信息传输和交换模式也就成为电信和计算机网络操作的基础和2l世纪通信的主体之一。

ATM采用基于信元的异步传输模式和虚电路结构,从根本上解决了多媒体的实时性及带宽问题:实现了面向虚链路的点到点传输,通常提供155Mbps的带宽。它既汲取了话务通信中电路交换的面向连接服务和服务质量保证,又保持了以太网、FDDI等传统网络中带宽可变、适于突发性传输的灵活性,从而成为迄今为止适用范围最广、技术最先进、传输效果最理想的网络互联手段。

ATM技术具有如下特点:

(1)实现了网络传输有连接服务和服务质量保证(QoS)。

(2)交换吞吐量大、带宽利用率高。

(3)具有灵活的组网拓扑结构和负载平衡能力,伸缩性、可靠性极高。

(4)ATM技术是现今唯一可同时应用于局域网、广域网两种网络应用领域的网络技术,是局域网与广域网技术的统一,被广泛地应用于城域网建设中。

4.其他类型局域网

令牌环是IBM公司于20世纪80年代初开发成功的一种网络技术。之所以称为环,是因为这种网络的物理结构具有环的形状。环上有多个站逐个与环相连,相邻站之间是点对点的链路,因此令牌环与广播方式的Ethernet 不同,它是顺序向下一站广播的LAN。它与Ethernet不同的另一个特点是负载很重,仍具有确定的响应时间。

令牌环所遵循的标准是IEEE802.5,它规定了三种操作速率:1Mbps、4Mbps和16Mbps。

3.2 局域网的参考模型

任何网络都需要开放的通信标准,局域网络主要采用IEEE802标准。

3.2.1 局域网的参考模型

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。

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)等功能。

2.数据链路层

数据链路层的主要作用是介质访问控制。由于不同的局域网采用不同的数据格式、不同的传输介质、不同的网络拓扑结构,这导致介质访问控制方法也不尽相同,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:介质访问控制子层(Media AccessControl,MAC)和逻辑链路控制子层(Logical Link Control,LLC)。

寻址是Mac子层在本地网络中的任务之一,使用Mac地址寻找站(计算机或交换机等站)。

不同厂商的MAC地址组成亦不相同,MAC地址的寻址可以在本地网确定是哪台设备的哪个端口或网卡,例如数据到达目的网络(本地网)后,靠MAC地址来确定目的计算机。

常见的制造商的MAC地址如下。

Cisco:00‐00‐0c

Novell:00‐00‐1B/ 00‐00‐D8

3Com:00‐20‐AF/00‐60‐8C

IBM:08‐00‐5A

典型的Ethernet地址:00‐60‐8C‐01‐28‐12

提示:可以在DOS环境下键入GETMAC命令获取本机的MAC地址。

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,并在MAC子层的支持下向网络层提供服务。

3.2.2 IEEE802标准

1980年2月,IEEE成立了局域网标准委员会(简称IEEE802委员会),专门从事局域网标准化工作,并制订了IEEE802标准。

IEEE802标准主要包括:

(1)IEEE802.1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)IEEE802.2标准,定义了逻辑链路控制(LLC)子层功能与服务。

(3)IEEE802.3标准,定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层和物理层规范。在物理层,还定义了四种不同介质的10Mbps以太网规范,包括10Base‐5(粗同轴电缆)、10Baes‐2(细同轴电缆)、10Base‐F(多模光纤)和10Base‐T(无屏蔽双绞线UTP)。

IEEE802.3u标准,100M快速以太网标准,现已合并到IEEE802.3中。

IEEE802.3z标准,光纤介质千兆以太网标准规范。

IEEE802.3ab标准,传输距离为100m的5类无屏蔽双绞线千兆以太网标准规范。

IEEE802.3ae标准,万兆以太网标准规范。

(4)IEEE802.4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)IEEE802.5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)IEEE802.6标准,定义了城域网(MAN)介质访问控制子层与物理层规范。

(7)IEEE802.7标准,宽带网络技术。

(8)IEEE802.8标准,光纤传输技术。

(9)IEEE802.9标准,综合语音与数据局域网(IVDLAN)技术。

(10)IEEE802.10标准,定义了可互操作的局域网安全性规范(SILS)。

(11)IEEE802.11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:

IEEE802.11a,定义了工作在5GHz频段,传输速率为54Mbps的无线局域网标准。

IEEE802.11b,定义了工作在2.4GHz频段,传输速率为11Mbps的无线局域网标准。

IEEE802.11g,定义了工作在2.4GHz频段,传输速率为54Mbps的无线局域网标准。

(12)IEEE802.12标准,定义了100VG‐AnyLAN快速局域网访问方法和物理层规范。

(13)IEEE802.14标准,交互式电视网(Cable Modem)技术。

(14)IEEE802.15标准,无线个人局域网(WPAN)技术。

(15)IEEE802.16标准,宽带无线局域网技术。

这些协议标准针对不同的传输介质和局域网络技术,已经很成熟。

3.3 交换式局域网

共享式以太网和交换式局域网是局域网类型中比较重要的两种类型,以下分别予以介绍。

3.3.1 共享式以太网

共享式以太网的典型代表是使用10Base‐2和10Base‐5的总线型网络和以集线器为核心的星型网络。

在使用集线器的以太网中,集线器将以太网设备集中连接到一台中心设备上。从本质上讲,这种以集线器为核心的以太网同传统的总线型以太网没有根本区别。

共享式以太网的最大弱点就是所有的结点都被连接在同一冲突域中,不管一个数据帧的来源和目的地是哪个结点,数据都被广泛传播给所有的结点,即所有的结点都能接受到这个帧,那么随着结点的增加,大量的冲突就会导致网络性能的急剧下降。

集线器同时只能传输一个数据帧,这意味着集线器所有端口都要共享同一带宽。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100Mbps的带宽,这类端口通常被称做“专用100Mbps端口”;如果一个端口连接一个100Mbps的以太网,例如连接一个100Mbps的以太网集线器,它有16个端口连接16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100Mbps端口”。如果连接的机器增多,那么每台机器获得的速度就会降低。

3.3.2 交换式局域网的基本结构

共享式以太网出口的带宽限制了所连接下行计算机的传输速度,所连接的计算机越多,速度下降得越明显。交换式局域网解决了共享式的问题。

典型交换式局域网是交换式以太网(Switched Ethernet),其核心部件是以太网交换机(Ethernet Switch)。它有多个端口,每个端口可以单独与一个结点或一个共享式的设备连接,也可以与另一个以太网交换机级联。

事实上,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以太网。

由于交换式局域网通过以太网交换机实现多结点之间数据的并发传输,因此可以大大增加网络带宽,改善局域网的性能与服务质量。以太网交换机的端口类型分为半双工端口与全双工端口。

(1)对于10Mbps的端口,半双工端口带宽为10Mbps;全双工端口带宽为20Mbps。

(2)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。

3.3.3 局域网交换机的工作原理

局域网交换机工作在OSI模型的第二层即数据链路层,负责接收和发送数据帧。

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。根据以上端口号与结点MAC地址的对应关系,可以建立交换机的“端口号/MAC地址映射表”。

如果结点A和结点D同时发送数据,则分别在Ethernet帧的目的地址字段(DA)中填入该帧的目的地址。如果结点A要向结点C发送帧,该帧的目的地址DA=结点C。

结点D要向结点B发送帧,那么帧的目的地址DA=结点B。当结点A和结点D同时通过交换机传送Ethernet帧时,交换机的交换控制部分根据“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,然后为结点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,在多个端口之间建立多个并发连接是高效率的工作方式,避免了数据传输的冲突问题。

3.3.4 以太网交换机的交换方式

1.以太网的帧结构

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,交换机一旦接收并检测到目的地址域,就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。

(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并进行差错检测。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。

直通和存储转发自适应方式是根据单位时间内出错帧的概率决定采用两种方法中的哪一种。当单位时间内出错帧的概率小于某个门槛值时,采用直通交换方式;当单位时间内出错帧的概率大于该值时,采用存储转发交换方式。

(3)改进的直通交换方式

改进的直通交换方式又被称为碎片隔离方式,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。

3.3.5 交换式局域网的特点

交换式局域网主要指交换式以太网,具有以下几个技术特点。

1.低传输延时

原因是采用了局域网交换机,它是网络设备中传输延迟时间最短的一个。

2.高传输带宽

交换机的每个端口独享网络带宽。对于100Mbps交换机的端口,半双工端口带宽为100Mbps,而全双工端口带宽为200Mbps。对于千兆位和万兆位以太网交换机,每个端口的带宽更高。