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  • 局域网中使用的传输介质有...双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质,由两根绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,当你做线的时候,是不是需要把缠绕的...
      局域网中使用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤等。这里主要介绍下双绞线、光纤在局域网中的性能、应用分析。
     
      中小型企业在布置局域网时,大部分都用双绞线,这个是不可争辩的事实。双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质,由两根绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,当你做线的时候,是不是需要把缠绕的双绞线按顺序依次分开啊,这下就应该明白了。缠绕的双绞线中的每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。
     
      双绞线一般由两根 22-26 号绝缘铜导线相互缠绕而成。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。在双绞线电缆内,不同线对具有不同的扭绞长度,一般地说,扭绞长度在 14cm-38.1cm 之间,按逆时针方向扭绞,相邻线对的扭绞长度在 12.7cm 以上。
     
      与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输度等方面均受到一定限制。但价格较为低廉。目前,双绞线可分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。虽然双绞线是用来传输模拟声音信息的,但同样适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息传输。在传输期间,信号的衰减比较大,并且产生波形畸变。采用双绞线的局域网带宽取决于所用导线的质量,长度及传输技术。只要精心选择和安装双绞线,就可以在有线距离内达到每秒几百万位的可靠传输。当距离很短,并且采用特殊的电子传输技术时,传输率可达 100-150Mb/s ,现在的 10Base-T 100Base-T 的传输距离均为 100m
     
      在 10Base-5 的全配置的情况下可以允许通过 4 个中继器,那么冲突的时间槽就相当于一个数据包在网络中来回传播一次的时间加上各种延时。注意到电波在铜缆中的传播速度是光波在真空中速度的 0.7 倍左右,所以计算如下:
    T=2 x ( 传播时间 + 中继器延时 )+  发送端的工作站延时 + 接收站延时
     
      光纤的分类是按照光在光纤中的传播方式划分的,光纤可分为多模光缆和单模光缆。单模光缆比多模光缆具有更高的传输速率和更长的传输距离。单模光纤的纤芯直径为 8-10um ,包层直径为 125um  ,多模光纤纤 芯直径为 62.5um, 包层直径为 125um ,并通常写为 62.5/125um
     
      使用光纤作为传输媒体必须具备光变换设备,即光发送器和光接收器。光发送器将要发送的编码数据转为为一串光信号,用来携带数据。光发送器使用光二极管( LED )或激光二极管( LD )。 LED 用于多模光纤, LD 用于单模光纤。光纤本身的造价相差很少,但是光通信系统中的长波的激光器件的价格是普通 LED 价格的很多倍,所以单模光纤的通信系统造价要比多模昂贵。接收器通常为光检测器,用于将外来的光信号转换为电信号。光检测器的一个重要性质是接收灵敏度,外入光信号使接收器工作必须具有的最小功率。应该指出,接收器灵敏度是针对一定范围的光波长而言的。光波长是指在光纤上用来携带数据的光射线的近似波长。光源以一定的一组波长发射光线。波长度量为 nm
     
      为了提高单根光纤的通信容量,现在广为流行使用波分复用技术 WDM 。即在发送端采用光复用器将不同规定波长的信号光载波分开,从而在一根光纤中可以实现多路光信号的复用传输,实现大容量的光纤通信。
     
      上述简单的分析下双绞线、光纤的一些应用及原理,之所以分析这两个在日常网络布线或维护中常用的介质,是因为对于我们刚从事网络技术的人员来说,有个必要的理解。毕竟,布线系统最先了解的不是协议、原理而是传输介质。

     

    本文转自

    jiangxuezhi2009 51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/jiangxuezhi/344969 ,如需转载请自行联系原作者

     
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  •  有线通信介质包括架空明线,双绞线,同轴电缆,光缆等。  1.1 架空明线  架空明线是一种最早发展和使用的传输介质,它的通信容量较小而且很容易受外界干扰,线路损耗也大,但是设备技术简单,价格便宜,因此...
  • 3种局域网介质访问控制方法的比较

    千次阅读 2013-09-06 20:17:08
    3种局域网介质访问控制方法的工作原理及优缺点: 1.带有冲突检测的载波侦听多路访问方法: 工作原理:每一个节点发送数据前先侦听信道是否空闲 ,若空闲,则立即发送数据。若信道忙碌,则等待一段时间至信道中的信息...

    3种局域网介质访问控制方法的工作原理及优缺点:

    1.带有冲突检测的载波侦听多路访问方法:

    工作原理:每一个节点发送数据前先侦听信道是否空闲 ,若空闲,则立即发送数据。若信道忙碌,则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据;若在上一段信息发送结束后,同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求,则判定为冲突。若侦听到冲突,则立即停止发送数据,等待一段随机时间,再重新尝试。

    其原理简单总结为:先听后发,边发边听,冲突停发,随机延迟后重发。

    优点:原理比较简单,技术上易实现,网络中各工作站处于平等地位,不需集中控制,不提供优先级控制。

    缺点:网络负载增大时,发送时间增长,发送效率急剧下降。


    2.令牌总线方法:

    工作原理:在总线拓扑结构中利用“令牌”(令牌是一个二进制数的字节,它由“空闲”与“忙”两种编码标志来实现,既无目的地址,也无源地址)作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法,如果某结点有数据帧要发送,它必须等待空闲“令牌”的到来。当此结点获得空闲令牌之后,将令牌标志位由“闲”变为“忙”,然后传送数据。

    优点:各工作站对介质的共享权力是均等的,可以设置优先级,也可以不设;有较好的吞吐能力,吞吐量随数据传输速率增高而加大,连网距离较CSMA/CD方式大。

    缺点:控制电路较复杂、成本高,轻负载时,线路传输效率低。

    3.令牌环方法:

    工作原理:使用一个称之为“令牌”的控制标志,当无信息在环上传送时,令牌处于“空闲”状态,它沿环从一个工作站到另一个工作站不停地进行传递。当某一工作站准备发送信息时,就必须等待,直到检测并捕获到经过该站的令牌为止,然后将令牌的控制标志从“空闲”状态改变为“忙”状态,并发送出一帧信息。其他的工作站随时检测经过本站的帧,当发送的帧目的地址与本站地址相符时,就接收该帧,待复制完毕再转发此帧,直到该帧沿环一周返回发送站,并收到接收站指向发送站的肯定应签信息时,才将发送的帧信息进行清除,并使令牌标志又处于“空闲”状态,继续插入环中。当另一个新的工作站需要发送数据时,按前述过程,检测到令牌,修改状态,把信息装配成帧,进行新一轮的发送。 

    优点:能提供优先权服务,有很强的实时性,在重负载环路中,“令牌 ”以循环方式工作,效率较高。

    缺点:环维护复杂,实现比较困难。




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  • 计算机网络与通信局域网

    千次阅读 2020-05-30 23:26:56
    局域网这个词大家听起来应该不陌生,但他是如何工作的呢? 通过这篇文章一起来学习一下: 局域网概述 共享式以太网 交换式以太网 高速局域网 无线局域网 1. 局域网概述局域网的发展历程1969年诞生了世界第一个由大型...

    局域网这个词大家听起来应该不陌生,但他是如何工作的呢?

    通过这篇文章一起来学习一下:

    1. 局域网概述
    2. 共享式以太网
    3. 交换式以太网
    4. 高速局域网
    5. 无线局域网

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    1. 局域网概述

    局域网的发展历程

    1969年诞生了世界第一个由大型主机构成的ARPANET网络(是广域网)之后,随着PC的普及和对数据共享的需求,人们开始研究局域网(LAN),1973年诞生以太网(Ethernet)。

    1980年美国DEC、Intel与Xerox三家公司联合提出以太网规范(DIX Ethernet V1),这是世界上第一个局域网技术标准。82年升级为DIX Ethernet V2,83年的以太网国际标准IEEE 802.3就是参照以太网的技术标准建立的,两者基本兼容。

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    局域网的特点

    • 局域网(LAN):
      地理范围有限,以实现资源共享为基本目的的高速计算机网络。

    特点:

    1. 本质特征:分布距离短、数据传输速度快、低误码率
    2. 网络为一个单位拥有,不受公共网络束缚。
    3. 广播式通道:多节点共享传输介质,因此使用广播信道的局域网也被称为共享式局域网。技术关键是共享信道分配问题,亦称为介质访问控制MAC。

    虽然交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网,但无线局域网仍然使用的是共享媒体技术。

    局域网主要技术要素

    1. 传输介质 :双绞线、基带同轴电缆、光纤、无线。
    2. 网络拓扑: 要注意物理拓扑和逻辑拓扑
    3. 介质访问控制方法:局域网中各节点对共享通信介质的使用方法,不同类型的局域网通常使用不同的介质访问控制协议 。

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    物理拓扑和逻辑拓扑

    • 物理拓扑指网络的几何形状,即通常意义的拓扑;
    • 逻辑拓扑则指各节点信息在通信介质中传输的流动形式。

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    局域网体系结构

    IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准,它们统称为IEEE 802标准, 85年成为ISO国际标准。包括局域网参考模型与各层协议(局域网体系结构)。

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    IEEE802局域网参考模型

    为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准,IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:

    • 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层;
    • 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

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    数据链路层的两个子层

    与媒体接入控制有关的内容都放在 MAC子层,而 LLC 子层则与传输媒体无关。

    不管采用何种协议的局域网,对 LLC 子层来说都是透明的。

    由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网,因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC(即 802.2 标准)的作用已经不大了。

    很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

    IEEE 802为局域网制定的协议

    • 802.1 描述体系结构以及网络管理和网络互连等。
      802.1Q:虚拟局域网(1998)
    • 802.2 定义了逻辑链路控制(LLC)子层的功能与服务
    • 802.3 CSMA/CD访问控制方法与物理层规范。
      802.3i: 描述10Base-T访问控制方法和物理层技术规范。(1990)
      802.3u: 100BASE-T访问控制方法与物理层规范。
      802.3z: 1000Base-X访问控制方法和物理层技术规范。
      802.3ab: 1000BASE-T访问控制方法与物理层规范
      802.3ac:描述VLAN的帧扩展(1998)
      802.3ae:10GBase-X访问控制方法和物理层技术规范。(2003)
    • 802.4:描述Token-Bus访问控制方法和物理层技术规范。
    • 802.5 TOKEN-TING访问控制方法与物理层规范
    • 802.6:描述城域网(MAN)访问控制方法和物理层技术规范(1994)。
    • 802.7:描述宽带网访问控制方法和物理层技术规范。
    • 802.8 :FDDI局域网访问控制方法与物理层规范
    • 802.10:描述局域网网络安全标准(1998)。
    • 802.11:无线局域网访问控制方法与物理层规范(1999)
    • 802.16:描述宽带无线访问标准(Broadband Wireless Access Standards)。

    IEEE 802.4:Token Bus 令牌总线

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    IEEE 802.4:Token Bus 令牌环

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    TOKEN RING介质访问控制方法

    令牌环访问控制方式适用于环形逻辑拓扑结构局域网,是一种定时型(确定、有序)介质访问控制方式。

    令牌(TOKEN)是一种特殊的比特组合模式,哪一个节点获取了它,就有权向环路发送数据。其访问控制过程如下图:
    ①截获令牌并且发送数据帧
    ②接收与转发数据
    ③取消数据帧并且重发令牌。

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    适配器(网卡)

    网络接口板又称为通信适配器 (Adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)。网卡既连接局域网中的计算机,又连接局域网中的传输介质。

    适配器的重要功能:

    • 进行串行/并行转换。
    • 数据封装与解封。
    • 编码与译码。
    • 链路管理,主要是CSMA/CD协议的实现。

    计算机通过适配器和局域网进行通信

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    MAC 层的硬件地址

    在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或 MAC 地址。

    802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

    但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”,所以本书也采用这种习惯用法,尽管这种说法并不太严格。

    IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段采用 6 字节 ( 48位) 。

    注意:如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器,那么这些设备就有多个“地址”。准确些说,这种 48位“地址”应当是某个接口的标识符。

    48 位的 MAC 地址

    IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位),称为组织唯一标识符

    地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派,称为扩展唯一标识符,必须保证生产出的适配器没有重复地址

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    典型的Ethernet地址 : 00-60-8C-01-28-12
    000000001010000010001100 000000010010100000010010

    适配器检查 MAC 地址

    适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址。

    如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理。

    否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。

    “发往本站的帧”包括以下三种帧:

    • 单播 (unicast) 帧(一对一)
    • 广播 (broadcast) 帧(一对全体)
    • 多播 (multicast) 帧(一对多)

    所有的适配器都至少能够识别前两种帧,即能够识别单播地址和广播地址。

    有的适配器可用编程方法识别多播地址。

    只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。

    2. 共享式以太网

    技术概述

    最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠,因为总线上没有有源器件。

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    共享式以太网(Ethernet)技术特点

    共享式以太网(Ethernet)—指逻辑拓扑结构为总线型的,采用CSMA/CD访问控制方法的基带局域网。Ethernet使用曼彻斯特编码。

    以太网提供的服务是不可靠的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧,其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。

    为了通信简便,采用较为灵活的无连接的工作方式:

    1. 不必先建立连接就可以直接发送数据。
    2. 对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。

    这样做的理由是局域网信道的质量很好,因信道质量产生差错的概率是很小的。

    以太网的MAC帧格式

    • 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准 :
      DIX Ethernet V2 标准和IEEE 的 802.3 标准

    两者基本兼容,最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

    以太网 V2 的 MAC 帧格式

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    • 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议,以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
    • 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。
      最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度(46字节)
      当数据字段的长度小于 46 字节时,应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段,以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
    • FCS:当传输媒体的误码率为 1*10^-8 时, MAC 子层可使未检测到的差错小于 1 * 10^-14。
    • 帧的前面插入(硬件生成)的 8 字节中,第一个字段共 7 个字节,是前同步码,用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段 1 个字节是帧开始定界符,表示后面的信息就是 MAC 帧。

    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IFG(Interframe Gap)

    以太网帧间最小间隔为96 bit 的发送时间,10M以太网相当于9600ns。

    一个站在检测到总线开始空闲后,还要等待9600ns才能再次发送数据。

    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(流量控制)。

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    以太网集线器及10BASE-T

    传统以太网最初是使用粗同轴电缆,后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆,最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。

    采用双绞线的以太网采用星形物理拓扑,在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备,叫做集线器 (hub)。

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    星形以太网 10BASE-T

    1990 年,IEEE 制定出星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i。

    使用无屏蔽双绞线,采用星形拓扑。

    每个站需要用两对双绞线,分别用于发送和接收。

    双绞线的两端使用 RJ-45 插头。

    集线器使用了大规模集成电路芯片,因此集线器的可靠性提高。

    10BASE-T 的通信距离稍短,每个站到集线器的距离不超过 100 m。

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    10BASE-T 以太网在局域网中的统治地位

    这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现,既降低了成本,又提高了可靠性。 具有很高的性价比。

    10BASE-T 双绞线以太网的出现,是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑,它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。

    从此以太网的拓扑就从总线形变为更加方便的星形网络,而以太网也就在局域网中占据了统治地位。

    集线器的特点

    1. 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
    2. 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议,并共享逻辑上的总线。
    3. 集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层。
    4. 集线器采用了专门的芯片,进行自适应串音回波抵消,减少了近端串音。

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    传统共享式以太网的不足及对策

    不足:

    1. 传统以太网技术建立在“共享介质”基础上,CSMS/CD介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质;
    2. 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少;
    3. 网络通信负荷加重时,冲突和重发现象将大量发生,网络效率将会下降。

    在这里插入图片描述
    对策:

    1. 提高数据传输速率:10Mb/s→100Mb/s→10Gb/s →100Gb/s ;
    2. 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,导致了局域网互连技术的发展;
    3. 将“共享介质方式”改为“交换方式”导致了“交换式局域网”技术的发展。

    3. 交换式以太网

    随着局域网规模日益扩大,站点数目增多,网络通信负载加重,具有更高性能的交换式以太网在有线领域已完全替代了共享式以太网。

    网桥

    网桥工作在数据链路层,它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。

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    使用网桥带来的好处

    • 网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 ,过滤了通信量。

    • 扩大了物理范围。

    • 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率(如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网)的局域网。

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    使用网桥带来的缺点

    • 存储转发增加了时延。
    • 在MAC 子层并没有流量控制功能。
    • 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
    • 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网,否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

    网桥和集线器的不同

    • 集线器工作在物理层,网桥工作在数据链路层。
    • 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。
      若在发送过程中出现碰撞,就必须停止发送和进行退避。

    以太网交换机(Swithch)

    1990 年问世的交换式集线器 (switching hub) 可明显地提高以太网的性能。

    交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或二层交换机 (L2 switch),以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥,可见交换机工作在数据链路层。

    交换机内的电路让每个计算机位于单独的局域网网段上并与其他网段通过网桥连接。

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    交换机 (switch) 工作原理

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    共享式与交换式以太网的区别

    共享式以太网平分网络带宽,网络中的站点属于同一个冲突域。

    而交换技术受传统的电路交换的启示,让通信的双方拥有一条不受干扰的独立信道。可以实现多对用户之间的点-点通信。

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    交换式以太网的技术特点

    • 以太网交换机能同时连通多对接口,使多对主机能同时通信(并发连接);
    • 以太网交换机是一种即插即用设备,其内部的帧交换表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的;
    • 支持不同的传输速率和工作模式;
    • 低交换延迟–基于硬件交换技术;
    • 支持虚拟局域网服务。

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    独占传输媒体的带宽而无碰撞地传输数据

    对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网,若共有 N 个用户,则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。

    使用以太网交换机时,虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s,但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽,因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N*10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。

    以太网交换机的两种交换方式

    1. 存储转发方式
      把整个数据帧先缓存后再进行处理。
    2. 直通 (cut-through) 方式
      接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口,因而提高了帧的转发速度。
      缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去,因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。

    在某些情况下,仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换,例如,当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。

    以太网交换机的自学习功能

    以太网交换机运行逆向自学习算法自动维护交换表。

    开始时,以太网交换机里面的交换表是空的。

    在这里插入图片描述

    交换机的逆向自学习和转发帧的步骤

    交换机收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有,就在转发表中增加一个项目(源地址、进入的接口和时间)。如有,则把原有的项目进行更新。

    转发帧,查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目:

    • 如没有,则通过所有其他接口(但进入交换机的接口除外)按进行转发。
    • 如有,则按转发表中给出的接口进行转发。
    • 若转发表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口,则应丢弃这个帧(因为这时不需要经过交换机进行转发)。

    按照逆向自学习算法处理收到的帧和建立交换表

    在这里插入图片描述
    考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机,或者主机要更换其网络适配器,这就需要更改交换表中的项目。为此,在交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的项目就自动被删除。

    以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用,不必人工进行配置,因此非常方便。

    从总线以太网到星形以太网

    早期,以太网采用无源的总线结构。

    现在,采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。

    总线以太网使用 CSMA/CD 协议,以半双工方式工作。

    以太网交换机不使用共享总线,没有碰撞问题,因此不使用 CSMA/CD 协议,而是以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

    虚拟局域网(Vlan)

    IEEE 802.1Q标准中是这样定义的:虚拟局域网是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组,而这些网段具有某些共同的需求.

    只是给用户提供的一种服务,而并不是一种新型局域网。它以软件方式实现对逻辑工作组的划分与管理。

    一个逻辑工作组的结点可以分布在不同的物理网段上,不受物理位置的限制,但它们之间的通信就像在同一个物理网段上一样。

    利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。

    在这里插入图片描述

    • 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时,工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。
    • B1 发送数据时,工作站 A1,A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。

    虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络不会因传播过多的广播信息而引起性能恶化。

    虚拟局域网使用的以太网帧格式

    IEEE 批准了 802.3ac 标准,该标准定义了以太网的帧格式的扩展,以支持虚拟局域网。

    虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符,称为VLAN 标记 (tag),用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。

    插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧:

    在这里插入图片描述

    4. 高速以太网

    速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网

    100BASE-T 以太网

    100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网,仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。

    100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。

    1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准,其代号为 IEEE 802.3u。

    100BASE-T 以太网的特点

    可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时,不使用 CSMA/CD 协议。

    MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。

    保持最短帧长不变,但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。

    帧间时间间隔从原来的 9600ns改为现在的 960ns。

    100 Mbit/s 以太网的三种不同的物理层标准

    • 100BASE-TX
      使用 2 对 UTP 5 类线 或 屏蔽双绞线 STP。
      网段最大程度:100米。
    • 100BASE-T4
      使用 4 对 UTP 3 类线 或 5 类线。
      网段最大程度:100米。
    • 100BASE-FX
      使用 2 对光纤。
      网段最大程度:2000米。

    吉比特以太网

    允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。

    使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。

    在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议,全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。

    与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

    吉比特以太网可用作现有网络的主干网,也可在高带宽(高速率)的应用场合中。

    吉比特以太网的物理层

    使用两种成熟的技术:一种来自现有的以太网,另一种则是美国国家标准协会 ANSI 制定的光纤通道 FC (Fiber Channel)。

    在这里插入图片描述

    吉比特以太网的配置举例

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    10吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

    10 吉比特以太网(10GE)并非把吉比特以太网的速率简单地提高到 10 倍,其主要特点有:

    • 与 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。
    • 保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长,便于升级。
    • 不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
    • 只工作在全双工方式,因此没有争用问题,也不使用 CSMA/CD 协议。

    10 吉比特以太网的物理层

    在这里插入图片描述

    更快的以太网

    以太网的技术发展得很快,在 10GE 之后又制订了 40GE/100GE(即 40 吉比特以太网和 100 吉比特以太网)的标准 IEEE 802.3ba-2010 和 802.3bm-2015。

    40GE/100GE 只工作在全双工的传输方式(因而不使用 CSMA/CD 协议),并仍保持了以太网的帧格式以及 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长。

    100GE 在使用单模光纤传输时,仍然可以达到 40 km 的传输距离,但这是需要波分复用(使用 4 个波长复用一根光纤,每一个波长的有效传输速率是 25 Gbit/s)。

    40GE/100GE 的物理层

    在这里插入图片描述

    端到端的以太网传输

    以太网的工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网,从而实现了端到端的以太网传输。

    这种工作方式的好处有:

    • 技术成熟;
    • 互操作性很好;
    • 在广域网中使用以太网时价格便宜;
    • 采用统一的以太网帧格式,简化了操作和管理。

    以太网从 10 Mbit/s 到100 Gbit/s 的演进

    以太网从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s 的演进证明了以太网是:

    • 可扩展的(从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s);
    • 灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交换);
    • 易于安装;
    • 稳健性好。

    5. 无线局域网

    无线局域网的组成

    无线局域网有两种组网模式:无固定基站的自组网络(Ad-Hoc)模式和有固定基站的基础结构网络(Infrastructure)模式。

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    有固定基础设施的无线局域网

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    IEEE 802.11

    对于有固定基础设施的无线局域网,最有名的就是IEEE 802.11无线局域网。

    实际上802.11既支持有固定基础设施的网络,也支持无固定基础设施的网络,但使用最多的是它的有固定基础设施的组网方式。

    凡使用802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi(Wireless Fidelity,即无线保真度)

    与接入点 AP 建立关联(association)

    一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS,就必须先选择一个接入点 AP,并与此接入点建立关联。

    建立关联就表示这个移动站加入了选定的 AP 所属的子网,并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路。

    只有关联的 AP 才向这个移动站发送数据帧,而这个移动站也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧。

    移动站与 AP 建立关联的方法

    • 被动扫描,即移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧(beacon frame)。
      信标帧中包含有若干系统参数(如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等)。
    • 主动扫描,即移动站主动发出探测请求帧(probe request frame),然后等待从 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)。

    移动自组网络

    自组网络(ad hoc network)是没有固定基础设施(即没有 AP)的无线局域网。这种网络由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。

    802.11的ad hoc模式允许在通信范围内的各站点间直接进行通信,组成一个无中心不与外界网络连接的自组网络,支持站点间的单跳通信,但在标准中并没有包括多跳路由功能。

    在这里插入图片描述

    移动自组网络的应用前景

    在军事领域中,携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。

    这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群,以及海上的舰艇群、空中的机群。

    当出现自然灾害时,在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的,

    几种常用的 802.11 无线局域网

    在这里插入图片描述

    802.11局域网的MAC帧

    802.11的MAC帧共有三种类型,即控制帧、数据帧和管理帧。

    在这里插入图片描述

    802.11 的 MAC协议

    1. 使用CSMA/CA 协议

    无线链路是无导向信道,故其比特错误比有线链路更加普遍。因为:

    • 递减的信号强度;
    • 外界干扰;
    • 多路径传播;

    无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因:

    • 冲突检测(CD)在无线局域网的设备中要实现这种功能花费过大。
    • 即使我们能够实现碰撞检测的功能,无线链路中还存在隐蔽站问题。

    在这里插入图片描述
    当 A 和 C 检测不到无线信号时,都以为 B 是空闲的,因而都向 B 发送数据,结果发生碰撞。

    这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)

    CSMA/CA 协议

    无线局域网只能使用改进的 CSMA 协议。办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。

    802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时,还增加使用停止等待协议。

    CSMA/CA 协议的基本原理:当一个终端节点要向另一个终端节点发送数据时,先进行通道的预约。

    CSMA/CA协议只能用于有明确目标地址的帧,不能用于组播报文和光播报文传输。

    冲突避免:交换RTS - CTS

    在这里插入图片描述

    2. 确认与帧间间隔

    所有的站在完成发送后,必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。

    帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短,因此可优先获得发送权。

    若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体,则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。

    在这里插入图片描述

    帧间间隔

    DIFS

    SIFS,即短(Short)帧间间隔,是最短的帧间间隔,用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。

    使用 SIFS 的帧类型有:ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧,以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。

    PIFS

    PIFS,即点协调功能帧间间隔,它比 SIFS 长,是为了在开始使用 PCF 方式时(在 PCF 方式下使用,没有争用)优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。

    时隙的长度是这样确定的:在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时,那么在下一个时隙开始时,其他站就都能检测出信道已转变为忙态。

    SIFS

    DIFS,即分布协调功能帧间间隔(最长的 IFS),在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度。

    CSMA/CA 协议的原理

    欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。

    通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。

    当源站发送它的第一个 MAC 帧时,若检测到信道空闲,则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。

    为什么信道空闲还要再等待?这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有,就要让高优先级帧先发送。

    假定没有高优先级帧要发送

    源站发送了自己的数据帧。

    目的站若正确收到此帧,则经过时间间隔 SIFS 后,向源站发送确认帧 ACK。

    若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK(由重传计时器控制这段时间),就必须重传此帧,直到收到确认为止,或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

    3. 退避算法

    为避免碰撞,如果要发送数据的站发现信道忙在信道恢复空闲时并不是立即发送数据,而是要退避一段随机的时间(大于DIFS)若信道仍然空闲才能发送数据

    若发送方接收到确认要立即发送下一帧时,为公平竞争,也要执行退避
    当发送方没有接收到确认,重传帧时,要将随机选择退避时间的范围扩大一倍。

    退避算法的使用情况

    • 仅在下面的情况下才不使用退避算法:
      检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。

    除此以外的所有情况,都必须使用退避算法。即:

    • 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。
    • 在每一次的重传后。
    • 在每一次的成功发送后。
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    大致上可以将介质分为引导性介质(也称为有线介质。比如铜线和光纤)和非引导性介质(也称无线介质,比如地面无线电、卫星和激光)两大类。

    本博文探讨引导性传输介质,包括双绞线、同轴电缆、光纤。

     

    1.双绞线

    一种最古老但至今最常用的传输介质是双绞线(twisted pair,TP),它由两根相互绝缘的铜线组成(直径通常约为1mm)。两根铜线螺旋绞在一起,因为这样,不同电线产生的干扰波会相互抵消,从而能显著降低电线的辐射。而噪声能抵消又是因为噪声对两根电线的干扰是相同的。双绞线可达到几Mbps的带宽

    图1:Cat 5 UTP

    双绞线最常见的应用是电话系统。几乎所有的电话都是通过双绞线连接到电话公司的端局。打电话和ADSL接入Internet都双绞线。到6类为止,所有的双绞线都称为非屏蔽双绞线(UTP,Unshielded TP),仅由导线与绝缘层简单地构成。如图1是5类UTP,4对双绞线被套在一个塑料保护套内(区别于铜线外的绝缘层)。塑料外套既保护了双绞线又把多根导线捆在一起。7类双绞线在每对双绞线外面和整个线缆外面都加了一个屏蔽层,称为屏蔽双绞线(STP)。

    图2展示了某种Cat 5 UTP的性能参数。可以看到100MHz CAT 5e的损耗达到了22dB每百米。

    图2:Cat 5 UTP性能参数

    图3展示了几种类型TP的应用范围。5类UTP适用于高速计算机通信,尤其是100Mbps和1Gbps以太局域网。

    图3:TP应用范围

    2.同轴电缆

    同轴电缆(coaxial cable),如图4,由铜芯和外面包上的一层绝缘材料组成,绝缘材料外面是一层密织的网状圆柱导体,外层导体再覆盖一层保护塑料外套。

    图4:同轴电缆结构图

    同轴电缆比UTP有更好的屏蔽特性、抗干扰能力和更大的带宽,通常多用于基带传输。目前同轴电缆常用在有线电视系统中,在计算机网络中运用较少。现代电缆能达到几个GHz的带宽

    图5:同轴电缆实物图

    3.电力线

    电力线将电能送至千家万户,也可以用于数据通信。在此不多叙述。

     

    4.光纤

    光纤主要用于网络骨干的长途传输、高速局域网(快速以太网,802.3z中的单模、多模光纤传输标准)以及高速Internet接入(比如光纤到户,FttH,Fiber to the Home)。

    光纤通信用的光为近红外光,频率约为300THz=3×10^14Hz,带入λ=c/f=1μm,即光纤通信光波长在1μm左右。图6给出了光纤中衰减与波长的关系。0.85μm、1.31μm和1.55μm是其三个波长窗口。1986年,光纤损耗被降低到0.154dB/km,接近了光纤最低损耗的理论极限。

    图6:红外区域的光通过光纤时的衰减情况

    图7展示了实物光纤与网线。这里的网线就是前文提到的超五类UTP

    图7:光纤与网线

    如果读者希望进一步了解光纤通信,请阅读《光纤通信》等光通信教材,在这里我不与。不予赘述。

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