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  • 局域网

    2014-06-06 17:05:08
    (2)高速度且通信延迟时间短,低出错率,可靠性较高的数据网络。 (3)支持多种传输介质。 2.局域网相当于0SI模型的物理层及数据链路层,由网络硬件(包括网络服务器,网络工作站,网络打印机,网卡,网络...

    局域网是面向小区域范围的计算机网络,是在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。

    1.局域网特点。

    (1)覆盖地理范围小。

    (2)高速度且通信延迟时间短,低出错率,可靠性较高的数据网络。

    (3)支持多种传输介质。

    2.局域网相当于0SI模型的物理层及数据链路层由网络硬件(包括网络服务器,网络工作站,网络打印机,网卡,网络互联设备等)和网络传输介质,以及网络软件所组成。

    3.局域网最常用的三种访问控制方式。

    (1)CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路访问法):先听后发,碰撞退避。要发送数据时,先监听网络中是否有无其他计算机在发送数据,若有则等待一段时间后再重新监听,若没有就可以发送数据了。如果两个或两个以上计算机要同时发送数据,则会发生信号的冲突,这时立即停止发送信息。

    (2)令牌环:令牌环只适用于环形拓扑结构的局域网,是一种非争用型的访问控制方式,其有一个沿着环路循环的令牌,只有拿到令牌才可以发送信息。若拿到令牌时没有信息需要发送,则将令牌传递给下一个计算机。若需要发送信息时没有拿到令牌,则该信息不能被发送。

    (3)令牌总线:在物理总线上建立一个逻辑环,再通过令牌环访问控制方式对该逻辑环进行访问控制。

    4.常见的局域网拓朴结构。

    (1)星型拓扑结构。

    (2)总线型拓扑结构。

    (3)树型拓扑结构。

    (4)环形拓扑结构。

    5.最广泛应用的局域网技术——以太网。

    (1)以太网主要使用的拓扑结构为总线型拓扑结构和星型拓扑结构。

    (2)以太网使用IEEE802.3标准(物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容)。

    (3)主要使用的物理设备:集线器(并不处理或检查其上的通信量,仅通过将一个端口接收的信号重复分发给其他端口来扩展物理介质,使网络中所有计算机共享同一冲突域、广播和带宽,工作在物理层)与交换机(每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域,工作在数据链路层)。

    (4)以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问(CSMA/CD)机制,以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息,因此,我们说以太网是一种广播网络。

    (5)以太网分为共享式以太网(使用集线器)和交换式以太网(使用交换机)。

    6.以太网传输介质。

    主要为同轴电缆,双绞线,光纤等。

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  • 计算机网络局域网

    千次阅读 2017-08-15 12:01:46
    计算机局域网的组成 局域网的定义 局域网有两种定义方式:功能性... 技术性定义将局域网定义为由特定类型的传输媒体(如电缆光缆和无线媒体)和网络适配器(亦称为网卡)互联在一起的计算机,并受网络操作系统监控

    计算机局域网的组成
    局域网的定义
    局域网有两种定义方式:功能性定义和技术性定义
    功能性定义:一组计算机和他的其他设备在物理地址上彼此相隔不远,已允许用户共享比如打印机和存储设备之类的计算机资源的方式互联在一起的系统。这种定义适合于办公环境下的局域网。
    技术性定义将局域网定义为由特定类型的传输媒体(如电缆光缆和无线媒体)和网络适配器(亦称为网卡)互联在一起的计算机,并受网络操作系统监控的网络系统。
    局域网通常要比广域网(WAN)具有更高的传输速率
    局域网的拓扑结构目前常用的是总线型和环形,星星不常用
    局域网的结构类型
    网络的拓扑结构对网络性能有很大的影响
    局域网是通过将一组PC连接到指定为服务器上的机器来实现的,连接媒体可有多种
    在目前的局域网中,磁盘服务器已经有文件服务器取代。文件服务器无论是在用户共享文件方面还是帮助用户跟踪他们的文件方面都优于磁盘服务器。
    局域网的结构类型
    网络的拓扑结构对网络性能有很大的影响。选择网络拓扑结构,首先要考虑的是采用何种媒体控制方法,因为特定的媒体控制方法一般仅适用于特定的网络拓扑结构,其次要考虑性能,可靠性,成本,扩充灵活性,实现的难易程度以及传输媒体的长度等因素。
    局域网常用的拓扑结构有:总线+环形+星型
    总线网一般参用分布式媒体控制方法。总线网络可靠性高,扩充性能好,通信电缆长度短,成本低,是用来实现局域网的最通用的拓扑结构,比如著名的以太网(原来使用总线结构,后逐渐采用星型结构);另一种是总线拓扑网与令牌环(一组工作站连成的环状网络,为了解决环状网的使用权问题,在网络不断流动一个令牌,只有获得令牌的工作站可以给令牌环上发送信息)相结合的变形,间有了总线结构和令牌环的优点,总线网的缺点是主干网电缆某处发生故障,整个网络将瘫痪,另外,在网络上站点较多时,会因数据冲突增多而使效率降低。
    环形网也采用分布式媒体控制方法。环形网络控制简单,信道利用率高,通信电缆长度短,不存在数据冲突问题,在局域网中应用较广泛,典型的实例由:IBM令牌环(Token Ring)网,和剑桥环(Cambrige Ring)网。另外还有一种FDDI结构(光纤分布式数据接口 Fiber Distributed Data Interface,FDDI,是美国国家标准学会制定的在光缆网络上发送数字和音频信号的一组协议)它是采用光纤作为传输媒体的高速通用令牌环网,常用于告诉局域网和城域网中,环形网的缺点是对节点接口和传输线的要求高,一点接口发生故障可能导致整个网络不能正常工作。
    局域网的结构主要有三种类型:以太网(Ethernet)、令牌环(Token Ring)、令牌总线(Token Bus)(总线网与令牌相结合的局域网)以及作为这三种网的骨干光线分布数据接口(FDDI,Fiber Distributed Data Interface 光纤分布式数据接口)
    即:局域网的主要结构:以太网(Ethernet),令牌环(Token Ring),令牌环网(Token Bus),光线分布式数据接口(FDDI)
    (令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”(token)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。在采用令牌总线方法的局域网中,任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据以及作为这三种网的骨干。)
    局域网的拓扑类型有两种类型:一是指互相连接的工作站的物理布局,另一个是网络的工作方式。前者是人们可以看到的连接结构,另一个为逻辑,操作结构,因而是不可见的,并称之为逻辑拓扑结构
    局域网的网络拓扑结构广泛采用的主要有:总线型和环形。局域网使用的是星型结构主要是指用双绞线构成的网络。这种使用集线器(HUB)构成的星星网,实际上仍然是总线型网络。
    局域网的工作模式
    1)专用服务器结构
    称为”工作站/文件服务器“结构,由若干台微机工作站与一台或多台文件服务器通过通信线路连接起来组成存取文件服务器系统,共享存储设备。
    文件服务器自然以共享磁盘为主要目的,对于一般的数据传递来说已经够用了,但是当数据库系统和其它复杂而不断被增加的用户使用的应用系统到来的时候,服务器已经不能承担这样的任务了,因为随着用户的增多,为每个用户服务的程序也增多,每个程序都是独立运行的大文件,给用户感觉极慢,因此产生了客户机/服务器模式
    2)客户机/服务器模式
    一台或者几台较大的计算机集中进行共享数据库的管理和存取,成为服务器,而将其他的应用处理工作分散到网络中其他PC机上去做,构成分布式的处理系统,服务器控制管理数据的能力已有文件管理方式上升为数据库管理方式,因此,客户机/服务器模式的服务器也成为数据库服服务器,注重于数据定义以及存取安全后后备及还原,并发控制及事务管理,执行诸如选择检索和检索排序等数据库管理功能。他有足够的能力做到把通过其处理后的用户所需的那一部分数据而不是整个文件通过网络传到客户机上去,减轻了网络的传输负荷。客户机/服务器结构是数据库技术的发展和普及应用与局域网技术发展相结合。
    3)对等式网络
    在拓扑结构上与专用服务器结构与客户机/服务器模式相同。在对等式网络结构中,没有专用服务器,每一个工作站即可起到客户机器作用,也可起到服务器作用,每台计算机的地位是相同的。
    计算机局域网标准介绍
    IEEE 802参考模型
    DSAP字段: Destination Service Access Point,
    SSAP字段:Source Service Access Point
    局域网是一个通信网,只涉及到相当于OSI/RM通信子网的功能。由于内部大多采用共享信道的技术,所以局域网通常不单独设立网络层。局域网的高层功能已有具体的局域网操作系统来实现。
    IEEE 802标准的局域网参考模型与OSI/RM的对应关系如图:该模型包括OSI/RM最低两层(物理层和链路层)的功能,也包括网间互联的高层功能和管理功能。
    从图中可见,OSI/RM的数据链路层的功能,在局域网参考模型中被分成媒体访问控制MAC(Media Access Control )和逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)两个子层。局域网的种类繁多,其媒体介入控制的方法也各不相同(介质接入方法也不相同),远远不像局域网那样简单。为了是局域网中的数据链路层不至于过于复杂,将局域网的数据链路层划分为两个子层,即媒体(介质)接入控制或媒体访问控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层,而网络的服务访问点SAP则在LLC层与高层的交界面上。
    LLC子层中规定了无确认无连接,有确认无连接,和面向连接三种类型的链路服务。有确认无连接服务是一种数据报服务,信息帧在LLC实体间交换时,无需在同等实体间事先建立逻辑链路,但是需要对LLC帧进行确认。除了LLC帧的确认外,其余的与无确认无连接服务相似;面向连接服务提供访问点之间的虚电路服务,在任何数据帧交换前,一对LLC实体之间必须建立逻辑链路,在数据传送过程中,信息帧依次发送,并提供差错恢复和流量控制功能。
    MAC子层在支持LLC层完成媒体访问控制功能时,可以提供多个可供选择的媒体访问控制方式。MAC子层实现帧的寻址和识别。MAC到MAC的通信通过同等层协议来进行,MAC还产生帧检验序列和完成帧检验功能。
    图中是LLC子层与MAC子层的区别示意图。可以看出,在LLC子层的上面看不到具体的网络,或者说,局域网对LLC子曾是透明的,只有MAC子层才看见所连接的是采用什么标准的局域网。
    从局域网参考模型可以看出,局域网数据链路层应当有两种不同的数据单元:LLC PDU(Protocol Data Unit LLC协议数据单元)和MAC帧。高层的协议数据单元传到LLC层,加上适当的首部就构成了LLC子层的协议数据单元LLC PDU。LLC PDU再向下传导MAC层时,加上适当的首部和尾部,就构成了MAC子层的协议数据单元MAC帧。今后在提到帧时,就是指MAC帧,而不是LLC PDU。图中为LLC PDU和MAC帧的关系示意图。
    高层数据(网络层及以上)+LLC首部===LLC PDU
    LLC PDU+MAC首部+MAC尾部===MAC帧
    逻辑链路控制子层
    1)逻辑链路控制子层的功能
    局域网的数据链路层中与媒体介入无关的部分都集中在逻辑链路控制子层LLC。主要功能:
    1)建立和释放数据链路层的逻辑连接
    2)提供与高层的接口
    3)差错控制
    4)给帧加上序号
    2)LLC PDU的结构
    LLC PDU的结构和HDLC帧非常像。由于他还要封装在MAC帧中,所以LLC PDU没有标志字段和帧校验序列字段。这样,LLC PDU共有4个字段,即目的服务访问点DSAP字段、源服务访问点SSAP(Source 源)字段,控制字段,数据字段。图中为LLC PDU前三个字段的具体结构:
    DSAP:以I/G开头的地址字段,占据一个字节
    SSAP:以C/R开头的地址字段,占据一个字节
    控制字段:分为三种方式:信息PDU(I),监督PDU(S),无编号PDU(U)
    从图中可看出,地址字段共两个字节,目的服务访问点DSAP和源服务访问点SSAP都各占据一个字节。DSAP字段的第一个比特为I/G比特。I(Indicidual)代表单个,而G(Group)代表组,I/G==单个/组。当I/G比特为0时,他后面的7bit就代表一个单目的服务访问点。但当I/G比特为1时,则DSAP代表组地址。组地址归定数据要发往其一特定站的一组服务访问点,它只适合于不确认的无连接服务。全1的组地址为该站所有工作的DSAP。SSAP字段的第一个字节为C/R比特,当C/R比特为0时,LLC PDU为命令帧,否则为响应帧。在C/R比特后面的7bit用来表示源服务访问点。因此,DSAP值和SSAP值都各占7bit。
    LLC PDU的控制字段为两个字节(当LLC PDU)为信息PDU或监督PDU时)或一个字节(当LLC PDU为无编号PDU时)。信息PDU和监督PDU的控制字段与HDLC的扩展的控制字段的格式相同,其序号按模128进行编号。无编号的PDU则与HDLC的无编号格式一样。
    LLC PDU的数据字段长度并无限制。但都应是整数个字节。当MAC帧的长度受限时,由于MAC帧的首部和尾部的长度在不同的局域网中都有明确的规定,因此LLC PDU的长度实际上也并不是没有限制的。
    媒体访问控制(MAC子层)
    1)媒体访问控制子层的功能(MAC子层的功能)
    1)将上层交下来的数据封装成帧进行发送和接收
    2)实现和维护MAC协议
    3)比特差错检测
    4)寻址
    2)MAC地址
    MAC地址就是在媒体访问控制子层上使用的地址,也叫物理地址、硬件地址、或链路地址,由网络设备制造商生产时写在硬件内部。MAC地址与网络无关,也就是无论将带有这个地址的硬件(如网卡,集线器,路由器等)介入到网络的何处,都有相同的MAC地址,它由厂商写在网卡的BIOS端。MAC地址通常采用6个字节(48比特)。这个48比特都有其规定的意义。前24位室友声场网络设备的厂商向IEEE申请的厂商地址,称为地址块,后24位由厂商自行分配,这样的分配时的世界上任意拥有48位MAC地址的网络设备都有唯一的表示。
    IEEE规定地址字段的第一个字节的最低位I/G比特,当I/G比特为0时,地址字段表示一个单各站的地址。当I/G比特为1时,表示组地址。因此,IEEE只分配地址字段的三个字接种的23个比特,当I/G分别为1和0时,一个地址块可以分别生成2^24个单个站地址和2^24各组地址。
    以太网
    Ethernet(以太网)是一种使用广泛,采用总线拓扑的网络技术。
    以太网上的共享
    以太网标准规定了所有的细节,包括计算机通过以太网传输数据的帧格式,使用的电平以及调制信号的方式。由于以太网使用总线拓扑,他要求多台计算机共享单一的介质,发送计算机传输调制过的载波,载波从发送计算机向电缆的两端传播。如图表明数据如何在以太网上传播:
    如图,信号从发送计算机向共享电缆的两端传播。局域网技术中的共享并不是意味着多个帧可以同时传播,在帧的传输过程中发送计算机独占使用整个电缆
    ,其他计算机必须等待。在此计算机完成帧传输后,共享电缆才能为其它计算机使用。可以总结为:以太网是总线网络,多台计算机共享单一的传输介质;当一台计算机向另一台计算机传输数据帧时,其他有数据传输的计算机必须等待。
    随机接入技术
    以太网原理中最复杂的是协调传输的机制。以太网不使用中央控制起来通知每台计算机怎样按顺序使用共享电缆。相反,所有连接在以太网上的计算机都参与一种叫做载波监听多路访问的协调方案。这种方案使用电缆上的电子信号来确定状态,当没有计算机发送帧时,共享电缆中没有电子信号。然而在帧的传输过程中,发送计算机传输用于对位串进行编码的电子信号。为了确定电缆当前是否正在被使用,计算机可以进行检测载波。如果当前没有载波,计算机就能传输帧。如果当前存在载波,计算机必须等待其他计算机发送完成。从技术上讲,检测载波叫做载波侦听,并且这种利用信号的存在性来确定何时传输的方法叫做载波监听多路访问(Carrier Sense载波监听 Multiple Access多路访问,CSMA)。
    1)ALOHA协议
    ALOHA协议的目的是为了解决地面无线电广播信道的争用问题。
    ALOHA协议分为纯ALOHA协议和分槽ALOHA两种
    1)纯ALOHA协议
    ALOHA协议的思想很简单,只要计算机有数据要发送,就任由其发送。当然,这样会产生冲突而造成帧的破坏。但是,由于广播信道具有反馈性,因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测,将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较,就可以知道真是否遭到破坏。同样的道理,其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏(及检测到冲突),那么他可以等待一段随机时间后重发该帧。
    2)分槽ALOHA
    1972年,Roberts发明了一种能把信道利用率提高一倍的信道分配策略:即分槽ALOHA协议。他的思想是用时钟来统一计算机的数据发送。方法是将时间分为离散的时间片,用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据,从而避免了用户发送数据的随机性,减少了数据产生冲突的可能性,提高了信道的利用率。在分槽ALOHA系统中,计算机并不是在用户按下回车键后立即发送数据,而是要等到下一个时间片开始发送。
    (2)载波监听多路访问CSMA
    载波监听多路访问CSMA技术,也称作先听后说LBT(listen Before Talk)。要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听,已确定是否有别的站点在传输数据。如果媒体空闲,该站点便可传输数据;否则,该站点将避让一段时间后再做尝试。这就需要有一种退避算法来决定避让的时间,常用的退避算法由非坚持、1–坚持、P–坚持三种。
    1)非坚持算法
    算法规则
    1)如果媒体是空闲的,则可以立即发送。
    2)如果媒体是忙的,则等待一个有概率分布决定的随机重发延迟后,再重复前一步骤
    采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。非坚持算法的缺点是:即使有几个站点都有数据要发送,发送与大家都在延迟等待的过程中,只是媒体仍可能处于空闲状态,使用率降低。
    2)1–坚持算法
    算法规则
    1)如果媒体空闲,字可以立即发送
    2)如果媒体是忙的,则继续监听,直到检测到媒体是空闲的,立即发送
    3)如果有冲突(在一段时间内未受到肯定回复),则等待一个随计量时间,重复步骤1,2
    这种算法的优点是:只要媒体空闲,站点就立即可发送,避免了媒体利用率的损失;其缺点是:假若有两个或者以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免
    (3)P–坚持算法
    算法规则
    1)监听总线,如果媒体是空闲的,则以P的概率发送,而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的两倍。
    2)延迟一个时间单位后再重复步骤1
    3)如果媒体是忙的,继续监听直到媒体空闲并重复步骤1
    P–坚持算法是一种技能想非坚持算法那样减少冲突,又能像1–坚持算法那样较少媒体空闲时间的这种方案(即,P–坚持算法是1–坚持算法和非坚持算法的折中)。问题在于如何选择P的值,者要考虑到避免重负载下系统处于的不稳定的状态。假如媒体是忙的,有N个站有数据等待发送,一旦当前的发送完成时,将要试图传输的站的总期望数是NP。如果选择的P过大,使NP>1,表明有多个站点试图发送,冲突就不可避免。最坏的情况是,随着冲突概率的不断加大,而使吞吐量降到到零。所以必须选择适当P值,使NP<1.当然如果P的值选得过小,则媒体利用率又会大大降低。
    3)具有冲突监测的载波监听多路访问CSMA/CD
    在CSMA中,由于信道传播时延的存在,即使总线上的两个站点没有间听到载波信号而发送帧时,仍可能会发生冲突。由于CSMA算法中没有冲突检测功能,即使冲突已经发生,仍然将以破坏的帧发送完,师宗县的利用率降低。
    1-坚持和非坚持CSMA都是对ALOHA协议的改进,CSMA协议要求站点在发送数据之前先侦听信道。如果信道空闲,站点就可以发送数据;如果信道忙,站点的不能发送数据。可以对CSMA协议做进一步的改进,要求站点在发送数据过程中进行冲突检测,而一旦检测到冲突立即停止发送数据。这样的协议被称为带冲突监测的载波监听多路访问协议。即CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)协议。CSMA/CD协议的工作原理是:若站点想要发送数据,必须首先侦听信道。如果信道空闲,立即发送数据并进行冲突检测;如果信道忙,继续侦听信道,知道信道变为空闲,才继续发送素具并进行冲突检测。如果站点在发送数据过程中检测到冲突,他将立即停止发送数据,并向总线上发一串阻塞信号,用以通知总线上其他各有关站点,这样,通道容量就不会因为白白传送已受损的帧而浪费,可以提高总线的利用率。CSMA/CD协议已广泛应用于局域网中。
    CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言,最坏的情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间传播时延的两倍。从一个站点开始发送数据到另一个站点接收数据,也就是载波信号从一段传输到另一端所需的时间,称为信号传播时延。信号传播时延(us)=两站点的距离(m)/信号传播速度(200m/us)。如图所示,假定A,B两个站点位于总线两端,两站点之间的最大传播时延为t。当A站点发送数据后,经过接近于最大传播时延t时,B站点也正好发送数据,此时冲突便发生。发生冲突后,B站点立即可检测到该冲突,而A站点需要在经过一份最大传输时延才能检测到冲突,也就是最坏情况下,对于基带CSMA/CD来说,检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间的最大传播时延的两倍。一般将2t成为冲突窗口
    数据帧从一个站点开始发送,到该数据帧发送完毕所需的时间和为数据传输时延;(区别于信号传播时延);同理,数据传输时延也表示一个接收站点开始接受数据帧,到该数据帧接收完所需的时间。数据传输时延(区别于信号时延)==数据帧长度(bit)/数据传输速率(bps)。若不考虑中继器引入的延迟,数据帧从一个信号站点开始发送,到该数据帧被另一个站点全部接收所需的总时间,等于数据传输时延与信号传播时延之和。
    由上述分析可知,为了确保发送数据站点在传输时能检测到可能存在的冲突,数据帧的传输时延至少要两倍于信号传播时延,换句话说,要求分组的长度不短于某个值,否则在检测冲突之前传输已经结束,但实际上分组已被冲突所破坏。
    由于单项传输的原因,对于宽带总线而言,冲突检测时间等于任意两个站之间的最大传播时延的四倍。所以,对于宽带CSMA/CD来说,要求数据帧的传输时延至少4倍于传播实验(传播时延指的是信号传播时延)

    4)重发策略
    在CSMA/CD算法中,一旦检测到冲突并发完阻塞信号后,为了降低再次冲突的概率,需要等待一个随机时间,然后重新安排发送。有多种重发策略。目前常用的有以下几种:
    1)随机策略:这是指工作站在发现冲突后,推迟一随机时间,在进行重发。由于推迟的时间是随机的,重发便有可能成功。这种简单的随机策略缺乏适应性,在重负载冲突时冲突的增加又会导致重发的增加,从而进一步增加了冲突的概率。
    2)二进制指数退避算法BEB:即轻载时仅需较小的时延后便可重发,重载时则需经过较长的延迟后重发,以减轻传输线路上的负荷,也就是:BEB算法具有一定的适应性。该算法中重发的延迟时间是均匀分布在0~T(BEB)之间,这里T(BEB)=2^(i-1)*(2a)
    其中,a是端到端的传输延迟,对于一公里的同轴电缆,a=5us;i表示重发次数。该式表明,重发延迟将随着重发次数的增加而指数规律迅速的增长。这样便可以适当的疏散重负荷时的重发。
    BEB算法的主要问题是:当算法重发次数较多时,会造成重发时延太长。例如,在进行第14次重发时,其重发时延将比第一次的重发时延大10000倍,这是令人难以接受的。
    3)截断式二进制指数退避算法:该算法是对前一算法的改进,它仍采用二进制指数退避策略,但当重发时延增大到一定大小时便停止后退,以后的多次重发延迟时间T(BEB)均采用这个时间。以太网规范中约定,前10次重发是按二进制指数策略退避,从第11次开始便保持T(BEB)值不变;相应的,规范中所规定的最大工作站数目为1024,在重发14次后若有发生第15次冲突时,便放弃本次重发。图中为CSMA/CD协议的控制流程。
    有载波==时延,并探测重发次数,如果重发次数过多的话,就放弃本次发送
    发送完信息后,还要进行冲突探测,如果探测到冲突,还应进行干扰,后停止发送
    以太网的MAC帧格式
    Ethernet发送的数据时按一定格式进行的,并将此数据格式称为MAC帧,如图。以太网MAC帧由8个字段组成,每一字段有一定的含义和用途。每个字段长度不相等。
    下面分别加以描述
    MAC帧==前导码(7字节)+帧首定界符(1字节)+终点地址(6字节)+源点地址(6字节)+长度提示符(2字节)+LLC数据(46~1500字节)+填充(不定)+帧检验序列(4字节)
    处于MAC帧开始处的字段为前导码字段,由7个字节组成。其功能是使接收器建立比特同步(比特同步是指接收端时钟已经调整到和发送端时钟完全一样)。编码形式为多个1或者0交替构成的二进制序列,即101010……“,最后一比特为0。在这种编码形势下,经过曼彻斯特编码后为以周期性方波。
    帧首定界符是MAC帧的第二个字段,其编码形式为101001序列,长度刚好为一个字节。该字段的功能是指示一帧的开始。
    终点地址字段(DA)为第三个字段,长度为6个字节。该字段用来指出MAC帧要发往的工作站。
    源点地址(SA)(Sourse Adress)处于终点字段之后,其长度也为6个字节。该字段功能是指示该帧的工作站地址。
    地址字段包括两部分,处于前面的地址字段为终点地址,处于后面的为源点地址。IEEE802.3标准规定,源点地址字段中的第一个1比特恒为0,这种规定我们从终点地址的规定中便可获悉。终点地址字段有较多的规定,原因是一帧有可能发给某一工作站,也可能发送给一组工作站,还有可能发送给所有的工作站,我门将后两种情况分别称为组播和广播。终点地址字段的格式如图。当该字段第一比特为0时,表示帧要发送给某一工作站,即所谓的单站地址,当该字段的第一比特位1时,表示发送给一组工作站,即所谓的组地址。全1的组地址表示广播地址。
    长度指示符字段为第5个字段,其长度为2个字节,用来指示紧随其后的LLC逻辑链路控制数据字节的长度,长度单位为字节数,802.3协议规定LLC数据字段长度最小为46个字节,最大长度为1500字节。由于帧头部应该包含6字节的终点地址字段(DA),6字节的源点地址(SA),2字节的长度只是字段、4字节的帧检验序列(FCS,Frame Check Sequence 帧检验序列)。前导码字段和帧首定界符字段不计入帧头长度中。所以,
    以太网MAC真的最小长度为64字节(6+6+2+46+4=64),最大长度为(6+6+2+4+1500=1518字节)
    LLC数据字段是MAC帧要传输的用户数据,该数据由LLC子层提供或者接收。LLC数据字段长度最小为46个字节,最大长度为1500字节。如果LLC数据字段长度小于46个字节,则用紧接的LLC之后的填充字段(PAD),对LLC数据段进行填充使之达到46字节,以保证真有足够长度,适应碰撞检测的需要。正常独处有最小要求外,最长也有限制,这是由于发送站和接收站的缓冲器总量有一定的限度,同时如果一个工作站发送帧太长,将妨碍其他站对媒体的使用。
    帧校验序列(FCS)处于帧的最后,其长度为32比特,用于检验真在传输过程中有无差错。校验的范围是:目的地址+源地址+长度+LLC数据字段。帧校验字段采用32位的CRC校验,其生成多项式为:
    G(x)=X^32+X^26+……
    MAC子层功能
    IEEE 802.3标准提供了MAC子层的功能说明,内容主要有数据封装和媒体访问管理两个方面。数据封装(发送和接收数据封装)包括成帧(帧定界和帧同步)、编址(源地址、目的地址的处理)和差错检测(物理媒体传输差错的检测)等;媒体访问管理包括媒体分配和竞争处理。
    当LLC子层请求发送一个数据帧时,MAC子层的发送数据封装部分便按MAC子层数据帧格式组帧。首先将一个前导P和一个帧起始定界符SFD附加到帧的开始部分,填上目的地址和源地址,计算出LLC数据帧的字节数,填入数据长度计数字段LEN。必要时还要将填充字符PAD附加到LLC数据帧后,以确保传送帧的长度满足最短帧长的要求。最后求出CRC校验码附加到帧校验序列FCS中,便可递交MAC子层的发送媒体访问管理部分以供发送。
    接受媒体访问管理部分的功能是,首先检测到达帧,使接收时钟与前导码同步,并接通载波监听信号。接受媒体访问管理部件要检测到达的帧是否错误,真长度是否常国最大长度,是否为8位的整数倍。还要过滤引冲突产生的碎片信号(即小于最短长度的帧)
    接收数据解封部分的功能,用于检验帧的目的地址字段,以确定本站点是否应该接收该帧。如地址复合,将其送到LLC子层,并进行差错检验。
    交换式以太网
    在以太网中使用交换式集线器(Switching HUB或者HUB/Switching)明显提高网络的性能。
    交换式集线器的主要特点是:所有端口平时都不接通。当工作站需要通信时,交换式集线器能同时连接许多对的端口,是每一对互相通信的工作站都能想独占通信媒体那样,进行无冲突的传输数据,通信完成就断开连接。
    对于普通的共享式以太网,若有N个用户,则每个用户占有的平均带宽只有总带宽的N分之一。在使用交换式集线器时,虽然数据率还是10Mb/S,但是由于一个用户在通信的时候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对端口的交换式集线器,总共容量就是N*10MB/S。这点正是交换式集线器的最大优点。从共享总线以太网或者10BASE-T以太网转换到交换式以太网时,所有接入设备的软件和硬件、网卡等都不需要任何改动。也就是说,所有介入的设备继续使用CSMA/CD协议。此外,只要增加集线器的容量,整个系统的容量是很容易扩充的。
    我们应该注意到,对于传统的共享总线以太网,当计算机B向计算机A发送数据时,数据真实在整个总线广播,计算机C和D都能收到B的数据帧,只不过因目的地址不对,才将这些数据帧丢弃。在一个总线上,在一个特定时刻可能有一个站发送数据、
    图b中将总线换成了共享集线器,整个情况和总线以太网类似。集线器总的容量仍为10Mb/s,而在任意时刻只能拥有一个站发送数据。
    但是图5的情况就不同了,当计算机B向A发送数据时,计算机C还可以向D发送数据。每一台计算机独占10Mb/s的传输资源,因而交换是一台王总的容量为N*10MB/s,这里N是集线器用用的端口对数。
    交换式集线器的交换方式有以下两种:
    1)存储转发交换:采用这种方式时,集线器就像一个分组节点交换机。它从一个数据端口接收下一个帧,暂存后根据其目的地址转发到适当的输出端口。
    2)直通交换:这种方式利用了目的地址处于MAC帧的最前面这一特点,这同交换不必将整个数据帧先缓存后再进行处理,而是再接收数据帧的同时就离间数据帧的目的地址决定该帧的转发端口,这就使得转发速度大大提高。由于在这种交换式集线器的内部采用了基于硬件的交叉矩阵,其交换时延仅为30us左右。对于多媒体应用,直通式交换是一种很好的方法。直通交换的一个缺点是他不检查CRC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它的站。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,现有的厂商已生产出能支持这两种交换方式(存储转发交换和直通交换)方式的交换式集线器。
    交换式集线器的发展可以很方便的实现虚拟互联网(VLAN,Virtual Local Area Network 虚拟局域网),这里要指出,虚拟局域网其实只是给用户提供的一种服务,而不是一种新型局域网。
    图中画出的是使用了四个交换式集线器的网络拓扑。设有十个工作站分布在三个楼层中,构成了三个局域网。
    LAN1,LAN2,LAN3
    但这10个用户划分成3个工作组,即A1~A4;B1~B3;C1~C3。从图中可以看出,每一个工作组的工作站都处在不同的局域网中,也不在同一楼层中。
    但是,可以利用交换集线器将这10个工作站划分为3个虚拟局域网:VLAN1,VLAN2,VLAN3.在虚拟局域网上的每一个站都可以听到同一个虚拟局域网上的其他成员所发出的广播。例如:工作站B1~B3同属于虚拟局域网VLAN2.当B1向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,虽然他们没有和B1连在同一个集线器上。相反,B1发送数据时,工作站B2和B3将会收到广播的信息,虽然他们都与B1连接在同一个集线器上。交换式集线器不想虚拟局域网之外的工作站传送B1的广播信息。这样,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(所谓的广播风暴)而引起性能的变化。在共享传输媒体的局域网中,网络总带宽的绝大部分都是广播帧消耗的。
    由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合,因此可按照需要将有关设备和资源非常方便的重新组合,是用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。
    目前使用虚拟局域网的最大问题是当网络要跨越三个以上的交换集线器时,就变得难以维护。此外不同生产的具有虚拟局域网功能的交换集线器之间还缺少互操作性。
    交换机和集线器的区别
    1)从OSI体系结构来看,集线器数据OSI的第一层物理层的设备。交换机属于OSI第二层数据链路层设备。
    也就意味着集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用,对数据传输中的短帧、碎片等无法进行有效的处理,不能保证数据传输的完整性和正确性
    交换机不但可以对数据的传输起到同步、放大、和整形的作用,而且还可以过滤短帧,碎片等。
    2)从工作方式来看,集线器是一种广播模式,也就是说集线器的某个端口工作的时候,其他所有的端口都能正常的收到信息,容易产生广播风暴,当网络较大时网络性能会受到很大的影响,那么用什么方法去避免这种现象呢?交换机就能起到这种作用。当交换机工作的时候,只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口,因此交换机就能够隔离冲突域和有效的抑制广播风暴的产生。
    3)从带宽来看,集线器不管有多少个端口,所有端口都是共享一条带宽,在同一时刻只能有两个端口传送数据,其他端口只能等待,同时集线器只能工作在半双工模式下;而对于交换机而言,每个端口都有一条独占的带宽,当两个端口工作时并不影响其他端口的工作,同时交换机不但可以工作在半双工模式下,还可以工作在全双工模式下。
    令牌总线网
    以太网的(载波监听多路访问)CSMA/CD媒体访问控制采用总线争用的方式,具有结构简单,在轻负载下延迟小等优点,但随着负载的增加,冲突概率增加,性能明显下降。
    令牌总线网的工作原理
    令牌总线媒体访问控制是将局域网物理总线的站点构成一个逻辑环,每一个站点都在一个有序的序列中被指定一个逻辑位置,序列中最后一个站点的后面又跟着第一个站点。每个站点都知道在他之前的前驱站和在他之后的后继站标识,如图所示:
    从图中可以看出,在物理结构上它是一个总线结构局域网,但是在逻辑结构上,又成了一种环形结构的局域网。站点只有取得令牌,才能发送帧,而令牌在逻辑环上依次(A->B->E->C->D->A)循环传递。
    1)令牌的帧格式
    为了控制网络上各站点对总线的访问,在网络上设置了一个令牌,任何工作站都尽在他持有令牌时才有权向总线上发送信息,而其余未获得令牌的站点,只能监听总线或者从总线上收信息。由于在总线网中只设置一个令牌,在任何时刻也只有一个工作站访问信道,而不会发生访问冲突。实际上,令牌本身是一种特殊的帧。其格式如图:

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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...

    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

    在这里插入图片描述

    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)。

    在这里插入图片描述

    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。

    在这里插入图片描述

    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。

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    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。

    在这里插入图片描述

    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

    在这里插入图片描述

    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。

    在这里插入图片描述

    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。

    在这里插入图片描述

    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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    ARP协议

    MAC地址:

    • 32位IP地址:
      ①接口的网络层地址
      ②用于标识网络层(第3层)分组,支持分组转发
    • MAC地址(或称LAN地址,物理地址,以太网地址) :
      ①作用:用于局域网内标识一个帧从哪个接口发出,到达哪个物理相连的其他接口
      ②48位MAC地址(用于大部分LANs),固化在网卡的ROM中,有时也可以软件设置
      ③ e.g.: 1A-2F-BB-76-09-AD16进制表示
    • 局域网中的每块网卡都有一个唯一的MAC地址
    • MAC地址由IEEE统一管理与分配
    • 网卡生产商购买MAC地址空间(前24比特)
    • 类比:
      MAC地址:身份证号
      IP地址:邮政地址
    • MAC地址是“平面”地址: ➜ 可“携带”
      可以从一个LAN移到另一个LAN
    • IP地址是层次地址: ➜ 不可“携带”
      IP地址依赖于结点连接到哪个子网

    网卡(网络适配器):

    • 网卡是一块被设计用来允许计算机在计算机网络上进行通讯的计算机硬件。由于其拥有MAC地址,因此属于OSI模型的第2层。它使得用户可以通过电缆或无线相互连接。每一个网卡都有一个被称为MAC地址的独一无二的48位串行号,它被写在卡上的一块ROM中。在网络上的每一个计算机都必须拥有一个独一无二的MAC地址。没有任何两块被生产出来的网卡拥有同样的地址。这是因为电气电子工程师协会(IEEE)负责为网络接口控制器(网卡)销售商分配唯一的MAC地址。

    虚拟网卡:

    • 虚拟网卡(又称虚拟网络适配器),即用软件模拟网络环境,模拟网络适配器,windows系统自带此软件。

    • 进入添加硬件向导,添加新硬件,检测过后选择添加新设备,再选择从列表中选取,选中网卡下一步,查找制造商Microsoft有一个设备Microsoft Loopback Adapter,选中它,安装完成后,查看硬件管理器,会多出一个新网卡,这就是虚拟网卡。

    • 作用: 建立远程计算机间的局域网。

    ARP: 地址解析协议:

    在同一个LAN内,如何在已知目的接口的IP地址前提下确定其MAC地址?

    • ARP表: LAN中的每个IP结点(主机、路由器)维护一个表
      ①存储某些LAN结点的IP/MAC地址映射关系: < IP地址; MAC地址; TTL>
      ②TTL (Time To Live):经过这个时间以后该映射关系会被遗弃(典型值为20min)

    工作流程eg:

    • A想要给同一局域网内的B发送数据报
      ①B的MAC地址不在 A的ARP 表中.

    • A广播ARP查询分组,其中包含B的IP地址
      ①目的MAC地址 = FF-FFFF-FF-FF-FF
      ②LAN中所有结点都会接收ARP查询

    • B接收ARP查询分组,IP地址匹配成功,向A应答B的MAC 地址
      ①利用单播帧向A发送应答

    • A在其ARP表中,缓存B的IP-MAC地址对,直至超时
      ① 超时后,再次刷新

    • ARP是“即插即用”协议:
      ① 结点自主创建ARP表,无需干预

    寻址: 从一个LAN路由至另一个LAN:
    在这里插入图片描述

    • A构造IP数据报,其中源IP地址是A的IP地址,目的IP地址是B的IP地址
    • A构造链路层帧,其中源MAC地址是A的MAC地址,目的MAC地址是R(左)接口的MAC地址,封装A到B的IP数据报。

    以太网

    以太网(ETHERNET):

    • “统治地位”的有线LAN技术
    • 造价低廉(NIC不足¥100.00)
    • 应用最广泛的LAN技术
    • 比令牌局域网和ATM等,简单、便宜
    • 满足网络速率需求:10 Mbps – 10 Gbps

    以太网:物理拓扑:

    • 总线(bus): 上世纪90年代中期前流行
      所有结点在同一冲突域(collision domain) (可能彼此冲突) 星型(star): 目前主流网络拓扑
    • 中心交换机(switch)
      每个结点一个单独冲突域(结点间彼此不冲突)

    拓部结构:

    • 网络拓扑结构是指把网络电缆等各种传输媒体的物理连接等物理布局特征,通过借用几何学中的点与线这两种最基本的图形元素描述,抽象地来讨论网络系统中各个端点相互连接的方法、形式与几何形状,可表示出网络服务器、工作站、网络设备的网络配置和相互之间的连接。它的结构主要有总线型结构、星型结构、环型结构、树型结构、网状结构。
    • 计算机网络的拓扑结构分析是指从逻辑上抽象出网上计算机、网络设备以及传输媒介所构成的线与节点间的关系加以研究的一种研究方式。在进行计算机网络拓扑结构设计的过程中,通过对网络节点进行有效控制,对节点与线的连接形式进行有效选取,已经成为合理计算机网络拓扑结构构建的关键。设计人员对计算机网络拓扑结构进行有效选择,可以在很大程度上促进当前网络体系的运行效果,从根本上改善技术性能的可靠性、安全性
    • 简单来说就是只关注两点之间的位置,不关注两点之间的连接状态等等。

    以太网:不可靠、无连接服务:

    • 无连接(connectionless): 发送帧的网卡与接收帧的网卡间没有“握手”过程
    • 不可靠(unreliable): 接收网卡不向发送网卡进行确认
      差错帧直接丢弃,丢弃帧中的数据恢复依靠高层协议 (e.g., TCP),否则,发生数据丢失
    • 以太网的MAC协议: 采用二进制指数退避算法的CSMA/CD

    以太网CSMA/CD算法 :

    1. NIC从网络层接收数据报,创建数据帧。
    2. 监听信道:如果NIC监听到信道空闲,则开始发送帧;如果NIC监听到信道忙,则一直等待到信道空闲,然后发送帧。
    3. NIC发送完整个帧,而没有检测到其他结点的数据发送,则NIC确认帧发送成功!
    4. 如果NIC检测到其他结点传输数据,则中止发送,并 发 送 堵 塞 信 号 (jamsignal)
    5. 中止发送后,NIC进入二进制指数退避。

    以太网帧结构:
    发送端网卡将IP数据报(或其他网络层协议分组)封装到以太网帧中。
    在这里插入图片描述

    • 前导码(Preamble)(8B):
      ①7个字节的10101010,第8字节为10101011
      ②用于发送端与接收端的时钟同步
    • 目的MAC地址、源MAC地址(各6B):
      ① 如果网卡的MAC地址与收到的帧的目的MAC地址匹配,或者帧的目的MAC地址为广播地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF),则网卡接收该帧,并将其封装的网络层分组交给相应的网络层协议。
      ② 否则,网卡丢弃(不接收)该帧。
    • 类型(Type)(2B): 指示帧中封装的是哪种高层协议的分组 (如,IP数据报、Novell IPX数据报、AppleTalk数据报等)
    • 数据(Data)(46-1500B): 指上层协议载荷。
      ①R=10Mbps,RTTmax=512μs,Lmin / R = RTTmax
      ②Lmin=512bits=64B,Datamin=Lmin-18=46B
    • CRC(4B): 循环冗余校验码
      ①丢弃差错帧

    交换机

    以太网交换机(switch):

    • 链路层设备:
      ①存储-转发以太网帧
      ②检验到达帧的目的MAC地址,选择性(selectively) 向一个或多个输出链路转发帧
      ③ 利用CSMA/CD访问链路,发送帧
    • 透明(transparent):
      ①主机感知不到交换机的存在
    • 即插即用(plug-and-play)
    • 自学习(self-learning):
      ①交换机无需配置

    交换机: 多端口间同时传输:

    • 主机利用独享(dedicated)链路直接连接交换机
    • 交换机缓存帧
    • 交换机在每段链路上利用 CSMA/CD收发帧,但无冲突,且可以全双工
      ①每段链路一个独立的冲突域
    • 交换(switching): A-A’与 B-B’的传输可以同时进行,没有冲突

    交换机转发表:交换表:

    • 每个交换机有一个交换表(switch table), 每个入口(entry):
      ① (主机的MAC地址, 到达主机的接口, 时间戳)
      ②看起来很像路由表!

    交换机: 自学习:

    • 交换机通过自学习,获知到达主机的接口信息
      ①当收到帧时,交换机“学习”到发送帧的主机(通过帧的源MAC地址),位于收到该帧的接口所连接的LAN网段
      ② 将发送主机MAC地址/接口信息记录到交换表中

    交换机: 帧过滤/转发:
    当交换机收到帧:

    1. 记录帧的源MAC地址与输入链路接口
    2. 利用目的MAC地址检索交换表
    3. if 在交换表中检索到与目的MAC地址匹配的入口(entry)
      then {
      if 目的主机位于收到帧的网段
      then 丢弃帧
      else 将帧转发到该入口指向的接口
      }
      else 泛洪(flood) /* 向除收到该帧的接口之外的所有接
      口转发 */

    交换机可以互联

    组织机构(Institutional)网络:
    在这里插入图片描述

    交换机 vs. 路由器:

    • 两者均为存储-转发设备:
      路由器: 网络层设备 (检测网络层分组首部)
      交换机: 链路层设备 (检测链路层帧的首部)

    • 二者均使用转发表:
      路由器: 利用路由算法(路由协议)计算(设置), 依据IP地址
      交换机: 利用自学习、泛洪构建转发表, 依据MAC地址

    虚拟局域网(VLAN)

    虚拟局域网(Virtual Local Area Network):

    • 支持VLAN划分的交换机,可以在一个物理LAN架构上配置、定义多个VLAN,就像多个虚拟交换机一样运行。

    基于端口的VLAN::

    • 分组交换机端口 (通过交换机管理软件),于是, 单一的物理交换机
    • 流量隔离(traffic isolation): 去往/来自端口1-8的帧只到达端口1-8
      ① 也可以基于MAC地址定义VLAN, 而不是交换端口
    • 动态成员: 端口可以动态分配给不同VLAN
    • 在VLAN间转发: 通过路由(就像在独立的交换机之间)
      ①实践中,厂家会将交换机与路由器集成在一起
      在这里插入图片描述

    跨越多交换机的VLAN:

    • 多线缆连接
      ①每个线缆连接一个VLAN
    • 中继端口(trunk port): 在跨越多个物理交换机定义的VLAN承载帧
      ①为多VLAN转发802.1帧容易产生歧义 (必须携带VLAN ID信息)
      ②802.1q协议为经过中继端口转发的帧增加/去除额外的首部域
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    PPP协议

    点对点数据链路控制:

    • 一个发送端,一个接收端,一条链路:比广播链路容易
      ①无需介质访问控制(Media Access Control)
      ②无需明确的MAC寻址
      ③ e.g., 拨号链路, ISDN链路
    • 常见的点对点数据链路控制协议:
      ①HDLC: High Level Data Link Control
      ② PPP (Point-to-Point Protocol)

    PPP设计需求[RFC 1557]:

    • 组帧:将网络层数据报封装到数据链路层帧中
      ① 可以同时承载任何网络层协议分组(不仅IP数据报)
      ②可以向上层实现分用(多路分解)
    • 比特透明传输:数据域必须支持承载任何比特模式
    • 差错检测:(无纠正)
    • 连接活性(connection liveness)检测:检测、并向网络层通知链路失效
    • 网络层地址协商:端结点可以学习/配置彼此网络地址

    PPP无需支持的功能:

    • 无需差错纠正/恢复
    • 无需流量控制
    • 不存在乱序交付
    • 无需支持多点链路
    • 差错恢复、流量控制等由高层协议处理!

    PPP数据帧:

    • 标志(Flag): 定界符(delimiter)
    • 地址(Address): 无效(仅仅是一个选项)
    • 控制(Control): 无效;未来可能的多种控制域
    • 协议(Protocol): 上层协议 (eg, PPP-LCP, IP, IPCP, etc)
    • 信息(info): 上层协议分组数据
    • 校验(check): CRC校验,用于差错检测
      在这里插入图片描述

    无线局域网(WLAN)

    无线局域网定义:

    • WLAN是Wireless Local AreaNetwork的简称,指应用无线通信技术将计算机设备互联起来,构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。无线局域网本质的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来,而是通过无线的方式连接,从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。

    IEEE 802.11无线局域网:

    • 802.11b
      ①2.4-2.5GHz免费频段(unlicensed spectrum)
      ②最高速率:11 Mbps
      ③物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术, 所有主机使用相同的码片序列
    • 802.11a
      ① 5-6 GHz频段
      ②最高速率:54 Mbps
    • 802.11g
      ① 2.4-2.5 GHz频段
      ②最高速率:54 Mbps
    • 802.11n: 多天线(MIMO)
      ①2.4-2.5 GHz频段
      ② 最高速率:600 Mbps
    • 均使用CSMA/CA多路访问控制协议
    • 均有基础设施(基站)网络模式和特定网(自组网)网络模式

    IEEE 802.11体系结构:

    • 无线主机与基站通信
      基站(base station) = 访问点(access point-AP)
    • 基本服务集BSS(Basic Service Set) ,也称为单元(cell)
      ① 基础设施网络模式:
      • 无线主机
      • AP: 基站
      ② 自组网(ad hoc)模式:
      • 只有主机
      在这里插入图片描述

    802.11:信道与AP关联:

    • 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz频谱划分为11个不同 频率的信道
      ①每个AP选择一个频率(信道)
      ② 存在干扰可能: 相邻的AP可能选择相同的信道!
    • 主机: 必须与某个AP关联(associate)
      ① 扫描信道,监听包含AP名称(服务集标识符-SSID )和MAC地址的信标(beacon)帧
      ② 选择一个AP进行关联
      ③ 可能需要进行身份认证
      ④典型情形:运行DHCP获取IP地址等信息

    802.11AP关联被动扫描与主动扫描:

    • 被动扫描(scanning):
      ①各AP发送信标帧
      ② 主机(H1)向选择的AP发送关联请求帧
      ③ AP向主机(H1)发送关联响应帧
      在这里插入图片描述
    • 主动扫描:
      ①主机(H1)主动广播探测请求帧(Probe Request Frame)
      ② AP发送探测响应帧(Probe Response Frame)
      ③主机(H1)向选择的AP发送关联请求帧
      ④AP向主机(H1)发送关联响应帧
      在这里插入图片描述

    多路访问控制:

    • 避免冲突: 2+结点同时传输
    • 802.11: CSMA – 发送数据前监听信道
      ①避免与正在进行传输的其他结点冲突
    • 802.11: 不能像CSMA/CD那样,边发送、边检测冲突!
      ① 无线信道很难实现
      无法侦听到所有可能的冲突:隐藏站、信号衰落
      ③目标: 避免冲突(avoid collisions)-CSMA/C(ollision)A(voidance)
      在这里插入图片描述

    IEEE 802.11 MAC协议: CSMA/CA:

    • 802.11 sender
      1 if 监听到信道空闲了DIFS时间 then 发送整个帧(无同时检测冲突,即CD)
      2 if 监听到信道忙 then 开始随机退避计时当信道空闲时,计时器倒计时 当计时器超时时,发送帧
      if 没有收到ACK then 增加随机退避间隔时间
      重复第2步

    • 802.11 receiver
      if 正确接收帧
      延迟SIFS时间后,向发送端发送ACK(由于存在隐藏站问题)

    • 基本思想:允许发送端“预约”(reserve)信道,而不是随机发送数据帧,从而避免长数据帧的冲突

    • 发送端首先利用CSMA向BS发送一个很短的RTS (request-to-send)帧
      ①RTS帧仍然可能彼此冲突 (但RTS帧很短)

    • BS广播一个CTS(clear-to-send)帧作为对RTS的响应

    • CTS帧可以被所有结点接收
      ①消除隐藏站影响
      ②发送端可以发送数据帧
      ③其他结点推迟发送

    • 利用很小的预约帧彻底避免了数据帧冲突!

    WIFI

    WIFI定义:

    • WIFI(WirelessFidelity,无线保真)技术是一个基于IEEE802.11系列标准的无线网路通信技术的品牌,目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性,由Wi-Fi联盟(Wi-FiAlliance)所持有,简单来说WIFI就是一种无线联网的技术,以前通过网络连接电脑,而现在则是通过无线电波来连网。与蓝牙技术一样,wifi同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的使2.4GHz附近的频段,该频段目前尚属没用许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个,分别是IEEE802.11a和IEEE802.11b。在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps,带宽的自动调整,有效的保障了网络的稳定性和可靠性。

    WIFI和WLAN的区别:

    • wifi包含于WLAN中,发射信号的功率不同,覆盖范围不同事实上WIFI就是WLANA(无线局域网联盟)的一个商标,该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作,与标准本身实际上没有关系,但因为WIFI主要采用802.11b协议,因此人们逐渐习惯用WIFI来称呼802.11b协议。从包含关系上来说,WIFI是WLAN的一个标准,WIFI包含于WLAN中,属于采用WLAN协议中的一项新技术。WiFi的覆盖范围则可达300英尺左右(约合90米),WLAN最大(加天线)可以到5KM。
    • 覆盖的无线信号范围不同WIFI(WirelessFidelity),又称802.11b标准,它的最大优点就是传输速度较高,可以达到11Mbps,另外它的有效距离也很长,同时也与已有的各种802.11DSSS设备兼容。无线上网已经成为现实。无线电波的覆盖范围广,基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小,半径大约只有50英尺左右约合15米,而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右约合90米,办公室自不用说,就是在整栋大楼中也可使用。不过随着wifi技术的发展,wifi信号未来覆盖的范围将更宽

    广域网(WAN)

    广域网是相对局域网来讲的,局域网的传输距离比较近,只能是一个小范围的。
    如果需要长距离的传输,比如某大型企业,总部在北京,分公司在长沙,局域网是无法架设的。
    在这里插入图片描述
    这时需要通信有三个解决方案:

    • 通过因特网,只需要办一根宽带,就实现了通信,非常方便,现在的宽带价格也比较便宜。
      但是会存在数据泄露的风险,前面讲到了,因特网是一个全球人民都连进来的网,虽说大部分都是好人,但总会有些坏人,特别是商业竞争的情况下,会有黑客坏人连在因特网里盗取各种数据卖钱。所以大型企业、金融单位、各级政府单位,是不放心使用因特网来传输数据的。
    • 通过广域网专线。
      所以为了数据安全,不能连接因特网,需要用一条自己的专用线路来传输数据,这条线路上只有自己人,不会有其他人接入,且距离很远,这个网络就叫 “广域网”广域网的缩写是WAN,Wide Area
      Network,支持很长距离的传输。这条专线当然不是企业自己搭电线杆架设,而是租用电信联通等运营商架设好的线路,使用费用会比因特网贵很多,带宽也比较小,但是为了安全,就要承担一些必要的成本。
    • 通过VPN。
      VPN是虚拟专用网,是在普通的便宜的因特网上,通过数据加密,完整性验证,身份验证等多种技术手段构建的安全传输网络,实现类似专线的安全功能。

    局域网,广域网,因特网之间的区别和联系

    局域网,广域网,因特网之间的区别和联系?

    无线路由器把电脑、手机等设备连接到局域网LAN上,并分配IP地址,即私有IP,我们可以称之为 LAN_IP,LAN_IP所能溜达之处,称LAN路由域。

    光猫是一个边界,国家与国家之间有边界,网络之间也有边界,光猫就是局域网LAN与广域网WAN的边界。局域网LAN_IP可以在局域网LAN里遨游,但是到了边界处,即这里的光猫,就没有那么自由了,LAN_IP是光猫分配的IP,跨越边界就进入WAN了,WAN可是运营商的地盘,WAN 有自己IP,WAN_IP,组成一个WAN路由域。

    光猫通过PPPoE拨号,从ISP拿到了WAN_IP,这是WAN路由域的特别通行证,所有局域网的上网流量,必须在光猫处,完成 LAN_IP <—>WAN_IP 地址转换(NAT),统一换成特别通行证才可以在WAN路由域里继续遨游。

    持有WAN_IP的IP包顺利到达下一个边界,Internet Gateway,这是通往互联网 Internet 的最后一道关卡,即边界。左边是WAN路由域,右边是互联网路由域,如果运营商财大气粗,WAN_IP全是IANA分配的Global IP (全球唯一,可以在世界任何地方访问此IP),则这些携带WAN_IP的IP包直接进入互联网。

    如果运营商的WAN_IP也是私有的,则也要做WAN_IP 与 Global_IP 的地址转换,然后用Global_IP 这个全球通用通行证遨游互联网。

    内网和外网

    所谓内网就是我们平常说的局域网。局域网就是在固定的一个地理区域内由2台以上的电脑用网线和其他网络设备搭建而成的一个封闭的计算机组。它可以是邻居之间的2台电脑,也可以是一幢100层大楼里的1000台电脑。局域网可以是独立封闭运行的,也可以是和外网相连接的。

    所谓外网,也就是广域网。是一种地域跨度非常大的网络集合。它是由无数个局域网+独立服务器构成的。注意,此处所说的局域网既可以是小型的广域网,也可以是局域网。

    实际上,从规模上来看我们很难分辨局域网与广域网,因为大小都是相对的。所以。真正局域网与广域网的分别是通过IP地址来实现的。

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