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  • 17、以太网介质访问控制子层)

    千次阅读 2019-01-01 22:14:35
    引言 以太网是显示世界中极普遍的一种计算机网络。

    引言

    • 以太网是现实世界中极普遍的一种计算机网络。以太网有两类:第一类是经典以太网,它使用我们在本章已经学过的多路访问协议;第二类是交换式以太网,使用了一种称为交换机的设备连接不同的计算机。经典以太网是以太网的原始形式,运行速度从3~10Mbps不等;交换式以太网运行速度可达万兆。实际上,现在使用的也只有交换式以太网。

    1、经典以太网物理层

    • 1976年实现了第一个局域网,该局域网采用一个长的粗同轴电缆,以3Mbps的速率运行,以发光性乙醚的名称命名为以太网(Ethernet)。施乐以太网获得了巨大的成功,以至于DEC、因特尔和施乐公司在1978年制定了一个10Mbps以太网标准,称为DIX标准,做了少许修订后,DIX标准在1983年正式成为IEEE 802.3标准。经典以太网用一个长电缆蜿蜒着建筑物,这根电缆连接着所有计算机,如图。第一个产品,俗称粗以太网,在电缆的每2.5米处有个标记,这个标记就是连接计算机的位置;它的继任者是细以太网,电缆更柔软易弯曲,使用了工业标准BNC接头,细以太网更便宜也更容易安装,但它单段电缆仅185米(而不是粗以太网的500米)长,且每段电缆只能处理30台计算机(而不是100台)。
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    • 以太网的每个版本都有电缆的最大长度限制,这个范围内的信号可以正常传播。为了允许建设更大的网络,可以用中继器把多条电缆连接起来。中继器能接收、放大并在两个方向上重发信号;至于软件方面,一系列由中继器连接起来的电缆段与一个电缆没有什么不同,只是中继器的引入会带来少量延迟。在这些电缆上,信息的发送使用曼切斯特编码,以太网可以包含多个电缆段和多个中继器,但是不允许任意两个收发器之间的距离超过2.5千米,并且任意两个收发器之间经过的中继器不能超过4个,之所以这样规定是为了保证MAC协议正常的工作。

    2、经典以太网MAC子层协议

    • 如图(a,DIX以太网;b,IEEE 802.3),首先是8个字节的前导码,每个字节包含比特模式10101010(最后一个字节的最后2位是11),这最后一个字节称为802.3的帧起始定界符;比特模式是由曼切斯特编码产生的10MHz方波,每个波6.4微秒,以便接受方的时钟与发送方同步。
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    • 接下来是两个地址字段,一个是目标地址,一个是源地址,它们均为6个字节长。如果传输出去的目标地址第一位是0,则表示这是一个普通地址;如果是1,则表示一个组地址,组地址允许多个站同时监听监听一个地址,当某帧被发送到一个组地址,该组中的所有站都有接受它,这种行为称为组播;全由1组成的特殊地址保留用作广播,如果一个帧的目标地址全为1,则它被网络上所有的站接收。
    • 站的源地址(物理地址)具有全球唯一性。该地址由IEEE统一分配,因此确保了在世界任何地方没有两个站的地址是相同的,只要给出了正确的48位数字,任何站都可以唯一寻址到该数字代表的任何其他站。地址字段的前3个字节用作该站所在的组织唯一标识符,该字段的值由IEEE分配,指明网络设备制造商,地址字段的后3个字节由制造商自己分配,并在设备出厂前把完整的地址用程序编入NIC。
    • 接下来是类型或长度字段。以太网使用类型字段告诉接收方帧内包含了什么,同一时间在同一台机器上或许使用了许多网络层协议,所以当一个以太帧到达接收方时,操作系统需要知道该调用哪个网络层协议来处理帧携带的数据包,类型字段指定了把帧交给哪个进程处理。例如,一个值为0x0800的类型代码意味着帧内包含一个IPv4的数据包。IEEE 802.3的这个字段指定了帧的长度,因为以太网的长度必须由其内部的携带数据来确定——这可能违反分层规定(MAC不需要层处理网络层的问题);而且IEEE的处理方式意味着接收方没有办法确定如何处理入境帧(而类型字段告诉操作系统调用什么网络层协议),这个问题由数据内包含的一个逻辑链路控制协议(LLC)头来处理,它使用8个字节来传达2个字节的协议类型信息。在802.3标准出炉的时候,已经有太多的DIX以太网硬件和软件使用,很少有厂家愿意重新包装类型和长度字段。在1997年之前使用的类型字段其值都大于1500,现在的规则是任何值小于等于0x600(1536)可解释为长度字段,否则为类型字段。
    • 数据字段最大可包含1500个字节,除了有最大帧长度限制外,还有最小帧限制。虽然有时候0字节的数据字段也是有用的,但它也会带来一个问题:当一个收发器检测到冲突时,它会截断当前帧,这意味着冲突帧中已经发送的位会出现在电缆上,为了容易区分有效帧和垃圾数据,以太网要求有效帧必须至少64字节长(从目标地址到校检和,包括这两个字段本身)如果帧的数据部分少于46个字节,则使用填充字段来填充该帧。限制最小帧长的另一个理由是:当一个短帧还没有到达电缆远端的接收方,该帧的传送就已经结束;而在电缆远端,该帧可能发生冲突。如图,在0时刻,位于电缆一段的站A发出一帧,假设到达另一端的传播时间为τ。该帧到达另一端之前的某一时刻,站B开始传送数据,当B检测到它所接收到的信号比它发送的信号强时,它就知道发生了冲突,所以放弃了自己传送,并且产生一个48位的突发噪声以警告其他站,换句话说,它阻塞了以太电缆,以确保发送方不会漏检这次冲突,大约2τ后,发送方看到了突发噪声,并且也放弃了自己的传送,然后等待一段时间重试。在这里插入图片描述
    • 如果一帧非常短,虽然发生了冲突,但是在突发噪声回到发送方之前(2τ),传送已经结束,发送方将认为刚才那一帧已经发送成功,为了避免发生这种情况,所有帧必须至少需要2τ时间才能完成发送。这样,当突发噪声回到发送方时传送仍在进行。对于一个最大长度为2500米、具有4个中继器的10MbpsLAN(符合802.3标准),在最差情况下,往返一次的时间大约是50微秒(其中包含了通过四个中继器所需要的时间)。因此允许的最小帧长必须至少需要这么长的时间传输。以10Mbps的速率,发送一位需要100纳秒,所以500位是保证可以工作的最小帧长,考虑到加上安全余量,该值被增加到512位,或者64字节。最后一个字断是校检和,它是之前讨论过的32位CRC。

    二进制指数后退的CSMA/CD

    • 经典以太网使用1-坚持CSMA/CD算法,这个算法意味着当站有帧需要发送时要侦听介质,一旦介质空闲就发送;在它们发送的同时监听信道上是否有冲突,如果有冲突,则立即中止,并发送一个短冲突加强信号,在等待一段时间后重发。
    • 如何确定等待时间呢?在冲突发生后,时间被分成离散的时间槽,时间槽长度等于以太网最小的帧发送时间即51.2微秒。第一次冲突发生后,每个站随机等待0个或1个时间槽,之后再重试发送;如果发生了第二次冲突,每个站随机选择等待0、1、2或3个时间槽;如果第三次冲突发生了,则下一次等待的时间槽数从0到23-1之间随机选择。在第i此冲突之后,从0~2i-1之间随机选择一个数,然后等待这么多个时间槽;然而,达到10次冲突后,随机数的选择区间被固定在最大值1023,在第16次冲突之后,控制器放弃努力,并给计算机返回一个失败报告,进一步的恢复工作由高层协议完成。这个算法称为二进制指数后退。
    • 如果所有冲突的随机数最大值都是1023,那么两个站发生第二次冲突的概率几乎可以忽略,但是在第一次冲突之后的平均等待时间将是数百个时间槽,这样会引入很大的延迟。如果所有站总是等待0或1个时间槽,有一百个站的话,它们将一而再、再而三地一次次发生冲突,这种情况可能要几年时间才能成功一次。二进制指数后退,即随着连续冲突的次数越来越多,随机等待的时间间隔呈指数级增长。这种算法能确保两种情况:只有少量站发生冲突,则它可确保较低的延迟;当多个站发生冲突,它也可以保证在一个相对合理的时间间隔内解决冲突。
    • 如果没有发生碰撞,发送方就假设该帧可能被成功传递了。也就是说,无论是CSMA/CD还是以太网都不必提供确认,这样的选择适用于出错率很低的有线电缆和光纤信道。确实发生的任何错误必须通过CRC检测出来并由高层负责恢复;对于无线信道,因其出错率高还得使用确认手段。

    3、以太网性能

    • 简要讨论一下在重负载和恒定负载条件下(即总是有k个帧要发送数据)以太网的性能。关于二进制指数后退算法的严格分析非常复杂,因此将采用另一种方法(Metcalfe\Boggs),并假定每个时间槽重传的概率是个常数。如果每个站在一个竞争时间槽中传送帧的概率为p,那么在这个时间槽中,某一个站获得信道的概率A为:A=kp(1-p)k-1。当p=1/k的时候A最大;并且当k→∞的时候,A→1/e,竞争间隔正好等于j个时间槽的概率为A(1-A)j-1(0到j个时间槽中取一个j),所以每一次竞争的平均时间槽数(0到j次的期望相加)为:
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    • 由于每个时间槽的间隔时间是2τ,因此平均时间间隔w为2τ/A。假设最优p=1/k,A=1/e,并且竞争时间槽的平均数永远不超过e,于是w至多为2τe,大约为5.4τ。如果传送一帧需要P秒,那么当许多站都要传送帧时,信道效率=P/(P+2τ/A)。公式中我们可以看到两个站之间的最大电缆距离(即τ)也会影响到性能,这也是为什么以太网规定了最大电缆长度的原因。
    • 针对每个帧e竞争时间槽的最优情形,按照帧长度F、网络带宽B、电缆长度L和信号的传播速度c,利用P=F/B,信道速率的另一个表达式为:1/(1+2BLe/cF)。当分母中的第二项变大时,网络的效率将会变低。特别是在给定帧长度的情况下,增加网络带宽或者距离(即BL的乘积)将会降低网络效率。人们总是希望在长距离上拥有高带宽(例如光纤城域网),而经典太网可能并不是这些应用的最佳系统。
    • 图中给出了利用等式:信道效率=1/(1+2BLe/cF),在2τ=51.2微秒以及10Mbps数据速率下,信道效率与就绪站数之间的关系。对于64字节的时间槽时间,64字节的帧并不是最有效的,另一方面,当帧长度为1024字节,以及每个竞争间隔趋近于e个64字节时间槽时,竞争期为174字节长,效率为85%,这个结果比分槽ALHOA系统的利用率高出两倍以上。在这里插入图片描述
    • 关于以太网(和其他网络)有大量理论性的性能分析成果。大多数研究结果都只有很少的参考价值,原因有两个:首先,几乎所有理论工作都假设网络流量符合泊松分布,但实际可能很少呈现泊松分布,而是在一定时间的尺度上表现出自相似或者突发性。这意味着即使在一段较长时间上进行平均也不能是流量变得平滑。除了理论分析时采用的可疑模型外,许多研究的把分析重点放在异常高负载情况下的有趣性能上,通过实验显示以太网在实际情况下工作得很好,即使在适度的高负载下。

    4、交换式以太网

    • 经典以太网存在的问题,比如找出断裂或者松动位置等与连接相关的问题,驱使人们开发出一种不同类型的布线模式。在这种模式中,每个站都有一条专用电线连接到一个中央集线器。集线器只是在电气上简单地连接所有连接线,就像把它们焊在一起,如图a。集线器模式容易添加或者删除一个站,电缆的断裂处也可以容易检测出来;然而,它不能增加容量,因为它逻辑上等于单根电缆的经典以太网。在这里插入图片描述
    • 交换式以太网可以处理不断增长的负载问题。这种系统的核心是一个交换机(switch),它包含一块连接所有端口的高速背板。交换机很像集线器,它们通常拥有4~48个端口,每个端口都有一个标准的RJ-45连接器用来连接双绞线电缆。每根电缆把交换机或者集线器与一台计算机连接。交换机具有集线器的同样优点,通过简单的插入或者拔出电缆就能完成增加或删除一台机器,而且由于片状电缆或者端口通常只影响到一台机器,因此大多数错误都很容易发现;如果交换机本身故障,可能所有站都失去了网络连接,那么需要更换整个交换机。在这里插入图片描述
    • 交换机只能把帧输出到该帧想去的端口,当交换机端口接收到到来自某个站的以太网帧,它就检查该帧的以太网地址,确定该帧的目的端口。交换机把帧通过它的高速背板传送到目标端口,通常背板的运行速度高达许多个Gbps,并且使用专用的协议。这些交换机无需标准化,因为它们完全隐藏在交换机内部;然后,目标端口在通往目标站的双绞线上传输该帧,没有其他任何端口知道这个帧的存在。
    • 如果同时有多个站或者端口都要传送数据应该如何处理?在集线器中,所有站都位于一个冲突域,它们必须使用CSMA/CD算法来调度各自的传输。在交换机中,每个端口都有自己独立的冲突域,通常情况下,电缆是全双工,站和端口可以同时往电缆上发送帧,冲突就不可能发生了。如果电缆是半双工的,则站和端口必须以通常的CSMA/CD方式竞争传输。交换机的性能优于集线器有两方面的原因:首先,由于没有冲突,容量的使用更为有效;其次,有了交换机可以同时发送多个帧(由不同的帧发出),然而,由于两帧可能在同一时间去往同一个输出端口,交换机必须有缓冲,以便它暂时把输入帧排入队列知道帧被传送到输出端口。
    • 帧被发送到输出端口还有利于安全。大多数LAN接口都支持混杂模式,这个模式下所有的帧都被发到每台计算机,每个集线器上的计算机能看到其他所有计算机之间的流量,有了交换机,流量只被转发到它的目的端口。这种限制提供了更好的隔离措施,使得流量更加安全。由于交换机只是希望每个输入端口出现的是标准以太网帧,就有可能把一部分端口用作集中器。在上图中,右上角的端口并没有连接一台计算机,而是连接一个12口的集线器;当帧到达集线器,它们按通常的方式竞争以太网,包括冲突和二进制指数后退。竞争成功的帧被传到集线器,继而到达交换机,一旦进入交换机,它们就被发送到高速背板上的正确输出线,也有可能正确目的地是连接到集线器的一根线。现代网络大量使用交换式以太网。

    5、快速以太网

    • 许多安装需要大量的带宽,因而许多10Mbps的局域网被中继器、集线器和交换机连接成了迷宫;但即便有以太网交换机,一台计算机的最大带宽还是受限于连接它到交换机端口的电缆。IEEE 802.3委员会在这种环境下决定仍然保留802.3原来的工作方式,但是让它运行得更快,新设计还将向后兼容现有的以太网局域网,即1995年正式批准的802.3u。从技术上说,802.3u是原有802.3标准的一份补充,也俗称快速以太网。
    • 快速以太网的基本思想是:保留原来的帧格式、接口和过程规则,只是将比特时间从100纳秒降低到10纳秒。所有快速以太网系统也使用集线器和交换机。快速以太网使用3类双绞线的主要缺点是它能够在100米长的电缆上承载100Mbps的信号,而这是10Mbps集线器规定的从计算机到集线器的最大距离;5类双绞线可以很容易的传输100米,光纤可以更远。快速以太网允许使用这三种介质,如图,但对于3类双绞线的方案,需要增加所需的额外承载能力。在这里插入图片描述
    • 3类UTP方案称为100Base-T4,它使用了25MHz的信令速度,比标准以太网的20MHz仅仅快了25%(前述的曼切斯特编码中,对于10Mbps中的每个比特要求两个时钟周期)。为了达到所要求的比特率,100Base-T4要求4对双绞线,其中一对总是去往集线器,另一对总是来自集线器,剩余两对则动态切换到当前的传输方向。为了从传输方向上的三对双绞线(加上两个动态)上获得100Mbps,每对双绞线上使用了一种相当复杂的编码方案。随着5类UTP的普及,100Base-TX很快占领了市场。因为5类双绞线可以处理125MHz的时钟速率,所以这种设计简单得多。每个站只用到两对双绞线,一对用于发送信号到集线器,另一对用于从集线器接收信号,它使用了一种4B/5B编码方案,以125MHz的速率发送,可提供100Mbps的数据率,这种方案很简单,但具有保持同步所需的足够跳变,对线缆带宽的使用相对较好。100Base-TX系统是全双工的;站可以在一对双绞线上以100Mbps速率发送数据,同时也可以在另一对双绞线上以100Mbps速率接收数据。最后一种选择是100Base-FX,它使用两根多模光纤,每个方向上一根;所有它可以进行全双工操作,同时在每个方向上以100Mbps速率发送,在这种设置下,站和交换机之间的距离可以达到2千米。
    • 快速以太网允许集线器和交换机之间互连。为了确保CSMA/CD算法继续工作,为了把数据传输速率从10Mbps提高到100Mbps,必须保持最小帧长和最大电缆长度之间的关系。所以,要么按照最小帧为64字节的限制往上提,要么把2500米的最大电缆长度降下来。最简单的选择是把任意两个站之间的最大距离降10倍,因为100米电缆的集线器早已可用;然而,2千米100Base-FX的线缆对于正常的以太网冲突算法来说过长,相反,这些线路必须被连接到一个交换机,并工作在全双工模式下,因此才没有冲突。用户很快部署了快速以太网,但他们并不打算扔掉老式计算机上的10Mbps以太网卡,因此几乎所有的快速以太网交换机可处理10Mbps和100Mbps的混合情况,为了便于升级,标准本身提供了一个称为自动协商的机制,允许两个站自动协商最佳速度(10或100Mbps)和双工模式(半双工或全双工),这个机制大部分时间运行良好,但已经发现会导致不匹配问题,即链路的一端启动了自动协商,但另一端没有使用,并设置了全双工模式,大多数以太网产品都使用该功能配置自己。

    6、千兆以太网

    • 1999年IEEE 802委员会批准了最普遍形式的千兆以太网802.3ab。对于千兆以太网,委员会的目标基本与快速以太网的目标相同:增加十倍的性能,并同时保持与所有现存以太网标准的兼容,特别是千兆以太网必须提供单播和广播的无确认数据报服务,使用相同的48位地址方案,保持相同的帧格式,包括最小和最大帧尺寸要求。
    • 与快速以太网一样,千兆以太网使用点到点链路。最简单的配置,如图a,两台计算机直接相连;常见情况下,使用一个交换机或集线器连接多台计算机,和额外的交换机或集线器,如图b。千兆以太网支持两种不同的操作模式:全双工模式和半双工模式。正常模式是全双工模式,它允许两个方向上的流量同时进行,这种模式适用于一台中心交换机将周围的计算机或其它交换机连接起来。在这种配置下,所有的线路都具有缓存能力,所以每台计算机或者交换机在任何时候都可以自由发送帧,发送方在发送之前不必侦听信道,因为信道上没有竞争。在一台计算机与交换机的连线上,唯一可能的发送方时计算机,即使交换机正在给计算机发送数据,计算机的传输操作也会成功(因为线路是全双工的)。由于这里不可能存在竞争,所以不需要使用CSMA/CD协议,因此线缆的最大长度由信号强度来决定。交换机可以自由地混合和匹配各种速度,就如同快速以太网一样,千兆以太网也支持自动配置特性,现在的选择有10、100和1000Mbps。
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    • 另一种操作模式是半双工模式,当计算机被连接到一个集线器而不是交换机时,就会用到。集线器无法缓存入境帧,而是在内部用电子的方式将所有这些线路串起来,模拟经典以太网中使用的多路分支电缆。在这种模式下,冲突有可能发生,需要CSMA/CD协议。因为一个64字节帧(再短也是允许)现在的传输速度是经典以太网的100倍快,所以最大的线缆长度下降了100倍,或25米,这样才能维持以太网的本质特性,即使在最差的情况下,当突发噪声返回时发送方仍在传送数据。考虑到25米的长度限制太痛苦了,因此在标准中加入了两个特性,使得最大线缆长度增加到200米:第一个特性是载波扩充,它的本质是让硬件在普通的帧后面增加一些填充位,将帧的长度扩充到512字节,由于这些填充位是由发送方硬件加进来的,并且由接收方硬件删除掉,所以软件对此并不知情。当然,对于用户数据只有46字节(即64字节帧的有效载荷字段)的情形来说,使用512字节之后的线路的效率只有9%;第二个特性称为帧突发,允许发送发将多个待发送帧级连在一起,一起发送出去。如果级联起来的整个突发仍然小于512字节,则硬件会对它进行再次填充,如果有足够的帧在等待传输,这种方案将非常高效。
    • 客观地讲,很难想象一个组织会用装有千兆以太网卡的现代计算机连接到一个老式集线器上来模拟有冲突的经典以太网。在计算机领域中,向后兼容非常重要,今天大多数计算机都具备10、100和1000Mbps运行能力的以太网卡,所以兼容性不再是个问题。千兆以太网既支持铜线,也支持光纤。以1Gbps或者接近于1Gbps的速率传输信号,要求每纳秒编码并发送一个比特,这一招最初在短程屏蔽铜电缆上实现(100Base-CX版本)。对于光纤而言,允许使用两个版本,因而导致两个不同的版本:0.85微米(短波,1000Base-SX)和1.3微米(长波,10001Base-LX)。在这里插入图片描述
    • 短波信号可以用便宜的LED获得,它可用于多模光纤,对建筑物内的连接非常有用,因为它可以运行在500米的50微米的光纤上;长波信号需要昂贵的激光器,另一方面,与单模光纤(10微米)结合,线缆长度可达5千米,这个限制允许更长的单模光纤距离连接建筑物(比如作为一个专门的点到点链路用在校园骨干网络上),标准后来甚至允许更长的单模光纤。
    • 要在千兆以太网的各版本上发送比特,前述的8B/10B编码借用了光纤信道网络技术。这种编码方案将8个数据位编码为10个比特的码字发送到电缆或者光纤上,码字的选择使得它们必须是平衡的(即具有相同的0和1),具备时钟恢复足够的跳变。采用NRZ编码技术发送的比特比不编码发送比特所需的信道带宽要多25%
    • 然而所有这些编码选项需要新的铜缆或光纤才能支持更快的信号。早已为快速以太网而安装的大量5类非屏蔽双绞线采用后即1000Base-T标准填补了这一空白,从此以后它一直是千兆以太网最流行的形式。若要使得以太网在5类双绞线上以1Gbps速率运行,需要更复杂的信号。为此,电缆中的所有四对双绞线都要被派上用场,每一对同时可以在两个方向上传输,利用数字信号处理技术来区分信号。在每根线上,5个电压级别携带2个比特,信号速率为125M符号每秒。把比特映射成符号不是件容易的事,它涉及扰码和纠错码,前者为生成足够的跳变而作,后者把4个值植入到5个信号级别。
    • 1Gbps的速度很快,如果接收方忙于其他事情,即使只有1毫秒的时间,因为没有清空某条线路上的输入缓冲区,在这么短的时间最多可积累1953个帧。还有,当千兆以太网上的一台计算机沿着线路给另一台位于经典以太网中的计算机发送数据,缓冲区极有可能发生溢出。为了解决这些情况,必须引入流量控制。在流量控制机制下,一台计算机给另一端发送一个特殊控制帧,告知对方暂停一段时间,这些暂停控制帧是普通的以太帧,类型字段设置为0x8808,暂停时间是最小帧时的整数倍,对于千兆以太网,时间单位是512纳秒,允许的最大暂停时间是33.6毫秒。
    • 千兆以太网还引入了另一个扩展。巨型帧允许帧的长度超过1500字节,通常高达9KB。这个帧是其专有的,没有得到标准的认可。因为如果使用巨型帧,则无法与以太网的早期版本兼容,但大多数厂商都支持这个扩展,理由是1500字节是千兆位速度下的很短单位,处理更大块的信息可以降低帧的速率,因而与之有关的处理时间也有所下降,比如中断处理器告诉它到达了一帧,或拆分与重组一个太长的消息以便适应一个以太网帧。

    7、万兆以太网

    • 802委员会发布的万兆以太网标准遵循了许多以前以太网标准模式,2002年发布了光纤标准,2004年发布了屏蔽铜电缆标准,紧接着2006年发布了铜双绞线标准。万兆以太网通常用在数据中心和交换局内部,可以用它们来连接高端路由器、交换机和服务器;除此以外,还可以用作端局之间的长途高带宽中继线,这些端局是整个城域网得以基于以太网和光纤来构建,长距离连接使用光纤,短距离可以用铜缆或光纤。
    • 万兆以太网的所有版本只支持全双工操作。CSMA/CD不再属于设计的一部分,标准的重点在于以超高速率运行的物理层细节。兼容性依然重要,万兆以太网能自动协商并能降低到由线路两端同时支持的最高速度。万兆以太网的主要类别如图,0.85微米波长的多模光纤用于中距离,1.3微米和1.5微米的单模光纤用于长距离。10GBase-ER运行距离可达40千米,使其适用于广域网场合,所有这些版本发送的一串信息流,都是先通过扰码数据位,然后再经过64B/66B编码生成。
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    • 第一个铜版由10GBase-CX4定义,采用了四对双轴铜电缆,每对使用8B/10B编码,以3.125G符号/秒运行,提供了10Gbps的数据率。10Base-T是使用了UTP电缆的版本,虽然要求6a类布线,为了更短的运行可以使用较低类别的双绞线(包括5类),以便重用已安装的电缆。为了在双绞线上达到10Gbps,其物理层相当复杂。例如,四对双绞线的每一对可用来在两个方向上以2500Mbps速率发送,要达到这个速率必须用到800M符号每秒的符号速率,而符号又使用了16个电压等级。这些符号的产生首先对数据扰码,然后用低密度奇偶校检码保护,再进一步进行纠错码。
    • 截止2007年底,IEEE创建了一个小组对40Gbps和100Gbps的以太网进行标准化。此次升级将使以太网有能力去竞争非常高性能的设施,包括骨干网中的长距离和设备背板上的短程连接。

    8、以太网回顾

    • 以太网具有很强大的竞争力的主要理由可能是它的简单性和灵活性。实际上,简单性带来了可靠、廉价、以及易维护等特性。一旦集线器和交换机体系结构被采纳后,失败就更加不可能了;简单性也可以理解为造价低廉,作为硬件组件的双绞线相对来说非常便宜,在过渡时可能有点贵,比如引入新千兆以太网NIC或者交换机;以太网非常易于维护,不需要安装特殊的软件(驱动程序除外),也不需要管理配置表,而且增加主机也非常方便,只要接入即可;另外,TCP/IP协议使得以太网很容易实现互联,而TCP/IP协议已经占据了主导地位。IP是一个无连接协议,所以它非常适用于以太网,因为以太网也是无连接的;最后,以太网在多个关键方面取得了显著的进展,从速率来看,以太网已经提升了几个数量级,从结构看,集线器和交换机也被引入了进来,并且这些变化也不需要安装特殊软件,而且通常允许重用已有的线缆。
    • 有许多技术在推出时的速度比以太网快,包括ATM、光纤式分布数据接口(FDDI)和光纤信道。后两个都是基于光纤局域网的双环结构,并且都不与以太网兼容,它们没有一个是成功的,它们很复杂,导致芯片异常复杂,价格居高不下。最后以太网超过了它们,在速度方面以太网借用了它们的一些技术,比如从FDDI那里借用了4B/5B编码,从光纤信道那里借用了8B/10B编码,这样,它们的优势也悉数失去,悄然退出或称为配角。
    • 万兆以太网已经摆脱了CSMA/CD的距离限制,很多致力于研究电信级以太网,以便网络提供商为它们的城域网和广域网客户提供基于以太网的服务。这种应用在长距离光纤上运载以太网帧,并且要求更好的管理功能,以便有助于运营商提供可靠优质的服务。超高速网络也将有用武之地,它们可用在大型路由器或服务器的背板连接网络组件中。这些用途都是除了在办公室的计算机之间发送数据帧之外的额外应用。
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  • 针对现有智能建筑局域网协议不能满足服务质量需要的问题,提出了一种基于介质访问控制协议的智能建筑工业以太网设计方案。分析了实时帧的最大等待时间,运用OPNET软件构建了智能建筑无线局域网的仿真模型。仿真结果...
  • 主要内容: 1、局域网定义和特性 2、各种流行的局域网技术 3、高速局域网技术 4、基于交换的局域网技术 ...2、决定局域网特性的三个技术:(1)用以传输数据的介质(2)用以连接各种设备的拓扑结构(3)用以共.

    主要内容:

    1、局域网定义和特性

    2、各种流行的局域网技术

    3、高速局域网技术

    4、基于交换的局域网技术

    5、无线局域网技术及城域网技术

     

    一、局域网定义和特性

    局域网(Local Area Network)即LAN:将小区域内的各种通信设备互联在一起的通信网络。

    1、局域网三个特性:(1)高数据速率在0.1-100Mbps(2)短距离0.1-25Km(3)低误码率10-8-10-11

    2、决定局域网特性的三个技术:(1)用以传输数据的介质(2)用以连接各种设备的拓扑结构(3)用以共享资源的介质控制方法。

    3、设计一个好的介质访问控制协议三个基本目标:(1)协议要简单(2)获得有效的通道利用率(3)对网上各站点用户的公平合理。

     

    二、以太网Ethernet IEEE802.3

    以太网是一种总路线型局域网,采用载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD介质访问控制方法。

    1、载波监听多路访问

    CSMA的控制方案:(1)一个站要发送,首先需要监听总线,以决定介质上是否存在其他站的发送信号。(2)如果介质是空闲的,则可以发送。(3)如果介质忙,则等待一段间隔后再重试。

    坚持退避算法:

    (1)非坚持CSMA:假如介质是空闲的,则发送;假如介质是的,等待一段时间,重复第一步。利用随机的重传时间来减少冲突的概率,缺点:是即使有几个站有数据发送,介质仍然可能牌空闲状态,介质的利用率较低。

    (2)1-坚持CSMA:假如介质是空闲的,则发送;假如介质是忙的,继续监听,直到介质空闲立即发送;假如冲突发生,则等待一段随机时间,重复第一步。缺点:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免的。

    (3)P-坚持CSMA:假如介质是空闲的,则以P的概率发送,而以(1-P)的概率延迟一个时间单位,时间单位等于最大的传播延迟时间;假如介质是忙的,继续监听,直到介质空闲,重复第一步;假如发送被延迟一个时间单位,则重复第一步。

    2、载波监听多路访问/冲突检测

    这种协议广泛运用在局域网内,每个帧发送期间,同时有检测冲突的能力,一旦检测到冲突,就立即停止发送,并向总线上发一串阻塞信号,通知总线上各站冲突已经发生,这样通道的容量不致因白白传送已经损坏的帧而浪费。

    冲突检测的时间:对基带总线,等于任意两个站之间最大的传播延迟的两倍;对于宽带总线,冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播延迟时间的四倍。

    3、二进制退避算法:

    (1)对每个帧,当第一次发生冲突时,设置参量为L=2;

    (2)退避间隔取1-L个时间片中的一个随机数,1个时间片等于2a;

    (3)当帧重复发生一次冲突时,则将参量L加倍;

    (4)设置一个最大重传次数,则不再重传,并报告出错。

     

    二、标记环网Toke Ring IEEE802.5

    1、标记的工作过程:

    标记环网又称权标网,这种介质访问使用一个标记沿着环循环,当各站都没有帧发送时,标记的形式为01111111称空标记。当一个站要发送帧时,需要等待空标记通过,然后将它改为忙标记011111110。并紧跟着忙标记,把数据发送到环上。由于标记是忙状态,所以其他站不能发送帧,必须等待。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站,将该帧从环上移去。同时将忙标记改为空标记,传至后面的站,使之获得发送帧的许可权。

    2、环上长度用位计算,其公式为:存在环上的位数等于传播延迟(5μs/km)×发送介质长度×数据速率+中继器延迟。对于1km长、1Mbps速率、20个站点,存在于环上的位数为25位。

    3、站点接收帧的过程:当帧通过站时,该站将帧的目的地址和本站的地址相比较,如地址相符合,则将帧放入接收缓冲器,再输入站,同时将帧送回至环上;如地址不符合,则简单地将数据重新送入环。

    4、优先级策略

    标记环网上的各个站点可以成不同的优先级,采用分布式高度算法实现。控制帧的格式如下:P优先级、T空忙、M监视位、预约位

     

    三、光纤分布式数据接口FDDI ISO9314

    1、FDDI和标记环介质访问控制标准接近,有以下几点好处:

    (1)标记环协议在重负载条件下,运行效率很高,因此FDDI可得到同样的效率。

    (2)使用相似的帧格式,全球不同速率的环网互连,在后面网络互加这一章将要讨论这个问题。

    (3)已经熟悉IEEE802.5的人很容易了解FDDI

    (4)已经积累了IEEE802.5的实践经验,特别是将它做集成电路片的经济,用于FDDI系统和元件的制造。

    2、FDDI技术

    (1)数据编码:用有光脉冲表示为1,没有光能量表示为0。FDDI采用一种全新的编码技术,称为4B/5B。每次对四位数据进行编码,每四位数据编码成五位符号,用光的存在和没有来代表五位符号中每一位是1还是0。这种编码使效率提高为80%。为了得到信号同步,采用了二级编码的方法,先按4B/5B编码,然后再用一种称为倒相的不归零制编码NRZI,其原理类似于差分编码。

    (2)时钟偏移: FDDI分布式时钟方案,每个站有独立的时钟和弹性缓冲器。进入站点缓冲器的数据时钟是按照输入信号的时钟确定的,但是,从缓冲器输出的信号时钟是根据站的时钟确定的,这种方案使环中中继器的数目不受时钟偏移因素的限制。

    3、FDDI帧格式:

    由此可知:FDDI MAC帧和IEEE802.5的帧十分相似,不同之处包括:FDDI帧含有前文,对高数据率下时钟同步十分重要;允许在网内使用16位和48位地址,比IEEE802.5更加灵活;控制帧也有不同。

    4、FDDI协议

    FDDI和IEEE802.5的两个主要区别:

    (1)FDDI协议规定发送站发送完帧后,立即发送一幅新的标记帧,而IEEE802.5规定当发送出去的帧的前沿回送至发送站时,才发送新的标记帧。

    (2)容量分配方案不同,两者都可采用单个标记形式,对环上各站点提供同等公平的访问权,也可优先分配给某些站点。IEEE802.5使用优先级和预约方案。

    5、为了同时满足两种通信类型的要求,FDDI定义了同步和异步两种通信类型,定义一个目标标记循环时间TTRT,每个站点都存在有同样的一个TTRT值。

     

    四、局域网标准

    IEEE802委员会是由IEEE计算机学会于1980年2月成立的,其目的是为局域网内的数字设备提供一套连接的标准,后来又扩大到城域网。

    1、服务访问点SAP

    在参考模型中,每个实体和另一个实体的同层实体按协议进行通信。而一个系统内,实体和上下层间通过接口进行通信。用服务访问点SAP来定义接口。

    2、逻辑连接控制子层LLC

    IEEE802规定两种类型的链路服务:无连接LLC(类型1),信息帧在LLC实体间,无需要在同等层实体间事先建立逻辑链路,对这种LLC帧既不确认,也无任何流量控制或差错恢复功能。

    面向连接LLC(类型2),任何信息帧,交换前在一对LLC实体间必须建立逻辑链路。在数据传送方式中,信息帧依次序发送,并提供差错恢复和流量控制功能。

    3、介质访问控制子层MAC

    IEEE802规定的MAC有CSMA/CD、标记总线、标记环等。

    4、服务原语

    (1)ISO服务原语类型

    REQUEST原语用以使服务用户能从服务提供者那里请求一定的服务,如建立连接、发送数据、结束连接或状态报告。

    INDICATION原语用以使服务提供者能向服务用户提示某种状态。如连接请求、输入数据或连接结束。

    RESPONSE原语用以使服务用户能响应先前的INDIECATION,如接受连接INDICATION。

    CONFIRMARION原语用以使服务提供者能报告先前的REQUEST成功或失败。

    (2)IEEE802服务原语类型

    和ISO服务原语类型相比REQUEST和INDICATION原语类型和ISO所用的具有相同意义。IEEE802没有REPONSE原语类型,CONFIRMATION原语类型定义为仅是服务提供者的确认。

     

    五、逻辑链路控制协议

    1、IEEE802.2是描述LAN协议中逻辑链路 LLC子层的功能、特性和协议,描述LLC子层对网络层、MAC子层及LLC子层本身管理功能的界面服务规范。

    2、LLC子层界面服务规范IEEE802.2定义了三个界面服务规范:(1)网络层/LLC子层界面服务规范;(2)LLC子层/MAC子层界面服务规范;(3)LLC子层/LLC子层管理功能的界面服务规范。

    3、网络层/LLC子层界面服务规范

    提供两处服务方式

    不确认无连接的服务:不确认无连接数据传输服务提供没有数据链路级连接的建立而网络层实体能交换链路服务数据单元LSDU手段。数据的传输方式可为点到点方式、多点式或广播式。这是一种数据报服务

    面向连接的服务:提供了建立、使用、复位以及终止数据链路层连接的手段。这些连接是LSAP之间点到点式的连接,它还提供数据链路层的定序、流控和错误恢复,这是一处虚电路服务。

    4、LLC子层/MAC子层界面服务规范

    本规范说明了LLC子层对MAC子层的服务要求,以便本地LLC子层实体间对等层LLC子层实体交换LLC数据单元。

    (1)服务原语是:MA-DATA.request 、MA-DATA.indication、MA-DATA.confirm

    (2)LLC协议数据单元结构LLC PDU:

    目的服务访问点地址字段DSAP,一个字节,其中七位实际地址,一位为地址型标志,用来标识DSAP地址为单个地址或组地址。

    源服务访问点地址字段SSAP,一个字节,其中七位实际地址,一位为命令/响应标志位用来识别LLC PDU是命令或响应。

    控制字段、信息字段。

    5、LLC协议的型和类

    LLC为服务访问点间的数据通信定义了两种操作:Ⅰ型操作,LLC间交换PDU不需要建立数据链路连接,这些PDU不被确认,也没有流量控制和差错恢复。

    Ⅱ型操作,两个LLC间交换带信息的PDU之间,必须先建立数据链路连接,正常的通信包括,从源LLC到目的LLC发送带有信息的PDU,它由相反方向上的PDU所确认。

    LLC的类型:第1类型,LLC只支持Ⅰ型操作;第2类型,LLC既支持Ⅰ型操作,也支持Ⅱ型操作

    6、LLC协议的元素

    控制字段的三种格式:带编号的信息帧传输、带编号的监视帧传输、无编号控制传输、无编号信息传输。

    带编号的信息帧传输和带编号的监视帧传输只能用于Ⅱ型操作

    无编号控制传输和无编号信息传输可用于Ⅰ型或Ⅱ型操作,但不能同时用

    信息帧用来发送数据,监视帧用来作回答响应和流控。

     

    六、CSMA/CD介质访问控制协议

    1、MAC服务规范三种原语

    MA-DATA.request 、MA-DATA.indication、MA-DATA.confirm

    2、介质访问控制的帧结构

    CSMA/CD的MAC帧由8个字段组成:前导码;帧起始定界符SFD;帧的源和目的地址DA、SA;表示信息字段长度的字段;逻辑连接控制帧LLC;填充的字段PAD;帧检验序列字段FCS。

    前导码:包含7个字节,每个字节为10101010,它用于使PLS电路和收到的帧定时达到稳态同步。

    帧起始定界符:字段是10101011序列,它紧跟在前导码后,表示一幅帧的开始。帧检验序列:发送和接收算法两者都使用循环冗余检验(CRC)来产生FCS字段的CRC值。

    3、介质访问控制方法

    IEEE802.3标准提供了介质访问控制子层的功能说明,有两个主要的功能:数据封装(发送和接收),完成成帧(帧定界、帧同步)、编址(源和目的地址处理)、差错检测(物理介质传输差错的检测);介质访问管理,完成介质分配避免冲突和解决争用处理冲突。

     

    七、标记环介质访问控制协议

    标记环局域网协议标准包括四个部分:逻辑链路控制LLC、介质访问控制MAC、物理层PHY和传输介质。

    1、IEEE802.5规定了后面三个部分的标准。LLC和MAC等效于OSI的第二层(数据链路层),PHY相当于OSI的第一层(物理层)。LLC使用MAC子层的服务,提供网络层的服务,MAC控制介质访问,PHY负责和物理介质接口。

    2、介质访问控制帧结构

    标记环有两个基本格式:标记和帧。在IEEE802.5中帧的传输是从最高位开始一位一位发送,而IEEE802.3和IEEE802.4正好相反,帧的传输是从最低位开始一位一位发送的,这一点对于不同协议的局域网互连时要进行转换。

    3、介质访问控制方法

    (1)帧发送:对环中物理介质的访问系采用沿环传递一个标记的方法来控制。取得标记的站具有发送一帧或一系列帧的机会。

    (2)标记发送:在完成帧发送后,该站就要查看本站地址是否在SA字段中返回,若未查看到,则该站就发送填充,否则就发送标记。标记发送后,该站仍留在发送状态,起到该站发送的所有的帧从环上移去为止。

    (3)帧接收:若帧的类型比特表示为MAC帧,则控制比特由环上所有的站进行解释。如果帧的DA字段与站的单地址、相关组地址或广播地址匹配,则把FC、DA、SA、INFO以及FS字段拷贝入接收缓冲区中,并随后转送至适当子层。

    (4)优先权操作:访问控制字段中的优先权比特PPP和预约比特RRR配合工作,使环中服务优先权与环上准备发送的PDU最高优先级匹配。

     

    八、快速以太网

    1、快速以太网的类型

    快速以太网(Fast Ethernet)是一个新的IEEE局域网标准,于1995年由原来制定的以太网标准的IEEE802.3工作组完成。快速以太网正式名为100Base-T

    共享介质快速以太网和传统以太网采用同样的介质访问控制协议CSMA/CD所有的介质访问控制算法不变,只是将有关的时间参量加速10倍。

    快速以太网的三种标准:100Base-4、100Base-TX、100Base-FX

    快速以太网的产品:

    适配器:一边是总线结构,将数据传送至主机、中继器或HUB;另一边接到所选的介质,可以是双绞线、光纤,或者是一个介质独立接口MII,MII是用来连接外部收发器用的,其功能类似于以太网的AUI。

    HUB:可分为共享机制的中继器和交换机制的交换器。

     

    九、基于交换技术的网络

    1、交换网结构

    交换技术的两种主要应用形式是:折叠式主干网和高速服务器联接。

    2、全双工以太网

    全双工运行在交换器之间,以及交换器和服务器之间,是和交换器一起工作的链路特性,它使数据流在链路中同时两个方向流动,不是所有收发器都支持它的全双工功能。

    3、在下列情况下全双工最有用:

    (1)在服务器和交换器之间。这是目前全双工应用最普遍的配置。

    (2)在两个交换器之间。

    (3)在远离的两个交换器之间。

    3、多媒体

    多媒体的应用基于MPEG、JPEG、H.261等视频压缩算法。

    缺点:是由网络缓存产生的延迟,一方面为了平滑抖动数据要插入足够的缓存,另一方面缓存又不能太大,以至引起无法接受的视频延迟。

    对视频应用的低延迟需求有四种解决方案:

    (1)采用10Mbps交换器

    (2)采用100Mbps中继器

    (3)用100Mbps的交换器

    (4)采用流控技术

    4、千兆位以太网

    千兆位以太网也有铜线及光缆两种标准。

    铜线标准1000Base-CX,最大传输距离,25英尺,并需用150欧姆的屏蔽双绞线STP,

    光缆标准1000Base-SX,850nm的短波长,300m传输距离。

             1000Base-LX,1300nm的波长,550m传输距离。

     

    十、ATM局域网

    十一、无线局域网

    1、IEEE802.11体系结构

    无线LAN最小构成模块是基本服务集BSS,它由一些运行相同MAC协议和争用同一共享介质的站点组成。一个扩展服务集ESS由两个或更多的通过分布系统互连的BSS组成。

    2、基于移动性,无线LAN定义了三种站点:

    (1)不迁移,这种站点的位置是固定的或者只是在某一个BSS的通信站点的通信范围内移动。

    (2)BSS迁移,站点从某个ESS的BSS迁移到同一个ESS的另一个BSS。如果进行数据传输,就需要具备寻址功能以便识别站点的新位置。

    (3)ESS迁移,站点从某个ESS的BSS迁移到另一个ESS的BSS。服受到破坏。

    3、物理介质规范

    (1)红外线:数据率为1Mbps或2Mbps,波长在850nm和950nm之间。

    (2)直接序列扩展频谱:运行在2.4GHzISM频带。最多有7个通道,每个通道的数据率为1Mbps或2Mbps。

    (3)频率跳动扩展频谱:运行在2.4GHzISM频带,在研究之中。

    4、介质访问控制

    IEEE802.11形成的一个MAC算法称为DFWMAC分布式基础无线MAC,它提供分布式访问控制机制,处于其上的是一个任选的中央访问控制协议。

    (1)在MAC层的靠下面是的分布式协调功能子层DCF,采用争用算法,为所有通信提供访问控制,一般异步通信采用DCF。

    (2)在MAC层的靠上面是点协调功能PCF,采用中央MAC算法,提供无争用服务。

    5、分布协议功能

    DCF子层采用简单的CSMA算法。DCF没有冲突检测功能,为了保证算法的顺利和公平,采用了一系列的延迟,相当于一种优先权机制。首先考虑称为帧间空隙IFS的简单延迟。

     

    十二、城域网

        城域网是在5Km-100Km的地理覆盖范围内,以高的传输速率充分支持数据、声音和图像综合业务传输的一种通信结构网络。它以光纤为主要传输介质,其传输率为100Mbps或更高。IEEE802.6分布式队列双总线DQDB为城域网的标准。

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  • IEEE 802.3 通常指以太网。一种网络协议。描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法,在多种物理媒体上以多种速率采用CSMA/CD访问方式,对于快速以太网该标准说明的实现方法有所扩展。
  • 介质访问控制(MAC)相关协议

    千次阅读 2018-08-24 17:03:40
    1、介质访问控制(MAC):主要解决当多个站点,共用一个链路,信道资源如何的分配、划分; 不同类型的局域网有不同的MAC协议,比如以太网(802.3---CSMA/CD)、无线网(802.11---CSMA/CA);可以通过网桥将不同的...

    一、数据链路层的组成结构

    1、介质访问控制(MAC):主要解决当多个站点,共用一个链路,信道资源如何的分配、划分;

    不同类型的局域网有不同的MAC协议,比如以太网(802.3---CSMA/CD)、无线网(802.11---CSMA/CA);可以通过网桥将不同的局域网链接起来,进行通信(网桥能将帧拆分、再重新分装称目的地址对应的协议帧)、控制;

    2、链路介质访问(LLC):主要是屏蔽不同的MAC子网的具体实现,将其变成统一的LLC界面,从而向网络层提供一致的服务;

    3、MAC层只能提供无连接(比如CSMA/CD协议不需要通过连接,信道空闲了直接可以发送)、无确认的(比如CSMA/CD协议如果接收到正确数据了,没有进行确认反馈)服务,而LLC可以再MAC的基础上,为网络层提供不同的服务(有链接有确认,有链接无确认,无连接无确认);

    二、链路分类:

    1、链接主要有点对点式链接(现代以太网主机和交换机)、广播式链接(共享信道,比如传统以太网总线型、无线网);

    2、如果单一的广播共享信道,有两个或者以上的站点同时发送数据的时候,会产生干扰,造成冲突;

    三、MAC协议分类:

    1、信道划分(静态划分):FDM、CDMA、TDM;

    优点:当负载重的时候,信道利用率高;

    缺点:当负载低的时候,信道利用率低,无数据传输,还有划分信道,会造成资源浪费;

    2、随机访问:ALOHA、时隙ALOHA、CDMA、CDMA/CD、CDMA/CA;

    优点:当负载低的时候,机会能占用所有的带宽资源,利用率高;

    缺点:当负载高的时候,造成的冲突可能性加大,利用率低,还要有冲突恢复机制;

    3、轮询访问:令牌

    优点:无冲突,拿到令牌,即可以发送完整个数据;

    缺点:令牌(也是一串0、1组成的帧)在运行中不仅要占用一定的信道资源,还可能出错、丢失;需要一个监督管理站点来维护令牌,当令牌丢失后,需要发送一个新的令牌;

    四、ALOHA协议:

    1、工作原理:任何一个站点,一有数据,就立即发送;然后检测是否产生冲突,有冲突,随机等待一段时间,再次重新发送; 如下图

    2、存在问题:有数据立马发送,也不管别人是不是在发送,造成冲突概率太大。损人不利已。信道最高利用率18%。

    五、时隙ALOHA协议:

    1、工作原理:把信道的时间划分成一个个等长的时隙,每个时隙只能传输一个帧(一个短帧也可以不占用一个时间),每个站点只能在时隙开始的时候才能发送数据(需要站点的时钟同步);然后检测是否产生冲突,有冲突,再一下时隙,以概率P重传;

    2、存在问题:虽说这种在时隙开始的时候才能发送数据,但是也是不管别人是不是正在发送,是要时隙一开始就发;还有可能时隙开始的瞬间,多个站点同时发送,也会造成冲突;此外,当一下个时隙可以概率P重传,可能会造成信道的空闲,造成信道资源浪费;信道最高利用率37%;

    六、CSMA协议:

    1、工作原理:在有数据发生的时候,先监听(信道中是否有载波信号);当监听到信道空闲的时候,立即发送完成的数据(注意:此处是发送完整的数据帧,即使是最后检测出冲突了,也继续发送这个帧的完整数据,这个和CSMA/CD不同);若监听到信道繁忙,则有以下三种处理策略:

    (1)1--坚持CSMA:监听到信道繁忙后,一直继续的监听,直到信道空闲,发送完整数据;若发送后产生冲突,等待一随机时间,然后再重新监听,空闲发送;                    提高了信道的利用率,但也增加了冲突的概率;

    (2)非---坚持CSMA:监听到信道繁忙后,等待一随机时间,再次监听,空闲发送;若发送后产生冲突,等待一段随机时间,然后再次监听,空间发送;                                     减少了冲突的概率,但是降低了信道的利用率;

    (3)P---坚持CSMA;监听到信道繁忙,继续监听;监听到信道空闲,以概率P发送数据,以另外的1-p的概率继续监听; 实现起来相对比较复杂;

    七、轮询访问

    1、工作原理:令牌在信道中循环转动;当站点有数据发送,拿下令牌,开始发送数据,直到数据发送完毕;数据发送完毕后,释放令牌;当站点无数据的时候,不拿令牌,让其继续转动;

    2、存在问题:令牌需要本身就是一个帧(0、1组成的一串二进制数),传输的过程中,可以会使令牌损坏、丢失;需要一个监督管理站点来单独维护令牌;当令牌不存在的时候,往信道中重新发送一个新的令牌;

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  • 以太网协议-传输介质

    千次阅读 2017-11-12 21:10:02
    以太网协议-传输介质

    ****************************随记,仅是用来记录起来

    以太网

    网关的概念:

    为局域网内的用户提供了一扇门,通过该门,可以访问到别的网络。这个门,就叫做网关。

    路由器的每个接口都代表一个不同的网络。

     

    传统的以太网

    ①传输距离最大只有100M

    为了解决问题

    使用hub(集线器)

    集线器的作用?

    ①信号放大

    ②从一个接口收到数据,会复制N份,从所有的其它接口发送出去

    半双工

    同一时间,只能接收数据或者发送数据

    由于hub的半双工的工作机制,会使网络造成冲突,冲突所波及的范围叫做冲突域。

     

    hub(不智能)

    ↓↓↓

    bridge(智能) 由于网桥纯软件的实现方式,导致没办法用更多的接口

    ↓↓↓

    Switch(智能) 通过硬件实现数据转发

     

    data->segment(段)->packet(包)->frame(帧)

     

    以太网协议是数据链路层协议

    源MAC地址(6字节)目的MAC地址(6字节)type字段(2字节)

    MAC地址是用16进制表示的。

    6Byte,48bit

     

    以太网的数据帧中,目的MAC地址决定了该数据帧是单播还是多播

    如果MAC地址中,第8个bit为0,那么这就是一个单播的MAC地址,如果第8个bit为1,那么

    就是一个多播的MAC地址,如果全部的MAC地址都为1,那么该MAC地址就是广播MAC地址。

    如果不全部为1,那么就是组播MAC地址。

     

    交换机智能的原因是,它可以学习以太网数据帧中的源MAC地址。

    交换机可以将学习到的MAC地址,记录到MAC地址表里面。

    MAC地址表里面会记录MAC地址是从哪个接口学习到的。

     

    交换机处理数据帧的3种方式

    ①转发

    收到一个数据帧后,发现目的MAC地址存在我的MAC地址表中,那么就会转发这个数据

    ②泛洪

    (1)收到了一个数据,发现目的MAC地址不存在我的MAC地址表中,那么就会泛洪这个数据

    (2)收到一个广播数据,会泛洪

    ③丢弃

    (1)收到错误的数据帧会丢弃该数据

    (2)如果交换机从一个接口收到一份数据后又要立刻从该接口发送出去,那么就会丢弃该数据

     

    重点:

    以太网数据帧

    MAC地址

    交换机的三种处理数据帧的方式

    交换机智能的原因

    广播域和冲突域

     

    传输介质

    屏蔽双绞线(有金属绝缘层) STP

    非屏蔽双绞线 UTP

    EIA/TIA

    橙白,橙,绿白,绿,蓝白,蓝,棕白,棕 标准线序

    橙白,橙,绿白,蓝,蓝白,绿,棕白,棕 T568B线序

    绿白,绿,橙白,蓝,蓝白,橙,棕白,棕 T568A线序

    1—TX+TranceiveData+ (发信号+)

    2—TX-TranceiveData- (发信号-)

    3—RX+ReceiveData+ (收信号+)

    4—n/cNotconnected (空脚)

    5—n/cNotconnected (空脚)

    6—RX-ReceiveData- (收信号-)

    7—n/cNotconnected (空脚)

    8—n/cNotconnected (空脚)双绞线最多传输数据距离是100m(64B)

     

    如果两端的线序一样,那么就叫做直通线 (通常都是T568B)

    如果两端的线序不一样,那么就叫做交叉线(一端是T568B,一端是T568A)

    直通线通常用作不同种设备相连接

    交叉线通常用作同种设备相连接

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  • IEEE 802.3是工作组和工作组制定的电气和电子工程师协会 (IEEE)标准的集合,该工作组定义了有线以太网的物理层和数据链路层的介质访问控制 (MAC)。 这通常是具有一些广域网 (WAN)应用的局域网(LAN)技术。 ...
  • 文章目录6 介质访问控制1 信道划分介质访问MAC协议1.1 频分多路复用FDM1.2 时分多路复用TDM1.3 统计时分复用STDM1.4 波分多路复用WDM1.5 码分多路复用CDM2 随机访问MAC协议2.1 ALOHA协议2.2 CSMA协议2.3 CSMA/CD协议...
  • MAC子层基础 两种信道类型:物理信道可分为“点对点信道”的“广播信道”两大类 理解“冲突域” 介质争用解决方案主要有:CSMA、CSMA/CD和CSMA/CA协议。 冲突避让原理 以太网帧格式综述
  • 以太网MAC协议--CSMA/CD协议

    千次阅读 2019-11-27 11:38:55
    以太网MAC协议–CSMA/CD协议 @(计算机网络) 为了通信的方便,以太网采用了两种重要的措施: CSMA/CD协议 采用无连接的工作方式:传输数据之前不用建立连接 对发送的帧不进行编号,也不要求接收方发回确认帧。这样...
  • 信道划分介质访问控制(MAC Multiple Access Control )协议: ①、基于多路复用技术划分资源。 ②、网络负载重:共享信道效率高,且公平 ③、网络负载轻:共享信道效率低 随机访问MAC协议:冲突 ①、用户根据意愿...
  • 按照自己的节奏,竭尽全力(剩下的都留给命运) 你一定要做自己,做自己喜欢的事,然后把自己交给...最小帧长问题小结思维导图CSMA / CA协议 (了解)CSMA/CA协议工作原理CSMA/CD 与 CSMA/CA 异同轮询访问介质访问控制.
  • 概述:多路访问链路(广播链路)采用共享介质连接所有站点。发送站点通过广播方式发送数据并占用整个共享介质的带宽。由于每个站点只需要一条网线接入网络就可以访问所有站点,这种网络一般安装简单,价格便宜。...
  • 4.1 信道分配问题The Channel Allocation Problem 4.2 多路访问协议Multiple Access Protocols 4.3 以太网Ethernet 4.4 无线局域网Wireless LANs 4.5 宽带无线Broadband Wireless 4.6 蓝牙Bluetooth 4.7 RFID 4.8 ...
  • 以太网帧与ARP协议分析

    千次阅读 2019-12-04 09:22:01
    一、实验目的 分析以太网帧,MAC地址和ARP协议 二、实验环境 与因特网连接的计算机网络系统;...在链路层,有介质访问控制(Media Access Control,MAC)地址。在局域网中,每个网络设备必须有唯一的MAC地址。...
  • IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准,它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问协议的内容。以太网协议层是建立在OSI模型的基础上的,OSI模型,即开放式通信 系统互联参考模型(Open System ...
  • 第四章 介质访问控制子层 4.1 有线局域网协议 4.1.1 ALOHA系统 4.1.2 CSMA 4.2 无线局域网协议 4.2.1 无线局域网与有线局域网的不同 4.2.2 MACA冲突避免多路访问 4.2.3 CSMA/CA 4.3 交换机(网桥) 4.3.1 ...
  • 一、 局域网、 二、 局域网 拓扑结构、 三、 局域网 传输介质、 四、 局域网 介质访问控制方法、 五、 局域网 分类、 六、 IEEE 802 标准、 六、 数据链路层 LLC、MAC 子层、
  • 在数据的传输过程中,通常使用两种链路,分别是点对点链路,广播式...信道划分介质访问控制:讲使用介质的每个设备于来自同一信道上的其他设备的通信隔离开,把时域和频域资源合理的分配给网络的设备 简单来说就是是采
  • 介质访问控制子层(MAC子层)概述 MAC子层要解决的问题 1. 介质的多路访问控制/介质访问控制MAC 2. 数据通信方式(单播/广播/组播) 单播(unicast):一对一的通信,是客户端与服务器之间的点到点连接 广播...
  • 一、信道划分介质访问控制 (一)传输数据使用的两种链路 点对点链路:两个相邻节点通过一个链路相连,没有第三者。 应用:PPP协议,常用于广域网。 广播式链路:所有主机共享通信介质。 应用:早期的总线以太网,...
  • 目录 一、概述 1、多路访问链路 2、介质访问控制子层的由来 二、介质访问控制子层(Media Access Control,...4、CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议:载波监听多路访问协议 三、以太网的MAC层协议 1、...
  • 介质访问控制的内容就是,采取一定的措施,使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况 传输数据使用的两种链路 点对点链路:两个相邻节点通过一个链路相连,没有第三者。应用:PPP协议,常用于广域网 广播式...
  • \qquad动态媒体接入控制/多点接入,其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户,其中随机访问介质访问控制下,所有用户可以随机发送信息,发送信息时占全部带宽。 1、ALOHA协议 纯ALOHA协议 \qquad纯ALPHA协议的...
  • 以太网协议封装格式

    千次阅读 2017-07-01 13:38:43
    以太网数据在网络介质上传输需要遵循一定的机制,其中CSMA/CD介质访问控制机制约定了以太网在传输数据时,两帧之间需要等待一个帧间隙时间(IFG或IPG),为以太网接口提供了帧接收之间的恢复时间,该恢复时间最小值...
  • 广播网络面临的问题:可能两个(或更多)站点同时请求占用信道,解决方法就是介质访问控制。 确定多路访问信道下一个使用者的协议属于数据链路层的一个子层,该层就是介质访问控制(MAC)子层
  • 目录 文章目录目录Ethernet以太网的两大类型 Ethernet 在物理层的数据实际会以电信号的形式在物理介质中传输...Ethernet 协议,即以太网协议,规定了电信号的分组方式。一组电信号称为一个以太网数据帧,数据帧又由帧首
  • 1、802.11体系结构和协议栈 无线局域网的主要标准是802.11,802.11网络使用模式有两种。最普遍使用的是把客户端连接到另一个网络(内网或者Internet),如图a,在有架构模式下,每个客户端与一个接入点(AP)关联...
  • 以太网不是单一协议,而是不同标准的完整集合。这些标准来自 IEEE,它们的名字都以 802.3 开头。 以太网技术起源于施乐帕洛阿尔托研究中心的先锋技术项目。人们通常认为以太网发明于1973年,当年鲍勃.梅特卡夫(Bob ...

空空如也

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以太网的介质访问协议