網絡工程師學習筆記(三)

第3章 局域網技術

　　 主要內容:
　　 1、局域網定義和特性
　　 2、各種流行的局域網技術
　　 3、高速局域網技術
　　 4、基於交換的局域網技術
　　 5、無線局域網技術及城域網技術

　　 一、局域網定義和特性

　　 局域網(Local Area Network)即LAN:將小區域內的各種通信設備互聯在一起的通信網絡。

　　 1、局域網三個特性:(1)高數據速率在0.1-100Mbps(2)短距離0.1-25Km(3)低誤碼率10-8-10-11。

　　 2、決定局域網特性的三個技術:(1)用以傳輸數據的介質(2)用以連接各種設備的拓撲結構(3)用以共享資源的介質控制方法。

　　 3、設計一個好的介質訪問控制協議三個基本目標:(1)協議要簡單(2)獲得有效的通道利用率(3)對網上各站點用戶的公平合理。

　　 二、以太網Ethernet IEEE802.3

　　 以太網是一種總路線型局域網，採用載波監聽多路訪問/衝突檢測CSMA/CD介質訪問控制方法。

　　 1、載波監聽多路訪問
　　 CSMA的控制方案:(1)一個站要發送，首先需要監聽總線，以決定介質上是否存在其他站的發送信號。(2)如果介質是空閒的，則可以發送。(3)如果介質忙，則等待一段間隔後再重試。
　　 堅持退避算法:
　　 (1)非堅持CSMA:假如介質是空閒的，則發送;假如介質是忙的，等待一段時間，重複第一步。利用隨機的重傳時間來減少衝突的概率，缺點:是即使有幾個站有數據發送，介質仍然可能牌空閒狀態，介質的利用率較低。
　　 (2)1-堅持CSMA:假如介質是空閒的，則發送;假如介質是忙的，繼續監聽，直到介質空閒，立即發送;假如衝突發生，則等待一段隨機時間，重複第一步。缺點:假如有兩個或兩個以上的站點有數據要發送，衝突就不可避免的。
　　 (3)P-堅持CSMA:假如介質是空閒的，則以P的概率發送，而以(1-P)的概率延遲一個時間單位，時間單位等於最大的傳播延遲時間;假如介質是忙的，繼續監聽，直到介質空閒，重複第一步;假如發送被延遲一個時間單位，則重複第一步。

　　 2、載波監聽多路訪問/衝突檢測
　　 這種協議廣泛運用在局域網內，每個幀發送期間，同時有檢測衝突的能力，一旦檢測到衝突，就立即停止發送，並向總線上發一串阻塞信號，通知總線上各站衝突已經發生，這樣通道的容量不致因白白傳送已經損壞的幀而浪費。
　　 衝突檢測的時間:對基帶總線，等於任意兩個站之間最大的傳播延遲的兩倍;對於寬帶總線，衝突檢測時間等於任意兩個站之間最大傳播延遲時間的四倍。

　　 3、二進制退避算法:
　　 (1)對每個幀，當第一次發生衝突時，設置參量爲L=2;
　　 (2)退避間隔取1-L個時間片中的一個隨機數，1個時間片等於2a;
　　 (3)當幀重複發生一次衝突時，則將參量L加倍;
　　 (4)設置一個最大重傳次數，則不再重傳，並報告出錯。

　　 二、標記環網Toke Ring IEEE802.5

　　 1、標記的工作過程:
　　 標記環網又稱權標網，這種介質訪問使用一個標記沿着環循環，當各站都沒有幀發送時，標記的形式爲01111111，稱空標記。當一個站要發送幀時，需要等待空標記通過，然後將它改爲忙標記011111110。並緊跟着忙標記，把數據發送到環上。由於標記是忙狀態，所以其他站不能發送幀，必須等待。發送的幀在環上循環一週後再回到發送站，將該幀從環上移去。同時將忙標記改爲空標記，傳至後面的站，使之獲得發送幀的許可權。

　　 2、環上長度用位計算，其公式爲:存在環上的位數等於傳播延遲(5μs/km)×發送介質長度×數據速率+中繼器延遲。對於1km長、1Mbps速率、20個站點，存在於環上的位數爲25位。

　　 3、站點接收幀的過程:當幀通過站時，該站將幀的目的地址和本站的地址相比較，如地址相符合，則將幀放入接收緩衝器，再輸入站，同時將幀送回至環上;如地址不符合，則簡單地將數據重新送入環。

　　 4、優先級策略
　　 標記環網上的各個站點可以成不同的優先級，採用分佈式高度算法實現。控制幀的格式如下:P優先級、T空忙、M監視位、預約位

　　 三、光纖分佈式數據接口FDDI ISO9314

　　 1、FDDI和標記環介質訪問控制標準接近，有以下幾點好處:
　　 (1)標記環協議在重負載條件下，運行效率很高，因此FDDI可得到同樣的效率。
　　 (2)使用相似的幀格式，全球不同速率的環網互連，在後面網絡互加這一章將要討論這個問題
　　 (3)已經熟悉IEEE802.5的人很容易瞭解FDDI
　　 (4)已經積累了IEEE802.5的實踐經驗，特別是將它做集成電路片的經濟，用於FDDI系統和元件的製造。

　　 2、FDDI技術
　　 (1)數據編碼:用有光脈衝表示爲1，沒有光能量表示爲0。FDDI採用一種全新的編碼技術，稱爲4B/5B。每次對四位數據進行編碼，每四位數據編碼成五位符號，用光的存在和沒有來代表五位符號中每一位是1還是0。這種編碼使效率提高爲80%。爲了得到信號同步，採用了二級編碼的方法，先按4B/5B編碼，然後再用一種稱爲倒相的不歸零制編碼NRZI，其原理類似於差分編碼。
　　 (2)時鐘偏移: FDDI分佈式時鐘方案，每個站有獨立的時鐘和彈性緩衝器。進入站點緩衝器的數據時鐘是按照輸入信號的時鐘確定的，但是，從緩衝器輸出的信號時鐘是根據站的時鐘確定的，這種方案使環中中繼器的數目不受時鐘偏移因素的限制。

　　 3、FDDI幀格式:
　　 由此可知:FDDI MAC幀和IEEE802.5的幀十分相似，不同之處包括:FDDI幀含有前文，對高數據率下時鐘同步十分重要;允許在網內使用16位和48位地址，比IEEE802.5更加靈活;控制幀也有不同。

　　 4、FDDI協議
　　 FDDI和IEEE802.5的兩個主要區別:
　　 (1)FDDI協議規定發送站發送完幀後，立即發送一幅新的標記幀，而IEEE802.5規定當發送出去的幀的前沿回送至發送站時，才發送新的標記幀。
　　 (2)容量分配方案不同，兩者都可採用單個標記形式，對環上各站點提供同等公平的訪問權，也可優先分配給某些站點。IEEE802.5使用優先級和預約方案。

　　 5、爲了同時滿足兩種通信類型的要求，FDDI定義了同步和異步兩種通信類型，定義一個目標標記循環時間TTRT，每個站點都存在有同樣的一個TTRT值。

　　 四、局域網標準

　　 IEEE802委員會是由IEEE計算機學會於1980年2月成立的，其目的是爲局域網內的數字設備提供一套連接的標準，後來又擴大到城域網。

　　 1、服務訪問點SAP
　　 在參考模型中，每個實體和另一個實體的同層實體按協議進行通信。而一個系統內，實體和上下層間通過接口進行通信。用服務訪問點SAP來定義接口。

　　 2、邏輯連接控制子層LLC
　　 IEEE802規定兩種類型的鏈路服務:無連接LLC(類型1)，信息幀在LLC實體間，無需要在同等層實體間事先建立邏輯鏈路，對這種LLC幀既不確認，也無任何流量控制或差錯恢復功能。
　　 面向連接LLC(類型2)，任何信息幀，交換前在一對LLC實體間必須建立邏輯鏈路。在數據傳送方式中，信息幀依次序發送，並提供差錯恢復和流量控制功能。

　　 3、介質訪問控制子層MAC
　　 IEEE802規定的MAC有CSMA/CD、標記總線、標記環等。

　　 4、服務原語
　　 (1)ISO服務原語類型
　　 REQUEST原語用以使服務用戶能從服務提供者那裏請求一定的服務，如建立連接、發送數據、結束連接或狀態報告。
　　 INDICATION原語用以使服務提供者能向服務用戶提示某種狀態。如連接請求、輸入數據或連接結束。
　　 RESPONSE原語用以使服務用戶能響應先前的INDIECATION，如接受連接INDICATION。
　　 CONFIRMARION原語用以使服務提供者能報告先前的REQUEST成功或失敗。
　　 (2)IEEE802服務原語類型
　　 和ISO服務原語類型相比REQUEST和INDICATION原語類型和ISO所用的具有相同意義。IEEE802沒有REPONSE原語類型，CONFIRMATION原語類型定義爲僅是服務提供者的確認。

　　 五、邏輯鏈路控制協議

　　 1、IEEE802.2是描述LAN協議中邏輯鏈路 LLC子層的功能、特性和協議，描述LLC子層對網絡層、MAC子層及LLC子層本身管理功能的界面服務規範。

　　 2、LLC子層界面服務規範IEEE802.2定義了三個界面服務規範:(1)網絡層/LLC子層界面服務規範;(2)LLC子層/MAC子層界面服務規範;(3)LLC子層/LLC子層管理功能的界面服務規範。

　　 3、網絡層/LLC子層界面服務規範
　　 提供兩處服務方式
　　 不確認無連接的服務:不確認無連接數據傳輸服務提供沒有數據鏈路級連接的建立而網絡層實體能交換鏈路服務數據單元LSDU手段。數據的傳輸方式可爲點到點方式、多點式或廣播式。這是一種數據報服務
　　 面向連接的服務:提供了建立、使用、復位以及終止數據鏈路層連接的手段。這些連接是LSAP之間點到點式的連接，它還提供數據鏈路層的定序、流控和錯誤恢復，這是一處虛電路服務。

　　 4、LLC子層/MAC子層界面服務規範
　　 本規範說明了LLC子層對MAC子層的服務要求，以便本地LLC子層實體間對等層LLC子層實體交換LLC數據單元。
　　 (1)服務原語是:MA-DATA.request 、MA-DATA.indication、MA-DATA.confirm
　　 (2)LLC協議數據單元結構LLC PDU:
　　 目的服務訪問點地址字段DSAP，一個字節，其中七位實際地址，一位爲地址型標誌，用來標識DSAP地址爲單個地址或組地址。
　　 源服務訪問點地址字段SSAP，一個字節，其中七位實際地址，一位爲命令/響應標誌位用來識別LLC PDU是命令或響應。
　　 控制字段、信息字段。

　　 5、LLC協議的型和類
　　 LLC爲服務訪問點間的數據通信定義了兩種操作:Ⅰ型操作，LLC間交換PDU不需要建立數據鏈路連接，這些PDU不被確認，也沒有流量控制和差錯恢復。
　　 Ⅱ型操作，兩個LLC間交換帶信息的PDU之間，必須先建立數據鏈路連接，正常的通信包括，從源LLC到目的LLC發送帶有信息的PDU，它由相反方向上的PDU所確認。
　　 LLC的類型:第1類型，LLC只支持Ⅰ型操作;第2類型，LLC既支持Ⅰ型操作，也支持Ⅱ型操作。

　　 6、LLC協議的元素
　　 控制字段的三種格式:帶編號的信息幀傳輸、帶編號的監視幀傳輸、無編號控制傳輸、無編號信息傳輸。
　　 帶編號的信息幀傳輸和帶編號的監視幀傳輸只能用於Ⅱ型操作。
　　 無編號控制傳輸和無編號信息傳輸可用於Ⅰ型或Ⅱ型操作，但不能同時用。
　　 信息幀用來發送數據，監視幀用來作回答響應和流控。

　　 六、CSMA/CD介質訪問控制協議

　　 1、MAC服務規範三種原語
　　 MA-DATA.request 、MA-DATA.indication、MA-DATA.confirm

　　 2、介質訪問控制的幀結構
　　 CSMA/CD的MAC幀由8個字段組成:前導碼;幀起始定界符SFD;幀的源和目的地址DA、SA;表示信息字段長度的字段;邏輯連接控制幀LLC;填充的字段PAD;幀檢驗序列字段FCS。
　　 前導碼:包含7個字節，每個字節爲10101010，它用於使PLS電路和收到的幀定時達到穩態同步。
　　 幀起始定界符:字段是10101011序列，它緊跟在前導碼後，表示一幅幀的開始。幀檢驗序列:發送和接收算法兩者都使用循環冗餘檢驗(CRC)來產生FCS字段的CRC值。

　　 3、介質訪問控制方法
　　 IEEE802.3標準提供了介質訪問控制子層的功能說明，有兩個主要的功能:數據封裝(發送和接收)，完成成幀(幀定界、幀同步)、編址(源和目的地址處理)、差錯檢測(物理介質傳輸差錯的檢測);介質訪問管理，完成介質分配避免衝突和解決爭用處理衝突。

　　 七、標記環介質訪問控制協議

　　 標記環局域網協議標準包括四個部分:邏輯鏈路控制LLC、介質訪問控制MAC、物理層PHY和傳輸介質。

　　 1、IEEE802.5規定了後面三個部分的標準。LLC和MAC等效於OSI的第二層(數據鏈路層)，PHY相當於OSI的第一層(物理層)。LLC使用MAC子層的服務，提供網絡層的服務，MAC控制介質訪問，PHY負責和物理介質接口。

　　 2、介質訪問控制幀結構
　　 標記環有兩個基本格式:標記和幀。在IEEE802.5中幀的傳輸是從最高位開始一位一位發送，而IEEE802.3和IEEE802.4正好相反，幀的傳輸是從最低位開始一位一位發送的，這一點對於不同協議的局域網互連時要進行轉換。

　　 3、介質訪問控制方法
　　 (1)幀發送:對環中物理介質的訪問系採用沿環傳遞一個標記的方法來控制。取得標記的站具有發送一幀或一系列幀的機會。
　　 (2)標記發送:在完成幀發送後，該站就要查看本站地址是否在SA字段中返回，若未查看到，則該站就發送填充，否則就發送標記。標記發送後，該站仍留在發送狀態，起到該站發送的所有的幀從環上移去爲止。
　　 (3)幀接收:若幀的類型比特表示爲MAC幀，則控制比特由環上所有的站進行解釋。如果幀的DA字段與站的單地址、相關組地址或廣播地址匹配，則把FC、DA、SA、INFO以及FS字段拷貝入接收緩衝區中，並隨後轉送至適當子層。
　　 (4)優先權操作:訪問控制字段中的優先權比特PPP和預約比特RRR配合工作，使環中服務優先權與環上準備發送的PDU最高優先級匹配。

　　 八、快速以太網

　　 1、快速以太網的類型
　　 快速以太網(Fast Ethernet)是一個新的IEEE局域網標準，於1995年由原來制定的以太網標準的IEEE802.3工作組完成。快速以太網正式名爲100Base-T。
　　 共享介質快速以太網和傳統以太網採用同樣的介質訪問控制協議CSMA/CD所有的介質訪問控制算法不變，只是將有關的時間參量加速10倍。
　　 快速以太網的三種標準:100Base-4、100Base-TX、100Base-FX
　　 快速以太網的產品:
　　 適配器:一邊是總線結構，將數據傳送至主機、中繼器或HUB;另一邊接到所選的介質，可以是雙絞線、光纖，或者是一個介質獨立接口MII，MII是用來連接外部收發器用的，其功能類似於以太網的AUI。
　　 HUB:可分爲共享機制的中繼器和交換機制的交換器。

　　 九、基於交換技術的網絡

　　 1、交換網結構
　　 交換技術的兩種主要應用形式是:摺疊式主幹網和高速服務器聯接。

　　 2、全雙工以太網
　　 全雙工運行在交換器之間，以及交換器和服務器之間，是和交換器一起工作的鏈路特性，它使數據流在鏈路中同時兩個方向流動，不是所有收發器都支持它的全雙工功能。
　　 在下列情況下全雙工最有用:
　　 (1)在服務器和交換器之間。這是目前全雙工應用最普遍的配置。
　　 (2)在兩個交換器之間。
　　 (3)在遠離的兩個交換器之間。

　　 3、多媒體
　　 多媒體的應用基於MPEG、JPEG、H.261等視頻壓縮算法。
　　 缺點:是由網絡緩存產生的延遲，一方面爲了平滑抖動數據要插入足夠的緩存，另一方面緩存又不能太大，以至引起無法接受的視頻延遲。
　　 對視頻應用的低延遲需求有四種解決方案:(1)採用10Mbps交換器(2)採用100Mbps中繼器(3)用100Mbps的交換器(4)採用流控技術

　　 4、千兆位以太網
　　 千兆位以太網也有銅線及光纜兩種標準。
　　 銅線標準1000Base-CX，最大傳輸距離，25英尺，並需用150歐姆的屏蔽雙絞線STP，
　　 光纜標準1000Base-SX，850nm的短波長，300m傳輸距離。
　　 1000Base-LX，1300nm的波長，550m傳輸距離。

　　 十、ATM局域網

　　 十一、無線局域網

　　 1、IEEE802.11體系結構
　　 無線LAN最小構成模塊是基本服務集BSS，它由一些運行相同MAC協議和爭用同一共享介質的站點組成。一個擴展服務集ESS由兩個或更多的通過分佈系統互連的BSS組成。

　　 2、基於移動性，無線LAN定義了三種站點:
　　 (1)不遷移，這種站點的位置是固定的或者只是在某一個BSS的通信站點的通信範圍內移動。
　　 (2)BSS遷移，站點從某個ESS的BSS遷移到同一個ESS的另一個BSS。如果進行數據傳輸，就需要具備尋址功能以便識別站點的新位置。
　　 (3)ESS遷移，站點從某個ESS的BSS遷移到另一個ESS的BSS。服受到破壞。

　　 3、物理介質規範
　　 (1)紅外線:數據率爲1Mbps或2Mbps，波長在850nm和950nm之間。
　　 (2)直接序列擴展頻譜:運行在2.4GHzISM頻帶。最多有7個通道，每個通道的數據率爲1Mbps或2Mbps。
　　 (3)頻率跳動擴展頻譜:運行在2.4GHzISM頻帶，在研究之中。

　　 4、介質訪問控制
　　 IEEE802.11形成的一個MAC算法稱爲DFWMAC分佈式基礎無線MAC，它提供分佈式訪問控制機制，處於其上的是一個任選的中央訪問控制協議。
　　 (1)在MAC層的靠下面是的分佈式協調功能子層DCF，採用爭用算法，爲所有通信提供訪問控制，一般異步通信採用DCF。
　　 (2)在MAC層的靠上面是點協調功能PCF，採用中央MAC算法，提供無爭用服務。

　　 5、分佈協議功能
　　 DCF子層採用簡單的CSMA算法。DCF沒有衝突檢測功能，爲了保證算法的順利和公平，採用了一系列的延遲，相當於一種優先權機制。首先考慮稱爲幀間空隙IFS的簡單延遲。

　　 十二、城域網

　　 城域網是在5Km-100Km的地理覆蓋範圍內，以高的傳輸速率充分支持數據、聲音和圖像綜合業務傳輸的一種通信結構網絡。它以光纖爲主要傳輸介質，其傳輸率爲100Mbps或更高。IEEE802.6分佈式隊列雙總線DQDB爲城域網的標準