二、以太网

　　1.以太网的发展

　　1976年7月，Bob在ALOHA网络的基础上，提出总线型局域网的设计思想，并提出冲突检测、载波侦听与随机后退延迟算法，将这种局域网命名为以太网(Ethernet)。

　　以太网的核心技术是：

　　介质访问控制方法CDMA/CD.这种方法解决了多结点共享公用总线的问题。

　　早期以太网的传输介质是同轴电缆，后用双绞线，再后用光纤。

　　2.以太网的帧结构与工作流程

　　(1)以太网数据发送流程

　　冲突：多个站点同时利用总线发送数据，导致数据接收不正确。

　　总线网没有控制中心，如果一个站点发送数据帧，以广播方式通过总线发送，每一个站点都能收到数据帧，其它站点也可以同时发送，因此冲突不可避免。

　　CSMA/CD发送流程可简单概括为：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。

　　实现公共传输介质的控制策略，需要解决的问题是：载波侦听，冲突检测，冲突后的处理方法。

　　(a)载波侦听

　　结点利用总线发送数据时，首先侦听总线是否空闲，以太网规定发送数据采用曼彻斯特编码。判断总线是否空闲可以判断总线上是否有电平跳变。不发生跳变总线空闲。此时如果有结点已准备好发送数据，可以启动发送。

　　(b)冲突检测方法

　　载波侦听不能完全消除冲突，原因是数字信号是以一定的速率传输的。例如：结点A发送数据帧时，离他1000m距离的结点在一定的时间延迟后才能收到数据帧，此时间段内如果B也发送数据，造成冲突。从物理层上看，冲突时多个信号叠加，导致波形不同于任何结点的波形信号。

　　解决方案：结点A发送数据前，先发送侦听信号，如果侦听信号在最大距离传输时间2倍时，没有冲突信号出现，结点A肯定取得总线的访问权。

　　冲突信号的延迟时间=2*D/V。其中：D是结点到最远结点的距离，V表示信号传输速度，信号往返的时间为延迟时间。

　　进行冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例法。

　　比较法：将发送信号波形与从总线上接收的信号比较，如果不同说明有冲突。

　　违例编码法：检查总线上的波形是否符合曼彻斯特编码规则，不符合说明有冲突。

　　(c)冲突解决方案

　　发现冲突，停止发送如果发送数据的过程中检测出冲突，为解决信道争用冲突，发送结点停止发送，随机延迟后重发的流程。

　　随机延迟后重发的第一步：发送冲突加强信号，目的是延续冲突的持续时间，使得网络中的所有结点都能检测出冲突的存在，并立即丢弃冲突帧，提高信道利用率。

　　随机延迟重发。以太网协议规定每帧的最大重发次数不得超过16次，若超过则认为线路故障。为公平解决信道争用问题，需要确定后退延迟算法。典型的CSMA/CD采用二进制指数退避算法，退避延迟时间计算为：t=2k×R×a 。其中：a是冲突窗口大小，R是随机数，k为冲突次数，定义k的最大值，一旦k是最大值时是最后一次发送。每次的延迟时间都会根据公式求出。

　　以太网中任何结点都需要通过CSMA/CD方法争取总线使用权，从准备发送到成功发送时间不确定。因此又称为随机争用介质访问控制方法。简单易实现。

　　(2)以太网帧结构

　　前导码(7B)与帧前定界符字段：用于接收同步阶段。

　　目的地址与源地址(6B)：分别表示帧的接收节点地址与发送节点的硬件地址。

　　类型字段：表示网络层使用的协议类型。

　　数据字段(46B—15000B)：是高层待发送的数据部分。

　　帧校验字段：采用32位的循环冗余校验。校验范围：目的地址、源地址、长度、LLC数据。

　　(3)以太网接收流程

　　如果一个结点利用总线成功发送数据，其它结点都应该处于接收状态。所有结点只要不发送数据，就应该处于接收状态。一个结点接收帧，首先判断帧的长度。(规定了最小长度，若小与最小长度，冲突，丢弃该帧，结点重新进入接收状态)。如果没有冲突，结点接收帧后首先检查帧的目的地址。(目的地址单一地址或组地址或广播地址，属于自己则保留，否则丢弃)。地址匹配后确认是自己应该接收的帧，进一步进行CRC校验。 如果校验正确，则进一步检测LLC数据长度是否正确。出错则报告”帧长度错“，否则报告”成功接收”，进入结束状态。如果检验出错，首先判断该帧是否是8为的整数倍，是，表示没有丢失位，则记录”帧检验错“，否则报告”帧位错“，进入结束状态。

　　以太网协议将接收出错分为3类：帧检验错、帧长度错与帧位错。

　　3.以太网的实现方法

　　每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据

　　为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点

　　目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧

　　4.以网的物理地址

　　IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。即MAC地址(物理地址)，MAC地址为6字节(48位)。MAC地址的前3个字节(高24位)由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。

　　三、高速局域网工作原理

　　1.高速局域网的研究方法

　　传统局域网技术建立在”共享介质“的基础上，网中所有结点共享一条公共传输介质，典型的控制方法有：CSMA/CD、令牌环和令牌总线。

　　介质访问控制方法使得每个节点都能够”公平“使用公共传输介质，如果网络中结点数目增多，每个结点分配的带宽将越来越少，冲突和重发现象将大量增加，网络效率急剧下降，数据传输的延迟增长，网络服务质量下降。

　　解决方案：

　　(1)增加公共线路的带宽。优点：仍然是局域网保护用户已有的投资。

　　(2)将大型局域网划分成若干个用网桥或路由连接的子网。优点：每个子网作为小型局域网，隔离子网间的通信量，提高网络的安全性。

　　(3)将共享介质改为交换介质。优点：交换式局域网的设备是交换机，可以在多个端口之间建立多个并发连接。交换方式出现后，局域网分为：共享式和交换式局域网。

　　2.快速以太网(标准IEEE802.3u)

　　以太网采用相同的帧格式，同样的介质访问控制与组网方法，将速率从10Mbps提高10倍到100Mbps。解决方法只要在MAC子层使用CSMA/CD，在物理层进行必要调整，定义新的物理层标准。形成快速以太网标准IEEE802.3u。

　　100base-T标准定义了介质独立接口，它将MAC子层与物理层隔开，传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。

　　100BASE-T的有关传输介质标准主要有3种：

　　(1)100base-TX：支持2对5类非屏蔽双绞线或2对1类屏蔽双绞线;其中1对用来发送，1对用来接收，是全双工系统，每个结点可同时以100Mbps发送和接收数据。

　　(2)100base-T4：支持4对3类非屏蔽双绞线，其中3对用于数据传输，1对用于冲突检测。

　　(3)100base-FX：支持2芯的单模或多模光纤，主要用于高速主干网，从结点到集线器的距离可达2km。是全双工系统。

　　3.千兆以太网(标准IEEE802.3z)

　　在电视会议、三维图形与高清晰图像应用中，需要使用更高带宽的局域网。

　　设想方案：

　　(1)桌面10M,部门采用快速以太网100M，企业级采用1G的千兆以太网。

　　(2)将现有网络连入到ATM网上，异构网络连接。

　　IEEE802.3z标准定义了千兆网标准。

　　方法：

　　在物理层做一些必要调整，定义了1000BASE-T标准。支持多种传输介质。

　　4种标准：

　　(1)1000base-T:5类非屏蔽双绞线，距离100m。

　　(2)1000base-CX：屏蔽双绞线，长可到25m。

　　(3)1000base-LX：使用波长1300nm的单模光纤，长可3000m。

　　(4)1000base-SX：波长850nm的多模光纤，长可300～550m。

　　3.万兆以太网

　　万兆以太网，使用光纤做传输介质。不存在争用问题，不再使用CSMA/CD协议。

　　四、交换式局域网与虚拟局域网

　　1.交换式局域网的基本结构(交换式局域网的核心设备是局域网交换机。交换机需要建立“端口号/MAC地址映射表”，利用“地质学习”的方法来动态建立和维护 “端口号/MAC地址映射表”。)

　　(1)交换机的基本概念。交换机可以有多个端口，每个端口可以连接一个结点，也可连接共享介质的集线器(HUB);实现多个端口的并发连接和多个节点的并发传输。交换机通常针对某种局域网设计，交换式局域网的核心设备是局域网交换机。

　　(2)交换机的特点：低交换延迟,支持不同传输速率和工作模式(交换机端口支持不同的传输速率—半双工和全双工模式，交换机可完成不同端口速率之间转换)，支持虚拟局域网服务(交换式局域网是虚拟局域网的基础)。

　　2.局域网交换机的工作原理

　　交换机需要建立“端口号/MAC地址映射表”，利用“地质学习”的方法来动态建立和维护 “端口号/MAC地址映射表”。

　　3.交换机的帧转发方式

　　以太网交换机的帧转发方式包含3类：直接交换方式、存储转发交换方式、改进的直接交换方式

　　• 直接交换方式

　　交换机只要接收帧并检测目的地址，就立即将该帧转发出去，不用判断是否出错。帧出错检测由结点完成。优点：交换延迟短;缺点：缺乏检错，不支持不同速率端口之间的帧转发。

　　• 存储转发交换方式

　　交换机需要完整接收帧并进行差错检测。优点：具有差错检测能力，并支持不同速率端口间的帧转发;缺点：交换延迟将会延长。

　　• 改进的直接交换方式

　　结合上述两种方式，接收到前64B后，判断帧头是否正确，正确转发。对短帧而言，交换延迟同直通交换延迟;对长帧而言，因为只对帧头(地址和控制字段)检测，交换延迟将会减少。

　　4.虚拟局域网的工作原理

　　(1)虚拟网络概念：建立在交换机技术基础上，将局域网上的结点按工作性质与需要划分成若干个“逻辑工作组”，一个逻辑工作组就是一个虚拟网络。

　　虚拟网络以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理，工作组的结点不受物理位置的限制(相同工作组的结点不一定在相同的物理网段上，只要能够通过交换机互联)。从一个工作组到另一个工作组时，只要通过软件设定，无需改变结点在网络中的物理位置。

　　(2)组网方法：(4种)

　　A.利用交换机端口号定义虚拟局域网：逻辑上将交换机端口划分为不同的虚拟子网，当某一端口属于一个虚拟网时，就不能属于另外一个虚拟子网。缺点：当将结点从一个端口转移到另一个端口时，管理者需要重新配置虚拟网成员。

　　B.用MAC地址定义虚拟网络：利用MAC地址定义虚拟局域网，因为MAC地址是与物理相关的地址，因此称为基于用户的虚拟网;缺点：所有用户初始时必须配置到至少一个虚拟网，初始配置人工完成，随后可自动跟踪用户。

　　C.用网络层地址定义虚拟网络：利用IP地址定义虚拟网。优点：用户可按协议类型组成虚拟网，可随意移动不需要重新配置。缺点：性能比较差，原因是检查网络层地址比检查MAC地址更费时。

　　D.用IP广播组的虚拟网络：基于IP广播组动态建立虚拟网。广播包发送时，动态建立虚拟网，广播组中的所有成员属于一个虚拟网。它们只是特定时间内特定广播组成员。优点：可根据服务灵活建立，可跨越路由器与广域网。

　　5.虚拟局域网优点

　　(1)方便网络用户管理，减少网络管理开销。通过虚拟局域网的设置可以在调整用户涉及结点位置变化时，不需要重新布线。

　　(2)提供更好的安全性。针对不同的用户可以设置 不同的权限和要求，虚拟网是一种简单、经济和安全的方法。

　　(3)改善网络服务质量。虚拟网可以隔离不同的用户组，将同类的用户控制在一个虚拟局域网中，减少广播风暴的危害，有利于改善网络服务质量。

　　五、无线局域网

　　1、无线局域网的应用

　　体现在4个方面：

　　• 扩充传统局域网：某些特殊环境局域网起不到作用，利用无线解决。

　　• 建筑物之间的互联：邻近的建筑物之间可采用点到点的无线链路。

　　• 漫游访问：移动设备与无线集线器之间实现漫游访问。

　　• 特殊网络Ad hoc：无线自组网采用一种不需要基站的“对等结构”移动通信模式，网络中的所有用户都可能移动，每个系统都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。

　　2、红外无线局域网

　　按视距方式传播，发送点必须能直接看到接收点，中间没有阻挡。数据传输技术主要有三种：定向光束红外传输、全方位红外传输与漫反射红外传输。

　　3、扩频无线局域网

　　扩频通信是将数据基带信号频谱扩展几倍或几十倍，以牺牲通信宽度为代价达到提高无线通信系统的抗干扰性与安全性。

　　扩频技术主要有2种：跳频扩频、直接序列扩频。

　　• 跳频扩频通信

　　特点：将利用的频带分为多个子频带，子频 带称为信道。

　　每个信道带宽相同，中心频率有伪随机数发生器的随机数确定，变化频率叫跳跃系列。

　　发送端和接收端采用相同的跳跃系列。

　　• 直接序列扩频通信

　　特点：将发送数据经过伪随机数发生器产生的伪随机码进行异或操作，再将异或操作的结果调制后发送,所有接收结点使用相同频段,发送端与接收端使用相同的伪随机码

　　4、无线局域网标准IEEE802.11

　　标准规定物理层定义红外、跳频扩频与直接序列扩频的数据传输。

　　MAC层分为：分布式协调功能(DCF)和点协调功能子层(PCF)。

　　MAC层的主要功能是对无线环境的访问控制、提供多个接入点的漫游支持，同时提供数据验证与保密服务。

　　MAC层支持两种访问方式：无争用服务和争用服务。

　　无争用服务：系统中存在中心控制结点。中心控制结点的具有 点协调功能。

　　争用服务：类似以太网的随机争用访问控制方式，称为分布协调功能。