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1、第3章 计算机 局 域 网3.1 3.1 局域网概述局域网概述3.2 3.2 局域网访问控制方法（补充）局域网访问控制方法（补充）3.3 3.3 局域网组网技术（简单介绍）局域网组网技术（简单介绍）3.4 局域网操作系统简介局域网操作系统简介3.1 3.1 局局 域域 网网 概概 述述 作为信息技术基础的计算机网络(局域网和远程网)是当今世界上最为活跃的技术因素之一。自20世纪70年代末期以来，微型计算机的使用日益广泛，这使得计算机局域网LAN(Local Area Network)技术获得了飞速发展和大范围的普及，至90年代LAN步入了更高速发展的阶段。目前LAN的使用已相当普遍，在一座办公
2、大楼、一栋大厦、一个校园或一个企业内，人们借助于局域网这一资源共享平台可以很方便地实现以下功能： (1) 共享打印机、绘图机等费用很高的外部设备； (2) 通过公共数据库共享各类信息； (3) 向用户提供诸如电子邮件等的高级服务。 随着局域网软、硬件价格的不断降低，局域网的数量和覆盖范围也越来越大，它在相关领域中所起的作用也日益显著。3.1.1 3.1.1 局域网的特点局域网的特点 局域网和广域网一样也是一种连接着各种设备的通讯网络，并为这些设备间的信息交换提供相应的路径。局域网和广域网相比，有其自身的特点，它的主要特点体现在以下几个方面。 (1) 局域网的覆盖范围小，通常在一栋大楼或一个有限
3、区域范围内部。 (2) 局域网一般为一个单位所拥有。这就意味着局域网的连接是要专门布线连接的。一个单位可以根据自身需要选择相应的建网技术，同时也要自己负责网络的管理和维护。 (3) 局域网拥有较高的内部数据传输速率。目前LAN的传输速率有10 Mb/s、100 Mb/s甚至1000 Mb/s，比起广域网的传输速率要高得多(广域网的主干线速率国内目前仅为64 kb/s或2.048 Mb/s，虽然现在也有100 Mb/s的光纤接入技术，但大多数最终用户的上线速率通常为56 kb/s)。 (4) 局域网有较低的时延和较低的误码率。由于局域网采用专线连接，其信息传输就可以避免广域网传输中信号经过多次交
4、换而产生的时延和干扰，这样信息在传输时就具备较低的时延和较低的误码率。 (5) 局域网一般采用广播技术而非交换技术，这是因为局域网中的通信是在共享传输媒体上进行的，所以在局域网中，各个站点能够进行广播(一站向其他所有站发送)或组播(一站向多个站发送)。 正是由于局域网以上的特点，在LAN的设计过程中，其实现的关键技术为拓扑、传输媒体和媒体的访问控制协议。3.1.2 3.1.2 局域网拓扑构型局域网拓扑构型图3-1局域网拓扑结构PCPCPCPCPCPCPCPCPCPCPC环型网1234NN1PCPCPCPCPCPC集线器或称Hub(a) 总线型PCPC(b) 树型PCPCPCPCPC(d) 星型
5、(c) 环型各类拓扑结构的适用范围各类拓扑结构的适用范围 在选择拓扑结构时，应充分考虑局域网的可靠性、可扩充性及网络整体性能。 总线/树型拓扑结构的优点在于它的配置最灵活。在实际工作环境中，有时我们采用的网络设备在数据速率和数据类型上有很大差异，这时采用总线/树型拓扑结构是明智的，另外，树型结构的布线配置很简单，一般不需考虑建筑物的结构和其他电缆通路，在需要分叉时，只需要在分叉处接入分支电缆即可。但是当网路规模较大且需要较高速率时，总线/树型拓扑结构的缺点是相当明显的，此时采用这种结构是不合适的。 环型拓扑结构的显著优点在于它的速度。当网络覆盖范围较广且要求速率较高时，可以考虑采用环型结构。但
6、是，由于环型拓扑的缺点是：当一条链路和转发器出现故障，整个网络将会瘫痪。所以，现在人们普遍采用的一种方法是：以环型构成主干线，分支采用总线或星型结构，这样可以很好地发挥环型拓扑的优势。 星型拓扑布线实施方便，稳定性好。它适用于短距离传输，尤其是在局域网站点数目相对较少且要求速度较高的环境。 详细内容见课本详细内容见课本P45-46 一、按地理位置分类一、按地理位置分类 二、按网络拓扑结构分类二、按网络拓扑结构分类 三、按传输介质分类三、按传输介质分类 四、按服务对象分类四、按服务对象分类3.1.3 局域网的分类局域网的分类3.2 3.2 局域网访问控制方法局域网访问控制方法3.2.1 IEEE
7、 8023.2.1 IEEE 802模型与协议模型与协议 IEEE在1980年2月成立了IEEE802委员会。该委员会制定了一系列局域网标准，称为IEEE802标准。我们现在见到的局域网基本上都符合这种标准。按IEEE802标准，局域网体系结构由物理层、介质访问控制子层MAC(Media Access Control)和逻辑链路子层LLC(Logical Link Control)组成，它给出的参考模型如图3-6所示。图3-6 IEEE802参考模型和OSI模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层传输媒体OSI参考模型物理层物理层传输媒体MAC子层LLC子层MAC子层LLC子层IEE
8、E802标准范围IEEE802参考模型高层协议高层协议高层协议 1 1物理层物理层 物理层的主要作用是确保二进制位信号的正确传输，包括位流的正确传送与正确接收。局域网物理层制定的标准规范主要有如下一些内容： (1) 局域网传输介质与传输距离； (2) 物理接口的机械特性、电气特性、性能特性和规程特性； (3) 传输信号的编码方案，局域网常用的编码方案有曼彻斯特码、差分曼彻斯特码、非归零码、4B/5B码、8B/6T和8B/10B等； (4) 错误校验码以及同步信号的产生与删除；(5) 传输速率；(6) 拓扑结构；(7) 信令方式。 2 2MACMAC子层子层( (介质访问控制介质访问控制) )
9、MAC是数据链路层的一个功能子层。MAC构成了数据链路层的下半部，它直接与物理层相邻。MAC子层为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。它的主要功能是： (1) 在传输数据时，将要传输的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错检测等字段。 (2) 在接收数据时，将接收到的数据帧解包，并进行地址识别和差错检测。 (3) 管理和控制对局域网传输介质的访问，进行合理的信道分配，解决信道竞争问题。目前，IEEE802已规定的介质访问控制标准有著名的带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)、令牌环(Token Ring)和令牌总线(Token Bus)等。 3 3LLCLLC子层子层( (逻辑链路控制逻
10、辑链路控制) ) LLC也是数据链路层的一个功能子层。LLC在MAC子层的支持下向网络层提供服务。可运行于所有802 局域网和城域网协议之上的数据链路协议，被称为逻辑链路控制LLC。 LLC子层与传输介质无关，它独立于介质访问控制方法，隐藏了各种802网络之间的差别，并向网络层提供一个统一的格式和接口。LLC子层的功能包括数据帧的差错控制、流量控制和顺序控制等功能，并为网络层提供两种类型的服务：面向连接服务和无连接服务。 IEEE802除了给出一个局域网协议的参考模型，同时还给出了许多标准的实施细则，这些实施细则标准是由IEEE802委员会下面的各个工作组具体展开的，下面给出不同工作组研究的具
11、体内容。 (1)IEEE802.1：局域网概述、体系结构、网络管理和网络互连。 (2)IEEE802.2：逻辑链路控制LLC。 (3)IEEE802.3：CSMA/CD访问方法和物理层规范，主要包括如下几个标准： IEEE802.3-CSMA/CD介质访问控制标准和物理层规范：定义了四种不同介质10 Mb/s以太网规范：10 Base2、10 Base5、10BaeT、10 BaseF； IEEE802.3u-100 Mb/s快速以太网标准，现已合并到802.3中； IEEE802.3z-光纤介质千兆以太网标准规范； EEE802.3ab-传输距离为100 m的5类无屏蔽双绞线介质千兆以太网标
12、准规范。 (4) IEEE802.4：Token Passing BUS(令牌总线)。 (5) IEEE802.5：Token Ring(令牌环)访问方法和物理层规范。 (6)IEEE802.6：城域网访问方法和物理层规范。 (7)IEEE802.7：宽带技术咨询和物理层课题与建议实施。 (8)IEEE802.8：光纤技术咨询和物理层课题。 (9)IEEE802.9：综合声音数据服务的访问方法和物理层规范。 (10)IEEE802.10：安全与加密访问方法和物理层规范。 (11) IEEE802.11：无线局域网访问方法和物理层规范，包括IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE
13、802.11c和IEEE802.11q标准。 (12) IEEE802.12：100VG-AnyLAN快速局域网访问方法。 (13) IEEE802.13：基于有线电视的广域通讯网。 3.2.2 CSMA/CD3.2.2 CSMA/CD 在总线/树型和星型拓扑结构中应用得最广的媒体访问控制技术是CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)，这是一种具有冲突检测(CD)功能的载波监听多路访问(CSMA)的介质访问控制方法。CSAM/CD以及它之前出现的CSAM和ALOHA技术属于随机访问和竞争技术。之所以这么说是因为在这种技术控
14、制下，每个站点在何时进行信息传输是不可预期的，所以是随机的；另外每个站点都会为拥有对传输媒体的访问权而竞争，所以它又是竞争的。CSMA/CD的基本版本是施乐公司开发的，前面我们提到IEEE802.3的MAC子层的核心协议是CSMA/CD，如今它被广泛地应用于局域网的MAC子层，是著名的以太网所采用的协议。CSMA/CD的工作流程如图3-8所示。图图3-8 CSMA/CD3-8 CSMA/CD的工作过程的工作过程准备发送站监听信道信道忙信道空闲传输数据并监听信道无冲突传输完成检测到冲突发送阻塞信号按二进制指数退避策略等待 准备发送站监听信道。 信道空闲进入第步，开始发送数据，并监听有无冲突信号。
15、 信道忙，就返回到第步。 传输数据并监听信道，如果无冲突就完成传输，检测到冲突则进入第步。 发送阻塞信号，然后按二进制指数退避算法等待，再返回第步，准备重新发送。 即：即： CSMA/CD被称为被称为“载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检测协冲突检测协议议”即每个工作站在发送帧期间，同时有检测冲突的能即每个工作站在发送帧期间，同时有检测冲突的能力；一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线发一力；一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线发一“串阻塞信号串阻塞信号”，通知总线上各站冲突已发生，这样可，通知总线上各站冲突已发生，这样可大大提高帧的传送效率，提高总线的传送速率。大大提高帧的传送效率
16、，提高总线的传送速率。3.3 3.3 局域网组网技术局域网组网技术( (参考课本参考课本P46-49P46-49，略讲，略讲） 现在，如果有人要问现有的局域网中何种类型的局域网最多，回答是毫无疑问的，那就是以太网。在以太网中采用的体系结构标准就是IEEE802.3。在IEEE802.3标准中描述了多种媒体上实现不同传输速率的局域网解决方案，这也就使得现今以太网存在许多不同的实现形式。每种以太网版本都服从一个略微不同的IEEE802.3规范。这些规范概括了以太网不同版本的速度、拓扑结构和电缆特征。下面我们将描述最通用的几种以太网物理层的差别以及它们的优势和局限性。1 110 Base2 (10
17、Base2 (细缆以太网细缆以太网) )图图3-9 10 Base23-9 10 Base2网络示意图网络示意图最大185 m集线器最大185 m50 终结器50 终结器 10 Base2也称为细缆以太网。在10 Base2被开发出来之前，以太网仅使用粗同轴电缆。通过前面对局域网使用的传输介质的介绍可知，细缆同粗缆相比，其灵活性更高且更易于安装。10 Base2的“10 Base”部分表示了它的网络速度是10 Mb/s，使用的是基带传输技术。10 Mb/s的规范限制了10 Base2以太网的使用。所以在使用这种网络时，必须遵守以下的技术规范： (1) 一个10 Base2以太网段的最大长度是1
18、85 m(607英尺)。10 Base2网络使用两个50 电阻器终止网络的两端以防止信号反射。 (2) 每个网络段最多包含30个节点，其中每个节点通过一个BNC连接器连接到总线上。(参见图3-4)。 (3) BNC T形连接器附着在10 Base2网络专用网络接口卡上的BNC连接件上。每个BNC T形连接器之间的距离应至少是0.5米。 (4) 多个细缆网段可通过中继器连接。但一个完整的10 Base2以太网最多能包括4个中继器，从而最多连接5个网络段，使整个网络的范围达到925 m。 从以上的技术规范可见，10 Base2的规模和速度受到很大的限制，因此这种网络只适合小范围使用，并不能很好地适
19、用于大型局域网。使用10 Base2的主要优点是它的低成本和易安装性。 2 210 Base5(10 Base5(粗缆以太网粗缆以太网) ) 10 Base5指定使用基带同轴电缆(阻抗50 ?)作为传输介质，通常我们称其为粗缆以太网。10 Base5中的“10 Base的含义同样表示了它的网络速度是10 Mb/s，使用的是基带传输技术。同10 Base2技术比较起来，二者的主要区别在于：10 Base5采用10 mm的粗缆作为传输介质，其单个网段最大长度可以达到500 m；而10 Base2的传输介质用的是5 mm的细缆，其单个网段的最大距离只能达到185 m左右。另外，由于采用了不同的传输介
20、质，所以两个网络使用的介质连接器件也不相同。 10 Base5的技术规范如下： (1) 每个网段的最大距离为500 m。 (2) 在每个网段可以使用中继器扩充网络覆盖范围。最多使用4个中继器，连接5个线段，使整个10 Base5网络的最大长度达到2500 m。 (3) 在每个线段中连接的工作站的数目最多为100个，其中中继器也算为节点数目。 (4) 两个收发器之间的最短距离为2.5 m，收发器电缆最长为50 m。 10 Base5网络由于采用粗缆作为传输介质，并且在每一个节点处需要收发器，因此一般很少在局域网中采用纯粹的10 Base5组成网络，但是由于其传输距离较远，因此有时我们可以采用混合
21、连接的方法，用粗缆来延长网络的覆盖范围。 3 310 BaseT(10 BaseT(双绞线网络双绞线网络) ) 我们现在见到的局域网大多采用双绞线电缆，这就是当前使用的最流行的以太网电缆标准10 BaseT。 10 BaseT中的“T”代表传输介质采用双绞线，并且这种网络采用星型拓扑结构，以10 Mb/s的速率发送数据。对于双绞线电缆的特性，通过前面的学习我们应该已经非常熟悉了。10 BaseT网络使用的双绞线电缆是非屏蔽的双绞线，现在一般使用5类电缆的电线。非屏蔽双绞线类同于电话连接的电线。因此，10 BaseT网络能较好地适用于一个单位现存的布线基础结构。除此之外，双绞线电缆能支持更新更快
22、的技术，因此它增加了网络的可扩展性。 由于物理结构的问题，在使用非屏蔽双绞线电缆时，我们常见的一种问题是干扰问题。双绞线按逆时针方向扭在一起的原因，就是为了消除两条信号线之间的串扰。另外，10 BaseT技术通过在电线上使用噪声平衡和滤波技术来抵消它附近的信号源，如电动机、动力线以及雷达产生的电磁干扰。由于这种原因，应该严格根据IEEE规范安装10 BaseT网线且避免将以太网电缆安装在电话线或大型动力设备(如空调机)附近，这些都是非常重要的。 10 BaseT以太网上的节点连接到星型结构的中心集线器或中继器上。作为一种典型的星型拓扑结构，单根网络电缆仅仅连接两个设备，这使得10 BaseT网
23、络比起使用总线拓扑结构的10 Base 2或10 Base5具有更好的容错性。由于每个设备都独立地连接到局域网上，因此10 BaseT能够更轻易地隔离故障，从而更容易进行故障检修。图3-10描述了小型10 BaseT以太网。图3-10 10 BaseT网络示意图最大100 m最大100 m电缆集线器集线器 同样，使用10 BaseT网络也必须遵守相应的技术规范，10 BaseT要求的技术规范如下： (1) 每个节点使用RJ 45连接器，在工作站端用于连接网络电缆和网络接口卡，在网络端用于连接电缆和集线器。 (2) 一个10 BaseT段跨越的最大距离是100 m。 (3) 可以通过集线器或交换
24、机扩展网络的覆盖范围，但同样最多允许连接5个连续的网络段。 10 BaseT一般可以适用于大多数工作场合，对于工作节点的物理分布没有什么要求，另外由于其出色的可靠性和易维护性，使得这种网络技术成为现在局域网设计的首选方案。 (3) 公平访问。CSMA/CD协议给各个网络站点提供了公平访问网络的机会。如果在网络中要求公平访问，则采用CSMA/CD是很合适的。 (4) 传输效率。在轻负荷下，由于CSMA/CD不需等待令牌，当站点要发送数据时可以立即发送，因此此时的传输效率较高。 尽管CSMA/CD有以上诸多的优点，但是同样由于竞争机制，CSMA/CD也有很多缺点： (1) CSMA/CD是非确定的
25、。各个工作站点是不能确认自己发送一个数据帧最长需要多长时间，最坏的情况下，这个时间可能是无限长。这样对实时工作是非常不合适的。 (2) 采用CSMA/CD协议，各个工作站点没有优先级。这样，有些重要的站点或重要的数据，可能会不得不去和一些不重要的数据传输争取介质的传输权。 (3) 采用CSMA/CD协议，电缆长度限于2500 m(10 Mb/s)，这是由于来回电缆的长度决定了数据帧的大小，而CSMA/CD规定数据帧的有效最小长度为64字节，因此有这种限定。如果想提高网络的传输效率，要么修改帧格式，要么缩短电缆的长度。 (4) 在重负荷下，CSMA/CD的传输效率会随着传输量的增大而急剧下降，因
26、为这时冲突将成为网络传输中的主要矛盾，随着无效传输次数的增多，系统的传输效率会变得非常低。快速以太网快速以太网(Fast Ethernet)(Fast Ethernet) 1 1快速以太网的标准快速以太网的标准 在快速以太网问世前，IEEE就已经专门成立了快速以太网研究组，评估以太网传输速率提升到100 Mb/s的可行性。虽然该研究组织为快速以太网的发展确立了重要目标，但是在采用哪一种媒体访问方法的问题上却产生了严重的分歧，最终导致研究小组分化为快速以太网联盟和100VG-AnyLAN论坛两个不同的组织。每一个组织都制定了自己的以太网高速运行规范，即100BaseT和100VG-AnyLAN(
27、适用于令牌环网)。其中，100VG-AnyLAN是100M令牌环网和采用4对UTP作为网络介质的以太网的技术规范，MAC层与IEEE 802.3标准的MAC层并不兼容，这就大大限制了这种技术的应用范围。100VG-AnyLAN由HP公司开发，主要是为那些对网络时延要求较高的应用，例如多媒体信息的传输等，提供支持，IEEE将其作为 802.12规范公布。而100 BaseT是IEEE正式接受的100 Mb/s以太网规范，采用非屏蔽双绞线(UTP)或屏蔽双绞线(STP)作为网络介质，媒体访问控制(MAC)层与IEEE 802.3协议所规定的MAC层兼容，被IEEE作为 802.3规范的补充标准80
28、2.3u公布。 2 2100 Mb/s100 Mb/s快速以太网分类快速以太网分类 (1) 100 Base TX。100 Base TX是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125 MHz，符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT 1类布线标准，使用同10 Base T相同的RJ 45连接器，它的最大网段长度为100 m，它支持全双工的数据传输。 (2) 100 Base FX。100 Base FX是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模纤(62.5 靘和125
29、 靘)。在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125 MHz。它使用MIC/FDDI连接器、ST连接器或SC连接器。它的最大网段长度为150 m、412 m、2000 m或更长至10 km，这与所使用的光纤类型和工作模式有关。它支持全双工的数据传输。 100 Base FX特别适合在有电气干扰、较大距离连接或高保密环境等情况下的适用。 (3) 100 Base T4。100 Base T4是一种可使用3、4、5类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用4对双绞线，3对用于传送数据，1对用于检测冲突信号。在传输中使用8B/6T编码方式，信号频率为25 MHz。符合EIA586结构化布
30、线标准。它使用同10 Base T相同的RJ 45连接器。它的最大网段长度为100 m。 3 3100 Mb/s100 Mb/s快速以太网技术快速以太网技术 (1) 快速以太网的介质无关接口(MII)。介质无关接口是100 Base T的MAC子层与不同物理层之间的电气接口，同10 Mb/s以太网的附属装置接口(AUI)的作用相似，介质无关接口型号是一种数字逻辑信号。能驱动大约0.5 m的电缆。它使用40针的连接器。 (2) 自动协商模式(Auto Negotiation Mode)。自动协商模式在IEEE 802.3u Fast ethernet规范中有详细的说明。 具有自动协商模式的集线器
31、和网络接口卡在上电后会定时发“快速链路脉冲(FLP)”序列，该序列包含有半双工、全双工、10 Mb/s、100 Mb/s、TX的信息，对方检测相应的信息，并自动调节到双方均能接受的最佳模式上，这样可以保证双方能以可接受的最佳速率连接。 自动协商模式(Auto Negotiation Mode)可大大简化局域网的管理，从而减轻网络管理员的工作量。同时，由于自动协商模式的存在，使快速以太网技术和传统的10 Mb/s以太网能够非常方便地结合在一起，这对快速以太网的推广起到了重要的作用。光纤分布式数据接口光纤分布式数据接口(FDDI)(FDDI) 光纤分布数据接口(FDDI)是用于高速局域网的一种媒体
32、访问控制技术。这种传输速率高达100Mb/s的网络技术所依据的标准是ANSIX3T9.5。该网络具有定时令牌协议的特性，支持多种拓扑结构，传输媒体为光纤。由于使用光纤作为传输媒体，因此FDDI网络具有多种优点： (1) 较长的传输距离，相邻站间的最大长度可达2 km，最大站间距离为200 km。 (2) 具有较大的带宽，FDDI的设计带宽为100 Mb/s。 (3) 具有对电磁和射频干扰抑制能力，在传输过程中不受电磁和射频噪声的影响，也不影响其设备。 (4) 由于使用了光纤，可防止在传输过程中被分接偷听，也杜绝了辐射波的窃听，因而是最安全的传输媒体。 1 1FDDIFDDI的基本结构的基本结构
33、 由光纤构成的FDDI的基本结构为逆向双环，如图3-15所示。其中一个环为主环，另一个环为备用环。当主环上的设备失效或光缆发生故障时，通过从主环向备用环的切换可继续维持FDDI的正常工作。这种故障容错能从图3-15可初步看到，构成FDDI的构件至少应具有下述部分：光纤电缆，FDDI适配器，FDDI适配器与光纤相连的连接器。 然而，为了使该网络具有很强的适应性，并能将作为骨干网的FDDI与较低速的20 Mb/s Ethernet相连，还需多种互连设备。属于这种类型的构件有：FDDI-Ethernet网桥，FDDI集中器，光旁路器。 2 2FDDIFDDI网络体系结构网络体系结构 FDDI是在OS
34、I参考模型出现后发展起来的一种高速网络技术，它所遵循的标准完全处于OSI框架下，如图3-16所示。由图可以看出，FDDI将OSI模型的物理层和数据链路层分别分成了两个子层。由物理层分割成的两个子层是： (1) 物理层协议层(PHY)：规定了传输编码和译码、时钟要求及符号集合。 (2) 物理媒体相关层(PMD)：规定了光纤媒体应具备的条件以及连接器等。 图3-15 FDDI的基本结构DASDASDASDAS图3-16 FDDI网络体系结构逻辑链路控制层(LLC)媒体访问控制层(MAC)数据链路层物理层协议(PHY)物理媒体相关层(PSH)物理层站管理(SMT)OSIFDDI3 3FDDI MAC
35、FDDI MAC帧帧图3-17 FDDI的MAC帧格式PASDFCEDSAIFCSEDFS (1) 前导码(PA)：用来使帧与每一站的时钟进行同步。帧起始站发出的前导码由64比特的16个空闲符号组成。随后的站可改变字段长度，以适应时钟的要求。 (2) 帧首定界符(SD)：指示帧的开始，总是以有别于正常数据编码的特殊比特编码组成。其编码为JK，其中J和K均为非数据符号。 (3) 帧控制(FC)：其比特格式为CLFFZZZZ。C表明帧类型，L表明16比特或48地址，FF表明该帧是LLC帧还是MAC控制帧。 (4) 目标地址(DA)：表明帧欲发往的站。该地址可为单站地址、组播地址或广播地址。 (5)
36、 源点地址(SA)：发出该帧的站地址。 (6) 信息位(I)：包括LLC数据和与操作有关的信息。 (7) 帧检验序列(FCS)：长度为32位，用于对FC、DA、SA和信息字段进行保护。 (8) 帧尾定界符(ED)：由一些非数据符号组成。对于令牌，ED的长度为8比特，对其它帧则为4比特。 (9) 帧状态(FS)：由差错位、地址识别、帧被拷贝等指示位组成。每一指示由一个符号表示。FS还可包括附加控制位，其使用由实现者来确定。 4 4FDDIFDDI的操作原理的操作原理 FDDI建立在小令牌帧的基础上，当所有站都空闲时，小令牌帧沿环运行。当某一站有数据要发送时，必须等待有令牌通。一旦识别出有用的令牌
37、，该站便将其吸收，随后便可发送一帧或多帧。这时环上没有令牌环后，便在环上插入一新的令牌，不必像802.5令牌环那样，只有收到自己发送的帧后才能释放令牌。因此，任一时刻环上可能会有来自多个站的帧运行。图3-18给出了FDDI的令牌工作过程。图3-18 FDDI的令牌工作过程DBACT(a)DBACF1(b)DBACT(c)F1DBAC(d)F2F1DBAC(e)TF1F2DBAC(f)TF2 5 5FDDIFDDI的网络连接方式的网络连接方式 按照FDDI的标准，可使用多种网络连接方式，其中的独立集中器型、逆向双环及集中器树较为重要。 独立集中器型由一个集中器和连接站组成，如图3-19所示，连接
38、站可以是单连接站(SAS)，也可以是双连接站(DAS)，这种连接看上去像Ethernet中Hub所构成的结构。独立集中器型通常用来连接高性能的设备，或用来连接多个LAN。 逆向双环结构如图3-20所示，DAS可直接连到双环上。这种结构适用于地理范围分布广的企业或其它场合。图3-19 独立集中器型 单连接站单连接站双线接站单连接站 图3-20 逆向双环结构双线接站双线接站双线接站双线接站图3-21 集中器树节点集中器(枢纽)节点集中器节点桥接器节点千兆以太网千兆以太网(Gigabit Ethernet)(Gigabit Ethernet) 1 1千兆以太网的物理层协议千兆以太网的物理层协议 千兆
39、以太网的物理层协议包括1000 Base SX、1000 Base LX、1000 Base CE和1000 Base T等标准。 1000 Base SX：这种协议要求使用芯径为50及62.5 靘，工作波长为850 nm的多模光纤,采用8B/10B编码方式,传输距离分别为525 m和260 m，适用于建筑物中同一层的短距离主干网。 1000 Base LX：使用芯径为50及62.5 靘的多模、单模光纤，工作波长为1300 m，采用8B/10B编码方式，传输距离分别是525 m、550 m和3000 m，主要用于校园主干网。 1000 Base CE：使用15 平衡屏蔽双绞线(STP)，采用8
40、B/10B编码方式，传输速率为1.25 Gb/s, 传输距离为25 m，主要用于集群设备的连接，如一个交换机房的设备互连。 1000 Base T。使用4对5类非平衡屏蔽双绞线(UTP)，传输距离为100 m，主要用于结构化布线中同一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网已铺设的UTP电缆。 2 2千兆以太网的千兆以太网的MACMAC子层子层 从前面的介绍我们知道MAC子层的主要功能包括数据帧的封装卸载、帧的寻址与识别，帧的接收与发送、链路的管理、帧的差错控制及MAC协议的维护。千兆以太网的帧结构与标准以太网的帧结构相同，其最大帧长为1518字节，最小帧长为64字节。 千兆以太网对媒体的
41、访问采用全双工和半双工两种方式。全双工方式适用于交换机到交换机或交换机到站点之间点点连接，两点间可以同时进行发送与接收，不存在共享信道的争用问题，所以不需采用CSMA/CD协议。半双工协议则适用于共享媒体的连接方式，仍采用CSMA/CD协议解决信道的争用问题。 千兆以太网的数据传输率为快速以太网的10倍，若要保持两者最小帧长的一致性，势必大大缩小千兆以太网的网络直径；在10 Mb/s以太网中最短帧长为64字节，相应的冲突检测时间就是512位时，10 Mb/s网络中的512位时相当于51.2 靤，推算出网络直径约为200 m。当从10 Mb/s以太网向100 Mb/s快速以太网升级时，网络发展遇
42、到的问题是增加网络分段，因而采取了保留原来的碰撞槽时间，同时把网络直径减小到200 m的解决办法。如果仍用减小网络直径的办法，把网络速率从100 Mb/s提高到1000 Mb/s，则网络直径将减小到20 m，在通常情况下这是网络用户无法接受的。因此，在千兆以太网中若要维持网络直径为200 m，则最小帧长要512字节。为了确保最小帧长为64字节，同时维持网络直径为200 m，必须采取其他解决办法，现在千兆以太网采用了载波扩展和数据报分组两种技术。 载波扩展技术用于半双工的CSMA/CD方式，其实现方法是对小于512字节的帧进行载波扩展，使这种帧所占用的时间等同于长度为512字节的帧所占用的时间。
43、虽然载波扩展信号不携带数据，但由于它的存在保证了200 m的网络直径。对于大于512字节的帧，不必添加载波扩展信号。若大多数帧短于512字节，则载波扩展技术会使带宽利用率下降。 数据包分组技术允许站点每次发送多帧，而不是一次发送一帧。若多个连续的数据帧短于512字节，仅其中的第一帧需要添加载波扩展信号。一旦第一帧发送成功，则说明发送信道已打通，其后续帧就可不加载波扩展连续发送，只需帧间保持12字节的间隙即可。 由于全双工方式不存在冲突问题，因而不需要任何处理机可传输64字节的最小数据帧。 3 3千兆以太网的特点千兆以太网的特点 一方面为了保持从标准以太网、快速以太网到千兆以太网的平滑过渡，另一
44、方面又要兼顾新的应用核心的数据类型，在千兆以太网的研究过程中应注意以下特点： (1) 简易性。千兆以太网保持了经典以太网的技术原理、安装实施和管理维护的简易性，这是千兆以太网成功的基础之一。 (2) 技术过渡的平滑性。千兆以太网保持了经典以太网的主要技术特征，采用CSMA/CD媒体管理协议，采用相同的帧格式及帧的大小，支持全双工、半双工工作方式，以确保平滑过渡。 (3) 网络可靠性。保持经典以太网的安装、维护方法，采用中央集线器和交换机的星型结构和结构化布线方法，以确保千兆以太网的可靠性。 (4) 可管理性和可维护性。采用简易网络管理协议(SNMP)，即经典以太网的故障查找和排除工具，以确保千
45、兆以太网的可管理性和可维护性。 (5) 网络成本包括设备成本、通信成本、管理成本、维护成本及故障排除成本。由于继承了经典以太网的技术，使千兆以太网的整体成本下降。 (6) 支持新应用与新数据类型。由于计算机技术和应用的发展，出现了许多新的应用模式，对网络提出了更高的要求。为此，千兆以太网必须具有支持新应用与新数据类型的能力。4 4千兆以太网的实例千兆以太网的实例图图3-22 3-22 千兆以太网实例千兆以太网实例ATMATM网络网络 随着人们对集话音、图像和数据为一体的多媒体通信需求的日益增加，特别是为了适应今后信息高速公路建设的需要，人们又提出了宽带综合业务数字网(B-ISDN)这种全新的通
46、信网络，而B-ISDN的实现需要一种全新的传输模式，即异步传输模式(ATM)。在1990年，国际电报电话咨询委员会(CCITT)正式建议将ATM作为实现B-ISDN的一项技术基础。这样，以ATM为机制的信息传输和交换模式也就成为电信和计算机网络操作的基础和2l世纪通信的主体之一。CCITT在I系列建议中给ATM下了这样的定义：ATM是一种转换模式(即前面所说的传输方式)，在这一模式中信息被组织成信元(Cell)，包含一段信息的信元并不需要周期性地出现在信道上。 1 1同步和异步同步和异步 为了更好地了解ATM，有必要先对时分复用(TDM)和同步传输(STM)作一简单的回顾。TDM即是在一条通信
47、线路上按一定的周期(如125 ns)将时间分成称为帧的时间块，而在每一帧中又分成若干时隙，每个时隙可携带相应的用户信息。当某一用户通过呼叫建立起通信后，在此期间，其信号将固定地占用各帧中的某一时隙，直至通信结束，如图3-23所示。图3-23 同步传输模式示意图123k1kt0t1125 ns第一帧123k1ktm1tm第m帧 从图中可见，对于同步传输，其交换是在固定时隙之间进行的。例如，在图中，在输入帧占用第2时隙的某一信号，若在输出帧中占用的也是第2时隙，则这种对应关系是固定不变的，直至相应的通信过程结束。 在这种固定时隙的传输及交换模式中，若在通信过程中的某一时刻用户无数据传递，其固定占用
48、的时隙仍属其所有，尽管此刻处于空闲状态；相反，若其有大量突发性数据要求传送，尽管这有可能造成信号的延时甚至是信元的丢失，也仍只能借助于固定的时隙来传输和交换。这样就造成了很大的浪费。 相比之下，在异步传输模式(ATM)中，其信元传输所占用的时隙并不固定，这也是所谓的统计时分复用。另外，在一帧中占用的时隙数也不固定，可以有一至多个时隙，完全根据当时用户通信的情况而定，而且各时隙之间并不要求连续，纯粹是见缝插针。在交换时，也是类似情况。这个过程如图3-24所示。 由于在ATM中具有动态分配带宽的特点，可以充分地利用带宽资源，并且能很好地满足传输突发性数据的要求，而不致出现在ATM中的延时或信元丢失
49、的情况。图3-24 异步传输模式示意图输入123k1 k第一帧123k1 k第 m帧4输入输出123k1 k123k1 k4输出第一帧第 m帧 2 2ATMATM的信元格式的信元格式 信元实际上就是分组，只是为了区别于X.25的分组，才将ATM的信息单元叫做信元。ATM的信元具有固定的长度，即总是53个字节。采用不长的字节数有助于提高ATM信元的处理速度，因为，传输这样一个信元，在155 Mbs的系统中仅需2.8 靤。从交换的实现来看，采用固定长的信元便于采用硬件来实现。在ATM的信元中5个字节是信头(Header)，48个字节是信息段。信头包含各种控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，另外
50、还有一些维护信息、优先级及信头的纠错码。信息段中包含来自各种不同业务的用户数据。ATM的信头有两种格式，分别对应用户网络接口UNI(User-network Interface)和网络节点接口NNI(Network-network Interface)。ATM的信元格式如图3-25所示。 图3-25 ATM的信元格式GFCVPIVCIPTICLPHEC数据信息段48 Octet1 Octet1 bit3 bit2 Octet1 Octet4 bit1 Octet8 bit信头 从图中可见，信头由5个字节的内容组成，主要用来标明在异步时分复用上属于同一虚拟通路的信元，并完成适当的选路功能。 (1