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第10章 局域计算机网(3)

长度指示符字段为第5个字段,用来指示紧随其后的逻辑链路控制(LLC)数据字节的长度。

LLC数据字段是帧要载携的用户数据,该数据由LLC子层提供或接收。

填充(PAD)字段紧接的跟在LLC数据字段之后,用来对LLC数据进行填加,以保证帧有足够长度,适应前面所述的碰撞检测的需要。

帧检验序列(FCS)处于帧的最后,用于检验帧在传输过程中有无差错。

顺便在此指出,帧长除有最小要求外,最长也有限制,这是由于发送站和接收站的缓冲器容量总有一限度,同时如果一个工作站发送的帧太长,将妨碍其它站对媒体的使用。

一、眼明手快抢先机

IEEE8023或Ethernet都是用“带有碰撞检测的载波侦听多路访问”(CSMA/CD)的媒体访问法。

“载波侦听”(CS,CarrierSense)指的是当计算机(工作站)想在网络电缆上发送信息时,它首先倾听电缆,看是否有别人已经送了信息。如它未听到电缆上有别的信息,计算机就认为电缆是可用的,可发送信息。

“多路访问”(MA,MultipleAccess)意思是无法防止两台以上的计算机同时发送信息。当然,发送前每台计算机都在倾听。但假如两台计算机同时倾听而什么也没听到,然后各自开始发送信息呢?设想一下,当你和别人同时到达十字路口,你挥手让他过,他挥手让你过,你再挥手,他又挥手,这时你们谁也过不了。

“带有碰撞检测”(CD,withCollisionDetection)意思是计算机向网上传送信息后,它就仔细倾听,看信息是否碰到另一条信息。类似于在十字路口倾听刹车声。如果计算机听到了刹车声,它就等待一段随机时间,再试发送。因为延迟是随机的,碰撞的两条信息经过不同的延迟时间后再次发送,仍可能再次碰撞。

按照这种方法,一个工作站在发送前,首先侦听媒体上是否有活动,即称为“谈前听”协议。所谓活动是指媒体上有无传输,也就是载波是否存在。如果侦听到有载波存在,工作站便推迟自己的传输。在侦听的结果为媒体空闲时,则立即开始进行传输。在侦听到媒体忙而等待传输情况下,当传输中的帧最后一个数据位通过后,应继续等待至少96uμs,以提供适当的帧间间隔,随后便可进行传输。

废帧意思是两个工作站同时试图进行传输时造成的,这种现象称为碰撞,并认为是一种正常现象,因为媒体上连接的所有工作站的发送都基于媒体上是否有载波,所以称为载波侦听多路访问(CSMA)。为保证这种操作机制能够运行,还需要具备检测有无碰撞的机制,这便是碰撞检测(CD)。也就是说,在一个工作站发送过程中仍要不断检测是否出现碰撞。出现碰撞的另一种情况是由下述原因造成的,即信号在LAN上传播有一定时延,对于粗缆而言,信号在其上的传播速度是光速的77%。对于细缆,在其上的传播速度为光速的65%。由于这种传播时延,虽然LAN上某一工作站已开始发送,但由于另外一工作站尚未检测到第一站的传输也启动发送,从而造成碰撞。

而且,帧长度要足以在发完之前就能检测到碰撞,否则碰撞检测就失去意义。因此,在IEEE8023标准中定义了一个间隙时间,其大小为住往返传播时间与和为强化碰撞而有意发送的干扰序列时间之和。这个间隙时间可用来确定最小的MAN帧长。

碰撞被检测出来后,涉及该次碰撞的站要丢弃各自开始的传输,转而继续发送一种特殊的干扰信号,使碰撞更加严重以便警告LAN上的所有工作站,碰撞出现了!在此之后,两个碰撞的站都采退避策略,即都设置一个随机间隔时间,另有当此时间间隔满期后才能启动发送。当然如果这两个工作站所选的随机间隔时间相同,碰撞将会继续产生。为避免这种情况的出现,退避时间应为一个服从均匀分布的随机量。同时,由于碰撞产生的重传加大了网络的通信流量,因此在出现多次碰撞后,它应退避的时间是一个比较长的。

二、更高、更快、更强

(一)快速以太网

以太网中一个较新的版本——快速以太网,其速度提高10倍:用100兆波特率代替10兆波特率。

快速以太网中,100BaseT是最普通的形式。正如它的名字所表明的,100BaseT使用了如10BaseT那样的双绞线电缆,它是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑以太网。它仍使用IEEE8023标准,即CSMA/CD协议。用户只要更换一张网卡,再配上一个100Mb/s的集线器,就可很方便地由10BaseT以太网直接升级到100Mb/s,而不必改变网络的拓扑结构。所有在10BaseT上的应用软件和网络软件都可以保持不变。100BaseT的网卡有很强的自适应性,它能自动识别10Mb/s和100Mb/s。1995年IEEE已将100BaseT的快速以太网定为正式的国际标准,其代号为8023u,是对现行的8023标准的补充。

还有另一种快速以太网的流行形式是100VGAnyLAN。100VGAnyLAN也是一种使用集线器的100Mb/s高速局域网,它综合了现有的以太网和令牌环的优点。IEEE也制定其标准为80212。100VGAnyLAN常简写为100VG。VG代表VoiceGrade,而Any则表示它能使用多种传输媒体,并可支持IEEE8023(以太网)和8025(令牌环)的数据帧。100VG是一种无冲突局域网,可以更好地支持多媒体传输。

(二)千兆以太网

继1985年IEEE颁布十兆以太网的8023标准后,相隔十年的1995年又颁布了百兆以太网标准8023u,而三年后1998年又颁布了千兆以太网标准8023z。千兆以太网可以使用屏蔽平衡电缆、多模和单模光纤,传输距离分别为25m、550m和3000m;目前正在制订利用5类UTP传输100m的标准8023ab。

千兆以太网是使用了与传统以太网相同的帧格式和帧长。为达到满1千兆的数据速率,其光线路速率实际是125Gb/s,其实际效率为80%。千兆以太网仍采用CSMA/CD技术(以碰撞解决为基础的非智能存取方式),其共享环境下总吞吐量不会超过500Mb/s。在半双工下,若流量都是64字节帧,则千兆以太网的有效带宽降为120Mb/s(9.6%)。千兆以太网如果不提供路由功能,极可能引起广播风暴问题。千兆以太网可以利用IEEE8021d生成树算法管理冗余中继线,以免产生闭合环路(循环)。而生成树算法只适于小型网络,另外它需很长时间(有时达30s)才能将信息流切换到冗余中继线。还有生成树算法还要占用带宽(有时会占到2/3)。

与ATM不同,千兆以太网从设计开始,就只支持数据,缺乏QoS保证(目前IEEE正在标准化中,但其QoS仍是逐段的,而不是端到端的),而不能有效支持语音和视频等多业务;也缺乏网络管理和计费能力。适合于企业网、校园网的数据应用,不适合公用网的运营商。

以太网的技术成熟、简单,而且十兆和百兆以太网网卡的价格也不贵,因此已成工作站的标准配件。大部分网卡和因特网的网络端口都是以太网。尽管从技术发展看,ATM更具优势(如在带宽管理与分配、QoS、网络管理、流量管理和拥塞控制、虚拟LAN等方面)。但由于千兆以太网与传统以太网的良好兼容性和人们的惯性,使得ATM在LAN方面应用受阻。但千兆以太网只适用于LAN和MAN范围,并不适合于WAN。与ATM不同,千兆以太网不能映射到SDH的静荷中。由于SDH设备无法解决其长距离传输问题。所以每个千兆以太网的WAN互连都需通过路由器来实现,这样的结果会造成路由器过多。

千兆以太网的应用可以实现LAN交换机高速互连、LAN交换机与高档服务器间高速链路、交换型以太网的骨干、替换FDDI骨干、千兆以太的桌面应用。

三、以太网工作原理

以太网Ethernet是如今使用最广泛的一类局域网。它是由美国Xerox公司于1975年研制成功并获得专利。此后,Xerox公司与DEC公司、Intel公司合作,提出了Ethernet规范,成为第一个局域网产品规范,这个规范后来成为IEEE8023标准的基础。

Ethernet是典型的总线型局域网,其连接情况如图所示,它的传输速率为10Mbps。Ethernet的核心技术是它的随机争用型介质访问控制方法,即带有冲突检测的载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)方法。

Ethernet连接图

因为Ethernet是总线型网,网中没有控制节点,任何节点发送数据的时间都是随机的,网中节点都只能平等地争用发送时间。所以,这种介质访问控制方法属于随机争用型。

以太网的介质访问控制方法CSMA/CD的基本工作原理可以从发送流程、帧结构及接收流程三方面结合进行讨论。

(一)帧结构

在联网中的通信双方如果要发送数据,收发双方必须同步。局域网中普遍采用的是以数据块为单位的自同步方式,待发送的数据加上一定的控制类信息构成的数据块称为“帧(Frame)”。以太网的帧结构如图所示。

7字节1662n4前导码帧定界符目的地址DA源地址SA长度数据检测位。

以太网的帧格式

(1)前导码。前导码由7个字节组成,这56位的组合是101010……10,其作用是用于接收端的接收位同步。

(2)帧定界符。帧定界符包括一个字节,其位组合是10101011。标志着其后收到的将是目的地址。

(3)目的地址。为发送帧的目的接收站地址,由6个字节(48位)组成,可见以太网最多可以有248个工作站及服务器(实际上任何一个局域网也不可能有如此多个站点)。

(4)源地址。标志发送站的地址,也由6个字节组成。

(5)长度。长度字段由两个字节组成,用来指示数据有多少个字节。

(6)数据。真正在收发两站之间要传递的数据块。标准规定数据块最多只能包括1500个字节,最少也不能少于46个字节。

(7)校验位。帧校验采用32位CRC校验,校验范围是:目的地址、源地址、长度及数据块。

(二)帧的发送流程

以太网中的一个节点如果要发送数据,它将以“广播”方式把数据通过公共传输介质发送出去,连接到总线上的所有节点都可以“收听”到发送节点发送的数据信号。由于网中所有节点都可以利用总线发送数据,并且网中又不存在中心节点,因此有可能出现多个节点争抢总线的情况。为了使争抢现象尽量减少,争抢发生后又能尽快解决,CSMA/CD采用了如下策略:

每一个节点首先要监听总线的工作状态,才会利用总线发送数据。如果总线上已经有数据在流动,说明总线忙;如果总线上没有数据信号在传输,说明总线空闲。

由于以太网的数据信号是按差分曼彻斯特编码的,所以如果总线上存在电平跳变,则说明总线忙,否则说明总线空闲。如果一个节点在发送数据前监听到总线空闲,它就可以启动它的发送装置,将数据发送出去;如果节点在发送数据前监听到总线忙,它就一直监听下去,直到发现总线空闲。请大家考虑下面这种情况:

如果有两个节点在几乎相同的时刻都要发送数据,它们就会在总线空闲时几乎同时将数据发送出去。这时总线上就会出现两套信号,那么就会产生冲突。所以节点在发送数据的过程中还应该进行冲突检测。如果在发送数据的过程中发生了冲突,则马上进入“冲突加强”阶段,即发现冲突的站点进一步发送信号使冲突持续时间足够长,以使网中所有节点都能检测出冲突存在,避免使有用数据再进入总线。完成冲突加强后,站点停止当前的发送,进入重发状态。进入重发状态的第一件事是计算重发次数。以太网规定,一个帧最多可以重发16次。重发16次还未发送出去就认为发生了线路故障,系统出错结束。

如果数据发送过程中没有发生冲突,则数据发送完毕后正确结束。

帧的发送流程如图所示。

以太网发送流程图

(三)帧的接收过程

在以太网中,节点要取得总线的使用权输送数据就要参与竞争。不发送的节点应该一直处于接收状态。一个节点收完一帧后。首先检查帧长度,如果帧长度小于规定的最小长度,说明一定是发生冲突后废弃的帧,接收节点丢弃已收到的帧,重新进入等待接收状态。如果帧长度正常,则接收节点接着检查帧的目的地址,如果目的地址是本节点地址,则接收该帧。如果目的地址不是本节点地址,则丢弃该帧。

四、以太网组网方式

IEEE8023标准中,给出以太网可以采用的三种传输介质进行组网:细同轴电缆、粗同轴电缆和双绞线。

(一)细同轴电缆

以太网组建一个细同轴电缆需要配备以下基本的硬件配置:

(1)网卡。每个节点需要至少一块网卡。

(2)T型连接器。细缆以太网的每个节点通过T型连接器连入网内。T型连接器的两个水平端口连接电缆,一个垂直接口与网卡的连接器相连。

(3)电缆。直径为1/4英寸(0635cm)的细同轴电缆。

(4)端接器。安排在细缆的两端。

(5)中继器。一根细缆的总长度不能超过185m,如果实际站点的分布距离超过这个限度,可以利用中继器进行扩充。中继器(Repeater)的作用是对信号进行放大。细缆网最多允许使用4个中继器,也就是细缆以太网最大覆盖距离不得超过(185×5)925m,连入细缆的节点数最好不要超过30个。

细缆系统虽然造价比较低,安装容易,但有个缺点是各连接头容易松动,可靠性受到一定影响。细缆以太网多用于小规模的网络环境。

(二)粗同轴电缆

以太网粗缆网的结构如图所示,组建一个粗同轴电缆需要以下硬件。

(1)网卡。

(2)收发器。粗缆以太网的每个节点需要一个安装在同轴电缆上的外部收发器进入网内;

(3)收发器电缆。用于网卡与收发器的连接;

(4)电缆,直径为1/2英寸(127cm)的粗同轴电缆;

(5)端接器。安装在粗缆的两端,防止信号反射,两个端接器中有一个必须接地;

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