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以太网技术综述

发布日期:2014-07-25

1、前言
    计算机网络分为两类:采用点到点连接的网络和采用广播信道的网络。在所有广播网络中,关键的问题是:当信道的使用产生竞争时,如何分配信道的使用权。用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的子层,称作介质访问控制MAC(medium access control)子层。由于几乎所有的局域网都以多路复用信道作为通信的基础,而广域网中除卫星网以外,都采用点到点连接,所以MAC子层在局域网中尤其重要。
    介质访问子层的中心论题是相互竞争的用户之间如何分配一个单独的广播信道。其分配方法有静态分配和动态分配两种。而所有传统的信道静态分配方法均不能有效地处理通信的突发性,所以我们必须采用信道动态分配。在各种多路访问协议中,本文只介绍与以太网密切相关的几种载波侦听协议。


2、载波侦听多路访问协议(carrier sense multiple access protocol)
    在局域网中,站点可以检测到其他站点在干什么,从而相应地调整自己的动作。网络站点侦听载波是否存在(即有无传输)并相应动作的协议,被称为载波侦听协议(carrier sense protocol)。下面介绍几种带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection)协议。CSMA/CD协议是对ALOHA协议(一种基于地面无线广播通信而创建、适用于无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统)的改进,它保证在侦听到信道忙时无新站开始发送;站点检测到冲突就取消传送,以太网就是它的一个版本。

2.1、1-持续CSMA
    当一个站点要传送数据时,它首先侦听信道,看是否有其他站点正在传送。如果信道正忙,它就持续等待直到当它侦听到信道空闲时,便将数据送出。若发生冲突,站点就等待一个随机长的时间,然后重新开始。此协议被称为1-持续CSMA,是因为站点一旦发现信道空闲,其发送数据的概率为1。
2.2、非持续CSMA
    在发送之前,站点会侦听信道的状态,如果没有其他站点在发送,它就开始发送。但如果信道正在使用之中,该站点将不再继续侦听信道,而是等待一个随机的时间后,再重复上述过程。
2.3、p-持续CSMA
    一个站点在发送之前,首先侦听信道,如果信道空闲,便以概率p传送,而以概率q=1-p把该次发送推迟到下一时隙。此过程一直重复,直到发送成功或者另外一站开始发送为止。在后一种情况下,该站的动作与发生冲突时一样(即等待一随机时间后重新开始)。若站点一开始就侦听到信道忙,它就等到下一时隙,然后开始上述过程。

3、IEEE802.3
    IEEE802标准已被ANSI采用未美国国家标准,被NIST采用未政府标准,并且被ISO作为国际标准,称之为ISO 8802。这些标准在物理层和MAC子层上有所不同,但在数据链路层上是兼容的。
    这些标准分成几个部分。802.1标准对这组标准做了介绍并且定义了接口原语;802.2标准描述了数据链路层的上部,它使用了逻辑链路控制LLC(logical link control)协议。802.3到802.5分别描述了3个局域网标准,分别是CSMA/CD、令牌总线和令牌环标准,每一标准均包括物理层和MAC子层协议,下面仅介绍802.3。

3.1 IEEE802.3标准及以太网
    IEEE802.3标准适用于1-持续CSMA/CD局域网。其工作原理是:当站点希望传送时,它就等到线路空闲为止,否则就立即传输。如果两个或多个站点同时在空闲的电缆上开始传输,它们就会冲突。于是所有冲突站点终止传送,等待一个随机的时间后,再重复上述过程。
    已出版的802.3标准与以太网的细微差别是:它描述了运行在各种介质上的从1Mb/s~10Mb/s的1-持续CSMA/CD系统的整个家族。另外,二者的一个头部字段也有所不同(802.3的长度字段用作以太网的分组类型)。
    许多人(错误地)把“以太网”作为CSMA/CD协议的总称,尽管这一名词只表示了实现802.3的某个特定产品。


3.2 802.3的电缆
3.2.1四种电缆
    此处按历史顺序介绍。
    第一种是10Base5电缆,它通常被称为“粗以太网(thick ethernet)”电缆,802.3标准建议为黄色,每隔2.5m一个标志,标明分接头插入处,连接处通常采用插入式分接头(vampire tap),将其触针小心地插入到同轴电缆的内芯。名称10Base5表示的意思是:工作速率为10Mb/s,采用基带信号,**支持段长为500m。
    第二种电缆是10Base2,或称为“细以太网(thin ethernet)”电缆,与“粗以太网”相对,并且很容易弯曲。其接头处采用工业标准的BNC连接器组成T型插座,它使用灵活,可靠性高。“细以太网”电缆价格低廉,安装方便,但是使用范围只有200m,并且每个电缆段内只能使用30台机器。
    由于寻找电缆故障的麻烦,导致一种新的接线方式的产生,即所有站点均连接到一个中心集线器(hub)上。通常,这些连线是电话公司的双绞线。这种方式被称为10Base-T。这种结构使增添或移去站点变得十分简单,并且很容易检测到电缆故障。10Base-T的缺点是,其电缆的**有效长度为距集线器100m,即使是高质量的双绞线(5类线),**长度可能也只有150m。另外,大集线器的价格也较高。尽管如此,由于其易于维护,10Base-T还是应用得越来越广泛。
    802.3中可用的第四种电缆连接方式是10Base-F,它采用了光纤。这种方式由于其连接器和终止器的费用而十分昂贵,但是它却有极好的抗干扰性,常用于办公大楼或相距较远的集线器间的连接。

名称

电缆

**区间长度

节点数/段

优点

10Base5

粗同轴电缆

500m

100

用于主干很好

10Base2

细同轴电缆

200m

30

***的系统

10Base-T

双绞线

100m

1024

易于维护

10Base-F

光纤

2000m

1024

*适于在楼间使用


3.2.2 拓扑
    下图给出了在建筑物内的不同走线方式。在(a)中,单根电缆如蛇形地穿越各个房间,每个站点从*近处接上电缆。(b)中,垂直的的主干线从地下室引向房顶,各层的水平电缆通过放大器(中继器)连到主干线上。在某些系统中,水平的电缆是细缆,主干线是粗缆。*普通的拓扑结构是树型,如图(c),因为在网络上如果某些站点对间有两条路径,会造成两个信号间的干扰。


3.2.3 中继器
    802.3的每种版本都有一个区间**电缆长度。为了使网络范围更大,可以用中继器(repeater)连接多根电缆,如上图(d)所示。中继器是一个物理层设备,它双向接收、放大并重发信号。对软件而言,由中继器连接起来的一系列电缆段同单根电缆并无区别(除了中继器产生的一些延迟以外)。一个系统中可拥有多个电缆段和多个中继器,但两个收发器间不得超过2.5km,任意两个收发器间的路径上不得有4个以上的中继器。


3.3 帧格式
    802.3的帧结构以7字节的先导字段开头,每字节的内容为10101010。随后是内容为10101011的一字节,标志着帧本身的开始。接下来是目的地址和源地址,尽管标准允许2字节和6字节两种地址,但是10Mb/s基带网标准规定只使用6字节地址(目的地址的**位为0是普通地址,为1时是组播地址,全1时为广播地址)。然后是2字节长度字段(值为0~1500)和数据部分,如果帧的数据部分少于46字节,使用填充字段以达到要求的*短长度。**一个字段是校验和,采用的算法是循环冗余校验。

3.4 交换式802.3局域网
    交换式局域网的心脏是一个交换机,在其高速背板上插有4~32个插板,每个板上有1~8个连接器。大多数情况下,交换机都是通过一根10Base-T双绞线与一台计算机相连。
    当一个站点想发送一802.3帧时,它就向交换机输出一标准帧。插板检查该帧的目的地是否为连接在同一块插板上的另一站点。如果是,就复制该帧。如果不是,该帧就通过高速背板被送向连有目的站点点插板。通常,背板通过采用适当的协议,速率高达1Gb/s。
    如果一块插板上连接的两个站点同时发送一帧,会如何解决?这取决于插板的构造方式。
    一种方式都是插板上的所有端口连在一起形成一个插板上局域网。插板上局域网的冲突检测与处理方式与CSMA/CD网络完全一样,并采用二进制后退算法进行重发。采用这种插板,任一时刻每块板上只可能有一个帧发送,但所有插板的发送可以并行进行。通过使用这种方案,每个插板与其他插板独立,属于自己的冲突域(collision domain)。
    另一种插板采用了缓冲方式,因此,当有帧到达时,它们首先被缓冲在插板上的RAM中。这种方案允许所有端口并行地接受和发送帧。一旦一帧被完全接受,插板就检查接收帧的目的地是同一插板上的另一端口,还是其他插板上的端口。在前一种情况下,帧会被直接发送到目的端口,在后一种情况下,帧必须通过背板发送到正确的插板上。采用这种方案,每一个端口是一个独立的冲突域,因此冲突不会发生。该系统的总吞吐量是10Base-5的倍数。
    因为交换机只要求每个输入端口接收的是标准802.3帧,所以可将它的端口用作集线器,如果所有端口连接的都是集线器,而不是单个站点,交换机就变成了802.3到802.3的网桥。

4、快速以太网
    FDDI曾被认为是下一代的LAN,但是除了主干网市场外(在这方面FDDI一直很出色),它很少被使用。因为其站点管理过于复杂,从而导致芯片复杂和价格昂贵。FDDI的巨大费用使得工作站制造商不愿让它成为标准网络,因此从不大量生产,FDDI也就无法占据大块市场。1992年IEEE重新召集了802.3委员会,指示他们制订一个快速的LAN。802.3委员会决定保持802.3原状,只是提高其速率,IEEE在1995年6月正式采纳了其成果802.3u。从技术角度上讲,802.3u并不是一种新的标准,只是对现存802.3标准的追加,习惯上称为快速以太网。
    其基本思想很简单:保留所有的旧的分组格式,接口以及程序规则,只是将位时从100ns减少到10ns,并且所有的快速以太网系统均使用集线器,不再使用带有刺入式分接头或BNC连接头的多点电缆。下面介绍各种类型的连线。
(1)100Base-T4
    即3类UTP,它采用的信号速度为25MHz,需要四对双绞线,不使用曼彻斯特编码,而是三元信号,每个周期发送4比特,这样就获得了所要求的100Mb/s,还有一个33.3Mb/s的保留信道。该方案即所谓的8B6T(8比特被映射为6个三进制位)。
(2)100Base-TX
    即5类UTP,其设计比较简单,因为它可以处理速率高达125MHz以上的时钟信号,每个站点只需使用两对双绞线,一对连向集线器,另一对从集线器引出。它没有采用直接的二进制编码,而是采用了一种运行在125MHz下的被称为4B5B的编码方案。100Base-TX是全双工的系统。
(3)100Base-FX
    使用两束多模光纤,每束都可用于两个方向,因此它也是全双工的,并且站点与集线器之间的**距离高达2km。
    100Base-T4和100Base-FX可使用两种类型(共享式、交换式)的集线器,它们统称为100Base-T。在共享式集线器中,所有的输入线(或者至少是所有连到同一块卡上的接线)在逻辑上连在一起,形成了同一个冲突域。100Base-FX电缆与正常的以太网冲突算法来说显得过长,所以它们必须与缓存的交换式集线器相连,每根电缆各为一个冲突域。

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