《計算機網絡 》課件第6章

第6章局域網與城域網6.1LAN局域網技術概論6.2邏輯鏈路控制(LLC)子層6.3介質訪問控制技術6.4以太網6.5令牌環(huán)網6.6局域網互連6.7城域網習題1局域網(LocalAreaNetworks，LAN)是分組廣播式網絡，這是與分組交換式的廣域網的主要區(qū)別。在廣播網絡中，所有工作站都連接到共享的傳輸介質上，共享信道的分配技術是局域網的核心技術，而這一技術又與網絡的拓撲結構和傳輸介質有關。地理范圍介于局域網與廣域網之間的是城域網(MetropolitanAreaNetworks，MAN)，城域網采用的技術與局域網類似，兩種網絡協(xié)議都包含在IEEELAN/MAN委員會制訂的標準中。本章介紹幾種常見的局域網和城域網的國際標準，以及工作原理和性能分析方法。6.1LAN局域網技術概論拓撲結構和傳輸介質決定了各種LAN的特點，決定了它們的數據速率和通信效率，也決定了適合于傳輸的數據類型，甚至決定了網絡的應用領域。我們首先概述各種局域網使用的拓撲結構和傳輸介質，同時介紹兩種不同的數據傳輸系統(tǒng)，最后引導出根據以上特點制定的IEEE802標準。6.1.1拓撲結構和傳輸介質

1．總線型拓撲總線(見圖6-1(a))是一種多點廣播介質，所有的站點都通過接口硬件連接到總線上。工作站發(fā)出的數據組織成幀，數據幀沿著總線向兩端傳播，到達末端的信號被終端匹配器吸收。數據幀中含有源地址和目標地址，每個工作站都監(jiān)視總線上的信號，并拷貝發(fā)給自己的數據幀。由于總線是共享介質，多個站點同時發(fā)送數據時會發(fā)生沖突，因而需要一種分解沖突的介質訪問控制協(xié)議。傳統(tǒng)的輪詢方式不適合分布式控制，總線網的研究者開發(fā)了一種分布式競爭發(fā)送的訪問控制方法，本章后面將介紹這種協(xié)議。對于總線這種多點介質，必須考慮信號平衡問題。任意一對設備之間傳輸的信號強度必須調整到一定的范圍：一方面，發(fā)送器發(fā)出的信號不能太大，否則會產生有害的諧波使得接收電路無法工作；另一方面經過一定距離的傳播衰減后，到達接收端的信號必須足夠大，能驅動接收器電路，還要有一定的信噪比。如果總線上的任何一個設備都可以向其他設備發(fā)送數據，對于一個不太大的網絡，譬如200個站點，則設備配對數是39800。要同時考慮這么多對設備之間的信號平衡問題，從而設計出適用的發(fā)送器和接收器是不可能的。制定網絡標準時，考慮到這一問題的復雜性，所以把總線劃分成一定長度的網段，并限制每個網段接入的站點數。圖6-1局域網的拓撲結構適用于總線拓撲的傳輸介質主要是同軸電纜，同軸電纜分為傳播數字信號的基帶同軸電纜和傳播模擬信號的寬帶同軸電纜。這兩種傳輸介質的比較表示在表6-1中。寬帶電纜比基帶電纜傳輸的距離更遠，還可以使用頻分多路技術提供多個信道和多種數據傳輸業(yè)務，主要用在城域網中，而基帶系統(tǒng)則主要用于室內或建筑物內部連網。

1)基帶系統(tǒng)數字信號是一種電壓脈沖，它從發(fā)送處沿著基帶電纜向兩端均勻傳播，這種情況就像光波在(物理學家們杜撰的)以太介質中各向同性地均勻傳播一樣，所以總線網的發(fā)明者把這種網絡稱為以太網。以太網使用特性阻抗為50Ω的同軸電纜，這種電纜具有較小的低頻電噪聲，在接頭處產生的反射也較小。表6-1總線網的傳輸介質一般來說，傳輸系統(tǒng)的數據速率與電纜長度、接頭數量以及發(fā)送和接收電路的電氣特性有關。當脈沖信號沿電纜傳播時，會發(fā)生衰減和畸變，還會受到噪音和其他不利因素的影響。傳播距離越長，這種影響越大，增加了出錯的機會。如果數據速率較小，脈沖寬度就比較寬，比高速的窄脈沖更容易恢復，因而抗噪聲特性更好。基帶系統(tǒng)的設計需要在數據速率、傳播距離、站點數量之間進行權衡。一般來說，數據速率越小，傳輸的距離越遠；傳輸系統(tǒng)(收發(fā)器和電纜)的電氣特性越好，可連接的站點數就越多。表6-2列出了IEEE802.3標準中對兩種基帶電纜的規(guī)定。這兩種系統(tǒng)的數據速率都是10Mb/s，但傳輸距離和可連接的站點數不同，這是因為直徑為0.4英寸的電纜比直徑為0.25英寸的電纜性能更好，當然價格也較昂貴。表6-2IEEE802.3中兩種基帶電纜的規(guī)定若要擴展網絡的長度，可以用中繼器把多個網絡段連接起來，如圖6-2所示。中繼器可以接收一個網段上的信號，經再生后發(fā)送到另一個網段上去。然而由于網絡的定時特性，不能無限制地使用中繼器，表6-2中的兩個標準都限制中繼器的數目為4個，即最大網絡由5段組成。圖6-2由中繼器互連的網絡

)寬帶系統(tǒng)寬帶系統(tǒng)是指采用頻分多路(FDM)技術傳播模擬信號的系統(tǒng)。不同頻率的信道可分別支持數據通信、TV和CD質量的音頻信號。模擬信號比數字脈沖受噪聲和衰減的影響更小，可以傳播更遠的距離，甚至達到100km。寬帶系統(tǒng)使用特性阻抗為75

的CATV電纜。根據系統(tǒng)中數/模轉換設備采用的調制技術的不同，1b/s的數據速率可能需要1～4Hz的帶寬，則支持150Mb/s的數據速率可能需要300MHz的帶寬。由于寬帶系統(tǒng)中需要模擬放大器，而這種放大器只能單方向工作，所以加在寬帶電纜上的信號只能單方向傳播，這種方向性決定了在同一條電纜上只能由“上游站”發(fā)送，而“下游站”接收，相反方向的通信則必須采用特殊的技術。有兩種技術可提供雙向傳輸：一種是雙纜配置，即用兩根電纜分別提供兩個方向不同的通路(圖6-3(a))；另一種是分裂配置，即把單根電纜的頻帶分裂為兩個頻率不同子通道，分別傳輸兩個方向相反的信號(圖6-3(b))。雙纜配置可提供雙倍的帶寬，而分裂配置比雙纜配置可節(jié)約大約15%的費用。圖6-3寬帶系統(tǒng)的兩種配置兩種電路配置都需要“端頭”來連接兩個方向不同的通路。雙纜配置中的端頭是無源端頭，朝向端頭的通路稱為“入徑”，離開端頭的通路稱為“出徑”。所有的站向入徑上發(fā)送信號，經端頭轉接后發(fā)向出徑，各個站從出徑上接收數據。入徑和出徑上的信號使用相同的頻率。在分裂配置中使用有源端頭，也叫頻率變換端頭。所有的站以頻率f1向端頭發(fā)送數據，經端頭轉換后以頻率f2向總線上廣播，目標站以f2接收數據。

2．環(huán)型拓撲環(huán)型拓撲由一系列首尾相接的中繼器組成，每個中繼器連接一個工作站(圖6-1(b))。中繼器是一種簡單的設備，它能從一端接收數據，然后在另一端發(fā)出數據。整個環(huán)路是單向傳輸的。工作站發(fā)出的數據組織成幀。在數據幀的幀頭部分含有源地址和目的地址字段，以及其他控制信息。數據幀在環(huán)上循環(huán)傳播時被目標站拷貝，返回發(fā)送站后被回收。由于多個站共享環(huán)上的傳輸介質，所以需要某種訪問邏輯來控制各個站的發(fā)送順序。例如用一種特殊的控制幀——令牌來代表發(fā)送的權利，令牌在網上循環(huán)流動，誰得到令牌就可以發(fā)送數據幀。由于環(huán)網是一系列點對點鏈路串接起來的，所以可使用任何傳輸介質。最常用的介質是雙絞線，因為它們價格較低；使用同軸電纜可得到較高的帶寬，而光纖則能提供更大的數據速率。表6-3中表示了常用的幾種傳播介質的有關參數。表6-3環(huán)網的傳輸介質

3．星型拓撲星型拓撲中有一個中心結點，所有站點都連接到中心結點上。電話系統(tǒng)就采用了這種拓撲結構，多終端聯機通信系統(tǒng)也是星型結構的例子。中心結點在星型網絡中起到了控制和交換的作用，是網絡中的關鍵設備。星型拓撲的網絡布局見圖6-1(c)。用星型拓撲結構也可以構成分組廣播式的局域網。在這種網絡中，每個站都用兩對專線連接到中心結點上，一對用于發(fā)送，一對用于接收。中心結點叫做集線器，簡稱HUB。HUB接收工作站發(fā)來的數據幀，然后向所有的輸出鏈路廣播出去。當有多個站同時向HUB發(fā)送數據時就會產生沖突，這種情況和總線拓撲中的競爭發(fā)送一樣，因而總線網的介質訪問控制方法也適用于星型網。

HUB有兩種形式。一種是有源HUB，另一種是無源HUB。有源HUB中配置了信號再生邏輯，這種電路可以接收輸入鏈路上的信號，經再生后向所有輸出鏈路發(fā)送。如果多個輸出鏈路同時有信號輸入，則向所有輸出鏈路發(fā)送沖突信號。無源HUB中沒有信號再生電路，這種HUB只是把輸入鏈路上的信號分配到所有的輸出鏈路上。如果使用的介質是光纖，則可以把所有的輸入光纖熔焊到玻璃柱的兩端，如圖6-4所示。當有光信號從輸入端進來時就照亮了玻璃柱，從而也照亮了所有輸出光纖，這樣就起到了光信號的分配作用。任何有線傳輸介質都可以使用有源HUB，也可以使用無源HUB。為了達到較高的數據速率，必須限制工作站到中心結點的距離和連接的站點數。一般說來，無源HUB用于光纖或同軸電纜網絡，有源HUB則用于無屏蔽雙絞線(UTP)網絡。表6-4列出了有代表性的網絡參數。圖6-4無源星型光纖網表6-4星型網的傳輸介質為了延長星型網絡的傳輸距離和擴大網絡的規(guī)模，可以把多個HUB級連起來，組成星型樹結構，如圖6-1(d)所示。這棵樹的根是頭HUB，其他結點叫中間HUB，每個HUB都可以連接多個工作站和其他HUB,所有的葉子結點都是工作站。圖6-5抽象地表示出頭HUB和中間HUB的區(qū)別。頭HUB可以完成上述HUB的基本功能，然而中間HUB的作用是把任何輸入鏈路上送來的信號向上級HUB傳送，同時把上級送來的信號向所有的輸出鏈路廣播。這樣整棵HUB樹就完成了單個HUB同樣的功能：一個站發(fā)出的信號經HUB轉接，所有的站都能收到。如果有兩個站同時發(fā)送，頭HUB會檢測到沖突，并向所有的中間HUB和工作站發(fā)送沖突信號。圖6-5頭HUB和中間HUB6.1.2LAN/MAN的IEEE802標準

IEEE802委員會成立于1980年2月，它的任務是制定局域網和城域網標準。802委員會目前有20多個分委員會，它們研究的內容分別是：●?802.1局域網體系結構、尋址、網絡互聯和網絡管理?！?802.2邏輯鏈路控制子層(LLC)的定義。●?802.3以太網介質訪問控制協(xié)議CSMA/CD及物理層技術規(guī)范?！?802.4令牌總線網(Token-Bus)的介質訪問控制協(xié)議及物理層技術規(guī)范?！?802.5令牌環(huán)網(Token-Ring)的介質訪問控制協(xié)議及物理層技術規(guī)范?！?802.6城域網(MAN)介質訪問控制協(xié)議DQDB及物理層技術規(guī)范?！?802.7寬帶技術咨詢組，提供有關寬帶聯網的技術咨詢?！?802.8光纖技術咨詢組，提供有關光纖聯網的技術咨詢?！?802.9綜合聲音數據的局域網(IVDLAN)介質訪問控制協(xié)議及物理層技術規(guī)范。●?802.10網絡安全技術咨詢組，定義了網絡互操作的認證和加密方法?！?802.11無線局域網(WLAN)的介質訪問控制協(xié)議及物理層技術規(guī)范?！?802.12需求優(yōu)先的介質訪問控制協(xié)議(100VG-AnyLAN)?！?802.14采用CableModem的交互式電視介質訪問控制協(xié)議及物理層技術規(guī)范。●802.15采用藍牙技術的無線個人網(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)技術規(guī)范。?●?802.16寬帶無線接入工作組，開發(fā)2～66GHz的無線接入系統(tǒng)空中接口標準?！?802.17彈性分組環(huán)(RPR)工作組，制定彈性分組環(huán)網訪問控制協(xié)議及有關標準?！?802.18寬帶無線局域網技術咨詢組(RadioRegulatory)?！?802.19多重虛擬局域網共存(Coexistence)技術咨詢組?！?802.20移動寬帶無線接入(MBWA)工作組，正在制訂寬帶無線接入網的解決方案?！?02.21研究各種無線網絡之間的切換問題，正在制定介質無關的切換業(yè)務(MIH)標準。?●?802.22無線區(qū)域網(WirelessRegionalAreaNetwork，WRAN)工作組，正在制定利用感知無線電技術，在廣播電視頻段的空白頻道進行無干擾無線廣播的技術標準。由于局域網是分組廣播式網絡，網絡層的路由功能是不需要的，所以在IEEE802標準中，網絡層簡化成了上層協(xié)議的服務訪問點SAP。又由于局域網使用多種傳輸介質，而介質訪問控制協(xié)議與具體的傳輸介質和拓撲結構有關，所以IEEE802標準把數據鏈路層劃分成了兩個子層。與物理介質相關的部分叫做介質訪問控制MAC(MediaAccessControl)子層，與物理介質無關的部分叫做邏輯鏈路控制LLC(LogicalAccessControl)子層。LLC提供標準的OSI數據鏈路層服務，這使得任何高層協(xié)議(例如TCP/IP，SNA或有關的OSI標準)都可運行于局域網標準之上。局域網的物理層規(guī)定了傳輸介質及其接口的電氣特性，機械特性，接口電路的功能，以及信令方式和信號速率等。整個局域網的標準以及與OSI參考模型的對應關系如圖6-6所示。圖6-6局域網體系結構與OSI/RM的對應關系由圖可以看出，局域網標準沒有規(guī)定高層的功能，高層功能往往與具體的實現有關，包含在網絡操作系統(tǒng)(NOS)中，而且大部分NOS的功能都是與OSI/RM或通行的工業(yè)標準協(xié)議兼容的。局域網的體系結構說明，在數據鏈路層應當有兩種不同的協(xié)議數據單元：LLC幀和MAC幀，這兩種幀的關系如圖6-7所示。從高層來的數據加上LLC的幀頭就成為LLC幀，再向下傳送到MAC子層加上MAC的幀頭和幀尾，組成MAC幀。物理層則把MAC幀當作比特流透明地在數據鏈路實體間傳送。圖6-7LLC幀和MAC幀的關系6.2邏輯鏈路控制(LLC)子層邏輯鏈路控制子層規(guī)范包含在IEEE802.2標準中。這個標準與HDLC是兼容的，但使用的幀格式有所不同。這是由于HDLC的標志和位填充技術不適合局域網，因而被排除，而且?guī)ｒ炐蛄杏蒑AC子層實現，因而也不包含在LLC幀結構中；另外為了適合局域網中的尋址，地址字段也有所改變，同時提供目標地址和源地址。LLC幀格式表示在圖?6-8中，幀的類型表示在表6-5中。圖6-8LLC幀格式表6-5LLC幀的類型6.2.1LLC地址

LLC地址是LLC層服務訪問點。IEEE802局域網中的地址分兩級表示，主機的地址是MAC地址，LLC地址實際上是主機中上層協(xié)議實體的地址。一個主機可以同時擁有多個上層協(xié)議進程，因而就有多個服務訪問點。IEEE802.2中的地址字段分別用DSAP和SSAP表示目標地址和源地址(圖6-8)，這兩個地址都是7位長，相當于HDLC中的擴展地址格式。另外增加的一種功能是可提供組地址，如圖中的I/G位所示。組地址表示一組用戶，而全1地址表示所有用戶。在源地址字段中的控制位C/R用于區(qū)分命令幀和響應幀。6.2.2LLC服務

LLC提供三種服務：

(1)無確認無連接的服務。這是數據報類型的服務。這種服務因其簡單而不涉及任何流控和差錯控制功能，因而也不保證可靠地提交。使用這種服務的設備必須在高層軟件中處理可靠性問題。

(2)連接方式的服務。這種服務類似于HDLC提供的服務。在有數據交換的用戶之間要建立連接，同時也通過連接提供流控和差錯控制功能。

(3)有確認無連接的服務。這種服務與前面兩種服務有所交叉，它提供有確認的數據報。但不建立連接。這三種服務是可選擇的，用戶可根據應用程序的需要選擇其中一種或多種服務。一般來說，無確認無連接的服務用在以下兩種情況：一種是高層軟件具有流控和差錯控制機制，因而LLC子層就不必提供重復的功能，例如TCP或ISO的TP4傳輸協(xié)議就是這樣的；另一種情況是連接的建立和維護機制會引起不必要的開銷，因而必須簡化控制，例如周期性的數據采集或網絡管理等應用場合，偶然的數據丟失是允許的，隨后來到的數據可以彌補前面的損失，所以不必保證每一個數據都能可靠地提交。連接方式的服務可以用在簡單設備中，例如終端控制器，它只有很簡單的上層協(xié)議軟件，因而由數據鏈路層硬件實現流控和差錯控制功能。有確認無連接的服務有高效而可靠的特點，適合于傳送少量的重要數據。例如在過程控制和工廠自動化環(huán)境中，中心站需要向大量的處理機或可編程控制器發(fā)送控制指令，由于控制指令的重要性，所以需要確認，但如果采用連接方式的服務，則中心站必然要建立大量的連接，數據鏈路層軟件也要為建立連接、跟蹤連接的狀態(tài)而設置和維護大量的表格，這種情況下使用有確認無連接的服務更有效。另外一個例子是傳送重要而時間緊迫的告警或緊急控制信號，由于重要，所以需要確認；由于緊急，所以要省去建立連接的時間開銷。6.2.3LLC協(xié)議

LLC協(xié)議與HDLC協(xié)議兼容(表6-5)，它們之間的差別如下：

(1)?LLC用無編號信息幀支持無連接的服務，這叫做LLC1型操作。

(2)?LLC用HDLC的異步平衡方式支持LLC的連接方式服務，這種操作叫LLC2型操作。LLC不支持HDLC的其他操作。

(3)?LLC用兩種新的無編號幀支持有確認無連接的服務，這叫LLC3型操作。

(4)通過LLC服務訪問點支持多路復用，即一對LLC實體間可建立多個連接。所有三類LLC操作都使用同樣的幀格式，如圖6-8所示。LLC控制字段使用LLC的擴展格式。

LLC1型操作支持無確認無連接的服務。無編號信息幀(UI)用于傳送用戶數據。這里沒有流控和差錯控制，差錯控制由MAC子層完成。另外有兩種幀XID和TEST用于支持與3種協(xié)議都有關的管理功能。XID幀用于交換兩類信息：LLC實體支持的操作和窗口大??；而TEST幀用于進行兩個LLC實體間的通路測試。當一個LLC實體收到TEST命令幀后應盡快發(fā)回TEST響應幀。

LLC2型操作支持連接方式的服務。當LLC實體得到用戶的要求后可發(fā)出置擴展的異步平衡方式幀SABME，另一個站的LLC實體請求建立連接。如果目標LLC實體同意建立連接，則以無編號應答幀UA回答，否則以斷開連接應答幀DM回答。建立的連接由兩端的服務訪問點唯一地標識。連接建立后，使用I幀傳送數據。I幀包含發(fā)送/接收順序號，用于流控和捎帶應答。另外還有管理幀輔助進行流控和差錯控制。數據發(fā)送完成后，任何一端的LLC實體都可發(fā)出斷連幀DISC來終止連接，這些與HDLC是完全相同的。

LLC3型操作支持有確認無連接的服務，這要求每個幀都要應答。這里使用了一種新的無連接應答幀AC(AcknowledgedConnectionless)，信息通過AC命令幀發(fā)送，接收方以AC響應幀回答。為了防止幀的丟失，使用了1位序列號，發(fā)送者交替在AC命令幀中使用0和1，接收者以相反序號的AC幀回答，這類似于停等協(xié)議中發(fā)生的過程。6.3介質訪問控制技術在局域網和城域網中，所有設備(工作站，終端控制器，網橋等)共享傳輸介質，所以需要一種方法能有效地分配傳輸介質的使用權，這種功能就叫做介質訪問控制協(xié)議。在介紹具體的介質訪問控制協(xié)議之前，首先概述各種介質訪問控制技術的特點。各種介質訪問控制技術的特征可以由兩個因素來區(qū)分：即“在哪里控制”和“怎樣控制”。在哪里控制是指介質訪問控制是集中的還是分布的。在集中式控制方案中有一個監(jiān)控站專門實施介質的訪問控制功能，任何工作站必須得到監(jiān)控站的允許才能向網絡發(fā)送數據；在分布式控制方案中，所有工作站共同完成介質訪問控制功能，動態(tài)地決定發(fā)送數據的順序。集中式控制有下列優(yōu)點：

(1)可以提供更復雜更靈活的控制策略，例如多種優(yōu)先級，超越優(yōu)先權，按需分配帶寬等；

(2)各個工作站的訪問邏輯比較簡單；

(3)避免了復雜的協(xié)調和配合問題。集中式控制的缺點如下：

(1)監(jiān)控站成為網絡中的單失效點；

(2)監(jiān)控站的工作可能成為網絡性能的瓶頸。分布式控制的優(yōu)缺點與集中式是對稱的。決定“怎樣控制”的問題受多種因素的限制，必須對實現費用、性能、復雜性等進行權衡取舍。一般來說可分成同步式控制和異步式控制兩種。同步式控制是指對各個連接分配固定的帶寬。這種技術用在電路交換、頻分多路和同步時分多路網絡中，但是對于LAN是不合適的，因為工作站對帶寬的需求是無法預見的。更好的方法是帶寬按異步方式分配，即根據工作站請求的容量分配帶寬。異步分配方法可進一步劃分為循環(huán)、預約和競爭三種方式。6.3.1循環(huán)式在循環(huán)方式中，每個站輪流得到發(fā)送機會。如果工作站利用這個機會發(fā)送，則可能對其發(fā)送時間或發(fā)送的數據總量有一定限制，超過這個限制的數據只能在下一輪中發(fā)送。所有的站按一定的邏輯順序傳遞發(fā)送權限。這種順序控制可能是集中式的，也可能是分布式的。輪詢(Polling)就是一種循環(huán)式集中控制，而令牌環(huán)則是一種循環(huán)式分布控制。如果在一段時間中有很多站都要發(fā)送數據，這種循環(huán)方式是很有效的；如果長時間只有很少的站在發(fā)送數據，這種循環(huán)方式的開銷太大，因為很多站都參與循環(huán)，僅傳遞發(fā)送權限，并不發(fā)送數據。在后一種情況下可以使用下面介紹的兩種訪問控制技術，這取決于網絡通信是流式的還是突發(fā)式的。6.3.2預約式話音通信、遙測通信和長文件的傳輸等需長時間連續(xù)傳輸的通信方式通常稱為流式通信。預約式控制適合這種通信方式。一般來說，這種技術把傳輸介質的使用時間劃分為時槽。類似地，預約也可以是集中控制的，或是分布控制的。IEEE802.6定義的DQDB協(xié)議可看做是預約式的例子。6.3.3競爭式突發(fā)式通信就是短時間的零星傳輸，例如終端和主機之間的通信就是這樣的，競爭式分配技術適合這種通信方式。這種技術并不對各個工作站的發(fā)送權限進行控制，而是由各個工作站自由競爭發(fā)送機會。可以想見，這種競爭是零亂而無序的，因而從本質上說，它更適合分布式控制。競爭式分配的主要優(yōu)點在于其簡單性，在輕負載或中等負載下效率較高。當負載很重時，其性能很快下降。以上的討論是很抽象的，從下一小節(jié)開始我們將根據上述分類介紹具體的介質訪問控制協(xié)議。這一小節(jié)的內容總結在表6-6中。表6-6標準化的介質訪問控制技術6.4以太網對總線型、星型和樹型拓撲最適合的介質訪問控制協(xié)議是CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)，這種技術的基帶版本是Xerox公司的以太網。更早的寬帶版本屬于MITRE公司，是MITREnet局域網中的介質訪問控制協(xié)議。所有這些工作構成了IEEE802.3標準的基礎。我們在詳細討論這種技術之前，先介紹早期對CSMA/CD協(xié)議有較大影響的ALOHA協(xié)議。6.4.1ALOHA協(xié)議

ALOHA和它的后繼者CSMA/CD都是隨機訪問或競爭發(fā)送協(xié)議。隨機訪問意味著對任何站都無法預計其發(fā)送的時刻，競爭發(fā)送是指所有發(fā)送的站自由競爭信道的使用權。

ALOHA系統(tǒng)是1970年代美國夏威夷大學的NormanAmramson等人為其地面無線分組網設計的，這種系統(tǒng)中有多個站點共享廣播信道。假定所有站的數據業(yè)務特征具有明顯的突發(fā)性：即大部分時間不發(fā)送數據，一旦有數據要發(fā)送，立即把數據組織成幀以全部信道帶寬發(fā)送出去。在這種情況下廣播信道由所有站隨機地使用，要發(fā)送的站不管其他站是否使用信道都可發(fā)送。可以說信道是完全隨機地分布控制的。當然，工作站完全獨立而隨機地使用信道會發(fā)生沖突，只要兩個站發(fā)送的數據幀在時間上有1bit以上的重疊，都會使整個幀出錯。幸好，發(fā)送站可以通過自發(fā)自收校驗發(fā)現沖突，并隨機延遲一段時間后重發(fā)沖突幀，如圖6-9所示。可以看出這種協(xié)議的簡單性：不需要接收站發(fā)回應答，甚至也不需要接收站進行差錯校驗(假若信道是理想的)。這種簡單系統(tǒng)的實用性取決于其工作效率如何。下面我們分析ALOHA系統(tǒng)的效率并找出改進的方法。為了簡化討論，我們假定：無限多個站共享理想的(無差錯)廣播式信道，網絡平均負載保持常數；所有站發(fā)送的幀是等長的，一個幀時為tf；進入信道的幀數服從泊松分布，每個幀時內產生的幀數加上以前沖突需要重傳的幀數之和的平均值為G(即信道負載)。根據泊松分布，在任一幀時內進入信道的幀數為K的概率是(6.1)在完全隨機發(fā)送的情況下，一個幀要能發(fā)送成功(不沖突)，必須保證在當前幀發(fā)送的tf內和當前幀發(fā)送之前的tf內都沒有其他(生成的或重傳的)幀進入信道。換言之，沖突區(qū)間為2tf，如圖6-10所示。圖6-9ALOHA系統(tǒng)工作原理圖6-10ALOHA系統(tǒng)的沖突區(qū)間因而在2tf時間內成功發(fā)送一幀的概率等于前一個幀時內不發(fā)送和后一個幀時內只發(fā)送一幀的概率，即

Pe=P(0)

×

P(1)

=

Ge-2G

(6.2)這個式子也表示系統(tǒng)的吞吐率，即單位時間內發(fā)送的幀數

S?=?Pe?=?Ge-2G

(6.3)為了求得最大吞吐率，令dS/dG=0，從而解得當G=0.5時(6.4)

1972年Robert發(fā)表了一種能把ALOHA系統(tǒng)吞吐率提高一倍的方法。他建議把時間劃分成離散的時間間隔，每個間隔為tf，稱為時槽。一個幀無論何時生成，都必須在時槽的起點上發(fā)送。這樣，為了一個幀成功的發(fā)送，只需保證在前一個時槽中只有此一個幀生成(或需要重傳)，于是沖突區(qū)間縮小為tf，(6.2)式簡化為

Pe

=?P(1)?=?Ge-G

(6.2)

同時有

S

=?Pe

=?Ge-G當G?=?1時得到系統(tǒng)的最大吞吐率

S

max?=??

0.368為了區(qū)分，我們把這種系統(tǒng)稱為分槽的ALOHA，前一種叫做純ALOHA。兩種系統(tǒng)效率(或信道利用率)與負載G的關系表示在圖6-11中。為了進一步提高系統(tǒng)的信道利用率，需要增加更多的功能，例如載波監(jiān)聽功能，下面詳細討論之。圖6-11ALOHA系統(tǒng)中效率與負載的關系6.4.2CSMA/CD協(xié)議純ALOHA和分槽ALOHA系統(tǒng)效率都不是很高，主要缺點是各站獨立地決定發(fā)送的時刻，使得沖突概率很高，信道利用率下降。如果各個站在發(fā)送之前先監(jiān)聽信道上的情況，信道忙時后退一段時間再發(fā)送，就可大大減少沖突概率。這就是在局域網上廣泛采用的載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA)協(xié)議。對于局域網，監(jiān)聽是很容易做到的。在局域網中，最遠兩個站之間的傳播時延很小，只有幾微秒，只要有站在發(fā)送，別的站很快就會聽到，從而可避免與正在發(fā)送的站產生沖突。同時，幀的發(fā)送時間tf相對于網絡延遲要大得多，一個幀一旦開始成功的發(fā)送，則在較長一段時間內可保持網絡中有效地傳輸，從而大大提高了信道利用率。

CSMA的基本原理是：站在發(fā)送數據之前，先監(jiān)聽信道上是否有別的站發(fā)送的載波信號。若有說明信道正忙；否則信道是空閑的。然后根據預定的策略決定：

(1)若信道空閑，是否立即發(fā)送；

(2)若信道忙，是否繼續(xù)監(jiān)聽。即使信道空閑，若立即發(fā)送仍然會發(fā)生沖突。一種情況是遠端的站剛開始發(fā)送，載波信號尚未到達監(jiān)聽站，這時監(jiān)聽站若立即發(fā)送，就會和遠端的站發(fā)生沖突；另一種情況是雖然暫時沒有站發(fā)送，但碰巧兩個站同時開始監(jiān)聽，如果它們都立即發(fā)送，也會發(fā)生沖突。所以，上面的控制策略的第(1)點就是想要避免這種雖然稀少、但仍可能發(fā)生的沖突。若信道忙時，如果堅持監(jiān)聽，發(fā)送的站一旦停止就可立即搶占信道，但是有可能幾個站同時都在監(jiān)聽，同時都搶占信道，從而發(fā)生沖突。以上控制策略的第(2)點就是進一步優(yōu)化監(jiān)聽算法，使得有些監(jiān)聽站或所有監(jiān)聽站都后退一段隨機時間再監(jiān)聽，以避免沖突。

1.監(jiān)聽算法

監(jiān)聽算法并不能完全避免發(fā)送沖突，但若對以上兩種控制策略進行精心設計，則可以把沖突概率減到最小。據此，我們有以下三種監(jiān)聽算法(見圖6-12)。

1)非堅持型監(jiān)聽算法這種算法可描述如下：當一個站準備好幀，發(fā)送之前先監(jiān)聽信道：

(1)若信道空閑，立即發(fā)送；否則轉(2)；

(2)若信道忙，則后退一個隨機時間，重復(1)。由于隨機時延后退，從而減少了沖突的概率；然而，可能出現的問題是因為后退而使信道閑置一段時間，這使信道的利用率降低，而且增加了發(fā)送時延。圖6-12

三種監(jiān)聽算法

2)?1—堅持型監(jiān)聽算法這種算法可描述如下：當一個站準備好幀，發(fā)送之前先監(jiān)聽信道：

(1)若信道空閑，立即發(fā)送；

(2)若信道忙，繼續(xù)監(jiān)聽，直到信道空閑后立即發(fā)送。這種算法的優(yōu)缺點與前一種正好相反：有利于搶占信道，減少信道空閑時間；但是多個站同時都在監(jiān)聽信道時必然發(fā)生沖突。

3)?P—堅持型監(jiān)聽算法這種算法汲取了以上兩種算法的優(yōu)點，但較為復雜。這種算法是：

(1)若信道空閑，以概率P發(fā)送，以概率(1?-?P)延遲一個時間單位；一個時間單位等于網絡傳輸時延

；

(2)若信道忙，繼續(xù)監(jiān)聽直到信道空閑，轉(1)；

(3)如果發(fā)送延遲一個時間單位

，則重復(1)。困難的問題是決定概率P的值，P的取值應在重負載下能使網絡有效地工作。為了說明P的取值對網絡性能的影響，我們假設有n個站正在等待發(fā)送，與此同時，有一個站正在發(fā)送。當這個站發(fā)送停止時，實際要發(fā)送的站數等于nP。若nP大于1，則必有多個站同時發(fā)送，這必然會發(fā)生沖突。這些站感覺到沖突后若重新發(fā)送，就會再一次發(fā)生沖突；更糟的是其他站還可能產生新幀，與這些未發(fā)出的幀競爭，更加劇了網上的沖突。極端情況下會使網絡吞吐率下降到0。若要避免這種災難，對于某種n的峰值，nP必須小于1；然而若P值太小，發(fā)送站就要等待較長的時間，在輕負載的情況下，這意味著較大的發(fā)送時延，例如，只有一個站有幀要發(fā)送，若P?=?0.1，則以上算法的第(1)步重復的平均次數為1/P?=?10，也就是說這個站平均多等待9倍的時間單位

。關于各種監(jiān)聽算法以及ALOHA算法中網絡負載和信道利用率的關系曲線表示在圖6-13中?？梢钥闯?，P值小的監(jiān)聽算法對信道的利用率有利，然而卻引入較大的發(fā)送時延。圖6-13各種隨機訪問協(xié)議的G-S曲線

2.沖突檢測原理載波監(jiān)聽只能減小沖突的概率，不能完全避免沖突。當兩個幀發(fā)生沖突后，若繼續(xù)發(fā)送，將會浪費網絡帶寬；如果幀比較長，對帶寬的浪費就很可觀了。為了進一步改進帶寬的利用率，發(fā)送站應采取邊發(fā)邊聽的沖突檢測方法，即：

(1)發(fā)送期間同時接收，并把接收的數據與站中存儲的數據進行比較；

(2)若比較結果一致，說明沒有沖突，重復(1)；

(3)若比較結果不一致，說明發(fā)生了沖突，應立即停止發(fā)送，并發(fā)送一個簡短的干擾信(Jamming)，使所有站都停止發(fā)送；

(4)發(fā)送Jamming信號后，等待一段隨機長的時間，重新監(jiān)聽，再試著發(fā)送。帶沖突檢測的監(jiān)聽算法把浪費帶寬的時間減少到檢測沖突的時間，對局域網來說這個時間是很短的。圖6-14中畫出了基帶系統(tǒng)中檢測沖突需要的最長時間，這個時間發(fā)生在網絡中相距最遠的兩個站(A和D)之間。在t0時刻A開始發(fā)送。假設經過一段時間

(網絡最大傳播時延)D開始發(fā)送，D立即就會檢測到沖突，并很能快停止；但A仍然感覺不到沖突，并繼續(xù)發(fā)送，再經過一段時間

，A才會收到沖突信號，從而停止發(fā)送。可見在基帶系統(tǒng)中檢測沖突的最長時間是網絡傳播延遲的兩倍，即2

，我們把這個時間叫做沖突窗口。圖6-14以太網中的沖突時間與沖突窗口相關的參數是最小幀長。設想圖6-14中的A站發(fā)送的幀較短，在2

時間內已經發(fā)送完畢，這樣A站在整個發(fā)送期間將檢測不到沖突。為了避免這種情況，網絡標準中根據設計的數據速率和最大網段長度規(guī)定了最小幀長Lmin：

Lmin?=?2R?×?d/v(6.5)這里R是網絡數據速率，d為最大段長，v是信號傳播速度。有了最小幀長的限制，發(fā)送站必須對較短的幀增加填充位，使其等于最小幀長。接收站對收到的幀要檢查長度，小于最小幀長的幀被認為是沖突碎片而丟棄。

3.二進程指數后退算法上文提到，檢測到沖突發(fā)送干擾信號后退一段時間重新發(fā)送。后退時間的多少對網絡的穩(wěn)定工作有很大影響。特別在負載很重的情況下，為了避免很多站連續(xù)發(fā)生沖突，需要設計有效的后退算法。按照二進制指數后退算法，后退時延的取值范圍與重發(fā)次數n形成二進制指數關系，或者說，隨著重發(fā)次數n的增加，后退時延t

的取值范圍按2的指數增大。即：第一次試發(fā)送時n的值為0，每沖突一次n的值加1，并按下式計算后退時延(6.6)其中，第一式是在區(qū)間[0，2n]中取一均勻分布的隨機整數

，第二式是計算出隨機后退時延。為了避免無限制的重發(fā)，要對重發(fā)次數n進行限制，這種情況往往是信道故障引起的。通常當n增加到某一最大值(例如16)時，停止發(fā)送，并向上層協(xié)議報告發(fā)送錯誤。當然，還可以有其他的后退算法，但二進制指數后退算法考慮了網絡負載的變化情況。事實上，后退次數的多少往往與負載大小有關，二進制指數后退算法的優(yōu)點正是把后退時延的平均取值與負載的大小連系起來了。

4.?CSMA/CD協(xié)議的實現對于基帶總線和寬帶總線，CSMA/CD的實現基本上是相同的，但也有一些差別。差別之一是載波監(jiān)聽的實現。對于基帶系統(tǒng)，是采用檢測電壓脈沖序列。由于以太網上的編碼采用Manchester編碼，這種編碼的特點是每比特中間都有電壓跳變，監(jiān)聽站可以把這種跳變信號當作代表信道忙的載波信號。對于寬帶系統(tǒng)，監(jiān)聽站接收RF載波以判斷信道是否空閑。差別之二是沖突檢測的實現。對于基帶系統(tǒng)，是把直流電壓加到信號上來檢測沖突的。每個站都測量總線上的直流電平，由于沖突而迭加的直流電平比單個站發(fā)出的信號強，所以IEEE802標準規(guī)定：如果發(fā)送站電纜接頭處的信號強度超過了單個站發(fā)送的最大信號強度，則說明檢測到了沖突。然而，信號在電纜上傳播時會有衰減，如果電纜太長，就會使沖突信號到達遠端時的幅度小于規(guī)定的CD門限值。為此，標準限制了電纜長度(500m或200m)。對于寬帶系統(tǒng)，有幾種檢測沖突的方法。方法之一是把接收的數據與發(fā)送的數據逐位比較：當一個站向入徑上發(fā)送時，同時(考慮了傳播和端頭的延遲后)從出徑上接收數據，通過比較發(fā)現是否有沖突。另外一種方法用于分裂配置，由端頭檢查是否有破壞了的數據，這種數據的頻率與正常數據的頻率不同。對于雙絞線星型網，沖突檢測的方法更簡單(見圖6-15)。這種情況下，HUB監(jiān)視輸入端的活動，若有兩處以上的輸入端出現信號，則認為發(fā)生沖突，并立即產生一個“沖突出現”的特殊信號CP，向所有輸出端廣播。圖6-15(a)是無沖突的情況。在圖6-15(b)中連接Ａ站的IHUB檢測到了沖突，CP信號被向上傳到了HHUB，并廣播到所有的站。圖6-15(c)表示的是三方沖突的例子。圖6-15星型網的沖突檢測6.4.3CSMA/CD協(xié)議的性能分析下面我們分析傳播延遲和數據速率對網絡性能的影響。吞吐率是單位時間內實際傳送的比特數。假設網上的站都有數據要發(fā)送，沒有競爭沖突，各站輪流發(fā)送數據，則傳送一個長度為L的幀的周期為tp+tf，參見圖6-16。由此可得出最大吞吐率為其中d表示網段長度，v為信號在銅線中的傳播速度(大約為光速的65%～77%)，R為網絡提供的數據速率，或曰網絡容量。(6.7)圖6-16a對網絡利用率的影響同時可得出網絡利用率利用a?=?tp/tf得(6.8)這里假定是全雙工信道，MAC子層可以不要應答，而由LLC子層進行捎帶應答。得出的結論是：a(或者Rd的乘積)越大，信道利用率越低。表6-7列出了LAN中a值的典型情況?？梢钥闯觯瑢τ诖蟮母咚倬W絡，利用率是很低的。所以在跨度大的城域網中，同時傳送的不只是一個幀，這樣才可以提高網絡利用率。值得指出的是，以上分析假定沒有競爭，沒有開銷，是最大吞率和最大效率。實際網絡中發(fā)生的情況更差，詳見下面的討論。表6-7a值和網絡利用率6.4.4MAC和PHY規(guī)范最早采用CSMA/CD協(xié)議的網絡是Xerox公司的以太網。1981年，DEC、Intel和Xerox三家公司制定了DIX以太網標準，使這一技術得到越來越廣泛的應用。IEEE802委員制定局域網標準時參考了以太網標準，并增加了幾種新的傳輸介質。下面我們會看到，以太網只是802.3標準中的一種。

1．MAC幀結構

802.3的幀結構如圖6-17所示。每個幀以7個字節(jié)的前導字段開頭，其值為10101010，這種模式的曼徹斯特編碼產生10MHz、持續(xù)9.6

s的方波，作為接收器的同步信號。幀起始符的代碼為10101011，它標志著一個幀的開始。圖6-17802.3的幀格式幀內的源地址和目標地址可以是6字節(jié)或2字節(jié)長，10Mb/s的基帶網使用6字節(jié)地址。目標地址最高位為0時表示普通地址，為1時表示組地址，向一組站發(fā)送稱為組播(Multicast)。全1的目標地址是廣播地址，所有站都接收這種幀。次最高位(第46位)用于區(qū)分局部地址或全局地址，局部地址僅在本地網絡中有效，全局地址由IEEE指定，全世界沒有全局地址相同的站。IEEE為每個硬件制造商指定網卡(NIC)地址的前3個字節(jié)，后3個字節(jié)由制造商自己編碼。長度字段說明數據字段的長度。數據字段可以為0，這時幀中不包含上層協(xié)議的數據。為了保證幀發(fā)送期間能檢測到沖突，802.3規(guī)定最小幀為64字節(jié)，這個幀長是指從目標地址到校驗和的長度；由于前導字段和幀起始符是物理層加上的，所以不包括在幀長中，也不參加幀校驗。如果幀的長度不足64字節(jié)，要加入最多46字節(jié)的填充位。早期的802.3幀格式與DIX以太網不同，DIX以太網用類型字段指示封裝的上層協(xié)議，而IEEE802.3為了通過LLC實現向上復用，因此用長度字段取代了類型字段。實際上，這兩種格式可以并存，兩個字節(jié)可表示的數字值范圍是0～65535，長度字段的最大值是1500，因此1501～65535之間的值都可以用來標識協(xié)議類型。事實上，這個字段的1536～65535(0x0600～0xFFFF)之間的值都被保留作為類型值，而0～1500則被用作長度的值。許多高層協(xié)議(例如TCP/IP、IPX、DECnet4)使用DIX以太網幀格式，而IEEE802.3/LLC在AppleTalk-2和NetBIOS中得到應用。

IEEE802.3x工作組為了支持全雙工操作，開發(fā)了流量控制算法，這使得幀格式出現了一些變化，新的MAC協(xié)議使用類型字段來區(qū)分MAC控制幀和其他類型的幀。IEEE802.3x在1997年2月成為正式標準，使得原來的“以太網使用類型字段而IEEE802.3使用長度字段”的差別消失。

2．CSMA/CD協(xié)議的實現

IEEE802.3采用CSMA/CD協(xié)議，這個協(xié)議的載波監(jiān)聽、沖突檢測、沖突強化、二進指數后退等功能都由硬件實現。這些硬件邏輯電路包含在網卡中。網卡上的主要器件是以太網數據鏈路控制器EDLC(EthernetDataLinkController)，這個器件中有兩套獨立的系統(tǒng)，分別用于發(fā)送和接收，它的主要功能如圖6-18所示。

IEEE802.3使用1—堅持型監(jiān)聽算法，因為這個算法可及時搶占信道，減少空閑期，同時實現也較簡單。在監(jiān)聽到網絡由活動變到安靜后，并不能立即開始發(fā)送，還要等待一個最小幀間隔時間，只有在此期間網絡持續(xù)平靜，才能開始試發(fā)送。最小幀間隔時間規(guī)定為9.6

s。圖6-18EDLC的工作流程在發(fā)送過程中繼續(xù)監(jiān)聽。若檢測到沖突，發(fā)送8個十六進制數的序列55555555，這就是協(xié)議規(guī)定的阻塞信號。接收站要對收到的幀進行校驗，除CRC校驗之外還要檢查幀的長度。短于最小長度的幀被認為是沖突碎片而丟棄，幀長與數據長度不一致的幀以及長度不是整數字節(jié)的幀也被丟棄。另外網卡上還有物理層的部分設備，例如Manchester編碼器與譯碼器，存儲網卡地址的ROM，與傳輸介質連接的收發(fā)器，以及與主機總線的接口電路等。隨著VLSI集成度的提高，網卡技術發(fā)展很快，網卡上的器件數量越來越少，功能越來越強。

3．物理層規(guī)范

802.3最初的標準規(guī)定了６種物理層傳輸介質，這些傳輸介質的主要參考數列在表6-8中。由表6-8可知，Ethernet規(guī)范與10BASE5相同。這里10表示數據速率為10Mb/s，BASE表示基帶，5表示最大段長為500m。其他幾種標準的命名方法是類似的。表6-8802.3的傳輸介質

10BASE5采用特性阻抗為50

的粗同軸電纜。這種網絡的收發(fā)器不在網卡上，而是直接與電纜相連，稱為外收發(fā)器，如圖6-19所示。收發(fā)器電纜最長為15m，電纜段最長為500m，最大結點數限于100個工作站；分接頭之間的距離為2.5m的整數倍，這樣的間隔保證從相鄰分接頭處反射回來的信號不會同相疊加。如果通信距離較遠，可以用中繼器(Repeater)把兩個網絡段連接在一起。標準規(guī)定網絡最大跨度為2.5km，由5段組成，最多含4個中繼器，其中3段為同軸電纜，其余為鏈路段，不含工作站。

10BASE2標準可組成一種廉價網絡，這是因為電纜較細，容易安裝，收發(fā)器包含在工作站內的網卡上，使用T型連接器與BNC接頭直接與電纜相連，如圖6-20所示。由于數據速率相同，10BASE2網段和10BASE5網段可用中繼器混合連接。這兩種標準的主要參數對比如表6-9所示。圖6-1910BASE5的收發(fā)器圖6-2010BASE2的配置表6-910BASE5和10BASE2的標準參數

1BASE5和10BASE-T采用無屏蔽雙絞線(UnshildedTwistedPair)和星型拓撲結構。這兩種網絡的段長是指從工作站到HUB的距離。AT&T開發(fā)的1BASE5網絡叫做StarLAN。10BASE-T是早期市場上最常見的LAN產品，現在已經被更快的100BASE-T產品代替了。

10BROAD36是一種寬帶LAN，采用雙纜或分裂配置，單個網段的長度為1800m，最大端到端的距離是3600m。這種網絡可與基帶系統(tǒng)兼容，方法是把基帶曼碼經過差分相移鍵控(DPSK)調制后發(fā)送到寬帶電纜上。還有一種叫做10BASE-F的網絡，F代表光纖介質，可用同步有源星型或無源星型結構實現，數據速率都是10Mb/s，網絡長度分別為500m和2000m。6.4.5交換式以太網在重負載下，以太網的吞吐率大大下降。實際的通信速率比網絡提供的帶寬低得多，這是因為所有站競爭同一信道所引起的。使用交換技術可以改善這種情況。交換式以太網的核心部件是交換機。圖6-21表示一種早期的交換機結構，這種設備有一個高速底版，底版上有4至32個插槽，每個插槽可連接一塊插入卡，卡上有1至8連接器，用于連接帶有10BASE-T網卡的主機。連接器接收主機發(fā)來的幀，插入卡判斷目標地址；如果目標站是同一卡上的主機，則把幀轉發(fā)到相應的連接器端口，否則就轉發(fā)給高速底板。底板根據專用的協(xié)議進一步轉發(fā)，送達目標站。圖6-21交換式以太網當同一插入卡上有兩個以上的站發(fā)送幀時就發(fā)生沖突。分解沖突的方法取決于插入卡的邏輯結構。一種方法是同一卡上的所有端口連接在一起形成一個沖突域，卡上的沖突分解方法與通常的CSMA/CD協(xié)議一樣處理。這樣一個卡上同時只能有一個站發(fā)送，但整個交換機中有多個插入卡，因而有多個站可同時發(fā)送。對整個網絡的帶寬提高的倍數等于插入卡的數量。另外一種方法是把來自主機的輸入由卡上的存儲器緩沖，這種設計允許卡上同時有多個端口發(fā)送幀。對于存儲的幀的處理方法仍然是適時轉發(fā)，這樣就不存在沖突了。這種技術可以把標準以太網的帶寬提高一到兩個數量級。根據交換方式劃分，交換機可分為下列三類：

(1)存儲轉發(fā)式交換(StoreandForward)：交換機對輸入的數據包先進行緩存、驗證、碎片過濾，然后再進行轉發(fā)。

(2)直通式交換(Cut-through)：在輸入端口掃描到目標地址后立即開始轉發(fā)。這種交換方式比存儲轉發(fā)交換速度快。

(3)碎片過濾式交換(FragmentFree)：在開始轉發(fā)前先檢查數據包的長度是否夠64個字節(jié)，如果小于64字節(jié)，則丟棄之；如果大于等于64字節(jié)，則轉發(fā)。

6.4.6高速以太網

1．快速以太網

1995年100Mb/s的快速以太網標準IEEE802.3u正式頒布，這是基于10BASE-T和10BASE-F技術，在基本布線系統(tǒng)不變的情況下開發(fā)的高速局域網標準。快速以太網使用的傳輸介質如表6-10所示，其中多模光纖的芯線直徑為62.5μm，包層直徑為125μm，單模光線芯線直徑為8μm，包層直徑也是125μm?？焖僖蕴W使用的集線器可以是共享型或交換型，也可以通過堆疊多個集線器來擴大端口數量?；ハ噙B接的集線器起到了中繼的作用，擴大了網絡的跨距。快速以太網使用的中繼器分為兩類，Ⅰ類中繼器中包含了編碼/譯碼功能，它的延遲比Ⅱ類中繼器大，如圖6-22所示。表6-10快速以太網物理層規(guī)范圖6-22Ⅰ類和Ⅱ類中繼器與10Mb/s以太網一樣，快速以太網也要考慮沖突時槽和最小幀長問題?？焖僖蕴W的數據速率提高了10倍，而最小幀長沒有變，所以沖突時槽縮小為5.12μs，我們有(6.9)其中，S表示網絡的跨距；0.7C是0.7倍光速；tphy是工作站物理層時延，由于進出發(fā)送站都會產生時延，所以取其2倍值，這個公式與(8.5)式只有微小差別。按照(8.9)式，可得到計算快速以太網跨距的公式(6.10)按照這個公式，結合表6-10中關于段長的規(guī)定，可以得到圖6-23所示的各種連接方式。圖6-23快速以太網系統(tǒng)跨距在IEEE802.3u的補充條款中說明了10Mb/s和100Mb/s兼容的自動協(xié)商功能。當系統(tǒng)加電后網卡就開始發(fā)送快速鏈路脈沖(FastLinkPulse，FLP)，它是33位二進制脈沖串，前17位為同步信號，后16位表示自動協(xié)商的最佳工作模式信息。原來的10Mb/s網卡發(fā)出的是正常鏈路脈沖(NormalLinkPulse，NLP)，自適應網卡也能識別這種脈沖，從而決定適當的發(fā)送速率。

2．千兆以太網

1000Mb/s以太網的傳輸速率更快，作為主干網提供無阻塞的數據傳輸服務。1996年3月IEEE成立了802.3z工作組，開始制定1000Mb/s以太網標準。后來又成立了有100多家公司參加的千兆以太網聯盟GEA(GibabitEthernetAlliance)，支持IEEE802.3z工作組的各項活動。1998年6月公布的IEEE802.3z和1999年6月公布的IEEE802.3ab已經成為千兆以太網的正式標準。它規(guī)定了四種傳輸介質，如表6-11所示。表6-11千兆以太網標準實現千兆數據速率需要采用新的數據處理技術。首先是最小幀長需要擴展，以便在半雙工的情況下增加跨距。另外802.3z還定義了一種幀突發(fā)方式(framebursting),使得一個站可以連續(xù)發(fā)送多個幀。最后物理層編碼也采用了與10Mb/s不同的編碼方法，即4B/5B或8B/9B編碼法。千兆以太網標準可適用于已安裝的綜合布線基礎之上，以保護用戶的投資。

3．萬兆以太網

2002年6月，IEEE802.3ae標準發(fā)布，支持10Gb/s的傳輸速率，其規(guī)定的幾種傳輸介質如表6-12所示。傳統(tǒng)以太網采用CSMA/CD協(xié)議，即帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問技術。與千兆以太網一樣，萬兆以太網基本應用于點到點線路，不再共享帶寬，沒有沖突檢測，載波監(jiān)聽和多路訪問技術也不再重要。千兆以太網和萬兆以太網采用與傳統(tǒng)以太網同樣的幀結構。表6-12IEEE802.3ae萬兆以太網標準6.4.7虛擬局域網虛擬局域網(VirtualLocalAreaNetwork，VLAN)是根據管理功能、組織機構或應用類型對交換局域網進行分段而形成的邏輯網絡。虛擬局域網與物理局域網具有同樣的屬性，然而其中的工作站可以不屬于同一物理網段。任何交換端口都可以分配給某個VLAN，屬于同一個VLAN的所有端口構成一個廣播域。每一個VLAN是一個邏輯網絡，發(fā)往VLAN之外的分組必須通過路由器進行轉發(fā)。圖6-24顯示了一個VLAN設計的實例，其中為每個部門定義了一個VLAN，3個VLAN分布在不同位置的3臺交換機上。圖6-24把交換局域網劃分成VLAN在交換機上實現VLAN，可以采用靜態(tài)的或動態(tài)的方法：

(1)靜態(tài)分配VLAN：為交換機的各個端口指定所屬的VLAN。這種基于端口的劃分方法是把各個端口固定地分配給不同的VLAN，任何連接到交換機的設備都屬于接入端口所在的VLAN。

(2)動態(tài)分配VLAN：動態(tài)VLAN通過網絡管理軟件包來創(chuàng)建，可以根據設備的MAC地址、網絡層協(xié)議、網絡層地址、IP廣播域或管理策略來劃分VLAN。根據MAC地址劃分VLAN的方法應用最多，一般交換機都支持這種方法。無論一臺設備連接到交換網絡的任何地方，接入交換機根據設備的MAC地址就可以確定該設備的VLAN成員身份。這種方法使得用戶可以在交換網絡中改變接入位置，而仍能訪問所屬的VLAN。但是當用戶數量很多時，對每個用戶設備分配VLAN的工作量是很大的管理負擔。把物理網絡劃分成VLAN的好處是：

(1)控制網絡流量：一個VLAN內部的通信(包括廣播通信)不會轉發(fā)到其他VLAN中去，從而有助于控制廣播風暴，減小沖突域，提高網絡帶寬的利用率。

(2)提高網絡的安全性：可以通過配置VLAN之間的路由來提供廣播過濾、安全和流量控制等功能。不同VLAN之間的通信受到限制，提高了企業(yè)網絡的安全性。

(3)靈活的網絡管理：VLAN機制使得工作組可以突破地理位置的限制而根據管理功能來劃分。如果根據MAC地址劃分VLAN，用戶可以在任何地方接入交換網絡，實現移動辦公。在劃分成VLAN的交換網絡中，交換機端口之間的連接分為兩種：接入鏈路連接(Access-LinkConnection)和中繼連接(TrunkConnection)。接入鏈路只能連接具有標準以太網卡的設備，也只能傳送屬于單個VLAN的數據包。任何連接到接入鏈路的設備都屬于同一廣播域，這意味著，如果有10個用戶連接到一個集線器，而集線器被插入到交換機的接入鏈路端口，則這10個用戶都屬于該端口規(guī)定的VLAN。中繼鏈路是在一條物理連接上生成多個邏輯連接，每個邏輯連接屬于一個VLAN，在進入中繼端口時，交換機在數據包中加入VLAN標記。這樣，在中繼鏈路另一端的交換機就不僅根據目標地址、而且要根據數據包所屬的VLAN進行轉發(fā)決策。圖6-25中用不同的顏色表示不同VLAN的幀，這些幀共享同一條中繼鏈路。圖6-25接入鏈路和中繼鏈路為了與接入鏈路設備兼容，在數據包進入接入鏈路連接的設備時，交換機要刪除VLAN標記，恢復原來的幀結構。添加和刪除VLAN標記的過程是由交換機中的專用硬件自動實現的，處理速度很快，不會引入太大的延遲。從用戶角度看，數據源產生標準的以太幀，目標接收的也是標準的以太幀，VLAN標記對用戶是透明的。

IEEE802.11q定義了VLAN幀標記的格式，在原來的以太幀中增加了4個字節(jié)的標記(Tag)字段，如圖6-26所示，其中標記控制信息(TagControlInformation，TCI)包含Priority、CFI和VID三部分，各個字段的含義參見表6-13。圖6-26802.1q幀格式表6-13802.1q幀標記6.5令?牌?環(huán)?網最早的令牌環(huán)網是1969年貝爾實驗室研制的Newhall環(huán)，后來IBM公司把這種技術用于局域網中，叫做IBM令牌環(huán)(Token-Ring)。IEEE802.5標準與IBMToken-Ring是兼容的，我們首先討論這個標準的主要內容。6.5.1令牌環(huán)網的工作特點實際上，令牌環(huán)并不是廣播介質，而是用中繼器(Repeater)把各個點到點線路鏈接起來，形成首尾相接的環(huán)路。由于發(fā)送的幀沿環(huán)路傳播時能到達所有站，所以可以起到廣播傳送的作用。中繼器是連接環(huán)網的主要設備，它的主要功能是把本站的數據發(fā)送到輸出鏈路上，也可以把發(fā)送給本站的數據拷貝到站中。一般情況下，環(huán)上的數據幀由發(fā)送站回收，這種方案有兩個好處：實現組播功能：當幀在環(huán)上循環(huán)一周時，可被多個站拷貝；允許自動應答：當幀經過目標站時，目標站可改變幀中的應答字段，從而無須返回專門的應答幀。中繼器有3種工作狀態(tài)，如圖6-27所示。在監(jiān)聽狀態(tài)，中繼器把輸入鏈路接收的數據轉發(fā)到輸出鏈路上，中間有1bit延遲。監(jiān)聽狀態(tài)的功能是：

(1)掃描經過的比特流，發(fā)現數據幀中的地址字段或者識別令牌幀；

(2)在轉發(fā)的同時把發(fā)給本站的幀拷貝到站中；

(3)必要時修改幀中的某些字段，例如可改變幀中的應答位。當中繼器連接的站得到令牌并有數據要發(fā)送時，中繼器轉入發(fā)送狀態(tài)。在這種狀態(tài)，中繼器從本地站接收數據，并轉發(fā)到輸出鏈路上。同時還可能有數據從輸入鏈路進來，這時有兩種情況需區(qū)別對待：

(1)當環(huán)的比特長度小于幀長時，進來的數據可能是正在發(fā)送的幀的前半部分，這時中繼器從輸入鏈路吸收數據進入本站，由站中的邏輯檢查應答字段。

(2)有些情況下，環(huán)上可能有多個幀，輸入鏈路進來的不是本站發(fā)送的幀。中繼器把這些幀送入本站進行緩沖，待發(fā)完本站的幀后再發(fā)送出去。當本地站不工作時，中繼器處于繞過狀態(tài)，這時1bit的延遲從環(huán)中除去，本地站與環(huán)網斷開。令牌是一種特殊的幀，它在環(huán)上循環(huán)移動。當一個站得到令牌并有數據發(fā)送時就留下令牌，發(fā)出數據幀。數據幀在沿環(huán)傳輸的過程中被目標站拷貝，最后到達原發(fā)送站被回收。同時發(fā)送站可檢查返回幀中的應答字段，如果確認目標站已正確接收就放出令牌，讓下游站獲得發(fā)送機會。這個工作過程表示在圖6-28中。圖6-27中繼器的工作狀態(tài)圖6-28令牌環(huán)工作原理6.5.2令牌環(huán)的MAC協(xié)議

1．MAC幀結構

IEEE802.5的MAC幀格式如圖6-29所示?？梢钥闯觯钆浦话琒D、AC和ED三個字節(jié)，是一種特殊的MAC幀。下面解釋這些字段的含義。

1)幀邊界令牌環(huán)網使用差分曼徹斯特編碼，這種代碼無論是“0”或“1”比特，中間都有電平跳變。表示幀開始的SD=JK0JK000，表示幀結束的ED?=?JK1JK1IE，J和K是沒有電平跳變的非數據比特，J保持高電平，K保持低電平。以這兩種特殊符號表示幀的開始和結束，這種方法稱為物理符號成幀法。同樣，I是中間位，可區(qū)分中間幀和最后一幀；E是差錯位，發(fā)送站置0，傳遞過程中任意站檢測到差錯時可以將其置1。圖6-29IEEE802.5幀格式

2)尋址與校驗尋址與校驗和802.3相同，FCS校驗的范圍是從FC字段到LLC數據字段，因為AC字段和FS字段中的某些位在傳送過程中可能改變，故不參加校驗。

3)訪問控制

AC字段的編碼為PPPTMRRR，其中3位P表示優(yōu)先級，環(huán)上的各種幀可分為8種優(yōu)先級(PPP?=?000～111)；3位R是預約位，工作站用R位預約具有特定優(yōu)先級的令牌；T位是令牌位，T=0表示令牌幀，T?=?1表示其他幀；M位是監(jiān)控位，它的作用后面解釋。

4)幀控制字段

FC字段編碼為FFZZZZZZ，用于表示幀的類型：FF?=?00時為MAC控制幀，FF?=?01表示數據幀；6個Z比特表示各種不同的控制幀，表6-14中列出幾種主要的控制幀。表6-14802.5定義的MAC控制幀

5)幀狀態(tài)幀狀態(tài)字段的編碼為ACrrACrr，其中r比特沒有使用，AC用于應答，兩個AC是為了可靠。具體規(guī)定是：

(1)發(fā)送站置AC?=?00；

(2)目標站識別出了該幀，但校驗出錯時置AC?=?10；

(3)目標站正確接收時置AC?=?11。這樣，當幀返回發(fā)送站時，若AC仍為00，可斷定目標站不存在，其他兩種情況用于確定是否需要重發(fā)。

6)數據字段不限制長度，但限制各個站持有令牌的時間，在此時間之內可傳送完的LLC數據都可裝入同一幀中。

2．令牌環(huán)的管理令牌環(huán)網采用了部分集中控制的管理方案，環(huán)的主要管理功能由監(jiān)控站(Monitor)執(zhí)行。監(jiān)控站是由所有站選舉出來的，當一個監(jiān)控站失效時，其他站還可再選舉另一個新的監(jiān)控站。監(jiān)控站的作用如下：

(1)保證不丟失令牌。如果持有令牌的站失效，令牌就會丟失。監(jiān)控站有一個定時器，放出令牌時把定時器設置為最長無令牌時間(即每個站都截留令牌并發(fā)送最長數據幀的總時間)，然后時間遞減，若到減零時還未返回令牌就廢棄到達的數據幀，放出新令牌。

(2)清除無主幀。若發(fā)送站在數據幀返回前失效，則該幀無人回收，成為在環(huán)上連續(xù)循環(huán)的無主幀。識別無主幀要用到AC字段中的監(jiān)控位M。發(fā)送站置M為0，經過監(jiān)控站時重置為1。如果M為1的幀再一次回到監(jiān)控站，則被監(jiān)控站回收，并放出新令牌。

(3)保持環(huán)路的最小時延。環(huán)路總時延包括傳輸介質延遲和每個站1?bit時延。如果環(huán)網長度較短，活動的工作站很少，則總時延可能小于24bit時延。只有保證環(huán)路時延大于令牌的24?bit時延，環(huán)網才能正常工作。監(jiān)控站隨時測量環(huán)路總時延，若小于24?bit，就插入額外的時延，使令牌能在環(huán)上轉動起來。

(4)回收無效幀。監(jiān)控站監(jiān)視環(huán)上流動的幀，發(fā)現格式錯或校驗出錯的幀，并把這些幀從環(huán)中取走，并放出新令牌。

3．令牌環(huán)的初始化和故障恢復如果把連接環(huán)網的中繼器集中在一起，就形成了如圖6-30所示的環(huán)網集線器，或者叫做線路中心。連接環(huán)網的中繼器內部有旁路開關，站不工作時開關閉合，站被旁路了，當站加電時，開關打開，站就插入環(huán)中。站入環(huán)后首先要測試環(huán)中是否有地址相同的站，并把自己的地址通知其下游鄰站，這個過程叫做環(huán)的初始化。這里要用到兩種MAC控制幀。圖6-30環(huán)網線路中心的工作原理站首先發(fā)出DAT幀，并在目標地址字段寫入自己的地址。若環(huán)內有相同地址的站，會把幀狀態(tài)字節(jié)的A比特置1，當幀返回后可據此判斷是否有地址相同的站。若發(fā)現有相同的站，則把繼電器開關轉為旁路狀態(tài)，并報告網絡管理層；若沒有地址相同的站，則發(fā)送SMP幀，聲明自己已插入環(huán)中。環(huán)上的其他站收到AC為00的SMP幀，就認為是上游鄰站發(fā)來的，這時要記住上游鄰站的地址(即SWP幀中的SA字段)，并將AC置為11。上游站地址在環(huán)網管理中是有用的。當網絡正常工作時監(jiān)控站不斷發(fā)送AMP幀，別的站看到有AMP幀經過就認為監(jiān)控站存在。當其他站在一定時間內沒有檢測到AMP幀時就要選舉產生一個新的監(jiān)控站。這時各個站先后發(fā)送CTN幀，并檢查收到的CTN幀中的源地址SA，可能有三種情況：

(1)?SA等于本站地址，說明本站發(fā)出的CTN幀已繞環(huán)一周，自己成為監(jiān)控站；

(2)?SA小于本地地址，不理睬這種幀，繼續(xù)發(fā)送自己的CTN幀；

(3)?SA大于本站地址，停止發(fā)送CTN幀，改為發(fā)送SMP幀。顯然競爭的結果是地址值最大的站成為新的監(jiān)控站。當站在一段時間內沒有收到任何信息時，可假定上游鄰站已失效，環(huán)中出現斷點。這時可向失效的站發(fā)送BCN幀，促使其關閉旁路繼電器開關，以便從失效中恢復。當多個站點失效時，可能需要報告網絡管理層，甚至需要人工干預。最后我們把以上兩種網絡的特點作一對比，表示在表6-15中。表6-15各種局域網的比較6.5.3光纖環(huán)網FDDI美國國家標準學會(A