部分內(nèi)容計算機專業(yè) 局域網(wǎng)研究

1、第4章局域網(wǎng)研究 （美）菲茲杰拉德，（美）丹尼斯 著 數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第四章 局域網(wǎng)局域網(wǎng)LAN(Local Area Network),是一種在有限的地理范圍內(nèi)將大量PC機及各種設(shè)備互連一起實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和資源共享的計算機網(wǎng)絡(luò)。社會對信息資源的廣泛需求及計算機技術(shù)的廣泛普及，促進了局域網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展。在當(dāng)今的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了十分重要的地位。本章從介紹局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手,詳細討論CSMA/CD總域網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)及令牌總線網(wǎng)的媒體訪問控制方法，最后不定期要介紹光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI和局域網(wǎng)的操作系統(tǒng)。4.1 局域網(wǎng)的主要技術(shù)4.1.1局域網(wǎng)的特

2、點區(qū)別于一般的廣域網(wǎng)(WAN),局域網(wǎng)(LAN)具有以下特點：(1)地理分布范較小,一般為數(shù)百米至數(shù)公里?？筛采w一幢大樓、一所校園或一個企業(yè)。(2)數(shù)據(jù)傳輸速率高，一般為0.1-100Mbps，目前已出現(xiàn)速率高達1000Mbps的局域網(wǎng)?？山粨Q各類數(shù)字和非數(shù)字(如語音、圖象、視頻等)信息。(3)誤碼率低，一般在10-11-10-8以下。這是因為局域網(wǎng)通常采用短距離基帶傳輸，可以使用高質(zhì)量的傳輸媒體，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。(4)以PC機為主體，包括終端及各種外設(shè)，網(wǎng)中一般不設(shè)中央主機系統(tǒng)。(5)一般包含OSI參考模型中的低三層功能，即涉及通信子網(wǎng)的內(nèi)容。(6)協(xié)議簡單、結(jié)構(gòu)靈活、建網(wǎng)成本低、周

3、期短、便于管理和擴充。局域網(wǎng)可分成三大類；一類是平時常說的局域網(wǎng)LAN;另一類是采用電路交換技術(shù)的局域網(wǎng),稱計算機交換機CBX(Computer Branch eXchange)或PBX(Private Branch eXchange);還有一類是新發(fā)展的高速局域網(wǎng)HSLN(High Speed Local Network)。在LAN和WAN之間的是城市區(qū)域網(wǎng)MAN(Metropolitan Area Network)簡稱城域網(wǎng)。MAN是一個覆蓋整個城市的網(wǎng)絡(luò)，但它使用LAN的技術(shù)。局域網(wǎng)的特性主要涉及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸媒體和媒體訪問控制(Medium Access Control,MAC)等三項

4、技術(shù)問題，其中最重要的是媒體訪問控制方法。局域網(wǎng)的技術(shù)特性見表4.1。4.1.2 局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)性能是有很大的影響。選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先要考慮采用何種媒體訪問控制方法，因為特定的媒體訪問控制方法一般僅適用于特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其次要考慮性能、可靠性、成本、擴充靈活性、實現(xiàn)的難易程度及傳輸媒體的長度等因素。局域網(wǎng)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線、環(huán)形、星形三種。有關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的概念已在第二章中做了介紹，這里再針對局域網(wǎng)的拓?fù)溥m用范圍做一些說明?？偩€網(wǎng)一般采用分布式媒體訪問控制方法。總線網(wǎng)可靠性高、擴充性能好、通信電纜長度短、成本低，是用來實現(xiàn)局域網(wǎng)的最通用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，著名的以太網(wǎng)的

5、CSMA/CD;另一種是總線拓?fù)渚W(wǎng)與令牌環(huán)相結(jié)合的變形，其在物理連接上是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而在邏輯結(jié)構(gòu)上則采用令牌環(huán)，兼有了總線結(jié)構(gòu)和令牌環(huán)的優(yōu)點?？偩€網(wǎng)的缺點是若主干電纜某處發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡(luò)將癱瘓；另外，當(dāng)網(wǎng)上站點較多時，會因數(shù)據(jù)沖突增多而使效率降低。環(huán)形網(wǎng)也采用分布式媒體訪問控制方法。環(huán)形網(wǎng)控制簡單、信道利用率高、通信電纜長度短、不存在數(shù)據(jù)沖突問題,在局域網(wǎng)中應(yīng)用較廣泛，典型實例有IBM令牌環(huán)(Token Ring)網(wǎng)和劍橋環(huán)(Cambrige Ring)網(wǎng)。另外還有一種FDDI結(jié)構(gòu),它是采用光纖作為傳輸媒體的高速通用令牌環(huán)網(wǎng)，常用于高速局域網(wǎng)HSLN和城域網(wǎng)MAN中。環(huán)形網(wǎng)的缺點是對節(jié)點接

6、口和傳輸線的要求較高，一旦接口發(fā)生故障可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)不能正常工作。星形網(wǎng)往往采用集中式媒體訪問控制方法。星形網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易、信息延遲確定。其缺點是通信電纜總長度長、傳輸媒體不能共享。星形網(wǎng)的典型實例是計算機交換機CBX。4.1.3 局域網(wǎng)的傳輸媒體LAN中使用的傳輸方式有基帶和寬帶兩種?；鶐в糜跀?shù)字信號傳輸,常用的傳輸媒體有雙絞線或同軸電纜。寬帶用于無線電頻率范圍內(nèi)的模擬信號的傳輸,常用同軸電纜。表4.2給出了這兩種傳輸方式的比較。 表4.2基帶、寬帶傳輸方式比較基帶寬帶數(shù)字信號傳輸全部帶寬用于單路信道傳輸雙向傳輸總線拓?fù)渚嚯x達數(shù)公里模擬信號的傳輸(需用MODEM)使用FDM技術(shù)，多路

7、信道復(fù)用單向傳輸總線或樹形拓?fù)渚嚯x達數(shù)十公里1.基帶系統(tǒng)使用數(shù)字信號傳輸?shù)腖AN定義為基帶LAN。數(shù)字信號通常采用曼徹斯特編碼傳輸，媒體的整個帶寬用于單信道的信號傳輸，不采用頻分多路復(fù)用技術(shù)。數(shù)字信號傳輸要求用總線形拓?fù)?，因為?shù)字信號不易通過樹形拓?fù)渌蟮姆至哑骱瓦B接器?；鶐到y(tǒng)只能延伸數(shù)公里的距離，這是由于信號的衰減會引起脈沖減弱和模糊，以致無法實現(xiàn)更大距離上的通信?；鶐鬏斒请p向的，媒體上任意一點加入的信號沿兩個方向傳輸?shù)絻啥说亩私悠?即終端接收阻抗器)，并在那里被吸收，如圖4.1所示。 圖4.1 雙向基帶系統(tǒng) 總線LAN常采用50的基帶同軸電纜。對于數(shù)字信號來說,50電纜受到來自接頭插

8、入容抗的反射不那么強,而且對低頻電磁噪聲有較好的抗干擾性。最簡單的基帶同軸電纜LAN由一段無分枝的同軸電纜構(gòu)成，兩端接有防反射的端接器,推薦的最大長度為500米。站點通過接頭接入主電纜，任何兩接頭間的距離為2.5米的整倍數(shù),這是為了保證來自相鄰接頭的反射在相位上不致于疊加。推薦的最多接頭數(shù)目為100個，每個接頭包括一個收發(fā)器,其中包含發(fā)送和接收用的電子線路。為了延伸網(wǎng)絡(luò)的長度，可以采用中繼器。中繼器由組合在一起的兩個收發(fā)器組成，連到不同的兩段同軸電纜上。中繼器在兩段電纜間向兩個方向傳送數(shù)字信號，在信號通過時將信號放大和復(fù)原。因而，中繼器對于系統(tǒng)的其余部分來說是透明的。由于中繼器不做緩沖存貯操作

9、，所以并沒有將兩段電纜隔開，因此如果不同段上的兩個站同時發(fā)送的話，它們的分組將互相干擾(沖突)。為了避免多路徑的干擾，在任何兩個站之間只允許有一條包含分段和中繼器的路徑。802標(biāo)準(zhǔn)中，在任何兩個站之間的路徑中最多只允許有4個中繼器，這就將有效的電纜長度延伸到2.5公里。圖4.2是一個具有3個分段和兩個分段和兩個中繼器的基帶系統(tǒng)例子。雙絞線基帶LAN用于低成本、低性能要求的場合，比絞線安裝容易，但往往限制在1公里以內(nèi)，數(shù)據(jù)速率為1Mbps-10Mbps。 圖4.2 帶中繼器的基帶系統(tǒng) 2、寬帶系統(tǒng)在LAN范圍內(nèi)，寬帶一般用于傳輸模擬信號，這些模擬載波信號工作在高頻范圍(通常為10400MHz)，

10、因而可用FDM技術(shù)把寬帶電纜的帶寬分成功經(jīng)驗多個信道或頻段。寬帶系統(tǒng)采用總線/樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以達到比基帶大得多的傳輸距離(達數(shù)十公里),這是因為攜帶數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號，在噪聲和和衰減損失數(shù)據(jù)之前，可以傳播較長的距離。寬帶同基帶一樣，系統(tǒng)中的站點是通過搠頭接入電纜的。但是，與基帶不同的是寬帶本質(zhì)上是一種單方向傳輸?shù)拿襟w，加到媒體上的信號只能沿一個方向傳播。這種單向性質(zhì)，意味著只有處于發(fā)送站“下游”的站點才能疏到發(fā)送站的信號。因此需有兩條數(shù)據(jù)路徑，這些路徑在網(wǎng)絡(luò)的端頭處接在一起。對于總線拓?fù)?，端頭就是總線的一端；對于樹形拓?fù)?，端頭具有分枝的樹根。所有站沿一條路徑(入徑)向端頭傳輸，在端頭接疏到的

11、信號,再沿另一條數(shù)據(jù)路徑(出徑)離開端頭傳輸，所有的站點都在出徑上接收。 圖4.3 雙向?qū)拵到y(tǒng) 在物理上，可用雙電纜和中分(Midsplit)兩種不同的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輸入和輸出的通路，如圖4.3所示。在雙電費結(jié)構(gòu)中，入徑和出徑是分開的兩根電纜,兩者間的端頭只是一個無源聯(lián)接裝置，每個站點以相同的頻率發(fā)送和接收。在中分構(gòu)造中,入徑和出徑是同一電纜上的不同頻率，雙向放大器傳送較低頻率(5116MHz)的入徑和較高頻率(168300MHz)的出徑。端頭飽含一個稱為頻率轉(zhuǎn)換器的裝置，將入徑頻率轉(zhuǎn)換為出徑頻率。頻率轉(zhuǎn)換器可以是模擬裝置也可以是數(shù)字裝置，模擬裝置只要把信號轉(zhuǎn)換成一個新的頻率并重發(fā)就可以了，而數(shù)

12、字裝置則先要在端頭恢復(fù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后再在新的頻率上重發(fā)凈化了的數(shù)據(jù)。4.1.4 局域網(wǎng)的媒體訪問控制方法環(huán)形或總線拓?fù)渲?，由于只有一條物理傳輸通道連接所有的設(shè)備，因此，連到網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備必須遵循一定的規(guī)則，才能確保傳輸媒體的正常訪問和使用。常用的媒體訪問控制方法有：具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)、控制令牌(Control Token)及時槽環(huán)(Slotted Ring)三種技術(shù)。1、具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問 CSMA/CD具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問 CSMA/CD采用

13、隨機訪問和競爭技術(shù)，這種技術(shù)只用于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。CSMA/CD結(jié)構(gòu)將所有的設(shè)備都直接連到同一條物理信道上,該信道負(fù)責(zé)任何兩個設(shè)備之間的全部數(shù)據(jù)傳送，因此稱信道是以“多路訪問”方式進行操作的。站點以幀的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，幀的頭部含有目的和源點的地址。幀在信道上以廣播方式傳輸，所有連接在信道上的設(shè)備隨時都能檢測到該幀。當(dāng)目的地站點檢測到目的地址為本站地址的幀時，就接收幀中所攜帶的數(shù)據(jù)，并按規(guī)定的鏈路協(xié)議給源站點返回一個響應(yīng)。采用這種操作方法時，在信道上可能有兩個或更多的設(shè)備在同一瞬間都會發(fā)送幀，從而在信道上千萬幀的重疊而出現(xiàn)并有差錯，這種現(xiàn)象稱為沖突。為減少這種沖突，源站點在發(fā)送幀之前，首先要監(jiān)聽

14、信道上是否有其它站點發(fā)送的載波信號(即進行“載波監(jiān)聽”)，若監(jiān)聽到信道上有載波信號則推遲發(fā)送，直到信道恢復(fù)到安靜(空閑)為止。另外，還要采用邊發(fā)送邊監(jiān)聽的技術(shù)(即“沖突檢測”)，若監(jiān)聽到干擾信號，就表示檢測到?jīng)_突，于是就要立即停止發(fā)送。為了確保沖突的其它站點知道發(fā)生了沖突，首先在短時間里持續(xù)發(fā)送一串阻塞(Jam)碼,卷入沖突的站點則等待一隨機時間，然后準(zhǔn)備重發(fā)受到?jīng)_突影響的幀。這種技術(shù)對發(fā)生沖突的傳輸能迅速發(fā)現(xiàn)并立即停止發(fā)送,因此能明顯減少沖突次數(shù)和沖突時間。CMSA/CD媒體訪問控制的具體實現(xiàn)，將在本章第4.3節(jié)中再詳細介紹。2、控制令牌控制令牌是另一種傳輸媒體訪問控制方法。它是按照所有站點

15、共同理解和遵守的規(guī)則，從一個站點到另一個站點傳遞控制令牌，一個站點只有當(dāng)它占有令牌時，才能發(fā)送數(shù)據(jù)端幀，發(fā)完幀后，即把令牌傳遞下一個站點。其操作次序如下：首先建立一個邏輯環(huán)，將所有站點同物理媒體相連，然后產(chǎn)生一個控制令牌。控制令牌由一個站點沿著邏輯環(huán)順序向下一個站點傳遞。等待發(fā)送幀的站點接收到控制令牌后，把要發(fā)送的幀利用物理媒體發(fā)送出去，然后再將控制令牌沿邏輯環(huán)傳遞給下一站點?？刂屏钆品椒ǔ擞糜诃h(huán)形網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(即令牌環(huán))之外,也可以用于總線網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(即令牌總線)，這兩類結(jié)構(gòu)建立的邏輯環(huán)分別如圖4.4(a)、(b)所示。 圖4.4 控制令牌媒體訪問控制 對于一個物理環(huán)，令牌傳遞的邏輯結(jié)構(gòu)和物

16、理環(huán)的結(jié)構(gòu)是相同的，令牌傳遞的次序和站點連接的物理次序也是一致的；百對于總線網(wǎng)，邏輯環(huán)次序則不必和電纜上的站點連接次序相對應(yīng)，所有站點沒有必要抱著按邏輯環(huán)連接。例如圖4.4(b)中,H站并不是邏輯環(huán)的一總部分，這意味著H站永遠拿不到令牌,因此只能以接收方式工作。令牌訪問方式的具體的控制方法將在本章第4.4節(jié)、4.5節(jié)詳細介紹。3、時槽環(huán)時槽環(huán)只用于環(huán)形網(wǎng)的媒體控制訪問，這種方法對每個節(jié)點預(yù)先安排一個特定的時間內(nèi)段(即時槽段)，每個節(jié)點只能在時槽內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)較長，可用多個時槽來傳輸。時槽環(huán)采用集中控制方式，這種方法首先由環(huán)中被稱為監(jiān)控的站的特定節(jié)點起動環(huán)，并產(chǎn)生若干個固定長度的比特串，這種

17、比特串即稱為時槽。時槽子不停地繞環(huán)從一個站點傳遞到另一個站點。當(dāng)一個站點收到時槽子時，由該站點的接口閱讀后再將其轉(zhuǎn)發(fā)到下一個站點，如此一直循環(huán)下去。監(jiān)控站確?？傆幸粋€固定數(shù)目的時槽繞環(huán)傳送，而不考慮組成環(huán)的站點數(shù)目。每個時槽能攜帶一個固定尺寸的停息幀，時槽幀的格式如圖4.5(a)所示。時槽環(huán)初始化時，由監(jiān)控站將每個時槽開頭的滿/空位置為空狀態(tài)。某個站點要發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先要得到一個空時槽，然后將該時槽的滿/空位置為空狀態(tài)，將數(shù)據(jù)的內(nèi)容插入時槽中，同時在幀的頭部未填入目的地地址和源地址，并將幀尾部的兩個響應(yīng)位全置為1,然后發(fā)送該時槽，使它繞物理環(huán)從一個站點至另一個站點傳送。環(huán)中每個站對任何置滿的時

18、槽頭部的目的地址進行檢測，如果檢測到是自己的地址，便從時槽中閱讀所攜帶的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并修改時槽尾部的一對響應(yīng)位，然后通過環(huán)再將它轉(zhuǎn)發(fā)也去。如果目的地站點忙或者拒收，則響應(yīng)位做相應(yīng)的標(biāo)記或保留不做改變。源站點在起動一個幀發(fā)送之后，要等到該幀繞環(huán)一周。由于每個站均知道環(huán)上時槽的總數(shù)，由環(huán)接口對時槽轉(zhuǎn)發(fā)計數(shù)可知道所發(fā)時槽的到來。此后，源站點將所用時槽重新標(biāo)記為空狀態(tài)，并閱讀時槽尾部的響應(yīng)位，以確定是否應(yīng)舍棄已被發(fā)送的該幀備份，或者重發(fā)該幀。由于采用了響應(yīng)位，就不需要設(shè)置獨立的響應(yīng)幀。 圖4.5 時槽環(huán)原理 監(jiān)控站傳遞位由監(jiān)控站用于監(jiān)測各個站點發(fā)送的幀是否有差錯或站點有無故障，該位由源站點在發(fā)送幀時置“0”。當(dāng)滿時槽在環(huán)接口上轉(zhuǎn)發(fā)時，由監(jiān)控站對每一個滿時槽的該位置“1”。如果監(jiān)控站在其轉(zhuǎn)發(fā)某個滿時槽時，測得監(jiān)控站傳遞位已被置為1，就認(rèn)為源站點有故障，便可將該幀的滿/空位置為空，并釋放空時槽。時槽尾部的兩個控制位是提供給DTE高層協(xié)議使用的，在媒體訪問控制層中沒有意義。需要特別指出的是，在時槽環(huán)