1 以太网的分类
以太网的特点是多个数据终端共享传输总线。以太网按其总线的传输速率可划分为10 Mbit/s以太网、100 Mbit/s以太网、1 000 Mbit/s(吉比特)以太网以及10 Gbit/s以太网等;以太网按其总线的传输介质可划分为同轴电缆以太网、双绞线以太网以及光纤(多模、单模)以太网。
2 载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议
共享式以太网的核心思想是多个主机共享公共传输通道。在电话通信中采用了时分、频分或码分等方法,使多个用户终端共享公共传输通道。但在数据通信中,数据是突发性的,若占用固定时隙、频段或信道进行数据通信,会造成资源上的浪费。
若多个主机共享公共传输通道(总线)而不采取任何措施,必然会产生碰撞与冲突。CSMA/CD协议正是为解决多个主机争用公共传输通道而制定的。
(1) 载波侦听多路访问(CSMA)
每个以太网帧(MAC帧)均有源主机和宿主机的物理地址(MAC地址)。当网上某台主机要发送MAC帧时,应先监听信道。如果信道空闲,则发送;如果发现信道上有载波(指基带信号),则不发送,等信道空闲时立即发送或延迟一个随机时间再发送,从而大大减少碰撞的次数。
(2) 碰撞检测(CD)
对于碰撞检测,在一般情况下,当总线上的信号摆动超过正常值时,即认为发生冲突。这种检测方法容易出错,因为信号在线路上传播时存在衰耗,当两个主机相距很远时,另一台主机的信号到达时已经很弱,与本地主机发送的信号叠加时,达不到冲突检测的幅度,就会出错。为此,IEEE 802郾3标准中限制了线缆的长度。目前,应用较多的冲突检测方法是主机的发送器把数据发送到线缆上,该主机的接收机又把数据接收回来,然后与发送数据相比,判别是否一致。若一致,则无冲突发生;若不一致,则表示有冲突发生。
3 MAC帧格式
每一帧以7个字节的前导码开始,前导码为“1010”交替码,其作用是使目的主机接收器时钟与源主机发送器时钟同步。紧接着是帧开始分界符字节“10101011”,用于指示帧的开始。
帧包括两个地址:目的地址和源地址。目的地址最高位如为“0”,则表示普通地址;如为“1”,则表示组地址。地址的次高位用于区分是局部地址还是全局地址。局部地址由局部网络管理者分配,离开这个局部网,该地址就毫无意义。全局地址由IEEE统一分配,以保证全世界没有两个主机具有相同的全局地址。允许大约有7×1013个全局地址。全局地址可用于全球性的MAC帧寻址。
数据域长度给出数据域中存在多少个字节的数据,其值为0~1 500。数据域长度为“0”是合法的,但太短的帧在传送过程中可能会产生问题,其中一个原因就是:当主机检测到冲突时,便停止发送,这时一部分数据已经发送到线缆上,而目的主机却无法简单区分这是正确帧还是垃圾帧。为此,IEEE规定:正确长度必须大于64字节,如果小于64字节,那么必须用填充字段填充到帧的最小长度。
4 以太网的互联
根据OSI 7层模型,以太网可以在低3层和高3层上互联。实现互联的网元设备有中继器、集线器、网桥、路由器、交换机和网关。
41 中继器
中继器工作在OSI 7层模型的物理层。因为数字脉冲信号经过一定距离的传输后,会产生衰耗和波形失真,在接收端引起误码。中继器的作用是再生(均衡放大、整形)通过网络传输的数据信号,扩展局域网的范围。
中继器工作在物理层,对高层协议是完全透明的。用中继器相联的两个网络,对链路层而言相当于一个网络,中继器仅起到扩展距离的作用,而不能提供隔离和扩展有效带宽的作用。
42 集线器(Hub)
集线器就像一个星型结构的多端口转发器,每个端口都具有发送与接收数据的能力。当某个端口收到连在该端口上的主机发来的数据时,就转发至其它端口。在数据转发之前,每个端口都对它进行再生、整形,并重新定时。
集线器可以互相串联,形成多级星型结构,但相隔最远的两个主机受最大传输延时的限制,因此只能串联几级。当连接的主机数过多时,总线负载很重,冲突将频频发生,导致网络利用率下降。
与中继器一样,集线器工作在OSI 7层模型的物理层,不能提供隔离作用,相当于一个多端口的中继器。
43 网桥
网桥工作在OSI 7层模型的链路层(MAC层)。当一个以太网帧通过网桥时,网桥检查该帧的源和目的MAC地址。如果这两个地址分别属于不同的网络,则网桥将该MAC帧转发到另一个网络上,反之不转发。所以,网桥具有过滤与转发MAC帧的功能,能起到网络间的隔离作用。对共享型网络而言,网络间的隔离意味着提高了网络的有效带宽。
网桥最简单的形式是连接两个局域网的两端口网桥。在多个局域网互联时,为不降低网络的有效带宽,可以采用多端口网桥或以太网交换机。但采用这些工作在链路层的设备联网,存在以下缺点:
(1) 多端口网桥或以太网交换机只有简单的路由表,当某一端口收到一个数据包,若设备根据其目的地址找不到对应的输出端口时,即对所有端口广播这个包,当网络较大时易引起广播风暴;
(2) 多端口网桥或以太网交换机无链路层协议转换功能,因此不能做到不同协议网络的互联,例如以太网与X25、FR、N-ISDN和ATM等网络的互联。
44 路由器
在路由器中存放有庞大而复杂的路由表,并能根据网络拓扑、负荷的改变及时维护该路由表。当路由器找不到某一端口输入的数据包对应的输出端口时,即删除该包。因为路由器废除了广播机制,所以可以抑制广播风暴。
45 网关
网关工作在OSI 7层模型的高3层,即对话层、表示层和应用层。网关用于两个完全不同网络的互联,其特点是具有高层协议的转换功能。网关最典型的应用是IP电话网关。IP电话网关将时分复用的64 kbit/s编码话音和No郾7共路信令转换为IP包,送入Internet进行传输,从而使PSTN和Internet两个完全不同的网络可以互联互通。
5 以太网交换机
51 以太网交换机的基本原理
大型网络为了提高网络的效率,需要将网络在链路层上进行分段,以提高网络的有效带宽。对于小型网络,可以利用网桥对网络进行分段;对于大型网络,往往采用以太网交换机对网络进行分段,即利用以太网交换机将一个共享型以太网分割成若干个网段。分段后的网络称为交换型以太网。在交换型以太网中,工作在每一网段中的主机对介质的争用仍采用CSMA/CD机制,而联接各网段的交换机则采用路由机制。若某一共享型以太网带宽为M,共带有N台主机,则每台主机平均带宽为M/N。若在该网内引入一台8端口的以太网交换机,将该网分割为8个网段,则每一网段带宽仍为M,而总带宽则拓宽至8M。
目前,大中型以太网中引入了多台交换机的级联工作方式。处在用户级的交换机一般可做到1个端口接1台主机,则该主机可享用所连接端口的全部带宽,无需竞争网络资源。
在以太网中引入交换机将网络分段后,是否能使网络容量无限扩大?答案是否定的。因为在以太网交换机中对MAC帧的寻址采用了广播方式,网络太大时易引起广播风暴。这就需要有路由器对网络在网络层上进行分段。路由器将计算机网分割成若干个子网,从而缩小了其底层以太网的广播域,抑制了广播风暴。
52 以太网交换机的路由方式
当该交换机中的某一个端口接收到一个MAC帧时,交换机的首要任务是根据该MAC帧的目的地址寻找输出端口,然后向该输出端口转发这个MAC帧。
通常情况下,在以太网交换机中存有一张路由表,该表根据所接收MAC帧的目的地址,为每个MAC帧选择输出端口。
(1) 固定路由
固定路由是指交换机有一张人工配置的路由表,表上标明各端口及其所对应的目的地址。固定路由虽然不失为一种路由方式,但如果网络规模过大,则配置路由表将变成一项很繁重的工作,再加上交换机所处的网络经常会变更网络配置或增删主机,网络管理员很难使路由表及时更新来适应拓扑结构的变化。
(2) 自学习路由
在实际应用中,通常通过自学习方法来建立一张动态路由表,以自动适应网络拓扑结构的变化。该动态路由表可在人工建立的路由表的基础上,通过自学习过程不断修改而得到。
所谓自学习,即是根据到达每一端口MAC帧的源地址来建立或刷新路由表。假设交换机从X端口收到一个MAC帧,检查该MAC帧的源地址为A地址,则说明凡是目的地址为A地址的MAC帧,应该通过X端口转发。从X端口收到源地址为A地址的MAC帧后,交换机控制部分检查路由表。若路由表中目的地址一项无A地址,则在X端口对应的目的地址项中增加A地址内容;若表中目的地址一项有A地址,但其对应端口为Y端口,则需修改路由表。
由上可见,以太网交换机利用广播帧和自学习的方法来建立路由表,一旦配置好路由表,后续的以太帧根据目的MAC地址(未使用标记)和路由表选择路由,从而形成一条从源主机到目的 主机的虚电路。
104协议是101协议的网络版,101协议每次只能发送一个链路帧,而104协议可以连续发送多个链路帧,其传输效率明显高于101协议,而且具有TCP/IP的冲突检测和错误重传机制,具有比101协议更高的可靠性和稳定性,另外对通信延时的限制更宽松。
104协议使用的参考模型来源于开放式系统互联的ISO-OSI参考模型,但是它只是用其中的5层,实际上104协议是将101协议与TCP/IP提供的网络传输功能相组合,使得101协议在TCP/IP内各种网络类型都可使用。
104协议规定传输层使用TCP端口,使用的端口号是2404,对于基于TCP的应用程序来讲,存在两种工作模式,即服务器模式和客户机模式,其区别是:在建立TCP连接时,服务器从不主动发起连接请求,它一直处于侦听状态,当侦听到来自客户机的连接请求后,则接受此请求,由此建立一个TCP连接,服务器和客户机就可以通过这个虚拟的通信链路进行数据的收发。工作原理:
1、104协议以子站为服务端,主站为客户端。
2、主站应能自动判断、切换、处理来自网络和常规方式的数据信息,保证数据的唯一性。
3、在多客户访问的情况下,通过MAC地址和IP地址划分控制安全级别。如果服务端发现IP重复,应拒绝控制命令的执行
4、为保证网络方式运行的安全,稳定,可靠,在主站端应对以网络方式通信的分站按照单独站进行画面、数据库、报表的定义。带冲突检测的载波侦听多路访问以太网或者快速以太网中使用的一种物理层数据传输协议。缩写为CSMA/CD。载波侦听只对于共享链路的仲裁机制。与“持续在线”物理层协议不同的是,载波侦听协议要求需要传输数据的结点等待链路上的载波(表明有其他结点正在传输数据)空闲。多路访问指整个数据链路划分为多条用户线路的技术。大量结点(以太网中可以达到500个)共享访问同一数据链路。冲突检测指两个结点同时侦听到载波空闲并同时开始传输数据,从而形成互相干扰的的情况。结点需要检测这种干扰的发生,同时停止传输数据。在以太网中,每个正在检测冲突的结点需要等待一个随机的时间间隔才能重新开始传输数据。
CSMA/CD的基本原理是:
每个节点都共享网络传输信道,在每个站要发送数据之前,都会检测信道是否空闲,如果空闲则发送,否则就等待;在发送出信息后,则对冲突进行检测,当发现冲突时,则取消发送。
可以借助于生活中的一个例子来解释:假设有这一层楼,两旁住了几十户人,中间只有一条仅供一人同行的走道。我们看情况会怎么样:
1、当这些住户要经过走道出来时,首先探出头来看看走道上有没有人(这就是载波监听),如果没有,就通过走道出来;
2、如果走道上有人走,那么就一直盯着走道,直到走道上没人时再出来(1-坚持监听算法);
3、如果有两人同时看到走道上没有人,而同时走向走道(冲突检测),则两个人发现时就马上回到自己屋里。在整个协议中最关键的是载波监听、冲突检测两部分。
扩展资料:
CSMA/CD协议的特点:
CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议,并进行了改进,使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。主要应用于现场总线Ethernet中。
另一个改进是,对于每一个站而言,一旦它检测到有冲突,它就放弃它当前的传送任务。换句话说,如果两个站都检测到信道是空闲的,并且同时开始传送数据,则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。
它们不应该再继续传送它们的帧,因为这样只会产生垃圾而已;相反一旦检测到冲突之后,它们应该立即停止传送数据。快速地终止被损坏的帧可以节省时间和带宽。
参考资料来源:百度百科——CSMA/CD协议
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