讓你真正了解局域網(wǎng)技術概述(圖)

2019-11-05 03:08:22

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供稿：網(wǎng)友

　　很多人將局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）和以太網(wǎng)（Ethernet）混為一談，這個誤解大概是因為和其他局域網(wǎng)技術比較起來，以太網(wǎng)技術使用得是如此普遍、發(fā)展得是如此地迅速，以至于人們將"以太網(wǎng)"當作了"局域網(wǎng)"的代名詞。
　　
　　本節(jié)將討論"局域網(wǎng)"和"以太網(wǎng)"二者之間的關系以及相關的一些基礎知識。
　　
　　1　以太網(wǎng)概述
　　
　　1973年，施樂公司（Xerox）開發(fā)出了一個設備互連技術并將這項技術命名為"以太網(wǎng)（Ethernet）"。Ethernet采用了總線競爭式的介質訪問方法（起源于夏威夷大學在60年代研制的ALOHA網(wǎng)絡），它的問世是局城網(wǎng)發(fā)展史上的一個重要里程碑。
　　
　　1979年，Xerox與DEC、Intel共同起草了一份10 Mbps以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，稱為DIX（Digital、Intel、Xerox）規(guī)范-DIX 1.0。
　　
　　1980年2月（美國）電氣電子工程師學會（IEEE）成立了專門負責制定局域網(wǎng)絡標準的IEEE 802委員會。該委員會開始研究一系列局域網(wǎng)（LAN）和城域網(wǎng)（MAN）標準，這些標準統(tǒng)稱為IEEE 802標準。其中，IEEE 802.3對于基于總線型的局域網(wǎng)進行了規(guī)定（實際上IEEE 802.3標準的制定過程中參考、借鑒了很多已經(jīng)實現(xiàn)的以太網(wǎng)技術）。
　　
　　1982年，DIX修改并發(fā)布了自己的以太網(wǎng)新標準：DIX 2.0。
　　
　　1983年，Novell根據(jù)初步形成的IEEE 802.3規(guī)范發(fā)布了Novell專用的以太網(wǎng)幀格式，常被稱為802.3 原始幀格式（802.3 raw）。
　　
　　1984-1985年，IEEE 802委員會公布了五項標準IEEE 802.1～IEEE 802.5。其中，公布了兩種802.3幀格式，即802.3 SAP和802.3 SNAP。
　　
　　后來，IEEE 802標準被國際標準化組織ISO修訂并作為國際標準，稱為ISO 8802。
　　
　　2　以太網(wǎng)技術概述
　　
　　盡管局域網(wǎng)的各種標準在內(nèi)容上有不少區(qū)別，但是，其主要的技術實現(xiàn)方法是相近的。
　　
　　2.1　Ethernet地址
　　
　　為了標識以太網(wǎng)上的每臺主機，需要給每臺主機上的網(wǎng)絡適配器（網(wǎng)絡接口卡）分配一個唯一的通信地址，即Ethernet地址或稱為網(wǎng)卡的物理地址、MAC地址。
　　
　　IEEE負責為網(wǎng)絡適配器制造廠商分配Ethernet地址塊，各廠商為自己生產(chǎn)的每塊網(wǎng)絡適配器分配一個唯一的Ethernet地址。因為在每塊網(wǎng)絡適配器出廠時，其Ethernet地址就已被燒錄到網(wǎng)絡適配器中。所以，有時我們也將此地址稱為燒錄地址（Burned-In-Address，BIA）。
　　
　　Ethernet地址長度為48比特，共6個字節(jié)，如圖1所示。其中，前3字節(jié)為IEEE分配給廠商的廠商代碼，后3字節(jié)為網(wǎng)絡適配器編號。
　　　

　　圖1　 Ethernet地址
　　
　　2.2　CSMA/CD
　　
　　在ISO的OSI參考模型中，數(shù)據(jù)鏈路層的功能相對簡單。它只負責將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點。但在局域網(wǎng)中，多個節(jié)點共享傳輸介質，必須有某種機制來決定下一個時刻，哪個設備占用傳輸介質傳送數(shù)據(jù)。因此，局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層要有介質訪問控制的功能。為此，一般將數(shù)據(jù)鏈路層又劃分成兩個子層：
　　
　　●邏輯鏈路控制LLC（Logic Line Control）子層
　　
　　●介質訪問控制MAC（Media access Control）子層
　　　

　　圖2　 LLC和MAC子層
　　
　　如圖2所示。其中，LLC子層負責向其上層提供服務；MAC子層的主要功能包括數(shù)據(jù)幀的封裝/卸裝，幀的尋址和識別，幀的接收與發(fā)送，鏈路的治理，幀的差錯控制等。MAC子層的存在屏蔽了不同物理鏈路種類的差異性。
　　
　　在MAC子層的諸多功能中，非常重要的一項功能是仲裁介質的使用權，即規(guī)定站點何時可以使用通信介質。
　　
　　實際上，局域網(wǎng)技術中是采用具有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection，CSMA/CD）這種介質訪問方法的。
　　
　　在這種介質訪問方法中規(guī)定：在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，一個節(jié)點必須首先偵聽網(wǎng)線上的載波，假如在9.6微秒的時間之內(nèi)沒有檢測到載波（說明通信介質空閑），節(jié)點才可以發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。
　　
　　假如兩個節(jié)點同時檢測到介質空閑并同時發(fā)送出一幀數(shù)據(jù)，則會導致數(shù)據(jù)幀的沖突，雙方的數(shù)據(jù)幀均被破壞。一方面，檢測到?jīng)_突的節(jié)點會發(fā)送"沖突增強"信號（32比特的"1"）通知介質上的每個節(jié)點發(fā)生了沖突。另一方面，發(fā)生沖突的節(jié)點在再次發(fā)送自己的數(shù)據(jù)幀之前會各自等待一段隨機的時間。
　　
　　隨著以太網(wǎng)上節(jié)點數(shù)量的增加，沖突的數(shù)量也隨之增加，而整個網(wǎng)段的有效帶寬將隨之減少。
　　
　　在后面的章節(jié)中，我們將學習如何利用網(wǎng)橋、交換機等設備將一個網(wǎng)段劃分成多個獨立的沖突域，進而增加每個網(wǎng)段的可用帶寬。
　　
　　3　以太網(wǎng)幀格式
　　
　　目前，有四種不同格式的以太網(wǎng)幀在使用，它們分別是：
　　
　　●Ethernet II即DIX 2.0：Xerox與DEC、Intel在1982年制定的以太網(wǎng)標準幀格式。Cisco名稱為：ARPA。
　　
　　●Ethernet 802.3 raw：Novell在1983年公布的專用以太網(wǎng)標準幀格式。Cisco名稱為：Novell-Ether。
　　
　　●Ethernet 802.3 SAP：IEEE在1985年公布的Ethernet 802.3的SAP版本以太網(wǎng)幀格式。Cisco名稱為：SAP。
　　
　　●Ethernet 802.3 SNAP：IEEE在1985年公布的Ethernet 802.3的SNAP版本以太網(wǎng)幀格式。Cisco名稱為：SNAP。
　　
　　在每種格式的以太網(wǎng)幀的開始處都有64比特（8字節(jié)）的前導字符，如圖3所示。其中，前7個字節(jié)稱為前同步碼（PReamble），內(nèi)容是16進制數(shù)0xAA，最后1字節(jié)為幀起始標志符0xAB，它標識著以太網(wǎng)幀的開始。前導字符的作用是使接收節(jié)點進行同步并做好接收數(shù)據(jù)幀的預備。
　　　

　　圖3　以太網(wǎng)幀前導字符
　　
　　除此之外，不同格式的以太網(wǎng)幀的各字段定義都不相同，彼此也不兼容。
　　
　　3.1　Ethernet II幀格式
　　
　　如圖4所示，是Ethernet II類型以太網(wǎng)幀格式。
　　　

　　圖4　 Ethernet II幀格式
　　
　　Ethernet II類型以太網(wǎng)幀的最小長度為64字節(jié)（6＋6＋2＋46＋4），最大長度為1518字節(jié)（6＋6＋2＋1500＋4）。其中前12字節(jié)分別標識出發(fā)送數(shù)據(jù)幀的源節(jié)點MAC地址和接收數(shù)據(jù)幀的目標節(jié)點MAC地址。
　　
　　接下來的2個字節(jié)標識出以太網(wǎng)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類型，如16進制數(shù)0x0800代表IP協(xié)議數(shù)據(jù)，16進制數(shù)0x809B代表AppleTalk協(xié)議數(shù)據(jù)，16進制數(shù)0x8138代表Novell類型協(xié)議數(shù)據(jù)等。
　　
　　在不定長的數(shù)據(jù)字段后是4個字節(jié)的幀校驗序列（Frame Check Sequence，F(xiàn)CS），采用32位CRC循環(huán)冗余校驗對從"目標MAC地址"字段到"數(shù)據(jù)"字段的數(shù)據(jù)進行校驗。
　　
　　3.2　Ethernet 802.3 raw幀格式
　　
　　如圖5所示，是Ethernet 802.3 raw類型以太網(wǎng)幀格式。
　　　

　　圖5　 Ethernet 802.3 raw幀格式
　　
　　在Ethernet 802.3 raw類型以太網(wǎng)幀中，原來Ethernet II類型以太網(wǎng)幀中的類型字段被"總長度"字段所取代，它指明其后數(shù)據(jù)域的長度，其取值范圍為：46-1500。
　　
　　接下來的2個字節(jié)是固定不變的16進制數(shù)0xFFFF，它標識此幀為Novell以太類型數(shù)據(jù)幀。
　　
　　3.3　Ethernet 802.3 SAP幀格式
　　
　　如圖6所示，是Ethernet 802. 3 SAP類型以太網(wǎng)幀格式。
　　　

　　圖6　 Ethernet 802. 3 SAP幀格式
　　
　　從圖中可以看出，在Ethernet 802.3 SAP幀中，將原Ethernet 802.3 raw幀中2個字節(jié)的0xFFFF變?yōu)楦?個字節(jié)的DSAP和SSAP，同時增加了1個字節(jié)的"控制"字段，構成了802.2邏輯鏈路控制（LLC）的首部。LLC提供了無連接（LLC類型1）和面向連接（LLC類型2）的網(wǎng)絡服務。LLC1是應用于以太網(wǎng)中，而LLC2應用在IBM SNA網(wǎng)絡環(huán)境中。
　　
　　新增的802.2 LLC首部包括兩個服務訪問點：源服務訪問點（SSAP）和目標服務訪問點（DSAP）。它們用于標識以太網(wǎng)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類型，如16進制數(shù)0x06代表IP協(xié)議數(shù)據(jù)，16進制數(shù)0xE0代表Novell類型協(xié)議數(shù)據(jù)，16進制數(shù)0xF0代表IBM NetBIOS類型協(xié)議數(shù)據(jù)等。
　　
　　至于1個字節(jié)的"控制"字段，則基本不使用（一般被設為0x03，指明采用無連接服務的802.2無編號數(shù)據(jù)格式）。
　　
　　3.4　Ethernet 802.3 SNAP幀格式
　　
　　如圖7所示，是Ethernet 802. 3 SNAP類型以太網(wǎng)幀格式。
　　

　　圖7　 Ethernet 802. 3 SNAP幀格式
　　
　　Ethernet 802. 3 SNAP類型以太網(wǎng)幀格式和Ethernet 802. 3 SAP類型以太網(wǎng)幀格式的主要區(qū)別在于：
　　
　　●2個字節(jié)的DSAP和SSAP字段內(nèi)容被固定下來，其值為16進制數(shù)0xAA。
　　
　　●1個字節(jié)的"控制"字段內(nèi)容被固定下來，其值為16進制數(shù)0x03。
　　
　　●增加了SNAP字段，由下面兩項組成：
　　
　　◆新增了3個字節(jié)的組織唯一標識符（Organizationally Unique Identifier，OUI ID）字段，其值通常等于MAC地址的前3字節(jié)，即網(wǎng)絡適配器廠商代碼。
　　
　　◆2個字節(jié)的"類型"字段用來標識以太網(wǎng)幀所攜帶的上層數(shù)據(jù)類型。
　　
　　4　IEEE 802標準系列
　　
　　隨著時間的推移，除了最早的10Base2、10Base5、10BaseT，IEEE 802還推出了一系列其他局域網(wǎng)標準。下面，我們簡單介紹其中一些較為常用的以太網(wǎng)標準。
　　
　　4.1　100BaseT
　　
　　1995年6月，傳輸速率為100Mbps的以太網(wǎng)由IEEE 802.3u標準所定義。即我們通常所說的快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）。
　　
　　根據(jù)所用傳輸介質不同，還定義了以下三種不同的物理層標準：
　　
　　●100Base-TX：使用2對UTP 5類線或STP，其中一對用于發(fā)送，另一對用于接收。
　　
　　●100Base-F：使用2對光纖，其中一對用于發(fā)送，另一對用于接收。
　　
　　●100Base-T4：使用4對UTP 3類線或5類線，它使用3對線同時傳送數(shù)據(jù)，用1對線用作沖突檢測的接收信道。
　　
　　以上三種不同的標準中，因為100Base-TX 與10BaseT兼容，所以使用得更廣泛。
　　
　　4.2　1000BaseT
　　
　　1996年3月成立的IEEE 802.3z工作組，專門負責千兆位以太網(wǎng)的研究，98年制定了相應標準。
　　
　　千兆以太網(wǎng)的物理層協(xié)議包括1000Base-SX，1000Base-LX，1000Base-CX和1000Base-T等標準。
　　
　　●1000Base-SX：使用芯徑為50μm或62.5μm，工作波長為850nm或1300nm的多模光纖，采用8B/10B編碼方式，傳輸距離分別為260m和525m，適用于同一建筑物中同一層的短距離主干網(wǎng)。
　　
　　●1000Base-LX：使用芯徑為9μm、50μm或62.5μm，工作波長為1300nm的多模、單模光纖，采用8B/10B編碼方式，傳輸距離分別為550m和3km～10km，主要用于校園主干網(wǎng)。
　　
　　●1000Base-CX：使用150歐姆平衡屏蔽雙絞線（STP），采用8B/10B編碼方式，傳輸速率為1.25Gbps，傳輸距離為25m，主要用于集群設備的連接，如一個交換機房內(nèi)的設備互連。
　　
　　●1000Base-T：使用4對5類非平衡屏蔽雙絞線（UTP），傳輸距離為100m，主要用于結構化布線中同一層建筑中的設備通信，從而可以利用以太網(wǎng)或快速以太網(wǎng)已鋪設的 UTP電纜。
　　
　　4.3　萬兆以太網(wǎng)
　　
　　2000年3月，IEEE專門成立了IEEE 802.3ae非凡工作組，負責制定10G以太網(wǎng)，即萬兆以太網(wǎng)標準。
　　
　　2002年7月，萬兆以太網(wǎng)標準最終發(fā)布。萬兆標準內(nèi)容包括10GBase-X、10GBase-R和10GBase-W三種類型。萬兆以太網(wǎng)標準不僅將以太網(wǎng)的帶寬提高到10Gbps（在使用萬兆以太網(wǎng)信道的情況下可以達到40Gbps甚至更高的速率），同時也將通信距離提高到數(shù)十公里甚至上百公里。

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