【計算機網絡】局域網學習筆記

參考書籍

《計算機網絡-自頂向下》       做者 James F. Kurose

《計算機網絡技術基礎教程》 做者  劉四清， 龔建萍 （教科書）

《圖解TCP/IP》                     做者  竹下隆史，荒井透， 劉田幸雄

局域網的定義

局域網（Local Area NetWork, LAN）是將較小的地理區域內的計算機或數據終端設備鏈接在一塊兒的通訊網絡。

 

決定局域網性能的因素

決定局域網性能的主要有三個因素： 傳輸介質， 拓撲結構， 介質訪問控制方法：

1.  傳輸介質

經常使用的傳輸介質包括雙絞線，同軸電纜和光纖等， 此外，還有用於建築物間通訊的無線傳輸。傳輸介質的特性將影響網絡數據通訊的質量。

2. 拓撲結構

經常使用的局域網拓撲結構有星型結構，總線型結構，環型結構，樹型結構和混合型結構

3. 介質訪問控制方法

介質訪問控制方法是局域網最重要的一項基本技術，由於它對局域網體系結構，工做過程和網絡性能產生了決定性影響。經常使用的介質訪問控制方法包括： CSMA/CD, 和令牌環

 

介質訪問控制方法

 

CSMA/CD

CSMA/CD的全稱叫載波監聽多路訪問/衝突檢測技術（Carrier Sense Multiple Access/Collision）, 它是一種爭用協議：網絡中各個站採用先到先得的方式佔用信道發送數據，若是多個網站同時發送幀，則會產生衝突現象。

 

下面咱們把CSMA/CD分紅兩部分介紹：

 

1.CSMA （載波監聽多路訪問）

 

在一個由多個節點共享的信道中， 一個節點在傳輸幀前先監聽信道：

• 若是監聽到信道空閒，那麼就開始傳輸幀
• 若是監聽到信道正忙，那麼等到監聽到信道空閒的的時候再傳輸幀

 

 

2. CD（衝突檢測）

 

可是僅僅CSMA技術是不夠的，由於可能有一種狀況： 發送幀前監聽的時候，信道是空閒的，但在發送幀的過程當中， 有其餘節點發送的幀通過信道而發生碰撞。 因此從發送數據開始到結束該節點都要作衝突檢測（CD）的工做

 

• 若是沒有檢測到衝突，幀的發送將正常完成
• 若是某個節點在發送幀的過程當中檢測到了衝突（來自其餘節點的信號能量），那麼它將前後發生如下過程：

             1. 中止傳輸它的幀

             2. 發送一個48比特的阻塞（jam）信號

             3. 隨機延時一段時間後進行重發， 這個階段被稱做是指數後退（exponential backoff）階段

 

 

 

令牌環（Token-Ring）

令牌環是一種適用於環形網絡的介質訪問控制方法，這種技術的關鍵在於一個叫作「令牌」的特殊的幀

• 「令牌」幀沿着環路循環
• 當各個節點沒有信息發送時，令牌被標記爲空閒狀態
• 當一個節點要發送信息時，則等待空閒令牌經過本站，而後將令牌改成忙狀態，緊隨其後將數據發送到環上。
• 爲了防止令牌的丟失或重複，必須設置一個監控站，以保證環路中有且只有一個令牌在繞行

 

 

 

優勢：

• 由於令牌的做用，每次只能有一個節點在發送數據，沒必要擔憂衝突問題
• 每一個節點都有經過平等循環得到令牌的機會，即便網絡擁堵也不會致使性能降低

缺點：

•   要設置監控站以維護令牌， 比較複雜。

 

 

 

局域網的分類

局域網能夠分紅兩大類： 共享介質局域網（Shared LAN）和交換式局域網(Switched LAN)

這兩大類還能夠進一步細分：

共享介質局域網： 以太網， 令牌環網和FDDI

交換式局域網： 交換以太網，ATM局域網和在此基礎上發展起來的虛擬局域網

 

 

 

 

共享介質局域網

 

下面我將介紹三種主要的共享介質局域網：  以太網， FDDI和令牌環網。 （其中最主要，最重要的是以太網）

 

FDDI

（採用令牌環的介質訪問控制方法）

FDDI全稱是光纖分佈式數據接口（Fiber Distributed Data Interface,FDDI）是一個使用光纖的介質的高性能局域網， 它的傳輸速率是100Mbps,網絡覆蓋的最大距離可達200KM。

 

FDDI的結構特色

 

FDDI的最大特色是它的雙環結構： 一個環順時針發送信號，另外一個環逆時針發送信號，分別被稱爲主環（Primary Ring）和副環（Secondary Ring）,主環用於傳輸數據，副環做爲備份，這樣的設計使得FDDI具備必定程度的容錯能力

• 當一個環發生故障，則使用另外一個環代替
• 若是兩個環在一個點發生斷路，則兩個環連成一個單環

 

 

 

FDDI的發展

 

因爲FDDI具備高速/技術成熟/雙環結構的特色，因此曾經在主幹網上或計算機間的高速鏈接上普遍地使用了FDDI，但隨着以太網的快速發展（快速以太網的出現）以及相比之下價格高昂的問題，FDDI就逐漸淡出了應用領域 （被以太網踢出了歷史和市場的舞臺）

 

令牌環網

結構特性

 

這裏可參考前面令牌環介質訪問控制方法那一節

 

令牌環網的發展

令牌環網源自IBM開發的令牌環局域網技術，前面的FDDI實際上是在令牌環網的基礎上進行擴展的一個產物。 因爲建設價格高居不下以及所支持的提供商逐漸減小的緣由，除了IBM的環境之外始終未能獲得普及，而且隨着以太網的普遍使用，人們已經再也不使用令牌環技術（也是被以太網踢出了歷史和市場的舞臺）

 

以太網

 

以太網的發展

 

以太網的發展很是快速， 前後經歷瞭如下四個階段：

• 傳統以太網 （10Mbps Ethernet）
• 快速以太網 （100Mbps Ethernet）
• 吉位以太網 （1000Mbps Ethernet）
• 萬兆位以太網（10000 Mbps Ethernet）

以太網的分類

 

以下圖所示，以太網有衆多不一樣的類型。其中， 100BASE中的100， 1000BASE中的1000以及10G BASE中的20G分別指的是10Mbps,100Mbps和10Gbps的傳輸速率， 而後面追加的5,2，T，F則表示的是傳輸介質

 

 

 

以太網的市場情況

 

如今，以太網幾乎徹底佔領着現有的有線局域網市場。 面對其餘的局域網技術例如令牌環,FDDI和ATM的挑戰， 以太網不斷演化和發展並保持着它的地位。 因此說，以太網是到目前爲止最流行的局域網技術

 

以太網成功的緣由

• 以太網是第一個普遍部署的高速LAN，由於它部署得早，因此網絡管理員很是熟悉以太網，當其餘LAN技術問世的時候，他們不肯意轉而用之
• 令牌環,FDDI和ATM在價格上比以太網更昂貴， 在技術上，它們也比以太網更復雜
• 起初，其餘LAN技術（如FDDI和ATM）的優點是數據速率高，然而卻被後來發展出來的快速以太網等追平甚至超越
• 以太網硬件（如適配器和交換機）很便宜

 

共享介質局域網面臨的難題和交換式以太網的出現

 

前面咱們介紹的這些共享介質局域網（FDDI，令牌環網，以太網）在發展的過程當中遇到了一些共同的難題：

 

它們所使用的介質訪問控制方法（如CSMS/CD,令牌環技術）， 是用來保證每一個節點都能公平地使用公共傳輸介質的，因此隨着局域網規模不斷擴大，一個局域網裏的節點不斷增長——

• 每一個節點能分到的平均帶寬愈來愈少（在一個10Mbps的局域網中有N個節點，那麼每一個節點能分到的平均帶寬爲10Mbps / N）
• 衝突和重發大量發生，網絡效率急劇降低，網絡傳輸時延也將會增加

 

爲此， 人們發展出了交換式局域網

 

交換式局域網

 

【注意】 典型的交換式局域網是交換式以太網

 

相比於共享介質型局域網,  交換式局域網是一種「非共享介質網絡」， 局域網中的計算機不是鏈接到同一條鏈路， 而是和交換機端口造成一對一的鏈接。 交換機， 構成了交換式局域網的核心， 以下圖所示：

 

 

 

交換式局域網帶來的好處

（相比於共享介質型局域網,）

 

1. 解決平均帶寬問題： 把「共享」變成「獨享」，  不用擔憂用戶增多形成的每一個節點平均帶寬減小的問題

2. 消除碰撞 ： 在使用交換機構建的局域網中， 沒有因碰撞而浪費的帶寬

3. 靈活的接口速度： 在共享介質型局域網中，不能在同一個局域網中鏈接不一樣速率的站點（如10Base-5僅可以鏈接10Mbps的站點） 而在交換式局域網中， 因爲每一個站點都獨享介質，在交換機上能夠配置10Mbps，100Mbps的自適應的端口， 用於鏈接不一樣速率的站點，接口速度有很大的靈活性

4. 可以互聯不一樣標準的局域網：如在一臺交換機上能集成以太網，FDDI和ATM

5. 能實現全雙工通訊

 

共享介質型局域網只能實現半雙工通訊： 同一時刻只能發送數據或接受數據

 

 

交換式局域網實現了全雙工通訊： 能同時發送數據和接收數據

 

 

交換機的功能

交換機有兩項功能： 過濾（filtering）和轉發(forwarding)

過濾： 交換機決定一個幀是應該轉發到某個接口仍是應當將其丟棄的功能

轉發： 決定一個幀應該被導向哪一個接口

 

這兩項功能是由交換機表（switch table）完成的

 

交換機表圖示

 

交換機表的組成

交換機表包含三部份內容：

 

1. 節點的MAC地址

2. 節點鏈接的交換機接口

3. 用於節點的表項放置在表中的時間

交換表的工做過程

舉個例子：

 

假定具備目的地址DD-DD-DD-DD-DD-DD的幀從交換機接口X到達， 交換機用MAC地址DD-DD-DD-DD-DD-DD索引它的表， 可能存在的三種狀況以下：

1. 表中有一個表項將DD-DD-DD-DD-DD-DD和接口Y （Y ≠ X）相連起來， 在這種狀況下， 交換機將該幀發送到和Y接口相連的節點 ，執行轉發功能

2.  表中有一個表項將DD-DD-DD-DD-DD-DD和接口X相連起來（恰好該幀就是從接口X到達的，沒有轉發必要）， 該交換機經過丟棄該幀執行過濾功能

3. 若是表中沒有針對DD-DD-DD-DD-DD-DD的表項。 在這種狀況下， 交換機向和交換機相連的全部節點廣播該幀。

 

交換機的自學習（self-learning）

交換機具備強大的自學習功能： 它的交換表可以自動地，動態的創建， 即不須要來自網絡管理員或者配置協議的任何干預。

 

實現方式具體以下：

1. 交換表初始爲空
2. 對於在某接口接收到的每一個入幀，該交換機在其表中存儲： <1>該幀源地址字段中的MAC地址（是源地址不是目的地址！）  <2>該幀到達的接口    <3> 當前時間
3. 在通過一段時間（稱爲老化期 aging time）後，交換機若是沒有接收到以該地址做爲源地址的幀，就在表中刪除這個地址。 以這種方式，若是一臺PC被另一臺PC替代， 原來的PC的MAC地址將會從該交換機表中被刪除掉

          

例如：

假設在9： 39 分，源地址爲01-12-23-34-45-56的一個幀從接口2到達。 假設這個地址不在交換機表中，交換機將在它的表中增長一個新選項：