计算机网络原理之二

九、网络设备与网络软件

1、网卡

概念：又称网络适配器。

功能：完成物理层和数据链路层的大部分功能，包括网卡与网络电缆的物理连接、介质访问控制、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码、数据的串、并行等转换功能。

2、交换机

（1）交换机内部结构：交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部带宽，无需同其他设备竞争使用。

（2）交换机功能

      学习：根据源MAC地址学习，并将相应端口的映射关系存放在自己缓存中的MAC地址表中。

      转发/过滤

      消除回路

（1）    交换机工作原理

交换机是依赖一张MAC地址与端口的映射表（CAM）来进行工作的。交换机根据收到的数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射关系并将其写入MAC地址表中，如果交换机收到的数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。交换机中MAC地址与端口映射表中的记录实际上有一定的时效性，通常为300s。

（2）    第二层交换与第三层交换

第三层交换是将路由功能集成到交换机中，在交换机内部实现了路由功能，提高了网络的整体性。三层交换机在对第一个数据流进行路由后，会产生一个MAC地址与IP地址的映射表，当同样的数据流再次通过时，将根据此表直接从二层交换而不是再次路由，提供线速性能。

（3）    交换机堆叠与级联

堆叠：并不是所有交换机都支持堆叠的，这取决于交换机的品牌、型号是否支持堆叠，并且还需要使用专门的堆叠电缆和堆叠模块，堆叠主要通过厂家提供的一条专用连接电缆，从一台交换机的UP堆叠口直接连接到另一台交换机的DOWN堆叠口。堆叠后的设备在网络管理过程中就变成了一个网络设备，只要赋予一个IP地址。

级联：

使用普通端口级联：通过交换机的某个常用端口（RJ-45）进行连接，这时所用的连接双绞线要用反线。

使用Uplink端口级联

3、路由器

（1）路由器的功能：

      网络互连。

      路由选择。

      分组转发。

      拆分和包装数据包。

      拥塞控制。

      网络管理。

4、网关

网关又叫协议转换器，是一种复杂的网络连接设备，可以支持不同协议之间的转换，实现不同协议网络之间的连接。

5、无线接入点

 

十、局域网

1.定义：局域网是一种单一机构所拥有的专用计算机网络，其通信被限制在中等规模的地理范围，局域网的特征如下：
      范围小：通常在2.5km以内。

      高数据率：10Mbps以上，现在已达到10Gbps

      低误码率：一般可达10^-9以下。

2.局域网拓扑结构

主要有总线型、环型和星型

3.访问控制方式

（1）令牌传递访问控制方式原理

      监控节点产生唯一一个令牌沿环路传输。

      要发送数据的节点等待令牌，获得令牌后往令牌上附加数据帧，填写相应标志后让其继续传送。

      目的节点检测到数据帧后拷贝帧，设置应答标志后让其继续传送。

      数据帧回到源节点后，源节点根据应答标志确定撤销或重传。

      非源、非目的节点，转发帧。

（2）CSMA/CD访问控制方式

a、每个节点在发送数据前，先监听信道，以确定介质上是否有其他节点发送的信号在传送。

b、若介质忙，则继续监听。

c、否则，若介质处于空闲状态，则立即发送信息。

d、在发送过程中进行冲突检测。如果发送冲突，则立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞型号强化冲突，以保证总线上所有节点都知道冲突已发生。

e、随机延迟一段时间后返回（a）。

4、局域网协议

1.IEEE 802.3协议

2.高速局域网

（1）快速以太网

数据率不低于100Mbps的以太网统称为高速以太网。1995年，IEEE 802委员会正式批准快速的协议标准为IEEE 802.3u。

MII结构

      100Base-T标准定义了介质无关接口（Media Independent Interface，MII），它将MAC子层与物理层分隔开来。

Fast Ethernet的介质接口

100Base-T标准可以支持多种传输介质。目前，100Base-T有以下三种传输介质标准：

      100Base-TX：使用2对5类非屏蔽双绞线（UTP），最大长度100m，一对双绞线用于发送，另一对用于接收，数据传输采用4B/5B编码方法，采用全双工工作。

      100Base-T4：使用4对3类非屏蔽双绞线（UTP），最大长度100m，三对双绞线用于数据传输，另一对用于冲突检测，数据传输采用8B/6T编码方法，采用半双工方式工作。（较少使用）

      100Base-FX：使用两条光纤，最大长度415m，一条光纤用于发送，另一条用于接收，数据传输采用4B/5B-NRZI编码方法，采用全双工方式工作。

支持全双工模式的快速以太网一定是星型结构。

（1）    千兆以太网（802.3z）

千兆以太网特点：

      保持与现有以太网标准的向下兼容。IEEE 802.3z标准在LLC子层使用IEEE802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法，保持同样的帧结构与帧的最大长度，支持单播与组播两种传输模式，只在物理层进行修改。

      所有的配置都采用点-点连接方式。

      能与10Mbps、100Mbps以太网自动实现速率匹配，互联互通。

千兆以太网物理层协议：

      1000Base-LX：采用光纤作为传输介质构成星型拓扑。

      1000Base-SX：采用光纤作为传输介质构成星型拓扑。

      1000Base-CX：使用特殊的屏蔽双绞线构成星型拓扑。

      1000Base-T：使用4对5类非屏蔽双绞线构成星型拓扑。

千兆以太网对IEEE 802.3协议的调制：

冲突窗口时间与最小帧长度的调整：将发送521b的时间修改为发送512B的时间，即将原来的最小帧长度为64B修改为512B，最大长度仍为1518B。

帧突发处理：千兆以太网允许各个节点有选择地利用突发模式来发送帧。

基本思想：将多个小于512B的短帧组合在一起，拼接成一个大于512B的正常帧发送，在该正常帧内的各个短帧之间，设置一个帧间隔标志IFG进行分隔。

千兆介质专用接口GMII：

（2）    万兆以太网

10Gbps以太网的主要特点：

      帧格式与10Mbps、100Mbps和1Gbps以太网的帧格式相同。

      保留IEEE 802.3 标准对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定，使用户在将其已有的以太网升级时，仍然便于和较低速率的以太网进行通信。

      传输介质只使用光纤。

      只工作在全双工方式，因此不存在介质争用的问题，由于不需要使用CSMA/CD工作机制，这样传输距离不再受冲突检测的限制。

10Gbps以太网的物理层协议：

      10Gbps以太网有两种不同的物理层标准：10Gbps以太网局域网标准（Ethernet LAN，ELAN）与10GbpsEthernet广域网标准（Ethernet WAN，EWAN）。

      10000BASE-ER：星型结构，局域网物理层采用1550nm波长激光，数据传输使用64B/66B编码方法。

      10000BASE-EW、10000BASE-LR、10000BASE-L4、10000BASE-SR、10000BASE-SW

10Gbps以太网对IEEE 802.3协议的调整：

MAC帧格式的调整：

      局域网和广域网的速率匹配：

10Gbps以太网与广域网物理层的数据传输速率不同，局域网的数据传输速率是10Gbps，而广域网的数据传输速率是9.58464Gbps，但是，这两种速率的物理层共用MAC层，MAC层的工作速率是按10Gbps设计的。现在使用的调整策略大致有以下三种：

通过10G MII接口发送HOLD信号，让MAC层在一个时钟周期停止发送。

在每个帧间隙时间IPG中，由物理层向MAC层发送Busy Idle信号，这时MAC层暂停发送数据。当物理层向MAC层发送Normal Idle信号后，MAC层重新开始发送数据。

采用帧间隙时间IPG延长机制。MAC层每次传输完一个帧后，根据平均数据率动态调整IPG间隔。

1.    无线局域网

（1）    Wi-Fi（802.11）无线局域网

（2）    WLAN传输介质：按所采用的传输技术可以分为三类：红外线局域网、扩频局域网和OFDM（正交频分多路复用）局域网。

（3）    WLAN协议

a)     目前WLAN广泛使用的协议是802.11协议簇。

b)     IEEE 802.11帧结构

c)     802.11工作原理

802.11的MAC层采用CSMA/CA控制发送和接收。每一个发送节点在发送帧之前需要先帧听信道。如果信道空闲，节点可以发送帧。发完一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔，检查接收站是否发回帧的确认ACK。如果收到确认，则说明此次发送没有出现冲突，发送成功。如果在规定时间内没有收到确认，表明出现冲突，发送失败，重发该帧。直到在规定的最大重发次数之内，发送成功。这个时间间隔叫做帧间隔（IFS）。帧间隔IFS的长短取决于帧类型。常用的帧间隔IFS有三种：
     短帧间隔（SIFS）

      点帧间隔（PIFS）

      分布帧间隔（DIFS）

2.    虚拟局域网

（1）    VLAN的概念：由以下LAN网段构成的与物理位置无关的逻辑组。VLAN是建立在局域网交换机之上的，它以软件的方式实现逻辑组的划分与管理。

（2）    VLAN组网方法

a)     基于端口划分VLAN

b)     基于MAC地址划分VLAN

c)     基于网络层地址划分VLAN

d)     基于协议划分VLAN

e)     基于策略划分VLAN

（3）    IEEE 802.1Q与VTP协议

a)     IEEE 802.1Q帧格式

TPID：2字节，表明这是一个加了802.1 Q标签的帧，TPID包含一个固定的值0x8100。

优先级：3位，总共8种优先级，指明数据的优先级。

CFI：1位，指为0说明是规范格式，1为非规范格式。

VLAN ID：12位，总共4096个，每个支持802.1 Q协议的交换机发送出来的数据包都包含这个域。

b)     VTP协议

VTP允许在一个单独的设备（VTP服务器）上配置VLAN，并把配置信息通过交换网络传递出去。

VTP服务器：每个VTP域的根本。服务器VTP是VTP域内唯一可以增加、删除、重命名VLAN的交换机。

VTP客户交换机：从VTP服务器接收所有客户交换机的配置信息。

VTP透明模式：VLAN可以在这些交换机上手工配置。