底层技术

我们可以把因特网看成由许多主干网络组成,而这些主干网络由一些国际的、国家的和地区的ISP来运营。主干网通过一些连接设备(如路由器或交换机)相互连接在一起。

从概念上讲,因特网就是有交换广域网、局域网、点到点广域网,以及连接设备或交换设备共同组成的集合。

虽然Tcp/Ip协议簇通常都被表示为一个五层的协议栈,但实际上只定义了上三层,因为Tcp/Ip只关心网络层、传输层和应用层。



目标:

有线局域网中占主导地位的以太网技术,包括传统以太网,快速以太网,吉比特以太网和10G以太网;

无线局域网技术,包括IEEE802.11和蓝牙技术;

点到点广域网技术,包括56K调制解调器、DSL、电缆调制解调器、T线技术和SONET技术;

交换广域网技术,包括X.25、帧中继和ATM(异步传输方式);

对连接设备的要求和用途,如集线器、网桥、路由器。

底层技术总览

有线局域网(LAN)

有线局域网

局域网出现过多种技术,如以太网、令牌环网、令牌总线、FDDI和ATM局域网等等,但以太网技术是占有绝对优势的;

IEEE802号项目标准,它的书记是为了协调不同局域网之间在制造以及互连方面存在的问题。而OSI参考模型是展示两个不同的系统怎样才能做到互相通信,而不需要改变底层的硬件或软件的逻辑。

IEEE标准

1985年,为了建立一些标准是得来自不同生产厂商制造的设备之间能够互相通信,IEEE计算机协会启动了一个项目,称为802项目(project 802)。802项目并不想取代OSI模型或因特网模型中的任何一部分,相反,它是用来指明主要局域网协议中物理层和数据链路层功能的一种途径。

IEEE将数据链路层进一步划分为两个子层:逻辑链路控制(Logical Link Control,LLC)和媒体接入控制(Media Access Control,MAC)。IEEE还为不同的局域网协议建立了多个物理层的标准。

局域网的IEEE标准

帧格式:

以太网的帧包含7个字段:前同步码、SFD、DA、SA、数据单元的长度/类型、上层数据以及CRC。

以太网的帧

以太网不提供任何机制来确认收到的帧,因此以太网是一种被称为不可靠的媒体。

前同步码:802.3的帧的第一个字段包含的是7个字节(56bit)交替出现的0和1,它的作用就是提醒接收系统有帧到来,并且使它与输入定时同步。前同步码实际上是在物理层添加上去的,他并不是正式的帧的一部分;

帧首定界符(SFD):第二个字段(1个字节:10101011)作为帧开始的信号,SFD提醒接收站这是最后一次进行同步的机会。最后两位是11,就是提醒接收方接下来的字段就是目的地址。SFD也是由物理层添加的;

目的地址:DA,6个字节;

源地址:SA,6个字节;

长度/类型:长度字段或者类型字段;

数据:数据字段携带的是被上层协议封装的数据,它的最小长度46字节,最大长度1500字节;

CRC:差错检测信息;

最大/小帧长度

64=18+46;

1518=18+1500;

#1500是MAC头部加上尾部大小

限制帧的最小长度是为了使CSMA/CD能够正确操作而要求的,如果上层交给链路层的分组小于46字节,那么就需要用填充来弥补差距;

最大长度的出现有两个历史原因。首先,在最初设计以太网时,内存是非常昂贵的,而限制最大长度有助于减少缓存的大小。其次最大长度的限制可以防止一个站垄断了共享媒体,阻止其他需要发送数据的站发送。

编址:

以太网地址为6字节(48位)长,通常写成十六进制记法,使用冒号分隔。

FF:FF:FF:FF:FF:FF   #前三部分代表厂商

单播、多播和广播地址:

地址字段中第一个字节的最低位指明了地址的类型;

如果该比特是0就是单播地址,是1就是多播地址,广播地址全是1;

单播/多播区别

这些地址在发送到线路上时的方式与它们写成十六进制时的表示方法是不同的。在发送时从左到右逐字节地发送。但是对每一个字节来说,最先发送的是最低位,最后发送的是最高位。也就是说指定地址是单播还是多播地址的那一位会最先到达接收方。

47:20:1B:2E:08:EE

0100 0111 : 0010 0000:  0001 1011:  0010 1110: 0000 1000: 1110 1110

发送顺序


以太网的发展历程:

以太网是由施乐公司Palo Alto研究中心(PARC)与1976年创建的,自此,已发展了四代:标准以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps)、吉比特以太网(1Gbps)、10G以太网。

以太网的发展历程

标准以太网:

速率:10Mbps

接入方法:CSMA/CD

IEEE802.3标准定义了  带有冲突检测的载波侦听多路访问(carrier sense multiple access with collision detection,CSMA/CD)作为传统以太网的接入方法。

在传统的以太网中,各站在物理上通过总线拓扑或星型拓扑连接在一起,但是其逻辑上的拓扑结构一定是总线的。这句话的意思是,所有站共享媒体(信道),并且一次只能有一个站使用这个媒体。这也表示由某一站所发送的帧将被所有站接收(广播方式)。只有真正的目的站才收下这个帧,而其他站都会丢弃。在这种情况下,如何才能保证两个站不会再同一时间使用媒体(信道)?如果两个站同时使用媒体,他们发送的帧就会发生碰撞。

为了使发生碰撞的机会减至最小,并以此来提高性能,因而开发了CSMA/CD方法。如果一个站在试图占用媒体之前先侦听一下它,发生碰撞的机会就会减小。 载波侦听多路访问(carrier sense multiple access,CSMA)要求每个站在发送之前先要对媒体进行侦听。换句话说,CSMA依据的是原则“发送前先侦听”。CSMA能够降低发生碰撞的可能性,但不能消除碰撞。

CSMA中发生碰撞的空间/时间模型

由于传播时延的存在,发生碰撞的可能性依然存在。当某站发送一个帧之后,该帧的第一个比特要到达所有站并使每个站都侦听到它的存在是需要花时间的。换句话说,虽然一个站在侦听媒体时发现它是空闲的,但很有可能这仅仅是因为另一个站发送的帧的第一个比特还没有被接收到。

带碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)对算法进行了修正以解决碰撞问题。在这种方法下,一个站在发送出去一个帧之后还要继续侦听信道,已确定此次传输是否成功。如果成功了则结束任务,但是如果出现了碰撞,还要再次发送这个帧。

CSMA/CD中第一个比特发生碰撞的情况

最小帧长:

要使CSMA/CD正常工作,我们必须要限制帧的长度。

在标准以太网中,如果最大传播时间是25.6us,那么最小帧是?

T=2t=51.2us(最坏情况)

10Mbps X 51.2us = 512 bit  = 64 byte

CSMA/CD流程图

实现:

对于10Base-X这个命名来说,第一个数字指定了数据率(10Mbps),术语Base代表基带(数字)信号,而X则指定了此缆线以100米位单位的最大约等于长度。

标准以太网实现方法小结
标准以太网的实现


快速以太网:

速率:100Mbps

之所以设计快速以太网是为了与其它局域网协议(如FDDI)进行竞争。IEEE建立的快速以太网命名为802.3u。快速以太网可向下兼容标准以太网。快速以太网目标总结如下:

1,数据率升级到100Mbps;

2,使之与标准以太网兼容;

3,保持相同的48比特地址不变;

4,保持相同的帧格式不变;

5,保持相同的最小帧长和最大帧长不变;

MAC子层:

快速以太网放弃了总线拓扑,而保留星型拓扑。对于星型拓扑有两个选择:半双工和全双工。对于半双工方式来说,接入方法保持不变(CSMA/CD),但全双工快速以太网就不再需要CSMA/CD了。不过,为了向下兼容标准以太网,在实现上仍然保留了CSMA/CD。

自动协商:

快速以太网新增的一个特性称为自动协商(autonegotiation)。它允许一个站或一个集线器具有更广泛的性能。自动协商允许两个设备对操作的模式或数据率进行协商。

允许不兼容的设备互相连接,如10Mbps与100Mbps;

允许一个设备具有多种能力;

允许一个站检查集线器的能力;

实现:

快速以太网在物理层的实现可划分为二线和四线两大类。二线实现可以使用屏蔽双绞线电缆STP(100Base-TX)或光缆(100Base-FX)。四类实现的设计只能使用非屏蔽双绞线电缆UTP(100Base-T4)。

快速以太网实现方法小结
快速以太网的实现


吉比特以太网:

速率:1000Mbps

IEEE委员会称之为802.3z。吉比特以太网的宗旨总结吐下:

1,将数据率升级到1Gbps;

2,使之与标准以太网和快速以太网兼容;

3,使用相同的48比特地址;

4,使用相同的帧格式;

5,保持相同的最小帧长和最大帧长不变;

6,支持快速以太网中定义的自动协商功能;

MAC子层

吉比特以太网有两种截然不同的媒体介入方式:半双工和全双工。几乎所有的吉比特以太网都是按全双工方式实现的,但还是需要讨论半双工方式,已说明吉比特网能够与前两代以太网兼容。

全双工模式:在全双工模式下,有一个中央交换机连接到所有计算机和其他交换机。这种模式的每台交换机上的每个端口都具有缓存,数据会保存在这里直至被发送出去。在这种模式下不存在碰撞,也就是说CSMA/CD没有用武之地。没有碰撞还暗示着电缆的最大长度是由电缆中信号衰减来决定的,而不是由碰撞检测过程决定的。

全双工模式下的吉比特以太网不存在碰撞;

电缆的最大长度是由电缆中得信号衰减决定的;

半双工模式:吉比特以太网也可以使用半双工模式,虽然很少见。在这种情况下可以使用集线器来代替交换机,它的作用就好像是普通电缆一样,此时就有可能发生碰撞。半双工使用CSMA/CD。不过,正如前面所讲,这种方式下网络的最大长度完全取决于帧的最小长度。已定义的解决方案有三种:传统的、载波扩充和帧突发。

传统的:在传统方式下,我们保持帧的最小长度与传统以太网一直(512比特),但是由于在吉比特以太网中一个比特的长度之用10Mbps以太网中一个比特长度 1/100,因此这种网络的最大长度就是25米。当所有设备都集中在一个屋子时,这个长度可能是适合的,但就算只连接一个办公室的所有计算机,它也不够长。

载波扩充:为了使网络可以更长,我们就要增加最小帧长的值。载波扩充定义了帧的最小长度为512字节(4096比特),是原来的8倍。这种方法追使各个站为所有小于4096比特的帧附加扩充为(填充)。使用这种方法后,网络的最大长度可以增加到原来的8倍,达到200米,这就使得从各个站到集线器间距离可以达到100米。

帧突发:如果有一连串的短帧要发送,那么载波扩充就显得非常低效,因为每个帧都要运载冗余数据。为了提高效率,人们提出了帧突发。这种模式不再为每个帧附加扩充位,而是一次发送多个帧。不过要想使多个帧看起来就像一个帧一样,那么在帧和帧之间需要加入填充(与载波扩充模式使用的一样),使得信道不会空闲。换言之,这种方法就是欺骗其它站 ,让他们相信发过去的是一个非常大的帧。


吉比特以太网实现方法小结
吉比特以太网的实现


10G以太网:

IEEE建立了10G以太网并称之为802.3ae。

设计10G以太网宗旨总结如下:

1,数据率升级到10Gbps;

2,使之与标准以太网和快速以太网和吉比特以太网兼容;

3,使用相同的48位比特地址;

4,使用相同的帧格式;

5,保持相同的最小帧长和最大帧长不变;

6,允许现存的局域网能够连接到城域网(MAN)或广域网上;

7,使以太网能够与 帧中继和ATM这样的技术兼容

10G以太网只能以全双工模式操作,也就是说不再需要竞争,不使用CSMA/CD。

10G以太网实现方法小结




无线局域网(WLAN)

无线局域网

介绍两种重要的无线局域网技术:IEEE802.11和蓝牙,IEEE802.11有时也称为无线以太网,蓝牙则是一种小型无线局域网的技术。

IEEE802.11

IEEE定义了无线局域网的规约,称为IEEE802.11,它包含了物理层和数据链路层。

体系结构:这个标准定义了两类服务,基本服务集(BSS)扩展的服务集(ESS)

基本服务集:IEEE802.11将基本服务集(basic service set,BSS)定义为无线局域网的构件。基本服务集由固定的或移动的无线站以及可选的中央基站构成,中央基站称为接入点(access point,AP)。

没有接入点的BSS是个孤立的网络,不能向其他的BSS发送数据。这种体系结构称为自组织体系结构(ad hocarchitecture)。在这种体系结构中,几个站就可以构成一个网络,而不需要有接入点。这些站可以互相定位并同意成为一个BSS的一部分。具有接入点的BSS有时被称为基础结构(infrastructure)网络。

基本服务集(BSS)

扩展服务集:一个扩展服务集(extend service set,ESS)由两个或多个具有AP的BSS构成。在这种情况下,这些BSS都连接到一个分配系统(distribution system),它通常是一个有线局域网。分配系统把这些BSS中的AP都连接起来。IEEE802.11并没有对分配系统提出什么限制,它可以是任意的IEEE局域网,譬如以太网。

扩展服务集

当BSS互相连接起来后,彼此之间能够直接联系得上的站就可以不用经过AP互相通信。但是在两个不同类型的BSS中的站之间通信,通常就要经过两个AP。

站的类型:IEEE802.11根据各站在无线局域网中的移动特性定义了三种类型的站:无切换(no-transition),BSS切换(BSS-transition),ESS切换(ESS-transition)。

MAC子层:在这个协议中有两种不同的MAC子层,不过使用得最多的还是基于CSMA/CA(碰撞避免的载波监听多路访问)的MAC子层。

有三个原因使得无线局域网不能直接应用CSMA/CD(碰撞检测的载波监听多路访问)。

1,一个站如果要进行碰撞检测就必须能够同时发送数据和接受碰撞信号,意味着昂贵的费用以及对带宽需求增加;

2,由于隐藏站的问题,可能碰撞是不可检测;

3,站和站之间的距离可能会很远,信号衰减会使得在这一端的站无法听到另一端所发生的的碰撞

CSMA/CA流程图

帧交换时序:

CSMA/CA和NAV

1,源站在发送帧之前首先要检测载波频率上的能量值以检测媒体是否空闲;

a. 源站使用带退避的坚持(persistence)策略等待信道空闲;

b. 源站在发现信道空闲之后先等待一段称为 分布帧间距(distribution interframe space,DIFS) 的时间,然后再发送一个称为 请求发送(RTS)的控制帧;

2,目的站在接收到这个RTS并等待了一段称为 短帧间距(short interframe space,SIFS)的时间之后,向源站发送一个称为的控制帧,这个控制帧表示目的站准备好接收数据;

3,源站在等待一段与SIFS等长的时间之后开始发送数据;

4,目的站在等待了与SIFS等长的时间之后发送确认帧,以表示该帧已接收。在这个协议中,确认帧是很有必要的,因为源站没有任何其他手段可用于检查自己的数据是否成功到达了目的站。从另一方面说,在CSMA/CD中没有检测到碰撞这件事本身就是再告诉源站数据已到达目的站

网络分配向量:如果一个站已经获得了接入权,那么其他站又如何推迟发送自己的数据呢?换言之就是如何实现碰撞避免的?关键在于一种被称为 NAV 的特性。

当某个站在发送 RTS帧时,会在该帧中包含它需要占用信道的时间长度。此次传输波及到的所有站都会创建一个定时器,称为 网络分配向量(Network Allocation Vector,NAV),它表示网站中的其它站必须等待多长时间才可以检查信道是否空闲。每当有一个站接入系统并发送RTS帧后,其它站就必须启动它们的 NAV 。换言之,所有站在侦听物理媒体以检查该媒体是否空闲之前,首先需要检查自己的NAV是否到期。

如果在传送RTS或CTS控制帧期间,也就是通常称为握手期(handshaking period),发生了碰撞,会发生什么事?可能会有多个站同时发送RTS帧,这些控制帧可能会碰撞。但是没有任何碰撞检测机制,所以如果发送方没有收到来自接收方的CTS帧,它就认为发生了碰撞,此时发送方应用退避策略并再次尝试。

分片:无线环境非常嘈杂,被损坏的帧必须重传,因此,协议推荐使用分片方法,也就是讲一个大的帧分割成几个较小的帧。重新发送一个小的帧要比重新发送一个大的帧效率更高。

帧格式:MAC层的帧包括九个字段。

帧格式

帧控制(FC):FC字段为2字节且定义了帧的类型以及一些控制信息。

FC控制帧字段信息

D:除了一种类型之外在其他所有类型的帧中这个字段定义的都是传输持续时间,它由于设置NAV的值。只有在一种控制帧中,这个字段你定义的是该帧的标识号;

地址:共有四个地址字段,都是6字节。每个地址字段的意义都取决于去往DS和来自DS子字段的值;

序号控制(SC):这个字段定义了在流量控制中使用的帧的序号;

帧主体:所包含信息内容取决于定义在FC字段中的类型和子类型;

FCS:FCS字段有4字节,含有CRC-32差错检测序列。

帧类型:由IEEE802.11定义的无线局域网具有三大类型的帧:管理帧、控制帧和数据帧

管理帧:管理帧用于站和接入点之间的通信初始化时;

数据帧:用于携带数据和控制信息;

控制帧:控制帧用于新到的接入和帧的确认;

控制帧

控制帧的类型字段值为01,而之前曾提到的帧的子类型字段值如下:

控制帧中子类型的值


编址机制

IEEE 802.11 的编址机制定义了四种情况,由FC字段中的两个标志 去往DS 和 来自DS 的值决定。每个标志都可能是0或1,其结果得到四种不同的情况。

地址

我们注意到,地址1总是下一个设备的地址,地址2总是上一个设备的地址,地址3总是最后的目的站地址。

隐藏站和暴露站问题

隐藏站问题:站A既在站B的传输范围内,又在站C的传输范围内,因此不管是站B还是站C的信号它都能听到。

隐藏站问题

假设站B正在向站A发送数据,而在发送期间,站C也有数据要发送给站A。但是站C不在站B的传输范围,因此它会认为媒体是空闲的。站C于是也想站A发送数据,这就导致在站A发生碰撞。这这种情况下,从站A的角度看,站B和站C是互相隐藏的。隐藏站的问题会降低网络容量,因为有可能会发生碰撞。

隐藏站问题的解决方法是使用握手帧(RTS和CTS)。

站B的RTS报文抵达了站A,没有抵达站C。不过由于站B和站C都处于站A的传输范围内,所以CTS报文会抵达站C,但这个信息不是给站C的,所以它知道了隐藏站正在使用信道,从而抑制传输直至超过改时间。

使用握手过程来防止隐藏站问题

CSMA/CA握手时的CTS帧可以用来防止因隐藏站而带来的碰撞

暴露站问题:一个站可能会在信道实际上可用时却抑制了发送。

暴露站问题

站A正在向站B发送数据,而站C有一些数据要发送给站D,这些数据本来可以在不打断站A到站B的传输情况下正常发送,但是因为站C暴露在站A的传输中,也就是说它能听到站A发送的数据,因为抑制了发送。换言之,站C因为太过保守而浪费了信道容量。

也许我们希望握手过程中的报文RTS和CTS报文会对此有所帮助,遗憾的是它们也无能为力。

在暴露站问题上使用握手过程

站C听到了来自站A的RTS,但是听不到来自站B的RTS。站C在听到站A的RTS后会等待一段时间,在此期间来自站B的CTS到达了站A,然后站C向站D发送一个RTS表示自己需要与站D通信。站D和站A都有可能听到这个RTS,但是站A正在发送状态但是站A正在发送状态,而非接收状态。站D会用一个CTS来响应。问题就在这里,如果站A已经开始发送数据了,站C就会因为碰撞而听不到来自站D的CTS,于是它就无法将数据发送给站D。站C始终处于暴露状态,直至站A发送完数据为止。



蓝牙

蓝牙(Bluetooth)是设计用于连接具有不同功能的设备(如电话、笔记本打印机、照相机等)的无线局域网技术。

蓝牙局域网是一种自组织网络,也就是说这个网络是自发组成的,这些设备互相找到对方并形成一个微微网的网络。蓝牙局域网甚至能连接到因特网上,只有其中某个小设备由此能力。蓝牙局域网天生就不可能很大。

蓝牙技术有一些典型的应用。像无线键鼠通过此技术与计算机进行通信、监控设备与传感器互相通信、手机游戏机PC医疗设备等。

现在,蓝牙技术是指由802.15标准定义的协议实现。这个标准定义了一个无线个人局域网(PAN),它可以在一个房间或厅堂大小的空间内工作。

体系结构:蓝牙定义了两种类型的网络:微微网 分散网

微微网:有一种蓝牙网络称为微微网(piconet)。一个微微网最多可以定义8个站,其中一个站称为主站(primary),其它站称为从站(secondary)。所有从站的时钟及跳频都要与主站进行同步。一个微微网中只能有一个主站,主站和从站之间的通信可以是一对多,也可以是多对多。

微微网

分散网:多个微微网可以组合起来形成一个分散网(scatternet)。一个微微网的从站可能是另一个微微网的主站,它可以接收由第一个微微网的主站发送的报文(作为那个微微网的从站),然后以主的身份将这些报文传递给另一个微微网的从站。

分散网

蓝牙设备:一个蓝牙设备可以是一个内置的短距离无线电波发射器。目前数据率是1Mbps,无线电频率为2.4GHz。这也就意味着IEEE 802.11无线局域网和蓝牙局域网之间有可能会互相干扰。

帧格式:基带层的帧可能是以下三种类型:1个时隙,3个时隙,5个时隙。一个时隙是625µs(微秒)。不过1个时隙的帧在交换过程中需要有259µs用于跳频和控制机制,也就意味着1个时隙的帧只能有366µs(625-259),加之1MHz带宽以及1bit/Hz的条件,1个时隙的帧的大小就是366位。

3个时隙的帧 625  x 3 - 259 = 1616,5个时隙的帧 625 x 5 - 259 = 2866。

几种类型的帧格式

每个字段的描述:

接入码: 这个72位的字段一般情况下包含的是同步位和主站的标识符,以此来区分不同微微网中的帧;

首部: 在这个54位的字段中反复出现这一个18位的固定样式,这个样式由以下字段组成

    a. 地址: 这个3位地址子字段可以定义最多七个从站(1-7)。如果这个地址为0,就说明是主站向所有站发出的广播通信

    b.类型: 这个四位的类型子字段定义了上层数据的类型

     c.F: 这个1位的子字段用于流控制,置1时表示这个设备无法接收更多的帧

    d.A: 这个1位子字段用于确认,蓝牙使用的停止等待ARQ,只需1位就足够用于确认

    e.S: 这个1位的子字段包含一个序列号

    f.HEC 这个8位的首部纠错子字段是一个序列号,用于检测首部中18位为一节的差错

数据: 这个子字段的长度从0位到2740位都可以,它包含来自上层的数据或控制消息

    a. 发送站在检测到媒体空闲后会发送一个称为请求发送(RTS)的特殊帧,在这个报文中,发送方定义了它需要使用媒体的总时间

    b. 接收站通过发送一个称为允许发送(CTS)的帧来确认此请求(向所有广播)

    c. 发送站发送数据帧

    d. 接收站对接收到的数据进行确认

首部中有三个完全相同的18位长的段,接收方会逐位比较这三段,如果三次重复完全一致,该位就被就收。如有不同,则少数服从多数。这是一种前向纠错的方法。之所以需要这种双差错控制机制是因为此种通信是通过空气来传输的,本身就非常嘈杂。请注意,此子层 没有重传机制。



点到点广域网

点到点广域网从公共网中获取一条线路来连接两个远程设备。我们要讨论的是传统的调制解调器技术DSL线电缆调制解调器T线SONET

调制解调器(Modem): 进行数字信号(digital signal)和 模拟信号(analog signal)之间的转换。


56K调制解调器

56K调制解调器

上传(uploading)时,模拟信号必须要在交换站采样,这表示上传的数据率被限制位33.6kbps;但下载(downloading)时却没有采样问题,信号不受量化噪声的影响,因而不会受到香农定理的容量限制。上传最高数据率33.6kbps,下载最高可达56kbps。

香农定理:

香农定理给出了信道信息传送速率的上限(bps)和信道信噪比及带宽的关系。香农定理可以解释现代各种无线制式由于带宽不同,所支持的单载波最大吞吐量的不同。

在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,信道容量Cmax 与 信道带宽B,信噪比S/N 关系为: Cmax = B* log2(1+S/N)

为什么是56Kbps?

电话公司对语音信号的采样速率是每秒8000个采样,每个采样用8位编码。但每个采样中需要1位用于控制。因此数据率就是 800 x 7 = 56000bps=56kbps


DSL技术

当传统的调制解调器到达其最高数据率后,电话公司又开发出了另一种技术,即DSL。它可以提供到因特网的高速接入。数字用户线(Digital Subscriber Line, DSL)技术使用现有的本地用户线(电话线)来支持告诉数字通信的一种最有前途的技术。

DSL技术是一组技术的统称(ADSL、VDSL、HDSL、SDSL)。


ADSL

非对称数字用户线(Asymmetric DSL,ADSL)。像56K调制解调器一样,ADSL在下行方向可提供比上行更高的数率,这就是它称为非对称的原因。与56K调制解调器的非对称不同的是ADSL的设计者特意不平均地分割了本地环路中居民用户的可用带宽。这种服务不适用于企业用户,因为他们在两个方向上都需要大的带宽。

ADSL是一种为居民用户设计的非对称的通信技术,它不适用于企业

ADSL带宽划分

语音: 信道0为话音通信保留;

空闲: 信道1-5未使用,一边在语音和数据通信之间留有间隙;

上行数据和控制: 信道6-30用于上行数据的传送和控制。1个信道用于控制,24个信道用于数据传送;

下行数据和控制: 信道31-255用于下行数据的传送和控制,1个信道用于控制,224个信道用于数据传送。

由于信噪比较高,实际比特数率如下:

上行:64Kbps - 1Mbps ;                              下行: 500Kbps - 8Mbps

ADSL 和 DSLAM

用户端

过滤器: 把语音通话和数据通信分开;

ADSL调制解调器: 对数据进行调制并建立下行和上行信道;

电话公司端: 使用 数字用户线接入复用器(DSL Access Multiplexer,DSLAM),其功能与ADSL调制解调器是相似的,除此之外,它还要把即将发送到因特网的数据打包。


其他DSL技术

对称数字用户线(Symmetric DSL,SDSL) 把可用带宽平均分配到下行和上行两个方向上;

高数据率数字用户线(High bit rate DSL,HDSL)是设计来取代 T-1线(1.544Mbps)的技术。T-1线使用了传号交替反序(AMI)编码,这是得它在高频端对衰减很敏感,因此 T-1线的长度限制在1公里内。

甚高数据率数字用户线(Very high bit rate DSL,VDSL)是类似于ADSL的另一种技术,它使用同轴电缆、光缆以及双绞线电缆,用于短距离传输(300-1800m)。其调制技术为离散多音技术(DMT)。


电缆调制解调器

DSL使用的是现存的无屏蔽双绞线(UTP),它很容易受到干扰,这就限制了数据率的上限。另一解决办法是使用有线电视网。

传统的有线电视网

最初的有线电视(Cable TV)是为了向接收条件较差或无法接收信号的地区分发广播视频信号,曾称为 共用天线电视(Community Antenna TV,CATV)。因为它使用安装在山丘或建筑物顶上的天线接收来自电视台的信号,然后通过同轴电缆把信号分发到用户区。

称为头端(head end)的有线电视机房接收来自广播电视台的视频信号,然后把信号送入同轴电缆。传统的有线电视网端对端地使用同轴电缆,由于信号衰减必须使用大量的放大器,并且通信是单向的,视屏信号下行传送,从头端到达用户住宅。

HFC网络

第二代有线电视网称为混合光纤同轴(Hybrid Fiber-Coaxial,HFC)网络。从有线电视机房到光纤结点(fiber node)使用光纤传输,从光纤结点通过居民区到用户住宅使用同轴电缆。把有线电视网变成了双向的。

带宽

同轴电缆的带宽大约是 5-750MHz,有线电视网公司把这个带宽划分为3个频带: 视频、下行数据和上行数据。

同轴电缆带宽

视频频带: 下行传输的视频频带(video band)范围是 54-550MHz,由于每个电视频带占据6MHz的带宽,因此可容纳超过80个频道;

下行数据频带: 下行数据占据较高的 550-750MHz的频带。这个频带也被划分成一些 6MHz的信道,下行数据能够以30Mbps的速率接收,标准规定只有27Mbps。但是,电缆调制解调器是通过10Base-T电缆连接计算机,所以速率就被限制在了10Mbps。

上行数据频带: 上行占据较低的 5-42MHz的频带,使用了较低的频率,更加容易受到噪声和干扰。理论上数据率可达 12Mbps(2bit/Hz x 6MHz)。

共享

上下行频带都是由用户们共享的,上行带宽如果是37MHz,这就表示,在上行方向上只有6个6MHz的信道可用。一个用户就需要使用一个信道在上行方向发送数据。问题是,这6个6MHz的信道是怎么在拥有1000或几千个用户的区域内共享的呢?---- 解决方法是分时共享!

频带被划分成一些信道,信道必须由在同一个居民区的用户共享。有线电视网提供者静态地或动态地将一个信道分配给一组用户。如果某个用户想发送数据,她或他就要和其他也想接入网络的用户竞争,用户必须等到信道可用时才能发送数据,这种情况类似以太局域网中的CSMA。

设备

电缆调制解调器(Cable Modem,CM)安装在用户端,与ADSL调制解调器相似;

电缆调制解调器传输系统(Cable Modem Transmission System,CMTS)由有线电视网安装在分配集线器里,它接收/发送来自因特网的数据,并把数据传递给组合器,再有组合器传送/接收到用户。

电缆调制解调器的配置


T线

T线(T line)就是标准的数字电话线路,最初用来复用话音信道,现在可把数据从用户传送到因特网。T线还可以在交换广域网的结点之间提供物理链路。

T线的速率

T-1线: 24个话路被采样,每个样本数字化后变为8位,再加上一位来同步,这样就使一个帧的长度为193位。每秒发送8000帧,所以数据率位1.554Mbps。

T-3线: 它等效于28个T-1线。很多用户可能并不需要T线的全部容量,为了适应这些用户,电话公司开发了部分T线业务,允许若干个用户通过对传输的复用来共享一个T线。


SONET

光纤的高带宽不仅适用于目前数据率最高的技术(如视屏会议),还可以同时承受大量较低速率的技术。ANSI建立了一组标准,称为同步光纤网(Synchronous Optical Network,SONET),用来有效使用光纤。它定义了一种高速数据承载方式。

SONET首先定义了一些电信号,称为 同步运输信号(Synchronous Transport Signals,STS),然后将这些信号转换为相应的 光信号,称为 光载波(Optical Carriers,OC)。光信号以每秒8000帧的速率传输。

SONET的数据率

同步光纤网的最低速率也是大于 T-3线速率!


PPP

虽然电话公司或有线电视网公司提供了物理链路,但还需要专门的协议来控制和管理数据的传送。点到点协议(Point-to-Point Protocol,PPP)就是为此而设计。

PPP分层

PPP只有物理层和数据链路层。PPP没有为物理层定义特定的协议,相反,PPP让实施者自行选择可用的协议。PPP支持ANSI认可的所有协议。在数据链路层,PPP定义了帧的格式,以及用来控制链路和传送用户数据的协议。

PPP的帧

1,标志字段: 用来标志PPP帧的边界,它的值是 0111 1110;

2,地址字段: 因为PPP用于点到点连接,所以它使用了绝大多数局域网中使用的广播地址 1111 1111,这样在协议中可以避免数据链路层地址;

3,控制字段: 表示这个帧不适用序号,每个帧都是独立的。它的值是 1100 0000;

4,协议字段: 用来定义在数据字段中携带的数据类型:用户数据或其他信息;

5,数据字段: 用来携带用户数据或其他信息;

6,FCS: 检验序列字段是简单的2字节或4字节的CRC,用来进行差错检测;

链路控制协议(LCP)

链路控制协议(Link Control Protocol,LCP)负责建立、维护和终止链路。当一个帧的数据字段携带的是与这个协议有关的数据时,就表示PPP正在处理链路。它不携带数据。

网络控制协议(NCP)

网络控制协议(Network control Protocol,NCP)是为了使PPP协议具有灵活性。PPP可以携带来自不同网络协议(包括IP)的数据。当链路建立后,PPP就能在它的数据字段中携带IP分组。

PPPoE

PPP本来是为单个用户通过传统的调制解调技术和电话线连接到因特网而设计。但在今天,DSL、电缆调制解调器和无线技术允许以太局域网上的一组用户通过一条物理线路接入到因特网。换言之,连接在以太网上的多个主机能够共享一条物理线路接入到因特网。以太网的PPP(PPP over Ethernet,PPPoE)是一个新协议,它使用一种发现技术来找出需要连接因特网的主机的以太网地址。在这个地址被发现后,就可以使用正常的PPP会话提供连接。



交换广域网

广域网

交换广域网是覆盖大面积(一个省或国家)的广域网,并能向用户提供多个接入点。在网络内部用网状的点到点网络来连接各交换机。这些交换机都有多端口连接器,可连接多个输入和输出。

局域网被认为是一种无连接技术,也就是说发送方向接收方发送的各个分组之间没有直接关系;但交换广域网则不然,它使用面向连接的技术。在发送方发送分组之前,发送方和接收方之间必须要建立一条连接。当连接建立后就被指派了一个标识符,在传输期间都要使用这个标识符。当传输结束后,连接还必须正式地终止。这种连接标识符替代了局域网技术中的源地址和目的地址。

X.25

在20世纪70年代问世的X.25协议曾经很流行的第一种交换广域网,主要用作连接单个计算机或局域网的公用网络。X.25提供端到端的服务。

在因特网出现前就已设计的X.25帧是一个三层协议,它有自己的网络层,IP分组必须封装在X.25的网络层分组中,才能从网络的一端传送到另一端。这就有点多余了!

X.25的另一个问题是设计它的时候传输媒体还不怎么可靠,因此X.25使用了过多的差错控制。这会使传输非常慢。

帧中继

帧中继(Frame Relay)协议是一种提供了底层(物理层和链路层)服务的交换技术,设计它是用来代替X.25的。帧中继相较于X.25有如下优点:

高数据率: 相当于 T-3线;

突发数据: 广域网提供者所提供的某些业务是假定用户需要使用固定的数据率。例如T-1线为始终如一地1.544Mbps的速率。突发数据要求的是按需贷款(bandwidth on demand),用户在不同时候需要不懂得带宽,帧中继能够接受数据。用户可以保证获得某个平均数据率,并在需要时也可超过这个平均数据率。

因传输媒体的改善而减小了开销: X.25提供了过多的差错检查和流量控制。帧中继不再提供差错检查,并在数据链路层也不需要确认。相反,帧中继把所有的差错检查留给使用帧中继服务的网络层和运输层协议。

ATM

异步传递方式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)是由ATM论坛设计,并被ITU-T采纳的信元中继协议。

设计目标

1,需要有一种传输系统能够最优化地使用高数据率的传输媒体(特别是光纤);

2,需要有一种系统能够与现有的各种系统(如不同的分组交换网)接口,并能在现有系统之间提供广域互连,但不会降低它们的性能,也不需要重新更换他们;

3,需要一种实现起来很便宜的设计,从而使得价格不会成为被采用的障碍;

4,新的系统必须能够与现有的电信体系一起工作并提供支持;

5,新的系统必须是面向连接的,以保证准确和可预期的交付;

6,要把尽可能多的功能转移到硬件上,同时尽可能地减少其软件功能,都是为了提高速度。

信元网络

ATM是一种信元网络。一个信元(cell)就是一个很小且长度固定的数据单元,它是信元网络中数据交换的基本单位。在这种类型的网络中,所有的数据都被装载到相同的信元中,而这些信元的传递是完全可预计的和统一的。在信元网络中,一个信元可以与其他信元一起被复用和转发。由于信元长度都一样,而且都很短,因此不会出现不同长度的分组再在复用时遇到的问题。

异步TDM

ATM使用异步时分复用(asynchronous time-division multiplexing)技术把不同信道上的信元进行复用。它使用和信元长度相同的定长时隙。ATM复用器把有信元的信道中的信元装入时隙。如果所有信道都没有信元,则这个时隙就处于空闲状态。

ATM的复用

在时钟的第一个滴答,信道2没有信元(输入时隙是空的),因此复用器把第三个信道的信元填入时隙。当所有信道的信元都进入复用器后,输出时隙就变成空闲状态。

ATM的体系结构

ATM是一种交换网络。称作端点的用户接入设备与网络内部的交换机相连。交换机和交换机之间使用高速通信信道互相连接。

ATM网络的体系结构

虚连接: 两个端点之间的连接是通过传输路径(TP)虚通道(VP)以及 虚电路(VC)完成的。

传输路径(Transmission Path,TP)是端点和交换机之间或两个交换机之间的物理连接(电缆、卫星等)。可以把传输路径视为直接连接两座城市的所有高速公路的集合。

虚通道(Virtual Path,VP)提供了两个交换机之间的一条或一组连接。一条传输路径可划分为多个虚通道。可以把虚通道视为连接两个城市的一条高速公路。

信元网络都是基于虚电路(virtual Circuits,VC)。属于一个报文的所有新元都会沿着一条相同的虚电路传输,并保持它们原有的发送顺序,直至到达终点位置。可以把虚电路视为高速公路上的车道。

在虚电路网络中,要将数据从一个端点传送到另一个端点,就必须对虚连接进行标识。为此,ATM的设计者创造了一种分成两级的标识符:虚通道标识符(Virtual Path Identifier,VPI)虚电路标识符(Virtual Circuit Identifier,VCI)。

一条虚连接是用一对数值来指明的:VPI和VCI。

ATM分层

ATM标准定义了三层,从上到下分别是:应用适配层,ATM和物理层。

ATM分层

物理层和ATM层用于网络内部的交换机,也用于应用了ATM业务的端点(如路由器)。应用适配层(AAL)仅用于端点。

ATM层应用情况

AAL层

应用适配层(Application Adaptation Layer,AAL)允许现有的网络(如分组交换网)与ATM设施连接。AAL协议接收来自上层的传输,并把它映射为固定长度的ATM信元。在接收端这些信元被重装成原来的格式,并传递给正在接收的上层服务。

虽然已经定义了四种AAL层,但重要的是AAL5,它用于运载因特网中的IP分组。

AAL5有时也被称为 简单有效适配器层(Simple and Efficient Adaptation Layer,SEAL),它假设属于一个报文的所有信元都是按序传送的,并且所有控制功能都包括在上层的发送应用程序中。AAL5是为无连接的分组协议而设计的,这种协议用数据报方式进行路由选择。

IP协议用的是AAL5子层。

AAL5接受不超过65535字节的IP分组,并为其添加一个8字节的尾部,同时还有一些填充,这些填充用于保证其尾部正好处在接收设备所预期的位置上(也就是最后一个信元的最后8个字节)。一旦填充及尾部准备好,AAL5就以48字节的报文段将报文传递给ATM层。

AAL5

ATM层

ATM层提供路由选择、通信量管理、交换和复用等服务。它这样处理要发送的通信量:从AAL子层接受48字节的报文段,再加上5个字节的首部后把它转换为53字节的信元。

ATM层

一个信元的长度是53字节,其中5字节分配给首部,其他48字节运载负荷(用户数据报可能少于48字节)。首部中的把部分被VPI和VCI占据。

一个ATM信元

VPI和VCI的组合可视为一个标记,用于指明某条特定的虚连接。

物理层

物理层定义了传输媒体、比特传输、编码方式以及电信号和光信号的转换。它提供与物理传送协议(如SONET和T-3)的融合,同时也提供将信元流转换成比特流的机制。



连接设备

为了连接局域网和广域网,我们要使用连接设备。连接设备可以在因特网模型中的不同模式上工作。

讨论三种不同的连接设备(connecting device)转发器(集线器)网桥(两层交换机)路由器(三层交换机)

转发器和集线器工作在因特网模型中的第一层;

网桥和两层交换机工作在前两层;

路由器和三层交换机工作在前三层。

连接设备

转发器

转发器(repeater)是一种仅在物理层工作的设备。携带信息的信号在网络中只能传播有限的距离,否则衰减会破坏信号的完整性。转发器在信号变得太弱或者受到损伤之前接收这个信号,然后再生或重演原来的比特模式,转发器再把刷新后的信号发送出去。

在过去,当以太网局域网还使用总线拓结构时,转发器的作用是连接一个局域网的两个网段从而克服同轴电缆的长度限制。不过现在以太局域网使用星型拓扑。在星型拓扑结构中,一个转发器就是一个多端口设备,通常称为集线器。它用作一个连接点,同时又具有转发器的功能。(集线器广播这个帧,但只有目的地址保留这个帧)

转发器或集线器

转发器转发每一个比特,它没有过滤功能。它不够聪明无法了解应当发送哪个端口的帧;

集线器或转发器是一种物理层设备,它们本身不具备数据链路地址,同时也不会检查接收到的帧的数据链路地址。

网桥

网桥(bridge)工作在物理层或数据链路层。作为一个物理层设备,它再生接收到的信号;作为一个数据链路层的设备,网桥可以检查包含在帧中的MAC地址。

网桥有一张表,可用于判决过滤,然后决定从哪个出端口将这个帧发送出去,因此没有必要向其他端口转发这个帧。

网桥不改变帧中的物理地址(MAC)。

网桥

透明网桥

透明网桥(transparent bridge)是可以令所有站都完全不知道它存在的一种网桥。如果一个网桥加入到系统中或从系统中删除,所有站都不需要重新配置。

根据 IEEE 802.1d 规约,安装了透明网桥的系统必须符合以下三个准则:

1,帧必须能够从一个站转发到另一个站;

2,转发表是通过学习网络中帧的移动规律而自动生成的;

3,系统中必须防止形成环路。

学习,在最早的网桥中,转发表是静态的,必须手工添加每一个表项。后来采用动态转发表,它能够自动地把地址映射为端口。

进行学习的网桥

两层交换机

当我们使用交换机这个术语时必须很小心,因为可以指两种不同的东西。有两层交换机三层交换机两层交换机(two-layer switch)工作在物理层和数据链路层,它是一种具有快速转发能力的复杂网桥。

路由器

路由器(router)是一个三层设备,它工作在物理层、数据链路层和网络层。

作为物理层设备,它把接收到的信号进行再生;

作为数据链路层设备,路由器检查包含在分组中的物理地址;

作为网络设备,路由器则要检查网络层地址;

网桥改变了碰撞的范围,而路由器则限制了广播的范围。

路由器可以把多个局域网连接起来,也可以把多个广域网连接起来,还可以把多个局域网与多个广域网连接起来。换言之,路由器就是网际互联设备,它把一些独立的网络连接起来构成一个互联网。

转发器或网桥连接的是一个局域网的各个网段;

路由器把几个独立的局域网或广域网连接起来,构成了互联网络。

路由器与网桥的主要区别:

路由器的每一个接口都以一个物理地址和逻辑(IP)地址;

路由器只在如下的分组到达时才发挥作用,即分组中的物理地址与分组抵达时的接口的物理地址相匹配;

路由器在转发分组时要改变分组的物理地址(源地址和目的地址)。

三层交换机

三册交换机(three-layer switch)就是路由器,它是一种在设计上有所改进并获得了更好性能的路由器。三层交换机可以比传统路由器快得多地接收、处理和发送分组,虽然功能都是一样的。



重要术语

AAL5;        BSS切换移动性;        接入点(AP);    应用适配层(AAL);

电缆调制解调器(CM);       电缆调制解调器传输系统(CMTS);

非对称数字用户线(ADSL);     有线电视;      异步时分复用;

载波扩充;      异步传递方式(ATM);      载波侦听多点接入(CSMA);

自动协商;      按需带宽;      基本服务集(BSS);

具有碰撞避免的载波侦听多点接入(CSMA/CA);

具有碰撞检测的载波侦听多点接入(CSMA/CD);

蓝牙;    网桥;    信元;    主站;    连接设备;    从站;

公用天线电视(CATV);    以太网上的PPP(PPPoE);

数字用户线(DSL);      数字用户线接入复用器(DSLAM);

802项目;      转发器;      路由器;    分散网;      下载;    下行数据频带;

分布的帧间距(DIFS);    短帧间距(SIFS);    ESS切换移动性;

以太网;    简单有效适配器;    扩展服务器(ESS); 

标准以太网;    快速以太网;    吉比特以太网;    光纤结点;    过滤器;    帧突发;

对称数字用户线(SDSL);    同步数字系列(SDH);    同步光纤网(SONET);

同步传送信号(STS);    帧中继;    握手期;

T线;    T-1线;    T-3线;    10G以太网;

十六进制记法;    三层交换机;    高数据率数字用户线(HDSL);

传输路径(TP);    集线器;    透明网桥;    两层交换机;

混合光纤同轴(HFC)网络;    IEEE 802.11;    干扰信号;

上行数据频带;    视频频带;    甚高数据率数字用户线(VDSL);

链路控制协议(LCP);    逻辑链路控制(LLC);    媒体接入控制(MAC);

网络分配向量(NAV);    网络控制协议(NCP);    网络接口卡(NIC);

虚电路(VC);    虚电路标识符(VCI);    虚通道(VP);    虚通道标识符(VPI);

无切换移动性;    光载波(OC);    微微网;    无线局域网;

点协调功能(PCF);    点到点协议(PPP);    X.25;



小结

局域网就是设计在有限地理范围内使用的计算机网络。在局域网的市场上出现过多种技术,如以太网、令牌环网、令牌总线、FDDI和ATM局域网等。但以太网才是占有绝对优势的技术,目前绝大多数以太网版本是G比特以太网和10G以太网;

无线局域网的另一个最重要的标准是 IEEE 802.11定义的标准,有时也被称为无线以太网。另一种比较流行的技术是蓝牙,它是一种设计用于链接具有不同功能的设备的无线局域网技术;

点到点广域网技术提供了通过常规电话线路和传统调制解调器、DSL线路、电缆调制解调器、T线或SONET网络对因特网的直接连接。点到点协议(PPP)是为需要用可靠的点到点接入因特网的用户而设计的。PPP工作在OSI模型的物理层和数据链路层;

交换广域网技术提供因特网中的主干连接。异步传输方式(ATM)是信元中继的协议,用来支持数据、话音和视像在高速率传输媒体(如光纤)上的传输;

连接设备可以把网络的几个网段互相连接起来,也可以把几个网络连接起来形成一个互联网。共有三种类型的连接设备:转发器(集线器)、网桥(二层交换机)、路由器(三层交换机)。转发器在物理层对信号进行再生;集线器是多端口转发器;网桥可以访问站的地址,并在网络中转发或过滤分组;二层交换机是一种复杂的网桥;路由器判断一个分组应当沿什么路径传送,三层交换机是一种复杂的路由器。

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