高速局域網(wǎng)的工作原理

發(fā)布時(shí)間:2023-12-02
傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術(shù)建立在“共享介質(zhì)”的基礎(chǔ)上,網(wǎng)絡(luò)中所有的結(jié)點(diǎn)共享一條公共傳輸介質(zhì),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大,網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)增加時(shí),每個(gè)結(jié)點(diǎn)平均能分配到的帶寬越來越少,沖突和重發(fā)現(xiàn)象將大量發(fā)生,網(wǎng)絡(luò)效率將會(huì)急劇下降,為了克服網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與網(wǎng)絡(luò)性能之間的矛盾,人們提出了以下幾種方案:
將局域網(wǎng)總線及傳輸介質(zhì)性能提高,提高到100m,甚至1g,但它的介質(zhì)訪問控制仍采用csma/cd方法。
將一個(gè)大型局域網(wǎng)劃分成多個(gè)用交換、網(wǎng)橋、路由器互連的子網(wǎng),這就是局域網(wǎng)互聯(lián),每個(gè)子網(wǎng)仍采用csma/cd方法。
將共享介質(zhì)方式改為交換方式。
因此,出現(xiàn)了交換式以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、萬兆以太網(wǎng)、光纖分布式數(shù)據(jù)接口網(wǎng)等高速局域網(wǎng)。
一、快速以太網(wǎng) 隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的10m以太網(wǎng)技術(shù)已難以滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量速度需求。
在1993年10月以前,對(duì)于要求10mbps以上數(shù)據(jù)流量的lan應(yīng)用,只有光纖分布式數(shù)據(jù)接口(fddi)可供選擇,但它是一種價(jià)格非常昂貴的、基于100mpbs光纜的lan。
1993年10月,grand junction公司推出了世界上第一臺(tái)快速以太網(wǎng)集線器fastswitch10/100和網(wǎng)絡(luò)接口卡fastnic100,快速以太網(wǎng)技術(shù)正式得以應(yīng)用。
隨后intel、synoptics、3com、baynetworks等公司亦相繼推出自己的快速以太網(wǎng)裝置。
與此同時(shí),ieee802工程組亦對(duì)100mbps以太網(wǎng)的各種標(biāo)準(zhǔn),如100base-tx、100base-t4、mii、中繼器、全雙工等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。
1995年3月ieee宣布了ieee802.3u 100base-t快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(fast ethernet),就這樣開始了快速以太網(wǎng)的時(shí)代。
快速以太網(wǎng)與原來在100mbps帶寬下工作的fddi相比它具有許多的優(yōu)點(diǎn),最主要體現(xiàn)在快速以太網(wǎng)技術(shù)可以有效的保障用戶在布線基礎(chǔ)實(shí)施上的投資,它支持3、4、5類雙絞線以及光纖的連接,能有效的利用現(xiàn)有的設(shè)施??焖僖蕴W(wǎng)的不足其實(shí)也是以太網(wǎng)技術(shù)的不足,那就是快速以太網(wǎng)仍是基于載波偵聽多路訪問和沖突檢測(cè)(csma/cd)技術(shù),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí),會(huì)造成效率的降低,當(dāng)然這可以使用交換技術(shù)來彌補(bǔ)。 
快速以太網(wǎng)ieee 802.3u標(biāo)準(zhǔn)中定義了以下三種不同的快速以太網(wǎng)規(guī)范分別是
100base-tx
100base-fx
100base-t4
根據(jù)以太網(wǎng)的命名規(guī)則,可知ieee 802.3u標(biāo)識(shí)符包括三塊信息:其一,100表示傳輸速度100mb/s;其二,base表示信號(hào)仍采用基帶傳輸方式。其三,是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)段類型的闡述,t4表示要用4對(duì)3類雙絞線;tx表示要用2對(duì)5類雙絞線;fx表示要用2條光纖。
100base-tx:是一種使用兩對(duì)5類無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網(wǎng)技術(shù),一對(duì)用于發(fā)送,一對(duì)用于接收數(shù)據(jù)。在傳輸中使用4b/5b編碼方式,信號(hào)頻率為125mhz,使用同10base-t相同的rj-45連接器,它的最大網(wǎng)段長度為100米。它支持全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。
4b/5b編碼的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每4bit作為一個(gè)組,然后按照4b/5b編碼規(guī)則(如下表)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)5bit碼。4bit碼共有24=16種組合,5bit碼共有25=32種組合,但只采用其中的16種對(duì)應(yīng)4bit碼的16種,其他的16種或者未用或者用作控制碼,以表示幀的開始和結(jié)束、光纖線路的狀態(tài)(靜止、空閑、暫停)等,編碼效率為80%。
100base-fx:是一種使用兩條光纖的快速以太網(wǎng)技術(shù),一條用于發(fā)送數(shù)據(jù),一條用于接收數(shù)據(jù)??墒褂脝文:投嗄9饫w. 100base-fx特別適合于有電氣干擾的環(huán)境、較大距離連接、或高保密環(huán)境等情況下的適用?!?br>100base-t4:是一種可使用3、4、5類無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網(wǎng)技術(shù)。它使用全部4對(duì)雙絞線,3對(duì)用于傳送數(shù)據(jù),1對(duì)用于檢測(cè)沖突信號(hào)。在傳輸中使用8b/6t(8比特被映射為6個(gè)三進(jìn)制位)編碼方式,信號(hào)頻率為25mhz,它使用與10base-t相同的rj-45連接器,最大網(wǎng)段長度為100米。
快速以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
100base-t快速以太網(wǎng)基本保持了10basee-t以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即所有的站點(diǎn)都連到集線器上,在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多允許有兩個(gè)中繼器。
(1)具有兩個(gè)中繼器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
傳輸介質(zhì)采用utp,站點(diǎn)到第一個(gè)中繼器的最大距離為100m,中繼器之間的距離為5m,第二個(gè)中繼器到路由器(或交換器)的距離為100m。所以站點(diǎn)到交換器的最大距離為205m。
(2)利用光纖布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
站點(diǎn)到集線器采用utp,最大距離為100m,而集線器到路由器(或交換器)的鏈路使用光纖,其最大距離為185m, 所以站點(diǎn)到交換器的最大距離為285m。
(3)利用全雙工光纖的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
全雙工100base-fx,其距離可達(dá)2km。
二、千兆以太網(wǎng)
隨著多介質(zhì)技術(shù)、高性能分布計(jì)算和視頻應(yīng)用等的不斷發(fā)展,用戶對(duì)局域網(wǎng)的帶寬提出了越來越高的要求;同時(shí),100mb/s快速以太網(wǎng)也要求主干網(wǎng)、服務(wù)器一級(jí)的設(shè)備要有更高的帶寬。在這種需求背景下人們開始醞釀速度更高的以太網(wǎng)技術(shù)。1996年3月ieee 802委員會(huì)成立了ieee 802.3z工作組,專門負(fù)責(zé)千兆以太網(wǎng)及其標(biāo)準(zhǔn),并于1998年6月正式公布關(guān)于千兆以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn),后面的ieee 802.3ab標(biāo)準(zhǔn)下的1000base-t規(guī)范是在1999年6月正式批準(zhǔn)發(fā)布的。
千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)的再次擴(kuò)展,其數(shù)據(jù)傳輸率為1000mb/s,即1gb/s,因此也稱為吉比特以太網(wǎng)。千兆以太網(wǎng)基本保留了原有以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu),同時(shí)也支持csma/cd介質(zhì)訪問控制技術(shù),所以向下與以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)完全兼容,原有的10mb/s以太網(wǎng)或快速以太網(wǎng)可以方便地升級(jí)到千兆以太網(wǎng)。
千兆以太網(wǎng)絡(luò)是由千兆交換機(jī)、千兆網(wǎng)卡、綜合布線系統(tǒng)等構(gòu)成的。千兆交換機(jī)構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)的骨干部分,千兆網(wǎng)卡安插在服務(wù)器上,通過布線系統(tǒng)與交換機(jī)相連,千兆交換機(jī)下面還可連接許多百兆交換機(jī),百兆交換機(jī)連接工作站,這就是所謂的“百兆到桌面”。
千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括1998ieee 802.3z發(fā)布的1000base-lx(長波光纖)、1000base-sx(短波光纖)、1000base-cx(屏蔽銅線)和1999年發(fā)布的ieee 802.3ab標(biāo)準(zhǔn)1000base-t(5類utp雙絞線)。這4個(gè)千兆以太網(wǎng)規(guī)范支持不同類型的光纖和雙絞線電纜。
1000base-lx:使用長波長激光,波長為1310nm,可以使用單模光纖,也可以使用多模光纖,采用8b/10b數(shù)據(jù)編碼方法,主要適用于校園或城域主干網(wǎng)。使用單模光纖時(shí),最大傳輸距離為70km。
1000base-sx:適使用短波,波長為850nm多模光纖。其中使用62.5nm多模光纖的最大傳輸距離為275m,使用50nm多模光纖的最大傳輸距離為550m。1000base-sx規(guī)范采用8b/10b數(shù)據(jù)編碼方法,適用于作為大樓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主干通路。
1000base-t:采用5類、超5類、6類或者7類utp雙絞線的全部4對(duì)芯線作為傳輸介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)規(guī)范,對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為ieee 802.3ab(與其他千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同)。它的最大傳輸距離為100m。在全部的4對(duì)雙絞芯線中,每對(duì)都可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),所以即使是相同設(shè)備間的連接,也不需要制作交叉線,兩端都用相同的布線標(biāo)準(zhǔn)即可。
1000base-cx:采用150ω平衡屏蔽雙絞線(stp)作為傳輸介質(zhì)(連接器為db-9),傳輸距離最長僅為25m,數(shù)據(jù)編碼方法采用8b/10b,適用于數(shù)據(jù)中心設(shè)備間(如交換機(jī)之間的連接,尤其適用于主干交換機(jī)和主服務(wù)器之間的短距離連接),或者堆疊設(shè)備間的短距離互連,但不適用于數(shù)據(jù)中心與配線架的連接。
三、光纖分布式數(shù)據(jù)接口網(wǎng)
fddi的英文全稱為“fiber distributed data interface”,中文名為“光纖分布式數(shù)據(jù)接口”,它是于80年代中期發(fā)展起來一項(xiàng)局域網(wǎng)連接技術(shù),它提供的高速數(shù)據(jù)通信能力要高于當(dāng)時(shí)的以太網(wǎng)(10mbps)和令牌網(wǎng)(4或16mbps)的能力。fddi標(biāo)準(zhǔn)由ansi x3t9.5標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制訂,為繁忙網(wǎng)絡(luò)上的高容量輸入輸出提供了一種訪問方法。fddi技術(shù)同ibm的tokenring技術(shù)相似,采用環(huán)型令牌方式,如下圖,并具有l(wèi)an和tokenring所缺乏的管理、控制和可靠性措施,fddi支持長達(dá)2km的多模光纖。
圖 被用作連接局域網(wǎng)的fddi主干
fddi基本特性如下:
可以使用多?;騿文9饫w作為傳輸介質(zhì);
訪問方法與令牌環(huán)網(wǎng)的訪問方法類似,在網(wǎng)絡(luò)通信中均采用“令牌”傳遞。但與標(biāo)準(zhǔn)的令牌環(huán)又有所不同,一是fddi規(guī)定發(fā)送結(jié)點(diǎn)在獲得令牌后,將令牌取下,獨(dú)立地發(fā)送數(shù)據(jù)幀,而token ring則是將數(shù)據(jù)插在“忙”令牌后發(fā)送;二是fddi采用多令牌機(jī)制,允許發(fā)送結(jié)點(diǎn)在發(fā)送完數(shù)據(jù)幀后,立即產(chǎn)生一個(gè)新令牌幀發(fā)送到環(huán)上,以提高介質(zhì)的利用率;三是fddi使用定時(shí)的令牌訪問方法。該方式是,獲得令牌的結(jié)點(diǎn),在指定的稱為“目標(biāo)令牌循環(huán)時(shí)間”(target token rotation time,ttrt)的時(shí)間內(nèi),可以按照用戶的需求來發(fā)送盡可能多的幀。所以在給定時(shí)間中,來自多個(gè)結(jié)點(diǎn)的多個(gè)幀可能都在網(wǎng)絡(luò)上,以為用戶提供高容量的通信;
fddi的雙環(huán)操作,采用了主環(huán)和備用環(huán),具有容錯(cuò)能力;
支持100 m速率,通常作為連接lan的主干網(wǎng)絡(luò);
采用nrz-i和4b/5b編碼方法;
最大距離為200km,最多1000個(gè)站點(diǎn);
具有動(dòng)態(tài)分配帶寬的能力,能夠支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸。
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