局域网介质访问控制方式-组网工程与技术

从介质访问控制方法的角度来看，局域网可以分为共享介质局域网与交换式局域网两种。

1.共享介质局域网

IEEE 802.2标准定义的共享介质局域网有以下3种类型。

（1）采用CSMA/CD介质访问控制方法的总线型局域网

总线型局域网的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）方法。

冲突检测是指节点在发送数据的同时，将它发送的信号波形与从总线上接收的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的信号，它们叠加后的信号波形将不等于任何节点发送的信号波形。当节点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时，表示总线上有多个节点在同时发送数据，这时冲突已经产生。如果在发送数据过程中没有检测出冲突，节点在发送结束后进入正常结束状态；如果在发送数据过程中检测出冲突，节点停止发送数据，并随机延迟后重发数据。

以太网中的任何节点如果想发送数据，首先需要做的事情是争取总线使用权。因此，节点从准备发送数据到成功发送数据，发送等待延迟时间是不确定的。CSMA/CD方法可以有效控制多节点对共享总线的访问，方法简单并且容易实现。

（2）采用Token Bus介质访问控制方法的总线型局域网

IEEE 802.4标准定义了总线拓扑的令牌总线（Token Bus）介质访问控制方法与相应的物理规范。TokenBus是在总线拓扑中利用令牌（Token）作为控制访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。在采用Token Bus方法的局域网中，任何节点只有在取得令牌后才能使用总线去发送数据。令牌是一种特殊结构的控制帧，用来控制节点对总线的访问权。正常的稳态操作是指在网络已完成初始化后，各节点进入正常传递令牌与数据，并且没有节点要加入或撤出，没有发生令牌丢失或网络故障的正常工作状态。这时，每个节点有本站地址，并知道上一节点地址与下一节点地址。令牌传递顺序规定由高地址向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传递，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。环中的令牌传递顺序与节点在总线上的物理位置无关。因此，令牌总线网在物理上是总线网，而在逻辑上是环形网。

令牌帧中含有一个目的地址。接收到令牌帧的节点可以在令牌持有时间内发送一个或多个帧。令牌持有节点必须交出令牌的情况有：该节点没有数据帧等待发送；该节点已发送完所有等待发送的数据帧；该节点持有令牌的最长时间到了。

令牌总线方法的优点主要是：介质访问延迟时间有确定值；通过令牌协调各节点之间的通信关系，各节点之间不发生冲突，重负载下信道利用率高；支持优先级服务。令牌总线方法的缺点主要是：环维护复杂，实现较困难。

图1-23 令牌环局域网的工作原理

（3）采用Token Ring介质访问控制方法的环形局域网

令牌环（Token Ring）介质访问控制技术最早开始于Newhall环网，最有影响的令牌环网是IBM公司的Token Ring。IEEE 802.5标准是在Token Ring协议的基础上发展起来的。Token Ring网中的站点通过环接口连接成物理环。令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧中有一位标志令牌的忙/闲。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传输，传输顺序与节点在环中排列的顺序相同。图1-23给出了令牌环局域网的工作原理。

如果节点A有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌到达。当节点A获得空闲令牌后，它将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后可以开始传输数据帧。节点B、C、D将依次接收到数据帧。如果该数据帧的目的地址是C节点，C节点在正确接收该数据帧后，在帧中标示出帧已被正确接收和复制。当A节点接收到自己发出的、已被目的节点正确接收的数据帧时，它将回收这些数据帧并将令牌状态改成空闲，然后将空闲令牌传送给下一节点。

令牌环具有与令牌总线相似的优点：环中节点访问延迟确定，适用于重负载环境，支持优先级服务。

令牌环方法的缺点主要是：维护复杂，实现较困难。

2.交换式局域网

在传统的共享介质局域网中，所有节点共享一条公共传输介质，不可避免将会发生冲突。随着局域网规模的扩大与节点数的增加，每个节点平均能分配到的带宽越少。因此，当网络通信负荷加重时，冲突与重发现象将会大量发生，网络效率将会急剧下降。为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出将共享介质方式改为交换方式，这就导致了交换式局域网的发展。

交换式局域网的核心设备是局域网交换机。局域网交换机可以在多个端口之间建立多个并发连接。为了保护用户已有的投资，交换机一般是针对某种局域网而设计的，例如IEEE 802.3标准的以太网或IEEE 802.5标准的令牌环。典型的交换式局域网是交换式以太网（Switched Ethernet），它的核心是以太网交换机（Ethernet Switch）。实际上，局域网交换机与网桥之间没有严格的界限，可以认为交换机是在网桥的基础上发展起来，并且是功能更加完善的网桥。(www.xing528.com)

图1-24给出了局域网交换机的结构。一般来说，局域网交换机由以下4个模块组成：交换机端口、交换控制模块、存储模块与交换模块。其中，交换机端口模块完成帧信号的接收与发送功能；交换控制模块实现各个端口之间数据帧交换的控制功能；交换模块根据交换控制模块做出的转发决定，建立起交换机相关端口之间的临时帧传输路径；存储模块分别为各个端口设置独立的缓冲区。

图1-24 局域网交换机的结构

局域网交换机支持的网络协议类型主要考虑以下内容。

（1）网络协议类型

局域网交换机支持的物理层类型主要是：支持10Mbit/s的以太网物理层标准，还是支持100Mbit/s的快速以太网、1Gbit/s的千兆以太网或10Gbit/s的千兆以太网中某个具体的物理层标准。

（2）端口设置

端口设置应该包括交换机设置的端口数量，例如5、8、12、16、24或128个。各个端口支持具体的物理层标准。

（3）工作模式与数据传输速率

工作模式主要是支持半双工或全双工，数据传输速率是10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s或10Gbit/s。

（4）传输介质

传输介质包括屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线、单模或多模光纤。

除了上述性能指标与协议类型以外，局域网交换机是否支持链路/负载均衡也非常重要。负载均衡可以在交换机各端口之间自动进行流量调度，可以很好地优化系统性能。

局域网交换机主要有以下几个技术特点。

（1）低交换传输延迟

局域网交换机的主要特点是低交换传输延迟。从传输延迟时间的数量级来看，如果局域网交换机的传输延迟为几十，则路由器的传输延迟为几千。

（2）支持不同的传输速率和工作模式

局域网交换机的端口可以设计成支持10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s和10Gbit/s等不同的传输速率。同时，端口可以设计成支持半双工和全双工两种工作模式。对于10Mbit/s的端口，半双工端口带宽为10Mbit/s，而全双工端口带宽为20Mbit/s；对于100Mbit/s的端口，半双工端口带宽为100Mbit/s，而全双工端口带宽为200Mbit/s。

（3）支持虚拟局域网服务

交换式局域网是建立虚拟局域网的技术基础，目前的局域网交换机基本上都支持虚拟局域网服务。虚拟局域网是用户与局域网资源的一种逻辑组合，如果将网络中的节点按工作性质与需要划分成若干逻辑工作组，则每个逻辑工作组就是一虚拟网络。