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第4 本章介绍以太网的全双操作。因为全双操作使以网MAC从域直径的限制中解脱出来，所以它是以太网达到千兆位传输率的重要因素。如果没有这种操作模式，千兆以太网的使用范围将受到极大的限制。以太网是“以太网”一词是指以CSMA/CD作为MA算法的一类LAN。CSMA/CDMAC被认为是自Xerox最初的研究工作以来最重要的进展。它提供了一个极其简单的算法，可以在多个设备之间进行信道使用仲裁，而不需要控制设备[1]。然而，的协议和应用程序完全不知道底层MAC的仲裁。它们可以对信道的本质一无所知，而关心的只是以太网通过信道用帧交换信CSMA/CD算法毫无关系，而只与以太网的帧格式有关。对于LANSMA/CD是以太网的精髓，但是对于应用程序而言，只有帧交换是重要的。IEEE802.12(100VG-AnyLAN)[IEEE95a]，它能在LAN站之间交换以太网帧。但是它使用的是另一个MAC[2]。许多点对点的网络互连链路技术，为在自己链传送，简单地封装了以太网帧(比如，以太网”使用CSMA/CDMAC。为什么使用为什么要使用MACMAC算法的目的是为了使多个站在都要传送数据时，可以决定在给定时刻哪一个站能够使用信道。当多个站共个公共底层物理信道并且能同时发送数据时，这种算法就非常必要。也就是说，只有在两个或两个以上的站同时使用一个传输信道时才需要MAC。MACLAN上的设备利用这些规则协商对共享信道的。实际上，从20世纪70年代中期Xerox最早的研究工作开始，到1980年出现的商品化10Mb/s以太网，只有很少的东西保留下来，10Mb/s的以太网后来作为IEEE802.3的标准。其中电缆系统、收发器的设计、信号产生方法、帧格式甚至CRC算法都改变了，但是CSMA/CD的方法却得以保留了(尽管算法的详细内容已经改变)。实际上正是由于缺少CSMA/CDMAC，导致IEEE802.3高速研究组中的100VGAnyLAN小组形成了自己的如果ChicoMarx是一个网络技术方面的专家，我确信他一定此话如果没有共享的信道，那么就根本不需要MAC算法。一下点对点连接的两个端站，图4-1假设每个设备上的总是处于激活状态，而且每个设备在任意时刻都能向另一个设备发送帧。既然没有多个设备想在指定的一条双绞线上发送，也就不需要对信道进行仲裁。注意，这两个站点之间有两条独立的信道。像这样的能同时支持两个方向上通信的信道称作全双工信道(full-duplexchannel)。历史上，曾经用MAC算法来区分不同的LAN技术，例如，以太网(CSMA/CD)、令牌环和令牌总线。这些技术的MAC算法的差别在于对公共信道的协商方法。但是如果没有共享的信道，那么也就没有必要使用这信道方法我们仍将拥有一个LAN，但却没有MA。以下并不是以太网的设计目标：全双工操作：在任意给定的时刻以太网能够从一个源站向另一个或多个目地站传送数据。双向通信是由帧的快速交换而不是全双工操[DIX80]。在以太网最初设计中，底层信道是共享的同轴介质。它不可能支持全双工操作，并且系统设计也没有试图解除这一限制。由于使用了交换机，有可能建立微分段、的LAN4.3.1介正如在第220世纪90年代初，以太网从使用同轴电缆转到了使用双绞线的结构化布线系统，这是迄今为止最流行的以太网的实现形式。以集线器为中心的结构化星型布线系统(如图4—2)，改变了底层介质不支持全双工操作的状况。与同轴电缆不同，各种双绞线以太网(10BASE-T，100BASE-TX和100BASE-T2)，在每一个方向都有单独的信道(线对)，因此至少在理论上都能支持双向通信。尽管信道可能支持双向通信，但是使用中继器hub的以太网还是以半双工的方式使用信道，即在任意给定的时刻，只有一个站点能够在L受扰传帧多送产，第第4章全双工以太 图4-2介表4- 否否2路光纤2路光纤2路光纤否是2路光纤是是2路光纤是2路光纤是是4-对第5类①10BASE-FB②10BASE-FP使用集线器，并且任何类型的介质都不能支持全双工模式③100BASE-T4④1000BASE-T⑤虽然信道的设计支持全双工，但是收发器必须为此进行特殊的配置。这使得发送出去的数据不会循环回来出4.3.2正如第3章中讨论的，由于使用介质系统，在星型布线系统中心部署的一般是交换式hub(如，桥)，而不是中继器。由于交换机具有高信道容量的优势，因此被广泛采用，这标志着LANLAN中，所有设备共享信道，并且要进行仲裁。相比而言，使用交换式hub，每个接入设备在它和hub之间都有一条的信道(专用LAN)。交换式hub的每个端口都有一个MAC实体。从结构上看，每一个到交换式hub的连接都组成了一个不同的LAN，每个LAN的仲裁都独立于其他的LAN。一个n端口中继器构成一个LAN，一个n端换机构成了n个LAN，每个LAN对应一个交换机接口(见图4-3)。

图4-3交换式LAN第4章全双工以太 在微分段交换式LAN中，每个端口包含了一个两站网络，该网络由接入设备和交换机自身端口组成。这样的两站LAN，在体系结构上和图4-1所示简单的点对点的连接完全一样，每个设备都有一个私有的单独信道连接到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道。这种连接方式只能用于正规的共享式以太网，而不能用于其他的方式，除非改变了交换机和接入设的以太接口功能这是因在环境(如10BASE-T)中，标准以太网接口将“发送时接收”看作是，它不会允许发送和接收同时进行。关掉载波侦听功能。因为它一般用于延迟发送。即接收数据不应致使发送器延迟挂起的发送。正规的(半双工)以太网接口使用载波侦听机制抑制自己的发送，以避免干扰正进行的传送。关掉检测功能。检测在半双工以太网中的途是：如果发送器在发送过程中检测到数据到达，那么一般会引起发送器中止或阻塞，并重新安排发送。链路两端都不需要延迟接收数据，而且在发送和接收之间也不存在任何干扰。这样就不需要进行的检测，后退和重试。在这种环境下，可以在LAN上以全双工方式操作，站 图4-4半双工和全双工在LAN中只能有两个设备。整个LAN必须只包含一个点到点的连接。微分段交换式的每个端口都满足这个条件。另外，不使用交换机的简单两站连 (如图4-5)也能支持全双物理介质本身必须能够支持无干扰并发发送和接收。表4-1显示了能支持全双工操作的网络接口必须能够使用并且能被配置为全双工模式[1]。许多现有的接口不能在全双工模式下工作，它们在设计上没有考虑这种应用。虽然把MAC修改为可以支持全双工模式的工作

图4-5两站全双工操作对于传统继器hub是不可能的，因为使用中继器意味着共享介质。即使使用了交换式hub，在全双工模式交换机的每个端口也只能连接一个设备。共享式集线器连到交换机的端口后，该端口就不能运行全双工模式。全双工以太网已经被标准化，并作为IEEE802.3X补充标准的一部分增加到现有的标准中[IEEE97]。标准中有关两种不同操作模式的部分做了相当大的修改，但是最重要的变化是修改了以太网MAC正式定义的ASCAL代码。在全双工模式下，该代码使延迟和检测的功能无效，并允许不受干扰地同时发送和接收。“全双工以太网MAC”实际上并不复杂(有人认为它并不存在)。一个站既不需要以传统方式(载波侦听“延迟”向其他站发送，也不需要在发送过程中检测。就是说，全双工以太网是没有CS，MA，或CD的CSMA/CD！实际上，由于所有可能的竞争都被消除了，已经不再需要MAC。全双工以太网设备不再使用任何MAC算法。在该模式下站可以随时发送，而不必担心被其他站干扰。全双工和半双工以太网唯一相同的性质是：使用相同的帧格式，以及在物理介质中使用相同的编码/信令产生方法。[IEEE97]生产只支持半双工、只支持全双工或两者都支持的接口。理论上，“只支持全双工模式”接口的生产成本和都比半双工的要低。实际上(至少10b/或10b/)[1]第8第第4章全双工以太 实际上与以网必执行其他能(如 、缓区管理、主机总线接口等)相，共享 MAC这部分并不重要，因此，在接口中添加半双工的功能对成本不会造成重大影响。事实上今天设计的所有以太网接口(10Mb/s，100Mb/s)都能够同时支持全双工和半双工操作。相比之下，千兆以太网乎只支持全双工作(原因将在后面讨论)。在这个数据率上有许多可用只持双的网口尤是叠主网交机上[1]。全双工发送器可以做到一旦它的发送队列中有帧，它就发送，只要它遵守以下两个简单规则：发送器在两帧之间加入很短的时间间隔(与半双工操作相同)。帧间隙使得 暂的时间来处理必要的内部事务(如处理中断、缓冲区管理、更新网络管理计数器等)。4.4.4操当一帧到达时，等待一个有效的帧起始定界符，然后开始装配帧的数据链路封检查目的地址，确认该地址是否与设备允许接收的地址相匹配。目的地址不匹配的帧将被丢弃。检查帧的长度。所有短于最小合法长度(512比特)的帧将被丢弃。在一个半双工LAN中，由于而产生的碎片都肯定小于这个最小长度。因此丢弃这些帧可保证不会把它们当作有效帧接收。在全双工模式下，由于没有，所以也就不可能产生碎片。但是这一步工512比特最小帧长限制，即使对于全双工操作也是如此(本章后面将进一步讨论)。将所有已经通过检测的帧传送给客户端(即更的协议和应用)。上述有效性测4.4.5在网络环境支持(标准已被确认和规范化)全双工模式以前，只支持半双工模式的商品化以太网已有15年的历史。因为有了这段历史，半双工以太网已经有巨大的安装基础和知识基础。为了使半双工模式和全双工模式共存，半双工以太网中的部分性质被保留在全双工以太网中。虽然半双工操作并没有显著的增加成本，但也会增加一些复杂性。这种不必要的复杂性在千兆以太网接口中可以避免。实际上，半双工MAC算法的验证和一致性测试往往需要的工作量。因此，只支持全双工的设计有更短的上市时间。帧在网上一次往返的延迟，再加上传输32比特堵塞信号的时间。这可以保证站在未检测到时，可以一直发送。如果允许站发送小于最小长度的帧，那么当这些帧发生时，发送器将无法察觉，也就不会重新安排重传这些受损的帧，因此网络的性能将会严重下降。512比特的最小帧长，包括从目的地址到校验序列。虽然在全双工模式下不需要最小帧长的限制，但保持这个限制可使设备驱动器和软件能同样地对待两种特性的以太网(全双工和半双工)，另外，也有助于实现全双工和半双工以太网之间的无缝连接。使用CSMA/CD作为一种控制方法，意味着最小帧长和网络上最大双程传输延迟有密切的关系。必须保证在发送过程中如果发生，所有正在发送的站都应该知道，以便采取适当的动作。这意味着最小帧长必须大于网络的最大往返传输延迟，再加上堵塞附加时间、同步延迟等等，这样当站在传输时可以知有发生。因为全双工操作不使用CSMA/CD，因此距离限制不再起作用。无论LAN上的数据率是多100m(以10Mb/s和100Mb/s的速率)，光纤链路的距离接近2~3km(多模光纤)和20~50km或更远(单模光纤)[1]。全双工以太网借助于线路驱动和信号再生，并通过使用、私有光纤、SONET或其他的技术，可以延伸到国界的距离。CSMA/CD距离上的限制将不再存在。全双工以太网可以作为园区和建筑物的主干网技术，这尤其具有。在折叠式主干网中，它能以它所支持的任何速率(10100或1000Mb/s)，跨度几km范围，实现交换机与交换100Mb/s换式网络中。xMb/s传输的半双工信道，现在可以在全双工模式下以2xMb/s的速度传输。但不幸的是，这种增倍的容量仅在两个方向上通信量对称时才会出现。今天LAN上最常见的带宽密集应用是成批文件传输。文件传输过程会在信道的一个方向上大量传输数据，而在另一个方向上量的确认数据。这种情况下，虽然信道xMb/s。由于流量密集的LAN应用在带宽使用上并没有广泛采用对称的形式，所以加倍的信道容量并没有直接加第4章全双工以太 倍应用的数据吞吐量[1][2]在同时运行多个应用，某些密集地向一个方向移动数据，另一些密集地向另一个方向移[3]很平常。因为服务器一般要同时支持多个用户和应用，所以常常一些应用程序需要把数据移进服务器，而同时另一些应用程序需要从服务器移出数据，并且上述操作的可能性比端用户机大得多。因此，全双工操作通常用于从服务器到交换机端口的连接上。这也是出于成本上的考虑。如果每个端用户到交换机都有端口(尤其是和Mb/s)，那么开销是相当昂贵的。但是由于服务器只有有限的几个，让每个服务器使用一个的端口并不是没有道理4-6共享式、半双工LAN的、半双工链图4-6与服务器类似，作为折叠式主干网使用的交换机也可以从对称增加的容量中获得好处。主干是用于互连其他网络(而不是互连站和服务器)的网络。折叠式主干是一个交换机(40-7所示[4。如果组间通信量的分布相对一致(即没有哪个组是主要的信源或信宿)理论上，双向的应用可以利用对称的带宽，但这种应用在今天的LAN上并不普遍一些供应商将全双工以太网标以“20BASE-T”或“200BASE-T”推向市场，但实际上都是误导，因为在以之相比，大多数的桌面(PC操作系统都是单任务、单处理器和单线程。尽管在用户界面上表现出可以同时操作多个任务，(即可以为独立的应用打开多个窗口)，但系统的实际操作有很少的并行性与并发性。而服务器必须是多任务的，并且一般有多处理器或/和多线程。他们同时可以接收、发送和处理数据，因此能上流过端口的信息流量几乎是对称的；流入和流出任何端口的数据流量接近相等。由于信道的使用接近对称，所以主干网交换机能够利用全双工操作来增加信道的容量。图4-7如果交换机的某个或所有端口支持全双工操作，则它必须能处理交换机上增加的数据流。对于具有n个端口，每个端口都以XMb/s的速度工作于半双工的交换机，它的最大信道容量是

=nx,一个端口在给定的时间既可以发送，又可以接收，但不能同时发送和接收(半双工模所有流入交换机的数据也会流出(即，交换机既不是信源也不是信宿。如果交换机的端口在全双工下运行，那么这个最大容量将要翻倍，因为上述第一个假设已经不成立。如果交换机运行在无阻塞的方式下，那么在其内部必须有加倍的交换能力，才能支持全双工操作。这可能影响交换机的成本，甚至它的基本体系结构。无阻塞运行意味着在稳定状态和没有输出端口拥塞的情况下，交换机可以在所有端口上以线速运行，并且不会因为交换机的限制而丢弃帧[1]。即无阻塞的交换机决不会成为网络吞吐量的制约因素。当然，其他的因素会限制网络吞吐量，包括端口拥塞和端站的限制。但是这[1]端口拥塞是在端口的供应负载超过该端口的容量时发生的。一般如果许多数据同时发向一个端口(瞬时的或第4章全双工以太 些都在交换机的控制之外[1]。当然，交换机设计者可以从性能价格权衡的角度考虑，选择不提供无阻塞操作。如果稳定状态的负载和网络流量模式不会使交换机经常发生阻塞，那么，一个有阻塞的交换机的性能与无阻塞交换机是相同的，并且价格更低。显然，如果交换机的端口运行在全双工模式下，那它就很有可能存在潜在的阻塞问题。使用全双工的操作模式，意味着交换机将比半双工模式下有更大的性能要求。在端站上，尤其是服务器上，运行全双工操作也有类似的问题。然而，端站不像交换机那样有许多的端口。在口密度下，因全双工模式导致的容量加倍不是一个太大的问题。半双工的以太网已经在各种LN应用环境中使用了20多年。使用传统的C/CD的LN不需要什么特殊的条件。它可以工作在和非介质上(如双绞线和同轴电缆)，以及和非LAN(交换式和中继式)。全双工以太网仅能用于特定的L，使用支持发双传输的介质，并且要求L中只有两个站(微分段)。虽然介质和交换式LAN发展迅速，但是大量已安装的LAN并不支持全双工操作。另外，交换机比共享式LAN集线器更昂贵，把它用做通用的设备并不合理。因此全双工操作更常见于：在交换式结构中，交换机之间的连接采用全双工模式是有意义的。交换机到交换机的连接具有如下的性质：它们需要的链路长度经常超过了CSMA/CD的允许值，尤其是在100Mb/s和1000Mb/s数因此，交换机到交换机的连接普遍应用全双工模式。图4-8描述了交换机到交换机的连接的全双工的连接还普遍用于服务器和LAN之间的连接，尤其是当服务器连到高速网或主干网的交换机端口上时。网络服务器的连接有如下特征：数量上很少，因而使用交换机端口甚至很高的速度是合理的(从成本的角度)1]“无阻塞”一词与面向连接的交换机(即交换机)中使用的同一个词含义稍微有点差别。但在