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广为人知的以太网升级路径是10G-40G-100G,总线技

2019-10-05 09:25

[2018年11月27日,德国] EtherCAT G 作为 EtherCAT 技术扩展,将 EtherCAT 性能提升到一个全新的高度,可以实现千兆以太网速度,因此支持高数据密集型应用。最新技术扩展不仅与被全球广泛接受的百兆 EtherCAT(100 Mbit/s EtherCAT)标准完全兼容,并且也具有同样简单易用的优势。此外,EtherCAT G 的分支控制器模式可以并行实现多个子网段的高效运行。

《计算机网络》复习题

在过去的几年中,数据中心的10G风靡一时,在以太网中有着不可动摇的地位。但是,在短短的几年间,互联网 推动了云计算、大数据、物联网等的快速发展,对带宽越来越高的需求,因此,常规低速率升级是一种必然的趋势。广为人知的以太网升级路径是10G-40G-100G。然而一项新的调研报告表明,最新的服务器升级路径将是10G-25G-100G,甚至未来可升级到400G。

物联网最主要的三大通讯技术:电力载波、总线、无线详解

EtherCAT G 支持标准的千兆以太网传输;而 EtherCAT G10 作为一项概念验证性技术研究,传输速率甚至更快,高达万兆(10 Gbit/s)。EtherCAT 技术超越 标准百兆的大幅速率提升为提升数据吞吐量创造了可能。虽然它仍受限于设备的传输延迟时间,但因为新引入了分支控制器模式,EtherCAT G 可将性能提升 2-7倍(取决于不同的具体应用)。德国倍福公司总裁 Hans Beckhoff 先生说道:“EtherCAT G 和 G10 将性能提升到全新的高度,这样可以帮助我们的客户建造全球最棒、性能最高的机器设备!”EtherCAT G 和 G10 的发布并不意味着将取代已经取得巨大成功的百兆EtherCAT标准,新性能的扩展仍然具有一致性。”完全兼容的技术完善,而非取代标准 EtherCATEtherCAT G 具有与 EtherCAT 同样的性能出色且简单易用的特点,并且具有 EtherCAT 的所有功能特征,甚至无需修改协议或者 EtherCAT主站软件就能实现更高的传输速率。EtherCAT G与已经被全球广泛采用的 EtherCAT 标准完全兼容,EtherCAT G 具有与 EtherCAT 相同的经过实践检验的性能特点,包括内置诊断功能、高精度同步,以及最重要的报文处理机制“Ethernet on the fly”,同时它也符合 IEEE 802.3 以太网标准。标准 EtherCAT 所具备的高性能对于满足目前主流的应用需求来说仍然绰绰有余。EtherCAT G 是为了极大规模的应用及更广泛地使用高数据密集型设备而开发,比如机器视觉相机、复杂的运动控制系统,以及要求高采样率运行的测量测试设备等。分支控制器模式可以支持更多样化的设备并最小化传输延迟EtherCAT 和 EtherCAT G 可接入到同一个异构网络中,这意味着 EtherCAT G 的从站可以在百兆 EtherCAT 网络中运行,反之亦然。在以上两种情况下,EtherCAT G 设备降到百兆速率。采用新的 EtherCAT G 分支控制器模式,通过传输速率转换,千兆网络中 EtherCAT 分支可以被设置为并行运行的百兆子网段。例如,新近发布的 EtherCAT G 耦合器 EK1400 可以创建一个分支,将千兆速率降到百兆,并允许在 EtherCAT G 网络中运行各种标准的 EtherCAT I/O 模块。基于 EK1400 分支控制器的功能特点,在 EtherCAT G 主干网并未受影响。EtherCAT G 分支控制器系统的另一个优势是它可以最小化延迟时间。全新的 CU14xx 系列分支控制器专门为连接 EtherCAT 和 EtherCAT G 子网段而设计,并支持并行运行。这种设置可以显著缩短信号延迟时间,从而缩短通信和循环时间,因为从一个指定的子网段返回的报文以更高的千兆传输速率直接从分支控制器传输到主站,而独立于其它子网段。

广为人知的以太网升级路径是10G-40G-100G,总线技术、无线技术、电力载波技术。1.   掌握计算机网络ISO/OSI七层模型中各层的作用,掌握TCP/IP体系结构各层的基本功能,熟悉TCP/IP体系结构中的主要协议。

图片 1

通讯网络架构主要是三大类:总线技术、无线技术、电力载波技术。控制器方式主要有拼凑型控制系统、主机式集中控制系统和智能控制中心。

 

为什么是25G?

1、电力线载波技术

应用层(Application Layer)

与其它计算机进行通讯的一个应用,它是对应应用程序的通信服务的

表示层(Persentation Layer)

定义数据格式及加密

会话层(Session Layer)

定义了如何开始,控制和结束一个会话,包括对多个双向信息的控制和管理,以便在只完成连续消息的一部分时可以通知应用,从而使表示层看到的数据是连续的

传输层(Transport Layer)

这层的功能包括是否选择差错恢复协议还是无差错恢复协议,及在同一主机上对不同应用的数据流的输入进行复用,还包括对收到的顺序不对的数据包的重新排序功能。

网络层(Network Layer)

这层对端到端的包传输进行定义,它定义了能够标识所有结点的逻辑地址

数据链路层(Data link Layer)

定义了单个链路上如何传输数据。

物理层(Physical Layer)

有关传输介质的特性标准。

当服务器速率开始从10G往更高速率迁移时,当前10GE的光纤等基础组件都是已经建好的,在升级时,切换40GE时将会造成很大的资源投入,而又无法保护原有投资,但是25GE完全兼容10GE的相关物理标准,能够实现快速的切换,保护原有的投资。所以,从资源投入和成本来看,25GE会是服务器升级的最佳选择。

电力线载波技术起源于美国,X-10通信协议适用于X-10发送器与接收器之间,以家庭内的电力线缆为通信媒体,用于家庭安全监控、电器控制等家庭自动化系统。X-10缺点在于许多设备间进行单向通信,没有反馈机制,因为其控制元素是不完善的,通信媒体单一,通信速率较低。

TCP/IP的4个层次

25GbE使用四根光纤和成对铜缆并行的方法, 通过4个25-Gbit/s通道实现100G的以太网传输速率。

荷兰PLC-Bus技术,是一种高稳定性及较高价格性能比的双向电力线通信总线技术,而其他的电力线控制技术在系统功能、可靠和成本上均无法与之比拟。它主要由三部分组成,即发射器、接收器和系统配套设备。该系统对弱电布线的唯一要求是每个开关盒里都必须有零线和火线。

应用层

什么是25G以太网?

目前就技术和市场形势来看,电力线的HomePlug持续积累着人气,随时有爆发的可能。

    为用户提供所需要的服务。

25G以太网根据IEEE 802.3by协议制定,可实现3到5米的铜双轴线以及100米的多模光纤传输,旨在满足更多客户的需求,即10G以太网的速度标准满足不了大中企业网络流量高速增长的需求,而100G速度标准又太高,有些浪费,因此25G以太网标准的出现正好弥补了两者的不足。

国内引入PLC-Bus技术的主要有索博智能家居系统,济南中讯高科电子科技公司的同类产品。还有自主开发基于电力线载波技术的智能墙壁开关产品。

传输层

25G比40G具有显著的性能优势

2、无线网络技术

    为应用层实体提供端到端的通信功能,保证了数据包的顺序传送以及数据的完整性。

相比现有的40G标准,25GbE技术价值已经十分明显。25GbE为机架服务器的带宽连接提供了更大的端口密度和更低的单位成本。对于要求终端高吞吐量的应用来说,25G使用2条通道达到50G相比使用4条通道实现40,无论在连接性能还是物理通道效率上,无疑都是一个更好的选择。

无线网络技术主要有802.11b,Bluetooth和HomeRF三种方案。

网络互连层

25GbE标准使用双轴铜缆,其各串行器/解串器(SerDes)通道的性能比现有的10G和40G提高了2.5倍。50G以太网连接使用2条以25 Gb/s速率运行的交换机或网卡SerDes通道,比40G多传输了25%的宽带,而且只使用了4根双轴铜缆,是40G所用的一半。使用单个交换机/网卡SerDes通道,25GbE连接所提供的带宽是使用同等数量的SFP

802.11b技术,是IEEE的无线局域网标准。无线宽带,目前802.11g也运行在2.4GHz频段,达到54M宽带,更高宽带的802.11n和UWB也开始崭露头角。基于无线通信技术的系统,具有免布线、安装简单的优点,但目前多数此类产品都是单向通信方式,各个开关之间也无法建立联动关系,对于某些要求220V交流电的火线和零线均连接到控制节点上的产品必须重新布线。

    主要解决主机到主机的通信问题

  • 直连铜缆(DAC)实现的10GbE带宽的2.5倍。

蓝牙技术是一种廉价的、低功能的无线网络技术,用户可以控制10m之内的蓝牙设备。工作在2.4GHz频段,数据速率为1Mbps。国内推出基于蓝牙技术的松本智能全无线家居智能系统;澳门科技大学智能家居系统(MUSTSmartHomeSystem)由PRO2主处理器、蓝牙控制系统(BluetoothControlSystem,简称BCS),手机电脑连接系统(MotiletoPCSystem,简称MPS)组成。

网络接入层

25GbE技术为数据中心运营商带来的最大的优势是在1U面板的空间限制下,能够最大化带宽和端口密度。它也能采用25Gb/s单通道物理层技术实现100GbE。

HomeRF技术。主要为家庭网络设计,工作在2.4GHz频段,它采用了数字跳频扩频技术,HomeRF2.x中,跳频速率增加到75跳/S,其数据峰值也高达10Mbps,它能根据传输速率动态调整跳频宽带。

    负责监视数据在主机和网络之间的交换。

总结来说:25G以太网的优势以下几点:

遥控器系统采用射频遥控的方式,主机通过射频的方式遥控现场的控制模块,安装与使用简单,但遥控器和中央监控的设备,受无线信号传输距离的限制,控制规模小。

主要协议:TCP,Telnet,DNS,SMTP,TCP,UDP,IP,ARP

1:最佳输入/输出(I/O)性能和光纤容量;

图片 2

2.   通信网络的数据编码有哪几种,其特点是什么?叙述不归零制编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的特点。对于数字数据10101011,请画出它采用以上3 种编码方式编码后的信号波形。

2:是10G以太网性能的2.5倍;

3、总线技术

 

3:端口密度更高;

现场总线是现代控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。现场总线技术是近十年中蓬勃发展起来的新生事物,在实际工程应用中体现出其强大的生命力,控制网必将沿着现场总线方向发展,现场总线技术也必将是控制网技术的核心,每个现场控制单元具有数字处理和双向高速通讯的能力,分散控制,网络规模大且具有高质的稳定性。

常用的编码方式:

4:节省资本支出、节省运营支出;

目前世界上现场总线的标准有200多个,有很多应用于建筑物的总线技术,它们中大多数是某个具体应用的解决方案。当前国际上具有代表性的现场总线技术与产品有FF总线、PROFI总线、LON总线、BACnet、CAN总线、INTER总线和CCLink总线等。

1.归零制:正脉冲代表1,负脉冲代表0

5:所需的ToR交换机和线缆数量更少;

以双绞线为基础的家居控制总线,以此通信介质的主要有CEBUS消费电子总线、LonWorks总线、APBus总线、RS-485总线、EIB电气安装总线。就总线本身而言,这几种总线的拓扑结构基本是相同的。

2.不归零制:正电平代表1,负电平代表0.

6:成本更低、功耗更小;

1RS-485总线

3.曼彻斯特编码:位周期中心的上跳变代表0,位周期中心的下跳变代表1

7:与100G以太网标准相辅相成。

其网络特性使用差分电压传输方式;一般采用总线型网络结构,总线节点数有限,使用标准485收发器时,单条通道的最大节点数为32个,传输距离较近,传输速率低(300~9.6kbps);传输可靠性较差,对于单个节点,电路成本较低,设计容易,实现方便,维护费用较低。

4.差分曼彻斯特编码:跳变相同代表0,跳变不相同代表1。位开始边界有跳变代表0,而开始边界没有跳变代表1.

25G产品有哪些?

从严格意义上讲,并不是一个完整的总线技术标准,仅仅定义为物理层和链路层的通信标准,许多厂商采用其技术全新定义了自己的总线技术标准,比较有代表性的美国Honeywell的C-Bus总线技术。另外在RS-485技术基础上应用较多的是MODBus标准。

 图片 3

25G-LR 1310nm 10km SFP28光模块

CEBus总线

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这款25G-LRSFP28光模块是一款支持25Gbps数据速率并且支持热插拔的SFP28封装光模块。它是一种短距离数据的高性能模块,支持通信和互连应用,25.78125 Gbps传输距离高达10公里。本模块主要是利用标称波长1310nm单模光纤系统的运作。光接口采用双LC插座。模块体现了易飞扬通信技术成熟的电路和技术,并提供可靠、高效、持续的服务。

CEBus(ConsumerElectronicsBus)是美国电子工业协会为消费电子产品制定的一种通信和产品和操作性的标准,是家用电器之间通信所使用的五种类型的介质(电力线、无线频率、红外、双绞线和同轴电缆)中信号的传输标准。信号传输速率和系统容量分别是10kbps和4G。

 

25G-SR 100m SFP28光模块

APBus总线

3.   举出至少三种提高数据传输可靠性的方法。

25G-SR SFP28光模块是一个单通道、可插拔的光纤SFP28光模块,用于25千兆比特以太网和Infiniband EDR应用。它是一种高性能的短距离数据通信模块使用OM3纤维或使用OM4,在25.78125Gbps上运行的互连应用程序高达70m纤维。该模块的设计目的是使用一个标称波长为850nm的多模光纤系统。电气接口使用20个接触边缘类型的连接器。该光学接口采用双相LC插座。

APBus总线是目前唯一拥有中国自主知识产权的总线技术。它是一种针对家庭的、全分布式的智能控制网络技术,这一点与LonWorks技术相似。产品具有双向通信能力以及互操作性和互换性,其控制部件都可以编程。信号传输速率和系统容量则与CEBus一样,分别是10kbps和4G。

累积确认

该模块集成了Gigalight技术,经过验证的电路和VCSEL技术,提供了可靠的长时间生命,高性能,和一贯的服务。

CAN总线

 

25Gbps 850nm 多模 SFP28 AOC有源光缆

CAN总线(ControllerAreaNetwork),它是一种支持分布式控制和实时控制的对等式现场总线网络。其网络特性使用差分电压传输方式;总线节点数有限,使用标准CAN收发器时,单条通道的最大节点数为110个,它的传输速率范围是5kbps至1Mbps,传输介质可以是双绞线和光纤等,任意两个节点之间的传输距离可达10km。

收方收到发方的数据后,会根据序号重组从起点开始的字节序列。

SFP28有源光缆是直接连接光纤组件的SFP28连接器。它们适用于很短的距离,并提供一种成本效益的方式连接在机架和相邻的机架之间。

对于单个节点,电路成本高于RS-485,设计时需要一定的技术基础;传输可靠性较高,界定故障节点十分方便,维护费用较低。在目前已有的几种现场总线方式中,具有较高的性能价格比。

收方确认已经正确收到的积累的数据流,在确认报文段中,收方写入的确认序号比正确收到的字节序列的最高序号多1。他指示了收方所期望接受的下一个报文段的起始序号。(首字节编号)

图片 5

LonWorks总线

 

gss-mdo250-xxxc是一个单通道、可插拔的光纤SFP28,用于25千兆以太网和Infiniband EDR应用。它是一种高性能模块,用于短距离数据通信和互连应用,使用OM4纤维,使用OM3纤维或100米,运行于25.78125

根据ISO/OSI7层模型标准,采用三层网络结构:域、子网和节点;使用48位ID神经元芯片,节点数量没有限制,传输距离较远,传输速率快(300~1.25Mbps);传输可靠性较高,对于单个节点,电路成本很高,设计难度较大,维护费用较高。

推迟确认与捎带确认

Gbps高达70m。该模块的设计目的是使用一个标称波长为850nm的多模光纤系统。电气接口使用20个接触边缘类型的连接器。

我国智能建筑界对其中的LONWORKS技术的开发与应用起步于二十世纪九十年代中期,与国外大公司对该技术的开发与应用基本上是同步的,现已初步形成适合我国国情的产品系列。如中国台湾尼科的LonWorks系统,它采用触摸玻璃面板,美观大方。

 

25GE SFP28 DAC直连无源铜缆

以太网

TCP在收到一个报文段后并不立即发回确认,而是采用推迟确认的方式;推迟确认延时一般为200ms,若200ms之内收方也有数据发送,则发送数据并捎带确认;否则,200ms后发回确认。

25GE SFP28无源铜缆可为客户提供25Gb/高带宽的数据互联能力,它符合IEEE P802.3by Ethernet standard and SFF-8402 SFP28;可提供支持1米到5米的距离范围,该产品广泛应用于数据中心或超算中心系统场景中.

基于IEEE802.3规范,采用CSMA/CD技术的网络结构。节点数量没有限制,传输可靠性较高,对于单个节点,成本很高,软硬件设计、维护费用均较高。信息网络目前使用最广泛的是100M以太网。

 

图片 6

LCN总线

回退-N确认

25G虽然相对于其他拥有一定的优势,但是,不同的场景中选择合适的速率就好。不必强求布置,以免得不偿失。

局部控制网络LCN(LocalControlNetwork)现场总线,作为自动化控制通用技术,本身已具有更强的包容性和扩展性。高智能和高灵活性,为智能家居用户提供丰富的个性化解决方案。

 

更多25G以太网资讯,请访问易飞扬通信(gb.gigalight.com)

LCN模块标准配置2个执行器,其他扩展执行器和感应器均通过3个多用途接口T,I,P扩展连接而成。为了节省安装空间,所有系统的功能被集成在几个总线模块之中,安装者可按实际需要,使用其部分功能。

若TCP收到的报文段无差错,但断了序号,如何进行确认处理呢?

LCN具备布线简便和参数设置简单的优点,它提供了种类不多,但功能全面的总线模块和多级的报文反馈系统,所以它被欧洲很多人认为是目前最先进的总线技术。

有两种方式:

CC-Link总线

    收方将断了的序号报文段丢弃 回退

《控制与通信总线CC-Link规范》(Control&CommunicationLink)于2005年9月取得中国国家标准,进入中国市场。这是由日本三菱电机推出的,中国市场又多了一种总线技术的选择。值得关注这一总线技术已成功地应用于在中国智能建筑工程项目。

    先将其暂存于接收缓冲区内,待所缺序号的报文段收齐之后再一起上交应用层选择重传ARQ.

其他总线

 

双绞线系统中常见有ABB、Siemens等欧洲厂商的EIB系统,美国立维腾智能照明系统和奇胜C-Bus系统;还有TP-Bus总线和Q-BUS总线等。

否认确定NAK

TP-Bus总线

 

TP-Bus是一种电源/信号混合传输技术,同时也是一种家庭自动化网络总线技术,该总线技术主要用于网络化控制,如智能家居网络等。该总线技术采用24V直流电源,信号传输速率为10kbps,以双绞线作为传输媒体,容易实现。总线的网络结构使网络既可作数据传输,也可以作为电能的供应。TP-Bus是一种多能控制总线,该系统采用总线式结构,主要由电源供应器、双绞线和功能模块三个基本部分组成。在欧洲标准EIB总线及LonWorks总线技术上作了改进,其防通信冲撞协议的设计很好的解决了总线上各节点收发指令的冲撞问题,大大提高了系统的通信效率和稳定性。在安全方面,它采用的是24V直流供电。系统可以通过修改软件改变,而不需要像传统方式那样重新连接。

允许收方发送对某一个或多个序号的否定确认NAK,指定发方重传它们,收到之后再确认所有缓存的数据。

Q-BUS总线

   

以解决低速控制信号为主要目的、并与高带宽功能实现无缝连接的应用控制平台总线系统——Q-BUS智能小区和智能家居低速控制总线系统。

4.   什么是CRC码?如何由信息码生成校验码?给定一个信息位串10110010 和生成多项式G(x)=11001,问:校验码应该是几位的?请计算出校验码R(x)和CRC 码C(x),并验证:C(x)=G(x)Q(x),其中Q(x)为生成校验码运算所得的商。

Q-BUS总线基于差分电压传输方式利用CSMA/CD技术原理实现现场总线技术,实现了数据可靠、高效的中长距离传输。

 

在家居内,往往只需要极少的数据就能满足控制要求,直接用高带宽实现的话,会造成资源的及大浪费,而对于语音和视频数据配合专用网络来实现,这样无论经济性,还是可靠性都是最合理的选择。

CRC校验码位数 = 生成多项式位数 -1

家庭内部Q-BUS总线连接了家庭内部的智能、安防设备,完成家庭内部独立自主的智能生活,不受外界干扰;通过以太网转换器,只要将家用服务器连接入Internet,就可以远程控制家居设备。外界数据通过家用服务器后,高流量数据通过家庭内部的高速网传输,而低流量则通过Q-BUS总线的网络平台传输,实现的两者的完美统一。

循环冗余校验CRC码,码多项式:C(x)= Cn-1xn-1 Cn-2xn-2C1x C0

智能家居中心主机通过楼道内Q-BUS总线连接至小区的智能化平台,构成了家庭内部与小区平台数据交换的桥梁,不但可以实现最直接的数据沟通,而且实时性得到了保证。

信息码:码多形式K(x),(k-1)次;

整个系统中有两条分离的Q-BUS总线,一条是家庭内部总线;另一条则由家庭内部连到户外,它与很多户家庭相连,同时连接整个小区的智能系统。

校验码:码多项式R(x),(r-1)次;

图片 7

可得:CRC码(n = k r位)码多项式C(x) = x^r K(x) R(x),(n-1)次

以总线而言,比起成本相对较低的RS-485总线,CAN总线虽然有较高的传输速率,但价格偏高,而且与RS-485总线一样网络结构较单一;LonWorks总线、以太网等方式的网络平台虽然有很高的带宽,具有较完善的拓扑性能,但是在目前小区采用这样高带宽的平台显然有高速公路上跑马车的感觉;现在小区局域网虽已成为智能化配套设施,但由于其网络设备的产权属性,使得这样的网络平台很难为智能化系统平台所用。因此,TP-Bus总线、具有自主知识产权的APBus总线和Q-BUS总线的性能价格比较高,后者能够实现低速控制与高带宽用户的无缝连接,即在具备低速控制系统为主的智能小区内,家庭用户可以随时扩展高带宽的应用,并能和小区控制中心无缝连接,就既能满足全带宽用户的需求,也能满足智能小区对成本控制的要求,值得推荐。

只要求得校验码R(x)即可。

同样,工业领域的PLC控制技术基本上都是95%以上国外进口,操作复杂,价格高昂。由于建筑领域和工业领域要求和目标不同,况且从工业领域上简单移植到建筑领域,工业PLC系统既不可避免存在功能上的冗余,又不能实现建筑领域的监控需要。而定位于建筑电气控制领域并根据这个领域的要求而设计的专业PLC控制系统,使本来担任现场级控制单元角色的PLC,充分发挥潜能,担纲重任升格为主控制器,系统性能价格比则必然提高;笔者曾有将工业领域的PLC移植到建筑领域的单项尝试实践,有所体验。深知既要精通PLC控制系统,又要通晓建筑领域现场需求,方能实现跨学科的移植,其技术含量之高不言而喻。因其技术优势见长和性能价格比较高,自然具有强大的生命力和发展前景。

 

校验码R(x)的计算方法:K(x)求校验码R(x):

R(x)= x^r K(x) / G(x)的r位余数

除法用无借位减(异或)

G(x):给定的生成多项式

 

信息位串:1011001

生成多项式:11001

得到余数:

1010

 

收到的C(x)除以生成多项式的G(x)

若余数为0,则认为传输无误,

若余数不为0,则认为检验出传输差错

 

5.  什么是数据传输速率和信号传输速率?它们有什么关系?

数据传输速率:

 

每秒传输的数据(编码前的数字数据)的二进制位数,b/s,或bps,比特率。

100兆的以太网其数据传输速率就是100Mb/s,包括传输的净负荷以及为传输控制附加的数据。

 

信号传输速率

 

编码后传输信号在信道上的传输速率,每秒钟传输信号变化次数,波特(baud),码元传输速率,波特率。

100Mb/S的比特率经NRZ、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码编码后,波特率?

100Mb/s的FDDI网络,4B/5B码在光纤上传送的光信号速率?

在数字传输中,可以采用多进制码编码方式,达到更高的数据传输速率;

多进制码编码中,有多种码元状态数,例如四进制码,有4种码元状态,每个码元携带了2比特数据,比特率等于2倍的波特率;

一般情况下,若:码元状态数为M(M为2的整数次幂),码元传输速率为B,则数据传输速率为:

C = B log2 M

 

6.   分组交换网中的时延包含哪些类型,各自的含义是什么?

1.节点处理

    检查比特差错,决定输出链路

 

2.排队

    等待输出链路传输时间

    取决于路由器拥塞的等级

 

3.传输时延

    R = 链路带宽(bps)

    L = 分组长度(比特)

    发送比特进入链路的时间 =L/R

 

4.传播时延

    d = 物理链路的长度

    s = 在媒体中传播的速度(~2X10^m/sec )传播时延 = d/s

7.   列写五种网络互连设备,并叙述各自的特点。

1.集线器:数据链路层,多端口的中继器,但一次只能两个端口工作

2.网桥:数据链路层,也可放大信号,但工作在数据链路层

3.交换机:数据链路层,可称为多端口的网桥,也可放大信号,但所有端口共同工作时不影响

4.路由器:网络层,路由选择与转发IP数据报

5.网关:网络层,对收到的信息要重新打包,以适应目的系统需求

6.中继器:物理层,扩大信号,增加网络距离

8.   什么是局域网?其对应于广域网的特点是什么?

局域网,简称LAN,是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。

广域网,简称WAN,是一种跨越大的、地域性的计算机网络的结合。通常跨越省市甚至一个国家。广域网包括大大小小不同的子网,子网可以是局域网,也可以是小型的广域网。

局域网是在某一区域内的,而广域网要跨越较大的地域,那么如何来界定这个区域呢?例如,一家大型公司的总公司位于北京,而分公司遍布全国各地,如果该公司将所有的分公司都通过网络连接在一起,那么一个分公司就是一个局域网,而整个总公司网络就是一个广域网。

9.   叙述以太网、令牌环、令牌总线三种典型局域网技术的访问控制方式。

 

以太网公共总线作为所有站点的共享信道,必须采取必要的措施解决争用信道的问题,即采取必要的介质访问控制方法。

共享信道多点访问(multiple access)技术可分为两种:

受控访问:每一时刻只有一个站点发送信息;

随机访问:网上各站都可以根据自己的意愿随机地访问信道,两个或两个以上站点同时发送信息会产生冲突。

 

受控访问分为两种:

1.集中式控制:在网上设置一台主机,由它控制站点的访问权。可以按一定顺序逐个询问各个站点有无信息发送,若有则可立即发送,若无则再询问下一个站点。这种方式称为多点轮询(polling)

2.分散式控制。令牌环(tokenring)网属于分散式控制方式。环网上的站点只有持有令牌着才能发送信息,发送后立即将令牌传递下去。

 

 

令牌环

 

令牌环网上的站点只有持有令牌者才能发送信息,发送后立即将令牌传递下去。

令牌环网具有优先级控制,使信息在环网上能够按照优先级发送。

 

令牌总线

 

物理上是总线结构,逻辑上是令牌环

与令牌环类似,令牌是对总线访问权利的控制信息,它是一个专用的帧,成为令牌帧,网络上的节点,只有得到令牌帧,才能传输数据。一个站点接收到令牌后,如果有数据需要发送,就可以在令牌保持时间内向网上发送数据,并在数据传输结束或时间超过后,把令牌向下一个结点传递;如果无需传输,则立即将令牌传给下一个节点。

 

 

  1. 叙述 FDDI协议的令牌访问控制方式,并描述FDDI环路重构方法。

FDDI协议:

光纤分布式数据接口的访问方法与令牌环网的访问方法类似,在网络通信中均采用令牌传递,它与标准的令牌环网的访问方法类似,在网络通信中均采用令牌传递。它与标准的令牌环又有所不同,主要在于FDDI使用定时的令牌访问方法。FDDI令牌沿网络环路从一个结点向另一个结点移动,如果某结点不需要传输数据,FDDI将获取令牌并将其发送到下一个结点中。如果处理令牌的结点需要传输,那么在指定的成为目标令牌循环时间的时间内,它可以按照用户的需求来发送尽可能多的帧。

因为FDDI采用的是定时的令牌方法,所以在给定时间中,来自多个结点的多个帧可能都在网络上,为用户提供高容量的通信。

 

环路重构:

FDDI网络由两个传输方向相反的环路组成在正常情况下,只有主环在工作。当环路出现故障时,FDDI的双环拓扑结构可以进行自动配置,启动次环工作,进行环路冲沟,使整个网络继续工作。

 

  1. CSMA/CD对CSMA 的改进主要是什么?目的是什么?冲突以后以太网采用什么后退算法?对该算法进行说明。在严重冲突的情况下,以太网随机选择的后退重试时机最多有多少个?

   前导码      SFD     DA   SA     长度/类型    数据    PAD  FCS

     7          1      6     6        2       0~1500   0~46  4

前导码:7个10101010b,感受载波信号,引导接收站接收数据

帧起始定界SFD:10101011,指示一帧信息的开始,帧同步

数据字段:0~1500字节,是LLC层准备好的字段,因此以太网帧总长最大为1518字节。

填充字段PAD:

CSMA/CD协议为了保证争用总线冲突的识别,限制数据字段不小于最小值46字节,当小于它时,则用PAD字段填充补齐。

这就保证MAC帧最小长度为1个时槽,64个字节(18 46),过小的帧长度不能保证正常的冲突检测。

帧检验序列FCS:

4个字节。收方对于FCS有差错的帧,不交给上层。使用循环冗余校验CRC,生成多项式G(j)为CRC-32。

CSMA/CD

 

对CSMA的进一步完善,增加了冲突检测的功能。

冲突检测策略:

边发送边检测冲突

若在传输中测得冲突,停止发送,并发出一个32比特的阻塞信号。

回退算法,等待随机时间重试。

 

检测到冲突后停止发送,减少冲突引起的信道浪费。(1500字节以太网帧用100Mbps发送,需120us)

  1. 以太网的回退算法中,时槽取多大?根据是什么?以太网帧所携带数据的最小长度是多少?为什么?发送的数据长度达不到最小长度怎么办?

时槽:最长以太网的2t,标准规定为发送512位的时间

最小长度:46字节

达不到:加填充字段

截断二进制指数回退算法:

IEEE 802.3采用截断二进制指数后退算法,计算随机等待时间。

T = 2t(2^i-1),取0~T随机值。

重传次数:i上限为16,即重传16次不成功则放弃本次发送。注意i>10截断,即第10次重试后回退时间维持不变,上限为1023个时槽;

重传的延迟时间随着一帧信息发送过程中冲突发生的次数加倍。冲突次数的增多意味着网络总线发送拥挤情况比较严重,因此把后退时间按指数的规律加长,才能有效地缓解冲突的再次发生。

根据截断式二进制指数后退算法,重试时间在2t(0~1023)之间随机选择,一个站可能有1024个可能的间隙进行发送,这也是以太网规定最多支持1024个站点的原因。

  1. 叙述交换器/交换机的基本工作原理,它为什么能提高网络传输的流量?叙述交换器/交换机的基本结构。帧转发机制有哪几种类型?它们的特点是什么?

交换机/交换器接受并暂存传入的帧,根据目的地址转发的另一个端口,非常类似多端口网桥,但其功能有望从基于软件向基于硬件来实现,使转发速度大大加快,交换器生成并维护一张表,该表记录了它的各个端口与其相连接的MAC地址,根据这张表,交换机由帧的目的地址得到相应的端口号,进行帧转发。

基本结构:端口,端口缓冲器,信息帧转发机构和底板体系

 

存储转发型:                                                 

在帧发送到一个端口之前,先全部存储在内部缓冲器中,交换器的延迟时间等于整个帧的传输时间。存储转发型交换机以CRC校验形式进行错误校验,能滤掉有问题的帧。

 

直通类型:

只查看帧的目的地址就立即转发,因此帧几乎可以立即转发出去,从而缩短延迟时间。但是它把目的地址的所有信息全部转发出去,包括有差错的帧,不进行错误校验。

 

路由器

    路由选择:路由选择是决定哪一个端口是适合的输出端口。

    转发:转发是将一个分组从路由器的输入端口移动到合适的输出端口。

  1. 交换式以太网与共享式以太网的区别是什么?一个工作组级的100BaseTX以太网,由一台8 口hub连接8 台计算机组成。现在要把它改造为交换式以太网,需要更新什么设备?改造前网络的传输流量是多少?改造后网络能提供的最大传输流量是多少?

(2)需要更新交换机(多口网桥)。

(3)改造前最多100Mb/s

(4)改造后最大0.5×8×100=400Mb/s

交换机以太网是以交换式集线器或交换机为中心构成,是一种星型拓扑结构的网络。简称为交换机为核心设备而建立起来的一种高速网络。

共享式以太网的典型代表是使用10Base2/10Base5的总线型网络和以集线器为核心的星型网络。在使用集线器的以太网,集线器将很多以太网设备集中到一台中心设备上,这些设备都连接到集线器中的同一物理总线结构中。从本质上讲,以集线器为核心的以太网同原先的总线型以太网无根本区别。

共享式以太网采用的是共享带宽的工作方式,简单来说,集线器就好比一条单行道,10M的带宽分多个端口使用,当一个端口占用了大部分带宽后,另外的端口就会显得很慢。相反,交换机是一个独享的通道,它能确保每个端口使用的带宽,如百兆的交换机,它能确保每个端口都有百兆的带宽。与共享式以太网相比,交换式以太网在工作组中有多台本地服务器时更加合适。

  1. IP地址有哪几类?什么是子网掩码?它的作用是什么?如何得出子网掩码?给你一个IP地址192.168.0.119,请叙述出其组成。如果其子网掩码为255.255.255.0,试写出该IP地址代表的主机地址是多少?该主机所在的网络地址是多少?

图片 8

类别,网络号,机号

单位内部可划分子网,相当于三级寻址。被称为子网掩码。

A类地址默认地址掩码是255.0.0.0,B类地址默认地址掩码是255.255.0.0,C类地址默认地址掩码是255.255.255.0

由路由器互连起来的每个网络有一个唯一的网络前缀,并由主机号为全0的IP地址来表示该网络的网络地址。使用子网掩码的好处就是计算机能够非诚方便的利用子网掩码来计算一个IP地址所在网络的网络地址:逐位与运算。

图片 9

192.168.0.119

255.255.255.0

 

192.     168.    0.       119

11111111.11111111.11111111.00000000

192.     168.    0.       0

  1. 什么是可靠的传输和不可靠的传输,其主要区别是什么?了解IP、TCP/UDP数据报的格式。IP数据报可携带的数据最多是多少?请分析TCP报文中的几个标志(URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN)的含义。请用图、文字说明TCP协议的连接建立、数据传输、连接释放、数据重传过程。

可靠传输与不可靠传输

可靠传输,采用一系列技术来保障信息在发送方和接收方准确的、精确的传输。不可靠传输,则无法保证发送方和接收方的准确、精确数据数据传输。两者的具体区别,包括是否面向连接、是否重传、是否有序、是否有流量(拥塞)控制、协议负责度等。

可靠传输技术:

累计确认:

收方收到发放的数据后,会根据序号重组从起点开始的字节序列。收方确认已经正确收到的积累的数据流。在确认报文段中,收方写入的确认序号比正确收到的字节序列的最高序号多1,它指示了收方所期望接受的下一个报文段的起始序号(首字节编号)

推迟确认与捎带确认,回退-N确认,否定确认NAK

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首部:20字节定长 部分 可变长选项

紧急比特URG:URG=1时,紧急数据应尽快传送,使紧急指针字段有效,指出本报文段中紧急数据的最后一个字节的位置。

确认比特ACK:ACK=1时,确认序号字段有意义

急迫比特PSH:请求收方将报文段立即交应用层

复位比特RST:RST=1时,严重差错,释放连接

同步比特SYN:建立连接使用

终止比特FIN:释放连接

TCP使用三次握手来建立连接

1.主机A发起连接,发同步报文段,SYN=1,seq=x,ACK=0

2.主机B响应,发同步报文段,SYN=1,seq=y,ACK=1,ackseq=x 1

3.主机A确认B的同步报文段,连接建立,发出对B的确认,ACK=1,ackseq=y 1

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TCP关闭连接

TCP协议使用4次报文段交互来关闭连接:

1.主机A关闭端口1到主机B端口2的传输连接,发FIN报文段,FIN=1,seq=x,x为A发送数据的最后字节的序号加1

2.主机B相应,对A的FIN报文段进行确认,ACK=1,确认序号ackseq = x 1

此时,A到B方向上的传输连接已经关闭。

3.主机B关闭B端口2到A端口1的传输连接

收到对最后数据的确认后,发送一个FIN报文段,FIN=1,seq=y,y为B发送数据的最后字节的序号加1,ACK=1,ackseq=x 1.

4.主机A响应,对B的FIN报文段进行确认,ACK=1,确认序号ackseq=y 1

至此,双方的全双工连接就彻底关闭了。

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  1. TCP拥塞控制主要采用哪几种技术?描述它们的工作机制。TCP 的重传机制是保证什么性能的重要措施?在什么情况下启动重传?UDP 具有重传机制吗?运行在一台主机上的一个进程使用什么信息来标识运行在另一台主机上的进程?

1.慢启动(slow start)

拥塞时将慢启动门限减为发送窗口的一半,并将拥塞窗口降到一个报文段长度,收到发出的发送窗口中所有报文段的确认后,将拥塞窗口加倍。

2.拥塞避免(congestion avoidance)

    当拥塞窗口加到慢启门限之后,进行加性递增(additive increase)

3.快速重传(fast retransmission)

    若丢失报文段,收方每收到后续报文段,立即发出一个对丢失序号的确认,当收到第3个重复的确认后就重发报文段,而不等待重传定时器到时。

4.快速恢复(fast recovery)

    快速重传后不执行慢启动,不把拥塞窗口降到1个报文段长度,而是执行拥塞避免。

TCP 的重传机制是保证什么性能的重要措施?

数据可靠性

在什么情况下启动重传?

TCP发送方每发送一个报文段,就会为这个报文段设置一个计时器,只要计时器设置的重传时间已经到了但还没有收到确认,就要重传这一报文段

当发送方收到一连三个重复的确认后,就知道现在可能是网络出现了拥塞导致分组丢失,或者是报文段M2虽然没有丢失但目前正滞留在网络中的某处,可能还要经过较长的延时才能达到接收方。快速重传算法规定,发送方只要一连收到三个重复的确认,就立即重传丢失的报文段。

UDP 具有重传机制吗?没有

运行在一台主机上的一个进程使用什么信息来标识运行在另一台主机上的进程?

目的主机的 IP 地址和目的套接字的端口号

TCP吞吐量

    (最大窗口报文段数W*每个报文段长RSS)/双向传播时延RTT = 链路速度

    设当丢包发生时窗口报文段数是W

    如果窗口报文段数是W,吞吐量是W*RSS/RTT

    当丢包发生后,窗口报文段数降为W/2,吞吐量为W*RSS/2*RTT

    一个连接的平均吞吐量为0.75*W*RSS/RTT

  1. 列出5种非专用的因特网应用及它们所使用的因特网协议。HTTP 客户机以给定的URL 获取一个web页面,为获得该HTTP 服务器的IP 地址,除了HTTP 外,还需要什么传输层和应用层协议。

HTTP

Web应用

SMTP

电子邮件应用

DNS

因特网的目录服务

P2P

P2P应用

Telnet

远程终端访问

FTP

文件传输

应用层协议需要的是DNS。

运输层协议需要的是UDP(DNS)使用和TCP(HTTP 使用)。

 

  1. 叙述奈奎斯特准则和香农定理。对于一条带宽为200MHz的通信线路,如果信噪比为30dB,其最高数据传输速率能达到多少?如果信噪比为20dB呢?

信道的带宽:心道所能传输的信号频率范围,Hz。带宽小的信道会限制信号部分频率成分的传输,使之信号衰减失真。

C = 200*log2(1 30) =200*log2 31

30 =10lgS/N =>S/N = 10^3

奈奎斯特准则:

带宽为Whz的无噪声低通信道,最高码元传输速率:Bmax = 2W

最高数据传输速率Cmax = Bmax log2 M

香农定理:

    信噪比为S/N的高斯白噪声干扰信道可达到的数据传输速率:

    C = Wlog2(1 S/N)

 

  1. 什么是最大传输单元MTU? IP数据报传输中为什么要进行分片与重组?如何进行分片与重组?

网络链路有MTU(最大传输长度)--最大可能的链路级帧

在网络中,大IP数据报被分割,一个数据报变为几个数据报,重新装配仅在目的地完成,IP首部比特用于表示、排序相关段。

标识:数据报的标识符,目的站利用数据报标识符和源站IP地址判断收到的分片属于哪个IP数据报,以便进行数据报重组,原样拷贝。源站维持一个全局计数器产生标识。

标志:不分片,数据报不能分片,调试软件故障

片完0/未完1,该片是否原数据报的最后一篇

片偏移:8字节为单位,组合顺序。

  1. 路由选择和转发的区别是什么?

路由是根据路由表查找到达目标网络的最佳路由表项,转发是根据最佳路由中的出口及下一跳IP转发数据包的过程。因此,路由选择是转发的基础,数据转发是路由的结果。

 

  1. TCP拥塞控制与流量控制所解决的问题有什么不同?解决问题的根本途径是什么?

当网络中出现太多的分组时,网络的性能开始下降,这种情况称为拥塞。拥塞时分组交换网中一个非常重要的问题。如果网络中的负载,即发送到网络中的数据量,超过了网络的容量,那么在网络中就可能发生拥塞。所谓拥塞控制,就是防止过多的数据注入到网络中,这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。

TCP流量控制,解决因发送方发送数据太快而导致接收方来不及接收,使接收方缓存溢出的问题。

TCP流量控制的基本方法就是接收方根据自己的接收能力控制发送方的发送速率,TCP采用接收方控制发送方窗口大小的方法来实现在TCP连接上的流量控制。在TCP报文首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限。

吞吐量:单位时间内输入给网络的分组数目

既然网络拥塞是因为发送到网络中的数据量超过了网络的容量,要彻底解决分组交换网中的拥塞问题,就要想办法限制输入到网络中的负载,即控制源端的发送速率。

拥塞控制的任务是防止过多的数据注入到网络中,使网络能够承受现有的网络负载,这是一个全局性的问题,涉及各方面的行为,包括所有的主机,所有的路由器,路由器内部的存储转发处理过程,以及与降低网络传输性能相关的所有因素。

流量控制置于特定点对点通信的发送方与接收方之间的流量有关,他的任务是,确保一个快速的发送方不会持续地以超过接收方接受能力的速率发送数据,以防止接收方来不及处理数据,流量控制通常涉及的做法是,接收方向发送方提供某种直接的反馈,以抑制发送方的发送速率。

慢启动:当主机刚开始发送数据时完全不知道网络的拥塞情况,如果立即把较大的发送窗口中的所有数据字节都注入到网络,那么就有可能引起网络拥塞。较好的方法是经试探发现网络的可用带宽,即由小到达逐渐增大发送方的拥塞窗口数值,直到发生拥塞。通常在拥塞开始时可设置一个最大报文段MSS的数值,然后没收到一个确认后,增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增加发送方的拥塞窗口cwnd,可以使分组注入网络速率更加合理。

慢启动门限:ssthresh

拥塞避免算法使发送方的拥塞窗口cwnd每经过大约一个往返时间RTT就增加一个MSS的大小。实际做法是,每收到一个新的确认,将cwnd增加MSSXMSS/cwnd。这样,拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长,比慢启动算法的拥塞窗口缓慢的多。

无论是在慢启动阶段还是在拥塞避免阶段,只要发送方发现网络出现拥塞,就立即将拥塞窗口cwnd重置为1,并启动慢启动算法。将ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口值的一半。这一次在该窗口值发生拥塞,则下次很有可能再出现拥塞。因此当下次拥塞窗口又接近该值时,就要降低窗口的增长速率,进入拥塞避免阶段。缓存溢出的问题。

快速恢复

当发送方收到3个连续重复的ACK时,就重新设置慢启动门限ssthresh,将其设置为当前发送窗口的一半,这一点和慢启动算法是一样的。

与慢启动算法不同的是,拥塞窗口不是设置为1,而是设置为新设置的慢启动门限ssthresh,然后开始执行拥塞避免算法,使拥塞窗口慢慢地线性增长。

  1. UDP和TCP使用反码来计算它们的校验和。假设有下面3个8比特字节:01010011,01100110,01110100。这些8比特字节和的反码是多少?写出所有计算过程。UDP使用该反码方案,接收方如何检测出差错?1比特的差错能检测出来吗?2比特的差错呢?(注:UDP和TCP使用16比特的字来计算校验和,但对于本题目,考虑8比特和。)

01010011

01100110

    10111001

         01110100

         100101101

                1

          00101110

          11010001

 

 

发送方将检验和置为0,反码算术运算求和得到检验和,接收端同样反码算术求和,如果结果为0,则保留,否则丢弃。

    比特翻转

  1. 考虑仅有一条单一的TCP(Reno)连接使用一条10Mbps链路,且该链路没有缓存任何数据。假设这条链路是发送主机和接收主机之间的唯一拥塞链路。假定某TCP发送方向接收方有一个大文件要发送,而接收方的接收缓存比拥塞窗口要大得多。我们也做下列假设:每个TCP报文段长度为1500字节;该连接的双向传播时延是150ms;并且该TCP连接总是处于拥塞避免阶段,即忽略了慢启动。

这条TCP连接能够取得的最大窗口长度(以报文段计)是多少?

发送窗口的上限值 = min[rwnd,cwnd] = cwnd  = 1500字节

10Mbps =10^7 bps

1500字节 = 12000bit

10^7bit/s = w*12000bit/0.15s => w = 125

这条TCP连接的平均窗口长度(以报文段计)和平均吞吐量(以bps计)是多少?

平均窗口长度 0.75*125

平均吞吐量0.75*10^7 = 7.5*10^6

这条TCP连接在从丢包恢复后,再次到达其最大窗口要经历多长时间?

t = 125/2*0.15

(提示:回想TCP拥塞控制的“加性增,乘性减”。当窗口长度是w字节,且当前往返时间是RTT秒时,TCP的发送速率大约是w/RTT。于是TCP每经过1个RTT,将w增加一个MSS探测出额外的带宽,直到一个丢包事件发生为止。当丢包发生时,用W表示此时w的值。那么TCP的传输速率在W/(2·RTT)到W/(RTT)之间变化。)

125/(2*0.15) ~125/0.15 = 417 ~833

  1. 试给出一个报头长20个字节,数据区长2140个字节的IP数据报在MTU为1500字节的以太网中最少分片数及各片的偏移量。

2  0,185

20 1480

20

  1. 考虑向具有800字节MTU(最大传送单元)的一条链路发送一个2400字节的数据报。假定初始数据报标有标识号433。将会生成多少个分片?在生成相关分片的数据报中的各个字段的值是多少?

 (假设片头长20字节)

 

总长度

标识

MF

DF

片偏移

原始数据报

2400

433

0

0

0

数据报片1

796

433

1

0

0

数据报片2

796

433

1

0

97

数据报片3

796

433

1

0

194

数据报片4

72

433

0

0

291

 

  1. 千兆位以太网为什么要进行载波扩展和帧突发载波扩展和帧突发是如何进行的?

IEEE802.3标准将时槽规定为512位,对速率为100Mb/s的以太网,为了维持时槽不变,网络最大直径为200m,而对于千兆以太网,网络最大直径减小到20m,这就失去了使用价值。

载波扩展是在发送短帧时,使用非数据信号的扩展位使得载波信号在网络上保持4096位。发送器每发出一个帧,它要检查帧的长度。若帧长度不少于一个时槽512位,发送器返回一个发送结束状态吗。若小于512位,发送器继续发送一串扩展载波信号直至达到时槽长度。

千兆以太网:

帧突发:为了改善短帧的传送效率,千兆以太网使用了帧突发功能。

发送方允许连续发几个帧,其中第一个帧按CSMA/CD规则发送,如果第一个是短帧,那么必须发送载波扩展位直至发送时间满一个时槽。若该镇发送成功,发放就可以继续发送其他帧直至达到第一次帧突发的最大长度限制。

  1. 简要介绍Web缓存器(Web cache)技术以及它带来的好处。

 用户设置浏览器:通过缓存访问

 浏览器向缓存发送所有HTTP请求。

对象在缓存中,缓存返回对象

否则缓存向起始服务器请求对象,然后向客户机返回对象

减少客户机请求的响应时间

减少机构访问链路的流量

  1. 为什么HTTP运行在TCP上,而不是UDP上?

     

    TCP提供面向连接的可靠的连接,HTTP对连接的可靠性要求高

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