广域网技术

公共交换电话网PSTN

（public switched telephone network，PSTN）是为语音通信而建立的网络，从20世界60年代开始又被用于数据传输。电话网由3个部分组成：本地回路、干线和交换机。

干线和交换机一般采用数字传输和交换技术，而本地回路基本采用模拟线路。

电话线联网时需要在发送端通过调制解调器把数字信号变换为模拟信号，接收端再通过调制解调器把模拟信号变换为数字信号。

流量控制与差错控制

流量控制：协调发送站和接收站的工作步调，避免发送速度过快，接收站处理不过来。支持流量控制的协议：X.25(广域网的一个协议，现在已经被淘汰了)和TCP。

差错控制：检测和纠正传输错误的机制。支持差错控制的技术：奇偶校验、海明码、CRC循环冗余校验。

流量控制-停等协议工作原理：发送站发一帧，收到应答信号后再发送下一帧，接收站每收到一帧后回送一个应答信号（ACK），表示愿意接受下一帧，如果接收站不应答，发送站必须等待。

流量控制-滑动窗口协议工作原理：允许连续发送多个帧而无需等待应答。

差错控制：应对差错控制的办法如下图，使用最多的是“超时重传”机制，对应的协议是自动重传ARQ协议。

停等ARQ协议：这个协议是停等流控技术和自动请求重发技术的结合。工作原理：发送站发出一帧后必须等待应答信号，收到肯定应答信号ACK后继续发送下一帧；如果收到否定应答信号NAK后重发该帧。若在一定的时间内没有收到应答信号也必须重发。

选择重发ARQ协议和后退N帧ARQ协议：选择重发ARQ协议是重传特定的某一帧；后退N帧ARQ协议：重传此帧和后续的N帧。如下图所示：

高级数据链路控制：（high level data link control，HDLC）是一种广域网面向位（比特）的数据链路控制协议，通常使用CRC-16/CRC-32校验（校验位）。帧边界（帧头和帧尾）“01111110”。HDLC帧结构如下图：

X.25与帧中继：这两个都是比较古老的技术，而且帧中继技术就是由X.25技术演变过来的。目前已经是淘汰的技术，被tcp和以太网技术所取代。

X.25公共数据网是一种分组交换技术，且面向连接，建立虚电路。支持差错控制和流量控制，传输速率为64kbps。它分为3个协议层，分别是物理层、链路层和分组层。分别对应OSI模型的底三层。

帧中继（frame rlay，FR）是X.25技术的升级版。

帧中继在第二层（数据链路层）建立虚链路，提供虚链路服务，本地标识DLCI；基于分组交换的透明传输，可提供面向连接的服务；只做检错和拥塞控制，没有流控和重传机制，所以开销很小；既可以按需提供宽带，也可以应对突发的数据传输（CIR：承诺速率；EIR：扩展速率）；帧长可变，长度可达1600-4096字节，可以承载各种局域网的数据帧；速率范围：2-45Mbps。

帧中继缺点：不适合用于对延迟敏感的应用（例如：语音视频）；数据的丢失依赖于运营商对虚电路的配置；不保证可高提交。

城域网技术

E-LAN技术是802.1Q的升级，802.1Q只有一层VLAN标签，E-LAN打2层VLAN标记，这种技术被定义为IEEE802.1ad，也被称为QinQ技术。

QinQ实际是把用户VLAN嵌套在城域以太网的VLAN中传输。

另一种城域网技术IEEE802.1ah，也称为PBB，也叫MAC-IN-MAC技术。

局域网技术

局域网体系架构：如下图所示，重点介绍以太网（802.3）

局域网拓扑类型：总线型、环形、星型和树形。

CSMA/CD（carrier sense multiple access/collision detection）是对总线型、星型和树形网络拓扑访问的一种控制协议。

CSMA基本原理：在发送数据前，先监听信道上是否有人在发送数据，若有，则说明信道忙，否则说明信道空闲，然后根据预定的策略决定发送数据。（预定的策略分2种；1、若信道空闲，是否立即发送；2、若信道忙，是否继续监听）如果连续发生16次数据碰撞后，认为网络繁忙或已出问题，不再尝试发送数据。

CSMA/CD三种监听算法（以太网介质访问控制策略）：非坚持型监听算法；1-坚持型监听算法；P-坚持型监听算法。

非坚持型监听算法：如果监听到信道忙，则后退随机时间后再次发送。由于后退随机时间，从而减少了冲突概率，但是后退的随机时间是空闲的，使得信道利用率降低，而且增加了发送的延迟。

1-坚持型监听算法：如果监听到信道忙，则继续监听，只要发现信道空闲就立即发送。有利于抢占信道资源，减少信道空闲时间，如果存在多个站点同时都在监听信道时也会发生冲突和碰撞。这种算法存在的问题：冲突概率高、利用率高（简称双高）

P-坚持型监听算法：如果监听到信道忙，则继续监听，如果监听到信道空闲，不会立即发送数据，而是采用一个概率P（P:这个值可以自定义）来发送数据。

冲突检测原理：载波监听只能减小冲突概率，无法完全避免冲突。当两个帧发生和冲突后，若继续发送会浪费网络带宽资源，为了改进网络带宽利用率，发送站应采取一边发送一边监听的冲突检测方法。具体方法步骤如下：

1、发送站发送数据期间同时接受数据，并把接收到的数据与站中存储的数据进行比较；

2、如果比较结果一致，说明没有冲突，则重复上述1的步骤；

3、如果比较结果不一致，说明发生了冲突，则立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号（jamming是干扰信号）；

4、jamming信号会让所有站都停止发送；

5、发送jamming信号后，等待一段随机长的时间后，重新监听，再次尝试发送。

以太网帧结构：如下图

以太网物理层命名规范（以太网一般指10M使用的标准是IEEE802.3）：如下图（下图中100BASET中的100是为了说明，正确表达应该是10）

快速以太网物理层命名规范（快速以太网一般指100M；使用的标准是IEEE802.3u）100Base-TX标准使用的编码方式是：4B5B：如下图

千兆以太网：有2个标准（IEEE802.3z和IEEE802.3ab），千兆以太网需要8根双绞线，可达到100m的传输距离；千兆以太网的编码方式一般使用4B/5B或者8B/10B；同时1000BASE-LX标准可以使用淡漠或多模光纤进行传输。1000BASE-ZX传送距离可达到100km 标准如下图

万兆以太网：标准（IEEE802.3ae）支持万兆速率，可用光纤或者双绞线进行传输。

万兆以太网基本应用在点到点线路，不再共享带宽，没有冲突检测/载波监听/多路访问等技术，千兆以太网和万兆以太网采用与传统以太网相同的帧结构。

虚拟局域网VLAN：

虚拟局域网（virtual local area network ,VLAN）根据管理功能、组织机构或应用类型对交换局域网进行分段而形成的逻辑网络，被称为虚拟局域网。

1、虚拟局域网可以不属于同一物理网段，任何交换端口都可以分配给某一个VLAN；属于同一VLAN下的所有端口构成一个广播域；不同VLAN的通信必须经过三层设备（路由器、三层交换机、防火墙等）

2、VLAN划分：可以基于交换端口（也称为静态划分）、设备MAC、策略、协议、IP地址等进行划分VLAN。

3、冲突域和广播域：一个中继线或者一个集线器是一个冲突域；一个VLAN是一个广播域；交换机的一个接口是一个冲突域；

VLAN作用：（当一个局域网太大的时候会引发各种问题，使用VLAN技术可以很好解决问题）

1、控制网络流量：一个VLAN内部的通信不会转发到其他VLAN中去，从而有助于控制广播风暴，减小冲突域，提高网络带宽的利用率。

2、提高网络的安全性：可以通过配置VLAN之间的路由来提供广播过滤、安全和流量控制等功能，不同VLAN之间的通信收到限制，提高网络安全性。

3、灵活的网络管理：VLAN机制使得工作组可以突破地理位置的限制而根据管理功能来划分，如果根据MAC地址来划分VLAN，用户可以在任何地方接入交换网络，实现移动办公。

交换机端口类型：添加和删除VLAN标签的过程是由交换机中的专用硬件自动实现的，处理速度很快，不会引入太大延迟。

1、access接口：只能传送单个VLAN数据，一般用于连接pc等终端；

2、trunk接口：能传送多个VLAN 数据，一般用于交换机之间的连接；

3、hybrid接口：混合接口，包含access和trunk的属性；

4、qinq接口：双层标签，一般用于运营商城域网。

交换机端口被划分到某一VLAN后，进入该VLAN的流量均会打上标签（tag：占用4个字节）进入目标地址后交换机会删除VLAN标记，VLAN标记对用户是透明的，该过程所使用的协议是：802.1Q，关于该协议的帧格式如下

生成树协议STP：该技术主要解决二层环路问题，在现网中应用比较少，逐步被堆叠技术、虚拟化技术所取代。三层环路主要依靠IP包里的TTL技术来解决（TTL值最大是255，超过这个值就会将数据包丢弃）

二层环路问题-广播风暴：网络中若存在二层环路，一旦出现广播数据帧，这些数据帧将被交换机不断泛洪，造成广播风暴。广播风暴对网络危害非常大，将严重消耗设备cpu资源及网络带宽，需要格外注意。广播风暴现象：网络慢、cpu使用率高、CLI卡顿、所有指示灯高速闪烁等。

二层环路问题-MAC地址表震荡：交换机由于环路造成交换机本身MAC地址表混乱震荡。

生成树协议STP（spanning-tree）技术，在网络中出现二层环路时，通过逻辑阻塞（block）特定端口，从而打破环路，并且在网络出现拓扑故障或者变更时及时收敛，保障网络冗余性。

STP操作步骤如下图：

本章节完

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