免费智能真题库 > 历年试卷 > 系统集成项目管理工程师 > 2012年下半年 系统集成项目管理工程师 上午试卷 综合知识
  第21题      
  知识点:   Internet技术及应用   光纤   以太网
  关键词:   1000Base-X   IEEE   光纤   吉比特以太网   比特   以太网        章/节:   基本信息系统集成技术       

 
IEEE制订了以太网的相关技术标准,其中1000Base-X(光纤吉比特以太网)遵循的标准为(21)。
 
 
  A.  802.3
 
  B.  802.3u
 
  C.  802.3z
 
  D.  802.3ab
 
 
 

 
  第1题    2018年上半年  
   36%
基于TCP/IP协议的网络属于信息传输模型中的( )。
  第19题    2011年上半年  
   57%
TCP/IP 协议族中的 (19) 协议支持离线邮件处理,电子邮件客户端可利用该协议下载所有未阅读的电子邮件。
  第18题    2013年上半年  
   70%
我国自主研发的3G技术标准TD-SCDMA采用的是(18)技术。
   知识点讲解    
   · Internet技术及应用    · 光纤    · 以太网
 
       Internet技术及应用
               Internet概念
               Internet是一个不受政府管理和控制的、包括成千上万相互协作的组织和网络的集合体。Internet有如下特点:
               .TCP/IP协议是Internet的核心。
               .Internet实现了与公用电话交换网(包括移动电话网)的互连。
               .Internet是一个用户自己的网络。
               .由众多的计算机网络互联组成,是一个世界性的网络。
               .采用分组交换技术。
               .由众多的路由器、网关连接而成。
               .是一个信息资源网。
               TCP/IP技术
               TCP/IP协议是开放式的协议,已经成为Internet通信标准。TCP/IP是指一整套数据通信协议,其名字由这些协议中的两个协议组成,即传输控制协议(Transmission Control Protocol, TCP)和网际协议(Internet Protocol, IP)。虽然还有很多其他协议,但TCP和IP显然是两个最重要的协议。
               TCP/IP协议有一些重要特点,能够满足世界范围的数据通信。其特点包括如下几点:
               .开放式协议标准:可免费使用,且与具体的计算机硬件或操作系统无关。
               .与物理网络硬件无关:TCP/IP可以将很多不同类型的网络集成在一起,它可以适用于以太网、令牌环网、拨号线、X.25网络以及任何其他类型的物理传输介质。
               .通用的寻址方案。
               .各种标准化的高级协议:可广泛而持续地提供多种用户服务。
               TCP/IP的层次模型并不完全符合OSI的七层参考模型,其模型分为四层,最高层应用层相当于OSI模型的5~7层,传输层和网络层与OSI模型相同,最底层网络接口层包含了OSI模型的物理层和数据链路层。TCP/IP模型和OSI模型的区别如下表所示。
               
               TCP/IP模型和OSI模型的区别
               TCP/IP模型主要包括如下协议:
               .FTP:文件传输协议。是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议。
               .TFTP:简单文件传输协议,相对于FTP, TFTP没有复杂的交互存取接口和认证控制,适用于客户端和服务器之间不需要复杂交互的环境。TFTP协议的运行基于UDP协议。
               .Telnet:远程登录协议。
               .SMTP:简单邮件传输协议。它是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则,由它来控制信件的中转方式。
               .NFS:网络文件系统。
               .SNMP:简单网络管理协议。
               .DNS:域名解析服务,即将域名映射成IP地址的协议。
               .HTTP:超文本传输协议,用于传送WWW方式的数据。
               .TCP:面向连接的、可靠的传输协议。面向连接的服务(如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP)需要高度的可靠性,所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP(发送和接收域名数据库),但使用UDP传送有关单个主机的信息。
               .UDP:面向无连接的、不可靠的传输协议。UDP与TCP位于同一层,但它不管数据包的顺序、错误或重发。因此,UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务,主要用于那些面向查询—应答的服务,例如NFS。相对于FTP或Telnet,这些服务需要交换的信息量较小。使用UDP的服务包括NTP(网络时间协议)和DNS(DNS也使用TCP)。
               .IP:网际协议,是TCP/IP的心脏,也是网络层中最重要的协议,负责给要传输的数据分配地址,将其发送到目的地。
               .ICMP:负责提供在数据投递过程中失败时诊断功能和错误报告。
               .ARP:地址解析协议,实现通过IP地址得知其物理地址(MAC)。
               .RARP:反向地址解析协议。
               .FDDI:光纤分布式数据接口,在光缆上发送数字信号的一组协议,衍生自IEEE 802.4Token Bus协定。
               .ARCnet:一种局域网网络协议。
               .SLIP:串行线路协议。
               .PPP:点对点协议,和SLIP都属于数据链路层协议。
               标识技术
                      主机IP地址
                      Internet上每台主机都必须有一个唯一的标识,即主机的IP地址,IP协议就是根据IP地址实现信息传递的。IP地址分为IPv4和IPv6两个版本。
                      (1) IPv4
                      IP地址由32位(即4字节)二进制数组成,将每个字节作为一段并以十进制数来表示,每段间用“.”分隔。例如,202.96.209.5就是一个合法的IP地址。
                      IP地址由网络标识和主机标识两部分组成。常用的IP地址有A、B、C三类,每类均规定了网络标识和主机标识在32位中所占的位数,区别如下:
                      .A类:一般分配给具有大量主机的网络使用,第一个字节十进制值为0~126。
                      .B类:通常分配给规模中等的网络使用,第一个字节十进制值为l28~191。
                      .C类:通常分配给小型局域网使用,第一个字节十进制值为192~223。
                      IP地址由世界各大地区的权威机构Inter NIC(Internet Network Information Center)管理和分配。
                      将主机标识域进一步划分为子网标识和子网主机标识,通过灵活定义子网标识域的位数,可以控制每个子网的规模。将一个大型网络划分为若干个既相对独立又相互联系的子网后,网络内部各子网便可独立寻址和管理,各子网间通过跨子网的路由器连接,这样也提高了网络的安全性。
                      利用子网掩码可以判断两台主机是否在同一子网中。子网掩码与IP地址一样也是32位二进制数,不同的是它的子网主机标识部分为全“0”。若两台主机的IP地址分别与它们的子网掩码相“与”后的结果相同,则说明这两台主机在同一子网中。
                      (2)IPv6
                      IPv6是由IETF小组设计的用来替代现行的IPv4协议的一种新的IP协议。
                      IPv6由128位(16字节)二进制数组成,RFC1884中规定把IPv6表示为8个16位的无符号整数,每个整数用4个十六进制位表示,中间用冒号分隔,例如:3ffe:3201:1401:1280:c8ff:fe4d:db39:1984。
                      IPv6具有如下优点:
                      .提供更大的地址空间,能够实现即插即用和灵活的重新编址。
                      .更简单的头信息,能够使路由器提供更有效率的路由转发。
                      .与移动IP和IPSec保持兼容的移动性和安全性。
                      .提供丰富的从IPv4到IPv6的转换和互操作方法。
                      域名系统(DNS)和统一资源定位器(URL)
                      32位二进制数的IP地址对计算机来说十分有效,但用户使用和记忆都很不方便。为此,Internet引进了字符形式的IP地址,即域名。域名采用层次结构的基于“域”的命名方案,每一层由一个子域名组成,子域名间用“.”分隔,其格式为:机器名.网络名.机构名.最高域名,如mail.sina.com.cn。
                      Internet上的域名由域名系统DNS(Domain Name System)统一管理。DNS是一个分布式数据库系统,由域名空间、域名服务器和地址转换请求程序三部分组成。有了DNS,凡域名空间中有定义的域名都可以有效地转换为对应的IP地址,同样,IP地址也可通过DNS转换成域名。
                      统一资源定位器URL(Uniform Resource Locator)也被称为网页地址,是互联网上标准的资源地址,只要知道某网页的URL,便可直接打开该网页。
                      URL组成从左到右为:
                      .Internet资源类型(scheme):指WWW客户程序用来操作的工具。如“http://”表示WWW服务器,“ftp://”表示FTP服务器,“gopher://”表示Gopher服务器。
                      .服务器地址(host):指网页所在的服务器域名。
                      .端口(port):有时对某些资源的访问来说,需给出相应的服务器端口号,有时不需要。
                      .路径(path):指服务器上某资源的位置(其格式与DOS系统中的格式一样,通常由目录/子目录/文件名这样结构组成)。与端口一样,有时不需要写明。
                      URL地址格式排列为:scheme://host:port/path。例如http://www.cnd.org/pub/HXWZ就是一个典型的URL地址。
                      用户E-mail地址
                      用户E-mail地址的格式为:用户名@主机域名。其中用户名是用户在邮件服务器上的信箱名,通常为用户的注册名、姓名或其他代号;主机域名则是邮件服务器的域名。用户名和主机域名之间用“@”分隔。例如,wenli@suiji.com.cn表示用户名为“wenli”,邮件服务器域名为“suiji.com.cn”的E-mail地址。
                      由于主机域名在Internet上的唯一性,所以,只要E-mail地址中的用户名在该邮件服务器中是唯一的,则这个E-mail地址在整个Internet上也是唯一的。
 
       光纤
        光纤全称“光导纤维”。光纤是由前香港中文大学校长高锟提出并发明的。1970年美国康宁公司首先研制出衰减为20dB/km的单模光纤,从此以后,世界各国纷纷开展光纤研制和光纤通信的研究,并得到了广泛的应用。
        光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维,利用光的全反射原理而进行光传导的介质。是一种外包了一层保护层的、横截面积非常小的双层同心圆柱体。光纤结构如下图所示。
        
        光纤剖面图
        通常光纤与光缆两个名词会被混淆,多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆。
               光纤传输的优点
               与其他传输介质相比,光纤传输的主要优点如下:
               (1)传输频带宽、通信容量大。频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高,可以传输信号的频带宽度就越大。载波频率为48.5~300MHz的VHF(Very high frequency,甚高频)频段,带宽约250MHz。可见光的频率达100THz,比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗,使频带宽度受到影响,但在最低损耗区的频带宽度也可达30THz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫,好的单模光纤可达10GHz以上),采用先进的相干光通信可以在30THz范围内安排2000个光载波,进行波分复用,传输频带更宽。
               (2)损耗低。在同轴电缆组成的系统中,最好的电缆在传输800MHz信号时,每公里的损耗都在40dB以上。相比之下,光导纤维的损耗则要小得多,传输1.31μm的光,每公里损耗在0.5dB以下,若传输1.55μm的光,每公里损耗更小,可达0.2dB以下。这就是同轴电缆的功率损耗的亿分之一倍,使其能传输的距离要远得多。此外,光纤传输损耗还有两个特点,一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗,不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡;二是其损耗几乎不随温度而变,不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。
               (3)电磁绝缘性能好。光纤线缆传输的是光束,而光束是不受外界电磁干扰影响的,而且光纤本身也不向外辐射信号,也不容易窃听,因此它适用于长距离的信息传输以及要求高安全的场合。
               (4)中继器的间距距离大。整个通道的中继器数目可以减少,可以降低成本。根据贝尔实验室的测试,光纤线路中当数据速率为420Mb/s且距离为119km无中继器,误码率可以达到10-8
               (5)重量轻。因为光纤非常细,单模光纤芯线直径一般小于10μm,外径也只有125μm,加上防水层、加强筋、护套等,用4~48根光纤组成的光缆直径还不到13mm,比标准同轴电缆的直径47mm要小得多,加上光纤是玻璃纤维,比重小,使它具有直径小、重量轻的特点,安装十分方便。
               (6)工作性能可靠。一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多,发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器),可靠性自然也就高,加上光纤设备的寿命都很长,无故障工作时间达50万~75万小时,其中寿命最短的是光发射机中的激光器,最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。
               (7)成本不断下降。目前,有人提出了新摩尔定律,也叫做光学定律(Optical Law)。该定律指出,光纤传输信息的带宽,每6个月增加1倍,而价格降低1倍。光通信技术的发展,为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富,随着技术的进步,成本还会进一步降低;而电缆所需的铜原料有限,价格会越来越高。显然,今后光纤传输将占绝对优势。
               光纤通信原理
               实际上,如果不是利用光全反射的原理,光纤传输系统会由于光纤的漏光而变得没有实际利用价值。当光线经过两种不同折射率的介质进行传播时(如从玻璃到空气),光线会发生折射,如下图(a)所示。假定光线在玻璃上的入射角为α1时,则在空气中的折射角为β1。折射量取决于两种介质的折射率之比。当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时,光线将完全反射回玻璃,而不会射入空气,这样,光线将被完全限制在光纤中,而且几乎无损耗地向前传播,如下图(b)所示。
               
               光折射原理
               在上图(b)中仅给出了一束光在玻璃内部全反射传播的情况。实际上,任何以大于临界值角度入射的光线,在不同介质的边界都将按全反射的方式在介质内传播,而且不同频率的光线在介质内部将以不同的反射角传播。
               光纤的分类
               根据光纤纤芯直径的粗细,可将光纤分为多模光纤(Multi-mode Fiber,MMF)和单模光纤(Single-mode Fiber,SMF)两种。如果光纤纤芯的直径较粗,则当不同频率的光信号(实际上就是不同颜色的光)在光纤中传播时,就有可能在光纤中沿不同传播路径进行传播,将具有这种特性的光纤称为多模光纤。如果将光纤纤芯直径一直缩小,直至光波波长大小的时候,则光纤此时如同一个波导,光在光纤中的传播几乎没有反射,而是沿直线传播,这样的光纤称为单模光纤。
               (1)单模光纤。单模光纤的纤芯直径很小,在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大。单模光纤的芯径为8~10μm,包层直径为125μm;使用的光波波长为1310nm、1550nm。
               (2)多模光纤。多模光纤是在给定的工作波长上能以多个模式同时传输的光纤。多模光纤的纤芯直径较粗一般为50~200μm,包层直径为125~230μm;使用的光波波长为850nm、1300nm。
               单模光纤的造价很高,且需要激光作为光源,但其无中继传输距离非常远,且能获得非常高的数据传输速率,一般用于广域网主干线路上。多模光纤相对来说无中继传播距离要短些,而且数据传输速率要小于单模光纤;但多模光纤的价格便宜一些,并且可以用发光二极管作为光源,多模光纤一般用于局域网组网时的传输介质。单模光纤与多模光纤的比较如下表所示。
               
               单模光纤与多模光纤的比较
               光纤的主要传播特性
               光纤的主要传播特性为损耗和色散。损耗是光信号在光纤中传输时发生的信号衰减,其单位为dB/km。色散是到达接收端的延迟误差,即脉冲宽度,其单位是μs/km。光纤的损耗会影响传输的中继距离,色散会影响数据传输速率,两者都很重要。自1976年以来,人们发现使用1.3μm和1.55μm波长的光信号通过光纤传输时的损耗幅度大约为0.5~0.2dB/km;而使用0.85μm波长的光信号通过光纤传输时的损耗幅度大约为3dB/km。使用0.85μm波长的光信号在多模光纤中传输时,色散可以降至10μs/km以下;而使用1.3μm波长的光信号在单模光纤中传输时,产生的色散近似于零。因此单模光纤在传输光信号时,产生的损耗和色散都比多模光纤要低得多,因此单模光纤支持无中继距离和数据传输速率都比多模光纤要高得多。
 
       以太网
        以太网是最早使用的局域网,也是目前使用最广泛的网络产品。以太网有10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10Gb/s等多种速率。
               以太网传输介质
               以太网比较常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤三种,以IEEE 802.3委员会习惯用类似于10Base-T的方式进行命名。这种命名方式由三个部分组成:
               (1)10:表示速率,单位是Mb/s。
               (2)Base:表示传输机制,Base代表基带,Broad代表宽带。
               (3)T:传输介质,T表示双绞线、F表示光纤、数字代表铜缆的最大段长。
               传输介质的具体命名方案如下表所示,了解这些知识是十分必要的。
               
               以太网传输介质表
               
               以太网时隙
               时间被分为离散的区间称为时隙(Slot Time)。帧总是在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可能发送0,1或多个帧,分别对应空闲时隙、成功发送和发生冲突的情况。
                      设置时隙理由
                      在以太网规则中,若发生冲突,则必须让网上每个主机都检测到。信号传播整个介质需要一定的时间。考虑极限情况,主机发送的帧很小,两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻,B开始发送帧。这样,当A的帧到达B时,B检测到了冲突,于是发送阻塞信号。B的阻塞信号还没有传输到A,A的帧已发送完毕,那么A就检测不到冲突,而误认为已发送成功,不再发送。由于信号的传播时延,检测到冲突需要一定的时间,所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。
                      在最坏情况下,检测到冲突所需的时间
                      若A和B是网上相距最远的两个主机,设信号在A和B之间传播时延为τ,假定A在t时刻开始发送一帧,则这个帧在t+τ时刻到达B,若B在t+τ-ε时刻开始发送一帧,则B在t+τ时就会检测到冲突,并发出阻塞信号。阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突,所以一帧的发送时间必须大于2τ
                      按照标准,10Mb/s以太网采用中继器时,连接最大长度为2500m,最多经过4个中继器,因此规定对于10Mb/s以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs。51.2μs也就是512位数据在10Mb/s以太网速率下的传播时间,常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位=64字节,因此以太网帧的最小长度为64字节。
                      冲突发生的时段
                      (1)冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间,即512位时的时段。
                      (2)当网上所有主机都检测到冲突后,就会停发帧。
                      (3)512位时是主机捕获信道的时间,如果某主机发送一个帧的512位时,而没有发生冲突,以后也就不会再发生冲突了。
               提高传统以太网带宽的途径
               以往被淘汰、传统的以太网是以10Mb/s速率半双工方式进行数据传输的。随着网络应用的迅速发展,网络的带宽限制已成为进一步提高网络性能的瓶颈。提高传统以太网带宽的方法主要有以下3种。
                      交换以太网
                      以太网使用的CSMA/CD是一种竞争式的介质访问控制协议,因此从本质上说它在网络负载较低时性能不错,但如果网络负载很大时,冲突会很常见,因此导致网络性能的大幅下降。为了解决这一瓶颈问题,“交换式以太网”应运而生,这种系统的核心是使用交换机代替集线器。交换机的特点是,其每个端口都分配到全部10Mb/s的以太网带宽。若交换机有8个端口或16个端口,那么它的带宽至少是共享型的8倍或16倍(这里不包括由于减少碰撞而获得的带宽)。
                      交换以太网能够大幅度的提高网络性能的主要原因是:
                      .减少了每个网段中的站点的数量;
                      .同时支持多个并发的通信连接。
                      网络交换机有三种交换机制:直通(Cut through)、存储转发(Store and forward)和碎片直通(Fragment free Cut through)。
                      交换式以太网具有几个优点:第一,它保留现有以太网的基础设施,保护了用户的投资;第二,提高了每个站点的平均拥有带宽和网络的整体带宽;第三,减少了冲突,提高了网络传输效率。
                      全双工以太网
                      全双工技术可以提供双倍于半双工操作的带宽,即每个方向都支持10Mb/s,这样就可以得到20Mb/s的以太网带宽。当然这还与网络流量的对称度有关。
                      全双工操作吸引人的另一个特点是它不需要改变原来10Base-T网络中的电缆布线,可以使用和10Base-T相同的双绞线布线系统,不同的是它使用一对双绞线进行发送,而使用另一对进行接收。这个方法是可行的,因为一般10Base-T布线是有冗余的(共4对双绞线)。
                      高速服务器连接
                      众多的工作站在访问服务器时可能会在服务器的连接处出现瓶颈,通过高速服务器连接可以解决这个问题。使用带有高速端口的交换机(如24个10Mb/s端口,1个100Mb/s或1000Mb/s高速端口),然后再把服务器接在高速端口上并使用全双工操作。这样服务器就可以实现与网络200Mb/s或2000Mb/s的连接。
               以太网的帧格式
               以太网帧的格式如下图所示,包含的字段有前导码、目的地址、源地址、数据类型、发送的数据,以及帧校验序列等。这些字段中除了数据字段是变长以外,其余字段的长度都是固定的。
               
               以太网的帧结构
               注:字段的长度以字节为单位
               前导码(P)字段占用8字节。
               目的地址(DA)字段和源地址(SA)字段都是占用6字节的长度。目的地址用于标识接收站点的地址,它可以是单个的地址,也可以是组地址或广播地址,当地址中最高字节的最低位设置为1时表示该地址是一个多播地址,用十六进制数可表示为01:00:00:00:00:00,假如全部48位(每字节8位,6字节即48位)都是1时,该地址表示是一个广播地址。源地址用于标识发送站点的地址。
               类型(Type)字段占用两字节,表示数据的类型,如0x0800表示其后的数据字段中的数据包是一个IP包,而0x0806表示ARP数据包,0x8035表示RARP数据包。
               数据(Data)字段占用46~1500个不等长的字节数。以太网要求最少要有46字节的数据,如果数据不够长度,必须在不足的空间插入填充字节来补充。
               帧校验序列(FCS)字段是32位(即4字节)的循环冗余码。
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