免费智能真题库 > 历年试卷 > 信息系统项目管理师 > 2012年下半年 信息系统项目管理师 上午试卷 综合知识
  第27题      
  知识点:   网络技术标准与协议   千兆以太网   双绞线   信号   以太网
  关键词:   超五类   基带   连接器   千兆以太网   网络   五类双绞线   信号   双绞线   以太网        章/节:   信息系统及其技术和开发方法       

 
某单位的百兆以太网信号类型为基带,电缆类型为非屏蔽超五类双绞线,电缆连接器类型为RJ-45。该单位需将其升级为千兆以太网,则升级为(27)网络的成本最低。
 
 
  A.  1000BaseTCX
 
  B.  1000BaseT
 
  C.  1000BaseSX
 
  D.  1000BaseLX
 
 
 

 
  第21题    2012年下半年  
   57%
在网络数据流中适当的位置插入同步点,当传输出现中断时,可以从同步点的位置开始重新传输,该网络功能的控制和管理属于(21).
  第23题    2008年上半年  
   55%
在(23)中,①代表的技术通过对网络数据的封包和加密传输,在公网上传输私有数据、达到私有网络的安全级别;②代表的技术把所有..
  第19题    2014年上半年  
   43%
依照TCP/IP协议,(19)不属于网络层的功能。
   知识点讲解    
   · 网络技术标准与协议    · 千兆以太网    · 双绞线    · 信号    · 以太网
 
       网络技术标准与协议
        局域网中最常见的3个协议是微软的NETBEUI、NOVELL的IPX/SPX和跨平台的TCP/IP。
        1.NetBEUI协议
        NetBEUI(NetBiosEnhancedUserInterface,NetBios增强用户接口)是NetBIOS协议的增强版本,曾被许多操作系统采用,例如WindowsforWorkgroup、Win9x系列、WindowsNT等。NetBEUI协议在许多情形下很有用,是Windows 98之前的操作系统的默认协议。
        NetBEUI协议是一种短小精悍、通信效率高的广播型协议,安装后不需要进行设置,特别适合于在“网络邻居”传送数据。所以建议除了TCP/IP协议之外,局域网的计算机最好也安上NetBEUI协议。另外还有一点要注意,如果一台只装了TCP/IP协议的Windows 98机器要想加入到WINNT域,也必须安装NetBEUI协议。
        NetBEUI是非路由协议,用于携带NetBIOS通信。NetBEUI缺乏路由和网络层寻址功能,既是其最大的优点,也是其最大的缺点。由于不需要附加的网络寻址和网络层头尾,因此它很快、很有效且适用于单个网络或整个环境都桥接起来的小工作组环境。但由于它不支持路由,注定不会成为企业网络的主要协议。
        2.IPX/SPX协议
        Internet分组交换/顺序分组交换IPX/SPX(Internetwork Packet Exchange/Sequences Packet Exchange)是Novell公司的通信协议集。与NetBEUI形成鲜明区别的是IPX/SPX比较庞大,在复杂环境下具有很强的适应性。这是因为IPX/SPX在设计一开始就考虑了网段的问题,因此它具有强大的路由功能,适合于大型网络使用。当用户端接入NetWare服务器时,IPX/SPX及其兼容协议是最好的选择。
        IPX主要实现网络设备之间连接的建立、维持和终止;SPX协议是IPX的辅助协议,主要实现发出信息的分组、跟踪分组传输,保证信息完整无缺地传输。
        IPX的可扩展性受到其高层广播通信和高开销的限制。服务广告协议(Service Advertising Protocol,SAP)将路由网络中的主机数限制为几千。尽管SAP的局限性已经被智能路由器和服务器配置所克服,但是,大规模IPX网络的管理仍是非常困难的工作。
        3.TCP/IP协议
        定义
        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的特点
        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通信模型
        TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型(OSI)是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。7层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。七层模型分别概括如下:
        .物理层:主要定义物理设备标准,如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。这一层的数据叫做比特。
        .数据链路层:主要对从物理层接收的数据进行MAC地址(网卡的地址)的封装与解封装。常把这一层的数据叫做帧。在这一层工作的设备是交换机,数据通过交换机来传输。
        .网络层:主要对从下层接收到的数据进行IP地址的封装与解封装。在这一层工作的设备是路由器,常把这一层的数据叫做数据包。
        .传输层:定义了传输数据的协议和端口号,如TCP(传输控制协议,传输效率低,可靠性强,用于传输可靠性要求高,数据量大的数据),UDP(用户数据报协议,与TCP特性恰恰相反,用于传输可靠性要求不高,数据量小的数据,如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的)。主要将从下层接收的数据进行分段传输,到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。
        .会话层:建立和控制两个应用实体之间的会话过程。
        .表示层:提供统一的网络数据表示。对接收的数据进行解释、加密与解密、压缩与解压缩等。
        .应用层:提供OSI用户服务,以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务。
        TCP/IP通信协议采用了4层的层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为:
        .应用层:是TCP/IP栈的顶层,所有的应用程序和服务都包含在这一层,如简单电子邮件传输(SMTP)、文件传输协议(FTP)、网络远程访问协议(Telnet)、超文本传输协议(HTTP)等。
        .传输层:提供在计算机之间可靠或不可靠的数据传输,将数据上传到应用层或下传到互联网络层。包含两个核心协议:传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。TCP是一种面向连接的、可靠的协议;UDP是一种面向无连接的、不可靠的传输协议。
        .互连网络层:负责分配地址、打包和路由数据,让每一块数据包都能够到达目的主机(但不检查是否被正确接收)。这一层包括4个核心协议:IP、ARP、ICMP和IGMP。
        .网络接口层:负责将数据放置在网络介质上或从网络介质接收数据。这一层包含像网络缆线和网络适配器之类的物理设备。网络接口层不包括基于软件的协议类型,但包含像以太网和ATM这样的协议,它们定义了数据是如何在网络上传输的。
        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
        主要协议
        TCP/IP协议主要包括如下协议:
        .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。
        .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。
        .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。
        .IGMP:负责组播(多播的管理)。
        .TCP:面向连接的、可靠的传输协议。面向连接的服务(例如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)。
        .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。
        .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。
        .HTTP:超文本传输协议,用于传送WWW方式的数据。
        .DNS:域名解析服务,即将域名映射成IP地址的协议。
        .NFS:网络文件系统。
        .SNMP:简单网络管理协议。
 
       千兆以太网
        千兆位以太网是在以太网技术的改进和提高的基础上,再次将100Mb/s的快速以太网的数据传输速率提高了10倍,使其达到了每秒千兆位的网络系统(1000Mb/s)。与快速以太网一样,千兆以太网也是IEEE 802.3以太网标准的扩展。所以千兆以太网也可以在原来的以太网系统基础上实现平滑的过渡并完全升级。并且同样可以大大节省因网络系统升级所带来的各种费用和开销。
        千兆以太网为了能够把数据传输速率提高到1000Mb/s的水平,因此对物理层规范再一次做了很大改动。但是为了确保和以前的10Mb/s和100Mb/s的以太网相兼容,与前面的快速以太网一样,千兆以太网也沿用了IEEE 802.3规范所采用的CSMA/CD技术,也即就是在数据链路层以上部分没有改变,但在数据链路层以下,千兆以太网融合了IEEE 802.3/以太网和ANSI X3T11光纤通道两种不同的网络技术,这样千兆以太网不但能够充分利用光纤通道所提供的高速物理接口技术,而且保留了IEEE 802.3/以太网帧的格式,在技术上可以相互兼容,同时还能够支持全双工或半双工模式(通过CSMA/CD),使得千兆位以太网成为高速、宽带网络应用的战略性选择。
        IEEE 802.3z扩展标准是千兆位以太网标准规范。概括地说,它包含的内容有,1000Mb/s通信速率的情况下的支持全双工和半双工操作;采用802.3以太网帧格式;使用CSMA/CD技术;在一个冲突域中支持一个中继器;10Base-T和100Base-T向下兼容;多模光纤连接的最大距离为550m;单模光纤连接的最大距离为3000m;铜基连接距离最大为25m;并开发将基于5类无屏蔽双绞线的连接距离增至100m的技术;8B/10B主要适用于光纤介质和特殊屏蔽铜缆,而5类UTP则使用自己专门的编码/译码方案。
        千兆以太网物理层包括编码/译码,收发器和网络介质3部分,并且其中不同的收发器对应于不同的传输介质类型,如长模或多模光纤(1000Base-LX)、短波多模光纤(1000 Base-SX)、一种高质量的平衡双绞线对的屏蔽铜缆(1000Base-CX),以及5类非屏蔽双绞线(1000 Base-T)。
        (1)1000Base-LX是一种使用长波激光作为信号源的网络介质技术,在收发器上配置波长为1270~1355nm(一般为1300nm)的激光传输器,既可以驱动多模光纤,也可以驱动单模光纤。1000Base-LX所使用的光纤规格:62.5μm多模光纤,50μm多模光纤,9μm单模光纤。其中,使用多模光纤时,在全双工模式下,最长传输距离可以达到550m;使用单模光纤时,全双工模式下的最长有效距离为5000m。连接光纤所使用的SC型光纤连接器与快速以太网100Base-FX所使用的连接器的型号相同。
        (2)1000Base-SX是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术,收发器上所配置的波长为770~860nm(一般为800nm)的激光传输器不支持单模光纤,只能驱动多模光纤。具体包括两种:62.5μm多模光纤,50μm多模光纤。使用62.5μm多模光纤全双工模式下的最长传输距离为275m;使用50μm多模光纤,全双工模式下最长有效距离为550m。1000Base-SX所使用的光纤连接器与1000Base-LX一样也是SC型连接器。
        (3)1000Base-CX是使用铜缆作为网络介质的两种千兆以太网技术之一,另外一种就是将要在后面介绍的1000Base-T。1000Base-T使用的一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽铜缆,最长有效距离为25m,使用9芯D型连接器连接电缆。1000Base-CX适用于交换机之间的短距离连接,尤其适合千兆主干交换机和主服务器之间的短距离连接。以上连接往往可以在机房配线架上以跨线方式实现,不需要再使用长距离的铜缆或光缆。
        (4)1000Base-T是一种使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术,最长有效距离与100Base-TX一样可以达到100m。用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mb/s的平滑升级。与在前面所介绍的其他三种网络介质不同,1000Base-T不支持8B/10B编码/译码方案,需要采用专门的更加先进的编码/译码机制。
 
       双绞线
        双绞线(Twisted Pair,TP)是目前计算机网络综合布线中最常用的一种传输介质。双绞线由一对一对的带绝缘塑料保护层的铜线组成。每对绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可有效地降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线一般由两根22号、24号、26号绝缘铜导线相互缠绕而成。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。在双绞线电缆(也称双扭线电缆)内,不同线对具有不同的扭绞长度,通常情况下,扭绞长度在38.1~14cm内,按逆时针方向扭绞,相临线对的扭绞长度在12.7cm以上。与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制,但价格较为低廉。
        目前,双绞线可分为非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair,UTP)和屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair,STP)。
        虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,但同样适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息传输。在传输期间,信号的衰减比较大,并且产生波形畸变。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用的铜质导线的质量、长度及传输技术。只要精心选择双绞线、进行标准化安装,就可以获得较高的传输率,通常100m可以达到155Mb/s。
        因为双绞线传输信息时会向周围辐射,所以信息比较容易窃听。当然这只需要耗费较小的代价即额外增加一层屏蔽层,就可以避免这类情况发生,这就是通常使用的屏蔽双绞线。屏蔽双绞线的外层都是由一层铝箔包裹的,可以有效地减小辐射,当然也不能完全消除辐射。屏蔽双绞线的价格相对非屏蔽双绞线来说高一些,安装也比非屏蔽双绞线难一些。类似于同轴电缆,它必须配有支持屏蔽功能的特殊连结器和相应的安装技术。但它有较高的传输速率,100米内可达到155Mb/s。
        计算机网络综合布线经常使用的4对非屏蔽双绞线的结构如下图所示。
        
        常用的4对非屏蔽双绞线结构示意图
        非屏蔽双绞线电缆具有以下优点:
        (1)无屏蔽外套,直径小,节省所占用的空间。
        (2)重量轻、易弯曲、易安装。
        (3)将串扰减至最小或加以消除。
        (4)具有阻燃性。
        (5)具有独立性和灵活性,适用于结构化综合布线。
               规格型号
               EIA/TIA(Electronic Industries Association/Telecommunications Industry Association,美国电子工业协会/美国电信工业协会)为双绞线电缆定义了多种不同质量的型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五、超五、六类。主要的种类型号如下:
               (1)第一类:主要用于传输语音(一类标准主要用于20世纪80年代初之前的电话线缆),不用于数据传输。
               (2)第二类:传输频率为1MHz,用于语音传输和最高传输速率4Mb/s的数据传输,常见于使用4Mb/s规范令牌传递协议的旧的令牌网。
               (3)第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mb/s的数据传输,主要用于10base-T。
               (4)第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mb/s的数据传输,主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。
               (5)第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mb/s的数据传输,主要用于100base-T和10base-T网络,这是最常用的以太网电缆。
               (6)超五类:在五类双绞线的基础上,增加了额外的参数(近端串扰、衰减串扰比)和部分性能的提升,传输速率为100Mb/s。
               (7)第六类:物理上与超五类不同,线与线对之间是分隔的,传输速率为250Mb/s。
               同时又由于双绞线有屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线之分,这样双绞线的种类就更多了,具体规格和传输速率如下图所示。
               
               各种规格的双绞线
               性能指标
               对于各种类的双绞线,用户所关心的能够代表其特征的性能指标有衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电容、直流电阻等。
               (1)衰减(Attenuation)。衰减是沿链路的信号损失度量。衰减与线缆的长度有关系,随着长度的增加,信号衰减也随之增加。衰减用dB作单位,表示源传送端信号到接收端信号强度的比率。又因为衰减随频率而变化,所以应该测量在应用范围内的全部频率上的衰减。
               (2)近端串扰(Near-End Crosstalk Loss,NEXT)。串扰可分为近端串扰和远端串扰(Far-End Crosstalk Loss,FEXT),测试仪主要是测量NEXT,由于存在线路损耗,因此FEXT的量值的影响较小,在三类、五类线缆中可以忽略不计。近端串扰损耗是测量一条UTP链路中从一对线到另一对线的信号耦合。对于UTP链路,NEXT是一个关键的性能指标,也是最难精确测量的一个指标。随着信号频率的增加,其测量难度将加大。NEXT并不表示在近端点所产生的串扰值,只是表示在近端点所测量到的串扰值。这个量值会随电缆长度不同而变,电缆越长,其值变得越小。同时发送端的信号也会衰减,对其他线对的串扰也相对变小。实验证明,只有在40m内测量得到的NEXT是较真实的。如果另一端是远于40m的信息插座,那么它会产生一定程度的串扰,但测试仪可能无法测量到这个串扰值。因此,最好在两个端点都进行NEXT测量。现在的测试仪都配有相应设备,使得在链路一端就能测量出两端的NEXT值。
               (3)直流电阻。直流环路电阻会消耗一部分信号,并将其转变成热量。它是指一对导线电阻的和,11801规格的双绞线的直流电阻不得大于19.2Ω。每对间的差异不能太大(小于0.1Ω),否则表示接触不良,必须检查连接点。
               (4)特性阻抗。与环路直流电阻不同,特性阻抗包括电阻及频率为1~100MHz的电感阻抗及电容阻抗,它与一对电线之间的距离及绝缘体的电气性能有关。各种电缆有不同的特性阻抗,而双绞线电缆则有100Ω、120Ω及150Ω几种(其中,120Ω的线缆在中国不生产)。
               (5)衰减串扰比(Attenuation-to-Crosstalk Ratio,ACR)。在某些频率范围,串扰与衰减量的比例关系是反映电缆性能的另一个重要参数。ACR有时也以信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)表示,它由最差的衰减量与NEXT量值的相减得到的。ACR值越大,表示抗干扰的能力越强。一般系统要求至少大于10dB。
               双绞线在外观上的文字
               双绞线一般每隔两英尺(foot,1foot=30.48cm)就有一段文字,解释了有关此线缆的相关信息。下面以CSAI公司生产的线缆为例,其文字为:
               CSAI SYSTEMS CABLEE138034 0100
               24AWG(UL)CMR/MPR ORC(UL)PCC
               FT4 VERIFIED ETL CAT5 O44766 FT 0907
               其中的具体含义如下所述:
               (1)CSAI:代表生产该线缆公司的名称为CSAI。
               (2)0100:表示特性阻抗为100Ω。
               (3)24:表示线芯是24号的(线芯有22、24、26三种规格)。
               (4)AWG:表示美国线缆规格标准。
               (5)UL:表示通过认证的标准。
               (6)FT4:表示4对线。
               (7)CAT5:表示五类线。
               (8)044766:表示线缆当前处在的英尺数。
               (9)0807:表示生产日期是2008年7月。
               布线标准
               EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序,分别是T568A与T568B,这两个标准是最常使用的布线标准,如下图所示。
               
               T568A和T568B针脚示意图
               (1)T568A规定的连接方法是:
               1——白绿(就是白色的外层上有些绿色,表示和绿色的是一对线)。
               2——绿色。
               3——白橙(就是白色的外层上有些橙色,表示和橙色的是一对线)。
               4——蓝色。
               5——白蓝(就是白色的外层上有些蓝色,表示和蓝色的是一对线)。
               6——橙色。
               7——白棕(就是白色的外层上有些棕色,表示和棕色的是一对线)。
               8——棕色。
               (2)T568B规定的连接方法是:
               1——白橙。
               2——橙色。
               3——白绿。
               4——蓝色。
               5——白蓝。
               6——绿色。
               7——白棕(就是白色的外层上有些棕色,表示和棕色的是一对线)。
               8——棕色。
               在通常的工程实践中,T568B使用得较多。不管使用哪一种标准,一根五类线或超五类的两端都必须使用同一种标准。
               直通线与交叉线
               直通线(Straight Cable)是指线缆两端的线序排列完全相同的网线(要么两端全部使用T568A,要么两端全部使用T568B)。
               交叉线(Crossover Cable)是指线缆两端的线序一边是按照T568A标准连接,另一边按照T568B标准连接。
               用户可根据实际需要选用直通线或交叉线,各种使用情况如下表所示。
               
               交叉线和直通线适用范围
               在实际通信中只需要用到双绞线八根铜线中的第1、2、3、6四条铜线。
 
       信号
        任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间,可以通过相互发送信号的方式,来协调它们之间的运行步调。
        所谓的信号,指的是系统给任务的一个指示,表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部(如其他的任务、硬件或定时器),也可能来自于内部(如执行指令出错)。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR(Asynchronous Signal Routine),与中断服务程序不同的是,ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候,如果它收到了一个信号,将暂停执行当前的指令,转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换,因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。
        信号机制与中断处理机制非常相似,但又各有不同。它们的相同点是:
        .都具有中断性:在处理中断和异步信号时,都要暂时地中断当前任务的运行;
        .都有相应的服务程序;
        .都可以屏蔽响应:外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽,任务也能够选择不对异步信号进行响应。
        信号机制与中断机制的不同点是:
        .中断是由硬件或特定的指令产生,而信号是由系统调用产生;
        .中断触发后,硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行;而信号则通过发送信号的系统调用来触发,但系统不一定马上对它进行处理;
        .中断处理程序是在系统内核的上下文中运行,是全局的;而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行,是任务的一个组成部分。
        实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞,可能出现优先级反转的现象,即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时,高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞,问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务,导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。
        
        一个优先级反转的示例
        如上图所示,系统存在任务1、任务2、任务3(优先级从高到低排列)和资源R。某时,任务1和任务2都被阻塞,任务3运行且占用资源R。一段时间后,任务1和任务2相继就绪,任务1抢占任务3运行,由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3,任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R,因此任务1一直被阻塞。极端情况下,任务1永远无法运行,处于饿死状态。
        解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。
               优先级继承协议
               L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议(Priority Inheritance Protocol,PIP)。
               PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用,而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是:当低优先级任务正在使用资源,高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时,低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别,保证低优先级任务继续使用当前资源,以尽快完成访问,尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行,从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中,继承了高优先级任务的优先级,所以该协议被称作优先级继承协议。
               由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时,优先级继承才会发生,在此之前,高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行,所以优先级继承协议不能防止死锁,而且阻塞是可以传递的,会形成链式阻塞。另外,优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下,一个需要μ个资源,并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min(μ,v)次。
               优先级冲顶协议
               J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议(Priority Ceiling Protocol,PCP)。
               PCP协议扩展了PIP协议,能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的,每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值,等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻,当前系统冲顶值(current priority ceiling)等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问,则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时,只有其优先级高于当前系统冲顶值,或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源,否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。
               已经证明,PCP协议的执行规则能防止死锁,但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞(Priority ceiling blocking)。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞,而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞(avoidance blocking),意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此,在PCP协议下,每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后,能静态分析和确定任务之间的资源竞争,计算出任务可能经历的最大阻塞时间,从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下,高优先级任务被阻塞时会放弃处理器,因此,访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。
 
       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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第27题    在手机中做本题