以太网技术和组网规范.ppt

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1、局域网技术与局域网组建,第2章以太网技术和组网规范,本章主要内容：以太网基础 以太网模块和功能 各种类型的以太网,2.1 以太网基础 2.1.1 IEEE 802.3以太网标准,IEEE 802.3以太网标准的总体结构如图2-1所示。,图2-1 IEEE 802.3以太网标准的总体结构,IEEE 802.3以太网标准列表如表2-1所示。,2.1.2 CSMA/CD机制 信号的广播（广播域）MAC地址与定址 冲突,图2-2 信号广播,图2-3 碰撞（冲突）,冲突域,图2-4 冲突域,CSMA/CD CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision D

2、etection）称载波侦听多路访问/冲突检测。在局域网中，一个站点在发送数据前，首先侦听网络上是否存在载波（即检测是否有其他站点正在发送数据），这就叫载波侦听协议（Carrier Sense Protocol）。CSMA/CD协议是对ALOHA协议（一种基于地面无线广播通信而创建、适用于无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统）的改进，CSMA/CD保证在侦听到信道忙时不再有新站点开始发送数据；而且任一站点在检测到冲突时就立即取消传送，以太网采用的是CSMA/CD协议。以太网就是以CSMA/CD的方式来进行媒体访问控制，其目的就是为了避免冲突。网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与

3、接收。,2.1.3 以太网的帧结构,PA（前导码）：在定界符之前发送，以使信号电路达到稳定的同步状态。PA为持续7个字节的10101010比特信号。SFD（帧定界符）：它表示有效帧的开始，其代码为10101011，只有一个字节。DA，SA（目的地址，源地址）：均为6字节，48位，DA可以是一个唯一的地址，即单址表示单个站，多址代表一组站，全地址代表局域网上所有的站。当目的地址出现多址时，即表示该帧被一组站同时接收，称“组播”。当目的地址出现全地址时，即表示该帧被局域网上所有站同时接收，称“广播”。SA说明的是发送该帧站的地址。,对IEEE802.3帧结构来说，此2字节表示长度：指出紧跟其后的数

4、据字段有多少字节。它受最小帧长度的限制，即最少必须有46字节，若不到，则用填充符进行填充到46字节。对以太网帧结构来说，这两个字节表示类型：它说明了高层所使用的协议，例如IP或IPX。若该字段大于或等于0600H(相当于十进制的1536)，则认为是以太网帧的类型字段，从而识别出网络层分组是哪一种协议，并做相应处理；若小于0600H，则认为是IEEE8023帧的长度字段，辨别长度是否正确，再进行处理。DATA（数据区）：要传送的实际数据，受最小帧长度的限制。通常在46字节到1500字节之间。46字节最小帧长度是一个限制，目的是要求局域网上所有的站都能检测到该帧，即保证网络正常工作。如果高层协议的

5、分组使数据段小于46个字节，则由有关软件把DATA填充到46字节最小长度。FCS（帧校验序列）：占4字节，是32位冗余检验码（CRC），检验范围除前导码、SFD和FCS以外的所有帧的内容，即从DA开始至DATA完毕的CRC检验结果都反映在FCS中。,2.2 以太网模块和功能 2.2.1 以太网层次结构,以太网层次结构主要对应于OSI层次结构中的数据链路层和物理层。其层次结构如图2-5所示。,图2-5 以太网层次结构,数据链路层的功能有：提供一个或多个SAP；发送时将数据组装成带MAC地址和差错检测的帧，进行同步、定界及透明传输；接收时拆卸帧，执行MAC地址识别（寻址）和差错检测；管理链路上的通

6、信，进行流量控制，差错控制。局域网的数据链路层与传统的OSI中数据链路层也有区别：局域网链路支持多重访问，支持成组地址和广播；支持MAC介质访问控制功能；提供某些网络层的功能，如网络服务访问点SAP、多路复用、流量控制、差错控制。MAC子层功能：成帧/拆帧；实现、维护MAC协议；位差错检测，寻址等。,LLC子层功能：向高层提供SAP（服务访问点）；建立/释放逻辑连接；差错控制；帧序号处理；提供某些网络层功能等。LLC子层提供三种类型的操作：不确认的无连接服务；面向连接服务；带确认的无连接服务。物理层的功能为：信号的编码/译码。前导码（同步码）的生成/删除。信号对应的比特流的发送/接收。,2.2

7、.2 以太网功能模块 IEEE 802.3的体系结构与功能模块如图2-6所示。,图2-6 以太网体系结构与功能模块,总体功能 编码译码模块 收发器,2.2.3 网卡的工作过程,网卡的分类 按照数据链路层控制来分，有以太网卡、令牌环网卡、ATM网卡等，它们在数据链路控制、寻址、帧结构等方面不同。按照物理层来分，有无线网卡、RJ-45网卡、同轴电缆网卡、光缆网卡等各种媒体（也称介质）。以太网采用CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)控制技术。在OSI七层协议中主要定义了物理层和数据链路层的工作方式。二者之间有标准的接口(例如MII，GMII等)来传递数据和控制。以太网网卡包括OSI模型中的物

8、理层和数据链路层。物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口MII。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。,以太网卡中数据链路层的芯片简称为MAC控制器，物理层的芯片简称为PHY。网卡的逻辑结构如图2-8所示。,图2-8 以太网卡的逻辑结构,微处理器和CSMA/CD链路控制 曼彻斯特编译码器 发送和发送控制部分 接收和接收控制部分 PHY和MAC之间如何沟通,2.3 各种类型的以太网 2.3.1 10M以太网,10Base-5规范标准 10Base-5以太网使用粗

9、同轴电缆。每个网段的最大传输距离为500米，每段最多站点数100个，网段内两站点间距离不小于2.5米，网络最大跨距2500米，通过中继器能连五个网段。10BASE-5的网络拓扑结构如图2-9所示。,图2-5 以太网层次结构,图2-9 10BASE-5的网络拓扑结构,10Base-2规范标准 10Base-2以太网使用细同轴电缆和单根总线的拓扑结构。最大干线段长度是185米（607英尺）；使用BNC T型连结器将电缆与网卡相连；最多只能使用4个中继器连结5个干线段，只有其中三个段允许使用工作站，另两个用于扩展距离。最大网络干线长度是925米（3，018英尺）。一个干线上的节点数不应超过30。中继

10、器，桥接器、路由器和服务器都算作节点。网络所有段上的节点总数不能超过1024个。干线段的每个结束端都要设置一个终接器，其中的一个应接地。,图2-10 10BASE-2的网络拓扑结构,10Base-T规范标准 10Base-T以太网使用双绞线电缆和星形拓扑结构，如图2-11所示。以10Mbps的速率发送数据。使用直径为0.4到0.6mm的用3型、4型或5型非屏蔽双绞线；网络中任何两个工作站之间的数据通路最多个Hub；电缆末端使用RJ45插座，1针和2针是“发送”，3针和6针是“接收”。每对交叉相连以使发送器的一端连到接收器的另一端；收发器到集线器的距离不能超过100米（328英尺）；一个集线器可

11、以连接多个工作站；不用桥接器时一个网上至多可有1024个工作站。,图2-11 10BASE-T的网络拓扑结构,10BASE-F规范标准 10BASE-F使用双工光缆(双股多模或单模光纤)，一条光缆用于发送，另一条用于接收，625/125um直径的多模光缆大多用在10BAS-F中以传送 LED的红外光，接口卡多采用ST连接器。有3种规范：10BASE-FL、10BASE-FB、10BASE-FP。10BASE-FL光缆链路段的长度可达2000米，可用来连接二块网络接口卡、或二个中继器、或一块网络接口卡和一个转发器或二个交换机。10BASE-FB光缆链路最长可达2000米，可用来连接一个中继器。1

12、0BASE-FP网段的长度可达500米，最多可连接33台计算机。10BASE-FL的网络拓扑结构如图2-12所示。,图2-12 10BASE-FL的网络拓扑结构,10Broad36 10Broad36 指的是使用75宽带同轴电缆，拓扑结构为树形，用于宽带局域网，遵循10Mbit/s基带以太网规范。10Broad36的网络拓扑结构如图2-13所示。,图2-13 10Broad36的网络拓扑结构,10Mbps以太网之间的比较 对10Mbps以太网各种的规范指标进行比较，列在表2.4中。,100Mbps以太网,构成100BaseT网络物理连接的主要部件包括以下几种：传输媒体（也称网络介质）：100B

13、ASE-T 标准允许包括四个不同的物理层规范，第一个物理层规范支持2对5类UTP或1类STP，第二个物理层规范支持4对3/4/5类UTP，第三个物理层规范支持单模或多模光缆，第四个物理层规范支持2对3/4/5类UTP。100BASE-T根据使用物理层传输媒体的不同类型，分为100BaseTX、100BaseT4、100BaseFX和100BaseT2四种。媒体相关接口（MDI，介质有关接口）：MDI是一种位于传输媒体和物理层设备之间的机械和电气接口。物理层设备（PHY）：PHY提供10 Mbps或100 Mbps操作，可以是一组集成电路，也可以作为外部独立设备使用，通过MII电缆与网络设备上的

14、MII端口连接。媒体无关接口（MII，介质无关接口）：100BASE-T还包括介质无关接口MII规范，它是今天的AUI的100Mbps版，MII是MAC与PHY之间的接口，并允许外接收发器。,表2.5将100BASE-T/F快速以太网与10BASE-T/FL之间进行性能比较。,图2-14提供了IEE802.3u的四个不同的标准概要图，从此图中可以看出，四种类型的快速以太网的MAC层，MII层都相同，只有PHY层及网络介质层不同。,图2-14 IEEE 802.3u标准概览,100Base-TX 100Base-TX：使用两对（即1-2、3-6两对）5类非屏蔽双绞线或1类屏蔽双绞线，一对用于发送

15、数据，另一对用于接收数据；在传输中使用4B/5B编码方式，以125MHz的串行数据流来传送数据；使用MLT-3（多电平传输-3）波形法来降低信号频率到125/3=41.6MHz；支持全双工的数据传输；使用同10BASE-T相同的RJ-45连接器；采用EIA568标准化布线方法，各计算机通过墙座连入网中；最大网段长度为100m；在100BaseTX网络中，只允许对2个100M Hub进行级联，并且两个Hub之间的连接长度不能超过5m。与10BaseT网络一样，工作站与集线器之间的距离不能超过100m（最长媒体段）。因此，100BaseTX网络的最大长度为205m（跨距）；100Base-TX使1

16、00Base-T中使用最广的物理层规范。,100Base-FX 100Base-FX：是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模光纤(62.5和125um)；在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz；连接器可以是MIC/FDDI 连接器、ST连接器或廉价的SC连接器；最大网段长度根据连接方式不同而变化，可以是150m、412m、2000m或更长至10公里，例如：中继器网段长度一般为150m，对于多模光纤的交换机-交换机连接或交换机-网卡连接最大允许长度为412m，如果是全双工链路，则可达到2000m。单模光缆可达10公里；100Base-FX主要用于高速主干网，或跨楼宇间的

17、连接，或远距离连接，或有强电气干扰的环境，或要求较高安全保密链接的环境。,100Base-T4100Base-T4：是一种可使用3、4、5类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。专为3类音频布线而设计的；它使用4对（即1-2、3-6、4-5、7-8四对线）双绞线，3对用于同时传送数据，1对用于冲突检测时的接收信道，信号频率为25MHz，可以使用数据级3、4或5类非屏蔽双绞线，也可使用音频级3类线缆；由于没有专用的发送或接收线路，所以100Base-T4不能进行全双工操作；使用同10BASE-T相同的RJ-45连接器，最大网段长度为100m，符合EIA586结构化布线标准；100base-T

18、4采用比曼彻斯特编码法高级的多的8B/6T编码法；100BaseT4的缺点是：一要求使用4对3类以上的UTP，但早期的UTP却只提供了两对线；二参与数据传输的3对线只能同时接收或者发送数据，而无法实现全双工通信。,100Base-T2100Base-T2：随着数字信号处理技术和集成电路技术的发展，只用2对3类UTP线就可以传送100Mbps的数据，因而针对100Base-T4不能实现全双工的缺点，IEEE开始制定100Base-T2标准。100Base-T2 采用2对音频或数据级3、4或5类UTP电缆，一对用于发送数据，另一对用于接收数据，可实现全双工操作；采用RJ45连接器，最长网段为 10

19、0m，符合EIA568布线标准；采用名为PAM5X5(PAM表示“脉冲幅度调制”)的5电平编码方案。,自动协商模式 自动协商模式：在100Base-T问世以后，在以太网RJ-45连接器上可能出现的信号可能是5种以上不同的以太网信号（10Base-T、10Base-T全双工、100Base-TX、100Base-TX全双工或100Base-T4）中的任一种。为了简化管理，IEEE推出了Nway（IEEE自动协商模式），它能使集线器和网卡知道线路另一端能有的速度，把速度自动调节到线路两端能达到的最高速度（优先的顺序为：100Base-T2全双工、100Base-T2、100Base-TX全双工、1

20、00Base-T4、100Base-TX、100Base-T全双工、10Base-T）。这是增强型的10Base-T链路一体化信号方法，并与链路一体化反向兼容。,几种快速以太网之间的比较 表2.6列出了几种快速以太网之间的性能比较,2.3.3 1000Mbps以太网,1997年2月3日，IEEE确定了千兆以太网的核心技术，1998年6月正式通过千兆以太网标准IEEE802.3z，1999年6月，正式批准IEEE 802.3ab标准(即1000Base-T)，把双绞线用于千兆以太网中。千兆以太网标准的制定基础是：以1Gbs的速率进行半双工、全双工操作；使用8023以太网帧格式；使用CSMACD访

21、问方式；与10BASE-T、10BASE-T技术的地址向后兼容。图2-15列出了千兆以太网模块结构图，并按不同的模块列举了其网络介质。,图2-15 千兆以太网模块结构,1000Base-LX 62.5微米多模光纤，在全双工模式下，传输距离为550米。9微米单模光纤，传输距离为5千米左右。1000Base-SX 50微米多模光纤，在全双工模式下，传输距离为550米。62.5微米多模光纤，在全双工模式下，传输距离为330米。1000Base-CX 1000Base-T 表2.7列出了四种类型的千兆以太网之间的性能比较,2.3.4 10Gbps以太网,工作在光纤介质上的10G以太网，采用全双工模式，

22、不仅用于局域网、还应用于城域网和广域网领域。IEEE802.3ae万兆以太网最主要的特点包括：保留802.3以太网的帧格式；保留802.3以太网的最大帧长和最小帧长；只使用全双工工作方式，彻底改变了传统以太网的半双工的广播工作方式；主要使用光纤作为传输媒体(而不使用铜线)；使用点对点链路，支持星形结构的局域网；数据传输率非常高，不直接和端用户相连；建立了新的光物理媒体相关(PMD)子层。,10G以太网针对局域网和广域网两种不同的应用，做了不同的修改和调整，具体有：定义了两种物理层，分别用于局域网和广域网；针对广域网，修改了以太网MAC帧格式；针对广域网，使10G以太网和SDH的速率适配。10G

23、局域网物理层特点：支持IEEE802.3MAC全双工方式；MAC时钟可以选择1G或者10G方式，允许以太网复用设备同时携带10路1G信号；帧格式与传统以太网的帧格式相同，工作速率为10Gb/s。10G局域网可从现有的局域网以最小的代价升级，并与传统以太网的10/100/1000Mb/s速率兼容，使局域网的传输范围最高可达40公里。,10G广域网物理层的特点：当物理介质采用单模光纤时，传输距离可达300km；采用多模光纤时，传输距离可达40km。10G广域网物理层可选择多种编码方式：8B/10B编码；新的编码策略MB810；使用一个扰码多项式；使用两个扰码多项式。10G广域网帧格式如图2-16所

24、示。,图2-16 10G广域网帧结构比较,IEEE 802.3ae标准 波长为1310um的单模光纤，最大传输距离为10km；波长为1550um的单模光纤，最大传输距离为40km；波长为1310um 的WWDM多模光纤，最大传输距离为300m；波长为850um的多模光纤，最大传输距离为10km。和三个PCS（物理编码）子层，分别是：8B/10B编码、64B/66B编码、64B/66B+WIS编码。10G以太网包括10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W三种标准。,IEEE802.3ak标准 IEEE802.3ak/10GBASE-CX4于2004年2月获得批准，该标准可以在5

25、0英尺长的同轴电缆上达到万兆的传输速率，可满足配线柜内的高速互联线路的带宽需要，或数据中心中服务器的聚集，或布线室和数据中心的连接，是一个用于短距离连接铜缆布线的低成本万兆解决方案。10GBase-CX4使用802.3ae中定义的XAUI(万兆附加单元接口，10GD型15针接口AUI端口)和用于InfiniBand中的4X连接器，使用双轴电缆通过4个通道（使用4台发送器和4台接收器）传输万兆数据，并以差分方式运行在同轴电缆上，每台设备利用8B/10B编码，以每信道3.125GHz的波特率传送2.5Gbps的数据，在每条电缆组共8条双同轴信道的每个方向上有4组差分线缆对。使用预校正和接收器均衡技

26、术增加信号强度，补偿高频传送数据中的信号损失。,IEEE802.3an标准 IEEE802.3an/10GBASE-T标准于2004年8月确定，与已使用光纤的10GBASE-LR和使用4对双芯同轴电缆的10GBASE-CX4相比，10GBASE-T更具优越性。优于10GBASE-LR方案的是不必使用光通信调制器，因而降低了成本；优于10GBASE-CX4的是最大传输距离可达到100m，而10GBASE-CX4仅为15m。IEEE802.3an/10GBASE-T标准要求能用双绞线铜缆实现最大传输距离100m的10G bit/秒的传输速率。IEEE802.3an工作组认为，不能采用目前广泛使用的5类线和5e类线，使用6类线的最大传输距离可为55m至100m，使用7类线时，最大传输距离为100m。目前，要达到10GBASE-T规格，还存在许多技术问题，最重要的问题是可供使用的频率不足，另外还有：占用的频带；码传送率；调制方式；通信距离；迟延；检错/纠错方法；消耗功率；串扰等诸多技术难题。这些技术难题有待于日后进一步解决。,