第2章以太网技术和组网规范

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,人民邮电出版社,全国十一五规划教材,38,编著：斯桃枝等,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,以太网标准的总体结构如图,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 Detection,）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。,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,IEEE802,3,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。,2.2.2,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,RJ,45,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。,10BASE-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。,2.3.2,100Mbps,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）：,100BASE-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,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,100Base-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-T4,100Base-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-T4,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-T2,100Base-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,100m,，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。连接器，最长网段为,100m,，符合,EIA568,布线标准；,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、,100Base-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,1Gb,s,的速率进行半双工、全双工操作；,使用,802,3,以太网帧格式；,使用,CSMA,CD,访问方式；,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,流量控制,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，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,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,50,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。,