以太网技术和组网规范.ppt

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 1IEEE802 3以太网标准 IEEE802 3以太网标准的总体结构如图2 1所示 图2 1IEEE802 3以太网标准的总体结构 IEEE802 3以太网标准列表如表2 1所示 2 1 2CSMA 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 CDCSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection 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 CarrierSenseProtocol 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 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IEEE802 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 110M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 910BASE 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BNCT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 1010BASE 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 1110BASE 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 1210BASE FL的网络拓扑结构 10Broad3610Broad36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 1310Broad36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 2100Mbps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10Mbps或100Mbps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 14IEEE802 3u标准概览 100Base TX100Base 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100MHub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 FX100Base 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 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 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 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 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 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 31000Mbps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IEEE802 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 LX62 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 SX50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 CX1000Base 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 410Gbps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 1610G广域网帧结构比较 IEEE802 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 10G D 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10Gbit 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