（微电子学与固体电子学专业论文）基于8023以太网mac协议的研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文阐述基于i e e e 8 0 2 3 规范的以太网m a c 协议的实现。首先从理论上对 m a c 层协议作了介绍和分析，然后重点对协议各主要功能的实现进行了讨论，设 计以及功能的仿真。 设计过程采用自顶向下逐渐细分的方法，首先介绍了整个系统的内部结构 并将m a c 的基本功能分为数据帧接收、数据帧发送、流量控制这三大部分，给 出了它们之间的关系，再分别针对每个模块进行迸一步的细分，最后对各个模 块进行仿真来检查设计结果 本设计包含数据接收、数据发送、m a c 控制以及m a c 状态这四个模块：接收 模块实现前同步码及帧开始定界符的识别和地址校验功能；发送模块的实现主 要集中在c s m a c d 协议；m a c 控制模块负责控制帧的生成和处理；状态模块用于 记录m a c 操作过程中的状态数据。设计采用v e r i l o gi i ) l 语言对其进行描述。 使用x i l i n x 公司的i s e6 对设计结果进行综合，得到各个模块的r t l 电路图， 最后采用m o d e l s i ms e6 i f 工具进行仿真仿真时考虑了各种工作情况以得出 全面的验证结果。 除此之外本文还讨论了吉比特及l o 吉比特以太网技术及其m a c 层协议，为 进一步的研究提供了理论基础。 关键词：以太网m a c 层帧c s m a c d 全双工半双工m a c 控制p a u s e 帧 a b s t r a c t t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ee t h e m e tm a ci sb a s e do nt h ei e e es t a n d a r d8 0 2 3 t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ep r o t o c o l so fm e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e ra n dt h e n f o c u s e so nt h ed e s i g n ，r e a l i z a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h em a j o rf u n c t i o n si nt h e s e p r o t o c o l s t o p - d o w nd e s i g nm e t h o di su s e di nt h i sp r o j c c t t h ep r i m a r yf u n c t i o no fm a c i sd i v i d e di n t ot h r e eb l o c k s ，d a t ar e c e i v i n g , d a t at r a n s m i t i n ga n df l o wc o n t r o la n dt h e i n t e rb l o c k r e l a t i o n s h i pi sd e s c r i p t e d e a c hb l o c ki st h e ns u b - d i v i d e d a tt h ee n d ，t h e r e s u l ti sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n 1 1 i et o pm o d u l eh a sf o u rs u bm o d u s ；t h e ya r er e c e i v i n gm o d u l e t r a n s m i t t i n g m o d u l e , c o n t r o lm o d u l ea n ds t a t u sm o d u l e t h er e c e i v i n gm o d u l ed e a l sw i t ht h e d e t e c t i o no f p r e a m b l ea n dt h es f c a n dc h e c k st h ed e s t i n a t i o na d d r e s si nt h ei n c o m i n g f r a m e 1 1 l et r a n s m i t t i n gm o d u l ef o c u s e so nt h er e a l i z a t i o no ft h ec s m a c dp r o t o c 0 1 皿ec o n t r o lm o d u l ei si nc h a r g eo ft h ef l o wc o n t r o lw h e nt h em a ci s w o r k i n gi n f u l l d u p l e xm o d e t h cs t a t a sm o d u l es t o r e st h em a cs t a t a s v e r i l o gh d l i su s e df o r f u n c t i o n i n gd e s c r i p t i o n x i l i n xi s e6 0i su s e df o rs y n t h e s i sw h i l em o d e l s i ms e6 1 i su s e di nw a v e f o r ms i m u l a t i o n t h i sp a p e ra l s od e s c r i p e st h eg i g a - b i te t h e m e ta n d1 0g i g a - b i te t h e r n e t i tw i l l b et h eb a s eo ff u r t h e rr e s e a r c h ： k e yw o r d s ：e t h e m e t , m a cl a y e r , f r a m e ，c s m a c d ，f u l l d u p l e x ，h a l f - d u p l e x ， m a cc o n t r o l , p a u s ef r a m e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名；俞迂 埘7 年多月如e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：禽- 也 7 年多月。日 第1 章引言 1 1 研究的背景及意义 第1 章引言 自从1 9 8 2 年以太网协议被i e e e 采纳并成为标准以来，以太网技术可以说 是在众多网络技术中最有影响力的一种。在以太网出现的2 0 多年中，以太网技 术作为局域网链路层标准战胜了令牌总线、令牌环、w a n g n e t 、2 5 m a t m 等技术， 成为局域网标准。以太网技术当前在局域网范围市场占有率超过9 0 据统计， 目前全球8 5 的网络采用的是以太网技术，城域网已成为运营商间竞争的焦点。 随着以太网技术和标准的不断发展与完善，以太网技术已经走向成熟，可以为 用户提供不同o o s 的网络业务。无论作为局域网应用还是作为接入网技术，以 太网都在成为适应场合最多，应用面最广的网络技术 随着信息技术的快速发展，特别是i n t e r n e t 和多媒体技术的发展，网络 数据流量迅速增加，原有的1 0 m b p s 速率l a n 已难以满足通信要求，从而对更 高速率的l a n 产品提出了迫切需求，相继出现了百兆、千兆以及万兆速率的高 速以太网。以太网取得成功的主要因素包括良好的标准化、互通性、经济性和 易用性。如今，人们试图将以太网扩展到城域网甚至广域网，采用与口一致的 以太网帧结构，实现不同网络之间的无缝连接，而且中间不需要任何格式转换， 形成从局域网、接入网、城域网到广域网一致的以太网结构。 以太网技术主要集中在物理层和m a c 子层的实现上其中m a c 子层在传 统o s i 七层模型中属于数据链路层，负责上层数据和物理层比特流的封包和解 封，流量控制以及差错校验等一系列的功能【l i 相对于不同介质的物理层传输， m a c 层所要做出的改动相对较小，所以对m a c 层协议的研究有着重要的意义。 m a c 层协议的研究为众多基于以太网的接入技术提供了便利，也为在数据链路 层扩展以太网，实现多个局域网之间的通信打下了基础m a c 层协议在网桥、 交换机等工作在数据链路层的网络设备的设计和开发中也起了重要的作用。 1 2 国内外研究状况 以太网从最初出现时的1 0 m b p s 到现在的1 0 ( ；b p s ，在速度上有了很大的提升； 第1 章引言 工作模式也从半双工发展到了全双工，在提升速度的同时也打破了以往对传输 距离的限制，从而使得以太网技术从局域网向广域网发展成为了可能。 以太网技术规范由i e e e8 0 2 3 委员会制定。8 0 2 3 规范规定了以太网物理 层和m a c 层的众多标准。对于m a c 层来说，半双工模式下的c s m a c d 协议是8 0 2 3 的主要内容，然而随着技术的发展，8 0 2 3 标准也在不断更新，m a c 层也增添 了诸如流量控制，接口速度的设定等新功能。 以太网技术正朝着高速的方向发展，继1 0 0 m 之后，又提出了千兆和万兆以 太网的概念。以太网采用c s m a c d 机制，即带碰撞检测的载波监听多重访问。 千兆以太网接口基本应用在点到点线路，不再共享带宽。碰撞检测，载波监听 和多重访问己不再重要。千兆以太网与传统低速以太网最大的相似之处在于采 用相同的以太网帧结构。万兆以太网技术与千兆以太网类似，仍然保留了以太 网帧结构。通过不同的编码方式或波分复用提供l o g b i t s 传输速度。所以就其 本质而言，i o g 以太网仍是以太网的一种类型。1 0 g 以太网于2 0 0 2 年7 月在i e e e 通过。1 0 6 以太网包括i o g b a s e - - x 、1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e 一- 。l o g b a s e x 使 用一种特紧凑包装，含有1 个较简单的w d m 器件、4 个接收器和4 个在1 3 0 0 n m 波长附近以大约2 5 n m 为间隔工作的激光器，每一对发送器接收器在 3 1 2 5 6 b i t s 速度( 数据流速度为2 5 g b i t s ) 下工作。1 0 g b a s e r 是一种使用 6 4 b 6 6 b 编码( 不是在千兆以太网中所用的8 b l o b ) 的串行接口，数据流为 1 0 0 0 0 6 b i t s ，因而产生的时钟速率为1 0 3 g b i t s 。l o g b a s e 一- 是广域网接口， 与s o n e to c 一1 9 2 兼容，其时钟为9 9 5 3 g b i t s 数据流为9 。5 8 5 g b i t s 1 2 1 。 传输介质也从粗缆到双绞线到光纤发展。光纤接入网是采用光纤传输技术 的接入网，在本地交换局和用户之间全部或部分采用光纤传输，有别于光纤传 输系统。无源光网络( p o n ) 是发展较快的光纤接入网，而e p o n 利用p o n 的拓扑 结构实现以太网接入，比a p o n 提供了更高的带宽，更低的成本和更广的服务能 力，成为最新研究以及实现应用的热点。对于以太网技术而言，p o n 是一个新的 媒体。8 0 2 3 工作组定义了新的物理层，而对以太网姒c 及以上层则尽量做最小 的改动以支持新的应用和媒体。e p o n 的正式标准经由i e e e8 0 2 3 a hd r a f t 工作 组定义，已经于2 0 0 4 年六月正式发布。对8 0 2 3m a c 层协议的最大改动除了在 m a c 控制予层中添加了 i p c p ( 多点控制协议) 功能，还定义了m p c p 各个任务的操 作代码。 2 第1 章引言 1 3 设计目标和主要设计内容 1 3 1 设计目标 以太网技术主要集中在物理层和m a c 子层上，其中m a c 层协议是数据帧收 发处理的基础对于多种物理层传输只需要稍作修改便可适应，所以设计的目 标是实现基于i e e e 8 0 2 3 规范的m a c 层协议i p 核该协议的实现是以太网技术 的基础，根据实际情况对其进行添加、删除和修改后可以满足各种需求，具有 很大的灵活性。 1 3 2 主要设计内容 设计基于i e e e 8 0 2 3 m a c 层协议主要包括以下几个内容： 实现从物理层接收数据帧 实现将数据组装成帧发送给物理层 在半双工模式下实现c s 姒c d 协议 在全双工模式下实现p a u s e 帧的收发，进行流量控制 设计时采用v e r i l o gh d l 进行硬件描述，经由x i l i n xi s e 综合工具综合从 而得到r t l 电路图，最后用m o d e l s i ms e 对其进行仿真验证其正确性 本文还从理论上介绍了吉比特和1 0 吉比特以太网技术，对其姒c 层协议进 行了描述。 1 4 主要创新点 差错检验采用并行3 2 位c r c 校验，在普通的串行算法的基础上，通过迭 代的方法得出并行度为4 位的c r c 算法，提高了计算的速度 对多播s a c 地址的检验采用了h a s h 表的方法查找，以且的地址的c r c 校 验码高6 位作为关键字查找。 3 第2 章以太网发展历史及介绍 第2 章以太网发展历史及介绍 2 1 以太网发展历史 1 9 7 3 - 1 9 8 2 ：以太网的产生与o i l 联盟。1 9 7 3 年，x e r o x 公司提出并实现 了最初的以太网。d i x 联盟1 9 8 0 年9 月开发并发布了l o m b s 版的以太网标准。 与此同时i e e b 8 0 2 委员会被分成了几个工作组从事不同的l a n 技术研究。i e e e 8 0 2 3 研究基于以太网技术的标准，i e e e8 0 2 4 和8 0 2 5 工作组分别研究令牌 总线与令牌环技术。 1 9 8 2 - 1 9 9 0 ：l o 岫s 以太网发展成熟。1 9 8 3 年6 月，i e e e 标准委员会通 过了第一个8 0 2 3 标准。在8 0 年代后几年，在这项基本标准中又增加了中继器 规范并可支持细同轴电缆以及光纤等。i e e e 于1 9 9 0 年9 月通过了使用双绞线允 质的以太网( 1 0 b a s e t ) 标准，该标准很快成为办公自动化应用中首选的以太网 技术。 1 9 8 3 - 1 9 9 7 ：l i n 网桥接与交换。d e c 在8 0 年代初开发了第一个透明l a n 网桥，成为多个以太网互连的主流设备。结果1 9 9 0 年出现了i e e e8 0 2 i d 标准。 使用交换机后，实现了“全双工以太网”。1 9 9 5 年，i e e e8 0 2 3 委员会开始研 究全双工操作的标准，并在1 9 9 7 年通过了一项标准i e e e9 7 。 1 9 9 2 - 1 9 9 7 ：快速以太网。计算机性能和应用需求的增长，要求网络容量 也同时增长1 9 9 1 至1 9 9 2 年间，g r a n dj u n c t i o n 网络公司开发了一种高速以 太网，运行速度达到1 0 0 胁s 。随后提出了快速以太网标准。这也是从最初d i x 规范提出后的1 5 年里，以太网数据速率的第一次提升。 1 9 9 6 - 1 9 9 9 ：吉比特以太网。在快速以太网的官方标准提出后不到一年， 对千兆以太网的研究工作也开始了，这种网的速率可达到1 0 0 0 硼o s ，1 9 9 6 年 i e e e 8 0 2 3 成立了一个标准开发任务组，1 9 9 8 年完成并通过了标准i e e e9 8 。研 究工作又向支持桌面应用的双绞线千兆以太网技术方面拓展。 1 9 9 9 - 今：1 0 吉比特以太网。就在吉比特以太网标准通过不久，1 9 9 9 年3 月，i e e e 成立了高速研究组h s s 6 ( h i g hs p e e ds t u d yg r o u p ) ，其任务是致力 于1 0 吉比特以太网的研究。1 0 吉比特以太网标准由i e e e8 0 2 3 a e 委员会制定， 4 第2 章以太网发展历史及介绍 1 0 吉比特以太网的正式标准在2 0 0 2 年6 月完成。 2 2 高速以太网介绍 2 2 1i o o u 快速以太网 随着信息技术的快速发展，特别是i n t e r n e t 和多媒体技术的发展，网络数 据流量迅速增加，原有的l o m b p s 速率t a n 已难以满足通信要求，从而对更高速 率的l a n 产品提出了迫切需求。 1 9 9 3 年1 0 月以前，对于要求l o m b p s 以上数据流量的l a n 应用，只有光纤 分布式数据接口( f d d i ) 可供选择，它是种价格非常昂贵的、基于l o o m p b s 光缆的l a n 。 1 9 9 1 年8 月h o w a r dc h a r n e y 、l a r r yb i r e n b a u m 等成立了g r a n dj u n c t i o n 公司，并立即投入了1 0 0 m b p s 以太网的开发。1 9 9 3 年1 0 月，g r a n dj u n c t i o n 公司推出了世界上第一台快速以太网集线器f a s ts w i t c h1 0 1 0 0 和网络接口卡 f a s tn i c1 0 0 随后i n t e l 、s y n o p t i c s 、3 c o i l 、b a yn e t w o r k s 等公司亦相继推 出自己的快速以太网装置。与此同时，i e e e 8 0 2 工程组亦对l o o m b p s 以太网的各 种标准，如i o o b a s e - t x 、i o o b a s e - t 4 、m i i 、中继器、全双工等标准进行了研究 1 9 9 5 年3 月i e e e 宣布了i e e e 8 0 2 3 u 规范。开始了快速以太网的时代。 l o o m b p s 快速以太网的优缺点； 1 9 9 5 年3 月，i o o b a s e - - t 正式成为i e e e8 0 2 3 u 标准，它具有许多优点： 快速以太网标准得到众多著名网络厂商的支持。其中包括c i s c o 公司、 c a b l e t r o n 公司、b a yn e t w o r k s 公司、3 c o m 公司、i n t e l 公司等，以及众多的 中小型公司和o e m 厂商，用户可以得到更多的选择和更好的服务。 快速以太网集线器和网络接口卡和l o m b p s 以太网相比具有更高的性能价格 比。l o l o o m b p s 网络接口卡的价格仅比l o m b p s 网络接口卡贵一倍左右，但性能 确提高到了1 0 倍。1 0 1 0 0 集线器每端口价格比l o l b p s 集线器每端口价格贵两 倍左右并可望随着用户量的迅速增加进一步下降。 l o m b p s 以太网可以方便的升级为快速以太网，原有的i o m 型l a n 可以无缝 的连接到l o o m 型l a n 上，通过1 0 1 0 0 型集线器连接。这是其他新型网络技术 所无法比拟的。 5 第2 章以太网发展历史及介绍 快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3 、 4 、5 类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。 当然快速以太网也有它的不足： 快速以太网是基于载波侦听多路访问和冲突检测( c s 姒c d ) 技术的，当网络 负载较重时，会造成效率的降低，这可以使用交换技术来弥补。 1 0 0 m 快速以太网分类 1 0 0 b a s e - t x 1 0 0 b a s e l x 是一种使用5 类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太 网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使 用4 b 5 b 编码方式，信号频率为1 2 5 姗z 。符合e i a 5 8 6 的5 类布线标准和i 阴的 s p tl 类布线标准。使用同i o b a s e - t 相同的r j 一4 5 连接器。它的最大网段长度 为1 0 0 米。它支持全双工的数据传输。 i o o b a s e - f x i o o b a s e f x 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 ( 6 2 5 和1 2 5 u r n ) 。在传输中使用4 b 5 b 编码方式，信号频率为1 2 5 m i j z 。它使用 m i c f d d i 连接器、s t 连接器或s c 连接器。它的最大网段长度为1 5 0 m 、4 1 2 m 、 2 0 0 0 m 或更长至1 0 公里，这与所使用的光纤类型和工作模式有关。它支持全双 工的数据传输。i o o b a s e f x 特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或 高保密环境等情况下的适用。 1 0 0 b a s e - t 4 i o o b a s e - t 4 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。它使用4 对双绞线，3 对用于传送数据，1 对用于检测冲突信号。在传 输中使用8 b 6 t 编码方式，信号频率为2 5 m h z 。符合e i a 5 8 6 结构化布线标准。 使用同i o b a s e - t 相同的r 卜4 5 连接器。它的最大网段长度为1 0 0 米。 快速以太网的介质无关接口( m i d ： 介质无关接口是1 0 0 b a s e t 的l i a c 子层与不同物理层之间的电气接口，同 i o m 以太网的附属装置接口( a u i ) 的作用相似，介质无关接口型号是一种数字逻 辑信号。能驱动大约0 5 米的电缆。它使用4 0 针的连接器。 自动协商模式( a u t on e g o t i a ti o nm o d e ) ： 自动协商模式( a u t on e g o t i a t i o nm o d e ) 即n - w a y 技术，它建立在1 9 9 5 年2 月国家半导体公司的b i l lb u n c h 的论文“a ni n t r o d u c t i o nt o 6 第2 章以太网发展历史及介绍 a u t o - n e g o t i a t i o n ”的基础上在i e e e s 0 2 3 uf a s te t h e r n e t 规范中有详细的 说明。 具有自动协商模式的集线器和网络接口卡在上电后会定时发快速链路脉 冲( f l p ) 序列，该序列包含有半双工、全双工、i o m 、1 0 0 m 、t x 的信息，对方检 测相应的信息，并自动调节到双方均能接受的最佳模式上，这样，可以保证双 方能以可接受的最佳速率连接 自动协商模式( a u t on e g o t i a t i o nm o d e ) 可大大的简化局域网的管理。从而 减轻网络管理员的工作量。 快速以太网中继器( r e p e a t e r ) ： 中继器主要用于拓展网络的长度，它的功能为从一个端口接收数据信号， 然后将这些信号整形、放大，最后将之传送到其他端口上中继器不检测它所 传送的信号信息，仅仅是将不理想的信号再现为完美的信号由于它不检测冲 突( c o n f l i c t ) 。所以它不会增加网络的冲突域如果需要增加网络的冲突域，则 可以使用网桥，它具有信息包的过滤功能。 2 2 2 吉比特以太网 吉比特以太网是建立在以太网标准基础之上的技术吉比特以太网和大量 使用的以太网与快速以太网完全兼容，并利用了原以太网标准所规定的全都技 术规范，其中包括c s m a c d 协议、以太网帧、全双工、流量控制以及i e e e8 0 2 3 标准中所定义的管理对象【3 1 作为以太网的一个组成部分，吉比特以太网也支持 流量管理技术它保证在以太网上的服务质量，这些技术包括i e e e8 0 2 1 e 第 二层优先级、第三层优先级的q o s 编码位、特别服务和资源预留协议( r s v p ) 。 目前，吉i i 特以太网已经发展成为主流网络技术大到成千上万人的大型 企业，小到几1 卜人的中小型企业，在建设企业局域网时都会把吉比特以太网技 术作为首选的高- 速网络技术。吉比特以太网技术甚至正在取代a t m 技术，成为 城域网建设的主军 吉比特以太i i 标准为8 0 2 3 z ，主要有以下几个要点： ( 1 ) 在1 g b vs 的速率下支持半双工和全双工两种工作模式。 ( 2 ) 仍然使i ，l8 0 2 3 协议规定的帧格式。 ( 3 ) 在半双 l 骥式下使用c s m a c i ) 协议，全双工模式下不再使用该协议。 7 第2 章以太同发展历史及介绍 ( 4 ) 与l o b a s e - t 和l o o b a s e t 技术向后兼容。 吉比特以太网工作在半双工模式下时需要进行碰撞监测。由于传输速度提 高了，因此只有减小最大电缆长度或者增加最短帧长度，才能保证较高的效率。 如果将电缆长度减小到1 伽，则适用价值大大降低，而增大最短帧长度又会增加 开销。于是吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为1 0 0 m ，同时仍然保持 最小帧长为6 4 字节，将争用期扩大到5 1 2 字节，但是采用了“载波延伸”的办 法，即在帧长度不足5 1 2 字节时，在末尾添加些字符，使得m a c 帧的发送长 度达到5 1 2 字节，但对于有效载荷并不影响 4 1 。 接收端在收到经过载波延伸处理的帧后，需要将末尾的特殊字符删除后才 能向高层交付，这对于长度仅6 4 字节的短帧来说，多余的4 4 8 字节造成了很大 的开销，如果存在大量短帧的话，会严重影响到传输效率。因此，吉比特以太 网还增加了一种称为“分组突发”的技术，这就是当有许多短帧需要发送时， 除了第一个帧需要完全按照协议的要求进行载波延伸，其后的一些短帧则可以 直接发送，他们之间仅需要留有必须的最小帧问间隔就行这样处理的结果就 是形成了可以一串发送的分组，避免了每一个短帧都需要添加多余的载波延伸 字符，大大提高了效率。 当吉比特以太网采用全双工模式发送时，不使用载波延伸和分组突发。 吉比特以太网交换机可以直接与多个工作站相连，也可用作百兆以太网的 主干网，与百兆比特或吉比特以太网集线器连接，然后再和大型服务器连接在 一起，下图为一种常见的吉比特以太网配置； 图2 1 常见的吉比特以太网配置 8 第2 章以太网发展历史及介绍 2 2 31 0 吉比特以太网 l o g b i t s 以太网技术的研究始于1 9 9 9 年底，当时成立了i e e e 8 0 2 3 a e 工作 组，2 0 0 0 年方案成型并进行互操作性测试，2 0 0 2 年6 月由i e e e 正式发布了 l o g b i t s 以太网( i o g e ) 标准，这不仅使以太网协议族增加了新成员，并且从某 种角度上可以说是以太网技术的一次飞跃那么i o g e 技术又有何特点并且其应 用前景又是如何呢，下面做一简单介绍。 1 0 吉比特以太网技术背景 顾名思义，l o g b i t s 以太网脱胎于局域网事实标准一一以太网技术 ( 8 0 2 3 ) 以太网技术曾经与令牌总线( 8 0 2 4 ) 、令牌环( 8 0 2 5 ) 一起作为局域 网领域的三大技术标准，但由于以太网所具有的平滑升级、结构简单、管理方 便、造价低廉等特点使其脱颖而出，逐渐占据了技术的主流 以太网虽然在局域网应用中占绝对优势，但在很长一段时间中，人们普遍 认为以太网不能用于城域网，特别是汇聚层及骨干层。主要原因在于以太网用 作城域网骨干带宽太低，传输距离过短。当时城域网技术使用较多的是f d d i 和 o d b ，随后当a t m 技术成为热点后，大家都认为a t m 将成为统一局域网、城域网 和广域网的唯一技术。 目前最常见的是1 0 m b i t s 以太网及l o o m b i t s 以太网( 快速以太网) ，1 0 0 m 快速以太网作为城域骨干网带宽显然不够吉比特以太网的臼益广泛应用扩展 了以太网的用途，使以太网技术逐渐延伸到城域网的汇聚层，但吉比特以太网 通常用作将小区用户汇聚到城域p o p 点，或者将汇聚层设备连接到骨干层，在 当前l o f b i t s 以太网到用户的环境下，吉比特以太网链路作为汇聚已是勉强， 作为骨干则是力所不能及虽然以太网多链路聚合技术允许多个千兆链路捆绑 使用，但是考虑光纤资源及波长资源，链路捆绑一般只用在p o p 点内或者短距 离应用环境。 传输距离也是以太网技术无法作为城域数据网骨干汇聚层链路技术的一 大障碍。无论是i o m 、l o o m b i t s 还是吉比特以太网，由于信噪比、碰撞检测、 可用带宽等原因，5 类线传输距离都是l o o m 。使用光纤传输时距离限制由以太 网使用的主从同步机制所制约8 0 2 3 规定1 0 0 0 b a s e - s x 接口使用纤芯6 2 5 蛳 的多模光纤最长传输2 7 5 m ，使用纤芯5 0 1 | i z 的多模光纤最长传输5 5 0 m 使用纤芯 5 0 0 0 m 【”。最长传输5 k m 吉比恃以太网链路在城域范围内远远不够 9 第2 章以太两发展历史及介绍 由于原有以太网技术用于城域网骨干汇聚层所遇到的带宽及传输距离的 限制，并且由于以太网技术的突出优点，改进并扩展这一技术以适应新的要求 就成了一种迫切的要求，l o g e 技术就应运而生了。 虽然i o g e 技术建立在传统以大网技术的基础上，但作为一种高速以太网技 术，它相对原有的以太网技术还是有一些区别的。 从经典的o s i 网络层次模型上看，以太网属于第2 层协议。与1 0 0 0 b a s e x 和1 0 0 0 b a s e t 等前面几代以太网类似，i o g e 仍然属于以太网。与1 0 、1 0 0 和 1 0 0 0 m h i t s 以太网相同，i o g e 也使用i e e e 8 0 2 3 以太网m a c 协议和帧长度。 为了适应高带宽的要求和更长传输距离的要求，i o g e 对原来的以太网技术 也做了很大的改进，主要表现在物理层实现方式、帧格式和m a c 的工作速率及 适配策略方面。 i o g e 只在光纤上工作，并只能在全双工模式下操作，这意味着不必使用 c s g a c o 协议，因此它本身没有距离限制。它的优点是减少了网络的复杂性，兼 容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，同时有望降低系统费用，并提供更 快、更新的数据业务。 i o g e 可继续在局域网中使用，也可用于广域网中，而这两者之间工作环境 不同。不同的应用环境对于以太网各项指标的要求存在许多差异，针对这种情 况，人们制定了两种不同的物理介质标准。这两种物理层的共同点是共用一个 m a c 层，仅支持全双工，省略了c s m a c d 策略，采用光纤作为物理介质。 l o g b i t s 局域以太网物理层的特点是支持8 0 2 3 m t , c 全双工工作方式，允许 以太网复用设备同时携带1 0 路1 g b i t s 信号；帧格式与以太网的帧格式一致， 工作速率为l o g b i t s 。1 0 6 b i t s 局域网可用最小的代价升级现有的局域网，并 与1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b i t s 兼容，使局域网的网络范围最大达到4 0 k m 。 l o g b i t s 广域网物理层的特点是采用0 c 一1 9 2 c 帧格式在线路上传输，传输 速率为9 5 8 4 6 4 g b i t s ，所以1 0 6 b i t s 广域以太网m a c 层必须有速率匹配功能。 当物理介质采用单模光纤时，传输距离可达3 0 0 k m ：采用多模光纤时，可达4 0 k m 。 l o g b i t s 广域网物理层还可选择多种编码方式。 在帧格式方面，由于i o g e 是高速以太网，所以为了与以前的所有以太网兼 容，必须采用以太网的帧格式承载业务，为了达到l o g b i t s 的高速率，并实现 与骨干网无缝连接，在线路上采用0 c - 1 9 2 c 帧格式传输。这样就需要在物理子 层实现从以太网帧到0 c 一1 9 2 c 帧的映射功能。同时，由于以太网在设计时是面 第2 章以太网发展历史及介绍 向局域网的，网络管理较弱，传输距离短并且对物理线路没有任何保护措施， 所以当以太网作为广域网进行长距离高速传输时，必然导致线路信号频率和相 位较大的抖动而以太网的传输是异步的，在宿端实现同步比较困难。因此， 如果以太网帧在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。为此，对帧格 式进行了修改，添加长度域和h e c 域。 在局域网与广域网的速率适配方面，l o o b i t s 局域以太网和广域以太网物 埋层的速率不同。由于两种速率的物理层共用一个m a c 层，而m a c 层的工作速 率为1 0 g b i t s ，所以必须采取相应的调整策略。将l o g b i t s m i i 接口的传输速 率降低，使之与物理层的传输速率相匹配，这是i o g e 需要解决的问题。 1 0 6 e 作为新一代宽带技术，在接口类型及应用上提供了更为多样化的选择。 局域网p h l 、城域网p h y 及广域网嗍可以适用于不同的解决方案。 i o g e 在局域网、城域网、广域网不同的应用上提供了多样化的接口类型， 在局域网方面，针对数据中心或服务器群组的需要，可以提供多模光纤长达3 0 0 m 的支持距离，或针对大楼与大楼间园区网的需要提供单模光纤长达l o k m 的支 持距离。在城域网方面，可以提供1 5 5 0 n m 波长单模光纤长达4 0 k m 的支持距离。 在广域网方面，更可以提供0 c - 1 9 2 c 广域网p h y ，支持长达7 0 - 1 0 0 l ( n l 的连接 传统的i o g e 是一种“尽最大努力交付”的网络机翻，它强调的是用户接入 所实现的网络资源和信息的共享，而不提供带宽控制能力和支持实时业务的服 务保证，也不能提供故障定位、多用户共享节点和网络计费等但是，随着吉 比特以太网和i o g e 的出现，以及在光纤上直接架构吉比特以太网和i o g e 技术 的成熟，以太网可以走入城域网和广域网，提供“端到端”的网络服务保证 从速度来看，由最初的不到3 m b i t s 发展到今天的l o g b i t s ，以太网在3 0 年中得到了3 0 倍的成长。由于1 0 g e 基于以太网技术，因此它是目前唯一能够 从l o m b i t s 速度无缝扩展到l o g b i t s 速率的网络技术。 i o g e 技术基本上承袭过去的以太网、快速以太网及吉此特以太网技术，因 此在用户普及率、使用的方便性、网络的互操作性及简易性上都有很大的引进 优势。在升级到i o g e 解决方案时，用户不需担心既有的程序或服务是否会受到 影响，因此升级的风险是非常低的。这不仅在以往以太网升级到吉此特以太网 中得到了体现，f 司时在未来升级到i o g e ，甚至4 0 6 e 、i o o g e ，都将是一个明显 的优势。 由于1 0 g e 技术的突出优点，可以用来作为包含局域网、城域网和广域网( 使 1 1 第2 章以太两发展历史及介绍 用以太网作为端到端的第二层传输方法) 的网络体系结构的基础。在局域网中， 核心网络技术将提升到i o ( ；e ，能够在城域范围内工作的i o g e 也将成为一种发展 趋势。 i o g e 目前在网络架构方面的大部分应用主要利用了新技术的下列主要优 势。远程和扩展远程光纤连接；为高速应用提供的最佳链路利用率；为那些对 延迟非常敏感的应用提供的低延时；支持现有的以太网功能，例如q o s 、安全性、 多播、链路集中等。 i o g e 技术由于是过去以太网技术的延伸，因此在既有的网络市场上，尤其 是宽带需求较为迫切的几个市场上将会有较大的发挥空间，如宽带交换机与宽 带交换机、数据中心或服务器群组网络中作为宽带汇聚、城域网宽带汇聚层与 骨干层、宽带广域网、s o i p 或s a n ( 存储网络) 、高性能计算应用等互联市场领 域。 综上所述。i o g e 作为一种高速以太网络，不仅仅是简单的网络速度的提升， 并且为以太网的应用开拓了更为广阔的空间。 第3 章以太网m a c 协议 3 1 卧c 层的功能 第3 章以太网m a c 协议 l i a c 子层位于媒体相关的物理层与接入无关的逻辑链路层之间，它提供了一 个媒体无关的实现，在广播方式的局域网络中，它主要用于实现媒体接入的协 议，如我们熟悉的c s m a c d 协议 o s i 网络分层模型中的数据链路层在局域网中被分成逻辑链路层( l l c ) 和 媒体接入控制子层( m a c ) 【1 1 其中l l c 子层是与传输媒体无关的，无论采用何 种协议对于该层来说都是透明的，所以与接入到传输媒体有关的内容都被放在 了m a c 子层实现。m a c 层主要实现两大功能； a ) 数据的封装与解封( 用于数据发送和接收) 1 ) 帧定界与帧同步 2 ) 目的地址和源地址的处理 3 ) 差错检验，如c r c 校验 b ) 媒体接入管理 1 ) 媒体分配( 即冲突的避免) 2 ) 竞争处理( 即冲突的处理) 8 0 2 3 标准定义了两种m a c 层的模式，半双工与全双工： a ) 在半双工模式下，m a c 层采用c 觚c d 协议处理数据的发送与接收，同 一时间只能有一个方向上的数据传送， b ) 要实现全双工模式，必须满足3 个条件例； 1 ) 物理媒体必须支持无于扰的同时发送和接收数据。 2 ) 链接网段上不能有多于2 个的设备，即有数据传输的两个站点之间的传 输为点到点传输。 3 ) 相互通信的2 个设备都要支持全双工模式。 全双工模式下，由于同时可以有两个方向的数据传送，所以c s m a c d 协议 不再使用，同时传输媒体也要有同时双向传送的能力，如1 0 b a s e - t ， 1 0 b a s e - f l 。1 0 0 b a s e - t x f x 。 第3 章以太网m a c 协议 3 2m a c 帧格式 在数据链路层，数据以帧的形式传输。以太网采用的帧包括了前同步码 ( p r e a m b l e ) 、帧开始定界符( s f d ) 、目的地址、源地址、长度类型、数据、 校验( f c s ) 、扩展这几个字段【5 1 ，其结构如下图： 7 字节 1 字节 6 字节 6 字节 2 字节 - 1 5 0 哼节 哼节 前同步码( p r e a m b l e ) 帧开始标志符s f d ) 目的地址 源地址 长度类型 c 客户数据段 图3 1 以太网帧格式 帧的长度计算范围是从目的地址开始到校验序列之间的内容。 在发送和接收时，数据帧的字节顺序按照上图中从上到下传输；对于每一 个字段，比特传输的顺序为从左到右，从低位到高位。如图： 嘲 工二 丁二 二工卫m s b 一矿 上 图3 2 帧内比特发送顺序 眦c 帧各字段的含义： ( 1 ) 前同步码( p r e a m b l e ) 前同步码字段包含7 字节的数据，其作用是使物理层信号( p l s ) 稳定地与 接收帧时钟达成同步。一般该字段内容固定为l 和0 交错的序列，这种序列产 生稳定的方波波型，很容易同步。 ( 2 ) 帧开始定界符( s f d ) 1 4 第3 章以太网m a c 协议 板开始定界符字段为固定的1 0 1 0 1 0 1 1 字节，它紧接着前f 司步码字段，并且 与前同步码序列不同的是，它以连续的两个1 结尾，标志着一个帧的开始。在 设计接收模块时，如果检测到前同步码后遇到连续的两个l ，就可认为一个数据 帧的开始。 ( 3 ) 地址字段 每个m a c 帧都包括两个地址。目的地址和源地址目的地址为需要接收该 帧站点的m a c 地址，源地址为发送帧站点的i a a c 地址。 在i l a c 帧中使用的是硬件地址，又称为物理地址或姒c 地址该地址唯一 标识了网络上的一个站点。 8 0 2 3 标准规定了m a c 地址字段可以使用4 8 b i t 或者1 6 b i t 两种长度中的一 种，尽管对于一个小规模的局域网内的站点来说，1 6 b i t 的地址已经足够，但是 由于4 8 b i t 地址可以使全世界局域网上的站点都具有不同的地址，所以局域网 实际使用的都是4 8 b i t 的姒c 地址 i e