《工业通信与网络技术》第7章

1、哈工大网络与电气智能化研究所 工业工业通信与通信与网络网络技术技术1第第7章章以太网以太网以太网以太网，即，即Ethernet，美国，美国Xerox公司公司1975年为小型年为小型机研制的一个总线式局域网。机研制的一个总线式局域网。1980年年Xerox公司与公司与DEC和和Intel公司共同提出了第公司共同提出了第1个以太网规范。个以太网规范。为了紧跟商用局域网不断变化的要求，近年来，在为了紧跟商用局域网不断变化的要求，近年来，在发展过程中引入了很多发展过程中引入了很多新的策略新的策略。其中最重要的有：。其中最重要的有： 快速以太网和千兆位以太网快速以太网和千兆位以太网将将10Mbps的的C

2、SMA/CD升级，保留对现有系统的投资。升级，保留对现有系统的投资。 光纤通道光纤通道花费低且易于升级，可获得非常高的数据花费低且易于升级，可获得非常高的数据率。率。 高速无线局域网高速无线局域网近年来终于浮出水面。近年来终于浮出水面。哈工大网络与电气智能化研究所 2第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 31传统以太网传统以太网由由IEEE 802.3标准委员会开发。标准委员会开发。1.1IEEE 802.3媒体访问控制（媒体访问控制（MAC）第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 45图图 CSMA/CD工作原理工作原理1.1IEEE 802.3媒体访问控制（媒体访

3、问控制（MAC）IEEE 802.3使用一种称为使用一种称为二进制指数退避二进制指数退避的的坚坚持持算法：算法：当站点连续多次遇到冲突时，它仍然不断地试图当站点连续多次遇到冲突时，它仍然不断地试图进行重发。在前进行重发。在前1010次重传过程中，每次重传的随机时次重传过程中，每次重传的随机时延平均值会加倍。然后再做延平均值会加倍。然后再做6 6次尝试，此时的平均时延次尝试，此时的平均时延值保持不变。在值保持不变。在1616次不成功的尝试后，站点放弃传输次不成功的尝试后，站点放弃传输并报告有差错发生。并报告有差错发生。优点优点：在拥塞程度不断严重的情况下，逐渐增大：在拥塞程度不断严重的情况下，逐

4、渐增大退避量就可以减小冲突发生的概率。退避量就可以减小冲突发生的概率。缺点缺点：后进先出。：后进先出。第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 6：冲突将产生一个比正常传输电压更高的：冲突将产生一个比正常传输电压更高的摆动摆动。IEEE规定规定：如果传输方在分接头检测到信号值超过单独传输：如果传输方在分接头检测到信号值超过单独传输所能产生的所能产生的最大值最大值，就认为发生了，就认为发生了冲突冲突。问题来了问题来了：如果两个站点离得很远，接收方收到的信号衰：如果两个站点离得很远，接收方收到的信号衰减很多，合成信号强度可能无法超过门限值。减很多，合成信号强度可能无法超过门限值。办法办法

5、：IEEE限制电缆长度。限制电缆长度。l 10BASE5同轴电缆不同轴电缆不超过超过500 ml 10BASE2同轴电缆不超过同轴电缆不超过200 m：冲突检测基于逻辑而不是基于电压。对于任何：冲突检测基于逻辑而不是基于电压。对于任何集线器集线器，如果在超过一个的输入线路上检测到有功率信号，就，如果在超过一个的输入线路上检测到有功率信号，就认为发生了冲突。并把认为发生了冲突。并把“冲突出现冲突出现”信号发信号发到所有输入线上去到所有输入线上去，告知众节点。，告知众节点。交换机交换机：类推。：类推。第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 7IEEE 802.3MAC帧格式帧格式基础帧

6、基础帧Q标志帧标志帧包装帧包装帧第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 8IEEE 802.3定义的三种定义的三种MAC帧类型：帧类型：l 基础帧基础帧：最原始的帧格式：最原始的帧格式l Q标志帧标志帧：支持：支持802.1Q VLAN功能功能l 包装帧包装帧：允许在数据字段添加额外的前缀和后缀，：允许在数据字段添加额外的前缀和后缀，以满足高层封装协议的需求。以满足高层封装协议的需求。它们的区别在于它们的区别在于MAC客户数据字段内容的不同。客户数据字段内容的不同。1.2IEEE 802.3 10Mbps规约规约表示记法：表示记法：发送方式最大网段长度发送方式最大网段长度l 10B

7、ASE5l 10BASE2l 10BASE-Tl 10BASE-F第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 9注意注意：10BASE-T和和10BASE-F并不完全满足标准记法。并不完全满足标准记法。 “T”代表双绞线，而代表双绞线，而“F”代表光纤。代表光纤。第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 102高速以太网高速以太网2.1IEEE 802.3 100Mbps规约（规约（快速以太网快速以太网）被笼统地称为被笼统地称为100BASE-T。X：在结点间使用两条物理链路，一条传输，一条接收。：在结点间使用两条物理链路，一条传输，一条接收。4：在结点间使用：在结点间使用4

8、对双绞线，每次在一个方向上用对双绞线，每次在一个方向上用3对线。对线。第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 11全双工操作全双工操作传统以太网是传统以太网是半双工半双工的。的。要想要想全双工全双工，必须：，必须： 站点具有站点具有全双工适配卡全双工适配卡 星形结构的中点不能是一个简单的多端口转发器，必星形结构的中点不能是一个简单的多端口转发器，必须是一台具有须是一台具有交换功能交换功能的集线器。的集线器。仍然采用仍然采用802.3 MAC帧格式帧格式，执行，执行CSMA/CD算法，即算法，即便从来也不会检测到冲突便从来也不会检测到冲突。混合配置混合配置快速以太网方式的一个强项在于

9、它随时可以支持现存的快速以太网方式的一个强项在于它随时可以支持现存的10Mbps局域网和新出现的局域网和新出现的100Mbps局域网的混合配置。局域网的混合配置。第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 122.2 千兆位以太网千兆位以太网第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 13媒体接入层（媒体接入层（MAC）对对共享媒体集线器共享媒体集线器进行了两大改进：进行了两大改进： 载波扩充载波扩充在短在短MAC帧的末尾附加了一组特殊符号，帧的末尾附加了一组特殊符号，使每个数据块长度从使每个数据块长度从10Mbps及及100Mbps的最小的最小512个比个比特时间提高到至少特

10、时间提高到至少4096个比特时间。从而使传输相应帧个比特时间。从而使传输相应帧长度所需的时间超过长度所需的时间超过1Gbps下的传播时延。下的传播时延。 帧突发帧突发允许连续传输多个短帧，直至达到最大限度，允许连续传输多个短帧，直至达到最大限度，而无须在帧之间放弃对而无须在帧之间放弃对CSMA/CD的控制。帧突发能够的控制。帧突发能够避免当某个站有多个小帧要传输时，载波扩充所产生的避免当某个站有多个小帧要传输时，载波扩充所产生的额外开销。额外开销。交换集线器交换集线器：不需要载波扩充和帧：不需要载波扩充和帧突发，突发，因为站点的数因为站点的数据传输和接收可以同时进行，无须干预，也没有对共享媒体

11、据传输和接收可以同时进行，无须干预，也没有对共享媒体的争用的争用。第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 14千兆位以太网媒体选项（对数刻度）千兆位以太网媒体选项（对数刻度）第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 152.3 10Gbps以太网以太网对对10Gbps以太网的要求越来越迫切：以太网的要求越来越迫切： 连接的网络数量在增加连接的网络数量在增加 每个端站的连接速率在增加每个端站的连接速率在增加 带宽密集型应用的使用在增加，如高质量视频带宽密集型应用的使用在增加，如高质量视频 Web托管和应用托管的业务量在增加托管和应用托管的业务量在增加 10Gbps以太网前景

12、远超以太网前景远超ATM： 不需对以太网分组和不需对以太网分组和ATM信元进行转换信元进行转换 IP结合以太网可提供服务质量和通信量管制能力结合以太网可提供服务质量和通信量管制能力 已定义了多种的标准光端接口（波长和链路距离）已定义了多种的标准光端接口（波长和链路距离），用来优用来优化它的操作，并降低局域网、城域网和广域网应用的成本化它的操作，并降低局域网、城域网和广域网应用的成本第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 1610 Gbps以太网配置举例以太网配置举例第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 1710 Gbps以太网距离选项（对数刻度）以太网距离选项（对数刻

13、度）第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 182.4 100Gbps以太网以太网以太网的优势：以太网的优势： 最受欢迎的有线局域网络技术最受欢迎的有线局域网络技术 将无线技术桥接进本地网络的首选载体将无线技术桥接进本地网络的首选载体 价格合理、可靠且兼容性好价格合理、可靠且兼容性好100Gbps以太网的市场推动力：以太网的市场推动力： 数据中心因特网媒体提供者数据中心因特网媒体提供者 城域网城域网 - 视频服务提供者视频服务提供者 企业局域网企业局域网 因特网交换因特网交换ISP核心路由的选择核心路由的选择第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 19海量刀片式服务器机

14、房的海量刀片式服务器机房的100 Gbps以太网配置举例以太网配置举例第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 202007年，年，IEEE 802.3授权成立授权成立IEEE 802.3ba 40Gbps和和100Gbps以太网特别任务组，以太网特别任务组， IEEE 802.3ba标准于标准于2010年完年完成。它使用多通道分发技术获取需要的速度。成。它使用多通道分发技术获取需要的速度。多通道分发多通道分发为了容纳为了容纳40Gbps和和100Gbps这样的高数据率，端站与以这样的高数据率，端站与以太网交换机之间的物理链路或两台交换机之间的物理链路要太网交换机之间的物理链路或两台

15、交换机之间的物理链路要以以多条并行通道多条并行通道来实现。来实现。比如：比如： 节点之间的四条并行双绞线链路节点之间的四条并行双绞线链路 光纤链路上的波分复用光纤链路上的波分复用虚通道虚通道在物理媒体附件在物理媒体附件(PMA)子层上定义虚通道；虚通道与实子层上定义虚通道；虚通道与实际通道数不一致时，由物理媒体相关际通道数不一致时，由物理媒体相关(PMD)子层分发。子层分发。第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 21100Gbps以太网的多通道分发以太网的多通道分发第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 22用户数据流使用用户数据流使用64B/66B编码，利用简单轮询

16、机制，以编码，利用简单轮询机制，以66比特为一个字，将用户数据一次一个字地分发到各个虚通道比特为一个字，将用户数据一次一个字地分发到各个虚通道中中。每个虚通道会被定期地插入一个独特的每个虚通道会被定期地插入一个独特的66比特对齐块。比特对齐块。这个对齐块用来对虚通道进行标识和重新排序，从而重新构这个对齐块用来对虚通道进行标识和重新排序，从而重新构造数据流。造数据流。物理通道使用比特级复用技术发送虚通道中的通信量。物理通道使用比特级复用技术发送虚通道中的通信量。虚通道数量必须是物理通道数的整数倍。虚通道数量必须是物理通道数的整数倍。对齐块，由对齐块，由8个单字节字段再加上前缀的两比特同步字段个单

17、字节字段再加上前缀的两比特同步字段（值为（值为10）组成。）组成。Frm字段包含了固定的组帧模式，这个模字段包含了固定的组帧模式，这个模式对所有虚通道都是一样的，它被接收器用来定位这个对齐式对所有虚通道都是一样的，它被接收器用来定位这个对齐块。块。VL#字段包含的模式对虚通道而言是唯一的：其中一个字段包含的模式对虚通道而言是唯一的：其中一个字段是另一个字段的二进制取反。字段是另一个字段的二进制取反。第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 23媒体选择媒体选择缩略语缩略语：铜：铜：K=背板；背板；C =电缆组件电缆组件光纤：光纤：S=短距离短距离(100m); L=长距离长距离(10

18、km); E=加长距离加长距离(40 km)编码机制：编码机制：R = 64B/66B块编码块编码末尾数字：通道数量（铜缆数或光纤波长）末尾数字：通道数量（铜缆数或光纤波长）第第7章章以太网以太网哈工大网络与电气智能化研究所 243IEEE 802.1QVLAN标准标准VLAN：即即虚拟局域网虚拟局域网，是一个从管理上配置的广播域，是一个从管理上配置的广播域，由连接到局域网上的终端的一个子集构成。由连接到局域网上的终端的一个子集构成。l VLAN并不局限于一台并不局限于一台交换机交换机l 支持的交换机之间通信须指明支持的交换机之间通信须指明VLAN成员关系成员关系l 802.1Q规定通过插入携带规定通过插入携带VID（VLAN标识符）的标识符）的TCI标签实现标签实现TCI：即即标标签控制信签控制信息息，通过，通过802.3 MAC帧帧长度长度/类型类型字段字段设置为设置为0 x8100指明。指明。TCI两字节，含三部分