LanMan_C05_以太网

1、第五章第五章 以太网以太网通信学院通信学院 韦云凯韦云凯局域网与城域网LanMan 2016YKW UESTC第第5章章 以太网以太网v 5.1 概述概述v 5.2 IEEE 802.3标准标准v 5.3 CSMA协议原理协议原理v 5.4 MAC的结构与服务的结构与服务v 5.5 MAC帧结构帧结构v 5.6 802.3的的MAC层层v 5.7 物理层系统结构物理层系统结构v 5.8 PHY规范规范v 5.9 小结与参考资料小结与参考资料LanMan 2016YKW UESTC5.1 概述历史概述历史v 以太网发展的故事：丑小鸭变成美丽的天鹅以太网发展的故事：丑小鸭变成美丽的天鹅v 70年代

2、的以太网：被认为是年代的以太网：被认为是 技术简单粗糙、性能低下，用于非关键应用场合v 当今的以太网：正是一支独秀当今的以太网：正是一支独秀 几乎独占有线局域网络，几乎垄断了园区网 正在进军城域网、接入网、甚至广域网 进入工业网络（性能要求）和家庭网络（成本要求）v 以太网的发展以太网的发展 得益于持续的技术进步和技术变革 得益于简单、开放、标准化， 得益于规模经济LanMan 2016YKW UESTC5.1 概述以太网的诞生概述以太网的诞生vALTO ALOHA首次运行首次运行 1973/05/22，Xerox/PARC Palo Alto Research Center Bob Metc

3、alf & David Boggsv以太网命名以太网命名 当天 Metcalf备忘录改名为Ethernetv以太网的诞生以太网的诞生 1973年5月22日，鲍勃麦特卡夫LanMan 2016YKW UESTC5.1 概述以太网的发展概述以太网的发展v 十兆位以太网十兆位以太网1981年，从粗缆、细缆，到双绞线产品v 百兆位以太网百兆位以太网1995年，包括双绞线、短距离光纤产品v 千兆位以太网千兆位以太网1998年，包括中短距离光纤、双绞线产品v 万兆位以太网万兆位以太网2002年，包括局域网和广域网光纤产品v 交换式以太网交换式以太网以太网从共享网络走向交换式网络v 以太接入网以太接入网20

4、04年，供电信运营商采用v 以太城域网以太城域网21世纪至今v 产品的持续发展高速推动了以太网的进步产品的持续发展高速推动了以太网的进步LanMan 2016YKW UESTC5.1 概述今日的以太网概述今日的以太网v 今日以太网今日以太网 在局域网领域一枝独秀 是局域网链路级的主导技术 在园区级网络几乎一统天下 延伸到了家庭网络和工业领域 已经走向接入网与城域网 电信级以太网 运营级以太网（PBB/PBT） 正在向广域网发展LanMan 2016YKW UESTC5.2 IEEE 802.3标准标准v 5.2.1以太网标准的发展以太网标准的发展v 5.2.2 现行标准现行标准v 5.2.3

5、基本标准基本标准v 5.2.4 增补标准增补标准v 5.2.5 标准演进图标准演进图LanMan 2016YKW UESTC5.2.1以太网标准的发展以太网标准的发展v DIX：早期标准：早期标准 DEC/Intel/Xerox标准：灵活但不权威 DIX Ethernet DIX Ethernet： v1.0-1980、v2.0-1982 曾经流行一时v IEEE 802.3：当今标准：当今标准 IEEE Std 802.3 2015 经过20多年的发展，已经成为当前的权威标准LanMan 2016YKW UESTC5.2.2 802.3基本标准基本标准v基本标准基本标准 IEEE Std 8

6、02.3 - 1985 IEEE 802.3标准草案：1982年12月 Xerox专利转移IEEE，802.3成为以太网的同义词 IEEE Std 802.3 - 2002 802.3 1998 Edition，802.3 2000 Edition 权威、灵活、简约 IEEE Std 802.3 - 2005 IEEE Std 802.3 - 2008 2008：Sep.26、Dec.26 IEEE Std 802.3-2012 IEEE Std 802.3-2015LanMan 2016YKW UESTC5.2.3 802.3增补标准：增补标准：PHYv 以太网进步中引人注目的发展以太网进步

7、中引人注目的发展v 十兆位以太网十兆位以太网802.3 1985 含10BASE-5 10BASE-T802.3i - 1990v 百兆位以太网百兆位以太网802.3u 1995 含100BASE-TXv 千兆位以太网千兆位以太网802.3z - 1998 1000BASE-T802.3ab - 1999v 万兆位以太网万兆位以太网802.3ae - 2002 10GBASE-T802.3an 2006 10GBASE-LRM 802.3aq 2006 背板以太网802.3ap 2007 Ethernet Operation over Electrical BackplanesLanMan 2

8、016YKW UESTC5.2.3 802.3增补标准：其他增补标准：其他v 以太网进步中影响深刻的发展以太网进步中影响深刻的发展v 802.3x - 1997 Full Duplex Operation & Flow Controlv 802.3ac - 1998 Frame Extensions for VLAN Tagging on 802.3 Networksv 802.3ad - 2000 Aggregation of Multiple Link Segmentsv 802.3af - 2003 DTE Power via MDI, ( PoE )v 802.3ah - 2004 S

9、ubscriber access networksv 802.3as - 2006 Frame format extensionsLanMan 2016YKW UESTC5.3 CSMA协议原理协议原理v 5.3.1 从从ALOHA到到CSMAv 5.3.2 CSMA协议中的坚持策略协议中的坚持策略v 5.3.3 冲突的监测与退避冲突的监测与退避v 5.3.4 CSMA协议的性能协议的性能v 5.3.5 CSMA算法小结算法小结LanMan 2016YKW UESTC5.3 MAC协议原理协议原理v MAC协议：协议：Media Access Control 介质访问控制、介质接入控制 提供M

10、AC机制、协调多站点的同时接入信道 有效使用共享信道之必须v 典型的典型的MAC机制：轮转、预约、争用机制：轮转、预约、争用 轮转：重载公平性好 典型协议是轮询和令牌环 争用：轻载访问时延短 典型协议是CSMA系列 预约： 适用于长时延信道，或中心控制的异信道收发 典型协议：预约ALOHA、Cable Modem、802.16LanMan 2016YKW UESTC5.3.1 从从ALOHA到到CSMAv ALOHA协议协议 最早的一种随机访问技术，1970年开始运行 随机访问：异步分配机制，动态访问 为分组无线电（Packet Radio ）网络设计 协议非常简单：想说就说、超时重发 基本机

11、制？ 信道利用率不高 纯ALOHA协议效率最高仅：18.4% 时隙ALOHA协议的效率最高可达：36.8% 全网同步增大了实现难度 协议机制非常简单但可用于任何共享介质传输环境LanMan 2016YKW UESTC5.3.1 从从ALOHA到到CSMAv CSMA：载波侦听多路访问：载波侦听多路访问 carrier sense multiple accessv 基本思路：基本思路：先听后发先听后发 站点希望发送时则对信道进行侦听 如果：信道空闲，则立即启动发送 否则，信道忙：则推迟到信道空闲后启动发送v 有效侦听的前提：有效侦听的前提： 信号传播时间远小于数据帧传输时间LanMan 2016

12、YKW UESTC5.3.1 从从ALOHA到到CSMAv 根据根据“听与说听与说”可以分争用型协议为三类可以分争用型协议为三类 LAT: Listen After Talking 说了再听，典型协议： ALOHA LBT: Listen Before Talking 先听后说，典型协议/CSMA，前提是可侦听 LWT: Listen While Talking 边说边听，典型协议：CSMA/CD 带冲突检测的CSMA协议v 以太网的以太网的MAC协议：协议：CSMA/CDLanMan 2016YKW UESTC5.3.2 CSMA协议中的坚持策略协议中的坚持策略v CSMA协议中需进一步避免

13、冲突协议中需进一步避免冲突 忙闲变更点：访问冲突高发区 基本思路：在信道的忙闲变更点坚持发送的概率ABCD产生数据产生数据产生数据产生数据产生数据产生数据冲突冲突冲突冲突冲突冲突LanMan 2016YKW UESTC5.3.2 CSMA协议中的坚持策略协议中的坚持策略v 0坚持坚持 在忙闲变更点的发送概率为0。 在变更点不坚持发送，也被称为非坚持型 算法简单，重负载性能较好，低负载信道利用率低ABCD产生数据产生数据产生数据产生数据产生数据产生数据后退后退后退，忙，再次后退后退，忙，再次后退后退，忙，再次后退后退，忙，再次后退LanMan 2016YKW UESTC5.3.2 CSMA协议中

14、的坚持策略协议中的坚持策略v 1坚持坚持 在忙闲变更点的发送为概率1 CSMA协议在信道的忙闲变更点坚持发送 轻载时性能不错，但在重载时冲突急剧增加v p坚持坚持 在忙闲变更点的发送概率为p 在变更点以概率p发送、以概率1-p推迟发送 典型的p坚持CSMA协议只能用于时隙式CSMA 合适P值选取困难 可根据不同的负载选取不同的P值， 最大程度的提高信道的利用率和提高吞吐率v 站点的访问意识：谦让、进取、折中站点的访问意识：谦让、进取、折中LanMan 2016YKW UESTC5.3.3 冲突的监测与退避冲突的监测与退避v CSMA协议面临的问题协议面临的问题 发前先听，一定程度减少了冲突可能

15、性 但是一旦开始发送，站点就置冲突于不顾 即使冲突已经产生，站点也一直发送完一帧 此时，发送的全是无用信号，完全是浪费资源v 协议改进思路：协议改进思路： 不能一旦发送则不顾一切，以免冲突不断 冲突检测：包括冲突监测与冲突强化 冲突退避：随机后退重发，避免冲突加剧LanMan 2016YKW UESTC5.3.3 CSMA中的冲突检测中的冲突检测v CSMA/CD：带冲突检测的：带冲突检测的CSMA算法算法 CSMA w. collision detectionv 基本思想基本思想 在 CSMA的基础上，各站使用冲突检测的能力 发送前侦听信道，发送初期一直检测信道 需要侦听的坚持时段：冲突窗口

16、 如果未检测到冲突，则完整发送一帧 如果检测到冲突，立即终止本次发送 不必发送完本帧，尽快释放信道 冲突强化：发送冲突码，通告全网LanMan 2016YKW UESTC5.3.3 CSMA中的冲突退避中的冲突退避v 冲突退避：冲突退避：CSMA协议中一个重要的辅助算法协议中一个重要的辅助算法 随机后退（backoff），避免冲突的高概率发生v 共享信道上的冲突共享信道上的冲突 多个站点同时或几乎同时在同一共享信道上发送形成冲突 同时：工程上通常是同一小时隙，一个很短的时间段v 冲突化解机制冲突化解机制 将集中在一个小时隙的发送分散(均匀分布)到多个小时隙 下降每个小时隙中的发送企图，降低冲突

17、产生的概率v 后退区间逐次加大后退区间逐次加大 若冲突再次发生甚至多次发生 则逐次加大随机后退的区间，继续减小小时隙上的发送率 这种冲突退避算法是逐步化解冲突的有效机制LanMan 2016YKW UESTC5.3.3 CSMA中的冲突退避中的冲突退避v 随机后退算法应当具备的特点随机后退算法应当具备的特点 每一站点选取的均匀分布随机后退时间相互独立 各站点的重发后退时间叠加后仍然呈现均匀分布的特性 方可减小各站点重发再次产生碰撞的概率 若重发再次引发冲突，则需加大后退区间 意味着同时等待发送的站点还是太多 应当使随机分布的区间的长度随重发次数的增加而增加 降低等待站点的分布密度以减少再次碰撞

18、的概率v 随机退避算法随机退避算法 显著化解了1坚持算法中的冲突 也可有效用于：0坚持算法与p坚持算法v 以太网中的以太网中的CSMA/CD协议协议 采用随机后退逐次加倍的重发策略，避免重发冲突大量增长LanMan 2016YKW UESTC5.3.4 CSMA协议的性能协议的性能v MAC协议性能的定量分析是协议性能的定量分析是MAC协议研究的重要内容协议研究的重要内容 通常可以采用测量、仿真和解析三种方法v 测量法测量法 通过对目标网络的测量来获取网络的性能 优点：测量结果具有针对目标的真实性 缺点：建立测量环境代价高昂 通常用于网络已经建立的环境，对网络优化十分有用v 仿真法仿真法 使用

19、仿真工具来模拟目标网络模型的行为并预测其性能 软件仿真或半实物仿真 优点：使用工具而无需实际网络环境，易调整模型以匹配目标网络 缺点：仿真结果取决于模型参数，仿真性能值远不如测量值准确 通常用于网络建立之前的性能分析LanMan 2016YKW UESTC5.3.4 CSMA协议的性能协议的性能v 解析法解析法 建立表征协议性能的解析式，并用之分析网络性能 优点：若解析模型确实可完全表示协议则解析结果十分精确 缺点：一个复杂协议的精确解析关系几乎都是不可能建立的 通常用于协议研究初期分析，是协议的理论分析的通常作法 通过一些合理的近似和假设，根据排队论的理论建立简化的解析式v 解析法的通常假设

20、：解析法的通常假设： 信道上的发送站数量无限多且相互独立 信道上各个数据帧的比特率与长度均相同 各数据源的发送 相互独立，满足泊松分布，任何时候都只有一帧待发LanMan 2016YKW UESTC5.3.4 CSMA协议的性能协议的性能v MAC协议的性能协议的性能 可以用多种指标表征v 协议的性能分析协议的性能分析 可以是更为多种的关系表达式v G-S图：最常见的性能图图：最常见的性能图v G：网络承载负载：网络承载负载 单位时间内启动发送的归一化总数据率 包括成功、失败与重发的发送v S：网络有效吞吐量：网络有效吞吐量 单位时间内成功传输的归一化总数据率LanMan 2016YKW UE

21、STC5.3.4 CSMA协议的性能协议的性能v MAC协议性能：协议性能： ALOHA与与CSMA族族 G S图：网络承载负载网络有效吞吐量LanMan 2016YKW UESTC5.3.4 CSMA协议的性能协议的性能v MAC协议性能：纯协议性能：纯 ALOHA与时隙与时隙ALOHA G S图：网络承载负载网络有效吞吐量LanMan 2016YKW UESTC5.3.4 CSMA协议的性能协议的性能v MAC协议性能：协议性能： p坚持坚持CSMA G S图：网络承载负载网络有效吞吐量LanMan 2016YKW UESTC5.4 MAC的结构与服务的结构与服务v 5.4.1 MAC子层

22、系统结构子层系统结构v 5.4.2 MAC服务服务v 5.4.3 MAC控制服务控制服务LanMan 2016YKW UESTC5.4.1 MAC子层系统结构子层系统结构v 802.3的的MAC子层结子层结构构 802.3规范包括：规范包括： MAC子层、物理层子层、物理层 可选：可选：MAC控制子层控制子层 MAC控制的功能控制的功能 实时控制实时控制MAC子层运行子层运行 MAC控制的透明性控制的透明性 对对MAC基本运行透明基本运行透明 透传透传MAC基本原语基本原语 MAC客户对之不察觉客户对之不察觉v 以太网的层次结构以太网的层次结构 Fig.31-1, 802.3-2005MAC控

23、制子层控制子层（可选）（可选）LanMan 2016YKW UESTC5.4.2 MAC服务服务vMAC服务原语服务原语 Fig. 2-1, IEEE 802.3asLanMan 2016YKW UESTC5.4.2 MAC服务服务v CSMA/CD MAC子层的服务原语子层的服务原语 基本服务原语、两个，必须提供基本服务原语、两个，必须提供 请求原语请求原语 MA_DATA.request ( DA, SA, MSDU, FCS ) 指示原语指示原语 MA_DATA.indication ( DA, SA, MSDU, FCS ,RecStatus ) 注意：服务类型是无连接模式无确认服务注

24、意：服务类型是无连接模式无确认服务LanMan 2016YKW UESTC5.4.3 MAC控制服务控制服务v MAC控制子层支持的层间服务接口控制子层支持的层间服务接口 Fig. 31-2, IEEE 802.3asLanMan 2016YKW UESTC5.4.3 MAC控制服务控制服务v MAC控制子层向上提供两类服务控制子层向上提供两类服务 原有：原有：MAC基本原语、透明传递基本原语、透明传递 新增：新增：MAC控制原语控制原语v 基本原语的透明传递基本原语的透明传递 MCF: MA_DATA.request 透传为：透传为：MAC:MA_DATA.request MCF: MA_D

25、ATA.indication 透传：透传：MAC: MA_DATA.indication而产生而产生LanMan 2016YKW UESTC5.4.3 MAC控制服务控制服务v MAC控制原语控制原语 MA_CONTROL.request （DA, opcode, request_operand_list） SA不是请求原语的参数 MA_CONTROL.indication （opcode, indication_operand_list） DA/SA都不是指示原语的参数 注意：帧格式中仍然是DA/SA双地址段LanMan 2016YKW UESTC5.5 MAC帧结构帧结构v 5.5.1 以

26、太网分组以太网分组v 5.5.2 MAC帧帧v 5.5.3 MAC控制帧控制帧v 5.5.4 帧结构演变对帧结构演变对IP的支持的支持v 5.5.5 小结小结LanMan 2016YKW UESTC5.5.1 以太网分组以太网分组v以太网分组以太网分组（Ethernet packet） 分组是：以太网在介质上收发的数据单元分组是：以太网在介质上收发的数据单元 体现了以太网：体现了以太网：“基于分组基于分组”的通信机制的通信机制 分组中封装了分组中封装了MAC帧帧 分组元素：分组元素： 前导（前导（preamble）：）：7八位组，用于物理层的电路同步八位组，用于物理层的电路同步 帧起始定界符：

27、帧起始定界符：1八位组、八位组、10101011，界定，界定MAC帧起始帧起始 SFD: Start Frame Delimiter 扩展：仅用于扩展：仅用于1000Mbit/s半双工模式半双工模式LanMan 2016YKW UESTC5.5.3 MAC帧帧v新标准（新标准（802.3as）定义了三类）定义了三类MAC帧帧 basic frame：基本帧：基本帧 无标帧：不允许附加标志无标帧：不允许附加标志 Q-tagged frame：Q加标帧加标帧 MAC帧含特定类型值，参见帧含特定类型值，参见IEEE 802.1Q envelope frame：套封帧：套封帧 仅用于封装的高层协议的附

28、加前缀仅用于封装的高层协议的附加前缀/后缀后缀 高层协议：运营商网桥（高层协议：运营商网桥（PBB）、）、MAC安全、安全、MPLS，v802.3-2008起纳入基本标准定义起纳入基本标准定义LanMan 2016YKW UESTC5.5.3 MAC帧帧v MAC帧：三类帧均使用相同的帧格式帧：三类帧均使用相同的帧格式v 三类帧的最大帧长与客户数据长度如下表三类帧的最大帧长与客户数据长度如下表LanMan 2016YKW UESTC5.5.3 MAC帧帧vMAC帧格式如下帧格式如下vMAC帧中的字段：帧中的字段： DA/ SA ：目的地址：目的地址/源地址，源地址，6八位组（八位组（48比特）

29、比特） 早期版本也允许早期版本也允许16比特地址比特地址 Len/Typ：长度：长度/类型，类型，2八位组八位组 MAC客户数据：任意的客户数据客户数据：任意的客户数据 填充：当客户数据过短时，适当填充以保持最短填充：当客户数据过短时，适当填充以保持最短帧长帧长 FCS：帧校验序列，由：帧校验序列，由CRC-32多项式生成多项式生成LanMan 2016YKW UESTC5.5.3 MAC帧帧v 长度长度/类型（类型（Length/Type ）字段）字段 段长：段长：2八位组八位组 字段取值不同而成为两种描述符之一字段取值不同而成为两种描述符之一 字段值不重叠，因而含义互斥字段值不重叠，因而含

30、义互斥 值值1500（0 x05DC）：长度描述符）：长度描述符 指示本基本帧中指示本基本帧中MAC客户数据字段长度客户数据字段长度 值值1536（0 x0600）：类型描述符）：类型描述符 指示帧承载的指示帧承载的MAC客户协议类型客户协议类型LanMan 2016YKW UESTC5.5.3 MAC帧帧v已经定义的以太类型值如下已经定义的以太类型值如下 0 x05DCLength 0 x0800IPv4 0 x0806ARP 0 x8035RARP 0 x814CSNMP 0 x86DDIPv6 0 x8808MAC控制帧 0 x880BPPP 0 x8E88EAPoLLanMan 201

31、6YKW UESTC5.5.4 MAC控制帧控制帧v MAC数据帧数据帧 在在MAC子层与子层与MAC客户之间传递客户之间传递 MAC控制子层控制子层“透传透传”这些这些MAC帧帧v MAC控制帧控制帧 MAC控制子层中的特定功能控制子层中的特定功能 由由MAC控制子层实体本身处理控制子层实体本身处理 典型典型MAC控制帧控制帧 暂停帧、暂停帧、EPON控制帧控制帧LanMan 2016YKW UESTC5.5.4 MAC控制帧控制帧v MAC控制帧格式如下控制帧格式如下v MAC帧中的字段：帧中的字段： DA/ SA ：6八位组，目的地址八位组，目的地址/源地址源地址 Len/Type：2八

32、位组，控制帧类型值八位组，控制帧类型值=0 x8808 MAC控制操作码：控制操作码：2八位组，指示八位组，指示MAC控制功能控制功能 MAC控制参数：控制参数列表，长度取决于操作码控制参数：控制参数列表，长度取决于操作码 填充：适当填充以保持最短帧长填充：适当填充以保持最短帧长 FCS：帧校验序列，由：帧校验序列，由CRC-32多项式生成多项式生成DASALen/TypMAC控制控制操作码操作码MAC控制控制参数参数填充填充FCSLanMan 2016YKW UESTC5.5.4 MAC控制帧控制帧v 暂停帧格式如下暂停帧格式如下v 字段值说明：字段值说明： DA：01-80-C2-00-0

33、0-01，暂停功能、全球分配组播地址，暂停功能、全球分配组播地址 SA ：请求暂停的：请求暂停的48比特源地址比特源地址 类型：类型：0 x8808，控制帧类型值，控制帧类型值 操作码：操作码：00-01，“PAUSE”，暂停功能操作码，暂停功能操作码 操作数：操作数： 0-65535，暂停请求值，以，暂停请求值，以512比特时长为单位比特时长为单位 填充：适当填充以保持最短帧长填充：适当填充以保持最短帧长 FCS：帧校验序列，由：帧校验序列，由CRC-32多项式生成多项式生成DASA控制类型控制类型暂停暂停暂停暂停操作码操作码暂停暂停操作数操作数填充填充FCSLanMan 2016YKW U

34、ESTC5.5.5 帧结构演变对帧结构演变对IP的支持的支持v MAC帧结构是以太网的核心技术之一帧结构是以太网的核心技术之一 帧结构的重要性作用越来越得到共识帧结构的重要性作用越来越得到共识 是是802.3标准演进的重要内容标准演进的重要内容 帧结构演进的重点：帧结构演进的重点： IP承载的支持、多重加封承载的支持、多重加封v MAC帧对承载帧对承载IP分组的支持分组的支持 802.3-1985 必须配合必须配合LLC使用，承载使用，承载IP十分繁杂十分繁杂 802.3-2002 恢复恢复Ethernet 的思路，灵活、实用、简约的思路，灵活、实用、简约LanMan 2016YKW UEST

35、C5.5.5 帧结构演变对帧结构演变对IP的支持的支持v85版帧格式版帧格式 IEEE 802.3-1985 PR/SFD/DA/SA/Len/LLCdata/pad/FCS 面向面向LLC提供服务提供服务 能，并且只能承载能，并且只能承载LLC PDU数据长度：数据长度：461500 八位组八位组6264DASAFCSPR SFD17帧长：帧长：641518八位组八位组CRC校验范围校验范围LenLLC DataPadv 02版定义了两种帧格式版定义了两种帧格式 基本MAC帧格式：见下图 扩展MAC帧格式：用于含QTag前缀的帧Len/TypMAC Client DataPad6264DA

36、SAFCSPRSFD17帧长度帧长度：641518八位组八位组校验范围校验范围数据长度：数据长度：461500八位组八位组LanMan 2016YKW UESTC5.5.5 帧结构演变对帧结构演变对IP的支持的支持LanMan 2016YKW UESTC5.5.5 帧结构演变对帧结构演变对IP的支持的支持v 基本基本MAC帧格式帧格式 02版沿用了98编辑版以来的重要改动 长度段 长度/类型段 LLC数据 MAC客户数据 帧格式改变的重要意义 802.3的MAC帧中，可以封装各种数据 只要在Type字段说明即可 MAC可以无需LLC，直接为N层提供服务！ IP over Ethernet，IP

37、 over 802.3LanMan 2016YKW UESTC5.5.5 帧结构演变对帧结构演变对IP的支持的支持v85版帧格式的版帧格式的IP承载承载 85版版MAC帧中只能封装帧中只能封装LLC PDU（IEEE 802.2） LLC PDU中再封装中再封装SNAP( RFC 1042 )报文报文 Sub-Network Access Protocol SNAP报文中再封装报文中再封装IP分组分组 多重加封的格式：多重加封的格式： MAC首部首部+ LLC首部首部 + SNAP首部首部LanMan 2016YKW UESTC5.5.5 帧结构演变对帧结构演变对IP的支持的支持v 两种帧结构

38、的两种帧结构的IP承载承载 如右图所示如右图所示v 85版：版： Len是单一字段是单一字段 MAC帧只能封装帧只能封装LLC PDU LLC PDU中封装中封装SNAP报文报文 SNAP报文中封装报文中封装IP分组分组v 02版：版： Len/Typ是双含义字段是双含义字段 Typ=0800 指示：指示：MAC帧承载帧承载IP分组分组IP (IETF RFC 894)SNAP (IETF RFC 1042)LLC (IEEE 802.2)MAC (IEEE 802.3-1985)PHY (IEEE 802.3)IP (IETF RFC 894)MAC (IEEE 802.3-2002)PHY

39、 (IEEE 802.3)LanMan 2016YKW UESTC5.5.6 小结小结v以太网以太网MAC帧的当前标准帧的当前标准 IEEE Std 802.3 20012：vMAC演变的主要影响演变的主要影响 IP承载的支持承载的支持 多重加封的支持多重加封的支持 IEEE std 802.1Q-2005 IEEE std 802.1ad-2005 IEEE std 802.1ah-2008vMAC帧在帧在802.3标准中已经越来越重要标准中已经越来越重要LanMan 2016YKW UESTC5.6 802.3的的MAC层层v IEEE 802.3中的中的MAC协议协议 CSMA/CD算法

40、的增强与合理算法的增强与合理 增强：一系列辅助算法增强：一系列辅助算法 保证可靠检测冲突保证可靠检测冲突 冲突检测与强化冲突检测与强化 一旦冲突发生，如何尽量避免冲突扩大化？一旦冲突发生，如何尽量避免冲突扩大化？ 二进制指数增长随机后退二进制指数增长随机后退 合理：多个适当的参数合理：多个适当的参数 站点发送后还需要继续侦听多长时间，等等站点发送后还需要继续侦听多长时间，等等LanMan 2016YKW UESTC5.6 802.3的的MAC层层v 5.6.1 MAC层的功能层的功能v 5.6.2 CSMA/CD的运行的运行v 5.6.3 访问的一致性访问的一致性v 5.6.4 冲突检测与冲突

41、通告冲突检测与冲突通告v 5.6.5 随机退避与重发随机退避与重发v 5.6.6 系统参数值系统参数值v 5.6.7 全双工模式全双工模式LanMan 2016YKW UESTC5.6.1 MAC层的功能层的功能v IEEE 802.3标准中的标准中的MAC子层子层 定义了介质无关的设施定义了介质无关的设施 建立在介质相关的物理设施之上建立在介质相关的物理设施之上 物理设施由物理层提供物理设施由物理层提供 位于访问层无关的高层之下位于访问层无关的高层之下 LLC子层或其他子层或其他MAC客户客户 使用使用CSMA/CD的共享介质访问控制方法的共享介质访问控制方法 基本功能是：数据封装与介质访问

42、管理基本功能是：数据封装与介质访问管理 MAC子层之上可以有任选的子层之上可以有任选的MAC控制子层控制子层LanMan 2016YKW UESTC5.6.1 MAC层的功能层的功能v 两个主要功能，执行两个主要功能，执行DL控制规程控制规程v 数据封装：收发过程的加拆封数据封装：收发过程的加拆封 成帧：帧定界与帧同步成帧：帧定界与帧同步 编址：处理源地址与目的地址编址：处理源地址与目的地址 差错检测：检测物理介质的传输差错差错检测：检测物理介质的传输差错v 介质访问管理介质访问管理 介质的分配：避免冲突的发生介质的分配：避免冲突的发生 争用的解决：冲突产生后的处理争用的解决：冲突产生后的处理

43、LanMan 2016YKW UESTC5.6.1 MAC层的功能层的功能v MAC子层的运行模式子层的运行模式 802.3标准提供两种截然不同的运行模式标准提供两种截然不同的运行模式 modes of operation 从从1998编辑版开始提供编辑版开始提供 半双工模式（半双工模式（half duplex ） 使用使用CSMA/CD算法竞争使用共享的物理介质算法竞争使用共享的物理介质 介质上的多站点、广播通信介质上的多站点、广播通信 全双工模式（全双工模式（full duplex） 独占使用物理介质，完全无需独占使用物理介质，完全无需CSMA/CD算法算法 介质上的全双工信道、两个站点独

44、享介质上的全双工信道、两个站点独享LanMan 2016YKW UESTC5.6.2 CSMA/CD的运行的运行v 5.6.2.1 CSMA/CD算法要点算法要点v 5.6.2.2 无争用发送无争用发送v 5.6.2.3 无争用接收无争用接收v 5.6.2.4 访问受扰与恢复访问受扰与恢复LanMan 2016YKW UESTC5.6.2.1 CSMA/CD算法要点算法要点v802.3中的算法要点为：中的算法要点为： 1坚持坚持CSMA/CD算法算法 1坚持：及时利用信道空闲传送，减小时延坚持：及时利用信道空闲传送，减小时延 注意：网络重负载时，注意：网络重负载时，1坚持算法冲突严重坚持算法冲

45、突严重 CD：及时检测到冲突而停止发送，减少冲突可能性：及时检测到冲突而停止发送，减少冲突可能性 冲突强化机制冲突强化机制 检测到冲突立即发送相当长度的冲突强化信号检测到冲突立即发送相当长度的冲突强化信号 让网络上其它站可靠检测冲突让网络上其它站可靠检测冲突 二进制指数增长随机后退二进制指数增长随机后退 发生冲突，各站点随机后退后启动重发，避开再次冲突发生冲突，各站点随机后退后启动重发，避开再次冲突 二进制指数增长：每次冲突、退避时间段加倍二进制指数增长：每次冲突、退避时间段加倍 多次冲突时减少冲突概率，在信道高负荷时也不易堵塞多次冲突时减少冲突概率，在信道高负荷时也不易堵塞LanMan 20

46、16YKW UESTC5.6.2.2 无争用发送无争用发送v 无争用发送过程无争用发送过程 发送站监听载波侦听信号发送站监听载波侦听信号 “载波载波”仅仅是一种术语沿用仅仅是一种术语沿用 介质访问发送管理（部件）可能推迟递交流量介质访问发送管理（部件）可能推迟递交流量 以力图避免与其他流量争用介质以力图避免与其他流量争用介质 如果介质空闲（如果介质空闲（clear） 等待短暂的帧间延迟后启动帧发送等待短暂的帧间延迟后启动帧发送 为其它为其它MAC子层和物理介质提供恢复时间子层和物理介质提供恢复时间 MAC子层向物理层提供串行位流供发送子层向物理层提供串行位流供发送 物理层生成介质上的电信号、载

47、波侦听信号物理层生成介质上的电信号、载波侦听信号LanMan 2016YKW UESTC5.6.2.3 无争用接收无争用接收v 无争用接收是典型的数据链路接收过程无争用接收是典型的数据链路接收过程v 帧接收帧接收 物理层物理层 用收到的前缀同步，并打开接收数据有效信号用收到的前缀同步，并打开接收数据有效信号 编码位转换成二进制数据递交编码位转换成二进制数据递交MAC层层 MAC层层 接收比特流，丢弃前导比特（前缀及接收比特流，丢弃前导比特（前缀及SFD） 接收数据有效信号移去时完成帧接收并递交拆封接收数据有效信号移去时完成帧接收并递交拆封v 数据拆封数据拆封 核对核对DA决定是否应当接收决定是

48、否应当接收 分拆帧中各数据段和相应状态码递交分拆帧中各数据段和相应状态码递交MAC客户客户 有效帧检查：有效帧检查：FCS、八位组边界、八位组边界LanMan 2016YKW UESTC5.6.2.4 访问受扰与恢复访问受扰与恢复v 访问冲突的产生访问冲突的产生 在冲突窗口内多站同时发送会产生冲突（在冲突窗口内多站同时发送会产生冲突（Collision） 全双工模式运行，则不会产生冲突全双工模式运行，则不会产生冲突v 冲突窗口：窗口之外不会产生冲突冲突窗口：窗口之外不会产生冲突 发送信号的往返传播时间发送信号的往返传播时间 其它待发站侦听到载波即不再启动发送其它待发站侦听到载波即不再启动发送v

49、 冲突处理冲突处理 物理层检测到介质上的干扰，则打开冲突监测信号物理层检测到介质上的干扰，则打开冲突监测信号 MAC层发送阻塞（层发送阻塞（jam）比特序列以通告全网）比特序列以通告全网 发送管理终止当前发送，后退随机时段后调度重发发送管理终止当前发送，后退随机时段后调度重发 冲突重复发生则延长后退时段均值启动重发冲突重复发生则延长后退时段均值启动重发 直到重发成功，或达到最大重发次数而放弃发送并报告上层直到重发成功，或达到最大重发次数而放弃发送并报告上层ABCD产生数据产生数据产生数据产生数据产生数据产生数据冲突冲突冲突冲突冲突冲突LanMan 2016YKW UESTC5.6.3 访问的一

50、致性访问的一致性v 协议的前台是精确细节的规范协议的前台是精确细节的规范 协议的深层次支撑则是基础的机制与理念协议的深层次支撑则是基础的机制与理念v CSMA/CD协议协议 基本的机制与理念基本的机制与理念 多站点分布协调对共享介质的访问多站点分布协调对共享介质的访问 多站点行动一致，特别是与介质上的载波保持一致多站点行动一致，特别是与介质上的载波保持一致v 802.3中的中的“ Carrier Deference ” 多站点的访问行为协调一致，例如不能抢发多站点的访问行为协调一致，例如不能抢发 最主要的是站点的访问与介质上的载波保持一致最主要的是站点的访问与介质上的载波保持一致 “载波载波”

51、仅是习惯用语，当前以太网使用基带调制并没有载波仅是习惯用语，当前以太网使用基带调制并没有载波LanMan 2016YKW UESTC5.6.4 冲突检测与冲突通告冲突检测与冲突通告v 冲突处理与时隙（冲突处理与时隙（slot time） 时隙长度：时隙长度： 物理层往返物理层往返+MAC层阻塞层阻塞 512比特比特/64八位组八位组 重发调度粒度、介质获得时间与碎片长度上限重发调度粒度、介质获得时间与碎片长度上限v 冲突监测与强化冲突监测与强化 物理层一直提供冲突监测信号物理层一直提供冲突监测信号 MAC发送时一直监视该信号发送时一直监视该信号 帧传输期检测到冲突则改发阻塞信号通告全网帧传输期

52、检测到冲突则改发阻塞信号通告全网 802.3并不规定阻塞信号的统一模式并不规定阻塞信号的统一模式LanMan 2016YKW UESTC5.6.5 随机退避与重发随机退避与重发v 认识冲突认识冲突 冲突意味着在当前时隙有多个发送企图冲突意味着在当前时隙有多个发送企图 重复冲突意味着共享介质上的负载过重重复冲突意味着共享介质上的负载过重 当前的若干时隙上的发送分布密度过大当前的若干时隙上的发送分布密度过大 化解冲突的有效措施是减小发送分布密度化解冲突的有效措施是减小发送分布密度v 802.3标准中的冲突化解算法标准中的冲突化解算法 重发的调度是一个受控的随机化过程重发的调度是一个受控的随机化过程

53、 截断的二进制指数后退截断的二进制指数后退 truncated binary exponential backoff 重发的推迟时隙数逐次倍增重发的推迟时隙数逐次倍增LanMan 2016YKW UESTC5.6.5 随机退避与重发随机退避与重发v 随机退避重发算法随机退避重发算法 发现冲突、发送阻塞、推迟重发发现冲突、发送阻塞、推迟重发 启动第启动第n次重发前，延迟一个随机时段次重发前，延迟一个随机时段r*slotTime r：均匀分布的随机整数：均匀分布的随机整数 slotTime：时隙，系统参数：时隙，系统参数 含义：重发延迟是随机化的整数倍时隙含义：重发延迟是随机化的整数倍时隙 随机数

54、随机数r的取值范围，随重发次数倍增并适时中止的取值范围，随重发次数倍增并适时中止0 r 2k，式中，式中，k=min( n,10 ) 即，随机后退的区间长度为：即，随机后退的区间长度为： 1、3、7、15、31、63、1023 直观含义：加倍延长后退区间，增大后退均值直观含义：加倍延长后退区间，增大后退均值LanMan 2016YKW UESTC5.6.6 系统参数值系统参数值vMAC参数表：其中某些参数是物理层相关的参数表：其中某些参数是物理层相关的ParametersMAC data rateUp to 100Mbps1Gbps10GbpsslotTime512 bit times4096

55、 bit timesnot applicableinterPacketGap96 bits96 bits96 bitsattemptLimit1616not applicablebackoffLimit1010not applicablejamSize32 bits32 bitsnot applicablemaxBasicFrameSize1518 octets1518 octets1518 octetsmaxEnvelopeFrameSize2000 octets2000 octets2000 octetsminFrameSize512 bits512 bits512 bitsburstLi

56、mitnot applicable65536 bitsnot applicableLanMan 2016YKW UESTC5.6.7 全双工模式全双工模式v 5.6.7.1 以太网的运行模式以太网的运行模式v 5.6.7.2 全双工模式全双工模式v 5.6.7.3 以太网中的流控以太网中的流控v 5.6.7.4 从共享走向独享从共享走向独享LanMan 2016YKW UESTC5.6.7.1 以太网的运行模式以太网的运行模式v 802.3定义了两种截然不同的运行模式定义了两种截然不同的运行模式 半双工模式（半双工模式（half duplex mode） 早期以太网的唯一模式早期以太网的唯一模

57、式 全双工模式（全双工模式（full duplex mode） 源于：源于：802.3x-1997，全双工模式与流控，全双工模式与流控v 半双工模式半双工模式 共享式以太网都采用半双工通信方式共享式以太网都采用半双工通信方式 共享信道上只应该有一个站点发送共享信道上只应该有一个站点发送 一个站点在发送时不应该收听自己一个站点在发送时不应该收听自己 有时称之为有时称之为 传统以太网或传统以太网或CSMA/CD网网 半双工模式的特点即是共享式以太网的特点半双工模式的特点即是共享式以太网的特点LanMan 2016YKW UESTC5.6.7.2 全双工模式全双工模式v 全双工模式的环境全双工模式的

58、环境 物理介质允许同时接收和发送物理介质允许同时接收和发送 全双工信道：例如双绞线、光纤全双工信道：例如双绞线、光纤 点对点链路点对点链路 两个站点独享全双工的物理介质两个站点独享全双工的物理介质 两端两端MAC实体均启动全双工模式实体均启动全双工模式v 全双工模式的特点全双工模式的特点 兼容，但容量大为提高兼容，但容量大为提高 MAC帧格式保持，兼容传统以太网帧格式保持，兼容传统以太网 并不实际使用并不实际使用CSMA/CD算法算法 链路无冲突，效率可高达链路无冲突，效率可高达90%以上以上交换机交换机HHHHLanMan 2016YKW UESTC5.6.7.3 以太网中的流控以太网中的流

59、控v 全双工模式的潜在的问题全双工模式的潜在的问题 大大提高容量，同时也存在丢帧的可能性大大提高容量，同时也存在丢帧的可能性 例如：当多数据源高速发送时例如：当多数据源高速发送时 交换机不能长时间接收交换机不能长时间接收 服务器不能长时间接收服务器不能长时间接收v 避免丢弃的最佳办法：采用流量控制机制避免丢弃的最佳办法：采用流量控制机制v 流控的基本思想流控的基本思想 反压机制：反压机制：backpressure 收端向发端发收端向发端发PAUSE帧帧 通知发端：发送过快、请求发送暂停通知发端：发送过快、请求发送暂停太快啦，太快啦，请求暂停！请求暂停！LanMan 2016YKW UESTC5

60、.6.7.3 以太网中的流控以太网中的流控v PAUSE的运行的运行 由MAC控制子层执行 DA：01-80-C2-00-00-01 全球统一分配的暂停功能组播地址 SA ：请求暂停的源MAC地址 类型值：0 x8808，MAC控制帧标识 操作码：00-01，暂停（PAUSE）功能操作码 操作数： 0-65535，暂停时间请求值 暂停单位：当前速率的512比特（64八位组）时长01-80-C2-00-00-01SA880800-0106553500FCSDASA控制帧控制帧暂停帧暂停帧暂停数暂停数填充填充FCSLanMan 2016YKW UESTC5.6.7.3 以太网中的流控以太网中的流控