第5章以太局域网

第5章以太网5.1概述5.2以太网与IEEE802.3标准5.3以太网的MAC协议5.4全双工以太网5.5以太网MAC帧格式5.6以太网物理层5.7小结与参考资料2006年秋冬5.1概述－历史以太网的诞生和发展以太网的诞生：1973年，Xerox/PARCMetcalf命名为Ethernet并于1977年获专利产品的持续发展快速推动了以太网的进步10Mbps：1981年，从粗缆、细缆，到双绞线产品100Mbps：1995年，包括双绞线、短距离光纤产品1Gbps：1998年，包括中短距离光纤、双绞线产品10Gbps：2002年，包括局域网和广域网光纤产品以太接入网：2004年，供电信运营商采用以太网从共享网络走向交换式网络采用开放性标准是以太网成为主流的根本原因2006年秋冬5.1概述－今日今日以太网以太网是当前局域网的主流技术在办公网络领域几乎一统天下成为局域网链路级的主导技术以太网技术具有广阔的覆盖速率：10M/100M/1G/10G/……网络类型：LAN/WAN/AN，MAN，……正在进入家庭和工业领域2006年秋冬5.2以太网与802.3标准以太网的标准化发展早期标准DEC/Intel/Xerox标准：灵活但不权威DIXEthernet：v1.0-1980、v2.0-1982当今标准IEEEstd802.3–1985：权威但不灵活IEEE802.3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IEEEstd802.3–2002：权威、灵活、简约IEEEstd802.3–2005：最新标准2006年秋冬5.2以太网与802.3标准IEEE802.3-现行标准系列IEEE802.3-2002CSMA/CDAccessMethodandPhysicalLayerSpecificationsIEEE802.3ae-200210Gb/sOperationIEEE802.3af–2003，PoEDTEPowerviaMDIIEEEP802.3ah–2004，EFMSubscriberaccessnetworksIEEE802.3ai-2003Maintenance7IEEEP802.3ak-200410GBASE-CX42006年秋冬5.3CSMA/CD协议5.3.1共享信道的访问协议5.3.2CSMA协议族5.2.4802.3中的CSMA/CD5.3.3CSMA/CD协议5.3.4以太网从共享走向独享2006年秋冬5.3.1共享信道的访问协议对于使用共享信道的网络必须使用MAC协议，提供介质访问的控制机制典型的MAC机制：轮转、预约、争用轮转：重载性能好典型协议是轮询和令牌环预约：适用于长时延信道典型协议是预约ALOHA争用：负载不重时时延短典型协议是CSMA系列2006年秋冬5.3.1共享信道的访问协议争用型访问协议分为三个基本类型LAT:ListenAfterTalking说了再听，典型协议：ALOHALBT:ListenBeforeTalking先听后说，典型协议/CSMALWT:ListenWhileTalking边说边听，典型协议：CSMA/CD以太网的MAC层使用CSMA/CD协议2006年秋冬5.3.2CSMA协议5.3.2.1基本思路5.3.2.2冲突避免策略5.3.2.3冲突避免性能5.3.2.4协议改进思路5.3.2.5冲突检测5.3.2.6MAC算法小结2006年秋冬5.3.2.1基本思路CSMA：载波侦听多路访问carriersensemultipleaccess基本思路：先听后发站点发送前对信道进行侦听如果信道空闲：可以发送否则，信道忙：等待注意：采用CSMA存在冲突2006年秋冬采用CSMA依然存在冲突传播时延可能导致产生冲突假设A站的信号正在网络上传播A站信号还未到E站，E站认为信道闲，启动发送结果A、E站发送的信号在网上冲突E站在时刻t检测信道闲，启动发送A站B站C站D站E站A站发送帧在时刻t传播到B站两帧在时刻t+△t碰撞2006年秋冬5.3.2.2冲突避免策略CSMA协议避免冲突可采用三种策略有数据待发，则监听信道/介质（1）如果介质空闲，发送（2）如果介质忙，有三种处理策略：非坚持（0坚持）：发送概率：0

坚持监听直到介质空，随机后退，返回（1）1坚持：发送概率：1坚持监听直到介质空，立即发送。

p坚持：发送概率：P（0<P<1）坚持监听直到介质空，则以概率p发送、(1-p)随机后退，返回（1）2006年秋冬5.3.2.2冲突避免性能

三种冲突避免策略的性能比较非坚持CSMA：适用于重负载情况避免再次冲突的可能性，重负载时吞吐率高。但低负载时信道空闲时间多，利用率低。1坚持CSMA：适用于轻负载情况轻负载时，减少信道空闲时间，提高传输效率。但再次冲突几率大，重负载时冲突严重。P坚持CSMA：合适的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2006年秋冬5.3.2.4协议改进思路CSMA协议面临的问题发前先听，一定程度减少了冲突可能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，完全是浪费资源协议改进思路站点检测冲突，一旦发现冲突立即停止帧发送这就是：CSMA/CD2006年秋冬5.3.2.5冲突检测CSMA/CD带冲突检测的CSMA访问控制算法CSMA/collisiondetection基本思想在CSMA的基础上赋于各站冲突检测的能力发送前侦听信道，发送开始同时检测信道如果未检测到冲突，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2006年秋冬ALOHACSMACSMA/CD发前侦听三种策略0坚持1坚持P坚持发前侦听发后检测冲突停发轻负载效率高适合重负载轻载时效率不高发前不侦听随时发送冲突厉害吞吐率、效率低根据负载调整P值5.3.2.6MAC算法小结适合轻负载重载时冲突严重2006年秋冬0坚持CSMA0.5坚持CSMA1坚持SlottedALOHAPureALOHA123546G每帧时试图发送的平均帧数S010.10.5每帧时的吞吐率5.3.2.6MAC算法小结2006年秋冬5.3.3802.3中的MAC协议采用1坚持CSMA/CD算法CSMA/CD需要解决一系列的问题如何检测冲突？检测多长时间？如何保证可靠检测到冲突？检测到冲突后如何避免冲突扩大化？2006年秋冬问题1：如何检测冲突？由硬件检测信号能量的大小当冲突产生时混叠的信号能量增大检测电路输出发生明显变化中断或扫描方式发现输出变化，判定冲突发生2006年秋冬问题2：检测多长时间？考虑共享LAN最远的两站（如图A←→E）假设：A——E之间的传播时间为τA、E站发送的时间A：t0时刻发送：则到达E：t0+τ时刻E：t0+τ-ε时发现信道闲，发送A、E发送后检测到冲突的时间E：εA：τ+（τ-ε）=2τ-ε→2τ可见：冲突检测时间不小于2τA站E站t0t0+τ-εετ2006年秋冬问题3：如何保证可靠检测？什么是可靠检测？必须在发送的过程中检测到冲突一帧数据发完将停止检测如果冲突发生在发送结束后，则检测失效哪怕是极少数位的冲突也必须检测到保证可靠检测的两个措施措施1：规定最短帧长，保证最短帧的发送时间不小于2τtf=L/B（帧长/信道速率）≥

2τ措施2：检测到冲突后，发送加强冲突信号，使冲突信号能量足够最短帧长限制：L≥B×2τ发送站检测到冲突后发送加强冲突信号A站E站t0t0+τ-εετtf2006年秋冬问题4：冲突后如何避免冲突扩大冲突后采用截断的二进制指数机制退避基本思路如果首发冲突，重发时等待一个随机长的时间再重发时仍冲突，则等待的随机时间加倍实现方法第1次碰撞后，随机延迟0-1个时隙再试第2次碰撞后，随机延迟0-3个时隙再试第i次碰撞后，随机延迟0、1····2j-1（任选）个时隙再试（i≤10，j=i；i>10，j=10，i最大为16）第16次重试仍碰撞，放弃本次发送，宣告失败可见：共享Ethernet很难保证时延业务的质量2006年秋冬2τ的进一步理解2τ是共享Ethernet最远2个站点间传播时间的2倍2τ是最小帧长的发送时间Ethernet的最小帧长为64字节（512位）10Mbps：2τ=51.2µs100Mbps：2τ=5.12µs2τ是CSMA/CD协议要求各站的冲突检测时间可见：2τ的大小决定了共享Ethernet的网络直径这是早期共享Ethernet范围小的根本原因2006年秋冬5.3.3802.3中的MAC协议要点小结1坚持CSMA/CD算法1坚持：及时利用信道空闲传送，减小时延注意：网络重负载时，1坚持算法冲突严重CD：及时检测到冲突而停止发送，减少冲突可能性发送冲突强化信号检测到冲突立即发送一定长度的冲突强化信号让网络上其它站可靠检测冲突采用指数随机后退法二进制指数后退：每次冲突、后退时间均值加倍减少冲突再次发生，在信道高负荷时也不易堵塞但有失公平性（可能先争用后发出去）2006年秋冬5.3.4以太网从共享走向独享CSMA/CD的应用背景共享信道、半双工传送以太网正在从共享走向独享以太网中，正在广泛使用交换机交换机中继的干线基本都是独享链路CSMA/CD正在失去作用空间今日，以太网的核心价值不再是CSMA/CD算法而是MAC帧和MAC原语兼容，是以太网的概念！2006年秋冬5.4全双工以太网5.5.1半双工以太网5.5.2全双工以太网5.5.3全双工以太网中的流控2006年秋冬5.5.1半双工以太网半双工以太网共享式以太网都采用半双工通信方式共享信道上只允许有一个发送，否则冲突一个站点在发送时不能接收有时称之为传统以太网或CSMA/CD网半双工以太网的特点即是共享式以太网的特点2006年秋冬5.5.2全双工以太网交换式以太网的干线交换机之间链路采用独享信道点对点链路，全双工物理介质双绞线、光纤采用兼容的MAC帧格式与传统的以太网比较大大提高网络容量交换机HHHH2006年秋冬5.5.3全双工以太网中的流控全双工以太网的潜在的问题大大提高容量，同时也存在丢帧的可能性例如：当多数据源高速发送时交换机只能分别向服务器转发各站数据内存空间受限，可能溢出服务器也可能处理能力、内存空间受限流量控制机制是避免丢弃的最佳办法2006年秋冬5.5.3全双工以太网中的流控基本思想反压机制：backpressure接收端向快的发送端发PAUSE帧通知发送端暂停发送最初发布在802.3-1997，目前是标准的选项协议结构在MAC与LLC之间增加MAC控制子层MAC控制子层控制PAUSE帧的收发LLC子层MAC控制子层（可选）MAC介质访问控制物理层2006年秋冬5.5.3全双工以太网中的流控用PAUSE帧实现流量控制使用PAUSE帧前需要通信双方的协商认可PAUSE帧用于交换机/工作站相互控制流量交换机侧的实现设置缓存极限值并可在端口间动态调配一个端口的缓存快满时则向外发PAUSE工作站的实现工作站的网络接口缓存快满时向交换机发PAUSE通常采用互控方式2006年秋冬5.5以太网MAC帧格式5.5.1802.3帧格式的演进5.52802.3-1985帧格式5.5.3802.3-2002帧格式5.5.4802.3的帧间间隔5.5.5802.3MAC参数表2006年秋冬5.5.1802.3帧格式的演进MAC帧结构是以太网的核心是802.3标准演进的重要内容IEEE802.3-1985必须配合LLC使用，远不如EthernetⅡ实用IEEE802.3-2002采用EthernetⅡ的思路灵活、实用、简约802.1q-1998、802.3ac-1998帧格式扩展：加标帧(Taggedframe)2006年秋冬5.5.2802.3-1985帧格式数据长度：46～1500八位组6264DASAFCSPRSFD17帧长：64～1518八位组CRC校验范围LenLLCData填充必须配合LLC使用

MAC只能封装LLCData2006年秋冬5.5.2802.3-1985帧格式PR/SFD：前导符/帧起始定界符帧前位同步与帧同步：7*10101010+10101011由物理层完成DA/SA：宿/源地址，2*6个八位组宿地址：目的方地址，单播/组播/广播地址源地址：数据源地址，只能是单播地址Len：长度，2个八位组本段之后、FCS段之前所有数据之长度和LLCdata：46～1500个八位组，只能是LLCPDUFCS：帧校验序列，CRC-32校验码，4个八位组校验帧定位符之后、FCS之前的所有数据2006年秋冬IEEE802.3-2002定义了两种帧格式基本MAC帧格式扩展MAC帧格式（在VLAN中讲）用于加标帧，即含QTag前缀的帧基本MAC帧格式5.5.3802.3-2002帧格式Len/typMACClientData填充6264DASA校验PRSFD17帧长度：64～1518八位组校验范围数据长度：46～1500八位组2006年秋冬5.5.3802.3-2002帧格式基本MAC帧格式802.3-2002有重要改动长度段－>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，直接为网络层提供服务！IPoverEthernet，IPover802.3-20022006年秋冬5.5.3802.3-2002帧格式已经定义的TYPE：~0x05DC Length0x0800 IPv40x0806 ARP0x8035 RARP

0x814C SNMP

0x86DD IPv6

0x880B PPP

0x8E88 EAPOL2006年秋冬5.5.4802.3的帧间间隔MAC帧的帧间间隔是传输帧的最小间隔保证可靠同步定位随机发出的帧IEEE802.3标准规定帧间间隔为96bit，即9.6μs@10Mbps,0.96μs@100Mbps,……帧间隙前导与帧定位MAC帧长2006年秋冬参数10Mb/s100Mb/s1000Mb/s10Gb/s时隙（2τ）512位51.2µs512位5.12µs4096位5.096µs帧间隙(µs)9.60.960.0960.0096尝试限制（次）101010后退限制（次）161616冲突加强（位）323232最大帧长(八位组)1518151815181518最小帧长(八位组)64646464阵发限制(八位组)

80005.5.5802.3MAC参数表2006年秋冬5.6802.3的物理层5.6.1概述5.6.210Mbps以太网5.6.3100Mbps以太网5.6.41Gbps以太网5.6.510Gbps以太网5.6.6几个附加议题2006年秋冬5.6.1物理层概述802.3标准在物理配置上很活跃有利于技术革新、有力推动以太网发展理解较为吃力802.3物理层的一些特点传输速率(bps)急剧提高10M~10Gbps：E、FE、GbE、10GbE物理介质日益丰富同轴电缆、双绞线、光纤、对称屏蔽缆、市话电缆现在使用：双绞线、光纤、对称屏蔽缆、市话电缆（以太接入网中使用）编码、纠错日益复杂物理层框架也很复杂2006年秋冬5.6.1物理层概述802.3标准的物理层框架结构MACRECENCILIATIONPCS介质PMAPMDPHYGMIIMDI1000Mb/sPCS介质PMAPMDMIIMDI100Mb/sPLS介质PMAMIIMDI10Mb/sAUIRECENCILIATIONRECENCILIATIONMII 介质无关接口GMII 、XGMIIMDI介质相关接口PMD物理介质相关子层PCSPhysicalcodingsublayerPMAPhysicalmediumattachmentPHYPhysicallayerdevicePLSPhysicallayersignalingAUI Attachmentunitinterface2006年秋冬5.6.210Mbps以太网10Mbps/MDI标准Manchester编码(1B2B),10Mbps/20Mbaud10BASE5802.3-1985（粗同轴缆） 10BASE2 802.3a-1988（细同轴缆）10BASE-F 802.3j-1993 （光纤）10BASE-FL为主，10BASE-FB/FP并未流行10BASE-T 802.3i-1990 （双绞线）10BROAD36 802.3b-1985 10BASE-FOIRL 802.3d-1987 1BASE5 802.3e-1987目前只使用：10BASE-T

2006年秋冬5.6.210Mbps以太网10Mbps以太网的特点目前只使用10BASE-T接口目前常与100BASE-T/1000BASE-T联合使用双绞线、集线器的引入是以太网发展史上的重大事件光纤通信技术的初步引入光纤以太网引入较后，编码调制技术也较为简单编码技术：曼彻斯特编码物理介质的可用带宽很宽，不必追求编码效率传输符号率为20Mbaud（波特）UTP3的带宽为16MHz注意概念：bps,baud,Hz(带宽)2006年秋冬5.6.3100Mbps以太网100Mbps/MDI标准100BASE-TX/T4/FX 802.3u-1995 100BASE-TX：2*UTP-5、MLT-3100BASE-T4：4*UTP-3/HD、8B6T-NRZ100BASE-FX：1300nm@MMF/2km、4B5B-NRZI标准：ANSIX3T12、ISO/IEC9314100BASE-T2 802.3y-1997 2*UTP3/FD、PAM5*5100Mbps以太网也称为快速以太网FE2006年秋冬5.6.3100Mbps以太网FE物理层标准评价100BASE-T4/100BASE-T2：UTP-3随着UTP-5布线系统的迅速流行而失去市场T2技术十分复杂、其产品从未流行100BASE-TX：2对UTP-5(5E)十分成功，当前的主流桌面技术，技术思路影响大当前的表现形式：10/100BASE-T、10/100/1000BASE-T100BASE-FX：1310nm@MMF/2km借用FDDI物理层标准，标准维护困难效率不高（如1300nm@MMF）单模长距离无标准，各厂商产品很难互连2006年秋冬5.6.41Gbps以太网-概述1GbpsMDI的历史标准802.3z-1998 1000BASE-X802.3ab-1999 1000BASE-TANSI/TIA854 1000BASE-TX(并无产品)标准特点保持以太网的传统帧格式，可选jumbo帧通常使用全双工，但还保留了半双工2006年秋冬5.6.41Gbps以太网-MDI1000BASE-LX 802.3z-1998长波长激光/1310nm 8B/10B1000BASE-SX 802.3z-1998短波长激光/850nm 8B/10B1000BASE-CX 802.3z-1998对称屏蔽电缆～0.1to25m 8B/10B，1000BASE-T 802.3ab-1999超五类双绞线（UTP5e） 4D-PAM52006年秋冬5.6.510Gbps以太网-MDI10Gbps/MDI标准IEEE802.3ae–200210GBASE-LX4：运行在多模光纤上10GBASE-SR/LR/ER：园区网10GBASE-SW/LW/EW：广域网IEEEP802.3ak-200410GBASE-CX410GbE体系：只支持全双工链路！2006年秋冬5.6.510Gbps以太网—体系图LogicalLinkControl(LLC)“Ethernet”UpperLayersMediaAccessControl(MAC)SerialWANPHY(64B/66B+WIS)SerialPMD850nmWWDMLANPHY(8B/10B)SerialLANPHY(64B/66B)SerialPMD1310nmSerialPMD1550nmWWDMPMD1310nmLX4SRLRERSWLWEWSerialPMD850nmSerialPMD1310nmSerialPMD1550nm2006年秋冬5.6.510Gbps以太网10GbE接口命名规则：三前缀介质类型S：短波长、850nmL：长波长、1310nmE：超长波长、1550nm编码方法X：8B/10B编码，LAN/PHYR：64B/66B编码，LAN/PHYW：64B/66B+简化SDH封装，WAN/PHY波长数N：波长数，对WWDM为4，单波可以省略“1”10GBASE-LX4=Longwavelength,8B/10Bcoding(LANPHY),4wavelengths10GBASE-EW=Extralongwavelength,WANPHY,1wavelength(serial）2006年秋冬5.6.510Gbps以太网10G以太网具有两个不同的物理层局域网物理层速率10Gb/s支持密集波分WWDM提供850nm、1310nm和1550nm接口广域网物理层速率9.58464Gb/s（需要进行速率适配）提供OC-192接口（SONET/SDH)传送SONET/SDH帧（SDH帧封装EthernetMAC帧）2006年秋冬5.6.510Gbps以太网10GbE光接口：标准传输距离注1：LX4支持MMF(0-300m)和SMF(0-10km)注2：距离取决于MMF类型(OM3/0M2/OM1)10GBase-ER10GBase-LW10GBase-LR10GBase-LX410GBase-SW10GBase-SR10GBase-EW65m300m10Km40Km850nmLANSerialMMF850nmWANSerialMMF1300nmLANWWDMMMF11310nmLAN

SerialSMF1310nmWAN

SerialSMF1550nmLAN

SerialSMF1550nmWAN

SerialSMF1310nmLANWWDMSMF12006年秋冬5.6.6附加议题-以太接入网以太接入网IEEE802.3ah-2004又称第一公里以太网：EFM目的充分利用现有的电信网络接入基础设施运行在运营商的：接入光纤、电话电缆、小区用户线基本参数光纤：100/1000Mbps，单/双芯，10~20公里铜缆：2Mbps/3公里，10Mbps/300米2006年秋冬5.6.6附加议题-速率协商接口速率自动协商Auto-Negotiation使用双绞线连接时，自动选用最佳接口接口提供形式10/100BASE-TX10/100/1000BASE-T协商优先级a)1000BASE-T全双工/半双工b)100BASE-TX全双工/半双工c)10BASE-T全双工/半双工2006年秋冬5.6.6附加议题-PoEPoE：IEEE802.3af-2003通过以太网端口(MDI)对连网设备(DTE)供电