第四章以太网课件

第四章以太网第一节10M以太网第二节100M以太网第三节1000M以太网第一节10M以太网1.1以太网标准以太网是目前使用最广泛的局域网。传输速率从10Mbps发展到100Mbps直至目前的1000Mbps，以太网支持的传输媒体从最初的同轴电缆到双绞线和光缆，从共享式以太网到交换式以太网，从半双工以太网到全双工以太网，为了区分各种可选用的实现方案,IEEE802.3委员会给出了一种简明的表示方法:

〈数据传输速率(Mbps)〉〈信号方式〉〈最大段长度(百米)〉

802.310Base5粗缆 AUI 500米2.5k米802.3a10Base2细缆BNC185米925米802.3i10BaseT双绞线RJ-45100米500米802.3j10BaseF光纤ST(SC)2km802.3u100BaseTX双绞线RJ-45100米500米100BaseFX光纤ST(SC)2km802.3x全双工以太网802.3z1000BaseX光纤，屏蔽铜缆802.3ab1000BaseT双绞线1.2以太网媒体访问控制方法一、帧结构P：前导码，接收双方建立同步，“10101010”SFD：帧首定界符，表示此码一过即为实际的帧，“10101011”DA：接收站的目的地址，第1位为“0”单址，第1位为“1”多址，全为“1”广播SA：发送站的地址L：长度(802.3)，指出LLC数据区的大小，在以太网帧中表示高层的协议，如IP协议、IPX协议PAD：填充字段FCS：帧校验序列二、载波监听多路访问CSMA

载波监听多路访问CSMA的技术,也称做先听后说LBT(ListenBeforeTell)。要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听,以确定是否有别的站点在传输数据。如果媒体空闲,该站点便可传输数据;否则,该站点将避让一段时间后再做尝试。这就需要有一种退避算法来决定避让的时间,常用的退避算法有非坚持、1-坚持和P-坚持三种。1.非坚持算法

算法规则为:

(1)如果媒体是空闲的,则可以立即发送，直至发送完毕。

(2)如果媒体是忙的,则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后,再重复前一步骤。

采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。非坚持算法的缺点是:即使有几个站点都有数据要发送,但由于大家都在延迟等待过程中,致使媒体仍可能处于空闲状态,使利用率降低。2.1-坚持算法

算法规则为:

(1)如果媒体是空闲的,则可以立即发送，直至发送完毕。

(2)如果媒体是忙的,则继续监听,直至检测到媒体空闲,立即发送。

(3)如果有冲突(在一段时间内未收到肯定的回复),则等待一随机量的时间,重复步骤(1)~(2)。

这种算法的优点是:只要媒体空闲,站点就立即可发送,避免了媒体利用率的损失;其缺点是:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免。3.P-坚持算法

算法规则为:

(1)监听总线,如果媒体是忙的,继续监昕直至媒体空闲(2)如果媒体是空闲的,则以概率P发送,而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。

(3)延迟了一个时间单位后,再重复步骤(1)。

三、CSMA/CD机理(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)

共享式以太网中，所有的节点对信道的访问是以多路访问方式进行的。任一节点都可以将数据帧发送到总线上，所有连接在信道上的节点都能检测到该帧。当有两个或更多的节点在同一时间都发送了数据，在信道上就造成了帧的重叠，导致冲突出现。为了克服这种冲突，在总线以太网中常采用CSMA/CD协议，即带有冲突检测的载波侦听多路访问协议，它是一种随机争用型的介质访问控制方法。发送数据组织数据总线忙？启动发送冲突吗？发送完成？发送完成冲突加强冲突次数n=n+1冲突次数>16？发送失败退后延时YNYYYNNN示意动画1.发送规则二进制退避算法2.接收规则接收帧启动接收是发给自己的吗？发送成功废弃接收数据冲突发生处理接收数据YNYYNN接收完成？CSMA/CD的特点在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各节点通过竞争的方法强占对媒体的访问权利，任何时刻只有一个结点在发信息，出现冲突后，必须延迟重发。因此，节点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。结构简单、网络维护方便、增删节点容易，网络在轻负载（节点数较少）的情况下效率较高。但是随着网络中节点数量的增加，传递信息量增大，即在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明显下降。四、碰撞槽时间在CSMA/CD的传输控制方式中，冲突要经过最长多少时间会被检测出来？是否在发送过程中一直要检测冲突呢？传播延迟：传输媒体的延迟交换延迟：网络设备的延迟访问延迟：计算机等待访问媒体的延迟排队延迟：网络设备转发数据时，在队列中的等待时间从图中可以得出以下结论：检测冲突的时间等于总线上最远的两个站点之间，端到端延迟时间的两倍（即2τ）。这就是碰撞槽时间。它是帧发送过程中发生碰撞的时间的上限，也就是在这段时间中可能检测到冲突，而一过这段时间，就不会发生冲突，也就不会检测到冲突，即能发送成功。示意动画最小帧长度Lmin为了满足发送过程中的冲突检测，对发送站所发送的信包（即数据帧）长度有一定的要求，例如在10Mb/s的数据速率其数据帧长度的最小值不能小于64字节（如所发送的信息不足时，可加以填充）。因为CSMA/CD工作原理要求当发送站一边发送数据，一边进行冲突检测，若检测到冲突则立即中止发送，然后推迟一段时间，再发送。如果所发送的帧长度太短，发送站还没来得及检测冲突就已经发送完了，那么就无法进行冲突检测了。Slottime<=Lmin/R接收到的帧小于Lmin即为帧碎片。1.3物理层以太网在物理层上将帧的二进制代码进行曼彻斯特编码，然后通过收发器发送到媒体段上。收发器发送前检测媒体上是否存在载波，在发送过程中判断是否存在碰撞。收发器接收信号并进行译码，送至MAC子层。对于不同的以太网标准，其收发器是不一样的，10Base5的收发器是一个独立的设备，在网卡外面与粗缆相连，而10Base2、10BaseT和10BaseF的收发器为一块芯片集成在网卡上。1.410BaseT组网特点双绞线介质(UTP)以Hub(集线器)为中心节点。拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。NICHUB段最大长度100m1.双绞线的制作目前在10BaseT、100BaseTX以及1000BaseT中最常使用的布线标准有两个：EIA/TIA568A和EIA/TIA568B。

EIA/TIA568A的线序为：白绿

绿

白橙

蓝白蓝

橙

白棕

棕EIA/TIA568B的线序为：白橙橙

白绿

蓝白蓝

绿

白棕

棕2.直通线用双绞线连接计算机和集线器、交换机时，两端的RJ45头中的线的分布排列必须完全一致，称为“直通”的排列方式，如下图所示。注意：1，2必须是一对，用于数据发送，3，6必须是一对，用于数据接收。3.交叉线(CrossOver)

交换机（集线器）之间的连接以及计算机与计算机之间的连接，采用“交叉”连接的方式，如下图所示。即：1，3交叉，2，6交叉。或者使用Hub的开关，或级连端口。计算机——计算机Hub——Hub10Mbps以太网的中继规则大多数网络中都有对连接网段的转发器（集线器）数目的限制。在10Mbps的以太网中，使用5-4-3-2-1的规则：总共允许有5个网段（每个网段500米，双绞线100米）；在信道上只允许连接4个转发器；可以有3个网段连接客户机；额外2个不能连接客户机的网段用于将网络延伸到其他位置；以上组成1个大型的冲突域，最大站数1024个，全网直径2500米；第二节100M以太网2.1快速以太网(FastEthernet)的发展一、背景工作站的处理能力增强88年处理器速度10MBPS，95年150MBPS、2000年1000MBPS；各种应用的功能越来越强多媒体、视频会议、虚拟现实、计算机辅助设计CAD等；异步应用要求计算机系统有较大的带宽，同步应用要求实时的传送数据；要求高的数据带宽、网络延迟短、可靠性高；服务器的集中化提供服务器的集群，便于管理，提高安全性；文件的大小日益增加要求更高的网络带宽；网络用户和工作站数目的日益增加传统以太网中的一些问题传统以太网使用共享介质，虽然总线带宽为10Mbps，但网络节点增多时，网络的负荷加重，冲突和重发增加，网络效率下降、传输延时增加，造成总线带宽为30~40%；服务器端使用16位网卡（速率10Mbps），使得服务器的网络输入/输出成为整个网络的瓶颈；二、解决方案升级到高速网络，如100BASE-T(快速以太网)、FDDI、1000BASE-T(千兆位以太网)、ATM；发挥现有网络技术，采用网络分段、优化服务器，提高子网的网络性能；增加路由器连接子网；使用局域网交换机，将“共享介质局域网”改为“交换式局域网”；共享快速以太网的数据传输速率为100Mbps，它保留着传统的10Mbps以太网的所有特征，即相同的帧格式、相同的介质访问控制方法(CSMA/CD)、相同的组网方式，只是将每个bit的传输时间从100ns降低到10ns。IEEE802.3为快速以太网定义了新的传输介质标准，其MAC子层和LLC子层未加改变。100Base-TX支持2对五类非屏蔽双绞线（UTP）或2对一类屏蔽双绞线（STP）。其中1对用于发送，另1对用于接收，因此100Base-TX可以全双工方式工作，每个节点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。使用五类UTP的最大距离为100米。100Base-T4支持4对三类非屏蔽双绞线UTP，其中有3对用于数据传输，1对用于冲突检测。100Base-T2支持2对三类非屏蔽双绞线UTP。100Base-FX支持2芯的多模或单模光纤。100Base-FX主要是用作高速主干网，从节点到集线器HUB的距离可以达到450米。2.2快速以太网的跨距

由于快速以太网采用与10Mbps相同的媒体控制方法，而其传输速率增大了10倍，帧格式未变，最短帧长度未变，因此，而要满足Slottime<=Lmin/R，则网络的跨距将减小。在快速以太网中有两类中继器：I类：包括收发器和编码/译码功能模块，它不仅能延伸媒体，而且还能转换传输的编码，因此延时长II类：只有收发模块，用于延伸媒体

100米I/II类中继器100米100米II类中继器100米100米II类中继器5米在100BaseFX环境下，2个DTE之间的跨距不能超过412米，如果使用I类中继器，跨距为270米，II类中继器跨距为320米，2个II类中继器跨距为228米。2.310/100Mbps自动协商(Auto-Negotiation)为了实现从10Mbps到100Mbps的简单迁移，100BaseT标准中包括了作为自动协商一部分的自动速度感应功能，该功能使得以10BaseT和100BaseT速度传输数据的两端自动传送可行的操作模式，并采用另一端设备所支持的最快的模式。当设备启动时，支持自动协商的设备在链路上发出FLP(快速链路脉冲信号)，支持自动协商端口的双方设备利用FLP所携带的信号实现自动协商，并且配置成共同的最佳工作模式。自动协商的优先级排队100BaseT2全双工→100BaseTX全双工→100BaseT2→100BaseT4→100BaseTX→10BaseT全双工→10BaseT自动协商并未检查媒体，因此如果媒体使用3类双绞线或布线的质量未达到100BaseTX，而如果双方协商后的端口工作速率为100BaseTX，则系统可能不能正常工作，此时必须强制设置端口为10BaseT第三节千兆位以太网(GigabitEthernet)3.11Gbps以太网的体系结构和功能模块尽管快速以太网具有高可靠性、易扩展性、成本低等优点，并且成为高速局域网方案中的首选技术，但在数据仓库、桌面电视会议、3D图形与高清晰度图像的应用中，人们不得不寻求更高带宽的局域网，1Gbps以太网就是在这种背景下产生的。与快速以太网一样，1Gbps保留着传统的10Mbps以太网的所有特征，即相同的帧格式、相同的介质访问控制方法(CSMA/CD)、相同的组网方式，只是将每个bit的传输时间从100ns降低到1ns。在1Gbps以太网的物理层中除了传统的编码/译码、收发器和媒体三个主要模块外，还定义一种千兆位介质无关接口(GMII)，它将MAC子层和物理层分隔开来，使得物理层在实现1Gbps速率所采用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。在1Gbps的设备上提供的是通用GBIC端口，然后可以为不同的传输介质配置不同的收发器模块。1Gbps提供了4类收发器模块1.1000Base-SX使用短波长激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为770-860nm（一般为850nm）的激光传输器，只能支持多模光纤。1000Base-SX所使用的光纤规格有两种：62.5微米多模光纤使用62.5微米多模光纤在全双工方式下的最长传输距离为275米；50微米多模光纤使用50微米多模光纤，全双工方式下最长有效距离为550米。常用的连接器为SC型2.1000Base-LX1000Base-LX使用长波长激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光传输器，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。1000Base-LX所使用的光纤规格为：62.5微米多模光纤、50微米多模光纤、9微米单模光纤。使用多模光纤时，在全双工方式下，最长传输距离可以达到550米(50m)；使用单模光纤时，全双工方式下的最长有效距离为5000米。常用的连接器为SC型3.1000Base-CX1000Base-CX是使用铜缆作为网络介质的两种千兆以太网技术之一。1000Base-CX使用了一种特殊规格的高质量平衡屏蔽双绞线，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。4.1000Base-T1000BaseT使用4对5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100Base-TX一样可以达到100米。采用这种技术可以在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。3.21Gbps的组网一、