《现代通信网》课件第四章 以太网

第4章以太网2024/8/194.1计算机局域网4.2以太网工作原理4.3共享式以太网4.4交换式以太网4.5高速以太网4.1局域网的概念LAN：LocalAreaNetwork技术特点有限的地理范围；较高的数据传输速率(10M~40G/100GMb/s)、低误码率(<10-8)；一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展。主要技术要素网络拓扑结构传输介质介质访问控制方法2024/8/19局域网的拓扑结构介质访问控制技术共享介质随机接入用户随机地发送信息。采用这种方法时，需要解决由于多个用户同时发送数据导致的冲突问题令牌方式用户只有在得到令牌时才可以发送数据。采用这种方式时，需要合理地给用户分配令牌2024/8/19局域网类型令牌环网TokenRing拓环形令牌令牌总线网TokenBus总线型令牌以太网总线CSMA/CD2024/8/19现在都是以太网了4.1.2局域网的参考模型美国电气和电子工程师学会IEEE802课题小组为计算机局域网制定了许多标准，大部分得到国际标准化组织的认可。2024/8/19局域网的参考模型物理层负责比特流的传输。数据链路层完成必需的同步、差错控制和流量控制等功能，保证帧的可靠传输。媒体接入控制MAC(LogicalLinkControl)子层，负责所有与接入传输媒体有关的内容逻辑链路控制LLC(MediumAccessControl)子层，与传输媒体无关2024/8/19局域网对LLC子层是透明的2024/8/19局域网网络层物理层站点1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网局域网相关标准系列IEEE802.1概述、系统结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。IEEE802.2逻辑链路控制。IEEE802.3CSMA/CD，即以太网。IEEE802.4令牌总线网。IEEE802.5令牌环形网。IEEE802.11无线局域网。2024/8/19第4章以太网2024/8/194.1计算机局域网4.2以太网工作原理4.3共享式以太网4.4交换式以太网4.5高速以太网以太网的发展背景第一个使用的局域网技术，70年代开发于XeroxPARCDIX：DEC-Intel-Xerox（DIX）EthernetDIXEthernetI、EthernetII与IEEE802.3的关系采用CSMA/CD多址接入技术基带传输，廉价不断的技术进步:10M，100M，1G，10G，40/100Gbps2024/8/19Metcalfe的以太网原理图2024/8/19Ethernet的发展第一阶段（1973—1982）：以太网的产生与DIX联盟第二阶段（1982—1991）：10Mb/s以太网发展成熟第三阶段（1992—1997）：快速以太网的出现第四阶段（1997—现在）：千兆、万兆级以太网4.2.2以太网的物理层根据物理层介质和速率的不同，形成了一系列以太网标准表示方式

<以Mbps为单位的传输速率><信号调制方式><以百米为单位的网段的最大长度或传输介质>传统以太网10Base5、10Base2、10Base-T、10Base-F等。高速以太网IEEE802.3u：100Mbps以太网IEEE802.3z和IEEE802.3ab：1000Mbps以太网IEEE802.3ae：10Gbps以太网IEEE802.3ba：40/100Gbps以太网2024/8/192024/8/19以太网相关技术标准年代速率通用名称IEEE编号距离介质19733Mbit/sXerox以太网?同轴198010Mbit/sEthernetIDIX500米同轴198410Mbit/sEthernetIIDIX500米同轴198510Mbit/s10Base5(粗缆)802.3500米同轴(RG-11)198510Mbit/s10Base2(细缆)802.3185米同轴(RG-58)198910Mbit/s10BaseT802.3100米3类UTP1995100Mbit/s100BaseTX802.3u100米5类UTP1995100Mbit/s100BaseFX802.3u400米多模光纤单模光纤19981Gbit/s1000BaseSX802.3z260米550米62.5µm多模光纤50µm多模光纤19981Gbit/s1000BaseLX802.3z550米5km50µm多模光纤10µm单模光纤19991Gbit/s1000BaseT802.3ab100米5E或6类UTP200110Gbit/s10GbE802.3ae65米40公里50µm多模光纤10µm单模光纤物理层规范2024/8/19物理层规范MDI：介质相关接口（MediaDependentInterfacePMA：物理介质连接（PhysicalMediaAttachment）PMD：物理介质相关（PhysicalMediaDependent）PCS：物理编码子层（PhysicalCodingSublayer）MII:介质无关接口（MediaIndependentInterface）RS：协调子层（ReconciliationSublayer）2024/8/19冲突域和广播域共享介质型局域网中，可能发生冲突的区域称为冲突域。在一个冲突域中，同时只能有一个站点发送数据。以Hub为核心的10Base-T网中所有的站点都在同一个冲突域。另外，当局域网上任意一个站点发送广播帧时，凡能收到广播帧（目的MAC地址为全1）的区域称为广播域。Hub连接的所有站点也处于同一个广播域。2024/8/19MAC地址网卡上的硬件地址可用来标志插有该网卡的计算机。路由器上，网卡上的硬件地址可用来标志插有该网卡的路由器的某个接口。路由器由于至少同时连接到两个网络上，因此它至少有两块网卡和两个硬件地址。2024/8/19路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F6三种类型的MAC地址三种类型的帧：单播(unicast)帧广播(broadcast)帧多播(multicast)帧以太网是共享介质，支持广播方式的通信，当一个站点发送数据时，一个网段内的所有站点都会收到此信息。但只有发往本站的帧，网卡才进行处理，否则，就简单的丢弃。2024/8/192024/8/19Ethernet帧结构发送方网络适配器将IP分组(或其它网络层分组)封装到Ethernet帧中。2024/8/19Ethernet帧结构Preamble:

7个字节的10101010，一个字节10101011

用于发送方和接收方的时钟同步。Addresses:6字节每个适配器在生产时分配一个全球唯一的地址：制造商从IEEE申请地址空间24bitsidentifymanufacturer例如0:0:15:*3comadapter适配器可以收到LAN上的所有帧，如果地址匹配则送到本地的网络层，否则则丢弃。特殊地址广播地址–FF:FF:FF:FF:FF:FFis“everybody”多播地址－所有第一位为“1”，但不是广播地址适配器会维持一个感兴趣的多播组节点的列表2024/8/19Ethernet帧结构Type:2字节指明信息字段承载的高层协议，如IP，NovellIPX，AppleTalk等。FCS:4字节CRC计算时不含前导码在接收方检测，如果发现错误，则简单丢弃帧MAC帧实例（1）--单播以太帧2024/8/19MAC帧实例（1）--广播以太帧2024/8/19MAC帧实例（1）--单播802.3帧2024/8/19第4章以太网2024/8/194.1计算机局域网4.2以太网工作原理4.3共享式以太网4.4交换式以太网4.5高速以太网共享式以太网总线式网络结构（逻辑结构）CSMA/CD介质访问控制方式半双工方式传统以太网现在已被淘汰2024/8/194.3.1CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。2024/8/19CSMA/CD工作过程CSMA/CD含有两方面的内容：载波侦听(CSMA)和冲突检测(CD)。四个步骤：侦听(监听)总线冲突检测(碰撞检测)冲突加强，停止发送重新发送数据2024/8/191)侦听(监听)总线查看信道上是否有信号是CSMA系统的首要问题。各个站点都有一个“侦听器”，用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息(也称为载波识别)。如果信道已被占用，则此工作站等待一段时间后再争取发送权；如果侦听总线是空闲的，没有其他工作站发送的信息就立即抢占总线进行信息发送。2024/8/192)冲突检测(碰撞检测)碰撞的发生当信道处于空闲时，某一个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时都想发送信息，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲的，同时都认为可以发送信息，从而一齐发送，这就产生了冲突(碰撞)；另一种情况是某站点侦听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了信包(由于在传输介质上信号传送的延时，信包还未传送到此站点的缘故)，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突。冲突只有在发送信包以后的一段短时间内才可能发生，因为超过这段时间后，总线上各站点都可能听到是否有载波信号在占用信道，这一小段时间称为碰撞窗口或碰撞时间间隔。如果线路上最远两个站点间信包传送延迟时间为d，碰撞窗口时间一般取为2d。2024/8/19

冲突检测的方法冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例判决法。

比较法：是指发送节点在发送数据同时，将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，则它们叠加后的信号波形将不等于任何节点发送的信号波形。当发送节点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时，表示总线上有多个节点同时发送数据，冲突已经产生。编码违例判决法：是指只检测从总线上接收的信号波形。如果总线只有一个节点发送数据，则从总线上接收到的信号波形一定符合差分曼彻斯特编码规律。因此，判断总线上接收信号电平跳变规律同样也可以检测是否出现了冲突。2024/8/193)冲突加强如果在发送数据帧过程中检测出冲突，在CSMA/CD介质存取方法中，首先进入发送“冲突加强信号(JammingSignal)”阶段，即发送阻塞信号。冲突加强中发送的阻塞(JAM)信号一般为4字节的任意数据，是一个人为干扰信号。冲突加强的目的是确保有足够的冲突持续时间，以使网中所有节点都能检测出冲突存在，废弃冲突帧，减少因冲突浪费的时间，提高信道利用率。2024/8/194)重新发送数据完成“冲突加强”过程后，节点停止当前帧发送，进入重发状态。进入重发状态的第一步是计算重发次数。IEEE802.3协议规定一个帧最大重发次数为16次。如果重发次数超过16次，则认为线路故障，系统进入“冲突过多”结束状态。如重发次数N≤16，则允许节点随机延迟后再重发。计算后退延迟时间，并且等待后退延迟时间到之后，节点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程。如果在发送数据帧过程中没有检测出冲突，在数据帧发送结束后，进入结束状态。2024/8/19二进制指数类型退避算法发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期2

。定义参数k

，k

10，即

k=Min[重传次数,10]从整数集合[0,1,…,(2k

1)]中随机地取出一个数，记为r。重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

2024/8/19CSMA/CD总结CSMA/CD的发送流程可简单地概括成四点：先听后发，边发边听，冲突停止，随机延迟后重发。任何一个节点发送数据都要通过CSMA/CD方法去竞争总线使用权，从它准备发送到成功发送的发送等待延迟时间是不确定的。因此CSMA/CD方法为随机竞争型介质访问控制方法。2024/8/19先听后发，为什么还会碰撞？2024/8/19重要特性总线上的单程端到端传播时延记为，发送数据后，站点最迟要经过2的时间会知道自己发送的数据是否发生了碰撞。使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。2024/8/19争用期2024/8/19争用期最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2

（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延2

称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。2024/8/19争用期以太网取51.2

s为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。2024/8/19最短有效帧长如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。2024/8/19CSMA/CD性能分析2024/8/19共享式以太网原理集线器的工作原理2024/8/19集线器的一些特点集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD

协议，并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。2024/8/19具有三个端口的集线器2024/8/19集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线图5.12集线器

利用集线器组网分离的LAN用Hub互联后，原本独立的冲突域变成了一个大的、公共的冲突域。如果各个部门使用不同的以太网技术，也无法通过hub进行互联。2024/8/19共享式以太网的特点半双工传输对于CSMA/CD方式，每个时刻总线上只能有一个站点传输信息，无法同时进行接收和发送，所有共享式以太网都是半双工方式的。共享总线带宽总线上所有站点共享总线带宽，每个站点的平均可用带宽与总线上的站点总数成反比。冲突域过大所有的站点都在同一个冲突域，同一个广播域中。这导致了共享式以太网最大的缺点：当网络规模增大，用户数目增多时，发生冲突的可能性大大增加，导致数据传输时延会急剧上升，网络吞吐量急剧下降。2024/8/194.4交换式以太网两端口网桥多端口网桥交换机透明网桥协议（TB，TransparentBridge）生成树协议STP（SpanningTreeProtocol）和虚拟局域网VLAN（VirtualLAN）2024/8/19以太网交换机工作原理-转发方式直通方式利用目的MAC地址出现在帧开头的特点，一旦识别出目标地址，就立即将进来的帧转发到目的端口。存储转发方式交换机接收一个完整的帧后再决定如何转发。入端口的一个帧先被完全接收，存储在缓冲区中，然后进行CRC检查。若正确，则进行转发，否则丢弃该帧。无碎片方式先存储帧的前64字节，如果帧长小于64字节，可以判断是由于冲突引起的无效帧，则丢弃该帧，否则查表转发。2024/8/19透明网桥原理交换机遵循透明网桥的工作方式。透明的含义交换机对接收到的帧仅仅根据目的地址转发，而不对帧做任何修改，互相通信的主机并不知道中间是否经过了交换机交换机是即插即用的，不需要网络管理员和用户的干预，实现“零配置”。基于源MAC地址进行学习基于目的MAC地址进行转发2024/8/19MAC地址表节点的MAC地址连接该节点的交换机端口该表项的生命期2024/8/19学习与转发/过滤学习（Self-Learning）交换机能够自动地、不需人工参与地建立起MAC转发表，并进行动态更新和维护，即具备“学习”能力。过滤（Filtering）当收到MAC帧时，交换机决定将该帧通过某端口转发还是将该帧丢弃。转发（Forwarding）交换机确定将收到的MAC帧从哪个端口发送，并将帧送至该端口。2024/8/19学习与转发/过滤流程2024/8/19交换机工作原理示例2024/8/19MAC地址端口MAC地址端口MAC-A1MAC地址端口MAC-A1MAC-D3MAC地址端口MAC-A1MAC-D3MAC-B1分离的冲突域2024/8/19交换式以太网组网示例2024/8/19交换式以太网的特点扁平二层网络，广播域过大可以实现全双工方式2024/8/194.4.2生成树协议2024/8/19局域网2局域网1交换机2交换机1

AFF2④F1③不停地兜圈子①②A发出的帧⑤

1转发的帧⑥2转发的帧网络资源白白消耗了生成树的基本概念生成树协议STP用来维护一个无环路的二层交换式网络，阻止在二层网络中产生环路。STP的基本思路是监视网络中的所有链路，创建一个拓扑数据库，通过阻断冗余链路来消除网络中可能存在的环路。运行了STP算法之后，帧只能被转发到由STP挑选出来的链路上。而在当前活动路径发生故障时，STP能够自动激活冗余备份链路从而恢复网络连通性，整个过程也不需要人工参与。这样，既能保证网络有一定的冗余性，又可以避免出现广播风暴等问题。2024/8/19BPDU网桥协议数据单元（BPDU，BridgeProtocolDataUnit）桥ID(BridgeIdentifier)：每个网桥都有单一的标识符，STP利用桥ID来跟踪网络中的所有交换机。桥ID由2字节的桥优先级和6字节的MAC地址组成，桥ID最小的网桥一般具有最高的优先级。端口开销(Portcost)：描述交换机端口所接本地链路的开销，链路的开销一般与链路的带宽成反比。端口ID(PortID)：标识交换机每个端口，由端口优先级和端口号组成的。2024/8/19生成树算法原理在所有网桥中，选出其中的一个作为根网桥根桥是桥ID最小的网桥。对于STP来说，关键的问题是在网络中推选一个根桥，并让根桥成为网络中的参考点。每台“非根”网桥确定一个“根端口”每个非根网桥计算到根网桥的最短路径，并记下哪个端口在最短路径上，该端口即为网桥的根端口。对每一个LAN，从位于其上的网桥中选出一个指定网桥。选择那些包含在生成树上的端口。这些端口由根端口和指定端口组成。包括在生成树上的那些端口，处于转发状态，网桥将通过这些端口转发或者接收帧。其他的端口则处于阻塞状态，既不发送，也不接收。2024/8/192024/8/192024/8/19扁平式二层网络缺点广播域过大安全性问题（信息访问控制、病毒）用户管理不便怎么办？每个二层网段是一个独立的冲突域所有的二层网段属于一个广播域网络处于0管理状态。4.4.3虚拟局域网虚拟局域网的概念IEEE802.1Q标准虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。2024/8/192024/8/19SwitchA人事部VLAN财务部VLAN工程部VLANSwitchBVLAN简介人事部VLAN财务部VLAN工程部VLANVLAN是一种按照一定的原则在二层划分逻辑广播域的技术。通过VLAN，可以把一个物理的二层网络划分成多个小的逻辑的网络，每个小的逻辑网络都是一个独立的广播域。属于同一VLAN的成员仍然可以在二层实现通信，而不同VLAN的成员则不能在二层直接通信。同时，广播帧、未知目的帧的洪泛都被交换机限定在一个VLAN之内。虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。将局域网内的设备逻辑的而不是物理的划分成一个个网段。2024/8/19VLAN简介VLAN示例2024/8/19VLAN帧格式虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。2024/8/19802.3MAC帧字节66246~15004MAC帧目地地址源地址长度/类型数据FCS长度/类型=802.1Q标记类型标记控制信息

1000000100000000VID2字节2字节插入4字节的VLAN标记4用户优先级CFI图5.35VLAN的帧格式2024/8/19VLAN划分—基于端口主机A主机B主机C主机DVLAN表Port1Port2Port7Port10端口所属VLANPort1VLAN5Port2VLAN10…………Port7VLAN5…………Port10VLAN102024/8/19VLAN划分—

基于MAC地址VLAN表MAC地址所属VLANMACAVLAN5MACBVLAN10MACCVLAN5MACDVLAN10主机A主机B主机C主机D2024/8/19西安邮电大学通信工程系VLAN划分—基于协议VLAN表协议类型所属VLANIPX协议VLAN5IP协议VLAN10…………主机A主机B主机C主机D2024/8/19VLAN划分—基于子网VLAN表IP网络所属VLANIP1.1.1.0/24VLAN5IP1.1.2.0/24VLAN10…………主机A主机B主机C主机D2024/8/19VLAN的端口Access端口：只能属于一个VLAN，该VLAN就是该端口的NativeVLAN，该端口连接的链路上传输的帧是标准的以太网帧。Trunk端口：属于多个VLAN，该口连接的链路上传输的帧是tag帧。Hybrid端口：可以属于多个VLAN，可以接收和发送多个VLAN的报文。进入ACCESS口加上VLAN标识离开ACCESS口去掉VLAN标识TRUNK口对VLAN帧进行透传单交换机VLAN通信过程2024/8/19多交换机VLAN通信2024/8/19第4章以太网2024/8/194.1计算机局域网4.2以太网工作原理4.3共享式以太网4.4交换式以太网4.5高速以太网4.5.1高速以太网概述速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。全双工方式自动协商2024/8/19快速以太网100BASE-T以太网在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。100BASE-T以太网又称为快速以太网(FastEthernet)。2024/8/19100BASE-T以太网的特点可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不需要使用CSMA/CD协议。但在半双工方式下使用CSMA/CD协议。MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。标准：802.3u。帧间时间间隔从原来的9.6

s改为现在的0.96

s。2024/8/19三种不同的物理层标准2024/8/19100Base-X100Base-T4100Base-TX100Base-FX传输介质两对屏蔽或五类非屏蔽双绞线两根光纤两对三类非屏蔽双绞线信道编码4B/5B4B/5B8B/6T数据速率100Mbps100Mbps100Mbps最大网段长度100m100m100m网络范围200m400m200m4.5.3吉比特以太网允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。使用802.3协议规定的帧格式。