计算机网络与应用电子课件教案-第五章 以太网.ppt

1,1.信道的静态分配,频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）时分多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）静态分配的问题-延迟时间长-信道利用率低,一、局域网基本知识,2,2.信道的动态分配,有关动态分配的五个假设：站模型（StationModel）单通道假设（SingleChannelAssumption）冲突假设（CollisionAssumption）时间假设：时间连续（ContinuousTime）时间分时隙（SlottedTime）侦听假设载波侦听（Carriersense）非载波侦听（noCarriersense）,3,1）站模型,由N个独立的站（计算机、电话、个人通信设备）组成每个站都可产生待发送的帧在时间t内，一帧生成的概率为t，其中是常量（新帧到达速率）一旦生成一帧，就等待发送，直到成功发送,各站都是相互独立地、以固定速率产生数据帧。某站被阻塞，则不会有新的帧产生。即每个站只有一个用户,4,2）单通道假设,所有通信，包括发送和接收，都通过单通道进行所有的站都在该通道上发送或接收信息所有站都是平等的，各站没有主从之分,任何时刻只允许一个站可以发送，都是通过争用才能取得发送权。（如有主从之分，则存在单点故障）,5,3）冲突假设,如两帧同时发送，则发生冲突所有的站都能检测到冲突冲突的帧必须重发，除了冲突引起的差错外，没有其它差错,由于每个站都是通过争用才能取得发送权，所以冲突是不可避免的，但也有采用某些竞争机制来消除冲突（令牌网）,6,4）时间假设,时间连续（ContinuousTime）：帧的发送可在任意时刻时间分时隙（SlottedTime）：时间被分为时隙，帧在时隙的开始处发送，一个时隙中可发送0、1或多帧，帧在空闲时隙中发送成功或发生冲突,把时间分片或不分片都是可能的，但任何一个系统都只能选用一种方式,7,5）侦听假设,载波侦听（Carriersense）：所有的站在使用信道前，都可检测到当前信道是否正被使用，如信道正忙，则等待非载波侦听（noCarriersense）：所有的站在使用信道前，都不检测当前信道是否正被使用，只是盲目发送,在局域网中，常采用载波侦听；而在无线网中则不采用载波侦听,8,二、经典的多路访问协议,纯ALOHA分隙ALOHA载波侦听多路访问协议,9,1.纯ALOHA的原理,假设，任何一个站都可以在帧生成后即发送（可能冲突），并通过广播的反馈，侦听信道，以确定发送是否成功。如发送失败，则经随机延时后再发送,10,纯ALOHA信道的效率,设：无限多个用户产生新帧的概率服从泊松分布，平均每个帧时产生S个新帧；当S1时，将每个帧都冲突，所以，吞吐率应为0S1。除新帧外，凡冲突的帧也要重发,帧时(FrameTime)：发送一个标准长度的帧所需的时间,11,时间,t0t0+tt0+2tt0+3t,设：其平均值为G帧/帧时，G中包括每个帧时内产生的新帧S和由于冲突而需重发的帧,当轻负载(SS,冲突危险区,阴影帧的冲突危险区,即在t0+2t内不能有新帧产生，否则冲突。,在纯ALOHA中，其吞吐率最大为0.184,12,2.时隙ALOHA的原理,时隙ALOHA是把时间分成时隙（时间片）时隙的长度对应一帧的传输时间，其起点由专门的信号来标志新帧的产生是随机的，但时隙ALOHA不允许随机发送，凡帧的发送必须在时隙的起点，即冲突危险区是原来的一半,冲突主要发生在时隙的起点，一旦发送成功，则不会出现冲突。即生成新帧并等待发送的这一帧时内，是冲突危险区，为原来的一半,13,1）时隙ALOHA的吞吐率,在一个时隙的起点没有其它帧发送的概率为：P0=e-G，所以S=GP0=Ge-G当G=1时，吞吐量S为最大S0.368,2）纯ALOHA和分隙ALOHA的比较,纯ALOHA中，一旦产生新帧，就立即发送，全然不顾是否有用户正在发送，所以发生冲突的可能伴随着发送的整个过程分隙ALOHA中，规定发送行为必须在时隙的开始，一旦在发送开始时没有冲突，则该帧将成功发送,14,ALOHA系统中吞吐率和帧产生率之间的关系,G为每个帧时内可能的发送次数,00.51.01.52.03.0,0.400.300.200.10,时隙ALOHA：S=Ge-G,纯ALOHA：S=Ge-2G,S为每帧时内的吞吐率,15,3.载波侦听多路访问协议CSMA,载波侦听协议（CarrierSenseProtocol）持续和非持续CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，载波侦听多路访问）CSMA协议的冲突和冲突检测,1持续CSMA非持续CSMA（NonpersistentCSMA）p持续CSMA（p-persistentCSMA）,16,1）1持续CSMA,每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则等待并持续侦听，一旦信道空闲，立即发送，即发送的概率为1；如冲突，则延时一随机时隙数后，重新发送,17,2）非持续CSMA（NonpersistentCSMA）,每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则不再继续侦听，而是延时一随机时隙数后，再侦听信道,18,3）p持续CSMA（p-persistentCSMA）,用于分隙信道。先侦听信道，如信道正忙，则等到下一时隙；如信道空闲，则以概率p发送，而以概率q=(1-p)把本次发送延至下一时隙，直至发送成功,19,4）传播时延对载波监听的影响,但CSMA并不能完全解决冲突问题,如两个或多个准备发送的站都检测到信道空闲而同时发送将发生冲突,20,5）带冲突检测的CSMA,CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）带冲突检测的载波侦听多路访问,CSMA/CD的概念模型：,CSMA/CD有三种状态：竞争、传输或空闲,21,CSMA/CD的要点,在一帧传输完成后的时间t0，想要发送的站点都可以尝试发送如两个或多个站点同时发送则发生冲突判断出冲突后，立即停止发送，并强化冲突，延时一个随机时隙数后，再重复以上过程,22,6）冲突的检测方法,信号电平法,基于基带传输。两个帧信号叠加后，电压大一倍,在发送数据的同时也在接收，并逐比特比较,用曼切斯特编码时，零点在每比特的正中央。有干扰时，则可能偏移,自收发检测法,过零点检测法,23,TB,TJ,CSMA/CD发生冲突时对信道占用时间的影响,开始冲突,A,B,t,B发送数据,信道占用时间,A检测到冲突,冲突加强信号,如一个站点发送后，经2后，没有冲突，即发送成功。典型地，一公里长的同轴电缆，5s,24,三、局域网和广域网的IEEE802标准,IEEE802标准包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等,802.1：802标准介绍及接口原语定义802.2：描述数据链路层的上部，使用逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl）协议802.3：CSMA/CD（包括物理层和MAC子层）802.4：令牌总线（包括物理层和MAC子层）802.5：令牌环（包括物理层和MAC子层）,25,802.3CSMA/CDMAC物理层,802.4令牌总线MAC物理层,802.5令牌环网MAC物理层,802.6城域网MAC物理层,802.9语音数据综合局域网,802.11无线局域网,802.7宽带技术,802.8光纤技术,802.2逻辑链路控制LLC,802.10互操作LAN的安全,802.1体系结构/网络互连,数据链路层,物理层,26,1.IEEE802.3标准及以太网,802.3协议使用于1-持续的CSMA/CD局域网。以太网使用CSMA/CD技术、采用总线结构,以太网的发展简史,1980年9月提出以太网蓝皮书，DIX以太网1.0规范。1981年6月IEEE802.3委员会成立1983年推出IEEE10BASE-5规范。1982年9月开始提供具有VLSI的网络接口卡（NIC）。1985年Novell公司推出专为个人计算机联网用的高性能网络操作系统。1990年秋，使用非屏蔽双绞线的10Mb/s以太网规范10Base-T正式通过，出现星型布线结构。,27,19901994年交换式和全双工以太网出现。19921993年出现快速以太网联盟和IEEE802.121993年10月公布100Base-TX规范1995年3月，IEEE802.3u规范正式通过，以太网开始进入100Mb/s时代。1995年l1月，IEEE802.3委员会组建了“高速研究组”来研究千兆速率的以太网。1996年，IEEE组建了新802.3z工作组，负责千兆以太网标准的制定。1998年6月，在千兆以太网联盟的推动下，IEEE正式发布了千兆以太网标准IEEE802.3z。1999年开始，IEEE802.3“高速研究组”着手研究万兆标准802.3ae。2002年7月，IEEE发布了万兆以太网标准IEEE802.3ae。,28,2帧结构,以太网的帧结构,帧开始字符10101011,类型：表示上层使用的协议如IP协议为2048,数据字段长度,帧开始字符10101011,802.3的帧结构,29,1）前导字段,7个字节的10101010，实际上下一个字符也是前导字段，只是最后的两位为1，表示紧接着的是真正的MAC帧7个字节的10101010的曼切斯特编码将产生10MHz，持续5.6s的方波，周期为0.1s，可用于时钟同步,2）数据字段长度和校验和,指明数据的字节数，数据字段长度允许为04个字节共32位的CRC码,30,3）两个地址,目的地址和源地址都允许为2字节或6字节，但在10Mb/s的基带以太网中是6字节目的地址最高位为0普通地址；1组播（Multicast）；目的地址全1广播发送（Broadcast）在6个字节（共48位）的地址中有46位用于地址的指定，即有2467.03687x1013个地址网卡地址是一个全局地址。如：44-45-53-54-00-00,31,4）填充字段,为保证帧的最短长度为64个字节即：在数据字段长度为0时两个地址（12字节）+长度（2个字节）+填充字节+校验和（4个字节）=6418字节+填充字节=64填充字节=46所以填充字节为046字节,32,捕获的以太网帧,33,3.10M/100M/1000M以太网,以太网/IEEE802.3：采用同轴电缆作为网络介质，传输速率达到10Mb/s；100Mb/s以太网：又称为快速以太网，采用双绞线作为网络介质，传输速率达到100Mb/s；1000Mb/s以太网：又称为千兆以太网，采用光缆或双绞线作为网络介质，传输速率达到1000Mb/s。,34,最大网段长度100米网段最大节点数2最大接插线长10米最大冲突域直径500米源与目的间最大网段5源与目的间最大中继器4源与目的间可接站点的最大网段数3,10BASE-T中由于使用CSMA/CD协议工作，属于半双工方式,1）传统以太网,35,IEEE802.3标准基于1-持续CSMA/CD局域网。其工作原理是：当站点希望传送时，就必须等到线路空闲为止，否则就立即传输。如果两个或多个站点同时在空闲的电缆上开始传输，它们就会发生冲突。于是所有冲突站点终止传送，等待一个随机时间后，再重复上述过程。,2）802.3标准工作原理,36,3）二进制指数后退算法,发送方在检测到冲突后，双方（或多方）都将延时一段时间，所谓一段时间到底是多长？冲突检测到后，时间被分成离散的时隙时隙的长度等于信号在介质上来回传输时间（51.2s）一般地，i次冲突后，等待的时隙数将从02i1中随机选择,37,4）802.3的四种物理规范,38,粗缆以太网,39,粗缆以太网的连接,40,细缆以太网,41,细缆以太网的连接,42,双绞线以太网,43,5）802.3的设备,集线器（HUB）：目前很常用。形成星形连接，但其本质是总线结构中继器（Repeater）：较少用。一个以太网中最多允许用4个。因此以太网的最大传输距离是2500米,44,6）端口连接,介质相关端口（MDI）,1/2发送，3/6接收的普通端口,45,介质相关端口交叉（MDI-X）,1/2接收，3/6发送的交叉特殊端口（通常位于集线器端）,不同端口间连接方式,46,RJ45插头的制作过程,剥线，平展,推到底，良好接触,压紧（包括外层护套）,线缆测试,补充3：综合布线,47,RJ45的制作标准,补充3：综合布线,48,补充3：综合布线,制作完成的RJ45接头,49,4.以太网的最短帧长,为了确保帧的第一位未被冲突而正确到达终点，必须保证可能的冲突信号返回时尚未发送结束，因为如在2内发送完毕，则无法检测冲突,在极限条件下，一个局域网中两个收发器间（允许接4个中继器）的最大距离为2500m，往返5000m，同轴电缆的时延特性为4.33s/km（相当于电磁波以77%的光速在电缆上传播），即如遇冲突，端到端并返回的时延为21.65s。然而，这是理想的时延，考虑到中继器的额外时延，最坏的情况下取估计时延为45s，再加上强化冲突需发送48bit，接收方要接收到48bit后才确认冲突，即再增加4.8s，共49.8s，所以通常以太网取51.2s为争用期的时间长度（传输512bit，即64字节的时间），即帧的长度至少为64个字节,50,5.快速以太网,出现快速以太网联盟，兼容10M以太网标准定义为802.3u以太网帧长度未发生变化冲突处理规则未变化100M网络技术的争议：FastEthernet和100VG-AnyLAN,51,通过减小冲突域的直径来保证传输速率,1）100M以太网的变化,52,2）自适应技术,设备可以以10/100M工作方式出现由设备端口自行协商工作方式和速率对从10M以太网系统迁移到100M以太网非常方便,三种不同铜缆物理规范,53,100BASE-TX与10BASE-T的共同与不同特征,使用两对双绞线，一对发送一对接收，支持全双工网段最长100米使用RJ-45连接器，针脚定义相同同样具有MDI和MDI-X端口,100BASE-TX要求五类非屏蔽双绞线数据编码方法不同空闲时帧间发送特定空闲符号流,54,6.千兆以太网技术,成立千兆以太网联盟，向后兼容10/100M以太网全双工模式以太网互相兼容（10M/100M/1000M）10/100M的CSMA/CD协议不适用于千兆以太网,1000M以太网与CSMA/CD协议的矛盾,需要将短帧进行扩展，以便检测冲突短帧的扩充会浪费带宽，降低吞吐量冲突域必须足够小以使所有终端检测到冲突昂贵的千兆设备应支持长距离和满负荷才物有所值,55,千兆以太网的应用,10M交换机,100M交换机,1000M主干交换机,1）全双工千兆以太网,传输没有冲突产生，不使用CSMA/CD数据帧随时可以发送，以帧间隙分隔遵守流量控制（PAUSE帧）,56,2）10/100/1000M全双工以太网对比,57,3）特大帧,原1518字节的最大帧携带信息少原最大帧的处理开销过大定义9018字节的非标准特大帧特大帧减少发送与接收终端的负担特大帧有利于减少占用附加带宽特大帧存在互操作问题,58,4）半双工千兆以太网,必须将64字节的最小帧长扩展到512字节以检测冲突,扩展部分（到512字节）,原帧结构64字节,59,5）帧突发模式,普通传输方式时对带宽的浪费,在突发模式下以填充扩展符号代替间隙,60,6）千兆冲突域直径与延迟情况,千兆集线器构成网络的最大直径,千兆网络中的延迟组成,61,7）千兆以太网的物理标准,1000BASE-SX短波长多模光纤1000BASE-LX长波长多模/单模光纤1000BASE-CX屏蔽铜缆1000BASE-T非屏蔽双绞线,避免双绞线可能出现的问题,使用符合超5类标准的双绞线减少交叉连接或转接点避免将多根UTP电缆绑在一起,62,8）千兆的流量控制,流量控制的原理是当交换机检测到发生拥塞的端口之后，就会向输入端口发送暂停帧，通知其抑制发送的流量，最后达到消除拥塞。流量控制并不能提高整个交换机的数据吞吐能力，但避免了交换机内的丢包现象。千兆以太网允许在两台工作站之间基于端对端链路建立流量控制机制。流量控制机制可以有效地在信息发送方和接收方之间实现数据收发速度上的匹配。,63,10M/100M/1000M以太网参数对比,共同特征,帧间隙：数据帧间的最小间隔（12字节）,时隙：发送最小帧需要的时间,10Mb/s100Mb/s1000Mb/s时间片512位时间512位时间4096位时间帧际间隙9.6us0.96us0.096us后退上限10(幂指数)1010重试上限161616最大帧151815181518最小帧646464,64,四、以太网组网技术,冲突域和广播域交换机和集线器传统以太网的5-4-3原则快速以太网的最大直径,65,1.冲突域和广播域,冲突是指在同一个网段上，同一时刻有两个信号在发送，两个信号相互干扰，即发生冲突，冲突会影响正常帧的发送。冲突域是指会发生冲突的网段。单播和广播是两种主要的局域网信息传送方式，广播方式是指一台主机同时向网段中所有的其他计算机发送信息，广播域是指广播能够到达的网段范围。,66,冲突域和广播域,67,1）集线器(HUB),集线器工作在OSI七层模型的物理层，其实质是一个中继器。主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。,集线器分类,根据尺寸可分为机架式和桌面式集线器。按照提供的带宽可分为10Mb/s、100Mb/s、10/100Mb/s自适应集线器。按照扩展方式可分为堆叠式集线器和级联式集线器。,68,2）交换机(Switch),交换机的前身是网桥，它工作在OSI模型的数据链路层。交换机是使用硬件来完成以往网桥使用软件来完成的过滤、学习和转发过程的任务。交换机中有一张过滤表，如果知道目标地址方向，就把数据发送到指定地点，如果地址表中没有，就把数据发送到所有可能的端口。,69,2.传统以太网的5-4-3原则,所谓“5-4-3原则”，是指在10Mb/s以太网中任何两个节点之间必须满足以下规则：源与目的节点间最多不得超过5个网段；源与目的节点间最多不得超过4个中继器；源与目的节点间含有终端的网段最多不得超过3个。,70,双绞线结构中的5-4-3原则：,B,任何两个站点间含有工作站的网段都只有不超过2台终端,集线器,A,71,3.100Mb/s以太网的最大直径,a)延迟的组成,1)网卡发送数据,7)网卡接收数据,2)线缆传输,3)端口接收,4)集线器内处理,6)线缆传输,5)端口发送,72,b)集线器类型,I类集线器（混合型）,TX接口,T4接口,II类集线器（同类型）,73,c)冲突域的不同配置,74,75,II类集线器,100米双绞线,II类集线器,100米双绞线,5米双绞线,76,d)冲突域计算,（1）计算依据,77,A,（2）计算举例,208.8米光纤,往返延迟303.2位时,100出入两个TX/FXDTE,111.2往返100米5类电缆,92出入II类集线器,最大的可用延迟512-303.2位时208.8位时最大可用光缆长度208.8米,最大可用光纤长度？,78,B,是否允许接入100米长度的双绞线?,100出入两个TX/FXDTE,往返60米5类电缆66.72,92出入II类集线器,250往返250米光纤,往返延迟442位时,往返延迟508.72位时,往返100米5类电缆111.2,往返延迟553.2位时,79,80,4.解决冲突域与集线器端口的矛盾,II类集线器：级连,II类集线器：堆叠,如何再增加终端？,所有集线器相当于一个设备,81,5.自动协商,在快速以太网IEEE802.3u规范对自动协商功能的定义是：它允许一个设备向链路远端的设备通告自己所运行的工作方式，并且侦测远端通告的相应运行方式。自动协商的目的是给共享一条链路的两台设备提供一种交换信息的方法，并自动配置它们在最优能力下工作。,82,1)协商的内容,支持自动协商的双绞线以太网接口能够自动确定以下方面的内容：（1）所支持的运行速率；（2）两者是否能够支持全双工模式；（3）流量控制是否应用于单向、双向或根本不用。用于自动协商的消息还可以携带一些附加的信息：（1）能够报告远端的故障状况；（2）能够报告与厂商或产品相关的数据。,83,2)自动协商的实现,两个站点根据以下从高到低的优先顺序侦测双方共有的最佳方式：（1）1000BASE-T全双工；（2）1000BASE-T；（3）100BASE-T2全双工；（4）100BASE-TX全双工；（5）100BASE-T2；（6）100BASE-T4；（7）100BASE-TX；（8）10BASE-T全双工；（9）10BASE-T。,84,6.万兆以太网技术,万兆以太网是最新的高速以太网技术可靠性高，成本低可以将以太网的应用范围扩展到广域网,万兆以太网的局域网、城域网和广域网采用同一种核心技术，网络易于管理和维护，同时不需要协议转换，能实现局域网、城域网和广域网之间的无缝连接，并且价格低廉。,85,1)万兆以太网与以往以太网标准比较,万兆以太网只支持全双工模式，不支持半双工模式，而以往的各种以太网标准均支持半双工或全双工模式；万兆以太网因为传输速率高，所以使用的传输介质只能是光纤，而以往的各种以太网标准均支持铜缆；万兆以太网不支持CSMA/CD协议，因为这种技术不能满足万兆以太网的性能要求；万兆以太网使用64B/66B和8B/10B两种编码方式，而传统以太网只使用8B/10B编码方式；万兆以太网具有支持局域网和广域网接口，且有效距离可达40km，而