《计算机网络教程》第4章 局域网-2

《计算机网络教程》电子教案

第四章局域网全双工以太网与物理层主要内容以太网访问控制（4.2）全双工以太网以太网物理层（4.3）媒体无关接口自动协商传统以太网媒体选项高速以太网媒体选项全双工以太网只能在连接两个站点的点到点链路上使用，并且要求链路两端的站点都采用全双工方式链路必须能够支持同时传输和接收信号，而不会互相干扰10BASE5、10BASE2、10BASE-FP、10BASE-FB和100BASE-T4不能支持全双工模式没有别的站点竞争对链路的访问权限，从而不会出现冲突不需要采用CSMA/CD协议的限制，有帧要传输就可以马上发送不再有冲突域，不需要有载波监听和冲突检测，从而也没有因为冲突而带来的站点的重传接收的同时也可以发送，端口支持的吞吐率是半双工方式的两倍站点和交换机之间的连接距离也不再受最短帧长（512比特）的限制，而纯粹考虑的是链路的物理特性比如100BASE-FX在半双工方式时限制网段的直径最大为412米而采用全双工方式后可以长达2千米。采用同样的以太网帧格式、同样的最小帧长、同样的物理层协议全双工以太网：MAC控制子层可能会出现站点发送过快的情况，需要能够暂时缓存站点发送的帧以及进行流量控制高层MAC控制层用户（桥转发实体、LLC等）MAC控制子层（可选）媒体访问控制MAC物理层帧类型=0x8808716622444前导帧开始标志目的MAC地址源MAC地址帧类型(0x8808)控制帧类型控制参数CRC802.3X给出了一通用的结构和协议来进行MAC控制（包括流量控制）MAC控制子层位于传统的MAC层和MAC客户之间，MAC控制子层是可选的，对下面的MAC（半双工或全双工）是透明的全双工以太网：流量控制PAUSE帧实现了一个简单的流量控制机制：站点可以向链路的另一端发出一个暂停帧而要求其暂时停止所有帧的发送（告诉对方暂停发送的时间）只用于全双工方式的点到点链路两端，不支持半双工方式不支持端到端的流量控制，只在本地点到点链路出现暂停帧不能通过交换机、网桥等转发出去，只是由链路另一端进行处理

目的地址为对方的MAC地址或者01:80:C2:00:00:01PAUSE流量控制是双向的，即点到点链路两端可以互相发送PAUSE帧7166222424前导帧开始标志目的MAC地址源MAC地址帧类型控制帧类型控制参数保留CRC88080001全001:80:C2:00:00:01或对方MAC地址暂停发送的时间链路另一端应该暂时停止发送的时间以512比特时间为时间单位MAC控制参数为0的PAUSE帧表示恢复数据帧的传输。非对称流程控制对称流量控制：全双工链路的两端都可以发送PAUSE帧非对称流量控制中则只允许其中某一端发送PAUSE帧。交换机可以发送Pause来阻塞端系统，而反过来则不行。端系统可以阻塞交换机（借用交换机的内部缓冲区），而反过来则不行数据通信与计算机网络（2009）6主要内容以太网访问控制（4.2）全双工以太网以太网物理层（4.3）媒体无关接口自动协商传统以太网媒体选项高速以太网媒体选项以太网媒体选项IEEE802.3标准支持多种物理媒体选项：物理层各不相同，但都采用相同的数据链路层协议10Base510Base210BaseT10BROAD3610BASE－F100Base-TX媒体选项的命名策略：<数据速率><信号方式><网段最大长度>10表示数据速率为10MbpsBase表示采用基带传输Broad表示采用宽带传输T表示双绞线F表示光纤X表示两条链路（用于发送和接收）媒体无关接口连接接口单元AUI控制器实现MAC逻辑，主要采用数字技术，但包括曼彻斯特编码解码器收发器包含模拟部件，实现物理层协议媒体无关接口MIIGMII编码器移到收发器端支持的传输媒体可采用不同的编码方案速度无关性：采用4(8)位并行数据通道，通过时钟信号同步时钟的频率为数据速率的1/4(1/8)，即10Mbps采用2.5MHz时钟，而100Mbps用25MHz时钟；1Gbps采用125MHz时钟管理模块可对收发器进行配置以支持多种媒体选项MII可以驱动一个比较短（最长50米）的屏蔽电缆GMII中控制器和收发器集成在一起，充当内部接口XGMII和XAUI接口XGMII接口：32比特并行数据通道，74针接口时钟信号和数据信号分开，数据传输受时钟信号来驱动时钟频率为10G/64=156.25MHz，在时钟信号的上升处和下降处数据信号有效XGMII接口支持距离非常短，只有7cmXAUI接口：全双工接口，每个方向包括4个串行差分链路XGMII接口分为4个8比特的通道（lane），每个Lane要传输的字节流进一步采用8B/10B编码将时钟信号编码进去，同时也可以携带帧开始、帧结束、信道空闲、链路配置等控制信息每个链路是自时钟驱动的，数据速率为3.125Gbps(2.5Gbps*10/8)。XAUI支持的距离可以达到50厘米，接口也从XGMII的74针信号减少到16针，另外也允许XAUI接口可以跨越时钟域，这样系统的不同部分之间就不需要进行时钟的校正。数据通信与计算机网络（2009）10自动协商连接在一条链路上的两个设备交换关于它们能力的信息，自动以合适的数据速率或模式来进行通信用在那些采用UTP的传输媒体选项中（如10BaseT、100BaseTX等），目前自动协商也可以用在光纤媒体之上传统的10BASE-T标准中包括了一个链路测试机制来维持链路网络空闲（没有数据传输）时，收发器会每隔16ms发送一个100纳秒的正常链路脉冲NLP如果在50到150ms内都没有收到数据分组或者NLP，说明链路出现故障自动协商每隔16ms发送33个100ns的快速链路脉冲串FLP，可携带16位信息17个奇数位（相聚125微秒，FLP为2ms）是时钟脉冲，进行时钟同步16个偶数位用于传递信息，如果对应的位置有脉冲，则代表比特1，如果没有脉冲，则代表0。这样FLP可传递16比特信息802.3an-2006标准进一步引入扩展FLPBurst，每隔8.25ms发送97个脉冲串，携带48比特的信息是否支持扩展FLP通过16比特的链路码字的XNP（ExtendedNextPage）来协商加快自动协商过程，而不是需要通过多个FLP自动协商过程自动协商是可选的(Gigabit中是必须支持的)，控制器可以通过MII接口来关闭自动协商、强制重新协商、设置具体的媒体模式等。自动协商过程：当以太网设备加电、重置或者要求重新协商时，才开始接收方在收到三个连续的相同FLP之后，从FLP中取得链路码字LCW，选择双方所能支持的具有最好能力的媒体选项，并且通过FLP发送ACK来进行确认自动协商完成之后按照协商的结果进行正常的数据通信，无需再进行自动协商，直到链路重新加电、重置或者强制重新协商后才重新开始自动协商过程。优先级媒体选项优先级媒体选项1（最高）10GBase-T全双工6100Base-T2半双工21000Base-T全双工7100Base-T431000Base-T半双工8100BaseTX半双工4100Base-T2全双工910Base-T全双工5100Base-TX全双工10(最低)10Base-T半双工自动协商：链路码字链路码字LCW总共16比特5个比特的选择因子字段指明了紧随的技术能力字段（7个比特）的具体取值范围对于IEEE802.3来说，选择因子取值为00001XNP：是否支持扩展NextPage远端错误RF（RemoteFault）位用于向链路另一端表明错误。确认ACK位：在连续收到3个相同的LCW之后通过设置ACK为1来确认下一页NP（NextPage）位：表明后面还有一个16比特的码字，用于扩展16比特的LCW1Gbps媒体选项协商利用了NP8比特的技术能力字段给出了该设备所支持的媒体技术比特技术最小电缆要求A010BASE-T两对3类线A110BASE-T全双工两对3类线A2100BASE-TX两对5类线A3100BASETX全双工两对5类线A4100BASE-T4四对3类线A5PAUSEA6不对称PAUSEA7保留，后来作为XNP自动协商的限制并行检测在另一方不支持自动协商时可采用对于设备支持的媒体选项都有一个对应的链路监控模块收到的链路脉冲信号同时传递给该设备的所有链路监控模块，如果只有一个模块检测到链路的质量比较好(符合给定的链路信号模式)，则采用对应的技术来连接，从而跳过自动协商过程设置为半双工方式，无法了解其他特性自动协商也无法测试链路采用的电缆类型假设一个集线器和站点都支持10BASE-T和100BASE-TX，它们之间通过3类UTP连接自动协商的结果是采用100BASE-TX连接，但是100BASE-TX要求采用5类双绞线传统以太网媒体选项

10Base5是最早的以太网技术采用的媒体选项常称为粗缆：使用10毫米直径的50的同轴电缆，一个网段最长为500米数据速率是10Mbps，采用曼彻斯特编码。主机通过收发器（transceiver）连接到粗缆，每个网段最多可以连接100个节点。通过转发器扩展覆盖2500米10Base2常称为细以太网或者细缆使用50的同轴电缆，只有5毫米直径数据速率是10Mbps，采用曼彻斯特编码。采用工业标准的BNC连接器组成T型接头，细缆中收发器一般都集成在网卡里面每个网段的使用范围最长只有200米（更加精确的说是185米），并且每个网段内最多只能连接30个站点10BaseT/10BROAD3610BaseT：传输媒体为非屏蔽双绞线，采用星型拓扑所有站点通过两对(twotwisted-pair)UTP连接到一个集线器（Hub）采用曼彻斯特编码，其数据速率为10Mbps。每个网段的长度限制在100米以内。10BROAD36：唯一采用宽带信号的媒体选项选用标准的75的CATV同轴电缆。从头端出发的分段的最大长度是1800米。所以最大的端对端的跨度是3600米。数据速率为10Mbps，通过差分相移键控（DPSK）来进行信号调制。10BaseF:采用光纤作为传输媒体传统以太网媒体选项总结10BASE510BASE210BASE-T10BROAD3610BASE-FP传输媒体同轴电缆(50ohm)同轴电缆(50ohm)非屏蔽双铰线同轴电缆(75ohm)850nm光纤对编码技术基带(曼彻斯特码)基带(曼彻斯特码)基带(曼彻斯特码)宽带(DPSK)曼彻斯特/on-off拓扑总线总线星型总线/树型星型最大网段长度(m)5001851001800500每网段的结点数10030----33

IEEE802.310Mbps物理层媒体选项物理层互连设备：转发器和集线器转发器（repeater）一般用于10Base2和10Base5中，用于扩展传输媒体的长度。转发器用来连接两段电缆，从它连接的电缆上收到的数字信号转发给连接的另一条电缆中集线器Hub一般用于10BaseT中，实际上是一个多口的转发器当从一条线路上接收到信号时，集线器会向其他线路转发。如果多于两个端口同时传输，产生并发送一个冲突存在信号。一般具有一些网络管理功能。比如如果有一个站点出现故障，一直持续发送帧。10Base2对此就会无能为力，一个故障站点会导致整个网络也处于崩溃状态10BaseT中的集线器可以检测到这个站点的故障，并且把该站点从网络中分割出来，其他站点仍然能够继续工作。

转发器和集线器都：工作在物理层，和MAC协议无关，既无缓冲功能，也无分段功能。通过其连接的网段本质上仍然属于同一个冲突域（Collisiondomain）采用CSMA/CD规则共享同一个信道的所有节点位于同一个冲突域在同一个冲突域内，任何两个节点同时传输都会遇到冲突。物理层互连设备在通过转发器或集线器构建以太网的实践中常常要求遵循5-4-3原则5指任意两个站点间最多有5个以太网网段4指任意两个站点间最多有4个转发器3表示任意两个站点间最多有3个网段有站点相连另外2个网段仅仅用于扩充网络覆盖的范围通过转发器或集线器来连接多个网段的方式常常称为级连可堆叠集线器（StackableHub）：各个集线器之间可以通过另外一个高速数据通道（常常是Gbps）相连，从而使得各个堆叠起来的Hub组合起来形成一个具有更多端口的Hub堆叠起来的Hub实际上相当于一个大的Hub。它和通过以太网技术把多个网段级连起来是不同的概念，级连技术必须遵循以太网的基本组网原则，即5-4-3原则高速以太网传输媒体信号技术距离100BASE-FX2条光纤（波长1300nmMMF）4B5B/NRZI415m，全双工2000m，SMF更长100BASE-SX(TIA/EIA-785)2条光纤（波长850nmMMF）4B5B/NRZI全双工300米，采用LED光源，与10Base-FL兼容

100BASE-TX2对STP或5类UTP4B5B/NRZI+MLT-3100m100BASE-T44对3类UTP8B6T/NRZ100m100BASE-T22对3类UTPPAM5100m1000BASE-TX4对5类UTP4D-PAM5100m1000BASE-LX2条光纤，波长1270~1355nm8B/10B316m，全双工550m，SMF5km1000BASE-SX2条光纤，波长770~860nm8B/10B全双工50-μmMMF550m1000BASE-LH2条光纤，波长1300或1310nm8B/10BMMF550m，SMF10km1000BASE-ZX2条光纤，波长1550nm8B/10BSMF70~100km1000BASE-CX2条铜线8B/10B25mSTP1000BASE-T4对Cat-5e以上UTP4D-PAM5100mX:两条链路，分别用于发送/接收T:双绞线C:CoaxL/S:long/short

LH：longhaul

ZX:extendedrangeMLT-35类双绞线（100MHz）传输4B5B/NRZI编码后的125MHz信号衰减大，采用MLT-3（Multi-LevelTransmit-3）编码3种电平:－V、0和+V无跳变表示0，有跳变表示1前一位为+V/-V，当前为0前一位为0，下一位为最近的非0电平的反MLT-3的电平跳变过程是沿着-V、0、+V、0来循环的每波特携带2个比特的信号，最大基准频率为波特率的1/4100BASETX采用4B5B/NRZI+MLT-3，信号的能量集中在125/4~30MHz以下10011110000101110111+V-V0100BaseT4/100BaseT2100Base-T4：4对3类以上UTP采用8B6T编码方案3种符号电平8比特块为单位映射成6个符号，每个符号轮流在3条数据信道传输4对双绞线其中3对为数据信道，另外一对冲突检测，每个信道上信号速率为：100Base-T2：2对3类以上UTP采用5级脉冲幅度调制PAM-5编码方案2维5x5符号群系选取，采用5级电平，其中4个电平用于传输数据每个符号可以看成二元组（An,Bn），分别从（-2,-1,0,+1,+2）中选择双向基带传输机制，每对电缆可以同时进行发送和接收，即支持全双工的数据传输每对电缆采用25MBaud信号速率2（对）*25Mbaud*2=100Mbps千兆以太网媒体选项1000BASE-X：采用8B/10B信号编码方案铜媒体1000BASE-CX，最长25米的平衡STP，连接同一设备间的多个设备双绞线1000BASE-TX，采用Cat-6UTP，TIA提出，没有产品实现长波光纤的1000BASE-LX:波长在1300nm(1270~1355nm）；支持62.5-μm或50-μm的多模光纤和10-μm的单模光纤半双工方式最长316米；全双工方式最长550米，采用单模光纤可达5km短波光纤的1000BASE-SX波长范围在850nm（770到860nm）；支持62.5-μm或50-μm的多模光纤半双工方式下，62.5-μm的多模光纤最长275米，50-μm的多模光纤最长可达316米；全双工方式下，62.5-μm的多模光纤最长为275米，50-μm的多模光纤可达550米1000BASE-LH(longhaul):采用1300或者1310nm波长，类似于1000BASE-LX，采用多模光纤可达550m，但是采用单模光纤时最长10km1000BASE-ZX（extendedrange）：采用1550nm波长，通过单模光纤可达70~100km1000Base-LH/ZX是业界认可的但并不是IEEE标准（没有纳入最新的802.3-2008标准）1000Base-T采用cat5e以上非屏蔽双绞线，最长100米采用4D-PAM5信号编码方案，参考100BASE-TX（125MbaudMLT-3）和100BASE-T2(25MbaudPAM5)。使用4对五类双绞线，每对双绞线支持全双工采用5级脉冲幅度调制编码机制PAM5，其中4种符号可以携带2比特的数据4D-PAM5从4维5级符号群系中选取每个4维符号可以看成4元组（An,Bn,Cn,Dn），从（2,1,0,-1,-2)中选取达到的数据速率为4*125M波特*2=1Gbps万兆以太网媒体选项传输媒体信号技术距离10GBase-CX4CX4铜缆8B10B15m10GBase-LX41310nm

MMF或者SMF8B10B10μm

SMF覆盖2m~10km，50或62.5μm

MMF最长300m10GBase-SR/10GBase-SW850nmMMF64B66B50或62.5μm

MMF范围2~300m10GBase-LR/10GBase-LW1310nmSMF64B66B10μmSMF范围2m~10km10GBase-ER/10GBase-EW1550nmSMF64B66B10μmSMF范围2m~40km10GBase-ZR/ZW(Cisco)1550nmSMF64B66B10μmSMF80km10GBase-LRM1310nmMMF64B66B62.5μm

MMF范围2~220m，50μm

MMF可达260m10GBase-TCAT6e以上UTPLDPC，PAM-16/DSQ128Cat6eUTP范围55m，Cat6aUTP可达100m10GBase-KR连接印刷电路板，称为backplane（背板）以太网64B66B1m10GBase-KX48B10B1m万兆以太网10Gigabit10GBASE-X

采用8B/10B，支持数据速率为10Gbps。10GBASE-LX4XGMII的32比特的数据通道分成4个通道，然后经过8B/10B编码后对应着4个字节流4个字节流再以宽波分复用的方式通过波长为1310nm的单模或者多模光纤传递。可以采用10-μm的单模光纤，覆盖的范围从2米到10km，也可以采用50-μm的多模光纤或62.5-μm的多模光纤，覆盖的范围大约从2米到300米。10GBASE-CX4:采用铜缆，最长15米，采用InfiniBand4x连接头和CX4电缆64B/66B编码每8个字节的数据为单位，经过扰频后成为64比特的数据，64比特的数据再在前面附加2比特的同步头部（01或10，每个块有变迁）组成了一个66比特的块数据块：同步头部取值为01控制块：同步头部取值为10。控制块的前面8个比特表示控制块的类型，比如空闲字符、帧起始、帧结束等。进一步分为10GBASE-R(LANPHY)/10GBASE-W(WANPHY)WANPHY用在数据速率为9.584640Gbps的SONET/SDH广域网环境通过一个广域网接口子层WIS（WanInterfaceSublayer），封装成SONET帧MAC子层提供可选的速率控制模块来调整帧间间隔正常情况下IGP为固定的96比特时间MAC子层在发送时统计刚发送的帧的比特数，为了与更低速率的9.58Gbps匹配，采用更大的IGP，增加的长度与刚发送帧的比特数成正比帧间间隔期间填充空闲控制块，在下层PHY发送时删除，接收方PHY添加空闲控制块10GBASE-R/10GBASE-W都支持三种传输媒体选项短波串行选项10GBASE-S（ShortWavelengthSerial）可以采用62.5μm或者50μm的多模光纤，波长为850nm，覆盖的最短距离为2米，而覆盖的最大距离可达3