第3章局域网设计-万兆以太网技术.ppt

1、局域网设计与组网实用教程,清华大学计算机系列教材 王宝智 主编,总 目 录,第1章 局域网概述 第2章 深入理解局域网体系结构 第3章 局域网设计-万兆以太网技术 第4章 局域网设计-VLAN和WLAN 第5章 局域网设计-实现局域网互联的协议 第6章 局域网设计-局域网间通信技术 第7章 局域网设计-物理结构和逻辑结构设计,总 目 录,第8章 局域网设计-网络安全设计 第9章 局域网组网-布线与设备连接 第10章 局域网组网-Windows2000服务器安装 与管理 第11章 局域网组网-Windows XP工作站安装 与管理 第12章 局域网组网：宽带接入Internet,第3章万兆以太网

2、技术,3.1以太网通信方式 3.210M以太网 3.3快速以太网FE 3.4千兆以太网GE 3.5万兆以太网10GE 3.6以太网升级 习题,第3章万兆以太网技术,当前应用最广泛的局域网是以太网家族。以太网系列技术是目前局域网组网首选的网络技术。,以太网家族包括以下成员：,10Mbit/s以太网：简记为10ME。它是最初被标准化的以太网，它的数据率是10Mbit/s。 快速以太网：Fast Ethernet，简记为FE。它的数据率是100Mbit/s。 千兆以太网：Gigabit Ethernet，简记为GE。它的数据率是1000Mbit/s。 万兆以太网：10Gigabit Ethernet

3、，简记为10GE。它的数据率是10000Mbit/s。,以太网IEEE802.3标准,3.1以太网通信方式,早期以太网采用总线型拓扑结构组网，网络中的主机共享数据通道。以太网解决多台主机共享信道的方法是载波侦听多路存取(Carrier Sense Multi Access，CSMA)。,3.1.1 CSMA数据发送规则,CSMA规定，当主机发送数据时，它首先侦听信道上是否有载波(尽管在采用基带传输的总线型局域网上不存在“载波”)。 若没有载波，则表明信道上没有数据在传输(没有主机使用信道)，主机便将数据发送到信道上。若有载波，主机按以下工作方式操作：,续,(1)主机仍然侦听信道直到信道空闲，然

4、后把数据发送出去。这种方式称为1-坚持CSMA。 (2)主机不再侦听信道，而是等待一个随机时间后，再侦听信道。这种方式称为非坚持CSMA。 (3)还有一种p-坚持CSMA，它应用于划分时隙的信道。在CSMA中，信道可以被附加上时间属性，使信道的访问在特定的时间间隔内进行。这种时间间隔就是时隙(有的文献称为时间槽、间隙)。主机在某些特定的时隙使用信道，而在其他时间等待或侦听。在p-坚持CSMA中，如果信道空闲，则侦听的主机以概率p发送，而以概率1-p把这次发送推迟到下一个时隙。在信道空闲时，此过程一直重复，直到发送成功或者另外的主机开始发送。如果主机检测出信道忙，它就等到下一时隙再开始侦听。,C

5、SMA能够做到,在信道忙时不会有其他主机打乱正在进行的发送。由于采用了信道侦听，因此在一定程度上减少了冲突发生的次数，从而提高了信道的利用率和整个网络的吞吐量。,CSMA不能完全避免冲突的原因,当主机A认为信道空闲时，主机B也可能认为信道空闲，因此，两台主机差不多同时发送数据，导致冲突发生。,带冲突检测的CSMA：CSMA/CD。,在CSMA/CD中，发送者要边发送边监听(listen while talking)，只要检测到冲突，则发送者就立即停止发送数据，并发出一个特殊信号，通知其他主机发生了冲突。然后等待一段时间重新开始。 CSMA/CD的工作流程如图3-1所示。,图3-1CSMA/CD

6、工作流程,问题,发送者如何检测出冲突呢? 做法是这样的：发送者把从信道上收到的信号的特性，如电压值、脉冲宽度等，与发送的信号的特性作比较，如果一致，则认为无冲突，否则认为发生了冲突。 冲突次数少时，还可以继续发送帧，但在重新发送之前要发送特殊的信号通知其他机器已经发生了冲突（强化冲突）。然后等待一段随机时间再去侦听信道。但是，当冲突次数超过一个门限值时，就要放弃发送。,3.1.2影响CSMA效率的因素,从上面的叙述中我们已经看到，避免冲突对提高信道利用率是至关重要的，下面我们就分析一下与冲突有关的因素。 在分析这些因素之前，我们首先讨论分时CSMA/CD的时间模型，以便后面内容的叙述。该模型如

7、图3-2所示。,图3-2 分时CSMA/CD 时间模型,三种时间间隔(周期),传输周期：该时间内信道上有数据在传输。 争用周期：有数据要发送的主机在这段时间内侦听信道。 空闲周期：该时间内，信道上没有数据传输，也没有主机侦听信道。,问题：,假如一台主机A在争用周期的第一个时隙开始(即图3-2的t0时刻)发送数据，那么其他主机需要等待多长时间后发送数据才能避免冲突。显然，讨论这个问题对于提高信道利用率具有重要意义。,讨论,假设在t0时刻，A的第一个比特离开A开始向B传输，经过后到达B。如图3-3所示，如果B在t0到t0+之间发送数据，就会导致冲突。,图3-3冲突在t0到t0+之间发生,结论,冲突

8、信号需要经过2到达A，此时A才能检测出冲突。 可见，从t0时刻起，要想避免与A发生冲突，其他主机至少要在t0+之后发送数据。而A最晚可能在t0+2时刻检测到冲突。 显然，与A到B之间距离d和信号传输速度r有关，即 =d/r 而传输速度r又与信道有关。对于UTP电缆信道，电磁波在电缆中的传播速度r最大只有在自由空间的65%左右，因此，1km电缆的5.1210-6s=5.12s。,问题：数据发送需不需要时间,实际上主机发送数据也需要时间。数据的第一个比特离开主机到最后一个比特离开主机之间的时间被称为发送时间。单位时间内发送的比特数，称为比特率。 因此，当A的第一个比特到达B时，可能A发送数据的最后

9、一个比特还在A中。同样，主机接收数据也需要时间。,公式,显然，数据的发送时间与数据的长度L和比特率R有关(R又与数据编码方式有关)。数据帧的最小长度Lmin应该满足关系： 2=Lmin/R （公式A） 即 Lmin=2R 又由于 =d/r 所以 Lmin=2dR/r 其中d为网络共享链路的长度，常被称为网络直径，R是数据率，r是信号传输速率。,结论：,（1）共享信道上的主机要在A发送数据后的时间后发送数据才可能避免冲突。 （2）A发送数据的长度要大于2r，才能避免潜在的冲突。 （3）从以上公式A可以看出，为了避免冲突、提高信道的效率，应该在d、R、r之间做出合理的匹配。换句话说，当网络规模(d

10、)不同时，使用的信道(r)和采用的编码方式(R)也要做相应的调整。,3.1.3 IEEE802.3标准的CSMA/CD,IEEE802.3以太网使用CSMA/CD发送数据。IEEE802.3使用的时间模型如图3-4所示。,图3-4 802.3 CSMA/CD时间模型,IEEE802.3 CSMA/CD,当检测到冲突时，发送方要发送一个32比特的JAM信号，其他主机收到此信号后即认为发生了冲突。然后要等待一段随机时间，再去侦听信道。这个过程称为后退。 等待的随机时间由二进制指数后退算法计算。计算公式是： 后退时间=R2min(N，10) 其中R是一个随机整数，R的作用是保证后退时间的随机性，避免

11、冲突方因后退了相同的时间而再同时发送引起的冲突，N是发送尝试次数。,IEEE802.3 CSMA/CD详细工作流程,如图3-5所示。,图3-5 802.3 CSMA/CD工作流程,公式A中的参数在IEEE802.3 CSMA/CD实现的情况,在最早的IEEE802.3a粗同轴电缆以太网标准中，链路最大长度为500m，帧最小发送时间为51.2s。对于10Mbit/s数据率的以太网，最小帧长度=最小发送时间/比特宽度=51.2s/(1/10Mbit/s)=51.2s10bit/s=512比特，即64字节。10Mbit/s以太网的比特宽度为1/10s。,续,在100Mbit/s快速以太网中，比特宽度

12、为1/100s，而我们知道最小帧长度没有增大，还是64字节，那么公式A中哪些指标作了修改呢?事实上是d作了修改，两个节点间的最大距离是100m。另外，编码做了修改，用4B/5B编码代替了10ME以太网使用的曼彻斯特编码。,续,对于1000Mbit/s的千兆以太网GE，比特宽度为1/1000s。为了保持与早期10M、100M以太网的兼容和降低升级的成本，GE没有对d=100m和链路介质做出修改，而是修改了帧长度，增加了扩展字段，增加了发送时间，从而抵消了比特宽度缩短带来的负面影响。 为了保证与以前所有的以太网兼容，万兆以太网(10Gigabit Ethernet，10GE)采用了另一种修改帧格式

13、的策略。,续,对于10G以太网，比特宽度更小，仅为GE的1/10。但10GE仅增加了2字节HEC字段，这样做的原因在于10G以太网采用光纤链路技术(如SDH)，传输延时和d的限制放宽了。,IEEE802.3 MAC实现CSMA/CD的细节：,时间槽：10ME是512比特时间(=51.2s)，FE是512比特时间(=51.2s)，GE是5128比特时间(=4.096ms)。 MAC帧长度：10ME和FE、GE、10GE是641518字节，GE通过载波扩展后帧的长度是5121966字节。 IPG：96比特时间。比特时间随数据率变化。 最大重发次数：15次。 随机等待时间(后退时间)：等于R2min

14、(N,10)。N是重发次数。,续,最大后退次数：等于min(N,10)=10。 帧突发计时时间：最大为65536比特时间。 冲突检测机制：电压超出冲突阈值或发送器和接收器同时变为活动状态。 JAM信号长度：32比特。,3.210M以太网,3.2.1帧结构 10ME以太网帧结构如图3-6所示。,图3-6 10ME帧(阴影部分为MAC帧),阴影部分帧字段含义是：,源地址/目的地址：占26字节。在基带信号1标准中只使用6字节长度的地址。地址字段的内容是MAC地址，该地址由IEEE分配，唯一地标识MAC帧的发送者和接收者。 长度：占2字节。由于IEEE 802.3 MAC帧数据字段是变长的，因此要指明

15、其实际的长度，该长度值放在长度字段中。接收MAC帧时，接收方要进行长度检查，MAC帧被放入缓冲区的同时对其位数进行计数。当时间槽结束后，检查计数值是否在512比特(最小长度)至12144比特（最大长度）之间，如果是，则认为帧长度合法，否则认为帧是冲突碎片或超长帧，并将之从缓冲中消除。,续,数据：占01500字节。该字段存放MAC帧封装的上层协议的数据，即LLC帧。 填充：占046字节。当数据字段的长度小于46字节时，需要填充数据使MAC帧的长度不小于64字节，以区别其他无用帧(因冲突产生的碎片)。满足一定条件的最小帧长度可以减少冲突的发生。IEEE 802.3 MAC帧的最小长度是64字节。

16、帧校验序列(Frame Correction Sequence，FCS)：占4字节，其内容是循环冗余校验算法 (Cyclic Redundancy Check，CRC)计算出的监督比特序列。CRC算法的输入值是地址、长度、数据和填充字段等有效数据构成的二进制比特流，输出值就是包含FCS在内的整个MAC帧。,注意,上述五个字段构成了IEEE802.3 MAC帧。IEEE802.3 MAC标准只处理地址、长度、数据/填充和FCS字段，而前导(preamble)和帧开始定界符(Start of Frame Delimiter，SFD)字段由物理层处理，前导和SFD不是MAC帧的字段，它们和MAC帧构

17、成以太网帧。 物理层使用它们把MAC帧封装到物理层的数据结构中。,IEEE802.3标准以太网帧的前导字段和SFD,占7字节，每个字节的内容是10101010。该字段二进制数据的曼彻斯特编码会产生10MHz持续5.6s的方波，从而使接收方与发送方的时钟同步。 帧开始定界符SFD占1字节，其内容10101011，表明MAC帧即将开始。,图中DIX 以太网,是由DEC、Intel和Xerox三家公司联合开发的。DIX以太网帧的前导有62比特，它们由1和0交替排列组成。同步位是11。 因此，DIX以太网帧和IEEE802.3以太网帧左面64比特是一样的。,1.MAC地址,IEEE MAC地址的结构如

18、图3-7所示。,图3-7 MAC地址结构,MAC地址字段含义是：,I/G：占1比特，称为单个或组地址标志(Individual or Group address flag)。它指明该MAC地址是单个的地址(0)，还是组地址。当I/G=1时，MAC地址的其余47比特用于编码组地址，此时U/L、OUI和OUA字段不存在。 U/L：占1比特，称为通用或局部管理标志(Universal or Local administration flag)。它指明该MAC地址是全局唯一的(U/L=0)，还是局部唯一的(U/L=1)。由非网络接口设备厂商生产的设备，其U/L=1，此类设备一般专用于局部网络。,续,O

19、UI：占22比特，称为组织唯一标识(Organizationally Unique Identifier)。它指明具有该MAC地址的设备是由哪个供应商生产的。OUI由IEEE分配给厂商，一个厂商可以得到1个或几个OUI。 OUA：占24比特，称为组织唯一地址(Organizationally Unique Address)。它是厂商给自己生产的接口设备分配的编号。同一厂商设备的OUA两两不同。因此任意两个MAC地址都不相同。,MAC地址被分成三类,单个通用MAC地址：该MAC地址的I/G=0且U/L=0，它全局唯一地寻址一个接口设备。当局域网数据帧只能发给一个接口设备时(此方式称为单播)，该帧

20、的目的地址必须使用这种MAC地址。这种地址又称单播地址。 广播MAC地址：48比特全为1的MAC地址称为广播MAC地址。当局域网帧要发给网上所有接口设备时，该帧的目的地址必须使用这种地址。它可以看成是一种特殊的组地址。,续,组播MAC地址：I/G=1，但其余47位不全为1的组地址。当局域网帧发给网上多个接口设备时，就要在该帧的目的地址字段中填入代表这些设备的组地址。,说明,局域网硬件在识别MAC地址时，实际上只关心它是单播地址还是组地址，而不去处理U/L、OUI或OUA字段。 由于MAC地址是协议参考模型第二层协议(MAC协议)使用的地址，它用于寻址网络接口，而且被固化在网络接口的物理硬件中，

21、不能被重新设置，因此它又经常被称为第二层地址、物理地址或硬件地址。,2.CRC编码算法,由于数据在通信线路上传送时可能因为电磁干扰等原因，使数据发生错误，因此，接收方在接收数据时要检查数据中是否包含错误，这称为差错控制。 差错控制的基本思想是在发送有效数据之前，先把它编码，然后再发送。编码以后，数据中包含了若干位的监督比特。接收方收到编码数据后，按照一定的规则判断数据在传送过程中是否发生了错误。如果没发生差错，就进行解码，把有效数据从编码中还原出来。,CRC编码算法的基本步骤,第一步，把k比特有效数据表示成M(x)=Mk-1xk-1+Mk-2xk-2+M1x+M0，其中Mi(i=0,k-1)就

22、是k比特的值(0或1)。例如，如果有效数据是10011，则对应的M(x)=x4+x+1。M(x)称为报文多项式。,续,第二步，定义T(x)=Xn-kM(x)-C(x)，其中C(x)是Xn-kM(x)除以G(x)的余式，显然T(x)能被G(x)除尽。G(x) 是生成多项式，IEEE802.3标准采用的G(x)是： G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 它能生成32位的监督比特。T(x)多项式的系数序列T=Tn-1Tn-2T0就是发送方发送的编码数据。接收方收到T后，让T(x)除以G(x)，如果能除尽，则认为接收的比特没有错

23、，否则，认为有错误。,如何从T=Tn-1Tn-2To中分离出有效数据呢？,换句话说，在T=Tn-1Tn-2To中哪些比特是有效数据呢？ 实际上，从T(x)的定义中不难得知，存在以下对应关系：Tn-1= MK-1,Tn-2=MK-2,Tn-k= M0。因此，接收方提取Tn-1Tn-2To的左边k比特作为有效数据即可。对于IEEE802.3以太网MAC帧而言，这k比特就是源地址、目的地址、长度和数据/填充字段的数据，而右边的n-k（=32）比特恰是CRC算法产生的FCS。,3.2.2网络接口结构,10ME的网络接口的基本结构如图3-8所示。,图3-8 10ME以太网卡结构原理图,图中主要结构的功能

24、是：,接口控制器：接口控制器包含多个寄存器和锁存器，用于控制网卡的接口电路。接口电路用于接收来自主机的控制命令并按序执行。网卡接口电路包含两部分，一部分是提供与主机总线相连的匹配电路，另一部分是网卡的板内控制电路。接口控制器是主机与网卡交换数据的控制者。,续,数据缓存器：数据缓存器包括接收缓冲区和发送缓冲区。网卡从局域网中接收的数据先要在接收缓冲区中缓存，以便网卡对它进行合法性检验等处理工作。网卡要发送的数据先要在发送缓冲区中排队，等待发送。缓冲存储器是主机与局域网交换数据的中转站。,续,以太网数据链路控制器(Ethernet DataLink Controller，EDLC)：EDLC是以太

25、网卡的核心部件，它执行以太网MAC操作，完成以太网MAC帧的接收和发送。网卡之所以称为以太网网卡就是因为有了EDLC，换句话说，如果该数据链路控制器能够处理令牌环网MAC帧，那么，这块网卡就称为令牌环网卡。,续,编码译码器：编码译码器把MAC帧的比特编码成曼彻斯特编码，然后交给收发器进行发送，或进行相反的工作。MCC（Manchester Code Controller）是曼彻斯特编码控制器，编码方案与通信介质有关，当采用BNC时，MCC使用适用于BNC的编码。,续,收发器：它负责发送和接收以太网帧的数字编码，它还可以检测冲突。 MAC地址存储器：用于存储网卡的MAC地址，该MAC地址在网卡出

26、厂之前就固化在地址存储器中了。,说明,EDLC主要完成的是数据链路层的功能，编码译码器和收发器完成的是物理层的功能，而接口控制器完成的是接口功能。 除了上述模块外，以太网网卡还有一些辅助模块，例如地址译码器、计数器、数据开关以及用于无盘工作站远程启动的BootROM插槽（图中没有画出）等，不再一一介绍。,EDLC与曼彻斯特编码/译码器之间的接口信号,如图3-9所示。,图3-9 典型的数据链路控制器与曼彻斯特编码译码器接口,3.2.3物理层结构,10ME物理层由若干个功能子层组成，如图3-10(a)所示。,图3-10 IEEE802.3以太网物理层,1.物理信号层PLS,PLS(Physics

27、Layer of Signal)的功能包括发送输出数据、接收输入数据、载波侦听、错误检测和监控模式(可选功能)。位于PLS层的编码器把MAC层串行数据进行曼彻斯编码，然后经AUI由MAU发送。 PLS内的编码器识别帧前导曼彻斯特编码产生的10MHz的方波，判断MAC帧的到来，进而生成MAC帧交给MAC层。PLS通过接收比较曼彻斯特编码信号，判断网络的活动情况。,2.连接单元接口AUI,AUI(Attachment Unit Interface)提供PLS与MAU之间的信号通道。PLS曼彻斯特编码就是通过AUI提供的信号通道发送给MAU的。AUI提供3对信号线，即数据输出(DO)、数据输入(DI

28、)和控制输入(CI)。 AUI在发送过程中，把数据由DO通道发送给MAU，MAU在向外发送的同时，由DI通道向内发送。这种回环机制保证MAC和PLS可以观察到AUI和MAU的工作状态。,3.介质连接单元MAU,MAU(Medium Attachment Unit)提供与网络介质之间的功能、电气和机械接口。它负责把主机接入网络。因此，MAC、PLS和AUI都无需随介质的改变而改变，只需MAU做出调整即可。 MAU具有六种基本的功能，即发送数据、接收数据、回环、冲突检测、信号质量错误（SQE）测试、过长发送保护和链路完整性检测。,MAU根据以下事实认定冲突发生：,(1)对于10BASE5和10BA

29、SE2同轴电缆网络，如果检测到的电压超出冲突阀值(一般为-1.6v，而正常值-9v)，则认为发生冲突。 (2)对于10BASE-T双绞线网络，如果发送线和接收线同时变得活动，则认为发生冲突。因为10BASE-T采用分离的发送和接收信号通路。,冲突报告,当MAU检测到一个冲突时，它通过CI通道发送10MHz方波向MAC报告。在冲突期间，MAU继续通过DI通道向内返回数据。当该MAC停止发送时，如果网络仍然活动，则MAU将向MAC发送来自网络的数据。,SQE测试,其的作用在于把MAU的工作状态告知位于MAU之上的功能层。在每一次帧发送完成的一个短时期内，MAU产生一个SQE测试信号(一小段10MH

30、z脉冲)。SQE测试脉冲必须在帧发送结束后0.6s1.6s时间内开始发送，并持续515比特时间。,过长发送保护机制,用于防止某一节点持续发送数据而完全占用网络资源。如果MAC在DO上持续发送20150ms，则MAU将中止向网络上发送数据，同时停止回环，并用CI指示存在冲突，直至MAC的数据输出停止。正常工作在0.5s0.25s后才能进行。,3.2.4物理层标准,10ME以太网有五种物理层标准：10BASE5(粗同轴线缆以太网)、10BASE2(细线缆以太网)、10BASE-T(UTP以太网)，10BASE-F(光缆以太网)、10BROAD36(宽带传输), 如图3-11所示。,图3-11 10

31、ME以太网物理层,1.10BASE5(粗缆以太网),1983年，IEEE委员会公布了10BASE5标准。10BASE5是原始的以太网802.3标准，它使用直径为10毫米的粗同轴电缆作为通信介质。这种电缆必须使用50欧姆/1W的电阻端接。,工程设计指标,10BASE5允许每个以太网段有100个站。 10BASE5适用于总线拓扑结构，所有的站都经过一根同轴电缆进行连接，一个网段的最大长度为500米。 10BASE5的网络直径为2500米，即一个10BASE5以太网可以由5个500米长的网段和4个中继器组成。,2.10BASE2(细缆以太网),1988年，IEEE委员会公布了10BASE2标准。10

32、BASE2与10BASE5相似，主要是为降低安装10BASE5的成本和复杂性而设计的。,10BASE5和10BASE2的不同之处包括：,(1)10BASE2每个网段只允许30个节点，而10BASE5则允许100个节点； (2)10BASE2网段的最大长度是185米，而10BASE5的最大长度为500米； (3)10BASE2仍保持10BASE5的4中继器/5网段的配置规则(称为5-4-3规则)，允许的最大网络直径为5185=925米，如果使用中继器，则单个网段的最大长度可扩展到300米；,续,(4)10BASE2标准使用廉价的50欧姆同轴线缆； (5)10BASE2将MAU和AUI跳线集成到网

33、卡中； (6)10BASE2标准中，网卡上的AUI或DB-15连接器可由BNC筒形连接器取代。 (7)与粗缆以太网相比，细缆以太网更容易安装，更容易增加新站，从而能够大幅度地降低费用，因此细缆一度取代粗缆以太网成为工作组布线的最佳方案。,3.10BASE-T(双绞线以太网),1990年IEEE通过10BASE-T标准。它与同轴线缆标准有很多的不同，例如： (1)10BASE-T使用两对无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair，UTP)作为通信介质，一对双绞线发送数据，另一对双绞线接收数据，连接器是RJ-45标准8针插头； (2)10BASE-T使用曼彻斯特编码，但为了在UT

34、P上传输，信号频率采用20MHZ，并且必须使用3类或更高的UTP线缆；,续,(3)按EIA568布线标准，10BASE-T最大网段长度是100米，中继器-中继器之间的最大距离限制在100米之内； (4)10BASE-T每网段只允许两个节点，即UTP一端连接网卡，另一端连接Hub； (5)10BASE-T遵守5-4-3规则。5-4-3规则在3.2.5小节介绍。,4.10BASE-F(光缆以太网),1992年IEEE通过10BASE-F标准。10BASE-F是在IEEE早期的FOIRL(光缆互连中继器链路)规范的基础上制定的。 10BASE-F使用双工光缆，一条光缆用于发送数据，另一条用于接收。I

35、EEE10BASE-F标准定义四套不同的光缆规范。,四个不同的规范,(1)10BASE-FP适用于无源的星型结构，即不需要单独的电源。每个网段500米，MAU集成到中继器或DTE之中； (2)10BASE-FB适用于主干网或中继器光缆系统，其中MAU重新集成到中继器之中，不允许DTE连接，链路段长1000米，多个中继器可以串行级联；,续,(3)10BASE-FL是基于FOIRL标准的，并与之能逆向兼容。但它只能用来连接中继器，并需要外接MAU收发器，允许1000米或2000米的链路段。 (4)新的FOIRL标准与最初标准的区别是允许连接DTE，即允许一对一的中继器对中继器链路，或一个中继器连接

36、许多个DTE。链路段长度仍保持最初FOIRL标准的1000米长。前四种10ME以太网物理层标准应用比较广泛，它们的比较如表3-2所示。,3.2.5 5-4-3规则,由于通信介质最大长度的限制，因此，较大范围的以太网可以由若干网段通过中继器（或Hub）连接构成。参加联网的网段和中继器(或Hub)的数量是有限制的，它们的数量和连接方法遵守5-4-3规则。,5-4-3的含义,（1）“5”是指网段的最大个数； （2）“4”是指连接网段的中继器的最大个数； （3）“3”是指只有3个网段上有主机。 5-4-3规则的示意图如图3-12所示。,图3-12 以太网互联的5-4-3规则,3.3快速以太网FE,快速

37、以太网的帧结构与10ME的一样，不再重复介绍。,3.3.1FE物理层结构,FE物理层结构如图3-10(b)所示。,1.协调（RS）子层,RS (Reconciliation Sublayer)的作用是在MAC层与介质无关接口MII之间进行数据的串并转换：发送时，RS把MAC层的串行比特流以4比特 并行比特为单位交给MII1；接收时，把MII的并行比特流转换成串行数据交给MAC层。,2.介质无关接口MII,MII(Medium Independent Interface)使上层与网络介质类型无关，因此可以连接到不同的介质上。 在FE中，MII是个18针信号接口，信号引脚包括发送、接收、时钟、数据

38、有效、报错、载波(网络)活动、冲突检测和管理信号。数据经过MII的速率是每个时钟周期4比特。时钟频率是2.5MHz(支持10M bit/s数据率)或25MHz(支持100Mbit/s数据率)。,3.物理编码（PCS）子层,PCS(Physical Coding Sublayer)的主要功能是把MII交下的并行数据进行编码或把从PMA收到数据解码后交给MII。 在编码的发送过程中，PCS还要进行包定界、载波扩展、错误指示和链路配置等工作。 除了发送功能，PCS还具备接收、同步、载波侦听和自动协商功能。这些功能和GE和10GE的局域网部分是一致的。,FE PCS的编码方案,(1)4B/5B编码：当

39、通信介质是两对5类UTP和光纤时使用该编码。4B/5B编码将4比特并行二进制数据转换成5比特二进制并行数据。然后交给PMA子层。 (2)8B/6T编码：当通信介质是四对3类UTP时使用该编码。8B/6T编码将两组4比特并行二进制数据转换成6比特并行的三进制数据。然后交给PMA子层。最终在三对双绞线通道的一对上发送。第四对线用于冲突检测。,续,(3)PAM55脉冲振幅调制二维坐标编码：当通信介质是两对3类UTP时使用该编码。PAM55编码把4比特并行二进制数先进行扰码，再映射到一对五进制数据。最终由两对双绞线发送。,4.物理介质连接（PMA）子层,PMA(Physical Medium Atta

40、chment)是PCS和物理介质相关（PMD）子层间的接口，完成PCS编码的并行输出数据的串行转换，然后将串行数据交给PMD发送。当PMA收到PMD的串行数据后，将它转换成并行数据交给PCS去解码。在GE中，PMA采用ANSI光纤通道10比特接口(TBI)技术实现。,5.物理介质相关（PMD）子层,PMD(Physical Medium Dependent)是实际进行物理层比特流发送和接收的功能实体，对应的硬件模块称为收发器(10ME的收发器在MAU中)。发送时，PMD把PMA的串行比特数据转换成通信介质使用的脉冲信号发送给介质。接收时，把介质上的信号转换成串行比特数据交给PMA。PMD是物理

41、层的最低子层。,6.自动协商AutoNeg,在FE中，设备通过发送“快速链路组发脉冲”来表明自己的存在。其他设备通过接收该信号识别链路伙伴，并选择与其兼容的工作模式，例如数据率、双工方式、最低电缆要求等。在GE中自动协商包括在PCS中实现。其基本作法与FE一致。自动协商使得处在不同工作模式的设备能够共处一网。,7.介质相关接口MDI,MDI(Medium Dependent Interface)负责将PMD与介质进行连接。MDI对应的硬件是连接器。如铜介质的RJ45、BNC、T型头和光纤的ST/SC连接器。,3.3.2FE物理层标准,FE的物理层标准如图3-13所示。,图3-13 FE以太网物

42、理层,1.100 BASE-TX(5类UTP),100BASE-TX使用两对5类无屏蔽双绞线UTP传输数据，其中一对(第1,2号线)用于数据发送，另一对(第3,6号线)用于数据接收(在10BASE-T中也是这样规定的)。 100BASE-TX使用的编码技术是4B/5B，在物理编码子层PCS和物理介质接入PMA子层中做出了规范。,2.100BASE-FX(光纤),100BASE-FX使用两根光纤进行数据传输，其中一根用于数据发送，另一根用于数据接收。100BASE-FX也使用4B/5B编码技术，编码和数据发送过程与100BASE-TX很相似，只是不进行扰码和MLT-3编码处理，这是因为光纤介质不

43、受125MHz数据转换频率产生的RFI/EMI效应的影响。,3.100BASE-T4(3类UTP),100BASE-T4使用四对3 类UTP传输数据，其中三对(第1,2/4,5/7,8号线)用数据发送，另一对(第3,6号线)用于在冲突时检测网络活动，接收数据时，第3,6/4,5/7,8号线用于接收。 100BASE-T4使用8B/6T编码技术，该编码方式是专门为在3类UTP上每秒传输100M位数据而开发的。,4.100BASE-T2(3类UTP),100BASE-T2使用两对3类双绞线传输数据，两对线都可用于数据的发送和接收。 100BASE-T2使用PAM 55(脉冲振幅调制)二维坐标编码技

44、术。 100BASE-T2使用了多电平编码技术、均衡以及噪声消减技术。,说明,100BASE-T标准比较常用，其网段长度与10BASE-T一样，也是100m。100BASE-F一般用于交换机之间的互联链路。,3.3.3FE中继器,在IEEE802.3标准中，中继器设备的标准术语是中继器装置，它包括中继器单元、AUI和MAU部件。 FE中继器的逻辑功能实体如图3-14所示。,图3-14 IEEE802.3中继器功能实体,FE中继器的基本功能包括：,(1)发送：把从端口收到的数据以标准的信号发送给适当的端口。 (2)接收：从端口接收标准的信号。 (3)中继：在没有冲突的情况下，数据经中继器内部在端

45、口间传递。 (4)冲突检测：侦听端口状态，以检测冲突是否发生。 (5)信号恢复：把收到的存在幅度失真和时序失真的信号进行再生。 (6)错误处理：检测和处理节点或链路的不正常工作状态。 (7)端口隔离：把发生冲突时间过长或冲突次数较多的端口关闭。 (8)MAU过长发送锁定保护(MJLP)：MAU收发器设置一个MJLP定时器记录接收时间(在47.5ms之间)，如果接收时间超时则中断对该数据的中继。,FE两类中继器：类I和类II中继器,这两类中继器本质的区别是中继器延时，即从第一比特到达至第一比特离开的时间。类I中继器的延时是140比特时间，类II中继器延时是46比特时间(100BASE-X)或67

46、比特时间(100BASE-T4)。,两类中继器在以太网中配置差别,(1)类II中继器可以级联，即一个类II中继器的普通端口可以和另一个类II中继器的上行链路端口(Uplink Port)连接。从而使两个以太网段互联起来。而两个类I中继器不能这样做。 (2)另外，由于类II中继器延时要求苛刻，因此，它的端口必须全是100BASE-X端口或100BASE-T4端口，换句话说，不同的介质不能连接到同一个类II中继器。而类I中继器没有这个限制。,续,(3)由于类I中继器允许的延时较大，因此能够支持堆叠。 （4）类I中继器可以基于背板实现(Chassis-Based)。堆叠式Hub的每个端口仍处在同一个

47、冲突域。Hub内部的连接不涉及物理层，Hub之间中继数据时以数字方式进行，而不经物理层编码解码。基于背板的Hub实质是模块化的Hub，它由一个背板和多个Hub卡组成。Hub插到背板上的插槽中。背板插槽对应不同的数据总线，一个总线对应一个背板网段，一个网段对应一个独立的冲突域。,续,(5)类I中继器和类II中继器以太网的直径不同。,快速以太网三种常见配置,图3-15所示， 其网络直径的数值分别如表3-2(a)、(b)和(c)所示。,图3-15 三种FE以太网配置,表3-3 FE网络直径,(a)点到点链路L的最大长度,(b)单中继器配置链路LA和LB的最大长度,3.4千兆以太网GE,3.4.1GE

48、帧结构 IEEE802.3千兆以太网帧结构如图3-16所示。,图3-16 千兆以太网帧结构,从图中可以看出,GE MAC帧增加了扩展字段，使帧的最大长度由1518字节增加到1966字节。此处要明确指出，GE最小帧长度仍是64字节，即当扩展字段为空，数据/填充字段是46字节时。,3.4.2GE物理层结构,GE物理层如图3-10所示。,GMII,不是外露的接口，GMII采用芯片级的互联(FE的MII可采用芯片级、背板级、设备级互联)。GMII的数据通道宽度为8比特，经过GMII的数据率是每时钟周期8位。时钟频率是125MHz。为了与10M以太网和FE兼容，GE也支持相应的时钟频率。 GMII接口如

49、图3-17所示。,图3-17 GMII接口信号,GE PCS使用的编码方案,8B/10B。,3.4.2GE物理层标准,(1)1000BASE-CX：使用150屏蔽双绞线STP，其传输速率为1.25Gbps，传输距离为25m，主要用于集群设备的互连。 (2)1000BASE-LX：使用芯径为50m的单模光纤，其传输距离为3km，主要用于园区网主干网。 (3)1000BASE-SX：使用芯径为62.5m和50m的多模光纤，其传输距离为300m和500m，主要用于建筑物间和短距离主干网。 (4)1000BASE-T：使用5类UPT双绞线，传输速率为1Gbps，传输距离为100m，主要用于建筑物内的干

50、线布线。,千兆以太网的网络直径,如表3-4所示。,表3-4 GE中继器网络直径,千兆以太网MAC CSMA/CD,有全双工和半双工方式两种操作。 半双工方式下的CSMA/CD与IEEE802.3标准基本一致。主要区别表现在： (1)在时间槽之后检测到冲突时，放弃发送，不重传。因为在时间槽内有效数据已经发送完毕，如果重传，会导致接收方收到重复帧。 (2)为提高载波扩展导致的效率降低，千兆以太网采用了帧突发(bursting)技术。,帧突发的原理,当要发送一个帧时(该帧可能需要载波扩展，也可能不需要)，一个突发定时器同时被启动。当这个帧发送完毕之后，若突发定时器计时时间没到(此时介质仍然被发送方控

51、制着)，则还可以继续发送后续帧，这时后续帧就不需要进行载波扩展。 帧突发原理如图3-18所示。,图3-18 帧突发时间模型,全双工方式下,由于采用点到点链路，对CSMA/CD作如下修改： (1)当接收器处于活动状态时，正在进行的发送不会取消。而在半双工情况下(也就是CSMA/CD通常的状态)，接收器被检测处于活动状态时，即认为发生冲突，因此要停止发送。 (2)IPG的计算从第一个包结束时计算，而不象半双工方式那样从发送和载波活动结束之后计算。,说明,由于10G以太网仅支持全双工点到点链路，因此10G以太网删除了CSMA/CD。,3.5万兆以太网10GE,3.5.1 10GE帧结构 10G以太网

52、帧结构如图3-19所示。,图3-19 10G以太网物理帧,10GE 帧与10M以太网帧结构的不同：,在10G以太网帧头部添加了长度字段和头部差错校验字段(Header Error Correction，HEC)字段。长度字段占2字节，用于指示MAC帧的长度。HEC字段占2字节，位于SFD字段之后，它是长度、前导和SFD字段的CRC-16校验。此时，前导字段由原来的7字节减到5字节。,3.5.210GE物理层结构,由于10GE支持局域网和广域网，因此，10GE增加了一个广域网接口子层(WAN Interface Sublayer，WIS)。 WIS介于PMA和PCS之间，负责将MAC的8B/10

53、B编码与ANSI SONET STS-192C传输格式编码或ITU SDH VC-4-64C格式编码(统称为OC-192帧)进行映射。,10GE使用的编码方案有：,(1)局域网PCS使用8B/10B(对应物理层标准中的字母X)、64B/66B(对应字母R)。 (2)广域网WIS使用64B/66B(对应字母W)。,3.5.310GE物理层标准,10GE以太网只支持光纤通信介质。10GE物理层标准表示为：10GBASE-介质类型编码方案波长数，通式为： 10GBASE-E/L/SR/W/X1/4,介质类型,S表示短波长(850nm)，用于多模光纤在短距离(约为35m)传送数据； L代表长波长，用于

54、在园区的建筑物之间或楼宇的楼层间进行数据传输，当使用单模光纤时可支持10km的传输距离，而在使用多模光纤时，传输距离为900m； E代表特长波长，用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1550 nm波长的单模光纤时，传输距离可达40km。,编码方案,X代表局域网物理层中的8B/10B编码， R代表局域网物理层中的64B/66B编码， W代表广域网物理层中的64B/66B编码。,波长数,当波长数=4时，使用的是宽波分复用(WWDM)传输。在进行短距离传输时，WWDM要比密集波分复用(DWDM)适宜得多。 如果不使用波分复用，则波长数就是1，并且可将其省略。,3.6以太网升级,前面介绍了以太网家族技术细节和与工程有关的指标，本节介绍以太网的升级问题。,3.6.1以太网升级的含义,简单讲，以太网升级是指用功能指标高的新型以太网替换功能指标低的以太网。例如，用100Mbit/s的快速以太网网卡替换10 Mbit/s网卡，用100 Mbit/s快速以太网交换机替换10 Mbit/s的集线器，用1000 Mbit/s千兆交换机替换100 Mbit/s快速以太网交换机等。,3.6.2为什么要升级以太网,那么，为什么要进行以太网升级呢？主要原因包括以下方面： （1）网络应用对网络带宽的要求越来越高，早期以太网的功能指标不能很好地满足许多新型应用的要求。因此