第四章以太網(wǎng)課件

第四章以太網(wǎng)第一節(jié)10M以太網(wǎng)第二節(jié)100M以太網(wǎng)第三節(jié)1000M以太網(wǎng)第一節(jié)10M以太網(wǎng)1.1以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是目前使用最廣泛的局域網(wǎng)。傳輸速率從10Mbps發(fā)展到100Mbps直至目前的1000Mbps，以太網(wǎng)支持的傳輸媒體從最初的同軸電纜到雙絞線和光纜，從共享式以太網(wǎng)到交換式以太網(wǎng)，從半雙工以太網(wǎng)到全雙工以太網(wǎng)，為了區(qū)分各種可選用的實(shí)現(xiàn)方案,IEEE802.3委員會(huì)給出了一種簡(jiǎn)明的表示方法:

〈數(shù)據(jù)傳輸速率(Mbps)〉〈信號(hào)方式〉〈最大段長(zhǎng)度(百米)〉

802.310Base5粗纜 AUI 500米2.5k米802.3a10Base2細(xì)纜BNC185米925米802.3i10BaseT雙絞線RJ-45100米500米802.3j10BaseF光纖ST(SC)2km802.3u100BaseTX雙絞線RJ-45100米500米100BaseFX光纖ST(SC)2km802.3x全雙工以太網(wǎng)802.3z1000BaseX光纖，屏蔽銅纜802.3ab1000BaseT雙絞線1.2以太網(wǎng)媒體訪問控制方法一、幀結(jié)構(gòu)P：前導(dǎo)碼，接收雙方建立同步，“10101010”SFD：幀首定界符，表示此碼一過即為實(shí)際的幀，“10101011”DA：接收站的目的地址，第1位為“0”單址，第1位為“1”多址，全為“1”廣播SA：發(fā)送站的地址L：長(zhǎng)度(802.3)，指出LLC數(shù)據(jù)區(qū)的大小，在以太網(wǎng)幀中表示高層的協(xié)議，如IP協(xié)議、IPX協(xié)議PAD：填充字段FCS：幀校驗(yàn)序列二、載波監(jiān)聽多路訪問CSMA

載波監(jiān)聽多路訪問CSMA的技術(shù),也稱做先聽后說LBT(ListenBeforeTell)。要傳輸數(shù)據(jù)的站點(diǎn)首先對(duì)媒體上有無載波進(jìn)行監(jiān)聽,以確定是否有別的站點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)。如果媒體空閑,該站點(diǎn)便可傳輸數(shù)據(jù);否則,該站點(diǎn)將避讓一段時(shí)間后再做嘗試。這就需要有一種退避算法來決定避讓的時(shí)間,常用的退避算法有非堅(jiān)持、1-堅(jiān)持和P-堅(jiān)持三種。1.非堅(jiān)持算法

算法規(guī)則為:

(1)如果媒體是空閑的,則可以立即發(fā)送，直至發(fā)送完畢。

(2)如果媒體是忙的,則等待一個(gè)由概率分布決定的隨機(jī)重發(fā)延遲后,再重復(fù)前一步驟。

采用隨機(jī)的重發(fā)延遲時(shí)間可以減少?zèng)_突發(fā)生的可能性。非堅(jiān)持算法的缺點(diǎn)是:即使有幾個(gè)站點(diǎn)都有數(shù)據(jù)要發(fā)送,但由于大家都在延遲等待過程中,致使媒體仍可能處于空閑狀態(tài),使利用率降低。2.1-堅(jiān)持算法

算法規(guī)則為:

(1)如果媒體是空閑的,則可以立即發(fā)送，直至發(fā)送完畢。

(2)如果媒體是忙的,則繼續(xù)監(jiān)聽,直至檢測(cè)到媒體空閑,立即發(fā)送。

(3)如果有沖突(在一段時(shí)間內(nèi)未收到肯定的回復(fù)),則等待一隨機(jī)量的時(shí)間,重復(fù)步驟(1)~(2)。

這種算法的優(yōu)點(diǎn)是:只要媒體空閑,站點(diǎn)就立即可發(fā)送,避免了媒體利用率的損失;其缺點(diǎn)是:假如有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送,沖突就不可避免。3.P-堅(jiān)持算法

算法規(guī)則為:

(1)監(jiān)聽總線,如果媒體是忙的,繼續(xù)監(jiān)昕直至媒體空閑(2)如果媒體是空閑的,則以概率P發(fā)送,而以(1-P)的概率延遲一個(gè)時(shí)間單位。一個(gè)時(shí)間單位通常等于最大傳播時(shí)延的2倍。

(3)延遲了一個(gè)時(shí)間單位后,再重復(fù)步驟(1)。

三、CSMA/CD機(jī)理(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)

共享式以太網(wǎng)中，所有的節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的訪問是以多路訪問方式進(jìn)行的。任一節(jié)點(diǎn)都可以將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到總線上，所有連接在信道上的節(jié)點(diǎn)都能檢測(cè)到該幀。當(dāng)有兩個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間都發(fā)送了數(shù)據(jù)，在信道上就造成了幀的重疊，導(dǎo)致沖突出現(xiàn)。為了克服這種沖突，在總線以太網(wǎng)中常采用CSMA/CD協(xié)議，即帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問協(xié)議，它是一種隨機(jī)爭(zhēng)用型的介質(zhì)訪問控制方法。發(fā)送數(shù)據(jù)組織數(shù)據(jù)總線忙？啟動(dòng)發(fā)送沖突嗎？發(fā)送完成？發(fā)送完成沖突加強(qiáng)沖突次數(shù)n=n+1沖突次數(shù)>16？發(fā)送失敗退后延時(shí)YNYYYNNN示意動(dòng)畫1.發(fā)送規(guī)則二進(jìn)制退避算法2.接收規(guī)則接收幀啟動(dòng)接收是發(fā)給自己的嗎？發(fā)送成功廢棄接收數(shù)據(jù)沖突發(fā)生處理接收數(shù)據(jù)YNYYNN接收完成？CSMA/CD的特點(diǎn)在采用CSMA/CD協(xié)議的總線LAN中，各節(jié)點(diǎn)通過競(jìng)爭(zhēng)的方法強(qiáng)占對(duì)媒體的訪問權(quán)利，任何時(shí)刻只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)在發(fā)信息，出現(xiàn)沖突后，必須延遲重發(fā)。因此，節(jié)點(diǎn)從準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)到成功發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間是不能確定的，它不適合傳輸對(duì)時(shí)延要求較高的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)方便、增刪節(jié)點(diǎn)容易，網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)載（節(jié)點(diǎn)數(shù)較少）的情況下效率較高。但是隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，傳遞信息量增大，即在重負(fù)載時(shí)，沖突概率增加，總線LAN的性能就會(huì)明顯下降。四、碰撞槽時(shí)間在CSMA/CD的傳輸控制方式中，沖突要經(jīng)過最長(zhǎng)多少時(shí)間會(huì)被檢測(cè)出來？是否在發(fā)送過程中一直要檢測(cè)沖突呢？傳播延遲：傳輸媒體的延遲交換延遲：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的延遲訪問延遲：計(jì)算機(jī)等待訪問媒體的延遲排隊(duì)延遲：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，在隊(duì)列中的等待時(shí)間從圖中可以得出以下結(jié)論：檢測(cè)沖突的時(shí)間等于總線上最遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)之間，端到端延遲時(shí)間的兩倍（即2τ）。這就是碰撞槽時(shí)間。它是幀發(fā)送過程中發(fā)生碰撞的時(shí)間的上限，也就是在這段時(shí)間中可能檢測(cè)到?jīng)_突，而一過這段時(shí)間，就不會(huì)發(fā)生沖突，也就不會(huì)檢測(cè)到?jīng)_突，即能發(fā)送成功。示意動(dòng)畫最小幀長(zhǎng)度Lmin為了滿足發(fā)送過程中的沖突檢測(cè)，對(duì)發(fā)送站所發(fā)送的信包（即數(shù)據(jù)幀）長(zhǎng)度有一定的要求，例如在10Mb/s的數(shù)據(jù)速率其數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度的最小值不能小于64字節(jié)（如所發(fā)送的信息不足時(shí)，可加以填充）。因?yàn)镃SMA/CD工作原理要求當(dāng)發(fā)送站一邊發(fā)送數(shù)據(jù)，一邊進(jìn)行沖突檢測(cè)，若檢測(cè)到?jīng)_突則立即中止發(fā)送，然后推遲一段時(shí)間，再發(fā)送。如果所發(fā)送的幀長(zhǎng)度太短，發(fā)送站還沒來得及檢測(cè)沖突就已經(jīng)發(fā)送完了，那么就無法進(jìn)行沖突檢測(cè)了。Slottime<=Lmin/R接收到的幀小于Lmin即為幀碎片。1.3物理層以太網(wǎng)在物理層上將幀的二進(jìn)制代碼進(jìn)行曼徹斯特編碼，然后通過收發(fā)器發(fā)送到媒體段上。收發(fā)器發(fā)送前檢測(cè)媒體上是否存在載波，在發(fā)送過程中判斷是否存在碰撞。收發(fā)器接收信號(hào)并進(jìn)行譯碼，送至MAC子層。對(duì)于不同的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其收發(fā)器是不一樣的，10Base5的收發(fā)器是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，在網(wǎng)卡外面與粗纜相連，而10Base2、10BaseT和10BaseF的收發(fā)器為一塊芯片集成在網(wǎng)卡上。1.410BaseT組網(wǎng)特點(diǎn)雙絞線介質(zhì)(UTP)以Hub(集線器)為中心節(jié)點(diǎn)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形，邏輯上仍然是總線形。NICHUB段最大長(zhǎng)度100m1.雙絞線的制作目前在10BaseT、100BaseTX以及1000BaseT中最常使用的布線標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：EIA/TIA568A和EIA/TIA568B。

EIA/TIA568A的線序?yàn)椋喊拙G

綠

白橙

藍(lán)白藍(lán)

橙

白棕

棕EIA/TIA568B的線序?yàn)椋喊壮瘸?/p>

白綠

藍(lán)白藍(lán)

綠

白棕

棕2.直通線用雙絞線連接計(jì)算機(jī)和集線器、交換機(jī)時(shí)，兩端的RJ45頭中的線的分布排列必須完全一致，稱為“直通”的排列方式，如下圖所示。注意：1，2必須是一對(duì)，用于數(shù)據(jù)發(fā)送，3，6必須是一對(duì)，用于數(shù)據(jù)接收。3.交叉線(CrossOver)

交換機(jī)（集線器）之間的連接以及計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的連接，采用“交叉”連接的方式，如下圖所示。即：1，3交叉，2，6交叉。或者使用Hub的開關(guān)，或級(jí)連端口。計(jì)算機(jī)——計(jì)算機(jī)Hub——Hub10Mbps以太網(wǎng)的中繼規(guī)則大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)中都有對(duì)連接網(wǎng)段的轉(zhuǎn)發(fā)器（集線器）數(shù)目的限制。在10Mbps的以太網(wǎng)中，使用5-4-3-2-1的規(guī)則：總共允許有5個(gè)網(wǎng)段（每個(gè)網(wǎng)段500米，雙絞線100米）；在信道上只允許連接4個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器；可以有3個(gè)網(wǎng)段連接客戶機(jī)；額外2個(gè)不能連接客戶機(jī)的網(wǎng)段用于將網(wǎng)絡(luò)延伸到其他位置；以上組成1個(gè)大型的沖突域，最大站數(shù)1024個(gè)，全網(wǎng)直徑2500米；第二節(jié)100M以太網(wǎng)2.1快速以太網(wǎng)(FastEthernet)的發(fā)展一、背景工作站的處理能力增強(qiáng)88年處理器速度10MBPS，95年150MBPS、2000年1000MBPS；各種應(yīng)用的功能越來越強(qiáng)多媒體、視頻會(huì)議、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD等；異步應(yīng)用要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有較大的帶寬，同步應(yīng)用要求實(shí)時(shí)的傳送數(shù)據(jù)；要求高的數(shù)據(jù)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲短、可靠性高；服務(wù)器的集中化提供服務(wù)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網(wǎng)絡(luò)帶寬；網(wǎng)絡(luò)用戶和工作站數(shù)目的日益增加傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的一些問題傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用共享介質(zhì)，雖然總線帶寬為10Mbps，但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)增多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷加重，沖突和重發(fā)增加，網(wǎng)絡(luò)效率下降、傳輸延時(shí)增加，造成總線帶寬為30~40%；服務(wù)器端使用16位網(wǎng)卡（速率10Mbps），使得服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸；二、解決方案升級(jí)到高速網(wǎng)絡(luò)，如100BASE-T(快速以太網(wǎng))、FDDI、1000BASE-T(千兆位以太網(wǎng))、ATM；發(fā)揮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用網(wǎng)絡(luò)分段、優(yōu)化服務(wù)器，提高子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能；增加路由器連接子網(wǎng)；使用局域網(wǎng)交換機(jī)，將“共享介質(zhì)局域網(wǎng)”改為“交換式局域網(wǎng)”；共享快速以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbps，它保留著傳統(tǒng)的10Mbps以太網(wǎng)的所有特征，即相同的幀格式、相同的介質(zhì)訪問控制方法(CSMA/CD)、相同的組網(wǎng)方式，只是將每個(gè)bit的傳輸時(shí)間從100ns降低到10ns。IEEE802.3為快速以太網(wǎng)定義了新的傳輸介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其MAC子層和LLC子層未加改變。100Base-TX支持2對(duì)五類非屏蔽雙絞線（UTP）或2對(duì)一類屏蔽雙絞線（STP）。其中1對(duì)用于發(fā)送，另1對(duì)用于接收，因此100Base-TX可以全雙工方式工作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)以100Mbps的速率發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。使用五類UTP的最大距離為100米。100Base-T4支持4對(duì)三類非屏蔽雙絞線UTP，其中有3對(duì)用于數(shù)據(jù)傳輸，1對(duì)用于沖突檢測(cè)。100Base-T2支持2對(duì)三類非屏蔽雙絞線UTP。100Base-FX支持2芯的多?；騿文９饫w。100Base-FX主要是用作高速主干網(wǎng)，從節(jié)點(diǎn)到集線器HUB的距離可以達(dá)到450米。2.2快速以太網(wǎng)的跨距

由于快速以太網(wǎng)采用與10Mbps相同的媒體控制方法，而其傳輸速率增大了10倍，幀格式未變，最短幀長(zhǎng)度未變，因此，而要滿足Slottime<=Lmin/R，則網(wǎng)絡(luò)的跨距將減小。在快速以太網(wǎng)中有兩類中繼器：I類：包括收發(fā)器和編碼/譯碼功能模塊，它不僅能延伸媒體，而且還能轉(zhuǎn)換傳輸?shù)木幋a，因此延時(shí)長(zhǎng)II類：只有收發(fā)模塊，用于延伸媒體

100米I/II類中繼器100米100米II類中繼器100米100米II類中繼器5米在100BaseFX環(huán)境下，2個(gè)DTE之間的跨距不能超過412米，如果使用I類中繼器，跨距為270米，II類中繼器跨距為320米，2個(gè)II類中繼器跨距為228米。2.310/100Mbps自動(dòng)協(xié)商(Auto-Negotiation)為了實(shí)現(xiàn)從10Mbps到100Mbps的簡(jiǎn)單遷移，100BaseT標(biāo)準(zhǔn)中包括了作為自動(dòng)協(xié)商一部分的自動(dòng)速度感應(yīng)功能，該功能使得以10BaseT和100BaseT速度傳輸數(shù)據(jù)的兩端自動(dòng)傳送可行的操作模式，并采用另一端設(shè)備所支持的最快的模式。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，支持自動(dòng)協(xié)商的設(shè)備在鏈路上發(fā)出FLP(快速鏈路脈沖信號(hào))，支持自動(dòng)協(xié)商端口的雙方設(shè)備利用FLP所攜帶的信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)協(xié)商，并且配置成共同的最佳工作模式。自動(dòng)協(xié)商的優(yōu)先級(jí)排隊(duì)100BaseT2全雙工→100BaseTX全雙工→100BaseT2→100BaseT4→100BaseTX→10BaseT全雙工→10BaseT自動(dòng)協(xié)商并未檢查媒體，因此如果媒體使用3類雙絞線或布線的質(zhì)量未達(dá)到100BaseTX，而如果雙方協(xié)商后的端口工作速率為100BaseTX，則系統(tǒng)可能不能正常工作，此時(shí)必須強(qiáng)制設(shè)置端口為10BaseT第三節(jié)千兆位以太網(wǎng)(GigabitEthernet)3.11Gbps以太網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和功能模塊盡管快速以太網(wǎng)具有高可靠性、易擴(kuò)展性、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且成為高速局域網(wǎng)方案中的首選技術(shù)，但在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、桌面電視會(huì)議、3D圖形與高清晰度圖像的應(yīng)用中，人們不得不尋求更高帶寬的局域網(wǎng)，1Gbps以太網(wǎng)就是在這種背景下產(chǎn)生的。與快速以太網(wǎng)一樣，1Gbps保留著傳統(tǒng)的10Mbps以太網(wǎng)的所有特征，即相同的幀格式、相同的介質(zhì)訪問控制方法(CSMA/CD)、相同的組網(wǎng)方式，只是將每個(gè)bit的傳輸時(shí)間從100ns降低到1ns。在1Gbps以太網(wǎng)的物理層中除了傳統(tǒng)的編碼/譯碼、收發(fā)器和媒體三個(gè)主要模塊外，還定義一種千兆位介質(zhì)無關(guān)接口(GMII)，它將MAC子層和物理層分隔開來，使得物理層在實(shí)現(xiàn)1Gbps速率所采用的傳輸介質(zhì)和信號(hào)編碼方式的變化不會(huì)影響MAC子層。在1Gbps的設(shè)備上提供的是通用GBIC端口，然后可以為不同的傳輸介質(zhì)配置不同的收發(fā)器模塊。1Gbps提供了4類收發(fā)器模塊1.1000Base-SX使用短波長(zhǎng)激光作為信號(hào)源的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)技術(shù)，配置波長(zhǎng)為770-860nm（一般為850nm）的激光傳輸器，只能支持多模光纖。1000Base-SX所使用的光纖規(guī)格有兩種：62.5微米多模光纖使用62.5微米多模光纖在全雙工方式下的最長(zhǎng)傳輸距離為275米；50微米多模光纖使用50微米多模光纖，全雙工方式下最長(zhǎng)有效距離為550米。常用的連接器為SC型2.1000Base-LX1000Base-LX使用長(zhǎng)波長(zhǎng)激光作為信號(hào)源的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)技術(shù)，配置波長(zhǎng)為1270-1355nm（一般為1300nm）的激光傳輸器，既可以驅(qū)動(dòng)多模光纖，也可以驅(qū)動(dòng)單模光纖。1000Base-LX所使用的光纖規(guī)格為：62.5微米多模光纖、50微米多模光纖、9微米單模光纖。使用多模光纖時(shí)，在全雙工方式下，最長(zhǎng)傳輸距離可以達(dá)到550米(50m)；使用單模光纖時(shí)，全雙工方式下的最長(zhǎng)有效距離為5000米。常用的連接器為SC型3.1000Base-CX1000Base-CX是使用銅纜作為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的兩種千兆以太網(wǎng)技術(shù)之一。1000Base-CX使用了一種特殊規(guī)格的高質(zhì)量平衡屏蔽雙絞線，最長(zhǎng)有效距離為25米，使用9芯D型連接器連接電纜。4.1000Base-T1000BaseT使用4對(duì)5類UTP作為網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)技術(shù)，最長(zhǎng)有效距離與100Base-TX一樣可以達(dá)到100米。采用這種技術(shù)可以在原有的快速以太網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)從100Mbps到1000Mbps的平滑升級(jí)。3.21Gbps的組網(wǎng)一、