數(shù)字通信網(wǎng)系列講座2.ppt

1、1,數(shù)字通信網(wǎng)系列講座（二）,中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程系 張光昭 2001.6,2,2 快速以太網(wǎng)與千兆以太網(wǎng),2.1 IEEE802 LAN標(biāo)準(zhǔn) 2.2 IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)與以太網(wǎng) 2.3 100BASET快速以太網(wǎng) 2.4 交換式以太網(wǎng) 2.5 以太網(wǎng)接線與網(wǎng)絡(luò)部件 2.6 千兆以太網(wǎng),3,2.1 IEEE802 LAN標(biāo)準(zhǔn),1980年2月IEEE成立LAN的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，以后該委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)就稱為IEEE802標(biāo)準(zhǔn)。 1980年發(fā)布Ethernet規(guī)范v.1。 1983年發(fā)布10BASE5標(biāo)準(zhǔn)（10M粗同軸線）。 1985年發(fā)布10BASE2標(biāo)準(zhǔn)（10M細(xì)同軸線）

2、。 1990年發(fā)布10BASET標(biāo)準(zhǔn)（10M雙絞線）。 1994年發(fā)布10BASEF標(biāo)準(zhǔn)（10M光纖）。 1995年發(fā)布100BASET標(biāo)準(zhǔn)（100M雙絞線）。 1998年發(fā)布1000BASEX標(biāo)準(zhǔn)（1000M光纖）。 LAN使用廣播式信道，因此它不需要路由，不需要網(wǎng)絡(luò)層。所以，IEEE802標(biāo)準(zhǔn)只包含最低的兩層物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。,4,IEEE802 Reference Model,application,physical,physical,DLL,Network,transport,session,presentation,LLC,MAC,High layer,SAP,SAP,OSI,IE

3、EE802,SAP: Service Access Point MAC: Medium Access Control LLC: Logical Link Control,5,*物理層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的編碼、解碼和位流傳輸。傳輸媒質(zhì)包含雙絞線、同軸線和光纖。 *數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）：負(fù)責(zé)相鄰節(jié)點(diǎn)間的幀傳輸。 DLL包含兩個(gè)子層： （1）邏輯鏈路控制子層（LLC）：負(fù)責(zé)幀傳輸（包含成幀、CRC編碼、尋址、差錯(cuò)控制和流量控制）； （2）媒質(zhì)訪問(wèn)控制子層（MAC）：負(fù)責(zé)媒質(zhì)的訪問(wèn)控制，如CSMA/CD, Token-bus, Token-ring, DQDB 等。,6,IEEE802 standard,P

4、hysical,physical,physical,physical,physical,DLL,802.3 CSMA/CD MAC,802.4 Token-bus MAC,802.5 Token-ring MAC,802.6 DQDB MAC,802.2 LLC,802.1 Reference documents,7,IEEE802 LLC Frame Format,DSAP,SSAP,C,DATA,1,1,1,N,Bytes,DSAP: Destination SAP C: Control Byte SSAP: Source SAP DATA: Packet,8,IEEE802 MAC Fr

5、ame Format,CSMA/CD:,TOKEN-BUS:,TOKEN-RING:,PR,SD,SA,DA,FC,AC,SD,PR,FC,L,SA,DA,SFD,SA,DA,LLC Frame,LLC Frame,LLC Frame,FS,ED,FCS,ED,FCS,FCS,PAD,7,1,2 or 6,2 or 6,2,0 to 1500,0 to 46,4,=1,1,1,2 or 6,2 or 6,0 to 8182,4,1,1,1,1,2 or 6,2 or 6,=0 No limit,4,1,1,Bytes,PR: Preamble SFD: Start of frame delim

6、iter DA: Destination address SA: Source address L: Length of data field FCS: Frame check-sum SD: Start delimiter FC: Frame control ED: End delimiter AC:Access control FS: Frame status,9,2.2 IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)與以太網(wǎng),1975年：Xerox公司第一個(gè)建立了一個(gè)2.94Mbps CSMA/CD系統(tǒng)，在1公里同軸線上可連接100個(gè)工作站，并稱為Ethernet。 1980年：Xerox，DEC和Intel

7、聯(lián)合起草了一個(gè)10Mbps的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。,10,2.2.1 CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection （載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞檢測(cè)） 1-堅(jiān)持 CSMA/CD: 當(dāng)一個(gè)工作站有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，它先偵聽(tīng)信道，看有沒(méi)有其它工作站正在傳輸數(shù)據(jù)。如果信道正忙，該工作站只好等到信道空閑為止；如果信道空閑，它就立即傳輸一幀，如果產(chǎn)生碰撞，它就等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間以后再重試。,Frame,Frame,連續(xù)偵聽(tīng),立即發(fā)送,11,Collision,L,Host A,Host B,cable,傳播時(shí)間：t = L

8、/c c : 電磁波在媒質(zhì)中的傳播速度 在真空：1/c = 3 s/km 在同軸線中：1/c = 5s/km 對(duì)于LAN，L 2km, 故 t 10s,12,Collision detection,A,B,A,B,A,B,A,B,Packet starts at time 0,Packet almost at B at time t,Collision at time t,Collision detected at time 2t,13,CSMA with collision Detection,如果兩個(gè)要發(fā)送數(shù)據(jù)的工作站偵聽(tīng)到信道是空閑的，它們幾乎同時(shí)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，它們將立即檢測(cè)到碰撞。 這

9、時(shí)它們并不將幀發(fā)送完，而是立即停止發(fā)送。因?yàn)楸慌鲎驳膸巡豢苫謴?fù)，停止發(fā)送可節(jié)約時(shí)間和帶寬。 然后，它們各等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間以后再來(lái)偵聽(tīng)信道，如果信道空閑則立即發(fā)送，否則連續(xù)偵聽(tīng)，直到信道空閑為止。由于兩個(gè)工作站等待的隨機(jī)時(shí)間不一樣，因此可以把碰撞分解。,14,Conceptual model of CSMA/CD,Frame,Frame,Frame,Transmission period,Contention period,Idle period,t,CSMA/CD can be one of three states,15,二進(jìn)制指數(shù)后退分解算法： 碰撞以后，時(shí)間軸劃分為一個(gè)個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙

10、的長(zhǎng)度等于Ethernet最壞情況下的RTT（Round Trip Time), 規(guī)定為512位時(shí)（對(duì)于10Mbps Ethernet，RTT= 51.2s）。 在第1次碰撞以后，每個(gè)工作站隨機(jī)選擇等待0或1個(gè)時(shí)隙后再試。如果它們剛好選擇同一個(gè)隨機(jī)數(shù)，則它們會(huì)再次碰撞。第2次碰撞以后，每個(gè)工作站隨機(jī)選擇等待0，1，2，或3個(gè)時(shí)隙后再試。如果還碰撞的話，則第3次碰撞以后，每個(gè)工作站隨機(jī)選擇等待從0到(23-1)個(gè)時(shí)隙后再試。第i次碰撞以后，隨機(jī)數(shù)選擇范圍為0到（2i-1）。 然而，在第10次碰撞以后，隨機(jī)數(shù)選擇范圍就凍結(jié)在最大值為1023個(gè)時(shí)隙。 如果試驗(yàn)16次還發(fā)送不成功的話，就認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞，

11、無(wú)法發(fā)送，并報(bào)告計(jì)算機(jī)，讓高層去處理。,16,Flowchart of CSMA/CD MAC,Ready to transmit,Sense channel,Transmit data and sense channel,Wait according to the backoff algorithm,Transmit collision signal,idle,busy,Collision occurs,Try again,Continue transmission until EOF,17,MAC parameters for 10 Mbps Ethernet,18,2.2.2 IEEE

12、802.3 standard: Physical layer,Ethernet CSMA/CD 10 Mbps,AUI,10 base-T twist pair,10 base-F fiber optics,10 broad 36 broadband,10 base-2 thin coax,10 base-5 thick coax,MAC layer,Physical layer,AUI：連接單元接口（介質(zhì)無(wú)關(guān)接口）,19,(1) 10 BASE-5: Thicknet,* Medium: Thick coaxial cable (d=10 mm). Terminator: 50 /1W re

13、sistor. 100 stations for every segment. * Topology: Bus. Max. cable length: 500m. Max. diameter of the network: 2500m. It consists of 5 segments and 4 repeaters. *Channel coding: Manchester encoding. * Bit rate: 10 Mbps.,20,10BASE-5 connection,21,10BASE-5 connection with multiplexor,22,(2) 10 BASE-2

14、: Thinnet,* Medium: Thin coaxial cable. 30 stations for every segment. Terminator:50 resister. * Max. length for a segment: 185m. * Max. diameter of the network: 5*185=925m. It consists of 5 segments and 4 repeaters. If not using repeater, then the max. length of single segment is 300m. * The transc

15、eiver is made with network interface card. * Bit-rate: 10 Mbps. Manchester encoding.,23,10BASE-2 connection,24,Comparison of 10 BASE-5 and -2,10 BASE-5,TR,TR,C,C,10 BASE-2,C,C,Max. 500m,Max. 300m thin coax (single segment),Max. 100 nodes,Max. 30 nodes,Thick coax,25,(3) 10 BASE-T: Twist pair net,Twis

16、t pair,HUB,Plugs on wall,Nodes,Max. 100m,26,10 BASE-T,* 1990 established the 10 BASE-T standard. * Medium: Two pairs of unsealed twist pair, one for transmitting data, another for receiving data. Using RJ-45 (8-pins) connector. Class 3 or 5 UTP. * Topology: Star * Manchester encoding. * Max. length

17、between HUB and Node: 100m. * Network consists of 5 segments and 4 repeaters.,27,Sharing Type HUB,R,R,R,R,R,R,R,BUS,UTP,Port 0 1 2 . N,Topology: Star,28,Comparison of 10BASE connections,29,30,(4) 10 BASE-F,* 1994 established the 10 BASE-F standard. * Medium: A pair of fiber, one for transmitting dat

18、a, another for receiving data. Using 62.5/125 diameter multi-mode fiber and LED infrared source. * Topology: Star. * Length of segment: 10 BASE-FP:500m; 10 BASE-FB:1000m; 10 BASE-FL: 2000m,31,Abstract of 802.3 10 Mbps Physical Layer,32,Comparison of 10 BASE Ethernet PHY Standards,33,2.3 100Base-T 快速

19、以太網(wǎng),1995年5月發(fā)布100BaseT標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3u。 性能： 比傳統(tǒng)的Ethernet速度高10倍； 有三種100BaseT的物理層標(biāo)準(zhǔn)； 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型，需要HUB； 在MAC和PHY層之間有一個(gè)MII(Media Independent Interface) 接口。,34,100 BASE-T IEEE802.3u Specifications,100 BASE-T CSMA/CD MAC,MII Layer,100BASE-T4,100BASE-TX,100BASE-FX,MAC,Two pairs of 4 pairs of two pairs of category

20、5 category 3/4/5 MM fiber twisted pair twisted pair,PHY,Media,MII: Media Independent Interface,35,2.3.1 The MAC layer for 100BASE-T,1 bit-time = 100 ns for 10 BASE-T; 1 bit-time = 10 ns for 100 BASE-T.,100BaseT的MAC層與10BaseT的MAC層是一樣的，除了它的位速高10倍以外。 如果時(shí)間單位是位時(shí)的話，它們的時(shí)隙、幀間隔和幀長(zhǎng)都是一樣的。 如果時(shí)間單位是絕對(duì)時(shí)間的話，那么，100Ba

21、seT的將小10倍。,36,Comparison of MAC parameters,37,2.3.2 100Base-T的物理層,(1) 100 BASE-TX: * Topology: Star (Hub), Max. segment length: 100m. * Channel encoding: 4B/5B ( input: 4B/output:5B ). The baud-rate:125MBaud. * Transmission wave-shape: MLT-3 (Multi-level transmission - 3, 3 bits and 8 levels). The B

22、aud-rate becomes 125/3 = 41.6 Mbaud, so it can use category 5 UTP. * Connector: RJ-45. * Full-duplex.,38,(2) 100 BASE-FX: * Media: SM or MM fiber. * Connector: MIC/FDDI or ST connector. * Channel encoding: 4B/5B. * Max. segment length: 2000m. * Topology: Star * Full-duplex.,39,PHY comparison of 100

23、BASE-T,40,對(duì)于快速以太網(wǎng)，如果使用共享型HUB，由于它的時(shí)隙縮小10倍，從51.2s縮小到5.12s，因此，網(wǎng)絡(luò)的最大范圍也從2500m縮小到205m只有2段和一個(gè)中繼器。 為了改善網(wǎng)絡(luò)范圍，快速以太網(wǎng)必需使用交換型HUB。,41,2.4 交換型以太網(wǎng),* Ethernet MAC protocol: CSMA/CD. 缺點(diǎn)：碰撞 網(wǎng)絡(luò)范圍受限 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加時(shí)，信道利用效率迅速下降， 信道的最大利用率為3040。 *中繼器：只是放大信號(hào)屬物理層功能。 它雖能增大 網(wǎng)絡(luò)范圍，但不能克服上述的限制。 *網(wǎng)橋：用于連接兩個(gè)802網(wǎng)絡(luò)屬M(fèi)AC層功能。 它接收、存儲(chǔ)、然后轉(zhuǎn)發(fā)MAC幀。 它具

24、有地址過(guò)濾功能。 它能隔離碰撞，并能擴(kuò)大碰撞域。,42,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)減少時(shí)，碰撞的概率也隨之減小。 當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，就沒(méi)有碰撞了。 這時(shí)網(wǎng)橋就變成交換機(jī)了。,Switching (Bridges),Nodes,交換機(jī)：,43,Comparison of Repeater and Bridge,44,Switching HUB,Switching,B,B,B,B,B,B,Port 1 2 3 4 5 6,B: Buffer,*從任何一個(gè)端口接收數(shù)據(jù)包。 *將接收到的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在緩存器中。 *按照數(shù)據(jù)包的信宿地址轉(zhuǎn)發(fā)到另一端口。 *它可用于隔離LAN、連接LAN、或擴(kuò)大LAN的碰撞

25、范圍。,45,B,B,B,B,Node A B C D,Port 1 2 3 4,Switching HUB,Switching look up table,MAC address,Port number,A,D,C,B,1,2,3,4,虛擬連接：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)交換型HUB時(shí)，從信源到信宿就建立起一條虛擬連接，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)信宿以后，虛擬連接就被釋放。 數(shù)據(jù)傳輸可以在不同的端口同時(shí)進(jìn)行。,46,假定交換機(jī)的總吞吐量是R，那么 R = (1/2)*N*r 這里，N為端口數(shù)，r為每個(gè)端口的傳輸速率。 例如，N =16, r = 10Mbps, 那么，R = 80Mbps。 如果一對(duì)UTP用于傳輸數(shù)

26、據(jù)，另一對(duì)UTP用于接收數(shù)據(jù)，那么，交換機(jī)的總吞吐量是 R = N*r 例如，N = 16, r = 10Mbps, 那么，R = 160Mbps。,47,PRE,Des. Addr,Sou. Addr,Length,Protocol H,DATA,FCS,8,6,6,2,30,0 - - 1200,4,LLC Frame,Cut-in,Improved cut-in,Store- retransmit,交換機(jī)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制： *存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)：接收完整個(gè)數(shù)據(jù)包以后，檢查差錯(cuò)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延大； *切入（Cut-in）法：當(dāng)接收數(shù)據(jù)包時(shí)，僅僅檢查她的信宿地址，然后立即轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延最小，但差錯(cuò)的數(shù)據(jù)包也照

27、樣轉(zhuǎn)發(fā)。 *改善的切入法：當(dāng)接收數(shù)據(jù)包時(shí)，檢查包頭（64字節(jié)），然后轉(zhuǎn)發(fā)。,48,2.5 以太網(wǎng)接線與網(wǎng)絡(luò)部件,2.5.1 EIA/TIA 568 standard,1,2,3,4,5,6,7,8,T2,R2,T3,R1,T1,R3,T4,R4,1,2,3,4,5,6,7,8,RJ-45 connector,Pair 1,2 as a transmitting lines Pair 3,6 as a receiving lines,49,Computer,Computer,HUB,Plug-in board on the wall,5m,90m,5m,Total length of the l

28、ink: 100m,Central room,10 BASE-T: category 3 or 5 UTP 100 BASE-T: category 5 UTP,50,2.5.2 網(wǎng)絡(luò)部件,* 網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC) * Group HUB * 互連部件（Interconnection components） NIC: 10, 100 and 10/100 Mbps NIC card, full duplex, or multi-ports.,51,Group HUB,* Sharing HUB with repeaters,R,R,R,R,R,R,* Overlay HUB,* Switching HUB,Switching,Repeater,Buffer,52,互連部件,*網(wǎng)橋：連接多個(gè)802網(wǎng)絡(luò)，它具有中繼放大功能和地址過(guò)濾功能。它按照信宿的MAC地址將MAC幀傳送到相應(yīng)的端口。MAC層功能。 *路由器：它連接不同的網(wǎng)絡(luò)。它按照信宿的IP地址將IP數(shù)據(jù)報(bào)傳送到相應(yīng)的端口。網(wǎng)絡(luò)層功能。 *主干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)：它為網(wǎng)絡(luò)互連提供更高的速度、更多的端口。它的功能與組交換機(jī)相似，例如，ATM交換機(jī)、FDDI交換機(jī)、快速以太網(wǎng)交換機(jī)。,53,2.6 千兆以太網(wǎng),1998年發(fā)布千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE