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第十一讲　 3.1 以太网的工作原理

第十一讲　 3.1 以太网的工作原理. 一 . 教学目标 : 掌握以太网络的 原理 二 . 教学要求 : 三 . 授课时数 : ２课时 四 . 教学方法 : 讲授 五 . 教学要点 : 以太网、令牌环网、 100VG-AnyLAN 高速局域网、 FDDI 网、 ATM 网 六 . 作业安排 : 七 . 参考资料 :. 第 3 章 有线局域网建设. hub. hub. hub. hub. 局域网概述. LAN 特性. 覆盖范围有限 数据率较高 误码率较低 支持广播或组播 单一管理. stations. stations. station.

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第十一讲　 3.1 以太网的工作原理

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  1. 第十一讲　 3.1 以太网的工作原理 • 一.教学目标:掌握以太网络的原理 • 二.教学要求: • 三.授课时数:２课时 • 四.教学方法:讲授 • 五.教学要点:以太网、令牌环网、100VG-AnyLAN高速局域网、FDDI网、ATM网 • 六.作业安排: • 七.参考资料:

  2. 第3章 有线局域网建设

  3. hub hub hub hub 局域网概述 LAN特性 • 覆盖范围有限 • 数据率较高 • 误码率较低 • 支持广播或组播 • 单一管理 stations stations station • 拓扑结构 • 总线型、星型、环型、树型 • 传输媒体 • 双绞线、同轴电缆、光纤、无线 • 媒体访问技术 • 按协议实现信道共享 router server

  4. 802.2 LLC FDDI 802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.6 DQDB 主要的LAN标准国际上采用IEEE802所制定的局域网标准作为局域网标准，称作IEEE802-x,主要有： • 802.1 概述、体系结构、网络互连 • 802.2 LLC • 802.3 CSMA/CD • 802.4 Token Bus • 802.5 Token Ring • 802.6 分布队列双总线DQDB --MAN标准 • FDDI 光纤分布数据接口FDDI 数据链路层 物理层

  5. 传统以太网 3.1 以太网的工作原理 • 以太网的两个标准 • 70年代中期由Xerox Palo Alto Research Center (Bob Metcalfe) 提出，数据率为2.94M/s，称为Ethernet • 后来由DEC, Intel and Xerox (DIX 标准)改进为10M标准，1982年修改第二版DIX Ethernet V2 • 1983年定名为IEEE 802.3，即使用CAMA/CD协议的 LAN标准，数据率从1M到10M，支持多种传输媒体

  6. 3. CSMA/CD 协议 • 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻 只有 D 接受 B 发送的数据 E A B D C B向D 发送数据 不接受 不接受 不接受 接受

  7. 以太网的广播方式发送 • 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 • 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 • 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 • 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

  8. 为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 • 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 • 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 • 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

  9. 为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 • 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 • 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 • 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

  10. 以太网提供的服务 • 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 • 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 • 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

  11. CSMA/CD媒体访问方法的规则： ⑴ 如果媒体信道空闲，则可进行发送，否则转到第2步。⑵ 如果媒体信道忙（有载波），则继续对信道进行侦听。一旦发现空闲，就进行发送。⑶ 如果在发送过程中检测到碰撞，则停止正常发送，转而发送一个短的干扰（jam）信号，使网上所有站都知道出现了碰撞。⑷ 发送了干扰信号后，退避一段随机时间，重新尝试发送，转到第1步。

  12. 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD • CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 • “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 • “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 • 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

  13. 0时刻 T-δ时刻 2T时刻 CSMA/CD A B A B a) 0时刻A发送数据 b) T- δ时刻B发送数据 A B A B c) T时刻A，B发送数据 d) 2T时刻A发送数据 冲突检测时间

  14. 发送帧 Yes 介质忙？ 延迟随机时间 No No Yes 发送帧 N≥16? No No 发送完？ 冲突？ 发送失败 Yes Yes 冲突次数N++ 发送成功 发送Jam CSMA/CD的流程图

  15. 碰撞检测 • “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 • 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 • 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 • 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

  16. 检测到碰撞后 • 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 • 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

  17. 电磁波在总线上的有限传播速率的影响 • 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 • A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 • B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 • 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

  18. CSMA/CD 协议 发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。

  19. 3. 令牌环（IEEE802.5） 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环 传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps；  最多站点数：250， 信号采用曼彻斯特编码 D 干线耦合器的结构 干线耦合器 高层软件 DTE 发送缓冲区 接收缓冲区 站点 单向环 A C 接收 发送 环路输出 环路输入 线路驱动 线路接收 控制器 TCU B

  20. 1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。 • 2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。

  21. 3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较： a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中； b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。 4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。

  22. Token Ring/802.5的操作举例 （a） 帧循环一圈后 A将数据帧回收 并放出空令牌 T T = 0 A T = 0 A Data A有数据要发送，它抓住空令牌 T （c） T C Data T C Data T = 1 A A将令牌修改为数据帧，并加挂数据 T C Data T C Data （b）

  23. 其他种类的高速局域网 100VG-AnyLAN局域网 100VG是一种无碰撞局域网，能更好地支持多媒体传输。在网络上可获得高达95 %的吞吐量。在媒体接入控制MAC子层运行一种新的协议，叫做需求优先级(demand priority)协议。

  24. 光纤分布数据接口FDDI 光纤分布数据接口FDDI---- Fiber Distributed Data Interface, 是以光纤作为传输媒体的令牌环型网，主要特点：(p70) • 1、沿用IEEE 802系列局域网的设计规范，IEEE 802.5 Token Ring令牌环网络技术加以改进，使用基于802.5的MAC协议 。

  25. FDDI网络的结构 • 光纤构成的FDDI，其基本结构为两个封闭的逆向双环，一个环为主环（Primary Ring），另一个环为备用环（Secondary Ring）。 • （a） FDDI结构图 （b） FDDI环自愈

  26. FDDI网络的基本概念 • 环路（Ring）:在FDDI网络中，环也称FDDI环，它是信息流经的站点的集合，每个站点依次检查或复制这些信息，直到信息返回到起始站点。 • 令牌（Token）:令牌是FDDI环路上各个站点间传送信息的“通行证”。令牌是一种非常短的特殊的结构帧，包括令牌的开始、结束和类型等参数。

  27. FDDI的操作原理 • FDDI网络的工作建立在短令牌帧的基础上。当所有站都空闲时，短令牌帧沿环运行。

  28. ATM网络 • 异步传送模式 (ATM)是一种集传输与交换于一体的通信模式，它能够提供视频点播、现场直播、全动画电子邮件、LAN互联等业务。ATM己成为21世纪宽带通信的关键技术之 • ATM技术是在传统的电路转移模式和分组交换模式基础上发展起来的一种新型的信，息 • 模式，它克服了电路转移模式下的网络资源利用率低、分组转移模式信息延迟大和处理复杂 • 155Mbps、 622Mbps 、2.5Gbps

  29. ATM网络 • 在ATM中，采用信元作为信息交换和传输的单位。信元是长度固定的信息组。信元由信头(5B)和载荷(48B)构成，信元头主要提供路由和载荷类型等信息。ATM对信元进行计复用，只要获得空信元就可以插入信息发送。 • ATM与传统的网络，如以太网、令牌环网和FDDI等包传输技术相比，具有以下特点。 • (1)以太网等网络技术采用变长的包来传递所有信息，而ATM的信元采用53B的固定长 • (2)ATM具有灵活和可变的带宽，它可以在任意速度、介质和传输技术下使用。 • (3)以太网等网络技术都是非面问连接的，而ATM网络是面向连接的。 • (4)由于ATM采用了光纤技术，其链路可靠性得到了保障

  30. 3.2以太网的有关标准和布线要求 • 以太网主要经历四个不同时代 • (1)以太网IEEE802.3,即传统上说的以太网 • (2)100Mbps以太网 • (3)1000Mbps以太网 • (4)10Gbps以太网

  31. 3.2.1传统的以太网 • 传输媒体：粗缆、细缆、铜线、光缆 • 传输媒体物理层：10BASE-5、10BASE- 2、10BASE-T、10BASE-F

  32. 10Base-5粗缆以太网 • 分插头 : 插入电缆 • 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离，超长控制 • AUI : 连接件单元接口 • 用于骨干网 • 在与粗缆连接时，要外接收发器MAU，对以太网来说常用的粗缆型号为RG－8（50Ω）。 vampire tap 粗缆 最大段长度 500米 每段最多站点数 100 BNC端子 收发器 AUI 电缆 50m NIC 两站点间最小距离 2.5米 网络最大跨度 2.5公里

  33. 10Base-2细缆以太网 • BNC T型接头 • 无需插入电缆 • 用于办公室LAN 细缆 BNC 接头 NIC 段最大长度 185m 每段最多站点数 30 两站点间最短距离 0.5 m 网络最大跨度 925 m

  34. 10BaseT双绞线以太网 • Hub（集线器）相当于多端口转发器 • 用于办公室LAN • 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。 • 转发器/中继器的作用：扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。物理层设备。 hub NIC 段最大长度 100m

  35. 以太网组网示例

  36. 不同类型10Mbps以太网比较

  37. 3.2.2 100BASE-T以太网 • 100BASE-T快速以太网是由10BASE-T以太网标准发展而来的，保留了以太网的观念，网络速度提高了十倍。 • 100BASE-T标准为IEEE 802.3u。 • 发送数据速率提高与帧长的关系。 采用CSMA/CD技术

  38. (1) 100BASE-TX • 100BASE-TX的通信介质是5类UTP或STP双绞线。采用5类UTP(非屏蔽双绞线)时，RJ-45接口与10BASE-T中的连接方法一样，占用其中的2对绞线（即1-2、3-6两对），RJ-45的插头和插座必须也是5类的，否则达不到传输要求。

  39. (2)100BASE-FX • 100BASE-FX的通信介质采用两芯62.5/125微米的光纤。接口与FDDI网络中设定的一样，即MIC、ST或SC光纤接口。传输距离远远大于UTP线路，用于连接主干和跨楼宇间的连接。

  40. (3)100BASE-T4 • 100BASE-T4的通信介质采用3类或3类以上UTP线路上四对线路进行100Mbps的数据传输。其中三对双绞线用于数据传输，一对用于冲突检测。 • 100BASE-T4也使用RJ-45接口，连接方法与10BASE-T相同，即1-2、3-6、4-5、7-8四对线一一对应连接。对于原来用3类线布线的系统，可以通过采用100BASE-T4把网络从10Mbps升级到100Mbps，无需重新线。

  41. 3.2.3 千兆位（Gigabit）以太网 • 千兆以太网是近期推出的1000Mbps高速以太网，千兆位以太网遵从IEEE 802.3z标准，该标准为以太网MAC层定义了一个接口GMII（Gigabit Media Independent Interface），还定义了管理、中继器操作、拓扑规则及四种物理层信令系统 。 • 采用CSMA/CD技术 • 主要特点： • 全双工、半双工两种方式工作 • 该技术采用IEEE 802.3帧格式； • 在半双工下采用CSMA/CD访问控制技术 • 向后兼容

  42. 千兆以太网的主要有以下特点。 • 1·简单快速 • 千兆以太网继承了以太网、快速以太网的简易性，因此其技术原理、安装实施和管都很简单。 " • 2·扩展容易 • 由于千兆以太网采用了以太网、快速以太网的基本技术，因此由以太网、快速以太网到千兆以太网非常容易。 • 3·可靠性 • 由于千兆以太网保持了以太网、快速以太网的安装、维护方法，采用星型网络结构，网络具有很高的可靠性。 • 4·经济实用 • 千兆以太网与ATM等宽带网络技术相比，其价格

  43. 5·管理维护方便 • 千兆以太网采用基于简单网络管理协议 (SNMP)和远程网络监视 (RMON)等网络管理 • 技术，许多厂商开发了大量的网络管理软件，使千兆以太网的集中管理和维护非常简便。 • 6·应用广泛 • 千兆以太网为局域主干网和城域主干网(借助单模光纤和光收发器)提供了一种高性价比和宽带传输交换的平台，使得许多宽带应用能施展其魁力。例如在千兆以太网上开展视频点播业务和虚拟电子商务等。

  44. 3.2.4 万兆位以太网 万兆位以太网并非将千兆位以太网的速率简单地提高到10倍。 万兆位以太网只工作在全双工方式下，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。这就使得万兆位以太网的传输距离不再受进行碰撞检测的限制而大大提高了。它是光纤通道技术。 万兆位以太网的目标瞄准局域网、广域网、城域网

  45. 千兆以太网标准

  46. 3. 3 万兆以太网及10万兆以太网技术的发展 • 万兆以太网的标准

  47. 基于光纤的万兆以太网的技术特点 • 首先，IEEE 802.3ae万兆以太网仍然其继承了802.3 以太网的帧格式和最大／最小帧长度，因此在用户普及率、使用方便性、网络互操作性及简易性上都有极大的优势。在升级到万兆位以太网时，用户不必担心既有的程序或服务会受到影响，升级的风险非常低，同时在未来升级到40Gbps甚至100Gbps 时都将有很明显的优势。

  48. 基于光纤的万兆以太网的技术特点 • 其次，IEEE 802.3ae万兆位以太网和其他以太网又有所不同，其体系结构和标准如下图3.3-1 IEEE 802.3ae体系结构：

  49. 基于铜缆的万兆以太网的技术特点 • （1）IEEE802.3ak/10Gbase-CX4万兆以太网和千兆铜缆以太的区别是：10Gbase-CX4是在高性能电缆组件上采用3.125GHZ四通道的全双工模式通信，采用8B/10B编码，支持最大距离15米的定制电缆，若使用MMF光学介质转换器，可达300米通信。 • （

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