第5章以太局域網

1、第第5章章 以太網以太網 5.1 概述概述 5.2 以太網與以太網與IEEE 802.3標準標準 5.3 以太網的以太網的MAC協議協議 5.4 全雙工以太網全雙工以太網 5.5 以太網以太網MAC幀格式幀格式 5.6 以太網物理層以太網物理層 5.7 小結與參考資料小結與參考資料 5.1 概述歷史概述歷史 以太網的誕生和發(fā)展以太網的誕生和發(fā)展 n以太網的誕生：以太網的誕生：1973年，年，Xerox/PARC nMetcalf命名為命名為Ethernet并于并于1977年獲專利年獲專利 n產品的持續(xù)發(fā)展快速推動了以太網的進步產品的持續(xù)發(fā)展快速推動了以太網的進步 n10Mbps：1981年，從

2、粗纜、細纜，到雙絞線產品年，從粗纜、細纜，到雙絞線產品 n100Mbps：1995年，包括雙絞線、短距離光纖產品年，包括雙絞線、短距離光纖產品 n1Gbps：1998年，包括中短距離光纖、雙絞線產品年，包括中短距離光纖、雙絞線產品 n10Gbps：2002年，包括局域網和廣域網光纖產品年，包括局域網和廣域網光纖產品 n以太接入網：以太接入網：2004年，供電信運營商采用年，供電信運營商采用 n以太網從共享網絡走向交換式網絡以太網從共享網絡走向交換式網絡 n采用開放性標準是以太網成為主流的根本原因采用開放性標準是以太網成為主流的根本原因 5.1 概述今日概述今日 今日以太網今日以太網 n以太網是

3、當前局域網的主流技術以太網是當前局域網的主流技術 n在辦公網絡領域幾乎一統(tǒng)天下在辦公網絡領域幾乎一統(tǒng)天下 n成為局域網鏈路級的主導技術成為局域網鏈路級的主導技術 n以太網技術具有廣闊的覆蓋以太網技術具有廣闊的覆蓋 n速率：速率：10M/100M/1G/10G/ n網絡類型：網絡類型：LAN/WAN/AN，MAN， n正在進入家庭和工業(yè)領域正在進入家庭和工業(yè)領域 5.2 以太網與以太網與802.3標準標準 以太網的標準化發(fā)展以太網的標準化發(fā)展 n早期標準早期標準 nDEC/Intel/Xerox標準：靈活但不權威標準：靈活但不權威 nDIX Ethernet： v1.0-1980、v2.0-19

4、82 n當今標準當今標準 nIEEE std 802.3 1985：權威但不靈活：權威但不靈活 nIEEE 802.3標準草案：標準草案：1982年年12月月 nXerox專利轉移專利轉移IEEE，802.3成為以太網的同義詞成為以太網的同義詞 nIEEE std 802.3 2002：權威、靈活、簡約：權威、靈活、簡約 nIEEE std 802.3 2005：最新標準：最新標準 5.2 以太網與以太網與802.3標準標準 IEEE 802.3 - 現行標準系列現行標準系列 nIEEE 802.3 - 2002 nCSMA/CD Access Method and Physical Laye

5、r Specifications nIEEE 802.3ae - 2002 n10 Gb/s Operation nIEEE 802.3af 2003，PoE nDTE Power via MDI nIEEE P802.3ah 2004，EFM nSubscriber access networks nIEEE 802.3ai - 2003 nMaintenance 7 nIEEE P802.3ak - 2004 n10GBASE-CX4 5.3 CSMA/CD協議協議 n5.3.1 共享信道的訪問協議共享信道的訪問協議 n5.3.2 CSMA協議族協議族 n5.2.4 802.3中的中的CS

6、MA/CD n5.3.3 CSMA/CD協議協議 n5.3.4 以太網從共享走向獨享以太網從共享走向獨享 5.3.1 共享信道的訪問協議共享信道的訪問協議 n對于使用共享信道的網絡對于使用共享信道的網絡 n必須使用必須使用MAC協議，提供介質訪問的控制機制協議，提供介質訪問的控制機制 n典型的典型的MAC機制：輪轉、預約、爭用機制：輪轉、預約、爭用 n輪轉：重載性能好輪轉：重載性能好 n典型協議：令牌環(huán)典型協議：令牌環(huán) n預約：如申請式預約，一般為集中式控制方式預約：如申請式預約，一般為集中式控制方式 典型協議：典型協議：802.16中輪詢方式下的申請式預約中輪詢方式下的申請式預約 n爭用：通

7、常采用分布式控制方式爭用：通常采用分布式控制方式 n負載不重時時延短負載不重時時延短 n典型協議是典型協議是CSMA系列系列 5.3.1 共享信道的訪問協議共享信道的訪問協議 n爭用型訪問協議分為三個基本類型爭用型訪問協議分為三個基本類型 nLAT: Listen After Talking n說了再聽說了再聽，典型協議：，典型協議： ALOHA nLBT: Listen Before Talking n先聽后說先聽后說，典型協議，典型協議/CSMA nLWT: Listen While Talking n邊說邊聽邊說邊聽，典型協議：，典型協議：CSMA/CD n以太網的以太網的MAC層使用層

8、使用CSMA/CD協議協議 5.3.2 CSMA協議協議 n5.3.2.1 基本思路基本思路 n5.3.2.2 沖突避免策略沖突避免策略 n5.3.2.3 沖突避免性能沖突避免性能 n5.3.2.4 協議改進思路協議改進思路 n5.3.2.5 沖突檢測沖突檢測 n5.3.2.6 MAC算法小結算法小結 5.3.2.1 基本思路基本思路 nCSMA：載波偵聽多路訪問：載波偵聽多路訪問 ncarrier sense multiple access n基本思路：先聽后發(fā)基本思路：先聽后發(fā) n站點發(fā)送前對信道進行偵聽站點發(fā)送前對信道進行偵聽 n如果信道空閑：可以發(fā)送如果信道空閑：可以發(fā)送 n否則，信道

9、忙：等待否則，信道忙：等待 n注意：采用注意：采用CSMA存在沖突存在沖突 采用采用CSMA依然存在沖突依然存在沖突 n傳播時延可能導致產生沖突傳播時延可能導致產生沖突 n假設假設A站的信號正在網絡上傳播站的信號正在網絡上傳播 nA站信號還未到站信號還未到E站，站，E站認為信道閑，啟動發(fā)送站認為信道閑，啟動發(fā)送 n結果結果A、E站發(fā)送的信號在網上沖突站發(fā)送的信號在網上沖突 E站在時刻站在時刻t檢測信道閑，檢測信道閑， 啟動發(fā)送啟動發(fā)送 A站站B站站C站站D站站 E站站 A站發(fā)送幀在時刻站發(fā)送幀在時刻t 傳播到傳播到B站站 兩幀在時刻兩幀在時刻t+ t 碰撞碰撞 5.3.2.2 沖突避免策略沖突

10、避免策略 nCSMA協議避免沖突可采用三種策略協議避免沖突可采用三種策略 n0堅持堅持 n1堅持堅持 nP堅持堅持 5.3.2.2 沖突避免策略沖突避免策略 n0堅持堅持CSMA算法（非堅持）算法（非堅持） n站點希望發(fā)送時，則對信道進行偵聽；站點希望發(fā)送時，則對信道進行偵聽； n如果：信道空閑則立即啟動發(fā)送；如果：信道空閑則立即啟動發(fā)送； n否則：信道忙則隨機后退，后退時間到則重新開始信道否則：信道忙則隨機后退，后退時間到則重新開始信道 偵聽。偵聽。 n1堅持堅持CSMA算法算法 n站點希望發(fā)送時，則對信道進行偵聽；站點希望發(fā)送時，則對信道進行偵聽； n如果：信道空閑則立即啟動發(fā)送；如果：信

11、道空閑則立即啟動發(fā)送； n否則：信道忙則持續(xù)偵聽，一旦信道由忙變閑則立即啟否則：信道忙則持續(xù)偵聽，一旦信道由忙變閑則立即啟 動發(fā)送動發(fā)送。 5.3.2.2 沖突避免策略沖突避免策略 np堅持堅持CSMA算法算法 n站點希望發(fā)送時，則對信道進行偵聽；站點希望發(fā)送時，則對信道進行偵聽； n當信道空閑時：當信道空閑時： n重復：以概率重復：以概率p在當前時隙發(fā)送，以概率在當前時隙發(fā)送，以概率1-p推遲到推遲到 下一時隙下一時隙 n直到：發(fā)送成功直到：發(fā)送成功 n否則信道忙：否則信道忙： n隨機后退；待后退時間到，重新開始信道偵聽。隨機后退；待后退時間到，重新開始信道偵聽。 5.3.2.2 沖突避免策

12、略沖突避免策略 三種策略的算法比較三種策略的算法比較 n0堅持和堅持和1堅持：算法框架較為相似堅持：算法框架較為相似 n若初次偵聽信道為空時，都是立即啟動發(fā)送若初次偵聽信道為空時，都是立即啟動發(fā)送 n若初次偵聽信道為忙則二者的處理策略完全相反若初次偵聽信道為忙則二者的處理策略完全相反 n0堅持算法隨機后退以避免沖突堅持算法隨機后退以避免沖突 n1堅持則持續(xù)監(jiān)聽信道，一旦信道變空則立即啟動發(fā)送堅持則持續(xù)監(jiān)聽信道，一旦信道變空則立即啟動發(fā)送 np堅持算法：處理策略則較為特別堅持算法：處理策略則較為特別 n信道的初始狀態(tài)即使是空閑，仍以概率信道的初始狀態(tài)即使是空閑，仍以概率p發(fā)送而以概發(fā)送而以概 率

13、率1-p后退后退 n若信道持續(xù)空閑，若信道持續(xù)空閑，p堅持會重復上述的發(fā)送或后退過程堅持會重復上述的發(fā)送或后退過程 n若信道的初始狀態(tài)為忙：隨機后退避免沖突若信道的初始狀態(tài)為忙：隨機后退避免沖突 n此時的處理策略：此時的處理策略：p堅持與堅持與0堅持相同堅持相同 5.3.2.2 沖突避免策略沖突避免策略 算法分析算法分析 n0堅持策略堅持策略 n在關鍵時點盡量降低了沖突的概率在關鍵時點盡量降低了沖突的概率 n信道重載時沖突也不會太高，信道吞吐率最終可能達到信道重載時沖突也不會太高，信道吞吐率最終可能達到較較高值高值 n低負載時信道空閑時間過多、利用率低，訪問時延較大低負載時信道空閑時間過多、利

14、用率低，訪問時延較大 n算法簡單，在重負載情況下的性能也還不錯算法簡單，在重負載情況下的性能也還不錯 n1堅持策略堅持策略 n輕載時性能不錯，但在重載時沖突急劇增加輕載時性能不錯，但在重載時沖突急劇增加 n輕載時：減少信道空閑時間、提高傳輸效率、訪問時延較小輕載時：減少信道空閑時間、提高傳輸效率、訪問時延較小 n重載時：再次沖突幾率大，沖突嚴重重載時：再次沖突幾率大，沖突嚴重 n如不采取有力措施處理沖突，如不采取有力措施處理沖突，1堅持算法很難投入實用堅持算法很難投入實用 n以太網的以太網的MAC協議：有名的協議：有名的CSMA/CD協議協議 n基于基于1堅持算法，增加了沖突的監(jiān)測與退避機制堅

15、持算法，增加了沖突的監(jiān)測與退避機制 5.3.2.2 沖突避免策略沖突避免策略 算法分析算法分析 np堅持策略堅持策略 n可根據負載不同選取不同的可根據負載不同選取不同的p值以優(yōu)化協議的性能值以優(yōu)化協議的性能 n算法中也有一些令人不解的處理算法中也有一些令人不解的處理 n信道即使初始空閑也只能以一個小概率信道即使初始空閑也只能以一個小概率p發(fā)送，浪費資源發(fā)送，浪費資源 n隨機后退是逐個時隙以概率隨機后退是逐個時隙以概率p發(fā)送以概率發(fā)送以概率1-p后退，致使實際的后退，致使實際的 發(fā)送概率依次遞減，后退時間的最大值趨于無窮發(fā)送概率依次遞減，后退時間的最大值趨于無窮 p, p( 1-p ), p*(

16、 1-p )2, , p*( 1-p )n-1, n算法有利于：簡化理論推導、得到優(yōu)秀的理論推導數據算法有利于：簡化理論推導、得到優(yōu)秀的理論推導數據 n算法直接使用：存在不少問題算法直接使用：存在不少問題 n選取合適選取合適p值甚為困難值甚為困難 np堅持堅持CSMA協議的改造協議的改造 n思路一：在信道初始空閑時立即啟動發(fā)送思路一：在信道初始空閑時立即啟動發(fā)送 n思路二：在信道忙閑變更點后的一個區(qū)間中隨機選擇時隙啟動發(fā)送思路二：在信道忙閑變更點后的一個區(qū)間中隨機選擇時隙啟動發(fā)送 nWLAN中著名的中著名的CSMA/CA協議：基于這些思路改進的協議：基于這些思路改進的p堅持算法堅持算法 5.3

17、.2.2 沖突避免性能沖突避免性能 三種沖突避免策略的性能比較三種沖突避免策略的性能比較 n非堅持非堅持CSMA：適用于重負載情況：適用于重負載情況 n避免再次沖突的可能性，重負載時吞吐率高。避免再次沖突的可能性，重負載時吞吐率高。 n但低負載時信道空閑時間多，利用率低。但低負載時信道空閑時間多，利用率低。 n1堅持堅持CSMA：適用于輕負載情況：適用于輕負載情況 n輕負載時，減少信道空閑時間，提高傳輸效率。輕負載時，減少信道空閑時間，提高傳輸效率。 n但再次沖突幾率大，重負載時沖突嚴重。但再次沖突幾率大，重負載時沖突嚴重。 nP堅持堅持CSMA： 合適的合適的P值選取困難值選取困難 n可根據

18、不同的負載選取不同的可根據不同的負載選取不同的P值，值， n最大程度的提高信道的利用率和提高吞吐率最大程度的提高信道的利用率和提高吞吐率 5.3.2.4 協議改進思路協議改進思路 nCSMA協議面臨的問題協議面臨的問題 n發(fā)前先聽，一定程度減少了沖突可能性發(fā)前先聽，一定程度減少了沖突可能性 n但是一旦開始發(fā)送，站點就置沖突于不顧但是一旦開始發(fā)送，站點就置沖突于不顧 n即使沖突已經產生，站點也一直發(fā)送完一幀即使沖突已經產生，站點也一直發(fā)送完一幀 n此時，發(fā)送的全是無用信號，完全是浪費資源此時，發(fā)送的全是無用信號，完全是浪費資源 n協議改進思路協議改進思路 n站點檢測沖突，一旦發(fā)現沖突立即停止幀發(fā)

19、送站點檢測沖突，一旦發(fā)現沖突立即停止幀發(fā)送 n這就是：這就是：CSMA/CD 5.3.2.5 CSMA/CD n1堅持堅持CSMA/CD協議基本思路協議基本思路 n（1）要發(fā)送的站點偵聽信道）要發(fā)送的站點偵聽信道 n（2）若信道閑，立即發(fā)送，并在發(fā)送過程中檢測信道）若信道閑，立即發(fā)送，并在發(fā)送過程中檢測信道 n如果未檢測到沖突，則持續(xù)本幀發(fā)送；如果未檢測到沖突，則持續(xù)本幀發(fā)送； n若檢測到沖突，則終止本次發(fā)送，并發(fā)送一個加強信號通告沖若檢測到沖突，則終止本次發(fā)送，并發(fā)送一個加強信號通告沖 突的發(fā)生，隨后進入隨機退避階段，等待下一個發(fā)送機會突的發(fā)生，隨后進入隨機退避階段，等待下一個發(fā)送機會 n（

20、3）若信道忙，則一直偵聽信道，直到信道空閑，立）若信道忙，則一直偵聽信道，直到信道空閑，立 即啟動發(fā)送，并按（即啟動發(fā)送，并按（2）進行沖突檢測和處理）進行沖突檢測和處理 n1堅持堅持CSMA/CD的優(yōu)點的優(yōu)點 n一旦沖突發(fā)生，站點立即釋放信道，有效提高信道利一旦沖突發(fā)生，站點立即釋放信道，有效提高信道利 用率用率 n早期以太網（早期以太網（802.3）都是共享信道網絡，站點）都是共享信道網絡，站點 采用采用 1堅持堅持CSMA/CD協議訪問信道協議訪問信道 ALOHA CSMACSMA/CD 發(fā)前偵聽發(fā)前偵聽 三種策略三種策略 0 堅堅 持持 1 堅堅 持持 P 堅堅 持持 發(fā)前偵聽發(fā)前偵聽

21、 發(fā)后檢測發(fā)后檢測 沖突停發(fā)沖突停發(fā) 輕負載效率高輕負載效率高 適合重負載適合重負載 輕載時效率不高輕載時效率不高 發(fā)前不偵聽發(fā)前不偵聽 隨時發(fā)送隨時發(fā)送 沖突厲害沖突厲害 吞吐率、效率低吞吐率、效率低 根據負載調整根據負載調整P值值 5.3.2.6 MAC算法小結算法小結 適合輕負載適合輕負載 重載時沖突嚴重重載時沖突嚴重 0堅持堅持 CSMA 0.5堅持堅持 CSMA 1堅持堅持 Slotted ALOHA Pure ALOHA 123546 G 每幀時試圖發(fā)每幀時試圖發(fā) 送的平均幀數送的平均幀數 S 0 1 0.1 0.5 每幀時的吞吐率每幀時的吞吐率 5.3.2.6 MAC算法小結算法

22、小結 5.3.3 802.3中的中的MAC協議協議 n采用采用 1堅持堅持 CSMA/CD算法算法 nCSMA/CD需要解決一系列的問題需要解決一系列的問題 n如何檢測沖突？如何檢測沖突？ n檢測多長時間？檢測多長時間？ n如何保證可靠檢測到沖突？如何保證可靠檢測到沖突？ n檢測到沖突后如何避免沖突擴大化？檢測到沖突后如何避免沖突擴大化？ 問題問題1：如何檢測沖突？：如何檢測沖突？ n由硬件檢測信號能量的大小由硬件檢測信號能量的大小 n當沖突產生時當沖突產生時 n混疊的信號能量增大混疊的信號能量增大 n檢測電路輸出發(fā)生明顯變化檢測電路輸出發(fā)生明顯變化 n中斷或掃描方式發(fā)現輸出變化，判定沖突中斷

23、或掃描方式發(fā)現輸出變化，判定沖突 發(fā)生發(fā)生 問題問題2：檢測多長時間？：檢測多長時間？ n考慮共享考慮共享LAN最遠的兩站（如圖最遠的兩站（如圖 AE） n假設：假設：AE之間的傳播時間為之間的傳播時間為 nA、E站發(fā)送的時間站發(fā)送的時間 nA：t0時刻發(fā)送：則到達時刻發(fā)送：則到達E： t0 + 時刻時刻 nE：t0 + -時發(fā)現信道閑，發(fā)送時發(fā)現信道閑，發(fā)送 nA、E發(fā)送后檢測到沖突的時間發(fā)送后檢測到沖突的時間 nE： nA： +（ -） = 2- 2 可見：沖突檢測時間不小于可見：沖突檢測時間不小于2 A站站E站站 t0 t0+ - 問題問題3：如何保證可靠檢測？：如何保證可靠檢測？ n什

24、么是可靠檢測？什么是可靠檢測？ n必須在發(fā)送的過程中檢測到沖突必須在發(fā)送的過程中檢測到沖突 n一幀數據發(fā)完將停止檢測一幀數據發(fā)完將停止檢測 n如果沖突發(fā)生在發(fā)送結束后，則檢測失效如果沖突發(fā)生在發(fā)送結束后，則檢測失效 n哪怕是極少數位的沖突也必須檢測到哪怕是極少數位的沖突也必須檢測到 n保證可靠檢測的兩個措施保證可靠檢測的兩個措施 n措施措施1：規(guī)定最短幀長，保證最短幀的發(fā)送時間不小于：規(guī)定最短幀長，保證最短幀的發(fā)送時間不小于2 tf=L/B（幀長（幀長/信道速率）信道速率） 2 n措施措施2：檢測到沖突后，發(fā)送加強沖突信號，使沖突信號能量足夠：檢測到沖突后，發(fā)送加強沖突信號，使沖突信號能量足夠

25、 最短幀長限制：最短幀長限制：LB 2 發(fā)送站檢測到沖突后發(fā)送加強沖突信號發(fā)送站檢測到沖突后發(fā)送加強沖突信號 A站站E站站 t0 t0+ - tf 問題問題4：沖突后如何避免沖突擴大：沖突后如何避免沖突擴大 n沖突后采用截斷的二進制指數機制退避沖突后采用截斷的二進制指數機制退避 n基本思路基本思路 n如果首發(fā)沖突，重發(fā)時等待一個隨機長的時間如果首發(fā)沖突，重發(fā)時等待一個隨機長的時間 n再重發(fā)時仍沖突，則等待的隨機時間加倍再重發(fā)時仍沖突，則等待的隨機時間加倍 n實現方法實現方法 n第第1次碰撞后，隨機延遲次碰撞后，隨機延遲0-1個時隙再試個時隙再試 n第第2次碰撞后，隨機延遲次碰撞后，隨機延遲0-

26、3個時隙再試個時隙再試 n第第i次碰撞后，隨機延遲次碰撞后，隨機延遲0、12 j -1（任選）個時隙再試（任選）個時隙再試 （i10，j=i；i10，j=10，i最大為最大為16） n第第16次重試仍碰撞，放棄本次發(fā)送，宣告失敗次重試仍碰撞，放棄本次發(fā)送，宣告失敗 可見：共享可見：共享Ethernet很難保證時延業(yè)務的質量很難保證時延業(yè)務的質量 5.3.3 802.3中的中的MAC協議要點小結協議要點小結 n1堅持堅持CSMA/CD算法算法 n1堅持：及時利用信道空閑傳送，減小時延堅持：及時利用信道空閑傳送，減小時延 n注意：網絡重負載時，注意：網絡重負載時，1堅持算法沖突嚴重堅持算法沖突嚴重

27、 nCD：及時檢測到沖突而停止發(fā)送，減少沖突可能性：及時檢測到沖突而停止發(fā)送，減少沖突可能性 n發(fā)送沖突強化信號發(fā)送沖突強化信號 n檢測到沖突立即發(fā)送一定長度的沖突強化信號檢測到沖突立即發(fā)送一定長度的沖突強化信號 n讓網絡上其它站可靠檢測沖突讓網絡上其它站可靠檢測沖突 n采用指數隨機后退法采用指數隨機后退法 n二進制指數后退：每次沖突、后退時間均值加倍二進制指數后退：每次沖突、后退時間均值加倍 n減少沖突再次發(fā)生，在信道高負荷時也不易堵塞減少沖突再次發(fā)生，在信道高負荷時也不易堵塞 n但有失公平性（可能先爭用后發(fā)出去）但有失公平性（可能先爭用后發(fā)出去） 5.3.4 以太網從共享走向獨享以太網從共

28、享走向獨享 nCSMA/CD的應用背景的應用背景 n共享信道、半雙工傳送共享信道、半雙工傳送 n以太網正在從共享走向獨享以太網正在從共享走向獨享 n以太網中，已經廣泛使用交換機以太網中，已經廣泛使用交換機 n交換機中繼的干線基本都是獨享鏈路交換機中繼的干線基本都是獨享鏈路 nCSMA/CD正在（可以說已經）失去作用空間正在（可以說已經）失去作用空間 n今日，以太網的核心價值不再是今日，以太網的核心價值不再是CSMA/CD算法算法 n而是而是MAC幀和幀和MAC原語兼容，是原語兼容，是以太網的概念以太網的概念！ 5.4 全雙工以太網全雙工以太網 n5.5.1 半雙工以太網半雙工以太網 n5.5.

29、2 全雙工以太網全雙工以太網 n5.5.3 全雙工以太網中的流控全雙工以太網中的流控 5.5.1 半雙工以太網半雙工以太網 n半雙工以太網半雙工以太網 n共享式以太網都采用半雙工通信方式共享式以太網都采用半雙工通信方式 n共享信道上只允許有一個發(fā)送，否則沖突共享信道上只允許有一個發(fā)送，否則沖突 n一個站點在發(fā)送時不能接收一個站點在發(fā)送時不能接收 n有時稱之為有時稱之為 n傳統(tǒng)以太網或傳統(tǒng)以太網或CSMA/CD網網 n半雙工以太網的特點半雙工以太網的特點 n即是共享式以太網的特點即是共享式以太網的特點 5.5.2 全雙工以太網全雙工以太網 n交換式以太網的干線交換式以太網的干線 n交換機之間鏈路

30、采用獨享交換機之間鏈路采用獨享 信道信道 n點對點鏈路，全雙工物理點對點鏈路，全雙工物理 介質介質 n雙絞線、光纖雙絞線、光纖 n采用兼容的采用兼容的MAC幀格式幀格式 n與傳統(tǒng)的以太網比較與傳統(tǒng)的以太網比較 n大大提高網絡容量大大提高網絡容量 交換機交換機 H HH H 5.5.3 全雙工以太網中的流控全雙工以太網中的流控 n全雙工以太網的潛在的問題全雙工以太網的潛在的問題 n大大提高容量，同時也存在丟幀的可能性大大提高容量，同時也存在丟幀的可能性 n例如：當多數據源高速發(fā)送時例如：當多數據源高速發(fā)送時 n交換機只能分別向服務器轉發(fā)各站數據交換機只能分別向服務器轉發(fā)各站數據 n內存空間受限，

31、可能溢出內存空間受限，可能溢出 n服務器也可能服務器也可能 n處理能力、內存空間受限處理能力、內存空間受限 n流量控制機制是避免流量控制機制是避免 丟棄的最佳辦法丟棄的最佳辦法 5.5.3 全雙工以太網中的流控全雙工以太網中的流控 n基本思想基本思想 n反壓機制：反壓機制：backpressure n接收端向快的發(fā)送端發(fā)接收端向快的發(fā)送端發(fā)PAUSE幀通知發(fā)送端暫停發(fā)送幀通知發(fā)送端暫停發(fā)送 n最初發(fā)布在最初發(fā)布在802.3-1997，目前是標準的選項，目前是標準的選項 n協議結構協議結構 n在在MAC與與LLC之間增加之間增加MAC控制子層控制子層 nMAC控制子層控制控制子層控制PAUSE幀

32、的收發(fā)幀的收發(fā) LLC子層子層 MAC控制子層（可選）控制子層（可選） MAC介質訪問控制介質訪問控制 物理層物理層 5.5.3 全雙工以太網中的流控全雙工以太網中的流控 n用用PAUSE幀實現流量控制幀實現流量控制 n使用使用PAUSE幀前需要通信雙方的協商認可幀前需要通信雙方的協商認可 nPAUSE幀用于交換機幀用于交換機/工作站相互控制流量工作站相互控制流量 n交換機側的實現交換機側的實現 n設置緩存極限值并可在端口間動態(tài)調配設置緩存極限值并可在端口間動態(tài)調配 n一個端口的緩存快滿時則向外發(fā)一個端口的緩存快滿時則向外發(fā)PAUSE n工作站的實現工作站的實現 n工作站的網絡接口緩存快滿時向

33、交換機發(fā)工作站的網絡接口緩存快滿時向交換機發(fā)PAUSE 通常采用互控方式通常采用互控方式 5.5 以太網以太網MAC幀格式幀格式 n5.5.1 802.3幀格式的演進幀格式的演進 n5.5 2 802.3-1985幀格式幀格式 n5.5.3 802.3-2002幀格式幀格式 n5.5.4 802.3的幀間間隔的幀間間隔 n5.5.5 802.3 MAC參數表參數表 5.5.1 802.3幀格式的演進幀格式的演進 nMAC幀結構是以太網的核心幀結構是以太網的核心 n是是802.3標準演進的重要內容標準演進的重要內容 nIEEE 802.3-1985 n必須配合必須配合LLC使用，遠不如使用，遠不

34、如Ethernet實用實用 nIEEE 802.3-2002 n采用采用Ethernet的思路的思路 n靈活、實用、簡約靈活、實用、簡約 n802.1q-1998、802.3ac - 1998 n幀格式擴展：加標幀幀格式擴展：加標幀( Tagged frame ) 5.5.2 802.3-1985 幀格式幀格式 數據長度：數據長度：461500 八位組八位組 626 4 DA SAFCSPRSFD 17 幀長：幀長：641518八位組八位組 CRC校驗范圍校驗范圍 LenLLC Data填充填充 n 必須配合必須配合LLC使用使用 n MAC只能封裝只能封裝 LLC Data 5.5.2 80

35、2.3-1985 幀格式幀格式 nPR/SFD：前導符：前導符/幀起始定界符幀起始定界符 n幀前位同步與幀同步：幀前位同步與幀同步：7*10101010+ 10101011 n由物理層完成由物理層完成 nDA/SA：宿：宿/源地址，源地址，2* 6個八位組個八位組 n宿地址：目的方地址，單播宿地址：目的方地址，單播/組播組播/廣播地址廣播地址 n源地址：數據源地址，只能是單播地址源地址：數據源地址，只能是單播地址 nLen：長度，：長度，2個八位組個八位組 n本段之后、本段之后、FCS段之前所有數據之長度和段之前所有數據之長度和 nLLCdata：461500個八位組，只能是個八位組，只能是L

36、LC PDU nFCS： 幀校驗序列，幀校驗序列， CRC-32校驗碼，校驗碼，4個八位組個八位組 n校驗幀定位符之后、校驗幀定位符之后、FCS之前的所有數據之前的所有數據 nIEEE 802.3as-2006定義了三種幀格式定義了三種幀格式 n基本基本MAC幀格式幀格式 n擴展擴展MAC幀格式（在幀格式（在VLAN中講）中講） n用于加標幀，即含用于加標幀，即含QTag前綴的幀前綴的幀 nMAC 控制幀控制幀 n如用于流控的如用于流控的PAUSE幀幀 5.5.3 802.3-2002 幀格式幀格式 nIEEE 802.3-2002定義了兩種幀格式定義了兩種幀格式 n基本基本MAC幀格式幀格式

37、 n擴展擴展MAC幀格式（在幀格式（在VLAN中講）中講） n用于加標幀，即含用于加標幀，即含QTag前綴的幀前綴的幀 n基本基本MAC幀格式幀格式 5.5.3 802.3-2002 幀格式幀格式 Len/typMAC Client Data 填充填充 6 26 4 DASA校驗校驗PR SFD 17 幀長度幀長度：641518八位組八位組 校驗范圍校驗范圍 數據長度：數據長度：461500八位組八位組 5.5.3 802.3-2002 幀格式幀格式 n基本基本MAC幀格式幀格式 n802.3-2002有重要改動有重要改動 n長度段長度段 長度長度/類型段類型段 nLLC數據數據 MAC客戶數

38、據客戶數據 n幀格式改變的重要意義幀格式改變的重要意義 n802.3的的MAC幀中，可以封裝各種數據幀中，可以封裝各種數據 n只要在只要在Type字段說明即可字段說明即可 nMAC可以無需可以無需LLC，直接為網絡層提供服務！，直接為網絡層提供服務！ nIP over Ethernet，IP over 802.3-2002 LEN/TYPE字段字段 n采用不同的取值區(qū)分采用不同的取值區(qū)分LEN,TYPE n值值1500（0 x05DC）：長度描述符）：長度描述符 n值值1536（0 x0600）：類型描述符）：類型描述符 nType描述符描述符 (16 bits)時，時，TYPE就是就是MAC

39、 SAP,標識標識MAC服務的上層實體服務的上層實體 dMAC sMAC LEN/Type MAC Client Data Type 1: 05DC LLC 2: 0800 IP 3: 0801 X.75 4: 0802 NBS 5: 0803 ECMA 6: 0804 ChaosNet 7: 0805 X.25 8: 0806 ARP IPLLCX.75 ECMA 12 345 NBS 802.3 MAC Type=? MAC SAP 5.5.4 802.3的幀間間隔的幀間間隔 nMAC幀的幀間間隔是傳輸幀的最小間隔幀的幀間間隔是傳輸幀的最小間隔 n保證可靠同步定位隨機發(fā)出的幀保證可靠同步定

40、位隨機發(fā)出的幀 nIEEE 802.3標準規(guī)定幀間間隔為標準規(guī)定幀間間隔為96bit，即，即 n9.6s10Mbps, 0.96 s100Mbps, 幀間隙幀間隙 前導與幀定位前導與幀定位 MAC 幀長幀長 參數參數10Mb/s 100Mb/s 1000Mb/s 10Gb/s 時隙（時隙（2）512位位 51.2 s 512位位 5.12 s 4096位位 5.096 s 幀間隙幀間隙( s)9.60.960.0960.0096 嘗試限制（次）嘗試限制（次）101010 后退限制（次）后退限制（次）161616 沖突加強（位）沖突加強（位）323232 最大幀長最大幀長(八位組八位組)1518

41、151815181518 最小幀長最小幀長(八位組八位組)64646464 陣發(fā)限制陣發(fā)限制(八位組八位組) 8000 5.5.5 802.3 MAC參數表參數表 5.6 802.3的物理層的物理層 n5.6.1 概述概述 n5.6.2 10Mbps以太網以太網 n5.6.3 100Mbps以太網以太網 n5.6.4 1Gbps以太網以太網 n5.6.5 10Gbps以太網以太網 n5.6.6 幾個附加議題幾個附加議題 5.6.1 物理層概述物理層概述 n802.3標準在物理配置上很活躍標準在物理配置上很活躍 n有利于技術革新、有力推動以太網發(fā)展有利于技術革新、有力推動以太網發(fā)展 n理解較為吃

42、力理解較為吃力 n802.3物理層的一些特點物理層的一些特點 n傳輸速率傳輸速率( bps )急劇提高急劇提高 n10M10Gbps：E、FE、GbE、10GbE n物理介質日益豐富物理介質日益豐富 n同軸電纜、雙絞線、光纖、對稱屏蔽纜、市話電纜同軸電纜、雙絞線、光纖、對稱屏蔽纜、市話電纜 n現在使用：雙絞線、光纖、對稱屏蔽纜、現在使用：雙絞線、光纖、對稱屏蔽纜、市話電纜（以太接入市話電纜（以太接入 網中使用）網中使用） n編碼、糾錯日益復雜編碼、糾錯日益復雜 n物理層框架也很復雜物理層框架也很復雜 RS 5.6.1 物理層概述物理層概述物理層框架結構物理層框架結構 MAC RS PCS 介質

43、介質 PMA PMD PHY GMII MDI 100Mb/s PMA 介質介質 PMD MII MDI 10Mb/s PLS 介質介質 PMA MDI 1、10Mb/s AUI MII 介質無關接口介質無關接口 GMII、XGMII AUI 接駁單元接口接駁單元接口 MDI 介質相關接口介質相關接口 RS Reconciliation Sublayer PCS Physical coding sublayer PMA Physical medium attachment PHY Physical layer device PLS Physical layer signaling PMD Ph

44、ysical medium Dependent 5.6.1 物理層概述物理層概述當前的主流結構當前的主流結構 n當前的主流結構當前的主流結構 n適用于：適用于：100Mb/s n兩個子層兩個子層 nRS：協調子層：協調子層 nPHY：物理層：物理層器件器件 nPCS：物理編碼子層：物理編碼子層 nPMA：物理介質接駁：物理介質接駁 nPMD：物理介質相關：物理介質相關 n兩個接口兩個接口 nxMII：介質無關接口：介質無關接口 nxMII是一個系列：是一個系列：MII、 GMII、XGMII nMDI：介質相關接口：介質相關接口 MAC RS xMII PCS PMA PHY PMD MDI

45、介質介質 5.6.1 物理層概述物理層概述當前的主流結構當前的主流結構 nRS：協調子層，：協調子層，Reconciliation Sublayer n偏重于邏輯功能：協議、服務、原語偏重于邏輯功能：協議、服務、原語 nPHY：物理層器件，：物理層器件，Physical Layer Device n偏重于物理實現：電路、引腳、信號偏重于物理實現：電路、引腳、信號 n包括部分物理層：包括部分物理層：MDI與與xMII之間的各子層之間的各子層 n基本子層：基本子層：PCS、PMA、PMD n在不同規(guī)范中還可以有不同的附加子層在不同規(guī)范中還可以有不同的附加子層 n例如：例如：WIS（廣域網）、（廣域

46、網）、AN（自動協商、雙絞線）（自動協商、雙絞線） 5.6.1 物理層概述物理層概述當前的主流結構當前的主流結構 n接口：串行口與并行口接口：串行口與并行口 nAUI：串行接口：串行接口 n當初使用曼徹斯特碼：直接串行傳輸當初使用曼徹斯特碼：直接串行傳輸 nxMII：并行接口：并行接口 n后來產生了塊編碼技術：多位并傳后來產生了塊編碼技術：多位并傳 nMII：寬帶：寬帶4比特，傳輸半八位組（比特，傳輸半八位組（nibble） nGMII：寬帶：寬帶8比特，傳輸八位組（比特，傳輸八位組（octet） nXGMII：寬帶：寬帶32比特，傳輸比特，傳輸4個八位組個八位組 n可以是：物理接口或邏輯接口

47、可以是：物理接口或邏輯接口 5.6.1 物理層概述物理層概述物理層服務物理層服務 n物理層服務：典型的無連接模式無確認服物理層服務：典型的無連接模式無確認服 務務 n無需建立連接、無需前后數據的上下文關聯無需建立連接、無需前后數據的上下文關聯 n無需確認數據的轉移是否成功無需確認數據的轉移是否成功 n物理層服務完全匹配以太網提供的服務模式物理層服務完全匹配以太網提供的服務模式 n與與IP協議的需求完全一致協議的需求完全一致 5.6.1 物理層概述物理層概述物理層服務原語物理層服務原語 n數據請求與指示原語數據請求與指示原語 n請求原語：請求原語：PLS_DATA.request n指示原語：指

48、示原語：PLS_DATA.indication n本端本端MAC向鄰接的或向鄰接的或RS實體發(fā)出數據轉移實體發(fā)出數據轉移 的請求的請求 n本端物理實體將數據傳輸到遠端的物理實體本端物理實體將數據傳輸到遠端的物理實體 n遠端通過遠端通過PLS實體通知實體通知MAC實體數據的到達實體數據的到達 5.6.1 物理層概述物理層概述物理層服務原語物理層服務原語 n狀態(tài)與信號指示原語狀態(tài)與信號指示原語 n用于本地鄰接的上下層實體之間的控制和交互用于本地鄰接的上下層實體之間的控制和交互 nPLS_CARRIER.indication，載波指示，載波指示 n向向MAC通告載波狀態(tài)的改變通告載波狀態(tài)的改變 n告

49、知載波偵聽功能在信道上是否發(fā)現載波告知載波偵聽功能在信道上是否發(fā)現載波 nPLS_SIGNAL.indication，信號指示，信號指示 n向向MAC通告信號狀態(tài)的改變通告信號狀態(tài)的改變 n告知接收信號是否產生差錯告知接收信號是否產生差錯 nPLS_DATA_VALID.indication，數據有效指示，數據有效指示 n向向MAC通告成幀信息通告成幀信息 nMAC使用此信息確定完整幀的接收并據此完成使用此信息確定完整幀的接收并據此完成CRC校驗校驗 5.6.2 10Mbps以太網以太網 n10Mbps/MDI標準標準 nManchester編碼編碼 ( 1B2B ), 10Mbps/20Mb

50、aud n10BASE5 802.3 -1985（粗同軸纜）（粗同軸纜） n10BASE2802.3a -1988（細同軸纜）（細同軸纜） n10BASE-F 802.3j -1993（光纖）（光纖） n10BASE-FL為主，為主，10BASE-FB/FP并未流行并未流行 n10BASE-T 802.3i -1990（雙絞線）（雙絞線） n10BROAD36802.3b -1985 n10BASE- FOIRL 802.3d -1987 n1BASE5802.3e -1987 n目前只使用：目前只使用：10BASE-T 5.6.2 10Mbps以太網以太網 10Mbps以太網的特點以太網的特

51、點 n目前只使用目前只使用10BASE-T接口接口 n目前常與目前常與100BASE-T/1000BASE-T聯合使用聯合使用 n雙絞線、集線器的引入是以太網發(fā)展史上的重大事件雙絞線、集線器的引入是以太網發(fā)展史上的重大事件 n光纖通信技術的初步引入光纖通信技術的初步引入 n光纖以太網引入較后，編碼調制技術也較為簡單光纖以太網引入較后，編碼調制技術也較為簡單 n編碼技術：曼徹斯特編碼編碼技術：曼徹斯特編碼 n物理介質的可用帶寬很寬，不必追求編碼效率物理介質的可用帶寬很寬，不必追求編碼效率 n傳輸符號率為傳輸符號率為20Mbaud（波特）（波特） nUTP 3的帶寬為的帶寬為16MHz n 注意概

52、念：注意概念：bps, baud, Hz( 帶寬帶寬 ) 5.6.3 100Mbps以太網以太網 n100Mbps/MDI標準標準 n100BASE-TX/T4/FX802.3u -1995 n100BASE-TX： 2*UTP-5、MLT-3 n100BASE-T4：4*UTP-3/HD、8B6T-NRZ n100BASE-FX： n1300nmMMF/2km、4B5B-NRZI n標準：標準：ANSI X3T12、ISO/IEC 9314 n100BASE-T2802.3y -1997 n2*UTP3/FD、PAM5*5 n100Mbps以太網也稱為快速以太網以太網也稱為快速以太網FE 5

53、.6.3 100Mbps以太網以太網 nFE物理層標準評價物理層標準評價 n100BASE-T4/100BASE-T2 ：UTP-3 n隨著隨著UTP-5布線系統(tǒng)的迅速流行而失去市場布線系統(tǒng)的迅速流行而失去市場 nT2技術十分復雜、其產品從未流行技術十分復雜、其產品從未流行 n100BASE-TX： 2對對UTP-5(5E) n十分成功，當前的主流桌面技術，技術思路影響大十分成功，當前的主流桌面技術，技術思路影響大 n當前的表現形式：當前的表現形式：10/100BASE-T、10/100/1000BASE-T n100BASE-FX：1310nmMMF/2km n借用借用FDDI物理層標準，標

54、準維護困難物理層標準，標準維護困難 n效率不高（如效率不高（如1300nmMMF） n單模長距離無標準，各廠商產品很難互連單模長距離無標準，各廠商產品很難互連 5.6.4 1Gbps以太網以太網-概述概述 n1GbpsMDI的歷史標準的歷史標準 n802.3z -19981000BASE-X n802.3ab-19991000BASE-T nANSI/TIA 8541000BASE-TX(并無產品并無產品) n標準特點標準特點 n保持以太網的傳統(tǒng)幀格式，可選保持以太網的傳統(tǒng)幀格式，可選jumbo幀幀 n通常使用全雙工，但還保留了半雙工通常使用全雙工，但還保留了半雙工 5.6.4 1Gbps以太

55、網以太網-MDI n1000BASE-LX802.3z-1998 n長波長激光長波長激光/1310nm8B/10B n1000BASE-SX 802.3z-1998 n短波長激光短波長激光/850nm8B/10B n1000BASE-CX 802.3z-1998 n對稱屏蔽電纜對稱屏蔽電纜0.1 to 25 m8B/10B， n1000BASE-T 802.3ab-1999 n超五類雙絞線（超五類雙絞線（UTP5e）4D-PAM5 5.6.5 10Gbps以太網以太網-MDI n10Gbps/MDI標準標準 nIEEE 802.3ae 2002 n10GBASE - LX4：運行在多模光纖上：

56、運行在多模光纖上 n10GBASE - SR/LR/ER：園區(qū)網：園區(qū)網 n10GBASE - SW/LW/EW：廣域網：廣域網 nIEEE P802.3ak-2004 n10GBASE - CX4 n10GbE體系：只支持全雙工鏈路！體系：只支持全雙工鏈路！ 5.6.5 10Gbps以太網以太網體系圖體系圖 Logical Link Control (LLC) “Ethernet” Upper Layers Media Access Control (MAC) Serial WAN PHY (64B/66B + WIS) Serial PMD 850 nm WWDM LAN PHY (8B/

57、10B) Serial LAN PHY (64B/66B) Serial PMD 1310 nm Serial PMD 1550 nm WWDM PMD 1310 nm LX4SRLRERSWLWEW Serial PMD 850 nm Serial PMD 1310 nm Serial PMD 1550 nm 5.6.5 10Gbps以太網以太網 n10GbE接口命名規(guī)則：三前綴接口命名規(guī)則：三前綴 n介質類型介質類型 nS：短波長、：短波長、850nm nL：長波長、：長波長、1310nm nE：超長波長、：超長波長、1550nm n編碼方法編碼方法 nX：8B/10B編碼，編碼，LAN/

58、PHY nR：64B/66B編碼，編碼，LAN/PHY nW：64B/66B+簡化簡化SDH封裝，封裝，WAN/PHY n波長數波長數 nN：波長數，對：波長數，對WWDM為為4，單波可以省略，單波可以省略“1” n10GBASE- LX4 = Long wavelength, 8B/10B coding (LAN PHY), 4 wavelengths n10GBASE-EW = Extra long wavelength, WAN PHY, 1 wavelength (serial） 5.6.5 10Gbps以太網以太網 n10G以太網具有兩個不同的物理層以太網具有兩個不同的物理層 n局域

59、網物理層局域網物理層 n速率速率10Gb/s n支持密集波分支持密集波分WWDM n提供提供850nm、1310nm和和1550nm接口接口 n廣域網物理層廣域網物理層 n速率速率9.58464Gb/s（需要進行速率適配）（需要進行速率適配） n提供提供OC-192接口（接口（SONET/SDH) n傳送傳送SONET/SDH幀（幀（SDH幀封裝幀封裝Ethernet MAC幀）幀） 5.6.5 10Gbps以太網以太網 n10GbE光接口：標準傳輸距離光接口：標準傳輸距離 n注注1：LX4 支持支持 MMF (0-300m)和和SMF (0-10km) n注注2：距離取決于：距離取決于MMF

60、 類型類型( OM3/0M2/OM1 ) 10GBase-ER 10GBase-LW 10GBase-LR 10GBase-LX4 10GBase-SW 10GBase-SR 10GBase-EW 65m300m10Km40Km 850nm LAN Serial MMF 850nm WAN Serial MMF 1300nm LAN WWDM MMF1 1310nm LAN Serial SMF 1310nm WAN Serial SMF 1550nm LAN Serial SMF 1550nm WAN Serial SMF 1310nm LAN WWDM SMF1 5.6.6 附加議題附加議