《計算機網(wǎng)絡教程》第4章 局域網(wǎng)-2

《計算機網(wǎng)絡教程》電子教案

第四章局域網(wǎng)全雙工以太網(wǎng)與物理層主要內(nèi)容以太網(wǎng)訪問控制（4.2）全雙工以太網(wǎng)以太網(wǎng)物理層（4.3）媒體無關接口自動協(xié)商傳統(tǒng)以太網(wǎng)媒體選項高速以太網(wǎng)媒體選項全雙工以太網(wǎng)只能在連接兩個站點的點到點鏈路上使用，并且要求鏈路兩端的站點都采用全雙工方式鏈路必須能夠支持同時傳輸和接收信號，而不會互相干擾10BASE5、10BASE2、10BASE-FP、10BASE-FB和100BASE-T4不能支持全雙工模式?jīng)]有別的站點競爭對鏈路的訪問權限，從而不會出現(xiàn)沖突不需要采用CSMA/CD協(xié)議的限制，有幀要傳輸就可以馬上發(fā)送不再有沖突域，不需要有載波監(jiān)聽和沖突檢測，從而也沒有因為沖突而帶來的站點的重傳接收的同時也可以發(fā)送，端口支持的吞吐率是半雙工方式的兩倍站點和交換機之間的連接距離也不再受最短幀長（512比特）的限制，而純粹考慮的是鏈路的物理特性比如100BASE-FX在半雙工方式時限制網(wǎng)段的直徑最大為412米而采用全雙工方式后可以長達2千米。采用同樣的以太網(wǎng)幀格式、同樣的最小幀長、同樣的物理層協(xié)議全雙工以太網(wǎng)：MAC控制子層可能會出現(xiàn)站點發(fā)送過快的情況，需要能夠暫時緩存站點發(fā)送的幀以及進行流量控制高層MAC控制層用戶（橋轉(zhuǎn)發(fā)實體、LLC等）MAC控制子層（可選）媒體訪問控制MAC物理層幀類型=0x8808716622444前導幀開始標志目的MAC地址源MAC地址幀類型(0x8808)控制幀類型控制參數(shù)CRC802.3X給出了一通用的結構和協(xié)議來進行MAC控制（包括流量控制）MAC控制子層位于傳統(tǒng)的MAC層和MAC客戶之間，MAC控制子層是可選的，對下面的MAC（半雙工或全雙工）是透明的全雙工以太網(wǎng)：流量控制PAUSE幀實現(xiàn)了一個簡單的流量控制機制：站點可以向鏈路的另一端發(fā)出一個暫停幀而要求其暫時停止所有幀的發(fā)送（告訴對方暫停發(fā)送的時間）只用于全雙工方式的點到點鏈路兩端，不支持半雙工方式不支持端到端的流量控制，只在本地點到點鏈路出現(xiàn)暫停幀不能通過交換機、網(wǎng)橋等轉(zhuǎn)發(fā)出去，只是由鏈路另一端進行處理

目的地址為對方的MAC地址或者01:80:C2:00:00:01PAUSE流量控制是雙向的，即點到點鏈路兩端可以互相發(fā)送PAUSE幀7166222424前導幀開始標志目的MAC地址源MAC地址幀類型控制幀類型控制參數(shù)保留CRC88080001全001:80:C2:00:00:01或?qū)Ψ組AC地址暫停發(fā)送的時間鏈路另一端應該暫時停止發(fā)送的時間以512比特時間為時間單位MAC控制參數(shù)為0的PAUSE幀表示恢復數(shù)據(jù)幀的傳輸。非對稱流程控制對稱流量控制：全雙工鏈路的兩端都可以發(fā)送PAUSE幀非對稱流量控制中則只允許其中某一端發(fā)送PAUSE幀。交換機可以發(fā)送Pause來阻塞端系統(tǒng)，而反過來則不行。端系統(tǒng)可以阻塞交換機（借用交換機的內(nèi)部緩沖區(qū)），而反過來則不行數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡（2009）6主要內(nèi)容以太網(wǎng)訪問控制（4.2）全雙工以太網(wǎng)以太網(wǎng)物理層（4.3）媒體無關接口自動協(xié)商傳統(tǒng)以太網(wǎng)媒體選項高速以太網(wǎng)媒體選項以太網(wǎng)媒體選項IEEE802.3標準支持多種物理媒體選項：物理層各不相同，但都采用相同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議10Base510Base210BaseT10BROAD3610BASE－F100Base-TX媒體選項的命名策略：<數(shù)據(jù)速率><信號方式><網(wǎng)段最大長度>10表示數(shù)據(jù)速率為10MbpsBase表示采用基帶傳輸Broad表示采用寬帶傳輸T表示雙絞線F表示光纖X表示兩條鏈路（用于發(fā)送和接收）媒體無關接口連接接口單元AUI控制器實現(xiàn)MAC邏輯，主要采用數(shù)字技術，但包括曼徹斯特編碼解碼器收發(fā)器包含模擬部件，實現(xiàn)物理層協(xié)議媒體無關接口MIIGMII編碼器移到收發(fā)器端支持的傳輸媒體可采用不同的編碼方案速度無關性：采用4(8)位并行數(shù)據(jù)通道，通過時鐘信號同步時鐘的頻率為數(shù)據(jù)速率的1/4(1/8)，即10Mbps采用2.5MHz時鐘，而100Mbps用25MHz時鐘；1Gbps采用125MHz時鐘管理模塊可對收發(fā)器進行配置以支持多種媒體選項MII可以驅(qū)動一個比較短（最長50米）的屏蔽電纜GMII中控制器和收發(fā)器集成在一起，充當內(nèi)部接口XGMII和XAUI接口XGMII接口：32比特并行數(shù)據(jù)通道，74針接口時鐘信號和數(shù)據(jù)信號分開，數(shù)據(jù)傳輸受時鐘信號來驅(qū)動時鐘頻率為10G/64=156.25MHz，在時鐘信號的上升處和下降處數(shù)據(jù)信號有效XGMII接口支持距離非常短，只有7cmXAUI接口：全雙工接口，每個方向包括4個串行差分鏈路XGMII接口分為4個8比特的通道（lane），每個Lane要傳輸?shù)淖止?jié)流進一步采用8B/10B編碼將時鐘信號編碼進去，同時也可以攜帶幀開始、幀結束、信道空閑、鏈路配置等控制信息每個鏈路是自時鐘驅(qū)動的，數(shù)據(jù)速率為3.125Gbps(2.5Gbps*10/8)。XAUI支持的距離可以達到50厘米，接口也從XGMII的74針信號減少到16針，另外也允許XAUI接口可以跨越時鐘域，這樣系統(tǒng)的不同部分之間就不需要進行時鐘的校正。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡（2009）10自動協(xié)商連接在一條鏈路上的兩個設備交換關于它們能力的信息，自動以合適的數(shù)據(jù)速率或模式來進行通信用在那些采用UTP的傳輸媒體選項中（如10BaseT、100BaseTX等），目前自動協(xié)商也可以用在光纖媒體之上傳統(tǒng)的10BASE-T標準中包括了一個鏈路測試機制來維持鏈路網(wǎng)絡空閑（沒有數(shù)據(jù)傳輸）時，收發(fā)器會每隔16ms發(fā)送一個100納秒的正常鏈路脈沖NLP如果在50到150ms內(nèi)都沒有收到數(shù)據(jù)分組或者NLP，說明鏈路出現(xiàn)故障自動協(xié)商每隔16ms發(fā)送33個100ns的快速鏈路脈沖串FLP，可攜帶16位信息17個奇數(shù)位（相聚125微秒，F(xiàn)LP為2ms）是時鐘脈沖，進行時鐘同步16個偶數(shù)位用于傳遞信息，如果對應的位置有脈沖，則代表比特1，如果沒有脈沖，則代表0。這樣FLP可傳遞16比特信息802.3an-2006標準進一步引入擴展FLPBurst，每隔8.25ms發(fā)送97個脈沖串，攜帶48比特的信息是否支持擴展FLP通過16比特的鏈路碼字的XNP（ExtendedNextPage）來協(xié)商加快自動協(xié)商過程，而不是需要通過多個FLP自動協(xié)商過程自動協(xié)商是可選的(Gigabit中是必須支持的)，控制器可以通過MII接口來關閉自動協(xié)商、強制重新協(xié)商、設置具體的媒體模式等。自動協(xié)商過程：當以太網(wǎng)設備加電、重置或者要求重新協(xié)商時，才開始接收方在收到三個連續(xù)的相同F(xiàn)LP之后，從FLP中取得鏈路碼字LCW，選擇雙方所能支持的具有最好能力的媒體選項，并且通過FLP發(fā)送ACK來進行確認自動協(xié)商完成之后按照協(xié)商的結果進行正常的數(shù)據(jù)通信，無需再進行自動協(xié)商，直到鏈路重新加電、重置或者強制重新協(xié)商后才重新開始自動協(xié)商過程。優(yōu)先級媒體選項優(yōu)先級媒體選項1（最高）10GBase-T全雙工6100Base-T2半雙工21000Base-T全雙工7100Base-T431000Base-T半雙工8100BaseTX半雙工4100Base-T2全雙工910Base-T全雙工5100Base-TX全雙工10(最低)10Base-T半雙工自動協(xié)商：鏈路碼字鏈路碼字LCW總共16比特5個比特的選擇因子字段指明了緊隨的技術能力字段（7個比特）的具體取值范圍對于IEEE802.3來說，選擇因子取值為00001XNP：是否支持擴展NextPage遠端錯誤RF（RemoteFault）位用于向鏈路另一端表明錯誤。確認ACK位：在連續(xù)收到3個相同的LCW之后通過設置ACK為1來確認下一頁NP（NextPage）位：表明后面還有一個16比特的碼字，用于擴展16比特的LCW1Gbps媒體選項協(xié)商利用了NP8比特的技術能力字段給出了該設備所支持的媒體技術比特技術最小電纜要求A010BASE-T兩對3類線A110BASE-T全雙工兩對3類線A2100BASE-TX兩對5類線A3100BASETX全雙工兩對5類線A4100BASE-T4四對3類線A5PAUSEA6不對稱PAUSEA7保留，后來作為XNP自動協(xié)商的限制并行檢測在另一方不支持自動協(xié)商時可采用對于設備支持的媒體選項都有一個對應的鏈路監(jiān)控模塊收到的鏈路脈沖信號同時傳遞給該設備的所有鏈路監(jiān)控模塊，如果只有一個模塊檢測到鏈路的質(zhì)量比較好(符合給定的鏈路信號模式)，則采用對應的技術來連接，從而跳過自動協(xié)商過程設置為半雙工方式，無法了解其他特性自動協(xié)商也無法測試鏈路采用的電纜類型假設一個集線器和站點都支持10BASE-T和100BASE-TX，它們之間通過3類UTP連接自動協(xié)商的結果是采用100BASE-TX連接，但是100BASE-TX要求采用5類雙絞線傳統(tǒng)以太網(wǎng)媒體選項

10Base5是最早的以太網(wǎng)技術采用的媒體選項常稱為粗纜：使用10毫米直徑的50的同軸電纜，一個網(wǎng)段最長為500米數(shù)據(jù)速率是10Mbps，采用曼徹斯特編碼。主機通過收發(fā)器（transceiver）連接到粗纜，每個網(wǎng)段最多可以連接100個節(jié)點。通過轉(zhuǎn)發(fā)器擴展覆蓋2500米10Base2常稱為細以太網(wǎng)或者細纜使用50的同軸電纜，只有5毫米直徑數(shù)據(jù)速率是10Mbps，采用曼徹斯特編碼。采用工業(yè)標準的BNC連接器組成T型接頭，細纜中收發(fā)器一般都集成在網(wǎng)卡里面每個網(wǎng)段的使用范圍最長只有200米（更加精確的說是185米），并且每個網(wǎng)段內(nèi)最多只能連接30個站點10BaseT/10BROAD3610BaseT：傳輸媒體為非屏蔽雙絞線，采用星型拓撲所有站點通過兩對(twotwisted-pair)UTP連接到一個集線器（Hub）采用曼徹斯特編碼，其數(shù)據(jù)速率為10Mbps。每個網(wǎng)段的長度限制在100米以內(nèi)。10BROAD36：唯一采用寬帶信號的媒體選項選用標準的75的CATV同軸電纜。從頭端出發(fā)的分段的最大長度是1800米。所以最大的端對端的跨度是3600米。數(shù)據(jù)速率為10Mbps，通過差分相移鍵控（DPSK）來進行信號調(diào)制。10BaseF:采用光纖作為傳輸媒體傳統(tǒng)以太網(wǎng)媒體選項總結10BASE510BASE210BASE-T10BROAD3610BASE-FP傳輸媒體同軸電纜(50ohm)同軸電纜(50ohm)非屏蔽雙鉸線同軸電纜(75ohm)850nm光纖對編碼技術基帶(曼徹斯特碼)基帶(曼徹斯特碼)基帶(曼徹斯特碼)寬帶(DPSK)曼徹斯特/on-off拓撲總線總線星型總線/樹型星型最大網(wǎng)段長度(m)5001851001800500每網(wǎng)段的結點數(shù)10030----33

IEEE802.310Mbps物理層媒體選項物理層互連設備：轉(zhuǎn)發(fā)器和集線器轉(zhuǎn)發(fā)器（repeater）一般用于10Base2和10Base5中，用于擴展傳輸媒體的長度。轉(zhuǎn)發(fā)器用來連接兩段電纜，從它連接的電纜上收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)發(fā)給連接的另一條電纜中集線器Hub一般用于10BaseT中，實際上是一個多口的轉(zhuǎn)發(fā)器當從一條線路上接收到信號時，集線器會向其他線路轉(zhuǎn)發(fā)。如果多于兩個端口同時傳輸，產(chǎn)生并發(fā)送一個沖突存在信號。一般具有一些網(wǎng)絡管理功能。比如如果有一個站點出現(xiàn)故障，一直持續(xù)發(fā)送幀。10Base2對此就會無能為力，一個故障站點會導致整個網(wǎng)絡也處于崩潰狀態(tài)10BaseT中的集線器可以檢測到這個站點的故障，并且把該站點從網(wǎng)絡中分割出來，其他站點仍然能夠繼續(xù)工作。

轉(zhuǎn)發(fā)器和集線器都：工作在物理層，和MAC協(xié)議無關，既無緩沖功能，也無分段功能。通過其連接的網(wǎng)段本質(zhì)上仍然屬于同一個沖突域（Collisiondomain）采用CSMA/CD規(guī)則共享同一個信道的所有節(jié)點位于同一個沖突域在同一個沖突域內(nèi)，任何兩個節(jié)點同時傳輸都會遇到?jīng)_突。物理層互連設備在通過轉(zhuǎn)發(fā)器或集線器構建以太網(wǎng)的實踐中常常要求遵循5-4-3原則5指任意兩個站點間最多有5個以太網(wǎng)網(wǎng)段4指任意兩個站點間最多有4個轉(zhuǎn)發(fā)器3表示任意兩個站點間最多有3個網(wǎng)段有站點相連另外2個網(wǎng)段僅僅用于擴充網(wǎng)絡覆蓋的范圍通過轉(zhuǎn)發(fā)器或集線器來連接多個網(wǎng)段的方式常常稱為級連可堆疊集線器（StackableHub）：各個集線器之間可以通過另外一個高速數(shù)據(jù)通道（常常是Gbps）相連，從而使得各個堆疊起來的Hub組合起來形成一個具有更多端口的Hub堆疊起來的Hub實際上相當于一個大的Hub。它和通過以太網(wǎng)技術把多個網(wǎng)段級連起來是不同的概念，級連技術必須遵循以太網(wǎng)的基本組網(wǎng)原則，即5-4-3原則高速以太網(wǎng)傳輸媒體信號技術距離100BASE-FX2條光纖（波長1300nmMMF）4B5B/NRZI415m，全雙工2000m，SMF更長100BASE-SX(TIA/EIA-785)2條光纖（波長850nmMMF）4B5B/NRZI全雙工300米，采用LED光源，與10Base-FL兼容

100BASE-TX2對STP或5類UTP4B5B/NRZI+MLT-3100m100BASE-T44對3類UTP8B6T/NRZ100m100BASE-T22對3類UTPPAM5100m1000BASE-TX4對5類UTP4D-PAM5100m1000BASE-LX2條光纖，波長1270~1355nm8B/10B316m，全雙工550m，SMF5km1000BASE-SX2條光纖，波長770~860nm8B/10B全雙工50-μmMMF550m1000BASE-LH2條光纖，波長1300或1310nm8B/10BMMF550m，SMF10km1000BASE-ZX2條光纖，波長1550nm8B/10BSMF70~100km1000BASE-CX2條銅線8B/10B25mSTP1000BASE-T4對Cat-5e以上UTP4D-PAM5100mX:兩條鏈路，分別用于發(fā)送/接收T:雙絞線C:CoaxL/S:long/short

LH：longhaul

ZX:extendedrangeMLT-35類雙絞線（100MHz）傳輸4B5B/NRZI編碼后的125MHz信號衰減大，采用MLT-3（Multi-LevelTransmit-3）編碼3種電平:－V、0和+V無跳變表示0，有跳變表示1前一位為+V/-V，當前為0前一位為0，下一位為最近的非0電平的反MLT-3的電平跳變過程是沿著-V、0、+V、0來循環(huán)的每波特攜帶2個比特的信號，最大基準頻率為波特率的1/4100BASETX采用4B5B/NRZI+MLT-3，信號的能量集中在125/4~30MHz以下10011110000101110111+V-V0100BaseT4/100BaseT2100Base-T4：4對3類以上UTP采用8B6T編碼方案3種符號電平8比特塊為單位映射成6個符號，每個符號輪流在3條數(shù)據(jù)信道傳輸4對雙絞線其中3對為數(shù)據(jù)信道，另外一對沖突檢測，每個信道上信號速率為：100Base-T2：2對3類以上UTP采用5級脈沖幅度調(diào)制PAM-5編碼方案2維5x5符號群系選取，采用5級電平，其中4個電平用于傳輸數(shù)據(jù)每個符號可以看成二元組（An,Bn），分別從（-2,-1,0,+1,+2）中選擇雙向基帶傳輸機制，每對電纜可以同時進行發(fā)送和接收，即支持全雙工的數(shù)據(jù)傳輸每對電纜采用25MBaud信號速率2（對）*25Mbaud*2=100Mbps千兆以太網(wǎng)媒體選項1000BASE-X：采用8B/10B信號編碼方案銅媒體1000BASE-CX，最長25米的平衡STP，連接同一設備間的多個設備雙絞線1000BASE-TX，采用Cat-6UTP，TIA提出，沒有產(chǎn)品實現(xiàn)長波光纖的1000BASE-LX:波長在1300nm(1270~1355nm）；支持62.5-μm或50-μm的多模光纖和10-μm的單模光纖半雙工方式最長316米；全雙工方式最長550米，采用單模光纖可達5km短波光纖的1000BASE-SX波長范圍在850nm（770到860nm）；支持62.5-μm或50-μm的多模光纖半雙工方式下，62.5-μm的多模光纖最長275米，50-μm的多模光纖最長可達316米；全雙工方式下，62.5-μm的多模光纖最長為275米，50-μm的多模光纖可達550米1000BASE-LH(longhaul):采用1300或者1310nm波長，類似于1000BASE-LX，采用多模光纖可達550m，但是采用單模光纖時最長10km1000BASE-ZX（extendedrange）：采用1550nm波長，通過單模光纖可達70~100km1000Base-LH/ZX是業(yè)界認可的但并不是IEEE標準（沒有納入最新的802.3-2008標準）1000Base-T采用cat5e以上非屏蔽雙絞線，最長100米采用4D-PAM5信號編碼方案，參考100BASE-TX（125MbaudMLT-3）和100BASE-T2(25MbaudPAM5)。使用4對五類雙絞線，每對雙絞線支持全雙工采用5級脈沖幅度調(diào)制編碼機制PAM5，其中4種符號可以攜帶2比特的數(shù)據(jù)4D-PAM5從4維5級符號群系中選取每個4維符號可以看成4元組（An,Bn,Cn,Dn），從（2,1,0,-1,-2)中選取達到的數(shù)據(jù)速率為4*125M波特*2=1Gbps萬兆以太網(wǎng)媒體選項傳輸媒體信號技術距離10GBase-CX4CX4銅纜8B10B15m10GBase-LX41310nm

MMF或者SMF8B10B10μm

SMF覆蓋2m~10km，50或62.5μm

MMF最長300m10GBase-SR/10GBase-SW850nmMMF64B66B50或62.5μm

MMF范圍2~300m10GBase-LR/10GBase-LW1310nmSMF64B66B10μmSMF范圍2m~10km10GBase-ER/10GBase-EW1550nmSMF64B66B10μmSMF范圍2m~40km10GBase-ZR/ZW(Cisco)1550nmSMF64B66B10μmSMF80km10GBase-LRM1310nmMMF64B66B62.5μm

MMF范圍2~220m，50μm

MMF可達260m10GBase-TCAT6e以上UTPLDPC，PAM-16/DSQ128Cat6eUTP范圍55m，Cat6aUTP可達100m10GBase-KR連接印刷電路板，稱為backplane（背板）以太網(wǎng)64B66B1m10GBase-KX48B10B1m萬兆以太網(wǎng)10Gigabit10GBASE-X

采用8B/10B，支持數(shù)據(jù)速率為10Gbps。10GBASE-LX4XGMII的32比特的數(shù)據(jù)通道分成4個通道，然后經(jīng)過8B/10B編碼后對應著4個字節(jié)流4個字節(jié)流再以寬波分復用的方式通過波長為1310nm的單?；蛘叨嗄９饫w傳遞?？梢圆捎?0-μm的單模光纖，覆蓋的范圍從2米到10km，也可以采用50-μm的多模光纖或62.5-μm的多模光纖，覆蓋的范圍大約從2米到300米。10GBASE-CX4:采用銅纜，最長15米，采用InfiniBand4x連接頭和CX4電纜64B/66B編碼每8個字節(jié)的數(shù)據(jù)為單位，經(jīng)過擾頻后成為64比特的數(shù)據(jù)，64比特的數(shù)據(jù)再在前面附加2比特的同步頭部（01或10，每個塊有變遷）組成了一個66比特的塊數(shù)據(jù)塊：同步頭部取值為01控制塊：同步頭部取值為10?？刂茐K的前面8個比特表示控制塊的類型，比如空閑字符、幀起始、幀結束等。進一步分為10GBASE-R(LANPHY)/10GBASE-W(WANPHY)WANPHY用在數(shù)據(jù)速率為9.584640Gbps的SONET/SDH廣域網(wǎng)環(huán)境通過一個廣域網(wǎng)接口子層WIS（WanInterfaceSublayer），封裝成SONET幀MAC子層提供可選的速率控制模塊來調(diào)整幀間間隔正常情況下IGP為固定的96比特時間MAC子層在發(fā)送時統(tǒng)計剛發(fā)送的幀的比特數(shù)，為了與更低速率的9.58Gbps匹配，采用更大的IGP，增加的長度與剛發(fā)送幀的比特數(shù)成正比幀間間隔期間填充空閑控制塊，在下層PHY發(fā)送時刪除，接收方PHY添加空閑控制塊10GBASE-R/10GBASE-W都支持三種傳輸媒體選項短波串行選項10GBASE-S（ShortWavelengthSerial）可以采用62.5μm或者50μm的多模光纖，波長為850nm，覆蓋的最短距離為2米，而覆蓋的最大距離可達3