以太网技术原理教学文稿.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。以太网技术原理-课程以太网技术原理-目录课程说明1课程介绍1课程目标1相关资料1第1章以太网基础21.1802.3的电缆41.2802.3的MAC子层协议51.3IEEE802.2标准：逻辑链路控制（LLC）61.4常用以太网连接方法71.5快速以太网简介8课程说明课程介绍本课程主要介绍以太网的相关标准和线缆课程目标完成本课程的学习后，您应该能够：（正文,F2）l 了解IEEE802协议族l 了解以太网中常用的线缆相关资料l IEEE802.2l IEEE802.3l IEEE802.3uIEEE802.3z以太网基础以太网系统的真正开端是在夏威夷岛上建造的用于无线电通信的ALOHA系统。对于采用广播信道的网络而言，最为关键的一个设计问题就是如何给各个站点分配信道的使用权。ALOHA是夏威夷大学的NormanAbramson和他的伙伴们发明的一种全新的动态信道分配方法，其基本思想很简单：用户只要有数据要发送，就让他们发送。由于广播的反馈性，发送方只要侦听信道就可以知道发出的数据是否被破坏，如果被破坏，发送方等待一段随机的时间再重发数据。区别于传统的静态信道访问方法如TDM（TimeDivisionMultiplexing）、FDM（FrequencyDivisionMultiplexing），ALOHA可以很好的处理数据通信的突发性，提高信道的利用率。后来，为了尽量减少冲突的发生，在ALOHA的基础上出现了很多的动态信道分配方法。其中在ALOHA基础上加入了载波监听的CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）是最重要也是应用最为广泛的一种改进。第一个CSMA/CD系统是由XeroxPARC建造的一个2.94Mb/s的系统。这也是第一个被称为以太网（Ethernet）的系统。1CSMA/CD规定了一个想传输数据的节点必须执行如下步骤：(1) 监视信道直到其空闲。(2) 传输数据，并监视信道看是否有冲突发生。(3) 如果检测到冲突发生，停止传输，发出一个冲突产生信号，再等待一个随机的时间，再回到第一步。这个随机的时间依如下规则选择：如果数据包冲突了n（n<16）次，则此节点以相同的可能性从0，1，.，2n-1中随机选一个数K，然后等待K*512比特时间（例如：在10Mbps以太网中，1比特时间=10-7秒），如果n>15，则放弃发送。Xerox的以太网极其成功，于是它和DEC，Intel共同起草了一份10Mb/s的以太网标准，这个标准称为DIX（DEC、Intel、Xerox）。这个标准就是IEEE802.3的基础。802.3的电缆以太网使用的物理介质主要有：粗同轴电缆、细同轴电缆、3类双绞线、5类双绞线、光缆。表中列出了10M以太网使用的线缆特性。10BASE-T可以使用3类双绞线（即普通电话线），及其易于维护的特点实际上已使其成为10M以太网的主流解决方案。802.3的每个版本都有一个区间最大长度。为了使网络范围更大，可以使用中继器（Repeater）连接多根电缆，中继器是一个物理层设备，起信号放大作用，对于上层而言，认识不到中继器的存在。可以在网络中使用多个中继器和电缆段，但是为了减少因延时太大而无法监听到线路忙而造成的冲突，802.3规定两个收发器间不得超过2.5km，任意两个收发器间的路径上不得有4个以上的中继器。802.3的MAC子层协议在实际物理信道上传输的只是电压信号（+0.85V或-0.85V）的序列，为了在没有外部参考时钟的情况下，接收方能够正确定位比特的开始与结束，802.310Base采用可以自同步的信号编码方法：Manchester编码或差分Manchester编码。802.3帧的7个先导字节的Manchester编码会产生10MHz，持续5.6微秒的方波，这个信号会使收发双方的时钟同步很容易，随后的SFD（10101011）用来指示一帧的开始。在802.3MAC帧中，有两个MAC地址字段：目的MAC地址和源MAC地址，都是6个字节。802.3帧中的Len字段指示了它所承载的LLC帧的长度，前面提到的DIX标准的MAC帧结构和802.3的MAC帧结构唯一区别就在于这个字段。在DIX标准中，这个字段叫做Type字段，用于指示MAC层的上层协议，这意味着DIX标准的MAC帧可以承载非IEEE802.2规定的LLC帧，而IEEE802.3只能承载IEEE802.2LLC帧。LLC数据后面的PAD字段用于填充帧以保证帧长度至少是64字节，规定最短帧长度的目的是为了保证在监听到冲突之前就已经发送完数据的情形不可能发生。IEEE802.3MAC帧最后一个字段是校验和字段，用于发现传输中发生的错误。IEEE802.2标准：逻辑链路控制（LLC）IEEE除了定义了802.3以太网MAC标准外，还定义了多种802.4（令牌总线网）、802.5（令牌环网）、802.6（分布队列双路总线）等局域网MAC标准，IEEE定义了IEEE802.2（逻辑链路控制：LLC）隐藏了各种802网络之间的差别，向网络层提供了一个统一的格式和接口，这些格式、接口和协议完全基于OSI。LLC构成了数据链路层的上半层，MAC构成了数据链路层的下半层。LLC提供了三种服务：不可靠的数据报服务、有确认的数据报服务和可靠的面向连接的服务。对于有确认的数据报和面向连接的服务，数据帧中包含了源地址、目的地址、序列号以及其他的一些位。对于不可靠的数据报服务，省略了序列号和确认号。常用以太网连接方法传统的10Base5和10Base2都采用直观的总线拓扑式的连接方式：用一根电缆将各台主机的网络接口板连接到一根长长的电缆上，其中10Base5用一个收发器牢牢的夹在电缆上，10Base2则用一个无源的BNCT型接头连接到电缆上。最为方便的则是10Base-T方式，各台主机都用一对双绞线连接到一个称为集线器的中心设备上。传统的共享式集线器也可以被看成一根长长的电缆，即一根共享总线。由于这种方式定位故障和增减设备都比较容易，用集线器连接的方式早已成为主流的解决方案。事实上，现在的一些集线器产品除了有传统的双绞线接口外，还有可能有其他介质的接口。快速以太网简介现实世界对于带宽的需求推动了IEEE802.3委员会于1992年制定了快速以太网标准802.3u。其中使用3类线的方案是100Base-T4，需要使用4对3类双绞线，其中一对线连向集线器，一对从集线器引出，另外两对可以根据不同通信方向切换。为了达到所需要的带宽，没有采用Manchester编码，在线路上传输的是3元编码信号：即一个时钟周期内线路上信号可能有0、1、2三种状态。这样，在3对双绞线向同一个方向发送的情况下，每个时钟周期就有27种可能的信号，这样每个时钟周期就可以传输4bit而且还有冗余。由于100Base-T4采用的时钟频率是25MHz（注意，容易计算：10Base-T的时钟频率是20MH），所以获得了每秒就可以传输100M数据性能和一个33.3Mb/s的保留信道。100Base-Tx使用两对性能很好的5类双绞线，采用的时钟频率是125MHz。这两对双绞线中一对连向集线器，另一对从集线器引出。采用的编码方法是：每5个时钟周期为一组，每组传送4bit数据。这样，100Base-Tx就获得了一个两个方向都是100Mb/s的全双工信道。100Base-Fx使用了1对多模光纤，每束光纤都可以用于两个方向，每个方向上都可以达到100Mb/s的传输速率。而且最大传输距离可达2km。值得注意的是：100Base-T4和100Base-Tx可以使用交换式或共享式的集线器连接。但是100Base-Fx电缆相对于以太网冲突算法显得太长，所以必须采用带缓存的交换式集线器连接方法。以太网技术的进步几乎是无止境的，1997年IEEE制定的802.3z定义了千兆以太网标准进一步满足了疯狂增长的带宽需求。千兆以太网使用和其他以太网标准相同的帧格式。物理层的设计光纤是首选介质，但是，也存在使用多根双绞线的解决方案。