光纤以太网分解.pptx

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1、以太网的诞生以太网的诞生以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制，数据传输速率达到10Mbps。以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE 802.3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定。以太网版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE 802.3规范相互兼容。第1页/共69页以太网发展简史以太网发展简史第2页/共69页以太网的特点以太网的特点基带网，基带传输技术；标准：IEEE 802.3；介质访问控制

2、方法：CSMA/CD；共享型网络，网络上的所有主机共享传输介质和带宽；带宽利用率低，一般为30%40%；广播式网络，网上传输的数据包在任何主机都可以接收；拓扑结构：总线型和星型；传输速率：10M/100M/1G/10G；传输介质：主要为屏蔽双绞线，同轴电缆，光纤。第3页/共69页以太网参数指标：10Base5：粗同轴电缆10Base2：细同轴电缆10BaseT：双绞线10BaseF：MMF光缆100BaseT：双绞线100BaseF：MMF/SMF1000BaseX：屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT：双绞线第4页/共69页 10Base5使用直径为0.4英寸、阻抗为50粗同轴电缆

3、，也称粗缆以太网，最大网段长度为500m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base5组网主要硬件设备有：粗同轴电缆、带有AUI插口的以太网卡、中继器、收发器、收发器电缆、终结器等。10Base2使用直径为0.2英寸、阻抗为50细同轴电缆，也称细缆以太网，最大网段长度为185m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base2组网主要硬件设备有：细同轴电缆、带有BNC插口的以太网卡、中继器、T型连接器、终结器等。第5页/共69页 10BaseT 使用双绞线电缆，最大网段长度为100m，拓扑结构为星型；10BaseT组网主要硬件设备有：3类或5类非屏蔽双绞线、带有RJ-45插口的以太网卡、集线器

4、、交换机、RJ-45插头等。1Base5使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps；10Broad36使用同轴电缆（RG59U CATV），网络的最大跨度为3600m，网段长度最大为1800m，是一种宽带传输方式；10BaseF使用光纤传输介质，传输速率为10Mbps；第6页/共69页AUI接口BNC接口第7页/共69页以太网的帧结构以太网的帧结构以太网的数据单元称为帧，在帧中使用MAC地址来标记发送方和接收方。发送方在发送数据时，将接收方的MAC地址和本方的MAC地址封装在帧中进行发送，接收方收到数据后对帧中的目的MAC地址进行判断，如果和自己的MAC地址相符，就接收并处理

5、这个帧；如果和自己的MAC地址不符，就丢弃这个帧。第8页/共69页Preamble field前导用以发送端和接收端的物理设备达到比特同步。编码形式为10101010序列。Start frame delimiter（SFD）field帧首定界符，编码形式为“10101011”序列，该字段功能是指示一帧的开始。DA目的MAC地址，用来指出帧要发往的工作站。SA源MAC地址，指示发送该帧的工作站地址。第9页/共69页长度/类型指示字段2字节，用来指示紧随其后的数据字节的长度（如果该字段值1535）或指定承载的协议类型（如果该字段值1535）。DATA帧要发送的用户数据(由高层提供或接收)。PAD紧

6、接在数据字段之后，用来对数据进行填充，以保证帧长度不少于64字节（若大于64字节，则无PAD），以适应碰撞检测的需要。FCSCRC校验序列，用于校验帧在传送过程中有无差错。第10页/共69页以太网帧长度：以太网帧长度（从目的mac到fcs）为641518字节，如果以太网帧为扩展类型，需要额外增加4个字节，即最长为1522字节。第11页/共69页以太网原理以太网原理-CSMA/CD-CSMA/CDCS：载波侦听在发送数据之前进行监听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。MA：多址访问每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。CD：冲突检测边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之后继

7、续发送。第12页/共69页CSMA/CDCSMA/CD工作原理工作原理以太网采用总线型拓扑结构，任何节点的发送都是随机的，都必须平等地征用发送时间。如果一个节点要发送数据，就以“广播”方式把数据通过总线发送出去，连在总线上的所有节点都能“收听”到这个数据信号。协议规则：载波监听冲突检测干扰（拥挤）：jamming信号等待第13页/共69页以太网数据的发送先听后发边听边发冲突停发延迟重发第14页/共69页以太网数据的接收在接收过程中，以太网中的各节点同样需要监测信道状态。如果在整个接收过程中没有发生冲突，接收节点在收到一个完整的数据后即可对数据进行接收处理。第15页/共69页冲突检测发送节点在发

8、送数据的同时，将它发送的信号波形与从总线上收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上节点的发送信号，那么它们叠加后的信号将不等于任何节点发送的信号波形，表明冲突已产生。第16页/共69页第17页/共69页整数二进制指数后退算法碰撞重发之前计算应等待的时间第18页/共69页可看出：碰撞检测与网络站点距离和最小帧长有关。最小帧长越长，允许的网络站点距离越远。但最小帧长加大将导致短帧填充过多而降低效率。时间槽：即碰撞时隙，碰撞发生在帧开始发送后碰撞时隙时间长度内，超过此时间长度还没有碰撞的话就一定不会碰撞。IEEE 802.3标准中，最小帧长64字节，即512bit，10M以太网中对于

9、51.2s。第19页/共69页随机等待规则：第一次冲突：随机决定立即发送或等待一个时隙第二次冲突：随机选择等待03个时隙（0 22）第三次冲突：随机选择等待07个时隙（0 23）直到第十次冲突：随机选择等待0 1023个时隙随机等待为时隙的整数倍时隙：发送最小帧需要的时间时隙数范围为0 1023最大尝试次数16次第20页/共69页共享式以太网弱点共享式以太网弱点全网共享带宽，时延不确定。用户数增加时网络性能急剧下降。网络网络性能性能用户数用户数第21页/共69页标准以太网的实现模型标准以太网的实现模型第22页/共69页第23页/共69页第24页/共69页粗同轴电缆AUI连接器第25页/共69页

10、细同轴电缆BNC连接器第26页/共69页双绞线RJ-45连接器第27页/共69页10M光纤以太网结构与工作原理P371第28页/共69页交换式以太网第29页/共69页碰撞域：因信道竞争而发生碰撞的一组站点。共享式以太网碰撞域是整个网络，网上所有站点共享系统带宽。适用于小型网络。交换式以太网以以太网交换机为核心连接站点或者网段。交换机的端口是碰撞域终点。系统带宽是端口速率的n倍。交换机内部存有地址映射表，它反映各个端口与所有站点地址之间的对应关系。泛洪（flooding）第30页/共69页第31页/共69页交换式以太网工作方式直通式（cut-through）存储转发式（store-and-for

11、ward）自适应方式（self-adaption）第32页/共69页直通式边收边发：交换机端口接收到数据帧帧头（前14字节），马上查询地址映射表，根据结果立即进行转发。优点：转发延迟小，交换速度快，缺点：无法检测到冲突帧和出错帧。第33页/共69页存储转发式先将数据帧完整地接收下来，交换机的控制器先缓存输入到端口的数据包，然后进行CRC校验，滤掉不正确的帧，确认包正确后，取出目的地址，通过内部的地址表确定相应的输出端口，然后把数据包转发到输出端口，在根据目的地址转发到指定接口。第34页/共69页自适应方式交换机根据网络状况自动更换数据交换方式。单位时间内帧差错率小于某个阈值时，采用直通方式。单

12、位时间内帧差错率大于某个阈值时，采用存储转发方式。介于直通式与存储转发式之间的一种解决方案，综合了两者的优点，数据处理速度介于两者之间。第35页/共69页交换式以太网优点相对于共享式以太网，优点如下：不需要改变网络其他硬件，只需用交换机替换共享式HUB。同时提供多个通道，允许多对用户同时通信。能提供更高带宽和速度。第36页/共69页全双工交换式局域网在广域网上的连接通常是全双工的，但以前局域网一直工作在半双工方式下。原因：在总线方式下采用CSMA/CD协议，如果两台工作站同时发送就会产生碰撞，所以只能是半双工方式。所谓全双工FDX（full-duplex）是在一个连接上同时进行数据的接收和发送

13、。在10BASE-T的局域网中，虽然使用两对双绞线与集线器相连，一对用于发送，另一对用于接收，但根据10BASE-T规定，在发送时必须在接收电缆上监听碰撞信号，而不能接收数据，所以也作为半双工方式工作。第37页/共69页只有采用交换机连接网络时才能使用全双工通信，交换机的每个端口只连接一个站点，不会产生碰撞，也就不用在发送时用接收电缆监听碰撞信号。第38页/共69页高速光纤以太网快速以太网千兆以太网协议结构与标准千兆以太网技术特征第39页/共69页快速以太网速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3的CS

14、MA/CD协议。100BASE-T以太网又称为快速以太网（Fast Ethernet）。第40页/共69页100BASE-T概述10Mbps100Mbps媒体访问控制协议CSMA/CD相同的帧结构，最小帧长为512比特，网络覆盖范围最多200米星型拓扑结构，通过集线器等连接媒体速率自动协商多种传输媒体第41页/共69页第42页/共69页100BASE-T 以太网的特点可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为的 0.96

15、 s。第43页/共69页快速以太网物理层规范第44页/共69页双绞线分类一类线：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不同于数据传输。二类线：传输频率为1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4MBPS规范令牌传递协议的旧的令牌网。三类线：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输主要用于10BASE-T。四类线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输主要用于基于令牌的局域网和 10BASE-T/100BASE

16、-T。五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。第45页/共69页超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值(ACR)和信噪比(Structural Return Loss)、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。六类线：该类电缆的传输频率为1MHz250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。

17、六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。六类与超五类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。六类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离为：永久链路的长度不能超过90m，信道长度不能超过100m。第46页/共69页4B/5B编码用5bit的二进制码来代表4bit二进制码。此编码效率是80%，比manchester码高。目的：让码流产生足够多的跳变。以提取时钟信息。4位二进制有16种组合，5位二进制有32种组合，从32中组合中选取16种来需满足两个

18、规则：每个5比特码组中不含多于3个“0”；或者5比特码组中包含不少于2个“1”。第47页/共69页第48页/共69页自动协商802.3标准中的定义：它允许一个设备向链路远端的设备通告自己所运作的工作方式，并且侦测远端通告的相应的运行方式。自动协商的目的是给共享一条链路的两台设备提供一种交换信息的方法，并自动配置它们工作在最优能力下。按优先权从高到低依次为：100BASE-TX全双工100BASE-T4100BASE-TX10BASE-T全双工10BASE-T第49页/共69页第50页/共69页100BASE-T快速以太网的优缺点优点：具有较高的性能，适合网络结点多或对网络带宽要求较高的应用环境

19、；基于以太网的技术，与现有10BASE-T的兼容可以容易的移植到高速网络上；最大地利用了已有的设备、电缆布线和网络管理技术；众多的厂商支持。缺点：仍然是一种共享式以太网网络，采用CSMA/CD作为介质存取方式，网络结点增加时，网络性能会下降；CSMA/CD方式使得网络延时变化较大，不适合实时性应用；速率较高，中继器间距较小，100BASE-TX不适合做主干。第51页/共69页千兆以太网1000M以太网的传输速率为1Gbps，但其帧格式与10M、100M以太网完全相同，所以兼容性非常好。1000M以太网和100M以太网的主要区别：采用千兆网介质无关接口GMII：GMII为物理层与DLL层之间的接

20、口，数据通道为8位（100M以太网为4位）。光纤通道采用8B/10B码与铜介质相比优先使用光纤修改CSMA/CD操作和优选全双工采用帧扩展技术为适用于光纤而修改自动协商机制采用单中继器规范第52页/共69页以太网、FE、GE的层次结构第53页/共69页第54页/共69页千兆位以太网体系结构与功能模块千兆位以太网体系结构与功能模块第55页/共69页编码1000BASE-X：光纤、短屏蔽双绞线 8B10B码1000BASE-T：5类UTP PAM5码 5电平的特殊编码4对双绞线第56页/共69页8B10B码第57页/共69页千兆位以太网分类按PHY层分类第58页/共69页1000BASE-X：基于

21、光纤通道的物理层1000BASE-CX：CX表示铜线1000BASE-LX：LX表示长波长1000BASE-SX：SX表示短波长1000BASE-T使用4对5类线UTP第59页/共69页1000BASE CX屏蔽双绞线，9芯D型连接器，25米第60页/共69页1000BASE LX长波激光：12701355nm（一般为1300nm）多模光纤：62.5m，50 m 单模光纤：9 m SC型光纤连接器1000BASE SX短波激光：770860nm（一般为800nm）多模光纤：62.5 m，50 m SC型光纤连接器第61页/共69页载波扩展在802.3标准中帧的最短长度为64字节，即512位，在

22、10Mbps时，512位传送时间为51.2s。100Mbps时，传送时间为5.12 s。面对1Gbps速率传送时间仅为0.512 s。根据冲突检测原理，如有冲突发生，要求在该传送时间内能检测到冲突，对千兆位网来说，0.512 s的碰撞域范围就很小，使网络的跨距也很短。所以最小帧长度与碰撞域的地理范围成正比关系。PCPCPCPC最大跨距最大跨距第62页/共69页在千兆位以太网中为增加跨距，必须加长最小帧长度，但又要考虑到兼容性。对用户来说必须维持64字节不变，于是在千兆位以太网的网卡上对短帧自动加长帧长度，这称为帧扩展技术。帧长度512字节（4096位）自动添加扩展位，使帧长度达到4096位帧长

23、度512字节：不添加扩展位全双工方式不执行帧扩展第63页/共69页在短MAC帧后面加上载波延伸凡发送的MAC帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC帧的发送长度增大到512字节，但这对有效载荷并无影响。接收端在收到以太网的MAC帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。第64页/共69页如以太帧长度为5121500字节，毋需采用载波扩展技术载波扩展扩大了网络直径，但传送短帧带来了额外的开销，影响了效率。71662464934先导先导字段字段帧起帧起始符始符目的目的地址地址源地源地址址类型类型/长度长度数据数据FCS第65页/共69页第66页/共69页帧突发（frame bursting）发送方允许连续发多个帧，其中第一个帧按CSMA/CD规则发送。如果第一个是短帧，必须对第一个帧进行载波扩展。若该帧发送成功，紧接着发送后面的帧，这些帧毋需载波扩展，直至达到一次帧突发的最大长度限制（8K字节）。提高了传输效率。第67页/共69页帧突发过程帧突发过程第68页/共69页感谢您的观看！第69页/共69页