(精品)第3章_以太网组网技术基础.ppt

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1、计算机组网原理计算机组网原理马范援马范援cn上海交通大学计算机科学与工程系上海交通大学计算机科学与工程系4/6/20231上海交通大学计算机系原理篇：原理篇：基于以太网的企业内组网技术基于以太网的企业内组网技术 基于广域网的组网技术基于广域网的组网技术 教材：教材：当代组网技术当代组网技术 张公忠张公忠 陈锦章编著陈锦章编著 清华大学出版社清华大学出版社 讲授内容讲授内容4/6/20232上海交通大学计算机系工程篇：工程篇：网络规划与设计网络规划与设计 网络工程实施网络工程实施 网络设备与系统选型网络设备与系统选型 网络综合布线系统网络综合布线系统教材：教材：全新计算机网络工程教程全新计算机网

2、络工程教程郭诠水郭诠水 主编主编 王宝智王宝智 编著编著 北京希望电子出版社北京希望电子出版社补充内容：无线通信网补充内容：无线通信网4/6/20233上海交通大学计算机系要求学生在己具有计算机网络基本知识的要求学生在己具有计算机网络基本知识的基础上学习本课程。基础上学习本课程。组组网网技术是一门应用技术，着重对应用知技术是一门应用技术，着重对应用知识的理解。识的理解。在讲解以太网原理时有一些理论知识和计在讲解以太网原理时有一些理论知识和计算，其它章节都是介绍基本原理和概念。算，其它章节都是介绍基本原理和概念。本课程内容比较多，重点放在企业内的组本课程内容比较多，重点放在企业内的组网以及企业如

3、何接入广域网。网以及企业如何接入广域网。本本课程特点课程特点4/6/20234上海交通大学计算机系 教材中的内容很多，如果全教材中的内容很多，如果全部按照书上内容讲解，时间不够，部按照书上内容讲解，时间不够，大家也不容易消化，因此本课程大家也不容易消化，因此本课程按教材的框架授课，内容上有所按教材的框架授课，内容上有所调整和删减，并补充一些实践知调整和删减，并补充一些实践知识。同学们复习时以上课的材料识。同学们复习时以上课的材料为核心阅读书上的内容。并且要为核心阅读书上的内容。并且要求大家上课时注意听老师的讲解。求大家上课时注意听老师的讲解。对对ATM网络技术不作介绍。网络技术不作介绍。4/6

4、/20235上海交通大学计算机系计算机技术发展的四大规律计算机技术发展的四大规律nMoore定律 微处理器内晶体管数每微处理器内晶体管数每18个月翻个月翻1番。番。nBell定律 若计算能力不变，微处理器的价格和体积每若计算能力不变，微处理器的价格和体积每18个月个月减少一半。减少一半。nGilder定律 主干网的带宽每主干网的带宽每6个月增加个月增加1倍。倍。nMetcalfe定律 网络的价值同网络用户数量的平方成正比。网络的价值同网络用户数量的平方成正比。4/6/20236上海交通大学计算机系计算机网络技术的发展趋势计算机网络技术的发展趋势n网络速度的进一步提高网络速度的进一步提高 DWD

5、M技术的光传输带宽己达技术的光传输带宽己达1.6Tbps，3-5年内将达年内将达10Tbps；线速路由器已达线速路由器已达10Gbps，未来将达未来将达40Gbps；光交换技术。光交换技术。nIPv6协议取代协议取代IPv44/6/20237上海交通大学计算机系n提高服务质量提高服务质量(QoS)成为热点成为热点 适应于数据、话音、视频等多业务的传输。适应于数据、话音、视频等多业务的传输。n新一代网络体系结构的出现新一代网络体系结构的出现 例如：主动网络。例如：主动网络。n移动通信的广泛应用移动通信的广泛应用 无线局域网无线局域网(WLAN)；3G、4G。n网络安全性的加强网络安全性的加强n新

6、的应用出现新的应用出现 4/6/20238上海交通大学计算机系计算机组网原理计算机组网原理原理篇原理篇第三章第三章 以太网组网技术基础以太网组网技术基础4/6/20239上海交通大学计算机系本章重点本章重点n以太网工作原理以太网工作原理 CSMA/CDn碰撞槽时间及最小帧长度的计算碰撞槽时间及最小帧长度的计算n曼彻斯特编码的原理及优点曼彻斯特编码的原理及优点n10BaseT的技术特点的技术特点n集线器工作原理及功能集线器工作原理及功能4/6/202310上海交通大学计算机系第三章第三章 以太网组网技术基础以太网组网技术基础3.1 3.1 以太网发展情况及其标准以太网发展情况及其标准4/6/20

7、2311上海交通大学计算机系3.2 3.2 媒体访问控制方式媒体访问控制方式3.2.3 3.2.3 CSMA/CDCSMA/CD机理机理1.1.CSMA/CDCSMA/CD工作原理工作原理2.2.载波侦听多路存取载波侦听多路存取/冲突检测冲突检测总线总线4/6/202312上海交通大学计算机系CSMA/CDCSMA/CD的工作过程的工作过程 开始冲突开始冲突AB tB发送数据发送数据信道占用时间A检测到检测到冲突冲突冲突加强信号冲突加强信号 TBTJ 如一个站点发送后，经如一个站点发送后，经2 2 后没有冲突，即后没有冲突，即发送成功发送成功。4/6/202313上海交通大学计算机系发生碰撞时

8、间的发生碰撞时间的上限，即发送站上限，即发送站发出帧后能检测发出帧后能检测到碰撞的最长时到碰撞的最长时间间3.2 3.2 碰撞槽时间（碰撞槽时间（slot timeslot time）4/6/202314上海交通大学计算机系设：信号在物理信道上的传播速度：设：信号在物理信道上的传播速度：v v 一般近似为：一般近似为：v=200m/v=200m/s s物理信道长度：物理信道长度：S S网卡延时：网卡延时：t tPHYPHY则可得：则可得：=S/v=S/v Slot time=2Slot time=2+2t+2tPHYPHY 如果考虑网段上有如果考虑网段上有N N个中继器，每个中继个中继器，每个

9、中继器延迟时间为器延迟时间为t t中继器，则可得下式：，则可得下式：Slot time=2*(Slot time=2*(+t tPHYPHY +N+N X X t t中继器)碰撞槽时间的计算碰撞槽时间的计算4/6/202315上海交通大学计算机系 10M以太网的连接标准以太网的连接标准(5-4-3规则)4/6/202316上海交通大学计算机系1)1)Slot timeSlot time是监测一次碰撞所需的最长时间。是监测一次碰撞所需的最长时间。2)2)限制了帧的最小长度限制了帧的最小长度 L Lminmin设设 R R 为报文传输速率为报文传输速率则则 L Lminmin/R Slot tim

10、e/R Slot time L Lminmin Slot time X R Slot time X R L Lminmin 2 2 X X(S/v S/v+t tPHYPHY +N+N X X t t中继器)X RX R 书上书上3.33.3式式(P.5)P.5)中的中的/应改为应改为 X X 802.3 802.3标准规定的帧最小长度为标准规定的帧最小长度为6464字节字节(2500(2500米米,4,4个中继器个中继器)。几点结论：几点结论：4/6/202317上海交通大学计算机系3)3)决定了碰撞后信道上最大的碎片长度，碎片决定了碰撞后信道上最大的碎片长度，碎片长度长度 L Lminmi

11、n。4)4)决定了网络跨距的最大值。决定了网络跨距的最大值。根据根据3.33.3式，当传输速率式，当传输速率R R固定时，最小帧长度固定时，最小帧长度与网络跨距具有正比例关系，即跨距越大，与网络跨距具有正比例关系，即跨距越大，L Lminmin越长。反之越长。反之L Lminmin越越长，跨距也可加大。长，跨距也可加大。根据根据3.33.3式还可看出，在式还可看出，在L Lminmin不变的情况下，不变的情况下，传输速率越高，跨距越小。在后面介绍传输速率越高，跨距越小。在后面介绍100100MM和和10001000MM以太网时会明显看到这一点。以太网时会明显看到这一点。5)5)是以太网一些算法

12、的时间基准值，如二进制后是以太网一些算法的时间基准值，如二进制后退算法。退算法。4/6/202318上海交通大学计算机系 必须注意：信号在物理信道上的传播速度必须注意：信号在物理信道上的传播速度v与报文的传输速率与报文的传输速率R是两个完全不同的概念。是两个完全不同的概念。信号在物理信道上的传播速度是指电信号信号在物理信道上的传播速度是指电信号在物理介质上的移动速度，计量单位是在物理介质上的移动速度，计量单位是 距离距离/时间。光波在真空中的传播速度是时间。光波在真空中的传播速度是 30万公里万公里/秒，电信号在有线介质中的传播速秒，电信号在有线介质中的传播速度为该值的度为该值的0.7，近似值

13、为，近似值为200米米/微秒。微秒。报文的传输速率是指报文内的二进制位在报文的传输速率是指报文内的二进制位在线路上的发送速度，计量单位是二进制位线路上的发送速度，计量单位是二进制位/秒秒(b/s或或bps)。4/6/202319上海交通大学计算机系 例如一个报文有例如一个报文有2048字节字节 (即即16384bits)，传输速率传输速率R为为10Mbps，则整个报文发送完毕需花费：则整个报文发送完毕需花费：16384bits/10000000bps=1638.4微秒微秒 或或1.6384毫秒毫秒 如果网络长度为如果网络长度为1000米，则每个二米，则每个二进制位从网络的一端走到另一端的时间进

14、制位从网络的一端走到另一端的时间是：是：1000米米/200米米/微秒微秒=5微秒微秒4/6/202320上海交通大学计算机系 我们还可举个例子，车库内有我们还可举个例子，车库内有2000辆汽车，如果车库发出汽车每分钟辆汽车，如果车库发出汽车每分钟5辆，辆，则则400分钟车库内的汽车全部发完，这就分钟车库内的汽车全部发完，这就相当于网络中的相当于网络中的R。每辆车离开车库后在每辆车离开车库后在高速公路上行驶速度为高速公路上行驶速度为100公里公里/小时，小时，这相当于网络中的这相当于网络中的v。4/6/202321上海交通大学计算机系 举例：802.3标准规定了标准规定了10M以太网帧的最短长

15、以太网帧的最短长度为度为64字节，如果将该标准规定的条件作些修字节，如果将该标准规定的条件作些修改，假定网络最长距离为改，假定网络最长距离为1000米，中间可接米，中间可接2个个中继器，每个中继器的延迟时间为中继器，每个中继器的延迟时间为1 s，每个网每个网卡延迟时间为卡延迟时间为1.5 s，求在这些条件下帧的最短求在这些条件下帧的最短长度为多少？长度为多少？4/6/202322上海交通大学计算机系 举例：802.3标准规定了标准规定了10M以太网帧的最短长以太网帧的最短长度为度为64字节，如果将该标准规定的条件作些修字节，如果将该标准规定的条件作些修改，假定网络最长距离为改，假定网络最长距离

16、为1000米，中间可接米，中间可接2个个中继器，每个中继器的延迟时间为中继器，每个中继器的延迟时间为1 s，每个网每个网卡延迟时间为卡延迟时间为1.5 s，求在这些条件下帧的最短求在这些条件下帧的最短长度为多少？长度为多少？解：解：总延迟时间总延迟时间=(1000M 200M/s)+2 1 s +1.5 s=8.5 s 总延迟时间总延迟时间 2=17 s 17 s 10Mbps=170bits 170bits 8bits=21.25 bytes 取取 22 bytes4/6/202323上海交通大学计算机系3.3.1 3.3.1 编码与解码编码与解码曼彻斯特编码曼彻斯特编码 (Manchest

17、er Code)Manchester Code)3.3 3.3 物理层结构与功能物理层结构与功能4/6/202324上海交通大学计算机系1.1.有利于区分每个有利于区分每个“0 0”、“1 1”代代码码2.2.便于同步便于同步3.3.便于检测碰撞的发生便于检测碰撞的发生4.4.平均直流电平为平均直流电平为 0 0曼彻斯特编码优点曼彻斯特编码优点4/6/202325上海交通大学计算机系四种标准四种标准编码编码/译码译码10BASE510BASE510BASE210BASE210BASET10BASET10BASEF10BASEF 同轴电缆同轴电缆 同轴电缆同轴电缆3 3、4 4、5 5类类UTP

18、UTP62.562.5多模光纤多模光纤3.3.2 3.3.2 收发器收发器4/6/202326上海交通大学计算机系10BASE510BASE210BASE-T连接方式连接方式4/6/202327上海交通大学计算机系物理性能物理性能10BASE510BASE510BASE210BASE210BASET10BASET10BASEF10BASEF媒体媒体最长媒体段最长媒体段拓扑结构拓扑结构收发器收发器最大跨距最大跨距/媒体段数媒体段数10 5010 50同轴电缆同轴电缆500 500 m m公共总线状公共总线状外置收发器设备外置收发器设备2.5 2.5 km/5km/55 505 50同轴电缆同轴电

19、缆185 185 m m公共总线状公共总线状内置芯片内置芯片925 925 m/5m/53 3、4 4、5 5类类不屏蔽双绞线不屏蔽双绞线100 100 m m星状星状内置芯片内置芯片500 500 m/5m/562.5/12562.5/125多模光纤多模光纤2 2 kmkm 星状星状内置芯片内置芯片4 4 km/2km/23.3.2 3.3.2 四种四种1010BASEBASE以太网物理性能比较以太网物理性能比较4/6/202328上海交通大学计算机系Ethernet Ethernet 缆线与接口缆线与接口名称电缆最大区间长度节点数/段优点接口10Base5粗缆500m100早期产品，已不用

20、AUI10Base2细缆200m(185)30不需HUBBNC10Base-T双绞线100m1024廉价易于维护RJ-4510Base-F光纤2km1024用于楼间ST4/6/202329上海交通大学计算机系87654321第第1对对第第4对对第第2对对第第3对对12361236网卡网卡集线器集线器1236集线器集线器1236集线器集线器网卡：网卡：发送：发送：1、2；接收：接收：3、6集线器：发送：集线器：发送：3、6；接收：接收：1、2连接方式：直连、交叉连接方式：直连、交叉RJ-45RJ-45插座连接图插座连接图4/6/202330上海交通大学计算机系3.4.1 103.4.1 10BA

21、SETBASET以太网系统组成以太网系统组成以以集线器集线器(HUB)HUB)为中心构成星状连接，但本质上为中心构成星状连接，但本质上仍是共享总线的工作方式。仍是共享总线的工作方式。双绞线双绞线双绞线连接插座双绞线连接插座 RJ-45RJ-453.4 103.4 10BASETBASET技术特点技术特点4/6/202331上海交通大学计算机系输入放大器输入放大器输出放大器输出放大器正常传输信号正常传输信号外界电磁场干扰外界电磁场干扰双绞线双绞线干扰源干扰源双绞线抗外界电磁场干扰双绞线抗外界电磁场干扰为什么在非屏蔽的为什么在非屏蔽的5 5类双绞线上能达到高速率传送？类双绞线上能达到高速率传送？4

22、/6/202332上海交通大学计算机系1.信道上信号的放大、整形信道上信号的放大、整形2.实现碰撞检测实现碰撞检测3.端口数的扩展端口数的扩展堆栈式堆栈式机框式机框式4.不同类型接口的互连不同类型接口的互连(见图见图3.16、3.17)5.集线器与网卡之间或集线器之间最长距离均为集线器与网卡之间或集线器之间最长距离均为100米。集线器数量最多为米。集线器数量最多为4个，即最远两站个，即最远两站之间距离为之间距离为500米。米。3.4.2 103.4.2 10BASETBASET集线器功能集线器功能4/6/202333上海交通大学计算机系fafafafafafafafafaCPCPCPCPfaC

23、PCPCPCPfbfaCPCPCPCPCPCPCPCPfbCPfc(a)A发送发送(a)A和和B发送发送(a)A,B和和C发发送送碰撞检测的原理碰撞检测的原理4/6/202334上海交通大学计算机系1010BASETBASET标准已经是标准已经是1010MM以太网组网的主流技术，以太网组网的主流技术，其优点是：其优点是：1)1)可靠性好可靠性好某对双绞线故障不影响整个网络的工作某对双绞线故障不影响整个网络的工作2)2)可扩展性好可扩展性好通过增加通过增加HUBHUB达到扩展目的达到扩展目的3)3)可管理性好可管理性好可对可对HUBHUB实现管理实现管理4)4)连接方便连接方便1010BASETBASET的优点的优点4/6/202335上海交通大学计算机系1.1.光纤以太网光纤以太网1010BASEFBASEF出现出现2.2.高速以太网的发展高速以太网的发展3.3.从共享型以太网走向交换型以太网从共享型以太网走向交换型以太网4.4.发展了综合布线技术发展了综合布线技术3.4.3 3.4.3 基于基于1010BASETBASET发展的现代网络技术发展的现代网络技术4/6/202336上海交通大学计算机系