《工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》第7章

哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所

工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1第7章以太網(wǎng)

以太網(wǎng)，即Ethernet，美國Xerox公司1975年為小型機(jī)研制的一個(gè)總線式局域網(wǎng)。1980年Xerox公司與DEC和Intel公司共同提出了第1個(gè)以太網(wǎng)規(guī)范。為了緊跟商用局域網(wǎng)不斷變化的要求，近年來，在發(fā)展過程中引入了很多新的策略。其中最重要的有：快速以太網(wǎng)和千兆位以太網(wǎng)將10Mbps的CSMA/CD升級(jí)，保留對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的投資。光纖通道花費(fèi)低且易于升級(jí)，可獲得非常高的數(shù)據(jù)率。高速無線局域網(wǎng)近年來終于浮出水面。哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所2第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所31傳統(tǒng)以太網(wǎng)由IEEE

802.3標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)開發(fā)。1.1

IEEE

802.3媒體訪問控制（MAC）第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所45圖CSMA/CD工作原理1.1

IEEE

802.3媒體訪問控制（MAC）

IEEE

802.3使用一種稱為二進(jìn)制指數(shù)退避的１堅(jiān)持算法：當(dāng)站點(diǎn)連續(xù)多次遇到?jīng)_突時(shí)，它仍然不斷地試圖進(jìn)行重發(fā)。在前10次重傳過程中，每次重傳的隨機(jī)時(shí)延平均值會(huì)加倍。然后再做6次嘗試，此時(shí)的平均時(shí)延值保持不變。在16次不成功的嘗試后，站點(diǎn)放棄傳輸并報(bào)告有差錯(cuò)發(fā)生。

優(yōu)點(diǎn)：在擁塞程度不斷嚴(yán)重的情況下，逐漸增大退避量就可以減小沖突發(fā)生的概率。

缺點(diǎn)：后進(jìn)先出。第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所6

總線結(jié)構(gòu)：沖突將產(chǎn)生一個(gè)比正常傳輸電壓更高的擺動(dòng)。IEEE規(guī)定：如果傳輸方在分接頭檢測(cè)到信號(hào)值超過單獨(dú)傳輸所能產(chǎn)生的最大值，就認(rèn)為發(fā)生了沖突。

問題來了：如果兩個(gè)站點(diǎn)離得很遠(yuǎn)，接收方收到的信號(hào)衰減很多，合成信號(hào)強(qiáng)度可能無法超過門限值。

辦法：IEEE限制電纜長(zhǎng)度。10BASE5同軸電纜不超過500

m10BASE2同軸電纜不超過200

m

星形結(jié)構(gòu)：沖突檢測(cè)基于邏輯而不是基于電壓。對(duì)于任何集線器，如果在超過一個(gè)的輸入線路上檢測(cè)到有功率信號(hào)，就認(rèn)為發(fā)生了沖突。并把“沖突出現(xiàn)”信號(hào)發(fā)到所有輸入線上去，告知眾節(jié)點(diǎn)。

交換機(jī)：類推。第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所7IEEE802.3MAC幀格式基礎(chǔ)幀Q標(biāo)志幀包裝幀第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所8

IEEE

802.3定義的三種MAC幀類型：基礎(chǔ)幀：最原始的幀格式Q標(biāo)志幀：支持802.1Q

VLAN功能包裝幀：允許在數(shù)據(jù)字段添加額外的前綴和后綴，以滿足高層封裝協(xié)議的需求。它們的區(qū)別在于MAC客戶數(shù)據(jù)字段內(nèi)容的不同。1.2

IEEE802.310Mbps規(guī)約表示記法：<數(shù)據(jù)率(以Mbps計(jì))>發(fā)送方式最大網(wǎng)段長(zhǎng)度<(以百米計(jì))>10BASE510BASE210BASE-T10BASE-F第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所9注意：10BASE-T和10BASE-F并不完全滿足標(biāo)準(zhǔn)記法?！癟”代表雙絞線，而“F”代表光纖。第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所102高速以太網(wǎng)2.1

IEEE

802.3

100Mbps規(guī)約（快速以太網(wǎng)）被籠統(tǒng)地稱為100BASE-T。X：在結(jié)點(diǎn)間使用兩條物理鏈路，一條傳輸，一條接收。4：在結(jié)點(diǎn)間使用4對(duì)雙絞線，每次在一個(gè)方向上用3對(duì)線。第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所11全雙工操作傳統(tǒng)以太網(wǎng)是半雙工的。要想全雙工，必須：站點(diǎn)具有全雙工適配卡星形結(jié)構(gòu)的中點(diǎn)不能是一個(gè)簡(jiǎn)單的多端口轉(zhuǎn)發(fā)器，必須是一臺(tái)具有交換功能的集線器。

仍然采用802.3

MAC幀格式，執(zhí)行CSMA/CD算法，即便從來也不會(huì)檢測(cè)到?jīng)_突?；旌吓渲每焖僖蕴W(wǎng)方式的一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)在于它隨時(shí)可以支持現(xiàn)存的10Mbps局域網(wǎng)和新出現(xiàn)的100Mbps局域網(wǎng)的混合配置。第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所122.2千兆位以太網(wǎng)第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所13媒體接入層（MAC）對(duì)共享媒體集線器進(jìn)行了兩大改進(jìn)：載波擴(kuò)充在短MAC幀的末尾附加了一組特殊符號(hào)，使每個(gè)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度從10Mbps及100Mbps的最小512個(gè)比特時(shí)間提高到至少4096個(gè)比特時(shí)間。從而使傳輸相應(yīng)幀長(zhǎng)度所需的時(shí)間超過1Gbps下的傳播時(shí)延。幀突發(fā)允許連續(xù)傳輸多個(gè)短幀，直至達(dá)到最大限度，而無須在幀之間放棄對(duì)CSMA/CD的控制。幀突發(fā)能夠避免當(dāng)某個(gè)站有多個(gè)小幀要傳輸時(shí)，載波擴(kuò)充所產(chǎn)生的額外開銷。

交換集線器：不需要載波擴(kuò)充和幀突發(fā)，因?yàn)檎军c(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和接收可以同時(shí)進(jìn)行，無須干預(yù)，也沒有對(duì)共享媒體的爭(zhēng)用。第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所14千兆位以太網(wǎng)媒體選項(xiàng)（對(duì)數(shù)刻度）第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所152.3

10Gbps以太網(wǎng)對(duì)10Gbps以太網(wǎng)的要求越來越迫切：連接的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量在增加每個(gè)端站的連接速率在增加帶寬密集型應(yīng)用的使用在增加，如高質(zhì)量視頻Web托管和應(yīng)用托管的業(yè)務(wù)量在增加10Gbps以太網(wǎng)前景遠(yuǎn)超ATM：不需對(duì)以太網(wǎng)分組和ATM信元進(jìn)行轉(zhuǎn)換IP結(jié)合以太網(wǎng)可提供服務(wù)質(zhì)量和通信量管制能力已定義了多種的標(biāo)準(zhǔn)光端接口（波長(zhǎng)和鏈路距離），用來優(yōu)化它的操作，并降低局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)應(yīng)用的成本第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所1610Gbps以太網(wǎng)配置舉例第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所1710Gbps以太網(wǎng)距離選項(xiàng)（對(duì)數(shù)刻度）第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所182.4

100Gbps以太網(wǎng)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)：最受歡迎的有線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將無線技術(shù)橋接進(jìn)本地網(wǎng)絡(luò)的首選載體價(jià)格合理、可靠且兼容性好100Gbps以太網(wǎng)的市場(chǎng)推動(dòng)力：數(shù)據(jù)中心／因特網(wǎng)媒體提供者城域網(wǎng)-視頻／服務(wù)提供者企業(yè)局域網(wǎng)因特網(wǎng)交換／ISP核心路由的選擇第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所19海量刀片式服務(wù)器機(jī)房的100Gbps以太網(wǎng)配置舉例第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所20

2007年，IEEE

802.3授權(quán)成立IEEE

802.3ba40Gbps和100Gbps以太網(wǎng)特別任務(wù)組，IEEE

802.3ba標(biāo)準(zhǔn)于2010年完成。它使用多通道分發(fā)技術(shù)獲取需要的速度。多通道分發(fā)為了容納40Gbps和100Gbps這樣的高數(shù)據(jù)率，端站與以太網(wǎng)交換機(jī)之間的物理鏈路或兩臺(tái)交換機(jī)之間的物理鏈路要以多條并行通道來實(shí)現(xiàn)。比如：節(jié)點(diǎn)之間的四條并行雙絞線鏈路光纖鏈路上的波分復(fù)用虛通道在物理媒體附件(PMA)子層上定義虛通道；虛通道與實(shí)際通道數(shù)不一致時(shí)，由物理媒體相關(guān)(PMD)子層分發(fā)。第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所21100Gbps以太網(wǎng)的多通道分發(fā)第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所22用戶數(shù)據(jù)流使用64B/66B編碼，利用簡(jiǎn)單輪詢機(jī)制，以66比特為一個(gè)字，將用戶數(shù)據(jù)一次一個(gè)字地分發(fā)到各個(gè)虛通道中。每個(gè)虛通道會(huì)被定期地插入一個(gè)獨(dú)特的66比特對(duì)齊塊。這個(gè)對(duì)齊塊用來對(duì)虛通道進(jìn)行標(biāo)識(shí)和重新排序，從而重新構(gòu)造數(shù)據(jù)流。物理通道使用比特級(jí)復(fù)用技術(shù)發(fā)送虛通道中的通信量。虛通道數(shù)量必須是物理通道數(shù)的整數(shù)倍。對(duì)齊塊，由8個(gè)單字節(jié)字段再加上前綴的兩比特同步字段（值為10）組成。Frm字段包含了固定的組幀模式，這個(gè)模式對(duì)所有虛通道都是一樣的，它被接收器用來定位這個(gè)對(duì)齊塊。VL#字段包含的模式對(duì)虛通道而言是唯一的：其中一個(gè)字段是另一個(gè)字段的二進(jìn)制取反。第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所23媒體選擇縮略語：銅：K=背板；C

=電纜組件光纖：S=短距離(100m);L=長(zhǎng)距離(10km);E=加長(zhǎng)距離(40

km)編碼機(jī)制：R

=

64B/66B塊編碼末尾數(shù)字：通道數(shù)量（銅纜數(shù)或光纖波長(zhǎng)）第7章以太網(wǎng)哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所24IEEE

802.1Q

VLAN標(biāo)準(zhǔn)

VLAN：即虛擬局域網(wǎng)，是一個(gè)從管理上配置的廣播域，由連接到局域網(wǎng)上的終端的一個(gè)子集構(gòu)成。VLAN并不局限于一臺(tái)交換機(jī)支持的交換機(jī)之間通信須指明VLAN成員關(guān)系802.1Q規(guī)定通過插入攜帶VID（VLAN標(biāo)識(shí)符）的TCI標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)

TCI：即標(biāo)簽控制信息，通過802.3

MAC幀長(zhǎng)度/類型字段設(shè)置為0x8100指明。TCI兩字節(jié)，含三部分：用戶優(yōu)先級(jí)（3比特）這個(gè)幀的優(yōu)先級(jí)別。規(guī)范格式指示（