第5章以太網5.1概述5.2以太網與IEEE802.3標準5.3以太網的MAC協議5.4全雙工以太網5.5以太網MAC幀格式5.6以太網物理層5.7小結與參考資料2006年秋冬5.1概述－歷史以太網的誕生和發展以太網的誕生：1973年，Xerox/PARCMetcalf命名為Ethernet并于1977年獲專利產品的持續發展快速推動了以太網的進步10Mbps：1981年，從粗纜、細纜，到雙絞線產品100Mbps：1995年，包括雙絞線、短距離光纖產品1Gbps：1998年，包括中短距離光纖、雙絞線產品10Gbps：2002年，包括局域網和廣域網光纖產品以太接入網：2004年，供電信運營商采用以太網從共享網絡走向交換式網絡采用開放性標準是以太網成為主流的根本原因2006年秋冬5.1概述－今日今日以太網以太網是當前局域網的主流技術在辦公網絡領域幾乎一統天下成為局域網鏈路級的主導技術以太網技術具有廣闊的覆蓋速率：10M/100M/1G/10G/……網絡類型：LAN/WAN/AN，MAN，……正在進入家庭和工業領域2006年秋冬5.2以太網與802.3標準以太網的標準化發展早期標準DEC/Intel/Xerox標準：靈活但不權威DIXEthernet：v1.0-1980、v2.0-1982當今標準IEEEstd802.3–1985：權威但不靈活IEEE802.3標準草案：1982年12月Xerox專利轉移IEEE，802.3成為以太網的同義詞IEEEstd802.3–2002：權威、靈活、簡約IEEEstd802.3–2005：最新標準2006年秋冬5.2以太網與802.3標準IEEE802.3-現行標準系列IEEE802.3-2002CSMA/CDAccessMethodandPhysicalLayerSpecificationsIEEE802.3ae-200210Gb/sOperationIEEE802.3af–2003，PoEDTEPowerviaMDIIEEEP802.3ah–2004，EFMSubscriberaccessnetworksIEEE802.3ai-2003Maintenance7IEEEP802.3ak-200410GBASE-CX42006年秋冬5.3CSMA/CD協議5.3.1共享信道的訪問協議5.3.2CSMA協議族5.2.4802.3中的CSMA/CD5.3.3CSMA/CD協議5.3.4以太網從共享走向獨享2006年秋冬5.3.1共享信道的訪問協議對于使用共享信道的網絡必須使用MAC協議，提供介質訪問的控制機制典型的MAC機制：輪轉、預約、爭用輪轉：重載性能好典型協議是輪詢和令牌環預約：適用于長時延信道典型協議是預約ALOHA爭用：負載不重時時延短典型協議是CSMA系列2006年秋冬5.3.1共享信道的訪問協議爭用型訪問協議分為三個基本類型LAT:ListenAfterTalking說了再聽，典型協議：ALOHALBT:ListenBeforeTalking先聽后說，典型協議/CSMALWT:ListenWhileTalking邊說邊聽，典型協議：CSMA/CD以太網的MAC層使用CSMA/CD協議2006年秋冬5.3.2CSMA協議5.3.2.1基本思路5.3.2.2沖突避免策略5.3.2.3沖突避免性能5.3.2.4協議改進思路5.3.2.5沖突檢測5.3.2.6MAC算法小結2006年秋冬5.3.2.1基本思路CSMA：載波偵聽多路訪問carriersensemultipleaccess基本思路：先聽后發站點發送前對信道進行偵聽如果信道空閑：可以發送否則，信道忙：等待注意：采用CSMA存在沖突2006年秋冬采用CSMA依然存在沖突傳播時延可能導致產生沖突假設A站的信號正在網絡上傳播A站信號還未到E站，E站認為信道閑，啟動發送結果A、E站發送的信號在網上沖突E站在時刻t檢測信道閑，啟動發送A站B站C站D站E站A站發送幀在時刻t傳播到B站兩幀在時刻t+△t碰撞2006年秋冬5.3.2.2沖突避免策略CSMA協議避免沖突可采用三種策略有數據待發，則監聽信道/介質（1）如果介質空閑，發送（2）如果介質忙，有三種處理策略：非堅持（0堅持）：發送概率：0

堅持監聽直到介質空，隨機后退，返回（1）1堅持：發送概率：1堅持監聽直到介質空，立即發送。

p堅持：發送概率：P（0<P<1）堅持監聽直到介質空，則以概率p發送、(1-p)隨機后退，返回（1）2006年秋冬5.3.2.2沖突避免性能

三種沖突避免策略的性能比較非堅持CSMA：適用于重負載情況避免再次沖突的可能性，重負載時吞吐率高。但低負載時信道空閑時間多，利用率低。1堅持CSMA：適用于輕負載情況輕負載時，減少信道空閑時間，提高傳輸效率。但再次沖突幾率大，重負載時沖突嚴重。P堅持CSMA：合適的P值選取困難可根據不同的負載選取不同的P值，最大程度的提高信道的利用率和提高吞吐率2006年秋冬5.3.2.4協議改進思路CSMA協議面臨的問題發前先聽，一定程度減少了沖突可能性但是一旦開始發送，站點就置沖突于不顧即使沖突已經產生，站點也一直發送完一幀此時，發送的全是無用信號，完全是浪費資源協議改進思路站點檢測沖突，一旦發現沖突立即停止幀發送這就是：CSMA/CD2006年秋冬5.3.2.5沖突檢測CSMA/CD帶沖突檢測的CSMA訪問控制算法CSMA/collisiondetection基本思想在CSMA的基礎上賦于各站沖突檢測的能力發送前偵聽信道，發送開始同時檢測信道如果未檢測到沖突，則完整發送一幀如果檢測到沖突，立即終止本次發送不必發送完本幀，盡快釋放信道2006年秋冬ALOHACSMACSMA/CD發前偵聽三種策略0堅持1堅持P堅持發前偵聽發后檢測沖突停發輕負載效率高適合重負載輕載時效率不高發前不偵聽隨時發送沖突厲害吞吐率、效率低根據負載調整P值5.3.2.6MAC算法小結適合輕負載重載時沖突嚴重2006年秋冬0堅持CSMA0.5堅持CSMA1堅持SlottedALOHAPureALOHA123546G每幀時試圖發送的平均幀數S010.10.5每幀時的吞吐率5.3.2.6MAC算法小結2006年秋冬5.3.3802.3中的MAC協議采用1堅持CSMA/CD算法CSMA/CD需要解決一系列的問題如何檢測沖突？檢測多長時間？如何保證可靠檢測到沖突？檢測到沖突后如何避免沖突擴大化？2006年秋冬問題1：如何檢測沖突？由硬件檢測信號能量的大小當沖突產生時混疊的信號能量增大檢測電路輸出發生明顯變化中斷或掃描方式發現輸出變化，判定沖突發生2006年秋冬問題2：檢測多長時間？考慮共享LAN最遠的兩站（如圖A←→E）假設：A——E之間的傳播時間為τA、E站發送的時間A：t0時刻發送：則到達E：t0+τ時刻E：t0+τ-ε時發現信道閑，發送A、E發送后檢測到沖突的時間E：εA：τ+（τ-ε）=2τ-ε→2τ可見：沖突檢測時間不小于2τA站E站t0t0+τ-εετ2006年秋冬問題3：如何保證可靠檢測？什么是可靠檢測？必須在發送的過程中檢測到沖突一幀數據發完將停止檢測如果沖突發生在發送結束后，則檢測失效哪怕是極少數位的沖突也必須檢測到保證可靠檢測的兩個措施措施1：規定最短幀長，保證最短幀的發送時間不小于2τtf=L/B（幀長/信道速率）≥

2τ措施2：檢測到沖突后，發送加強沖突信號，使沖突信號能量足夠最短幀長限制：L≥B×2τ發送站檢測到沖突后發送加強沖突信號A站E站t0t0+τ-εετtf2006年秋冬問題4：沖突后如何避免沖突擴大沖突后采用截斷的二進制指數機制退避基本思路如果首發沖突，重發時等待一個隨機長的時間再重發時仍沖突，則等待的隨機時間加倍實現方法第1次碰撞后，隨機延遲0-1個時隙再試第2次碰撞后，隨機延遲0-3個時隙再試第i次碰撞后，隨機延遲0、1····2j-1（任選）個時隙再試（i≤10，j=i；i>10，j=10，i最大為16）第16次重試仍碰撞，放棄本次發送，宣告失敗可見：共享Ethernet很難保證時延業務的質量2006年秋冬2τ的進一步理解2τ是共享Ethernet最遠2個站點間傳播時間的2倍2τ是最小幀長的發送時間Ethernet的最小幀長為64字節（512位）10Mbps：2τ=51.2μs100Mbps：2τ=5.12μs2τ是CSMA/CD協議要求各站的沖突檢測時間可見：2τ的大小決定了共享Ethernet的網絡直徑這是早期共享Ethernet范圍小的根本原因2006年秋冬5.3.3802.3中的MAC協議要點小結1堅持CSMA/CD算法1堅持：及時利用信道空閑傳送，減小時延注意：網絡重負載時，1堅持算法沖突嚴重CD：及時檢測到沖突而停止發送，減少沖突可能性發送沖突強化信號檢測到沖突立即發送一定長度的沖突強化信號讓網絡上其它站可靠檢測沖突采用指數隨機后退法二進制指數后退：每次沖突、后退時間均值加倍減少沖突再次發生，在信道高負荷時也不易堵塞但有失公平性（可能先爭用后發出去）2006年秋冬5.3.4以太網從共享走向獨享CSMA/CD的應用背景共享信道、半雙工傳送以太網正在從共享走向獨享以太網中，正在廣泛使用交換機交換機中繼的干線基本都是獨享鏈路CSMA/CD正在失去作用空間今日，以太網的核心價值不再是CSMA/CD算法而是MAC幀和MAC原語兼容，是以太網的概念！2006年秋冬5.4全雙工以太網5.5.1半雙工以太網5.5.2全雙工以太網5.5.3全雙工以太網中的流控2006年秋冬5.5.1半雙工以太網半雙工以太網共享式以太網都采用半雙工通信方式共享信道上只允許有一個發送，否則沖突一個站點在發送時不能接收有時稱之為傳統以太網或CSMA/CD網半雙工以太網的特點即是共享式以太網的特點2006年秋冬5.5.2全雙工以太網交換式以太網的干線交換機之間鏈路采用獨享信道點對點鏈路，全雙工物理介質雙絞線、光纖采用兼容的MAC幀格式與傳統的以太網比較大大提高網絡容量交換機HHHH2006年秋冬5.5.3全雙工以太網中的流控全雙工以太網的潛在的問題大大提高容量，同時也存在丟幀的可能性例如：當多數據源高速發送時交換機只能分別向服務器轉發各站數據內存空間受限，可能溢出服務器也可能處理能力、內存空間受限流量控制機制是避免丟棄的最佳辦法2006年秋冬5.5.3全雙工以太網中的流控基本思想反壓機制：backpressure接收端向快的發送端發PAUSE幀通知發送端暫停發送最初發布在802.3-1997，目前是標準的選項協議結構在MAC與LLC之間增加MAC控制子層MAC控制子層控制PAUSE幀的收發LLC子層MAC控制子層（可選）MAC介質訪問控制物理層2006年秋冬5.5.3全雙工以太網中的流控用PAUSE幀實現流量控制使用PAUSE幀前需要通信雙方的協商認可PAUSE幀用于交換機/工作站相互控制流量交換機側的實現設置緩存極限值并可在端口間動態調配一個端口的緩存快滿時則向外發PAUSE工作站的實現工作站的網絡接口緩存快滿時向交換機發PAUSE通常采用互控方式2006年秋冬5.5以太網MAC幀格式5.5.1802.3幀格式的演進5.52802.3-1985幀格式5.5.3802.3-2002幀格式5.5.4802.3的幀間間隔5.5.5802.3MAC參數表2006年秋冬5.5.1802.3幀格式的演進MAC幀結構是以太網的核心是802.3標準演進的重要內容IEEE802.3-1985必須配合LLC使用，遠不如EthernetⅡ實用IEEE802.3-2002采用EthernetⅡ的思路靈活、實用、簡約802.1q-1998、802.3ac-1998幀格式擴展：加標幀(Taggedframe)2006年秋冬5.5.2802.3-1985幀格式數據長度：46～1500八位組6264DASAFCSPRSFD17幀長：64～1518八位組CRC校驗范圍LenLLCData填充必須配合LLC使用

MAC只能封裝LLCData2006年秋冬5.5.2802.3-1985幀格式PR/SFD：前導符/幀起始定界符幀前位同步與幀同步：7*10101010+10101011由物理層完成DA/SA：宿/源地址，2*6個八位組宿地址：目的方地址，單播/組播/廣播地址源地址：數據源地址，只能是單播地址Len：長度，2個八位組本段之后、FCS段之前所有數據之長度和LLCdata：46～1500個八位組，只能是LLCPDUFCS：幀校驗序列，CRC-32校驗碼，4個八位組校驗幀定位符之后、FCS之前的所有數據2006年秋冬IEEE802.3-2002定義了兩種幀格式基本MAC幀格式擴展MAC幀格式（在VLAN中講）用于加標幀，即含QTag前綴的幀基本MAC幀格式5.5.3802.3-2002幀格式Len/typMACClientData填充6264DASA校驗PRSFD17幀長度：64～1518八位組校驗范圍數據長度：46～1500八位組2006年秋冬5.5.3802.3-2002幀格式基本MAC幀格式802.3-2002有重要改動長度段－>長度/類型段LLC數據－>MAC客戶數據幀格式改變的重要意義802.3的MAC幀中，可以封裝各種數據只要在Type字段說明即可MAC可以無需LLC，直接為網絡層提供服務！IPoverEthernet，IPover802.3-20022006年秋冬5.5.3802.3-2002幀格式已經定義的TYPE：~0x05DC Length0x0800 IPv40x0806 ARP0x8035 RARP

0x814C SNMP

0x86DD IPv6

0x880B PPP

0x8E88 EAPOL2006年秋冬5.5.4802.3的幀間間隔MAC幀的幀間間隔是傳輸幀的最小間隔保證可靠同步定位隨機發出的幀IEEE802.3標準規定幀間間隔為96bit，即9.6μs@10Mbps,0.96μs@100Mbps,……幀間隙前導與幀定位MAC幀長2006年秋冬參數10Mb/s100Mb/s1000Mb/s10Gb/s時隙（2τ）512位51.2μs512位5.12μs4096位5.096μs幀間隙(μs)9.60.960.0960.0096嘗試限制（次）101010后退限制（次）161616沖突加強（位）323232最大幀長(八位組)1518151815181518最小幀長(八位組)64646464陣發限制(八位組)

80005.5.5802.3MAC參數表2006年秋冬5.6802.3的物理層5.6.1概述5.6.210Mbps以太網5.6.3100Mbps以太網5.6.41Gbps以太網5.6.510Gbps以太網5.6.6幾個附加議題2006年秋冬5.6.1物理層概述802.3標準在物理配置上很活躍有利于技術革新、有力推動以太網發展理解較為吃力802.3物理層的一些特點傳輸速率(bps)急劇提高10M~10Gbps：E、FE、GbE、10GbE物理介質日益豐富同軸電纜、雙絞線、光纖、對稱屏蔽纜、市話電纜現在使用：雙絞線、光纖、對稱屏蔽纜、市話電纜（以太接入網中使用）編碼、糾錯日益復雜物理層框架也很復雜2006年秋冬5.6.1物理層概述802.3標準的物理層框架結構MACRECENCILIATIONPCS介質PMAPMDPHYGMIIMDI1000Mb/sPCS介質PMAPMDMIIMDI100Mb/sPLS介質PMAMIIMDI10Mb/sAUIRECENCILIATIONRECENCILIATIONMII 介質無關接口GMII 、XGMIIMDI介質相關接口PMD物理介質相關子層PCSPhysicalcodingsublayerPMAPhysicalmediumattachmentPHYPhysicallayerdevicePLSPhysicallayersignalingAUI Attachmentunitinterface2006年秋冬5.6.210Mbps以太網10Mbps/MDI標準Manchester編碼(1B2B),10Mbps/20Mbaud10BASE5802.3-1985（粗同軸纜） 10BASE2 802.3a-1988（細同軸纜）10BASE-F 802.3j-1993 （光纖）10BASE-FL為主，10BASE-FB/FP并未流行10BASE-T 802.3i-1990 （雙絞線）10BROAD36 802.3b-1985 10BASE-FOIRL 802.3d-1987 1BASE5 802.3e-1987目前只使用：10BASE-T

2006年秋冬5.6.210Mbps以太網10Mbps以太網的特點目前只使用10BASE-T接口目前常與100BASE-T/1000BASE-T聯合使用雙絞線、集線器的引入是以太網發展史上的重大事件光纖通信技術的初步引入光纖以太網引入較后，編碼調制技術也較為簡單編碼技術：曼徹斯特編碼物理介質的可用帶寬很寬，不必追求編碼效率傳輸符號率為20Mbaud（波特）UTP3的帶寬為16MHz注意概念：bps,baud,Hz(帶寬)2006年秋冬5.6.3100Mbps以太網100Mbps/MDI標準100BASE-TX/T4/FX 802.3u-1995 100BASE-TX：2*UTP-5、MLT-3100BASE-T4：4*UTP-3/HD、8B6T-NRZ100BASE-FX：1300nm@MMF/2km、4B5B-NRZI標準：ANSIX3T12、ISO/IEC9314100BASE-T2 802.3y-1997 2*UTP3/FD、PAM5*5100Mbps以太網也稱為快速以太網FE2006年秋冬5.6.3100Mbps以太網FE物理層標準評價100BASE-T4/100BASE-T2：UTP-3隨著UTP-5布線系統的迅速流行而失去市場T2技術十分復雜、其產品從未流行100BASE-TX：2對UTP-5(5E)十分成功，當前的主流桌面技術，技術思路影響大當前的表現形式：10/100BASE-T、10/100/1000BASE-T100BASE-FX：1310nm@MMF/2km借用FDDI物理層標準，標準維護困難效率不高（如1300nm@MMF）單模長距離無標準，各廠商產品很難互連2006年秋冬5.6.41Gbps以太網-概述1GbpsMDI的歷史標準802.3z-1998 1000BASE-X802.3ab-1999 1000BASE-TANSI/TIA854 1000BASE-TX(并無產品)標準特點保持以太網的傳統幀格式，可選jumbo幀通常使用全雙工，但還保留了半雙工2006年秋冬5.6.41Gbps以太網-MDI1000BASE-LX 802.3z-1998長波長激光/1310nm 8B/10B1000BASE-SX 802.3z-1998短波長激光/850nm 8B/10B1000BASE-CX 802.3z-1998對稱屏蔽電纜～0.1to25m 8B/10B，1000BASE-T 802.3ab-1999超五類雙絞線（UTP5e） 4D-PAM52006年秋冬5.6.510Gbps以太網-MDI10Gbps/MDI標準IEEE802.3ae–200210GBASE-LX4：運行在多模光纖上10GBASE-SR/LR/ER：園區網10GBASE-SW/LW/EW：廣域網IEEEP802.3ak-200410GBASE-CX410GbE體系：只支持全雙工鏈路！2006年秋冬5.6.510Gbps以太網—體系圖LogicalLinkControl(LLC)“Ethernet”UpperLayersMediaAccessControl(MAC)SerialWANPHY(64B/66B+WIS)SerialPMD850nmWWDMLANPHY(8B/10B)SerialLANPHY(64B/66B)SerialPMD1310nmSerialPMD1550nmWWDMPMD1310nmLX4SRLRERSWLWEWSerialPMD850nmSerialPMD1310nmSerialPMD1550nm2006年秋冬5.6.510Gbps以太網10GbE接口命名規則：三前綴介質類型S：短波長、850nmL：長波長、1310nmE：超長波長、1550nm編碼方法X：8B/10B編碼，LAN/PHYR：64B/66B編碼，LAN/PHYW：64B/66B+簡化SDH封裝，WAN/PHY波長數N：波長數，對WWDM為4，單波可以省略“1”10GBASE-LX4=Longwavelength,8B/10Bcoding(LANPHY),4wavelengths10GBASE-EW=Extralongwavelength,WANPHY,1wavelength(serial）2006年秋冬5.6.510Gbps以太網10G以太網具有兩個不同的物理層局域網物理層速率10Gb/s支持密集波分WWDM提供850nm、1310nm和1550nm接口廣域網物理層速率9.58464Gb/s（需要進行速率適配）提供OC-192接口（SONET/SDH)傳送SONET/SDH幀（SDH幀封裝EthernetMAC幀）2006年秋冬5.6.510Gbps以太網10GbE光接口：標準傳輸距離注1：LX4支持MMF(0-300m)和SMF(0-10km)注2：距離取決于MMF類型(OM3/0M2/OM1)10GBase-ER10GBase-LW10GBase-LR10GBase-LX410GBase-SW10GBase-SR10GBase-EW65m300m10Km40Km850nmLANSerialMMF850nmWANSerialMMF1300nmLANWWDMMMF11310nmLAN

SerialSMF1310nmWAN

SerialSMF1550nmLAN

SerialSMF1550nmWAN

SerialSMF1310nmLANWWDMSMF12006年秋冬5.6.6附加議題-以太接入網以太接入網IEEE802.3ah-2004又稱第一公里以太網：EFM目的充分利用現有的電信網絡接入基礎設施運行在運營商的：接入光纖、電話電纜、小區用戶線基本參數光纖：100/1000Mbps，單/雙芯，10~20公里銅纜：2Mbps/3公里，10Mbps/300米2006年秋冬5.6.6附加議題-速率協商接口速率自動協商Auto-Negotiation使用雙絞線連接時，自動選用最佳接口接口提供形式10/100BASE-TX10/100/1000BASE-T協商優先級a)1000BASE-T全雙工/半雙工b)100BASE-TX全雙工/半雙工c)10BASE-T全雙工/半雙工2006年秋冬5.6.6附加議題-PoEPoE：IEEE802.3af-2003通過以太網端口(MDI)對連網設備(DTE)供電