以太网技术和组网规范

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,人民邮电出版社,全国十一五规划教材,*,编著：斯桃枝等,局域网技术与局域网组建,第,2,章,以太网技术和组网规范,本章主要内容,：,以太网基础,以太网模块和功能,各种类型的以太网,2.1 以太网基础,2.1.1 IEEE 802.3以太网标准,IEEE 802.3,以太网标准的总体结构如图,2-1,所示。,图2-1 IEEE 802.3以太网标准的总体结构,IEEE 802.3,以太网标准列表如表,2-1,所示。,2.1.2,CSMA/CD机制,信号的广播（广播域）,MAC地址与定址,冲突,图2-2 信号广播,图2-3 碰撞（冲突）,冲突域,

2、图2-4 冲突域,CSMA/CD,CSMA/CD,（,Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,）称载波侦听多路访问,/,冲突检测。,在局域网中，一个站点在发送数据前，首先侦听网络上是否存在载波（即检测是否有其他站点正在发送数据），这就叫载波侦听协议（,Carrier Sense Protocol,）。,CSMA/CD,协议是对,ALOHA,协议（一种基于地面无线广播通信而创建、适用于无协调关系的多用户竞争单信道使用权的系统）的改进，,CSMA/CD,保证在侦听到信道忙时不再有新站点开始发送数据；而且任一站点在检测到冲突时就立即取消传送

3、，以太网采用的是,CSMA/CD,协议。,以太网就是以,CSMA/CD,的方式来进行媒体访问控制，其目的就是为了避免冲突。网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。,2.1.3 以太网的帧结构,PA（前导码）：在定界符之前发送，以使信号电路达到稳定的同步状态。PA为持续7个字节的10101010比特信号。,SFD（帧定界符）：它表示有效帧的开始，其代码为10101011，只有一个字节。,DA，SA（目的地址，源地址）：均为6字节，48位，DA可以是一个唯一的地址，即单址表示单个站，多址代表一组站，全地址代表局域网上所有的站。当目的地址出现多址时，即表示该帧被一组站同时接收，称“组播

4、”。当目的地址出现全地址时，即表示该帧被局域网上所有站同时接收，称“广播”。SA说明的是发送该帧站的地址。,对IEEE802.3帧结构来说，此2字节表示长度：指出紧跟其后的数据字段有多少字节。它受最小帧长度的限制，即最少必须有46字节，若不到，则用填充符进行填充到46字节。对以太网帧结构来说，这两个字节表示类型：它说明了高层所使用的协议，例如IP或IPX。,若该字段大于或等于,0600H(,相当于十进制的,1536),，则认为是以太网帧的类型字段，从而识别出网络层分组是哪一种协议，并做相应处理；,若小于,0600H,，则认为是,IEEE802,3,帧的长度字段，辨别长度是否正确，再进行处理。,

5、DATA,（数据区）：要传送的实际数据，受最小帧长度的限制。通常在,46,字节到,1500,字节之间。,46,字节最小帧长度是一个限制，目的是要求局域网上所有的站都能检测到该帧，即保证网络正常工作。如果高层协议的分组使数据段小于,46,个字节，则由有关软件把,DATA,填充到,46,字节最小长度。,FCS,（帧校验序列）：占,4,字节，是,32,位冗余检验码（,CRC,），检验范围除前导码、,SFD,和,FCS,以外的所有帧的内容，即从,DA,开始至,DATA,完毕的,CRC,检验结果都反映在,FCS,中。,2.2 以太网模块和功能,2.2.1 以太网层次结构,以太网层次结构主要对应于,OSI

6、,层次结构中的数据链路层和物理层。其层次结构如图,2-5,所示。,图2-5 以太网层次结构,数据链路层的功能有：,提供一个或多个,SAP,；,发送时将数据组装成带,MAC,地址和差错检测的帧，进行同步、定界及透明传输；,接收时拆卸帧，执行,MAC,地址识别（寻址）和差错检测；,管理链路上的通信，进行流量控制，差错控制。,局域网的数据链路层与传统的,OSI,中数据链路层也有区别：,局域网链路支持多重访问，支持成组地址和广播；,支持,MAC,介质访问控制功能；,提供某些网络层的功能，如网络服务访问点,SAP,、多路复用、流量控制、差错控制,。,MAC,子层功能：,成帧,/,拆帧；,实现、维护,MA

7、C,协议；,位差错检测，寻址等。,LLC子层功能：,向高层提供,SAP,（服务访问点）；,建立,/,释放逻辑连接；,差错控制；,帧序号处理；,提供某些网络层功能等。,LLC,子层提供三种类型的操作：,不确认的无连接服务；,面向连接服务；,带确认的无连接服务。,物理层的功能为：,信号的编码,/,译码。,前导码（同步码）的生成,/,删除。,信号对应的比特流的发送,/,接收。,2.2.2 以太网功能模块,IEEE 802.3的体系结构与功能模块如图2-6所示。,图2-6 以太网体系结构与功能模块,总体功能,编码译码模块,收发器,2.2.3 网卡的工作过程,网卡的分类,按照数据链路层控制来分，有以太网

8、卡、令牌环网卡、,ATM,网卡等，它们在数据链路控制、寻址、帧结构等方面不同。,按照物理层来分，有无线网卡、,RJ-45,网卡、同轴电缆网卡、光缆网卡等各种媒体（也称介质）。,以太网采用,CSMA/CD(,载波侦听多路访问,/,冲突检测,),控制技术。在,OSI,七层协议中主要定义了物理层和数据链路层的工作方式。二者之间有标准的接口,(,例如,MII,，,GMII,等,),来传递数据和控制。,以太网网卡包括,OSI,模型中的物理层和数据链路层。物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口,MII,。数据链路层则提供寻址机构、

9、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。,以太网卡中数据链路层的芯片简称为MAC控制器，物理层的芯片简称为PHY。,网卡的逻辑结构如图2-8所示,。,图2-8 以太网卡的逻辑结构,微处理器和,CSMA/CD,链路控制,曼彻斯特编译码器,发送和发送控制部分,接收和接收控制部分,PHY,和,MAC,之间如何沟通,2.3,各种类型的以太网,2.3.1 10M以太网,10Base-5,规范标准,10Base-5,以太网使用粗同轴电缆。每个网段的最大传输距离为,500,米，每段最多站点数,100,个，网段内两站点间距离不小于,2.5,米，网络最大跨距,2500,米，通过中

10、继器能连五个网段。,10BASE-5,的网络拓扑结构如图,2-9,所示。,图2-5 以太网层次结构,图2-9 10BASE-5的网络拓扑结构,10Base-2规范标准,10Base-2,以太网使用细同轴电缆和单根总线的拓扑结构。,最大干线段长度是,185,米（,607,英尺）；使用,BNC T,型连结器将电缆与网卡相连；最多只能使用,4,个中继器连结,5,个干线段，只有其中三个段允许使用工作站，另两个用于扩展距离。最大网络干线长度是,925,米（,3,，,018,英尺）。一个干线上的节点数不应超过,30,。中继器，桥接器、路由器和服务器都算作节点。网络所有段上的节点总数不能超过,1024,个。

11、干线段的每个结束端都要设置一个终接器，其中的一个应接地。,图2-10 10BASE-2的网络拓扑结构,10Base-T规范标准,10Base-T,以太网使用双绞线电缆和星形拓扑结构，如图,2-11,所示。,以,10Mbps,的速率发送数据。使用直径为,0.4,到,0.6mm,的用,3,型、,4,型或,5,型非屏蔽双绞线；网络中任何两个工作站之间的数据通路最多个,Hub,；电缆末端使用,RJ,45,插座，,1,针和,2,针是“发送”，,3,针和,6,针是“接收”。每对交叉相连以使发送器的一端连到接收器的另一端；收发器到集线器的距离不能超过,100,米（,328,英尺）；一个集线器可以连接多个工作

12、站；不用桥接器时一个网上至多可有,1024,个工作站。,图2-11 10BASE-T的网络拓扑结构,10BASE-F规范标准,10BASE-F,使用双工光缆,(,双股多模或单模光纤,),，一条光缆用于发送，另一条用于接收，,625/125um,直径的多模光缆大多用在,10BAS-F,中以传送,LED,的红外光，接口卡多采用,ST,连接器。有,3,种规范：,10BASE-FL,、,10BASE-FB,、,10BASE-FP,。,10BASE-FL,光缆链路段的长度可达,2000,米，可用来连接二块网络接口卡、或二个中继器、或一块网络接口卡和一个转发器或二个交换机。,10BASE-FB,光缆链路最

13、长可达,2000,米，可用来连接一个中继器。,10BASE-FP,网段的长度可达,500,米，最多可连接,33,台计算机。,10BASE-FL,的网络拓扑结构如图,2-12,所示。,图2-12 10BASE-FL的网络拓扑结构,10Broad36,10Broad36,指的是使用,75,宽带同轴电缆，拓扑结构为树形，用于宽带局域网，遵循,10Mbit/s,基带以太网规范。,10Broad36,的网络拓扑结构如图,2-13,所示。,图2-13 10Broad36的网络拓扑结构,10Mbps以太网之间的比较,对,10Mbps,以太网各种的规范指标进行比较，列在表,2.4,中。,100Mbps以太网,

14、构成100BaseT网络物理连接的主要部件包括以下几种：,传输媒体（也称网络介质）：,100BASE-T,标准允许包括四个不同的物理层规范，第一个物理层规范支持,2,对,5,类,UTP,或,1,类,STP,，第二个物理层规范支持,4,对,3/4/5,类,UTP,，第三个物理层规范支持单模或多模光缆，第四个物理层规范支持,2,对,3/4/5,类,UTP,。,100BASE-T,根据使用物理层传输媒体的不同类型，分为,100BaseTX,、,100BaseT4,、,100BaseFX,和,100BaseT2,四种。,媒体相关接口（,MDI,，介质有关接口）：,MDI,是一种位于传输媒体和物理层设备

15、之间的机械和电气接口。,物理层设备（,PHY,）：,PHY,提供,10 Mbps,或,100 Mbps,操作，可以是一组集成电路，也可以作为外部独立设备使用，通过,MII,电缆与网络设备上的,MII,端口连接。,媒体无关接口（,MII,，介质无关接口）：,100BASE-T,还包括介质无关接口,MII,规范，它是今天的,AUI,的,100Mbps,版，,MII,是,MAC,与,PHY,之间的接口，并允许外接收发器。,表2.5将100BASE-T/F快速以太网与10BASE-T/FL之间进行性能比较。,图2-14提供了IEE802.3u的四个不同的标准概要图，从此图中可以看出，四种类型的快速以太

16、网的MAC层，MII层都相同，只有PHY层及网络介质层不同。,图2-14 IEEE 802.3u标准概览,100Base-TX,100Base-TX,：使用两对（即,1-2,、,3-6,两对）,5,类非屏蔽双绞线或,1,类屏蔽双绞线，一对用于发送数据，另一对用于接收数据；,在传输中使用,4B/5B,编码方式，以,125MHz,的串行数据流来传送数据；,使用,MLT-3,（多电平传输,-3,）波形法来降低信号频率到,125/3=41.6MHz,；,支持全双工的数据传输；,使用同,10BASE-T,相同的,RJ-45,连接器；,采用,EIA568,标准化布线方法，各计算机通过墙座连入网中；,最大网段长度为,100m,；,在,100BaseTX,网络中，只允许对,2,个,100M Hub,进行级联，并且两个,Hub,之间的连接长度不能超过,5m,。与,10BaseT,网络一样，工作站与集线器之间的距离不能超过,100m,（最长媒体段）。因此，,100BaseTX,网络的最大长度为,205m,（跨距）；,100Base-TX,使,100Base-T,中使用最广的物理层规范。,100Base-F