自考局域網(wǎng)組網(wǎng)工程聽(tīng)課筆記第二章

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  第2章 以太網(wǎng)
  以太網(wǎng)是最早使用的局域網(wǎng),也是目前使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
  以太網(wǎng)有10Mbps、100Mbps和1000Mbps的網(wǎng)絡(luò)。以星型為主。交換型以太網(wǎng)逐漸代替了共享型以太網(wǎng),并使用了全雙工以太網(wǎng)技術(shù)。
  2.1 概述
  1. 20世紀(jì)70年代中期,Xerox公司制定了以太網(wǎng)協(xié)議并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),速率為2.94Mbps;
  2.1980

以太網(wǎng)是最早使用的局域網(wǎng),也是目前使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。

以太網(wǎng)有10Mbps、100Mbps和1000Mbps的網(wǎng)絡(luò)。以星型為主。交換型以太網(wǎng)逐漸代替了共享型以太網(wǎng),并使用了全雙工以太網(wǎng)技術(shù)。

2.1 概述

1. 20世紀(jì)70年代中期,Xerox公司制定了以太網(wǎng)協(xié)議并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),速率為2.94Mbps;

2.1980年,Xerox、Intel和DEC三公司聯(lián)合發(fā)表DIX80,即以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn);

3.1981年6月,IEEE802 LAN標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)成立;

4.1985年,IEEE802 LAN標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式通過(guò)了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

5.傳統(tǒng)的以太網(wǎng)的核心思想是在共享的公共傳輸媒體上以半雙工傳輸模式工作,網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)在同一時(shí)刻要么發(fā)送數(shù)據(jù),要么接收數(shù)據(jù),而不能同發(fā)送和接收。

6.交換型和全雙工以太網(wǎng)的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了站點(diǎn)獨(dú)占傳輸媒體并同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)系列

年份代號(hào)標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型

198210BASE5802.3粗同軸電纜

198510BASE2802.3a細(xì)同軸電纜

199010BASET802.3I雙絞線

199310BASEF802.3j光纖

1995100BASET802.3u雙絞線

1997全雙工以太網(wǎng)802.3x雙絞線、光纖

19981000BASEX802.3z短屏蔽雙絞線、光纖

20001000BASET802.3ab雙絞線

2.3 以太網(wǎng)的功能模塊

2.4 幀結(jié)構(gòu)

2.4.1 以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)

7 1 6 6 2 46~1500 4

前導(dǎo)碼幀首定界符(SFD)目的地址(DA)源地址(SA)類(lèi)型

(TYPE)數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)幀檢驗(yàn)序列(FCS)

1.前導(dǎo)碼

為101010……,共56位,為了同步。

2.幀首定界符(SFD)

為10101011,表示一幀開(kāi)始。

3.目的地址(DA)

為MAC的物理地址,共6字節(jié)。又分為單地址、多地址和廣播地址。

(1)單地址:最高位是“0”;

(2)多地址和廣播地址:最高位是“1”。(廣播地址時(shí),DA同時(shí)為全“1”代碼)

4.源地址(SA)

同上

5.類(lèi)型(TYPE)

主要說(shuō)明高層所使用的協(xié)議類(lèi)型,如IP地址。

6.數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)

它的范圍為:46~1500字節(jié),如不夠46字節(jié),則必須填充到46字節(jié)。

7.幀檢驗(yàn)序列(FCS)

FCS是通過(guò)計(jì)算除前導(dǎo)碼、SFD和FCS以外的內(nèi)容得到的。

2.4.2 以太網(wǎng)與IEEE802.3(CSMA/CD標(biāo)準(zhǔn))幀結(jié)構(gòu)的比較

7 1 6 6 2 46~1500 4

前導(dǎo)碼幀首定界符(SFD)目的地址(DA)源地址(SA)類(lèi)型

(TYPE)數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)幀檢驗(yàn)序列(FCS)

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

7 1 2/6 2/ 6 2 46~1500 0~46 4

前導(dǎo)碼幀首定界符(SFD)目的地址(DA)源地址(SA)長(zhǎng)度(L)

邏輯鏈路層協(xié)議單元LLC—PDU填充字段 PAD幀檢驗(yàn)序列(FCS)

IEEE802.3(CSMA/CD標(biāo)準(zhǔn))幀結(jié)構(gòu)

說(shuō)明:如果LLC—PDU<46字節(jié),則發(fā)送站的MAC子層自動(dòng)填“0”代碼于填充段PAD中。

以太網(wǎng)與IEEE802.3的區(qū)別:

比較以太網(wǎng)IEEE802.3

數(shù)據(jù)段直接為網(wǎng)絡(luò)層的分組為L(zhǎng)LC—PDU

長(zhǎng)度/類(lèi)型類(lèi)型(值大于1536D)長(zhǎng)度(值小于1536D)

以太網(wǎng)幀IEEE802.3幀

DA段在最高位有意義:區(qū)分單址還是多址在最高兩位有意義次高位“0”:全局管理次高位“1”:局部管理廣播地址DA段,次高位“1”DA段,次高位“1”

2.5 媒體訪問(wèn)控制技術(shù)

1.發(fā)送規(guī)則

2.碰撞槽時(shí)間(重點(diǎn)講解)

假設(shè)公共總線媒體長(zhǎng)度為S,幀在媒體上的傳播速度為0.7C(光速),網(wǎng)絡(luò)的傳輸率為R(bps),

幀長(zhǎng)為L(zhǎng)(bps),tPHY為某站的物理層時(shí)延;

則有:

碰撞槽時(shí)間=2S/0.7C+2tPHY

因?yàn)長(zhǎng)min/R=碰撞槽時(shí)間

所以:Lmin =(2S/0.7C+2tPHY )×R (注意,原書(shū)中有錯(cuò)!)

Lmin 稱(chēng)為最小幀長(zhǎng)度。

碰撞槽時(shí)間在以太網(wǎng)中是一個(gè)極為重要的參數(shù),有如下特點(diǎn):

(1)它是檢測(cè)一次碰撞所需的最長(zhǎng)時(shí)間。

(2)要求幀長(zhǎng)度有個(gè)下限。(即最短幀長(zhǎng))

(3)產(chǎn)生碰撞,就會(huì)出現(xiàn)幀碎片。

(4)如發(fā)生碰撞,要等待一定的時(shí)間。t=rT.(T為碰撞槽時(shí)間)

3.接收規(guī)則

(1)網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn),如不發(fā)送,則接收;

(2)接收后,首先判斷是否為幀碎片;

(3)識(shí)別目的地址;

(4)判斷FCS是否有效,若無(wú)效,丟棄;若有效,進(jìn)行(5)步;

(5)確定長(zhǎng)度字段時(shí)長(zhǎng)度還是類(lèi)型,以0600H為界;

(6)接收成功。解封后送到LLC層。

2.6 選學(xué)內(nèi)容

2.6.1 以太網(wǎng)時(shí)隙(slot time)

1.為什么要設(shè)置時(shí)隙?

(1)在以太網(wǎng)規(guī)則中,若發(fā)生沖突,則必須讓網(wǎng)上每個(gè)主機(jī)都檢測(cè)到。但信號(hào)傳播到整個(gè)介質(zhì)需要一定的時(shí)間。

(2)考慮極限情況,主機(jī)發(fā)送的幀很小,兩沖突主機(jī)相距很遠(yuǎn)。在A發(fā)送的幀傳播到B的前一刻,B開(kāi)始發(fā)送幀。這樣,當(dāng)A的幀到達(dá)B時(shí),B檢測(cè)到了沖突,于是發(fā)送阻塞信號(hào)。

(3)但B的阻塞信號(hào)還沒(méi)有傳輸?shù)紸,A的幀已發(fā)送完畢,那么A就檢測(cè)不到?jīng)_突,而誤認(rèn)為已發(fā)送成功,不再發(fā)送。

(4)由于信號(hào)的傳播時(shí)延,檢測(cè)到?jīng)_突需要一定的時(shí)間,所以發(fā)送的幀必須有一定的長(zhǎng)度。這就是時(shí)隙需要解決的問(wèn)題。

2.下面我們來(lái)估計(jì)在最壞情況下,檢測(cè)到?jīng)_突所需的時(shí)間

(1)在上圖中,A和B是網(wǎng)上相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)主機(jī),設(shè)信號(hào)在A和B之間傳播時(shí)延為τ,假定A在t時(shí)刻開(kāi)始發(fā)送一幀,則這個(gè)幀在t+τ時(shí)刻到達(dá)B,若B在t+τ-ε時(shí)刻開(kāi)始發(fā)送一幀,則B在t+τ時(shí)就會(huì)檢測(cè)到?jīng)_突,并發(fā)出阻塞信號(hào)。

(2)阻塞信號(hào)將在t+2τ時(shí)到達(dá)A.所以A必須在t+2τ時(shí)仍在發(fā)送才可以檢測(cè)到?jīng)_突,所以一幀的發(fā)送時(shí)間必須大于2τ。

(3)按照標(biāo)準(zhǔn),10Mbps以太網(wǎng)采用中繼器時(shí),連接最大長(zhǎng)度為2500米,最多經(jīng)過(guò)4個(gè)中繼器,因此規(guī)定對(duì)于10Mbps以太網(wǎng)規(guī)定一幀的最小發(fā)送時(shí)間必須為51.2μs.

(3)51.2μs也就是512位數(shù)據(jù)在10Mbps以太網(wǎng)速率下的傳播時(shí)間,常稱(chēng)為512位時(shí)。這個(gè)時(shí)間定義為以太網(wǎng)時(shí)隙。512位時(shí)=64字節(jié),因此以太網(wǎng)幀的最小長(zhǎng)度為512位時(shí)=64字節(jié)。

3.沖突發(fā)生的時(shí)段

(1)沖突只能發(fā)生在主機(jī)發(fā)送幀的最初一段時(shí)間,即512位時(shí)=64字節(jié)的時(shí)段。

(2)當(dāng)網(wǎng)上所有主機(jī)都檢測(cè)到?jīng)_突后,就會(huì)停發(fā)幀。

(3)512位時(shí)是主機(jī)捕獲信道的時(shí)間,如果某主機(jī)發(fā)送一個(gè)幀的512位時(shí),而沒(méi)有發(fā)生沖突,以后也就不會(huì)再發(fā)生沖突了,稱(chēng)此為主機(jī)捕獲了信道。

4.中繼器與網(wǎng)橋和沖突的關(guān)系

(1)中繼器和沖突的關(guān)系:

中繼器不能隔離沖突,所以把中繼器相連的網(wǎng)段作為一個(gè)沖突域。

沖突退避算法限制了每個(gè)主機(jī)的退避時(shí)間從1個(gè)時(shí)隙到最多210=1024個(gè)時(shí)隙,因此,由中繼器連接的多段以太網(wǎng)中,主機(jī)數(shù)一般不超過(guò)1024個(gè)。

(2)網(wǎng)橋和沖突的關(guān)系:

網(wǎng)橋能隔離沖突,因此,在主機(jī)數(shù)超過(guò)1024個(gè)時(shí),可以通過(guò)網(wǎng)橋連接。

5.100Mbps和1000Mbps以太網(wǎng)的時(shí)隙

(1)100Mbps以太網(wǎng)的時(shí)隙:

100Mbps以太網(wǎng)的時(shí)隙仍為512位時(shí),以太網(wǎng)規(guī)定一幀的最小發(fā)送時(shí)間必須為5.12μs.

(2)1000Mbps以太網(wǎng)的時(shí)隙

1000Mbps以太網(wǎng)的時(shí)隙增至512字節(jié),即4096位時(shí)。

6.堅(jiān)持退避算法

有三種CSMA堅(jiān)持退避算法,如下圖:

(1)非堅(jiān)持CSMA;

假如介質(zhì)是空閑的,則發(fā)送;

假如介質(zhì)是忙的,等待一段隨機(jī)時(shí)間,重復(fù)第一步;

(2)1-堅(jiān)持CSMA;

假如介質(zhì)是空閑的,則發(fā)送;假如介質(zhì)是忙的,繼續(xù)監(jiān)聽(tīng),直到介質(zhì)空閑,立即發(fā)送;假如沖突發(fā)生,則等待一段隨機(jī)時(shí)間,重復(fù)第一步。

(3)P-堅(jiān)持CSMA;

假如介質(zhì)是空閑的,則以P概率發(fā)送;而以(1-P)的概率延遲一個(gè)時(shí)間單位。時(shí)間單位等于最大的傳播延遲時(shí)間。

假如介質(zhì)是忙的,繼續(xù)監(jiān)聽(tīng),直到介質(zhì)空閑,重復(fù)第一步。

假如發(fā)送被延遲一個(gè)時(shí)間單位,則重復(fù)第一步。

7.三種方法的比較:

非堅(jiān)持1-堅(jiān)持P-堅(jiān)持

優(yōu)點(diǎn)當(dāng)站點(diǎn)要發(fā)送時(shí),只要介質(zhì)空閑,就立即發(fā)送。降低1-堅(jiān)持的沖突概率,又減小介質(zhì)浪費(fèi)。

缺點(diǎn)即使有幾個(gè)站有數(shù)據(jù)要發(fā)送,介質(zhì)仍可能處于空閑狀態(tài)。介質(zhì)利用率低。

假如有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送,沖突就不可避免。P值的選擇

非常重要。

2.6.2 載波監(jiān)聽(tīng)多路介質(zhì)訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)

載波監(jiān)聽(tīng)多路介質(zhì)訪問(wèn)/沖突檢測(cè)協(xié)議已廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)。其方法是:

每個(gè)站在發(fā)送幀期間,同時(shí)有檢測(cè)沖突的能力,一旦檢測(cè)到?jīng)_突,就立即停止發(fā)送,并向總線上發(fā)送一串阻塞信號(hào),通知總線上各站沖突已發(fā)生,這樣通道的容量不致因白白傳送一損壞的幀而浪費(fèi)。

2.6.3 退避算法

在CSMA/CD算法中,在檢測(cè)到?jīng)_突并發(fā)完阻塞信號(hào)后,為降低再?zèng)_突的概率,需等待一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,然后再用CSMA算法發(fā)送。為了決定這個(gè)隨機(jī)時(shí)間,采用稱(chēng)為二進(jìn)制指數(shù)退避算法,算法如下:

(1)對(duì)每個(gè)幀,當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí),設(shè)置參量為L(zhǎng)=2;

(2)退避間隔取1~L個(gè)時(shí)間片中的一個(gè)隨機(jī)數(shù),1個(gè)時(shí)間片等于2a(雙向傳播時(shí)間=2a,

即:a=0.5);

(3)當(dāng)幀重復(fù)一次沖突時(shí),則將參量L加倍;

(4)設(shè)置一個(gè)最大重傳次數(shù),超過(guò)這個(gè)次數(shù),則不再重傳,并報(bào)告出錯(cuò)。

2.7 物理層結(jié)構(gòu)功能

2.7.1 編碼和譯碼技術(shù)

計(jì)算機(jī)直接輸出的碼為不歸零碼(NRZ),在以太網(wǎng)的物理層媒體上傳輸幀的二進(jìn)制碼必須采用特殊的編碼。

在10BASEX上采用曼徹斯特碼。優(yōu)點(diǎn)為:

(1)傳輸?shù)拇a中包括了同步時(shí)鐘;

(2)能很方便的檢測(cè)到發(fā)生碰撞的現(xiàn)象,平均電平發(fā)生了變化。

(3)容易區(qū)分“1”、“0”。

2.7.2 收發(fā)器

向媒體發(fā)送信號(hào)

從媒體接收信號(hào)

識(shí)別媒體是否存在信號(hào)(在總線上是否有載波)

識(shí)別碰撞(在總線上是否發(fā)生了碰撞)

四種10BASE以太網(wǎng)物理連接(P.28)

2.7.3 四種10BASE以太網(wǎng)物理性能比較

四種10BASE以太網(wǎng)物理性能比較

10BASE510BASE210BASET10BASEFL

收發(fā)器外置設(shè)備內(nèi)置芯片內(nèi)置芯片內(nèi)置芯片

媒體Φ10,50Ω同軸電纜Φ5,50Ω同軸電纜3、4、5類(lèi)不屏蔽雙絞線62.5/125

多模光纜

最長(zhǎng)媒體段500m185m100m2km

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)公共總線型公共總線型星型星型

中繼器/集線器中繼器中繼器集線器集線器

最大跨距/媒體段數(shù)2.5km/5925m/5500m/54km/2

網(wǎng)卡上連接端9芯D型AUIBNC,T頭RJ—45ST

2.8 10BASET以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)

2.8.1 10BASET以太網(wǎng)系統(tǒng)組成(P.30)

(1)雙絞線連接

(2)系統(tǒng)配置

HUB與網(wǎng)卡之間最長(zhǎng)距離為100米,HUB數(shù)量最多為四個(gè)。任意兩站之間的距離不會(huì)超過(guò)500米。

(3)抗干擾能力(P.31)

正常情況:放大器有輸入時(shí),在輸出雙絞線分別產(chǎn)生極性相反且幅度相等的差分信號(hào),對(duì)于接收放大器,只有在差分信號(hào)輸入時(shí),才有輸出;干擾時(shí):會(huì)產(chǎn)生同極性且幅度相等的信號(hào),此時(shí),沒(méi)有輸出。起到了抗干擾作用。

2.8.2 10BASET集線器功能

(1)媒體上信號(hào)的再生和在定時(shí)

(2)檢測(cè)碰撞

(3)端口的擴(kuò)展功能

(4)混合連接10BASE5與10BASET及10BASE2以太網(wǎng)系統(tǒng)

見(jiàn)P.33.

4B/5B碼:

16進(jìn)制數(shù)4位2進(jìn)制數(shù)4B/5B碼16進(jìn)制數(shù)4位2進(jìn)制數(shù)4B/5B碼

00000111108100010010

10001010019100110011

200101010010101010110

300111010111101110111

401000101012110011010

501010101113110111011

601100111014111011100

701110111115111111101

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