自考局域網(wǎng)組網(wǎng)工程聽(tīng)課筆記第二章

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