什么是EPON
EPON
EPON(Ethernet Passive Optical Network 以太网无源光网络)
无源光网络（PON）的概念由来已久，它具有节省光纤资源、对网络协议透明的的特点，在光接入网中扮演着越来越重要的角色。同时，以太网（Ethernet）技术经过二十年的发展，以其简便实用，价格低廉的特性，几乎已经完全统治了局域网，并在事实上被证明是承载IP数据包的最佳载体。随着IP业务在城域和干线传输中所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进，逐渐向接入、城域甚至骨干网上渗透。而以太网与PON的结合，便产生了以太网无源光网络（EPON）。它同时具备了以太网和PON的优点，正成为光接入网领域中的热门技术。
PON技术的发展：
APON（ATM PON）
1995年提出，1996年由13家大型网络运营商同它们的主要设备供应商组成了FSAN (Full Service Access Network)联盟，155Mb/s的PON系统技术规范，ATM传输协议，ITU-T G.983系列标准；
BPON（Broadband PON）
2001年，APON标准后来得到了加强，可支持622Mb/s的传输速率，同时加上了动态带宽分配、保护等功能，能提供以太网接入、视频发送、高速租用线路等业务，宽带的PON；
GPON（Gigabit PON）
FSAN联盟进行1Gb/s以上速率的PON标准研究，希望提出一种方案，除了能运行在更高的速率外，还要在多业务、OAM&P、可扩缩性等方面较之其它的PON效率更高。这一研究使得Gigabit PON(GPON)出现。2003年1月，ITU-T批准确立了GPON标准G.984.1、G.984.2和G.984.3；
摘要：以太无源光网络（EPON）即将成为宽带接入的最有效的通信方法，为EPON系统提供一个稳定、有效的网络管理系统显得尤为重要。简单网络管理协议（SNMP）是当今应用最广泛的网络管理协议。本文分析了基于SNMP的EPON网管结构，按配置管理、性能管理、故障管理、安全管理等功能设计了EPON 网管系统，并分别在管理站和代理站上予以实现。
关键词：宽带接入网；以太无源光网络；网络管理；简单网络管理协议。
Design and Realization of an EPON Network Management System Based on SNMP
ＦａｎｇＹｕａｎ，ＬＩＵＨａｉ，ＬＩＵＤｅ－ｍｉｎｇ
（Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：The Ethernet Passive Optical Network(EPON) will be the most effective method
for Access Network. It is important to provide a stable and effective Network Management System for EPON.Simple Network Management Protocol(SNMP) is the most popular network management protocol. This paper analyzes the structure of a SNMP-based Network Management System of EPON, and designes the system with the functions of configuration management，performance management，fault management and security management. Finally, it introduces how to realize the system in the manager and the agent.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Wide band access network; EPON;Network management;SNMP
一、引言
随着Internet的迅猛发展，网络用户对网络带宽的需求日渐增长。为了满足市场的需要，通信网的主干部分已经发生了巨大的变化，而一直变化较少的传统接入网已经成为整个网络中的瓶颈，各种新的宽带接入技术成为研究的热点。
EPON（以太无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。它在物理层采用了PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等等。
由于EPON的众多优点，它越来越受到人们的青睐，即将成为宽带接入网一种最有效的通信方法。为了保证EPON网络能够稳定、高效、准确的运行，为EPON提供一个有效的网络管理系统显得尤为重要。
在网络管理领域，随着基于TCP/IP体系的网络管理技术的不断发展，SNMP已经成为事实上的标准。基于SNMP的EPON网络管理系统是指采用SNMP管理协议框架，对EPON网络实体的资源实现有效管理的系统。
二、SNMP的介绍
SNMP（简单网络管理协议）是一种基于TCP/IP的网络管理协议，它使用UDP作为传输层协议，能管理支持代理进程的网络设备。SNMP主要包括SMI（管理信息结构）、MIB（管理信息库）和SNMP协议几部分。SMI给出了管理对象定义的一般框架。MIB是设备所维护的全部被管理对象的结构集合。SNMP 协议包括SNMP操作、SNMP信息的格式以及如何在应用程序和设备间交换消息。
SNMP采用代理/管理站模型进行网络管理。SNMP有5种消息类型，分别为Get-Request、
Get-Response、Get-Next-Request、Set-Request和Trap。代理和管理站之间通过这几种消息报文进行相互通信，以获取网络设备的各种信息，从而控制网络设备的正常运行。
三、EPON网管系统结构
本EPON系统的管理对象为1个OLT（光线路终端）和32个ONU（光网络单元）。基于SNMP的EPON网管系统结构如图2所示。
EMS网管系统安装在工作站，与OLT设备之间通过带外网管接口（F接口）相连。EMS网管系统和OLT、ONU设备之间采用SNMP协议进行通信，实现在EMS中对OLT、ONU的统一管理。通信的方式有2种：
（1）轮询。管理站每隔一段时间对所有OLT和ONU代理站的MIB进行主动查询，各代理站返回被查询的结点值。
（2）告警（trap）。当某些指定事件发生时，代理进程向管理站发送trap报文。管理站接收、显示告警事件，并做相应处理。
同时OLT设备和ONU设备具备本地Console接口，可以实现本地操作管理维护。
四、EPON网管系统的设计
EPON网管系统按照网管功能分为四大模块：配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。
1. 配置管理
配置管理主要是组织EPON网内运转所需要的资源和数据，构造和维护网络系统的配置，识别各网元，保证网元的基本配置，监控当前配置和按照具体情况改变配置，设置系统参数，收集并存储各参数，报告与基本配置值的偏差，启动和关闭资源等。
EPON配置管理包括系统初次启动时的配置管理和系统正常运行时的配置管理。
启动时，针对EPON网络，可自动或手动生成OLT、ONU设备拓扑图，显示当前网络中各OLT、ONU 设备的状态。在网络拓扑图生成后，SNMP 管理进程采用轮询的方式定期查询SNMP 代理进程，收集设备信息用于更新数据库，以实现配置信息的实时性。系统正常运行后，网管可根据需要随时手动设置其各项配置参数。如可以设置各OLT、ONU代理的标识信息和系统信息，启用、禁用某个端口，配置各端口的工作状态，配置网桥的工作参数，配置VLAN，重启设备等。还提供基于用户的动态带宽管理。
2. 性能管理
性能管理功能对EPON网络性能进行监视、检测，采集相关性能统计数据，进行分析、诊断，从而为网络进一步规划与调整提供依据，以保证网络的业务质量。
EPON的性能管理功能分为性能监测、性能管理控制和性能统计分析。性能监测是连续的收集OLT、ONU上与性能相关的数据，根据性能数据确定网元的性能，从而掌握设备单元因不太频繁或间断的差错导致业务质量变差的性能情况。性能管理控制的目的是支持管理人员发出控制命令或网管软件自动发出控制命令，以改善OLT、ONU性能。它可以设置性能管理数据采集周期、设置性能监测数据存储过滤条件，并对门限值进行管理。性能统计分析是对收集到的性能数据做进一步的处理，以分析表或分析图的形式报告分析结果。如计算接口利用率、接口的输入错误率、接口输出错误率、吞吐率等。
3. 故障管理
故障管理功能提供对EPON网络故障监测、故障定位，保护切换与恢复，并存储故障信息供以后查询。对来自硬件设备或路径结点的报警进行监控、报告和存储，对故障进行诊断、定位和处理，是故障管理的重要工作。
当监测到网络、设备故障或异常时，网管系统实时产生报警。一些故障、异常是由网管程序通过查询代理站MIB发现的，而另一些是代理站通过Trap通知管理站发现的。可以设置各种告警事件的告警等级。不同等级的告警事件采取不同的告警指示和处理措施。
网管系统收到告警信息后，进行分析和提示，然后针对不同等级的告警，进行不同的处理。对于严重影响网络运行的故障，需要进行故障定位和测试。启动故障定位过程，试图从这些过程中获取相关信息。进行故障定位后，网管系统会尽快做出响应，采取故障修复措施，使EPON网络恢复正常。
告警信息被存储到本地数据库。可以按照告警时间、告警设备、告警等级等关键字查询历史告警信息。根据全部告警信息，进行告警统计分析，绘制出统计图表。
4. 安全管理
安全管理功能通过访问操作控制策略等方法保证管理应用程序和管理信息不被非法访问和破坏。
用户标识和鉴定，是网管系统提供的最外层的安全保护措施。网管用户在启动程序前必须输入用户名
和登陆密码，系统在核实鉴定了用户身份以后才能提供网管系统的使用权。用户被分为3个等级，不同等级的用户设置不同的管理权限，第一级用户拥有最高管理权限，可以使用网管系统提供的所有功能；低级用户在设置参数、操作设备等权限上被限制；高级用户拥有低级用户的所有权限，并能对低级用户进行管理。
系统还提供安全日志，登陆者的所有操作将被录入数据库，以便维护和检查使用。
五、EPON网管系统的实现
EPON网管系统的实现包括管理站网管软件的实现和代理站软件的实现。
1. 管理站网管软件的实现
管理站网管系统是为用户提供友好的交互式界面，利用SNMP协议对代理进程实现管理的控制实体，它的结构如图3所示。
通信模块的功能是按照SNMP协议，对网络中的代理站（OLT和ONU）发送、接收SNMP报文，从而获取或设置代理站中MIB库的相应信息。一方面，它将上层的操作、信息封装成对应的PDU（协议数据单元），向网络中发送。另一方面，它接收代理发给自己的PDU，并解析成上层可识别的信息，向上传递。对应于5种消息类型，SNMP有5种类型
数据采集、处理模块负责将采集的数据分析、处理、储存或者送往上层。对各种采集到的数据，要按照配置、性能、故障几个模块的需求进行转换，向上传送。一些数据直接可以给上层显示使用；一些采集到的数据需要处理后，再送往上层显示。如通过访问接口MIB，可以得到每个接口在每个时刻的总流量。可以设置每隔一秒钟取一次值，然后计算秒间总流量差值，得到接口每秒钟的流量。有些数据暂时不需要显示，需要储存在数据库，供以后查询使用。
显示模块是面向用户的。它按照配置管理、性能管理、故障管理、安全管理几个模块分类，以图形化界面形式显示各项信息，并且提供人机接口，供配置使用。
本系统是在Windows环境下，用VC++ 6.0开发出来的。通信模块是利用Windows提供的API函数，封装成一个SNMP类，来实现SNMP的各种操作。按照显示模块的需要，数据处理模块采用各种算法对采集到的数据进行分析处理。显示模块则以对话框、列表框、曲线图等形式，提供直观、方便的图形化界面，如图4所示。
2.代理站软件的实现
SNMP在代理站的实现工作主要包括代理进程软件的实现和MIB的设计与组织。
(1) 代理进程软件的实现
代理进程软件实现SNMP协议，并管理MIB。它实际上是一个执行无限循环的守护进程，在循环中，它接收管理站的SNMP请求，然后进行相应的操作，并作出响应。同时，代理进程能够根据自身管理的MIB信息，主动向管理站发送陷阱报文（Trap），以通知管理站所管理的网络设备发生了异常事件，实现故障告警。
通常，在开发过程中使用一些软件开发包可以大大缩短产品开发周期。ucd-snmp软件包是一个广泛使
用的实现SNMP代理开发的免费软件包，它支持SNMP v1/v2c/v3，支持分布式代理的开发，支持MIB-II。它包括SNMP协议模块和MIB管理模块，实现了SNMP代理站的基本框架。
(2) EPON设备MIB的设计与组织
OLT、ONU设备的MIB主要包括RFC1213定义的MIB-II、RFC1573定义的Interfaces MIB、RFC1493定义的Bridge MIB和根据EPON设备需要自定义的私有MIB。
MIB-II包含了基于TCP/IP网络的基本网管信息，包括系统组、接口组、IP组、ICMP组、UDP组、SNMP组等基本管理对象。通过MIB-II，我们可以获取OLT、ONU设备运行的基本网络信息，如系统信息、端口基本信息、IP、ICMP等类型数据包的统计等，对某些对象可以配置。Interfaces MIB是针对改善MIB-II中的接口组的不足和缺陷，发展而来的一个以定义网络接口管理对象为主的MIB。Bridge MIB是一个定义网桥管理对象的MIB，它包括一般网桥管理信息、生成树网桥管理信息和透明网桥管理信息。它主要对OLT设备中所具有的生成树网桥的设置、监测提供网络管理手段。
自定义MIB是针对OLT、ONU特殊管理对象和特殊功能而定义的，主要包含各OLT、ONU的特殊系统信息和带宽控制管理两部分。特殊系统信息包括硬件系统信息和软件系统信息。如我们的EPON系统上行是采用WDMA方式的，对于每个ONU端，对应于不同的上行波长。把波长信息加入每个ONU的自定义MIB中，这样通过网管系统就可以查询各ONU的波长相关信息了。带宽控制管理MIB是自定义MIB的一个重要部分，通过它，我们可以远程进行基于用户的带宽管理。
六、结束语
随着EPON的快速发展，为EPON设计和实现一个稳定高效和准确的网络管理系统具有重要的意义。本文结合EPON的特点，设计和实现了一个基于SNMP的EPON网络管理系统。目前，本系统已经基本完成，正在进行最后的测试工作。
EPON（Ethernet PON）
2000年11月，IEEE成立了802.3 EFM(Ethernet in the First Mile)研究组，业界有21个网络设备制造商发起成立了EFMA，实现Gb/s以太网点到多点的光传送方案，所以又称GEPON（GigabitEthernet PON）。EFM标准IEEE802.3ah；
EPON 就是一种新兴的宽带接入技术，它通过一个单一的光纤接入系统，实现数据、语音及视频的综合业务接入，并具有良好的经济性。业内人士普遍认为，FTTH 是宽带接入的最终解决方式，而EPON 也将成为一种主流宽带接入技术。由于EPON网络结构的特点，宽带入户的特殊优越性，以及与计算机网络天然的有机结合，使得全世界的专家都一致认为，无源光网络是实现“三网合一”和解决信息高速公路“最后一公里”的最佳传输媒介。
EPON接入系统具有如下特点：
Ø 局端（OLT）与用户（ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本；
Ø EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素；
Ø 采用单纤波分复用技术（下行1490nm，上行1310nm），仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力；
Ø 上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用（TDMA）共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽；
Ø 点对多点的结构，只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资；
Ø EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力，其中TDM和IP数据采用IEEE 802.3
以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量。通过扩展第三个波长（通常为1550nm）即可实现视频业务广播传输
以太网的技术
以太网的技术 1以太网的发展 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于七十年代早期。Ethernet(以太网）是一种传输速率为10Mbps的常用局域网（LAN）标准。在以太网中，所有计算机被连接一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。基本上，以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。在星型或总线型配置结构中，集线器/交换机/网桥通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。由于其简单、成本低、可扩展性强、与IP网能够很好地结合等特点，以太网技术的应用正从企业内部网络向公用电信网领域迈进。以太网接入是指将以太网技术与综合布线相结合，作为公用电信网的接入网，直接向用户提供基于IP的多种业务的传送通道。以太网技术的实质是一种二层的媒质访问控制技术，可以在五类线上传送，也可以与其它接入媒质相结合，形成多种宽带接入技术。以太网与电话铜缆上的VDSL相结合，形成EoVDSL技术；与无源光网络相结合，产生EPON 技术；在无线环境中，发展为WLAN技术。 以太网技术作为数据链路层的一种简单、高效的技术，以其为核心，与其它物理层技术相结合，形成以太网技术接入体系。EoVDSL方式结合了以太网技术和VDSL技术的特点，与ADSL和（五类线上的）以太网技术相比，具有一定的潜在优势。WLAN技术的应用不断推广，EPON技术的研究开发正取得积极进展。随着上述“可运营、可管理”相关关键技术问题的逐步解决，以太网技术接入体系将在宽带接入领域得到更加广泛的应用。 同时，以太网技术的应用正在向城域网领域扩展。IEEE802．17RPR技术在保持以太网原有优点的基础上，引入或增强了自愈保护、优先级和公平算法、OAM等功能，是以太网技术的重要创新。对以太网传送的支持，成为新一代SDH设备（MSTP）的主要特征。10G以太网技术的迅速发展，推动了以太网技术在城域网范围内的广泛应用，WAN接口（10Gbase－W）的引入为其向骨干网领域扩展提供了可能。 随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。在1993年10月以前，对于要求10Mbps以上数据流量的LAN应用，只有光纤分布式数据接口（FDDI）可供选择，但它是一种价格非常昂贵的、基于100Mbps光缆的LAN。1993年10月，Grand Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fastch10/100和网络接口卡FastNIC100，快速以太网技术正式得以应用。随后Intel、SynOptics、3COM、BayNetworks等公司亦相继推出自己的快速以太网装置。与此同时，IEEE802工程组亦对100Mbps以太网的各种标准，如100BASE－TX、100BASE－T4、MⅡ、中继器、全双工等标准进行了研究。1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3u 100BASE－T快速以太网标准（Fast Ethernet），就这样开始了快速以太网的时代。 快速以太网与原来在100Mbps带宽下工作的FDDI相比它具有许多的优点，最主要体现在快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3、4、5类双
以太网概念
以太网技术的最初进展来自于施乐帕洛阿尔托研究中心的许多先锋技术项目中的 一个。人们通常认为以太网发明于1973年，当年罗伯特.梅特卡夫(Robert Metcalfe)给他PARC的老板写了一篇有关以太网潜力的备忘录。但是梅特卡夫本人认为以太网是之后几年才出现的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs发表了一篇名为《以太网：局域计算机网络的分布式包交换技术》的文章。 1979年，梅特卡夫为了开发个人电脑和局域网离开了施乐，成立了3Com公司。3com对迪吉多, 英特尔, 和施乐进行游说，希望与他们一起将以太网标准化、规范化。这个通用的以太网标准于1980年9月30日出台。当时业界有两个流行的非公有网络标准令牌环网和ARCNET，在以太网大潮的冲击下他们很快萎缩并被取代。而在此过程中，3Com也成了一个国际化的大公司。 梅特卡夫曾经开玩笑说，Jerry Saltzer为3Com的成功作出了贡献。Saltzer在一篇与他人合著的很有影响力的论文中指出，在理论上令牌环网要比以太网优越。受到此结论的影响，很多电脑厂商或犹豫不决或决定不把以太网接口做为机器的标准配置，这样3Com才有机会从销售以太网网卡大赚。这种情况也导致了另一种说法“以太网不适合在理论中研究，只适合在实际中应用”。也许只是句玩笑话，但这说明了这样一个技术观点：通常情况下，网络中实际的数据流特性与人们在局域网普及之前的估计不同，而正是因为以太网简单的结构才使局域网得以普及。梅特卡夫和Saltz er曾经在麻省理工学院MAC项目(Project MAC)的同一层楼里工作，当时他正在做自己的哈佛大学毕业论文，在此期间奠定了以太网技术的理论基础。 它不是一种具体的网络，是一种技术规范。 该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10~100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆10 Base T以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。 [编辑本段] 以太网的分类和发展 一、标准以太网 开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA／CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，并且在I EEE 802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带”的意思，Broad代表“带宽”。
计算机网络应用 标准以太网
计算机网络应用 标准以太网 标准以太网也常被称为传统以太网或共享式以太网，它是最早时期的以太网类型，其带宽只有10Mbps ，它使用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD ）访问控制方法，解决了连接在同一总线上的多个网络节点有秩序的共享同一传输信道的问题，提高了局域网共享信道的利用率，因此得以发展和流行。 以太网的传输介质主要以双绞线为主，所有的以太网都必须遵循IEEE 802.3标准，如表5-1所示为IEEE 802.3定义的标准以太网标准。 表5-1 IEEE 802.3 标准以太网标准 在该标准中，前面的数字表示数据传输速率，单位是“Mb/s ”，最后一个数字表示一段网线的长度（基准长度为100m ），Base 表示“基带”，Broad 表示“带宽”。下面详细介绍10Base-5、10Base-2、10Base-T 、10Base-F 和10Base-36标准。 1．10Base-5和10Base-2 10Base-5是最早的以太网IEEE 802.3标准，它采用直径为10mm 、电阻为50Ω的粗同轴电缆进行连接，允许每段有100个站点，最大传输距离为500m ，在设计时需要遵循5-4-3标准。 提 示 在5-4-3标准中，数字5表示网络中任意两个端到端的节点之间最多只能有5个电缆段；数字 4表示网络中任意两个端到端的节点之间最多只能有4个中继器；数字3表示网络中任意两个 端到端的节点之间最多只能有3个共享网段。 在使用10Base-5标准以太网时，站点必须使用收发器连接到电缆上，或者使用介质连接单元（MAU ），这些设备用一个“吸血鬼”龙头压倒电缆上，其安装规则如下： ● 网段的最大长度为500m ； ● 电缆最大长度为2500m ； ● 收发器间的最短距离为2.5m ； ● 网段两端必须使用终结器，一端还必须接地； ● 收发器电缆不能超过45m 。 10Base-2与10Base-5基本相同，如在使用的传输介质、传输速度及遵循5-4-3标准等方面。其主要的不同就是10Base-2采用细同轴电缆，电缆段上工作站间的距离为0.5m 的整数倍，每个电缆段内最多只能使用30台终端，且每个电缆段不能超过185m 。
以太网
第20次课：以太网 教学目的 ①让学生了解网络结构，包括以太网的标准和实施； ②了解逻辑链路控制子层的功能； ③了解介质访问控制子层的功能； ④掌握传统以太网和当前以太网各自的特点，区别； ⑤掌握以太网的帧格式。 重点和难点 重点： ①构成网络的设备； ②连接设备的介质； ③以太网的帧格式； ④以太网的2个子层； ⑤传统以太网的工作原理。 难点： ①以太网帧格式； ②了解逻辑链路控制子层的功能； ③了解介质访问控制子层的功能； ④CSMA/CD技术 教学时间：2学时 课前准备 ①制作“传统以太网与当今以太网”等相关动画，以备上课时给学生观看 ②按要求准备演示程序软件，课前调试就绪 ③编写教案 教学建议
学生课后任务 ①完成课程学习记录中与课堂活动相关的内容。 ②结合课堂笔记进行课后总结和复习。 ③按照教材中实验模块要求准备实验——“检查思科交换机MAC地址表”、“中间设 备用作终端设备”。 总结和回顾 ①以太网是一种高效并且得到广泛采用的TCP/IP网络访问协议。其常用的帧结构已 经通过一系列介质技术（包括铜缆和光缆）得到实现，成为当今最普及的LAN协 议。 ②作为IEEE 802.2/3标准的一种实现形式，以太网帧提供MAC编制和错误检测功能。 ③早期的以太网采用共享介质技术，必须通过CSMA/CD机制来管理多台设备介质的 使用。 ④本地网络中的集线器换成交换机后，半双工链路中的帧冲突机率明显减少。但当 前及未来的以太网版本在本质上是全双工通信链路，不需要如此细致地管理介质 竞争。 ⑤以太网提供的第2层编址支持单播，多播和广播通信。 ⑥以太网使用地址解析协议来确定目的设备的MAC地址，并针对已知的网络层地址 映射它们。
计算机网络 传统以太网
计算机网络传统以太网 传统以太网也被称为标准以太网或共享式以太网是最早期的以太网，，它使用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）访问控制方法。 传统以太网的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半双工传输模式工作，其吞吐量只有10Mb/s。传统以太网，在同一时刻只能发送数据或者接收数据，但不能同时发送和接收数据，其传输介质通常采用双绞线。 1．10 Base-5 10 Base-5是最早的以太网IEEE 802.3标准，它使用直径为10mm、电阻为50Ω的粗同轴电缆进行连接，它允许每段有100个站点。因此在一个网段上所有站点有经过一根同轴电缆进行连接，其最大长度为500m。在设计时需要遵循5-4-3标准，在该标准中各数字代表的意义为： ●5表示网络中任意两个端到端的节点之间最多只能有5个电缆段。 ●4表示网络中任意两个端到端的节点之间最多只能有4个中继器。 ●3表示网络中任意两个端到端的节点之间最多只能有3个共享网段。 在使用10 Base-5标准以太网时，站点必须使用收发器连接到电缆上，或者使用介质连接单元（MAU），这些设备用一个“吸血鬼”龙头压倒电缆上。 2．10Base-2 10Base-2是一个细缆以太网标准，被人们戏称为“廉价网”，它采用的传输介质是基带细同轴电缆，电阻为50Ω，数据传输速率为10Mb/s，拓扑结构为总线型，电缆段上工作站间的距离为0.5m的整数倍，每个电缆段内最多只能使用30台终端，每个电缆段不能超过185m。它也遵循5-4-3标准，电缆长度最大为925m。 10Base-2细缆可以通过BNC-T型连接器，网卡BNC连接插头直接与网卡连接。为了防止同轴电缆端头的信号反射，在同轴电缆的两个端头需要连接两个阻抗为50Ω的终端匹配器。 3．10Base-T 1991年IEEE 802.3工作组发布了以太网10Base-T标准。它与使用同轴电缆作为传输介质的以太网不同，在10Base-T网络中采用了总线和星型相结合或单独使用星型的拓扑结构，即所有的站点均连接到一个中心集线器上，其中每个电缆段长度不能超过100m。它也遵循5-4-3标准，整个网络最大跨距为500m。 10Base-T以太网的优点之一是故障检测较为容易，只需使用双绞线，从根本上改变了传统局域网不易布线和维护的困难，而且不降低数据的传输速率，在使用时应注意以下规则： ●集线器与集线器间的最大距离为100m； ●任何一条线路都不能形成环路； ●双绞线与网络接口及集线器之间均采用RJ-45标准接口； ●传输介质均采用非屏蔽双绞线； ●一条链路最多可以串联4个集线器。 4．10Base-F 10Base-F是光缆以太网标准，它基于光缆互联中继器，即通过光缆链路以达到扩展传输距离的目的。它遵循5-4-3标准，但由于受到CSMA/CD的限制，其整个网络的最大跨距为4000m。 10Base-F使用两条光缆，其中一条光缆用于接收，另一条光缆用于发送，并定义了FOIRL、10Base-FP、10Base-FB和10Base-F1规范。
以太网接口
以太网接口 Quidway? R系列路由器产品上的以太网接口分为传统以太网接口和快速以太网接口两种。 传统以太网接口符合10Base-T物理层规范，工作速率为10Mbit/s，有全双工和半双工两种工作方式。 快速以太网接口符合100Base-TX物理层规范，兼容10Base-T物理层规范，可以在10Mbit/s、100Mbit/s两种速率下工作，有半双工和全双工两种工作方式。它具有自动协商模式，可以与其它网络设备协商确定工作方式和速率，自动选择最合适的工作方式和速率，从而可以大大简化系统的配置和管理。 传统以太网接口的配置与快速以太网接口的配置基本相同，但前者配置简单，配置项较少。 具体模块 ●低端R1600/2500E/4001E系列路由器的固定以太网口，都是10M以太网口。 ●R2600/3600/1700系列支持的以太网口包括：1FE和2FE两种。 1FE/2FE是1/2端口10Base-T/100Base-TX快速以太网接口模块的简称，其中FE（Fast Ethernet）是快速以太网的英文缩写。FE模块主要用于完成路由器与局域网的通信。 ●R1760、R2611支持的SIC接口卡（小卡）：SIC-1FEA
图4 以太网电缆 因使用情况不同又可将以太网线分为标准网线（即直通网线）和交叉网线两种，分别介绍如下： ● 标准网线：又称直通网线，两端RJ-45接头压接的双绞线的线序完全相同，用于 终端设备（如PC 、路由器等）到HUB 或LAN Switch 的连接。路由器随机提供的网线为标准网线。 ● 交叉网线： 两端RJ-45接头压接的双绞线的线序不相同，用于终端设备（如PC 、 路由器等）到终端设备（如PC 、路由器等）的连接。用户需要可以自行制作。
在传统以太网中为什么要有最小帧长度和最大帧长度的限制
在传统以太网中,为什么要有最小帧长度和最大帧长度的限制? 以太网(IEEE 802.3)帧格式： 1、前导码：7字节0x55,一串1、0间隔，用于信号同步 2、帧起始定界符：1字节0xD5(10101011)，表示一帧开始 3、DA(目的MAC)：6字节 4、SA(源MAC)：6字节 5、类型/长度：2字节，0～1500保留为长度域值，1536～65535保留为类型域值(0x0600～0xFFFF) 6、数据：46～1500字节 7、帧校验序列(FCS)：4字节，使用CRC计算从目的MAC到数据域这部分内容而得到的校验和。 以CSMA/CD作为MAC算法的一类LAN称为以太网。CSMA/CD冲突避免的方法：先听后发、边听边发、随机延迟后重发。一旦发生冲突，必须让每台主机都能检测到。关于最小发送间隙和最小帧长的规定也是为了避免冲突。 考虑如下的情况，主机发送的帧很小，而两台冲突主机相距很远。在主机A发送的帧传输到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到冲突，于是发送冲突信号。假如在B的冲突信号传输到A之前，A的帧已经发送完毕，那么A将检测不到冲突而误认为已发送成功。由于信号传播是有时延的，因此检测冲突也需要一定的时间。这也是为什么必须有个最小帧长的限制。 按照标准，10Mbps以太网采用中继器时，连接的最大长度是2500米，最多经过4个中继器，因此规定对10Mbps以太网一帧的最小发送时间为51.2微秒。这段时间所能传输的数据为512位，因此也称该时间为512位时。这个时间定义为以太网时隙，或冲突时槽。512位＝64字节，这就是以太网帧最小64字节的原因。 512位时是主机捕获信道的时间。如果某主机发送一个帧的64字节仍无冲突，以后也就不会再发生冲突了，称此主机捕获了信道。 由于信道是所有主机共享的，如果数据帧太长就会出现有的主机长时间不能发送数据，而且有的发送数据可能超出接收端的缓冲区大小，造成缓冲溢出。为避免单一主机占用信道时间过长，规定了以太网帧的最大帧长为1500。 100Mbps以太网的时隙仍为512位时，以太网规定一帧的最小发送时间必须为5.12μs。1000Mbps以太网的时隙增至512字节，即4096位时，4.096μs。
以太网相较工业以太网有以下四大缺陷
以太网相较工业以太网有以下四大缺陷 以太网相较工业以太网有以下四大缺陷在讲以太网的主要缺陷前，有必要 先了解一下以太网的通信机制。以太网是指遵循IEEE802.3标准，可以在光缆 和双绞线上传输的网络。它最早出现在1972，由XeroxPARC所创建。当前以 太网采用星型和总线型结构，传输速率为10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太网产生延迟的主要原因是冲突，其原因是它利用了CSMA/CD技术。在传 统的共享网络中，由于以太网中所以的站点，采用相同的物理介质相连，这就 意味着2台设备同时发出信号时，就会出现信号见的互相冲突。为了解决这个 问题，以太网规定，在一个站点访问介质前，必须先监听网络上有没有其他站 点在同时使用该介质。，如果有则必须等待，此时就发生了冲突。为了减少冲 突发生的几率，以太网常采用1-持续CSMA，非持续CSMA，P-持续CSMA 的算法2。由于以太网是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境 和标准的要求，将传统的以太网用于工业领域还存在着明显的缺陷。但其成本 比工业网络低，技术透明度高，特别是它遵循IEEE802.3协议为各现场总线厂 商大开了方便之门，但是，要使以太网符合工艺上的要求，还必须克服以下缺陷：（一）通信的非确定性工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于 它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用 CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的 实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。（二）通信非实时性在工业控制系统中,实 时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的
各种实时以太网技术地比较
主流实时以太网技术的比较
实用文档
一、各个实时以太网技术概要 summay of different RT-Ethernet tehcnologies 当前，工业实时以太网技术蓬勃发展，正在取代传统的现场总线技术(Profibus，CAN，Interbus，Fieldbus，DeviceNet，Modbus)，市场 上出现了众多实时通信技术，本文对其进行了比较，这些实时以太网均建立在 uS 级的循环周期上，而不列入 ModBus TCP/IP、Ethernet TCP/IP 这些 mS 级的通信技术，并且也不将非主流的以太网技术列入，纯粹在实时以太网这个领域里进行比较（这里的实时以太网遵循 INONA 所提 出的实时分类级别）。 需要申明的是，本文仅提供一个全景式的概览，而非倾向性的描述，旨在客观公正的对各种技术的特点进行分析，以作为互相交流，不作 为选择网络技术的参考依据。
1.1ProfiNet IRT ProfiNet 提供了三个不同的版本，按照其实现和对应用的实时性支持能力为 ProfiNet/Cba,ProfiNet RT,ProfiNet IRT,其中 ProfiNet/Cba 是建立在 Soft IP 基础上，采用交换机连接方式，由于交换机所带来的时间延迟，因此，无法支持较快的同步速度，ProfiNet 并不具备很 高的实时性，而 RT 也无法满足高速运动控制的需求，而 ProfiNet IRT 则是设计为更快速的运动控制应用，因此，采用了专用的芯片来实 现，这使得其速度得到了大幅度的提高，可以达到 100 个伺服 100uS 的数据刷新能力，系统抖动为 1uS。
目前 Profinet 已经开始大量使用，而 ProfiNet IRT 尚未正式得到大量使用.
1.2Ethernet POWERLINK 采用轮询方式，由主站 MN 和 CN 构成，系统由 SoC 开始启动等时同步传输，由主站为每个 CN 分配固定时间槽，通过这一机制来实现实时数 据交换，同时也通过多路复用和节点序列方式来优化网络的效率，支持标准的 Ethernet 报文，应用层采用 CANopen,Ethernet POWERLINK 无需专用的芯片，并且可运行在多种 OS 上。
以太网基础知识详解
1 以太网基础知识详解 对于以太网的一些基础知识，我们有必要去做一些简单的了解。做为常识介绍性内容，对以太网知识做一梳理。 1.1以太网概述 自从1946年第一台数字计算机问世到现在，经历了半个多世纪的时间。在这半个世纪的里程中，计算机技术的发展大体经历了三个成熟的阶段；第一个阶段是大型机时代，典型的是运行UNIX操作系统的大型计算机，该机器带很多终端，每个用户占用一个终端，大型机采用分时的技术为每个终端轮流服务，在用户看来自己单独享用了一个完整的计算机，这种体系结构主要用于科研机构来进行大量的数学运算。第二个阶段是客户服务器阶段，也就是所谓的C/S结构。最有代表性的是NOVELL公司的NetWare操作系统，这个系统分为服务器和客户机两部分，服务器软件安装在一台性能比较高的服务器上，客户机软件则安装在工作终端上（一般是基于DOS操作系统的PC机），这些服务器和客户机通过网络连接起来，达到文件和数据库共享的目的，后来的WINDOWS NT也是基于这样的体系结构，但是在软件上引入了一些分布式的处理体系。第三个阶段，也就是目前所处的阶段，是网络阶段。这个阶段的特点是，计算机之间的互连越来越复杂，不但互连的速度有很大提高（达到100M），而且在地理位置上也跨越了地域，通过高速专线把处于不同城市、不同国家的计算机网络连接起来。这样复杂的网络对网络设备提出了很高的要求。 从上面的分析可以看出，在第二和第三阶段中，必须有一种技术来把本地的许多计算机连接起来。这种技术就是所谓的局域网技术。到目前为止，存在许多种局域网技术，比如令牌环，令牌总线，以及IBM公司的SNA（系统网络结构），以太网等等。在这些技术当中，以太网技术以其简明，高效的特点逐渐战据了主导地位。 1.1.1以太网技术起源 以太网技术起源于一个实验网络，该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。由于该实验网络的成功建立和突出表现，引起了DEC，Intel，Xerox三家公司的注意，这三家公司借助该实验网络的经验，最终在1980年发布了第一个以太网协议标准建议书。该建议书的核心思想是在一个10M带宽的共享物理介质上，把最多1024个计算机和其他数字设备进行连接，当然，这些设备之间的距离不能太大（最大2.5公里）。 之后，以太网技术在1980年建议书的基础上逐渐成熟和完善，并逐渐占据了局域网的主导地位。 1.1.2以太网的设计目标 开始的时候，以太网设计建议书提出了以太网设计的基本目标，即所谓的功能特性。在后来的应用中对这些目标进行了不断的补充和完善，最终形成了一个成熟的体系。主要包含以下几点： ?简明性这是以太网技术最大的特点，正是因为简明性为将来的统治地位奠定了基础； ?低成本成本不要太高，一般的单位能够有能力购买需要的部件来组建网络； ?兼容性不应该对网络层实现施加任何限制，即以太网的所有功能都在数据链路层实
以太网简史
第一部分以太网络简史 以太网络最早是在1973年后在加州帕拉阿图的全(Xerox)公司实验室中构思和实际作出来。由Robert Metcalfe博士(一般称他为“以太网之父”)所发展的﹐以太网络是以2.94Mb/s(Million bits per second,每秒百万比特速度)(3Mb/s)的速度运作。在1983年6月IEEE (标准委员会国际电子电极工程师协会)批准了第一个IEEE802.3的标准。由双绞线的以太网络(Ethernet-twisted-pair)(10BASE-T)的标准在1960年9月被IEEE批准﹐因此很快的就变成了办公自动化应用之以太网络介质中较受欢迎的选择。以太网络是在办公室﹑家中最常见的内部网络﹐其传输速率已由1983年初见时的10Mbps﹐进展至目前常见的1Gbps﹐速率在短短的几年内增加了一百倍。目前正在发展以太网络的最新传输速率则是10Gbps﹐详细的标准规范将会制定在IEEE802.3标准﹐此标准已在2002年第二季度完成制定。并使目前主要是为传送SONET/SDH数据框架的暗光纤(Dark Fiber)可传送资料框架﹐以太网络跨入都会网络﹑广域网络的领域。 第二部分以太网络 2-1 传统以太网络(Ethernet) 二十世纪八十年﹐IEEE的一个委员会意识到许多单位存在着这样的需求﹕即在现有的非屏蔽双绞线的基础上以10Mbit/s的运行速率在以太网上传输信息。尽管有几个厂商已经开始了使用UTP电缆传输以太网信号的设备﹐但这类设备都是专用设备﹐不具有互操作性。因此﹐IEEE的一个新的任务就是开发一种运行于10Mbit/s且使用UTP电缆的802.3网络标准。IEEE在1990年9月作为802.3i通过了这一标准﹐但这一标准通常被称为10BASE-T﹐其中T代表使用双绞线。10BASE-T标准支持10Mbit/s的运行速率﹐在不使用中继器的情况下使用双绞线传输的距离最大可达100米。 10BASE-T支持的传输距离在电子工业协会/电信工业协会(EIA/TIA)布线标准下最长可达100米﹐该布线距离由三段组成。第一段最长可达90米﹐从接线柜中的接线板引至办公室墙壁上的电源的插座。第二段和第三段的总长度最长可达10米﹐允许在电缆的两端使用插塞式电缆﹐从而限制互连的三段电缆的信号损耗。由EIA/TIA制定的10BASE-T电缆标准实际上是基于信号速率的﹐而不是基于网络类型的。