第3章 以太网技术

第3章 以太网技术(第5讲)
• • • • • • • 3.1以太网通信方式 3.210M以太网 3.3快速以太网FE 3.4千兆以太网GE 3.5万兆以太网10GE 3.6以太网升级 习题
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补充
第3章 以太网技术
• 以太网（Ethernet）具有性能高、价格低、使用 方便等特点，是目前最为流行的局域网体系结构。 • 1973年，施乐公司（Xerox）开发出了一个设备互 连技术并将这项技术命名为"以太网（Ethernet）"。 • 以太网最初是20世纪70年代由Xerox公司开 发,1980年数据设备公司,Intel公司与Xerox公司合 作发表10ME以太网物理层和数据链路层的规约， 即以太网1.0版,称为DIX80。 • 82年又推出2.0版（也为最后版本，即DIX Ethernet V2）.
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图3-3冲突在t0到t0+τ之间发生
τ A B A B
t0 (a)A的第一比特在t0时刻传向B
t0+τ
t0 (b)A的数据在t0+τ 之前没有到达B
t0+τ
A
B
A
B
t0
t0+ε (c)B在t0+ε 时发送数据导致冲突
t0+τ
(d)冲突信号在碰撞后经过2ε 到达A，被A检测到
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图3-1CSMA/CD工作流程
有待发帧? 是 载波监听 迟延一个 随机时间 否
发送
冲突？ 否 继续帧的发送
是
冲突次数 超标？ 是 放弃帧的发送
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否
强化冲突
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问题
• 发送者如何检测出冲突?P48最后一段. 发送者从信道上接收自己广播发送的信号,然 后把它的的特性，如电压值、脉冲宽度等，与原 始发送的信号的特性作比较，如果一致，则认为 无冲突，否则认为发生了冲突。 • 冲突次数少时，还可以继续发送帧，但在冲突后 要发送特殊的信号通知其他机器已经发生了冲突 （强化冲突）。然后等待一段随机时间再去侦听 信道。但是，当冲突次数超过一个门限值时，就 要放弃发送。
• 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC 子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不 管采用何种物理层协议的局域网对 LLC 子 层来说都是透明的
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补充
局域网对 LLC 子层是透明的
LLC 子层看不见 下面的局域网
网络层 逻辑链路控制 媒体接入控制 LLC MAC 物理层 站点 1 局域网 网络层 LLC MAC 物理层 站点 2
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3.1以太网通信方式
• 早期以太网采用总线型拓扑结构组网，网 络中的主机共享数据通道。
• 以太网解决多台主机共享信道的方法是载 波侦听多路存取(Carrier Sense Multi Access， CSMA)，各种802.3（a,I,ae,…等都基本相 同）。
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补充
• IEEE802委员会(专门制定局域网和城域网标准的机 构，目前活跃工作组有8个)的802.3工作组于1983 年制定了第1个IEEE的IEEE802.3标准(描述物理层和 数据链路层的MAC子层的实现方法，实际上就定 义了一个局域网了，其在多种物理媒体上以多种 速率采用CSMA/CD访问方式，对于快速以太网,该 标准说明的实现方法有所扩展),由于该标准在物 理层规范与DIXV2基本相同,其MAC帧结构与802.3 可兼容,人们习惯上把802.3局域网称为以太网.但 严格意义上的以太网指DIX Ethernet V2标准的局 域网。(书上的定义有误) • 以太网以串行的方式在线缆上传输数据.双工或全 双工工作.
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以太网IEEE802.3标准
10ME IEEE标准 物理层标准 批准时间 802.3 10BASE5 1983年 802.3a 10BASE2 1989年 FE IEEE标准 物理层标准 802.3u 100BASE-FX 802.3u 100BASE-TX 802.3u 100BASE-T4 802.3x&y 100BASE-T2 802.3i 10BASE-T 1990年 802.3j 10BASE-F 1993年
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t0
时隙
数据
数据
数据
数据
传输周期
争用周期
空闲周期 时间
图3-2 分时CSMA/CD 时间模型P49
3种时间间隔(周期) 传输周期：该时间内信道上有数据在传输。 争用周期：有数据要发送的主机在这段时间内侦听信道。 空闲周期：该时间内，信道上没有数据传输，也没有主机侦 听信道。 每个周期由若干个时隙构成。
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• (1) 1-坚持CSMA：主机仍然侦听信道直到信道空闲，然后 把数据发送出去。这种方式称为1-坚持CSMA。 • (2)非坚持CSMA：主机不再侦听信道，而是等待一个随机 时间后，再侦听信道。这种方式称为非坚持CSMA。 • (3) p-坚持CSMA (p是一个指定概率值)：把信道发送数据划 分为一个个的时间间隔，使信道的数据发送在特定的时间 间隔内进行。这种时间间隔就是时隙。主机在某些特定的 时隙使用信道，而在其他时间等待或侦听。 在p-坚持CSMA中，如果信道空闲，则侦听的主机以 概率p发送，而以概率1-p把这次发送推迟到下一个时隙。 在信道空闲时，此过程一直重复，直到发送成功或者另外 的主机开始发送。 如果主机检测出信道忙，它就等到下一时隙再开始侦 听。
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以太网家族包括以下成员：
• 10Mbit/s以太网：简记为10ME。它是最初 被标准化的以太网，它的数据率是10Mbit/s。 • 快速以太网：Fast Ethernet，简记为FE。它 的数据率是100Mbit/s。 • 千兆以太网：Gigabit Ethernet，简记为GE。 它的数据率是1000Mbit/s。 • 万兆以太网：10Gigabit Ethernet，简记为 10GE。它的数据率是10000Mbit/s。 • 以太网标准是IEEE802.3。标准见表3-1.
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数据 链路层
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补充
以后一般不考虑 LLC 子层
• 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网 是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标 准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不 大了。 • 很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。
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结论
• 冲突信号需要经过2ε到达A，此时A才能检测出冲 突。 • 可见，从t0时刻起，要想避免与A发生冲突，其他 主机至少要在t0+τ之后发送数据。而A最晚可能在 t0+2τ时刻检测到冲突，这个2τ称为争用期：即经 过争用期没有检测到冲突，才能肯定这次发送没 有冲突。 • τ与A到B之间距离d和信号传播速度r有关，即 τ=d/r • 而传播速度r又与信道有关。对于UTP电缆信道， 电磁波在电缆中的传播速度r最大只有在自由空间 的65%左右，因此，1km电缆的τ≈5.12×106s=5.12μs。
公式
• 数据的发送时间与数据的长度L和比特率R （R又与数据编 码方式有关)有关。 • 要求： (Lmin/R即为帧的发送时间,要>=2τ) • 数据帧的最小长度Lmin应该满足 Lmin/R >=2τ 取： Lmin/R =2τ （公式3-1） 得: 又由于 所以 Lmin=2dR/r • 其中d为网络共享链路的长度，常被称为网络直径，R是比 特率(b/s)，r是信号传输速率。
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3.1.1 CSMA数据发送规则
• CSMA规定，当主机发送数据时，它首先侦 听信道上是否有载波(载波实际上是一种高 频声音信号，计算机上的数字信息调制到 该信号上)。
• 若没有载波，则表明信道上没有数据在传 输(没有主机使用信道)，主机便将数据发送 到信道上。 • 若有载波，主机按以下３种方式之一操作：
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CSMA优点:
• 在信道忙时不会有其他主机打乱正在进行 的发送。由于采用了信道侦听，因此在一 定程度上减少了冲突发生的次数，从而提 高了信道的利用率和整个网络的吞吐量。 • CSMA不能完全避免冲突： 当主机A认为信道空闲时，主机B也可能 认为信道空闲，因此，两台主机差不多同 时发送数据，导致冲突发生。
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补充
数据链路层的两个子层
• 为了使数据链路层能更好地适应多种局域 网标准，802 委员会就将局域网的数据链 路层拆成两个子层：
– 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子 层 – 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。
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第2个问题：数据发送需不需要时间
• 发送时间:实际上主机发送数据也需要时间。数据 的第一个比特离开主机到最后一个比特离开主机 之间的时间被称为发送时间。 • 比特率单位时间内(主机)发送的比特数，称为比 特率。 • 因此 • 当A的第一个比特到达B时，可能A发送数据的最 后一个比特还在A中,而且在CSMA/CD中就要求这 种发送方法，不然，数据发送完成了，冲突信号 再过来已没有意义了，发送端认为数据已发送完 成了。又在2τ内没有冲突，以后也不可冲突了。 • 同样，主机接收数据也需要时间。 23
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3.1.2影响CSMA效率的因素
• 我们首先讨论分时CSMA/CD的时间模型，该模型如图3-2 所示。
t0
时隙
数据
数据
数据
数据