以太网物理层标准标识方法
计算机三级《网络技术》基础知识：以太网
计算机三级《网络技术》基础知识：以太网2015计算机三级《网络技术》基础知识：以太网1.以太网的发展1976年7月，Bob在ALOHA网络的基础上，提出总线型局域网的设计思想，并提出冲突检测、载波侦听与随机后退延迟算法，将这种局域网命名为以太网(Ethernet)。
以太网的核心技术是：介质访问控制方法CDMA/CD.这种方法解决了多结点共享公用总线的问题。
早期以太网的传输介质是同轴电缆，后用双绞线，再后用光纤。
2.以太网的帧结构与工作流程(1)以太网数据发送流程冲突：多个站点同时利用总线发送数据，导致数据接收不正确。
总线网没有控制中心，如果一个站点发送数据帧，以广播方式通过总线发送，每一个站点都能收到数据帧，其它站点也可以同时发送，因此冲突不可避免。
CSMA/CD发送流程可简单概括为：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。
实现公共传输介质的控制策略，需要解决的问题是：载波侦听，冲突检测，冲突后的处理方法。
(a)载波侦听结点利用总线发送数据时，首先侦听总线是否空闲，以太网规定发送数据采用曼彻斯特编码。
判断总线是否空闲可以判断总线上是否有电平跳变。
不发生跳变总线空闲。
此时如果有结点已准备好发送数据，可以启动发送。
(b)冲突检测方法载波侦听不能完全消除冲突，原因是数字信号是以一定的速率传输的。
例如：结点A发送数据帧时，离他1000m距离的结点在一定的时间延迟后才能收到数据帧，此时间段内如果B也发送数据，造成冲突。
从物理层上看，冲突时多个信号叠加，导致波形不同于任何结点的波形信号。
解决方案：结点A发送数据前，先发送侦听信号，如果侦听信号在最大距离传输时间2倍时，没有冲突信号出现，结点A肯定取得总线的访问权。
冲突信号的延迟时间=2*D/V。
其中：D是结点到最远结点的距离，V表示信号传输速度，信号往返的时间为延迟时间。
进行冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例法。
比较法：将发送信号波形与从总线上接收的信号比较，如果不同说明有冲突。
以太网详细介绍
Balanced Copper Xcvr Shielded Balanced Copper Cable
2005©
zqiangwu@
GBN支持的传输供介质
1000 Mbps MAC (Media Access Control) 802.3z CSMA/CD Ethernet
1000BaseLX (1300 nm)
多模光纤连接的最大距离为550米 单模光纤连接的最大距离为3000米
铜基连接距离最大为25米，基于5类无屏蔽双绞线的连接距离增至 100 米的技术
可选的千兆位介质无关接口(GMII) 基于光纤的全双工和半双工操作
2005©
zqiangwu@
GBN的优点
千兆以太网采用和以太网、快速以太网一样的可变长的 （64－1514byte）IEEE802.3帧格式 千兆以太网在不改变现有的网络结构的前提下得到更高的 带宽。千兆网和以前的以太网以及快速以太网几乎一样， 都支持相同的IEEE 802.3帧格式、全双工和流控制模式。 根据IEEE802.3x的定义，当两个节点以全双工通讯时，线 路上能同时发送和接收数据包。千兆以太网在全双工模式 下遵循该标准进行通讯 ，也遵循标准以太网的流控制模 式来避免冲突和拥挤简单、直接的转移低成本；支持新应 用程序能力强；弹性化的网络设计简单、直接的转移到高 性能平台
2005©
zqiangwu@
千兆网的技术规范
规范名称
1000BASE-LX
传输介质
62.5um 多模 50um 多模 10um 单模 62.5um 多模
编码方式
8B/10B 8B/10B 8B/10B 8B/10B
传输带宽
500MHz 400/500MHz
以太网帧结构详解
以太⽹帧结构详解⽹络通信协议⼀般地，关注于逻辑数据关系的协议通常被称为上层协议，⽽关注于物理数据流的协议通常被称为低层协议。
IEEE802就是⼀套⽤来管理物理数据流在局域⽹中传输的标准，包括在局域⽹中传输物理数据的802.3以太⽹标准。
还有⼀些⽤来管理物理数据流在使⽤串⾏介质的⼴域⽹中传输的标准，如帧中继FR（FrameRelay），⾼级数据链路控制HDLC（High-LevelDataLinkControl），异步传输模式ATM（AsynchronousTransferMode）。
分层模型0OSI国际标准化组织ISO于1984年提出了OSIRM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，开放系统互连参考模型）。
OSI参考模型很快成为了计算机⽹络通信的基础模型。
OSI参考模型具有以下优点：简化了相关的⽹络操作；提供了不同⼚商之间的兼容性；促进了标准化⼯作；结构上进⾏了分层；易于学习和操作。
OSI参考模型各个层次的基本功能如下：物理层:在设备之间传输⽐特流，规定了电平、速度和电缆针脚。
数据链路层：将⽐特组合成字节，再将字节组合成帧，使⽤链路层地址（以太⽹使⽤MAC地址）来访问介质，并进⾏差错检测。
⽹络层：提供逻辑地址，供路由器确定路径。
传输层：提供⾯向连接或⾮⾯向连接的数据传递以及进⾏重传前的差错检测。
会话层：负责建⽴、管理和终⽌表⽰层实体之间的通信会话。
该层的通信由不同设备中的应⽤程序之间的服务请求和响应组成。
表⽰层：提供各种⽤于应⽤层数据的编码和转换功能，确保⼀个系统的应⽤层发送的数据能被另⼀个系统的应⽤层识别。
应⽤层：OSI参考模型中最靠近⽤户的⼀层，为应⽤程序提供⽹络服务。
分层模型-TCP/IPTCP/IP模型同样采⽤了分层结构，层与层相对独⽴但是相互之间也具备⾮常密切的协作关系。
TCP/IP模型将⽹络分为四层。
TCP/IP模型不关注底层物理介质，主要关注终端之间的逻辑数据流转发。
ethernet
根据通常情况下运 行效率最好的原则 选择最优组合。 在本例中，交换机 和PC将以100M全双 工模式运行。
100M
10M
七、718 实现
transmission
TBU 总线接口 TFC 帧控制 TPE 协议engine CTX crc校验 FTX 流控
1. 组装MAC帧 2. 载波监听检测 （half duplex） 3. 流控 4. 产生status 5. 时间戳
718的MDIO
DM9000的MII和MDIO
• • • • • • • • • • • • 介质无关接口引脚 37 LINK_II外部介质无关接口器件连接状态 38、39、40、41 RXD [3:0]I外部介质无关接口接收数据 4位 半字节输入（同步于接收时钟） 43 CRSI/O外部介质无关接口的载波检测 44 COLI/O外部介质无关接口的冲突检测，输出到外部设备 45 RX_DVI外部介质无关接口数据有效信号 46 RX_ERI外部介质无关接口接收错误 47 RX_CLKI外部介质无关接口接收时钟 49 TX_CLKI/O外部介质无关接口发送时钟 50～53 TXD[3:0]O外部介质无关接口发送数据低4位输出 TXD[2:0]决定内部存储空间基址：TXD [2:0]) * 10H + 300H 54 MDIOI/O 外部介质无关接口串行数据通信 57 MDCO 外部介质无关串行数据通信口时钟，
IEEE 802.3u 快速以太网标准 IEEE 802.3ab 千兆以太网（非屏蔽双绞线）标准
IEEE 802.3z 千兆以太网（光纤、铜缆）标准
IEEE 802.3x 流量控制标准
二、物理层规范
• 物理层的主要功能是完成相邻结点之间原始比特 流传输。物理层协议关心的典型问题是使用什么 样的物理信号来表示数据0和1。1位持续的时间 多长。数据传输是否可同时在两个方向上进行。 最初的廉洁如何建立以及完成通信后连接如何终 止。物理接口（插头和插座）有多少针以及各针 的作用。物理层的设计主要涉及物理层接口的机 械、电气、功能和过电特性，以及物理层接口连 接的传输介质等问题。物理层的实际还涉及到通 信工程领域内的一些问题。
四层网络协议
四层网络协议网络协议是计算机网络中交换数据的规则和标准，它定义了数据如何在网络中传输和处理。
网络协议通常被分为不同的层级，每个层级负责特定的功能。
在计算机网络中，最常见的是OSI模型，它将网络协议分为七个不同的层级。
除了OSI模型，还存在其他一些常用的网络协议模型，如TCP/IP模型。
而本文将介绍一个常见的四层网络协议模型。
一、物理层物理层是网络协议的第一层，它负责定义数据在物理媒介上的传输方式。
物理层最主要的任务是将数据从发送端传输到接收端，它定义了数据传输所需的传输介质、电气特性和物理连接等。
物理层所使用的传输介质可以是铜线、光纤或者无线信号等。
物理层常见的技术有： - 以太网：一种常见的局域网传输技术，用于在局域网中传输数据。
- 光纤通信：利用光纤作为传输介质进行高速通信。
- 无线通信：利用无线信号进行数据传输，如Wi-Fi和蓝牙等。
二、数据链路层数据链路层是网络协议的第二层，它负责将物理层传输的数据划分为适当的数据帧，并进行差错检测和纠正。
数据链路层的主要作用是提供可靠的数据传输，并协调多个网络设备之间的通信。
数据链路层的常见协议有： - 以太网协议：一种局域网传输技术，负责在以太网中传输数据帧。
- PPP协议：用于在串行通信链路中进行数据传输。
- HDLC协议：一种高级数据链路控制协议，常用于广域网中。
三、网络层网络层是网络协议的第三层，它负责将数据从源主机传输到目标主机。
网络层主要解决的问题是如何在不同的网络中进行数据传输和路由选择。
网络层的常见协议有： - IP协议：一种用于互联网的网络层协议，负责将数据从源主机传输到目标主机。
- ICMP协议：用于在IP网络中进行错误报告和网络状态探测。
- ARP协议：用于在局域网中解析目标主机的MAC地址。
四、传输层传输层是网络协议的第四层，它负责端到端的数据传输和可靠性控制。
传输层的主要任务是为应用层提供可靠的数据传输服务，并通过端口号标识不同的应用程序。
以太网详解
以太网详解1.以太网是什么?以太网(Ethernet)最早是由Xerox(施乐)公司创建的局域网组网规范，1980年DEC、Intel和Xeox三家公司联合开发了初版Ethernet规范—DIX 1.0，1982年这三家公司又推出了修改版本DIX 2.0，并将其提交给EEE 802工作组，经IEEEE成员修改并通过后，成为IEEE的正式标准，并编号为IEEE 802.3。
虽然Ethernet规范和IEEE 802.3规范并不完全相同，但一般认为Ethernet和正IEEE 802.3是兼容的。
以太网是应用最广泛的局域网技术。
根据传输速率的不同，以太网分为标准以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbis)千兆以太网(1000Mbs)和万兆以太网(10Gbit/s)，这些以太网都符合IEEE 802.3是兼容的。
2、标准以太网标准以太网是最早期的以太网，其传输速率为10Mbts，也称为传统以太网。
此种以太网的组网方式非常灵活，既可以使用粗、细缆组成总线网络，也可以使用双绞线组成星状网络，还可以同时使用同轴电缆和双绞线组成混合网络。
这些网络都符合EE8023标准，EEE8023中规定的一些传统以太网物理层标准如下。
①10 Base-2：使用细同轴电缆，最大网段长度为185m。
②10 Base-5：使用粗同轴电缆，最大网段长度为500m。
③10 Base-T：使用双纹线，最大网段长度为100m。
④10 Boad-36：使用同轴电缆，最大网段长度为3600m。
⑤10 Base-F：使用光纤，最大网段长度为2000m，传输速率为10Mb/s。
以土标准中首部的数字代表传输速率，单位为Mbis;末尾的数字代表单段网线长度(基准单位为100m);Base表示基带传输，Broad表示宽带传输。
3、快速以太网随着网络的发展和各项网络技术的普及，标准以太网技术已难以满足人们对网络数据流量和速率的需求。
1993年10月以前，人们只能选择价格昂贵、基于100Mbs光缆的FDD技术组建高标准网络，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FastSwitch10/100和百兆网络接口卡Fast NIC 100，快速以太网技术正式得到应用。
IEEE802.3物理层标准
10Base5
介质 粗缆 细缆 双绞线 光纤 75欧姆 电缆
最大区间长度 500m 185m 100m 2000m 3600m
节点树/段 100 30 1024 1024
拓扑结构 总线型 总线型 星形 星形 树形
接口
优点 用于主干 廉价 容易维护 距离较远 宽带系统
AUI BNC RJ-45 ST1 AUI
• 无效的帧
– 帧的长度与长度字节给出的值不一致； – 帧的长度小于规定的最短长度； – 帧的长度不是整数字节； –接收到的帧的校验和出错
将无效的帧丢弃！！
4.3.2 IEEE802.3物理层标准
由IEEE定义的以太网标准有几个不同的变种。 差别表现在：介质；网段的最大长度；网段上的 站点数目；数据速率。
协议复杂，轻负载时效 率低。
IEEE 02.5
发送时延确定，可设置优先级，重负 协议复杂，轻负载时效 载时效率高，可以使用多种传输介质。 率低，限制最大帧长度。
802.3
• 优点
– 使用无源电缆； – 使用最为广泛； – 轻负载时，延迟为0。 – 算法简单； – 站点可以在网络运行中安装；
• 缺点
• 优缺点比较
协议
IEEE 802.3
优点
协议简单、站点接入和安装方便，使
缺点
发送的时延不确定，重 负载时效率低，限制最 用广泛。低负载情况效率高，延迟小。 小帧长，无优先级设置。 发送时延确定，不限制最小帧长，可 设置优先级，重负载时效率高，支持 多个信道，可传输数据、语音和图像 等多种信号。
IEEE 802.4
10BASE-F：以光纤作为介质的系统的规范。每条 传输线路均使用一条光纤，每条光纤采用曼切斯特 编码传输一个方向上的信号。包含三个标准： 10BASE-FP（Passive，无源的） 10BASE-FL（Link， 链路） 10BASE-FB（Backbone，主干）
以太网物理层信号测试与分析
以太网物理层信号测试与分析1 物理层信号特点以太网对应OSI七层模型的数据链路层和物理层，对应数据链路层的部分又分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。
MAC与物理层连接的接口称作介质无关接口（MII）。
物理层与实际物理介质之间的接口称作介质相关接口（MDI）。
在物理层中，又可以分为物理编码子层（PCS）、物理介质连接子层（PMA）、物理介质相关子层（PMD）。
根据介质传输数据率的不同，以太网电接口可分为10Base-T，100Base-Tx和1000Base-T三种，分别对应10Mbps，100Mbps和1000Mbps三种速率级别。
不仅是速率的差异，同时由于采用了不同的物理层编码规则而导致对应的测试和分析方案也全然不同，各有各的章法。
下面先就这三种类型以太网的物理层编码规则做一分析。
1、1 10Base-T 编码方法10M以太网物理层信号传输使用曼彻斯特编码方法，即“0”=由“+”跳变到“-”，“1”=由“-”跳变到“+”,因为不论是”0”或是”1”,都有跳变,所以总体来说,信号是DC平衡的, 并且接收端很容易就能从信号的跳变周期中恢复时钟进而恢复出数据逻辑。
图1 曼彻斯特编码规则1、2100Base-Tx 编码方法100Base-TX又称为快速以太网，因为通常100Base-TX的PMD是使用CAT5线传输，按TIA/EIA-586-A定义只能达到100MHz，而当PCS层将4Bit编译成5Bi t时，使100Mb/s数据流变成125Mb/s数据流，所以100Base-TX同时采用了MLT-3（三电平编码）的信道编码方法，目的是使MDI的5bit输出的速率降低了。
MLT-3定义只有数据是“1”时，数据信号状态才跳变，“0”则保持状态不变，以减低信号跳变的频率，从而减低信号的频率。
图2 MLT-3编码规则100Base-Tx的MAC层在数据帧与帧之间，会插入IDEL帧（IDEL=11111），告诉网上所连接的终端，链路在闲置但正常的工作状态中（按CSMA/CD，DTE数据终端机会检测链路是否空闲，才会发送数据）。
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三种不同的物理层标准
100BASE-TX
使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。
使用 2 对光纤。 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。
100BASE-FX
100BAΒιβλιοθήκη E-T43.5.2
吉比特以太网
允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方 式工作。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全 双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼 容。
UTP
100BASE-T 以太网的特点
可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此， 不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆 长度减小到 100 m。 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。
以太网物理层标准标识方法
10
速率（Mb/s）
Base
5
每段最大长度（单位:百米） 或 介质类型（T，F，X）
基带或宽带 Base，Broad
传统以太网
• 10Base5 同轴 • 10Base2 同轴 • 10Base-T UTP • 10Base-F 粗 细
快速以太网和千兆以太网
• 100Base-T • 100Base-F • 1000Base-X STP/MMF/SMF • 1000Base-T UTP MMF/SMF
3.5
3.5.1
高速以太网
100BASE-T 以太网
速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速 以太网。 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓 扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协 议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。
吉比特以太网的物理层
1000BASE-X
基于光纤通道的物理层：
SX表示短波长 LX表示长波长 CX表示铜线
1000BASE-SX 1000BASE-LX 1000BASE-CX
1000BASE-T
使用 4对 5 类线 UTP