1、1,数字通信网系列讲座 （二）,中山大学信息科学与技术学院 电子与通信工程系 张光昭 2001.6,2,2 快速以太网与千兆以太网,2.1 IEEE802 LAN标准 2.2 IEEE802.3 标准与以太网 2.3 100BASET快速以太网 2.4 交换式以太网 2.5 以太网接线与网络部件 2.6 千兆以太网,3,2.1 IEEE802 LAN标准,1980年2月IEEE成立LAN的标准委员会，以后该委员会制定的标准就称为IEEE802标准。 1980年发布Ethernet规范v.1。 1983年发布10BASE5标准（10M粗同轴线）。 1985年发布10BASE2标准（10M细同轴线
2、）。 1990年发布10BASET标准（10M双绞线）。 1994年发布10BASEF标准（10M光纤）。 1995年发布100BASET标准（100M双绞线）。 1998年发布1000BASEX标准（1000M光纤）。LAN使用广播式信道，因此它不需要路由，不需要网络层。所以，IEEE802标准只包含最低的两层物理层和数据链路层。,4,IEEE802 Reference Model,application,physical,physical,DLL,Network,transport,session,presentation,LLC,MAC,High layer,SAP,SAP,OSI,IE
3、EE802,SAP: Service AccessPointMAC: Medium AccessControl LLC: Logical Link Control,5,*物理层：负责数据流的编码、解码和位流传输。传输媒质包含双绞线、同轴线和光纤。*数据链路层（DLL）：负责相邻节点间的帧传输。DLL包含两个子层： （1）逻辑链路控制子层（LLC）：负责帧传输（包含成帧、CRC编码、寻址、差错控制和流量控制）；（2）媒质访问控制子层（MAC）：负责媒质的访问控制，如CSMA/CD, Token-bus, Token-ring, DQDB 等。,6,IEEE802 standard,Physica
4、l,physical,physical,physical,physical,DLL,802.3 CSMA/CD MAC,802.4 Token-bus MAC,802.5 Token-ring MAC,802.6 DQDB MAC,802.2 LLC,802.1 Reference documents,7,IEEE802 LLC Frame Format,DSAP,SSAP,C,DATA,1,1,1,N,Bytes,DSAP: Destination SAP C: Control Byte SSAP: Source SAP DATA: Packet,8,IEEE802 MAC Frame Fo
5、rmat,CSMA/CD:,TOKEN-BUS:,TOKEN-RING:,PR,SD,SA,DA,FC,AC,SD,PR,FC,L,SA,DA,SFD,SA,DA,LLC Frame,LLC Frame,LLC Frame,FS,ED,FCS,ED,FCS,FCS,PAD,7,1,2 or 6,2 or 6,2,0 to 1500,0 to 46,4,=1,1,1,2 or 6,2 or 6,0 to 8182,4,1,1,1,1,2 or 6,2 or 6,=0 No limit,4,1,1,Bytes,PR: Preamble SFD: Start of frame delimiter D
6、A: Destination address SA: Source address L: Length of data field FCS: Frame check-sum SD: Start delimiter FC: Frame control ED: End delimiter AC:Access control FS: Frame status,9,2.2 IEEE802.3 标准与以太网,1975年：Xerox公司第一个建立了一个2.94Mbps CSMA/CD系统，在1公里同轴线上可连接100个工作站，并称为Ethernet。1980年：Xerox，DEC和Intel联合起草了一个
7、10Mbps的以太网标准，它是IEEE802.3标准的基础。,10,2.2.1 CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection （载波侦听多路访问/碰撞检测）1-坚持 CSMA/CD:当一个工作站有数据发送时，它先侦听信道，看有没有其它工作站正在传输数据。如果信道正忙，该工作站只好等到信道空闲为止；如果信道空闲，它就立即传输一帧，如果产生碰撞，它就等待一个随机时间以后再重试。,Frame,Frame,连续侦听,立即发送,11,Collision,L,Host A,Host B,cable,传播时间：t = L/c c : 电磁
8、波在媒质中的传播速度在真空：1/c = 3 s/km在同轴线中：1/c = 5s/km对于LAN，L 2km, 故 t 10s,12,Collision detection,A,B,A,B,A,B,A,B,Packet starts at time 0,Packet almost at B at time t,Collision at time t,Collision detectedat time 2t,13,CSMA with collision Detection,如果两个要发送数据的工作站侦听到信道是空闲的，它们几乎同时开始发送数据，它们将立即检测到碰撞。这时它们并不将帧发送完，而是立
9、即停止发送。因为被碰撞的帧已不可恢复，停止发送可节约时间和带宽。然后，它们各等待一个随机时间以后再来侦听信道，如果信道空闲则立即发送，否则连续侦听，直到信道空闲为止。由于两个工作站等待的随机时间不一样，因此可以把碰撞分解。,14,Conceptual model of CSMA/CD,Frame,Frame,Frame,Transmissionperiod,Contentionperiod,Idle period,t,CSMA/CD can be one of three states,15,二进制指数后退分解算法：碰撞以后，时间轴划分为一个个时隙，每个时隙的长度等于Ethernet最坏情况下
10、的RTT（Round Trip Time), 规定为512位时（对于10Mbps Ethernet，RTT= 51.2s）。在第1次碰撞以后，每个工作站随机选择等待0或1个时隙后再试。如果它们刚好选择同一个随机数，则它们会再次碰撞。第2次碰撞以后，每个工作站随机选择等待0，1，2，或3个时隙后再试。如果还碰撞的话，则第3次碰撞以后，每个工作站随机选择等待从0到(23-1)个时隙后再试。第i次碰撞以后，随机数选择范围为0到（2i-1）。然而，在第10次碰撞以后，随机数选择范围就冻结在最大值为1023个时隙。如果试验16次还发送不成功的话，就认为网络拥塞，无法发送，并报告计算机，让高层去处理。,1
11、6,Flowchart of CSMA/CD MAC,Ready to transmit,Sense channel,Transmit data and sense channel,Wait according to thebackoff algorithm,Transmit collision signal,idle,busy,Collision occurs,Try again,Continue transmission until EOF,17,MAC parameters for 10 Mbps Ethernet,18,2.2.2 IEEE 802.3 standard: Physic
12、al layer,Ethernet CSMA/CD 10 Mbps,AUI,10 base-T twist pair,10 base-F fiber optics,10 broad 36 broadband,10 base-2 thin coax,10 base-5 thick coax,MAC layer,Physical layer,AUI：连接单元接口（介质无关接口）,19,(1) 10 BASE-5: Thicknet,* Medium: Thick coaxial cable (d=10 mm). Terminator: 50 /1W resistor. 100 stations f
13、or every segment.* Topology: Bus. Max. cable length: 500m. Max. diameter of the network: 2500m. It consists of 5 segments and 4 repeaters.*Channel coding: Manchester encoding.* Bit rate: 10 Mbps.,20,10BASE-5 connection,21,10BASE-5 connection with multiplexor,22,(2) 10 BASE-2: Thinnet,* Medium: Thin
14、coaxial cable. 30 stations for every segment. Terminator:50 resister.* Max. length for a segment: 185m.* Max. diameter of the network: 5*185=925m. It consists of 5 segments and 4 repeaters. If not using repeater, then the max. length of single segment is 300m.* The transceiver is made with network i
15、nterface card.* Bit-rate: 10 Mbps. Manchester encoding.,23,10BASE-2 connection,24,Comparison of 10 BASE-5 and -2,10 BASE-5,TR,TR,C,C,10 BASE-2,C,C,Max. 500m,Max. 300m thin coax (single segment),Max. 100 nodes,Max. 30 nodes,Thick coax,25,(3) 10 BASE-T: Twist pair net,Twist pair,HUB,Plugs on wall,Node
16、s,Max. 100m,26,10 BASE-T,* 1990 established the 10 BASE-T standard.* Medium: Two pairs of unsealed twist pair, one for transmitting data, another for receiving data. Using RJ-45 (8-pins) connector. Class 3 or 5 UTP.* Topology: Star* Manchester encoding.* Max. length between HUB and Node: 100m.* Netw
17、ork consists of 5 segments and 4 repeaters.,27,Sharing Type HUB,R,R,R,R,R,R,R,BUS,UTP,Port 0 1 2 . N,Topology: Star,28,Comparison of 10BASE connections,29,30,(4) 10 BASE-F,* 1994 established the 10 BASE-F standard.* Medium: A pair of fiber, one for transmitting data, another for receiving data. Usin
18、g 62.5/125 diameter multi-mode fiber and LED infrared source.* Topology: Star.* Length of segment: 10 BASE-FP:500m; 10 BASE-FB:1000m; 10 BASE-FL: 2000m,31,Abstract of 802.3 10 Mbps Physical Layer,32,Comparison of 10 BASE Ethernet PHY Standards,33,2.3 100Base-T 快速以太网,1995年5月发布100BaseT标准IEEE802.3u。性能：
19、 比传统的Ethernet速度高10倍； 有三种100BaseT的物理层标准； 拓扑结构为星型，需要HUB； 在MAC和PHY层之间有一个MII(Media Independent Interface) 接口。,34,100 BASE-T IEEE802.3u Specifications,100 BASE-T CSMA/CD MAC,MII Layer,100BASE-T4,100BASE-TX,100BASE-FX,MAC,Two pairs of 4 pairs of two pairs ofcategory 5 category 3/4/5 MM fiber twisted pair
20、twisted pair,PHY,Media,MII: Media Independent Interface,35,2.3.1 The MAC layer for 100BASE-T,1 bit-time = 100 ns for 10 BASE-T; 1 bit-time = 10 ns for 100 BASE-T.,100BaseT的MAC层与10BaseT的MAC层是一样的，除了它的位速高10倍以外。如果时间单位是位时的话，它们的时隙、帧间隔和帧长都是一样的。如果时间单位是绝对时间的话，那么，100BaseT的将小10倍。,36,Comparison of MAC parameter
21、s,37,2.3.2 100Base-T的物理层,(1) 100 BASE-TX: * Topology: Star (Hub), Max. segment length: 100m.* Channel encoding: 4B/5B ( input: 4B/output:5B ). The baud-rate:125MBaud.* Transmission wave-shape: MLT-3 (Multi-level transmission - 3, 3 bits and 8 levels). The Baud-rate becomes 125/3 = 41.6 Mbaud, so it
22、can use category 5 UTP.* Connector: RJ-45.* Full-duplex.,38,(2) 100 BASE-FX: * Media: SM or MM fiber.* Connector: MIC/FDDI or ST connector.* Channel encoding: 4B/5B.* Max. segment length: 2000m.* Topology: Star* Full-duplex.,39,PHY comparison of 100 BASE-T,40,对于快速以太网，如果使用共享型HUB，由于它的时隙縮小10倍，从51.2s縮小到
23、5.12s，因此，网络的最大范围也从2500m縮小到205m只有2段和一个中继器。为了改善网络范围，快速以太网必需使用交换型HUB。,41,2.4 交换型以太网,* Ethernet MAC protocol: CSMA/CD.缺点：碰撞网络范围受限当网络负荷增加时，信道利用效率迅速下降，信道的最大利用率为3040。*中继器：只是放大信号属物理层功能。它虽能增大 网络范围，但不能克服上述的限制。*网桥：用于连接两个802网络属MAC层功能。它接收、存储、然后转发MAC帧。它具有地址过滤功能。它能隔离碰撞，并能扩大碰撞域。,42,当网络内的节点数减少时，碰撞的概率也随之减小。当一个网络中只有一个
24、节点时，就没有碰撞了。这时网桥就变成交换机了。,Switching (Bridges),Nodes,交换机：,43,Comparison of Repeater and Bridge,44,Switching HUB,Switching,B,B,B,B,B,B,Port 1 2 3 4 5 6,B: Buffer,*从任何一个端口接收数据包。*将接收到的数据包存储在缓存器中。*按照数据包的信宿地址转发到另一端口。*它可用于隔离LAN、连接LAN、或扩大LAN的碰撞范围。,45,B,B,B,B,Node A B C D,Port 1 2 3 4,Switching HUB,Switching l
25、ook up table,MAC address,Port number,A,D,C,B,1,2,3,4,虚拟连接：当一个数据包通过交换型HUB时，从信源到信宿就建立起一条虚拟连接，当数据包到达信宿以后，虚拟连接就被释放。 数据传输可以在不同的端口同时进行。,46,假定交换机的总吞吐量是R，那么R = (1/2)*N*r 这里，N为端口数，r为每个端口的传输速率。 例如，N =16, r = 10Mbps, 那么，R = 80Mbps。如果一对UTP用于传输数据，另一对UTP用于接收数据，那么，交换机的总吞吐量是R = N*r 例如，N = 16, r = 10Mbps, 那么，R = 160
26、Mbps。,47,PRE,Des. Addr,Sou. Addr,Length,Protocol H,DATA,FCS,8,6,6,2,30,0 - - 1200,4,LLC Frame,Cut-in,Improved cut-in,Store- retransmit,交换机的存储转发机制： *存储转发：接收完整个数据包以后，检查差错，然后再转发时延大；*切入（Cut-in）法：当接收数据包时，仅仅检查她的信宿地址，然后立即转发时延最小，但差错的数据包也照样转发。*改善的切入法：当接收数据包时，检查包头（64字节），然后转发。,48,2.5 以太网接线与网络部件,2.5.1 EIA/TIA 5
27、68 standard,1,2,3,4,5,6,7,8,T2,R2,T3,R1,T1,R3,T4,R4,1,2,3,4,5,6,7,8,RJ-45 connector,Pair 1,2 as a transmitting linesPair 3,6 as a receiving lines,49,Computer,Computer,HUB,Plug-in board on the wall,5m,90m,5m,Total length of the link: 100m,Central room,10 BASE-T: category 3 or 5 UTP 100 BASE-T: catego
28、ry 5 UTP,50,2.5.2 网络部件,* 网络接口卡 (NIC)* Group HUB* 互连部件（Interconnection components）NIC: 10, 100 and 10/100 Mbps NIC card, full duplex, or multi-ports.,51,Group HUB,* Sharing HUB with repeaters,R,R,R,R,R,R,* Overlay HUB,* Switching HUB,Switching,Repeater,Buffer,52,互连部件,*网桥：连接多个802网络，它具有中继放大功能和地址过滤功能。它按
29、照信宿的MAC地址将MAC帧传送到相应的端口。MAC层功能。*路由器：它连接不同的网络。它按照信宿的IP地址将IP数据报传送到相应的端口。网络层功能。*主干网络交换机：它为网络互连提供更高的速度、更多的端口。它的功能与组交换机相似，例如，ATM交换机、FDDI交换机、快速以太网交换机。,53,2.6 千兆以太网,1998年发布千兆以太网标准标准：IEEE802.3z。 它包含3个规范：1000BASESX（短波光纤），1000BASELX（长波光纤），1000BASECX（短铜跳线）。,54,2.6.1 千兆以太网的体系结构,1000BASEX CSMA/CD MAC,GMII,1000BAS
30、E -SX,1000BASE-CX,1000BASE-LX,MAC 层，与10BASE及100BASE的MAC层基本相同。,千兆位介质无关接口,物理层,短波光纤 长波光纤 短铜跳线 (850nm) (1300nm) (STP),55,2.6.2 千兆以太网的MAC层,三种以太网的MAC层都采用CSMA/CD协议。100M和1000M以太网一般都采用全双工交换型HUB，因此不存在碰撞问题。三种以太网的时隙和帧间间隙的比较：,10Mbps 100Mbps 1000Mbps,时隙 51.2s 5.12s 4.096s512位时 512位时 4096位时帧间间隙 9.6s 960ns 96ns96位时
31、 96位时 96位时,56,2.6.3 GMII千兆位介质无关接口,三种介质无关接口的比较：,使用的电缆 4对线，分别屏蔽。 20对线，整体屏蔽。 无最大长度 50m。 0.5m N/A连接器 15针，D型。 40针，高密度D型。 无数据信号 串行，Manchester码 4 bit宽，NRZ码。 8 bit 宽，NRZ码数据速率 10 Mbps 100Mbps 1000Mbps时钟 无 2.5/25 MHz 125 MHz,10Mbps, AUI 10/100Mbps, MII 1000Mbps, GMII,57,2.6.4 千兆以太网的物理层,三种以太网点点全双工链路的比较：,10Mbps 100Mbps 1000Mbps3类UTP：100m 3/4/5类UTP: 100m 5类UTP：150m 62.5m多模光纤 62.5m多模光纤 62.5m多模光纤 2000m 2000m 275/550m50m多模光纤550m10m单模光纤5km150STP, 25m 信道编码：Manchester, 4B/5B, 8B/10B,58,2.6.5 千兆以太网的应用,局域网互连； 园区主干网； 城域主干网。,59,Thank you,
