局域网之全双工以太网与物理层.ppt

《计算机网络教程》电子教案,第四章 局域网 全双工以太网与物理层,主要内容,以太网访问控制（4.2） 全双工以太网 以太网物理层（4.3） 媒体无关接口 自动协商 传统以太网媒体选项 高速以太网媒体选项,全双工以太网,只能在连接两个站点的点到点链路上使用，并且要求链路两端的站点都采用全双工方式 链路必须能够支持同时传输和接收信号，而不会互相干扰 10BASE5、10BASE2、10BASE-FP、10BASE-FB和100BASE-T4不能支持全双工模式 没有别的站点竞争对链路的访问权限，从而不会出现冲突 不需要采用CSMA/CD协议的限制，有帧要传输就可以马上发送 不再有冲突域，不需要有载波监听和冲突检测，从而也没有因为冲突而带来的站点的重传 接收的同时也可以发送，端口支持的吞吐率是半双工方式的两倍 站点和交换机之间的连接距离也不再受最短帧长（512比特）的限制，而纯粹考虑的是链路的物理特性 比如100BASE-FX在半双工方式时限制网段的直径最大为412米 而采用全双工方式后可以长达2千米 采用同样的以太网帧格式、同样的最小帧长、同样的物理层协议,全双工以太网：MAC控制子层,可能会出现站点发送过快的情况，需要能够暂时缓存站点发送的帧以及进行流量控制,帧类型=0x8808,802.3X给出了一通用的结构和协议来进行MAC控制（包括流量控制） MAC控制子层位于传统的MAC层和MAC客户之间，MAC控制子层是可选的，对下面的MAC（半双工或全双工）是透明的,全双工以太网：流量控制,PAUSE帧实现了一个简单的流量控制机制： 站点可以向链路的另一端发出一个暂停帧而要求其暂时停止所有帧的发送（告诉对方暂停发送的时间） 只用于全双工方式的点到点链路两端，不支持半双工方式 不支持端到端的流量控制，只在本地点到点链路出现 暂停帧不能通过交换机、网桥等转发出去，只是由链路另一端进行处理 目的地址为对方的MAC地址或者01:80:C2:00:00:01 PAUSE流量控制是双向的，即点到点链路两端可以互相发送PAUSE帧,01:80:C2:00:00:01 或对方MAC地址,暂停发送的时间,链路另一端应该暂时停止发送的时间以512比特时间为时间单位 MAC控制参数为0的PAUSE帧表示恢复数据帧的传输。

非对称流程控制,对称流量控制：全双工链路的两端都可以发送PAUSE帧 非对称流量控制中则只允许其中某一端发送PAUSE帧 交换机可以发送Pause来阻塞端系统，而反过来则不行 端系统可以阻塞交换机（借用交换机的内部缓冲区），而反过来则不行,数据通信与计算机网络（2009）,6,主要内容,以太网访问控制（4.2） 全双工以太网 以太网物理层（4.3） 媒体无关接口 自动协商 传统以太网媒体选项 高速以太网媒体选项,以太网媒体选项,IEEE 802.3标准支持多种物理媒体选项：物理层各不相同，但都采用相同的数据链路层协议 10Base5 10Base2 10BaseT 10BROAD36 10BASE－F 100Base-TX,媒体选项的命名策略： 10表示数据速率为10Mbps Base表示采用基带传输 Broad表示采用宽带传输 T表示双绞线 F表示光纤 X表示两条链路（用于发送和接收）,媒体无关接口,连接接口单元AUI 控制器实现MAC逻辑，主要采用数字技术，但包括曼彻斯特编码解码器 收发器包含模拟部件，实现物理层协议,媒体无关接口MIIGMII 编码器移到收发器端 支持的传输媒体可采用不同的编码方案 速度无关性： 采用4(8)位并行数据通道，通过时钟信号同步 时钟的频率为数据速率的1/4(1/8)，即10Mbps采用2.5MHz时钟，而100Mbps用25MHz时钟；1Gbps采用125MHz时钟 管理模块可对收发器进行配置以支持多种媒体选项,MII可以驱动一个比较短（最长50米）的屏蔽电缆 GMII中控制器和收发器集成在一起，充当内部接口,XGMII和XAUI接口,XGMII接口： 32比特并行数据通道，74针接口 时钟信号和数据信号分开，数据传输受时钟信号来驱动 时钟频率为10G/64 = 156.25MHz，在时钟信号的上升处和下降处数据信号有效 XGMII接口支持距离非常短，只有7cm XAUI接口： 全双工接口，每个方向包括4个串行差分链路 XGMII接口分为4个8比特的通道（lane），每个Lane要传输的字节流进一步采用8B/10B编码将时钟信号编码进去，同时也可以携带帧开始、帧结束、信道空闲、链路配置等控制信息 每个链路是自时钟驱动的，数据速率为3.125Gbps(2.5Gbps*10/8)。

XAUI支持的距离可以达到50厘米，接口也从XGMII的74针信号减少到16针，另外也允许XAUI接口可以跨越时钟域，这样系统的不同部分之间就不需要进行时钟的校正数据通信与计算机网络（2009）,10,自动协商,连接在一条链路上的两个设备交换关于它们能力的信息，自动以合适的数据速率或模式来进行通信 用在那些采用UTP的传输媒体选项中（如10BaseT、100BaseTX等），目前自动协商也可以用在光纤媒体之上 传统的10BASE-T标准中包括了一个链路测试机制来维持链路 网络空闲（没有数据传输）时，收发器会每隔16ms发送一个100纳秒的正常链路脉冲NLP 如果在50到150ms内都没有收到数据分组或者NLP，说明链路出现故障 自动协商每隔16ms发送33个100ns的快速链路脉冲串FLP，可携带16位信息 17个奇数位（相聚125微秒，FLP为2ms）是时钟脉冲，进行时钟同步 16个偶数位用于传递信息，如果对应的位置有脉冲，则代表比特1，如果没有脉冲，则代表0这样FLP可传递16比特信息 802.3an-2006标准进一步引入扩展FLP Burst，每隔8.25ms发送97个脉冲串，携带48比特的信息 是否支持扩展FLP通过16比特的链路码字的XNP（Extended Next Page）来协商 加快自动协商过程，而不是需要通过多个FLP,,自动协商过程,自动协商是可选的(Gigabit中是必须支持的)，控制器可以通过MII接口来关闭自动协商、强制重新协商、设置具体的媒体模式等。

自动协商过程： 当以太网设备加电、重置或者要求重新协商时，才开始 接收方在收到三个连续的相同FLP之后，从FLP中取得链路码字LCW，选择双方所能支持的具有最好能力的媒体选项，并且通过FLP发送ACK来进行确认 自动协商完成之后按照协商的结果进行正常的数据通信，无需再进行自动协商，直到链路重新加电、重置或者强制重新协商后才重新开始自动协商过程自动协商：链路码字,链路码字LCW总共16比特 5个比特的选择因子字段指明了紧随的技术能力字段（7个比特）的具体取值范围 对于IEEE 802.3来说，选择因子取值为00001 XNP：是否支持扩展Next Page 远端错误RF（Remote Fault）位用于向链路另一端表明错误 确认ACK位：在连续收到3个相同的LCW之后通过设置ACK为1来确认 下一页NP（Next Page）位：表明后面还有一个16比特的码字，用于扩展16比特的LCW 1Gbps媒体选项协商利用了NP 8比特的技术能力字段给出了该设备所支持的媒体技术,自动协商的限制,并行检测在另一方不支持自动协商时可采用 对于设备支持的媒体选项都有一个对应的链路监控模块 收到的链路脉冲信号同时传递给该设备的所有链路监控模块，如果只有一个模块检测到链路的质量比较好(符合给定的链路信号模式)，则采用对应的技术来连接，从而跳过自动协商过程 设置为半双工方式，无法了解其他特性 自动协商也无法测试链路采用的电缆类型 假设一个集线器和站点都支持10BASE-T和100BASE-TX，它们之间通过3类UTP连接 自动协商的结果是采用100BASE-TX连接，但是100BASE-TX要求采用5类双绞线,传统以太网媒体选项,10Base5是最早的以太网技术采用的媒体选项 常称为粗缆：使用10毫米直径的50的同轴电缆，一个网段最长为500米 数据速率是10Mbps，采用曼彻斯特编码。

主机通过收发器（transceiver）连接到粗缆，每个网段最多可以连接100个节点 通过转发器扩展覆盖2500米,10Base2常称为细以太网或者细缆 使用50的同轴电缆，只有5毫米直径 数据速率是10Mbps，采用曼彻斯特编码 采用工业标准的BNC连接器组成T型接头，细缆中收发器一般都集成在网卡里面 每个网段的使用范围最长只有200米（更加精确的说是185米），并且每个网段内最多只能连接30个站点,10BaseT/10BROAD36,10BaseT： 传输媒体为非屏蔽双绞线，采用星型拓扑 所有站点通过两对(two twisted-pair) UTP连接到一个集线器（Hub） 采用曼彻斯特编码，其数据速率为10Mbps 每个网段的长度限制在100米以内10BROAD36：唯一采用宽带信号的媒体选项 选用标准的75的CATV 同轴电缆 从头端出发的分段的最大长度是1800米所以最大的端对端的跨度是3600米 数据速率为10Mbps，通过差分相移键控（DPSK）来进行信号调制 10BaseF: 采用光纤作为传输媒体,传统以太网媒体选项 总结,IEEE802.3 10Mbps物理层媒体选项,物理层互连设备：转发器和集线器,转发器（repeater） 一般用于10Base2和10Base5中，用于扩展传输媒体的长度。

转发器用来连接两段电缆，从它连接的电缆上收到的数字信号转发给连接的另一条电缆中 集线器Hub 一般用于10BaseT中，实际上是一个多口的转发器 当从一条线路上接收到信号时，集线器会向其他线路转发 如果多于两个端口同时传输，产生并发送一个冲突存在信号 一般具有一些网络管理功能 比如如果有一个站点出现故障，一直持续发送帧10Base2对此就会无能为力，一个故障站点会导致整个网络也处于崩溃状态 10BaseT中的集线器可以检测到这个站点的故障，并且把该站点从网络中分割出来，其他站点仍然能够继续工作 转发器和集线器都： 工作在物理层，和MAC协议无关，既无缓冲功能，也无分段功能 通过其连接的网段本质上仍然属于同一个冲突域（Collision domain） 采用CSMA/CD规则共享同一个信道的所有节点位于同一个冲突域 在同一个冲突域内，任何两个节点同时传输都会遇到冲突物理层互连设备,在通过转发器或集线器构建以太网的实践中常常要求遵循5-4-3原则 5指任意两个站点间最多有5个以太网网段 4指任意两个站点间最多有4个转发器 3表示任意两个站点间最多有3个网段有站点相连 另外2个网段仅仅用于扩充网络覆盖的范围 通过转发器或集线器来连接多个网段的方式常常称为级连可堆叠集线器（Stackable Hub）： 各个集线器之间可以通过另外一个高速数据通道（常常是G bps）相连，从而使得各个堆叠起来的Hub组合起来形成一个具有更多端口的Hub 堆叠起来的Hub实际上相当于一个大的Hub。

它和通过以太网技术把多个网段级连起来是不同的概念，级连技术必须遵循以太网的基本组网原则，即5-4-3原则,高速以太网,X: 两条链路，分别用于发送/接收 T: 双绞线 C: Coax L/S: long/short LH：long haul ZX: extended range,MLT-3,5类双绞线（100MHz）传输4B5B/NRZI 编码后的125MHz信号衰减大，采用MLT-3（Multi-Level Transmit-3）编码 3种电平:－V、0和+V 无跳变表示0，有跳变表示1 前一位为+V/-V，当前为0 前一位为0，下一位为最近的非0电平的反MLT-3的电平跳变过程是沿着-V、0、+V、0来循环的 每波特携带2个比特的信号，最大基准频率为波特率的1/4 100BASETX采用4B5B/NRZI + MLT-3，信号的能量集中在125/4 ~30MHz以下,。