第 13 章 有线局域网 : 以太网 13.1 Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
13-1 IEEE 标准 1985 年, 计算机团体 IEEE( 电器与电子工程师学会 ) 开始了一个项目, 称为项目 802, 以设定标准使得不同制造商生产的设备之间能相互通信 项目 802 并不旨在代替 OSI 或者英特网模式 相反, 它说明了大多数局域网协议的物理层和数据链路层的功能 本节重点讨论的话题 : 数据链路层物理层 13.2
13.3 图 13.1 局域网的 IEEE 标准
13.4 图 13.2 HDLC 帧与 LLC 和 MAC 帧的比较
13-2 标准以太网 最初的以太网是由施乐公司的 Palo Alto 研究中心 (PARC) 创建的 自此之后, 它经历了四代的发展 我们将简单介绍标准 ( 或传统 ) 以太网 本节重点讨论的话题 : MAC 子层物理层 13.5
13.6 图 13.3 以太网的四代发展
13.7 图 13.4 802.3 的 MAC 帧
13.8 Figure 13.5 最小长度和最大长度
注意 帧的长度 : 最小值 : 64 bytes (512 bits) 最大值 : 1518 bytes (12,144 bits) 13.9
13.10 图 13.6 用十六进制表示法表示的以太网地址的一个示例
图 13.7 单播地址和多播地址 单播地址, 组播地址 : 13.11
注意 第一个字节的最低位决定了地址的类型 如果该位是 0, 地址是单播地址, 否则便是多播地址 13.12
注意 广播目的地址是多播地址的一个特例, 它的所有位都是 1 13.13
第 1 字节 第 6 字节 十六进制表示的 EUI-48 地址 : AC-DE-48-00-00-80 二进制表示的 EUI-48 地址 : 机构唯一标志符 OUI 扩展标志符 802.5 802.6 字节顺序第 1 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 高位在前 10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000 最高位最先发送 最低位 I/G 比特 最高位最低位最后发送 802.3 802.4 I/G 比特 字节顺序第 1 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 低位在前 00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001 最低位最先发送 最高位 最低位最高位最后发送
例 13.1 确定下列目的 MAC 地址的类型 : a. 4A:30:10:21:10:1A b. 47:20:1B:2E:08:EE c. FF:FF:FF:FF:FF:FF 解为了知道地址的类型, 我们必须看左边第二个十六进制数字 如果是偶数, 那么地址是单播地址 如果是奇数, 那么地址是多播地址 如果所有的数字都是 F, 那么地址是广播地址 因此, 我们得到以下答案 : a. 单播地址,(A) 16 =( 1010 ) 2 b. 组播地址,(7) 16 =( 0111 ) 2 c. 广播地址 13.15
例 13.2 写出 MAC 地址 47:20:1B:2E:08:EE 在线路上的发送次序 解地址被一个字节一个字节地从左向右发送, 每个字节是一位一位地从右向左发送的, 如下所示 13.16
13.17 时隙和冲突 时隙 = 往返时间 + 发送干扰序列所需要的时间 对于 10Mbps 的网络是 51.2μs, 原因与最短帧长有关 时隙与最大网络长度有关 最大网络长度 = 传播速度 ( 时隙 /2), 最大网络长度 =2 10 8 (51.2 10-6 /2) = 5120 m 考虑到中继器和接口的延迟, 以及发送干扰序列所需的时间, 减少到 2500m
以太网的最大作用距离 500 m 50 m 转发器转发器 网段 1 转发器 750 m 转发器 50 m 500 m 网段 3 500 m 50 m 250 m 网段 2
帧间最小间隔 帧间最小间隔为 9.6 s, 相当于 96 bit 的发送时间 一个站在检测到总线开始空闲后, 还要等待 9.6 s 才能再次发送数据 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理, 做好接收下一帧的准备
两种不同的 MAC 帧格式 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准 : DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式
这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用 IP 数据报 IP 层 当长度 / 类型字段表示长度时 字节 1 1 1 802.2 LLC 帧 DSAP SSAP 控制数据 LLC 子层 802.3 MAC 帧 字节 6 6 2 1 1 1 43 ~ 1497 4 目的地址源地址长度 / 类型 DSAP SSAP 控制数据 FCS MAC 子层 以太网 V2 MAC 帧 IP 数据报 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 插入 8 字节 MAC 帧 物理层 7 字节 1 字节 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始定界符
以太网 V2 的 MAC 帧格式 目的地址字段 6 字节 IP 数据报 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 MAC 帧 物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式 源地址字段 6 字节 IP 数据报 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 MAC 帧 物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议, 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议 类型字段 2 字节 IP 数据报 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 MAC 帧 物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小 数据字段 46 ~ 1500 字节 IP 数据报 IP 层 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS MAC 层 MAC 帧 物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式 当传输媒体的误码率为 1 10 8 时, MAC 子层可使未检测到的差错小于 1 10 14 FCS 字段 4 字节 IP 数据报 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 MAC 帧 物理层 当数据字段的长度小于 46 字节时, 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段, 以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节
以太网 V2 的 MAC 帧格式 在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节, 是前同步码, 用来迅速实现 MAC 帧的比特同步 第二个字段是帧开始定界符, 表示后面的信息就是 MAC 帧 IP 数据报 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 插入 8 字节 MAC 帧 物理层 7 字节 1 字节 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始定界符 为了达到比特同步, 在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节
无效的 MAC 帧 数据字段的长度与长度字段的值不一致 ; 帧的长度不是整数个字节 ; 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错 ; 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃 以太网不负责重传丢弃的帧
13.29 图 13.8 标准以太网的分类
13.30 图 13.9 标准以太网实现中的编码
13.31 图 13.10 10Base5: 粗缆以太网
13.32 图 13.11 10Base2: 细缆以太网
图 13.12 10Base-T: 双绞线以太网 最大长度为 100m 13.33
13.34 图 13.13 10Base-F: 光纤以太网
13.35 表 13.1 标准以太网实现的总结
以太网的信道利用率 ( 补充 ) 我们假定 : 总线上共有 N 个站, 每个站发送帧的概率都是 p 争用期长度为 2, 即端到端传播时延的两倍 检测到碰撞后不发送干扰信号 帧长为 L (bit), 数据发送速率为 C (b/s), 因而帧的发送时间为 L/C = T 0 (s)
以太网的信道利用率 ( 补充 ) 一个帧从开始发送, 经碰撞后再重传数次, 到发送成功且信道转为空闲 ( 即再经过时间 使得信道上无信号在传播 ) 时为止, 共需平均时间为 T av 争用期的平均个数 N R 占用期 争用期争用期 争用期 发送成功 2 τ 2 τ 2 τ T 0 τ t 发送一帧所需的平均时间 T av
以太网的信道利用率 ( 续 ) 令 A 为某个站发送成功的概率, 则 A = P[ 某个站发送成功 ] = Np(1 p) N 1 (4-1) 显然, 某个站发送失败的概率为 1 A 因此, P[ 争用期为 j 个 ] = P[ 发送 j 次失败但下一次成功 ] = (1 A) j A (4-2) 争用期的平均个数等于帧重发的次数 N R : j N R j( 1 A) A ( 1 A) / A j 0 (4-3)
以太网的信道利用率 ( 续 ) 求出以太网的信道利用率 ( 它又称为归一化吞吐量 ) 为 : S T T 0 av 2 N R T 0 T 0 1 1 a(2a 1 1) (4-4) 这里 a T 0 (4-5) 参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比
最大信道利用率 若设法使 A 为最大, 则可获得最大的信道利用率 将 (4-4) 式对 p 求极大值, 得出当 p = 1/N 时可使 A 等于其极大值 A max : N 1 1 Amax 1 (4-6) N 当 N 时,A max = 1/e 0.368
信道利用率的最大值 S max 将 (4-6) 式中的 A max 值代入 (4-4) 式, 即得出信道利用率的最大值 S max 取 A = A max = e 1 0.368 时,(4-4) 式可简化为 : 1 Smax 1 4.44a N (4-7) 若 a 0, 则信道利用率的最大值可达到 100%
a > 1 时的信道利用情况 (a = 4) t = T 0 A t = 2T 0 A t = 3T 0 A t = 4T 0 A t = 5T 0 A B B B B B 参数 a = 4 使得信道利用率很低
参数 a 可以很容易地和 时延带宽积联系起来 考虑到 T 0 是帧长 L 与数据的发送速率 C 之比, 于是参数 a 可写为 : a T 0 L / C C L (4-9) 式的分子正是时延带宽积, 或以比特为单位的信道长度, 而分母是以比特为单位的帧长 (4-9)
a = 0.01 时的信道利用情况 t = 0.5 t = A A B B t = 100 t = 100.5 A A B B 参数 a = 0.01 使得信道利用率很高
13-3 标准的变化 10 Mbps 标准以太网在运行更高的传输速率之前已经经历了一些变化 这些变化事实上为以太网的发展开辟了一条新路, 使得与其它高传输速率的局域网相比, 以太网变得更有竞争力 本节重点讨论的话题 : 桥接以太网交换式以太网全双工以太网 13.45
13.46 图 13.14 带宽共享
13.47 图 13.15 一个带有网桥的网络和不带网桥的网络
13.48 图 13.16 一个带有网桥和不带有网桥网络的冲突域
13.49 图 13.17 交换式以太网
图 13.18 全双工交换式以太网 13.50 1. 10base5 和 10base2 是半双工的,10baseT 始终是全双工的 2. 全双工模式是将每一个域的能力从 10M 提高到 20M 3. 不需要 CSMA/CD, 站点和交换机之间是专用链路, 不再需要载波检测, 不需要冲突检测 4. MAC 子层的载波检测和冲突检测就不需要了 5. 标准以太网的 MAC 子层是无连接的, 因此也没有显式的流控和差错控制 ; 接收方收到帧之后, 也不必发送肯定或者否定的确认 6. 为了在全双工以太网中提供流量控制和差错控制, 增加了 LLC 子层
13-4 快速以太网 设计快速以太网是为了与诸如 FDDI 或光纤通道等的局域网协议相竞争 IEEE 在名为 802.3u 下创造了快速以太网 快速以太网是标准以太网的后向兼容, 但是他的传输速度是 100Mbps, 快了 10 倍 本节重点讨论的话题 : MAC 子层物理层 13.51
13.52 图 13.19 快速以太网拓扑
13.53 图 13.20 快速以太网的实现
13.54 图 13.21 快速以太网实现的编码
13.55 表 13.2 快速以太网实现的总结
13-5 千兆以太网 对传输速度更高的需求使得千兆以太网 ( 1000 Mbps) 应运而生 IEEE 委员会称之为标准 802.3z. 本节重点讨论的话题 : MAC 子层物理层 10 千兆以太网 13.56
注意 在千兆以太网的全双工模式中, 不存在冲突 ; 电缆长度的最大值取决于电缆中信号的衰减程度 13.57
13.58 图 13.22 千兆以太网的拓扑结构
13.59 图 13.23 千兆以太网的实现
13.60 图 13.24 千兆以太网实现中的编码
13.61 表 13.3 千兆以太网实现的总结
13.62 表 13.4 10 千兆以太网实现的总结
作业 : P280 页 13,15,17,19 13.63