以太网基本原理

1000BaseSX 多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光
1000BaseLX 单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的激光
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以太网主要应用领域
• 以太网主要应用领域：
– 高速网络设备之间互连 – 城域网中用户接入的手段
汇聚层 核心层
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千兆以太网传输距离
技术标准
1000BaseT
线缆类型
铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对
传输距离
100m 25m 550m/275m 2km-15km
1000BaseCX 铜质屏蔽双绞线
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半双工
• 任一时刻只能接收或发送 • 采用CSMA/CD访问机制 • 物理上有距离限制
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CSMA/CD
共享介质的灵魂－CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）原理： 1、终端设备不停的检测共享线路的状态，只有在空闲的时候才发送数据， 如果线路不空闲则一直等待。 2、发送过程中，若其他设备也同时发送数据，则其发送 的数据必然产生 碰撞，导致线路上的信号不稳定，终端设备检测到这种不稳定之后， 马上停止发送自己的数据，然后再发送一连串干扰脉冲，然后等待一段
D E
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协商原则
运行速率
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双工模式 全双工 半双工
运行速率 100M 10M
双工模式 全双工 半双工
100M 10M
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与没有自协商机制的设备连接
• 不使用自协商机制会出现以下情况：
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以太网的几种类型
• 快速以太网（100Mbit/s）的网络定位：
模型分类 接入层 网络定位
为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入 提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层 的连接，提供高速服务器的连接 提供交换设备间的连接
汇聚层
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核心层
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数据链路层位置和结构
网络层 数据链路层
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LLC子层 MAC子层
物理层
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MAC子层——位置与功能
LLC子层
EthernetMAC
TokenRingMAC
FDDIMAC
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HalfDuplexMAC
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快速以太网传输距离
技术标准
100BaseTX 100BaseT4
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线缆类型
EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对 EIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对 多模光纤（MMF）线缆 单模光纤（SMF）线缆
传输距离
100m 100m 550m-2km 2km-15km

FullDuplexMAC
针对不同的物理介质提供不同的MAC层面来访问。


针对不同的双工模式，Ethernet划分为半双工MAC和全双工MAC。
100BaseFX
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以太网的几种类型
• 千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位：
模型分类 接入层
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网络定位
一般不使用 提供接入层和汇聚层设备间的高速连接 提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心 设备间的高速互联
以太网基本原理
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• 经过该课程后，学员应该掌握以下内容：
– 了解以太网物理层的工作过程 – 掌握以太网端口自协商的原理 – 掌握MAC地址概念和以太网帧数据收发过 程 – 掌握以太网VLAN基本概念 – 掌握802.1Q帧格式和各个字段的含义 – 了解二层组播协议和生成树协议的工作过 程
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……
使用1ms的脉冲来携带自动协商信息。
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自协商基本页信息
0 0 1 0 2 0 3 0 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Message Type Ethernet=00001
Reserved
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第1章 以太网概述
第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播
第2章 以太网物理层
2.1 以太网基本技术 2.1 自动协商机制
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第3章 数据链路层 第4章 以太网交换机
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以太网的几种类型
• 标准以太网（10Mbit/s）的网络定位：
模型分类
网络定位
最终用户和接入层交换机（或HUB）之间的连接
接入层
汇聚层
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通常不使用
通常不使用
核心层
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– 无法实现端口的自动双速配置功能（如10Mbit/s和100Mbit/s） – 无法确定双工工作模式 – 无法确定是否需要流量控制功能
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如果对接时一端采用自协商，另一端采用固定模式会出现什么现象？
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光纤上的自协商
数 据 位 0
数 时 据 钟 位 1
……
约2ms
数 据 位 14
数 时 据 钟 位 15
时 钟
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• 整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成
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编码支持能力
运行速率 双工模式
流量控制
…...
系统加电的时候（建立链路连接 时候），首先检测自动协商标志， 如果允许，则从配置寄存器读出 支持模式标志，编码后通过空闲 脉冲发送出去。发送出去的编码 格式称为基页。 如果接收到对方的基页，则跟自 己发送的基页比较，找出支持能 力的交集，选取最优组合运行。
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10BASE-T半双工 10BASE-T全双工 100BASE-TX半双工 100BASE-TX全双工 100BASE-T4 流控支持
远程故障指示 确认
下一页指示
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自协商信号
约100ns 时 钟 约62.5μs
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参考资料
• • • • IEEE 802.2 IEEE 802.3 IEEE 802.3u IEEE 802.3z
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第1章 以太网概述
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总结与思考
100Mb/s全双工 100Mb/s自协商 10Mb/s自协商
端口2自动协商 端口3自动协商 端口1自动协商 端口5自动协商
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端口4自动协商
10Mb/s半双工
10Mb/s全双工
问题二：以上各个交换机端口工作在什么方式？
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1.1 以太网的起源和设计目标 1.2 以太网的几种类型及应用领域
第5章 以太网VLAN
第6章 千兆以太网
第2章 以太网物理层
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第7章 二层组播
第8章 生成树协议
第3章 数据链路层 第4章 以太网交换机
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起源和设计目标
• 对光纤以太网而言，得出的结论是：
– 链路两端的工作模式必须使用手工配置（速度、双工模式 、流控等），如果光纤两端的配置不同，是不能正确通信 的。
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• 千兆以太网的自协商机制已经实现。
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集线器HUB——I类
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• 最大传输距离：通常由线路质量、信号衰减程度等因素 决定。 • 最小帧长（64字节）：由最大传输距离和冲突检测机制 共同决定。 • 规定最小帧长是为了避免这种情况发生：某站点已经将 一个数据包的最后一个BIT发送完毕，但这个报文的第一 个BIT还没有传送到距离很远的一个站点。而站点认为线 路空闲而发送数据，导致冲突。
• 起源 • 起源于Xerox公司的一个实验网，该网络运行的经验是 Xerox、DEC、Intel 1980年提出的以太网建议的基础。 • 目标
– 简明和成本低 – 寻址灵活：应该有一种机制来确定网络中的一台计算机、全部计算 机或一组计算机－MAC地址。 – 公平高速：各个终端应该公平的享有带宽－CSMA/CD，高速－数 据链路层－无连接，尽力传送-―best－effort‖ – 稳定和低延迟
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101001010111000101001101010101…...
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自协商优先级
优先级顺序
A
工作方式
100BASE-TX全双工
B
C
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100BASE-T4
100BASE-TX 10BASE-T全双工 10BASE-T
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时间之后再进行发送。
缺点：带宽窄，冲突检测机制，传输时间必须大于延迟时间导致物理长度 限制－51.2us的冲突检测窗口，1位在2500m，加上四个中继器的往返时间。 帧长最小字 节数64，刚好512位。
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最小帧长与最大传输距离
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以太网通信的原则： 同一时刻只能有一台主机在发送，但可以有多台主机同时接 收——广播；如果一个以太网报文被完全发送出去则在链路上肯定 不会发生冲突，即理论上不再需要发送第二次。
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全双工物理层
• 同一时刻可以发送和接收，不用预先判断链路的忙闲状 态 • 最大吞吐量达到双倍速率 • 从根本上消除了半双工的物理距离限制
总结与思考
LAN Switch
问题一：图中各PC机安装了10/100M自
适应网卡，交换机支持10/100M自动协
商，HUB为10M ，请问：
HUB

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PCA和交换机之间工作在什么方式？
PCB和HUB之间工作在什么方式？


HUB和交换机之间工作在什么方式？
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第1 章以太网概述 第2 章以太网物理层 第3 章数据链路层
3.1 数据链路层结构
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第5章 以太网VLAN 第6章 千兆以太网 第7章 二层组播
3.2 MAC子层 3.3 LLC子层
第8章 生成树协议
第4 章以太网交换机
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第8章 生成树协议
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以太网物理层标准
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• • • • • • •
10BASE2 10BASE5 10BASE-T 100BASE-TX 100BASE-FX 100BASE-T4 100BASE-T2
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自动协商
双工方式
运行速率
10M
全双工 100M 1000M
半双工
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10G
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自动协商实现基础
16ms
每个大脉冲插入16小脉冲
只能单一种类型的物理接口 内部共享高速总线，使用CSMA/CD方式工作。
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集线器——II类
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可以提供多种类型的物理接口 内部共享高速总线，使用CSMA/CD方式工作。
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