局域网技术
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• 提供与传输介质相连的接口
标准以太网的物理传输介质和 连接器
连接器 以太网 传输介质 技术 10Base-5 粗同轴电缆 N型连接器/同轴活 栓 10Base-2 细同轴电缆 BNC T型连接器 传输距离 500M 185M
10Base- 双绞线 T 10Base-F 光纤
RJ45连接器
MT-RJ/SC/LC连接 器
10Mbps与100Mbps速率自动协商功能带来的限制
• 在100BASE-T半双工模式下，它仍然执行 CSMA/CD工作机制，冲突窗口大小是不变 的，由于发送速率提高了10倍，则双绞线长 度的最大长度应减小为10BASE-T时的1/10； • 在100BASE-T全双工模式下，它采取点-点 连接、独占双绞线的工作方式，已不需要受 CSMA/CD机制的限制，因此10BASE-T全双 工模式可以支持更大范围内组网的需求。
100M
2KM/10K M
标准以太网的编码
• 标准以太网采用曼切斯特编码
– 一个时钟周期传输一个bit，在时钟周 期间使用电平翻转来表示bit信息 – 高电平到低电平翻转为“0”，低电平到 高电平翻转为“1” – 时钟频率为10M
0
0
1
1
1
1
0
802.3协议结构与实际 10BASE-5结构的比较
• 实现码流信息与物理信号之间转换
– 万兆介质非相关接口（XGMII）
• 实现介质相关于介质非相关的隔离
– 介质相关接口（MDI）
10Gbps Ethernet • 帧格式与10Mbps、100Mbps和1Gbps Ethernet的帧格式相同； • 保留IEEE 802.3标准对Ethernet最小帧长 度和最大帧长度的规定； • 只工作在全双工方式，不需要使用 CSMA/CD工作机制，传输距离不再受冲 突检测的限制。
• 千兆以太网中采用了两种不同的编码：
– 1000Base-X：8B/10B – 1000Base-T：4D-PAM5
以太网技术 1000Base-X 编码算法 8B/10B 时钟频率 1250M 线对速率 1000M 线对数量 1
1000Base-T
4D-PAM5 125M
250M+250M
4
千兆介质专用接口 GMII的结构
Ethernet协议结构
发送流程与接收流程图
CSMA/CD的结点工作状态图
Ethernet网卡电路结构
Ethernet网卡
Ethernet帧结构的比较
用集线器连接多 个结点的Ethernet
快速以太网
• 快速以太网在标准以太网的基础上 进行了改进，速率得到大幅提升， 并同时兼容了标准以太网技术：
• • • • •
IEEE 802协议结构（1）
IEEE 802协议结构（2）
不同通信负荷的3种局域网实际数据传输速率的比较
二、以太网技术标准
•
标准以太网 快速以太网 千兆以太网 万兆以太网
•
•
•
标准以太网
• 标准以太网是最早的以太网技术标 准，它包含如下成员：
– – – – 10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-F
2 3 6
MDI
MDI/MDI-X
十六进制数0～F对应的4B/5B编码值
数据 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C 4B二进制数 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 5B编码 11110 01001 10100 10101 01010 01011 01110 01111 10010 10011 10110 10111 11010
4 3 2 1
MDI与MDI-X的自协商
• 以太网的标准自协商并不包含MDI和MDI-X的自 协商 • MDI与MDI-X的自协商解决了DTE与DTE之间的 连接线缆交叉问题 • MDI-X相对于MDI进行了引脚的交换，某些DTE 可以支持MDI和MDI-X的自动协商和转换
1 2 3 6 1 2 3 6 1
技术能力级别 技术能力 9 1000BASE-T全双工（消息页信息） 8 1000BASE-T半双工（消息页信息） 7 100BASE-T2全双工（消息页信息） 6 100BASE-TX全双工（基本页信息） 5 100BASE-T2半双工（消息页信息）
100BASE-T4 （基本页信息） 100BASE-TX半双工（基本页信息） 10BASE-T全双工（基本页信息） 10BASE-T半双工（基本页信息）
10Gbps Ethernet对802.3协议的调整
• 10Gb/s Ethernet对帧的修改只是针对封装到OC-192帧 时，它只对物理层的传输过程有效； • 这个封装与拆分OC-192帧的过程，对源节点和目的结 点的MAC层是透明的。
•
MDI-X也是介质非相关接口，也位于物理层和传输介质之间。
– MDI-X实际上是是MDI的一个变种，仅仅在输入输出的引脚上进行 了交换。主要应用于DTE与DTE之间的连接而产生。
以太网的自协商
FLP Bursts
...
...
• 以太网自协商的基础：FLP/NLP • 快速链路脉冲（FLP）
– 快速链路脉冲是一连串的均衡间隔的数据脉 冲，每个脉冲之间间隔为62.5±7μs – 每个快速链路脉冲是一个包含17个时钟脉冲 和16个数据脉冲的脉冲串 – 数据脉冲表示了需要协商的信息参数
– 自协商子层
• 实现不同以太网标准之间的协商匹配
– 介质非相关接口（MII）
• 实现介质相关于介质非相关的隔离
– 介质相关接口（MDI）
Fast Ethernet介质专用接口MII
快速以太网的编码
• 快速以太网不同的技术采用了不同的编码 算法：
以太网技 术 编码算法 时钟频率 100Base-T4 100BaseTX 8B6T 4B/5B 25M 125M 100BaseFX 4B/5B 125M 100Base-T2 PAM5X5 25M
全双工与半双工工作模式
• 如果要实现全双工工作，主机需要通过网卡的 两个通道 ； • 支持全双工模式的Fast Ethernet的拓扑构型一 定是星形 ； • 采取全双工、点-点连接方式的Fast Ethernet的 介质覆盖距离将不受冲突窗口的大小限制 ；
• 支持全双工方式的交换机可以自由混接不同速 率的网卡，并实现不同速率之间的交互。
– 10GBase-X
• 采用WDM技术传输
万兆以太网的实现模型
• 万兆以太网的物理层：
– 物理编码子层（PCS）
• 实现数据编解码
– WAN接口子层（WIS）
• 实现PCS编码信息在SDH/SONET上 传输封装
– 物理介质附属子层（PMA）
• 实现编码组信息和码流信息之间的 转换
– 物理介质相关子层（PMD）
FLP的基本页信息
• FLP的协商页分为基本页和 消息页
– 基本页信息
• S0-S4表示消息类型：始终为 00001 • A0-A7表示DTE所支持的技术能 力
S0 S1 S2 S3 S4
下一页信息指示 成功收到协商页指示 远程故障指示
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 RF Ack NP
以太网技术标准
•
标准以太网 快速以太网 千兆以太网 万兆以太网
•
•
•
千兆以太网
• 千兆以太网在快速以太网的基础上进 行了进一步的发展，其具体的千兆以 太网技术有：
– 1000Base-X
• 1000Base-SX • 1000Base-LX • 1000Base-CX
– 1000Base-T
千兆以太网的实现模型
Gigabit Ethernet
以太网技术标准
•
标准以太网
•
快速以太网 千兆以太网 万兆以太网
•
•
万兆以太网
• 万兆以太网除了在速率上有了进一步提 高，同时还为了兼容广域网的连接而产 生了新的技术应用：
– 10GBase-R
• 专用光纤传输，同千兆以太网
– 10GBase-W
• 采用SDH/SONET作为传输
线对速率
线对数量
33.3M
4
100M
2
100M
1
50MHale Waihona Puke Baidu50M
2
MII、MDI与MDI-X
• • • MII是介质非相关接口的简称，是物理层内部接口 MDI是介质非相关接口的简称，使物理层与传输介质之间的一种接口 MII与MDI是一对相对的概念 – MII提供与介质无关的服务，不同的介质可以使用相同的MII – MDI提供与介质有关的服务，不同的介质具有不同的MDI
第3章
局域网技术
目录
以太网技术的简要回顾 以太网技术标准
无线局域网
以太网交换结构
一、以太网技术的简要回顾
• 在IP网络大家庭中，以太网作为其中的一员工作在链路 层； • 向上提供链路数据传输服务，向下需要物理层作为传输 数据流的基础； • 在以太网链路层，可以进一步划分成如下子层： – LLC子层 – MAC子层 • 在以太网物理层，可以进一步分成如下子层： – PLS – PCS – PMA
标准以太网的实现模型
• 标准以太网的物理层：
– 物理信令子层（PLS）
• 实现MAC子层与PMA子层之间的数据转换和 传输
– 物理介质附属子层（PMA）
• 实现数据在物理介质上的传输转化，同时完 成介质冲突检测等功能
– 附属单元接口（AUI）
• 统一数据输入输出 • 实现物理介质非相关
– 介质相关接口（MDI）
– – – – 100Base-T4 100Base-TX 100Base-FX 100Base-T2
快速以太网的实现模型
• 快速以太网的物理层
– 物理编码子层（PCS）
• 实现数据编解码
– 物理介质附属子层（PMA）
• 实现编码组信息和码流信息之间的转换
– 物理介质相关子层（PMD）
• 实现码流信息与物理信号之间的转换
• 千兆以太网的物理层：
– 物理编码子层（PCS）
• 实现数据编解码
– 物理介质附属子层（PMA）
• 实现编码组信息和码流信息之间的转换
– 物理介质相关子层（PMD）
• 实现码流信息与物理信号之间的转换
– 千兆介质非相关接口（GMII）
• 实现介质相关于介质非相关的隔离
– 介质相关接口（MDI）
千兆以太网的编码
802参考模型与OSI参考模型的对应关系
局域网技术发展的过程
以太网发展简史
• • • • • • • • • 1973年，以太网之父Dr. Robert Metcalfe在Xerox发明了以太网； 1985年，IEEE正式推出标准以太网802.3 10Base-5的标准； 1988年，IEEE正式推出标准以太网802.3a 10Base-2的标准； 1990年，IEEE正式推出标准以太网802.3i 10Base-T的标准； 1993年，IEEE正式推出标准以太网802.3j 10Base-F的标准； 1995年，IEEE正式推出快速以太网802.3u 100Base-T的标准； 1998年，IEEE正式推出千兆以太网802.3z 1000Bas-X的标准； 1999年，IEEE正式推出千兆以太网802.3ab 1000Base-T的标准； 2002年，IEEE正式推出万兆以太网802.3ae标准，包含了 10GBase-R， 10GBase-W和10GBase-X。 2003年， IEEE正式推出标准以太网线供电标准。 2004年，IEEE正式推出万兆以太网803.3ak同轴电缆10G标准。 2006年，IEEE正式推出万兆以太网803.3an10G非屏蔽双绞线铜线标准。 2007年，IEEE802.3ap背板以太网标准通过。 2010年，IEEE802.3ba,40/100G以太网获批。
10Mbps与100Mbps速率自动协商功能
• 自动确定非屏蔽双绞线的远端连接设备使用的 是半双工（CSMA/CD）的10Mbps工作模式， 还是全双工的100Mbps工作模式； • 向其它结点发布远端连接设备的工作模式； • 与远端连接设备交换工作模式相关参数，协调 和确定双方的工作模式；
• 自动协商功能自动选择共有的最高性能的工作 模式。
Technology Ability Field
保留 全双工非对称流控指示 全双工流控能力指示 100BASE-T4
Selector Field
10BASE-T半双工 10BASE-T全双工 100BASE-TX半双工 100BASE-TX 全双工
技术能力优先级
• 在以太网自协商中，需要根据技术能力的优先级确 定最终选择哪个技术能力与对方匹配，其技术能力 级别如下：
标准以太网的物理传输介质和 连接器
连接器 以太网 传输介质 技术 10Base-5 粗同轴电缆 N型连接器/同轴活 栓 10Base-2 细同轴电缆 BNC T型连接器 传输距离 500M 185M
10Base- 双绞线 T 10Base-F 光纤
RJ45连接器
MT-RJ/SC/LC连接 器
10Mbps与100Mbps速率自动协商功能带来的限制
• 在100BASE-T半双工模式下，它仍然执行 CSMA/CD工作机制，冲突窗口大小是不变 的，由于发送速率提高了10倍，则双绞线长 度的最大长度应减小为10BASE-T时的1/10； • 在100BASE-T全双工模式下，它采取点-点 连接、独占双绞线的工作方式，已不需要受 CSMA/CD机制的限制，因此10BASE-T全双 工模式可以支持更大范围内组网的需求。
100M
2KM/10K M
标准以太网的编码
• 标准以太网采用曼切斯特编码
– 一个时钟周期传输一个bit，在时钟周 期间使用电平翻转来表示bit信息 – 高电平到低电平翻转为“0”，低电平到 高电平翻转为“1” – 时钟频率为10M
0
0
1
1
1
1
0
802.3协议结构与实际 10BASE-5结构的比较
• 实现码流信息与物理信号之间转换
– 万兆介质非相关接口（XGMII）
• 实现介质相关于介质非相关的隔离
– 介质相关接口（MDI）
10Gbps Ethernet • 帧格式与10Mbps、100Mbps和1Gbps Ethernet的帧格式相同； • 保留IEEE 802.3标准对Ethernet最小帧长 度和最大帧长度的规定； • 只工作在全双工方式，不需要使用 CSMA/CD工作机制，传输距离不再受冲 突检测的限制。
• 千兆以太网中采用了两种不同的编码：
– 1000Base-X：8B/10B – 1000Base-T：4D-PAM5
以太网技术 1000Base-X 编码算法 8B/10B 时钟频率 1250M 线对速率 1000M 线对数量 1
1000Base-T
4D-PAM5 125M
250M+250M
4
千兆介质专用接口 GMII的结构
Ethernet协议结构
发送流程与接收流程图
CSMA/CD的结点工作状态图
Ethernet网卡电路结构
Ethernet网卡
Ethernet帧结构的比较
用集线器连接多 个结点的Ethernet
快速以太网
• 快速以太网在标准以太网的基础上 进行了改进，速率得到大幅提升， 并同时兼容了标准以太网技术：
• • • • •
IEEE 802协议结构（1）
IEEE 802协议结构（2）
不同通信负荷的3种局域网实际数据传输速率的比较
二、以太网技术标准
•
标准以太网 快速以太网 千兆以太网 万兆以太网
•
•
•
标准以太网
• 标准以太网是最早的以太网技术标 准，它包含如下成员：
– – – – 10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-F
2 3 6
MDI
MDI/MDI-X
十六进制数0～F对应的4B/5B编码值
数据 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C 4B二进制数 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 5B编码 11110 01001 10100 10101 01010 01011 01110 01111 10010 10011 10110 10111 11010
4 3 2 1
MDI与MDI-X的自协商
• 以太网的标准自协商并不包含MDI和MDI-X的自 协商 • MDI与MDI-X的自协商解决了DTE与DTE之间的 连接线缆交叉问题 • MDI-X相对于MDI进行了引脚的交换，某些DTE 可以支持MDI和MDI-X的自动协商和转换
1 2 3 6 1 2 3 6 1
技术能力级别 技术能力 9 1000BASE-T全双工（消息页信息） 8 1000BASE-T半双工（消息页信息） 7 100BASE-T2全双工（消息页信息） 6 100BASE-TX全双工（基本页信息） 5 100BASE-T2半双工（消息页信息）
100BASE-T4 （基本页信息） 100BASE-TX半双工（基本页信息） 10BASE-T全双工（基本页信息） 10BASE-T半双工（基本页信息）
10Gbps Ethernet对802.3协议的调整
• 10Gb/s Ethernet对帧的修改只是针对封装到OC-192帧 时，它只对物理层的传输过程有效； • 这个封装与拆分OC-192帧的过程，对源节点和目的结 点的MAC层是透明的。
•
MDI-X也是介质非相关接口，也位于物理层和传输介质之间。
– MDI-X实际上是是MDI的一个变种，仅仅在输入输出的引脚上进行 了交换。主要应用于DTE与DTE之间的连接而产生。
以太网的自协商
FLP Bursts
...
...
• 以太网自协商的基础：FLP/NLP • 快速链路脉冲（FLP）
– 快速链路脉冲是一连串的均衡间隔的数据脉 冲，每个脉冲之间间隔为62.5±7μs – 每个快速链路脉冲是一个包含17个时钟脉冲 和16个数据脉冲的脉冲串 – 数据脉冲表示了需要协商的信息参数
– 自协商子层
• 实现不同以太网标准之间的协商匹配
– 介质非相关接口（MII）
• 实现介质相关于介质非相关的隔离
– 介质相关接口（MDI）
Fast Ethernet介质专用接口MII
快速以太网的编码
• 快速以太网不同的技术采用了不同的编码 算法：
以太网技 术 编码算法 时钟频率 100Base-T4 100BaseTX 8B6T 4B/5B 25M 125M 100BaseFX 4B/5B 125M 100Base-T2 PAM5X5 25M
全双工与半双工工作模式
• 如果要实现全双工工作，主机需要通过网卡的 两个通道 ； • 支持全双工模式的Fast Ethernet的拓扑构型一 定是星形 ； • 采取全双工、点-点连接方式的Fast Ethernet的 介质覆盖距离将不受冲突窗口的大小限制 ；
• 支持全双工方式的交换机可以自由混接不同速 率的网卡，并实现不同速率之间的交互。
– 10GBase-X
• 采用WDM技术传输
万兆以太网的实现模型
• 万兆以太网的物理层：
– 物理编码子层（PCS）
• 实现数据编解码
– WAN接口子层（WIS）
• 实现PCS编码信息在SDH/SONET上 传输封装
– 物理介质附属子层（PMA）
• 实现编码组信息和码流信息之间的 转换
– 物理介质相关子层（PMD）
FLP的基本页信息
• FLP的协商页分为基本页和 消息页
– 基本页信息
• S0-S4表示消息类型：始终为 00001 • A0-A7表示DTE所支持的技术能 力
S0 S1 S2 S3 S4
下一页信息指示 成功收到协商页指示 远程故障指示
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 RF Ack NP
以太网技术标准
•
标准以太网 快速以太网 千兆以太网 万兆以太网
•
•
•
千兆以太网
• 千兆以太网在快速以太网的基础上进 行了进一步的发展，其具体的千兆以 太网技术有：
– 1000Base-X
• 1000Base-SX • 1000Base-LX • 1000Base-CX
– 1000Base-T
千兆以太网的实现模型
Gigabit Ethernet
以太网技术标准
•
标准以太网
•
快速以太网 千兆以太网 万兆以太网
•
•
万兆以太网
• 万兆以太网除了在速率上有了进一步提 高，同时还为了兼容广域网的连接而产 生了新的技术应用：
– 10GBase-R
• 专用光纤传输，同千兆以太网
– 10GBase-W
• 采用SDH/SONET作为传输
线对速率
线对数量
33.3M
4
100M
2
100M
1
50MHale Waihona Puke Baidu50M
2
MII、MDI与MDI-X
• • • MII是介质非相关接口的简称，是物理层内部接口 MDI是介质非相关接口的简称，使物理层与传输介质之间的一种接口 MII与MDI是一对相对的概念 – MII提供与介质无关的服务，不同的介质可以使用相同的MII – MDI提供与介质有关的服务，不同的介质具有不同的MDI
第3章
局域网技术
目录
以太网技术的简要回顾 以太网技术标准
无线局域网
以太网交换结构
一、以太网技术的简要回顾
• 在IP网络大家庭中，以太网作为其中的一员工作在链路 层； • 向上提供链路数据传输服务，向下需要物理层作为传输 数据流的基础； • 在以太网链路层，可以进一步划分成如下子层： – LLC子层 – MAC子层 • 在以太网物理层，可以进一步分成如下子层： – PLS – PCS – PMA
标准以太网的实现模型
• 标准以太网的物理层：
– 物理信令子层（PLS）
• 实现MAC子层与PMA子层之间的数据转换和 传输
– 物理介质附属子层（PMA）
• 实现数据在物理介质上的传输转化，同时完 成介质冲突检测等功能
– 附属单元接口（AUI）
• 统一数据输入输出 • 实现物理介质非相关
– 介质相关接口（MDI）
– – – – 100Base-T4 100Base-TX 100Base-FX 100Base-T2
快速以太网的实现模型
• 快速以太网的物理层
– 物理编码子层（PCS）
• 实现数据编解码
– 物理介质附属子层（PMA）
• 实现编码组信息和码流信息之间的转换
– 物理介质相关子层（PMD）
• 实现码流信息与物理信号之间的转换
• 千兆以太网的物理层：
– 物理编码子层（PCS）
• 实现数据编解码
– 物理介质附属子层（PMA）
• 实现编码组信息和码流信息之间的转换
– 物理介质相关子层（PMD）
• 实现码流信息与物理信号之间的转换
– 千兆介质非相关接口（GMII）
• 实现介质相关于介质非相关的隔离
– 介质相关接口（MDI）
千兆以太网的编码
802参考模型与OSI参考模型的对应关系
局域网技术发展的过程
以太网发展简史
• • • • • • • • • 1973年，以太网之父Dr. Robert Metcalfe在Xerox发明了以太网； 1985年，IEEE正式推出标准以太网802.3 10Base-5的标准； 1988年，IEEE正式推出标准以太网802.3a 10Base-2的标准； 1990年，IEEE正式推出标准以太网802.3i 10Base-T的标准； 1993年，IEEE正式推出标准以太网802.3j 10Base-F的标准； 1995年，IEEE正式推出快速以太网802.3u 100Base-T的标准； 1998年，IEEE正式推出千兆以太网802.3z 1000Bas-X的标准； 1999年，IEEE正式推出千兆以太网802.3ab 1000Base-T的标准； 2002年，IEEE正式推出万兆以太网802.3ae标准，包含了 10GBase-R， 10GBase-W和10GBase-X。 2003年， IEEE正式推出标准以太网线供电标准。 2004年，IEEE正式推出万兆以太网803.3ak同轴电缆10G标准。 2006年，IEEE正式推出万兆以太网803.3an10G非屏蔽双绞线铜线标准。 2007年，IEEE802.3ap背板以太网标准通过。 2010年，IEEE802.3ba,40/100G以太网获批。
10Mbps与100Mbps速率自动协商功能
• 自动确定非屏蔽双绞线的远端连接设备使用的 是半双工（CSMA/CD）的10Mbps工作模式， 还是全双工的100Mbps工作模式； • 向其它结点发布远端连接设备的工作模式； • 与远端连接设备交换工作模式相关参数，协调 和确定双方的工作模式；
• 自动协商功能自动选择共有的最高性能的工作 模式。
Technology Ability Field
保留 全双工非对称流控指示 全双工流控能力指示 100BASE-T4
Selector Field
10BASE-T半双工 10BASE-T全双工 100BASE-TX半双工 100BASE-TX 全双工
技术能力优先级
• 在以太网自协商中，需要根据技术能力的优先级确 定最终选择哪个技术能力与对方匹配，其技术能力 级别如下：