第五章高速网络技术

第五章高速网络技术

5.1 高速以太网

5.1.1 100BASE-T

从10Mbps以太网到100BaseT非常简单，无需对软件和上层协议进行任何修改，无需对网络用户进行任何新的培训。

●采用和10Mbps以太网相同的帧结构。

●以太网帧的最小帧长仍然为64个字节。

●缩短了网络所能覆盖的范围，从原来10Base5的2500米缩短为只有大概200米左右。

●采用相同的媒体访问控制协议CSMA/CD（具有冲突检测的载波侦听多路访问）。100BaseT采用星型拓扑结构。

100BaseT支持多达4种传输介质，包括：100BaseTX、100BaseFX、100BaseT4和100BaseT2。100BaseT支持介质的自动协商。

⏹IEEE 以太网标准/工作组

⏹物理介质选择

●100BaseX 包括100BaseTx和100BaseFx，两结点间使用两条物理链路：一条用来传

输，一条用来接收。

➢100BASE-TX采用2对5类以上UTP或STP

➢100BASE-FX使用1对光纤。

➢100BASE-T4使用4对3类以上UTP，其中3对用于数据传输

➢100BASET2采用2对3类以上UTP，采用PAM5编码来获得100Mbps的速率。

⏹连接接口单元AUI

●10Mbps以太网采用AUI接口来连接介质无关的控制器和介质相关的收发器

➢早期10Base5的设计中，由于电气方面的原因，收发器与同轴电缆在物理上必须连接到一起，这样控制器和收发器之间就必须通过相应的接口连接。

➢物理层协议在收发器中实现，包括信号在传输媒体的收发以及冲突检测功能。

●控制器实现MAC逻辑，采用高集成度数字逻辑实现，完全从物理介质的细节中隔离

出来。

●控制器主要采用数字技术，而收发器包含了模拟部件，两者之间存在一条逻辑分界线。AUI接口中的控制器包括总线接口、缓冲区、MAC逻辑以及曼彻斯特编码解码器➢10BaseT也采用类似于10Base5的设计，采用低效（编码效率只有50％）的曼彻斯特编码。

⏹介质无关接口MII

●100Base-T通过MII（Media Independent Interface）连接控制器和收发器，要求能够支

持10Mbps和100Mbps的收发器，支持多种传输介质，而每种介质各自使用不同的编码方案编码器移到了收发器端。

●MII接口共40针，提供了控制器和收发器之间的接口。

●MII可以驱动一个比较短（最长50米）的屏蔽电缆，这种使得控制器和收发器可以从

物理上分割开来

⏹100BASE-TX

●使用两对屏蔽双绞线STP或者两对五类以上的非屏蔽双绞线，一对用来传输，一对用

来接收。

●100BaseTX限制所连接的双绞线电缆的长度为最多100米。

●MLT-3编码方案：

➢4B/5B中将4位数据一起编码，每4位数据被编成5位信号。

➢4B5B编码确保编码后的比特流不会出现连续多个0的情形。

➢为了获得100Mbps的数据速率，需要125Mbps的信号速率。

➢NRZI采用差分编码，通过跳变来表示1，从而在连续多个1的情况下也有信号的跳变，从而可以进行同步。

➢5类UTP支持的频率范围有限，如果125MHz的信号通过5类UTP传输时会导致信号的大幅衰减。

➢MLT-3的基本思想是：采用3级的信号电平并通过相应的编码方法将传输信号的能量集中在30MHz以下，由此减少了由于干扰而产生的问题。

●MLT-3编码

➢对于每个1都有一次跳变

➢采用3种电平：正电压(+V)、负电压(－V)、零电压(0) 。

➢如果下一个输入位是0，下一位输出值与前面的那一位一样。

➢如果下一个输入位是1，下一位输出值将包含一个跳变。

➢如果前一位的输出是＋V或－V，下一位的输出是0；

➢如果前一位的输出是0，下一位的输出是非0。其符号与最近的那个非0输出的符号相反。

10011110000101110111

+V

-V

●100BaseTx采用MLT-3进行编码的基本步骤：

➢把4B5B/NRZI信号转变回NRZ信号

➢经过扰频技术产生一个更一致的频谱分布

➢避免出现连续多个0或者连续多个1

➢在数据流增加一些随机性

➢扰频一般是通过多项式的除法和乘法运算来实现

➢扰频后的比特流采用MLT-3编码

➢100BASE-FX使用两条光纤。一条用于发送，一条用于接收。

➢100BASE-FX限制媒体的跨段距离（连接的网段中最长的直径）最长可达415米。

➢100BaseFX采用4B/5B- NRZI码编码方案

➢采用了强度调制技术：1用一个光脉冲表示，0用无脉冲或极小强度的光脉冲表示。

⏹集线器/转发器

●通过集线器连接的所有站点处在同一个冲突域中。

●100BASE-T标准定义了两种转发器，用罗马数字表示。

➢I类转发器用于连接不同的物理介质。由于不同物理介质所采用的编码方案的不同，要将一种信号转换成另一种信号，转发器内部的时延相对来说要长一些，

一个冲突域中只能有一个I类转发器。

➢II类转发器只限于单一物理介质类型，无需把信号从一种编码转换为另外一种编码，时延相对要短一些，一个冲突域中可以使用2个II类转发器。

⏹自动协商

●以太网设备具有不同的能力

➢支持多种数据速率

➢支持全双工方式等

●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

➢只用在那些采用非屏蔽双绞线的传输媒体选项中（比如10Base-T、100Base-TX 等）。

●如何在UTP上支持自动协商？

➢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，说明链路出现了故障。

➢自动协商采用了NLP的改进版本来实现，将协商信息嵌入一阵间隔紧密的链路整体脉冲中加以传送来实现自动协商。

●自动协商

➢传统10Base-T中网络空闲时每隔16ms发送100纳秒的NLP（Normal Link Pulse)

➢自动协商中，每隔16ms发送一串由多个持续100纳秒的NLP组成的快速链路脉冲FLP(Fast Link Pulse)，每个FLP包括33个脉冲位：

➢17个奇数位是时钟脉冲，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。

➢传统的10BASE-T接收器或不支持自动协商的设备将FLP当成NLP来处理，从而可以与传统的不支持自动协商的设备兼容

●自动协商是可选的，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。

●DTE和链路的另一端通过互相交换LCW(Link Code Word 链路码字）来告知对方自

身的能力

➢当以太网设备加电、重置或者要求重新协商时，才开始自动协商过程

➢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小能力的媒体选项，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。

●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的具体取值范围，对于IEEE 802.3来说，选择因子取值为00001。