第 7章 局域网实例—以太网• 20 世纪 70 年代初， Xerox 公司 Metcalfe Metcalfe 等发明了第一个实验性以太网。 ...• 80 年代以太网成为开放标准： DDEC, IIntel 和 XXerox 联合发表了 10Mbps 以太网 DIX 标准。• 80 年代后期双绞线以太网 10BASE-T 开发成功。• 90 年代初 100Mbps 以太网开发成功。 1995 年 6 月，百兆位以太网标准 IEEE802.3u 被正式批准。• 1997 年 4 月第 1 块 1000Mbps 以太网接口卡推出，

1998 年 6 月千兆位以太网标准 IEEE802.3z 被批准。

局域网实例—以太网 ( 续 )

• 以太网的基本工作原理• 介质访问控制协议• 十兆位以太网系统和介质• 百兆位以太网系统和介质• 千兆位以太网• 以太网交换技术

以太网的基本工作原理

收发器电缆

粗同轴电缆收发器

终接器以太网接口卡

以太网的基本工作原理• 以太网系统中主机平等竞争在共享信道上传输帧的机会。信道的访问控制协议是“具有冲突检测具有冲突检测的载波侦听多路访问的载波侦听多路访问 CSMA/CDCSMA/CD(CCarrier SSense MMu

ltiple AAccess with CCollision DDetection)” ：-- 大家安静时才能讲话大家安静时才能讲话；-- 每个人有平等机会讲话每个人有平等机会讲话；-- 若发现自己和别人同时讲话则停止讲话若发现自己和别人同时讲话则停止讲话 (( 礼让礼让 )) 。

• 物理介质系统要确保在指定时间内，网上每个 主机都能侦听到全部信息。

介质访问控制协议• 以太网帧 10/100/1000Mbps 以太网中传输的是相同格式的以太网帧。• CSMA/CD规则• 以太网时隙

以太网帧

前导码( 包括 SFD)目标地址 源地址 类型 FCS数据

DIX 以太网帧

8 6 6 2 46 ～ 1500

4 字节

前导码和 SFD 目标地址 源地址 长度 /类型 FCS数据8 6 6 2 46 ～ 150

04 字节

IEEE802.3 以太网帧

以太网帧 ( 续 )

10Mbps 以太网采用曼彻斯特编码：低电平跳变到高电平表示“ 0” ，高电平跳变到低电平表示“ 1” 。前导码前导码是 1 ， 0 交替的码，帧首定界符 SFD 是 10101011 。采用曼彻斯特 曼彻斯特 (Manchester) (Manchester) 编码编码，前导码呈现为周期性方波，是帧同步信号。

0101 0 1 0 1 1 1...

以太网帧 ( 续 )

• 目标地址目标地址 (48 位 ) ：指定本帧发往的主机。- 第 第 1 1 位位为 “ 00” 表示单播地址单播地址，也称物理地址，是以太网上主机的唯一地址。左 24 位是接口卡厂商从 IEEE 获得，右 24 位是厂商分配的；- 第 第 1 1 位位为 “ 11” 表示多播地址多播地址，代表一组主机；- 全“全“ 1”1” 为广播地址广播地址 , 代表本以太网上所有主机。帧字节的传输顺序是从左到右，而每个字节是从低位到高位。所以地址的第一位是按照传输顺序，指最左字节的最低位。

以太网帧 ( 续 )

• 源地址源地址 (48 位 ) ：发出本帧的以太网主机的物理地址。• 数据数据：最少 46 字节，最多 1500 字节，即帧最少 6464 字节字节，最多 15181518 字节字节。• 帧校验序列帧校验序列 FCS FCS (32 位 ) ：其它字段经 C

RC 等计算所得。

以太网帧 ( 续 )

• 长度长度 // 类型 类型 (16 位 ) ：在 DIX 以太网标准中说明高层协议类型，如 0800H 表示帧中封装 IPv4数据报， 0806H 表示封装 ARP 报文。IEEE802.3 标准最初为长度字段，后来增加了类型的用法，现在称长度 / 类型字段：若值 1518D 则表示长度； 若值 1536D(0600H) 则表示高层协议类型。 ( 这里D 表示十进制， H 表示十六进制 )

CSMA/CD 规则主机在发送发送每一帧时，都必须按下列规则 (1) 、 (2)行事 ( 即使主机有多个帧要发，成功发完一帧后，必须与其它主机平等地竞争下一次发送机会 ) ：(1) 载波侦听载波侦听 信道上有信号正在传送，称为“载波”。主机在信道上侦听会发现两种情况：• 若信道忙 ( 有载波 ) ，则必须等待直至载波消失；• 若信道空闲 ( 无载波 ) ，且空闲时间≥帧间间隔，则可开始帧发送。

CSMA/CD 规则 ( 续 )— 截断式二进制指数退避算法

(2) 冲突处理冲突处理 ( 分两步 )• 冲突检测冲突检测：主机在发送中检测到冲突时，发送一个 32 ～ 48 位阻塞信号，强化冲突。目的？• 冲突退避和重发冲突退避和重发：在发送完阻塞信号后，传送中止。主机在等待一段随机时间 (退避 ) 后，再回到第 (1) 步作载波侦听。退避的随机时间是

rr • • 时隙时隙。对第 nn 次重发， rr 是 (0, 2(0, 2kk))之间的一个均匀分布的随机数， k k = min(= min(nn, 10), 10) 。。若重发16 次皆失败，则放弃尝试，向上层报告错误。

CSMA/CD 规则 ( 续 )

帧的接收接收处理：• 区分合法帧和冲突段区分合法帧和冲突段：最小的合法帧是最小的合法帧是 66

44 字节字节，任何小于 64 字节的帧被推断为冲突段，即断帧；• 丢弃冲突段丢弃冲突段。冲突是以太网运作的正常现象，所以，接收到冲突段只丢弃，不报告错误。以太网帧的最小长度为什么规定为以太网帧的最小长度为什么规定为 6464 字节？字节？

以太网时隙 (slot time)

A C B

A C B

A C B

A C B

t

t+-

t+

t+2

1) A 开始发送2) B 开始发送

3) B 检测到冲突4) A 检测到冲突

以太网时隙 ( 续 )

• 为使主机都能检测到冲突，要求一帧的最小发送时间 >22 。按标准 10Mbps 10Mbps 以太网采用中继器连接时，最大长度 2500米，最多经 4 个中继器，规定一帧的最小发送时间为 51.251.2 微秒微秒，即发送 512 位的时间。512512 位时定义为 位时定义为 10Mbps 10Mbps 以太网时隙以太网时隙。

• 512 位＝ 64 字节，所以以太网帧最小长度为 64 字节。

以太网时隙 ( 续 )

时隙与 CSMA/CD 的以下参量密切相关：• 检测一次冲突所需时间，即始发主机从开始发送帧到所有主机检测到冲突所需时间；• 帧的最小长度以及冲突产生的断帧长度；• 冲突退避的时间；• 信道捕获时间。

十兆位以太网系统和介质• 10BASE5• 10BASE2• 10BASE-T• 10BASE-F• 十兆位以太网多段配置和冲突域

10BASE-T

构成 10BASE-T 以太网的设备和部件包括：• 主机的以太网接口卡，带有 10BASE-T 收发器。• 配有 10BASE-T端口的中继式 ( 共享型 )集线器，称为 10BASE-T集线器。• 构造双绞线网段双绞线网段的 10BASE-T 介质部件： - 非屏蔽双绞线电缆； - 8针 RJ- 45 型标准连接器。它最多可连接 4对双绞线， (1, 2) ， (3, 6) ， (4, 5) ， (7, 8) 。 10

BASE-T只用了两对，即 (1, 2) 和 (3, 6) 。

10BASE-T( 续 )

10 Mbps10Mbps

10Mbps 10Mbps10Mbps

集线器 (hub)

在共享型以太网系统，站数为 n ，每个站占用媒体的几率是 1/n ，每个站得到的带宽只能是 10Mbps/n 。

10BASE-T— 信号 针号 信号 1 TD+（发送数据）

2 TD-（发送数据）

3 RD+（接收数据）

6 RD-（接收数据）

10BASE-T ( 续 )

发送接收

1 12 2

3 36 6

主机以太网卡 集线器端口

由于集线器内部信号交叉，主机与集线器“直线”连接。

10BASE-T ( 续 )

• 两个主机直接连接成 10BASE-T 系统时，要采用交叉电缆。• 集线器和集线器连接时要采用交叉电缆，但用集线器的上行链接 (uplink) 口连接上一级集线器时，采用“直线”连接。

1236

1236交叉连接

10BASE-T 集线器集线器功能：• 介质上信号的再生；• 检测冲突。集线器叠堆叠堆技术：一台集线器一般配置一定数量端口数 ( 如 12 ， 24 等 ) ，如不够用需要对集线器端口进行扩展。可以把若干台集线器在物理上叠堆在一起，即将每台集线器母板上的总线连在一起，形成一个总线，任意两个端口之间的传输时延只是一个集线器的时延，而不是 4个集线器的时延。

十兆位以太网多段配置和冲突域• 10Mbps 以太网的任意两个主机间的传输路径最多可由 5 个网段， 4 个中继器组成，其中最多可有 3 个混合网段，这称 5-4-3 规则。• 混合网段是指可以连接两个以上结点的介质段，如同轴电缆网段。连接两个结点的称链路网段，如双绞线网段，光纤链路网段。• 冲突域冲突域是一个 CSMA/CD 网，两个主机同时发送会产生冲突。单网段或通过中继器连接的多网段构成的以太网系统是一个冲突域， 5-4-3 规则是保证 51.251.2 微秒内所有主机都能检测到冲突微秒内所有主机都能检测到冲突。

百兆位以太网系统和介质• 100BASE-TX• 100BASE-FX• 100BASE-T4 ， 100BASE-T2• 百兆位以太网多段配置和冲突域百兆位以太网时隙仍规定为 百兆位以太网时隙仍规定为 512512 位时位时，最小帧长

64 字节，必须缩小冲突域。百兆位以太网冲突域跨度为 200米数量级。• 自动协商及 10M/100Mbps自适应功能： 网卡和集线器端口可自动协商工作模式，包括全双工模式。

千兆位以太网— MAC 层千兆位以太网标准中时隙＝千兆位以太网标准中时隙＝ 40964096 位时位时 (512 字节 ) ，否则冲突域跨度只能 ... 。但最小帧长维最小帧长维持持 6464 字节字节很重要，否则不同速率网段互连时 ... 。 CSMA/CD 必须扩充：• 载波扩展载波扩展 (carrier extension) ：在发送短帧时附加扩展位 (非数据信号 )延长载波信号。• 帧连发帧连发 (frame bursting) ：为改善短帧的传送性能，允许主机连发几帧，直至连发长度限制，其中只第一帧需载波扩展位。连发长度不超过

1500 字节，总长度限制在 3000 字节范围。

千兆位以太网载波扩展前导码和 SFD

目标地址 源地址长度 /类型 FCS数据 扩展位最小帧长度带扩展位的最小帧长度

在不改变 802.3 标准规定最小帧 64 字节的情况下，把帧扩展到 512 字节 (4096 位 ) 。若发送帧小于 512 字节，则在发送帧的后面添加扩展位到 512 字节。

千兆位以太网—物理层• 1000BASE-SX ：短波长，范围 770~ 860nm 。采用 62.5m 多模光纤，双工方式到 275m ，采用 50m 多模光纤，双工方式到 550m 。• 1000BASE-LX ：长波长，范围 1270~1355nm 。采用 62.5m或 50m 多模光纤，双工方式到 5

50m 。采用 10m单模光纤，双工方式到 5km 。• 1000BASE-T ：采用 5 类非屏蔽双绞线，支持设备范围到 100m 。

千兆位以太网配置例1Gbps

switching hub

100/1000Mbps hubs

中 央 服务器

以太网交换技术• 在数据链路层互连以太网段的设备称为网桥或交换式集线器。• 网桥互连的以太网段属于不同的冲突域，但属于一个物理网络。• 透明网桥((transparent bridgetransparent bridge)) ：互连以太网段的网桥技术 (软件运作 )• 交换式集线器((switching hubswitching hub)) ：多端口网桥 ( 使用专用的集成电路 ASICs运作 )

透明网桥所谓透明是指：网桥加电后，自动开始工作，将网段上任何主机发送的帧发给正确的目标主机，不需要任何设置和干预。• 透明网桥的工作原理：通过“自学习”，建立动态路由表，实现桥接任务。

• 生成树((spanning treespanning tree))

透明网桥的工作原理• 网桥查看接收帧的源地址来自学习主机在网络中的位置，并构造路由表。• 对接收的帧，网桥根据目标地址和路由表决定是否转发：

(1) 若帧到达的端口与表中目标地址关联的端口一致，则无需转发；(2) 否则在与目标地址关联的端口上转发。(3) 若目标地址不在路由表中，则向到达端口以外的所有端口广播。

透明网桥的工作原理：例

网桥D1

D2 D3

D7

D8 D9

端口A

端口 B网段 1 网段 2

连接两个以太网段的透明网桥

透明网桥的工作原理：例透明网桥路由表 地址 端口 时钟值 D1 A D7 B D2 A D3 A D8 B D9 B

生成树用一对网桥连接两个网段，就会产生循环：

网桥 A

网桥 B 网桥 C

以太网段1以太网段 2

以太网段 4

以太网段 3

生成树 ( 续 )

• 透明网桥要求网络中任何两个结点之间只存在一条活动路径，即消除网络中可能出现的循环。• 透明网桥使用生成树算法为网络建立一个“活动桥”拓扑，即把网桥端口分成 两种：一种处于“转发”状态；另一种处于 “阻塞”状态，不转发帧。

生成树算法每个网桥有厂商配置的唯一的 ID ( 如 MAC 地址 ) ，每个端口也有唯一的端口 ID 。生成树算法：1. 启动时，每个网桥向其它网桥广播自身的 ID 。网桥只转发比它小的 ID ，最后所有网桥会找到

ID 最小网桥，它为根桥根桥。2. 选定根桥后，所有网桥端口都处于阻塞状态。其它网桥找出它到根桥的最短路径，其连接端其它网桥找出它到根桥的最短路径，其连接端口称为根端口口称为根端口，若有多个，则选端口 ID 最小的。根端口进入转发状态。

生成树算法 ( 续 )

3. 一个网段连接的某网桥的某端口有此网段到根桥的最短路径时，该网桥为此网段的指定桥指定桥，指定桥的该端口称为指定端口，指定端口指定端口进入转发状态。每个网段只设一个指定桥。与根桥连接的网段都以根桥为指定桥。4. 根端口及指定端口以外的所有网桥端口都保持在阻塞状态。

生成树配置的例子

网桥 A(根桥 )

网桥 B

以太网段1

以太网段2

以太网段 3

以太网段 4

网桥 C

指定端口 A1(F)

指定端口 A2(F)

根端口 B1(F)

根端口 C1(F)

指定端口 B2(F)

指定端口 C2(F)

端口 C3(B)

F=转发状态 B= 阻塞状态

生成树配置的例子 ( 续 )

网桥 A

网桥 B 网桥 C

网段 1

网段 2

网段 3网段4

交换式集线器• 集线器＋多路网桥• 交换式集线器的每个端口可连接一个网段，每个都可单独有 10/100Mbps 速率。• 交换式集线器各端口连接的网段是不同的冲突域，它们可以独立、同时运行，每个段不会干扰其它段的局部通信流。只有从一个网段到另一网段的帧由交换式集线器转发。 ...

交换式集线器 ( 续 )

• 交换式集线器桥接的多个局域网段是一个局域网络，多播 /广播帧在全网传播，会出现广播广播风暴风暴。超过广播门槛值的广播包被丢弃。• 交换式集线器允许管理员建立虚拟局域网 VLAVLA

N N (VVirtual LANLAN) ，划分逻辑工作组，控制通信流，便于安全管理。广播帧可被限制在特定的VLAN范围。

• 交换式集线器提供较好的性能 /价格。

交换式集线器 ( 续 )

N10 Mbps10Mbps 10Mbps

Switching hub

VLAN

• VLAN VLAN 即逻辑上的局域网，是一组工作站的集合。它是一个广播域一个广播域。划分 VLAN 即划分广播域，限制了广播和多播流在 VLAN之间传播。• VLAN之间的通信通过路由器。• VLAN 可以灵活组建，成员的加、减、改变可独立于它们在网上的物理位置，降低了网络变动的开销。• 交换器比路由器便宜且快速，采用 VLAN 交换器可以经济地提升带宽，并改进安全性。

VLAN( 续 )

• 静态 VLAN ：用交换器端口或端口集合来定义；• 动态 VLAN ：用端结点的 MAC 地址等来定义。VLAN 类型：• 基于端口 (校园网是基于端口的， 3Com产品 )• 基于MAC 地址• 基于第三层协议，如 IP 地址• 基于 IP 多播 ( 组播 )• 基于策略

VLAN( 续 )

• VLAN 交换器用额外的字段标记帧所属 VLAN 的编号 (frame tagging) 。• VLAN 标记的标准 IEEE802.1QIEEE802.1Q 在 1997 年底推出第一版。但在此之前 IEEE802.10提出为安全目的使用的标记格式，一些公司用它作为 VLAN标记。不同公司的 VLAN产品不一定能互操作。• 老的网桥或交换器不能识别标记，它会丢弃这种帧。 IEEE建议提高交换器之间传递的帧长限制，许多公司允许 1522 字节的帧，不是 1518 。• VLAN 的管理较复杂。