电脑基础知识以太网及桥接技术Word格式.docx

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表目录

表110M以太网的技术参数16

以太网及桥接技术

关键词：

以太网桥接LAN802协议族

摘要：

本文描述了以太网的基本原理和发展过程，以及局域网的互连技术－－桥接技术。

缩略语清单：

缩略语

英文名词

中文含义

IEEE

Instituteofelectricalandelectronicsengineers

电气和电子工程师协会

ITU

InternationalTelecommunicationUnion

国际电信联盟

ITU-T

Telecommunication

Standardization

SectorofITU

国际电信联盟电信标准化分部（原CCITT）

CCITT

InternationalTelegraphandTelephoneConsultiveCommittee

国际电报电话咨询委员会

TIA/EIA

TelecommunicationIndustryAssociation/ElectronicsIndustryAssociation

电信工业联合会/美国电子工业协会

RS

RecommendedStandard

推荐标准

ISO

International　StandardOrganization

国际标准化组织

MAC

MediumAccessControl

媒体接入控制层，是数据链路层的子层。

PHY

PHYsicalsublayer

物理层。

CSMA/CD

CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection

载波监听多路访问/碰撞检测，以太网的技术标准。

PLS

PhysicalSignalingSublayer

物理信令子层，以太网物理层的一个子层。

PMA

PhysicalMediumAttachment（PMA）sublayer

物理媒体接入子层，以太网物理层的一个子层。

AUI

AttachmentUnitinterfaces

连接单元接口，PLS层和PMA层的接口。

MDI

MediaDependentInterface

媒体相关接口，PMA与物理媒体的接口。

PCS

PhysicalCodeSublayer

物理编码子层，100M以太网物理层新增的一个子层。

PMD

PhysicalMediumDependent

物理媒体相关层

SFD

start-of-framedelimiter

帧开始定界符

EFD

end-of-framedelimiter

帧结束定界符

MII

MediaIndependentinterfaces

媒体无关接口

GMII

GigabitMediaIndependentInterface

千兆以太网媒体无关接口

RMII

ReducedMediaIndependentInterface

简化MII接口

SMII

SerialMediaIndependentInterface

串行MII接口。

NRZ

NoneReturnZerocode

不归零码。

NRZI

NoneReturnZeroInvertcode

不归零极性反转码。

MLT

MultLayerType

多层码。

用于100BASE-TX标准中。

RECONCILIATION

调解子层

1.1

概述

1.1.1局域网概述

局域网（LAN）技术用于连接距离较近的计算机，如在单个建筑或类似校园的集中建筑中。

城市区域网（MAN）是基于10－100Km的大范围距离设计的，因此需要增强其可靠性。

但随着通信的发展，从技术上看，局域网和城域网有融合贯通的趋势。

IEEE是电气和电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）的简称，IEEE组织主要负责有关电子和电气产品的各种标准的制定。

IEEE于1980年2月成立了IEEE802委员会，专门研究和指定有关局域网的各种标准。

IEEE802委员会由6个分委员会组成，其编号分别为802.1至802.6，其标准分别称为标准802.1至标准802.6，目前它已增加到12个委员会，这些分委员会的职能如下：

●802.1--高层及其交互工作。

提供高层标准的框架，包括端到端协议、网络互连、网络管理、路由选择、桥接和性能测量。

●802.2--连接链路控制LLC，提供OSI数据链路层的高子层功能，提供LAN、MAC子层与高层协议间的一致接口。

●802.3--以太网规范，定义CSMA/CD标准的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。

●802.4--令牌总线网。

定义令牌传递总线的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。

●802.5--令牌环线网，定义令牌传递环的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。

●802.6--城域网MAN，定义城域网（MAN）的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范（DQDB分布队列双总线）。

●802.7--宽带技术咨询组，为其他分委员会提供宽带网络技术的建议和咨询。

●802.8--光纤技术咨询组，为其他分委员会提供使用有关光纤网络技术的建议和咨询。

●802.9--综合话音/数据局域网（IVDLAN）。

定义综合话音/数据终端访问综合话音/数据局域网（包括IVDLAN、MAN、WAN）的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。

●802.10--可互操作局域网安全标准（SILS）。

定义局域网互连安全机制。

●802.11--无线局域网。

定义自由空间媒体的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。

●802.12--按需优先（100VG-ANYLAN）。

定义使用按需优先访问方法的100Mpbs的以太网标准。

目前，IEEE标准802.1-802.6已成为ISO的国际标准ISO8802-1~8802-6。

他们的组成和作用示意图如下。

图1.IEEE802各分委员会的组成和作用示意图

1.1.2以太网概述

802.3协议族描述了以太网的相关规范，包括：

●802.3：

定义了CSMA/CD标准的媒体访问控制MAC和物理层规范。

●802.3u：

定义100M的以太网技术标准，为802.3的一部分。

●802.3z：

定义1000M的以太网技术标准，为802.3的一部分。

IEEE802.3主要使用了带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD：

CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）。

CSMA/CD与人际间的通话非常相似（即先听再说），假设很多人在聊天，同一时间只允许一个人讲话，协议的处理过程为：

1、载波侦听：

想发送信息包的站要确保现在没有其他节点和站在使用共享介质，所以该站首先要监听信道上的动静（即先听后说）；

2、如果信道在一定时间段内寂静无声（称为帧间缝隙IFG），该站就开始传输（无声则讲）；

3、如果信道一直很忙碌，就一直监视信道，直到出现最小的帧间IFG时段时，该站开始发送它的数据（一等到有空就讲）；

4、冲突检测：

如果两个站或更多的站都在监听和等待发送，然后在信道空时同时决定立即（几乎同时）开始发送数据，此时就发生碰撞。

这一事件会导致冲突，并使双方信息包都受到损坏，因此以太网在传输过程中不断的监听信道，以检测碰撞冲突（边谈边听）；

5、如果一个站在传输期间检测出碰撞冲突，则立即停止该次传输，并向信道发出一个“拥挤”信号，以确保所有其他站也发现该冲突，从而摒弃可能一直在接收的受损的信息包（抛弃废话）；

6、多路存取：

在等待一段时间（后退）后，想发送的站试图进行新的发送。

一种特殊的随机后退算法决定了不同的站在试图再次发送数据前要等待一段时间。

二进制指数后退算法，即检测到n次冲突以后，则在0~2^n个时间片（512Bit时间）之间随机选择一个等待时间，一直等到成功发送为止。

IEEE802.3u定义了100M快速以太网的标准，其采用的协议几乎与10M以太网完全相同，只是速率提高了10倍，传输的介质增加了对光纤的支持。

IEEE802.3z定义了1000M以太网的标准，千兆以太网针对不同的介质定义了不同的标准，如下表所示：

物理层器件

英文说明

1000BASE-X（IEEE802.3z）

1000BASE-SX

Duplexmultimodefibers

千兆双工多模光纤

1000BASE-LX

Duplexsinglemodefibers

千兆双工单模光纤

1000BASE-CX

Twopairsofspecializedbalancedcabling

（千兆）两对特殊平衡线缆

1000BASE-T（IEEE802.3ab）

AdvancedmultilevelsignalingoverfourpairsofCategory5balancedcoppercabling

四对五类平衡铜线走高级多层信号1000BASE-T接口

1.2以太网分层结构

与ISO七层模型对应，以太网对应于七层模型的物理层和数据链路层。

而以太网定义的规范则包括了数据链路层的MAC子层和物理层。

1.2.1以太网物理层

以太网物理层按照速率等级和传输介质来划分，如下所示：

10BASE2:

采用细同轴电缆接口的IEEE802.310Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause10.）

10BASE5:

采用粗同轴电缆接口的IEEE802.310Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause8.）

10BASE-F:

采用光纤电缆接口的IEEE802.310Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause15.）

10BASE-T:

采用电话双绞线的IEEE802.310Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause14.）

100BASE-FX:

采用两个光纤的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clauses24and26.）

100BASE-T:

采用双绞线的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clauses22and28.）

100BASE-T2:

采用两对3类线或更好的平衡线缆的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause32.）

100BASE-T4:

采用四对3、4、5类线非屏蔽双绞线的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause23.）

100BASE-TX:

采用两对5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clauses24and25.）

1000BASE-CX:

1000BASE-X在特制的屏蔽电缆传输的接口规格（参见IEEE802.3Clause39.）

1000BASE-LX:

1000BASE-X采用单模或多模长波激光器的规格（参见IEEE802.3Clause38.）

1000BASE-SX:

1000BASE-X采用多模短波激光器的规格（参见IEEE802.3Clause38.）

1000BASE-T:

采用四对五类平衡电缆的1000Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause40.）

1.2.1.110M以太网物理层的分类

以太网最初的标准是10M的，虽然目前出现了100M和1000M的以太网标准，但10M以太网仍是世界上应用最广泛的局域网。

10M以太网物理层定义了3个标准规格，分别是10Base-5（粗缆）、10Base-2（细缆）和10Base-T（双绞线）。

粗缆和细缆标准的网络拓扑结构是总线型的，10Base-T（双绞线标准）是后期出现的以太网络，其拓扑结构是星型的，由于其组网方便，所以应用十分广泛。

10M的以太网发展到现在已经非常的成熟了。

而100M和1000M以太网技术的出现，又对10M以太网技术产生了一些影响，下面将首先对10M以太网的物理层芯片进行介绍。

1.2.1.210M物理层芯片的分层模型

10M的物理层的模型分为2个层次（PLS和PMA），如下图所示：

图2.10M物理层芯片分层模型

上图是10M以太网的10Base-5（粗缆）、10Base-2（细缆）的物理层的模型，包括PLS和PMA子层。

对于10Base-T（双绞线）的物理层，则没有PMA子层。

PLS层（物理信令子层）的主要功能是对数据进行编码和解码。

对于发送过程，它把从MAC层来的NRZ数据进行曼彻斯特编码，再发送给PMA子层。

对接收过程，它接收从PMA子层上来的曼彻斯特编码数据，从中提取出时钟信号，再将曼彻斯特编码解码为NRZ数据，再发送给MAC层。

另外，它还要检测接收的信号以便确定媒体是否处在连接状态及收发时有没有出现冲突。

PMA层（物理媒体接入子层）只对10Base-5（粗缆）、10Base-2（细缆）的以太网有效，它实际是一个信号收发器（对于粗缆，它是一个外收发器，对于细缆，它是一个内收发器），它的作用是把PLS层来的曼彻斯特编码数据发送到电缆上，并且从电缆上提取出接收信号和冲突信号。

对于10Base-T（双绞线）标准，PLS子层的曼彻斯特编码数据直接收发到双绞线上。

所以不需要PMA子层。

1.2.1.310M物理层芯片的接口

10M物理层芯片与MAC层的接口可以简称为流接口（SI，StreamInterface）。

发送数据信号有：

TXD（发送数据）、TXCLK（发送时钟）、TXEN（发送使能），接收信号有RXD（接收数据）、RXCLK（接收时钟）、CRS（载波和接收数据有效）和COL（冲突指示）。

发送和接收都只有1位数据线，所以发送和接收的时钟频率都是10M。

当TXEN变高有效时，表示MAC层有数据要发送，当CRS变高有效时，表示RXD上出现有效接收数据，如果此时COL变高，表示出现了数据收发冲突，MAC层要进行处理。

其示意图如下：

图3.10M以太网的物理层和MAC层的接口

另外10M物理层芯片还有其它一些接口，如指示灯接口，配置接口等，10M物理层芯片的其它接口，具体可以参考后面100M物理层芯片中的说明。

1.2.1.410M物理层芯片的发展

10M的以太网曾经流行了很长时间，但后来出现了速率更高，性能更好的100M和1000M以太网标准。

100M和1000M以太网的出现同时又对10M的以太网产生了一些影响。

这些影响包括：

1、10M的以太网的MAC层和物理层的接口也可以采用100M的MII接口，有所区别的是其收发时钟是2.5M，而不是100M接口的25M时钟信号。

这种改变的主要原因是在设计10/100M兼容的物理层芯片时可以更好的与MAC层芯片配合，从而减小设计的成本。

2、以前的10M以太网全都是半双工的，现在也出现了全双工的以太网，从半双工到全双工的改变大大地提高了以太网的性能和安全性。

全双工模式也简化了MAC层的协议处理方式（因为不会再有冲突发生了）。

全双工的以太网只出现在10Base-T标准（双绞线标准）中，而不会出现在10Base-5（粗缆标准）、10Base-2（细缆标准）中，因为后两者的传输媒体是单根电缆，数据只能半双工收发，而双绞线标准是使用2对双绞线，数据可以同时收发。

1.2.2100M以太网物理层的工作原理

1.2.2.1100M物理层芯片

100M的物理层芯片相对10M的物理层芯片有许多的不同，而100M的速率是造成这种不同的主要原因，100M物理层芯片和10M物理层芯片的主要不同如下：

1、信号码型不同，100M的信号的码型是MLT-3码型，而10M的信号是曼彻斯特码型；

2、信号时钟不同，100M的信号的时钟是125M，它是由于数据经过4B/5B编码而成的，而10M信号的时钟是20M，这是曼彻斯特编码的时钟；

3、网络类型增加，10M的以太网只有共享式的以太网，发展到100M以太网时，出现了10/100M速率自适应的，支持半双工和全双工的以太网；

4、协商机制不同，10M以太网通过NLP脉冲来判断连接状态，即每隔16个毫秒发出"

滴答"

声，到100M以太网时，发展了一套自协商机制来进行对接；

5、与MAC接口不同，10M时与MAC的接口是单数据线的流接口，100M时又发展了一种新的接口即10/100M的MII接口；

6、分层模型不同，10M的物理层包含PLS和PMA两个子层，而100M的物理层包含PCS、PMA、PMD三个子层；

1.2.2.2100M物理层芯片的分层模型

各个部分介绍如下：

SI：

1M/10M的流接口PLS：

物理信令子层

MII：

10M/100M的媒体无关接口PCS：

物理编码子层

GMII：

1000M的媒体无关接口PMA：

物理媒体接入层

AUI：

1/10M的连接单元接口PMD：

MDI：

1/10/100/1000M媒体相关接口RECONCILIATION：

图4.物理层芯片的模块的分层结构

由上图可以大概了解物理层各个子层的功能及数据收发的过程，更详细的内容可参考相关的文档。

1.2.2.3100M物理层数据的发送和接收过程

100BASE-TX的数据发送过程大致如下：

MAC层形成的数据帧由解调子层（RECONCILIATION）转换成4比特的数据，通过MII接口发送给物理层芯片，解调子层还要形成MII接口控制信号。

物理层的PCS子层将4比特的数据通过4B/5B变换转换成5B的数据。

5B的数据再经过一个并串转换形成125M的串行数据。

串行的NRZ数据再经过扰码（scramble）的异或形成扰码后的NRZ数据，此NRZ数据的还要经过编码器转换成NRZI的码型。

NRZI的码数据在TP-PMD中被转换成MLT-3的码型，然后就可以送到物理媒体（双绞线）上进行发送了，从NRZI变为MLT-3编码的目的主要是为了便于在电缆上传输。

100BASE-TX的数据接收过程与发送过程正好相反，数据信号从双绞线上接收后，经过MLT-3解码，形成NRZI码，并从中提取出时钟信号。

NRZI码再被变换成NRZ码，再经过解扰码恢复原来的数据，此数据经过串并变换后被变换成5比特的数据再经过5B/4B处理，最后发送给MII的接收接口。

由于10M以太网采用曼彻斯特编码，每一比特采用边沿来描述，如图7所示。

上升沿代表1，下降沿代表0，因此在传输过程中接收方很容易恢复出时钟。

而100M以太网如果也采用曼彻斯特编码，则在网线上传送的频率将达到200M，而UTP5的频率特性无法满足要求。

因此在100M以太网上设计了4B/5B变换，并在传输的时候采用MLT-3码或NRZI编码。

1.2.3以太网MAC层

MAC层即媒体接入控制（MediaAccessControl）层，在OSI网络模型中属于第2层即数据链路层（DateLinkLayer）。

MAC层的功能主要有：

●组帧

●寻址.

●控制和维护各种MAC协议

●差错检测与校正,以实现无差错通信

●定义各种媒体访问规则

局域网中的以太网，令牌总线网，令牌环网等都定义了自己的MAC层的操作规程。

1.2.3.1以太网MAC层的技术标准

以太网的MAC层的技术标准是由IEEE802.3定义的。

其标准叫做CSMA/CD标准。

IEEE802.3标准描述基于CSMA/CD标准的物理层和媒体访问控制子层协议标准。

CSMA/CD的中文名字是载波监听多路访问/碰撞检测。

其协议标准以IEEE802.3标准公布。

IEEE802.3的体系结构包括数据链路层和物理层。

设计链路层分为媒体访问控制子层（MAC层）和连接链路控制子层（LLC子层）。

数据链路层的媒体访问控制MAC子层使用CSMA/CD协议。

连接链路控制LLC子层使用IEEE802.2标准。

物理层的介绍见前面。

（1）IEEE802.3的MAC子层的帧格式

以太网上发送的数据是按一定的格式进行的。

并将此数据格式称为帧。

如下图示：

图5.　以太网数据帧结构图

最前面的是帧同步码，7个字节，其功能是使接收器建立比特同步。

编码形式为多个"

1"

或"

0"

交替的二进制序列，最后一比特为"

。

在这种编码形式下，经过曼彻斯特编码后为一周期性方波。

帧首定界符为一字节，其编码形式为“10101011”序列，该字段功能是指示一帧的开始。

目的地址字段为6字节，该字段用来指出帧要发往的工作站。

源地址字段为6字节，该字段的功能是指示发送该帧的工作站地址。

长度/类型指示字段为2字节，用来指示紧随其后的数据字节的长度（如果其值小于等于1518）或类型（如果其值大于1518）。

数据字段是帧要发送的用户数据，该数据由高层提供或接收。

填充字段紧接在数据字段之后，用来对数据进行填充，以保证帧有足够的长度，以适应砰闯检测的需要。

帧校验序列字段处于帧的最后，其长度为32比特，用于校验帧在传送过程中有无差错。

（2）CSMA/CD的媒体访问方法

CSMA/CD媒体访问方法可简单归纳为4步：

第一步：

如果媒体信道空闲，则可进行发送。

第二步：

如果媒体信道有载波（忙），则继续对信道进行监听，一旦发现空闲，便立即进行发送。

第三步：

如果发送过程中检测到砰闯，则停止自己的正常发送，转而发送一短暂的干扰信号，强化碰撞信号，使LAN上所有站都知道出现了碰撞。

第四步：

发送了干扰信号后，避一随机时间，重新尝试发送。

（3）：

IEEE802.3MAC协议的10Mpbs的技术参数

技术参数

数值

时间片（SlotTime）

512bit时间

帧间间隔（Int