以太网标准和物理层及数据链路层专题Word文件下载.docx

1、2.3CSMA/CD 算法 262.3.1CSMA/CD 发送过程 272.3.2CSMA/CD 如何接收 282.4半双工以太网的限制 312.5以太网流量控制 342.5.1反压（Backpressure ） 342.5.2PAUSE 流控 34关键词：摘 要：缩略语清单：参考资料清单以太网物理层数据链路局域网城域网协议标准祯结构本文详细地阐述了以太网的标准，以太网在各个传输层面的具体结构和工作方式以及控制方式。无。1以太网标准1.1以太网标准局域网（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

2、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。1.2IEEE 标准IEEE 是电气和电子工程师协会（ Institute of Electrical and ElectronicsEngineers ）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 IEEE 802委员会，专门研究和指定有关 局域网的各种标准。IEEE 802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

3、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）。

4、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（IVD LAN ）。定义综合话音/数据终端访问综合 话音/数据局域网（包括IVD LAN、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802.12-按需优先（100VG-ANYLAN ）。定义使用按需优先访问方法的 lOOMpbs 的以太网

5、标准。目前，IEEE标准802.1-802.6 已成为ISO的国际标准ISO8802-18802-6 。他们的组成和作用示意图如图 1-1 。802.2LLC 控制802.1桥路转换802.7宽带标准802.8光纤标准图1-1 IEEE 802各分委员会的组成和作用示意图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 （

6、CSMA/CD :Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection） 。 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。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

7、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02M个时间片（512Bit

8、 时间）之间随机选择一个等待时间，一直等到成功发送为止。IEEE 802.3U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。千兆以太网针对不同的介质定义的不同标准物理层器件英文说明中文含义1000BASE-X （IEEE 802.3Z）1000BASE-SXDuplex multimode fibers千兆双工多模光纤1000BASE-LXDuplex single mode fibers千兆双工单模光纤

9、1000BASE-CXTwo pairs of specialized balanced cabling（千兆）两对特殊平衡线缆1000BASE-T （ IEEE 802.3ab）Advanced multilevel signaling over four pairs of Category 5 balanced copper cabling四对五类平衡铜线走高级多层信号1000BASE-T 接口以太网的分层模型如图所示:图1-2以太网模型PMD子层的功能是在 PMA子层和介质之间交换串行化的 8B/10B符号代码位，PMD子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。如 光纤和铜

10、线媒体进行的 1000BASE-X物理层信号。PMA为PCS层提供媒体无关的连接方式，支持采用串行码流物理媒体。PCS层提供所有GMII服务，还包括：和下层PMA通信的GMII八位数据到（从）十位码群（8B/10B ）的编解码功 能；通过PHY层的半双工服务，提供载波侦听和碰撞检测信号；当PHY准备工作时，通过 GMII管理自动协商过程和通知管理实体。PLS子层只在10M以太网上使用，现在很少使用，这里不在描述。以太网物 理层1.3物理层1.3.1以太网接口类型以太网接口常用有双绞线接口（俗称电口）和光纤接口（俗称光口） 2种。另外还有早期的同轴电缆接口。F面是常用以太网接口的代号:10BAS

11、E2: 采用细同轴电缆接口的 IEEE 802.3 10Mb/s 物理层规格 （参见IEEE 802.3 Clause 10.）10BASE5: 采用粗同轴电缆接口的 IEEE 802.3 10Mb/s 物理层规格 （参见IEEE 802.3 Clause 8.）10BASE-F:采用光纤电缆接口的IEEE 802.3 10Mb/s 物理层规格 （参见IEEE 802.3 Clause 15.）10BASE-T:采用电话双绞线的IEEE 802.3 10Mb/s 物理层规格 （参见IEEE 802.3 Clause 14.）100BASE-FX: 采用两个光纤的 IEEE 802.3 100M

12、b/s 物理层规格 （参见 IEEE 802.3 Clauses 24 and 26.）100BASE-T2: 采用两对3类线或更好的平衡线缆的 IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格 （参见IEEE 802.3Clause 32.）100BASE-T4: 采用四对3、4、5类线非屏蔽双绞线的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格（参见IEEE 802.3Clause 23.）100BASE-TX: 采用两对5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的 IEEE 802.3 100 Mb/s 物理层规格（参见IEEE802.3 Clauses 24 and 25.）1000BASE-

13、CX: 1000BASE-X 在特制的屏蔽电缆传输的接口规格 （参见IEEE 802.3 Clause 39.）1000BASE-LX: 1000BASE-X 采用单模或多模长波激光器的规格 （参见IEEE 802.3 Clause 38.）1000BASE-SX: 1000BASE-X 采用多模短波激光器的规格 （参见IEEE 802.3 Clause 38.）1000BASE-T: 采用四对五类平衡电缆的 1000 Mb/s 物理层规格 （参见IEEE 802.3 Clause 40.）1.3.2电口电口传输距离标准为 100m，电口采用RJ 45接口。这是一种习惯的叫法， 实际上RJ45

14、只是一种接线方式，此处沿用习惯的叫法。 RJ-45插座可以分为屏蔽式和非屏蔽式、 直插式和侧插式、带LED灯和不带LED灯，有单端口、两端口、单排四端口、单排6端口、单排8端口、双排8端口、双排12端口、 双排16端口等，有8PIN、6PIN和4PIN。图3所示是常用的屏蔽式、侧插、 带LED指示灯、单排四端口的 RJ-45插座。其中LED指示灯是绿色和黄色， 按公司规范可以分别表示 LINK （链路完整）和 ACT （有收发活动）等。与RJ 45插座相对应的是 RJ 45插头，如图4所示,图1-4 RJ 45插头10/100M以太网时，其中2根表示1对发送数据，另2根表示1对接收数据， 剩下

15、4根保留（100BASE-T4 使用4对线，是为3类线设计的）；在1000M 以太网时，1000BASE-T使用的是4对双绞线，每一对线都作双向数据传输， 因为目前应用很少，这里不做介绍。下面只介绍 FE的网线。我们常用的网线有两种：不带交叉网线和带交叉网线。 平时所说的网线名称与802.3标准中所说的网线名称容易混淆。标准中的直连网线（Straight Through Cable ）不带交叉，针脚定义如下表所 示。主要用于交换机或集线器与工作站或 PC机的网卡之间连接的以太网双绞 线电缆。不能直接连接两台 PC机的网卡。直连网线针脚定义插头1针脚插头2针脚 信号芯线颜色备注1发送white-

16、orange双绞线2orange3接收 Iwhite-green6green4双向blue5white-blue7white-brown8brown标准中交叉网线（Cross Over Cable ）的连线为交叉方式，如下表所示，主要 用于交换机与中继器、集线器和集线器、工作站的网络接口卡和工作站的网 络接口卡之间连接的以太网双绞线电缆。插头2针脚信号接收对于常说的 RJ 45的MDI和MDIX接口，对应为 DTE侧接口和 DCE侧接 口，MDI接口的PIN定义如下图所示。TxDd jr*TxC 士.RxData*禺制畏留?守股留1图1-5 MDI接口 PIN定义MDI接口相反。而MDI X接

17、口的PIN定义如下图所示，其收发方向刚好与引舱号xmfeDaia-TxDa:a*SSnTxCorta发迭数氐T图1-6 MDI X 接口 PIN 定义现在有些物理层芯片支持 MDI和MDIX自动识别功能，它可以根据与其相连的对端设备是 DTE还是DCE及使用的是 MDIX还是MDI模式，也可以设成 MDI或MDIX的固定模式。1.3.3光口目前以太网光模块封装有 GBIC、SFF、SFP，公司目前推荐使用的是 GBIC 和SFP两种可热插拔的光模块，有 850nm、1310nm、1550nm 波长，还可 以分为多模和单模，而传输距离也不一样，多模传输距离为 275550m，单模则可以达到 2K

18、m、10Km、15Km、40Km、70Km，甚至100Km 或以上。下图为 GBIC （Gigabit In terface Co nverter ）圭寸装的光模块，其收发分开，采用SC光纤接头，多模的波长为 850nm，单模有1310nm和1550nm，支持热插拔。图1-7 GBIC封装光模块下图为SFP （ Small Form factor Pluggable ）圭寸装的光模块，其收发分开，采用LC光纤，支持热插拔。SFF封装与SFP 一样，唯一区别只是 SFF为固 疋式。图1-8 SFP封装光模块1.4 FE自协商自协商功能允许一个网络设备能够将自己所支持的工作模式信息传达给网络 上的

19、对端，并接受对方可能传递过来的相应信息。 它使用修订过的10BASE-T的整合性测试脉冲序列（link in tegrity test pulse seque nee ）来传递信息，自 协商功能完全由物理层芯片设计实现，因此并不使用专用数据包或带来任何 高层协议开销。自协商功能的基本机制就是将协商信息封装进一连串修改后的 “ 10BASE-T连接测试收发波形”的连接整合性测试脉冲。这串脉冲被称为快速连接脉冲（FLP ）。每个网络设备必须能够在上电、管理命令发出、或是用户干预时发出此串脉冲。快速连接脉冲包含一系列连接整合性测试脉冲组成的时钟 /数字序列。将这些数据从中提取出来就可以得到对端设备支

20、持的工作模式，以及一些用于 协商握手机制的其他信息。为了保持与现有 10BASE-T 设备的互操作性，自协商协议还具有接受与10BASE-T兼容的连接整合性测试脉冲 （也被称为普通连接脉冲 （NLP ）序列）的功能。当一个设备不能对快速连接脉冲做出有效的反应，而仅返回了一个普通连接 脉冲时，它将被作为一个 10BASE-T兼容设备对待。FE自协商的规则，可以用下表表示： （FD表示全双工，HD表示半双工）。对于只有一方支持自协商的情况， 根据IEEE 802.3的标准，采用并行检测机制。对端设备接口类型自协商设备的自协商结果自协商100M，全双工10M FD10M HD100M FD100M

21、HD1.4.1自协商技术的功能规范脉冲序列中的第一个脉冲为时钟脉冲，并在其后每隔 125us出现一个时钟脉冲，数据脉冲出现的位置在相邻两个时钟脉冲的中点上（偏差 +/-7US ）。且以正脉冲表示逻辑1，无脉冲表示逻辑 0。一个FLP脉冲序列包含17个时钟脉 冲，16个数据脉冲（如果数据比特位都是 1的话），16个数据比特位的编码见后面。NLP脉冲波形要比 FLP简单，它只是在没有数据帧发送时每隔 16+/-8ms发送一次正脉冲。FLP和NLP的波形如下图所示。首位脉冲数据位1 1编码D0 D1D2D3T1 : 100nsT2 : 62.5usT3 : 125us图1-9单一快速连接脉冲（FLP

22、）的波形T5-T4 I 1FLP Burst I NLPs T4 : 2ms T5 : 16ms图1-10连续的快速连接脉冲（FLP ）和普通连接脉冲（NLP ）的波形1.4.2自协商技术中的信息编码快速连接脉冲（FLP ）的信息编码可以分为两类，一类是基本连接码字（基本 页），支持基本的信息的交换。另一类是下一页码字，以支持附加信息页的交 换。基本页的信息编码可由下图表示。DO D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11D12 D13D14D15S0S1S2S3S4A0A1A2A3A4A5A6A7RFAckNPSelector Field ” Technolodgy

23、 Ability Field图1-11基本页的信息编码图选择域（Selector Field ）S0:4用于标识自协商消息的类型。已定义的类型如下表所示，所有未列出的 组合的意义均保留，保留的编码组合目前不应在传输中出现。自协商的类型含义Selector description丁Reserved for future Auto-Negotiation developmentIEEE Std 802.3IEEE Std 802.9 ISLAN-16TReseerved for future Auto-Negotiation development技术能力域（Techno logy Ability

24、 Field ）A0:7用于描述本端网络接口所支持的各种工作模式。 不同的选择域类型对应不同的技术能力域定义。下面表格给出 IEEE 802.3标准下定义的各种技术能力及其编码。自协商的技术支持域的含义BitTechnologyMinimum cabling requirement10BASE-TTwo-pair Category 310BASE-T FULL DUPLEX100BASE-TXTwo-pair Category 5100BASE-TX FULL DUPLEX100BASE-T4Four-pair Category 3A5:7Reserved for furure technol

25、ogy当协商双方都支持一种以上的工作方式时，需要有一个优先级方案来确定一个最终工作方式。下表按优先级从高到底的顺序列出了 IEEE 802.3所支持的五种模式。1.100BASE-TX full duplex2.100BASE-T43.100BASE-TX4.10BASE-T full duplex5.10BASE-T远程错误（Remote Fault ）远程错误位（RF ）提供了传递简单错误信息的机制。当发信方的自协商广告寄存器中的RF位被置位时，基本连接码字的 RF位相应变为逻辑1;当接收 方收到的基本连接码字的 RF位为逻辑1时，其Mil状态寄存器的 RF位也将 被置位（如果收方具有 M

26、il管理功能的话）。应答（Acknowledge ）应答位（Ack）在自协商信令中用于表明线路上的一方已经收到了另一方发出 的基本连接码字。下一页（Next Page ）下一页（NF ）在自协商信令中表示要进行下一页的信息的传送。如果一个设 备不支持下一页功能，它应将此位置 0，如果设备支持下一页功能， 但不想进行下一页操作，它也应该将此位置 0,只有设备支持此功能并要进行下一页操 作时才将此位置 1。自协商功能除了可以发送基本页信息来进行信息的交换，还可以通过发送下 一页信息的功能来进行额外的信息的交换。下一页信息的编码又分为两种， 一种是消息页编码，另外一种是非格式化页编码，消息页是用来定义一套消 息的，非格式化页在某一消息页后发送，用来表示这一消息的数据信息，一 个消息页后面可以跟随不止一个非格式化页。这两种页编码格式如下：DO；iDeDaD40506D7D9D10on012D13014DfSM0MlM2VI4叮：M6hJ8M9M10Ack2MPAcfcMeayige Code Field