第二三章以太网标准和物理层

修订记录第二章以太网标准目标：了解以太网标准结构。熟悉各以太网标准定义的内容一、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)。版权所有，侵权必究第2页，共19页·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1IEEE802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(CSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)。CSMA/CD与人际间的通话非常相似(即先802.9媒体物理层接入802.3媒体物理层接入802.4媒体物理层接入802.5媒体物理层接入802.6媒体物理层接入802.2LLC控制802.1桥路转换802.7宽带标准802.8光纤标准802.1管理802.1总揽和构架802.10安全版权所有，侵权必究第3页，共19页听再说)，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中文含义1000BASE-X（IEEE802.3z)1000BASE-SXDuplexmultimodefibers千兆双工多模光纤1000BASE-LXDuplexsinglemodefibers千兆双工单模光纤1000BASE-CXTwopairsofspecializedbalancedcabling（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接口以太网的分层模型如图所示：版权所有，侵权必究第4页，共19页图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：a）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；b）通过PHY层的半双工服务，提供载波侦听和碰撞检测信号；c）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；版权所有，侵权必究第5页，共19页第三章以太网物理层目标：熟悉以太网物理层概念熟悉各以太网端口类型。了解自协商原理与编码类型。了解物理层芯片和MAC层芯片接口类型二、物理层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。下面是常用以太网接口的代号：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-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.)2电口版权所有，侵权必究第6页，共19页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。ͼ1RJ－45插座与RJ－45插座相对应的是RJ－45插头，如图4所示，一般为8PIN。在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。ͼ2RJ－45插头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（StraightThroughCable）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。版权所有，侵权必究第7页，共19页±í1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11发送white-orange双绞线22orange33接收white-green双绞线66green44双向blue双绞线55white-blue77双向white-brown双绞线88brown标准中交叉网线（CrossOverCable）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。±í1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13发送white-orange双绞线26orange31接收white-green双绞线62green44双向blue双绞线55white-blue77双向white-brown双绞线88brown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。ͼ1MDI接口PIN定义而MDI－X接口的PIN定义如下图所示，其收发方向刚好与MDI接口相反。版权所有，侵权必究第8页，共19页ͼ1MDI－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。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275～550m，单模则可以达到2Km、10Km、15Km、40Km