第3章-以太网组网技术基础

2020/4/20上海交通大学计算机系1计算机组网原理ShanghaiJiaotongUniversity马范援[e-mail]上海交通大学计算机科学与工程系2020/4/20上海交通大学计算机系2原理篇：•基于以太网的企业内组网技术•基于广域网的组网技术教材：《当代组网技术》张公忠陈锦章编著清华大学出版社讲授内容2020/4/20上海交通大学计算机系3工程篇：•网络规划与设计•网络工程实施•网络设备与系统选型•网络综合布线系统教材：《全新计算机网络工程教程》郭诠水主编王宝智编著北京希望电子出版社补充内容：无线通信网2020/4/20上海交通大学计算机系4•要求学生在己具有计算机网络基本知识的基础上学习本课程。•组网技术是一门应用技术，着重对应用知识的理解。•在讲解以太网原理时有一些理论知识和计算，其它章节都是介绍基本原理和概念。•本课程内容比较多，重点放在企业内的组网以及企业如何接入广域网。本课程特点2020/4/20上海交通大学计算机系5教材中的内容很多，如果全部按照书上内容讲解，时间不够，大家也不容易消化，因此本课程按教材的框架授课，内容上有所调整和删减，并补充一些实践知识。同学们复习时以上课的材料为核心阅读书上的内容。并且要求大家上课时注意听老师的讲解。对ATM网络技术不作介绍。2020/4/20上海交通大学计算机系6计算机技术发展的四大规律Moore定律微处理器内晶体管数每18个月翻1番。Bell定律若计算能力不变，微处理器的价格和体积每18个月减少一半。Gilder定律主干网的带宽每6个月增加1倍。Metcalfe定律网络的价值同网络用户数量的平方成正比。2020/4/20上海交通大学计算机系7计算机网络技术的发展趋势网络速度的进一步提高DWDM技术的光传输带宽己达1.6Tbps，3-5年内将达10Tbps；线速路由器已达10Gbps，未来将达40Gbps；光交换技术。IPv6协议取代IPv42020/4/20上海交通大学计算机系8提高服务质量(QoS)成为热点适应于数据、话音、视频等多业务的传输。新一代网络体系结构的出现例如：主动网络。移动通信的广泛应用无线局域网(WLAN)；3G、4G。网络安全性的加强新的应用出现2020/4/20上海交通大学计算机系9《计算机组网原理》原理篇第三章以太网组网技术基础ShanghaiJiaotongUniversity2020/4/20上海交通大学计算机系10本章重点以太网工作原理CSMA/CD碰撞槽时间及最小帧长度的计算曼彻斯特编码的原理及优点10BaseT的技术特点集线器工作原理及功能2020/4/20上海交通大学计算机系11第三章以太网组网技术基础3.1以太网发展情况及其标准2020/4/20上海交通大学计算机系123.2媒体访问控制方式3.2.3CSMA/CD机理1.CSMA/CD工作原理载波侦听多路存取/冲突检测总线2020/4/20上海交通大学计算机系13CSMA/CD的工作过程开始冲突ABtB发送数据信道占用时间A检测到冲突TBTJ如一个站点发送后，经2后没有冲突，即发送成功。2020/4/20上海交通大学计算机系14发生碰撞时间的上限，即发送站发出帧后能检测到碰撞的最长时间ABABAB帧在媒体上往返传输时间=1帧在媒体上单向传播时延=0.5fA(a)A开始传输t0t0+0.5t0+1-εAB(b)B开始传输fAfBt0+0.5-ε(c)B检测到碰撞碰撞产生(d)正当传输结束前，A检测到碰撞3.2碰撞槽时间（slottime）2020/4/20上海交通大学计算机系15设：信号在物理信道上的传播速度：v一般近似为：v=200m/s物理信道长度：S网卡延时：tPHY则可得：τ=S/vSlottime=2τ+2tPHY如果考虑网段上有N个中继器，每个中继器延迟时间为t中继器，则可得下式：Slottime=2*(τ+tPHY+NXt中继器)碰撞槽时间的计算2020/4/20上海交通大学计算机系1610M以太网的连接标准(5-4-3规则)2020/4/20上海交通大学计算机系171)Slottime是监测一次碰撞所需的最长时间。2)限制了帧的最小长度Lmin设R为报文传输速率则Lmin/R≥SlottimeLmin≥SlottimeXRLmin≥2X(S/v+tPHY+NXt中继器)XR书上3.3式(P.5)中的/应改为X802.3标准规定的帧最小长度为64字节(2500米,4个中继器)。几点结论：2020/4/20上海交通大学计算机系183)决定了碰撞后信道上最大的碎片长度，碎片长度Lmin。4)决定了网络跨距的最大值。根据3.3式，当传输速率R固定时，最小帧长度与网络跨距具有正比例关系，即跨距越大，Lmin越长。反之Lmin越长，跨距也可加大。根据3.3式还可看出，在Lmin不变的情况下，传输速率越高，跨距越小。在后面介绍100M和1000M以太网时会明显看到这一点。5)是以太网一些算法的时间基准值，如二进制后退算法。2020/4/20上海交通大学计算机系19必须注意：信号在物理信道上的传播速度v与报文的传输速率R是两个完全不同的概念。信号在物理信道上的传播速度是指电信号在物理介质上的移动速度，计量单位是距离/时间。光波在真空中的传播速度是30万公里/秒，电信号在有线介质中的传播速度为该值的0.7，近似值为200米/微秒。报文的传输速率是指报文内的二进制位在线路上的发送速度，计量单位是二进制位/秒(b/s或bps)。2020/4/20上海交通大学计算机系20例如一个报文有2048字节(即16384bits)，传输速率R为10Mbps，则整个报文发送完毕需花费：16384bits/10000000bps=1638.4微秒或1.6384毫秒如果网络长度为1000米，则每个二进制位从网络的一端走到另一端的时间是：1000米/200米/微秒=5微秒2020/4/20上海交通大学计算机系21我们还可举个例子，车库内有2000辆汽车，如果车库发出汽车每分钟5辆，则400分钟车库内的汽车全部发完，这就相当于网络中的R。每辆车离开车库后在高速公路上行驶速度为100公里/小时，这相当于网络中的v。2020/4/20上海交通大学计算机系22举例：802.3标准规定了10M以太网帧的最短长度为64字节，如果将该标准规定的条件作些修改，假定网络最长距离为1000米，中间可接2个中继器，每个中继器的延迟时间为1s，每个网卡延迟时间为1.5s，求在这些条件下帧的最短长度为多少？2020/4/20上海交通大学计算机系23举例：802.3标准规定了10M以太网帧的最短长度为64字节，如果将该标准规定的条件作些修改，假定网络最长距离为1000米，中间可接2个中继器，每个中继器的延迟时间为1s，每个网卡延迟时间为1.5s，求在这些条件下帧的最短长度为多少？解：总延迟时间=(1000M200M/s)+21s+1.5s=8.5s总延迟时间2=17s17s10Mbps=170bits170bits8bits=21.25bytes取22bytes2020/4/20上海交通大学计算机系243.3.1编码与解码曼彻斯特编码(ManchesterCode)3.3物理层结构与功能2020/4/20上海交通大学计算机系251.有利于区分每个“0”、“1”代码2.便于同步3.便于检测碰撞的发生4.平均直流电平为0曼彻斯特编码优点2020/4/20上海交通大学计算机系26四种标准编码/译码10BASE510BASE210BASET10BASEF同轴电缆10,50同轴电缆10,503、4、5类UTP62.5多模光纤3.3.2收发器2020/4/20上海交通大学计算机系2710BASE510BASE210BASE-T连接方式2020/4/20上海交通大学计算机系28物理性能10BASE510BASE210BASET10BASEF媒体最长媒体段拓扑结构收发器最大跨距/媒体段数Φ1050Ω同轴电缆500m公共总线状外置收发器设备2.5km/5Φ550Ω同轴电缆185m公共总线状内置芯片925m/53、4、5类不屏蔽双绞线100m星状内置芯片500m/562.5/125多模光纤2km星状内置芯片4km/23.3.2四种10BASE以太网物理性能比较2020/4/20上海交通大学计算机系29Ethernet缆线与接口名称电缆最大区间长度节点数/段优点接口10Base5粗缆500m100早期产品，已不用AUI10Base2细缆200m(185)30不需HUBBNC10Base-T双绞线100m1024廉价易于维护RJ-4510Base-F光纤2km1024用于楼间ST2020/4/20上海交通大学计算机系3087654321第1对第4对第2对第3对12361236网卡集线器1236集线器1236集线器网卡：发送：1、2；接收：3、6集线器：发送：3、6；接收：1、2连接方式：直连、交叉RJ-45插座连接图2020/4/20上海交通大学计算机系313.4.110BASET以太网系统组成以集线器(HUB)为中心构成星状连接，但本质上仍是共享总线的工作方式。HUBPCPCPC双绞线100m双绞线连接插座RJ-453.410BASET技术特点2020/4/20上海交通大学计算机系32输入放大器输出放大器正常传输信号外界电磁场干扰双绞线干扰源双绞线抗外界电磁场干扰为什么在非屏蔽的5类双绞线上能达到高速率传送？2020/4/20上海交通大学计算机系331.信道上信号的放大、整形2.实现碰撞检测3.端口数的扩展•堆栈式•机框式4.不同类型接口的互连(见图3.16、3.17)5.集线器与网卡之间或集线器之间最长距离均为100米。集线器数量最多为4个，即最远两站之间距离为500米。3.4.210BASET集线器功能2020/4/20上海交通大学计算机系34HUB0HUB2HUB1ABCDEfafafafafafafafafaHUB0HUB2HUB1ABCDECPCPCPCPfaCPCPCPCPfbfaHUB0HUB2HUB1ABCDECPCPCPCPCPCPCPCPfbCPfc(a)A发送(a)A和B发送(a)A,B和C发送碰撞检测的原理2020/4/20上海交通大学计算机系3510BASET标准已经是10M以太网组网的主流技术，其优点是：1)可靠性好某对双绞线故障不影响整个网络的工作2)可扩展性好通过增加HUB达到扩展目的3)可管理性好可对HUB实现管理4)连接方便10BASET的优点2020/4/20上海交通大学计算机系361.光纤以太网10BASEF出现2.高速以太网的发展3.从共享型以太网走向交换型以太网4.发展了综合布线技术3.4.3基于10BASET发展的现代网络技术