3.5 典型局域网的组网技术

3.5.1 10Mbps以太网

1. 10Mbps以太网体系结构

IEEE 802.3以太网体系结构包括MAC子层和物理层。物理层又分为物理信令PLS和物理媒体连接件PMA两个子层,并根据物理层的两个子层是否在同一个设备上实现。其体系结构示意图如3.10所示。

图3.1010 Mbps以太网体系结构

PLS子层向MAC子层提供服务,它规定了MAC子层与物理层的界面,是与传输媒体无关的物理层规范。在发送比特流时,PLS子层负责对比特流进行曼彻斯特编码。在接收时,负责对曼彻斯特解码。另外,PLS子层还负责完成载波监听功能。PMA子层向PLS子层提供服务,它负责向媒体上发送比特信号和从媒体上接收比特信号,并完成冲突检测功能。IEEE 802.3标准规定,PLS子层和PMA子层可以在,也可以不在同一个设备中实现。比如:标准以太网10Base-5是在网卡中实现PLS功能,在外部接收器中实现PMA功能的。所以在10Base-5以太网中,需要使用收发器电缆将外部收发器和网络站点连接起来,于是出现了两种IEEE802.3体系结构。如图3.10所示。

MAC子层的核心协议是CSMA/CD,它的帧结构如图3.11所示。

图3.11IEEE 802.3帧结构

其中,7个字节的先导字段是接收方与发送方时钟同步用的,它的每个字节的内容都是10101010。一个字节的帧开始标志,表示一个帧的开始,内容为10101011。随后是两个地址段:源地址和目的地址,目的地址可以是单个的物理地址,也可以是一组地址(多点广播),当地址的最高位为0时,是普通地址,为1时,是组地址。2字节的数据字段长度标志数据段中的字节数。数据字段就是LLC数据帧,如果帧的数据部分少于46字节,则用填充字段,使之达到要求的最短长度。

2. 10 Mbps以太网组网方式

IEEE 802.3支持的物理层介质和配置方式有多种,是由一组协议组成的。每一种实现方案都有一个名称代号,由以下三部分组成:

数据传输率(Mbps)>信号方式>最大段长度(百米)或介质类型>

如10BASE-5、10BASE-2、100BASE-T等。这里,最前面的数字指传输速率,如10为10 Mbps,100为100 Mbps。中间的 BASE指基带传输,BROAD指宽带传输。最后若是数字的话,表示最大传输距离,如5是指最大传输距离500米,2指最大传输距离200米。若是字母则第一个表示介质类型,如T表示采用双绞线,F 表示采用光纤介质,第二个字母表示工作方式,如X表示全双工方式工作。

最常用的以太网有以下4种。

10Base-5通常称为粗缆以太网。目前由于高速交换以太网技术的广泛应用,在新建的局域网中,10Base-5很少被采用。

10Base-2通常称为细缆以太网。10Base-2使用50Ω细同轴电缆,它的建网费用比10Base-5低。目前10Base-2已很少被使用。

10Base-T是使用无屏蔽双绞线来连接的以太网,使用2对3类以上无屏蔽双绞线,一对用于发送信号,另一对用于接收信号。为了改善信号的传输特性和信道的抗干扰能力,每一对线必须绞在一起。双绞线以太网系统具有技术简单、价格低廉、可靠性高、易实现综合布线和易于管理、维护、升级等优点。因此比10Base-5和10Base-2技术有更大的优势,也是目前还在应用的10M局域网技术。

10Base-F是10 Mbps光纤以太网,它使用多模光纤作为传输介质,在介质上传输的是光信号而不是电信号。因此10Base-F具有传输距离长、安全可靠、可避免电击等优点。由于光纤介质适宜相距较远的站点,所以10Base-F常用于建筑物之间的连接,它能够构建园区主干网。目前10Base-F较少被采用,代替它的是更高速率的光纤以太网。

3.5.2 100Mbps以太网

1. 快速以太网的体系结构

快速以太网的传输速率比普通以太网快10倍,数据传输速率达到了100Mbps。快速以太网保留了传统以太网的所有特性,包括相同的数据帧格式、介质访问控制方式和组网方法,只是将每个比特的发送时间由100ns降低到10ns。1995年9月,IEEE 802委员会正式批准了快速以太网标准IEEE 802.3u。IEEE802.3u标准在LLC子层使用IEEE 802.2标准,在MAC子层使用CSMA/CD方法,只是在物理层作了一些必要的调整,定义了新的物理层标准(100BASE-T)。100BASE-T标准定义了介质专用接口(MII,Media Independent Interface),它将MAC子层和物理层分开,使得物理层在实现100Mbps速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。100BASE-T可以支持多种传输介质,目前制定了三种有关传输介质的标准:100BASE-TX、100BASE-T4、100BASE-FX。100Mbps以太网的协议结构如图3.12所示。

图3.12100Mbps以太网的协议结构

2. 快速以太网的组网方式

(1)100BASE-TX

100BASE-TX是5类无屏蔽双绞线方案,它是真正由10Base-T派生出来的。100BASE-TX类似于10Base-T,但它使用的是两对无屏蔽双绞线(UTP)或150Ω屏蔽双绞线(STP)。100BASE-TX是目前使用最广泛的快速以太网介质标准。100BASE-TX使用的2对双绞线中,一对用于发送数据,另一对用于接收数据。由于发送和接收都有独立的通道,所以100BASE-TX支持全双工操作。

100BASE-TX的硬件系统由以下几部分组成:带内置收发器、支持IEEE 802.3u标准的网卡,5类无屏蔽双绞线或150Ω屏蔽双绞线,8针RJ-45连接器,100BASE-TX集线器(Hub)。有两类100BASE-TX集线器,Ⅰ类和Ⅱ类。Ⅰ类集线器在输入和输出端口上可以对线路信号重新编码,所以Ⅰ类集线器可以连接使用不同编码技术的介质系统,如100Base-TX和100Base-T4。Ⅱ类集线器的端口没有这种功能,它只是简单地将输入信号转发给其它端口,所以Ⅱ类集线器只能连接使用相同编码方案的介质系统,如用u盘装系统教程100Base-TX和100Base-FX。

100BASE-TX的组网规则如下:

① 各网络站点须通过HUB(100M)连入网络中。

② 传输介质用5类无屏蔽双绞线或150Ω屏蔽双绞线。

③ 双绞线与网卡,或与HUB之间的连接,使用8针RJ-45标准连接器。

④ 网络站点与HUB之间的最大距离为100m。

⑤ 在一个冲突域中只能连接一个Ⅰ类HUB,网络的最大直径(站点—HUB—站点)为200m。如果使用Ⅱ类HUB,最多可以级连两个Ⅱ类HUB,网络的最大直径(站点—HUB—HUB—站点)为205m。

(2)100BASE-FX

100BASE-FX是光纤介质快速以太网标准,它采用与100BASE-TX相同的数据链路层和物理层标准协议。它支持全双工通信方式,传输速率可达200Mbps。

100BASE-FX的硬件系统包括单模或多模光纤及其介质连接部件、集线器、网卡等部件。用多模光纤时,当站点与站点不经HUB而直接连接,且工作在半双工方式时,两点之间的最大传输距离仅有412m;当站点与HUB连接,且工作在全双工方式时,站点与HUB之间的最大传输距离为2km。若使用单模光纤作为媒体,在全双工的情况下,最大传输距离可达10km。

(3)100BASE-T4

100BASE-T4是3类无屏蔽双绞线方案,该方案使用4对3类(或4类、5类)无屏蔽双绞线介质。它能够在3类UTP线上提供100Mbps的传输速率。双绞线段的最大长度为100m。目前这种技术没有得到广泛的应用。100BASE-T4的硬件系统与组网规则与100BASE-TX相同。

3.5.3 1000Mbps以太网

1. 千兆以太网的体系结构

1998年2月,IEEE 802委员会正式批准了千兆以太网标准IEEE 802.3z。千兆以太网的传输速率比快速以太网快10倍,数据传输率达到1000Mbps。千兆以太网保留着传统的10Mbps速率以太网的所有特征(相同的数据帧格式、相同的介质访问控制方式、相同的组网方法),只是将传统以太网每个比特的发送时间由100ns降低到1ns。千兆以太网的协议结构如图3.13所示。

IEEE 802.3z标准在LLC子层使用IEEE 802.2标准,在MAC子层使用CSMA/CD方法。只是在物理层作了一些必要的调整,它定义了新的物理层标准(1000BASE-T)。1000BASE-T标准定义了千兆介质专用接口(GMII,Gigabit Media Independent Interface),它将MAC子层与物理层分开。这样,物理层在实现1000Mbps速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。

图3.13千兆以太网的协议结构

2. 千兆以太网的组网方式

IEEE 802.3z千兆以太网标准定义了三种介质系统,其中两种是光纤介质标准,包括1000Base-SX和1000Base-LX;另一种是铜线介质标准,称为1000Base-CX。

1000Base-SX是一种在收发器上使用短波激光作为信号源的媒体技术。这种收发器上配置了激光波长为770~860nm(一般为800nm)的光纤激光传输器,不支持单模光纤,仅支持62.5μm和50μm两种多模光纤。对于62.5μm多模光纤,全双工模式下最大传输距离为275m,对于50μm多模光纤,全双工模式下最大传输距离为550m。1000Base-SX标准规定连接光缆所使用的连接器是SC标准光纤连接器。

1000Base-LX是一种在收发器上使用长波激光作为信号源的媒体技术。这种收发器上配置了激光波长为1270~1355nm(一般为1300nm)的光纤激光传输器,它可以驱动多模光纤和单模光纤。使用的光纤规格为62.5μm和50μm的多模光纤,9μm的单模光纤。对于多模光纤,在全双工模式下,最长的传输距离为550m;对于单模光纤,在全双工模式下,最长的传输距离可达5km。连接光缆所使用的是SC标准光纤连接器。

1000Base-CX是使用铜缆的两种千兆以太网技术之一。1000Base-CX的媒体是一种短距离屏蔽铜缆,最长距离达25m,这种屏蔽电缆是一种特殊规格高质量的TW型带屏蔽的铜缆。连接这种电缆的端口上配置9针的D型连接器。1000Base-CX的短距离铜缆适用于交换机间的短距离连接,特别适用于千兆主干交换机与主服务器的短距离连接。

IEEE 802.3委员会公布的第二个铜线标准IEEE 802.3ab,即1000BASE-T物理层标准。1000BASE-T是使用5类无屏蔽双绞线的千兆以太网标准。1000BASE-T标准使用4对5类无屏蔽双绞线,其最长传输距离为100m,网络直径可达200m。因此,1000BASE-T能与10BASE-T、100BASE-T完全兼容,它们都使用5类UTP介质,从中心设备到站点的最大距离都是100m,这使得千兆以太网应用于桌面系统成为现实。

3.5.4 万兆以太网

万兆以太网是一种数据传输速率高达10Gbps、通信距离可延伸40km的以太网。它是在以太网的基础上发展起来的,因此,万兆以太网和千兆以太网一样,在本质上仍是以太网,只是在速度和距离方面有了显著的提高。万兆以太网继续使用IEEE 802.3以太网协议,以及IEEE 802.3的帧格式和帧大小。但由于万兆以太网是一种只适用于全双工通信方式,并且只能使用光纤介质的技术,所以它不需使用带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD。这就意味着万兆以太网不再使用 CSMA/CD。

1. 万兆以太网体系结构

10Gbps以太网的OSI 和IEEE 802层次结构仍与传统以太网相同,即OSI层次结构包括了数据链路层的一部分和物理层的全部,IEEE 802层次结构包括MAC子层和物理层,但各层所具有的功能与传统以太网相比差别较大,特别是物理层更具有明显的特点。10Gbps以太网体系结构如图3.14所示。

图3.1410Gbps以太网体系结构

(1)三类物理层结构

在体系结构中定义了10GBase-X、10GBase-R和10GBase-W三种类型的物理层结构。

① 10Gbase-X是一种与使用光缆的1000BaseX相对应的物理层结构,在PCS子层中使用8B/10B编码,为了保证电脑u盘装系统步骤获得10Gbps数据传输率,利用稀疏波分复用技术(CWDM)在 1300nm波长附近每隔约25nm间隔配置了四个激光发送器,形成四个发送器 / 接收器对。为了保证每个发送器 / 接收器对的数据流速度为2.5Gbps,每个发送器 / 接收器对必须在 3.125Gbps下工作。

② 10GBase-R是在PCS子层中使用64B/66B编码的物理层结构,为了获得10Gbps数据传输率,其时钟速率必须配置在10.3Gbps。

③ 10GBase-W是一种工作在广域网方式下的物理层结构,在PCS子层中采用了64B/ 66B编码,定义的广域网方式为 SONET OC-192,因此其数据流的传输率必须与OC—192 兼容,即为9.686Gbps,则其时钟速率为9.953Gbps。

(2)物理层各个子层的功能

物理层各个子层及功能如下所述。

① 物理媒体。10Gbps以太网的物理媒体包括多模光纤MMF和单模光纤SMF两类,

MMF又分50μm和62.5μm 两种。由PMD子层通过媒体相关接口MDI连接光纤。

② 物理媒体相关(PMD)子层。其主要的功能一方面是向(从)物理媒体上发送(接收)信号。在PMD子层中包括了多种激光波长的PMD发送源设备。PMD子层另一个主要功能是把上层PMA所提供的代码位符号转换成适合光纤媒体上传输的信号或反之。

③ 物理媒体连接(PMA)子层。PMA子层的主要功能是提供与上层之间的串行化服务 接口以及接收来自下层PMD的代码位信号,并从代码位信号中分离出时钟同步信号;在发送时,PMA 把上层形成的相应的编码与同步时钟信号融合后,形成媒体上所传输的代码位符号送至下层PMD。

④ 广域网接口(WIS)子层。WIS子层是处在PCS和PMA之间的可选子层,它可以把以太网数据流适配ANSI所定义的SONET STS-192c或ITU所定义的SDH VC-4-64c传输格式的以太网数据流。该数据流所反映的广域网数据可以直接映射到传输层。

⑤ 物理编码(PCS)子层。PCS子层处在上层RS和下层PMA之间,PCS 和上层的接口通过10Gbps媒体无关接口XGMII连接,与下层连接通过PMA服务接口。PCS的主要功能 是把正常定义的以太网MAC代码信号转换成相应的编码和物理层的代码信号。

⑥ 协调(RS)子层和10Gbps媒体无关接口(XGMII)。RS和XGMII实现了MAC子层与PHY层之间的逻辑连接,即MAC子层可以连接到不同类型的PHY层(10GBase-X、 10GBase-R和10Gbase-W)上。显然,对于10GBase-W类型来说,RS子层的功能要求是最复杂的。

2. 万兆以太网的技术特点

万兆以太网与传统的以太网比较具有以下几方面的特点。

(1)MAC子层和物理层实现10Gbps传输速率。

(2)MAC子层的帧格式不变,并保留IEEE 802.3标准最小和最大帧长度。

(3)不支持共享型,只支持全双工,即只可能实现全双工交换型10Gbps以太网,因此10Gbps以太网媒体的传输距离不会受到传统以太网CSMA/CD机理制约,而仅仅取决于媒体上信号传输的有效性。

(4)支持星型局域网拓扑结构,采用点到点连接和结构化布线技术。

(5)在物理层上分别定义了局域网和广域网两种系列,并定义了适应局域网和广域网的数据传输机制。

(6)不能使用双绞线,只支持多模和单模光纤,并提供连接距离的物理层技术规范。

3. 万兆以太网在局域网中的应用

10Gbps以太网用做局域网,通常是组成主干网。例如,利用10Gbps以太网实现交换机到交换机、交换机到服务器以及城域网和广域网的连接。

10Gbps以太网在局域网中的应用如图3.15所示。图中主干线路使用10Gbps以太网,校园A、校园B、数据中心和服务器群之间用10Gbps以太网交换机的模块分别连接。

图3.1510G以太局域网应用