工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第1頁(yè)課程題目第16講現(xiàn)場(chǎng)總線——工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)概述、以太網(wǎng)MAC子層與物理層、IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)、快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)工業(yè)生產(chǎn)、典型以太網(wǎng)課時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目的：1．了解傳統(tǒng)以太網(wǎng)、高速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、10Gbps/100Gbps以太網(wǎng)的特點(diǎn)；2.掌握以太網(wǎng)MAC子層與物理層、IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：以太網(wǎng)MAC子層與物理層、IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；難點(diǎn)：以太網(wǎng)MAC子層、IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)方法與手段：方法：講授法；手段：課堂教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分配：1.以太網(wǎng)概述、以太網(wǎng)MAC子層與物理層、IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；1學(xué)時(shí)2.快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)、以太網(wǎng)控制器、典型以太網(wǎng)工業(yè)生產(chǎn)。1學(xué)時(shí)教具：作業(yè)與思考：教學(xué)后記：備注教學(xué)內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第15頁(yè)備注教學(xué)內(nèi)容第16講現(xiàn)場(chǎng)總線——工業(yè)以太網(wǎng)一、以太網(wǎng)以太網(wǎng)，即Ethernet，美國(guó)Xerox公司1975年為小型機(jī)研制的一個(gè)總線式局域網(wǎng)。1980年Xerox（施樂(lè)）公司與DEC和Intel公司共同提出了第1個(gè)以太網(wǎng)規(guī)范。為了緊跟商用局域網(wǎng)不斷變化的要求，近年來(lái)，在發(fā)展過(guò)程中引入了很多新的策略。其中最重要的有：快速以太網(wǎng)和千兆位以太網(wǎng)將10Mbps的CSMA/CD升級(jí)，保留對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的投資。光纖通道花費(fèi)低且易于升級(jí)，可獲得非常高的數(shù)據(jù)率。高速無(wú)線局域網(wǎng)近年來(lái)終于浮出水面。以太網(wǎng)包括物理層和MAC子層表7-1某些高速局域網(wǎng)的特征1、傳統(tǒng)以太網(wǎng)（經(jīng)典以太網(wǎng)）由IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)開發(fā)。圖7-1CSMA持續(xù)和退避圖7-2CSMA/CD工作原理2、IEEE802.3介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）IEEE802.3使用一種稱為二進(jìn)制指數(shù)退避的１堅(jiān)持算法：當(dāng)站點(diǎn)連續(xù)多次遇到?jīng)_突時(shí)，它仍然不斷地試圖進(jìn)行重發(fā)。在前10次重傳過(guò)程中，每次重傳的隨機(jī)時(shí)延平均值會(huì)加倍。然后再做6次嘗試，此時(shí)的平均時(shí)延值保持不變。在16次不成功的嘗試后，站點(diǎn)放棄傳輸并報(bào)告有差錯(cuò)發(fā)生。優(yōu)點(diǎn)：在擁塞程度不斷嚴(yán)重的情況下，逐漸增大退避量就可以減小沖突發(fā)生的概率。缺點(diǎn)：后進(jìn)先出：沒(méi)有或幾乎沒(méi)有發(fā)生過(guò)沖突的站點(diǎn)要比已經(jīng)等了很長(zhǎng)時(shí)間的站點(diǎn)有更多的機(jī)會(huì)先傳輸。3、沖突檢測(cè)：對(duì)于總線型結(jié)構(gòu)：沖突會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比正常傳輸?shù)碾妷焊叩臄[動(dòng)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：如果傳輸方在分接頭檢測(cè)到電纜上的信號(hào)值超過(guò)單獨(dú)傳輸所能產(chǎn)生的最大值，就認(rèn)為發(fā)生了沖突。問(wèn)題來(lái)了：如果兩個(gè)站點(diǎn)離得很遠(yuǎn)，接收方收到的信號(hào)衰減很多，那么合成的信號(hào)強(qiáng)度可能無(wú)法超過(guò)沖突檢測(cè)的門限值。辦法：IEEE標(biāo)準(zhǔn)又多加了幾條限制：限制電纜長(zhǎng)度：10BASE5同軸電纜不最大超過(guò)500m10BASE2同軸電纜最大不超過(guò)200m對(duì)于星形結(jié)構(gòu)：沖突檢測(cè)是基于邏輯而不是基于電壓：對(duì)于任何集線器，如果在超過(guò)一個(gè)的輸入線路上檢測(cè)到有功率（信號(hào)），就認(rèn)為發(fā)生了沖突。并把該“沖突出現(xiàn)”信號(hào)發(fā)到所有輸入線上去，告知眾節(jié)點(diǎn)。交換機(jī)：類推。圖7-3以太網(wǎng)的MAC幀4、IEEE802.3定義的三種MAC幀類型：基礎(chǔ)幀：最原始的幀格式；MAC客戶數(shù)據(jù)：46-1500個(gè)字節(jié)。Q標(biāo)志幀：支持802.1QVLAN功能；MAC客戶數(shù)據(jù)：46-1504個(gè)字節(jié)。包裝幀：允許在數(shù)據(jù)字段添加額外的前綴和后綴，以滿足高層封裝協(xié)議的需求；MAC客戶數(shù)據(jù)：46-1982個(gè)字節(jié)。5、IEEE802.310Mbps規(guī)范IEEE802.3委員會(huì)定義了數(shù)種備選的物理配置，以使標(biāo)準(zhǔn)能與新技術(shù)保持呼應(yīng)。為了區(qū)別目前已有的多種實(shí)現(xiàn)，委員會(huì)開發(fā)了一個(gè)精確的記法：對(duì)10Mbps定義了以下幾種選擇：10BASE5：10Mbps，基帶（曼徹斯特），500m允許任意兩站點(diǎn)之間的路徑上最多有4個(gè)中繼器（Repeater），從而把介質(zhì)的最大有效長(zhǎng)度擴(kuò)展到2.5km。表7-2IEEE802.310Mbps物理層介質(zhì)可選技術(shù)注意：10BASE-T和10BASE-F并不完全滿足標(biāo)準(zhǔn)記法?！癟”代表雙絞線，而“F”代表光纖。8、高速以太網(wǎng)IEEE802.3100Mbps規(guī)范（快速以太網(wǎng)），被籠統(tǒng)地稱為100BASE-T。表7-3IEEE802.3100BASE-T物理層介質(zhì)選擇X：在結(jié)點(diǎn)間使用兩條物理鏈路，一條傳輸，一條接收。4：在節(jié)點(diǎn)間使用4對(duì)雙絞線，每次在一個(gè)方向上用3對(duì)線。100BASE-X：100BASE-TX和100BASE-FX。所有100BASE-X指定的傳輸介質(zhì)，都能在一條鏈路（一條雙絞線或一條光纖）上的單向傳輸數(shù)據(jù)率達(dá)到100Mbps。100BASE-TX的介質(zhì):采用兩對(duì)雙絞線:一對(duì)用于發(fā)送，一對(duì)用于接收；STP和5類UTP均可。100BASE-FX的介質(zhì)和調(diào)制：采用兩根光纜：一根用于發(fā)送，一根用于接收強(qiáng)度調(diào)制：一束光或一個(gè)光脈沖“1”，沒(méi)有光脈沖或一束強(qiáng)度很小的光表示二進(jìn)制的0。100BASE-T4：100BASE-T4設(shè)計(jì)用來(lái)在低質(zhì)量的3類話音級(jí)的電纜上提供100Mbps的數(shù)據(jù)速率：總共使用4對(duì)雙絞線，發(fā)送用3對(duì)，接收也用3對(duì)。因此，其中兩對(duì)雙絞線要配置成雙向傳輸方式。數(shù)據(jù)流將被分成三個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)流的有效數(shù)據(jù)率為Mbps。規(guī)范表明也可選擇5類電纜。全雙工操作:傳統(tǒng)以太網(wǎng)是半雙工的。要想全雙工，必須：站點(diǎn)具有全雙工適配卡星形結(jié)構(gòu)的中點(diǎn)不能是一個(gè)簡(jiǎn)單的多端口中繼器，必須是一臺(tái)具有交換功能的集線器（交換機(jī)）。仍然采用802.3MAC幀格式，執(zhí)行CSMA/CD算法，即便根本用不上：從來(lái)也不會(huì)檢測(cè)到?jīng)_突?；旌吓渲每焖僖蕴W(wǎng)方式的一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)在于它隨時(shí)可以支持現(xiàn)存的10Mbps局域網(wǎng)和新出現(xiàn)的100Mbps局域網(wǎng)的混合配置。9、千兆位以太網(wǎng)（GigabitEthernet）1995年底，IEEE802.3委員會(huì)成立了一個(gè)高速研究組（High-SpeedStudyGroup），研究如何以每秒千兆位的速度傳遞以太網(wǎng)格式的分組。千兆位以太網(wǎng)的策略與快速以太網(wǎng)是一樣的：定義了新的介質(zhì)和傳輸規(guī)范，但千兆位以太網(wǎng)仍然保留了CSMA/CD協(xié)議和它的10Mbps及100Mbps前身的以太網(wǎng)格式與100BASE-T和10BASE-T兼容，以維護(hù)平滑的過(guò)渡。圖7-4千兆位以太網(wǎng)配置舉例10、介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）1000Mbps對(duì)共享介質(zhì)集線器操作在基本的CSMN/CD機(jī)制上做了兩大改進(jìn)：載波擴(kuò)充在短MAC幀的末尾附加了一組特殊符號(hào)，使每個(gè)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度從10Mbps及100Mbps的最小512位時(shí)間提高到至少4096位=512字節(jié)時(shí)間，從而使發(fā)送相應(yīng)幀長(zhǎng)度所需的時(shí)間超過(guò)1Gbps下的傳播時(shí)延。512=64×8=（6（目的地址字節(jié)數(shù)）+6（源地址字節(jié)數(shù)）+2（長(zhǎng)度/類型字節(jié)數(shù)）+46（數(shù)據(jù)最小字節(jié)數(shù)）+4（FCS字節(jié)數(shù)））×8幀突發(fā)允許發(fā)送方將多個(gè)待發(fā)送的（短）幀級(jí)連在一起，直至達(dá)到最大限度，一次發(fā)送出去。無(wú)須在幀之間放棄對(duì)CSMA/CD的控制避免了當(dāng)有多個(gè)短幀要發(fā)送時(shí)，載波擴(kuò)充所產(chǎn)生的額外開銷若級(jí)連起來(lái)的整個(gè)突發(fā)仍小于512字節(jié)，則硬件會(huì)對(duì)它進(jìn)行填充對(duì)交換式集線器：不需要載波擴(kuò)充和幀突發(fā)，因?yàn)檎军c(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和接收可以同時(shí)進(jìn)行，無(wú)須干預(yù)，也沒(méi)有對(duì)共享介質(zhì)的爭(zhēng)用。二、物理層1、千兆位以太網(wǎng)介質(zhì)1000BASE-SX使用最長(zhǎng)275m的62.5μm多模光纖，或最長(zhǎng)550m的50μm多模光纖的雙工鏈路波長(zhǎng)：（770–860）nm之間1000BASE-LX使用最長(zhǎng)550m的62.5μm或50μm的多模光纖，或5km長(zhǎng)的10μm單模光纖的雙工鏈路。波長(zhǎng)：（1270–1355）nm1000BASE-CX支持在同一房間內(nèi)或設(shè)備架上的設(shè)備之間使用1Gbps的鏈路，使用銅跳線（屏蔽雙絞線，最長(zhǎng)不超過(guò)25m）每條鏈路由一個(gè)各自方向的獨(dú)立的屏蔽雙絞線對(duì)組成1000BASE-T使用4對(duì)5類非屏蔽雙絞線來(lái)支持最大100m范圍內(nèi)的設(shè)備使用回聲消除電路，所有這4對(duì)雙絞線可同時(shí)發(fā)送和接收，波特率：125MHz；4D-PAM5編碼：5個(gè)電壓級(jí)別表示2位，125×2×4=1000圖7-5千兆位以太網(wǎng)介質(zhì)選項(xiàng)（對(duì)數(shù)刻度）2、信號(hào)編碼1000BASE-SX、1000BASE-LX、1000BASE-CX：8B/10B1000BASE-T：4D-PAM5：比較復(fù)雜的機(jī)制3、10Gbps以太網(wǎng)（10GigabitEthernet）對(duì)10Gbps以太網(wǎng)的要求越來(lái)越迫切：連接的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量在增加每個(gè)端站的連接速率在增加帶寬密集型應(yīng)用的使用在增加，如高質(zhì)量視頻Web托管和應(yīng)用托管的業(yè)務(wù)量在增加10Gbps以太網(wǎng)前景遠(yuǎn)超ATM：不需對(duì)以太網(wǎng)分組和ATM信元進(jìn)行轉(zhuǎn)換IP結(jié)合以太網(wǎng)可提供服務(wù)質(zhì)量和通信量管制能力已定義了多種的標(biāo)準(zhǔn)光端接口（波長(zhǎng)和鏈路距離），用來(lái)優(yōu)化它的操作，并降低局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)應(yīng)用的成本所有版本只支持全雙工操作CSMA/CD不再屬于設(shè)計(jì)的一部分10）標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)在于以超高速運(yùn)行的物理層細(xì)節(jié)2002年首次發(fā)布了光纖標(biāo)準(zhǔn)2004年發(fā)布了屏蔽銅電纜標(biāo)準(zhǔn)2006年發(fā)布了銅雙絞線標(biāo)準(zhǔn)11）依然考慮兼容性10Gbps以太網(wǎng)接口能自動(dòng)協(xié)商，并能降低到由線路兩端通知支持的最高速率圖7-610Gbps以太網(wǎng)配置舉例圖7-710Gbps以太網(wǎng)距離選項(xiàng)（對(duì)數(shù)刻度）上圖中，10GBASE-LX4設(shè)計(jì)用于單?；蚨嗄９饫w上的1310nm的傳輸。這種媒體能夠達(dá)到的最大距離為10km。利用波分復(fù)用對(duì)4條光波上的位流進(jìn)行復(fù)用此外，還有：10GBASE-CX4：定義了4對(duì)雙軸銅電纜，最大長(zhǎng)度15m8B/10B編碼，每對(duì)以3.125G波特率運(yùn)行10GBASE-T：使用6a類4對(duì)UTP電纜（雙絞線）的版本，最大長(zhǎng)度100m物理層相當(dāng)復(fù)雜4、100Gbps以太網(wǎng)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)：最受歡迎的有線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將無(wú)線技術(shù)橋接進(jìn)本地網(wǎng)絡(luò)的首選載體價(jià)格合理、可靠且兼容性好100Gbps以太網(wǎng)的市場(chǎng)推動(dòng)力：數(shù)據(jù)中心／因特網(wǎng)媒體提供者城域網(wǎng)-視頻／服務(wù)提供者企業(yè)局域網(wǎng)因特網(wǎng)交換／ISP核心路由的選擇圖7-8海量刀片式服務(wù)器機(jī)房的100Gbps以太網(wǎng)配置舉例2007年，IEEE802.3授權(quán)成立IEEE802.3ba40Gbps和100Gbps以太網(wǎng)特別任務(wù)組，IEEE802.3ba標(biāo)準(zhǔn)于2010年完成。它使用多通道分發(fā)技術(shù)獲取需要的速度。多通道分發(fā)：為了容納40Gbps和100Gbps這樣的高數(shù)據(jù)率，端站與以太網(wǎng)交換機(jī)之間的物理鏈路或兩臺(tái)交換機(jī)之間的物理鏈路要以多條并行通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。并行通道可以是獨(dú)立的物理線纜，如：節(jié)點(diǎn)之間的4條并行雙絞線鏈路。并行通道也可以是獨(dú)立的頻道，如：光纖鏈路上的波分復(fù)用。虛通道：在設(shè)備的電氣物理子層之上再定義一個(gè)特殊的多通道結(jié)構(gòu)，稱為物理介質(zhì)附件（PMA）子層。產(chǎn)生的通道被稱為虛通道(virtuallane)；虛通道與實(shí)際通道數(shù)不一致時(shí)，由物理介質(zhì)相關(guān)(PMD)子層分發(fā)；圖7-9100Gbps以太網(wǎng)的多通道分發(fā)用戶數(shù)據(jù)流使用64B/66B編碼，利用簡(jiǎn)單輪詢機(jī)制，以66位為一個(gè)字，將用戶數(shù)據(jù)一次一個(gè)字地分發(fā)到各個(gè)虛通道中：第一個(gè)字給第一個(gè)通道，第二個(gè)字給第二個(gè)通道，依此類推。每個(gè)虛通道會(huì)被定期地插入一個(gè)獨(dú)特的66位對(duì)齊塊。這個(gè)對(duì)齊塊用來(lái)對(duì)虛通道進(jìn)行標(biāo)識(shí)和重新排序，從而重新構(gòu)造數(shù)據(jù)流。對(duì)齊塊，由8個(gè)單字節(jié)字段再加上前綴的兩位同步字段（值為10）組成。Frm字段包含了固定的組幀模式，這個(gè)模式對(duì)所有虛通道都是一樣的，它被接收器用來(lái)定位這個(gè)對(duì)齊塊。VL#字段包含的模式對(duì)虛通道而言是唯一的：其中一個(gè)字段是另一個(gè)字段的二進(jìn)制取反。表7-440Gbps和100Gbps以太網(wǎng)的介質(zhì)選擇縮略語(yǔ)：銅：K=背板；C=電纜組件光纖：S=短距離(100m);L=長(zhǎng)距離(10km);E=加長(zhǎng)距離(40km)編碼機(jī)制：R=64B/66B塊編碼三、IEEE802.1QVLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1Q最近一次更新是在2005年，它定義了VLAN網(wǎng)橋和交換機(jī)的操作。VLAN：虛擬局域網(wǎng)，是一個(gè)從管理上配置的廣播域，由連接到局域網(wǎng)上的終端的一個(gè)子集構(gòu)成。VLAN并不局限于一臺(tái)交換機(jī)支持的交換機(jī)之間通信須指明VLAN成員關(guān)系802.1Q規(guī)定通過(guò)插入攜帶VID（VLAN標(biāo)識(shí)符）的TCI標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)TCI：標(biāo)簽控制信息，通過(guò)802.3MAC幀長(zhǎng)度/類型字段設(shè)置為0x8100指明。TCI兩字節(jié)，含三部分：用戶優(yōu)先級(jí)（3位）這個(gè)幀的優(yōu)先級(jí)別。規(guī)范格式指示（CFI）（1位）以太網(wǎng)交換機(jī)總為0。VLAN標(biāo)識(shí)符（VID）（12位）：0