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  • 以太网存储技术包括
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    2021-05-06 11:19:25

    1.网络存储技术:

    网络存储技术是基于数据存储的一种通过网络进行存储的技术,通过网络设备(包括专用数据交换设备、磁盘阵列或磁带库等存储介质以及专用的存储软件)利用原有网络,或构建一个存储专用网络为用户提供信息存取和共享服务。

    网络存储结构大致分为3种:直连式存储(DAS:Direct Attached Storage)、网络存储设备(NAS:Network Attached Storage)和存储网络(SAN:Storage Area Network)。

    2. 直连方式存储 (Direct Attached Storage-DAS)

    存储设备是通过电缆(通常是SCSI接口电缆)直接到服务器。I/O请求直接发送到存储设备。这种方式是连接单独的或两台小型集群的服务器

    特点是初始费用可能比较低。可是这种连接方式下,对于多个服务器或多台PC的环境,每台PC或服务器单独拥有自己的存储磁盘,容量的再分配困难;对于整个环境下的存储系统管理,工作烦琐而重复,没有集中管理解决方案。所以整体的管理成本较高

    3. 网络连接存储(Network Attached Storage - NAS)

    NAS设备通常是集成了处理器和磁盘/磁盘柜,类似于文件服务器。连接到TCP/IP网络上(可以通过LAN或WAN),通过文件存取协议(例如NFS,CIFS等)存取数据。NAS将文件存取请求转换为内部I/O请求。这种方式是将存储设备连接到基于IP的网络中,不同于DAS和SAN,服务器通过“File I/O”方式发送文件存取请求到存储设备NAS。NAS上一般安装有自己的操作系统,它将File I/O转换成Block I/O,发送到内部磁盘。

    NAS系统有较低的成本,易于实现文件共享。但由于它是采用文件请求的方式,相比块请求的设备性能差;并且NAS系统不适合于不采用文件系统进行存储管理的系统,如某些数据库。

    4. 存储区域网络(Storage Area Network - SAN)

    存储设备组成单独的网络,大多利用光纤连接,采用光纤通道协议(Fiber Channel,简称FC)。服务器和存储设备间可以任意连接,I/O请求也是直接发送到存储设备。光纤通道协议实际上解决了底层的传输协议,高层的协议仍然采用SCSI协议,所以光纤通道协议实际上可以看成是SCSI over FC。

    存储区域网络的优点如下:

    • 服务器和存储设备之间更远的距离(光纤通道网络:10公里相比较DAS的SCSI:25米);
    • 高可靠性及高性能;
    • 多个服务器和存储设备之间可以任意连接
    • 集中的存储设备替代多个独立的存储设备,支持存储容量共享;
    • 通过相应的软件使得SAN上的存储设备表现为一个整体,因此有很高的扩展性;
    • 可以通过软件集中管理和控制SAN上的存储设备,提供数据共享;

    由于SAN通常是基于光纤通道的解决方案,需要专用的光纤通道交换机和管理软件,以SAN的初始费用比DAS和NAS高

    5.IP —SAN

    如果SAN是基于TCP/IP的网络,实现IP-SAN网络。这种方式是将服务器和存储设备通过专用的网络连接起来,服务器通过“Block I/O”发送数据存取请求到存储设备。最常用的是iSCSI技术,就是把SCSI命令包在TCP/IP 包中传输,即为SCSI over TCP/IP。

    IP SAN的优势在于:

    • 利用无所不在的以太网络,一定程度上保护了现有投资;
    • IP存储超越了地理距离的限制,适合于对关键数据的远程备份;
    • IP网络技术成熟,不存在互操作性问题;
    • IP存储减少了配置、维护、管理的复杂度;
    • IP网络已经被IT业界广泛认可-网络管理软件和服务产品可供使用;
    • 千兆网的广泛使用大大提高了IP网络的性能;
    • 万兆网络技术的发展,使IP存储在性能上可以超越FC存储。

    总结:

    • 性能上:FC性能最好,单端口可以达到2Gbps的带宽;NAS性能最差,即使采用千兆网络,通常只能30-40MBps;单千兆iSCSI可以达到60-70MBps;万兆网络下,单万兆口的速度可以超过500MBps。
    • 扩展性上:FC和iSCSI采用SAN的架构,扩展性最好,在存储网络中,易于增加用户或增加存储模块。
    • 应用成本上:FC的应用成本最高,需要配套的昂贵的光纤交换机(8端口光纤交换机大约3-4万元);每个服务器需要配光纤通道卡(光纤通道卡5000-1 万元);以及采用光纤介质;相比之下,iSCSI只需要普通的以太网交换机(8端口千兆交换机1000元);服务器本身带有千兆网口,即使增加一个网卡也 就是500元,采用普通的超五类线就可以,价格可以忽略不计;
    • 市场定位:FC占据高端,iSCSI处于中高端,NAS和DAS处于低端
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    存储网络技术解决主机与存储如何连接的问题

    • 存储连接方式

    1、DAS:直连附加存储

      主机直接连接存储,如通过USB或SCSI口连接

    2、SAN:存储区域网络

    主机通过私有网络与存储相连,若连接介质用光纤则为FC-SAN,用以太网网线则为IP-SAN

    server负责对磁盘进行管理,如分区和格式化

    3、NAS:网络附件存储

    由NAS引擎负责磁阵管理,提供磁盘共享功能。

     

    转载于:https://www.cnblogs.com/jacob-tian/p/6434162.html

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    1. 随着IP技术的发展,以太网作为IP的承载网络已经成为局域网必须选择的技术之一。
    2. 随着以太网技术的发展,它已经超出了局域网的范畴而进入城域网甚至广域网的领域,如现今城域网中广泛采用的10GE技术。
    3. 以太网技术的发展主要是:带宽及技术标准的发展;拓扑结构的发展;运行模式的发展。
    4. 带宽:10Mbps发展到目前10Gbps及更高。高带宽的发展伴随着技术标准的发展,每一代新的技术标准都是向前兼容的。
    5. 网络拓扑:从早期的总线型结构发展到现在的层次性结构。
    6. 运行模式:从半双工模式发展到现在的全双工模式。

    1. 本章目标

    1. 了解以太网发展历程和相关技术标准。
    2. 掌握各种以太网技术的基本原理。
    3. 描述以太网帧格式。
    4. 理解线缆规范和连接方式。

    2. 发展历程

    从1973年诞生以来,以太网技术经历了:

    1. 标准以太网(10Mbps)
    2. 快速以太网(100Mbps)
    3. 千兆位以太网(1000Mbps)
    4. 万兆位以太网(10Gbps)
    5. 40Gbps/100Gbps以太网

    无论如何发展,以太网都遵循了相同的实现机制和基本结构:

    1. 在链路层采用LLC子层和MAC子层
    • LLC(Logic Link Control Sublayer,逻辑链路控制子层)
    • MAC(Media Access Control Sublayer,介质访问控制子层)
    1. 物理层采用PCS、PMA、PMD的层次结构
    • PCS(Physical Code Sublayer,物理编码子层)
    • PMA(Physical Media Attachment Sublayer,物理介质附属子层)
    • PMD(Physical Media Dependent,物理介质相关子层)

    以太网层次结构
    以太网协议标准一般可以描述为IEEE 802.3标准。

    3. 标准以太网

    1. 标准以太网是最早的以太网标准。
    2. 它使用同轴电缆、双绞线、光纤作为传输介质。
    3. 同轴电缆目前已基本不使用,主要是双绞线和光纤。
    4. 不同的介质对应不同的标准:
    • 粗同轴电缆——10Base-5
    • 细同轴电缆——10Base-2
    • 双绞线——10Base-T
    • 光纤——10Base-F

    3.1 以太网帧

    3.1.1 IEEE 802.3的MAC层帧格式

    IEEE 802.3 帧格式
    IEEE 802.3的以太网帧格式如上图所示,由7部分组成:
    帧间隙Inter Frame Gap(每个帧之间必须要留的空隙,至少需要128Bytes)

    1. 前导符
    2. 起始符
    3. 目的地址
    4. 源地址
    5. 类型/长度
    6. 数据/填充
    7. 帧校验序号

    3-7称为以太帧( Ethernet Frame)是可变长度Variable length。
    IEEE 802.3帧格式
    IEEE 802.3-1帧格式
    IEEE 802.3帧格式-1

    1. 前导符(Preamble):用于接收方的接收时钟与发送方的发送时钟进行同步。以太网标准中规定前导码为10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010(二进制),共7字节。
    2. 起始符(Start of Frame Delimiter):以太网标准中规定帧开始定界符为10101011(二进制),共1字节。标志着一帧的开始。
    3. 目的地址(Destination MAC Address):6字节(48位),首字节第八位为0时表示唯一地址或单播地址(Unicast Address),首字节第八位为1时表示组地址或组播地址(Multicast Address)。MAC地址所有位全为1时为广播地址(Broadcast Address)。目的MAC地址为单播地址、组播地址、广播地址的数据帧分别为单播帧、组播帧、广播帧。
    4. 源地址(Source MAC Address):格式等同目的MAC地址。
    5. 类型/长度:表示以太帧封装的消息协议类型;长度表示数据段中的字节数,其值可以为0~1500.
    6. 数据/填充:用于数据填充。当用户数据不足46B时,要求将用户数据凑足46B,以保证IEEE 802.3的帧长度不小于64B(14B帧头+46B数据+4BCRC)。
    7. 帧校验序号(Frame Check Sequence):使用32位循环冗余校验码的错误检验。

    3.1.2 MAC地址

    1. 以太网上的计算机用MAC地址(Medium Access Control Address,介质访问控制地址)作为自己的唯一标识。
    2. MAC地址为二进制48位,常用12位十六进制数表示。

    MAC地址

    1. MAC地址分为24位的OUI(Organizationally Unique Identifier,组织唯一标识符)。
    2. 24位的EUI(Extended Unique Identifier,扩展唯一标识符)
    3. IEEE RA(Registration Authority)是MAC地址的法定管理机构,负责分配OUI,组织(厂商)自行分配其EUI。
    4. MAC地址固化在网卡的ROM(Read Only Memory,只读存储器)中,每次启动时由计算机读取出来,因此也称为硬件地址(Hardware Address)。
    5. 每块网卡的MAC地址是全球唯一的,也即是全网唯一的。
    6. 一台计算机可能有多个网卡,因此也可能同时具有多个MAC地址。

    3.1.3 以太网单播、广播、组播

    1. 以太帧中包含两个MAC地址,一个是发送者的MAC地址,称为源MAC地址。
    2. 一个是帧接受者的地址,称为目的MAC地址。
    3. 单播(Unicast):目的为单一站点的发送称为单播。——填写目的站点的MAC地址
    4. 广播(Broadcast):目的为全部站点的发送称为广播。——填写FFFF.FFFF.FFFF(注意目的地址是6字节的,本例是16进制,2位一字节)
    5. 目的为某一组特定站点的发送称为组播(Multicast)。——填写某一组相应的组播MAC地址。
    6. 以太网卡具有过滤(Filtering)功能。网卡只将发送给自己的帧接收、解封装并提交给上层协议处理。
    7. 对于不是发送给自己的帧则一律丢弃。
    8. 网卡通过维护MAC地址表来实现选择是否丢弃帧。
    9. 有些网卡可以工作在混杂模式(Promiscuous Mode),可以接收任意帧,这类网卡通常用于wireshark等网络协议分析工具中。

    单播与广播

    3.2 冲突检测和处理

    1. 以总线型拓扑结构为例,所有站点使用了公共的电缆系统,共享信道传输,某一时刻只允许一个站点发送数据,当同一时刻有多个站点传输数据,这时就会产生数据冲突。
    2. 所有相互之间可能发生冲突的站点的集合称为一个冲突域。
    3. 以太网采用CSMA/CD冲突检测的载波侦听多路访问机制来规范站点对于共享信道的使用。

    3.2.1 CSMA/CD

    冲突的产生及冲突域

    CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)冲突检测的载波侦听多路访问机制。
    发送端采用CSMA/CD的五个步骤:

    1. 传输前侦听(是否被使用)
    2. 如果电缆忙则等待
    3. 传输并检测冲突(传输过程中也检测,如果发现了冲突,发出冲突信号,告诉所有站点发生了冲突,并停止传输)
    4. 如果冲突发生,重传前等待(等待一定时间再重传)
    5. 重传或夭折(重传最大允许次数为15次)

    接收方处理的四个步骤:

    1. 检查收到的帧并且校验其是否称为碎片。
    2. 检验目标地址。(看看是否需要在本机处理)
    3. 如果目的地址是本机,校验帧的完整性。(CRC校验)
    4. 处理帧

    CSMA/CD是一种简单而容易实现的机制,在以太网上节点不多的情况下工作的很好,但是党数量增加,冲突发生的概率会急剧增加,一般建议一个以太网的冲突域内的主机数量不超过50台。

    3.2.2 全/半双工

    1. IEEE 802.3提供了两种运行模式:半双工和全双工模式。
    2. 只有半双工模式下的共享式以太网才适用CSMA/CD,这种网络也成为传统以太网或者CSMA/CD网络,例如10Base-5。
    3. 全双工网段上,物理介质同时支持发送和接收而不产生干扰(物理介质可以看成是2条)。
    4. 全双工网段上只连接两个站点(线路不是共享的)。
    5. 因为不存在多站点争用共享介质,所以传输时没有冲突,不需要CSMA/CD机制或者其他多点访问算法。
    6. 全双工需要线路支持,站点支持,同时站点要开启全双工。
    7. 早期的全双工模式只是运行在以太网交换机之间,现在全双工模式几乎是全网交换机、服务器、PC都支持。全双工模式的运行使得以太网性能得到成倍的提升。

    3.3 流量控制技术

    1. 在数据传输过程当中,如果发送方发送速率高于接收方接收速率时,就会出现丢帧情况,这时就需要采取流量控制措施。
    2. 在半双工以太网上,利用背压式(Back Pressure)方法进行流量控制。当接收方来不及处理数据时,可以向线路上发送一个电压信号,强行制造冲突,使得发送方暂时退避,从而允许接收方去处理积聚在其缓冲区的数据。
    3. IEEE 802.3还规定了在全双工环境中用PAUSE操作控制流量的方法。在全双工环境中,当接收方来不及处理数据时,可以向保留地址0180.C200.0001发送64B的PAUSE帧,告诉发送方暂停发送。
      以太网流量控制

    3.4 标准以太网数据编码

    1. 标准以太网采用了最常用的曼切斯特(Manchester)编码。
    2. 曼切斯特编码用一个时钟周期表示一个比特。
    3. 在时钟周期的中间使用一次电平转换,如果电平转换是由高位到低位则表示0,如果电平转换由低位到高位则表示1。

    曼切斯特编码波形

    3.5 10Base-5

    1. 10Base-5是一种总线型结构的以太网。
    2. 它使用50Ω的同轴粗缆(Thick Cable)作为传输介质。
    3. 每隔一段可以设置一个收发器(Transceiver)。
    4. 往内的主机通过收发器电缆(Transceiver Cable)与收发器相连,接入以太网。
    5. 粗缆的抗干扰性较强,一根粗缆能够传输500m远的距离,但是粗缆的连接和布设比较麻烦,不便于使用。

    3.5.1 物理介质——同轴电缆

    1. 20世纪80年代推出以太网时,同轴电缆是当时常用的物理介质,以太网通常采用总线型拓扑结构。
    2. 现在的以太网通常采用星型拓扑结构与双绞线。

    同轴电缆,它由四层组成:

    1. 一根中央铜导线
    2. 包围铜导线的绝缘层
    3. 网状金属屏蔽层(负责屏蔽信号和电流回路)
    4. 塑料保护外皮
      同轴电缆剖面图
      同轴电缆的同轴的意思是:它的内部共有两层导体排列在同一轴上(铜芯和屏蔽网层),所以叫同轴。

    同轴电缆的特性:

    1. 铜线传输电磁信号,它的粗细直接决定其衰减程度和传输距离。中心导体越粗,信号传输距离就越远
    2. 绝缘层将铜线与金属屏蔽层隔开。
    3. 网状金属屏蔽层一方面可以屏蔽噪声,另一方面可以作为信号地,它的屏蔽性是十分有效的。
    4. 综上,同轴电缆拥有:出色的屏蔽性、频率特性较好(铜芯较粗)、较大的带宽、能进行高速率的传输。
    5. 大多数同轴电缆固有的带宽远超最好的双绞线。

    同轴电缆的分类:

    1. 粗缆(直径0.5英寸),传输距离500m(10Base-5)
    2. 细缆(直径0.25英寸),传输距离约为200m(10Base-2)
    3. 在粗缆和细缆的两端都采用50Ω的终端电阻(终结器),吸收发送完毕的信号,以便于新信号的接收。
      1英寸=0.25厘米
      同轴电缆
      粗缆和细缆的应用:
    4. 粗缆适用于比较大型的LAN,它的线缆很硬,不容易弯曲,安装难度大,总体造价高。一般现在有光纤电缆来取代它,已经不经常使用。
    5. 细同轴电缆的直径与粗同轴电缆相比要小一些,用于小型LAN内的设备互连。安装相对容易、造价低。如下图所示。
      使用同轴电缆的总线型LAN
      同轴电缆退出互联网主流的原因:
    6. 随着结构化布线日益发展的需求,人们需要稳定的布线结构来支持LAN高速通信,对LAN安装、维护管理的要求越来越高。
    7. 虽然同轴电缆的电路特性比较好,然而在基于同轴电缆连接的总线型拓扑结构以太网中,网络管理麻烦,任何增加或减少布线点的变动都需要重新布线,网络配置需要在各个布线点操作,并且对电缆进行任何相关改动,会影响网络上的其他用户。当一个节点发生故障时,故障会串联影响到整根线缆上的所有机器,故障的诊断和修复都很麻烦。
    8. 这种布线方式难以符合现在的结构化布线系统的需求,因此,同轴电缆逐渐退出舞台,被非屏蔽双绞线和光缆所取代。

    3.5.2 连接器

    1. 计算机与粗缆连接采用的是收发器(Transceiver)。
    2. 每台计算机需要一个收发器和网络相连。
    3. 收发器连接在以太网上,计算机在利用一根电缆连接到收发器上,这根电缆被称为——连接单元接口(Attachment Unit Interface,AUI)电缆。
    4. 计算机网络接口卡和收发器上的连接期间则被称为AUI连接器。
    5. 常用的连接器有N型连接器和同轴活栓连接器。其中同轴活栓连接器如下图。
      同轴活栓连接器

    3.5.3 设备

    10Base-5以太网和10Base-2以太网使用的主要设备有

    1. 网卡
    2. 中继器

    网卡:

    1. 网络接口卡(Network Interface Card,NIC)负责将设备所要传递的数据转换为网络上其他设备能够识别的格式,通过网络介质传输数据。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。
    2. 每个网络接口卡都有一个物理地址(MAC地址)。这个MAC地址再出厂时,由网络接口卡制造商将其写入网络接口卡的ROM芯片中。
    3. 将网络接口卡插在计算机的主板中,这台计算机就有了MAC地址。

    中继器:

    1. 中继器(Repeater)智能简单地重复并放大电信号,因此可以认为中继器属于物理层设备。

    3.5.4 拓扑结构及扩展

    1. 对于10Base-5和10Base-2而言,拓扑结构都为总线型。
    2. 当单一线缆段(Cable Segment)距离不足的时候,可以用中继器(Repeater)扩展连接距离。
    3. 而由中继器连接起来的多个线缆段共同形成一个物理段(Physical Segment),如图所示。
    4. 随着范围的扩展,一个物理段内发生冲突的概率和冲突检测的困难也不断增加,因而这种扩展是有限的。
    5. 10Base-5和10Base-2最多只能串联4个中继器,扩展到5个线缆段的距离,其中只有3个线缆段能连接主机,其余两个仅作为延长段。
    6. 但不论扩展多远,一个物理段内的所有线缆全部属于同一个冲突域。

    总线型以太网拓扑扩展

    3.6 10Base-2

    1. 10Base-5以太网的传输距离可以达到500m,但是由于粗同轴电缆的安装弱操作性以及建设成本,目前都使用较多的是细同轴电缆。
    2. 细同轴电缆采用10Base-2,传输距离为185m。
    3. 连接器方面也做了改进,采用BNC T型连接器。BNC直接连接在计算机的网络接口卡上,不需要粗缆中的中间连接设备。
    4. BNC连接器有3个接口,T型底部连接到计算机的网络接口卡上,另外两边连接细缆,以便允许信号进出网络接口卡。
      BNC T型连接器

    3.7 10Base-T

    1. 10Base-T以太网技术从物理介质和连接器方面都进行根本性的变革设计,并由此使得以太网物理拓扑结构从原来的总线型结构改为星型拓扑结构。
    2. 物理介质使用双绞线。
    3. 连接器采用了强可操作性的RJ-45连接器。
    4. 起初采用集线器(HUB)作为网络的核心,所有主机都通过双绞线(Twisted-Pair Cable)连接到集线器,双绞线的两端都采用RJ-45标准接头。
    5. 在采用3类UTP(Category 3 Unshielded Twisted Pair,第3类无屏蔽双绞线)时,一根双绞线最大距离为100m;采用5类UTP时可达150m。
    6. 由于部署方便,容易排除故障等原因,10Base-T逐渐成为流行的以太网标准。
    7. 10Base-T以太网采用双绞线作为物理传输介质,当使用交换机作为网络的核心时,在计算机与交换机之间,使用两对铜质双绞线,一对专门用于数据的发送,另一对专门用于数据的接收,很容易地实现了数据的同时收发功能,即全双工状态。(只是使用了双绞线的4根线)

    3.7.1 物理介质——双绞线

    1. 双绞线(Twisted Pair,TP)由两根具有绝缘层保护层的铜导线组成。
    2. 每根铜导线都有绝缘材料,然后两根线再按一定密度相互绞在一起,就可以改变导线的电气特性,可以降低信号干扰的程度,因为两条导线分别携带的信号的相位相差180度,外界电磁干扰给两个电流带来的影响将相互抵消,从而使信号不至于迅速衰退。
    3. 其次每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消,限制了电磁能量的发射,有助于防止双绞线汇总的电流发射能量干扰其他导线。
    4. 双绞线的最大布线距离是100m,双绞线的典型带宽是250kHz。
    5. 双绞线分为:屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线(也称无屏蔽双绞线)

    屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair,STP)
    带有屏蔽层,可以用于周围有产生强电磁场设备的强干扰源场合(如大型空调等)。
    非屏蔽双绞线(Unshiedled Twisted Pair,UTP)
    STP电缆和UTP电缆
    10Base-T命名规范:

    1. 10表示最大传输传输速率为10Mbps,使用的是基带通信,为双绞线类型。
    2. 10代表最大传输速率为10Mbps。
    3. Base代表采用基带传输方法传输信号。
    4. T代表UTP
    5. 以上这种UTP也称为Category 3(Cate 3)电缆。
    6. 以下列出了EIA/TIA协会制定的双绞线电缆标准:
      UTP双绞线分类

    3.7.2 连接器

    1. 连接UTP与STP采用的是RJ-45连接器(俗称水晶头),它类似于电话连接器。
    2. 一端连接在计算机的网络接口卡上,另一端可以连接集线器、交换机、路由器等网络设备。
      RJ-45连接器

    3.7.3 设备

    10Base-T以太网的主要设备有:

    1. 网卡
    2. 集线器
    3. 交换机

    网卡:

    1. 网卡又称为网络适配器(Network Adapter)或者网络接口卡(Network Interface Card)
    2. 网卡是工作在数据链路层的网络组件,是局域网中连接计算机和传输介质的接口。
    3. 网卡的功能:实现计算机与物理介质之间的物理连接和电信号匹配、帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码、数据缓存等。
    4. 网卡上面有处理器和存储器(包括RAM和ROM)。
    5. 网卡和局域网之间的通信时通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的。
    6. 网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行。
    7. 由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同,因此网卡中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。
    8. 在安装网卡时必须将管理网卡的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。
    9. 网卡还要能够实现以太网协议,实现介质访问和数据帧的封装与拆封。

    集线器

    1. 10Base-T的核心是以太网集线器(HUB)。
    2. 集线器是单一总线共享式设备,提供多个网络接口,负责将网络中多个计算机连接在一起。
    3. 共享是指集线器所有用户(端口)共用一条数据总线。
    4. 集线器只是简单地将输入信号重复发给连接在它端口上的所有设备,因此平均每用户(端口)传递的数据量、速率等受活动用户(端口)总数量的限制。
    5. 虽然10Base-T在物理上呈星型拓扑结构,但集线器的内部结构和工作原理仍然与总线型相同。在任意时刻,全部端口中只有一个能接收进入的信号,而这个引号将传递到其他全部的端口上。
    6. 任意时刻,在集线器连接的所有主机中,只有一台主机能发送数据,而这些数据信号将传送到所有其他主机处。
    7. 集线器的所有端口都只能工作在半双工(half-duplex)模式下。
    8. 集线器只负责传输电信号,因此可以认为其工作在物理层。
      集线器

    交换机

    1. 交换机(Switch)与集线器一样,交换机完成局域网内的数据转发。
    2. 交换机在发送和接收主机之间形成了一个虚电路,使各端口设备能独立地进行数据传递而不受其他设备影响。
    3. 表现在用户面前即是各端口有独立、固定的带宽,即交换机的每一个端口是一个单独的冲突域。
    4. 交换机还具备集线器欠缺的功能,如数据过滤、网络分段、广播控制等。
      交换机

    3.7.4 拓扑结构及拓展

    1. 10Base-T以太网的物理拓扑结构是星型。可以使用集线器或交换机对拓扑结构进行扩展。
    2. 当使用集线器时,物理拓扑是星型,逻辑拓扑是总线型。
    3. 当使用交换机时,物理拓扑和逻辑拓扑都是星型。

    使用集线器对拓扑进行扩展

    1. 10Base-T的单一线缆段长度为100m,故直径不超过200m。
    2. 当连接距离不足时,可以用集线器级联起来扩展连接距离。
    3. HUB智能简单重复并放大电信号,因此集线器连接起来的多个线缆段共同形成一个物理段,属于同一个冲突域。
    4. 10Base-T最多只能串联4个集线器,扩展到5个线缆段的距离,其中只有3个线缆段能连接主机,其余两个仅作为延长段。
      使用集线器扩展以太网拓扑

    使用交换机对拓扑进行扩展
    交换机缓存到达的每个帧,并根据其目的将其从适当的端口发出。这样有以下好处:

    1. 由于缓存、判断和过滤机制的存在,以太网交换机可以将冲突域分隔开,避免了冲突域过大造成的信道利用率下降问题,提高了带宽利用率,增加了吞吐量。
    2. 以太网的物理范围不再受集线器级联数量的限制,可以扩展到较远的范围。
    3. 以太网交换机可以利用其缓存机制,使不同的端口工作在不同的速度和双工状况下,以适应不同的以太网类型。
      使用交换机扩展以太网拓扑

    3.8 10Base-F

    1. 由于电信号在铜质介质中传输回发生衰减和相互干扰,传输距离收到了较大限制。
    2. 5-4-3法则,即在IEEE802.3规范中,任何两个工作站之间的连接不能超过5个电缆段、4个集线器和3条共享网段。
    3. 光纤将需要传输的电信号转换成光信号后在光纤中传输,而在光纤的另一端,通过逆向操作完成光信号到电信号的转换,从而实现长距离的传输。
    4. IEEE在1993年正式退出标准以太网IEEE 802.3j 10Base-F标准,采用光纤为传输介质。
    5. 光信号的传输,也收到光波波长和光纤传输频宽的限制,实际使用中使用到的两种光纤:多模光纤和单模光纤。
    6. 国模光纤传输的频宽较大,传输的光波波长一般为850ns。
      7.单模光纤传输的频宽较小,传输的光波波长一般为1310ns或1550ns。
    7. 多模光纤由于频宽较宽,容易导致光信号在传输过程中发生色散等物理变化而致使光信号失真,所以其传输距离相对于单模光纤要小得多。10Base-F以太网中,多模光纤的传输距离可以达到2km,而单模光纤则可以达到10km甚至更远。

    3.8.1 光纤简介

    1. 光纤是用玻璃制成的光导纤维。
    2. 多条光纤组成的传输线就是光缆,计算机网络中的光缆一般由偶数条光纤组成。
    3. 光纤的中心是光传播的玻璃芯,多模光纤的芯的直径是50μm,大约与人的头发的粗细相当。
    4. 单模光纤芯的直径为8~10μm。
    5. 光芯之外包围着一层折射率比光芯折射率低的玻璃封套,以使光纤保持在光芯之内传输,再外一层是塑料外套,用来保护封套。
      光纤示意图
      光纤的连接方式:
    6. 将光纤接入连接头并插入光纤插座。连接头要损耗10%~20%的光。这种一般叫光纤跳线。
    7. 用机械方法将其接合。方法是将两根小心切割好的光纤放在一个套管中,然后钳起来。可以让光纤通过结合处来调整,以使信号达到最大。机械结合需要训练过的人员大约5min的时间完成,光的损失大约为10%。
    8. 两根光纤可以融合在一起形成坚实的连接,融合方法形成的光纤和单根光纤几乎是相同的,但仍有一点衰减。

    光纤信号源:

    1. 发光二极管
    2. 固体激光器
      发光二极管和固体激光器的特性
      光纤接收端:
    3. 光纤的接收器是由光电二极管构成的,当遇到光时,光电二极管就会给出一个电脉冲。
    4. 光电二极管的响应时间一般是1ns,这就是把数据传输限制在1Gbps之内的原因。
    5. 热噪声也是一个问题,因此光脉冲必须具有足够的能量以便能被检测到,如果脉冲足够强,那么出错的概率就可以降到极低的水平。

    3.8.2 光网络中光纤的结构和分类

    1. 目前计算机网络中的光纤主要采用石英玻璃制成的,横截面较小的双层同心圆柱体。
    2. 裸光纤由纤芯和包层组成,折射率高的中心部分叫做光纤芯,折射率低的外围部分叫做包层。
    3. 最外面还有一层外套。

    最常用的分类方法:
    根据传输点模数的不同:

    1. 单模光纤
    2. 多模光纤

    所谓的模,是指以一定的角速度进入光纤的一束光。

    1. 单模光纤采用固定体激光器做光源
    2. 多模光纤采用发光二极管做光源

    单模和多模的区别:

    1. 多模光纤允许多束光在光纤中同时传播,从而会形成模分散,模分散特性限制了多模光纤的带宽和距离,多模光纤的芯线粗,传输速度低、距离短,整体的传输性能差,但其成本比较低,一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境。
    2. 单模光纤智能允许一束光传播,所以单模光纤没有模分散特性,因而,单模光纤的纤芯细,传输频带宽、容量大,传输距离长,但因其需要激光源,成本较高,通常在建筑物之间或地域分散时使用。

    3.8.3 常用的光纤连接器

    常用光纤连接器

    3.8.4 光纤的优点

    1. 光纤抗张强度好、质量小、小乔,光缆能最大限度地扩大配线管道的使用率。新线路的安装费用低廉。
    2. 光纤不带电,是用于易燃、易爆等危险环境的理想材料。
    3. 光纤不会受电磁场的干涉影响,光纤能提供比铜线更清晰的信号。光纤信号衰减较小,30km才需要一个中继器,铜线一般5km就需要一个中继器。
    4. 光纤提供的带宽高。
    5. 光纤不漏光且难于拼接,可以防止被窃听,安全系数很高。

    光纤的不利因素

    1. 光的传输是单向的,双向传输需要两根光纤或在一根光纤上的两个频段。
    2. 光纤接口的价格比较贵。

    4. 快速以太网

    1. 标准以太网以10Mbps的速率传输数据,随着互联网发展,快速以太网应运而生。
    2. 快速以太网仍沿用标准以太网的机制,在双绞线或光纤上进行数据传输,但是采用了更高的传输时钟频率,可以更快的速率传输数据。
    3. 常见的快速以太网标准:100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX、100Base-T2

    100Base-TX

    1. 快速以太网中最流行的是100Base-TX
    2. 100Base-TX采用2对5类UTP线和RJ-45接头。
    3. 单条线缆长度可达100m
    4. 大多数采用5类双绞线作为布线标准

    100Base-FX

    1. 使用光缆的10Base-FX,它使用2束多模光纤提供100Mbps的带宽传送距离可达2000m。

    交叉线和直连线:

    1. 对于以太网物理接口,无论是电口还是光口,在接口上一般都存在发送信号的引脚和接收信号的引脚。
    2. 如果两个设备通过物理介质相连时,需要将一方发送信号的引脚和另一方接收信号的引脚相连。一般可以通过双绞线的线对交叉或光纤线缆的交叉来实现这一基本需求。
    3. 为了简化传输线缆的制作和连接,一些设备也具备内部信号引脚交叉的功能(自动翻转?)。
    4. 以太网规定了MDI(Medium Dependent Interface,介质相关接口)与MDI-X(Medium Dependent Interface Crossover)两种接口类型。
    5. 具有内部信号引脚交叉功能的接口就是MDI-X接口(交叉线)。目前这种技术只在电接口上实现,而光纤接口仍采用线缆交叉来实现互联。
    6. 普通主机、路由器等的网卡通常为MDI类型;
    7. 以太网集线器、以太网交换机等集中接入设备的接入端口通肠胃MDI-X类型。
    8. 当同种类型的接口(两个接口都是MDI或都是MDIX)通过双绞线互联=连时,使用交叉网线(Crossover Cable)。
    9. 当不同类型的接口(一个接口是MDI,一个接口是MDIX)通过双绞线互连时,使用直连网线(Straight-Through Cable)。
      MDI/MDI-X协商对照表
    10. 实际上现在很多支持MDI-X接口的设备同时支持MDI接口,可以通过协商在两种接口之间进行自动选择。具备智能MDI/MDIX识别技术,这样在连接时就不必考虑所用网线是直连线还是交叉线。
      交叉与直连网线线序

    5. 千兆位以太网

    1. 快速以太网的应用范围较广,已经成为接入设备的基本接入技术。
    2. 在网络的汇聚点或服务器接入点等流量较大的位置就需要一种带宽更高的连接结束,千兆位以太网(Gigabit Ethernet)应运而生。
    3. 千兆位以太网仍然使用IEEE 802.3帧格式,在半双工方式下仍然使用CSMA/CD处理冲突,网速提升至1Gbps。

    IEEE 802.3z定义的千兆位以太网标准如下:

    1. 1000Base-SX主要适用于多模光纤传输线路,使用850nm短波激光,在采用直径50μm的多模光纤时传输距离可达275m,采用直径62.5μm的多模光纤时传输距离可达550m。
    2. 1000Base-LX主要为适应单模光纤传输线路而设计。使用1310nm长波激光。在采用直径50μm/62.5μm的多模光纤时传输距离可达550m,采用直径10μm的单模光纤传输距离可达5000m。
    3. 1000Base-CX使用2对STP(Shielded Twisted-Pair),最大传输距离25m。
    4. IEEE 802.3ab定义了基于铜线的千兆位以太网——1000Base-T。采用4对5类UTP,最大传输距离100m。
    5. 以太网技术发展到快速以太网和千兆位以太网以后,高速率的支持自协商适应低速率网络。1000Base-TX和1000Base-T都定义了向下兼容到10Base-T的自协商技术。
    6. 自协商技术的优先级排序按照高速率优于低速率、全双工优于半双工、低传输频率优于高传输频率的规则进行。
    7. 1000Base-T 全双工 > 1000Base-T 半双工 > 100Base-T2 > 100Base-TX 全双工 > 100Base-T2 半双工 > 100Base-T4 > 100Base-TX 半双工 > 10Base-T 全双工 > 10Base-T 半双工

    6. 万兆位以太网

    1. 万兆位的以太网速率进一步提升,10Gbps。
    2. 为了能够在现有传输网络中得到很好的应用,兼容设计了多种物理层实体(PHY),包括局域网专用的10GBase-R、采用SDH/SONET传输的10GBase-W、采用WDM传输的10GBase-X。
    3. 万兆位以太网从设计商已经扩大了应用范围,这是其他任何以太网技术都没有考虑到的。
    4. 万兆位以太网仍然使用IEEE 802.3帧格式,但没有半双工模式,只有全双工工作模式,由IEEE 802.3ae定义。

    光纤波长的分类:
    根据光纤波长的不同,10GE又细分多种情况:
    光纤波长划分协议
    根据物理特性,H3C 10GE接口有两种工作模式:

    1. LAN模式,工作在该模式下的10GE接口传输以太网报文,用于连接以太网
    2. WAN模式,工作在该模式下的10GE接口传输SDH(Synchronous Digital Hierarchy,同步数字系列)报文,用于连接SDH网络。接口工作在WAN模式下仅支持点到点的报文传输。

    不同规格,最远传输距离也不相同,如下图所示:
    IEEE 802.3ae 10GE支持的最远传输距离

    7. 本章总结

    第4章 本章总结

    8. 习题

    第4章习题

    展开全文
  • 分析了实时以太网技术的发展现状和发展趋势,并比较了当前主流的五种以太网标准的技术特点。针对EtherCAT实时以太网技术进行了细致的介绍和分析,并介绍了一种基于EtherCAT技术构建的多轴运动控制卡的实现。
  • 综述了传统煤矿监控系统采用的现场总线技术,分析了传统总线通信的局限性,介绍了利用嵌入式工业以太网技术构建监控系统的模型及实现方案,该系统有效提高了信息传输的安全性与实时性,在煤矿企业有良好的推广前景。
  • 帧由包含网络层数据报的数据字段和多个数据字段组成。它规定了帧的结构以及通过链路传输帧的信道访问协议。 可靠的交付:数据链路层提供可靠的交付服务,即无错误地传输网络层数据报。通过传输和确认完成可靠的传送...

    5 数据链路层

    数据链路层的主要职责是通过单个链路传输数据报。数据链路层协议定义了跨节点交换的数据包的格式以及错误检测,重传,流控制和随机访问等操作。

    数据链路层提供服务:

    在这里插入图片描述

    成帧和链路访问:数据链路层协议在链路层传输之前将每个网络帧封装在链路层帧内。帧由包含网络层数据报的数据字段和多个数据字段组成。它规定了帧的结构以及通过链路传输帧的信道访问协议。

    可靠的交付:数据链路层提供可靠的交付服务,即无错误地传输网络层数据报。通过传输和确认完成可靠的传送服务。数据链路层主要通过链路提供可靠的传送服务,因为它们具有较高的错误率并且可以在本地校正,发生错误的链路而不是强制重新传输数据。

    流控制:接收节点可以以比处理帧更快的速率接收帧。如果没有流量控制,接收器的缓冲区可能会溢出,帧可能会丢失。为了克服这个问题,数据链路层使用流控制来防止链路一侧的发送节点压倒链路另一侧的接收节点。

    错误检测:可以通过信号衰减和噪声引入错误。数据链路层协议提供了一种检测一个或多个错误的机制。这是通过在帧中添加错误检测位来实现的,然后接收节点可以执行错误检查。

    纠错:纠错与错误检测类似,不同之处在于接收节点不仅检测错误,还确定错误发生在帧中的位置。

    半双工和全双工:在全双工模式下,两个节点都可以同时传输数据。在半双工模式下,只有一个节点可以同时传输数据。

    5.1错误检测

    当数据从一台设备传输到另一台设备时,系统不保证该设备接收到的数据与另一台设备发送的数据是否相同。错误是接收端收到的消息与传输的消息不同的情况。

    错误可以分为两类:单比特错误和突发错误

    在这里插入图片描述

    1.单比特错误
    给定数据单元的唯一一位从1变为0或从0变为1。

    在这里插入图片描述

    单比特错误主要发生在并行数据传输中。例如,如果使用8条线来发送一个字节的8位,如果其中一条线路有噪声,则每个字节会损坏单个位。

    2.突发错误
    两个或多个位从0更改为1或从1更改为0称为突发错误。从第一个损坏位到最后一个损坏位确定突发错误。

    在这里插入图片描述

    突发错误最有可能发生在串行数据传输中。受影响的位数取决于噪声和数据速率的持续时间。

    5.2纠错

    最流行的错误检测技术是:单一奇偶校验、二维奇偶校验、校验、循环冗余校验

    1.单一奇偶校验

    单奇偶校验是一种简单的机制,检测错误的成本低廉。在该技术中,冗余比特也称为奇偶校验比特,其附加在数据单元的末端,使得1的数量变为偶数。因此,传输比特的总数将是9比特。
    如果1位的数量是奇数,则附加奇偶校验位1,如果1位的数量是偶数,则在数据单元的末尾附加奇偶校验位0。

    在接收端,根据接收的数据位计算奇偶校验位,并与接收的奇偶校验位进行比较。

    此技术生成偶数的总数为1,因此称为偶数奇偶校验。

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    单奇偶校验的缺点有两点:第一,它只能检测非常罕见的单位错误;第二,如果两个位互换,则它无法检测到错误。

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    2.二维奇偶校验

    使用以表格形式组织数据的二维奇偶校验可以提高性能。为每一行计算奇偶校验位,相当于单奇偶校验。

    在二维奇偶校验中,将一个位块分成行,并将冗余位行添加到整个块中。

    在接收端,奇偶校验位与根据接收数据计算的奇偶校验位进行比较。

    在这里插入图片描述

    二维奇偶校验的缺点有两点:第一,如果一个数据单元中的两个位被破坏,而另一个数据单元中完全相同位置的两个位也被破坏,那么二维奇偶校验器将无法检测到错误;第二,在某些情况下,此技术不能用于检测 4 位或更多位错误。

    3.校验

    校验和是基于冗余概念的错误检测技术。它分为两部分:校验和生成器以及校验和检查

    校验和在发送方生成。校验和生成器将数据细分为每个n位的相等段,并且所有这些段通过使用一个补码算法加在一起。该和被补充并附加到原始数据,称为校验和字段。扩展数据通过网络传输。

    在这里插入图片描述

    校验和在接收方验证。接收器将输入数据细分为每个n比特的相等段,并且将所有这些段加在一起,然后补充该总和。如果和的补码为零,则接受数据,否则拒绝数据。

    接收方遵循以下步骤:

    • 块单元被分成k个部分和n个比特中的每一个。
    • 通过使用一个补码算法将所有k个部分加在一起得到总和。
    • 总和是补充。
    • 如果和的结果为零,则接受数据,否则丢弃数据。

    4.循环冗余校验(CRC)
    CRC是用于确定错误的冗余错误技术。以下是CRC中用于错误检测的步骤:

    第一步:在CRC技术中,一串n 0被附加到数据单元,并且该n数小于预定数量的比特数,称为n + 1比特的除法。

    第二步:使用一个过程将新扩展的数据除以除数称为二进制除法。从该除法产生的余数称为CRC余数。

    第三步:CRC余数替换原始数据末尾的附加0。这个新生成的单元被发送到接收器。

    第四步:接收器接收数据,然后接收CRC余数。接收器将整个单元视为一个单元,并将其除以用于查找CRC余数的相同除数。

    如果该除法的结果为零,这意味着它没有错误,并且数据被接受。如果该除法的结果不为零,则意味着数据由错误组成。因此,数据被丢弃。

    在这里插入图片描述





    5.3数据链路控制

    数据链路控制是数据链路层提供的服务,可通过物理介质提供可靠的数据传输。例如,在半双工传输模式中,一个设备一次只能传输数据。如果链路末端的两个设备同时传输数据,它们将发生冲突并导致信息丢失。数据链路层提供设备之间的协调,以便不发生冲突。

    数据链路层提供三个功能:

    • 线路控制
    • 流量控制
    • 错误控制

    在这里插入图片描述

    1.线路控制
    线路控制是数据链路层的一项功能,它提供链路系统之间的协调。它确定哪个设备可以发送,以及何时可以发送数据。

    线路控制可以通过两种方式实现:ENQ/ACK、Poll/select。

    (1) END / ACK
    END / ACK代表查询/确认当链路上没有错误的接收器并且在两个设备之间具有专用路径以使得能够接收传输的设备是预期的设备时使用。END / ACK协调哪个设备将开始传输以及接收者是否准备好。
    发送器发送称为查询(ENQ)的帧,询问接收器是否可用于接收数据。

    接收器响应肯定确认(ACK)或否定确认(NACK),其中肯定确认意味着接收器准备接收传输,否定确认意味着接收器不能接受传输。

    以下是接收者的回复:

    • 如果对ENQ的响应是肯定的,则发送方将发送其数据,并且一旦其所有数据都已被发送,则设备利用EOT(发送结束)帧完成其发送。
    • 如果对ENQ的响应是否定的,则发送方断开连接并在另一时间重新开始传输。
    • 如果响应既不是负面也不是正面,则发送方假定ENQ帧在传输过程中丢失,并且在放弃之前尝试三次建立链接。

    在这里插入图片描述

    (2) Pool/Select
    线路控制的Pool/Select方法适用于将一个设备指定为主站,而其他设备为二级站的拓扑。

    在这种情况下,主设备和多个从设备组成一条传输线,所有的交换都是通过主设备进行的,即使目的地是从设备。主要设备控制通信链路,而次要设备遵循主要设备的指令。主要设备确定允许哪个设备使用通信信道。因此,我们可以说它是会话的发起者。

    如果主设备想要从辅助设备接收数据,它会要求辅助设备发送任何数据,这个过程称为Pool。如果主设备想要向从设备发送一些数据,那么它会告诉目标从设备准备接收数据,这个过程称为Select。

    Select
    当主设备有要发送的内容时使用Select模式。

    当主设备想要发送一些数据时,它通过发送选择(SEL)帧向辅助设备警告即将到来的传输,帧的一个字段包括预期的辅助设备的地址。

    当辅助设备接收SEL帧时,它发送指示辅助就绪状态的确认。

    如果辅助设备准备好接受数据,则主设备将两个或更多个数据帧发送到预期的辅助设备。数据传输完成后,辅助设备会发送一个确认,指出已收到数据。

    在这里插入图片描述

    Pool
    当主设备想要从辅助设备接收一些数据时,使用轮询模式。

    当主设备想要接收数据时,它会询问每个设备是否有任何要发送的内容。

    首先,主要询问(轮询)第一个辅助设备,如果它以NACK(否定确认)响应则表示它没有任何要发送的内容。现在,它接近第二个辅助设备,它用ACK响应意味着它有要发送的数据。辅助设备可以一个接一个地发送一个以上的帧,或者有时可能需要在发送每个帧之前发送ACK,这取决于所使用的协议的类型。

    在这里插入图片描述

    2.流量控制
    它是一组程序,告诉发送方在数据压倒接收方之前它可以传输多少数据。接收设备具有有限的速度和有限的存储器来存储数据。因此,接收设备必须能够在达到限制之前通知发送设备暂时停止发送。它需要一个缓冲区,一块内存,用于存储信息,直到它们被处理完毕。

    目前有两种方法来控制数据流:停止与等待、滑动窗口

    (1) 停止与等待
    在停止与等待方法中,发送方在它发送的每个帧之后等待确认。
    收到确认后,只发送下一帧。交替发送和等待帧的过程继续,直到发送者发送EOT(发送结束)帧。

    停止等待的好处

    停止与等待方法很简单,因为在发送下一帧之前检查并确认每个帧。

    停止等待的缺点

    停止等待技术使用效率低,因为每个帧必须一直传输到接收器,并且确认在下一帧发送之前一直传播。发送和接收的每个帧使用遍历链路所需的整个时间。

    (2) 滑动窗口
    滑动窗口是一种流控制方法,其中发送方可以在获得确认之前发送若干帧。在滑动窗口控制中,可以一个接一个地发送多个帧,由于可以有效地利用通信信道的容量。滑动窗口是指发送方和接收方端的虚拟框。窗口可以在任一端保持帧,并且它提供在确认之前可以传输的帧数的上限。

    发件人窗口
    在传输开始时,发送方窗口包含n-1帧,当它们被发送出去时,左边界向内移动缩小窗口的大小。例如,如果窗口的大小为w,如果发送了三个帧,则发送方窗口中遗漏的帧数为w-3。

    一旦ACK到达,则发送方窗口扩展到将等于ACK确认的帧数的数字。

    例如,窗口的大小为7,如果已发送帧0到4并且没有到达确认,则发送方窗口仅包含两个帧,即5和6.现在,如果ACK已到达,则数字4表示0到3帧未损坏,发送方窗口扩展到包括接下来的四个帧。因此,发送方窗口包含六个帧(5,6,7,0,1,2)。

    在这里插入图片描述

    接收窗口

    在传输开始时,接收器窗口不包含n帧,但它包含n-1个帧空间。当新帧到达时,窗口的大小会缩小。

    接收器窗口不表示接收的帧数,但它表示在发送ACK之前可以接收的帧数。例如,窗口的大小是w,如果接收到三个帧,则窗口中可用的空间数是(w-3)。

    一旦发送确认,接收器窗口扩展的数量等于确认的帧数。

    假设窗口的大小为7意味着接收器窗口包含七个帧的七个空格。如果接收到一帧,则接收器窗口收缩并将边界从0移动到1.这样,窗口逐个缩小,因此窗口现在包含六个空格。如果已发送0到4的帧,则窗口在发送确认之前包含两个空格。

    在这里插入图片描述

    3.错误控制

    错误控制是一种错误检测和重传技术。错误控制的类型如下:

    在这里插入图片描述

    (1) 停止等待ARQ
    停止等待ARQ是一种用于在帧损坏或丢失的情况下重新传输数据的技术。该技术的工作原理是发送方在收到最后发送帧的确认之前不发送下一帧。

    (2) 重传

    重传需要四个功能

    • 发送设备保留最后发送帧的副本,直到收到确认。如果未正确接收帧,则保留副本允许发送方重新传输数据。
    • 数据帧和ACK帧都交替编号为0和1,以便可以单独识别它们。假设数据1帧确认数据0帧意味着数据0帧已正确到达并期望接收数据1帧。
    • 如果在最后发送的帧中发生错误,则接收器发送未编号的NAK帧。收到NAK帧后,发送方重新发送数据。
    • 它适用于计时器。如果在规定的时间内没有收到确认,则发送方认为帧在传输过程中丢失,因此它将重新发送帧。

    重传的两种可能性

    • 损坏的帧:当接收器接收到损坏的帧时,即帧包含错误,然后它返回NAK帧。例如,当发送数据0帧,然后接收器发送ACK 1帧意味着数据0已正确到达,并发送数据1帧。发送方发送下一帧:数据1.它达到未损坏,接收方返回ACK 0.发送方发送下一帧:数据0.接收方报告错误并返回NAK帧。发送方重新传输数据0帧。
    • 丢失帧:发送者配备定时器,并在帧发送时启动。有时框架没有到达接收端,因此无论是正面还是负面都不能确认。发送器等待确认,直到定时器熄灭。如果定时器熄灭,它将重新发送最后一个发送的帧。

    (3) 滑动窗ARQ
    滑动窗ARQ是一种用于连续传输错误控制的技术。

    用于重传的三个功能

    • 在这种情况下,发送方保留所有发送帧的副本,直到它们被确认为止。假设已经发送了从0到4的帧,并且最后一次确认是针对第2帧,发送方必须保留第3帧和第4帧的副本,直到它们正确接收为止。
    • 接收器可以根据条件发送NAK或ACK。NAK帧告诉发件人数据已被收到损坏。由于滑动窗口是连续传输机制,因此必须对ACK和NAK进行编号以识别帧。ACK帧由一个数字组成,表示接收方希望接收的下一帧。NAK帧由表示损坏帧的数字组成。
    • 滑动窗口ARQ配备有计时器以处理丢失的确认。假设在收到任何确认之前已经发送了n-1帧。发送方等待确认,因此它启动计时器并等待再发送之前。如果分配的时间用完,则发送方根据使用的协议重新发送一个或所有帧。

    滑动窗口ARQ中使用的两个协议
    Go-Back-n ARQ:在Go-Back-N ARQ协议中,如果一帧丢失或损坏,则它重新发送所有帧,之后它不接收肯定ACK。

    选择性拒绝ARQ:选择性拒绝ARQ技术比Go-Back-n ARQ更有效。在该技术中,仅重传那些已经接收到否定确认(NAK)的帧。接收器存储缓冲区保持所有损坏的帧保持不变,直到正确接收到错误帧。接收器必须具有适当的逻辑,以便以正确的顺序重新插入帧。发送方必须包含一个搜索机制,该机制仅选择所请求的重传帧。





    6 STM32 的 ETH 外设

    前文讲解了以太网的相关理论知识,接下来笔者将从实际出发,介绍STM32XX7系列ETH外设,从而将理论结合实际应用。

    如果从硬件角度来看以太网,则由CPU,MAC,PHY三部分组成的,如下图所示:

    在这里插入图片描述



    上图中DMA集成在CPU,CPU、MAC、PHY并不是集成在同一个芯片内,由于PHY包含大量模拟器件,而MAC是典型的数字电路,考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因,将MAC集成进CPU而将PHY留在片外,这种结构是最常见的。 下图是网络接口内部结构图,虚框表示CPU,MAC集成在CPU中,PHY芯片通过MII接口与CPU上的MAC连接。

    STM32XX7系列控制器内部集成了一个以太网外设,它实际是一个通过 DMA 控制器进行介质访问控制 (MAC),它的功能就是实现 MAC 层的任务。

    以太网提供了可配置、灵活的外设,用以满足客户的各种应用需求。它支持与外部物理层(PHY) 相连的两个工业标准接口:默认情况下使用的介质独立接口 (MII)(在 IEEE 802.3 规范中定义)和简化介质独立接口 (RMII)。它有多种应用领域,例如交换机、网络接口卡等。Nucleo-F746ZG借助以太网外设,STM32F746 控制器可以通过 ETH 外设按照 IEEE 802.3-2002 标准发送和接收 MAC 数据包。遵循IEEE 1588-2008 标准,用于规定联网时钟同步的精度。

    ETH 内部自带专用的 DMA 控制器用于 MAC, ETH 支持两个工业标准接口介质独立接口 (MII)和简化介质独立接口 (RMII) 用于与外部 PHY 芯片连接。 MII 和 RMII 接口用于 MAC 数据包传输, ETH 还集成了站管理接口 (SMI) 接口专门用于与外部 PHY 通信,用于访问 PHY 芯片寄存器。

    ETH 有专用的 DMA 控制器,它通过 AHB 主从接口与内核和存储器相连, AHB 主接口用于控制数据传输,而 AHB 从接口用于访问“控制与状态寄存器” (CSR) 空间。在进行数据发送是,先将数据有存储器以 DMA 传输到发送 TX FIFO 进行缓冲,然后由 MAC 内核发送;接收数据时, RXFIFO 先接收以太网数据帧,再由 DMA 传输至存储器。 ETH 系统功能框图见下图。

    在这里插入图片描述

    【注】当使用以太网时, AHB 时钟频率必须至少为 25 MHz。





    6.1站管理接口:SMI

    站管理接口 (SMI) 允许应用程序通过 2 线时钟和数据线访问任意 PHY 寄存器。该接口支持访问多达 32 个 PHY。

    应用程序可以从 32 个 PHY 中选择一个 PHY,然后从任意 PHY 包含的 32 个寄存器中选择一个寄存器,发送控制数据或接收状态信息。任意给定时间内只能对一个 PHY 中的一个寄存器进行寻址。
    MDC 时钟线和 MDIO 数据线在微控制器中均用作复用功能 I/O:

    • MDC:周期性时钟,提供以最大频率 2.5 MHz 传输数据时的参考时序。 MDC 的最短高电平时间和最短低电平时间必须均为 160 ns。 MDC 的最小周期必须为 400 ns。在空闲状态下, SMI 管理接口将 MDC 时钟信号驱动为低电平。
    • MDIO:数据输入/输出比特流,用于通过 MDC 时钟信号向/从 PHY 设备同步传输状态信息。

    在这里插入图片描述

    SMI 帧格式
    下表中给出了与读操作或写操作有关的帧结构,位传输顺序必须从左到右。

    在这里插入图片描述

    管理帧包括八个字段:

    • 报头:每个事务(读取或写入)均可通过报头字段启动,报头字段对应于 MDIO 线上 32个连续的逻辑“1”位以及 MDC 上的 32 个周期。该字段用于与 PHY 设备建立同步。
    • 起始:帧起始由 <01> 模式定义,用于验证线路从默认逻辑“ 1”状态变为逻辑“ 0”状态,然后再从逻辑“0”状态变为逻辑“1”状态。
    • 操作:定义正在发生的事务(读取或写入)的类型。
    • PADDR: PHY 地址有 5 位,可构成 32 个唯一 PHY 地址。最先发送和接收地址的MSB 位。
    • PADDR:寄存器地址有 5 位,从而可在所选 PHY 设备中对 32 个不同的寄存器进行寻址。最先发送和接收地址的 MSB 位。
    • TA:周转字段在 RADDR 和 DATA 字段间定义了一个 2 位模式,以避免在读取事务期间出现竞争现象。读取事务时, MAC 控制器将 TA 的 2 个位驱动为 MDIO 线上的高阻态。 PHY 设备必须将 TA 的第一位驱动为高阻态,将 TA 的第二位驱动为“0”。写入事务时, MAC 控制器针对 TA 字段驱动 <10> 模式。 PHY 设备必须将 TA 的 2 个位驱动为高阻态。
    • 数据:数据字段为 16 位。最先发送和接收的位必须为 ETH_MIID 寄存器的位 15。
      -空闲: MDIO 线驱动为高阻态。三态驱动器必须禁止, PHY 的上拉电阻使线路保持逻辑“1”状态。

    SMI 写操作
    当应用程序将 MII 写入位和繁忙位(在以太网 MAC MII 地址寄存器 (ETH_MACMIIAR) 中)置 1 时, SMI 将通过传输 PHY 地址、 PHY 中的寄存器地址以及写入数据(在以太网 MACMII 数据寄存器 (ETH_MACMIIDR) 中)来触发对 PHY 寄存器进行写操作。事务进行期间,应用程序不应更改 MII 地址寄存器的内容或 MII 数据寄存器。在此期间对 MII 地址寄存器或MII 数据寄存器执行的写操作将会忽略(繁忙位处于高电平状态),事务将无错完成。写操作完成后, SMI 将通过复位繁忙位进行指示。

    下图显示了写操作的帧格式。

    在这里插入图片描述

    SMI 时钟选择
    MAC 启动管理写/读操作。 SMI 时钟是一个分频时钟,其时钟源为应用时钟( AHB 时钟)。分频系数取决于 MII 地址寄存器中设置的时钟范围。下表显示了如何设置时钟范围。

    在这里插入图片描述

    6.2介质独立接口: MII

    介质独立接口 (MII) 定义了 10 Mb/s 和 100 Mb/s 的数据传输速率下 MAC 子层与 PHY 之间的互连。

    在这里插入图片描述

    • MII_TX_CLK:连续时钟信号。该信号提供进行 TX 数据传输时的参考时序。标称频率为:速率为 10 Mb/s 时为 2.5 MHz;速率为 100 Mb/s 时为 25 MHz。

    • MII_RX_CLK:连续时钟信号。该信号提供进行 RX 数据传输时的参考时序。标称频率为:速率为 10 Mb/s 时为 2.5 MHz;速率为 100 Mb/s 时为 25 MHz。

    • MII_TX_EN:发送使能信号。该信号表示 MAC 当前正针对 MII 发送半字节。该信号必须与报头的前半字节进行同步 (MII_TX_CLK),并在所有待发送的半字节均发送到 MII时必须保持同步。

    • MII_TXD[3:0]:数据发送信号。该信号是 4 个一组的数据信号,由 MAC 子层同步驱动,在MII_TX_EN 信号有效时才为有效信号(有效数据)。 MII_TXD[0] 为最低有效位,MII_TXD[3] 为最高有效位。禁止 MII_TX_EN 时,发送数据不会对 PHY 产生任何影响。

    • MII_CRS:载波侦听信号。当发送或接收介质处于非空闲状态时,由 PHY 使能该信号。发送和接收介质均处于空闲状态时,由 PHY 禁止该信号。 PHY 必须确保 MII_CS 信号在冲突条件下保持有效状态。该信号无需与 TX 和 RX 时钟保持同步。在全双工模式下,该信号没意义。

    • MII_COL:冲突检测信号。检测到介质上存在冲突后, PHY 必须立即使能冲突检测信号,并且只要存在冲突条件,冲突检测信号必须保持有效状态。该信号无需与 TX 和 RX 时钟保持同步。在全双工模式下,该信号没意义。

    • MII_RXD[3:0]:数据接收信号。该信号是 4 个一组的数据信号,由 PHY 同步驱动,在MII_RX_DV 信号有效时才为有效信号(有效数据)。 MII_RXD[0] 为最低有效位,MII_RXD[3] 为最高有效位。当 MII_RX_EN 禁止、 MII_RX_ER 使能时,特定的MII_RXD[3:0] 值用于传输来自 PHY 的特定信息。

    • MII_RX_DV:接收数据有效信号。该信号表示 PHY 当前正针对 MII 接收已恢复并解码的半字节。该信号必须与恢复帧的头半字节进行同步 (MII_RX_CLK),并且一直保持同步到恢复帧的最后半字节。该信号必须在最后半字节随后的第一个时钟周期之前禁止。为了正确地接收帧, MII_RX_DV 信号必须在时间范围上涵盖要接收的帧,其开始时间不得迟于 SFD 字段出现的时间。

    • MII_RX_ER:接收错误信号。该信号必须保持一个或多个周期 (MII_RX_CLK),从而向MAC 子层指示在帧的某处检测到错误。该错误条件必须通过 MII_RX_DV 验证。

    TX 接口信号编码

    在这里插入图片描述

    RX 接口信号编码

    在这里插入图片描述

    MII 时钟源

    要生成 TX_CLK 和 RX_CLK 时钟信号,必须向外部 PHY 提供 25MHz 时钟,如图 474 所示。除了使用外部 25 MHz 石英晶体提供该时钟,还可以通过 STM32F75xxx 和 STM32F74xxx 微控制器的 MCO 引脚输出该信号。这种情况下,必须对 PLL 倍频进行配置,以通过 25 MHz外部石英晶体在 MCO 引脚上获得所需频率。

    在这里插入图片描述





    6.3精简介质独立接口:RMII

    精简介质独立接口 (RMII) 规范降低了 10/100 Mb/s 下微控制器以太网外设与外部 PHY 间的引脚数。根据 IEEE 802.3u 标准, MII 包括 16 个数据和控制信号的引脚。 RMII 规范将引脚数减少为 7 个(引脚数减少 62.5%)。

    RMII 是 MAC 和 PHY 之间的实例化对象。这有助于将 MAC 的 MII 转换为 RMII。 RMII 具有以下特性:

    • 支持 10 Mb/s 和 100 Mb/s 的运行速率
    • 参考时钟必须是 50 MHz-
    • 相同的参考时钟必须从外部提供给 MAC 和外部以太网 PHY
    • 它提供了独立的 2 位宽(双位)的发送和接收数据路径

    在这里插入图片描述

    RMII 时钟源
    使用外部 50 MHz 时钟驱动 PHY 或使用嵌入式 PLL 生成 50 MHz 频率信号来驱动 PHY。

    在这里插入图片描述

    如果使用RMII接口时,50MHz时钟来源有以下几种方式:

    方式一:外部时钟

    一个50MHz的外部晶振同时给MAC和PHY供应50MHz时钟,MCU其他的部分用自己独立的时钟。这个方式需要外挂一颗晶振。

    在这里插入图片描述

    方式二:与MCU共用外部时钟

    MAC, PHY, MCU都用一颗50MHz外部晶振统一提供时钟源。

    在这里插入图片描述

    方式三:STM32输出时钟源

    把50MHz换成25MHz,通过STM32的MCO引脚可以输出同样的25MHz时钟给PHY,然后用PHY内部的PLL配置出50MHz时钟反补给STM32的MAC,这样就满足了PHY和MAC都是50MHz。

    在这里插入图片描述

    值得注意的是,以上设计针对STM32XX7系列。

    最后,来看看一个实际硬件案例。

    下图是Nucleo-F746ZG开发板的ETH硬件电路图。主要是 LAN8742A 通过 RMII 和 SMI接口与 STM32F746 控制器连接,见下图。

    在这里插入图片描述

    STM32F746通过RMII 接口连接PHY芯片LAN8742, 然后经过百兆网络变压器到RJ45接口。因为 LAN8742A只有 RMII 接口,因此这里与开发板的连接采用了 RMII 接口。电路设计时,将 nINTSEL 引脚通过下拉电阻拉低,也就是REF_CLK Out 模式,设置 nINT/FEFCLKO 为输出 50MHz 时钟,当然前提是在 XTAL1 和 XTAL2 接入了 25MHz 的时钟源。

    PHY芯片LAN8742的nRST复位引脚连接到了STM32F746的复位引脚, 两者可以同时使用复位按钮。

    以上内容部分翻译自data-link-layer





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