以太网接入技术.ppt

接入网技术,第3章 以太网接入技术,概述,对于企事业用户,以太网技术一直是最流行的方法,采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有强大的网络基础、丰富的知识和长期的经验。目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的。以太网接入具有性能价格比好、可扩展性、容易安装开通以及高可靠性等优势。 以太网接入方式与IP网很适应,技术已有重要突破(LAN交换、大容量MAC地址存储等),容量分为10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s、10000Mbit/s等多种等级,可按需升级,采用专用的无碰撞全双工光纤连接,可以使以太网的传输距离大为扩展。完全可以满足接入网和城域网的应用需要。全球企事业用户的80%以上都采用以太网接入,成为企事业用户接入的最佳方式。,概述,40G以太网和100G以太网是由IEEE802.3ba工作小组开发的以太网标准,支持40Gbit /s和100Gbit/s的以太网帧传送,同时确立了通过主干网络、铜缆布线、多模光缆和单模光缆通信的物理层规范。40G以太网/100G以太网标准的正式开发始于2008年1月,2010年6月正式获得批准。 以太网接入方式是通过一般的网络设备,例如交换机、集线器等将同一幢楼内的用户连成一个局域网,再与外界光纤主干网相连。这种接入方式承袭了Internet的连接方式,构架在天然的数字系统的基础上,与将来三网合一的必然趋势IP网络紧密结合,具有很大的发展空间。以太网技术同时也成为理解WLAN、EPON等接入技术的基础。,第3章 以太网接入技术,本章教学重点 工作组以太网的主要特点 基于工作组以太网的接入存在的问题 两种以太接入模式：PPP0E和802.1X 以太接入网标准802.3ah概要 本章要求 掌握工作组以太网作为接入面临的问题，以及采用接入控制措施 掌握以太接入网802.3ah的几种接入模式和特点,第3章 以太网接入技术,本章主要内容 3.1 引言 3.2 以太网知识回顾 3.3 工作组以太网接入 3.4 802.3ah以太接入网,以太接入主要基于以下两种情况 基于工作组以太网的接入方式 基于现有其他基础技术的以太接入（802.3ah） 以太网正在成为主流的宽带接入技术 以太网组网灵活、简单、易于实现、技术成熟 已是园区网接入的主流 针对电信运营商开发的以太网接入网标准已经出台 IEEE802.3ah，也叫第一公里以太网EFM 以太网作为一种接入技术，许多问题有待解决,3.1 引 言,3.2.1 以太网的诞生 3.2.2 以太网的标准 3.2.3 早期的以太网 3.2.4 现今的以太网,3.2 以太网知识回顾,Bob Metcalf & David Boggs 1973年5月22日PARC/Xerox Metcalf在备忘录中命名了Ethernet 1976年6月： Metcalf & Boggs发表著名论文 以太网：局域网的分布式信息分组交换 1977年底： Metcalf等获得CSMA/CD等4项专利 具有冲突检测的多点数据通信系统,3.2.1以太网的诞生,DIX标准： DEC/Intel/Xerox 早期标准，便于使用但权威性不足 Ethernet (1980)、Ethernet (1982) IEEE 标准 当今标准，由IEEE 802.3工作组负责 1982年12月：802.3标准草案宣布 IEEE 802.3-1985：标准的第一个版本 必须与LLC子层一起使用 IEEE802.3-2002：正式标准第二版（现行） 可以直接通过MAC向高层提供服务（可不需LLC）,3.2.2 以太网的标准,以太网是最常用的局域网,以太网具有简单、经济、易维护特点，得到广泛使用 电缆系统是无源的，站点(具有以太网卡的主机)的接入与安装很方便 媒体访问控制协议的限制，以太网覆盖的范围有限制 低负载时网络基本没有时延，当网络负载重时，网络效率下降，存在发送时延不确定的缺点,以太网的命名原则,IEEE802.3定义了一种缩写符号来表示以太网的某一标准实现： n -信号-物理介质 其中： n： 以兆位每秒为单位的数据率 信号： 基带或宽带类型 物理介质：表示介质类型,例如: 100BaseT,以太网帧格式,以太网的分类,传统以太网：标准为IEEE802.3，传输速率10Mbps，包含有10BASE-5、10BASE-2、10BASE-T、10BASE-F等标准。 快速以太网：标准为IEEE802.3u，传输速率100Mbps，包含有100BASE-Tx、100BASE-Fx、100BASE-T4、100BASE-T2等标准。 千兆以太网：标准为IEEE802.3z和IEEE802.3ab，传输速率1000Mbps，包含有1000BASE-T、1000BASE-CX、1000BASE-LX、1000BASE-SX等标准。 万兆以太网：标准为IEEE802.3ae，万兆以太网目前只能在光纤上传输不能兼容在双绞线上传输,且这类设备价格昂贵,现仍属初级阶级。,传统以太网,CSMA/CD的工作原理,先听后发、边发边听、冲突停止、延时重发,根据帧的目的地址，我们可以把帧分为以下三种帧：,单播(unicast)帧(一对一)，即目的MAC地址为一个单一的MAC地址，如00-50-56-C0-3F-01。 广播(broadcast)帧(一对全体)，即发送给所有站点的帧(全1地址)，也就是目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF。 多播(multicast)帧(一对多)，即发送给一部分站点的帧。,快速以太网,符合100Base-T规格的以太网 两种不兼容的标准 100Base-T的802.3u标准 100VG-AnyLAN的802.12标准(应用较少) IEEE 802.3u标准包括 100Base-T4 100Base-TX 100Base-FX IEEE 802.3定义了自动协商协议 该协议适用于10/100Mb/s双速以太网卡，速率升级无需人工干预，自动检测，自行配置完成,快速以太网,千兆比以太网,由IEEE 802.3和IEEE 802.3ab工作组制定 载波延伸 为能检测冲突，需将最大电缆长度减到10 m，这就无实际用处了。它采用办法，竞争期变为512 byte 突发模式操作模式： 站点获得访问网络媒体后，突发模式允许连续发送多帧，直到达到1500 byte为止 IEEE 802.3z标准包括 1000Base-SX 1000Base-LX 1000Base-CX 1000Base-T,1000BASE X（802.3z标准）,1000BASE-SX 使用多模光纤和850nm激光器 1000BASE-LX使用单模光纤或多模光纤和1300nm激光器 1000BASE-CX使用短距离的屏蔽双绞线电缆STP,1000BASE T（802.3ab标准）,使用4对5类线UTP 传输距离为25m100m 采用载波延伸及分组突发技术,千兆位以太网的兼容性,能与10/100 Mb/s网络很好融合 使用相同媒体接入协议及相同帧格式和帧长 非常适合用作主干来连接路由器和集线器等 提高千兆比以太网使用价值的另一个特性是在非共享连接上以全双工模式运行的能力 全双工不再需要冲突检测，这将加快高端服务器与集线器之间或集线器与集线器之间的数据传输 千兆比以太网能够直接应用到桌面,10G以太网技术,两种类型的物理层装置 广域网物理层装置是一种加到局域网物理层上的可扩充式操作功能 局域网和广域网物理层装置将支持每一类型的独立物理媒体(PMD)，因此支持相同的传输距离 IEEE 802.3ae最低传输距离要求,10G以太网技术的优势,运行速度比T1和E1连接快几千倍，价格却与T1和E1连接相当；结合局域网和广域网，推出新业务 PC的PCI总线32位，速率为33MHz，网络容量1Gbps 服务器将使用64位PCI总线，使网络容量提高1倍；下一代PCI-X标准使PCI总线的运行速率达到133MHz，该速率可支持10G以太网 局域网带宽需求将达到10G160G，势必要考虑从交换机到服务器的新的链路标准、多个千兆以太网链路的汇聚以及办公楼群之间的超高速连接，从而使10G以太网水到渠成 网络容量增大有可能解决传统以太网服务质量问题,总结：以太网技术的发展历程,1973 年Metcalfe（梅特卡夫） 博士在施乐实验室发明了以太网, 并开始进行以太网拓扑的研究工作。 1976 年施乐公司构建基于以太网的局域网络,并连接了超过100 台PC。 1980 年DEC、Intel 和施乐联手发布10Mbps 以太网标准提议。 1983 年IEEE 802.3 工作组发布10BASE- 5“粗缆”以太网标准, 这是最早的以太网标准。 1986 年IEEE 802.3 工作组发布10BASE- 2“细缆”以太网标准。 1991 年IEEE 802.3 工作组发布10BASE- T“无屏蔽双绞线( UTP) ”以太网标准。 1995 年IEEE 通过802.3u 100M以太网标准。,以太网技术的发展历程（续）,1998 年IEEE 通过802.3z 1000M 以太网标准( 基于光纤和对称屏蔽铜缆) 1999 年IEEE 通过802.3ab 1000M以太网标准( 基于五类线) 2002 年IEEE 通过802.3ae 10G 以太网标准。 2010 年发布40G/100G 以太网标准。 2013年IEEE宣布成立400G以太网研究小组,以太网技术发展40年,核心网与服务器接口发展的速度,主要标准,802.3z：千兆以太网标准 802.3ab：802.3标准的1000BASE-T标准 802.3ad：链路聚合/捆绑 802.3ae： 万兆以太网标准 802.3ak：基于双绞线的万兆以太网 802.3ba：10万兆以太网标准,以太LAN的设计应考虑的因素,小型以太网有两种拓扑结构，即星型和总线拓扑 如果网络较大，则要在这两种拓扑的基础上进行扩展，形成多星或树型结构 如果网络覆盖面很大，考虑使用交换机或路由器这样的互连设备建立网络主干，并由此建立更为复杂的网络拓扑 还要考虑 网络传输媒体 互连设备 网络中设备数量 媒体接入机制,工作组级LAN,指覆盖一个办公室的计算机网络 一般可使用一个或多个集线器将办公室中的所有站点连接起来，这样在这些机器之间就能够共享10 Mb/s或100 Mb/s的带宽 如果某些应用要求消耗更高的带宽，则需要用LAN交换机来代替集线器,中等规模LAN 一种混合性拓扑结构,中等规模LAN 多星拓扑结构,没有主干的机构LAN的例子,不推荐使用的设计 如果计算机科学系的集线器出现了故障，电气工程系和系统工程系将不能再通信 电气工程系和系统工程系之间的所有系之间的流量都必须通过计算机科学系，这样将使计算机科学系的LAN网段负载过重,具有主干结构的企业网,重要原则 应该用主干(一个和所有LAN网段都有直接连接的网络)将各种LAN网段互联。当一个LAN有一个主干，每一对LAN网段可以不通过第三个LAN网段进行通信 注意 尽管所连接的各个子网本身是广播域，服从自身布线和协议需求的限制，但这些互连设备主要功能是决定如何发送分组到其他网络，它们自己不使用CSMA/CD的机理工作,建立企业网主干网的几种方法,解决这一问题的有效方法是为规模较大的企业网建立一个高速、可扩展的主干网 建立企业网主干网方法如下 利用LAN交换机 利用千兆比以太网 利用大中型路由器,利用交换机进行互连,主干网,主干网,千兆比以太网作为主干,主干网,用路由器连接两个LAN,局域网中的10G以太网,用在局域网、服务提供商和企业数据中心 最初，用在数据中心内的大容量交换机或计算机室之间，或办公楼群之间提供高速互连 配置在整个局域网中，将包括交换机到交换机、交换机到服务器以及城域网和广域网接入应用,10G以太网用于城域网的主干网,采用合适的10G以太网光收发信机和单模光纤，服务提供商可使连接距离达40km以上 可在城域网中部署采用DWDM设备的10G以太网,对企业，经DWDM设备接入10G以太网能实现无服务器办公楼群、支持远程连接等应用 对服务提供商，能以低于T3或OC-3/STM-1业务的价格，提供10G以太网连接,广域网中的10G以太网,将使ISP和网络服务提供商(NSP)，在运营商级交换机、路由器和直接加到SONET/SDH网上的光传输设备间，以很低的成本建立超高速连接 将使校园网或接入点之间，通过SONET/SDH/TDM网络，使地理上分散的局域网连接到广域网上。考虑到骨干网中SDH传输设备大量存在的事实， IEEE 802.3ae中定义的10Gb EWAN接口采用速率匹配和直接映射的方式，将10GbE MAC帧封装入OC-192c的净荷中传输，确保和现有SDH设备的无缝连接,升级到千兆比以太网,电缆的问题 千兆比以太网要求采用有4对线的5类线 重要观点 设计物理网络时，适当提高电缆的规格指标较为有利 布线问题和连接方法问题 升级到千兆比以太网的典型场合,国际电信联盟标准组织,国际上从事以太网标准研究的标准组织主要包括：ITU-T（国际电信联盟-电信标准部 ）、IEEE（美国电气电子工程师学会 ）、IETF（互联网工程任务组 ）和MEF（城域以太网论坛）。,ITU-T的传送网上的以太网服务标准,ITU-T主要关注运营商网络的体系结构，因此其标准的重点是如何在不同的传送网上承载以太网帧 传送网包括SDH、OTN、ATM和MPLS等 这些标准是由ITU-T SG15和SG13研究组负责制订,SG15WP3：传送网承载以太网标准,G.8010：以太网层网络体系结构 G.8011：以太网业务框架 G.8012.x：传送网承载以太网的体系结构 G.eequ：以太网设备规范 G.esm：以太网业务复用 G.asm：多承载和多运营商环境中的业务管理结构 G.mta：MPLS层网络结构,SG13WP3： 以太网的性能和流量管理,目前主要关注的是以太网OAM 已经和正在制订的标准包括： Y.1730：以太网OAM需求 Y.17ethoam：以太网OAM机制,IEEE：以太网技术标准,IEEE关注以太网技术标准的制订(不是以太网业务标准)，标准主要包括： 802.1Q主要定义了VLAN 生成树协议(802.1d、802.1w、802.1s) 快速STP(802.1w)主要解决STP存在的自愈时间慢的问题 802.3ad链路汇聚，即多个物理端口汇聚成一个逻辑端口 802.3ah EFM标准主要定义用于用户接入部分的以太网物理层规范,IEEEE 802.3ae: 千兆以太网标准,目标包括 在媒体存取控制层(MAC)客户服务器接口保留802.3以太网帧格式 保留802.3标准最小和最大帧长度 只支持全双工 采用点到点连接和结构化电缆附设技术，支持星形局域网拓扑 在MAC/PLS(专线业务)接口支持10Gbps的传输速率 定义局域网和广域网两个物理层装置(PHY)系列，并定义MAC/PLS数据传输速率适应广域网物理层装置数据传输速率的机制 提供支持多膜和单模光纤连接距离的物理层技术规范,MEF致力于城域以太网标准,MEF是一个专注于解决城域以太网技术问题的非盈利性组织 MEF主要从四个方面开展技术工作： 城域以太网的架构 城域以太网提供的业务 城域以太网的保护和QoS 城域以太网的管理,MEF的目的,将以太网技术作为交换技术和传输技术广泛应用于城域网建设 MEF的标准化工作 进一步标准化以太网业务参数和相关属性 定义运营商级的基于以太网的城域传送技术 定义以太网上的电路模拟以及城域以太网的EMS和NMS 目前MEF已制定出一系列技术规范，对超过75家制造商的500多种产品进行了认证，这些产品已被超过70个业务提供商所使用。,IETF的以太网业务标准,IETF主要研究如何在分组网络(如IP/MPLS)中提供以太网业务 与以太网标准相关的工作组主要是PWE3 (Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge：端到端虚拟线模拟)工作组和L2VPN工作组,IETF PWE3,在分组交换网络(PSN)上模拟各种点到点业务的机制，被模拟的业务可以是TDM专线、ATM、FR或以太网等 使用PWE3机制，运营商可将所有的传送业务转移到一个融合的网络(如IP/MPLS)之中 从用户的角度看，可认为PWE3模拟的虚拟线是一种专用的链路或电路 该工作组目前正在制订业务封装和业务模拟的标准。PWE3封装使用的隧道技术包括IP、L2TP或MPLS，并对这些PSN使用相同的技术规范,L2VPN工作组 制订运营商实施方案,不制订新的协议，而是对现有的协议提出功能需求。目前正在制订以下标准： 虚拟专线业务(VPWS)：在IP/MPLS网上提供L2点到点连接业务，如PPP/HDLC、FR、ATM和以太网业务等 虚拟专用LAN业务(VPLS)：在IP/MPLS网上模拟LAN业务，在广域网范围实现以太网设备的互联。VPLS可以通过MPLS或VLAN堆叠(Q-in-Q)来实现。一个VPLS具有特定的SLA，保护属性和可用性属性，MAC地址学习和数据转发能力 只支持IP的L2VPN,共享信道、专用网络 主要拓扑与介质 总线/树形拓扑，同轴缆介质 星形拓扑（逻辑总线），双绞线介质 MAC协议：CSMA/CD 通信方式：半双工 MAC只能为LLC提供服务 小范围网络 适用于大楼、办公室 主要用于用户互连、资源共享,3.2.3 早期的以太网,经过40多年的发展，以太网发展了很大变化 主流介质：双绞线和光纤介质 传输速率：10Mbps/100Mbps/1000Mbps/10Gbps 通信方式：全双工为主 MAC协议：CSMA/CD已失去作用 组网方式与拓扑 交换机组网、全双工、独享信道 复杂结构mash（网状） VLAN应用 MAC摆脱LLC，直接为多个高层协议提供服务 突破距离的限制，向城域、广域进军,3.2.3 现今的以太网,3.3.1 工作组以太网的特点 3.3.2 接入面临的问题 3.3.3 以太网馈电（802.3af） 3.3.4 用户接入控制与管理 3.3.5 用户的隔离 3.3.6 以太网接入协议模型 3.3.7 应用趋势,3.3 工作组以太网接入,工作组以太网的根本目的是： 将本地各站互连起来，实现互连互通 长期以来，以太网都是作为一种专用网络使用 内部网络，基于用户之间的彼此信任 安全问题不是特别突出，一般不考虑身份认证问题 不会对站点进行刻意的管理 更不会对每个站点进行记帐和收费 工作组以太网提供了很好的IP承载能力 工作组以太网技术可以直接用作可以运营的以太接入吗？,3.3.1 工作组以太网特点,以太网作为接入与工作组方式有很大不同 从功能模块分析 使用对象的差别 网络所属与管理不同 作为接入是一个公共网络，需要面临并解决： 用户的接入控制与管理问题（AAA） 用户的身份认证（用户合法？）Authentication 用户接入与提供服务授权 Authorization 记帐与计费 Accounting 安全性问题 网络的安全性 用户隔离 流控问题 接入设备的供电问题,3.3.2 接入面临的问题,背景 接入设备的环境，通常不具备正规机房的条件，电源不良 借鉴PSTN的运行经验，由机房的设备通过以太网线远端馈电 以太网远端馈电标准：IEEE 802.3af-2003 DTE Power via MDI 通过以太网端口(MDI)对连网终端设备(DTE)供电 模型术语：供电设备、受电设备 PSE: Power Sourcing Equipment PD: Powered Device 电源输出： 48V，功率级别：15/7/4W 简称： PoE，Power over Ethernet 应用范围 需要不间断运行的网络终端设备：IP电话机、网络摄像机 分散放置的小型网络前端设备：AP、接入交换机前端扩展设备,3.3.3 以太网馈电（802.3af）,PSE,PD,以太网铜缆,基于端口的控制协议802.1x 在交换机接入端口上进行接入控制 端口控制、中心认证（AAA服务器） 构成完整的接入控制系统 适合于802网路的接入控制,3.3.4 以太网用户接入控制与管理,以太网,核心网,交换机,AAA 服务器,802.1X 协议客户端,AAA 服务器,AAA 协议,or,802.1X 服务器端,3.3.4 以太网用户接入控制与管理,特点： 认证期用专用帧认证 认证通过后，数据通路开通，数据可线速处理，开销小 集中分布控制，分布程度大，需要接入交换机多 认证通过后，难以通过管理控制断开（如中途没钱了等）,PPP0E协议 在以太网上运行PPP协议 实现以太网单个用户到运营商之间的端端通信 每个以太网站点与 PPPOE服务器之间似建立一条虚拟通道 用户和PPPOE服务器之间进行PPP会话 通过PPPOE可以实现对以太接入的单个用户进行接入认证、授权和记帐,3.3.4 以太网用户接入控制与管理,以太网,核心网,以太网交换机,PPPoE服务器,PPPoE协议 虚拟拨号,AAA 服务器,3.3.4 以太网用户接入控制与管理,特点： 认证数据和用户数据都必须逐帧通过PPPOE封装，并通过PPPOE服务器，开销大，易形成通信瓶颈 集中分布控制，分布程度小，需要服务器少，但要求高 无法阻止内部用户的相互通信，必须划分VLAN,用户隔离的必要性 HUB组网无法隔离用户，不能作为以太网接入设备 交换机无法隔离广播帧 （广播 帧带有个人重要信息，如MAC地址） 如用普通交换机组网，不作任何限制时，用户之间彼此通信十分容易，这是接入网用户不希望的 实现用户隔离的措施 用VLAN交换机实现用户隔离 用户数量受限、处理能力下降 使用接入专用交换机（硬件实现隔离） 此种设备市面上已有，但还较少,3.3.5 接入用户的隔离,以太网通常承载IP业务，典型的模型包括： IPOE（IP over Ethernet） IP Over Ethernet II IP Over IEEE802.3 PPPOE（PPP over Ethernet） （Ip over PPP over Ethernet）,3.3.6 以太网接入协议模型,3.3.6 以太网接入协议模型IPOE,IP Over Ethernet II（IP Over MAC）,IP Over IEEE802.3 （IP Over LLC）,802.1x的接入控制模式可能会得到较好应用 以太网接入控制设备（代替交换机）可能会受到设备制造商和运营商的关注 集成： 用户接入控制 用户隔离 流量控制 ,3.3.7 应用趋势,3.4.1 标准概要 3.4.2 802.3ah的PHY的MDI 光纤P2P接入 光纤P2MP接入 铜缆长距离接入 铜缆短距离接入 3.4.3 802.3ah的OAM 3.4.4 802.3ah的应用模式,3.4 802.3ah以太接入网,3.4.1 802.3ah标准概要,IEEE802.3ah， 2004通过 以太接入网 EAN，Ethernet for subscriber access networks 第一公里以太网EFM ，Ethernet in the First Mile 是一种典型的电信级接入的模式 利用现有基础技术传送以太帧（PON，XDSL) 将以太技术用于光接入网上 将以太技术用于市话铜缆上 对802.3的标准的扩展： MAC层作了极少扩展(增加了OAM子层可选) 增加了多种PHY层介质相关接口MDI的标准 EFM只支持全双工链路,3.4.2 802.3ah的PHY的MDI,三种PHY层介质相关接口MDI 光纤上的P2P传输(P2Pfiber) 光纤上的P2MP传输(P2MPfiber) 话音级铜缆上的P2P传输(P2Pcopper） 注：P2P:点到点 P2MP：点到多点,EFM研究小组定义了三种拓扑结构及物理层,（1）用普通铜缆以10Mb/s以上的数据传输速度进行连接的点到点（Point to Point，P-to-P）结构，即Ethernet over VDSL，简称EoVDSL； （2）用1条光纤以1Gb/s的数据传输速度进行连接的P-to-P结构； （3）使用1条光纤以1Gb/s的数据传输速度进行连接的点到多点（Point to Multipoint，P-to-MP）结构，即Ethernet over Passive Optical Network，简称EPON,光纤P2P接入 P2Pfiber,100BASE-LX10 ，1310nm2*SMF/10km 100BASE-BX10， 1310/1550nm1*SMF/10km 1000BASE-LX10 ， 1310nm2*SMF/10km 1000BASE-BX10，1310/1490nm1*SMF/10km,100Mbps 单纤,1Gbps 单纤,100Mbps 双纤,1Gbps 双纤,光纤P2MP接入 P2MPfiber,1000BASE-PX10，1310/1490nm2*SMF/10km 1000BASE-PX20，1310/1490nm2*SMF/20km,标准距离 = 10km,长距离 = 20km,1:16 split rat