以太网

两种链路类型

• 点对点链路
  • 高级数据链路控制协议 (High-level Data Link Control, HDLC)
  • 点对点协议(Point-to-Point Protocol, PPP)
    
• 广播链路
  • 以太网(Ethernet), IEEE 802.3
  • 无线局域网(Wireless Lan, WLAN), IEEE 802.11

网络分类

• 广域网 WAN (Wide Area Network)

• 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)

• 局域网 LAN (Local Area Network)

  • 特点
    • 覆盖范围小：房间、建筑物、园区，距离≤25km
    • 高传输速率：10Mbps～1000Mbps
    • 低误码率：10-8 ～ 10-10
    • 拓扑：总线、星形、环形、树形
    • 传输媒体：双绞线、同轴电缆、光纤
  • 典型技术
    • 以太网(Ethernet)
    • 令牌环网 (Token Ring)
    • FDDI(Fiber Distributed Data Interface)
  • IEEE 802标准体系（局域网、城域网标准）
    • 为使数据链路层更好地适应多种局域网标准，将其拆成两个子层
      • 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
        • 传输媒体与LLC 子层无关
        • 采用何种协议的局域网对 LLC 子层都透明
      • 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层
        • 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层

  

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• 个域网 PAN (Personal Area Network)

以太网的基本信息

以太网发展历史

• 20世纪70年代中期
  • 诞生于美国施乐公司(Xerox)的帕洛阿尔托研究中心(PARC)
  • 总线拓扑、同轴电缆、广播局域网、半双工
• 20世纪90年代后期
  • 基于集线器的星形拓扑、双绞线、广播局域网、半双工
  • 集线器(Hub)：物理层设备，作用于比特而不是帧
• 本世纪初
  • 基于交换机的星形拓扑、双绞线、交换局域网、全双工
  • 交换机(Switch)：二层设备

以太网基本组成

• 传输介质(链路)
  • 同轴电缆
  • 双绞线
  • 光纤
• 网络适配器
• 中继设备
  • 中继器(Repeater)
  • 集线器(Hub)
• 交换设备
  • 网桥 (Bridge)
  • 交换机 (Switch)

IEEE 802.3 规范

• 传统以太网
  • IEEE 802.3 —— 同轴电缆Ethernet
  • IEEE 802.3a ——细缆Ethernet
  • IEEE 802.3i —— 双绞线
  • IEEE 802.3j —— 光纤
• 快速以太网FE
  • IEEE 802.3u ——双绞线，光纤
• 千兆以太网GE
  • IEEE 802.3z —— 屏蔽短双绞线、光纤
  • IEEE 802.3ab —— 双绞线

以太网传输介质标准

IEEE 802.3文档规定，由3部分组成

10Base5	粗同轴
10Base2	细同轴
10BaseT	双绞线
10BaseF	多模光纤MMF
100BaseT	双绞线SMF
100BaseF	多模/单模光纤
1000BaseX	屏蔽短双绞线/MMF/SMF
1000BaseT	双绞线

总线型以太网

• 10Base5，粗同轴电缆， IEEE 802.3a
  • 可靠性好，抗干扰能力强
  • 插入式分接头，其触针插入到同轴电缆内芯
    • 收发器 : 发送/接收
    • AUI : 连接件单元接口
• 10Base2，细同轴电缆，IEEE 802.3a
  • 可靠性稍差
  • 接头处采用工业标准的BNC连接器组成T型插座，使用灵活

星形以太网

• 10BaseT，双绞线介质，IEEE 802.3i
  • 双绞线总是配合集线器使用
  • 集线器(Hub)：物理层设备，简单转发比特
  • 拓扑结构为星形，逻辑上仍是总线型网络，使用CSMA/CD
  • 每个主机通过两对双绞线与Hub相连，发送/接收各1对
  • 便宜，增添或移去站点(主机)变得十分简单，容易检测到电缆故障

以太网帧结构

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• 帧前面插入8字节
  • 7 字节前同步码：用来实现 MAC 帧的比特同步
  • 1个字节的帧开始定界符：表示后面的信息就是MAC 帧
• 目标地址：6字节
• 源地址：6字节
• 类型：2字节
  • 用作多路分解，标志上一层使用的是什么协议，以把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议
• 数据字段：最小46字节
  • 最大 MTU 为 1500字节
  • 最小帧 64字节 - 首尾共18字节
  • 以太网采用CSMA/CD协议，为了避免碰撞检测，最小64字节
• CRC：4字节
• 帧尾部表示帧发送结束的方法
  • 对100M以太网
    • 物理层设备会自动在帧尾加上4B5B编码ESD字段（长度为两个5bits）
  • 对10M以太网
    • 会以一个特殊宽脉冲SOI来表示链路开始空闲

地址

• 每个适配器有一个唯一的以太网地址，通常固化在ROM中
  • 称为硬件地址、网卡的物理地址、MAC 地址
  • 严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符，而非地址
• 以可读的方式显示(如ipconfig命令)，即由冒号分隔的6个数
  • 每个数对应于6字节地址的1个字节，由一对16进制数给出，每个16进制数对应4比特，而且去掉前导0
  • 例，8:0:2b:e4:b1:2是可读的一个以太网地址，表示： 00001000 00000000 00101011 11100100 10110001 00000010
• MAC地址分配
  • IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前3个字节(即高位 23 位，其中第一字节的最低位表示单播/组播地址，单播“0”)
  • 后3个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址

以太网主机接收数据方式

• 以太网适配器接收(receive)所有帧
  • 广播信道，所有主机在一个广播域
• 但以太网适配器只接受(accept)
  • 编址到它自己地址的帧
  • 编址到广播地址的帧
  • 编址到多点播送地址的帧，如果适配器在监听那个地址
  • 所有帧，如果适配器处于混杂模式
• 以太网适配器只向主机传递它接受的帧

以太网不提供可靠传输

• 提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠的交付
  • 对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认
  • 当目的站收到有差错的数据帧时丢弃，差错的纠正由高层决定
  • 如果高层进行重传，以太网并不知道这是重传帧，当作新的帧发送
• 无效帧
  • 帧的长度不是整数个字节
  • 用收到的帧检验序列 CRC查出有差错
  • 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间
    • 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间

以太网的解决方案

• 编码：曼彻斯特码、4B/5B
• 组帧：面向比特
• 差错检测：CRC
• 可靠传输：不提供，尽力交付
• 媒体共享：CSMA/CD

扩展以太网

• 在物理层扩展
  • 光纤：扩展主机与Hub、Hub与Hub距离
  • 多个Hub：扩展为覆盖范围更广、连接结点更多的多级星形结构 (树形)
• 在数据链路层扩展
  • 网桥 (Bridge)、二层交换机 (Switch)
  • 演变为交换网络，不再是广播域

以太网评价

• 以太网基本上统治了有线局域网
• 以太网的优点
  • 便宜，高速，易于使用、管理和扩展
• 总线型以太网的缺点
  • 数据包越小，传输单位数据的代价越大
  • 用户数增加时，更容易发生碰撞
  • 链路变长时，需要更长时间来检测碰撞
  • 网络负载越大，传输性能越低