深入了解以太网技术

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：从共享型以太网发展到交换型以太网，并出现了全双工以太网技术，致使整个以太网系统的带宽成十倍、百倍地增长，并保持足够的系统覆盖范围。本节讨论10 Mbit/s以太网技术，并对交换式以太网加以简单介绍。图5.29IEEE 802参考模型与OSI的比较MAC子层负责媒体访问控制，以太网采用竞争方式，对于突发式业务，竞争技术是合适的。图5.30以太网的数据帧格式各字段的含义如下。

以太网支持的传输媒体从最初的同轴电缆发展到双绞线和光缆，星型拓扑的出现使以太网技术上了一个新的台阶，获得迅速发展。从共享型以太网发展到交换型以太网，并出现了全双工以太网技术，致使整个以太网系统的带宽成十倍、百倍地增长，并保持足够的系统覆盖范围。以太网以其高性能、低价格、使用方便的特点继续发展。本节讨论10 Mbit/s以太网技术，并对交换式以太网加以简单介绍。

1.以太网的介质访问控制方式

以太网与前面讲过的交换式数据网有着很大差别。它的核心思想是利用共享的公共传输媒体。常规的共享媒体只以半双工的模式工作，网络在同一时刻要么发送数据，要么接收数据，但不能同时发送和接收。直至1997年，全双工以太网才诞生。

以太网的媒体访问控制方式是以太网的核心技术，它决定了以太网的主要网络性质。

在公共总线或树型拓扑结构的局域网上，通常使用带碰撞检测的载波侦听多路访问技术（CSMA/CD）。CSMA/CD 又可称为随机访问或争用媒体技术，它讨论网络上多个站点如何共享一个广播型的公共传输媒体，即解决“下一个该轮到谁往媒体上发送帧”的问题。对网络上的任何站来说，不存在预知的或由调度来安排的发送时间，每一站的发送都是随机发生的。因为不存在用任何控制来确定该轮到哪一站发送，所以网上所有站都在时间上对媒体进行争用。

想利用CSMA/CD 传输信息的工作站，首先要监听媒体，以确定是否有其他的站正在传播。如果媒体空闲，该工作站则可以传播。在同一时刻，两个或多个工作站都欲传输信息的情况是极有可能发生的。如果这种情况发生，将会引起冲突，双方传输的数据将变得杂乱不清，导致不能成功地接收。因此必须制定一个处理过程，以解决要发送信息的工作站当发现媒体忙时应怎样工作，以及当发生冲突时应怎样解决的问题。其规则是：

①如果媒体空闲，则传输；

②如果媒体忙，一直监听直到信道空闲，马上传输；

③如果在传输中检测到冲突，立即取消传输；

④冲突后，等待一段随机时间，然后再试图传输（重复第一步）。

2.以太网的协议结构和网络系统组成

（1）协议结构

以太网的网络体系结构是以局域网的IEEE 802参考模型为基础的。IEEE 802参考模型与OSI的区别是：它用带地址的帧来传送数据，不存在中间交换，所以不要求路由选择，这样就不需要网络层了；在局域网中只保留了物理层和数据链路层，数据链路层分成2个子层，即媒体接入控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC），如图5.29所示。

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图5.29　IEEE 802参考模型与OSI的比较

MAC子层负责媒体访问控制，以太网采用竞争方式，对于突发式业务，竞争技术是合适的。LLC子层负责没有中间交换节点的两个站之间的数据帧的传输。它不同于传统的链路层，即它还必须支持链路的多路访问特性；它可利用MAC 子层来摆脱链路访问中的某些细节；它必须提供某些属于第3层的功能。所以LLC 子层不但要有差错、流量控制，还需有复用、提供无连接的服务或面向连接的服务等功能。

在这里需要解释一下以太网的寻址问题。先考虑交换数据的要求，一般地说，通信涉及3个因素：进程、主机和网络。进程是进行通信的基本实体。从一个进程到另一个进程的数据传送过程是：首先将数据加给驻留该进程的主机，然后再送给另一个进程。这个概念暗示至少需要两级寻址。

①MAC地址：标识局域网上的一个站地址，即计算机硬件地址。

②LLC地址：标识一个LLC用户，即进程在某一主机中的地址，也就是LLC 子层上的服务访问点（SAP）。

这里MAC地址与网络上的物理连接点有关。LLC 子层的SAP则与一个站内的特定用户有关。在某些情况下，SAP对应于一个主机进程，另一种情况，集中器的每个端口对应于唯一的SAP。

（2）以太网的数据帧结构

常见的以太网帧结构有两种：DIX Ethernet II标准和IEEE 802.3 标准。二者的帧格式比较类似，主要不同之处在于帧首部第三个字段定义有所不同，前者代表上层协议的类型，后者代表数据帧长度。下面以较为常见的DIX Ethernet II标准为例进行帧格式的介绍，如图5.30所示。

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图5.30　以太网的数据帧格式

各字段的含义如下。

①前同步码（7字节）和帧开始定界符（1字节）：为了接收端实现同步以便顺利接收数据帧，在帧的前面插入8字节，其中前面7字节是前同步码，由1和0交替形成，作用是调整接收端时钟频率，实现同步；后面1字节是帧开始定界符，定义为10101011，用于告知接收端数据帧开始的位置。

②目的物理地址（6字节）：指明该数据帧的目的节点的物理地址。

③源物理地址（6字节）：指明该数据帧的源节点的物理地址。

④类型（2字节）：说明该数据帧携带的数据字段中是哪一个上层协议的数据。

⑤数据（46～1 500字节）：要传输的数据，根据具体情况该字段长度可以在限制范围内变化。

⑥帧检验序列FCS（4字节）：该字段用于对数据帧进行校验。需要注意的是，校验的范围不包括前同步码和帧开始定界符。

（3）以太网系统组成

以太网系统通常由集线器、网卡以及双绞线组成，如图5.31所示。

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图5.31　以太网系统结构图

在以太网物理结构中，一个重要功能块是编码/译码模块；另一个重要的功能块称为“收发器”，它主要是往媒体发送和接收信号，并识别媒体是否存在信号和识别碰撞，一般置于网卡中。

集线器（Hub）的主要功能是媒体上信号的再生和定时，检测碰撞，端口扩展。

3.共享型以太网与交换型以太网

（1）共享型以太网存在的问题

①共享型以太网由于会发生数据冲突，带宽由所有站点共同分割，随着站点增多，每个站点能够得到的带宽减少（为10/n Mbit/s，其中n为站点数），网络性能迅速下降。

②同一时刻，只能有一个站点与服务器通信。

③LAN 的覆盖范围受CSMA/CD 的限制。

（2）交换型以太网的特点

①网络若采取以太网交换器，终端连接在以太网交换机上，分别独占10 Mbit/s的端口速率，可以形成多个数据通道，没有数据冲突。只要交换机的端口空闲，就可同时实现多对终端的通信。系统的带宽为10/n Mbit/s×N（即LAN 的高速率出口速率）。交换型集线器上平时所有端口都不连通，需要时可给予诸多站点同时建立多个收、发通道，如图5.32所示。

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