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数据通信与计算机网络—有线局域网：以太网

news 2025/9/26 14:50:08

IEEE标准

局域网有多种类型，如以太网、令牌环网、令牌总线、FDDI和ATM LAN等，某些技术只生存了一段时间，如今最普遍应用的是以太网。1985年，IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气与电子工程师学会）开始了一个802项目（Project 802），以设定标准使得不同制造商生产的设备之间能相互通，不是为了代替OSI或者因特网模式，相反，说明了大多数局域网协议的物理层和数据链路层的功能。

在IEEE802中，流量控制、差错控制和部分成帧的职能都被集中到LLC子层中，LLC和MAX两者都进行成帧处理。LLC为所有IEEE局域网提供一个单一的数据链路控制协议，不同于MAC子层，后者为不同的局域网提供不同协议。一个单一的LLC协议能使不同局域网之间相互交换，使得MAC子层变透明。

LLC PDU中的控制字段用于流量控制和差错控制，数据链路控制的其他字段被移入到MAC子层中，HDLC中定义的帧被分为LLC子层的PDU和MAC子层的一个帧。

标准以太网

以太网最初由施乐公司的Palo Alto研究中心（PARC）于1976年创建的，以太网经历了四代的发展——标准或传统以太网（Standard Ethernet，10Mbps）、快速以太网（Fast Ethernet，100Mbps）、千兆以太网（Gigabit Ethernet，1Gbps）和10千兆以太网（Ten-Gigabit Ethernet，10Gbps）。

包括7个字段：前导符、SFD（前两个字段为物理层头）、DA、SA、协议数据单元PDU的长度/类型、上层数据和CRC。对接收到的帧，以太网不提供确认的任何机制，所以将它称做不可靠的介质，确认必须在其高层完成。

IEEE 802.3 MAC帧的字段

前导符：7个字节（56位），1和0交替出现，通知接收系统有帧的到来并使其与输入的时钟同步，56位模式容许站点在帧的开始可以错过（miss）一些位；实际上前导符（preamble）是在物理层上加进去的，并不是帧的一部分

起始帧分界符（SFD）：10101011，说明帧的开始（属于物理层）

目的地址（DA）：6个字节，包含目的站点或接收该分组的站点的物理地址

源地址（SA）：6个字节，包含分组的发送方的物理地址

长度/类型：最初的以太网（Ethernet-II，商业广泛使用）作为类型字段来定义使用MAC帧的上层协议，IEEE标准使用它作为长度字段来定义数据字段的字节数

数据：上一层协议封装的数据，最少46字节，最大1500字节

CRC：差错检测信息，CRC-32

帧类型： 0x0800 — IP数据报 0x0806 — ARP请求/响应 0x8035 — RARP请求/响应

帧的长度：最小值：64字节（512位）最大值：1518字节（12144位）。

寻址

以太网每个站点都有网卡，网卡安在站点内部并给该站点提供一个6字节的物理地址，通常用十六进制表示法，字节间以冒号断开。

单播地址、多播地址和广播地址

源地址永远是一个单播地址——一个帧只来自一个站点，然而目的地址可以是单播地址、多播地址或广播地址。如果目的字段第一个字节的最低位是0，是单播地址，否则是多播地址。

单播目的地址限定了一个接收方，发送方和接收方是一对一的关系，多播地址定义了一组地址，发送方和接收方之间的关系是一对多。

广播地址是多播地址的一个特例，接收方是整个局域网所有站点，地址全1。

第一个字节的最低位决定了物理地址的类型，若该位是0，地址是单播地址，否则就是多播地址。广播目的地址是多播地址的一个特例，它的所有位都是1。

例1：

确定下列目的MAC地址的类型：

a. 4A:30:10:21:10:1A

b. 47:20:1B:2E:08:EE

c. FF:FF:FF:FF:FF:FF

解：

为了知道地址的类型，我们必须看左边第二个十六进制数字。如果是偶数，那么地址是单播地址；如果是奇数，那么地址是多播地址；如果所有的数字都是F，那么地址是广播地址。因此，得到以下答案：

a. 单播地址，(A)16进制 = (1010)2进制。

b. 多播地址，(7)16进制 = (0111)2进制。

c. 广播地址。

例2：

写出MAC地址 47:20:1B:2E:08:EE 在线路上的发送次序。

解：

地址被一个字节一个字节地从左向右发送（网络字节序：先发高位字节），每个字节是一位一位地从右向左发送的，如下所示：

时隙和最大网络长度（冲突域）之间有关联，这取决于在一个特定的介质中信号的传播速度；在大多数传输介质中，信号以2×108m/s传播（是在空气中传播速度的2/3）；对传统的以太网而言，计算如下：

最大长度 = 传播速度 × （时隙/2）

最大长度 = （2 × 108） × （51.2 × 10-6/2）= 5120m

实际需要考虑中继器和接口的延迟，及发送干扰序列所需的时间，这些将传统以太网的最大长度减少为2500米，仅仅是理论上的48%（最大长度=2500米）。

使用10Mbps的数字信号（基带），在发送方，使用曼彻斯特方案将数据转换成数字信号，在接收方，信号又被转译成曼彻斯特码并被解码成数据。曼彻斯特编码是自我同步的，在每一位的间隙提供一次转换。

10Base5: 粗缆以太网

第一个以太网规范，使用一个有外部收发器的总线拓扑，并通过一个外接口与粗轴电缆相连接。收发器负责传输、接收和检测冲突，收发器通过收发器电缆与站点连接，收发器电缆能为发送和接收提供独立的路径，意味着冲突只会发生在粗轴电缆中。粗轴电缆长度不能超过500米，否则，便会出现信号的过分衰减；如果长度超过500米，最多分五个分段，使用中继器连接。

10Base2：细缆以太网

第二个以太网规范，使用总线拓扑，电缆细且电缆可以被弯曲以离站点很近，收发器通常是网卡的一部分，被安装在站点内部；注意：冲突发生在细轴电缆中；比10Base5的成本效益高，因为细轴电缆便宜，且T型接口比分接头便宜，安装也简单；因为高度衰减，分段长度不超过185米（接近200米）。

10Base-T：双绞线以太网

第三个以太网规范，或称为双绞线以太网，星型拓扑结构，站点通过双绞线连接到一个网络集线器上，双绞线在站点和网络集线器之间形成了两条路径（一条发送一条接收），冲突发生在网络集线器中；双绞线的最大长度是100米。

10Base-F：光纤以太网

使用一种星型拓扑将站点与网络集线器相连接，站点使用两条光纤与网络集线器相连接。

标准的变化

10Mbps标准以太网在运行更高的传输速率之前已经经历了一些变化，这些变化事实上为以太网的发展开辟了一条新路，使得以太网更有竞争力。

桥接以太网

以太网发展的第一步是将局域网用网桥（bridge）分割；在以太局域网中，网桥有两个作用：提高带宽和分割冲突域。

如果一个以上站点使用网络，能力就被共享了。

例如，如果有两个站点要发送大量的帧，它们可能会轮流使用；当一个站点发送时，另一个站点停止发送，可以认为平均每个站点发送的速度是5Mbps。

网桥将网络分成两个或更多的网络，基于带宽，每个网络都是独立的。

例如一个有12个站点的网络被分成两个网络，每个网络有6个站点，每个网络的能力都是10Mbps；10Mbps的能力在每个网络中被6个站点（实际上7个，算上网桥）共享，而并非12个。

另一个优势是分割冲突域，有桥接时冲突域会变得更小且冲突概率大幅度减少。如果没有桥接，则有12个站点竞争访问介质（总线），有了桥接之后，就只有3（12/4）个站点竞争访问。

交换式以太网

桥接LAN的概念进一步扩展为交换LAN，将网络分割成N个网络，N是LAN上站点的个数，带宽仅由站点和交换机共享，冲突域也就分为N个。一个2层交换机（switch）就是一个N个端口的网桥，该网桥带有允许快速处理分组的附加功能—— 从桥接以太网到交换式以太网是一个大进步。

全双工交换式以太网

10Base5和10Base2的一个局限就是它们的通信是半双工的。全双工模式将每一个域的能力从10Mbps增加到20Mbps，在站点与交换机之间使用两条链路；不需要CSMA/CD方法，每个站点都通过两条分离的链路连接到交换机，每个站点或交换机都能够独立地发送或接收而不必考虑冲突；在站点和交换机之间的每一条链路都是点到点的专用链路，它们不再需要载波检测，也不再需要冲突检测。

快速以太网

设计快速以太网是为了与诸如FDDI或光纤通道等的局域网协议相竞争； IEEE在名为802.3u下创造了快速以太网；快速以太网是标准以太网的后向兼容，但是传输速度是100Mbps，快了10倍；快速以太网的目标是：

1. 将数据速率升级为100Mbps；

2. 使它能与标准以太网兼容；

3. 保留48位地址；

4. 保留相同的帧格式；

5. 保留帧长度的最大值和最小值。

MAC子层

放弃总线拓扑而只保留星型拓扑；在星型拓扑中，有两种选择：半双工和全双工；半双工中站点通过集线器连接，全双工中通过每个端口都带有缓冲区的交换机来进行连接；对于半双工说，访问方法是相同的（CSMA/CD）；对于全双工快速以太网而言，CSMA/CD是不必要的，然而，在实现时还是保留了CSMA/CD ，以便于和标准以太网向后兼容；快速以太网增加了一个新特性：自动协商-auto negotiation，允许两个设备协商它们的运行模式（半/全双工）和传输速率（10/100M自适应）。