以太网.doc

以太网（Ethernet） 1 以太网概述1.1 以太网标准和实施 1、 IEEE 标准 1） 1980 年，Digital Equipment Corporation、Intel 和 Xerox (DIX) 协会发布了第一个以太 网标准。1982年，DIX协会发布了Ethernet 标准，是目前LAN中事实标准。 2） 1985 年，本地和城域网的电气电子工程师协会 (IEEE) 标准委员会发布了 LAN 标准。 这些标准以数字 802 开头，以太网标准是 802.3。以太网在 OSI 模型的下两层，也就是数据链路层和物理层上运行。IEEE对 802.3 中的原始以太网标准进行了小幅的修改3） IEEE 802.3定义在物理层和数据链路层的MAC子层的规范；IEEE 802.2定义在数据链 路层的LLC子层的规范； 1.2 以太网第1层和第2层 以太网在 OSI 模型的两层上运行。该模型也为以太网提供对应的参考模型，但以太网 实际上仅实现了数据链路层的下半层（即介质访问控制 (MAC) 子层）和物理层。 1.3 逻辑链路控制（Logical Link Control ,LLC）连接到上层 1、 以太网将数据链路层的功能划分到了两个不同的子层：逻辑链路控制 (Logical Link Control ,LLC) 子层和介质访问控制 (Media Access Control ,MAC) 子层。 2、 对于以太网，IEEE 802.2 标准规范 LLC 子层的功能，而 802.3 标准规范 MAC 子层 和物理层的功能。3、 LLC的功能： 1） 建立与上层的连接； 2） 将网络层的数据包封装成帧； 3） 标识网络层协议； 4） 保持物理设备相对独立性；1.4 介质访问控制（Media Access Control ，MAC）1、以太网 MAC 子层主要有两项职责： 1）数据封装 l 帧定界 l 编址 l 错误检测 2）介质访问控制： 其功能是管理介质访问控制，包括启动帧的发送以及从冲突引起的发送故障中恢复。 2 以太网通过LAN的通信 2.1 以太网历史回顾 1、 以太网的共享介质和冲突检测技术是在Alohanet无线电网络的基础上改进的。 2、 早期的以太网介质 1） 以太网的早期版本使用同轴电缆在总线拓扑中连接计算机。每台计算机都直接连接到主干。这些早期版本称为粗网 (10BASE5) 和细网 (10BASE2)。 2） 10BASE5使用同轴粗缆，可以连接 500 米的距离而不需要信号中继器。 10BASE2使用同轴细缆，直径比粗网小，也更灵活，但连接距离只有 185 米。 3、 传统的以太网 在 10BASE-T 网络中，网段的中心点通常是集线器。这样就形成了一个共享介质。因为介质是共享的，所以每次只有一个站点能够成功发送。这类连接被称为半双工通信。 4、当前的以太网 以太网的一个重大发展是交换机取代了集线器，从而大大增强了 LAN 的性能。 5、使用交换机替代集线器的优点： 1） 连接到集线器（HUB）端口上的所有设备在同一冲突域（Collision Domain）；连接到交 换机端口的每一个设备都可以形成一个冲突域；所有使用交换机替代集线器冲突域的数量增加，冲突域的范围减小。 2） 使用交换机替代集线器，广播域（Broadcast Domain）数量和范围不变。 3） 交换机可以组建全双工（Full Duplex）以太网，集线器只能组建半双工（Half Duplex） 以太网。 2.2 发展到1Gbps及以上的速度超越 LAN 的以太网 在以太网中使用光缆后，电缆连接距离大幅延长，使 LAN 与 WAN 之间的差异没那么明显了。以太网最初局限于单一建筑物中的 LAN 电缆系统，后来扩展到建筑物之间，而现在可以覆盖一个城市，称之为城域网 (MAN)。 3 以太网帧 3.1 帧封装数据包 1、 以太网帧有两种样式：IEEE 802.3（原始）和修订后的 IEEE 802.3 (Ethernet) 2、 以太网帧大小：原始以太网标准将最小的帧定义为 64 个字节，最大的帧定义为 1518 个字节。包括从“目的 MAC 地址”字段到“帧校验序列 (FCS)”字段的所有字节。在描述帧的大小时，不包含“前导码”和“帧首定界符”字段。1998 年发布的 IEEE 802.3ac 标准将允许的最大帧扩展到 1522 个字节。帧大小的增加是为了支持一种称为虚拟局域网 (VLAN) 的技术。3、 以太网帧字段 以太网帧=前导码+SFD+目的 MAC 地址+源MAC地址+长度/类型字段+数据和填充位字段+FCS 1）“前导码”（7 个字节）和“帧首定界符 (SFD)”（1 个字节）字段用于同步发送设备与接收设备。 2）目的 MAC 地址（6个字节）：是预定接收方的标识符。 3）源AC 地址（6个字节）：标识帧的源网卡或接口。4）长度/类型字段（2个字节）：定义帧的数据字段的准确长度。“长度/类型”字段在早期的 IEEE 版本中名为“长度”，在 DIX 版本中名为“类型”。 5）数据和填充位字段：46-1500个字节； 6）FCS（4个字节）：检验数据。 3.2 以太网Mac地址 1、为协助确定以太网中的源地址和目的地址，创建了称为介质访问控制 (MAC) 地址的唯一标识符。 2、MAC 地址结构 48位MAC地址=24位OUI（Organizationally Unique Identifier ，组织唯一标识符）+厂商分配的（网卡、接口）（24位） 3、地址格式可能类似于 00-05-9A-3C-78-00、00:05:9A:3C:78:00 或 0005.9A3C.7800。 3.5 以太网单播、组播、广播 1、单播：单播 MAC 地址是帧从一台发送设备发送到一台目的设备时使用的唯一地址。 2、广播：在以太网中，广播 MAC 地址长 48 位，全部为一，以十六进制显示时则为 FF-FF-FF-FF-FF-FF。 3、组播：组播 MAC 地址是一个特殊的十六进制数值，以 01-00-5E 开头。然后将 IP 组播组地址的低 23 位换算成以太网地址中剩余的 6 个十六进制字符，作为组播 MAC 地址的结尾。MAC 地址剩余的位始终为 0。 4 以太网中的介质访问控制 4.1 以太网中的介质访问控制 以太网使用载波侦听多路访问/冲突检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ，CSMA/CD) 来检测和处理冲突，并管理通信的恢复。 4.2 CSMA/CD过程1、载波侦听：在 CSMA/CD 访问方法中，要发送报文的所有网络设备在发送之前必须侦听。 2、多路访问： 3、冲突检测：当设备处于侦听模式时，可以检测共享介质中发生的冲突。冲突检测之所以能够实现，是因为当信号量超过正常水平时，所有设备都可以检测到。 4、堵塞信号和随机回退 5、集线器和冲突域 通过一台集线器或一系列直接相连的集线器访问公共介质的相连设备称为冲突域（Collision Domain）。冲突域也称为网段。集线器和中继器因此会影响冲突域大小的增长。 4.3 以太网的定时器 1、 延时（Latency）：2、 定时和同步 在半双工模式中，如果冲突没有发生，发送设备将会发送 64 位的定时同步信息，称为“前导码”。 吞吐量速度为 10 Mbps 及以下的以太网通信是异步通信。这种环境下的异步通信意味着，每台接收设备将使用 8 个字节的定时信息来使接收电路与传入的数据同步，然后丢弃这 8 个字节。 吞吐量为 100 Mbps 及更高的以太网通信是同步通信。这种环境下的同步通信表示不需要定时信息。但是，由于兼容性的原因，“前导码”和“帧首定界符 (SFD)”字段仍然存在。 3、 比特时间（Bit Time）： 不管介质速度如何，将比特发送到介质并在介质上侦听到它都需要一定的时间。这段时间称为比特时间。在 10-Mbps 以太网中，MAC 层上发送一个比特需要 100 纳秒 (nS等于10-9秒)，也就是0.1 微秒；在 100 Mbps 以太网中，发送相同比特需要 10 nS；而在 1000 Mbps 中，只需要 1 nS。 4、 碰撞槽时间（Slot Time） 在半双工以太网中，数据每次只能朝一个方向传送，因此碰撞槽时间 是一个确定有多少设备可以共享网络的重要参数。对于以 1000 Mbps 或以下速度发送的所有以太网，规范个别发送方式的标准可能会短于碰撞槽时间。 4.4 帧间隙和回退1、 以太网标准要求两个非冲突帧之间有最小的间隙。这样，介质在发送上一个帧后将获得稳定的时间，设备也获得了处理帧的时间。此时间称为帧间隙，其长度是从一个帧的 FCS 字段最后一位到下一个帧的“前导码”第一位。 2、 堵塞信号：堵塞信号最常见的数据样式是简单地重复 1, 0, 1, 0 样式，与前导码相同。 5 以太网物理层 5.1以太网物理层概述 1、 标准以太网、快速以太网、千兆以太网与万兆以太网之间的差异在于物理层，通常称作 以太网 PHY。 5.2 10/100Mbps以太网 1、主要的 10 Mbps 以太网包括： l 使用同轴粗缆的 10BASE5 l 使用同轴细缆的 10BASE2 l 使用 3 类/5 类非屏蔽双绞线电缆的 10BASE-T 2、最常见的 100 Mbps 以太网有： l 使用 5 类或更高规格 UTP 电缆的 100BASE-TX l 使用光缆的 100BASE-FX 5.3 1000Mbps以太网 1、1000BASE-T 以太网：1000BASE-T 以太网使用全部四对 5 类或更高规格的 UTP 电缆提供全双工发送。 2、使用光纤的 1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 以太网 9.5.4 以太网未来的选择 1、IEEE 802.3ae 标准经过改编，纳入了 10 Gbps - 通过光缆进行的全双工发送。原始以太网的 802.3ae 标准和 802.3 标准非常类似。万兆以太网 (10GbE) 在不断发展，不仅用于 LAN，而且用于 WAN 和 MAN。 6 集线器和交换机 6.1 传输以太网使用集线器（Hub）基于集线器的LAN性能不佳： 1）缺乏可扩展性； 2）延时 3）网络故障 4）冲突 6.2 以太网使用交换机 1、交换机可以将 LAN 细分为多个单独的冲突域，其每个端口都代表一个单独的冲突域，为该端口连接的节点提供完全的介质带宽。由于每个冲突域中的节点减少了，各个节点可用的平均带宽就增多了，冲突也随之减少。2、直接连接节点 1）专用带宽 2）没有冲突的环境 3）全双工操作 3、用交换机取代集线器 1）用交换机取代集线器冲突域的数量增加，范围减小； 2）用交换机取代集线器广播域不变； 6.3 交换机选择性转发 1、以太网交换机选择性地将个别帧从接收端口转发到连接目的节点的端口。2、因为 LAN 交换机将会缓冲收到的帧，等到适当的端口空闲时再转发给它。此过程称为“存储转发”。3、转发基于目的 MAC 交换机维护着一个表，称为MAC 表。该表将目的 MAC 地址与用于连接节点的端口进行比对。对于每个收到的帧，交换机都会将帧头中的 MAC 地址与 MAC 表中的地址列表进行比对。如果找到匹配项，表中与 MAC 地址配对的端口号将用作帧的退出端口。 4、交换机的操作 以太网 LAN 交换机采用五种基本操作来实现其用途： l 获取：交换机初始化时，MAC地址表是空的。交换机将使用收到帧的源 MAC 地址在 MAC 表中新建一个条目，然后将地址与条目到达的端口进行配对。 l过期：通过获取过程获取的 MAC 表条目具有时间戳。此时间戳用于从 MAC 表中删 除旧条目。 l 泛洪（Flood）：如果目的 MAC 地址不在 MAC 表中，交换机就不知道哪一个端口发送帧，此时它会将帧发送到接收端口以外的所有其它端口。发送帧到所有网段的过程称为泛洪。 l选择性转发：选择性转发是检查帧的目的 MAC 地址后将帧从适当的端口转发出去的 过程。这是交换机的