以太网基础知识

,主要内容,一.以太网基础知识 1.1 以太网&802.3简介 1.1.1 以太网的基本要素 1.1.2 LAN的互联 1.2 OSI模型七层结构 1.2.1 物理层 1.2.2 数据链路层 1.3 以太网补充知识二.MAC帧结构 1.1 基本的MAC帧结构 1.2 带标签的MAC帧结构 1.3 帧结构补充知识三 Media Access Contol 3.1 CSMA/CD 3.2 MAC 补充知识,一.以太网基础知识,1.1 以太网&802.3简介 以太网(Ethernet）是当今局域网采用的最通用的通信协议标准，它传输速率为10Mbps，组建于七十年代早期。现在，以太网一词泛指所有采用CSMACD协议的局域网。在以太网中，所有计算机被连接在一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波检测多路访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓扑结构。基本上，以太网由共享传输媒体构成。在星型(总线本身放在集中器中)或总线型配置结构中，集线器/交换机/网桥通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。 以10BASET为例：10代表10Mbps，BASE 表示基带信号，T代表双绞线。,以太网类型和它们使用的协议以及传输媒体,一.以太网基础知识,IEEE802标准：是IEEE（电气和电子工程师协会）对局域网和城域网 （ LAN/ MAN）开发的一系列标准。IEEE802.3:是IEEE发布的局域网协议，规定了关于物理层和数据链路层MAC子层的一种实现方式。IEEE 802.3采用CSMA/CD机制，在各种物理介质上实现不同的访问速度。IEEE 802.3标准的一个扩展规定了快速以太网的具体实现。最初的IEEE 802.3标准的物理层实现包括：10BASE2、10BASE5、10BASE-F和10BROAD-36。快速以太网的物理层实现包括：100BASE-TX 和100BASE-FX。吉比特以太网的物理层实现包括：1000BASE-T、1000BASE-LX和1000BASE-SX。,一.以太网基础知识,1.1.1 以太网的四个基本要素： 帧 （ Frame ） ： 它是一系列标准化的数据位，用于在以太网络系统中传输数据。 介质访问控制协议（ Media access control protocol ）： 它由一整套内嵌于各个以太网接口中的规则组成，它允许多个计算机以公平的方式访问共享的以太网信道。 信号部件（ Signaling component ）： 它们是一些标准化的电子设备，用来在以太网信道中发送和接收信号。 物理介质（ Physical medium ）： 由电缆和其他用来在连网的计算机之间传输数字式以太网信号的硬件部件组成。,一.以太网基础知识,1.1.2 LAN 的互联：目的是为了实现用户对所互联的网络的资源共享和通信 中继器：又叫转发器，在物理层工作 ； 对网络电缆上传输的数据信号经过放大整形后再发送到其他电缆段 .注意使用中不能形成环路，并且有个数限制 网桥：又叫桥接器，工作在数据链路层 .有筛选/过滤功能，隔离不需要在网间传输的信息，寻址和路径选择 靠DL层的帧头中的MAC地址，不能广播包抑制和子网隔离. 路由器：工作在网络层，能广播包抑制和子网隔离， 有地址映射，数据转换，路由选择，协议转换，流量控制等功能 网关：又叫网间连接器或连网机，工作在传输层以上的层次 高层协议转发器，用于不同类型且差别较大的的网络之间的互联,一.以太网基础知识,以太网和IEEE8023服务的差别 尽管以太网与IEEE8023标准有很多相似之处，但也存在一定的差别。以太网提供的服务对应于OSI参考模型的第一层和第二层，而IEEE8023提供的服务对应于OSI参考模型的第一层和第二层的MAC部分（即第二层的一部分）。IEEE8023没有定义逻辑链路控制协议，但定义了几个不同物理层协议，而以太网只定义了一个物理层协议。 IEEE8023的每个物理层协议都可以从三方面说明其特征，这三方面分别是LAN的速度、信号传输方式和物理介质类型,以太网的一些重要的参数值,slot time:为信道的间歇时间，在10/100Mb/s中为512bits time长,在1000Mb/s中为4096 bits time。InterframeGap：Frame间隔时间，为96bits time，10Mb/s中为9.6us，100Mb/s中为0.96us，1000Mb/s中为0.096us。Attemptlimit：发生冲突后帧重传的最大限度，为16次。Backoff：为解决冲突之算法的一个参数，最大限度为10。Jamsize：jam信号的size，固定为32bit。Maxuntaggedframesize：最大的untagged frame长度，为1518byte。Minframesize：最小的frame长度，为64byte。Burstlimit：为1000Mb/s中独有参数，为65536 bits。,1.2 OSI模型七层结构,1.2.1 Physical Layer,物理层是OSI模型的最低层或称作第一层，主要完成相邻结节之间的比特流的传输。同时本层还定义了一些有关网络的物理特性，包括物理连网媒介，如：电缆连线和连接器。物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。 物理层的主要功能 （1）信号的编码和译码； （2）比特的发送和接收。,1.2.1 Physical Layer,曼彻斯特编码常用介质编码方法，特点：A.便于提取同步信号；B.频带宽度比原始的基带信号增加了一倍；C.更好的抗干扰性能。,曼彻斯特编码规则位中间电平从高到低跳变表示“0”；位中间电平从低到高跳变表示“1”。差分曼彻斯特编码规则第一个信号 如果中间位电平从高到低，则表示0；如果中间位电平从低到高，则表示1；从第二个信号开始在信号位开始时不改变信号极性，表示“1” ；在信号位开始时改变信号极性，表示0,1.2.2 Data link layer,数据链路层被分为MAC和LLC两个子层目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分进行区分，降低研究和实现的复杂度。MAC层 主要功能:,随机访问：当一个节点要传送帧时，就使用共享介质而不用和其他节点协调。（随机访问的特点是发生冲突（cllision)的可能性大。）,确定性访问:预先知道访问共享介质的最大时间,令牌传递：每台计算机只有在收到令牌后才能在一个固定的时间周期内使用共享介质。最大等待时间=令牌持有时间计算机数量,轮询算法：网络中有个专用节点起着共享介质仲裁者的作用，仲裁者周期性的询问其他节点是否有帧要传送，当收到请求时，仲裁者决定哪个节点使用共享介质传送帧，当帧传送完后，重复轮询。,a.保证共享介质的访问（介质的分配，冲突的处理）,b.保证端节点间的帧传输(数据的封装，发送，接收）,访问方法共享介质,1.2.2 Data link layer,帧传送的阶段：帧格式化：给帧填充信息：DA,SA,用户数据和高层协议代码，计算校验和并保存在相应的字段。帧传送到介质：在发送端MAC层把帧传送到物理层，通过物理层设备传送帧。帧接收：接收端的MAC层执行发送端的逆过程。包括对帧的CRC校验，如果CRC校验正确，MAC层就把它传给协议栈的高层；如果CRC校验错误，那么丢弃该帧。,1.2.2 Data link layer,MAC子层的两种工作模式半双工模式：基于CSMA/CD的介质访问方法。两个或更多的站点共享一个传输介质，一个站点会等到其它站点没有传输时，以连续比特流的形式发送信息。如果发生冲突，站点会继续传输一段时间来确保冲突到达整个系统(发送jam信号），然后回退随机时间准备重传。全双工模式：在点对点介质段的一对设备间进行同步通信，点对点介质段提供了独立的发送和接收数据的路径。全双工模式不需要传输介质访问控制单元避免冲突但必须满足以下条件： 1.物理介质支持无干扰的同时传送与接收。 2.两站点以点对点的全双工方式连接。 3.两站点都支持并被配置为全双工操作方式。,1.2.2 Data link layer,LLC层主要功能：接口功能：包括在MAC层与网络层之间传送用户数据和控制数据。方法：为了数据解多路复用，LLC协议在数据头部使用特殊字段SAP（服务访问点）。,a.建立与网络层的接口,b.按预定的可靠性级别确保帧的传输,a.(从上层到下层）多路复用:把经过几个网络层协议收到的数据传送到单个MAC层协议。,b.（从下层到上层）解多路复用：来自MAC层的数据流按计算机支持的网络协议的数量分成若干个子流。,LLC帧格式,1.2.2 Data link layer,帧的可靠性传输： 操作模式 说明：1.帧访问共享介质后，帧的传输就交给了MAC层。MAC层的传输不能建立逻辑连接并且不能恢复丢失或损坏的帧。如果高层协议要求可靠传输服务，必须向LLC层请求。LLC层建立与目标节点的连接并且组织帧的发送。 2.LLC模式的选择取决于高层协议的要求。,LLC1：不确认的无连接服务，适用于广播、组播通信，周期性数据采集,LLC2：具有出错和丢失帧恢复功能的面向连接的服务，适用于长文件传输,LLC3：带发送确认的无连接服务，适用于传送可靠性和实时性都要求的信息，如告警信息,1.3 以太网补充知识,1.3.1 网桥网桥和中继器非常相像，它与中继器的不同之处就在于它能够解析它收发的数据。网桥工作在OSI模型的数据链路层；数据链路层能够进行流控制、纠错处理以及地址分配。网桥能够解析它所接收到的帧，并能指导如何把数据传送到目的地。,网桥原理,已知目的地址的帧的转发网桥内部有一个网桥端口与所有站相对应的地址映射表，当网桥的一个端口接收到帧后，网桥检查该帧的目的地址，然后查找地址表，确定与该地址对应的端口。 a.如果收到帧的端口正是帧目的地址所在的端口，那么网桥就会丢弃这个帧。因为可以认定通过正常的LAN传输机制，目标机已经接收过这个帧。 b 如果收到的帧的端口不是目的地址所在的端口，为了使目标站正确地收到该帧，网桥必须把这一帧转发到目的地址所在的端口。未知目的地址的帧的转发如果网桥当前还不知道站发送帧的目的地址，网桥在地址表中找不到该目的地址与端口，它便会向除接收该帧之外的所有端口转发此帧。这称为扩散( flooding )或泛洪。扩散使网桥可以与未知的站通信。除了不必要地占用了输出端口的LAN带宽以外，帧扩散并没有坏处。如果站真的存在，扩散保证通信能正常进行。与此类似，如果一个站向组播地址发送帧，网桥会向除接收此帧的端口以外的所有端口转发它。这是因为网桥不能确定哪些站正在监听某个组播地址，所以它不应该把帧的转发限制到一个特定的输出端口上。地址表的更新网桥通过记录接收帧的源地址，可以动态地建立地址表。当网桥接收到一个帧后，它在表中查找与发送站对应的项(由帧的源地址指明)。如果找到了，就会更新地址表中与该站相对应的端口，以反映在该端口上接收到了最新的帧。这使得网桥可以正确地映射从一个LAN网段转移到另一个网段的站。如果没有找到登记项，网桥会根据新发现的地址和接收它的端口地址新建一个新地址表项。经过一段时间，随着站不断地发送帧，网桥就会知道所有活动站的地址-端口对应关系。,说明：（1）一个网桥连接的LAN的数量没有限制；（2）每个站有一个全局唯一的48位单播地址。这是很重要的；网桥的正常运行依赖于链路层全局唯一地址；（4）网桥内部有一个网桥端口与所有站相对应的地址映射表，即网桥知道到达每个站要经过的端口；（5）网桥工作于混杂模式，即它接收其每个端口到来的每一个帧，而不管帧的目的地址；（6）当通过某个端口向LAN上其他有关的站发送帧时，网桥没有任何特权。它必须按照端口正常的介质访问控制(MAC)规定来工作。这就意味着网桥在以太网端口上必须延迟发送、检测冲突、后退等，就像其他以太网设备一样；（7）在输出端口转发帧时，可能出现长时间的延迟，这称为网桥传送延迟。如果一个输出端口阻塞了，帧有可能在网桥内部队列中等待发送。在最坏的情况下，网桥输出队列可能饱和，那么就会导致网桥由于缺少缓冲区而丢弃帧；（8）当网桥转发帧时，转发帧的源地址是该帧最初发送者的地址，而不是网桥自己的地址。端站意识不到网桥的存在。发送者不知道也不需要知道某个网桥在为它转发帧。接收站把所有的帧都看作是如同发送者和接收者在同一个LAN网段上的帧一样(同样的地址，同样的数据)；（9）网桥工作原理总结：学习源地址、过滤本网段帧、转发异网段帧、广播未知帧 。,1.3.2 交换机,交换机和网桥的区别在于市场，而不在于技术。交换机完成的功能与网桥相同，交换机就是网桥。销售商之所以把该产品叫做交换机，是为了与更原始的旧式网桥相区别。应该把注意力更多地放在应用环境上而不是设备的功能上。也就是说，当谈到现代应用中的高端口密度网桥时，通常称它们为交换机，并把这样的应用环境称为交换式LAN。,二.MAC帧结构,2.1 基本的MAC帧结构,Preamble(前同步信号）：由个,交替的位字节组成：10101010 1010101010101010 该字段保证网络上的以太网接口能在重要的数据字段到来前与输入的数据流同步。SFD (起始帧定界符)：1个字节，其比特模式为“10101011”。它紧跟在前同步信号后，用于指示一帧的开始。出现11时，指示帧开始。. DA （目的地址）: 个字节，用12个十六进制表示，每两个一组，代表一个8位信息。目的地址可以是单独的地址，或者是广播或组播MAC地址。. SA （源地址）：个字节，在SA字段中，广播和组播地址格式是非法的。 5. 类型/长度字段（Length/type field）：2个字节，表示的意义取决于其数值。 如果字段中的值小于或等于最大帧尺寸1518（十进制）则做为长度字段使用，表示数据字段中数据的长度。如果字段中的值大于或等于1536（Ox0600），则被做为类型字段，标识数据字段所携带的数据协议类型。,2.1 基本的MAC帧结构,Data and PAD field（数据和填充字段）：最少为46字节,最多为1500字节;数据字段至少必须有46个字节，这是为了确保帧信号在网络传输过程中停留的时间足够长，使网络系统中的每个站点在以太网系统的最大循环信号传输时间内都能收到帧。当数据域的长度不够46个字节时，就要通过填充字段进行填充，直到它达到46个字节的长度为止。填充字段的长度:Max0,minframeSize-(8*n+2*Addresssize+48) bits=Max(0,368-8*n)bits（其中n为数据字段的字节数，48为L/T和FCS的size)。FCS（帧校验序列）：4个字节的循环冗余校验码（CRC），由DA,SA,LEN/TYPE,DATA,PAD共同计算得出。在接收端收到MAC帧以后，重新计算FCS字段的值，并与帧中的FCS字段进行对比，如果两个值相同，则接收站点认为在以太网信道传递过程中没有发生错误。Extension（载波扩展字段）:速度在1000Mb/s以上时，为了扩大最小帧传送相关的载波事件的时间，载波通过附加非数据信号来进行扩展，扩展的最大长度为 Extension=slot time-minFrameSize4096 bits512 bits3584 bits(448字节）,2.2 带标签的MAC帧结构,2个字节的802.1QTag Type 类型说明=0X8100,表示0-7的8个优先级,0表示规范格式，用于以太网；1表示非规范格式，用于令牌环网。,12 bit的VID总共可以表示4094个不同的VLAN（ “全0”和“全1”的情况有特殊的规定),TAG CONTROL INFORMATION 字段详细解释,TCI 标签控制信息字段，包括用户优先级（User Priority）、规范格式指示器（Canonical Format Indicator）和 VLAN ID。 User Priority：定义用户优先级，包括8个（23）优先级别。CFI：以太网交换机中，规范格式指示器总被设置为0。由于兼容特性，CFI 常用于以太网类网络和令牌环类网络之间，如果在以太网端口接收的帧具有 CFI，那么设置为1，表示该帧不进行转发，这是因为以太网端口是一个无标签端口。 VID：VLAN ID 是对 VLAN 的识别字段，在标准 802.1Q 中常被使用。该字段为12位。支持4096（212） VLAN 的识别。在4096个可能的 VID 中，VID0 用于识别帧优先级。 4095（FFF）作为预留值，所以 VLAN 配置的最大可能值为4,094。,2.3 帧结构补充知识,2.3.1 MAC 地址问题 IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，相当于站点的唯一标识符，与其物理位置无关；地址字段的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配。I/G和G/L是第一个字节的最低两位。 I/G=0 individual 单播地址 （源地址只能为单播地址） I/G=1 group 组播地址 G/L=0 globally administered 全局管理 G/L=1 local administered 本地管理当地址位为：0xFFFFFFFFFFFF时,是表示LAN上全部工作站的多播地址(广播地址）。,2.3 帧结构补充知识,2.3.2 比特传输顺序 以太网中，48位的物理地址用12个十六进制数表示，每两个数组成一组，代表一个8位信息，一共6个8位字节，以太网上传送8位（字节）信息的顺序是从最高位（最左端的8位）到最低位（最右端的8位），但在8位内部（Bit）的传送顺序是先低位，后高位（先右后左）。2.3.3 无效MAC帧 凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧： 1. MAC客户数据字段的实际长度和长度字段中的值不一致； 2. 帧的长度不是整数个字节； 3. 用收到的帧校验序列FCS查出有差错; 4.帧的MAC客户数据字段的长度不在46-1500字节之间。,三 Media Access Contol,在1.2节中我们讨论到了MAC子层功能中的介质的分配，这里我们继续讨论它的另外一个功能冲突处理。3.1 CSMA/CD（带有冲突检测的载波监听多路访问方法）它是一种半双工模式下的介质访问机制工作原理：发送前采用CSMA方式。边发送边监听信道。若监听到冲突，则冲突双方都停止发送，这样信道很快空闲，提高效率。若没有冲突，表示发送成功。CSMA/CD工作方式总结：先听后发、边发边听、冲突停止、延迟重发。,CSMA/CD图解,A B,冲突,A开始发送帧,B开始发送帧,B发送jam并停止发送帧，延迟随机时间再监听,A发送jam并停止发送帧，延迟随机时间再监听,CSMA/CD 帧的传输模式,帧的传输包括数据的封装（解封）和传送（接收）介质访问管理两个部分：a) 传输数据的封装：输出帧的装配和校验序列的产生。b) 传输介质访问管理：载波延迟，帧间间隔产生，碰撞检测和强制拥塞，碰撞回退和重传，载波延长和帧组发。,3.2 MAC补充知识,3.2.1 载波监听策略： 非坚持CSMA： （1）如果介质是空闲的，则可以立即发送数据。 （2）如果介质是忙的，则等待一个随机延迟的时间后，再继续侦听，直到介质为空闲才发送数据。 1-坚持CSMA：（1）如果介质空闲的，则可以立即发送数据。（2）如果介质是忙的，则继续侦听，直至检测到介质是空闲，立即发送数据。（3）如果在发送数据过程中发生了冲突，则放弃当前的数据传送任务，等待一个随机的延迟时间，再重复上述步骤（1）（2）。 p-坚持CSMA：（1）如果介质空闲，则以P概率发送数据（注意，只是一种概率，而不是马上发送数据），而以（1-P）的概率延迟一个时间单位t，t等于最大信号传播时延的两倍。（2）站点的发送已被延迟一个时间单位t后，则重复上述步骤（1），当然这时的P值可能不一样。（3）如果介质是忙的，继续侦听直到介质处于空闲状态，然后重复上述步骤（1）。 P-坚持的说明：设当介质忙时，有n个站点等待，在P值的设定使np=1时最佳。,载波监听策略性能比较,3.2 MAC补充知识,3.2.2 冲突检测和增强 冲突检测：是通过监视物理层提供的冲突检测信号来实现的。冲突检测的实际方法是依赖于所采用的介质系统 方法：收发器监视电缆上的平均直流电信号的幅度来检测冲突。当2个以上的站点同时传输时，电缆上的平均直流电压达到一个能触发收发器冲突检测电路的幅值； 冲突增强：当传输过程中检测到冲突时，并不是立即停止传输这个动作，而是继续到传完一串（32位）由jamsize定义的比特流后才停止。加强冲突（jam）是为了保证冲突持续的时间足够的长，以致于能被网上的所有站点检测到（避免漏检）。jam的内容是没有规定的，它可以为了方便媒体访问执行而选择固定或可变模式，但它不能与前面传输的帧的CRC值一样。,3.2 MAC补充知识,3.2.2 延迟时间冲突发生后，站点延迟的时间采用截断二进制指数退避算法：定义 K=min(K,10)(K为回退次数）整数L，0L2K延时时间T=Lt(t为“slot time”)在CSMA/CD中，当K16，帧将被丢弃，并有可能向上层汇报。理解：1.回退的次数越多，随机等待时间的范围呈指数增加； 2.当16K10时，K一直为10，这时随机数范围（0-1023）不变，回退时间范围（0-52.4ms）不变。,10Mbps系统上的最大回退时间表,3.2 MAC补充知识,3.2.3 slot time：在以太网规则中，若发生冲突，则必须让网上每个主机都检测到。但信号传播到整个介质需要一定的时间，这个时间就是以太网时隙（slot time) 时隙的由来：我们