第2章 以太网
以太网是最早使用的局域网，也是目前使用最广泛的网络产品。
以太网有10Mbps、100Mbps和1000Mbps的网络。以星型为主。交换型以太网逐渐代替了共享型以太网，并使用了全双工以太网技术。
2.1 概述
1. 20世纪70年代中期，Xerox公司制定了以太网协议并进行实验，速率为2.94Mbps；
2.1980年，Xerox、Intel和DEC三公司联合发表DIX80，即以太网的标准；
3.1981年6月，IEEE802 LAN标准委员会成立；
4.1985年，IEEE802 LAN标准委员会正式通过了局域网标准。
5.传统的以太网的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半双工传输模式工作，网络的站点在同一时刻要么发送数据，要么接收数据，而不能同发送和接收。
6.交换型和全双工以太网的出现，实现了站点独占传输媒体并同时收发数据。
2.2 以太网标准系列
年份代号标准类型
198210BASE5802.3粗同轴电缆
198510BASE2802.3a细同轴电缆
199010BASET802.3I双绞线
199310BASEF802.3j光纤
1995100BASET802.3u双绞线
1997全双工以太网802.3x双绞线、光纤
19981000BASEX802.3z短屏蔽双绞线、光纤
20001000BASET802.3ab双绞线
2.3 以太网的功能模块
2.4 帧结构
2.4.1 以太网的帧结构
7 1 6 6 2 46~1500 4
前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）类型
（TYPE）数据区（DATA）帧检验序列（FCS）
1.前导码
为101010……，共56位，为了同步。
2.帧首定界符（SFD）
为10101011，表示一帧开始。
3.目的地址（DA）
为MAC的物理地址，共6字节。又分为单地址、多地址和广播地址。
（1）单地址：最高位是“0”；
（2）多地址和广播地址：最高位是“1”。（广播地址时，DA同时为全“1”代码）
4.源地址（SA）
同上
5.类型（TYPE）
主要说明高层所使用的协议类型，如IP地址。
6.数据区（DATA）
它的范围为：46~1500字节，如不够46字节，则必须填充到46字节。
7.帧检验序列（FCS）
FCS是通过计算除前导码、SFD和FCS以外的内容得到的。
2.4.2 以太网与IEEE802.3（CSMA/CD标准）帧结构的比较
7 1 6 6 2 46~1500 4
前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）类型
（TYPE）数据区（DATA）帧检验序列（FCS）
以太网帧结构
7 1 2/6 2/ 6 2 46~1500 0~46 4
前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）长度（L）
逻辑链路层协议单元LLC—PDU填充字段 PAD帧检验序列（FCS）
IEEE802.3（CSMA/CD标准）帧结构
说明：如果LLC—PDU＜46字节，则发送站的MAC子层自动填“0”代码于填充段PAD中。
以太网与IEEE802.3的区别：
比较以太网IEEE802.3
数据段直接为网络层的分组为LLC—PDU
长度/类型类型（值大于1536D）长度（值小于1536D）
以太网帧IEEE802.3帧
DA段在最高位有意义：区分单址还是多址在最高两位有意义次高位“0”：全局管理次高位“1”：局部管理广播地址DA段，次高位“1”DA段，次高位“1”
2.5 媒体访问控制技术
1.发送规则
2.碰撞槽时间（重点讲解）
假设公共总线媒体长度为S，帧在媒体上的传播速度为0.7C（光速），网络的传输率为R（bps），
帧长为L（bps），tPHY为某站的物理层时延；
则有：
碰撞槽时间=2S/0.7C+2tPHY
因为Lmin/R=碰撞槽时间
所以：Lmin =（2S/0.7C+2tPHY ）×R （注意，原书中有错！）
Lmin 称为最小帧长度。
碰撞槽时间在以太网中是一个极为重要的参数，有如下特点：
（1）它是检测一次碰撞所需的最长时间。
（2）要求帧长度有个下限。（即最短帧长）
（3）产生碰撞，就会出现帧碎片。
（4）如发生碰撞，要等待一定的时间。t=rT.（T为碰撞槽时间）
3.接收规则
（1）网络上的站点，如不发送，则接收；
（2）接收后，首先判断是否为帧碎片；
（3）识别目的地址；
（4）判断FCS是否有效，若无效，丢弃；若有效，进行（5）步；
（5）确定长度字段时长度还是类型，以0600H为界；
（6）接收成功。解封后送到LLC层。
2.6 选学内容
2.6.1 以太网时隙（slot time）
1.为什么要设置时隙？
（1）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。
（2）考虑极限情况，主机发送的帧很小，两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到了冲突，于是发送阻塞信号。
（3）但B的阻塞信号还没有传输到A，A的帧已发送完毕，那么A就检测不到冲突，而误认为已发送成功，不再发送。
（4）由于信号的传播时延，检测到冲突需要一定的时间，所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。
2.下面我们来估计在最坏情况下，检测到冲突所需的时间
（1）在上图中，A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为τ，假定A在t时刻开始发送一帧，则这个帧在t+τ时刻到达B，若B在t+τ－ε时刻开始发送一帧，则B在t+τ时就会检测到冲突，并发出阻塞信号。
（2）阻塞信号将在t+2τ时到达A.所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的发送时间必须大于2τ。
（3）按照标准，10Mbps以太网采用中继器时，连接最大长度为2500米，最多经过4个中继器，因此规定对于10Mbps以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs.
（3）51.2μs也就是512位数据在10Mbps以太网速率下的传播时间，常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位时=64字节，因此以太网帧的最小长度为512位时=64字节。
3.冲突发生的时段
（1）冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间，即512位时=64字节的时段。
（2）当网上所有主机都检测到冲突后，就会停发帧。
（3）512位时是主机捕获信道的时间，如果某主机发送一个帧的512位时，而没有发生冲突，以后也就不会再发生冲突了，称此为主机捕获了信道。
4.中继器与网桥和冲突的关系
（1）中继器和冲突的关系：
中继器不能隔离冲突，所以把中继器相连的网段作为一个冲突域。
冲突退避算法限制了每个主机的退避时间从1个时隙到最多210=1024个时隙，因此，由中继器连接的多段以太网中，主机数一般不超过1024个。
（2）网桥和冲突的关系：
网桥能隔离冲突，因此，在主机数超过1024个时，可以通过网桥连接。
5.100Mbps和1000Mbps以太网的时隙
（1）100Mbps以太网的时隙：
100Mbps以太网的时隙仍为512位时，以太网规定一帧的最小发送时间必须为5.12μs.
（2）1000Mbps以太网的时隙
1000Mbps以太网的时隙增至512字节，即4096位时。
6.坚持退避算法
有三种CSMA坚持退避算法，如下图：
（1）非坚持CSMA；
假如介质是空闲的，则发送；
假如介质是忙的，等待一段随机时间，重复第一步；
（2）1-坚持CSMA；
假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。
（3）P-坚持CSMA；
假如介质是空闲的，则以P概率发送；而以（1-P）的概率延迟一个时间单位。时间单位等于最大的传播延迟时间。
假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步。
假如发送被延迟一个时间单位，则重复第一步。
7.三种方法的比较：
非坚持1-坚持P-坚持
优点当站点要发送时，只要介质空闲，就立即发送。降低1-坚持的冲突概率，又减小介质浪费。
缺点即使有几个站有数据要发送，介质仍可能处于空闲状态。介质利用率低。
假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。P值的选择
非常重要。
2.6.2 载波监听多路介质访问/冲突检测（CSMA/CD）
载波监听多路介质访问/冲突检测协议已广泛应用于局域网。其方法是：
每个站在发送帧期间，同时有检测冲突的能力，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发送一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已发生，这样通道的容量不致因白白传送一损坏的帧而浪费。
2.6.3 退避算法
在CSMA/CD算法中，在检测到冲突并发完阻塞信号后，为降低再冲突的概率，需等待一个随机过程，然后再用CSMA算法发送。为了决定这个随机时间，采用称为二进制指数退避算法，算法如下：
（1）对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参量为L=2；
（2）退避间隔取1~L个时间片中的一个随机数，1个时间片等于2a（双向传播时间=2a，
即：a=0.5）；
（3）当帧重复一次冲突时，则将参量L加倍；
（4）设置一个最大重传次数，超过这个次数，则不再重传，并报告出错。
2.7 物理层结构功能
2.7.1 编码和译码技术
计算机直接输出的码为不归零码（NRZ），在以太网的物理层媒体上传输帧的二进制码必须采用特殊的编码。
在10BASEX上采用曼彻斯特码。优点为：
（1）传输的代码中包括了同步时钟；
（2）能很方便的检测到发生碰撞的现象，平均电平发生了变化。
（3）容易区分“1”、“0”。
2.7.2 收发器
向媒体发送信号
从媒体接收信号
识别媒体是否存在信号（在总线上是否有载波）
识别碰撞（在总线上是否发生了碰撞）
四种10BASE以太网物理连接（P.28）
2.7.3 四种10BASE以太网物理性能比较
四种10BASE以太网物理性能比较
10BASE510BASE210BASET10BASEFL
收发器外置设备内置芯片内置芯片内置芯片
媒体Φ10，50Ω同轴电缆Φ5，50Ω同轴电缆3、4、5类不屏蔽双绞线62.5/125
多模光缆
最长媒体段500m185m100m2km
拓扑结构公共总线型公共总线型星型星型
中继器/集线器中继器中继器集线器集线器
最大跨距/媒体段数2.5km/5925m/5500m/54km/2
网卡上连接端9芯D型AUIBNC，T头RJ—45ST
2.8 10BASET以太网组网技术
2.8.1 10BASET以太网系统组成（P.30）
（1）双绞线连接
（2）系统配置
HUB与网卡之间最长距离为100米，HUB数量最多为四个。任意两站之间的距离不会超过500米。
（3）抗干扰能力（P.31）
正常情况：放大器有输入时，在输出双绞线分别产生极性相反且幅度相等的差分信号，对于接收放大器，只有在差分信号输入时，才有输出；干扰时：会产生同极性且幅度相等的信号，此时，没有输出。起到了抗干扰作用。
2.8.2 10BASET集线器功能
（1）媒体上信号的再生和在定时
（2）检测碰撞
（3）端口的扩展功能
（4）混合连接10BASE5与10BASET及10BASE2以太网系统
见P.33.
4B/5B码：
16进制数4位2进制数4B/5B码16进制数4位2进制数4B/5B码
00000111108100010010
10001010019100110011
200101010010101010110
300111010111101110111
401000101012110011010
501010101113110111011
601100111014111011100
701110111115111111101