第3章 以太网

1、第第3章章 以以 太太 网网3.13.23.33.43.5以太网的发展和网卡以太网的发展和网卡总线形以太网总线形以太网共享以太网共享以太网网网 桥桥交换式以太网交换式以太网3.63.73.83.9快速以太网快速以太网千兆以太网千兆以太网万兆以太网（万兆以太网（10GE）十万兆以太网（十万兆以太网（40/100GE）3.1 以太网的发展和网卡以太网的发展和网卡1以太网的发展以太网的发展图3.1所示为标准以太网实现方法的简单示意图。3.1 以太网的发展和网卡以太网的发展和网卡1995年，传输速率为100Mbps的快速以太网（FE）出现。1999年，传输速率为1Gbps的千兆以太网（GE，又称吉比特

2、以太网）出现。2002年，传输速率为10Gbps的万兆以太网（10GE）出现。2010年，传输速率为100Gbps的十万兆以太网（100GE）出现。3.1 以太网的发展和网卡以太网的发展和网卡2网卡网卡网卡（NIC）也叫网络适配器，是计算机及其连接网络的接口。在台式机、服务器上通常使用PCI网卡（见图3.2），或者将网卡直接做在主板上，而笔记本电脑同时配备有线网卡和无线网卡。 3.1 以太网的发展和网卡以太网的发展和网卡网卡的主要功能分为发送和接收：网卡的主要功能分为发送和接收：（1）发送。就是将需要传输的数据先缓存，然后组织成以太网帧发送出去，其中包括：加入帧头、自动生成校验数据作为帧尾。对

3、帧（二进制流）数据进行编码，然后帧变成传输介质可以传输的信号发送出去。（2）接收。就是接收传输介质上的信号，变成数据帧，校验它的正确性后缓存起来，然后通知CPU。3.1 以太网的发展和网卡以太网的发展和网卡为了统一管理以太网的硬件地址，保证每块以太网卡的地址是全球唯一的，IEEE注册管理委员会为每个网卡生产商分配以太网物理地址的前24位，即公司标识也称为机构唯一标识符（OUI），后面的24位由网卡厂商自行分配。具体表示如下：3.1 以太网的发展和网卡以太网的发展和网卡以太网的48物理地址通常用6个十六进制数表示，2个十六进制数之间用“-”号隔开，如图3.3所示。【例例3.1】 IEEE分配给3

4、COM公司的前3字节中的一个为00-60-08。3COM公司为某块网卡分配后24位为00-A6-38，则这个网卡的MAC地址为00-60-08-00-A6-38。3.2 总线形以太网总线形以太网3.2.1 基本组成与工作原理基本组成与工作原理 最初以太网是一种总线形局域网。总线形结构如图3.4所示。3.2.2 数据传输的基本单元：数据传输的基本单元：MAC帧帧DIX V2标准定义帧成为MAC帧，帧结构如图3.5所示。3.2.2 数据传输的基本单元：数据传输的基本单元：MAC帧帧1前同步码与帧开始定界符前同步码与帧开始定界符为了接收端迅速实现位同步，在帧的前面插入8字节（由硬件生成），它由两个字

5、段构成。第一个字段是7个字节的前同步码（1和0交替），作用是使接收端网卡在接收帧时能够迅速调整其时钟频率，与发送端的时钟同步（位同步，即比特同步）。第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011。它的前6位的作用和前同步码一样，最后两个连续的1就是告诉接收端网卡：“帧的信息马上就要来了，请你注意接收！”3.2.2 数据传输的基本单元：数据传输的基本单元：MAC帧帧2目的地址和源地址字段目的地址和源地址字段目的地址则有可能是单播、多播或者广播地址。如果目的地址的第一个字节的最低位是0，那么这个地址就是单播地址（接收者网卡EUI-48）；反之则是多播地址。如图3.6所示。3.2.2 数据传输的基

6、本单元：数据传输的基本单元：MAC帧帧3类型字段类型字段类型字段表示的是网络层使用的协议类型。例如：当类型字段值等于0 x0800时，表示网络层使用IP协议；当类型字段值等于0 x0806时，表示网络层使用ARP协议；当类型字段值等于0 x8137时，表示网络层使用NetWare的IPX协议。4数据字段数据字段数据字段是结点待发送的数据部分。数据长度在461500字节之间。5帧校验字段帧校验字段帧校验字段（FCS）是为了检测网卡接收的MAC帧有无差错而专门设置的。3.2.3 总线以太网扩展：中继器总线以太网扩展：中继器 1使用中继器延长总的距离使用中继器延长总的距离信号在同轴电缆中进行传输时有

7、衰减并且会受到噪声的干扰，使得有用的数据信号随着传输距离的增加会变得越来越弱，信号在粗缆上可传输500m，在细缆上只能传输185m。2以太网最小帧长度限制总的距离以太网最小帧长度限制总的距离在一个网络中，最多可以分为5个电缆段，用4个中继器连接。这样，粗缆以太网（10BASE-5）延长后的最大总线长度为2500m。如图3.7所示。3.2.4 发送和接收数据：发送和接收数据：CSMA/CD协议协议 1以太网发送数据流程分析以太网发送数据流程分析图3.8给出了以太网结点的数据发送流程。3.2.4 发送和接收数据：发送和接收数据：CSMA/CD协议协议 （1）载波侦听。每个以太网结点利用总线发送数据

8、时，首先需要侦听总线是否空闲。以太网的物理层规定发送的数据采用曼彻斯特编码方式。图3.9给出了总线电平跳变与总线忙闲状态的判断。3.2.4 发送和接收数据：发送和接收数据：CSMA/CD协议协议 （2）冲突发生。电磁波在电缆中的传播速率大约为2l05 km/s。如果结点A与结点B之间相距L km，电磁波传播时延为= L/（2l05）。因为A开始发送数据大约后，B才有可能收到该数据帧。在这段时间内，结点B并不“知道”A已发出数据，它检测到信道空闲就有可能也发数据。图3.10所示的例子可以说明这种情况。3.2.4 发送和接收数据：发送和接收数据：CSMA/CD协议协议 （3）冲突检测。从电子学的具

9、体实现角度看，进行冲突检测可以有两种方法：比较法：发送结点在发送帧的同时，将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。编码违例判决法：检查从总线上接收的信号波形，若不符合曼彻斯特编码规律，就说明已经出现了冲突。3.2.4 发送和接收数据：发送和接收数据：CSMA/CD协议协议 （4）发现冲突，停止发送。以太网采取一种叫做强化冲突的措施。当发送数据的结点一旦发现发生了冲突时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送人为干扰信号，以便让总线上所有结点都知道现在已经发生了冲突（见图3.11）。3.2.4 发送和接收数据：发送和接收数据：CSMA/CD协议协议 （5）随机延迟重发。以太网协议规定

10、一个帧的最大重发次数为16。如果重发次数超过16，则认为线路故障，进入“冲突过多”结束状态。如果重发次数n16，则允许结点随机延迟再重发。为了公平地解决信道争用问题，需要确定后退延迟算法。该算法可以表示为：=2kR3.2.4 发送和接收数据：发送和接收数据：CSMA/CD协议协议 2以太网接收数据流程的分析以太网接收数据流程的分析图3.12给出了以太网结点的数据接收流程。3.3 共享以太网共享以太网3.3.1 集线器集线器及其传输介质1集线器集线器具有多个端口的中继器称为集线器（Hub）。集线器上的多个端口将各介质段物理地连接在一起，同时把所有端系统集中在以它为中心的结点上。 3.3.1 集线

11、器及其传输介质集线器及其传输介质2双绞线连接双绞线连接每条双绞线电缆两头都要安装RJ-45连接器（俗称水晶头），其中8根双绞线的作用如图3.15所示。 3.3.1 集线器及其传输介质集线器及其传输介质用双绞线连接计算机和集线器时，两端的RJ-45头中双绞线的分布排列必须完全一致，称为标准“直通”的排列方式，如图3.16所示。3.3.1 集线器及其传输介质集线器及其传输介质3光纤连接光纤连接光纤以太网也呈星形结构，所不同的只是网络中心为光集线器。光纤的一端与光集线器连接，另一端与网卡连接。如图3.17所示。3.3.2 网络的拓扑网络的拓扑 基于集线器组成的网络虽然物理上是星形结构，但逻辑上仍然是

12、总线结构。如图3.18所示。3.3.3 集线器的级联集线器的级联1级联级联实现级联的方法有以下两种：一是使用标准双绞线连接下级集线器的级联端口（UPLink）和上级集线器的普通RJ-45端口。二是在集线器没有级联端口时，用交叉双绞线直接连接两个集线器的普通RJ-45口也可以实现级联，如图3.19所示。3.3.3 集线器的级联集线器的级联2堆叠堆叠使用网络连接设备厂家提供的专用堆叠电缆把两台集线器通过专用堆叠端口连接起来，称为堆叠。如图3.20所示。3.3.3 集线器的级联集线器的级联3冲突域冲突域例如，图3.21所示为3个独立的冲突域，每个冲突域包含n台计算机，每台计算机分得的带宽为100Mb

13、ps/n。3.3.3 集线器的级联集线器的级联图3.22所示为一个独立的冲突域，每台计算机分得的带宽为100Mbps/3n。3.4 网网 桥桥1网桥的内部结构网桥的内部结构网桥的每个端口与一个局域网网段相连。网桥的组成结构如图3.23所示。3.4 网网 桥桥2通过自学习建立转发表通过自学习建立转发表（1）若网桥端口x收到一个无差错的帧，则在转发表中查找目的MAC地址。（2）如没有该MAC地址，转到过程（3）。否则查找出连接该MAC地址对应的端口d。如果端口d=x，则丢弃此帧；否则从端口d转发此帧。转到过程（4）。（3）向网桥除x以外的所有端口转发此帧。（4）如源结点不在转发表中，则将它的MAC

14、地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号x，设置登记时间。3.4 网网 桥桥3透明网桥透明网桥“透明”是指局域网上的结点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各结点来说是看不见的。但这样可能出现兜圈子现象，如图3.24所示。3.4 网网 桥桥4使用网桥扩展以太网的优缺点使用网桥扩展以太网的优缺点（1）过滤通信量。网桥工作在链路层，可以使以太网各网段成为隔离开的冲突域。如图3.25所示。（2）扩大了物理范围，增加了整个以太网上结点计算机的最大数目。（3）提高了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段。（4）可互联不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。3.4 网网 桥桥使用网

15、桥扩展以太网也有以下缺点：使用网桥扩展以太网也有以下缺点：（1）由于网桥对接收的帧要先存储和查找转发表，然后才转发，因此不可避免地增加了转发的时延。（2）当网络上的负荷很重时，网桥中缓存的存储空间可能不够而发生溢出，以至产生帧丢失的现象。（3）网桥只适合于用户数不太多和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生广播风暴。3.5 交换式以太网交换式以太网3.5.1 以太网交换机以太网交换机 以太网交换机是交换式以太网的核心构件，其功能类似于网桥。网桥的端口数很少，而以太网交换机通常都有几十个端口。因此，它实质上就是一个多端口的网桥。3.5.1 以太网交换机以太网交换机 1工作原

16、理：多端口的网桥工作原理：多端口的网桥图中的交换机有6个端口，其中端口1、4、5、6分别连接结点A、B和E、C、D，地址映射表根据以上端口号与结点MAC地址建立对应关系。3.5.1 以太网交换机以太网交换机 2交换机的种类交换机的种类（1）企业级交换机：从外观上看，一般来讲企业级交换机都是机架式，作为骨干交换机支持500个信息点以上的大型企业应用。（2）部门级交换机：可以是机架式或固定配置式，支持300个信息点以下的中型企业应用。（3）工作组级交换机：为固定配置式，支持100个信息点以内的单位或小型企业应用。（4）小型（办公室或家庭）交换机：带宽在100Mbps及以下，结构相对简单，且多是桌面

17、型的。3背板带宽背板带宽以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率很高，交换机的速率一般由背板带宽来表示。常见交换机的背板带宽从几Gbps到上百Gbps不等。4全双工工作方式全双工工作方式共享式以太网为半双工工作方式，发送和接收不能同时进行，所有端口共享信道带宽。3.5.2 虚拟局域网虚拟局域网 1虚拟局域网的构建虚拟局域网的构建 虚拟局域网是在现有局域网上提供的划分逻辑组的一种服务，由IEEE802.1q标准进行了规定。VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。【例例3.2】 用4个交换机连接9个站构成3个虚拟局域网。3.5.2 虚拟局域

18、网虚拟局域网 2虚拟局域网标准虚拟局域网标准虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，如 图3.29所示，称为VLAN标记（tag），用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。3.6 快速以太网快速以太网1MAC子层子层快速以太网仍然保持相同的48比特地址、相同的MAC帧格式以及最小帧长和最大帧长。可向下兼容标准10Mbps以太网。2工作方式工作方式快速以太网支持半双工和全双工工作方式。3自动协商自动协商自动协商允许两个设备对操作的模式或数据率进行协商。使一个最大容量为10 Mbps的设备能够与最大容量为100 Mbps的设备在较低的数据率下互相通信。3.6 快速以太网快

19、速以太网4实现方案实现方案快速以太网在物理层的实现可划分为二线和四线两大类。二线实现可以使用屏蔽双绞线电缆STP（100BASE-TX）或光缆（100BASE-FX）。四线实现的设计只能使用非屏蔽双绞线电缆UTP（100BASE-T4）。特 性100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T4媒体线对数最大长度STP2100m光缆22000mUTP4100m3.6 快速以太网快速以太网图3.30所示为每种实现方法的简单示意图。3.6 快速以太网快速以太网根据应用需求，100Mbps交换机与10Mbps交换机可以组合使用，如图3.31所示。3.7 千兆以太网千兆以太网1MAC子层子层为

20、了能够与前两代以太网兼容，千兆以太网支持半双工方式。它原封不动地保留MAC子层，使用相同的48比特地址、相同的帧格式以及最小帧长和最大帧长。2半双工模式半双工模式为了保存最小帧长，已定义的解决方案有3种：（1）传统的方式。在传统方式下，保持帧的最小长度与传统以太网一致（512比特）。（2）载波延伸。为了使网络可以更长，就要增加最小帧长度。载波延伸定义帧的最小长度为512字节（4096比特），也就是说最小帧长是原来的8倍。如图3.32所示。3.7 千兆以太网千兆以太网（3）帧突发。如果有一连串的短帧要发送，那么载波延伸就显得非常低效。为了提高效率，人们提出了帧突发。这种模式不再为每个帧附加扩充位

21、，而是一次发送多个帧。3.7 千兆以太网千兆以太网3实现方案实现方案表3.2为千兆以太网实现方法。特 性1000BASE-SX1000BASE-LX1000BASE-CX1000BASE-T4媒体线对数最大长度光缆（短波）2550m光缆（长波）25000mSTP225m5类UTP4100m3.7 千兆以太网千兆以太网图3.34所示为千兆以太网每种实现方法的简单示意图。3.7 千兆以太网千兆以太网4应用举例应用举例（1）千兆以太网作为主干网。图3.35给出了千兆交换以太网的应用实例，一台千兆交换机作为网络的主干设备，连接了若干台100 Mbps交换机和服务器，构成了千兆主干网。3.7 千兆以太网千兆以太网（2）千兆以太网作为校园主干网络图3.36为中国矿业大学校园网拓扑图，这是一个典型的层次结构的千兆以太网系统。3.8 万兆以太网（万兆以太网（10GE）万兆以太网主要具有以下特点。（1）帧格式与标准以太网、快速以太网、千兆以太网