以太網綜述

2019-11-04 20:39:48

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供稿：網友

　　1、前言
　　計算機網絡分為兩類：采用點到點連接的網絡和采用廣播信道的網絡。在所有廣播網絡中，要害的問題是：當信道的使用產生競爭時，如何分配信道的使用權。用來決定廣播信道中信道分配的協議屬于數據鏈路層的子層，稱作介質訪問控制MAC(medium access control)子層。由于幾乎所有的局域網都以多路復用信道作為通信的基礎，而廣域網中除衛星網以外，都采用點到點連接，所以MAC子層在局域網中尤其重要。
　　介質訪問子層的中心論題是相互競爭的用戶之間如何分配一個單獨的廣播信道。其分配方法有靜態分配和動態分配兩種。而所有傳統的信道靜態分配方法均不能有效地處理通信的突發性，所以我們必須采用信道動態分配。在各種多路訪問協議中，本文只介紹與以太網密切相關的幾種載波偵聽協議。
　　
　　　
　　
　　
　　2、載波偵聽多路訪問協議(carrier sense multiple access PRotocol)
　　在局域網中，站點可以檢測到其他站點在干什么，從而相應地調整自己的動作。網絡站點偵聽載波是否存在（即有無傳輸）并相應動作的協議，被稱為載波偵聽協議（carrier sense protocol）。下面介紹幾種帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD（carrier sense multiple access with collision detection）協議。CSMA/CD協議是對ALOHA協議（一種基于地面無線廣播通信而創建、適用于無協調關系的多用戶競爭單信道使用權的系統）的改進，它保證在偵聽到信道忙時無新站開始發送；站點檢測到沖突就取消傳送，以太網就是它的一個版本。
　　
　　2.1、1-持續CSMA
　　當一個站點要傳送數據時，它首先偵聽信道，看是否有其他站點正在傳送。假如信道正忙，它就持續等待直到當它偵聽到信道空閑時，便將數據送出。若發生沖突，站點就等待一個隨機長的時間，然后重新開始。此協議被稱為1-持續CSMA，是因為站點一旦發現信道空閑，其發送數據的概率為1。
　　2.2、非持續CSMA
　　在發送之前，站點會偵聽信道的狀態，假如沒有其他站點在發送，它就開始發送。但假如信道正在使用之中，該站點將不再繼續偵聽信道，而是等待一個隨機的時間后，再重復上述過程。
　　2.3、p-持續CSMA
　　一個站點在發送之前，首先偵聽信道，假如信道空閑，便以概率p傳送，而以概率q=1-p把該次發送推遲到下一時隙。此過程一直重復，直到發送成功或者另外一站開始發送為止。在后一種情況下，該站的動作與發生沖突時一樣（即等待一隨機時間后重新開始）。若站點一開始就偵聽到信道忙，它就等到下一時隙，然后開始上述過程。
　　
　　3、IEEE802.3
　　IEEE802標準已被ANSI采用未美國國家標準，被NIST采用未政府標準，并且被ISO作為國際標準，稱之為ISO 8802。這些標準在物理層和MAC子層上有所不同，但在數據鏈路層上是兼容的。
　　這些標準分成幾個部分。802.1標準對這組標準做了介紹并且定義了接口原語；802.2標準描述了數據鏈路層的上部，它使用了邏輯鏈路控制LLC(logical link control)協議。802.3到802.5分別描述了3個局域網標準，分別是CSMA/CD、令牌總線和令牌環標準，每一標準均包括物理層和MAC子層協議，下面僅介紹802.3。
　　
　　3.1 IEEE802.3標準及以太網
　　IEEE802.3標準適用于1-持續CSMA/CD局域網。其工作原理是：當站點希望傳送時，它就等到線路空閑為止，否則就立即傳輸。假如兩個或多個站點同時在空閑的電纜上開始傳輸，它們就會沖突。于是所有沖突站點終止傳送，等待一個隨機的時間后，再重復上述過程。
　　已出版的802.3標準與以太網的細微差別是：它描述了運行在各種介質上的從1Mb/s~10Mb/s的1-持續CSMA/CD系統的整個家族。另外，二者的一個頭部字段也有所不同（802.3的長度字段用作以太網的分組類型）。
　　許多人（錯誤地）把“以太網”作為CSMA/CD協議的總稱，盡管這一名詞只表示了實現802.3的某個特定產品。
　　
　　
　　3.2 802.3的電纜
　　3.2.1四種電纜
　　此處按歷史順序介紹。
　　第一種是10Base5電纜，它通常被稱為“粗以太網（thick ethernet）”電纜，802.3標準建議為黃色，每隔2.5m一個標志，標明分接頭插入處，連接處通常采用插入式分接頭（vampire tap），將其觸針小心地插入到同軸電纜的內芯。名稱10Base5表示的意思是：工作速率為10Mb/s，采用基帶信號，最大支持段長為500m。
　　第二種電纜是10Base2，或稱為“細以太網（thin ethernet）”電纜,與“粗以太網”相對，并且很輕易彎曲。其接頭處采用工業標準的BNC連接器組成T型插座，它使用靈活，可靠性高。“細以太網”電纜價格低廉，安裝方便，但是使用范圍只有200m，并且每個電纜段內只能使用30臺機器。
　　由于尋找電纜故障的麻煩，導致一種新的接線方式的產生，即所有站點均連接到一個中心集線器（hub）上。通常，這些連線是電話公司的雙絞線。這種方式被稱為10Base-T。這種結構使增添或移去站點變得十分簡單，并且很輕易檢測到電纜故障。10Base-T的缺點是，其電纜的最大有效長度為距集線器100m，即使是高質量的雙絞線（5類線），最大長度可能也只有150m。另外，大集線器的價格也較高。盡管如此，由于其易于維護，10Base-T還是應用得越來越廣泛。
　　802.3中可用的第四種電纜連接方式是10Base-F，它采用了光纖。這種方式由于其連接器和終止器的費用而十分昂貴，但是它卻有極好的抗干擾性，常用于辦公大樓或相距較遠的集線器間的連接。
　　
　　名稱　　　電纜　　　　　最大區間長度　節點數/段　　優點
　　------　 --------　　 -------------　--------　　 -----
　　10Base5　粗同軸電纜　　　　　 500m　　　100　　　用于主干很好　
　　10Base2　細同軸電纜　　　　　 200m　　　30　　　　最便宜的系統
　　10Base-T 雙絞線　　　　　　　 100m　　　1024　　易于維護
　　10Base-F 光纖　　　　　　　　2000m　　 1024　　　最適于在樓間使用　
　　
　　
　　
　　3.2.2 拓撲
　　下圖給出了在建筑物內的不同走線方式。在(a)中，單根電纜如蛇形地穿越各個房間，每個站點從最近處接上電纜。(b)中，垂直的的主干線從地下室引向房頂，各層的水平電纜通過放大器（中繼器）連到主干線上。在某些系統中，水平的電纜是細纜，主干線是粗纜。最普通的拓撲結構是樹型，如圖(c)，因為在網絡上假如某些站點對間有兩條路徑，會造成兩個信號間的干擾。
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　　3.2.3 中繼器
　　802.3的每種版本都有一個區間最大電纜長度。為了使網絡范圍更大，可以用中繼器（repeater）連接多根電纜，如上圖(d)所示。中繼器是一個物理層設備，它雙向接收、放大并重發信號。對軟件而言，由中繼器連接起來的一系列電纜段同單根電纜并無區別（除了中繼器產生的一些延遲以外）。一個系統中可擁有多個電纜段和多個中繼器，但兩個收發器間不得超過2.5km，任意兩個收發器間的路徑上不得有4個以上的中繼器。
　　
　　
　　3.3 幀格式
　　802.3的幀結構以7字節的先導字段開頭，每字節的內容為10101010。隨后是內容為10101011的一字節，標志著幀本身的開始。接下來是目的地址和源地址，盡管標準答應2字節和6字節兩種地址，但是10Mb/s基帶網標準規定只使用6字節地址（目的地址的最高位為0是普通地址，為1時是組播地址，全1時為廣播地址）。然后是2字節長度字段（值為0~1500）和數據部分，假如幀的數據部分少于46字節，使用填充字段以達到要求的最短長度。最后一個字段是校驗和，采用的算法是循環冗余校驗。
　　
　　3.4 交換式802.3局域網
　　交換式局域網的心臟是一個交換機，在其高速背板上插有4~32個插板，每個板上有1~8個連接器。大多數情況下，交換機都是通過一根10Base-T雙絞線與一臺計算機相連。
　　當一個站點想發送一802.3幀時，它就向交換機輸出一標準幀。插板檢查該幀的目的地是否為連接在同一塊插板上的另一站點。假如是，就復制該幀。假如不是，該幀就通過高速背板被送向連有目的站點點插板。通常，背板通過采用適當的協議，速率高達1Gb/s。
　　假如一塊插板上連接的兩個站點同時發送一幀，會如何解決？這取決于插板的構造方式。
　　一種方式都是插板上的所有端口連在一起形成一個插板上局域網。插板上局域網的沖突檢測與處理方式與CSMA/CD網絡完全一樣，并采用二進制后退算法進行重發。采用這種插板，任一時刻每塊板上只可能有一個幀發送，但所有插板的發送可以并行進行。通過使用這種方案，每個插板與其他插板獨立，屬于自己的沖突域（collision domain）。
　　另一種插板采用了緩沖方式，因此，當有幀到達時，它們首先被緩沖在插板上的RAM中。這種方案答應所有端口并行地接受和發送幀。一旦一幀被完全接受，插板就檢查接收幀的目的地是同一插板上的另一端口，還是其他插板上的端口。在前一種情況下，幀會被直接發送到目的端口，在后一種情況下，幀必須通過背板發送到正確的插板上。采用這種方案，每一個端口是一個獨立的沖突域，因此沖突不會發生。該系統的總吞吐量是10Base-5的倍數。
　　因為交換機只要求每個輸入端口接收的是標準802.3幀，所以可將它的端口用作集線器，假如所有端口連接的都是集線器，而不是單個站點，交換機就變成了802.3到802.3的網橋。
　　
　　4、快速以太網
　　FDDI曾被認為是下一代的LAN，但是除了主干網市場外（在這方面FDDI一直很出色），它很少被使用。因為其站點治理過于復雜，從而導致芯片復雜和價格昂貴。FDDI的巨大費用使得工作站制造商不愿讓它成為標準網絡，因此從不大量生產，FDDI也就無法占據大塊市場。1992年IEEE重新召集了802.3委員會，指示他們制訂一個快速的LAN。802.3委員會決定保持802.3原狀，只

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