计算机网络：以太网与IEEE 802.3

计算机网络：以太网与IEEE 802.3

IEEE 802.3标准是一种基带总线形的局域网标准，它描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法。

以太网逻辑上采用总线形拓扑结构，以太网中的所有计算机共享同一条总线，信息以广播方式发送。为了保证数据通信的方便性和可靠性，以太网简化了通信流程并使用了CSMA/CD方式对总线进行访问控制。

严格来说，以太网应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网，但DIX Ethernet V2标准与IEEE 802.3标准只有很小的差别，因此通常将802.3局域网简称为以太网。

以太网采用两项措施以简化通信:

①采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对于差错的纠正则由高层完成;

②发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号，每个码元的中间出现一次电压转换，接收端利用这种电压转换方便地把位同步信号提取出来。

1.以太网的传榆介质与网卡

以太网常用的传输介质有4种:粗缆、细缆、双绞线和光纤。

注意:10BASE-T非屏蔽双绞线以太网拓扑结构为星形网，星形网中心为集线器，但使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线形网，属于一个冲突域。上表的内容是常识，例如题目中出现10BASE5时，是不会显式地告诉你它的传输媒体、编码方式、拓扑结构等信息的。

计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入的一块网络接口板[又称网络适配器(Adapter)或网络接口卡(Network Interface Card，NIC)]实现的。网卡上装有处理器和存储器，是工作在数据链路层的网络组件。网卡和局域网的通信是通过电缆或双绞线以串行方式进行的，而网卡和计算机的通信则是通过计算机主板上的IO总线以并行方式进行的。

因此，网卡的重要功能就是进行数据的串并转换。网卡不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码及数据缓存功能等。

全世界的每块网卡在出厂时都有一个唯一的代码，称为介质访问控制(MAC)地址，这个地址用于控制主机在网络上的数据通信。数据链路层设备(网桥、交换机等）都使用各个网卡的MAC地址。另外，网卡控制着主机对介质的访问，因此网卡也工作在物理层，因为它只关注比特，而不关注任何地址信息和高层协议信息。

2. 以太网的MAC帧

每块网卡中的MAC地址也称物理地址; MAC地址长6字节，一般用由连字符（或冒号)分隔的12个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

• 高24位为厂商代码
• 低24位为厂商自行分配的网卡序列号。严格来讲，局域网的“地址”应是每个站的“名字”或标识符。

由于总线上使用的是广播通信，因此网卡从网络上每收到一个MAC帧，首先要用硬件检查MAC帧中的MAC地址。如果是发往本站的帧，那么就收下，否则丢弃。

以太网MAC帧格式有两种标准:DIX Ethernet V2标准（即以太网V2标准）和IEEE 802.3标准。这里先介绍最常用的以太网V2的 MAC帧格式。

• 前导码:使接收端与发送端时钟同步。在帧前面插入的8字节可再分为两个字段:

  • 第一个字段共7字节，是前同步码，用来快速实现MAC帧的比特同步;
  • 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。

• 地址:通常使用6字节(48bit）地址(MAC地址)。

• 类型:2字节，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理。

• 数据:46~1500字节，包含高层的协议消息。由于CSMA/CD算法的限制，以太网帧必须满足最小长度要求64字节，数据较少时必须加以填充（0~46字节)。

  注意:46和1500是怎么来的?首先，由CSMA/CD算法可知以太网帧的最短帧长为64B，而MAC帧的首部和尾部的长度为18字节，所以数据字段最短为64-18=46字节。其次，最大的1500字节是规定的。
  填充:0~46字节，当帧长太短时填充帧，使之达到64字节的最小长度。

• 校验码（FCS): 4字节，校验范围从目的地址段到数据段的末尾，算法采用32位循环冗余码(CRC)，不校验前导码。802.3帧格式与DIX以太帧格式的不同之处在于用长度域替代了DIX帧中的类型域，指出数据域的长度

  前述长度/类型两种机制可以并存，由于IEEE 802.3数据段的最大字节数是1500，所以长度段的最大值是1500，因此从1501到65535的值可用于类型段标识符。（二者并存）

3.高速以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。

100BASE-T以太网

100BASE-T以太网是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑结构以太网，它使用CSMA/CD协议。这种以太网既支持全双工方式，又支持半双工方式，全双工方式下不使用CSMA/CD协议。
MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m。帧间时间间隔从原来的9.6us改为现在的0.96us.

吉比特以太网

吉比特以太网又称千兆以太网，允许在1Gb/s速率下用全双工和半双工两种方式工作。使用802.3协议规定的帧格式。在半双工方式下使用CSMA/CD协议(全双工方式不需要使用CSMA/CD协议)。与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。

10吉比特以太网

10吉比特以太网与10Mb/s、100Mb/s 和 1Gb/s以太网的帧格式完全相同。10吉比特以太网还保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议。