以太网详解

1.2 以太网简介

以太网最早是指由DEC（Digital Equipment Corporation）、Intel和Xerox组成的DIX（DEC-Intel-Xerox）联盟开发并于1982年发布的标准。经过长期的发展，以太网已成为应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10 Mbit/s）、快速以太网（100 Mbit/s）、千兆以太网（1000 Mbit/s）和万兆以太网（10 Gbit/s）等。IEEE 802.3规范则是基于以太网的标准制定的，并与以太网标准相互兼容。

1.2.1以太网发展历史

     1972年Bob Metcalfe”以太网之父”被Xerox雇佣为网络专家，Bob Metcalfe 来到Xerox公司的Palo Alto研究中心（PARC）的第一个任务是把Palo Alto的计算机连接到ARPANET（Internet的前身）上。1972年底Bob Metcalfe以ALOHA系统（一种无线电网络系统）为基础设计了一个网络并命名为ALTO ALOHA网络，该网络于1973年更名为以太网（Ethernet），这就是最初的以太网实验原型，该网络传输介质为粗同轴电缆，速率为2.94Mbps。1977年年底Bob Metcalfe和他的3位合作者获得了”具有冲突检测的多点数据通信系统”的专利，多点传输系统被称为CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测）系统。从此以太网正式诞生。

     1979年DEC（Digital Equipment Corporation）、Intel公司与Xerox公司联盟（简称DIX联盟），促进了以太网的标准化。1982年，DIX联盟发布了以太网的第二个版本，即Ethernet II。20世纪90年代伴随着多端口网桥的出现，共享式以太网逐渐向LAN交换机发展。1993年，全双工以太网技术突破，优点明显可同时发送和接收数据，速率翻一番。1995年，迎来快速以太网发展黄金时代。

     1998年，IEEE发布了IEEE 802.3z，这是1000Mbps的以太网标准。2002年，10Gbps以太网标准IEEE 802.3ae正式发布。与1000Mbps以太网相比10Gbps仅支持全双工，传输介质只能是光纤，当下以太网已经被广泛应用。

1.2.2计算机网络拓扑结构

计算机网络拓扑(Computer Network Topology)是指由计算机组成的网络之间设备的分布情况以及连接状态.把它两画在图上就成了拓扑图。一般在图上要标明设备所处的位置，设备的名称类型，以及设备间的连接介质类型。它分为物理拓扑和逻辑拓扑两种。

常见的计算机网络拓扑结构有：总线形网络、环形网络、星形网络、环形网络、树形网络、网状网络，如图1-4所示，其各自主要的特点、优缺点见表1-4。

图1-4 计算机网络拓扑结构

                                                     表1-4 各种拓扑结构的基本说明

在文章最后加作者VX：可以免费领取以下资料

1.2.3传输介质

数据到达物理层之后，物理层会根据物理介质的不同，将数字信号转换成光信号、电信号或者是电磁波信号。常见的传输介质有双绞线、光纤、串口线缆、无线等，如图1-5所示

                                                    图1-5物理层传输介质

1.2.4冲突域

     冲突域指在物理网络中一台设备传输数据时，该物理网段上的其他所有设备都必须进行侦听而不能传输数据，如果同一个物理网段中的多个设备同时传输数据，将发生信号冲突导致数据无法正常传递。冲突域中的典型拓扑结构是总线型结构，所有的信号都在一条总线上发送，就好比日常生活中的单行道，所有汽车都在上面跑，会造成交通拥堵。数据冲突如图1-6所示

图1-6冲突域

1.2.5广播域

     广播域就是将多台设备放到一个组中形成广播域，在同一个广播域中的任何一台设备发送的广播帧，其他设备都会收到。就好比在一个大教室里，老师在台上讲课，所有学生都能听到，而非本班级的学生是听不到的；这是因为”班级”概念隔离了广播域。广播域中典型设备是交换机，它能实现冲突域划分，每个接口是一个冲突域，但是交换机整体还是一个广播域。

1.2.6 CSMA/CD协议

     CSMA/CD协议是一种在冲突域中避免数据信号冲突的协议，当主机想通过网络传输数据时，因为对网络线路会进行监视侦听，首先检查线路上是否有信号在传输。如果没有信号在传输则该主机开始传输数据，并在传输的过程中继续监视侦听，如发现其他信号，传输数据的主机立即发送一个拥塞信号，其他主机检测到拥塞信号后会执行退避算法并启动一个定时器，该定时器有效期内不传输任何数据。综上所述可以总结为”随时侦听、闲则转发、忙则等待”CSMA/CD协议的工作原理如图1-7所示。

图1-7 CSMA/CD协议工作原理

在文章最后加作者VX：可以免费领取以下资料

1.2.7通信方式

在数据通信中，通信的方式包括单工、半双工和全双工三种模式，同一物理链路上两台设备工作的双工模式必须保持一致。

• 单工通信，信息的流向无论何时只能由一方指向一方；广播通信、传统电视系统都是单工通信。

• 半双工通信，信息的流向可以进行切换，也就是说数据发送者与接收者两个角色可以根据网络环境改变的。但是发送和接收是占用同一信道，会造成数据冲突；常见的半双工通信方式有对讲机系统。

• 全双工通信，信息的流向是任意的，无关发送者与接收者的角色固定；可以在发送数据的同时，进行数据的接收。简单来说全双工通信就好比一条双向车道，发送数据和接收数据是分开的，互不冲突，信道的利用率也是100%；生活中我们使用移动电话通话就是全双工通信的应用。三种通信方式对比如图1-8所示。

• 

   图1-8 单工、半双工、全双工通信方式

1.2.8MAC地址

     MAC（Media Access Control，媒体访问控制）地址是在IEEE 802标准中定义并规范的，凡是符合IEEE802标准的网络接口卡（如以太网卡、令牌环网卡等）都必须拥有一个MAC地址。并不是所有网卡都必须拥有MAC地址；以下所说的网卡指以太网卡。MAC地址是全球唯一的硬件地址，像我们的身份证一样用以识别身份，MAC地址用来识别以太网中的一台设备的地址。

     MAC地址长度为48位，由两部分组成。前24bit为厂商代码，简称OUI（Organizationally Unique Identifier，组织唯一标识符，又称厂商唯一代码），后24bit由厂商自定义。制造商在制造网卡之前，必须先向IEEE注册，然后由IANA（The Internet Assigned Numbers Authority，互联网号码分配机构）分配，它的结构如图1-9所示：

图1-9 MAC地址的组成

     MAC地址特殊位的置位不同标识的地址类型也不同，如图1-10所示：

                                                      图1-10 MAC的分类

MAC地址的分类标准如下：

• 如果第一个字节的第一位为”1”，则为广播MAC地址。
• 如果第一个字节的末位置为”1”，则为组播MAC地址。
• 如果第一个字节的末位置为”0”，则为单播MAC地址。

在文章最后加作者VX：可以免费领取以下资料

1.2.9以太网帧格式

以太网中有两种数据帧的封装格式，分别是IEEE 802.3和Ethernet II（以太网二型）。两种格式如图1-11所示。两种帧格式存在一定的差别，都应用于以太网；现有的网络环境中网络设备都可以兼容两种格式。

图1-11 两种以太网数据帧封装结构

以下为Ethernet II数据帧格式字段描述

• • 目的地址：用6个字节来表示帧的接收者。目的地址可以是单播、组播、广播地址中任意一类。
  • 源地址：用6个字节来表示帧的发送者。不同于目的地址，源地址只能是单播地址。
  • 类型：用来表示载荷数据的类型。常见类型有0x0800（IPv4 Packet，前缀0x表示十六进制）、0x86dd（IPv6 Packet）、0x0806（ARP Packet）等。
  • 数据：帧的有效载荷——数据内容体现。本字段最短46字节，最长1500字节。
  • FCS：该字段使用4个字节来存储CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余码校验）结果；其作用是对帧进行差错检测，如接收者发现校验结果与FCS字段内容不一致，则丢弃该数据帧；反之接收。

IEEE 802.3数据帧格式中，目的地址、源地址、数据载荷、FCS字段的功能和作用与Ethernet II格式基本一致；而长度字段仅仅只是用2个字节空间标识IEEE 802.3数据帧的长度。

本文摘自作者的《华为HCIA学习指南》