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。