涉及知识点

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文章目录

涉及知识点
前言
一、CSMA/CD协议
- 1.载波监听
- 2.冲突检测
- 3.发现冲突、停止发送
- 4.随机延迟重发
二、高速以太网
- 1.快速以太网
- 2.千兆以太网
- 3.万兆以太网
三、冲突域和广播域
四、交换式以太网
- 1.交换机的工作原理
五、以太网帧结构
- 1.前导字段
- 2.帧起始符
- 3.目的地址和源地址
- 4.长度/类型字段
- 5.数据、填充
- 6.校验和
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前言

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以太网对于一个从事网络的人来说太熟悉了，官方的解释以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容，但是考试时候不管是选择题还是填空题都会融入这个知识点，所以特写这文章希望大家能够重视起来。

一、CSMA/CD协议

早期10M共享式以太网的核心技术是带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）方法。
在早期总线型以太网中，如果一个节点要发送数据，它将以“广播”方式把数据通过作为公共传输介质的总线发送出去，连在总线上的所有节点都能“收听”到发送节点发送的数据信号，不可避免地会发生冲突。为了有效地实现分布式多节点访问公共传输介质的控制策略，CSMA/CD的发送流程可以简单的概括为4点：载波监听、冲突检测、发现冲突停止发送、随机延迟重发。

1.载波监听

每个以太网节点利用总线发送数据时，首先需要监听总线是否空闲。以太网的物理层规定发送的数据采用金彻斯特编码方式。如果总线上已经没有数据在传输，总线的电平将不会发生跳变，可以判断此时为“总线空闲”。如果一个节点已准备好发送的数据帧，并且总线此时处于空闲状态，则这个节点就可以“启动发送”。根据监听到介质状态后采取的回避策略可将CSMA分为三种：

在这里插入图片描述

2.冲突检测

冲突是指总线上同时出现两个或两个以上信号，它们叠加后的信号波形将不等于任何节点输出的信号波形。检查从总线上接收到的信号波形。接收到的信号波形不符合曼彻斯特编码规律，就说明已经出现了冲突。

3.发现冲突、停止发送

载波监听只能够减少冲突的概率，但无法完全避免冲突。为了能够高效地实现冲突检测,在CSMA/CD中采用了边发边听的冲突检测方法。即发送者一边发，一边接收。一旦发现结果出现不同，立即停止发送，并发出Jamming(冲突)信号。正是因为采用了边发边听的检测方法，因此检测冲突所需的最长时间是网络传播延迟的两倍。
由此引出了CSMA/CD总线网络中最短帧长的计算关系式：
最小帧长(bit)=2 τ*发送速度(mbps)(传输速率) τ=传播时延=距离/传播速度

4.随机延迟重发

如果在发送数据的过程中检测出冲突，为了解决信道争用冲突，发送节点要进入停止发送数据、随机延迟后重发的流程。
以太网采用截断二进制指数退避算法来解决碰撞问题。截断二进制算法并不复杂，这种算法让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是等待信道变为空闲后就立即再发送数据，而是推迟一个随机的时间。这样做是为了使重传时再次发生冲突的概率减小。0：体的退避算法如下：
(1)确定基本退避时间，一般是取为争用期2t。
(2)从整数集合［0,1,…,(2k-l)］中随机地取出一个数，记为r。重传应退后的时间为r倍的争用期。上面的参数k按下面公式计算：k=Min［重传次数，10］可见当重传次数不超过10时，参数k等于重传次数，但当重传次数超过10时，k就不再增大而一直等于10o
(3)部传次数达16次仍不能成功时，则表明同时打算发送数据的站太多，以至连续发生冲突，则丢弃该帧，并向高层报告。

二、高速以太网

随着计算机网络的不断应用，10Mb/s的网络传输速度实在无法满足日益增大的需求。这时人们就开始寻求更高的网络传输速度，于是就催生了高速以太网的开发需求。

1.快速以太网

为了保护用户的投资，快速以太网(FastEthernet)是符合后一种要求的新一代高速局域网。技术特点：快速以太网FastEthernet的数据传输速率为100Mbps,与传统的以太网具有相同的帧格式、相同的介质访问控制方法CSMA/CD,相同的接口与相同的组网方法，只是把Ethernet每个比特发送时间由100ns降低到10ns。100M以太网的新标准还规定了以下几种不同的物理层标准。
(1)100BASE-TX支持2对5类UTP或2对1类STP。1对5类非屏蔽双绞线或1对1类屏蔽双绞线就可以发送，而另1对双绞线可以用于接收，因此100BASE-TX是一个全双工系统，每个节点都可以同时以100Mbps的速率发送与接收。内部资料，禁止传播
(2)100BASE-T4支持4对3类UTP,其中有3对用于数据传输，1对用于冲突检测。(3)100BASE-FX支持2芯的多模或单模光纤o100BASE-FX主要是用做高速主干网，从节点到集线器(HUB)的距离可以达到2km,是一种全双工系统。(4)100BASE-T2:针对100BASE-T4不能实现全双工的缺点，IEEE开始制定100BASE-T2标准。100BASE-T2采用2对音频或数据级3、4或5类UTP电缆，1对用于发送数据，另1对用于接收数据，可实现全双工操作。

2.千兆以太网

千兆以太网GigabitEthernet的传输率比FastEthernet快10倍，数据传输速率达到1000Mb/soGigabitEthernet保留着传统的10Mb/s速率Ethernet的所有特征(相同的帧格式、相同的介质访问控制方法、相同的组网方法)，只是将传统的每个比特的发送时间由100ns降低到Ins。千兆以太网定义的物理层标准有以下几种：
(1)1000BASE-T标准使用的是5类非屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到100m。(2)1000BASE-X是基于光纤通道的物理层，使用的媒体有三种：1000BASE-CX标准使用的是屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到25m；1000BASE-LX标准使用的是波长为1300nm的单模光纤，光纤长度可以达到3000m；1000BASE-SX标准使用的是波长为850nm的多模光纤，光纤长度可以达到300〜550m。其中前三项标准是IEEE802.3z,而1000BASE-T的标准是IEEE802.3ab。
注意：如果千兆以太网工作在半双工方式下，就必须进行冲突检测，采用的是载波延伸和分组突发的方式。当千兆以太网工作在全双工模式下时候，不使用载波延伸和分组突发技术，因为此时没有冲突发生。

3.万兆以太网

IEEE802.3ae正式标准于2002年完成，主要特点是：
(1)帧格式与之前的以太网(10Mbps、100Mbps、IGbps)完全相同；
(2)保留了IEEE802.3标准对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定；
(3)只工作在全双工方式下。

三、冲突域和广播域

冲突域：连接在同一导线上的所有工作站的集合，或者说是同一物理网段上所有节点的集合或以太网上竞争同一带宽的节点集合。这个域代表了冲突在其中发生并传播的区域，这个区域可以被认为是共享段。在osi模型中，冲突域被看作是第一层的概念，连接同一冲突域的设备有Hub,Reperter或者其他进行简单复制信号的设备。也就是说，用Hub或者Repeater连接的所有节点可以被认为是在同一个冲突域内，它不会划分冲突域。而第二层设备(网桥，交换机)第三层设备(路由器)都可以划分冲突域，当然也可以连接不同的冲突域。
广播域：接收同样广播消息的节点的集合。如：在该集合中的任何一个节点传输一个广播帧，则所有其他能收到这个帧的节点都被认为是该广播帧的一部分。由于许多设备都极易产生广播，所以如果不维护，就会消耗大量的带宽，降低网络的效率。由于广播域被认为是OSI中的第二层概念，所以像Hub、交换机等这些第一、第二层设备连接的节点被认为都是在同一个广播域，而路由器、第三层交换机则可以划分为广播域，即可以连接不同的广播域。

四、交换式以太网

以太网使用的CSMA/CD是一种竞争式的介质访问控制协议，本质上在网络负载较低时性能不错。如果网络负载很大，冲突就会很常见，因此会导致网络性能的大幅下降。为了解决这一瓶颈问题，交换式以太网应运而生，核心是使用交换机代替集线器。

1.交换机的工作原理

交换机是一种基于MAC地址，能完成封装转发数据帧功能的网络设备。交换机和集线器最大区别在于交换机在发送和接收主机之间形成了一个虚电路，使各端口设备能独立进行数据传输而不受其他设备的影响，对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽。以太网交换机是利用“端口/MAC地址映射表”进行数据交换的，交换机的“地址学习"是通过读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口号进行的。

五、以太网帧结构

以太网帧的格式如图所示，包含的字段有前同步码、帧开始界定符、目的地址、源地址、长度/类型、数据及帧校验序列等。这些字段中除了数据字段是变长以外，其余字段的长度都是固定的。

1.前导字段

前导字段：作用是让接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整其时钟频率，让它和发送端的时钟同步。

2.帧起始符

帧起始符10101011,前6位的作用和前同步码一样，最后的两个连续的1就是告诉接收端适配器："MAC帧的信息即将过来，请适配器做好接收准备”。

3.目的地址和源地址

目的地址和源地址都是MAC地址，表示发出数据帧的源设备和要到达的设备。MAC地址也就叫作物理地址，并且这个地址固化在网卡适配器的ROM中。IEEE规定MAC地址第一个字段的最低位为I/G位。I/G位标志这个地址是单播地址还是组播地址。组播MAC范围：0100.5E00.0000-0100.5E07.FFFF。而广播MAC地址就是FFFF.FFFF.FFFF。以太网卡有过滤功能，网卡只接收发送给自己的帧，把帧解封装后交给上层处理，而把不是发给自己的帧丢弃。网卡会比较帧的目的地址和自己的MAC地址是否一致。不过，有些网卡可以设置为混杂模式，也就是可以接收任意帧，而不考虑这帧是不是发给自己的。这类网卡经常用于一些网络协议分析工具中，比如sniffer>wireshark

4.长度/类型字段

以太网V2定义的帧结构和IEEE802.3定义的帧结构是不同的，主要在于IEEE802.3标准中把V2标准中的类型字段修改为长度字段。类型表示上层交给IP还是IPX协议处理，长度表示数据部分的长度。实际这两种格式可以并存，2个字节可表示的数值范围是0—65535,而长度字段最大是1500(0x05DC),因此定义大于1536(0x0600)的值作为表示协议类型。注意：现在市面上流行的都是以太网V2的MAC帧。