【计算机网络】-介质访问控制子层-以太网
以太网的简介
以太网中的以太是指电缆，以太网技术指的是由Xerox公司创建并由Xerox,Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测技术）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。
以太网的历史
1.70年代，Xerox公司的Bob Metcalfe和David Boggs设计和实现了一个2.94Mbps的采用CSMA/CD协议的Ethernet
2.1978年，DEC，Intel， Xerox拟定了10Mbps的以太网标准，称为DIX标准
3.1983年，经过小的修改，DIX标准变成IEEE 802.3标准
经典以太网
经典的以太网物理层
1.所有主机都连接到的一根共享同轴电缆，其运行速度达到10 Mbps，并采用曼特斯特编码
2.主机运行经典以太网协议来进行访问
3.以太网中所有的电缆都有最大的长度限制，在这个范围内信号可以正常传播超过则无法传播，为了建造更大的网络可以采用中继器来把多条电缆连接起来，中继器是一个物理层的设备它可以接收、放大并在两个方向上重发信号
经典以太网mac子层协议
帧格式:
1.先导域
先导域包含了位模式10101010，这个位模式经过曼彻斯特编码后会产生一个10MHz的方波(持续6.4μs)，从而使接收方与发送方的时钟同步
2.帧起始(IEEE802.3)
为了与802.4与802.5兼容
3.目的地址和源地址
6字节的地址
4.目标地址
第1个字节的最低位为“0”：普通地址。如： 00:13:E8:A3:D2:A9
第1个字节的最低位为“1”：多播地址。允许多个站点使用同一地址。如：01:00:5E:00:00:01
全部位为“1”：广播地址。如：FF:FF:FF:FF:FF:FF
5.类型域或长度域
5.1类型域(DIX以太网)
说明高层使用的协议，如IP，IPX等
5.2长度域(IEEE802.3)
指它后续数据的字节长度，但不包括校验和部分，范围46~1500字节
当数据部分的长度小于46字节时，需要在帧填充字段中填“0”
IEEE802.3定义在数据部分增加一个小的头信息，由它来提供帧类型的信息
6.为保证以上两种帧可以兼容，类型域的类型码需大于0x600(1536)
如0800H表示IP，8137H表示IPX等
若此字段的值≤0x600，则该帧为IEEE802.3类型的帧
7.数据域
长度为1~1500字节，当长度小于46字节时，需要在帧填充字段中填“0”
有最大帧长和最小帧长的限制
8.校验和
采用32位的循环冗余校验码(CRC)
最小帧长
除了有最大帧长度的限制外，还有最小的帧长度，为什么要限制最小的帧长度呢?
当一个短帧还没有到达电缆的最远端的时候，发送站已经完成了该帧的传送，而在电缆的远端处，该帧可能会与另外一个帧发生冲突。
1.在0时刻，站A朝着站B发送出了一帧，我们假设帧到达另外一端的时间是t
2.正好帧到达站B之前，t-a这个时刻，位于最远处的站B也开始发送数据，当站B发现它所接受的信号比它自己发送的信号强的多的时候，它会放弃自己的发送任务，并产生一个48位的突发噪声警告所有站，它阻塞了以太来保证发送方不会漏掉这次冲突
3.大约2t的时候，发送方A看到突发噪声，并且放弃了传送任务，并等待一段随机的时间，来继续重试
为了解决这个问题，有效帧太小满足不了时间要求，所以要给有效帧加上填充（pading），让它长度增加一些，避免冲突
经典以太网性能
1.相同帧长下，信道效率随着试图发送站点的增加而减少
2.相同发送站数目情况下，信道效率随着帧长增加而增加
交换式以太网
以太网存在问题-为什么要引入交换式的以太网？
由于以太网采用的是共享式的信道，所以随着负载的增加，局域网冲突的概率会大大的增加，解决这种问题一共有两种解决方法，首先是提高网络的速度，而另外一种方式就是采用交换式的以太网
交换式以太网可以处理不断增加的载荷，它的核心是交换机
交换式机的工作过程
1.一个站发送一个以太网帧时，它向交换机发送该帧
2.交换机检查该帧的以太网目的地址，确定该帧去往的目的端口
3.交换机把该帧通过它的高速背板传送到目的端口
使用交换机后，可建立多个并发的通信:
如下图所示，8个端口可建立4个并发通信
交换式以太网的特点
1.集线器连接所有线路以形成单个CSMA / CD域
2.交换机隔离端口以形成单独的域
3.多个端口的吞吐量更高
4.无需使用全双工线路的CSMA / CD
5.交换机连接到计算机，集线器和交换机。
6.集线器集中来自计算机的流量
快速以太网
快速以太网将以太网从10Mbps扩展到100 Mbps,双绞线（与Cat 5一起）主导了市场.
标准
1995年，IEEE通过802.3u标准，它是802.3的一个补充
原有的帧格式、接口、过程规则不变，只是将位时间从100ns缩短为10ns
对10Mbps 802.3 LAN的改进
一种方法是改进10Base-5 或 10Base-2，最大电缆长度减为1/10，仍采用CSMA/CD，未被采纳
另一种方法是改进10Base-T，使用集线器和交换机，被采纳
两种类型的互连设备
1.集线器(共享式)
一个冲突域，工作方式与802.3相同，CSMA/CD，二进制指数后退算法，半双工 …
2.交换机(交换式)
输入帧被缓存，一个端口构成一个冲突域
自动协商机制
允许两个站自动协商最佳速度(10Mbps或100Mbps)和双工模式(半双工或全双工)
如：一个10/100Mbps站连接到10/100Mbps交换机时自动协商最佳速度和双工模式
千兆以太网
千兆网太网的所有配置都是点到点的，每根以太网电缆都只有两台设备，如下图
交换千兆以太网已成为主流,在计算机/交换机之间具有全双工线路
千兆以太网支持两种不同的操作模式
1.全双工模式，正常的模式
允许两个方向上的流量同时进行
一台交换机将周围的计算机连接起来，所有的线路都具有缓冲能力，不会发生冲突，不用CSMA/CD协议，电缆的最大长度由信号的强度决定
2.半双工模式
计算机连接的是集线器而不是交换机，使用标准的CSMA/CD协议
为扩大最大线缆长度加入两个特性
载荷扩充：在普通帧后面怎增加一些填充数据，以便使帧长扩充到512字节
帧突发：它允许发送方将多个帧连接在一起，把它们串起来一起传输出去
千兆光纤以太网
- 1Gbps速率
- 采用8B/10B编码
- 每个8位字节在光纤上编码为10位
1000BASE-T
- 1Gbps速率
- 采用4对5类UTP，在每根线上，5个电压级别携带2个数据位，信号速率为125M符号/s