以太局域网(以太网)
一、以太网拓扑
以太网拓扑常常是星型拓扑,星型拓扑中心常常是一种可靠性很高的设备,叫做集线器。
使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用 CSMA/CD协议,并共享逻辑上的总线。
集线器像一个多接口的转发器,工作在物理层。
集线器逻辑结构示意图:
二、以太网的信道利用率
以太网的争用期长度为2τ2τ2τ即端到端传播时延的两倍,检测到碰撞后不发送干扰信号。
1、参数a:它是以太网单程端到端实验τττ与帧的发送时间T0之比a = τττ/T0T0T0
注:
- a——>0表示碰撞就立即可以检测出来,并立即停止发送,因而信道利用率很高。
- a越大,表明争用期所占的比例增大,每发生一次碰撞就浪费许多信道资源,使得信道利用率明显降低。
2、对以太网参数的要求
- 当数据率一定时,以太网的连线长度受到限制,否则τ的数值会太大
- 以太网的帧长不能太短,否则T0T0T0的值会太小,使a值太大
3、信道利用率的最大值
理想化的情况下,以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞(这显然不是CSMA/CD,而是需要一种特殊的调度方法),即总线一旦空闲就有一个站发送数据。这种极限信道利用率Smax为:
SmaxSmaxSmax = T0T0T0/(T0+τT0+τT0+τ) = 1/(1+a)1/(1+a)1/(1+a)
三、以太网的MAC(媒体访问控制层)
1、MAC层的硬件地址(MAC地址)
在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC地址。
MAC地址是48位二进制,在一般的显示中,一般显示成12位16进制
windows命令行中使用ipconfig /all来查看MAC地址:
2、适配器检查MAC地址
适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址,如果是发往本站的帧则收下,否则就将此帧丢弃。
“发往本站的帧”包括以下三种:
- 单播帧(一对一)
- 广播帧(一对全体)
- 多播帧(一对多)
3、MAC的帧格式
1)MAC的帧格式如下图:
数据链路层的MAC帧分为五部分:
- 目的MAC地址
- 原MAC地址
- 类型(网络层使用的协议)
- 数据(网络层的IP数据报)
- FCS(帧检验序列)
注意:
由于数据链路层要求传输的帧最小为64字节,所以此时IP数据报要求最小为46字节,如果原始数据小于46字节,应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段。
2)无效的MAC帧:
- 帧的长度不是整数个字节;
- 用收到的帧检验序列FCS查出有差错;
- 数据字段的长度不在46~1500字节之间;
- 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间;
- 对于检查出的无效的MAC帧就简单地丢弃,以太网不负责重传。
四、在数据链路层扩展以太网
通过光纤连接集线器,可以使以太网在距离上扩展;通过集线器级联,使网络中的计算机增加,但是组建了一个大的冲突域,通信效率降低了。
为了优化扩展后的以太网性能,可以使用网桥和交换机设备。
1、网桥
在交换机还没有出现以前,可以使用网桥来连接两个集线器进行通信。最大的作用是防止了集线器之间的数据传输冲突,将冲突控制在单个集线器范围内,隔离大的冲突域,减少冲突的几率。
网桥工作在数据链路层,它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。
网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时,并不是向所有的接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口。
2、交换机
随着连接的集线器越来越多,网桥慢慢发展演变成交换机。
交换机是现在主流的局域网的交换设备,它有许多接口,直接和计算机相连接。
交换机通过学习构建MAC地址表,并根据MAC地址定向地存储转发数据,避免了广播式的数据发送,具有更高的安全性。
五、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。
1)100Mb/s以太网
在双绞线或光纤上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网,仍使用CSMA/CD协议。
可在全双工方式下工作而无冲突产生,不使用CSMA/CD协议。
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。
2)G比特以太网
允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作,只有在半双工方式下使用CSMA/CD协议。
3)10G比特以太网
10G比特以太网与其他带宽的以太网帧格式完全相同。
10G比特以太网不在使用铜线,只使用光纤作为传输媒体。
只工作在全双工方式下, 没有争用问题,不使用CSMA/CD协议。
4)使用高速以太网进行宽带接入
以太网接入的重要特点是它提供双向的宽带通信,并且可根据用户对宽带的需求灵活进行宽带升级。
采用以太网接入可实现端到端的以太网传输,中间不需要再进行帧格式转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。
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