计算机网络之以太网

上文内容：总线局域网以及冲突的解决方法

1.以太网的起源

1.1起源

60年代末期，夏威夷大学Norman Abramson等研制ALOHA无线网络系统,实现Oahu岛上的主机和其它岛及船上的读卡机和终端通信；

出境信道+地址：主机到终端；

入境信道-终端到主机；200-1500毫微秒未收应答,随机重发；

70年提出ALOHA模型，争用性协议成果获IEEE Kobayashi奖。

72年Xerox公司研制第一台PC（ALTO），Metcalfe等人阅读Abramson论文，思想用于ALTO互连，形成ALTO ALOHA网络，

73年5月22日，正式运行，命名Ethernet；

77年底，Metcalfe等人获“具有冲突检测的多点数据通信系统”专利；

79年，DEC（技术力量）、Intel（硅片）和Xerox（专利）公司共建产业标准；

80年9月，DIX V1.0—以太网：数据链路层和物理层规范；

82年，DIX V2.0—以太网标准；

凡低二层遵循DIX规范的网络的都可称为以太网。

80年，IEEE成立802委员会研究LAN国际标准；

81年6月，成立802.3分委会，研究基于DIX成果的国际标准；

82年12月，802.3草案标准；83年802.3标准。

1.2DIX规范

DIX V2.0—以太网：数据链路层和物理层规范。

描述方法：速率，传输技术，最大段长；相关标准：10Base5和10Base2。

基本指标：

10Base5：粗缆，10Mbps，基带，单段线缆<500米，5段，DIX接口；

10Base2：细缆，10Mbps，基带，单段线缆<200米，5段，BNC接口；

设计时的基本长度换算公式：1米细缆＝3米粗缆

2.以太网参考模型

封装/拆封：组帧，包括增加/移去帧中控制信息；

链路管理：包括侦听、冲突强化和重发调度；

编码/解码：曼彻斯特编码；

信道访问：侦听、检测冲突和发/收位信号。

帧格式

F（帧起始符）：10101010 * 7 + 10101011（同步用） DA/SA（源/宿地址）—网卡地址；

L/T（数据长度/帧类型）：高层定义，包括Ack；

Data（数据）：高层数据，用户满足长度要求；

FCS（帧校验）：CRC。

整个帧长（含起始符）为72—1526字节。

工作过程（接收）

（类似802.3标准）

差异：增加了确认帧（ACK帧）和等待ACK帧（9.6us），超时重发；

利用ACK帧来保证传输的有效性。

定义了帧间间隔（不能连续发数据，需等待一个时间间隔,保证ACK帧传输）。

工作过程（发送）

3.以太网的变迁

3.1最初的以太网

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。

基于总线的以太网的特点

采用CSMA/CD工作模式，共享总线；

重负载时，碰撞增多，性能下降；

协议简单，控制方便；

用户多，造价低；

接入结点时，需割开线缆，易引起碰线导致整个网络瘫痪；

不利于故障查找、搬迁和布线。

改进：采用双绞线代替同轴电缆。

3.2以太网的变迁（一）—基于集线器（HUB）的以太网

促进因素：80年代初，光缆实验成果（要求星型结构）；

星型结构网的应用（IBM令牌环，Intel StarLAN）；

87年8月，SynOptics的基于UTP电话线的以太网产品问世；

同期，HP的多端口中继器方案得到支持；

90年秋，10Base-T（802.3i）公布。

指导思想：总线凝聚为一点（集线器），结点通过双绞线接入；

双绞线的接法（RJ45接口类似电话插头）

3.3以太网的变迁（二）—交换以太网

集线器的应用使网络性能改进可集中于“一点”；

80年代末，系列智能型多端口集线器问世；

90年，Kalpana公司推出EtherSwitch产品；共享式集线器向独享端口的交换器发展。

将一个端口的输入交换到指定的另一端口，独享端口的带宽。

1、直通（cut-through) 工作原理：前14个字节收到后，得知目的地址，直接送往目的地端口，优点：延迟小（14个字节），交换速度快。

缺点：无法检测出冲突帧（14字节）和出错帧。

2、存储转发（Store—Forward）工作原理：全部帧接收到后，检查出错帧，如无错才送往目的地端口。

优点：可以检查出冲突帧和出错帧，使转发的帧为有效帧。

缺点：延迟较大（整个帧），交换速度较慢。

3、自适应（直通/存储转发）工作原理：交换机根据网络的状况自动更换数据交换方式。

当网络性能好时，单位时间内出错的帧的概率 < 某个阈值，采用“直通”的交换方式；

当网络性能差时，单位时间内出错的帧的概率 > 某个阈值，采用“存储转发”的交换方式；

特点：可以提高交换机的数据交换速率。

3.4以太网的变迁（三）—全双工以太网

一般情况下，交换机端口和网卡都是以半双工的工作方式，数据MAC帧的发送和接受不是同时进行的。

93年，Kalpana公司再次率先推出改进产品—全双工交换器。

全双工方式：交换器的端口和网卡都可以同时进行MAC帧的发送和接受交换器的端口可以由用户自己设置，10Mbps的端口如果设置成全双工的方式，理论上可达20Mbps的端口速率。

要求：交换器/网卡，交换器/交换器都必须支持全双工工作。

3.5以太网的变迁（四）—快速以太网（100Mbps）

92年起，开始研究更高速的以太网，Grand、Intel、Cabletron等成立“快速以太网联盟（FEA）”，促进标准：802.3u。

100 Base-TX：传输编码为4b/5b，2对5类双绞线，100米

100 Base-FX：传输编码为4b/5b，光纤，10/2公里（单模/多模）

100 Base-T4：3电平编码，4对3类双绞线，3对线同时传输。

原理：3电平3对线可有27个状态，表示4位数据（类似4b/5b）；3类线具有25MHz的性能；可使总传输速率达100Mbps。

10/100Mbps自适应——增加自动速度感应功能

结点要求10/100Mbps自适应网卡支持。

原理：交换器发送高速链路脉冲（FLP），结点检测FLP，协商和确定可支持的最高交换速度，并进行模式调整：支持100Base-T，或者仍以10Base-T模式工作。

实践表明：使用10/100Mbps自适应，其性能并未有大的改善，

原因：交换器/结点不停地检测和模式改变，反而影响速度。

3.6以太网的变迁（五）—千兆位以太网

95年末，开始研究Gbps以太网，标准：803.3z

重点：如何体现冲突检测特性；

方案：帧结联、载波扩展，增加最短帧的长度。

传输距离：

1000Base-Cx，铜线，25英尺

1000Base-Sx，多模光纤，短波（850nm），<300m

1000Base-Lx, 多模光纤，长波（1300nm），<550m

1000Base-T，双绞线

应用：主干网和服务器

例如：交换机—交换机，交换机—服务器（需要1000Mbps网卡）

千兆以太网传输媒介规范

（1）1000Base -LX：（长波）基于长波(1300nm)的单模光缆标准时，使用8B/10B编码解码方式，最大传输距离为5000米。基于长波(1300nm)的多模光纤时，传输距离可达550米；

（2）1000Base -SX：基于短波（780nm）的多模光纤时，使用8B/10B编码解码方式，使用50微米或62.5微米多模光缆，最大传输距离为300米到500米。

(3)1000Base -CX：基于平衡、屏蔽的铜缆（150欧姆），使用8B/10B编码解码方式，最大传输距离为25米，它可以用于机房的互连。

(4) 1000Base -T：基于非屏蔽双绞线传输介质，采用一种4B/5B编码，使用1000BASE-T 铜物理层（Copper PHY）编码解码方式，传输距离为100米。

1000Base-T是专门为在五类双绞线上传送数据而设计的。

1Gbps的传送速率可以等效地看作在四对双绞线上，每对的传送速率为250Mbps (250Mbps×4=1Gbps)。

千兆以太网的优势

1000Base-T标准允许将千兆位以太网在5类、超5类、6类UTP双绞线上的传输距离扩展到100米，从而使建筑楼宇内布线的大部分采用5类UTP双绞线，保障了用户先前对以太网、快速以太网的投资。对于网络管理人员来说，也不需要再接受新的培训，凭借已经掌握的以太网网络知识，完全可以对千兆以太网进行管理和维护。

千兆以太网的优势表现在：

（1）低价位的高带宽，可与以太网、快速以太网平滑互联；

（2）利用以太网知识即可管理、监视和维护千兆以太网；

（3）千兆以太网是组建核心骨干网的技术。千兆以太网的应用越来越广，千兆以太网交换机作为企业网/校园网的主干设备。向城域网（MAN）扩展，在广域网（WAN）上将散布在整个城市的大楼或校园连接在一起。