Ethernet网简介

退隐网络

<h2 align="left">一、Ethernet的网络体系结构 </h2><h3 align="left">1.Ethernet的简史 <br/></h3><p align="left">　　Ethernet是Xerox、Digital Equipment和Intel三家公司开发的局域网组网规范，并于80 年代初首次出版，称为DIX1.0。1982年修改后的版本为DIX2.0。 这三家公司将此规范提交给 IEEE(电子电气工程师协会)802委员会，经过 IEEE 成员的修改并通过，变成了IEEE的正式标准， 并编号为IEEE802.3。Ethernet和IEEE802.3虽然有很多规定不同，但术语Ethernet通常认为与 802.3是兼容的。IEEE将802.3标准提交国际标准化组织(ISO)第一联合技术委员会(JTC1),再次 经过修订变成了国际标准ISO8802.3。 <br/></p><h3 align="left">2. OSI参考模型 <br/></h3><p align="left">　　IEEE802.3在制定时突出的一个基本思想是将系统进行逻辑划分，并研究如何将连接在一起。 我们知道，ISO组织将网络按其功能划分为7个功能层，每层都完成一特定功能。图1所示为OSI参 考模型。 </p><p align="center"><img src="http://51zk.csai.cn/hlwl/images/zhzs1-1.GIF" style="CURSOR: pointer;" alt=""/></p><h3 align="left">3.Ethernet的体系结构</h3><div class="main" align="left">　　根据对OSI参考模型的介绍，LAN(包括 Ethernet,令牌环等)已将数据链路层分割为两个子层， 从而使LAN体系结构能适应多种传输媒体，换言之，在 LLC不变的条件下，只需改变MAC(媒体访问 控制)便可适应不同的媒体和访问方法。 <br/>　　 从上面介绍的OSI参考模型各层功能看，在LAN情况下，由于必须有收发功能,而且还有与传输 媒体相连的问题，所以物理层、数据链路层是必不可少的.但对于第3层(网络层)是否在LAN情况下 也需要，答案有肯定的一方面，也有否定的一方面。从第3层的功能来看，答案是否定的，因为在 LAN情况下不存在路由选择功能，只需在链路层传送到对方即可。网络层的其它功能，如寻址、排 序、流量控制和差错控制均可由数据链路层承担。如果从所连接的设备来看,答案又是肯定的，因 为工作站本身是与媒体直接相连的多个工作站中的一个，这样一种功能刚好是3层的任务。虽然作 为一种计算机网络应能提供第1层到第3层的功能，但LAN的特性却允许在OSI的最低两层实现1-3层 的服务。 <br/>　　 按照上述分析，LAN的体系结构与OSI参考模型的关系见图2所示。除数据链路层分割为两个子 层外，物理层确定了两个接口： <br/>　　 .媒体相关接口(MDI),该接口随媒体而改变，但不影响LLC和MAC的工作。 <br/>　　 .连接单元接口(AUI)，也就是在粗缆Ethernet情况下的收发器电缆.这种接口在标准中定为选 　　　 项，因为在细缆和10Base-T情况下，AUI已不复存在。 </div><p align="left"><b>二、媒体访问控制(MAC) </b></p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; IEEE802.3或Ethernet所用的媒体访问法为带有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)。按 照这种方法，一个工作站在发送前，首先侦听媒体上是否有活动，即称为“谈前听”协议。所谓 活动是指媒体上有无传输，也就是载波是否存在。如果侦听到有载波存在，工作站便推迟自己的 传输。在侦听的结果为媒体空闲时，则立即开始进行传输。在侦听到媒体忙而等待传输情况下， 当传输中的帧最后一个数据位通过后，应继续等待至少9.6us,以提供适当的帧间间隔，随后便可 进行传输。 <br/>　　 如果两个工作站同时试图进行传输，将会造成废帧，这种现象称为碰撞，并认为是一种正常 现象，因以媒体上连接的所有工作站的发送都基于媒体上是否有载波，所以称为载波侦听多路访 问(CSMA)。为保证这种操作机制能够运行,还需要具备检测有无碰撞的机制,这便是碰撞检测(CD)。 也就是说，在一个工作站发送过程中仍要不断检测是否出现碰撞。出现碰撞的另一种情况是由下 述原因造成的，即信号在LAN上传播有一定时延，对于粗缆而言,信号在其上的传播速度是光速的 77%。对于细缆,在其上的传播速度为光速的65%。由于这种传播时延，虽然LAN上某一工作站已开 始发送,但由于另外一工作站尚未检测到第一站的传输也启动发送，从而造成碰撞。图3示出了工 作站检测碰撞所需的时间,图中标出的数字1为工作站发送一个帧(传输单位)所需的时间,数字0.5 为工作站A传输到工作站B所需的传播时间。可以看到，工作站A检测到碰撞是从A到B传播时间的2 倍。 <br/>　　 图3还表明，帧长度要足以在发完之前就能检测到碰撞，否则碰撞检测就失去意义。因此,在 IEEE802.3标准中定义了一个间隙时间,其大小为住返传播时间与为强化碰撞而有意发送的干扰序 列时间之和。这个间隙时间可用来确定最小的MAN帧长。 <br/>　　 检测到碰撞之后，涉及该次碰撞的站要丢弃各自开始的传输，转而继续发送一种特殊的干扰 信号，使碰撞更加严重以便警告LAN上的所有工作站，碰撞出现了！在此之后,两个碰撞的站都采 退避策略，即都设置一个随机间隔时间，另有当此时间间隔满期后才能启动发送。当然如果这两 个工作站所选的随机间隔时间相同，碰撞将会继续产生。为避免这种情况的出现，退避时间应为 一个服从均匀分布的随机量。同时，由于碰撞产生的重传加大了网络的通信流量，所以当出现多 次碰撞后，它应退避一个较长的时间。 </p><p align="center"><img src="http://51zk.csai.cn/hlwl/images/zhzs1-2.GIF" style="CURSOR: pointer;" alt=""/></p><p align="left">截断二进制指数退避(Truncated Binary Exponential Backoff)就是基于这种思想提出的。 <br/>其基本算法是： <br/>　　 .退避时延是间隔时间的整数倍； <br/>　　 .为防止不成功发送无限进行，规定了最大尝试次数n； <br/>　　 .碰撞后选择的退避时延为间隔时间的r倍； <br/>　　 .r是大于0小于2k范围间的随机整数；K是min(n,10)，即为尝试次数与10中最小的一个。 <br/>　　 由此可简单写成： <br/>　　　　　　 K=Min(尝试次数,10) <br/>　　　　　　 r=随机数(0,2 ) <br/>　　　　　　 退避时延＝r.间隙时间 <br/>　　 不难看出， 这种算法对无碰撞或碰撞次数较少的工作站而言将获得优先的发送机会。因此， Etgernet是一种发送机会不能保证的技术，因而不适用于实时应用。尽管有这一潜在的问题，但 现实使用中的Ethernet却很少碰到。 <br/>　　 CSMA/CD媒体访问方法从上面的描述可归纳为下述4步： <br/>　　 第一步：如果媒体信道空闲，则可进行发送。 <br/>　　 第二步：如果媒体信道有载波(忙)，则继续对信道进行侦听。一旦发现空闲，便立即发送。 <br/>　　 第三步：如果在发送过程中检测的碰撞，则停止自己的正常发送，转而发送一短暂的干扰信 号，强化碰撞信号，使LAN上所有站都能知道出现了碰撞。 <br/>　　 第四步：发送了干扰信号后，退避一随机时间，重新尝试发送。 </p><p align="left"><b>三、MAC帧 </b></p><p align="left">1.帧的格式 <br/>　　 Ethernet上发送的的数据是按一定格式进行的，并将此数据格式称为帧，如图4所示。帧由8 个字段组成，每一字段有一定含义和用途。每个字段长度不等，下面分别加以简述。</p><p align="center"><img src="http://51zk.csai.cn/hlwl/images/zhzs1-3.GIF" style="WIDTH: 524px; CURSOR: pointer;" alt=""/></p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 处于MAC帧开始处的字段为前导码字段，由7个字节组成。其功能是使接收器建立比特同步。 编码形式为多个“1”或“0”交替构成的二进制序列,最后一比特为“0”。在这种编码形式下， 经过曼彻斯特编码后为一周期性方波。 <br/>　　 帧首定界符(SFD)是MAN帧的第2个字段,其编码形式为“10101011”序列，长度刚好为一个 字节。该字段的功能是指示一帧的开始。 <br/>　　 终点地址字段(DA)为第3个字段，长度为6个字节。该字段用来指出帧要发住的工作站。 <br/>　　 源点地址(SA)处于终点地址字段之后,其长度也为6个字节。该字段功能是指示发送该帧的 工作站地址。 <br/>　　 长度指示符字段为第5个字段，其长度为2个字节，用来指示紧随其后的逻辑链路控制(LLC) 数据字节的长度，长度单位为字节数。 <br/>　　 LLC数据字段是帧要载携的用户数据，该数据由LLC子层提供或接收。 <br/>　　 填充(PAD)字段紧接的LLC之后，用来对LLC数据进行填加，以保证帧有足够长度，适应前面 所述的碰撞检测的需要。 <br/>　　 帧检验序列(FCS)处于帧的最后，其长度为32比特，用于检验帧在传输过程中有无差错。 <br/><br/>　　 2.地址字段 <br/>　　 地址字段包括两部分,处于前面的地址字段为终点地址,处于后面的为源点地址。IEEE802.3 标准规定，源点地址字段中第1比特恒为“0”，这种规定我们从终点地址的规定中便可获悉。 <br/>　　 终点地址字段有较多的规定，原因是一个帧有可能发给某一工作站，也可能发送给一组工作 站，还有可能发送给所有工作站，我们将后两种情况分别称为组播和广播。<br/>　　终点地址字段的格式如图5所示。当该字段第一比特为“0”时，表示帧要发送给某一工作站，即所谓单站地址。娄该字段第一比特为“1”时，表示帧发送给一组工作站，即所谓组地址。全“1”的组地址表示广播地址。 </p><p align="center"><img src="http://51zk.csai.cn/hlwl/images/zhzs1-4.GIF" style="CURSOR: pointer;" alt=""/></p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 顺便在此指出，帧长除有最小要求外，最长也有限制，这是由于发送站和接收站的缓冲器容量总有一限度，同时如果一个工作站发送的帧太长，将妨碍其它站对媒体的使用。 </p><p align="left"><b>四、Ethernet网板的构成 </b></p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;根据对CSMA/CD访问方法的描述,节点网板要执行多种任务， 因此，每个网板要有自己的控制器，用以确定何时发送，何时从网络上接受数据，并负责执行802.3所规定的规程， 如构成帧，计算帧检验序列、执行编码译码转换等。 <br/><br/>　　 1.LAN管理部分和微处理器 <br/>　　 网络电路板(也称网板，网卡或网络适配器)由几部分组成，如图6所示。 </p><p align="center"><img src="http://51zk.csai.cn/hlwl/images/zhzs1-5.GIF" style="CURSOR: pointer;" alt=""/></p><p align="center">图6</p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; LAN的管理部分是网板的核心，负责执行所有规程和数据处理。微处理器部分包括微处理器芯片，RAM芯片和ROM芯片。这一部分在PC机和LAN管理部分间提供链接。当PC机有数据要发送时，便中断微处理器部分，并将数据存储在微处理器部分的RAM芯片中，命令它发送数据。微处理器还将来自PC机的信号转换为LAN管理部分可接受的格式，随后命令LAN管理部分将数据发送到网络上。微处理监视发送过程，经常访问LAN管理部分，以检查发送是否成功。 <br/>　　 一旦PC机准备好从网络上接收帧，它便中断微处理器,并通知它能进行帧的接收。微处理器通过命令LAN管理部分开始接收帧来响应。微处理器对帧的接收过程进行监视。一旦接收的帧由LAN 管理部分处理结束，微自理器便中断PC，将接收的数据传给PC机。 <br/>　　 应该指出，有些网板不含有微处理器部分，在这种情况下，PC机直接控制和监视LAN管理部分的工作。 <br/>　　 2.曼彻斯特编译码器 <br/>　　 IEEE802.3或Ethernet规定数据的传输必须用曼彻斯特编码进行。当PC机希望将数据发送到网络上时，总是以并行方式逐字节地传给LAN管理部分，LAN管理部分串行传给“不归零(NRZ)曼彻斯特编码器”，在这里进行曼彻斯特编码。曼彻斯特的编码过程如图7所示。NRZ曼彻斯特编码器收到NRZ信号后，将其进行编码进而传给发送器发送。当从网络上接收到曼彻斯特编码时，接收器将其传给曼彻斯NRZ特转换器，反转换为NRZ信号这种过程也称为时钟恢复。因此要求很高的精确度。 <br/>LAN的质量高低就取决于时钟恢复的精确度。 </p><p align="center"><img src="http://51zk.csai.cn/hlwl/images/zhzs1-6.GIF" style="CURSOR: pointer;" alt=""/></p><p align="center">图7</p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3.发送和发送控制部分 <br/>　　 发送和接收控制部分负责帧的发送。由图6可以看出，发送部分接受来自“NRZ曼彻斯特转换器”的曼彻斯特码的数据，并在发送控制部分允许的条件下将数据发送到媒体，发送的数据称为 TxD。 <br/>　　 发送控制部分判定是否进行发送，这种判定基于LAN基于管理部分和TxD来进行。 <br/>　　 4.接收和接收控制部分 <br/>　　 接收和接收控制部分负责帧的接收。这一部分产生网络是否有载波存在的信号，产生的依据 是从RxD中获得。因此，网络上来的信号一方面馈送给接收器，另一方面要馈送给接收控制部分。 接收控制部分根据LAN管理部分和媒体上接收的信号判定是否使接收器工作。 </p><p align="left"><b>五、网板与媒体的连接 </b></p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 网板与媒体的连接取决于所用的媒体。在媒体为粗缆情况下，通常使用收发器，在标准中称 为MAU，如图2所示。在细缆情况下，使用BNC连接器，没有外加的MAU, 图2 最右端标有“DTE(所有都不外露)”表示这种情况。在媒体为双绞线的情况下，RJ45使用连接器通过双绞线与Hub相连。与细缆情况相同，MAU的功能已集成到网板上。 <br/>　　 1.粗缆和细缆下的收发器 <br/>　　 收发器或MAU的结构如图8所示。来自粗缆的信号馈送给逻辑电路，逻辑电路对此信号进行分析，并根据分析结果确定开关处于上部还是下部。 <br/>　　 如果逻辑电路确定网络媒体来的信号是有效的曼彻斯特编码，它便将开关置于上部位置，使外来信号到达网板。网板检查外来的帧，抽取出终点地址。如果与网板的地址相符，便接受帧的 其余部分。在接收有效信号期间，不允许网板将数据发往收发器。如果有数据要发送，只能推迟一段时间。 <br/></p><p align="center"><img src="http://51zk.csai.cn/hlwl/images/zhzs1-7.GIF" style="CURSOR: pointer;" alt=""/></p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 如果逻辑电路检测到违背了曼彻斯特编码规律，便可断定有2个或2个以上的工作站同时发送，于是将开关置于下部位置，将该网板连接到一个特殊的信号发生器。 <br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 该发生器产生特殊信号，即称为碰撞存的信号。碰撞存在信号传送到网板，网板据此可断定，网络电缆上存在碰撞。如果该工作站正忙于接收帧时突然收到碰撞信号，则必须放弃帧的接收。 <br/>　　 如果逻辑电路部分(参见图8)无信号到达，它便将开关置于上部位置。在此位置时,网板根据 无信号到达便断定网络媒体空闲。如果网板有数据要发送，则可启动发送，通过收发器进入媒体。 连入网络的每一收发器都将外来信号传送到各自的网板。 <br/>　　 由图8可以看到，收发器将比特送入电缆的同时，收发器又接收到自己发出的比特,并将其传回网板。这就是说，网板发出的比特，几乎同时会收回。如果碰巧网络上另一工作站同时向网络发送，电缆上便产生一种混合信号。在这种情况下，收回的信号肯定与发送的信号不一致，于是断定有碰撞存在。停止发送，进入退避阶段。 <br/>　　 图8中左上角的超长(Jabber)控制是为防止工作站独占网络电缆而设计的,其功能是对发出帧长进行计时，一旦到达设定的时限，便发出信号禁止发送器发送。 <br/>　　 用细缆构造网络时，由于收发器电路已集成到网板上，所以不再需要外加的收发器。网板与 细缆相连通过BNC阴性T连接器来进行。 <br/><br/>　　 2.网板与双绞线的连接 <br/>　　 在双绞线网络(10Base-T)环境中，网板结构除发送器和接收器与粗缆下的网板发送器和接收器不同外，其余部分完全相同，如图6所示。在10Base-T情况下，发送器驱动的是双绞线,而且收发器已集成到网板中,收发器与双绞线的连接是通过RJ45实现的。 RJ45 的结构以及RJ45与网板MAU部分的连接如图9所示。 </p><p align="center"><img src="http://51zk.csai.cn/hlwl/images/zhzs1-8.GIF" style="CURSOR: pointer;" alt=""/></p><p align="center">图9</p><p align="left">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在构成网络时，网板通常与Hub相连，Hub与外界在接口也是RJ45，既要使两个RJ45头连接两个RJ45座，要特别注意收发关系的正确性。发送端与接收端相连，并将极性进行适配。 </p>