以太网基础知识讲义.docx
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以太网基础知识讲义
以
太
网
基
础
知
识
讲
义
前言
本教材是以太网知识的入门教程，前三章主要介绍了以太网了一些基本知识和工作原理方面的知识。
第四章与实际设计比较接近，介绍了目前在设计以太网产品经常会接触到的一些接口。
第五章对芯片内部的功能做了简单的介绍。
本教材适用于新近入职的研发处的员工及其它部门希望进一步了解以太网产品设计的员工。
本教材前四部分主要参考自《新版交换式以太网和快速以太网》，《千兆位以太网教程》（以上书目可在LAN组目录下查到），《以太网》（公司参考书目），《IEEE802.3协议-2000版》。
第五部分内容主要译自AH104芯片资料，AL101芯片资料。
有错误之处，敬请大家指正。
图表：
第一章以太网技术的简单介绍
1.1以太网的起源
60年代末，夏威夷大学的NormanAbramson及其同事研制了一个名为ALOHA系统的无线电网络，该网络的设计思想为使用共享的公共传输信道进行数据传输，这一技术就是以太网的核心思想。
1972年，BobMetcalfe发现了Abramson的关于ALOHA系统的早期研究成果，在优化改进之后，Metcalfe设计了世界上第一个个人计算机局域网络--ALTOALOHA网络，并把它命名为以太网。
1977年底，Metcalfe和他的三位合作者获得了"具有冲突检测的多点数据通信系统"的专利，该多点传输系统被称为CSMA／CD（载波监听多路存取和冲突检测）。
从此，以太网就正式诞生了。
在70年代末，数十种局域网技术已经涌现出来，而以太网只是其中的一员，使以太网最终坐上局域网宝座的不是它的技术优势和速度，而是Metcalfe版的以太网成为了产业标准。
70年代末，DEC、英特尔和Xerox开始三方合作，在1980年公布了"以太网，一种局域网：
数据链路层和物理层规范，1．0版"，这就是现在著名的以太网蓝皮书，也称为DIX（取三家公司名字的第一个字母而组成的）版以太网1．0规范。
1982年公布了以太网2.0版规范作为终结。
同时，IEEE也决定组成802.3分委员会，以产生基于DIX工作成果的国际公认标准。
1983年，IEEE10BASE5面世。
1984年美国联邦政府采纳802.3标准。
1989年ISO采纳802.3以太网标准，至此，IEEE标准8O2.3正式得到国际上的认可。
1.2ISO七层模型
ISO国际标准化组织建立了一个通信系统的标准化框架，称为开放系统互连参考模型（OSI），通过严格遵守OSI模型，不同的网络技术之间可以轻易地实现互操作。
参考模型由七层服务和协议构成，从下至上分别为：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
各层完成的功能如下：
物理层：
是OSI的最低层，是网络物理设备之间的接口，目的是在通信设备DTE和DCE之间提供透明的比特流传输。
提供的服务为：
a、物理连接。
b、物理服务数据单元。
c、顺序化：
接收物理实体收到的比特顺序，与发送物理实体所发送的比特顺序相同。
d、数据电路标识。
数据链路层：
主要用途是为在相邻网络实体之间建立、维持和释放数据链路连接，以及传输数据链路服务数据单元。
主要功能为：
a、数据链路连接的建立与释放。
b、构成数据链路数据单元。
c、数据链路连接的分裂。
d、定界与同步。
e、顺序和流量控制。
f、差错的检测和恢复。
网络层：
以数据链路层提供的无差错传输为基础，为实现源DCE和目标DCE之间的通信而建立、维持和终止网络连接，并通过网络连接交换网络服务数据单元。
它主要解决数据传输单元分组在通信子网中的路由选择、拥塞控制问题以及多个网络互联的问题。
主要功能为：
a、建立和拆除网络连接。
b、路径选择和中继。
c、网络连接多路复用。
d、分段和组块。
e、服务选择。
f、传输和流量控制。
网络层的服务：
数据报服务和虚电路服务。
路由选择算法的要求：
正确性，简单性，健壮性，稳定性，公平性和最优化。
传输层：
是资源子网与通信子网的界面与桥梁，它完成资源子网中两结点间的逻辑通信，实现通信子网中端到端的透明传输。
主要功能为：
a、映象传输地址到网络地址。
b、多路复用与分割。
c、传输连接的建立与释放。
d、分段与重新组装。
e、组块与分块。
会话层：
它利用传输层提供的端到端数据传输服务，具体实施服务请求者与服务提供者之间的通信，属于进程间通信范畴。
主要功能为：
a、会话连接到传输连接的映射。
b、数据传送。
c、会话连接的恢复和释放。
d、会话管理。
e、令牌管理。
f、活动管理。
表示层：
目的是处理有关被传送数据的表示问题。
对通信双方的计算机来说，一般有其自已的数据内部表示方式，表示层的任务是把发送方具有的内部格式结构编码为适合传输的位流，然后在目的端将其解码为所需的表示。
主要功能为：
数据语法转换、语法表示、表示连接管理、数据加密和数据压缩。
应用层：
它是OSI/RM的最高层，是直接面向用户的一层，是计算机网络与最终用户间的界面。
目的是作为用户使用OSI功能的唯一窗口。
相对于OSI七层模型，以太网只包括了最低层的两层，即物理层和数据链路层。
以太网2.0版的规范和IEEE802.3都在虽然在很多方面都非常相似，但是两种规范之间仍然存在着一定的区别。
以太网所提供的服务主要对应于OSI参考模型的第一和第二层，即物理层和逻辑链路层；而IEEE802.3则主要是对物理层和逻辑链路层的通道访问部分进行了规定。
此外，IEEE802.3没有定义任何逻辑链路控制协议，但是指定了多种不同的物理层，而以太网只提供了一种物理层协议。
两者帧格式的差别会在后文中列出。
以太网和IEEE802.3与OSI参照模型的对应关系如下：
图表1以太网和IEEE802.3与OSI参照模型
在IEEE802.3协议中详细讨论了以太网和OSI七层模型的关系，见下图
图表2IEEE802.3与OSI参照模型的对比
1.3以太网常见的拓扑结构
局域网的组成元素可分为两大类，即网络节点（端节点和转发节点）和通信链路，网络中节点的互连模式叫网络的拓扑结构。
在局域网中常用的拓扑结构有：
总线型结构、星形结构、环形结构；以太网中主要使用总线型和星形拓扑结构，环形拓扑结构为令牌环网和FDDI使用。
总线型结构：
总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的节点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或称总线上。
任何一个站点发送的信号都可以沿着介质传播，而且能被其他所有站点接收。
总线拓扑的优点是:
电缆长度短，易于布线和维护；结构简单，传输介质又是无源元件，从硬件的角度看，十分可靠。
总线拓扑的缺点是：
因为总线拓扑的网不是集中控制的，所以故障检测需要在网上的各个站点上进行；在扩展总线的干线长度时，需重新配置中继器、剪裁电缆、调整终端器等；总线上的站点需要介质访问控制功能,这就增加了站点的硬件和软件费用。
早期的以太网常采用总线结构，一般为10Mb的速率。
图表3总线型拓扑结构
星形拓扑结构是由通过点到点链路接到中央节点的各站点组成的。
星型网络中有一个唯一的转发结点（中央结点），每一计算机都通过单独的通信线路连接到中央节点。
星型拓扑的优点是:
利用中央节点可方便地提供服务和重新配置网络；单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护；任何一个连接只涉及到中央节点和一个站点，因此控制介质访问的方法很简单，从而访问协议也十分简单，使用5类和超5类线和相应的设备，网络带宽可扩展到100Mb和1000Mb的速率。
星型拓扑的缺点是：
如果中央节点产生故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和冗余度要求很高。
目前的以太网基本采用星形拓扑结构。
图表4星型拓扑结构
1.4以太网常见的传输介质
在以太网中常涉及到多种协议，如10Base-5，10Base-2，10Base-T，100Base-TX，100Base-FX，1000Base-T,1000Base-LX/SX。
每种协议对应了不同的传输介质。
10Base-5：
它使用的介质通常被称为“粗以太网（thickethernet）”电缆，10Base-5是原始的以太网802.3标准，使用直径为10mm的粗同轴电缆。
该电缆必须用50欧姆／1w的电阻作为匹配电阻接在终端、允许每段有100个站。
10Base-5使用总线拓扑结构，所有的节点都经过一根同轴电缆进行连接。
10Base-5表示的意思是：
工作速率为10Mb/s，最大支持段长为500m。
该线缆已很少使用。
10Base-2：
它采用的介质被称为“细以太网（thinethernet）”电缆,与“粗以太网”相对，并且很容易弯曲，使用灵活，可靠性高。
“细以太网”电缆价格低廉，安装方便，但是使用范围只有185m，并且每个电缆段内只能使用30台机器。
10Base-T：
1990年，IEEE通过10Base—T，它是一个崭新的以太网物理层标准。
10Base—T与同轴电缆以太网（细缆和粗缆）在许多方面有着很大的差别，前者使用两对无屏蔽双绞电话线，一对线发送数据，另一对线接收数据。
使用型号为RJ—45的8针模块插头用作连接器。
要求使用3类或以上的双绞线。
100Base-TX：
也使用双绞线，但是要求5类和以上的双绞线
100Base-FX：
100Base-FX使用光缆进行传输，它主要应用于扩大距离的连接，或有电气干扰的环境，或要求较高保密安全链接的环境。
它分为多模和单模两种，多模使用50/125um和62.5/125um的光纤，最大传输距离2km；单模使用9/125或10/125的光纤，传输距离与光功率相关
1000Base-T使用5类或以上的双绞线，四对线同时使用，传输距离100m;1000BASE-SX只支持多模光纤，采用50/125um和62.5/125um的多模光纤，工作波长范围为770-860NM,传输距离为220-550M；1000BASE-LX可以使用单模或多模光纤。
多模光纤采用直径为62.5UM的多模光纤，工作波长范围为1270-1355M，传输距离为550M；单模光纤1使用9/125或10/125M的单模光纤，工作波长范围为1270-1355M，传输距离与光功率相关。
第二章以太网常见产品的介绍
以太网的设备分为终端节点和转发节点，网卡属于前者，集线器、交换机、路由器、介质转发器则属于后者。
下面以公司的产品为例介绍常见的以太网产品。
2.1网路接口卡
网卡也叫网络适配器，是网络接口卡NIC（NetworkInterfaceCard）的简称，起着向网络发送数据、控制数据、接受并转换数据的功能。
它安装在网络计算机或服务器的扩展槽中，充当计算机和网络之间的物理接口。
目前市面上有许多种网络接口卡，它们可以按照速度、接口类型、传输介质类性分门别类，每一类适合一种特定的安装或应用类型
按与主机的接口类型分，可主要分为ISA网卡、PCI网卡、PCMCIA网卡。
ISA网卡为较早出现的网卡，通常为10M网卡。
随着PC机上ISA总线被淘汰的趋势，ISA网卡的也越来越少，但某些工控方面的产品还在继续使用ISA网卡。
与其他类型网卡相比，ISA网卡有以下弱点：
ISA总线只有16位宽,工作时钟频率只有8MHz，不允许突发式数据传输，大多数1SA总线为I/0映射型，从而降低数据传输速度。
ISA总线的理论带宽是5.33MB/s，远不够100M的网卡使用
PCI网卡是现在的主流网卡。
PCI总线分为32位和64位，在32位总线、33MHz的工作频率下，PCI的理论总线带宽已经可以达到132MB/s，完全可以满足10M、100M、甚至是1000M的应用。
而且目前PCI总线的网卡价格也十分低廉，家庭PC的用户完全可以接受，这几条因素直接促成了PCI网卡成为主流网卡。
PCMCIA（CARDBUS）网卡主要应用于便携式计算机，CARDBUS总线是一种新的高速的PCMCIA总线，它与PCI总线十分相像，也是32位、33MHz的总线结构，可以达到很高的数据吞吐量。
还有USB网卡，它与PC的接口为USB接口，这种网卡在市面上较少见到。
按速度分可分为10M网卡，100M网卡，1000M网卡。
10M网卡为早期产品，目前市场占有量越来越少，10M/100M网卡为目前的主流产品。
1000M网卡为新一代产品，虽然其速度很高，但由于成本也较高，而且100M网卡对家庭应用来说已经可以应付绝大多数的应用，因此市场销量也相对较少。
按传输介质分可分为BNC接口，RJ45接口，光纤接口。
BNC接口网卡只出现在10M网卡上，利用T型头连接在细缆上，目前使用量较小，部分10M网卡上既有BNC口，又有RJ45口，是一种过渡产品。
RJ45接口是被普遍采用的接口，应用于10M网卡，100M网卡，1000M网卡上。
光纤接口的网卡由于价格的原因，极少出现在家用PC上，只是在特定的场合下使用。
下面以8139芯片为例介绍网卡支持的功能和内部结构。
8139系列芯片是REALTEK公司的网卡芯片，它支持10M/100M自适应功能，兼容PCI2.2标准，兼容PC99规范，支持ACPI电源管理功能，支持BOOTROM实现远程启动，支持网络唤醒功能，支持全双工流控功能（IEEE802.3x协议）。
下图显示了8139芯片内部的结构框图
图表58139内部结构框图
下图是RTL8139网卡的设计概图：
图表68139网卡设计概图
无盘启动是网卡常用的功能之一。
目前无盘技术分为PXE（PrebootExecutionEnvironment，远程引导技术）和RPL（RemoteInitialProgramLoad，远程启动服务）两种技术。
PXE是RPL的升级产品。
它们的不同之处为：
RPL是静态路由，PXE是动态路由。
RPL是根据网卡上的ID号加上其它的记录组成的一个帧向服务器发出请求，而服务器那里早已经有了这个ID数据，匹配成功则进行远程启动；PXE则是根据服务器端收到的工作站MAC地址（就是网卡号），使用DHCP服务给这个MAC地址指定一个IP地址，每次重启动可能同一台工作站有与上次启动有不同的IP，即动态分配地址。
详细的无盘工作站的设计需参考相关的无盘制作参考手册。
2.2集线器
集线器通过将多个网段连接成大的网段而扩大网络的距离和拓扑。
集线器工作在OSI模型的物理层，它不查看数据本身，只是为传输白的而将信号整形放大。
集线器分为10M和100M两种集线器，它们之间的一个最大区别是最大的网络直径，两者分别为2500m与205m。
一些资料也将集线器成为中继器
集线器为中心节点，连接了多台计算机或其他集线器，它的工作方式如下：
其他节点（网卡或其他集线器）向线路发送已编码的信号；集线器接收到一个端口上的数据．由于信号从源点到集线器已经过一段距离的传输，因此在电气上已经有衰减；集线器将送来的信号整形放大．使被衰减的信号重建为完美的信号；最后．整形好的信号转发到所有的端口。
集线器将一个网段发生的所有网络信息流（和碰撞冲突）传递到由其它集线器互连成的其它所有网络上。
因此由集线器互连成的所有网段都处于同一个冲突域中。
在同一个冲突域中，数据传输延时决定了网络的直径。
从严格意义上来说，以太网要求了数据往返的传输延时不得大于512b。
对于10M的以太网来说，可将之简化为5-4-3规则，即一个冲突域中最多允许5个网段，4个集线器，其中三个网段可以增加节点。
另两个网段除了作集线器间链路外，不能接任何节点，这样的一个冲突域最大可以挂1024个终端，最大网络直径为2500m。
5-4-3设计规则只适用于10M以太网。
它虽然只是一个粗略的设计指南，但在大多数情况下非常管用。
图表75-4-3法则
对于100Base-TX的网络，其数据往返的传输延时仍然限制在512b之内，这就注定了它的网络直径比10M网络小10倍左右。
100M集线器分为两种：
Ⅰ类集线器和Ⅱ类集线器，它们的区别在于延时不同，Ⅱ类集线器的指标更好一些，在0.46us以内。
双绞线的长度在100M模式规定了不能超过100m，这样对于Ⅱ类集线器，一般做如下规定，冲突域中最多允许两个集线器，连接集线器到终端的双绞线最长100m，两个集线器之间的链路为5m，整个冲突域的直径为205m。
10M/100M自适应集线器支持同时接10M和100M的终端，它的原理是内部利用了一个两口的交换机将10M和100M两个冲突域连接了起来，它的最大网络直径可以按数据往返的传输延时不超过512b这个规则来计算。
介质转发器也是一种中继器，工作在物理层。
它实现不同传输介质的以太网的互连，现在比较常见的转发器是双绞线转光纤的转发器，它的网络直径也可以相应计算出来。
2.3交换机
一般将网络交换机定义成这样的一种网络设备，它能接收传来的信息包，将其暂时存储，进行一定的分析，然后发往另一个端口。
交换机与多端口网桥非常相似，它在不同端口传输数据时是基于各个信息包的目的地址，可用来分割LAN、或扩展LAN的网络。
交换机对快速以太网的扩展十分重要，因为它能增加网络直径。
另外它采用全双工工作模式，并将网络分成了多个冲突域，极大的提高的网络的性能。
下图列出了交换机和集线器之间的主要区别：
图表8交换机和集线器的区别
目前我公司交换机的种类主要有10M交换机，10M/100M自适应交换机，10M/100M/1000M自适应交换机，网管型交换机。
10M/100M自适应交换机由于其性能优越、价格合理，在终端消费市场上占了最大的份额，并逐步取代了集线器的市场。
虽然业界提出“100M交换到桌面“的方案已经很久，但由于1000M交换机价格较高，仅出现在企业网的高层和骨干网中。
第三章以太网的传输机制
3.1以太网的核心CSMA/CD
在局域网中，各个工作站点都处于均等地位，通过公共信道互相通信。
信道在一个时间间隔内只能被一个站点占用来传送信息，这就产生了一个信道的合理分配问题。
各工作站点由谁占用信道，如何避免冲突，同时又使网络有最好的工作效率以及可靠性等等，是需解决的重要课题。
在以太网中采用了CSMA/CD的访问控制方式。
CSMA/CD的全称为载波监听多路访问和冲突检测（carriersensemultipleaccessprotocol/collisiondetect）。
它的设计思想如下：
首先监听信道，查看信道上是否有信号。
各个工作站都有一个“侦听器”，用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息（也称为载波识别），如果信道巳被占用，则此工作站等待一段时间然后再争取发送权；如果监听信道是空闲的，没有其他工作站发送的信息，就立即抢占总线进行信息发送。
查看信号的有无称为载波侦听，而多点访问指多个工作站共同使用一条线路。
等待时间的确定。
通常有两种方法：
（1）当工作姑检测到信道被占用后，继续监听下去，一直等到发现信道空闲后，立即发送。
这种方法称为持续的载波监听多点访问。
（2）当工作站检测到信道被占用后．就延迟一个随机时间，然后再检测v不断重复上述过程，直到发现信道空闲后，开始发送信息。
这称为非持续的载波监听多点访问。
然后就是冲突检测（碰撞检测）的问题了。
当信道处于空闲时．某一个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时都想发送信息，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲的，同时都认为可以发送信息，从而一齐发送，这就产生了冲突（碰撞）；另一种情况是某站点监听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了数据包，但由于在传输介质上信号传送的延时，数据包还未传送到此站点的原故，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突．因此如何消除冲突是一个重要问题。
首先可以确认，冲突只有在发送信包以后的一段短时间内才可能发生．因为超过这段时间后，总线上各站点都可侦听到是否有载波信号在占用信道，这一小段时间称为碰撞窗口或碰撞时间间隔，如果线路上最远两个站点间信包传送延迟时间为D，碰撞窗口时间为2D。
解决可能出现的冲突的方法是，各站点上设立一个碰担检测器，当一个工作站开始占用网络信道进行发送时，再继续对总线检测一段时间，也就是说一边发送一边接收，并且持接收到的信息和自己发送的信息相比较．如果比较结果相同、则说明发送工作正常进行，继续发送；如果比较结果不同，必定是发生了冲突引起了数据混淆．于是立即停止发送数据（不必等待整个数据包发送完），等待一个随机的时间后，再重复以上过程。
各节点检测到碰撞停止发送后，要延迟一个时间去抢占总线，为了尽量减少碰撞，各站点延迟时间用“随机数”控制，延迟时间最小的那个节点先抢占总线，再次发生碰撞时则重复照此办法处理，总有一次会发送成功。
这种延迟竞争按称为碰撞控制算法或延迟退避算法。
延迟算法有很多，常用的二进制指数退避算法（BEB），截断的二进制指数后退算法（EBE）等。
下图显示了在CSMA/CD中数据包发送的流程：
图表9数据包发送流程图
CSMA／CD方式的主要特点是：
原理比较简单，技术上较易实现，网络中各工作站处于同等地位。
不要集中控制，但这种方式不能提供优先级控制，即不能提供急需信息的优先处理功能，各节点争用总线，不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可取性的要求。
此方式效率高，但当负载增大时，发送信息的等待时间较长。
同时以太网最小长度包在网络中的时延也限制了网络直径：
在10M的以太网中，最大的网络直径为2500m，在100M以太网中，网络直径降为205m，在1000M中，从理论上网络直径将降到二十几米，会完全失去意义。
好在IEEE委员会制定了载波扩展、分组突发、全双工和支持超长帧这几种办法，解决了该问题。
吉比特以太网在半双工方式运行时，遵循以太网的CSMA/CD协议。
为了在一个时间槽内检测到帧冲突，并且保持200m的网络直径，那么最小帧长必须达到512字节。
这样对于帧长小于512字节的帧，需要用载波扩展信号进行扩展，使帧占用的时间扩展到512字节，但载波扩展信号不携带信息。
载波扩展技术在不增加最小帧长度的同时，解决了保持和快速以太网相同网络直径200m的问题，但是因为大量的控制帧的帧长都较短，每次发送都要增加载波扩展信号，必然导致带宽利用率的降低。
为了提高千兆以太网短帧发送效率，IEEE802.3z任务组采纳了分组突发技术：
其要点是允许站点每次发送多帧，只有第一帧需要加载波扩展信号。
若第一帧发送成功，说明发送通道已打通，后续一系列帧可以连续发送，不需要再加载波扩展信号，只需要保持帧间间隙12字节，帧组发技术在一定程度上提高了带宽利用率。
3.2以太网的帧结构
以太网中的数据传输是以帧为单位的，每帧的长度在64个字节到1518字节以内，下图是典型的以太网帧：
图表10以太网帧结构图
前导码：
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”。
帧首定界符：
帧首定界符（SFD）是MAC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。
之后便是有效帧。
终点地址（destinationaddress）：
是指该帧发往的目的地的MAC地址。
每个节点都有一个唯一的MAC地址，前三个字节称为blockID，标志设备的制造厂家，由IEEE赋值，需各网络设备生产厂商向IEEE申请。
其它三个字节称为设备ID，由厂家赋值。
MAC地址是唯一的。
源地址（sourceaddress）:
源地址是指发送站的MAC地址。
长度指示符字段：
为第5个字段，其长度为2个字节。
以太网规范2.0和IEEE802.3在该字段定义不完全一致。
在以太网规范2.0中，该字段定义为长度指示符，用来指示紧随其后的数据字节的长度，长度单位为字节数。
在IEEE802.3协议中，该字段定义了使用的协议。
（在2000版的IEEE802.3中，
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