以太网：IEEE 802.3 局域网协议

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　　摘要：以太网协议是由一组 IEEE 802.3 标准定义的局域网协议集。在以太网标准中，有两种操作模式：半双工和全双工。半双工模式中，数据是通过在共享介质上采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议实现传输的。它的主要缺点在于有效性和距离限制，链路距离受最小 MAC 帧大小的限制。该限制极大的降低了其高速传输的有效性。因此，引入了载波扩展技术来确保千兆位以太网中 MAC 帧的最小长度为 512 字节，从而达到了合理的链路距离要求。

　　当前定义在光纤和双绞线上的传输速率有四种：

　　1．10 Mbps － 10Base-T 以太网

　　2．100 Mbps －快速以太网

　　3．1000 Mbps －千兆位以太网（802.3z）

　　4．10 千兆位以太网－ IEEE 802.3ae

　　本文我们主要讨论以太网的总体概况。有关快速以太网、千兆位以太网以及 10 千兆位以太网的具体内容将在其它文档中另作介绍。

　　以太网系统由三个基本单元组成：

　　1. 物理介质，用于传输计算机之间的以太网信号；

　　2. 介质访问控制规则，嵌入在每个以太网接口处，从而使得计算机可以公平的使用共享以太网信道；

　　3. 以太帧，由一组标准比特位构成，用于传输数据。

　　在所有 IEEE 802 协议中，ISO 数据链路层被划分为两个 IEEE 802 子层，介质访问控制（MAC）子层和 MAC －客户端子层。IEEE 802.3 物理层对应于 ISO 物理层。

　　MAC 子层有两个基本职能：

　　1．数据封装，包括传输之前的帧组合和接收中、接收后的帧解析 / 差错检测。

　　2．介质访问控制，包括帧传输初始化和传输失败恢复。

　　介质访问控制（MAC）－客户端子层可能是以下一种：

　　1．逻辑链路控制（LLC），提供终端协议栈的以太网 MAC 和上层之间的接口，其中 LLC 由 IEEE 802.2 标准定义。

　　2．网桥实体，提供 LANs 之间的 LAN-to-LAN 接口，可以使用同种协议（如以太网到以太网）和不同的协议（如以太网到令牌环）之间。网桥实体由 IEEE 802.1 标准定义。

　　以太网上的每台计算机都能独立运行，不存在中心控制器。连接到以太网的所有工作站都接入共享信令系统，又称为介质。要发送数据时，工作站首先监听信道，如果信道空闲，即可以以太帧或数据包格式传输数据。

　　每帧传输完毕之后，各工作站必须公平争取下一帧的传输机会。对于共享信道的访问取决于嵌入到每个工作站的以太网接口的介质访问控制机制。该机制建立在载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）基础上。

　　当以太帧发送到共享信道后，所有以太网接口查看它的目标地址。如果帧目标地址与接口地址相匹配，那么该帧就能被全部读取并且被发送到那台计算机的网络软件上。如果发现帧目标地址与它们本身的地址不匹配时，则停止帧读取操作。

　　信号如何通过组成以太网系统的各个介质段有助于我们掌握系统拓朴结构。以太网的信号拓朴是一种逻辑拓朴，用来区别介质电缆的实际物理布局。以太网的逻辑拓朴结构提供了一条单一信道（或总线）用于传送以太网信号到所有工作站。

　　多个以太网段可以链接在一起构成一个较大的以太网，这通过一种能够放大信号和重新计时的叫做中继器的设备实现。通过中继器，多段以太网系统可以像“无根分支树”（non-rooted branching tree）一样扩展。“无根”意味着系统在任意方向上都可以生成链接段，且没有特定的根段。最重要的是，各段的连接不能形成环路。系统的每个段必须具有两个终端，这是由于以太网系统在环路路径上不能正确运行。

　　即使介质段以星形模式物理连接，且许多段都接在中继器上，但是它的逻辑拓朴结构仍就是通过以太网单信道传送信号至所有工作站。

　　协议结构

　　10/100 Mbps 以太网中的基本 IEEE 802.3 MAC 数据格式如下：

7	1	6	6	2	46-1500 bytes	4 bytes
Pre	SFD	DA	SA	Length Type	Data unit + pad	FCS

　　1．Preamble（Pre） ― 7字节。Pre 字段中1和0交互使用，接收站通过该字段知道导入帧，并且该字段提供了同步化接收物理层帧接收部分和导入比特流的方法。

　　2．Start-of-Frame Delimiter（SFD） ― 1字节。字段中1和0交互使用，结尾是两个连续的1，表示下一位是利用目的地址的重复使用字节的重复使用位。

　　3．Destination Address（DA） ― 6字节。DA 字段用于识别需要接收帧的站。

　　4．Source Addresses（SA） ― 6字节。SA 字段用于识别发送帧的站。

　　5．Length/Type ― 2字节。如果是采用可选格式组成帧结构时，该字段既表示包含在帧数据字段中的 MAC 客户机数据大小，也表示帧类型 ID。

　　6．Data ― 是一组 n（46=< n =<1500）字节的任意值序列。帧总值最小为64字节。

　　7．Frame Check Sequence（FCS） ― 4字节。该序列包括32位的循环冗余校验（CRC）值，由发送 MAC 方生成，通过接收 MAC 方进行计算得出以校验被破坏的帧。

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