优化以太网传输系统的实现方法

1975年美国施乐公司（Xerox）研制成功一种采用无源电缆和总线结构传送数据帧，实现计算机之间数据资源共享的连接网络。并以历史上把电磁波传输媒体的“以太（Ether）”称谓来命名。

1980年9月，美国DEC、英特尔（Intel）和施乐（Xerox）三家公司联手提出了10Mbit/s以太网的第一个通信标准DIX V1。随后在1982年又修改成为DIX V2以太网标准，这也是以太网的最后一个版本。

1983年，美国电气电子工程师学会（IEEE）802委员会802工作组制定了第一个局域网标准，编号为IEEE 802.3，数据率为10Mbit/s。802.3局域网标准仅对DIX V2以太网标准中的帧格式做了很小的一点改动，并允许DIX V2以太网标准和802.3局域网标准的硬件可以在同一个局域网上互操作。因此现在都把执行IEEE802.3通信协议的局域网通称为以太网。

由于以太网具有传输速度快、延时小、误码率低、组网灵活和易扩展等特点，尤其是在快速以太网（100Mbit/s）、吉比特以太网（1 Gbit/s）和10吉比特以太网（10Gbit/s）进入市场后，以太网已在局域网市场中取得了垄断地位，并且几乎已成为局域网的代名词了。

1.以太网的工作原理

图4-23是标准以太网MAC帧的格式（DIX V2）。图中的虚线部分表示在MAC帧发送之前由物理层封装的、连续发送7字节的10101010前导字段和1字节的10101011起始界定符。这8字节是提醒网络内所有的接收器，现在开始传送新的MAC帧了。

图4-23 以太网MAC帧的格式

接下来就是传送MAC帧所要发往的目的地址和发送方的源地址各6字节的信息。由于MAC地址在网络中是全球唯一的，这就意味着全世界的所有网卡都不能有相同的MAC地址编号。国际上负责分配MAC地址编号的组织是美国电气与电子工程师学会（Institute of Electrical and Elec-tronics Engineers，IEEE），他们负责给每位申请者分配一个称为“机构唯一标志符”OUI三字节地址的前缀。例如，Intel公司的OUI是X’00-97-27（X’表示后面的数字是十六进制），后面3字节的地址由申请公司自行分配。

MAC帧的第三部分是以太网协议的类型（Ether Type）。这2字节就包括了以太网类型的全部信息。英特尔的Ether Type编号是X’08-01，IP数据包的Ether Type编号为X’08-00，Cobra Net数据包的Ether Type编号为X’88-19等。

网卡按照收信地址收到一个以太网帧以后，就可以通过MAC报头的内容判断出这个数据包应该交给哪个处理模块进行处理。例如，当网卡发现Ether Type以太网的类型是X’08-00时，则网卡将这个数据包交给上层（网络层）按IP数据包进行处理。

MAC帧报头（目的地址、源地址和网络类型协议）数据处理完成后，接下来就是把46～1500字节的数据交给与网络类型协议对应的处理模块进行处理。

MAC帧的最后还有4字节的帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS），负责检查整个MAC帧的数据准确性。对于整个数据帧来说，1bit的错误信息可以有99.9%的概率被检测出来。这样，数据层就完成了一个完整MAC帧的传输工作，准备接收下一个帧。

应注意，MAC帧只是完成了数据链路层（对应于OSI的第二层）协议的工作。当数据传输到目的地之后，MAC帧已被打开，将图中的“数据”部分传送到上层协议中，上层协议的处理单元还要继续分析这个数据包。如果数据包是为因特网服务的（协议字节为X’08-01），如图4-24所示，那么，这个数据块中还包含因特网的目的地址（IP地址）、源地址（IP地址）、协议（TCP）和IP数据包，就像一个大的数据包中包含着一个小的数据包一样。这个过程称为“封装”。

从上面的例子可以看出，网络数据按照各自的功能，由各层的处理模块完成。高层协议的数据包在底层数据包中封装，不能互相“越权”处理。

图4-24 为因特网服务的MAC帧结构(www.xing528.com)

2.以太网的网络拓扑结构

图4-25是以太网的功能结构，其功能包括数据链路层和物理层。它一般由收发器、收发器电缆、控制器、50Ω同轴电缆和50Ω终端匹配器五部分组成。

图4-25 以太网的功能结构

（1）发送/接收器的功能。包括接收/发送信号、检测总线上的信号碰撞以及实现站和总线电缆的接地隔离。

（2）收发器电缆。它由4对电缆芯线组成，连接控制器和收发器，其功能是传送数据和控制信号，给收发器提供电源。

（3）传输系统。它由50Ω粗同轴电缆和终端匹配电阻两部分组成，终端匹配器的作用是吸收电缆终端对发射信号的反射。

（4）以太网控制器。它是以太网结构的核心部件，其功能包括站点接口、数据包装、链路管理和编码解码。它完成了全部数据链路层的功能、接口功能和编解码功能。

由于电缆长度限制在500m以内，为了扩展总线长度，可以配置中继器。图4-26、图4-27和图4-28分别表示三种不同规模的以太网结构。

图4-26 小型以太网结构

图4-27 中型以太网结构

图4-28 大型以太网结构