局域网中最常用的以太网概述

局域网（Local Area Network，LAN）的拓扑结构有以太网、令牌环网和FDDI网等多种，局域网是计算机网络的核心，至今仍在整个网络中发挥着巨大作用。

以太网是局域网中应用最多、使用最普遍的网络结构。1973年Xerox（施乐）开发出以设备互连技术为核心的“以太网（Ethernet）”新型网络，并采用总线竞争式的介质访问方法（源于夏威夷大学20世纪60年代研制的ALOHA网络）。以太网的出现是局域网发展史上的重要里程碑。

1.10Base以太网

1979年，Xerox与DEC、Intel共同起草了10Mbit/s以太网物理层和数据链路层的规范，称为DIX（Digital、Intel、Xerox）规范DIX l.0。

1980年IEEE成立专门负责制订局域网标准的IEEE 802委员会，研究局域网（LAN）和城域网（MAN）系列标准，这些标准统称IEEE 802标准。其中，IEEE 802.3是基于总线型局域网的标准规范。

1983年，Novell根据初步形成的IEEE 802.3规范发布Novell专用以太网帧格式，被称为802.3原始帧格式（802.3raw）。

1984～1985年，IEEE 802委员会公布了5项标准，即IEEE 802.1～IEEE 802.5。其中，有两种802.3帧格式，802.3 SAP和802.3 SNAP。

随后，802标准被ISO修订并作为国际标准ISO 8802。尽管局域网的各种标准在内容上有不少区别，但其主要的技术实现方法相近。

2.以太网地址

为标识以太网上的每台主机，需要给每台主机的网络适配器（网络接口卡，简称网卡）分配唯一通信地址，即以太网地址或称网卡物理地址、MAC地址。

IEEE负责为网络适配器厂商分配以太网地址块，各厂商为自己生产的每块网卡分配唯一以太网地址。每块网卡出厂时，其以太网地址就已烧录到网卡中，固定且不能改变。

以太网地址长度为48bit，共6B，如图3-1所示。其中，前3字节为IEEE分配的厂商代码，后3字节为网卡编号。

3.LLC子层与MAC子层

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图3-1 以太网MAC地址构成

OSI参考模型中，数据链路层功能相对简单，因只负责将数据从一个结点可靠地传输到相邻结点。但局域网中，多个结点共享传输介质，必须有某种机制决定下一时刻，哪个设备占用传输介质传送数据。因此，局域网的数据链路层要有介质访问控制的功能。为此，将数据链路层又划分成两个子层：逻辑链路控制LLC（Logic Line Control）子层和介质访问控制MAC（Media Access Control）子层。其中，LLC子层负责向其上层提供服务，MAC子层的主要功能包括数据帧的封装与卸装、帧的寻址与识别、帧的接收与发送、链路的管理和帧的差错控制等。子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

4.以太网介质访问方法

以太网采用载波侦听多路访问/冲突检测的技术CSMA/CD（Carrier Sense with Multiple Access/Collision Detect），作为控制介质（总线）访问的技术。

（1）载波侦听与多路访问

以太网中每结点发送消息前，使用接收器收听总线上有无其他结点正在发送消息，该过程称“载波侦听”；同时有多个结点侦听总线是否空闲或发送数据，称“多路访问”。CSMA是减少冲突的主要方法。以太网数据传输采用同步曼彻斯特编码，每位比特信息都会有电平变化。在检测时，若总线电平无变化，说明总线空闲，此时没有其他结点发送消息；若总线电平有变化，说明总线正被某结点使用。因载波侦听是在发送消息前进行，所以称“讲前先听”。

（2）冲突检测

冲突有两种情况。一种是两个或两个以上的结点同时发现总线空闲，同时向总线发送消息；另一种是由于总线有一定长度，信号传送会有一定的时延，当一个结点在发送消息时，而另一个结点检测到这个消息载波将有一段延迟的时间（如在9.6ms的时间之内没有检测到载波，表明介质处于空闲状态，结点才可发送一帧数据），实际上有可能总线已被其他结点使用，即总线并非真正空闲。因此，即使利用载波检测，发生冲突也不可避免。因此，如何检测已发生的冲突是重要问题，必须解决。冲突检测基本思想是结点一边将数据发送给总线，一边从总线上接收，并将发送的数据和接收的数据进行比较，若两者一致，说明无冲突发生，否则就可判定发生了冲突。各个结点通过其设置的冲突检测器，当冲突发生后，检测到冲突的结点会发送“冲突增强”信号（32bit）的“1”，通知介质与某结点发生了冲突，并停止发送数据，然后延迟一段时间后，再去检测总线。为了尽量减少冲突，各结点延迟时间采用“随机数”控制的办法，获得延迟时间最小的那个结点先抢占总线。如再次发生冲突则重复该办法进行处理，总有一次会“抢占”成功。这种延迟竞争抢占总线的方法称“冲突控制算法”或“延迟退避算法”。由于冲突检测是在发送数据的同时利用接收器接收并进行比较，所以也通俗地称为“边讲边听”。如图3-2所示。

图3-2 以太网冲突检测算法

（3）CSMA/CD

CSMA/CD包含两方面内容，即载波侦听多路访问（CSMA）和冲突检测（CD）。在总线型局域网中，当某个结点要发送数据时，首先要侦听总线有无其他结点正在发送数据，若无则立即发送；如总线正忙，则等待直到总线空闲时再发送数据，并在发送数据时进行冲突检测，一旦发现冲突，立刻停止发送，等待冲突结束，再进行CSMA/CD，直到将数据成功发送出去。该方法可概括为：讲前先听、边讲边听、冲突停止、随机延迟重发。

以太网中任何结点发送数据都要通过CSMA/CD方法争到总线使用权，从准备发送到成功发送这一段发送等待延迟时间是不确定的，因此以太网所使用的CSMA/CD方法定义为随机争用型介质访问控制方法。它主要用于总线型和树形拓扑结构的网络，即符合IEEE802.3标准的网络。随以太网上结点数量增加，冲突量也随之增加，整个网段有效带宽将随之减少。