Ethernet组成结构-计算机网络原理

1、Ethernet协议

Ethernet是一种总线式局域网，特别适用于微型机、小型机网络系统。其采用CSMA/CD协议，以基带同轴电缆作为公共传输媒质（即总线）。总线上可挂的工作站多达1024个，最远可伸展2.5km，传输速率为10Mbps.前面已经简单地讨论过CSMA/CD协议的原理，下面着重讨论其在实际网络中的实现。

Ethernet“协议”不同于Ethernet“网络”，后者指一个完整的Ethernet网络的实现，而前者指诸如Ethernet规范之类描述Ethernet网络的约定。Ethernet协议由物理层与链路层两部分组成。物理层规定网络传输媒质的构成、电气参数、信号表示以及与载波侦听、冲突检测有关的操作，其主要任务是实现两个工作站间通过传输媒质传送位序列及判定总线的状态。链路层规定分组格式及实现CSMA/CD访问方式所需的操作，主要任务是通过共享总线将一个完整的分组从一个工作站传到另一个工作站。对应于OSI模型，Ethernet协议仅规定了其物理层的全部功能及链路层的部分功能。OSI链路层的另一部分功能——链路的建立、差错恢复及流量控制，以及较高五层（网络层、传送层、会话层、表示层、应用层）在Ethernet协议中没有规定，须由网络建设人员在筹建一个完整的网络时添加。因而所谓一个网络是Ethernet，仅指其较低层采用了Ethernet协议。两个采用完全相同的Ethernet协议的Ethernet网络，由于其较高层可能采用不同的协议而未必兼容。计算机局域网高层协议目前尚无国际标准，但NetBIOS已得到广泛的应用。

图8.3.1　Ethernet协议的逻辑结构

图8.3.1给出了Ethernet协议的逻辑结构，其中客户层泛指较高层网络协议。图8.3.2和图8.3.3分别给出了Ethernet的CSMA/CD发送和接收控制流程。

图8.3.2　Ethernet协议的CSMA/CD发送流程

图8.3.3　Ethernet协议的CSMA/CD接收流程

2、Ethernet信号编码与分组格式

Ethernet总线上传输的信号采用Manchester编码。其编码规则很简单，每个位单元由中央跳变分割为等宽的两部分，若该位为逻辑“1”，则前半部为低电平，后半部为高电平，即正跳变；若该位为逻辑“0”，则前半部为高电平，后半部为低电平，即负跳变。图8.3.4示出一段用Manchester码表示的数据。Manchester码将时钟与数据组合在一起，接收器可从中提取时钟信号以取得位同步。另外，Manchester码每个位单元至少有一个跳变，可用来指示总线是否有信息正在传输，便于实现载波侦听。

如图8.3.5，Ethernet的包格式（即分组格式）由六部分组成：前文、目的地址、源地址、类型、数据及CRC校验码。图中所标各域长度采用Ethernet规范的规定。前文用于保证正文传输时网络中各部分已进入稳态，例如收方稳定地提取了时钟信号，并指出正文起始位，整个包的起始与结束通过载波侦听实现。

图 8.3.4　Manchester编码

3、传输系统结构

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图 8.3.5　Ethernet包格式

Ethernet在物理构成上可分为传输系统、控制器与工作站。传输系统构成总线，控制器与工作站构成结点。Ethernet传输系统在结构上有较大灵活性，图8.3.6、图8.3.7和图8.3.8分别示出了小型、中型与大型的Ethernet结构。如图所示，Ethernet传输系统由以下部分组成：同轴电缆（传输媒质，叫Ether，是Ethernet名称的由来）、端接器、分接器、收发器、收发器电缆以及转发器。同轴电缆是信号传输的媒质；端接器用于使同轴电缆两端的阻抗匹配；分接器实现收发器与同轴电缆的电接触；收发器负责同轴电缆信号的接收、放大与发送驱动，并提供同轴电缆与结点间的电气隔离（以免同轴电缆电气故障引起结点的损坏）。此外，冲突检测一般也在收发器中进行。为尽可能减少分接器对同轴电缆电气特性的影响，收发器必须紧靠分接点安装，而控制器则一般与工作站（往往是一个完整的计算机系统）紧密地耦合在一起。为不使同轴电缆的铺设过多受工作站位置的牵制，收发器与控制器之间用一条多绞线相连，其上传输的信号依然是串行Manchester码。为扩大Ethernet所能覆盖的地域范围并增加结构的灵活性，Ethernet可由多段同轴电缆构成，各段间以转发器或远程转发器相连。转发器将与之相连的两段同轴电缆上的信号相互转发，使之成为一条连续的信道。由同轴电缆及转发器构成的网络必须是树结构，使网络上任意两点间只存在一条路径，以避免出现沿不同路径传输的信号叠加到一起而产生混淆。

图8.3.6　小型Ethernet结构

图8.3.7　中型Ethernet结构

图8.3.8　大型Ethernet结构

4、Ethernet结点的组成

图 8.3.9　Ethernet结点组成结构

图8.3.9示出了Ethernet结点的物理构成及其与传输系统的连接，以及各部分所担负的逻辑功能。工作站是网络系统的直接用户，可以是一台小型或微型计算机、终端集中器、高级终端或高级外围设备。控制器的功能包括Ethernet链路层全部功能、物理层部分功能以及与工作站的接口（报文缓冲、命令/状态交换），是Ethernet的核心设备。控制器工作过程可简述如下：

①发送控制

当工作站中网络客户层产生传输请求时，通过工作站/控制器接口将报文的目的地址、类型及报文正文分别送交控制器，后者求出对应的校验码CRC，附上包前文并按Ethernet的包格式构成一个包（打包）；当侦听到总线空闲时，将包通过收发器电缆及收发器发上总线，一边发送，一边进行并行/串行转换及Manchester编码。若发现冲突，则中止当前发送，并按冲突分解算法安排重发。发送完成后，回送给工作站一个发送完成信息。

②接收控制

同轴电缆上出现载波时，经收发器及收发器电缆送入控制器，后者的载波侦听机构通知控制器启动接收。通过与包前文序列取得同步，找出包正文起始位，经Manchester译码及串行/并行转换，接收的包被送入控制器的接收缓冲器。若判断出接收包的目的地址与本结点无关，则放弃此次接收，恢复缓冲器指针并准备接收下一个包。若判断出接收包的目的地址与本结点有关，则将接收包的源地址、类型及数据分别送交工作站（拆包），并校验CRC，将校验情况报告工作站。