以太网（Ethernet）和无线局域网（WLAN）

前言

  上文介绍了局域网的一些基本概念，下面接着上文主要介绍两种比较重要的局域网——以太网和无线局域网。本文先介绍以太网，无线局域网下节介绍。
本文内容

1 以太网的概述

  以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，以太网使用CSMA/CD协议（载波监听多路访问及冲突检测）技术。
  (1) 以太网优势：

(1) 造价低。
(2) 是应用最广泛的局域网技术。
(3) 并令牌环网、ATM（Asynchronous Transfer Mode）网便宜，简单。
(4) 满足速率要求：10Mb/s~10Gb/s。

  (2) 以太网的两个标准：

  DIX Ethernet V2：第一个局域网产品规约。
  IEEE 802.3：IEEE 802委员会802.3工作组指定的第一个IEEE的以太网标准。
  两者仅仅在帧的格式上有一点点差别。

  (3) 以太网提供无连接、不可靠的服务。即以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。

无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”。
不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。

2 以太网传输介质与拓扑结构的发展

  以太网先后分别使用粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线+集线器作为传输介质。粗缆和细缆已经成为历史，如今使用的是双绞线+集线器作为传输介质。
  以太网物理上采用星形拓扑，在中间增加了一个集线器，使用集线器的以太网逻辑上仍然是一个总线网，各站共享逻辑总线上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。

  以太网拓扑： 逻辑上总线型、物理上星形。

3 10BASE-T以太网

  10BASE-T以太网是以太网中很重要的一种以太网。

10 代表10Mbit/s的数据率；
BASE表示连接线上的信号是基带信号；
T代表双绞线。

  物理上采用星型拓扑、逻辑上总线型，每段双绞线最长不超过100m。
  采用曼彻斯特编码。
  采用CSMA/CD介质访问。

4 适配器与MAC地址

  (1) 适配器
  适配器是用于计算机与外界局域网的连接。适配器本来是在主机箱内插入的一块网络接口板，这种接口板又称为网络接口卡NIC（Network Interface Card）或简称为网卡。由于现在计算机主板上都已经嵌入了这种适配器，不再单独使用网卡了。
  适配器在接收和发送各种帧时，不使用计算机CPU。这时计算机中的CPU可以处理其他任务。当适配器收到有差错的帧时，就把这个帧直接丢弃而不必通知计算机，当适配器接收到正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机，并交付协议栈中网络层。
  (2)MAC地址
  在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。它实际是一种标识符。
  局域网中计算机的硬件地址就在适配器的ROM中。每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己制定，常用6个十六进制数表示。

5 以太网MAC帧

  最常用的MAC帧是以太网V2的格式，由5个字段组成。

  这里解释图中的两点：

(1) 网络层向数据链路层发送的数据报在数据链路层需要添加头部和尾部两个部分。
(2) 数据链路层被划分了LLC层和MAC层。前面说了，MAC层是实现帧的封装/卸载，帧的接收与发送等，所以这里仅仅只画出了MAC子层没有画LLC子层。

  (1) 目的地址和源地址：各占6个字节。
  (2) 类型：占2个字节，该字段标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。
  (3) 数据字段：其长度在46到1500字节之间。

1500字节就是前面提到的链路层的最大传输单元MTU。
前面提到以太网的帧长度最小为64字节，这里数据部分就是64字节减去其他4个部分得出的结果，即46 = 64 - 6 - 6 - 4 - 2 。

  (4) FCS：占4个字节，是帧检验序列FCS，用于CRC校验。

  其次，图中可以看出传输媒体上世纪传送的要比MAC帧多8个字节，这8个字节的作用是用于适配器中的时钟频率和比特流达成同步。

当一个站在刚开始接收MAC帧时，由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步，因此MAC帧的最前面的若干位就无法接收，结果使整个MAC帧成为无效的帧。为了接收端快速实现位同步，从MAC子层向下传到物理层时还需要在帧的前面插入8个字节（由硬件生成）。它是由两个字段构成——前同步码和帧开始界定符。

  (5) 前同步码：占7个字节，是1和0交替码，它的作用是使接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整其时钟频率，使它和发送端的时钟同步，也就是实现位同步（即比特同步）。
  (6) 帧开始定界符：占一个字节，定义为10101011，它的前6位和前同步码一样，最后连续两个1就是告诉接收端适配器MAC帧马上就要到来，要求适配器注意接收。

  关于MAC帧还有以下几点要注意：

(1) MAC帧的FCS字段的校验范围不包括前同步码和帧开始定界符。
(2) 以太网上传输数据时是以帧为单位传送的，以太网传送帧时，各帧之间还必须有一定的间隙。因此，接收端只要找到帧的开始定界符，其后面连续到达的比特流就都属于一个帧。可见以太网中不需要帧结束定界符，页不需要使用字节插入来保证透明传输。
  可以这么理解，当一个帧传送结束后，存在一定的时间间隙无比特流，由于使用的是曼彻斯特编码，每个比特即使是0比特在中间都有一次电压变化，所以这段时间间隙内总线上的电压就不会变化，当下一个帧到达时，先接收到的是前导码来进行位同步，之后是帧开始定界符表示这个MAC帧要开始了，直到这个帧传输结束，之后再循环这样的过程，所以在以太网中不需要帧结束定界符就可以完整的接收帧。

  IEEE 802.3标准规定的帧和以太网V2 帧格式的区别：

(1) 在IEEE 802.3中，MAC帧的第三个字段是“长度/类型”。如果这个字段值大于1536，就表示为“类型”，这种情况下跟以太网V2的MAC帧格式完全一致。如果这个字段的小于1536，该字段就是“长度”，即数据部分的长度，由于以太网使用了曼彻斯特编码，长度字段并没有实际意义。
(2) 当“长度/类型”字段小于1536时，数据字段必须再装入上面的逻辑链路控制LLC子层的LLC帧。

6 高速以太网

  数据率大于100Mbit/s的以太网称为高速以太网。
  (1) 100BASE-T以太网

  在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议。
  其适配器有很强的适应性，能自动识别10Mbit/s和100Mbit/s。
  支持全双工通信和半双工通信，在全双工通信方式下工作而不冲突。
  由于CSMA/CD协议对全双工方式下工作的快速以太网是不起作用的，所以在全双工方式下不使用CSMA/CD协议，半双工放方式下一定要使用CSMA/CD协议。

  (2) 吉比特以太网

  在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。
  支持全双工通信和半双工通信，全双工方式下工作而不冲突。
  在半双工方式下使用CSMA/CD协议，而在全双工方式下不使用。

  (3) 10吉比特以太网

  10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。
  只支持全双工，无争用问题，当然也不会使用CSMA/CD协议。

7 小结

  本文完