以太网（Ethernet）相关基础知识

        最近正好在学习以太网，感觉非常有用，进行一个总结，欢迎指正。

        如今，以太网已在现实中大量使用，低廉的价格和较快的速度都是它从许多网络中存活下来的因素。学校/公司中大多用得都是以太网。

目录

以太网电缆（Ethernet Cabling）

曼彻斯特编码（Manchester encoding）

以太网MAC子层协议（The Ethernet MAC Sublayer Protocol）

交换式以太网（Switched Ethernet）

本地网络互联（Local Internetworking）

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以太网电缆（Ethernet Cabling）

        从上到下，分别是粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤

        术语10base5的含义是：它使用基带信号运行在10Mbps的速率上，并且所支持的分段长度可以达到500米。第一个数字是以Mbps为单位的速度值，然后紧跟着单词“Base”标明了它使用基带传输。最后，如果介质是同轴电缆，则它的长度被附在“Base”之后，以100m为单位(四舍五入)。

只用基带传输，意为如果把网线拆开直接用电压表测量就是方波

（在数字通信中，基带传输和频带传输相对应，可以不经过调制解调而直接传送数字基带信号。注意区分基带信号和基波。）

        10Base-T就是平时常用的双绞线网线，都有一条电缆连接到一个中心集线器（hub）上，通过中心集线器，所有的站被连接到一起，就好像它们都被焊接到一起一样。

        第四种以太网电缆是10Base-F，它采用了光纤这种连接方式。这种连接方式由于连接器和终结器的成本较高所以非常昂贵，但是它有极好的抗噪声能力，适用于楼与楼之间的连接，或者用于远距离隔开的集线器之间的连接，其长度即使到上千米也是允许的。

在一个建筑物内进行布线的几种方案：（电缆拓扑结构图）

最常用的是树形，如图C。

        每段电缆的长度都有最大值限制，为了构建更大的网络，多跟电缆可以通过中继站（repeater）连接起来。中继站是一个物理层设备，用于放大信号，因为传输过程中会减弱信号。

hub可以有repeater的功能。

曼彻斯特编码（Manchester encoding）

 

以太网使用曼彻斯特编码

        可保证时钟同步，让接收方在没有外部时钟参考的情况下，可以确定每一位的起始、结束位置。但是曼彻斯特编码的一个缺点是，它所要求的带宽是直接二进制编码的两倍，所以脉冲是位宽度的一半。

以太网MAC子层协议（The Ethernet MAC Sublayer Protocol）

        以太网协议规定每一帧之间有一段停顿时间，每一帧以前导域开头，CRC校验和结尾。发送帧的时候，应该是由高低电平组成，而停顿时间电平直接为0。这个framing和一般网络不同。

        首先是8字节的 Preamble（前导域），每个字节包含了比特模式10101010（除了最后一个字节的最后2位为11），这最后一个字节称为802.3的帧起始定界符（Start of Frame，SOF）。这个位模式经过曼彻斯特编码后，可以便于接收方和发送方的时钟同步。

header包含Destination and Source Addresses and a Type field

trailer是CRC校验和

目标地址和源地址都是6字节的MAC地址（物理地址）

每个计算机会有一个unique MAC 地址（网卡的地址），具有全球唯一性。

        tpye（类型）字段，它用于告知接收方应该如何处理这一帧。在同一台计算机上，有可能同时有多个网络层协议在使用，所以当一个以太网帧到达时，内核必须知道应该将此帧交给哪一个网络层协议，类型域指定了应该将此帧交给哪个进程。

        数据字段，最多可以1500字节，应为收发器需要足够的内存（RAM）来存放一个帧。一帧包含的最少数据部分也有规定，和数据传输速度有关系，主要原因在于以太网中发送出现冲突时，如下图所示。

        如果一个站尝试传送一个非常短的帧，虽然冲突发生了，但是在冲突噪声回到发送方（2）之前，传送任务已经完成了。这样的话，发送方就以为这帧已经成功发送出去。所以，所有的帧至少需要 2 的时间才能完成发送（一来一回所以是 2 ），一般是64字节。

CSMA/CD with Binary Exponential Backoff（二进制指数后退）：

        2的时间称为Slot time（时槽），在第一次冲突发生后，每个站等待0或1个时槽之后再重新发送。如果选择了相同时间，即发生第二次冲突，每个站随机选择0，1，2，3，然后再等待这么多个时槽再发送。以此类推，在0到之间随机选择一个数，并等待这么多个时槽。到达10次冲突之后，随机数的选择区间固定在最大值为1023上，以后不再增加。在16次冲突后，控制器放弃并给计算机送回失败报告。

以太网效率：

        网络带宽指的是链路上每秒所能传送的比特数，强调的是最大能达到的速率。 单位是Mbit/s Gbit/s ，无论无线有线，比如百兆以太网的带宽是100Mbps。

        可见，增加网络带宽或远距离传输，将使信道效率降低。在高带宽或广域网条件下，以太网可能不是合适的。

交换式以太网（Switched Ethernet）

        由前文的分析可以看出，连到同一个以太网的主机数量将很大程度上影响是否发生冲突，因此我们可以把所有主机切成小的groups，每个group的主机数量少，这样冲突概率小。因而引入交换式以太网（Switched Ethernet），这种系统的核心是交换机（switch）。相当于一个交换机管很多主机，交换机也会有复杂的协议。

        这里要说下 hub（集线器）和 switch（交换机）的区别,他们的形式看上去一样，就是把多跟线汇成一根线，但是有很大区别。hub是将线与线物理上连接在一起，网上有卖那种usb扩展坞，也是hub，它是一种物理层设备，hub中连接的不同主机（D、E）是不能同时发信息的。而switch连线的线路是并行的，可以做到互不干涉，不同主机可以同时发信息（A、B、C），它是数据链路层设备，交换机实现的是全双工。

要注意图上看上去是一根线，其实内部是两根线，一个发一个收。

可以是hub或者switch连到另一个switch的端口。

        不管有线无线，都会先到Switch，最后通过Router（路由器）来连接到广域网。也可以不连接到广域网，举例校园网或者飞机场的wifi，他会有一个登陆网页，你可以登录这个网页，但却不能使用百度这种软件，原因在于这个登陆网页是局域网。只有想连接到广域网才会收费。

本地网络互联（Local Internetworking）

        局域网的互联通过网桥或者路由器实现，网桥和交换机互相替代，现在不太用网桥了。

        举例，连到同一个交换机不同端口的两台主机想要通信，已知帧格式中包含了源地址和目标地址（均为MAC地址），但对于交换机而言，还需要知道MAC地址和端口的对应关系，所以引入MAC地址表。

        MAC表不是一开始就有的，而是通过Backward Learning（逆向学习法）得到，一开始是空表。交换机收到信息后，先存下来，然后解析报文（只能解析这层的头和尾，比如以太头），可以看到源地址和目标地址，当MAC表中找不到对应关系，就采取群发（Flooding），除了源地址对应端口，其余所有端口都会收到信息然后检查目标MAC地址与自己地址是否匹配，不匹配则discard。可以看出以太网本质是广播式（broadcast）的。与此同时，交换机把源地址对应端口信息登记在MAC表中，这样自己学习得到完整的MAC表格。

        举例，一开始B1、B2空表，A想发到E，A->B->B1->C->B2，由于B2空表，所以群发，F、G、H、D、E都会收到，F、G、H、D发现不是发给自己的于是将信息抛弃。

        这样不断学习下来，最后得到的MAC表，我们将左边的端口看作为port 1，那么B1的port 1对应A、B两台主机的MAC地址，B2的port 1对应A、B、C三台主机的MAC地址。

 

         为了提高可靠性，有些站点在LAN间并行使用多个网桥，这就引入了回路。在未知目的MAC地址对应端口时，它会导致一直群发，不断循环下去，导致局域网无法工作，称为广播风暴（broadcast storm）。用生成树（spanning tree）可以解决广播风暴问题。