以太网基础知识

Ethernet&802.3基础知识报告主要内容一.以太网基础知识1.1以太网&802.3简介1.1.1以太网的基本要素1.1.2LAN的互联1.2OSI模型七层结构1.2.1物理层1.2.2数据链路层1.3以太网补充知识二.MAC帧结构1.1基本的MAC帧结构1.2带标签的MAC帧结构1.3帧结构补充知识三MediaAccessContol3.1CSMA/CD3.2MAC补充知识一.以太网基础知识•1.1以太网&802.3简介•以太网(Ethernet）是当今局域网采用的最通用的通信协议标准，它传输速率为10Mbps，组建于七十年代早期。现在，以太网一词泛指所有采用CSMA／CD协议的局域网。在以太网中，所有计算机被连接在一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波检测多路访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓扑结构。基本上，以太网由共享传输媒体构成。在星型(总线本身放在集中器中)或总线型配置结构中，集线器/交换机/网桥通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。•以10BASET为例：•10代表10Mbps，BASE表示基带信号，•T代表双绞线。以太网类型使用的协议使用的传输媒体10BASE5（DIX）802.3粗同轴电缆10BASE2802.3a细同轴电缆10BASET802.3i双绞线10BASEF802.3j光缆100BASET802.3u双绞线全双工以太网802.3x双绞线，光缆1000BASEX802.3z非屏蔽双绞线（UTP），光缆1000BASET802.3ab双绞线以太网类型和它们使用的协议以及传输媒体一.以太网基础知识•IEEE802标准：是IEEE（电气和电子工程师协会）对局域网和城域网（LAN/MAN）开发的一系列标准。•IEEE802.3:是IEEE发布的局域网协议，规定了关于物理层和数据链路层MAC子层的一种实现方式。IEEE802.3采用CSMA/CD机制，在各种物理介质上实现不同的访问速度。IEEE802.3标准的一个扩展规定了快速以太网的具体实现。•最初的IEEE802.3标准的物理层实现包括：10BASE2、10BASE5、10BASE-F和10BROAD-36。•快速以太网的物理层实现包括：100BASE-TX和100BASE-FX。•吉比特以太网的物理层实现包括：1000BASE-T、1000BASE-LX和1000BASE-SX。一.以太网基础知识•1.1.1以太网的四个基本要素：帧（Frame）：它是一系列标准化的数据位，用于在以太网络系统中传输数据。介质访问控制协议（Mediaaccesscontrolprotocol）：它由一整套内嵌于各个以太网接口中的规则组成，它允许多个计算机以公平的方式访问共享的以太网信道。信号部件（Signalingcomponent）：它们是一些标准化的电子设备，用来在以太网信道中发送和接收信号。物理介质（Physicalmedium）：由电缆和其他用来在连网的计算机之间传输数字式以太网信号的硬件部件组成。一.以太网基础知识1.1.2LAN的互联：目的是为了实现用户对所互联的网络的资源共享和通信中继器：又叫转发器，在物理层工作；对网络电缆上传输的数据信号经过放大整形后再发送到其他电缆段.注意使用中不能形成环路，并且有个数限制网桥：又叫桥接器，工作在数据链路层.有筛选/过滤功能，隔离不需要在网间传输的信息，寻址和路径选择靠DL层的帧头中的MAC地址，不能广播包抑制和子网隔离.路由器：工作在网络层，能广播包抑制和子网隔离，有地址映射，数据转换，路由选择，协议转换，流量控制等功能网关：又叫网间连接器或连网机，工作在传输层以上的层次高层协议转发器，用于不同类型且差别较大的的网络之间的互联一.以太网基础知识•以太网和IEEE802．3服务的差别•尽管以太网与IEEE802．3标准有很多相似之处，但也存在一定的差别。以太网提供的服务对应于OSI参考模型的第一层和第二层，而IEEE802．3提供的服务对应于OSI参考模型的第一层和第二层的MAC部分（即第二层的一部分）。IEEE802．3没有定义逻辑链路控制协议，但定义了几个不同物理层协议，而以太网只定义了一个物理层协议。•IEEE802．3的每个物理层协议都可以从三方面说明其特征，这三方面分别是LAN的速度、信号传输方式和物理介质类型以太网的一些重要的参数值slottime:为信道的间歇时间，在10/100Mb/s中为512bitstime长,在1000Mb/s中为4096bitstime。InterframeGap：Frame间隔时间，为96bitstime，10Mb/s中为9.6us，100Mb/s中为0.96us，1000Mb/s中为0.096us。Attemptlimit：发生冲突后帧重传的最大限度，为16次。Backoff：为解决冲突之算法的一个参数，最大限度为10。Jamsize：jam信号的size，固定为32bit。Maxuntaggedframesize：最大的untaggedframe长度，为1518byte。Minframesize：最小的frame长度，为64byte。Burstlimit：为1000Mb/s中独有参数，为65536bits。1.2OSI模型七层结构1.2.1PhysicalLayer•物理层是OSI模型的最低层或称作第一层，主要完成相邻结节之间的比特流的传输。同时本层还定义了一些有关网络的物理特性，包括物理连网媒介，如：电缆连线和连接器。物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。•物理层的主要功能•（1）信号的编码和译码；•（2）比特的发送和接收。1.2.1PhysicalLayer•曼彻斯特编码•常用介质编码方法，•特点：•A.便于提取同步信号；•B.频带宽度比原始的基带信号增加了一倍；•C.更好的抗干扰性能。01001100011时钟基带数字信号Manchester差分Manchester曼彻斯特编码规则位中间电平从高到低跳变表示“0”；位中间电平从低到高跳变表示“1”。差分曼彻斯特编码规则第一个信号如果中间位电平从高到低，则表示0；如果中间位电平从低到高，则表示1；从第二个信号开始在信号位开始时不改变信号极性，表示“1”；在信号位开始时改变信号极性，表示01.2.2Datalinklayer数据链路层被分为MAC和LLC两个子层目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分进行区分，降低研究和实现的复杂度。•MAC层•主要功能:随机访问：当一个节点要传送帧时，就使用共享介质而不用和其他节点协调。（随机访问的特点是发生冲突（cllision)的可能性大。）确定性访问:预先知道访问共享介质的最大时间令牌传递：每台计算机只有在收到令牌后才能在一个固定的时间周期内使用共享介质。最大等待时间=令牌持有时间×计算机数量轮询算法：网络中有个专用节点起着共享介质仲裁者的作用，仲裁者周期性的询问其他节点是否有帧要传送，当收到请求时，仲裁者决定哪个节点使用共享介质传送帧，当帧传送完后，重复轮询。a.保证共享介质的访问（介质的分配，冲突的处理）b.保证端节点间的帧传输(数据的封装，发送，接收）访问方法共享介质1.2.2Datalinklayer帧传送的阶段：•帧格式化：给帧填充信息：DA,SA,用户数据和高层协议代码，计算校验和并保存在相应的字段。•帧传送到介质：在发送端MAC层把帧传送到物理层，通过物理层设备传送帧。•帧接收：接收端的MAC层执行发送端的逆过程。包括对帧的CRC校验，如果CRC校验正确，MAC层就把它传给协议栈的高层；如果CRC校验错误，那么丢弃该帧。1.2.2Datalinklayer•MAC子层的两种工作模式•半双工模式：基于CSMA/CD的介质访问方法。两个或更多的站点共享一个传输介质，一个站点会等到其它站点没有传输时，以连续比特流的形式发送信息。如果发生冲突，站点会继续传输一段时间来确保冲突到达整个系统(发送jam信号），然后回退随机时间准备重传。•全双工模式：在点对点介质段的一对设备间进行同步通信，点对点介质段提供了独立的发送和接收数据的路径。全双工模式不需要传输介质访问控制单元避免冲突但必须满足以下条件：1.物理介质支持无干扰的同时传送与接收。2.两站点以点对点的全双工方式连接。3.两站点都支持并被配置为全双工操作方式。1.2.2Datalinklayer•LLC层•主要功能：•接口功能：包括在MAC层与网络层之间传送用户数据和控制数据。•方法：•为了数据解多路复用，LLC协议在数据头部使用特殊字段SAP（服务访问点）。a.建立与网络层的接口b.按预定的可靠性级别确保帧的传输a.(从上层到下层）多路复用:把经过几个网络层协议收到的数据传送到单个MAC层协议。b.（从下层到上层）解多路复用：来自MAC层的数据流按计算机支持的网络协议的数量分成若干个子流。目的服务访问点（DSAP)源服务访问点（SSAP)控制字段数据LLC帧格式1.2.2Datalinklayer•帧的可靠性传输：操作模式说明：1.帧访问共享介质后，帧的传输就交给了MAC层。MAC层的传输不能建立逻辑连接并且不能恢复丢失或损坏的帧。如果高层协议要求可靠传输服务，必须向LLC层请求。LLC层建立与目标节点的连接并且组织帧的发送。2.LLC模式的选择取决于高层协议的要求。LLC1：不确认的无连接服务，适用于广播、组播通信，周期性数据采集LLC2：具有出错和丢失帧恢复功能的面向连接的服务，适用于长文件传输LLC3：带发送确认的无连接服务，适用于传送可靠性和实时性都要求的信息，如告警信息1.3以太网补充知识•1.3.1网桥•网桥和中继器非常相像，它与中继器的不同之处就在于它能够解析它收发的数据。网桥工作在OSI模型的数据链路层；数据链路层能够进行流控制、纠错处理以及地址分配。网桥能够解析它所接收到的帧，并能指导如何把数据传送到目的地。网桥原理•已知目的地址的帧的转发•网桥内部有一个网桥端口与所有站相对应的地址映射表，当网桥的一个端口接收到帧后，网桥检查该帧的目的地址，然后查找地址表，确定与该地址对应的端口。•a.如果收到帧的端口正是帧目的地址所在的端口，那么网桥就会丢弃这个帧。因为可以认定通过正常的LAN传输机制，目标机已经接收过这个帧。•b如果收到的帧的端口不是目的地址所在的端口，为了使目标站正确地收到该帧，网桥必须把这一帧转发到目的地址所在的端口。•未知目的地址的帧的转发•如果网桥当前还不知道站发送帧的目的地址，网桥在地址表中找不到该目的地址与端口，它便会向除接收该帧之外的所有端口转发此帧。这称为扩散(flooding)或泛洪。扩散使网桥可以与未知的站通信。除了不必要地占用了输出端口的LAN带宽以外，帧扩散并没有坏处。如果站真的存在，扩散保证通信能正常进行。与此类似，如果一个站向组播地址发送帧，网桥会向除接收此帧的端口以外的所有端口转发它。这是因为网桥不能确定哪些站正在监听某个组播地址，所以它不应该把帧的转发限制到一个特定的输出端口上。•地址表的更新•网桥通过记录接收帧的源地址，可以动态地建立地址表。当网桥接收到一个帧后，它在表中查找与发送站对应的项(由帧的源地址指明)。•如果找到了，就会更新地址表中与该站相对应的端口，以反映在该端口上接收到了最新的帧。这使得网桥可以正确地映射从一个LAN网段转移到另一个网段的站。•如果没有找到登记项，网桥会根据新发现的地址和接收它的端口地址新建一个新地址表项。经过一段时间，随着站不断地发送帧，网桥就会知道所有活动站的地址-端口对应关系。•说明：•（1）一个网桥连接的LAN的数量没有限制；•（2）每个站有一个全局唯一的48位单播地址。这是很重要的；网桥的正常运行依赖于链路层全局唯一地址；•（4）网桥内部有一个网桥端口与所有站相对应的地址映射表，即网桥知道到达每个站要经过的端口；•（5）网桥工作于混杂模式，即它接收其每个端口到来的每一个帧，而不管帧的目的地址；•（6）当通过某个端口向LAN上其他有关的站发送帧时，网桥没