第 8讲 局域网（2）
知识回顾 局域网拓扑结构 CSMA/CD协议 二进制退避算法
本讲内容 了解局域网体系结构 理解以太网的信道利用率 理解MAC地址 掌握以太网的帧格式 理解在物理层使用集线器扩展以太网的原理
传统以太网的连接方法 传统以太网可使用的传输媒体有四种： 这样，以太网就有四种不同的物理层。 铜缆（粗缆或细缆） 铜线（双绞线） 光缆 10BASE5 粗缆 10BASE2 细缆 10BASE-T 双绞线 10BASE-F 光缆 以太网媒体接入控制 MAC
传统以太网的连接方法-cont. 铜缆或铜线连接到以太网的示意图 主机箱 主机箱 主机箱 网卡 DB-15 连接器 双绞线 收发器电缆 BNC 连接器 插口 RJ-45 插头 插入式 分接头 内导体 MAU MDI 集线器 BNC T 型接头 外导体屏蔽层 保护外层
以太网的最大作用距离 网段 1 500 m 网段 3 50 m 500 m 转发器 50 m 转发器 750 m 250 m 转发器 转发器 网段 2 50 m 500 m
细缆以太网 10BASE2 用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50 W)，可代替粗同轴电缆。 将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 MDI都安装在网卡上，取消了外部的 AUI电缆。 细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口。
使用广播信道的以太网 使用集线器的星形拓扑 传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)
使用集线器的双绞线以太网 站点 集线器 RJ-45 插头 两对双绞线
星形网 10BASE-T 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。
以太网在局域网中的统治地位 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。
集线器的一些特点 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。
具有三个接口的集线器 集 线 器 双绞线 网卡 网卡 网卡 工作站 工作站 工作站
局域网体系结构 局域网参考模型
以太网. 1990年推出了以双绞线作为传输介质的物理层标准10Base-T。 1993年推出了以光纤作为传输介质的物理层标准10Base-F。 1995年推出了以双绞线和光纤作为传输介质的Fast Ethernet标准，数据速率达到了100Mbps。 1999年推出了以屏蔽双绞线和光纤作为传输介质的Gigabit Ethernet标准，数据速率达到了1000Mbps。
以太网的物理层 以太网的物理层主要是对传输介质进行规范。 IEEE为同轴电缆、屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）和光纤定义了一套标准。IEEE使用了以下命名标准，它有三个部分： 速率：表示每秒兆位的数据速率。 信号：表示信道上传输的是基带信号或宽带信号。 PHY：表示物理介质的质地，以及早期版本中电缆段的最大长度，四舍五入到最近的100米的倍数。 如，10BASE2表示工作在10Mbps，BASE代表采用基带信号，2表示每个网段最长为185米（四舍五入到200米）。
The most common kinds of Ethernet cabling.
Ethernet Cabling (2) Three kinds of Ethernet cabling. (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T.
Cable topologies. (a) Linear, (b) Spine, (c) Tree, (d) Segmented. Ethernet Cabling (3) Cable topologies. (a) Linear, (b) Spine, (c) Tree, (d) Segmented.
Ethernet Cabling (4) (a) Binary encoding, (b) Manchester encoding, (c) Differential Manchester encoding.
以太网的信道利用率 以太网的信道被占用的情况 争用期长度为 2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。 帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。
以太网的信道利用率 一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间 使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。 发生碰撞 占用期 争用期 争用期 … 争用期 发 送 成 功 t 2 τ 2 τ 2 τ T0 τ 发送一帧所需的平均时间
参数 a (3-2) a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。 要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T0 之比： (3-2) a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。 a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道 利用率明显降低。
对以太网参数的要求 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 的数值会太大。 以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。
信道利用率的最大值 Smax 在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。 发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax为： (3-3)
MAC层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。
48 位的 MAC 地址 IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。 一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。 “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。
适配器检查 MAC 地址 适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址. 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧（一对一） 广播(broadcast)帧（一对全体） 多播(multicast)帧（一对多）
第 1 字节 第 6 字节 十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80 二进制表示的 EUI-48 地址： 机构惟一标志符 OUI 扩展标志符 字节顺序 第 1 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 802.5 802.6 高位在前 10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000 最高位 最先发送 最低位 最高位 最低位 最后发送 I/G 比特 字节顺序 第 1 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 802.3 802.4 低位在前 00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001 最低位 最先发送 最高位 最低位 最高位 最后发送 I/G 比特
网卡上的硬件地址 路由器由于同时连接到两个网络上， 因此它有两块网卡和两个硬件地址。 1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02 路由器 20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4 20-60-8C-11-D2-F6
两种不同的 MAC 帧格式 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。 DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。
以太网的 MAC 帧格式 IP 数据报 IP层 MAC 帧 MAC层 以太网 MAC 帧 物理层 … 帧开始 前同步码 定界符 目的地址 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS MAC层 插入 8 字节 以太网 MAC 帧 物理层 7 字节 1 字节 10101010101010 10101010101010101011 … 前同步码 帧开始 定界符
以太网 V2 的 MAC 帧格式 目的地址字段 6 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式 源地址字段 6 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式 类型字段用来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。 在以太网中，多种协议可以在局域网中同时共存，例如：类型字段取值为十六进制0800的帧将被识别为IP协议帧，而类型字段取值为十六进制8137的帧将被识别为IPX和SPX传输协议帧。 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层 类型字段 2 字节
最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 以太网 V2 的 MAC 帧格式 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 数据字段 46 ~ 1500 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层
应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以太网 V2 的 MAC 帧格式 当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 FCS 字段 4 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层 当数据字段的长度小于 46 字节时， 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
以太网 V2 的 MAC 帧格式 在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节 1 字节 … 8 字节 插入 MAC 帧 物理层 为了达到比特同步， 在传输媒体上实际传送的 要比 MAC 帧还多 8 个字节
… 这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用 IP 数据报 IP 层 802.2 LLC 帧 当长度/类型字段 表示长度时 1 控制 数 据 字节 DSAP SSAP LLC 子层 字节 6 6 2 1 1 1 43 ~ 1497 4 802.3 MAC 帧 目的地址 源地址 长度/类型 DSAP SSAP 控制 数 据 FCS MAC 子层 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 以太网 V2 MAC 帧 MAC 层 8 字节 插入 MAC 帧 物理层 7 字节 1 字节 10101010101010 10101010101010101011 … 前同步码 帧开始定界符
无效的 MAC 帧 数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。
Ethernet MAC Sublayer Protocol Frame formats. (a) DIX Ethernet, (b) IEEE 802.3.
在物理层扩展局域网 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 以太网 集线器 光纤 光纤 调制解调器 光纤 调制解调器
用多个集线器可连成更大的局域网 某大学有三个系，各自有一个局域网 三个独立的碰撞域 碰撞域 碰撞域 碰撞域 一系 二系 三系
用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中 一个更大的碰撞域 主干集线器 碰撞域 一系 二系 三系
用集线器扩展局域网 优点 缺点 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。
本讲小结 传统以太网 MAC地址 以太网的帧格式 扩展以太网
作业 DIX以太网和802.3以太网的帧格式有何异同之处？ 为什么说，由于以太网中使用了曼彻斯特编码，MAC帧中长度字段变得无意义？