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【计算机网络中的CSMA/CD协议详解】-CSDN博客

【计算机网络中的CSMA/CD协议详解】

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于 2023-12-25 21:24:10 发布

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什么是CSMA/CD协议？CSMA/CD的工作原理CSMA/CD的历史背景

什么是CSMA/CD协议？

CSMA/CD协议是一种多路访问协议，用于以太网（Ethernet）局域网中。它的主要目的是确保多个计算机可以共享同一物理介质（例如，同一网络电缆）进行数据通信，而不会发生碰撞，从而导致数据包损坏。

CSMA/CD的工作原理

载波监听（Carrier Sense）：计算机在发送数据之前首先监听物理介质（例如，电缆）上是否存在信号。如果检测到介质上有信号，表示其他计算机正在发送数据，当前计算机将等待一段时间再次检测。竞争访问（Multiple Access）：如果介质上没有信号，计算机可以开始发送数据。然而，如果多台计算机同时开始发送，可能会导致碰撞。这时就需要进行冲突检测和解决。碰撞检测（Collision Detection）：计算机在发送数据的同时持续监听介质上的信号。如果它检测到在发送数据的过程中有信号干扰，说明发生了碰撞。碰撞解决：一旦检测到碰撞，参与碰撞的计算机将立即停止发送，并在一段随机时间后重新尝试发送。这个随机时间的目的是避免再次发生碰撞。数据传输：如果在发送数据的过程中没有检测到碰撞，数据将成功传输到目标计算机。

CSMA/CD的历史背景

CSMA/CD最早应用于以太网，以解决多台计算机共享同一物理介质时的碰撞问题。在以太网的早期版本中，计算机直接连接到共享电缆上，因此碰撞是不可避免的。CSMA/CD协议的引入使得计算机可以自动检测碰撞并采取适当的措施。

然而，随着技术的发展，以太网从10Mbps过渡到了更高速度（如100Mbps、1Gbps和更高），并且采用了全双工通信，这消除了碰撞的可能性。因此，在现代以太网中，CSMA/CD已经不再使用，但它仍然具有重要的历史意义。

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计算机网络csma/cd协议

12-15

计算机网络 csma cd 协议

同学做的拿来大家一起学习

CSMA/CD算法过程模拟——数组模拟信道（C/C++）

01-15

——代码完成于2021-11-12

整体思路：

用两个数组分别模拟 A->B 和B->A间通讯的信道。A、B两主机各自拥有独立线程。线程move用来模拟信道中信号的移动。线程show用于打印信道。其中线程move和show detach()后作为子线程在后台独立运行。

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csma_cd.zip_CSMA/CD_csma_csma cd_csma/cd协议的matlab仿真_退避

07-15

有争用期时csma/cd的仿真，显示动态退避过程

CSMA_CD.rar_CSMA/CD_CSMA/CD 协议_CSMA_CD_csma_csma cd

09-24

CSMA_CD, 以态网传送的简单协议.

java CSMA/CD 协议模拟

04-02

java CSMA/CD 协议模拟。

模拟计算机网络中的csma/cd协议，采用的是java语言。

java cama/cd

CSMA/CD协议

m0_62689947的博客

04-25

3441

总线网、以太网采取的两种重要措施（无连接的工作方式、曼彻斯特编码信号）、CSMA/CD协议要点（多点接入、载波监听、碰撞检测）争用期、碰撞的重传机制（动态退避）

以太网的最大端到端长度、强化碰撞。

计算机网络：随机访问介质访问控制之CSMA/CD协议

timerring的博客

11-10

1381

载波侦听”就是发送前先侦听，即每个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他站点正在发送数据，若有则暂时不发送数据，等待信道变为空闲时再发送。每个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在发生碰撞的可能性，只有经过争用期这段时间还未检测到碰撞时，才能确定这次发送不会发生碰撞。电磁波在总线上的传播速率总是有限的，因此，当某个时刻发送站检测到信道空闲时，此时信道并不一定是空闲的。为了确保发送站在发送数据的同时能检测到可能存在的碰撞，需要在发送完帧之前就能收到自己发送出去的数据，即。在t=0时，A发送数据。

CSMA/CD协议全面解析与应用

以太网（Ethernet） - 知乎

以太网（Ethernet） - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册以太网（Ethernet）以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch hub）来进行网络连…查看全部内容关注话题管理分享百科讨论精华视频等待回答详细内容以太网（英语：Ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch hub）来进行网络连接和组织。如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。概述：1990年代的以太网网卡或叫NIC（Network Interface Card，以太网适配器）。这张卡可以支持基于同轴电缆的10BASE2 (BNC连接器，左)和基于双绞线的10BASE-T（RJ-45，右）。以太网实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法，每个节点必须获取电缆或者信道才能传送信息，有时也叫作以太（Ether）。这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体——光以太。每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址，以保证以太网上所有节点能互相鉴别。由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。以太网通讯具有自相关性的特点，这对于电信通讯工程十分重要。CSMA/CD共享介质以太网：带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）技术规定了多台电脑共享一个通道的方法。这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet，它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网简单。当某台电脑要发送信息时，在以下行动与状态之间进行转换：开始 - 如果线路空闲，则启动传输，否则跳转到第4步。发送 - 如果检测到冲突，继续发送数据直到达到最小回报时间（min echo receive interval）以确保所有其他转发器和终端检测到冲突，而后跳转到第4步。成功传输 - 向更高层的网络协议报告发送成功，退出传输模式。线路繁忙 - 持续等待直到线路空闲。线路空闲 - 在尚未达到最大尝试次数之前，每隔一段随机时间转到第1步重新尝试。超过最大尝试传输次数 - 向更高层的网络协议报告发送失败，退出传输模式。就像在没有主持人的座谈会中，所有的参加者都通过一个共同的介质（空气）来相互交谈。每个参加者在讲话前，都礼貌地等待别人把话讲完。如果两个客人同时开始讲话，那么他们都停下来，分别随机等待一段时间再开始讲话。这时，如果两个参加者等待的时间不同，冲突就不会出现。如果传输失败超过一次，将延迟指数增长时间后再次尝试。延迟的时间通过截断二进制指数后移（英语：Exponential_backoff）（truncated binary exponential backoff）算法来实现。最初的以太网是采用同轴电缆来连接各个设备的。电脑通过一个叫做附加单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的收发器连接到电缆上。一条简单网路线对于一个小型网络来说很可靠，而对于大型网络来说，某处线路的故障或某个连接器的故障，都会造成以太网某个或多个网段的不稳定。因为所有的通信信号都在共享线路上传输，即使信息只是想发给其中的一个终端（destination），却会使用广播的形式，发送给线路上的所有电脑。在正常情况下，网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息，接收到目标地址是自己的信息时才会向CPU发出中断请求，除非网卡处于混杂模式（Promiscuous mode）。这种“一个说，大家听”的特质是共享介质以太网在安全上的弱点，因为以太网上的一个节点可以选择是否监听线路上传输的所有信息。共享电缆也意味着共享带宽，所以在某些情况下以太网的速度可能会非常慢，比如电源故障之后，当所有的网络终端都重新启动时。以太网中继器和集线器：在以太网技术的发展中，以太网集线器（Ethernet Hub）的出现使得网络更加可靠，接线更加方便。因为信号的衰减和延时，根据不同的介质以太网段有距离限制。例如，10BASE5同轴电缆最长距离500米（1,640英尺）。最大距离可以通过以太网中继器实现，中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段，但是只能有4个设备（即一个网段最多可以接4个中继器）。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题：当一段同轴电缆断开，所有这个段上的设备就无法通讯，中继器可以保证其他网段正常工作。类似于其他的高速总线，以太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆，电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的50欧姆的电阻和散热器，如果不这么做，就会发生类似电缆断掉的情况：总线上的AC信号当到达终端时将被反射，而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突，从而使通信无法继续。中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离，增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能，可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来，这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连接。随着应用的拓展，人们逐渐发现星型的网络拓扑结构最为有效，于是设备厂商们开始研制有多个端口的中继器。多端口中继器就是众所周知的集线器（Hub）。集线器可以连接到其他的集线器或者同轴网络。第一个集线器被认为是“多端口收发器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使许多台具有AUI连接器的主机共享一个收发器。集线器也导致了不使用同轴电缆的小型独立以太网网段的出现。像DEC和SynOptics这样的网络设备制造商曾经出售过用于连接许多10BASE-2细同轴线网段的集线器。非屏蔽双绞线（unshielded twisted-pair cables , UTP）最先应用在星型局域网中，之后也在10BASE-T中应用，最后取代了同轴电缆成为以太网的标准。这项改进之后，RJ45电话接口代替了AUI成为电脑和集线器的标准线路，非屏蔽3类双绞线/5类双绞线成为标准载体。集线器的应用使某条电缆或某个设备的故障不会影响到整个网络，提高了以太网的可靠性。双绞线以太网把每一个网段点对点地连起来，这样终端就可以做成一个标准的硬件，解决了以太网的终端问题。采用集线器组网的以太网尽管在物理上是星型结构，但在逻辑上仍然是总线型的，半双工的通信方式采用CSMA/CD的冲突检测方法，集线器对于减少数据包冲突的作用很小。每一个数据包都被发送到集线器的每一个端口，所以带宽和安全问题仍没有解决。集线器的总传输量受到单个连接速度的限制（10或100 Mbit/s），这还是考虑在前同步码、传输间隔、标头、档尾和封装上都是最小花费的情况。当网络负载过重时，冲突也常常会降低传输量。最坏的情况是，当许多用长电缆组成的主机传送很多非常短的帧(frame)时，可能因冲突过多导致网络的负载在仅50%左右程度就满载。为了在冲突严重降低传输量之前尽量提高网络的负载，通常会先做一些设定以避免类似情况发生。桥接和交换：尽管中继器在某些方面分隔了以太网网段，使得电缆断线的故障不会影响到整个网络，但它向所有的以太网设备转发所有的数据。这严重限制了同一个以太网网络上可以相互通信的机器数量。为了减轻这个问题，桥接方法被采用，在工作在物理层的中继器之基础上，桥接工作在数据链路层。通过网桥时，只有格式完整的数据包才能从一个网段进入另一个网段；冲突和数据包错误则都被隔离。通过记录分析网络上设备的MAC地址，网桥可以判断它们都在什么位置，这样它就不会向非目标设备所在的网段传递数据包。像生成树协议这样的控制机制可以协调多个交换机共同工作。早期的网桥要检测每一个数据包，因此当同时处理多个端口的时候，数据转发比Hub（中继器）来得慢。1989年网络公司Kalpana发明了EtherSwitch，第一台以太网交换机。以太网交换机把桥接功能用硬件实现，这样就能保证转发数据速率达到线速。大多数现代以太网用以太网交换机代替Hub。尽管布线方式和Hub以太网相同，但交换式以太网比共享介质以太网有很多明显的优势，例如更大的带宽和更好的异常结果隔离设备。交换网络典型的使用星型拓扑，虽然设备在半双工模式下运作时仍是共享介质的多节点网，但10BASE-T和以后的标准皆为全双工以太网，不再是共享介质系统。交换机启动后，一开始也和Hub一样，转发所有数据到所有端口。接下来，当它记录了每个端口的地址以后，他就只把非广播数据发送给特定的目的端口。因此线速以太网交换可以在任何端口对之间实现，所有端口对之间的通讯互不干扰。因为数据包一般只是发送到他的目的端口，所以交换式以太网上的流量要略微小于共享介质式以太网。然而，交换式以太网仍然是不安全的网络技术，因为它很容易因为ARP欺骗或者MAC满溢而瘫痪，同时网络管理员也可以利用监控功能抓取网络数据包。当只有简单设备（除Hub之外的设备）连接交换机端口时，整个网络可能处于全双工模式。如果一个网段只有2个设备，那么冲突探测也不需要了，两个设备可以随时收发数据。这时总带宽是链路的2倍，虽然双方的带宽相同，但没有发生冲突就意味着几乎能利用到100%的带宽。交换机端口和所连接的设备必须使用相同的双工设置。多数100BASE-TX和1000BASE-T设备支持自动协商特性，即这些设备通过信号来协调要使用的速率和双工设置。然而，如果自动协商功能被关闭或者设备不支持，则双工设置必须通过自动检测进行设置或在交换机端口和设备上都进行手工设置以避免双工错配——这是以太网问题的一种常见原因（设备被设置为半双工会报告迟发冲突，而设备被设为全双工则会报告runt）。许多较低层级的交换机没有手工进行速率和双工设置的能力，因此端口总是会尝试进行自动协商。当启用了自动协商但不成功时（例如其他设备不支持），自动协商会将端口设置为半双工。速率是可以自动感测的，因此将一个10BASE-T设备连接到一个启用了自动协商的10/100交换端口上时将可以成功地创建一个半双工的10BASE-T连接。但是将一个配置为全双工100Mb工作的设备连接到一个配置为自动协商的交换端口时（反之亦然）则会导致双工错配。即使电缆两端都设置成自动速率和双工模式协商，错误猜测还是经常发生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差于预期，应该查看一下是否有计算机设置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置为100Mbit，则可以手动强制设置成正确模式。.当两个节点试图用超过电缆最高支持数据速率（例如在3类线上使用100Mbps或者3类/5类线使用1000Mbps）通信时就会发生问题。不像ADSL或者传统的拨号Modem通过详细的方法检测链路的最高支持数据速率，以太网节点只是简单的选择两端支持的最高速率而不管中间线路，因此如果速率过高就会导致链路失效。解决方案为强制通讯端降低到电缆支持的速率。以太网类型：除了以上提到的不同帧类型以外，各类以太网的差别仅在速率和配线。因此，同样的网络协议栈软件可以在大多数以太网上执行。以下的章节简要综述了不同的正式以太网类型。除了这些正式的标准以外，许多厂商因为一些特殊的原因，例如为了支持更长距离的光纤传输，而制定了一些专用的标准。很多以太网卡和交换设备都支持多速率，设备之间通过自动协商设置最佳的连接速度和双工方式。如果协商失败，多速率设备就会探测另一方使用的速率但是默认为半双工方式。10/100以太网端口支持10BASE-T和100BASE-TX。10/100/1000支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。部分以太网类型局域网（英语：Local Area Network，简称LAN）是连接住宅、学校、实验室、大学校园或办公大楼等有限区域内计算机的计算机网络。相比之下，广域网（WAN）不仅覆盖较大的地理距离，而且还通常涉及固接专线和对于互联网的链接。相比来说互联网则更为广阔，是连接全球商业和个人电脑的系统。在历经使用了链式局域网（英语：ARCNET）、令牌环与AppleTalk技术后，以太网和Wi-Fi（无线网络连接）是现今局域网最常用的两项技术。机理：局域网（Local Area Network, LAN），又称内网。指覆盖局部区域（如办公室或楼层）的计算机网络。按照网络覆盖的区域（距离）不同，其他的网络类型还包括个人网、城域网、广域网等。早期的局域网网络技术都是各不同厂家所专有，互不兼容。后来，电机电子工程师学会推动了局域网技术的标准化，由此产生了IEEE 802系列标准。这使得在建设局域网时可以选用不同厂家的设备，并能保证其兼容性。这一系列标准覆盖了双绞线、同轴电缆、光纤和无线等多种传输介质和组网方式，并包括网络测试和管理的内容。随着新技术的不断出现，这一系列标准仍在不断的更新变化之中。以太网（IEEE 802.3标准）是最常用的局域网组网方式。以太网使用双绞线作为传输介质。在没有中继的情况下，最远可以覆盖200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s，更新的标准则支持1000Mb/s和10Gb/s的速率。其他主要的局域网类型有令牌环和FDDI（光纤分布数字接口，IEEE 802.8）。令牌环网络采用同轴电缆作为传输介质，具有更好的抗干扰性；但是网络结构不能很容易的改变。FDDI采用光纤传输，网络带宽大，适于用作连接多个局域网的骨干网。近两年来，随着802.11标准的制定，无线局域网的应用大为普及。这一标准采用2.4GHz 和5.8GHz 的频段，数据传输速度最高可以达到300Mbps和866Mbps。局域网标准定义了传输介质、编码和介质访问等底层（一二层）功能。要使数据通过复杂的网络结构传输到达目的地，还需要具有寻址、路由和流量控制等功能的网络协议的支持。TCP/IP（传输控制协议/互联网络协议）是最普遍使用的局域网网络协议。它也是互联网所使用的网络协议。其他常用的局域网协议包括，IPX、AppleTalk等。在无线 LAN 中，用户可以在覆盖区域内不受限制地移动。无线网络因其易于安装而在住宅和小型企业中流行起来。大多数无线局域网都使用 Wi-Fi，因为它内置于智能手机、平板电脑和笔记本电脑中。客人通常可以通过热点服务上网。网络拨接互联网（英语：Internet）是指20世纪末期兴起电脑网络与电脑网络之间所串连成的庞大网络系统。这些网络以一些标准的网络协议相连。它是由从地方到全球范围内几百万个私人、学术界、企业和政府的网络所构成，通过电子、无线和光纤网络技术等等一系列广泛的技术联系在一起。互联网承载范围广泛的信息资源和服务，比方说相互关系的超文本文件，还有万维网（WWW）的应用、电子邮件、通话，以及文件共享服务。互联网的起源可以追溯到1960年代美国联邦政府委托进行的一项研究，目的是创建容错与电脑网络的通信。互联网的前身ARPANET最初在1980年代作为区域学术和军事网络连接的骨干。1980年代，NSFNET（英语：NSFNET）成为新的骨干而得到资助，以及其他商业化扩展得到了私人资助，这导致了全世界网络技术的快速发展，以及许多不同网络的合并结成更大的网络。到1990年代初，商业网络和企业之间的连接标志着向现代互联网的过渡。尽管互联网在1980年代只被学术界广泛使用，但商业化的服务和技术，令其极快的融入了现代每个人的生活。互联网并不等同万维网，互联网是指凡是能彼此通信的设备组成的网络就叫互联网，指利用TCP/IP通讯协定所创建的各种网络，是国际上最大的互联网，也称“国际互联网”。万维网是一个由许多互相链接的超文本组成的系统，通过互联网访问。在此定义下，万维网是互联网的一项服务。不过多数民众并不区分两者，常常混用。连接技术：任何需要使用互联网的计算机必须通过某种方式与互联网进行连接。互联网接入技术的发展非常迅速，带宽由最初的14.4Kbps发展到目前的100Mbps甚至1Gbps带宽，接入方式也由过去单一的电话拨号方式，发展成现在多样的有线和无线接入方式，接入终端也开始朝向移动设备发展。并且更新更快的接入方式仍在继续地被研究和开发。架构：最顶层的是一些应用层协议，这些协议定义了一些用于通用应用的数据报结构，包括FTP及HTTP等。中间层是UDP协议和TCP协议，它们用于控制数据流的传输。UDP是一种不可靠的数据流传输协议，仅为网络层和应用层之间提供简单的接口。而TCP协议则具有高的可靠性，通过为数据报加入额外信息，并提供重发机制，它能够保证数据不丢包、没有冗余包以及保证数据包的顺序。对于一些需要高可靠性的应用，可以选择TCP协议；而相反，对于性能优先考虑的应用如流媒体等，则可以选择UDP协议。最底层的是互联网协议，是用于报文交换网络的一种面向数据的协议，这一协议定义了数据包在网际传送时的格式。目前使用最多的是IPv4版本，这一版本中用32位定义IP地址，尽管地址总数达到43亿，但是仍然不能满足现今全球网络飞速发展的需求，因此IPv6版本应运而生。在IPv6版本中，IP地址共有128位，“几乎可以为地球上每一粒沙子分配一个IPv6地址”。IPv6目前并没有普及，许多互联网服务提供商并不支持IPv6协议的连接。但是，可以预见，将来在IPv6的帮助下，任何家用电器都有可能连入互联网。互联网承载着众多应用程序和服务，包括万维网、社交媒体、电子邮件、移动应用程序、多人电子游戏、互联网通话、文件分享和流媒体服务等。提供这些服务的大多数服务器托管于数据中心，并且通过高性能的内容分发网络访问。万维网（英语：World Wide Web）亦作WWW、Web、全球广域网，是一个透过互联网访问的，由许多互相链接的超文本组成的信息系统。英国科学家蒂姆·伯纳斯-李于1989年发明了万维网。1990年他在瑞士CERN的工作期间编写了第一个网页浏览器。网页浏览器于1991年1月向其他研究机构发行，并于同年8月向公众开放。罗伯特·卡里奥设计的Web图标万维网是信息时代发展的核心，也是数十亿人在互联网上进行交互的主要工具。网页主要是文本文件格式化和超文本置标语言（HTML）。除了格式化文字之外，网页还可能包含图片、视频、声音和软件组件，这些组件会在用户的网页浏览器中呈现为多媒体内容的连贯页面。万维网并不等同互联网，万维网只是互联网所能提供的服务其中之一，是靠着互联网运行的一项服务。参考文献： Wendell Odom. CCENT/CCNA ICND1 100-105 Official Cert Guide. Cisco Press. 2016: 43页. ISBN 978-1-58720-580-4.Internet协议观念与实现ISBN 9577177069Internet协议观念与实现ISBN 9577177069IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-2 p.109IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-6 p.111网络化生存，乔岗，中国城市出版社，1997年，ISBN 978-7-5074-0930-7Richard J. Smith, Mark Gibbs, Paul McFedries 著，毛伟、张文涛译，Internet漫游指南，人民邮电出版社，1998年. ISBN 978-7-115-06663-3世界是平的，汤马斯·佛里曼著，2005年出版. ISBN 978-986-80180-9-9内容采用CC BY-SA 3.0授权。浏览量2690 万讨论量9728 帮助中心知乎隐私保护指引申请开通机构号联系我们举报中心涉未成年举报网络谣言举报涉企侵权举报更多关于知乎下载知乎知乎招聘知乎指南知乎协议更多京 ICP 证 110745 号 · 京 ICP 备 13052560 号 - 1 · 京公网安备 11010802020088 号 · 京网文[2022]2674-081 号 · 药品医疗器械网络信息服务备案（京）网药械信息备字（2022）第00334号 · 广播电视节目制作经营许可证:（京）字第06591号 · 服务热线：400-919-0001 · Investor Relations · © 2024 知乎北京智者天下科技有限公司版权所有 · 违法和不良信息举报：010-82716601 · 举报邮箱：jubao@zhihu.

计算机网络学习笔记（四）：介质访问控制子层 - 知乎

计算机网络学习笔记（四）：介质访问控制子层 - 知乎首发于CS课程笔记切换模式写文章登录/注册计算机网络学习笔记（四）：介质访问控制子层Lucius热爱算法、热爱生活第四章介质访问控制子层4.1 MAC子层概述4.1.1 数据链路层的组成数据链路层分成两个子层逻辑链路控制 (LLC - Logical Link Control)介质访问控制 (MAC - Madia Access Control)4.1.2 数据通信的三种方式单播 (unicast)：一对一的通信广播 (broadcast)：一对所有的通信，发出一个信息要送达到所有人局域网主要采用共享信道的方式来进行通信，主要采取的方式是广播。组播 (multicast)：一对一个组的通信，一个信息发送给一个特定的组的用户4.1.3 介质多路访问控制 / 介质访问控制MAC广播的问题共享信道 (多路访问信道 / 广播信道)可能会有很多用户同时请求使用这根共享信道，需要确定广播信道上的下一个使用者，尽量避免冲突。分配信道的两种方式 (介质访问控制)静态分配：按照某种方式，预先分配给各用户，不同用户使用情况不同PSTN上干线的多路复用，信道被按照频率或时间进行分配动态分配信道不需要提前分配，信道是开放的信道按照需求动态的分配给用户静态分配静态分配的问题资源分配不合理，不同用户对资源需求不同有资源浪费，效率低信道是平均分配的，延迟时间增大 N 倍。静态分配适用环境适用于用户数量少且用户数目固定的情况。适用于通信量大且流量稳定的情况。不适用于突发性业务的情况。动态分配多路访问协议 - 动态分配信道资源 - 提高信道利用率多路访问协议随机访问协议特点：站点或用户来争用信道，可能会出现冲突典型随机访问协议：ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议 (以太网采用)受控访问协议特点：站点被明确地分配，不会出现冲突。4.1.4 课程总结什么是广播？局域网中主要采用什么数据通信方式？介质访问控制用来做什么？介质访问控制协议分成哪两类？4.2 ALOHA 协议4.2.1 纯ALOHA协议工作原理任何一个工作站都可以在帧生成之后立即发送，并通过信号的反馈，检测信道判断是否发送成功。如果发出的帧发生冲突，则经过随机等待的时间之后重发数据帧。特点每个站点可在任意时间发送数据 (不关心信道是否已被占用)，非常任性，想发就发两个以上站点同时发送数据时就会产生冲突。性能分析吞吐率 S：一个帧时 (T) 内发送成功的平均帧数，0 S，有冲突G > 1，冲突频繁P_0：一帧发送成功的概率，即发送成功的帧数在全部已发送帧的总数中所占的比例。S=G*P_0冲突危险期：可能发生冲突的时间长度 = 2T，发送之前的 T 加上发送之后的 T生成帧均值：2G生成 k 帧的概率服从泊松分布 (假设)：Pr[k]=\frac{G^ke^{-G}}{k!} ，Pr[0]=e^{-G}在 2T 内发送成功的概率，即为 2T 内都不产生新帧，即 P_0=Pr[0]*Pr[0]=e^{-2G}S=G*e^{-2G}，求 S 极大值，S^{'}=e^{-2G}-2G*e^{-2G}=0。当 G=0.5 时，S_{max}=0.184。因此纯 ALOHA 协议信道利用率最高为 18.4\%。4.2.2 分隙(分槽)ALOHA协议工作原理将时间分成时隙 (时间片)，时隙=帧时 (T)。发送帧必须在时隙的起点，不允许随机发送，因此冲突只发生在时隙的起点。冲突危险期缩短为 T，因为只会与发送之后出现的帧冲突，不会与发送之前出现的帧冲突。一旦某个站占用某个时隙并发送成功，则在该时隙内不会出现冲突。性能分析P_0=Pr[0]=e^{-G}S=G*e^{-G}，G=1 时，S_{max}=0.368，即分隙 ALOHA 协议信道利用率最高为 36.8\%。与纯ALOHA协议对比4.2.3 课程总结纯ALOHA协议的工作原理是什么？纯ALOHA协议的冲突危险期是多少，信道利用率怎么样？分隙ALOHA协议的工作原理是什么？分隙ALOHA协议的冲突危险期是多少，信道利用率怎么样？4.3 CSMA 协议4.3.1 CSMA 协议概述定义：载波侦听多路访问协议 (CSMA - Carrier Sense Multiple Access)改进的 ALOHA 协议 —— "先听后发"分类非持续式 CSMA 协议持续式 CSMA 协议1-持续 CSMAP-持续 CSMA4.3.2 非持续式 CSMA 协议工作过程① 发送数据帧时侦听信道，如果信道空闲，则发送自己的帧。② 如果侦听时，信道被占用，则等待一个随机分布的时间，然后再重复 ①。缺点：随机等待的时间内信道上没有数据传送，这段时间是浪费的。4.3.3 持续式 CSMA 协议工作过程① 发送数据帧时侦听信道，如果信道空闲，则发送自己的帧。② 如果侦听时，信道被占用，则持续侦听。一旦空闲立即发送数据帧。③ 如果发生冲突，则等待一个随机分布的时间，再重复 ①。缺点：如果两个以上的站同时在侦听信道，一旦介质空闲，两个站同时发送数据帧，则会发生冲突。P-持续 CSMA工作过程① 发送数据帧时侦听信道，如果信道空闲，则以 P 的概率发送数据帧，(1-P) 的概率延迟一个时间发送。② 如果侦听时，信道被占用，则持续侦听。一旦空闲则重复 ①。③ 发送推迟一个时间单元后，继续重复 ①。传播延迟对载波侦听的影响信道传输 200 m/us。A、B距离 1000 m，A 侦听信道空闲后向 B发送一个数据帧。4us 过去后，数据帧还未到达 B。此时 B 要发送一个数据帧，因此侦听信道。由于 A 发的数据帧还未到达 B，因此 B 以为信道空闲，则发送数据帧，两个数据帧发生冲突。冲突窗口定义：一个工作站能够检测到冲突的时间的最大值，数值上等于最远两站传播时间的两倍，即 RTT (Round Trip Time)。介质传播速度：v=200\ m/us，网卡延迟：t_{PHY}，最远两个工作站距离：S两站传播时间：t=\frac{S}{v}冲突窗口：2*(t+t_{PHY}+N*t_{中继器})，N为经过中继器个数，t_{中继器} 为到达中继器到离开中继器的一段时间。4.3.4 CSMA/CD定义：CSMA with Collision Detection (带冲突检测的载波侦听多路访问协议)本质是 1-持续 CSMA半双工以太网中使用工作原理① 经侦听，如介质空闲，则发送。② 如介质忙，则持续侦听，一旦空闲立即发送。③ 发送成功后，边发边听，侦听发送出去的帧有无和其它帧发生碰撞。如果没有发生冲突，则表明发送成功。④ 如果发生冲突，等待一个随机分布的时间再重复 ①。总结：先听后发、边发边听堵塞信号 (强化冲突信号)所有工作站在发送的同时也接收自己的信号 (广播)，监测发送的情况，一旦收到的信号与发出的不一致，就说明发生了冲突。发送站感知冲突后立即停止帧的发送，并且发一个简短的堵塞信号 (称强化冲突信号，Jamming signal)，通知各站点该处发生冲突，本站及网上所有站都等待一段随机分布的时间，然后再按CSMA/CD方式重发该帧。性能比较P-持续 CSMA中，P越小发生冲突可能性越低，信道利用率越高，但是等待的时间越长。冲突检测和处理冲突检测检测发出的信号与收到的信号，能量与脉冲宽度的变化，如果发生了变化则发生了冲突。冲突检测的要求时隙宽度=最大冲突检测时间 (冲突窗口) ，保证在一个时隙内能够检测到最远距离的冲突。最大冲突检测时间 (冲突窗口)\leq 发送有效帧的时间，防止在发生冲突时，已完成短帧发送而无法知道实际上已经发送失败。4.3.5 课程总结CSMA系列协议的本质是什么？CSMA/CD 的基本工作原理是什么？什么是冲突危险期？先听后发仍然会发生冲突，原因是什么？(两个原因：同时发送与传播延迟)冲突检测的原理是什么？4.4 以太网概述4.4.1 以太网基础知识以太网发展史1973年，Robert Metcalf 及其同事设计了以太网雏形 (施乐公司)1980年，DIX 发布了最早的以太网标准，开放标准1985年，IEEE 802.3 对以太网作了小的修改，基本一致，兼容以太网1995年，IEEE 宣布了 100Mbps 以太网标准1998-1999年，通过了千兆以太网标准 (吉比特以太网 - 1000M)2002年，IEEE 通过了10Gbps 以太网标准2016年，IEEE 通过了25Gbps 以太网标准2 种以太网经典以太网3M~10Mbps，不再使用10Base2、10Base5、10BaseT交换式以太网10M、100M、1G，广泛使用4.4.2 经典以太网IEEE 以太网命名规则10Base2 (IEEE 802.3a)10：传输带宽 (Mbps)Base：基带传输-2 (或5)：支持的分段长度 (100m为单位，四舍五入)，此处为 200m 传输距离10Base-TX (IEEE 802.3X)T：铜制非屏蔽双绞线F：表示光缆以太网线缆其中 10Base5 与 10Base2 采用了总线拓扑的方式。10BaseT物理连接是星型/扩展星型结构，中心是集线器 (Hub)逻辑上是总线结构 (站点争用总线)采用双绞线，与同轴电缆相比的优点安装成本大大降低即插即用，组网灵活星型结构，故障隔离适于大批量制造具有开放式标准的互操作能力问题：多用户共享一条 10M 速率信道。以太网编码以太网采用曼彻斯特编码，比特率 = 10 \ Mbps，波特率=20\ MHz 。1：高电压 -> 低电压0：低电压 -> 高电压802.5 采用差分曼彻斯特编码IEEE 802.3 / 以太网 MAC 子层协议IEEE 802.3 协议描述了运行在各种介质上 1 Mb/s ~ 10Mb/s 的 1-持续 CSMA/CD 协议的局域网标准。IEEE802.3 与以太网有一定差别 (比如帧格式)。以太网工作站接收数据流程二进制指数后退算法起源：以太网采用 CSMA/CD，发送方在检测到冲突后，双方 (或多方) 都将延时一段时间，那么这段时间到底是多长？具体算法冲突检测到后，时间被分成离散的时隙时隙的长度等于信号在介质上来回传输时间 (51.2 us)一般地，i 次冲突后，等待的时隙数将从 (0~2^i-1)*51.2 us 中随机选择。0 16 时，放弃发送。二进制指数后退算法的优化上述主要讨论的是发送方怎样避免冲突，或冲突后怎样再次成功发送。但是，一旦成功发送后，接收方如需发确认帧，其中又有争用信道的问题。如把一次成功发送后的第一个时隙留给接收方，则可及时收到确认帧。经典以太网提高负载的方法提速到 100 M采用全双工采用交换式网络，将集线器 (Hub) 换成交换机 (Swicth)4.4.3 交换式以太网100Mbps以太网 —— 802.3u要求：兼容性、成本低、标准化基本思想：保留原有帧格式、接口和过程规则，将比特时间 (位时间-发送 1 bit 所需时间) 降为10 ns (原100 ns)，电缆最大长度降到10分之一 (原2500米)。传输介质与传输距离采用了 4B/5B 编码方式将 4 bits 数据编码成 5 bits 信号，效率更高、易于实现、电压平衡千兆位以太网 (吉比特以太网，GE) —— 802.3z淘汰了 FDDI(100M)、ATM(155/622M)GE 与现有 10M/100M 以太网技术兼容FDDI和ATM与10M/100M以太网不兼容，需要改变帧格式主要工作在全双工模式，如果在半双工工作，需要使用 CSMA/CD 技术，可能带来传输距离过短的问题。可使用帧串、帧扩充等方法解决。速度提高带来的冲突检测问题以及解决办法只有在半双工的模式下才会遇到。以太网强大生命力原因简单性和灵活性可以很方便的将机器挂接到以太网上易于维护支持TCP/IP协议，互联容易使用4B/5B等编码，擅于借鉴其他协议(FDDI)。以太网建立无连接不可靠的服务课程总结以太网是多路访问协议的实现：CSMA/CD二进制指数回退算法，降低了再次冲突的可能问题二进制指数回退算法是怎样做的？经典以太网的特点是什么？(半双工、使用集线器、曼彻斯特编码)交换式以太网的特点是什么？(全双工、交换式网络、4B/5B)以太网为什么具有强大的生命力？以太网采用的编码方法是什么？4.5 以太网帧格式4.5.1 IEEE 802.3与以太网 MAC 子层协议以太网覆盖物体层与数据链路层，而802.3在OSI模型中仅覆盖一层半 (即物理层+数据链路层的MAC子层)IEEE 802.3帧格式[第一个字段] 先导+帧起始标记 (前导码) ：表明一个帧的开始。帧开始字符为10101011。[第二、三个字段] 目的地址与源地址：均为物理地址，即MAC地址。MAC地址为48位，一共有7万亿个。目的地址：接收方的MAC地址源地址：发送方的MAC地址[第四个字段] 长度字段：表明了这个帧的长度802.3帧长度，最短64字节，最长不能超过1518字节。(不包括前导码)最长长度限制：早期内存昂贵，接收方存储帧需要内存，因此有最长长度限制最短长度限制：CSMA/CD的要求，要求最短帧的发送时间 \geq 争用时隙2t(冲突窗口)802.3 规定，在10Mbps局域网中，时隙2t=51.2\ us最短帧长度=\frac{10\ Mbps*2t}{8}=64Byte[第五个字段] 数据字段：46~1500字节如果数据字段不足46字节，则必须进行填充，保证长度到达帧的最小长度，即64字节。[第六个字段] 校验和字段采用CRC循环冗余校验校验范围：目的/源地址、长度、LLC数据等字段 (除了前导码的所有帧数据)IEEE 802.3 与以太网帧 (DIX) 的区别① 帧开始字符以太网帧：10101010802.3 帧：10101011② 802.3帧的长度字段、DIX以太网帧的类型字段类型字段：指明网络层所使用的协议。(以太网覆盖了下两层，需要直接与网络层打交道，以太网帧是实际中使用的帧)长度字段：指明帧的长度。(不需指明类型，因为802.3帧不需要与网络层打交道，802.3在OSI模型中只覆盖了一层半)如何鉴别以太帧与802.3帧 —— 查看第四个字段数值 < 1536(0x600)，则为长度，为 802.3 帧。数值 > 1536(0x600)，则为类型，为以太帧。4.5.2 MAC地址MAC地址为6字节，一共48位，可以表示7万亿个地址。MAC地址组成MAC地址分为前24位与后24位，前24位表示一个公司或一个机构，后24位由该公司或机构自行划分，前24位称为OUI。如3Com的前24位地址：00-60-8C-XX-XX-XX典型的Ethernet (以太网) 地址：00-60-8C-01-28-12工作站的源地址具有一个特性：全球唯一性每个工作站的MAC地址由IEEE分配，保证世界上没有两个工作站具有的MAC地址是相同的。IEEE 要求厂商遵循两条规定必须使用该供应商分配的OUI作为前3个字节OUI相同的所有MAC地址的最后3个字节必须分配唯一的值MAC地址存储在网卡的ROM中，当计算机启动时，MAC地址从ROM拷贝到RAM中。MAC地址的3种表示方法使用破折号：00-60-2F-3A-07-BC使用冒号：00:60:2F:3A:07:BC使用句点：00.60.2F.3A.07.BC必须使用16进制来表示MAC地址。4.5.3 课程总结以太帧的各字段分别是什么？如何识别类型/长度字段？MAC地址具有哪些特征？为什么以太帧最短至少需要64字节？4.6 二层交换的基本原理4.6.1 二层交换基本概念二层交换有很多 LAN(局域网)，需要二层交换将它们连接起来。可以用网桥(bridge) 将它们连接起来。网桥工作在 DLL层(数据链路层)，通过检查MAC地址做出转发帧的决策。因此网桥不会检查网络层，即IPv4、IPv6、AppleTalk、ATM、IPX与OSI分组均可穿越网桥交换机是网桥的现代名称。4.6.2 网桥网桥连接802.11 (无线) 与 802.3，使其正常工作网桥连接 802.X 到 802.Y 的操作不同的帧格式，需要转换 —— 重新封装不同的数据传输速率 —— Buffering，缓存不同的802LAN有不同的最大帧长度 (802.3的1526字节，802.11的2346字节)安全：802.11和802.16支持数据链路层的加密，但802.3不支持服务质量：802.11和802.16提供了服务质量，但802.3没有透明的网桥 (transparent bridges)透明的网桥 —— 将LAN插上网桥之后，一切自动工作，不需要任何其他的设置。通过透明网桥将多个LAN连接起来，硬件和软件不需要做任何的变化透明网桥工作在混杂模式 (promiscuous mode)，它接收所有跟它相联的LAN的帧当一个帧到达网桥时，它必须作出丢弃 (discard) 还是转发 (forward) 的决策。如果是转发，必须知道向哪个LAN转发。决策是通过网桥内部的一张地址表 (Hash Table) 中查找目的MAC地址而作出的。网桥如何维护内部转发表初始时，转发表为空。泛洪算法 (扩散算法 - flooding algorithm)MAC地址表为空时，大量采用广播当网桥不知道目的地址时 (表中查不到)，网桥会将这帧从除来的LAN外的所有LAN转发出去。后向学习法 (backward learning)信息对 - 源地址与其到达的端口网桥从到达帧的源地址认识到源地址对应的那台机是在帧来的那个LAN上，所以将它写入MAC地址表。网桥如何适应网络拓扑的变化 (即LAN的连接与断开)无论何时，凡往表中加入记录，必须同时打下时戳。到达帧的源地址在表中已有记录，则将时戳更新为当前时间。网桥周期性地扫描表，将那些超时的记录从表中删除。地址表始终记录着最新且活跃的那些工作站的信息！网桥工作原理当一帧达到时，网桥启动如下算法：[过滤]网桥打开帧，查看目的与源MAC地址，在地址表中找到对应的LAN如果源LAN和目的LAN相同，则丢弃该帧。如果源LAN和目的LAN不同，则向目的LAN转发该帧。如果目的LAN未知，则广播该帧。(表中未查到目的MAC地址对应的LAN)每当一帧达到，执行上述算法。使用专用的VLSI芯片，可以在几微秒内完成查找和更新表项的动作。网桥/交换机分割了冲突域，每个LAN中设备的通信不会影响，因此提高了性能。例题4.6.3 网桥和中继器对比网桥与中继器对比4.6.4 课程总结为什么需要二层交换？(不同LAN协议不同，802.3、802.11...)二层交换的基本原理是什么？什么是扩散 (泛洪)？为什么网桥又叫透明网桥？为什么采用了交换机而不是集线器作为星形拓扑的中心，性能会得到提升？4.7 生成树协议4.7.1 冗余结构带来的问题冗余结构为了网络的稳定，在网络设施中经常会有多根介质连接相同的机器有时也会对交换机做冗余处理，对单个交换机进行拆分，每个交换机连接不同的LAN冗余结构带来的问题多帧传送多个帧通过不同路径进行传送和转发广播风暴如ARP请求，两个在环路上的交换机不断对请求进行广播，导致大量重复广播帧的产生严重时会导致网络崩溃MAC 地址库不稳定每个源机器有多条路径可达，导致MAC地址库不断更新变化会使得交换机在转发帧时，转发行为不确定4.7.2 生成树协议 (STP)定义STP - spanning tree protocol，由 Radia perlman 提出。IEEE 802.1 D 标准目的：维护一个无环路的网络拓扑工作原理每个网络都一个根网桥每个网桥都有一个根端口每个网段都有一个指定端口 (即每个LAN只能通过某个特定端口传输)非指定端口不被使用注意生成树算法，生成在逻辑上无回路的树，即生成树。生成树算法能在有物理回路的网络中，生成一颗没有逻辑回路的生成树，但并不能保证其中的路径是最优的。非指定端口虽然不参与数据帧的转发，但它会侦听树的工作报文。当树上的某些端口失效了之后，非指定端口将重新启用，形成新的生成树。小诗我想我永远也不会看到像一颗树那么优美的图画树那至关紧要的特性是无回路的连通树需要无限的扩展包才能到达每一个LAN首先，需要选好树根指定ID即可选定从树根开始，计算最小代价的路径这些路径，就是这棵树的枝条网络出自我等愚人之手而桥则发现了一棵生成树例题4.7.3 课程总结为了可靠，采用冗余结构冗余造成环路，会产生多帧传送、广播风暴和MAC地址库不稳定等问题这些问题的根源就是有环路，STP就是打断环路，维持逻辑上的无环路STP可能产生非最优路径 (付出的代价)当逻辑STP树上的某点出了故障，非指定端口将会被重新启用。问题为什么需要冗余拓扑？冗余拓扑会带来什么问题？怎么解决这些问题？STP是否消除了冗余拓扑带来的可靠的好处？4.8 虚拟局域网经典LAN物理LAN，地理位置靠近的工作站或楼层构成的LANVLAN (虚拟局域网 - Virtual)一组逻辑上的设备或用户，不考虑地理位置而考虑组织架构。VLAN的三种实现方式基于MAC地址基于三层协议基于端口 (最常用)交换机内部有一张 VLAN 成员的配置表，知道哪些端口属于哪些VLAN。IEEE 802.1Q (帧标记方法)解决问题：如何处理一个VLAN用户跨越不同的交换机？每个帧在干线起点打上标签，干线终点拆除这个标签。[帧涂上其所在VLAN的颜色]帧结构中多加了一个字段，表明这个帧所属的VLAN ID举例S1、S2为交换机，所有灰色机器为VLAN1中工作站，所有白色机器为VLAN2中工作站。现在 A 向所有 VLAN1 中的工作站发送一个帧。① 一开始帧没有 VLAN ID 标记，帧到达 S1 之后，S1 将帧广播给了直接与 S1 相连的 VLAN1中的工作站，即 I、J、L、L。② 之后 S1 将该帧的 VLAN ID 打上了标记 (干线起点)，并通过干线将该帧转发给了 S2。③ 帧到达 S2 之后 (干线终点)，S2 将该帧的 VLAN ID 去掉，然后转发给了与 S2 相连的所有 VLAN1 中的工作站。小结VLAN 是一组逻辑上的用户。一个 VLAN 特性等同于一个物理 VLAN。一个 VLAN 就是一个广播域。有了 VLAN，可使用二层交换机实现广播域的分割。帧标记法可以让帧穿过交换机的干线。问题什么是 VLAN？VLAN 成员可以跨越交换机吗？帧标记法有什么用？最常用的帧标记法是哪个？采用帧标记法的帧是如何通过干线的？4.9 二层设备4.9.1 网卡 (NIC)网卡特点网卡 (NIC - Network Interface Card)，第一层和第二层的设备为主机提供介质的访问MAC地址烧录在网卡的ROM中网卡功能第一层提供的功能Signaling：再生信号，创建信号和与介质的接口内建转发器第二层提供的功能Logical Link control (LLC)：提供和上层的通信Naming：提供一个独特的 MAC 地址标识符Framing：成帧过程，封装过程的一部分，为传输比特流打包Media Access Control (MAC)：为访问共享介质提供访问策略网卡分类按计算机类型分类普通PC网卡、笔记本网卡按网络类型分类以太网卡 (最常用)、TOKEN Ring NIC、FDDI NIC按介质类型分类Twisted pair、coax、fiber按系统总线类型分类PCI、ISA4.9.2 网桥功能连接不同的LAN网段通过过滤部分交通流量，减少冲突的机会，改善网络性能。以网段分流交通，基于 MAC 地址过滤流量。4.9.3 交换机 (Switch)特点LAN 交换机是多端口网桥，基本工作原理与网桥一致。连接 LAN 网段，并使用一张 MAC 地址表，来决定每一帧转发的端口。交换机常被用来替换集线器 (Hub)，以改善现有网络性能。将交换机作为以太网星型拓扑的中心。交换机具有比网桥更高的交换速度。支持新的功能，如 VLAN。LAN 交换机中地址表的维护动态更新直接读取数据包的源地址信息，存入 CAM，如在 CAM 中没有找到所需的地址，则添加到 CAM 中。删除过时的地址记录 (时间标记 - 时戳)每增加一条记录，为它打上时戳每引用或找到某条记录，为它打上新的时戳周期性扫描 CAM，当某条地址记录超过一定时间没被引用，则删除该条记录。交换机工作原理三选一操作flooding (泛洪/广播)：当目的地址未知或为广播地址时，桥发送帧到除源端口外的每个端口。forwarding (转发)：对于已学到的目的地址，桥直接发送帧到对应的目的设备所在端口。filtering (过滤)：如果目的地址和源地址在同一端口，桥将丢掉该帧。每一帧都进行的操作learning (后向学习)：通过读取每个帧的源地址和对应源端口来学习连在网段上的每个设备的地址。交换机处理到达帧的过程交换机作用使网络段处于无冲突环境微分段LAN被交换机分隔开的网段，在一个大的冲突域中产生无冲突域。交换机的每一个端口，只接一个工作站，而不是通过 Hub 再接大量工作站。虚拟线路在交换机内部把段连接成一个虚拟网络的电路，只在需要时才使用。广播域与冲突域Hub所有端口都在同一个广播域、冲突域内，所以Hub不能分割冲突域和广播域。Switch所有端口都在同一个广播域内，而每一个端口就是一个冲突域，所以交换机能分割冲突域，但分割不了广播域。Vlan技术可以隔离广播域。Router的每个端口属于不同的广播域、冲突域交换机的三种交换模式存储转发交换机把整个帧接收下来，计算它的校验和，检查这个帧没有错误了，再按照MAC地址表的指示把它转发出去或做对应的处理。特点：延迟大、出错率小直通交换 (贯穿交换、虫孔交换)交换机直接读取到帧的目的地址，根据MAC地址表直接将帧进行转发。特点：延迟小 (帧在交换机内部停留时间非常短)、出错率大。无分片交换 (无碎片交换)直到读取到帧上的64个字节之后，才进行转发，保证不转发碎片帧。特点：在延迟和出错率上做了一个折中。交换机和集线器的比较4.9.4 课程总结网卡的主要功能是什么？交换机的基本工作原理是怎样的？交换机内部的 MAC 地址表示怎样建立和维护的？交换机能创建的最小冲突域多大？三种交换方式的优缺点是什么？编辑于 2020-12-05 17:20计算机网络赞同 144 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录CS课程笔记计算机专业大学课

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网络接口EthernetV2协议(以太网第二版协议)

一种总线型局域网--以太网

从采用的介质访问控制方法角度来看，局域网可以分为共享介质局域网与交换式局域网两种。目前被普遍采用并形成国际标准的介质访问控制方法主要有以下三种：带有冲突检测的载波侦听多路访问（CMSA/CD）方法、令牌总线（Token Bus）方法与令牌环（Token Ring）方法。

以太网（Ethernet）是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。它是一种总线型局域网，使用CSMA/CD技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。

局域网在结构上分为总线型、环形和星形三种拓扑结构。上图给出了实际的总线型局域网的计算机连接情况和总线型拓扑结构。它的优点是：结构简单，实现容易，易于扩展，可靠性较好。介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式。

总线型局域网拓扑结构通常包含以下特点：

☆ 所有结点都通过网卡直接连接到一条作为公共传输介质的总线上。

☆ 总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。

☆ 所有结点都可以通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。当一个结点通过总线传输介质以“广播”方式发送数据时，其他的结点只能以“收听”方式接收数据。

☆ 总线作为公共传输介质为多个结点共享，可能出现同一时刻有两个或两个以上结点通过总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”导致传输失败。

CSMA/CD协议

CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议，应用在OSI的第二层数据链路层，提供了寻址和媒体存取的控制方式，使得不同设备或网络上的节点可以在多点的网络上通信而不相互冲突。

它的工作原理是: 发送数据前先侦听信道是否空闲，若空闲，则立即发送数据。若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。若侦听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间，再重新尝试。

另外，CSMA/CD需要知道电缆的最大最小长度，最大最小帧尺寸，以确定检测冲突所需要等待的时间。CSMA/CD原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。

IEEE 802标准

1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会（简称IEEE 802委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE 802标准。IEEE 802参考模型只对应于OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路控制（LLC,Logical Link Control）子层、桥接层（802.1）与介质访问控制（MAC,Media Access Control）子层。IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE 802标准。

★ IEEE 802标准主要包括以下几种：

IEEE 802.1标准定义了局域网体系结构、网络互连以及网络管理与性能测试

IEEE 802.2标准定义了逻辑链路控制子层功能与服务

IEEE 802.3标准定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范

IEEE 802.4标准定义了令牌总线介质访问控制子层与物理层规范

IEEE 802.5标准定义了令牌环介质访问控制子层与物理层规范

IEEE 802.6标准定义了城域网介质访问控制子层与物理层规范

IEEE 802.7标准定义了宽带网络技术

IEEE 802.8标准定义了光纤传输技术

IEEE 802.9标准定义了综合语音与数据局域网（1VD-LAN）技术

IEEE 802.10标准定义了可互操作的局域网安全性规范（SILS）

IEEE 802.11标准定义了无线局域网技术

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2020-03-31 11:01

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局域网协议：以太网（Ethernet）详解_局域网以太网协议是什么意思啊-CSDN博客

局域网协议：以太网（Ethernet）详解

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于 2023-12-01 20:56:09 发布

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Ethernet的组成以太网和 Wi-Fi以太网应用场景以太网的发展历程以太网数据链路层CSMA/CD (载波侦听多路访问/冲突检测)推荐阅读

以太网（Ethernet）是一种局域网（LAN）技术，用于在局域网范围内传输数据。它是最常见、最广泛使用的局域网技术之一，允许多台设备（如计算机、打印机、交换机等）通过共享传输介质（如双绞线或光纤）相互通信和共享资源。

Ethernet的组成

拓扑结构以太网通常采用总线型或星型拓扑结构，最常见的是星型拓扑，其中所有设备连接到一个集线器（HUB）或交换机（Switch）。网络拓扑结构还有网状型、环型、树型、混合型等。数据帧格式数据传输采用帧（Frame）的形式，每个帧包含了源和目标MAC地址、数据和纠错信息等。MAC地址每个以太网设备都有唯一的MAC（Media Access Control）地址，用于标识网络中的设备。CSMA/CD协议以太网使用载波侦听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）协议，用于管理共享介质上的数据传输。传输速率以太网支持不同的传输速率，最初是10 Mbps（10BASE-T），后来发展到100 Mbps（Fast Ethernet），1 Gbps（Gigabit Ethernet），甚至更高的速率：10Gbps、25 Gbps、40 Gbps、100 Gbps等。物理介质以太网可以在多种物理传输介质上运行，包括双绞线、光纤和同轴电缆等。以太网电缆的传输速率主要有以下七种：

类型速率Cat 5高达 350 MHz 和 100 MbpsCat 5e （增强型）高达 350 MHz 和 1 GbpsCat 6高达 550 MHz 和 1 GbpsCat 6a （增强型）高达 550 MHz 和 10 GbpsCat 7高达 600 MHz 和 10 GbpsCat 7a高达 1 GHz 和 40 GbpsCat 8高达 2 GHz 和 25 或 40 Gbps

光纤和双绞线仍然是当前主流的有线传输介质，同轴电缆已经非常少见。

交换技术交换机是用于在局域网内传输数据的设备，它根据目标设备的MAC地址来转发数据帧。交换机的交换方式主要有以下几种：

存储转发（Store-and-Forward）直通式转发（Cut-Through Forwarding）自适应转发（Adaptive Forwarding）混合式转发（Fragment-Free）

以太网和 Wi-Fi

与 Wi-Fi 相比，以太网具有三个主要优势：更快、更稳定、更安全。现在，以太网通常用于固定设备的连接，如台式计算机、服务器、网络打印机等。

与以太网相比，Wi-Fi具有：灵活性、可移动、高速率等特点。Wi-Fi更适合移动设备，如笔记本电脑、智能手机、平板电脑等，以及需要灵活布局或移动的场景。

这两种技术在不同的情况下各有优势，而在现代企业、家庭、商业网络中，它们通常会相互配合使用，以提供更全面的网络覆盖和更多样的连接选择。

以太网应用场景

以太网广泛应用于办公室、家庭网络、数据中心等环境中，用于连接各种设备，如计算机、服务器、打印机、路由器和交换机等。

以太网作为一种通用的局域网技术，已成为连接设备并在局域网内传输数据的主要方式。其不断发展的速率和技术使其适用于各种不同规模和需求的网络环境。

以太网的发展历程

1983年，以太网被电气和电子工程师协会(IEEE)标准化为IEEE 802.3标准。该标准定义了有线以太网“数据链路”层的物理层和MAC(媒体访问控制)部分。

以太网数据链路层

数据链路层可分为两个部分;

逻辑链路控制(LLC) “逻辑链路控制”为以太网上的数据在设备之间传输建立路径。媒体访问控制(MAC) “媒体访问控制”使用分配给网络接口卡(NIC)的硬件地址来识别特定的计算机或设备，以显示数据传输的源和目的地。

CSMA/CD (载波侦听多路访问/冲突检测)

以太网通过使用一种称为CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的算法在该数据链路层传输数据包。

以太网采用CSMA/CD作为标准，以减少数据冲突，提高数据传输成功率。

该算法首先检查网络上是否有流量。如果没有找到，它将发送第一个信息，看看是否会发生冲突。

如果第一个比特是成功的，那么它将发送其他比特，同时仍然监控是否存在冲突。

如果发生冲突，算法计算等待时间，然后重新开始整个过程，直到数据传输完成。现在网络发展越来越快，诞生了很多新的通信技术，但以太网作为一种能容纳不同协议的技术，在现在，或者未来仍然会在网络架构中占据一席之地。

百度百科-验证

Ethernet HUB 和Ethernet Switch 是如何工作的？

Ethernet HUB是如何工作的？

Ethernet HUB的基本工作原理是广播（broadcast）技术，也就是HUB从任何一个端口收到一个Ethernet包时，它都将此Ethernet包广播到所有其它端口，HUB中不记忆哪一个MAC地址挂在哪一个端口。接在HUB端口上的NIC（网卡）根据信息包所要求的功能执行相应动作，这是由网络层（layer

3）之上控制的，Ethernet HUB不处理这些内容，Ethernet

HUB只负责从一个端口上收到的Ethernet包广播到所有其它端口（所谓广播，是指HUB将该Ethernet包发送到所有其它端口，并不是指HUB将该包改变为广播包），仅此而已。

Ethernet包中带有源MAC地址（NIC中带的Ethernet地址，48位长，见图1）和目的MAC地址。MAC地址与Ethernet包中的目的MAC地址相同的计算机执行该包中所要求的动作，这个动作由layer

3之上定义，与Ethernet HUB无关，Ethernet HUB只处理Ethernet包，即只与MAC地址打交道。如果该目的MAC地址不存在，或该目的MAC地址不响应（即上层软件不处理），Ethernet

HUB并不知道，也不处理。这就好像邮递员，他是根据信封上的地址传递信件，只管传递，不管信中是什么内容以及收信人是否回信，或收信人由于某种原因没有回信，而导致发信人着急，与邮递员无关。只是邮递员在找不到该地址时还会将信退回，Ethernet

HUB不管退信，只负责转发。见图2。

前缀标志

SFD

目的MAC地址

源MAC地址

长度

数据

DAD

CRC

　　7字节 1字节 2-6字节 2-6字节

2字节　0-1500字节

X字节　　　4字节

图1 IEEE 802.3包格式

在Windows 95/98中，当用户A双击“网上邻居”时，相当于生成了一个Ethernet广播包，此包中的目的MAC地址为全1，该包要求执行的命令是：“请告诉我你们的名字！”。请注意，Ethernet

HUB不处理此命令，也不知道此命令是什么，Ethernet

HUB只知道此包为广播包，并负责将此包广播到所有其它端口（源端口除外），仅此而已。与HUB相连的计算机中的NIC收到此包（因为是广播包，故收下），将包中的数据域内容传送给上层软件（即Windows

95/98），上层软件返回网络中的计算机名给广播包的发送者（广播包中含有发出者的源MAC地址），用户A收到各个计算机回送的响应包，从而得知网络上有什么用户，并由Windows

95显示在“网上邻居”中。如果找不到网络上的用户，则可能有下列原因：

1．该用户没有连到网上或接触不好（如电缆两端RJ-45），或该计算机没有加电。如果是接触不好，可能会有时看到，有时看不到。

2．HUB内部信息包传送不正确，芯片设计有问题（这几乎是不可能的）。

3．互连的计算机高层协议配置不正确，导致双方无法互相理解。如绑定的协议不一致，有的用TCP/IP，有的用IPX等等，或者超时时间太短（此时间与Ethernet无关），以致于响应包还在路上，就宣布网络寻找结束，没有发现××用户。这个时间不是由Ethernet控制的，是由计算机操作系统控制的，如果某些计算机正在执行某些操作而不响应NIC的中断，它自然无法处理该广播包，从而使用户A看不到某些计算机。

4．此外，与HUB相连的计算机的工作模式（即Half-duplex，或Full-duplex）必须与HUB一致。HUB只能工作于半双工，计算机网卡也必须设为半双工（或自动方式），当然速率也必须一致，否则计算机发出的响应包也可能到达不了用户A，从而导致看不到用户。

5、请参阅“Windows 95/98对等网的浏览”一文的内容。

HUB工作原理：①

HUB从某一端口A将收到的包发送到所有端口

HUB工作原理：②

非广播包时，地址与包目的MAC地址相同的站响应用户A

HUB工作原理：③

广播包时，所有用户都响应用户A

图2 Ethernet HUB工作特点

以太网 - 维基百科，自由的百科全书

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序言

1历史

2概述

3CSMA/CD共享介质以太网

4以太网中继器和集线器

5桥接和交换

6类型

开关类型子章节

6.1早期的以太网

6.210Mbps以太网

6.3100Mbps以太网（快速以太网）

6.41Gbps以太网

6.510Gbps以太网

6.6100Gbps以太网

7参考文献

8参见

9外部链接

开关目录

以太网

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虚拟专用网（VPN）

云端（英语：Internet area network）

互联网

星际互联网（IPN）

查论编

“Ethernet”的各地常用名称笔记本电脑上已插上网路线的以太网接口中国大陆以太网台湾乙太网路

以太网（英语：Ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。

以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch hub）来进行网络连接和组织。如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。

历史[编辑]

互联网协议套组

应用层

BGP

DHCP

DNS

FTP

HTTP

HTTPS

IMAP

LDAP

MGCP（英语：Media Gateway Control Protocol）

MQTT

NNTP

NTP

POP

ONC/RPC

RTP

RTSP

SIP

SMTP

SNMP

Telnet

TLS／SSL

SSH

XMPP

更多...

传输层

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UDP

DCCP

SCTP

RSVP

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网络层

IPv4

IPv6

ICMP

ICMPv6

ECN

IGMP

OSPF

IPsec

RIP

更多...

链接层

ARP

NDP

Tunnels

L2TP

PPP

MAC

Ethernet

DSL

ISDN

FDDI

更多...

查论编

1979年，梅特卡夫为了开发个人电脑和局域网离开了施乐（Xerox），成立了3Com公司。3Com对DEC、英特尔和施乐进行游说，希望与他们一起将以太网标准化、规范化。这个通用的以太网标准于1980年9月30日提出。当时业界有两个流行的非公用网络标准令牌环网和ARCNET，在以太网浪潮的冲击下他们很快萎缩并被取代。而在此过程中，3Com也成了一个国际化的大公司。

梅特卡夫曾经开玩笑说，Jerry Saltzer为3Com的成功作出了贡献。Saltzer在一篇[哪个／哪些？]与他人合著的很有影响力的论文中指出，在理论上令牌环网要比以太网优越。受到此结论的影响，很多电脑厂商或犹豫不决或决定不把以太网接口做为机器的标准配置，这样3Com才有机会从销售以太网网卡大赚。这种情况也导致了另一种说法“以太网不适合在理论中研究，只适合在实际中应用”。也许只是句玩笑话，但这说明了这样一个技术观点：通常情况下，网络中实际的数据流特性与人们在局域网普及之前的估计不同，而正是因为以太网简单的结构才使局域网得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾经在麻省理工学院MAC项目（Project MAC）的同一层楼工作，当时他正在做自己的哈佛大学毕业论文，在此期间奠定了以太网技术的理论基础。[来源请求]

概述[编辑]

1990年代的以太网网卡或叫NIC（Network Interface Card，以太网适配器）。这张卡可以支持基于同轴电缆的10BASE2 (BNC连接器，左)和基于双绞线的10BASE-T（RJ-45，右）。

以太网实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法，每个节点必须获取电缆或者信道才能传送信息，有时也叫作以太（Ether）。这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体——光以太。每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址，以保证以太网上所有节点能互相鉴别。由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。

以太网通讯具有自相关性的特点，这对于电信通讯工程十分重要。

CSMA/CD共享介质以太网[编辑]

带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）技术规定了多台电脑共享一个通道的方法。这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet，它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网简单。当某台电脑要发送信息时，在以下行动与状态之间进行转换：

开始 - 如果线路空闲，则启动传输，否则跳转到第4步。

发送 - 如果检测到冲突，继续发送数据直到达到最小回报时间（min echo receive interval）以确保所有其他转发器和终端检测到冲突，而后跳转到第4步。

成功传输 - 向更高层的网络协议报告发送成功，退出传输模式。

线路繁忙 - 持续等待直到线路空闲。

线路空闲 - 在尚未达到最大尝试次数之前，每隔一段随机时间转到第1步重新尝试。

超过最大尝试传输次数 - 向更高层的网络协议报告发送失败，退出传输模式。

就像在没有主持人的座谈会中，所有的参加者都通过一个共同的介质（空气）来相互交谈。每个参加者在讲话前，都礼貌地等待别人把话讲完。如果两个客人同时开始讲话，那么他们都停下来，分别随机等待一段时间再开始讲话。这时，如果两个参加者等待的时间不同，冲突就不会出现。如果传输失败超过一次，将延迟指数增长时间后再次尝试。延迟的时间通过截断二进制指数后移（英语：Exponential_backoff）（truncated binary exponential backoff）算法来实现。

最初的以太网是采用同轴电缆来连接各个设备的。电脑通过一个叫做附加单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的收发器连接到电缆上。一条简单网路线对于一个小型网络来说很可靠，而对于大型网络来说，某处线路的故障或某个连接器的故障，都会造成以太网某个或多个网段的不稳定。

因为所有的通信信号都在共享线路上传输，即使信息只是想发给其中的一个终端（destination），却会使用广播的形式，发送给线路上的所有电脑。在正常情况下，网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息，接收到目标地址是自己的信息时才会向CPU发出中断请求，除非网卡处于混杂模式（Promiscuous mode）。这种“一个说，大家听”的特质是共享介质以太网在安全上的弱点，因为以太网上的一个节点可以选择是否监听线路上传输的所有信息。共享电缆也意味着共享带宽，所以在某些情况下以太网的速度可能会非常慢，比如电源故障之后，当所有的网络终端都重新启动时。

以太网中继器和集线器[编辑]

在以太网技术的发展中，以太网集线器（Ethernet Hub）的出现使得网络更加可靠，接线更加方便。

因为信号的衰减和延时，根据不同的介质以太网段有距离限制。例如，10BASE5同轴电缆最长距离500米（1,640英尺）。最大距离可以通过以太网中继器实现，中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段，但是只能有4个设备（即一个网段最多可以接4个中继器）。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题：当一段同轴电缆断开，所有这个段上的设备就无法通讯，中继器可以保证其他网段正常工作。

类似于其他的高速总线，以太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆，电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的50欧姆的电阻和散热器，如果不这么做，就会发生类似电缆断掉的情况：总线上的AC信号当到达终端时将被反射，而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突，从而使通信无法继续。中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离，增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能，可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来，这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连接。

随着应用的拓展，人们逐渐发现星型的网络拓扑结构最为有效，于是设备厂商们开始研制有多个端口的中继器。多端口中继器就是众所周知的集线器（Hub）。集线器可以连接到其他的集线器或者同轴网络。

第一个集线器被认为是“多端口收发器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使许多台具有AUI连接器的主机共享一个收发器。集线器也导致了不使用同轴电缆的小型独立以太网网段的出现。

像DEC和SynOptics这样的网络设备制造商曾经出售过用于连接许多10BASE-2细同轴线网段的集线器。

非屏蔽双绞线（unshielded twisted-pair cables , UTP）最先应用在星型局域网中，之后也在10BASE-T中应用，最后取代了同轴电缆成为以太网的标准。这项改进之后，RJ45电话接口代替了AUI成为电脑和集线器的标准线路，非屏蔽3类双绞线/5类双绞线成为标准载体。集线器的应用使某条电缆或某个设备的故障不会影响到整个网络，提高了以太网的可靠性。双绞线以太网把每一个网段点对点地连起来，这样终端就可以做成一个标准的硬件，解决了以太网的终端问题。

采用集线器组网的以太网尽管在物理上是星型结构，但在逻辑上仍然是总线型的，半双工的通信方式采用CSMA/CD的冲突检测方法，集线器对于减少数据包冲突的作用很小。每一个数据包都被发送到集线器的每一个端口，所以带宽和安全问题仍没有解决。集线器的总传输量受到单个连接速度的限制（10或100 Mbit/s），这还是考虑在前同步码、传输间隔、标头、档尾和封装上都是最小花费的情况。当网络负载过重时，冲突也常常会降低传输量。最坏的情况是，当许多用长电缆组成的主机传送很多非常短的帧(frame)时，可能因冲突过多导致网络的负载在仅50%左右程度就满载。为了在冲突严重降低传输量之前尽量提高网络的负载，通常会先做一些设定以避免类似情况发生。

桥接和交换[编辑]

尽管中继器在某些方面分隔了以太网网段，使得电缆断线的故障不会影响到整个网络，但它向所有的以太网设备转发所有的数据。这严重限制了同一个以太网网络上可以相互通信的机器数量。为了减轻这个问题，桥接方法被采用，在工作在物理层的中继器之基础上，桥接工作在数据链路层。通过网桥时，只有格式完整的数据包才能从一个网段进入另一个网段；冲突和数据包错误则都被隔离。通过记录分析网络上设备的MAC地址，网桥可以判断它们都在什么位置，这样它就不会向非目标设备所在的网段传递数据包。像生成树协议这样的控制机制可以协调多个交换机共同工作。

早期的网桥要检测每一个数据包，因此当同时处理多个端口的时候，数据转发比Hub（中继器）来得慢。1989年网络公司Kalpana发明了EtherSwitch，第一台以太网交换机。以太网交换机把桥接功能用硬件实现，这样就能保证转发数据速率达到线速。

大多数现代以太网用以太网交换机代替Hub。尽管布线方式和Hub以太网相同，但交换式以太网比共享介质以太网有很多明显的优势，例如更大的带宽和更好的异常结果隔离设备。交换网络典型的使用星型拓扑，虽然设备在半双工模式下运作时仍是共享介质的多节点网，但10BASE-T和以后的标准皆为全双工以太网，不再是共享介质系统。

交换机启动后，一开始也和Hub一样，转发所有数据到所有端口。接下来，当它记录了每个端口的地址以后，他就只把非广播数据发送给特定的目的端口。因此线速以太网交换可以在任何端口对之间实现，所有端口对之间的通讯互不干扰。

因为数据包一般只是发送到他的目的端口，所以交换式以太网上的流量要略微小于共享介质式以太网。然而，交换式以太网仍然是不安全的网络技术，因为它很容易因为ARP欺骗或者MAC满溢而瘫痪，同时网络管理员也可以利用监控功能抓取网络数据包。

当只有简单设备（除Hub之外的设备）连接交换机端口时，整个网络可能处于全双工模式。如果一个网段只有2个设备，那么冲突探测也不需要了，两个设备可以随时收发数据。这时总带宽是链路的2倍，虽然双方的带宽相同，但没有发生冲突就意味着几乎能利用到100%的带宽。

交换机端口和所连接的设备必须使用相同的双工设置。多数100BASE-TX和1000BASE-T设备支持自动协商特性，即这些设备通过信号来协调要使用的速率和双工设置。然而，如果自动协商功能被关闭或者设备不支持，则双工设置必须通过自动检测进行设置或在交换机端口和设备上都进行手工设置以避免双工错配——这是以太网问题的一种常见原因（设备被设置为半双工会报告迟发冲突，而设备被设为全双工则会报告runt）。许多较低层级的交换机没有手工进行速率和双工设置的能力，因此端口总是会尝试进行自动协商。当启用了自动协商但不成功时（例如其他设备不支持），自动协商会将端口设置为半双工。速率是可以自动感测的，因此将一个10BASE-T设备连接到一个启用了自动协商的10/100交换端口上时将可以成功地创建一个半双工的10BASE-T连接。但是将一个配置为全双工100Mb工作的设备连接到一个配置为自动协商的交换端口时（反之亦然）则会导致双工错配。

即使电缆两端都设置成自动速率和双工模式协商，错误猜测还是经常发生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差于预期，应该查看一下是否有计算机设置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置为100Mbit，则可以手动强制设置成正确模式。

当两个节点试图用超过电缆最高支持数据速率（例如在3类线上使用100Mbps或者3类/5类线使用1000Mbps）通信时就会发生问题。不像ADSL或者传统的拨号Modem通过详细的方法检测链路的最高支持数据速率，以太网节点只是简单的选择两端支持的最高速率而不管中间线路，因此如果速率过高就会导致链路失效。解决方案为强制通讯端降低到电缆支持的速率。

类型[编辑]

除了以上提到的不同帧类型以外，各类以太网的差别仅在速率和配线。因此，同样的网络协议栈软件可以在大多数以太网上执行。

以下的章节简要综述了不同的正式以太网类型。除了这些正式的标准以外，许多厂商因为一些特殊的原因，例如为了支持更长距离的光纤传输，而制定了一些专用的标准。

很多以太网卡和交换设备都支持多速率，设备之间通过自动协商设置最优的连接速度和双工方式。如果协商失败，多速率设备就会探测另一方使用的速率但是默认为半双工方式。10/100以太网端口支持10BASE-T和100BASE-TX。10/100/1000支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。

部分以太网类型[1]

速度

常用名称

非正式的IEEE标准名称

正式的IEEE标准名称

线缆类型

最大传输距离

10Mbps

以太网

10BASE-T

802.3

双绞线

100m

100Mbps

快速以太网

100BASE-T

802.3u

双绞线

100m

1Gbps

吉比特以太网

1000BASE-LX

802.3z

光纤

5000m

1Gbps

吉比特以太网

1000BASE-T

802.3ab

双绞线

100m

10Gbps

10吉比特以太网

10GBASE-T

802.3an

双绞线

100m

早期的以太网[编辑]

参见：兆比特以太网

施乐以太网（Xerox Ethernet，又称“全录以太网”）──是以太网的雏型。最初的2.94Mbit/s以太网仅在施乐公司里内部使用。而在1982年，Xerox与DEC及Intel组成DIX联盟，并共同发表了Ethernet Version 2（EV2）的规格，并将它投入商场市场，且被普遍使用。而EV2的网络就是目前受IEEE承认的10BASE5。[2]

10BROAD36 ──已经过时。一个早期的支持长距离以太网的标准。它在同轴电缆上使用，以一种类似线缆调制解调器系统的宽带调制技术。

1BASE5 ──也称为星型局域网，速率是1Mbit/s。在商业上很失败，但同时也是双绞线的第一次使用。

10Mbps以太网[编辑]

10BASE-T电缆

参见：十兆以太网

10BASE5（又称粗缆（Thick Ethernet）或黄色电缆）──最早实现10 Mbit/s以太网。早期IEEE标准，使用单根RG-11同轴电缆，最大距离为500米，并最多可以连接100台电脑的收发器，而缆线两端必须接上50欧姆的终端电阻。接收端通过所谓的“插入式分接头”插入电缆的内芯和屏蔽层。在电缆终结处使用N型连接器。尽管由于早期的大量布设，到现在还有一些系统在使用，这一标准实际上被10BASE2取代。

10BASE2（又称细缆（Thin Ethernet）或模拟网络）── 10BASE5后的产品，使用RG-58同轴电缆，最长转输距离约200米（实际为185米），仅能连接30台计算机，计算机使用T型适配器连接到带有BNC连接器的网卡，而线路两头需要50欧姆的终结器。虽然在能力、规格上不及10BASE5，但是因为其线材较细、布线方便、成本也便宜，所以得到更广泛的使用，淘汰了10BASE5。由于双绞线的普及，它也被各式的双绞线网络取代。

StarLAN ──第一个双绞线上实现的以太网络标准10 Mbit/s。后发展成10BASE-T。

10BASE-T ──使用3类双绞线、4类双绞线、5类双绞线的4根线（两对双绞线）100米。以太网集线器或以太网交换机位于中间连接所有节点。

FOIRL ──光纤中继器链路。光纤以太网络原始版本。

10BASE-F ── 10Mbps以太网光纤标准通称，2公里。只有10BASE-FL应用比较广泛。

10BASE-FL ── FOIRL标准一种升级。

10BASE-FB ──用于连接多个Hub或者交换机的骨干网技术，已废弃。

10BASE-FP ──无中继被动星型网，没有实际应用的案例。

100Mbps以太网（快速以太网）[编辑]

参见：百兆以太网

快速以太网（Fast Ethernet）为IEEE在1995年发表的网络标准，能提供达100Mbps的传输速度。[2]

100BASE-T -- 下面三个100 Mbit/s双绞线标准通称，最远100米。

100BASE-TX -- 类似于星型结构的10BASE-T。使用2对电缆，但是需要5类电缆以达到100Mbit/s。

100BASE-T4 -- 使用3类电缆，使用所有4对线，半双工。由于5类线普及，已废弃。

100BASE-T2 -- 无产品。使用3类电缆。支持全双工使用2对线，功能等效100BASE-TX，但支持旧电缆。

100BASE-FX -- 使用多模光纤，最远支持400米，半双工连接（保证冲突检测），2km全双工。

100VG AnyLAN -- 只有惠普支持，VG最早出现在市场上。需要4对三类电缆。也有人怀疑VG不是以太网。

苹果的千兆以太网络接口

1Gbps以太网[编辑]

参见：吉比特以太网

1000BASE-SX的光信号与电气信号转换器

1000BASE-T -- 1 Gbit/s介质超五类双绞线或6类双绞线。

1000BASE-SX -- 1 Gbit/s多模光纤（取决于频率以及光纤半径，使用多模光纤时最长距离在220M至550M之间）。[3]

1000BASE-LX -- 1 Gbit/s多模光纤（小于550M）、单模光纤（小于5000M）。[4]

1000BASE-LX10 -- 1 Gbit/s单模光纤（小于10KM）。长距离方案

1000BASE-LHX --1 Gbit/s单模光纤（10KM至40KM）。长距离方案

1000BASE-ZX --1 Gbit/s单模光纤（40KM至70KM）。长距离方案

1000BASE-CX -- 铜缆上达到1Gbps的短距离（小于25 m）方案。早于1000BASE-T，已废弃。

10Gbps以太网[编辑]

参见：10吉比特以太网

新的万兆以太网标准包含7种不同类型，分别适用于局域网、城域网和广域网。目前使用附加标准IEEE 802.3ae，将来会合并进IEEE 802.3标准。

10GBASE-CX4 -- 短距离铜缆方案用于InfiniBand 4x连接器和CX4电缆，最大长度15米。

10GBASE-SR -- 用于短距离多模光纤，根据电缆类型能达到26-82米，使用新型2GHz多模光纤可以达到300米。

10GBASE-LX4 -- 使用波分复用支持多模光纤240－300米，单模光纤超过10公里。

10GBASE-LR和10GBASE-ER -- 通过单模光纤分别支持10公里和40公里

10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW。用于广域网PHY、OC-192 / STM-64 同步光纤网/SDH设备。物理层分别对应10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER，因此使用相同光纤支持距离也一致。（无广域网PHY标准）

10GBASE-T -- 使用屏蔽或非屏蔽双绞线，使用CAT-6A类线至少支持100米传输。CAT-6类线也在较短的距离上支持10GBASE-T。

100Gbps以太网[编辑]

参见：100吉比特以太网

新的40G/100G以太网标准在2010年中制定完成，包含若干种不同的节制类型。目前使用附加标准IEEE 802.3ba。

40GBASE-KR4 -- 背板方案，最少距离1米。

40GBASE-CR4 / 100GBASE-CR10 -- 短距离铜缆方案，最大长度大约7米。

40GBASE-SR4 / 100GBASE-SR10 -- 用于短距离多模光纤，长度至少在100米以上。

40GBASE-LR4 / 100GBASE-LR10 -- 使用单模光纤，距离超过10公里。

100GBASE-ER4 -- 使用单模光纤，距离超过40公里。

参考文献[编辑]

^ Wendell Odom. CCENT/CCNA ICND1 100-105 Official Cert Guide. Cisco Press. 2016: 43页. ISBN 978-1-58720-580-4.

^ 2.0 2.1 Internet协议观念与实现ISBN 9577177069

^ IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-2 p.109

^ IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-6 p.111

参见[编辑]

5类双绞线

RJ45

Power over Ethernet

MII and PHY

网络唤醒

1G以太网

10G以太网

100G以太网

1000G以太网

虚拟局域网

生成树协议

通讯

Internet

以太网帧格式

外部链接[编辑]

IEEE 802.3 2002年标准（页面存档备份，存于互联网档案馆）

万兆以太网（页面存档备份，存于互联网档案馆）

以太网帧格式（页面存档备份，存于互联网档案馆）

万兆IP以太网白皮书

千兆以太网(1000BaseT)（页面存档备份，存于互联网档案馆）

查论编局域网技术之以太网家族速度

10Mbit/s

双绞线以太网

100Mbit/s

1Gbit/s

2.5和5Gbit/s

10Gbit/s

25和50Gbit/s（英语：25 Gigabit Ethernet）

40和100Gbit/s

200Gbit/s和400Gbit/s

常规

IEEE 802.3

以太网物理层（英语：Ethernet physical layer）

自动协商（英语：Autonegotiation）

以太网供电

以太类型

以太网联盟（英语：Ethernet Alliance）

流控制

帧

巨型帧

历史

CSMA/CD

StarLAN（英语：StarLAN）

10BROAD36（英语：10BROAD36）

10BASE-FB（英语：10BASE-FB）

10BASE-FL（英语：10BASE-FL）

10BASE5（英语：10BASE5）

10BASE2（英语：10BASE2）

100BaseVG（英语：100BaseVG）

LattisNet（英语：LattisNet）

长距离（英语：Long Reach Ethernet）

应用程序

音频（英语：Audio over Ethernet）

运营商（英语：Carrier Ethernet）

数据中心（英语：Data center bridging）

高能效以太网

第一英里（英语：Ethernet in the first mile）

10G-EPON（英语：10G-EPON）

工业以太网

以太网供电

同步（英语：Synchronous Ethernet）

收发器

MAU（英语：Medium Attachment Unit）

GBIC

SFP

XENPAK

XFP

SFP+

QSFP（英语：QSFP）

CFP（英语：C Form-factor Pluggable）

接口

AUI（英语：Attachment Unit Interface）

MDI

MII

GMII

XGMII

XAUI

分类

维基共享

查论编互联网访问有线网络

线缆（英语：Cable Internet access）

拨号

DOCSIS

DSL

以太网

FTTx

G.hn（英语：G.hn）

HD-PLC

HomePlug

HomePNA（英语：HomePNA）

IEEE 1901（英语：IEEE 1901）

ISDN

MoCA（英语：Multimedia over Coax Alliance）

PON

电力线

宽带

无线个人局域网

蓝牙

Li-Fi

无线USB

无线局域网

Wi-Fi

无线广域网

DECT

EV-DO

GPRS

HSPA

HSPA+

iBurst（英语：iBurst）

LTE

MMDS

Muni Wi-Fi

WiMAX

WiBro

卫星上网

查论编IEEE标准当前标准

488

754

Revision（英语：IEEE 754 revision）

829

830

1003

1014-1987（英语：VMEbus）

1016

1076

1149.1

1164（英语：IEEE 1164）

1219

1233

1275（英语：Open Firmware）

1278（英语：Distributed Interactive Simulation）

1284（英语：IEEE 1284）

1355（英语：IEEE 1355）

1364

1394

1451（英语：IEEE 1451）

1471（英语：IEEE 1471）

1491

1516（英语：High-level architecture (simulation)）

1541-2002

1547（英语：IEEE 1547）

1584（英语：IEEE 1584）

1588（英语：Precision Time Protocol）

1596（英语：Scalable Coherent Interface）

1603（英语：IEEE 1603）

1613（英语：IEEE 1613）

1667（英语：IEEE 1667）

1675（英语：IEEE 1675-2008）

1685（英语：IP-XACT）

1800

1801（英语：Unified Power Format）

1900（英语：DySPAN）

1901（英语：IEEE 1901）

1902（英语：RuBee）

11073（英语：ISO/IEEE 11073）

12207（英语：IEEE 12207）

2030（英语：IEEE 2030）

14764

16085

16326

42010（英语：ISO/IEC 42010）

802系列802.1

Qat（英语：Stream Reservation Protocol）

Qay（英语：Provider Backbone Bridge Traffic Engineering）

AE（英语：IEEE 802.1AE）

ag（英语：IEEE 802.1ag）

ah（英语：IEEE 802.1ah-2008）

ak（英语：Multiple Registration Protocol）

802.11

Legacy

d（英语：IEEE 802.11d-2001）

e（英语：IEEE 802.11e-2005）

f（英语：Inter-Access Point Protocol）

h（英语：IEEE 802.11h-2003）

i（英语：IEEE 802.11i-2004）

j（英语：IEEE 802.11j-2004）

k（英语：IEEE 802.11k-2008）

n (Wi-Fi 4)

u（英语：IEEE 802.11u）

v（英语：IEEE 802.11v）

w（英语：IEEE 802.11w-2009）

y（英语：IEEE 802.11y-2008）

ac (Wi-Fi 5)

ad (WiGig)

ax (Wi-Fi 6)

ay (WiGig 2)

be (Wi-Fi 7)

.6（英语：IEEE 802.6）

.7（英语：IEEE 802.7）

.9（英语：IEEE 802.9）

.10（英语：IEEE 802.10）

.12（英语：IEEE 802.12）

.15

.15.4（英语：IEEE 802.15.4）

.15.4a（英语：IEEE 802.15.4a）

.16

.18（英语：IEEE 802.18）

.20（英语：IEEE 802.20）

.21（英语：IEEE 802.21）

.22建议标准

P1363（英语：IEEE P1363）

P1619

P1823（英语：Universal Power Adapter for Mobile Devices）

过时标准

754-1985（英语：IEEE 754-1985）

854-1987（英语：IEEE 854-1987）

另见

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传统以太网中的——中继器及集线器 - 知乎

传统以太网中的——中继器及集线器 - 知乎切换模式写文章登录/注册传统以太网中的——中继器及集线器小佛爷修罗道一个每个月必须爬山的懒人！1.1 Repeater 中继器中继器工作在以太网的第一层即物理层，两端口设备，主要功能是放大信号，从而延长信号在同一网络上传输的长度。中继器的存在主要是解决解决电信号长距离传播过程中的衰减问题，以增加信号强度和传播距离。 Figure 1：the view of Repeater in the Ethernet 例如：两节点之间的距离很远的时候无法实现直接的对接，电信号衰减过大的时候需要repeater作为中继设备来增强电信号实现远距离的电信号的传播。基于以上的原理在车载以太网上会有一定的应用价值，但是整车结构造成了节点的距离一般不会超过6m，因此应用的普及型不是很大，对于距离较远的sensor之间的通讯有可能会采用。1.2以太网-Ethernet-HUB Ethernet-HUB的中文名称叫做以太网集线器，HUB工作在以太网的第一层即物理层，其基本工作原理是广播技术（broadcast），也就是HUB从任何一个端口收到一个以太网数据帧后，它都将此以太网数据帧广播到其它所有端口，HUB工作在物理层对MAC地址没有识别功能，也就是说HUB不记忆哪一个MAC地址挂在哪一个端口——这里所说的广播是指HUB将该以太网数据帧发送到所有其它端口，并不是指HUB将该报文改变为广播报文。可以理解HUB从一个端口接收信息后数据传播到所有的其他节点，传播方式可以认同为交换机的广播泛洪方式。 Figure 2：the function view of HUB 如上例子：节点A发送数据到HUB后，HUB会将信息全部泛洪到所有节点，这就完成了HUB的工作。它的缺陷主要表现在以下几个方面：1) 冲突严重——HUB对所连接的局域网只作信号的中继，所有物理设备构成了一个冲突域；2) 广播泛滥，带宽占用严重；3) HUB都有碰撞检测功能，只能支持半双工工作过程，在一个节点的信号输入过程，其他节点保持沉默等待HUB的信号输入读取；车载以太网采用全双工工作方式，因此HUB在车载系统中就没有使用的意义，也就基本上不存在车载系统中。•电话：13524416001 •邮箱：13524416001@163.com•知乎：小佛爷修罗场 •领英：feynman,yang•微信：y52542012发布于 2019-07-06 11:56以太网（Ethernet）车载系统自动驾驶赞同 4添加评论分享喜欢收藏申请

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