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以太网和局域网

news 2025/11/10 14:23:01

计算机网络的定义

计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机，通过通信设备与线路连接起来，由根据协议编写的软件来实现的资源共享和信息传递的系统

计算机网络的分类

广域网是互联网的核心部分

局域网

  • 常见的局域网拓扑结构有4大类：星形结构、环形结构、总线形结构、星形总线形复合型结构
  • 局域网可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等多种传输介质，其中双绞线是主流
  • 局域网的分类如下图，最常用的局域网是以太网，现在以太网已经成为了局域网的同义词。其逻辑拓扑是总线型结构，物理拓扑是星形或拓展星形结构

  • IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应OS1参考模型的数据链路层与物理层。为了使数据链路层能更好的适应多种局域网标准，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层
  • LLC子层与传输媒体无关 ，主要功能：①负责识别网络层协议，为网络层提供服务：无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送②建立和释放数据链路层的逻辑连接，给帧加序号③LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理
  • MAC子层与传输媒体有关，主要功能：①数据帧的封装/卸装，②帧的寻址和识别③帧的接收与发送④链路的管理，竞争处理、帧的差错控制⑤MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性
  • 目前使用最多的局域网只剩下DIX Ethernet V2(以太网)，而不是IEEE802委员会制定的以太网。IEEE802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC(即IEEE802.2标准)的作用已经消失了，很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议而没有LLC协议

以太网

两个以太网标准

如果每个站到集线器的距离太远，主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常工作

以太网的MAC帧(V2帧和802.3帧)

以太网 V2 的MAC帧格式如下

  • 严格来说，以太网应当是指符合DIX Ethernet V2标准(第一个以太网规约)的局域网，但DIX Ethernet V2标准与IEEE802.3标准只有很小的差别(帧格式有点不同)，实际通常将802.3局域网称为以太网。个人觉得，其实两个标准都可以称为以太网，这两个标准是兼容的
  • 以太网使用CSMA/CD协议对总线进行访问控制
  • CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)：载波监听多点接入/碰撞检测
  • 最短帧长的提出是要求发送时延必须 大于往返传播时延，这样才能够在发完数据之前检测到冲突

    网卡

  • 计算机通过适配器和局域网进行通信，适配器的作用：进行数据串行/并行转换 ，对数据进行缓存 、实现以太网协议(介质访问控制等)
  • 适配器的过滤功能如下图
  • 全世界每块网卡在出厂时都有一个唯一的代码，称为MAC地址(Medium Access Control，介质访问控制)，数据链路层设备(网桥、交换机等)都使用MAC地址
  • 在同一个局域网中，每台设备必须有唯一的硬件地址。如果在同一个局域网中的两个设备有相同地址，那么两台设备都无法正常通信
  • 以太网采用两项重要措施简化通信：①采用无连接的工作方式②发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码
  • 传统以太网使用同轴电缆，采用总线形拓扑，1990年IEEE 制定出采用双绞线的星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i
  • 100BASE-T中的100指数据传输速率为100Mb/s，BASE是基带传输，T是传输介质为两对UTP双绞线(twist-pair)，100BASE-T和10BASE-T每段双绞线最大传输距离都是100米。目前百兆网通常都是5类UTP，只有千兆网及以上才使用6类UTP。可支持共享式组网（集线器组网）和交换式组网（交换机组网）
  • 前导码：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，由硬件在帧的前面插入 8 字节。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。第二个字段 1 个字节是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧
  • 地址：6字节(48bit)的MAC地址
  • 类型：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
  • 数据：正式名称是MAC客户数据字段。由于CSMA/CD算法的限制，以太网帧最短帧长为64字节，由于首部和尾部加起来有18字节，所以数据字段的最小长度为46字节，不够46字节需要填充。数据字段的最大长度为1500B，是规定的，称为MTU(最大传送单元)(有效的 MAC 帧长度为 64-1518 字节之间)
  • FCS(Frame Check Sequence，帧校验序列)：校验范围从目的地址段开头到数据段末尾，算法采用32位循环冗余码
  • MAC帧并不需要帧结束符，因为以太网在传送帧时，各帧之间必须有一定的间隙，因此，接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续到达的比特流就都属于同一个MAC帧。但不要误以为以太网MAC帧不需要尾部，在数据链路层上，帧即有尾部又有首部。FCS就是以太网帧的尾部

  • IEEE802.3MAC帧与以太网V2MAC帧格式的区别：长度域指出数据字段的长度

以太网的拓展

用集线器扩展

用集线器扩展的以太网增大了冲突域

光纤调制解调器的作用就是进行电信号和光信号的转换

用交换机拓展

用网桥或交换机拓展的以太网隔离了冲突域

从总线以太网到星形以太网

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