以太網：IEEE 802.3 局域網協議
摘要：以太網協議是由一組 IEEE 802.3 標準定義的局域網協議集。在以太網標準中，有兩種操作模式：半雙工和全雙工。半雙工模式中，數據是通過在共享介質上采用載波監聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）協議實現傳輸的。它的主要缺點在于有效性和距離限制，鏈路距離受最小 MAC 幀大小的限制。該限制極大的降低了其高速傳輸的有效性。因此，引入了載波擴展技術來確保千兆位以太網中 MAC 幀的最小長度為 512 字節，從而達到了合理的鏈路距離要求。
當前定義在光纖和雙絞線上的傳輸速率有四種：
1．10 Mbps － 10Base-T 以太網
2．100 Mbps － 快速以太網
3．1000 Mbps － 千兆位以太網（802.3z）
4．10 千兆位以太網 － IEEE 802.3ae
本文我們主要討論以太網的總體概況。有關快速以太網、千兆位以太網以及 10 千兆位以太網的具體內容將在其它文檔中另作介紹。
以太網系統由三個基本單元組成：
1. 物理介質，用于傳輸計算機之間的以太網信號；
2. 介質訪問控制規則，嵌入在每個以太網接口處，從而使得計算機可以公平的使用共享以太網信道；
3. 以太幀，由一組標準比特位構成，用于傳輸數據。
在所有 IEEE 802 協議中，ISO 數據鏈路層被劃分為兩個 IEEE 802 子層，介質訪問控制（MAC）子層和 MAC － 客戶端子層。IEEE 802.3 物理層對應于 ISO 物理層。
MAC 子層有兩個基本職能：
1．數據封裝，包括傳輸之前的幀組合和接收中、接收后的幀解析 / 差錯檢測。
2．介質訪問控制，包括幀傳輸初始化和傳輸失敗恢復。
介質訪問控制（MAC）－ 客戶端子層可能是以下一種：
1．邏輯鏈路控制（LLC），提供終端協議棧的以太網 MAC 和上層之間的接口，其中 LLC 由 IEEE 802.2 標準定義。
2．網橋實體，提供 LANs 之間的 LAN-to-LAN 接口，可以使用同種協議（如以太網到以太網）和不同的協議（如以太網到令牌環）之間。網橋實體由 IEEE 802.1 標準定義。
以太網上的每臺計算機都能獨立運行，不存在中心控制器。連接到以太網的所有工作站都接入共享信令系統，又稱為介質。要發送數據時，工作站首先監聽信道，如果信道空閑，即可以以太幀或數據包格式傳輸數據。
每幀傳輸完畢之后，各工作站必須公平爭取下一幀的傳輸機會。對于共享信道的訪問取決于嵌入到每個工作站的以太網接口的介質訪問控制機制。該機制建立在載波監聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）基礎上。
當以太幀發送到共享信道后，所有以太網接口查看它的目標地址。如果幀目標地址與接口地址相匹配，那么該幀就能被全部讀取并且被發送到那臺計算機的網絡軟件上。如果發現幀目標地址與它們本身的地址不匹配時，則停止幀讀取操作。
信號如何通過組成以太網系統的各個介質段有助于我們掌握系統拓樸結構。以太網的信號拓樸是一種邏輯拓樸，用來區別介質電纜的實際物理布局。以太網的邏輯拓樸結構提供了一條單一信道（或總線）用于傳送以太網信號到所有工作站。
多個以太網段可以鏈接在一起構成一個較大的以太網，這通過一種能夠放大信號和重新計時的叫做中繼器的設備實現。通過中繼器，多段以太網系統可以像“無根分支樹”（non-rooted branching tree）一樣擴展?！盁o根”意味著系統在任意方向上都可以生成鏈接段，且沒有特定的根段。最重要的是，各段的連接不能形成環路。系統的每個段必須具有兩個終端，這是由于以太網系統在環路路徑上不能正確運行。
即使介質段以星形模式物理連接，且許多段都接在中繼器上，但是它的邏輯拓樸結構仍就是通過以太網單信道傳送信號至所有工作站。
協議結構
10/100 Mbps 以太網中的基本 IEEE 802.3 MAC 數據格式如下：
1．Preamble（Pre） ― 7字節。Pre 字段中1和0交互使用，接收站通過該字段知道導入幀，并且該字段提供了同步化接收物理層幀接收部分和導入比特流的方法。
2．Start-of-Frame Delimiter（SFD） ― 1字節。字段中1和0交互使用，結尾是兩個連續的1，表示下一位是利用目的地址的重復使用字節的重復使用位。
3．Destination Address（DA） ― 6字節。DA 字段用于識別需要接收幀的站。
4．Source Addresses（SA） ― 6字節。SA 字段用于識別發送幀的站。
5．Length/Type ― 2字節。如果是采用可選格式組成幀結構時，該字段既表示包含在幀數據字段中的 MAC 客戶機數據大小，也表示幀類型 ID。
6．Data ― 是一組 n（46=< n =<1500）字節的任意值序列。幀總值最小為64字節。
7．Frame Check Sequence（FCS） ― 4字節。該序列包括32位的循環冗余校驗（CRC）值，由發送 MAC 方生成，通過接收 MAC 方進行計算得出以校驗被破壞的幀。
當前定義在光纖和雙絞線上的傳輸速率有四種：
1．10 Mbps － 10Base-T 以太網
2．100 Mbps － 快速以太網
3．1000 Mbps － 千兆位以太網（802.3z）
4．10 千兆位以太網 － IEEE 802.3ae
本文我們主要討論以太網的總體概況。有關快速以太網、千兆位以太網以及 10 千兆位以太網的具體內容將在其它文檔中另作介紹。
以太網系統由三個基本單元組成：
1. 物理介質，用于傳輸計算機之間的以太網信號；
2. 介質訪問控制規則，嵌入在每個以太網接口處，從而使得計算機可以公平的使用共享以太網信道；
3. 以太幀，由一組標準比特位構成，用于傳輸數據。
在所有 IEEE 802 協議中，ISO 數據鏈路層被劃分為兩個 IEEE 802 子層，介質訪問控制（MAC）子層和 MAC － 客戶端子層。IEEE 802.3 物理層對應于 ISO 物理層。
MAC 子層有兩個基本職能：
1．數據封裝，包括傳輸之前的幀組合和接收中、接收后的幀解析 / 差錯檢測。
2．介質訪問控制，包括幀傳輸初始化和傳輸失敗恢復。
介質訪問控制（MAC）－ 客戶端子層可能是以下一種：
1．邏輯鏈路控制（LLC），提供終端協議棧的以太網 MAC 和上層之間的接口，其中 LLC 由 IEEE 802.2 標準定義。
2．網橋實體，提供 LANs 之間的 LAN-to-LAN 接口，可以使用同種協議（如以太網到以太網）和不同的協議（如以太網到令牌環）之間。網橋實體由 IEEE 802.1 標準定義。
以太網上的每臺計算機都能獨立運行，不存在中心控制器。連接到以太網的所有工作站都接入共享信令系統，又稱為介質。要發送數據時，工作站首先監聽信道，如果信道空閑，即可以以太幀或數據包格式傳輸數據。
每幀傳輸完畢之后，各工作站必須公平爭取下一幀的傳輸機會。對于共享信道的訪問取決于嵌入到每個工作站的以太網接口的介質訪問控制機制。該機制建立在載波監聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）基礎上。
當以太幀發送到共享信道后，所有以太網接口查看它的目標地址。如果幀目標地址與接口地址相匹配，那么該幀就能被全部讀取并且被發送到那臺計算機的網絡軟件上。如果發現幀目標地址與它們本身的地址不匹配時，則停止幀讀取操作。
信號如何通過組成以太網系統的各個介質段有助于我們掌握系統拓樸結構。以太網的信號拓樸是一種邏輯拓樸，用來區別介質電纜的實際物理布局。以太網的邏輯拓樸結構提供了一條單一信道（或總線）用于傳送以太網信號到所有工作站。
多個以太網段可以鏈接在一起構成一個較大的以太網，這通過一種能夠放大信號和重新計時的叫做中繼器的設備實現。通過中繼器，多段以太網系統可以像“無根分支樹”（non-rooted branching tree）一樣擴展?！盁o根”意味著系統在任意方向上都可以生成鏈接段，且沒有特定的根段。最重要的是，各段的連接不能形成環路。系統的每個段必須具有兩個終端，這是由于以太網系統在環路路徑上不能正確運行。
即使介質段以星形模式物理連接，且許多段都接在中繼器上，但是它的邏輯拓樸結構仍就是通過以太網單信道傳送信號至所有工作站。
協議結構
10/100 Mbps 以太網中的基本 IEEE 802.3 MAC 數據格式如下：
|
7 |
1 |
6 |
6 |
2 |
46-1500 bytes |
4 bytes |
|
Pre |
SFD |
DA |
SA |
Length Type |
Data unit + pad |
FCS |
2．Start-of-Frame Delimiter（SFD） ― 1字節。字段中1和0交互使用，結尾是兩個連續的1，表示下一位是利用目的地址的重復使用字節的重復使用位。
3．Destination Address（DA） ― 6字節。DA 字段用于識別需要接收幀的站。
4．Source Addresses（SA） ― 6字節。SA 字段用于識別發送幀的站。
5．Length/Type ― 2字節。如果是采用可選格式組成幀結構時，該字段既表示包含在幀數據字段中的 MAC 客戶機數據大小，也表示幀類型 ID。
6．Data ― 是一組 n（46=< n =<1500）字節的任意值序列。幀總值最小為64字節。
7．Frame Check Sequence（FCS） ― 4字節。該序列包括32位的循環冗余校驗（CRC）值，由發送 MAC 方生成，通過接收 MAC 方進行計算得出以校驗被破壞的幀。
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