12 以太网基本概念及原理.docx

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12以太网基本概念及原理

课程BA000007

以太网技术

ISSUE1.0

HuaweiTechnologies

课程说明

课程介绍

本课程是宽带网络产品工程师培训的公共课程。

本课程较全面的介绍了以太网的相关知识，包括以太网的物理层、数据链路层、VLAN、千兆以太网、生成树协议等等。

课程目标

完成本课程学习，学员能够：

●了解以太网物理层的工作过程

●了解二层组播协议和生成树协议的工作过程

●掌握802.1Q帧格式和各个字段的含义

●掌握以太网口自协商的原理。

第1章概述

自从1946年第一台数字计算机问世到现在，经历了半个多世纪的时间。

在这半个世纪的里程中，计算机技术的发展大体经历了三个成熟的阶段：

第一个阶段是大型机时代，典型的是运行UNIX操作系统的大型计算机，该机器带很多终端，每个用户占用一个终端，大型机采用分时的技术为每个终端轮流服务，在用户看来自己单独享用了一个完整的计算机，这种体系结构主要用于科研机构来进行大量的数学运算。

第二个阶段是客户服务器阶段，也就是所谓的C/S结构。

最有代表性的是NOVELL公司的NetWare操作系统，这个系统分为服务器和客户机两部分，服务器软件安装在一台性能比较高的服务器上，客户机软件则安装在工作中终端上（一般是基于DOS操作系统的PC机），这些服务器和客户机通过网络连接起来，达到文件和数据库共享的目的，后来的WINDOWSNT也是基于这样的体系结构，但是在软件上引入了一些分布式的处理体系。

第三个阶段，也就是目前所处的阶段，是网络阶段。

这个阶段的特点是，计算机之间的互连越来越复杂，不但互连的速度有很大提高（达到100M），而且在地理位置上也跨越了地域，通过高速专线把处于不同城市，甚至是不同国家的计算机网络连接起来。

这样复杂的网络对网络设备提出了很高的要求。

从上面的分析可以看出，在第二和第三阶段中，必须有一种技术来把本地的许多计算机连接起来。

这种技术就是所谓的局域网技术。

到目前为止，存在许多种局域网技术，比如令牌环，令牌总线，以太网等等。

在这些技术当中，以太网技术以其简明，高效的特点逐渐占据了主导地位。

1.1以太网技术起源

以太网技术起源于一个实验网络，该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。

由于该实验网络的成功建立和突出表现，引起了DEC，Intel，Xerox三家公司的注意，这三家公司借助该实验网络的经验，最终在1980年发布了第一个以太网协议标准建议书。

该建议书的核心思想是在一个10M带宽的共享物理介质上，把最多1024个计算机和其他数字设备进行连接，当然，这些设备之间的距离不能太大（最大2.5公里）。

之后，以太网技术在1980年建议书的基础上逐渐成熟和完善，并逐渐占据了局域网的主导地位。

1.2以太网的设计目标

开始的时候，以太网设计建议书提出了以太网设计的基本目标，即所谓的功能特性。

在后来的应用中对这些目标进行了不断的补充和完善，最终形成了一个成熟的体系。

主要包含以下几点：

●简明性。

这是以太网技术最大的特点，正是因为简明性为将来的统治地位奠定了基础；

●低成本。

成本不要太高，一般的单位能够有能力购买需要的部件来组建网络；

●兼容性。

不应该对网络层实现施加任何限制，即以太网的所有功能都在数据链路层实现；

●寻址灵活。

应该有一种机制来确定网络中的一台计算机，全部计算机或一组计算机；

●公平。

各个终端应该公平的享有带宽；

●高速。

当时来说，10M的速率已经是个天文数字了，所以把以太网的共享总线带宽设计为10M；

●分层结构。

数据链路层协议不应该随物理介质的不同而变化；

●全双工。

随着以太网技术的发展，共享介质技术（即半双工）已经逐渐不能满足需求，需要效率更高的全双工技术；

●差错控制。

该技术应该能够发现传输中的错误并进行纠正，如果不能纠正，则丢弃接收到的数据；

●速度灵活性。

不应该局限在10M的速率上，应该能适应不同的速率；

●优先级。

网络设备应该能对一些关键性的业务提供优先可靠的传输。

这些功能目标有的是必须实现的，比如简明，低成本，寻址灵活等，有的则根据需要实现，比如优先级等，但在今天的以太网设备中，这些可选的性能目标都已经实现。

1.3以太网基本技术

1.3.1半双工CSMA/CD

根据以太网的最初设计目标，计算机和其他数字设备是通过一条共享的物理线路连接起来的。

这样被连接的计算机和数字设备必须采用一种半双工的方式来访问该物理线路，而且还必须有一种冲突检测和避免的机制，来避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况，这种机制就是所谓的CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）。

CSMA/CD的工作过程是这样的：

终端设备不停的检测共享线路的状态，只有在空闲的时候才发送数据，如果线路不空闲则一直等待。

这时候如果有另外一个设备同时也发送数据，这两个设备发送的数据必然产生碰撞，导致线路上的信号不稳定，终端设备检测到这种不稳定之后，马上停止发送自己的数据，然后再发送一连串干扰脉冲，然后等待一段时间之后再进行发送。

发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备，线路上已经产生了碰撞。

检测到碰撞后等待的时间也是随机的，不过逐渐在增大。

1.3.2以太网的物理介质

刚开始的时候，以太网是运行在同轴电缆上面的，通过复杂的连接器把计算机和终端连接到该电缆上，然后还必须经过一些相关的电信号处理，才能使用。

这样的结构相对复杂，而且效率上不是很理想，只能适合于半双工通信（因为只有一条线路）。

到了1990年，出现了基于双绞线介质的10BAST-T以太网，这是以太网历史上一次最重要的革命。

10BAST-T得以实施，主要归功于多端口中继器和结构化电话布线。

多端口中继器就是目前所谓的HUB，终端设备通过双绞线连接到HUB上，利用HUB内部的一条共享总线进行互相通信。

物理上这种结构是星形的，但实际上还是沿用了CSMA/CD的访问机制，因为HUB内部是通过一条内部总线把许多终端连接起来的。

10BAST-T以太网技术使用了四对双绞线来传输数据，一对双绞线用来发送，另外一对用来接收。

之所以使用一对双绞线来分别进行收发，主要是电气特性上的考虑，发送数据的时候，在一条线路上发送通常的电信号，而在另外一条线路上发送与通常电信号极性相反的信号，这样可以消除线路上的电磁干扰。

后来又出现了100M的以太网，即所谓的快速以太网。

快速以太网在数据链路层上跟10M以太网没有区别，不过在物理层上提高了传输的速率，而且引入了更多的物理层介质，比如光纤，同轴电缆等。

运行在两对双绞线上的100M以太网称为100BAST-TX，运行在光纤上的100M以太网则为100BASE-FX，还有运行在四对双绞线上的100BAST-T4等。

1.3.3全双工以太网和以太网交换机

把双绞线作为以太网的传输介质不但提高了灵活性和降低了成本，而且引入了一种高效的运行模式——全双工模式。

所谓全双工，就是数据的发送和接收可以同时进行，互不干扰。

传统的网络设备HUB是不支持全双工的，因为HUB的内部是一条总线，数据接收和发送都是在该总线上进行，没有办法进行全双工通信，因此，要实现全双工通信，必须引入一种新的设备，即现在的交换机。

交换机跟HUB的外观相同，都是一个多端口设备，每个端口可以连接终端设备和其他多端口设备。

但在交换机内部就不是一条共享总线了，而是一个数字交叉网络，该数字交叉网络能把各个终端进行暂时的连接，互相独立的传输数据，而且交换机还为每个端口设置了缓冲区，可以暂时缓存终端发送过来的数据，等资源空闲之后再进行交换。

正是交换机的出现，使以太网技术由原来的10M/100M共享结构转变为20M/200M独占带宽的结构，大大提高了效率，而且可以在交换机上施加一些软件策略，来实现附加的服务，比如VLAN（虚拟局域网），优先级，冗余链路等。

1.3.4以太网的应用

以太网设计的初衷，就是把一些计算机联系起来进行文件共享和数据库记录的传输。

到目前为止，在计算机互连这个领域，以太网仍然是最活跃的技术，但已经不再局限于这个领域，在其他一些领域，以太网也大显身手，表现不俗。

下面是以太网的主要应用领域：

●计算机互连：

这是以太网技术的主要目标，也是最成熟的应用范围。

最开始的时候，许多计算机通过同轴电缆连接起来，互相访问共享的目录，或访问在同一个物理网段上的文件服务器，各个计算机（不论是服务器还是客户机）在网络上的地位相同。

随着应用的发展，这种平等的结构逐渐不适应实际的需要，因为网络上的大部分流量都是客户机跟服务器之间的，这种流量模型必然在服务器上形成瓶径。

当全双工以太网和以太网交换机引入以太网之后，这种情况有所改变，取代的是把服务器连接到以太网交换机的一个高速端口（100M）上，把其他客户机连接到以太网交换机的低速端口上，这样就暂缓了瓶径的形成。

现代的操作系统提供分布式服务和数据仓库服务，基于这些操作系统的服务器除了跟客户机通信之外，还要跟其他服务器交换大量的信息进行数据的同步，这样传统的100M快速以太网就不能满足要求了，于是1000M以太网应运而生。

●高速网络设备之间互连：

随着INTERNET的不断发展，一些传统的网络设备，比如路由器，之间的带宽已经不能满足要求，需要更高更有效率的互连技术来连接这些网络设备构成INTERNET的骨干，1000M以太网成了首选的技术。

传统的100M也可以应用在这些场合，因为这些100M的快速以太网链路可以经过聚合，形成快速以太网通道，速度可以达到100M——1000M的范围。

●城域网中用户接入的手段：

用户通过以太网技术接入城域网，实现上网，文件下载，视频点播等业务，已经变得越来越流行。

之所以用以太网作为城域网的接入手段，是因为现在的计算机都支持以太网卡，这样对用户来说，不用更改任何软件和硬件配置就可以正常上网。

可以看出，以太网技术已经覆盖了网络的方方面面，从骨干网到接入网，从计算机网络到工业应用，无处不见以太网的影子。

1.4以太网物理层及相关设备

根据ISO的OSI七层参考模型，物理层规定了两个设备之间的物理接口，以及该接口的电气特性，规程特性，机械特性等内容，以太网的物理层也不外乎这些内容，它主要的功能是提供一种物理层面的标准，各个厂家只要按照这个标准生产网络设备就可以进行互通。

下面从介绍这些物理层标准开始，来分析一下以太网的物理层基础结构。

1.4.1物理层系列标准

从以太网诞生到目前为止，成熟应用的以太网物理层标准主要有以下几种：

●10BASE2

●10BASE5

●10BASE-T

●100BASE-TX

●100BASE-T2

●100BASE-T4

●100BASE-FX

●1000BASE-SX

●1000BASE-LX

●1000BASE-CX

●1000BASE-TX

在这些标准中，前面的10，100，1000分别代表运行速率；中间的BASE指传输的信号是基带方式；后边的2，5分别代表最大距离；TX，T2，T4，FX，SX，LX，CX等应用于双绞线以太网和光纤以太网，含义如下：

●100BASE-TX：

运行在两对五类双绞线上的快速以太网；

●100BASE-T4：

运行在四对三类双绞线上的快速以太网；

●100BASE-T2：

运行在2对三类双绞线上的快速以太网；

●100BASE-FX：

运行在光纤上的快速以太网，光纤类型可以是单模也可以是多模；

●1000BASE-SX：

运行在多模光纤上的1000M以太网，S指发出的光信号是长波长的形式；

●1000BASE-LX：

运行在单模光纤上的1000M以太网，L指发出的光信号是短波长的形式；

●1000BASE-CX：

运行在同轴电缆上的1000M以太网。

在这些标准中，10BASE2，10BASE5是同轴电缆的物理标准，现在已经基本被淘汰，10BASE-T和100BASE-TX都是运行在五类双绞线上的以太网标准，所不同的是线路上信号的传输速率不同，10BASE-T只能以10M的速度工作，而100BASE-TX则以100M的速度工作，其他方面没有什么两样。

100BASE-T2，100BASE-T4现在很少用，所以我们这里只选择比较有代表性的100BASE-TX进行叙述，其他的比如1000M以太网的技术在后边的章节中再进行讲述。

1.4.2100BASE-TX物理层

100BASE-TX是运行在两对五类双绞线上的快速以太网物理层技术，它除了规定运行的介质是五类或更高类双绞线外，还规定了设备之间的接口以及电平信号等。

该标准规定设备和链路之间的接口采用RJ-45水晶头，电平采用+5V和-5V交替的形式。

五类双绞线的8根线压入水晶头的8个线槽中，这样可以很容易的插入网络设备的网卡。

实际上，在进行数据的传输时仅仅用了五类双绞线的两对（四根）线，其中

图1-1100BASE-TX物理层示意图

一对作为数据接收线，一对作为数据发送线，在进行数据接收和发送的时候，在一对线上传输极性相反的信号，这样可以避免互相干扰。

跟传统的同轴电缆不同的是，100BAST-TX（10BASE-T）的数据发送和数据接收使用了不同的线对，做到了分离，这样就隐含着一种全新的运做方式：

全双工方式。

在这种方式下，数据可以同时接收和发送而互不干扰，这样可以大大提高效率，不过这需要中间设备的支持，现在的以太网交换机就是这样一种设备。

1.4.3自动协商

在基于双绞线的以太网上，可以存在许多种不同的运做模式，在速度上有10M，100M不等，在双工模式上有全双工和半双工等，如果对每个接入网络的设备进行配置，则必然是一项很繁重的工作，而且不容易维护。

于是，人们提出了自动协商技术来解决这种矛盾。

图1-1普通链路脉冲

自动协商建立在一种底层的以太网机制上。

在双绞线链路上，如果没有数据传输，链路并不是一直在空闲，而是不断的互相发送一种频率相对较低的脉冲信号（称为普通链路脉冲，NLP）（如上图所示），任何具有双绞线接口的以太网卡都应该能识别这种信号。

需要注意的是，如果再插入一些（一般是16个）更小的脉冲（这些脉冲称为快速链路脉冲，FLP），两端设备应该也能识别。

于是，我们可以使用这些快速链路脉冲来进行少量的数据传输，来达到自动协商的目的。

在设备的网卡中有一个配置寄存器，该寄存器内部保留了该网卡能够支持的工作模式，比如该网卡可以支持100M和10M模式下运行，则把相应的寄存器内容置位。

在网卡加电后，如果允许自动协商，则网卡就把自己的配置寄存器内容读出来，编码后发送出去（如下图所示）。

图1-2编码发送

发送的同时，可以接收对端发送过来的自动协商数据。

接收到对方发送的自动协商数据后，跟自己的配置寄存器比较，选择自己支持的且一般情况下最优的组合投入运行。

比如自己支持全双工模式和100M的速率，对端也支持该配置，则选择的运行模式就是100M全双工，如果对端只支持全双工模式和10M的能力，则运行模式就定为全双工10M模式。

如果两端支持的能力集合不相交，则协商不通过，两端设备不能通信。

一旦协商通过，网卡就把该链路置为激活状态，可以传输数据了，如果不能协商通过，则该链路不能使用，不能再进行数据传输。

如果两端的设备有一端不支持自动协商，则支持自动协商的一端选择一种默认的方式工作，一般情况下是10M半双工模式。

&注意：

如果链路两端的设备有一端不支持自动协商，则支持自动协商的设备选择一种默认的工作方式，比如10M半双工模式运行。

这时可能影响了效率，因为不支持自动协商的设备可能支持100M全双工。

这时，我们可以禁止自动协商，并手工指定两端设备的运行模式，以增强效率。

1.4.4集线器

当用双绞线把终端设备进行互连时，需要一个中间设备来进行集中，这个设备就是集线器，所谓的HUB。

HUB一般是一个多端口的盒式设备，每个接口可以连接一个终端设备。

这样多个设备（比如，12个等）可以通过HUB连接在一起，组成一个星形的网络。

需要注意的是，网络在物理上是星形结构的，但在HUB内部还是使用了共享总线的技术，采用CSMA/CD技术进行交互。

HUB可以根据接口的特点进行区分，分为I类HUB和II类HUB。

这两类HUB在内部工作模式上没有区别，但因为提供的接口不同而使用于不同的场合。

I类HUB只提供一种类型的物理接口，比如只提供五类双绞线接口或只提供三类双绞线接口，或者只提供光纤接口等，而II类HUB则可以提供多种不同类型的接口，可以在一个II类HUB上集成五类双绞线接口和光纤接口等。

实际中应用最多的是I类HUB。

传统的HUB都是运行在半双工模式下的，但有一些应用需要在全双工模式下运行，于是人们开发了一种运行在全双工模式下的HUB，即所谓全双工HUB。

这种HUB的内部结构还是一条总线，各个终端共享这条总线进行数据交互，所不同的是，全双工HUB在每个接口上预增加了一个缓冲区，如果总线繁忙，终端发送的数据可以暂存在缓冲区里面，等总线空闲之后，再进行传输。

连接在全双工HUB上的终端设备工作在全双工模式下。

1.5物理层总结

到此为止，以太网物理层的一些基础概念已经介绍完毕，在上面介绍的概念中，主要有下面这些需要引起重视（概述中的一些概念也在这里提起）：

●各种物理层标准：

10BASE2，10BASE5，10BASE-T，100BASE-TX，100BASE-FX，100BASE-T2，100BASE-T4，1000BASE-CX，1000BASE-SX，1000BASE-LX，1000BASE-TX等物理层标准的含义，100BAST-TX（10BASE-T）的物理层结构，包括接口特性等；

●通过双绞线连接同类型的设备和不同类型的设备：

在两种情况下的线序情况，以及为什么这样；

●自动协商：

自动协商的基本概念，实现机理，协商内容等，以及支持自动协商和不支持自动协商设备之间的交互情况；

●CSMA/CD访问方式：

运行在半双工模式下的设备采用这种方式访问链路，解释这种访问方式的过程以及碰撞避免机制；

●全双工以太网：

全双工以太网得以实现的基础，以及其优点等；

●HUB：

I类HUB和II类HUB的概念，全双工HUB的工作机理。

第2章数据链路层

前面的部分讲述了物理层的一些基础概念，在这些概念的基础上，我们再来详细看一下数据链路层的概念。

2.1数据链路层特点

按照ISO的OSI七层参考模型，互连的各个系统把各个网络功能分七个层次实现，各个层次之间相互独立，互不干扰。

这样就可以实现最大限度的开放和灵活性，设备厂家只要按照层次之间的接口生产设备，就可以做到互通。

因此，这个七层模型是高效权威的，而且目前大多数网络技术都是参照这个模型进行设计和开发的。

但在以太网体系结构中，七层模型中层次之间互相独立的规则就不适用了，因为开始的时候，以太网采用了一种共享介质的方式来进行数据通信，而不是传统的全双工通信，随着设备的发展，以太网中又引入了全双工模式的通信，在这样两种通信模式并存的情况下，在进行层次间的严格划分就不容易了。

在前面讲述的内容中曾经提到，针对不同的双工模式，提供不同的介质访问方法，在半双工模式下采用的是CSMA/CD的访问方式，而在全双工模式下则可以直接进行收发，不用预先判断链路的忙闲状态。

这里需要注意的是，在以太网中，半双工和全双工是物理层的概念，而针对物理层的双工模式提供不同访问方式则是数据链路层的概念，这样就形成了以太网的一个重要特点：

数据链路层和物理层是相关的。

理解了这个概念，以后的学习中就相对明白了。

2.2以太网链路层的分层结构

在上面的介绍中知道，以太网的物理层和数据链路层是相关的，针对物理层的不同工作模式（全双工和半双工），需要提供特定的数据链路层来访问。

这样导致了数据链路层和物理层有很大的相关性，给设计和应用带来了一些不便。

为了避免这种不便，一些组织和厂家提出了另外一种方式，就是把数据链路层再进行分层，分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。

这样不同的物理层对应不同的MAC子层，LLC子层则可以完全独立。

这样从一定程度上提高了独立性，方便了实现。

图2-1数据链路层

2.3MAC子层

MAC子层是物理层相关的，也就是说，不同的物理层有不同的MAC子层来进行访问，比如物理层是工作在半双工模式的双绞线，则相应的MAC子层为半双工MAC，如果物理层是令牌环，则有令牌环MAC来进行访问。

在以太网中，主要存在两种MAC：

半双工MAC和全双工MAC，分别针对物理层运行模式是半双工和全双工时提供访问。

需要注意的，这两种MAC都是集成在网卡中的，网卡初始化的时候一般进行自动协商，根据自动协商的结果决定运行模式，然后根据运行模式选择相应的访问MAC。

2.3.1半双工MAC子层

当物理层运行在半双工模式下时，数据链路层使用半双工MAC进行访问。

半双工MAC跟物理层之间至少存在六种信号进行通信，如下图所示：

图2-1MAC对物理层的访问

具体工作过程是这样的：

当链路层有数据要发送的时候，首先检查链路空闲信号（物理层通过该信号来报告给数据链路层链路是否空闲），如果链路空闲，则通过指示信号给物理层一个指示，告诉物理层要发送数据，然后把数据一个字节一个字节的送到数据线上（数据线是一组8位的信号线）。

这时候如果物理层检测到了冲突（即有另外一个终端同时发送数据），则通过冲突检测指示信号给MAC子层一个指示，告诉MAC子层线路上发生了碰撞。

这时候，MAC子层马上停止数据的发送，并发送一连串干扰信号，达到让网络上所有的设备都知道产生冲突的目的。

等待一段时间后，MAC层再次检查链路空闲信号，进行数据发送。

如果物理层接收到了数据，则通过数据接收指示来告诉MAC子层自己接收到了数据，然后把数据放到接收数据线上（跟发送数据线一样，也是8位组信号线），传给MAC子层。

从上面的分析中，可以看出这六种信号是：

∙数据发送线，一个8位组信号线；

∙数据接收线，一个8位组信号线；

∙链路空闲信号：

一个指示位，指示链路是否空闲；

∙冲突检测信号：

一个指示位，物理层使用该信号向MAC子层报告冲突发生；

∙发送数据指示：

MAC子层要传输数据时通过该信号告诉物理层；

∙接收数据指示：

物理层接收到数据后通过该信号告诉MAC子层。

&提示：

MAC子层一般是在一块ASIC芯片上实现，该ASIC芯片通过引脚跟物理层连接，每个引脚为一个信号线，这些信号线组成了一些功能信号，上面提到的这六种信号就是功能信号中的一部分。

2.3.2全双工MAC子层

全双工MAC子层相对半双工MAC子层简单，因为它不需要检测链路的空闲与忙的状态，所以就去除了上面的链路空闲信号和冲突检测信号。

其工作过程如下：

当MAC子层有数据要发送的时候，通过数据发送指示告诉物理层，然后把数据一个字节一个字节的通过数据发送线发送出去。

如果物理层检测到了数据到达，则通过接收指示信号告诉链路层，自己接收到了数据，然后通过接收数据线把数据传到MAC子层。

&提示：

数据链路层跟物理层之间交换数据的时候（不是控制信号），是按字节进行的，这从接收数据和发送数据的信号线根数可以看出来。

2.3.3MAC地址和数据帧的收发

除了完成物理链路的访问以外，MAC子层还负责完成下列任务：

∙链路级的站点标识：

在数据链路层识别网络上的各个站点。

也就是说，在该层次保留了一个站点地址（就是所谓的MAC地址），来标识网络上的唯一一个站点；

∙链路级的数据传输：

从上层（LLC子层）接收数据，附加上MAC地址和控制信息后把数据发送到物理链路上；在这个过程中搀杂了校验等功能。

为了进行站点标识，在MAC子层保留了一个唯一的站点MAC地址，来区分该站点。

MAC地址是一个48比特的数字，分为下面几种类别：

●物理MAC地址：

这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端（比如网卡等），实际上这样的地址是固化在硬件里面