7.1.3 传统以太网
目前实际应用的局域网均为以太网，所以这里具体介绍的是以太网。
1.传统以太网的概念
以太网(Ethernet)是总线形局域网的一种典型应用，是美国施乐(Xerox)公司于1975年研制成功的。它以无源的电缆作为总线来传送数据信息，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太(Ether)来命名。1980年，施乐公司与数字(Digital)装备公司以及英特尔(Intel)公司合作，提出了以太网的规范(ETHE 80，即DIX Ethernet V1标准)，成为世界上第一个局域网产品的规范，1982年修改为第二版，即DIX Ethernet V2标准，IEEE 802.3标准是以DIX Ethernet V2标准为基础的。
严格地说，以太网应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网，但是DIX Ethernet V2标准与IEEE 802.3标准只有很小的差别(DIX Ethernet V2标准在链路层不划分LLC子层，只有MAC子层)，因此IEEE 802.3局域网也称为以太网。
传统以太网具有以下典型的特征:
·采用灵活的无连接的工作方式;
·采用曼彻斯特编码作为线路传输码型(曼彻斯特编码规则为:当发送比特流为“1”时，曼彻斯特码的电平在码元中心由0跃变为1，而当发送比特流为“0”时，曼彻斯特码的电平在码元中心由1跃变为0);
·传统以太网属于共享式局域网，即传输介质作为各站点共享的资源;
·共享式局域网要进行介质访问控制，以太网的介质访问控制方式为载波监听和冲突检测(CSMA/CD)技术。
2.CSMA/CD技术
CSMA/CD是一种争用型协议，是以竞争方式来获得总线访问权的。
CSMA(Carrier Sense Multiple Access)代表载波监听多路访问，它是“先听后发”，也就是各站在发送前先检测总线是否空闲，测得总线空闲后，再考虑发送本站信号。各站均按此规律检测、发送，形成多站共同访问总线的通信形式，故把这种方法称为载波监听多路访问(实际上，采用基带传输的总线局域网中，总线上根本不存在什么“载波”，各站可检测到的是其他站所发送的二进制代码，但大家习惯上称这种检测为“载波监听”)。
CD(Collision Detecsion)表示冲突检测，即“边发边听”，各站点在发送信息帧的同时，继续监听总线，当监听到有冲突发生时(即有其他站也监听到总线空闲，也在发送数据)，便立即停止发送信息。
归纳起来，CSMA/CD的控制方法如下。
(a)一个站要发送信息，首先对总线进行监听，看介质上是否有其他站发送的信息存在，如果介质是空闲的，那么可以发送信息。
(b)在发送信息帧的同时，继续监听总线，即“边发边听”。当检测到有冲突发生时，便立即停止发送，并发出报警信号，告知其他各工作站已发生冲突，防止它们再发送新的信息介入冲突(此项措施称为强化冲突)。若发送完成后尚未检测到冲突，则发送成功。
(c)检测到冲突的站发出报警信号后，退让一段随机时间，然后再试。
3.以太网的MAC子层协议
(1)以太网的MAC子层功能
MAC子层有如下两个主要功能。
①数据封装和解封
发送端进行数据封装，包括将LLC子层送下来的LLC帧加上首部和尾部构成MAC帧，编址和校验码的生成等。
接收端进行数据解封，包括地址识别、帧校验码的检验和帧拆卸，即去掉MAC帧的首部和尾部，而将LLC帧传送给LLC子层。
②介质访问管理
发送介质访问管理包括:
·载波监听;
·冲突的检测和强化;
·冲突退避和重发。
接收介质访问管理负责检测到达的帧是否有错(这里可能出现两种错误:一是帧的长度大于规定的帧最大长度;二是帧的长度不是8bit的整倍数)以及过滤冲突的信号(凡是其长度小于允许的最小帧长度的帧，都认为是冲突的信号而予以过滤)。
(2)MAC地址(硬件地址)
IEEE 802标准为局域网规定了一种48bit的全球地址，即MAC地址(MAC帧中的地址)，它是指局域网上的每一台计算机所插入的网卡上固化在ROM中的地址，所以也称为硬件地址或物理地址。
MAC地址的前3个字节由IEEE的注册管理委员会(RAC)负责分配，凡是生产局域网网卡的厂家都必须向IEEE的RAC购买由这3个字节构成的一个号(即地址块)，这个号的正式名称是机构唯一标识符(OUI)。地址字段的后3个字节由厂家自行指派，称为扩展标识符。一个地址块可生成224个不同的地址，用这种方式得到的48bit地址称为MAC-48或EUI-48。
IEEE802.3标准的MAC地址字段的示意图如图7-3所示。
图7-3 IEEE标准的MAC地址字段
IEEE标准规定MAC地址字段的第一个字节的最低位为I/G比特(表示Individual/Group)，当I/G比特为0时，地址字段表示一个单个地址;当I/G比特为1时，地址字段表示组地址，用来进行多播。
(3)MAC帧结构
目前以太网有两个标准:IEEE 802.3标准和DIX Ethernet V2标准。DIX Ethernet V2标准的链路层不再设LLC子层，TCP/IP体系一般采用DIX Ethernet V2标准。
显然，以太网MAC帧结构有两种:IEEE的802.3标准的MAC帧结构和DIX Ethernet V2标准的MAC帧结构。
①IEEE 802.3标准的MAC帧结构
IEEE802.3标准规定的MAC帧结构如图7-4所示。
图7-4 IEEE 802.3标准的MAC帧结构
各字段的作用如下。
(a)地址字段——地址字段包括目的MAC地址字段和源MAC地址字段，都是6 B。
(b)数据长度字段——数据长度字段是2 B，它以字节为单位指出后面的数据字段长度。
(c)数据字段与填充字段(PAD)——数据字段就是LLC子层交下来的LLC帧，其长度是可变的，但最短为46 B，最长为1 500 B。MAC帧的首部和尾部共18 B，所以整个MAC帧的长度最短为64 B(以区分合法数据帧与冲突的信号)，最长为1 518 B(为了减少重发概率、具有合理的缓冲区大小等)。如果LLC帧(即MAC帧的数据字段)的长度小于46 B，则应填充一些信息(内容不限)。
(d)帧检验序列(FCS)字段——FCS对MAC帧进行差错校验，FCS采用的是循环冗余校验(CRC)，长度为4 B。
(e)前导码与帧起始定界符——由图7-4可以看出，在传输介质上实际传送的要比MAC帧还多8个字节，即前导码与帧起始定界符。它们的作用是这样的:
当一个站点在刚开始接收MAC帧时，可能尚未与到达的比特流达成同步，由此导致MAC帧的最前面的若干比特无法接收，而使得整个MAC帧成为无用的帧。为了解决这个问题，MAC帧向下传到物理层时还要在帧的前面插入8 B，它包括两个字段。第一个字段是前导码(PA)，共有7个字节，编码为1010……，即1和0交替出现，其作用是使接收端实现比特同步前接收本字段，避免破坏完整的MAC帧。第二个字段是帧起始定界符(SFD)字段，它为1个字节，编码是10101011，表示一个帧的开始。
②DIX Ethernet V2标准的MAC帧结构
TCP/IP体系经常使用DIX Ethernet V2标准的MAC帧结构，此时局域网参考模型中的链路层不再划分LLC子层，即链路层只有MAC子层。DIX Ethernet V2标准规定的MAC帧结构如图7-5所示。
图7-5 DIX Ethernet V2标准的MAC帧结构
DIX Ethernet V2标准的MAC帧结构由5个字段组成，它与IEEE 802.3标准的MAC帧结构除了类型字段以外，其他各字段的作用相同。
类型字段用来标志上一层使用的是什么协议(即数据字段装入的数据类型)，以便把收到的MAC帧的数据部分上交给上一层的这个协议。
另外，当采用DIX Ethernet V2标准的MAC帧结构时，其数据部分装入的不再是LLC帧，而是网络层的分组或IP数据报。
以上介绍了以太网的两种MAC帧结构，目前DIX Ethernet V2标准的MAC帧结构用得比较多。由此可见，IP网环境下，传统以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方确认，即提供的服务是不可靠的交付(即尽最大努力的交付)。
4.10 BASE-T以太网(双绞线以太网)
最早的以太网是粗缆以太网，这种以粗同轴电缆作为总线的总线形局域网后来被命名为10 BASE 5以太网。20世纪80年代初又发展了细缆以太网，即10 BASE 2以太网。为了改善细缆以太网的缺点，接着又研制了10 BASE-T以太网以及光缆以太网10 BASE-F等。这里重点介绍应用最广泛的10 BASE-T以太网的相关内容。
1990年，IEEE通过10 BASE-T以太网的标准，定为IEEE 802.3i。
(1)10 BASE-T以太网的拓扑结构
10 BASE-T以太网采用非屏蔽双绞线将站点以星形拓扑结构连到一个集线器上，如图7-6所示(为了简单，图中显示的是具有3个接口的集线器)。
图7-6 10 BASE-T以太网拓扑结构示意图
图中的集线器为一般集线器(简称集线器)，它就像一个多端口转发器，每个端口都具有发送和接收数据的能力，但一个时间只允许接收来自一个端口的数据，可以向所有其他端口转发。当每个端口接收到工作站发送来的数据时，就转发到所有其他端口，在转发数据之前，每个端口都对它进行再生、整形，并重新定时。集线器往往含有中继器的功能，它工作在物理层。另外，图7-6连接工作站的位置也可连接服务器。
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。即采用一般集线器连接的以太网物理上是星形拓扑结构，但从逻辑上看是一个总线形网(一般集线器可看作是一个总线)，各工作站仍然竞争使用总线。所以这种局域网仍然是共享式网络，它也采用CSMA/CD规则竞争发送。
另外，对10 BASE-T以太网有几点说明。
(a)10 BASE-T以太网使用两对非屏蔽双绞线:一对线发送数据;另一对线接收数据。
(b)集线器与站点之间的最大距离为100m。
(c)一个集线器所连的站点最多可以有30个(实际只能达到24个)。
(d)与其他传统以太网物理层标准一样，10 BASE-T以太网也使用曼彻斯特编码。
(e)集线器的可靠性很高，堆叠式集线器(包括4～8个集线器)一般都有少量的容错能力和网管功能。
(f)可以把多个集线器连成多级星形结构的网络，这样就可以使更多的工作站连接成一个较大的局域网(集线器与集线器之间的最大距离为100 m)。10 BASE-T以太网一般最多允许有4个中继器(中继器的功能往往含在集线器里)级联。
(g)若图7-6中的集线器改为交换集线器，此以太网则为交换式以太网(详情后述)。
(2)10 BASE-T以太网的组成
10 BASE-T以太网的组成有:集线器、工作站、服务器、网卡、中继器和双绞线等。