以太區域網路
概述
DIX Ethernet V2 是世界上第一個區域網路産品（以太網）的規約。
IEEE 的 802.3 标準。
DIX Ethernet V2 标準與 IEEE 的 802.3 标準隻有很小的差别，是以可以将 802.3 區域網路簡稱為“以太網”。
嚴格說來，“以太網”應當是指符合 DIX Ethernet V2 标準的區域網路
子層
為了使資料鍊路層能更好地适應多種區域網路标準，802 委員會就将區域網路的資料鍊路層拆成兩個子層：
邏輯鍊路控制 LLC (Logical Link Control)子層
媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層
與接入到傳輸媒體有關的内容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關，
不管采用何種協定的區域網路對 LLC 子層來說都是透明的 。
由于 TCP/IP 體系經常使用的區域網路是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标準中的幾種區域網路，是以現在 802 委員會制定的邏輯鍊路控制子層 LLC（即 802.2 标準）的作用已經不大了。
很多廠商生産的擴充卡上就僅裝有 MAC 協定而沒有 LLC 協定。
以太網提供的服務
以太網提供的服務是不可靠的傳遞，即盡最大努力的傳遞。
當接收站收到有差錯的資料幀時就丢棄此幀，其他什麼也不做。差錯的糾正由高層來決定。
如果高層發現丢失了一些資料而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的資料幀來發送。
星型拓撲(集線器)
了解一下就行
簡介
傳統以太網最初是使用粗同軸電纜，後來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最後發展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分别用于發送和接收
這種以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的裝置，叫做集線器(hub) 。
集線器
集線器是使用電子器件來模拟實際電纜線的工作，是以整個系統仍然像一個傳統的以太網那樣運作。集線器使用了大規模內建電路晶片，是以這樣的硬體裝置的可靠性已大大提高了。
使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協定，并共享邏輯上的總線。
集線器很像一個多接口的轉發器，工作在實體層,
因為它們相當于就是很多線的交接點,傳輸資料的時候沒有什麼
ip位址之類的,也不知道傳的是什麼,隻是傳過去就行了
工作示意圖
以太網的10Base-T标準
10兆的以太網,T代表的是雙絞線
10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。
這種 10 Mb/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網的出現，既降低了成本，又提高了可靠性。
其他：100Base-FX、100Base-T和100Base-T4
無沖突的理想的以太網的信道使用率
以太網的信道被占用的情況：
争用期長度為 2t，即端到端傳播時延的兩倍。檢測到碰撞後不發送幹擾信号。
幀長為 L (bit)，資料發送速率為 C (b/s)，因而幀的發送時間為 L/C = T0 (s)。
一個幀從開始發送，經可能發生的碰撞後，将再重傳數次，到發送成功且信道轉為空閑(即再經過時間 使得信道上無信号在傳播)時為止，是發送一幀所需的平均時間。
以太網的信道使用率:參數a
要提高以太網的信道使用率，就必須減小t與 T0 之比。在以太網中定義了參數 a，它是以太網單程端到端時延t與幀的發送時間 T0 之比：
a=t/T0
a→0 表示一發生碰撞就立即可以檢測出來，并立即停止發送，因而信道使用率很高。
a 越大，表明争用期所占的比例增大，每發生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道使用率明顯降低。
最大值
對以太網參數的要求
當資料率一定時，以太網的連線的長度受到限制，否則t的數值會太大
以太網的幀長不能太短，否則 T0 的值會太小，使 a 值太大。
信道使用率的最大值
在理想化的情況下，以太網上的各站發送資料都不會産生碰撞（這顯然已經不是 CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的排程方法），即總線一旦空閑就有某一個站立即發送資料。
發送一幀占用線路的時間是 T0 + t，而幀本身的發送時間是 T0。于是我們可計算出理想情況下的極限信道使用率 Smax為：
MAC層
MAC層的硬體位址(MAC位址)
在區域網路中，硬體位址又稱為實體位址，或 MAC 位址。
802 标準所說的“位址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或辨別符。
但鑒于大家都早已習慣了将這種 48 位的“名字”稱為“位址”，是以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。
IEEE 的注冊管理機構 RA 負責向廠家配置設定位址字段的前三個位元組(即高位 24 位)。
位址字段中的後三個位元組(即低位 24 位)由廠家自行指派，稱為擴充辨別符，必須保證生産出的擴充卡沒有重複位址。
一個位址塊可以生成224個不同的位址。這種 48 位位址稱為 MAC-48，它的通用名稱是EUI-48。
“MAC位址”實際上就是擴充卡位址或擴充卡辨別符EUI-48。
MAC位址是網卡出廠時候就已經焊死固定的了,每一台電腦的MAC位址都是全球唯一的,但是也不是說我們在使用網絡的時候不能改MAC位址,
在電腦---->更改擴充卡設定 ------>本地連接配接以太網的屬性裡面---->Microsoft網絡用戶端的配置---->進階設定的網絡位址裡面填寫你修改的值,這樣就可以讓你電腦避開網卡的MAC位址,使用你定義的MAC位址
擴充卡檢查 MAC 位址
擴充卡從網絡上每收到一個 MAC 幀就首先用硬體檢查 MAC 幀中的 MAC 位址.
如果是發往本站的幀則收下，然後再進行其他的處理。
否則就将此幀丢棄，不再進行其他的處理。
“發往本站的幀”包括以下三種幀：
單點傳播(unicast)幀（一對一）
廣播(broadcast)幀（一對全體）
多點傳播(multicast)幀（一對多）
MAC幀格式
常用的以太網MAC幀格式有兩種标準 ：
DIX Ethernet V2 标準
IEEE 的 802.3 标準
最常用的 MAC 幀是以太網 V2 的格式。
類型字段用來标志上一層(IP層)使用的是什麼協定，
以便把收到的 MAC 幀的資料上交給上一層的這個協定。
資料字段的正式名稱是 MAC 客戶資料字段
最小長度 64 位元組 18 位元組的首部和尾部 = 資料字段的最小長度
FCS 字段
4 位元組,當傳輸媒體的誤碼率為 110 ^ 8 時，
MAC 子層可使未檢測到的差錯小于 110^14。
當資料字段的長度小于 46 位元組時，
應在資料字段的後面加入整數位元組的填充字段，
以保證以太網的 MAC 幀長不小于 64 位元組。
前同步碼和幀開始定界符
在幀的前面插入的 8 位元組中的第一個字段共 7 個位元組，
是前同步碼，用來迅速實作 MAC 幀的比特同步。
第二個字段是幀開始定界符，表示後面的資訊就是MAC 幀。
為了達到比特同步，在傳輸媒體上實際傳送的要比 MAC 幀還多 8 個字
無效的 MAC 幀
幀的長度不是整數個位元組；
用收到的幀檢驗序列 FCS 查出有差錯；
資料字段的長度不在 46 ~ 1500 位元組之間。
有效的 MAC 幀長度為 64 ~ 1518 位元組之間。
對于檢查出的無效 MAC 幀就簡單地丢棄。以太網不負責重傳丢棄的幀。
幀間最小間隔
幀間最小間隔為 9.6 us，相當于 96 bit 的發送時間。
一個站在檢測到總線開始空閑後，還要等待 9.6 us 才能再次發送資料。
這樣做是為了使剛剛收到資料幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。
擴充以太網
在實體層考慮擴充
距離方面讓以太網距離變遠
使用光纖讓距離可以變得更加遠
主機使用光纖和一對光纖數據機連接配接到集線器
數量上的變多
用集線器擴充區域網路優點
- 使原來屬于不同碰撞域的區域網路上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。
- 擴大了區域網路覆寫的地理範圍。
用集線器擴充區域網路缺點
- 碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。比如上面的一個更大的碰撞域,裡面的一系兩台計算機進行通訊,那麼其他的所有計算機都不能進行通訊了,因為它們兩台計算機占用信道了
- 如果不同的碰撞域使用不同的資料率，那麼就不能用集線器将它們互連起來。
在資料鍊路層考慮擴充
在資料鍊路層擴充區域網路是使用網橋。
網橋工作在資料鍊路層，它根據 MAC 幀的目的位址對收到的幀進行轉發。
網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 位址，然後再确定将該幀轉發到哪一個接口
網橋的内部結構
使用網橋擴充以太網
網橋的運作過程
這網橋開始的時候是不知哪一個碰撞域的計算在哪一邊的,它隻是負責對資料進行轉發,但是它轉發的時候還會進行學習,比如B1接收到A的資料要發送給C,那麼網橋将資料轉發後還會在站表記錄計算機A的MAC位址是在B1的第一個接口的方向(左邊接口),然後将A發的資料先是廣播的形式發送,但是等所有計算機都通訊過後,網橋就記錄每一台計算機的MAC位址了,然後如果要發資料給A的時候,B1接收到的資料就不會發給B1的第二個接口(右邊接口),而是發送給第一個接口,因為它已經記錄,知道A在第一個接口那裡
使用網橋擴充以太網：好與壞
好：
- 過濾通信量。
- 擴大了實體範圍。
- 提高了可靠性。
- 可互連不同實體層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網）的區域網路。
壞：
- 存儲轉發增加了時延。
- 在MAC 子層并沒有流量控制功能。
- 具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時時延更大。
- 網橋隻适合于使用者數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的區域網路，否則有時還會因傳播過多的廣播資訊而産生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。
透明網橋
目前使用得最多的網橋是透明網橋(transparent bridge)。
“透明”是指區域網路上的站點并不知道所發送的幀将經過哪幾個網橋，因為網橋對各站來說是看不見的。
透明網橋是一種即插即用裝置，其标準是 IEEE 802.1D。
網橋的自學習算法
按照以下自學習算法處理收到的幀和建立轉發表:
- 若從A發出的幀從接口x進入了某網橋，那麼從這個接口出發沿相反方向一定可把一個幀傳送到A。
- 網橋每收到一個幀，就記下其源位址和進入網橋的接口，作為轉發表中的一個項目。
- 在建立轉發表時是把幀首部中的源位址寫在“位址”這一欄的下面。在轉發幀時，則是根據收到的幀首部中的目的位址來轉發的。這時就把在“位址”欄下面已經記下的源位址當作目的位址，而把記下的進入接口當作轉發接口。
網橋在轉發表中登記以下三個資訊
在網橋的轉發表中寫入的資訊除了位址和接口外，還有幀進入該網橋的時間。
這是因為以太網的拓撲可能經常會發生變化，站點也可能會更換擴充卡（這就改變了站點的位址）。另外，以太網上的工作站并非總是接通電源的。
把每個幀到達網橋的時間登記下來，就可以在轉發表中隻保留網絡拓撲的最新狀态資訊。這樣就使得網橋中的轉發表能反映目前網絡的最新拓撲狀态。
運作過程就是:
- 網橋收到一幀後先進行自學習。查找轉發表中與收到幀的源位址有無相比對的項目。
- 如沒有，就在轉發表中增加一個項目（源位址、進入的接口和時間）。
- 如有，則把原有的項目進行更新。
轉發幀。查找轉發表中與收到幀的目的位址有無相比對的項目。
- 如沒有，則通過所有其他接口（但進入網橋的接口除外）按進行轉發。
-
如有，則按轉發表中給出的接口進行轉發。
若轉發表中給出的接口就是該幀進入網橋的接口，則應丢棄這個幀（因為這時不需要經過網橋進行轉發）。
透明網橋使用了生成樹算法
這是為了避免産生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子,網絡資源白白消耗。
生成樹算法
每個交換機都有一個MAC位址和優先級,優先級小的最可能成為樹的根,如果優先級相同就比較MAC位址,MAC位址小的就最可能成為樹的根,成為根後,比如這裡B成為根後,ACDEF都知道,然後選一個最近根的接口成為根端口,然後剩下的接口的每一條線兩端,選擇一端距離根最近的作為一個指定端口,用來轉發資料,然後這根線的另一端就相當于斷開,資料不能從這端進行轉發和接收
互連在一起的網橋在進行彼此通信後，就能找出原來的網絡拓撲的一個子集。在這個子集裡，整個連通的網絡中不存在回路，即在任何兩個站之間隻有一條路徑。
為了避免産生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子。
為了得出能夠反映網絡拓撲發生變化時的生成樹，在生成樹上的根網橋每隔一段時間還要對生成樹的拓撲進行更新。
多接口網橋：交換機
1990年問世的交換式集線器（switching hub），可明顯地提高區域網路的性能。
交換式集線器常稱為以太網交換機（switch）或第二層交換機（表明此交換機工作在資料鍊路層）。
以太網交換機通常都有十幾個接口。是以，以太網交換機實質上就是一個多接口的網橋，可見交換機工作在資料鍊路層。
交換機特點：
- 以太網交換機的每個接口都直接與主機相連，并且一般都工作在全雙工方式。
- 交換機能同時連通許多對的接口，使每一對互相通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸資料。
- 以太網交換機由于使用了專用的交換結構晶片，其交換速率就