互联网协议—ethernet以太网协议

范桂飓 范桂飓     2022-12-03     473

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Ethernet

Ethernet(以太网)目前世界上应用最广泛的计算机局域网技术。以太网是目前应用最普遍的局域网技术,取代了其他局域网技术,如:令牌环、FDDI 和 ARCNET。

在物理层的数据实际会以电信号的形式在物理介质中传输,不过单纯的 01 数字显然是没有价值的,需要为电信号进行分组和排序,以特有的组织方式来赋予其特定的含义。数据链路层为了解决这个问题先后提出过包括有 Ethernet v2、IEEE 802.3、Internetwork 在内的多种协议。最后以 Ethernet 协议占据主导地位。

Ethernet 的设计目标是:电脑使用一个网络接口,就能够同时与多台电脑通信。所以,它规定:每台电脑都具有全球唯一的 48 位 MAC 地址,以保证以太网上所有节点能互相鉴别,并且每台电脑必须获得有线电缆或无线电信道的才能传输信息,这些传输通道也被称之为以太(Ether)。

另外,Ethernet 协议还规定了包括:物理层的连线、电子信号的分组方式、介质访问层协议等内容。一组电信号称为一个以太网数据帧,数据帧又由帧首、数据和帧尾三部分组成。发送方通过物理介质把数据帧发送给接收方,接收方接收到一组电信号,就会认为是接收到了一个数据帧。

  • 数据帧首部:占 14 字节,包含有 目标主机网卡 MAC 地址、源主机网卡 MAC 地址 以及数据帧类型标识。
  • 数据:从上层(网络层)传递下来的数据包,范围在 [46, 1500] 个字节之间。
  • 数据帧尾部:占 4 个字节,是 CRC 校验序列,用来确定数据帧在传输过程中是否有损坏。

以太网的两大类型

  1. 经典以太网:标准拓扑结构为总线型拓扑。

但目前的快速以太网(1000 BASE-T 标准)为了减少冲突域,将能提高的网络速度和使用效率最大化,使用集线器(Hub)来进行网络连接和组织。如此一来,以太网的拓扑结构就成了星型拓扑。但在逻辑上,以太网仍然使用着总线型拓扑和 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,即载波多重访问/碰撞侦测)的总线技术。

  1. 交换式以太网:拓扑结构为星型拓扑,使用交换机设备连接不同的计算机,可运行在 100Mbps、1000Mbps 和 10000Mbps 交换机上。

在这里插入图片描述

NIC 的 MAC 地址

在规范了电信号解读方式后,数据链路层还要解决 “主机定位” 的问题:数据帧怎么知道自己应该被哪一台主机接收呢?

以太网协议规定了接入网络的终端设备都必须安装有网络设配器(即 NIC 网卡),数据帧必须由网卡发送,再由另一张网卡接收。每张网卡都被分配一个 MAC 地址,具有全球唯一性。而数据接收方的 MAC 地址就被记录在数据帧首部。

MAC 地址为 6 字节,使用 12 个十六进制数表示,e.g. 00:01:6C:06:A6:29

  • 前 6 个十六进制数为厂商编号,由 IEEE(电气和电子工程师协会)分配给厂商
  • 后 6 个则为该厂商的网卡流水号,由厂商自己分配

以太网协议数据帧定位原理:有了 MAC 地址以后,以太网协议采用广播形式,将数据帧发给本地网络内所有的主机,主机在接收数据帧后会解析数据帧首部的目标主机网卡 MAC 地址,再和自身的网卡 MAC 地址对比。若相同,就接收数据帧做下一步处理。若不同,则丢弃。

而且为了增幅广播的性能和组网的灵活性,一般会在本地网络中架设交换机来支持信号转发,交换机也是数据链路层的代表设备。

数据链路层主要解决的问题是:对电信号进行分组并形成具有特定意义的数据帧,然后以广播的形式通过物理介质发送给接收方。

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