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以太网

2025-12-01

1 物理层

1.1 10 BASE-5

名称

  • 10 表示 10Mbps
  • BASE 表示 基本带宽
  • 5 表示 网络段最大的长度为500m

    特点

  • 粗同轴电缆：可靠性好，抗干扰能力强 ；
  • 收发器 : 发送/接收，冲突检测，电气隔离；
  • 拓扑：总线型。 alt text

组网部件

  • 计算机 ：网络服务的提供者，也是网络服务的使用者。
  • 同轴电缆：50Ω粗同轴电缆，每隔2.5m一个标记标明接头处。
  • 收发器 ：用插入式分接头牢牢地夹在电缆的接头处，主要进行数据的接收/发送。
  • 收发器电缆：最长50m，内有5对独立的屏蔽双绞线，用于连接收发器和网卡。
  • 网卡 ：网卡又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，此场合下的网卡需带有AUI接口。网卡插入主机的扩展槽中，主要完成物理层（发送/接收数据）和数据链路层（实现CSMA/CD、差错控制等）的功能。
  • 集线器：中继器工作在物理层，用于互连两个相同类型的网段（例如：两个以太网段），主要功能是延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息的转发。
  • 组网规则——5-4-3原则 源和目的地的任意路径要满足以下条件：最多经过5个网络段，最多经过4个中继器进行连接，最多经过3个含有工作站的网络段。
    • 每个网络段不能超过500m
    • 整个网络长度不能超过2500m
    • 网络段最多只能连入100个节点
    • 两个相邻收发器之间的最小距离为2.5m
    • 收发器电缆的最大长度为50m

      争用期

      采用64B时间作为争用期

      1. 单网段最大长度：500m（核心指标）

  • 计算依据：粗同轴电缆（50Ω特性阻抗）的信号衰减特性决定。
    以太网信号采用曼彻斯特编码，传输时会因电缆电阻、分布电容产生能量损耗（衰减）。当电缆长度超过500m时，信号的信噪比（SNR）会低于解码阈值，接收端无法区分“0”和“1”，导致数据传输错误。
  • 计算逻辑：这是 单段连续粗同轴电缆的物理长度上限（从一个中继器的输出端到下一个中继器的输入端，或从中继器到终端电阻的电缆长度），不含收发器电缆、设备接口线等额外连接线。

2. 整个网络最大长度：2500m

  • 计算依据：5-4-3原则中的“最多5个网络段”限制。
    以太网允许通过中继器（工作在物理层，放大信号、补偿衰减）连接多个网段，但中继器无法无限制放大（会累积噪声），因此最多支持 4个中继器连接5个网络段。
  • 计算逻辑：总长度 = 单网段最大长度 × 最大网络段数 = 500m × 5 = 2500m。
    例：5个网段分别为480m、500m、490m、500m、530m（错误，最后一段超500m），正确总长度需每个网段≤500m，且总和≤2500m。

3. 收发器电缆最大长度：50m

  • 计算依据：收发器与网卡之间的AUI线缆（5对屏蔽双绞线）信号衰减更快。
    AUI线缆的线径比粗同轴电缆细，屏蔽效果较弱，信号衰减速率高于粗缆，超过50m后信号失真严重，无法被网卡正确接收。
  • 特殊说明：这段长度是 设备到主干电缆的“分支距离”，不计入“网络段长度”（网络段长度仅指主干粗同轴电缆的长度），且每个收发器的AUI线缆长度独立计算，互不影响。

4. 相邻收发器最小距离：2.5m

  • 计算依据：避免相邻收发器的信号干扰（近场耦合）。
    收发器通过分接头接入粗同轴电缆，相邻收发器的信号会产生电磁耦合（近场干扰），导致信号失真。2.5m的间隔是经过测试的最小无干扰距离。
  • 计算逻辑：两个相邻收发器的分接头之间的粗同轴电缆长度≥2.5m（不是收发器物理位置的直线距离，而是电缆实际铺设长度）。

1.2 10 BASE-2

名称

  • 10 表示 10Mbps
  • BASE 表示 基本带宽
  • 2 表示 网络段最大的长度为200m

    特点

  • 细同轴电缆：抗干扰能力较差，但可靠性高；
  • 无外置收发器
  • 轻便、灵活、成本较低
  • 总线型拓扑

    组网部件

  • 计算机 ：网络服务的提供者，也是网络服务的使用者。
  • 网卡（带有BNC接口） ：插入主机的扩展槽中，同时具有10BASE-5中网卡和收发器的功能。
  • 同轴电缆：采用50Ω细同轴电缆（比粗缆便宜，易于转弯）。
  • 无源的BNC T型接头：需切断电缆。
  • 中继器：延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息的转发。

    组网规则——5-4-3原则

    源和目的地的任意路径要满足以下条件：最多经过5个网络段，最多经过4个中继器进行连接，最多经过3个含有工作站的网络段。

  • 每个网络段不能超过185m
  • 整个网络长度不能超过925m
  • 两个相邻BNC T型接头之间的距离应是0.5m的整数倍，最小距离为0.5m
  • 网络段最多只能连入32个节点

    1. 单网段最大长度：185m（实际值，标称200m）

  • 计算依据：细同轴电缆的信号衰减比粗缆更严重。
    细同轴电缆的线径（通常0.2英寸）远小于粗缆（0.4英寸），特性阻抗同样为50Ω，但信号传输时的衰减速率更高。理论标称200m，但实际组网中，超过185m后信号衰减已无法满足解码要求，因此实际按185m执行。
  • 计算逻辑：单段细同轴电缆的长度（从一个BNC T型接头到另一个BNC T型接头的电缆长度），不含网卡接口、终端电阻等部分。

2. 整个网络最大长度：925m

  • 计算依据：同样遵循5-4-3原则（最多5个网络段、4个中继器）。
  • 计算逻辑：总长度 = 单网段最大长度 × 最大网络段数 = 185m × 5 = 925m。
    例：5个网段分别为180m、185m、175m、185m、190m（错误，最后一段超185m），正确总长度需每个网段≤185m，且总和≤925m。

3. 相邻BNC T型接头最小距离：0.5m（整数倍）

  • 计算依据：避免阻抗不匹配导致的信号反射。
    BNC T型接头需切断细同轴电缆后插入，接头处的阻抗会有微小变化。若相邻接头距离过近（<0.5m），多个接头的阻抗不匹配会叠加，导致信号反射严重，影响传输质量。
  • 计算逻辑：两个相邻BNC T型接头之间的细同轴电缆长度≥0.5m，且必须是0.5m的整数倍（如0.5m、1.0m、1.5m等），确保阻抗匹配的一致性。

1.3 10 BASE-T

名称

  • 10：表示数据速率为10Mbps。
  • BASE：表示电缆上的信号是基带信号。
  • T：表示采用双绞线进行组网。

特点

  • 三类UTP
  • 所有站点都与Hub项链
  • 物理星型拓扑，逻辑总线结构
  • 轻便、安装密度高、便于维护

    组网部件

  • 计算机 ：网络服务的提供者，也是网络服务的使用者。
  • 双绞线 ：3类UTP
  • 网卡（带有RJ-45接口） ：插入主机的扩展槽中，同时具有10BASE-5中网卡和收发器的功能。RJ45是布线系统中信息插座（即通信引出端）连接器的一种，连接器由插头（接头、水晶头）和插座（模块）组成，插头有8个凹槽和8个触点。RJ是Registered Jack的缩写，意思是“注册的插座”。在FCC（美国联邦通信委员会标准和规章）中RJ是描述公用电信网络的接口，计算机网络的RJ45是标准8位模块化接口的俗称。
  • 集线器 ：集线器作为以太网的集中连接点，它放大接收到的信号并进行广播传输，无过滤、路径检测和交换功能，不同速率的集线器不能级联。 alt text

2 MAC 地址

2.1 作用

也成为硬件地址、物理地址，在局域网上的计算机利用MAC地址表示自己和他人的身份。

2.2 存储

MAC地址通常存储在网络接口卡NIC当中。

2.3 格式

IEEE802标准规定MAC地址可采用6B或者2B编码。采用16进制表示，例如：00:11:aa:bb:cc:dd。

我们规定

bool mac[48];

存储方式采用大端序的存储方式。但是发送却采用了小端序的发送方式。 alt text

2.3.1 G/L比特

mac[1]
  • 唯一性保证
    • MAC地址由IEEE的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前3字节（高24bit，即：地址块、厂商代码），称为机构唯一标识符（OUI）；
    • 由厂商负责分配地址字段的后3字节（低24bit），称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的网卡没有重复地址；
    • 例如：3Com公司的OUI是00-0F-CB（不唯一）， 华为公司的OUI是10-32-7E（不唯一）。
  • 如果厂商不向IEEE申请厂商代码，而自行分配地址字段，可使用地址字段的第一字节的最低第二位（G/Lbit）进行区分：G/L=1表示局部地址，G/L=0表示全局地址。
  • 采用2B MAC地址全都是局部地址。

    2.3.2 I/G比特

    mac[0]

    通信方式

  • 广播：一个发全部收。
  • 组播（多播）：一个发多个收。
  • 单播：一个发一个收。

    单播地址和组播地址

    区分可通过使用地址字段的第一字节的最低位（I/Gbit）来进行：I/G=0表示单播地址，I/G=1表示组播地址。

    广播地址

    所有 48位都为 1 ，只能作为目的地址使用。

    2.3.3 如何接受

  • 网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址： 若是发往本站的则收下，然后再进行其他的处理； 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
  • 网卡如果以混杂方式(promiscuous mode)进行工作，只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。
  • 所有的网卡都至少能够识别单播地址和广播地址。
  • 有的网卡可用编程方法识别组播地址。
  • 只有目的地址才能使用广播地址和组播地址。

    2.4 MAC帧格式

    alt text 请注意，这里的MAC帧参考了曾经的HDLC协议的相关标准进行拓展。

    2.4.1 DIX V2 帧格式

  • 前导码(8B):由物理层加上，每一字节都是10101010，用于时钟同步
  • 地址字段(12B):目的MAC地址，源MAC地址，用于标识发送者和接收者
  • 类型字段(2B):帧类型，用于标识数据类型例：IPv4:0x0800、ARP:0x0806、PPPoE:0x8864等。
  • alt text
  • 数据字段(46-1500B):数据部分，可以是任意类型的数据，最大长度为1500字节。书本上注明，这一字段当中由46字节的填充部分。
  • FCS(4B):帧检验序列，用于检验数据是否被篡改。

    2.4.2 802.3帧格式

    类型字段被替换为帧长度 前导码的最后两个比特全部是1，这一2b的段被称之为SOF (Start of Frame)。

    • 请注意，DIXV2 的帧格式字段中转化出的帧长度一定是大于1500字节的。也就是说，除了SOF以外，也可以使用这个字段分析出的长度来区分这两种帧格式。例如：0x800=2048。于是IEEE规定，0x600(1536)以下都可以被认为是长度。

      2.4.3 如何校验MAC帧

  • 数据字段的长度与长度字段的值不一致。
  • 帧的长度不是整数个字节
  • 用收到的帧检验序列FCS查出有差错。
  • 数据字段的长度不在46-1500B之间。

    2.4.4 LLC子层

    Logical link control 子层。

    类型

    类型1（LLC1） 提供不确认的无连接服务，即：数据报服务 适合：点到点通信；广播通信和组播通信；周期性采集网络中的数据 类型2（LLC2） 提供面向连接服务，即：虚电路服务 适合：传送很长的数据文件 类型3（LLC3） 提供带确认的无连接服务，目前只用于令牌总线网中，适合传送非常重要且时间性也很强的信息。 类型4（LLC4） 提供高速传输服务，专为MAN所用。

    帧格式

    alt text 目的服务访问点（DSAP）：1B I/G位：I/G=0表示单个DSAP（单播），I/G=1表示一组DSAP（组播） 其它7位：用于目的服务访问点 源服务访问点（SSAP）：1B C/R位：C/R=0表示命令帧，C/R=1表示响应帧 其它7位：用于源服务访问点 提示：SAP地址是指进程在主机中的地址 控制字段：2B或1B，用于区分不同帧 数据字段：长度不限，但应是整数个字节

    3 交换机

    如何工作

    当交换机收到数据时，它会检查它的目的MAC地址，然后把数据从目的主机所在的接口转发出去。交换机之所以能实现这一功能，是因为交换机内部有一个MAC地址表，MAC地址表记录了网络中所有MAC地址与该交换机各端口的对应信息。某一数据帧需要转发时，交换机根据该数据帧的目的MAC地址来查找MAC地址表，从而得到该地址对应的端口，即知道具有该MAC地址的设备是连接在交换机的哪个端口上，然后交换机把数据帧从该端口转发出去。

  • “分段”就是将一个大型的以太网分割成两个或多个小型的以太网，每个段（分割后的每个小以太网）使用CSMA/CD方法维持段内用户的通信。

    交换方式

    存储-转发交换

    思想：在转发前先将数据帧全部存储到内部缓冲区中。 优点：具有帧差错检测能力；支持不同速率端口间的帧转发 缺点：交换延迟时间长。

    切入法

    思想：在测出数据帧的目的地址后马上转发。 优点：交换延迟时间短。 缺点：无帧差错检测能力；不支持不同速率端口间的帧转发

    改进型切入法

    思想：收齐数据帧的前64B，判断已收到部分是否正确，若正确立即转发，否则丢弃。 特点：前两者的综合。

    4 快速以太网 802.3u

    4.1 核心特性与设计目标

    | 特性 | 描述 | |———————|———————————————————————-| | 速率提升 | 从10Mbps升级至100Mbps，单帧传输延迟大幅降低（如1500字节帧传输时间从1.2ms降至0.12ms） | | 完全兼容性 | 沿用以太网帧格式（帧头、帧尾、MTU=1500字节）、CSMA/CD冲突检测机制，上层协议（IP、TCP/UDP）无需修改 | | 传输介质灵活 | 支持双绞线（铜缆）、光纤，适配不同组网场景（桌面接入、楼宇互联） | | 拓扑结构兼容 | 仍以星型拓扑为主（通过交换机/集线器连接），兼容传统以太网的布线系统（部分需升级） | | 低成本演进 | 技术升级无需重构网络架构，硬件（网卡、交换机）成本逐步降低，性价比突出 |

设计目标

  1. 解决传统10Mbps以太网的带宽瓶颈（如文件传输、视频会议等高速业务需求）；
  2. 避免技术断层，让现有以太网用户可平滑升级（无需更换上层软件、重新布线）；
  3. 保持与以太网生态的兼容性，降低部署和维护成本。

4.2 核心技术改进（相比传统10Mbps以太网）

快速以太网能实现10倍速率提升，核心依赖以下3点技术优化：

1. 编码方式升级

  • 传统以太网（10BASE-T）：采用曼彻斯特编码（每个比特位都有一个跳变，用于同步和数据传输），编码效率50%（1bit数据需2个信号周期）；
  • 快速以太网：
    • 铜缆介质（100BASE-TX/T4）：采用4B/5B编码（4个比特数据映射为5个比特信号），编码效率80%，在相同信号速率下传输更多数据（信号速率125MHz→数据速率100Mbps）；
    • 光纤介质（100BASE-FX）：同样采用4B/5B编码，搭配光信号传输，抗干扰能力更强。

2. 传输介质优化

  • 放弃传统同轴电缆（10BASE-5/2），主力采用双绞线（Cat5及以上）和光纤，大幅降低信号衰减、提升传输稳定性：
    • 双绞线：支持星型拓扑，布线灵活，适合桌面终端接入；
    • 光纤：支持长距离传输，无电磁干扰，适合楼宇间、机房互联。

3. 冲突域控制

  • 传统以太网依赖集线器（HUB），所有终端共享一个冲突域，速率提升后冲突概率会急剧增加；
  • 快速以太网主流使用交换机（Switch） 替代集线器，交换机每个端口对应一个独立冲突域，仅在目标端口转发数据，大幅减少冲突，充分发挥100Mbps速率优势。

4.3 关键物理层标准（IEEE 802.3u定义）

快速以太网的物理层（PHY）定义了3种核心标准，核心差异在于传输介质、距离和编码细节，具体对比如下：

标准 传输介质 传输距离（单段） 编码方式 线对数量 特性与应用场景
100BASE-TX 5类/超5类非屏蔽双绞线（UTP） 100m 4B/5B+MLT-3 2对（发送+接收） 最主流标准，用于桌面终端、服务器接入，支持全双工模式
100BASE-T4 3类/5类非屏蔽双绞线 100m 4B/5B+8B/6T 4对（无专用发送/接收线对） 兼容旧3类双绞线，速率相同但线对利用率高，现已少见
100BASE-FX 多模光纤（62.5/125μm） 2km（半双工）/4km（全双工） 4B/5B+NRZ-I 2芯（发送+接收） 抗干扰、长距离，用于楼宇间互联、机房骨干链路

5 千兆以太网 802.3ab标准

实际上，1998年6月，所使用的标准为802.3z标准。随后1999年6月，802.3ab标准正式发布。即1000Base-T。

特性

  • 与现有的以太网标准保持向后兼容
  • 支持半双工和全双工操作，优选全双工操作
  • 采用星型/树型/网状连接方式
  • 支持UTP、STP和光纤
  • 采用新的编码方案
  • 使用CSMA/CD协议
  • 为保持最大电缆长度（100m）和最短帧长（64B）不变，需将争用期变成512B。扩展字节采用特殊的非数据符号表示，由发送硬件添加、接收硬件移走，协议软件不须变动也无需知道。

    载波扩充与帧突发

    在这样的告诉网络中多个小包会降低效率。 在发送很多短帧（64B）时，载波扩展存在着浪费严重现象（信道效率只有9%）。 为减低浪费，第一个短帧采用“载波扩展”进行填充，以后的短帧直接发送，直到8192B（突发限度）为止 。