计算机网路（四）使用广播信道的以太网

传统以太网最初使用粗同轴电缆，后来演进使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。

采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加集线器（hub）.

10BASE-T以太网    10代表10Mb/s，BASE表示连接线上的信号是基带信号，T代表双绞线，F代表光纤。

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，各站的适配器使用的还是CSMA/CD协议。

集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。

集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，这样就可使接口转发出去较强信号不致于对该接口接收到的较弱信号产生干扰（这种干扰即近端串音）。每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时。

集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能。例如，假如在以太网中有一个适配器出了故障，不停地发送以太网帧。这时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与出故障的适配器的连线，使整个以太网仍能正常工作。模块化的机箱式智能集线器有很高的可靠性。它全部的网络功能都以模块方式实现。各模块均可进行热插拔，出故障时不断电即可更换或增加新模块。集线器上的指示还可显示网络上的故障情况，给网络的管理带来了很大的方便。

以太网的信道被占用的情况

成功发送一个帧需要占用信道的时间时To+t，当一个站发送完最后一个比特时，这个比特还要在以太网上传播一个单程端到端时延t。

极限信道利用率：Smax = （To）/（To+t）

当以太网的利用率达到30%时就已经处于重载的情况。很多的网络容量被网上的碰撞消耗掉了。

以太网的MAC层

    在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址（因为这种地址用在MAC帧中）

    在生产适配器时，6字节的MAC地址已被固化在适配器中的ROM中。因此MAC地址也叫硬件地址或物理地址。

    IEEE 802标准为局域网规定了一种48位的全球地址：指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址。

    IEEE规定地址字段的第一个字节的最低位为I/G位。I/G表示Individual/Group。该位0表示单个站地址，1表示组地址，用来进行多播。

    IEEE规定地址字段的第一个字节的最低第二位为G/L位。该位为0时时全球管理（保证在全球没有相同的地址）。为1时是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。采用2字节时全都是本地管理。但应当指出，以太网几乎不理会这个G/L位。

    适配器有过滤功能。适配器从网络每接收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧的目的地址。如果时发往本站的帧则收下，否则就丢弃。

    发往本站的帧 包含以下三种帧：

           1.单播帧（一对一），即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。

           2.广播帧（一对全体），即发送给本局域网上所有站点的帧（全1地址）。

           3.多播帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。

     并非所有的适配器能识别多播地址。（有些可用编程方式识别多播地址）

MAC帧的格式

     2个字节的类型字段，用来标示上一层使用的时什么协议。

     MAC子层上通过曼彻斯特编码知道以太网帧的首部。这种曼切斯特编码的特点：在曼彻斯特编码的每个码元的正中间一定有一次电压的转换。当发送方把一个以太网帧发送完毕后，就不再发送其他码元，发送方网络适配器的接口上的电压也就不再变化了。

     当数据字段的长度小于46字节时，MAC子层就会在数据字段的后面加入一个整数字段的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。

     在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节。因为当一个站在刚开始接受MAC帧时，由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达到同步，因此MAC帧的最前面的若干位无法接受。（在使用SONET/SDH进行同步传输时则不需要前同步码，因为在同步传输时收发双方的位同步总是一直保持着的）

     在以太网上传送数据时是以帧为单位。各帧之间还必须有一定的间隔。可见以太网不需要使用帧结束定界符，也就不需要字节插入来保证透明传输。

     无效的MAC帧：

     1.帧的长度不是整数个字节。

     2.用收到的帧检验序列FCS查出有差错。

     3.收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~1500字节之间。考虑到MAC帧首部和尾部的长度共有18字节，可以得出有效的MAC帧长度为64-1518字节之间。

在物理层扩展以太网

     以太网上的主机之间的距离不能太远，否则主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常工作。

     扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法：使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器。

     光纤调制解调器的作用：进行电信号和光信号的转换。

     缺陷：

        1.将多个以太网通过集线器互连后，就把多个碰撞域变成一个碰撞域。当某个以太网的两个站通信时所传送的数据会通过所有的集线器进行转发，其他的以太网就不能通信

        2.如果不同的以太网使用不同的以太网技术（如数据率不同），就不能用集线器将他们互连起来。

在数据链路层扩展以太网

     方法：通过网桥来扩展以太网。网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。

     网桥的内部结构：

     网桥依靠转发表来转发帧。转发表也叫转发数据库或路由目录。

     好处：

          1.过滤通信量，增大吞吐量。网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域。

          2.扩大了物理范围。因此增加了整个以太网上工作站的最大数目。

          3.提高了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段。

          4.可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

     缺点：

          1.由于网桥对接收的帧要先存储和查找转发表，然后才转发，而转发前还必须执行CSMA/CD算法。所以增加了时延。

          2.在MAC子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出，以致于产生帧丢失的现象。

          3.网桥只适合于用户数不太多（不超过几百个）和通信量不太大的以太网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

有时在两个网桥之间，还可以使用一段点到点链路（使用PPP协议）

透明网桥

     “透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过那几个网桥，以太网上的站点都看不见以太网上的网桥。

     透明网桥是一种即插即用设备（plug-and-play  device）。即只要把网桥接入局域网，不用人工配置转发表网桥就能工作。

    

     网桥刚连接到以太网时，其转发表是空的。网桥采用自学习算法处理收到的帧，并按照转发表把帧转发出去。

     自学习算法原理：若从某个站A发出的帧从接口x进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到A。所以网桥每接收一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口。