关于计算机网络:计算机网络35以太网MAC层及交换机

MAC 层的硬件地址

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

IEEE 802 规范为局域网规定了一种 48 位 (6 字节) 的寰球地址，固化在适配器的 ROM 中。

如果计算机中或者路由器有多个适配器，那么这样的主机或者路由器就有多个“地址”，更精确的说，这种 48 位“地址”该当是某个接口的标识符。

IEEE 的注册治理构造 RA 是局域网寰球地址的法定管理机构，它负责调配地址字段 6 个字节中的前三个字节。世界上但凡要生产局域网适配器的厂家都必须向 IEEE 注册治理构造购买由这三个字节形成的号 (地址块)，这个号的正式名称为 组织惟一标识符 OUI，通常也叫公司标标识符。

以太网适配器还能够设置为一种非凡的工作形式，即 混淆模式，工作在混淆模式的适配器只有“听到”有帧在以太网上就能够轻轻传输接管下来，而不论帧发送到哪里。

MAC 帧格局

罕用的以太网 MAC 帧格局有两种，一种是 DIX Ethernet V2 规范(以太网 V2 规范)，另一种是 IEEE 的 802.3 规范。这里介绍应用最多的以太网 V2 的 MAC 帧格局(图 3 -22)。图中假设网络层应用的是 IP 协定。

以太网 V2 的 MAC 帧比较简单，由 5 个字段组成。前两个字段别离为 6 字节长的 目标地址 和源地址 字段。第三个字段为 2 字节的 类型字段 ，用来标识上一层(例如网络层) 应用的是什么协定，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协定。例如，当协定字段为 0x0800 代表下层网络层应用的是 IP 数据报；若类型为 0x8137 示意的是下层是从 Novell IPX 发过来的。第四个字段是 数据字段 ，其长度为 46-1500 字节之间(最小长度 64 字节减去首部和尾部以及类型的长度 18)。第五个字段为 4 字节的 帧测验序列 FCS(应用 CRC 校验)。

MAC 层怎么晓得从从接管到的以太网帧取出多少字节交付给上一次层呢？这时候咱们须要说一下曼彻斯特编码，曼彻斯特编码的重要一个特点是：在曼彻斯特编码的每一个码元的正中间肯定有一次电压转换(由高到低或者由低到高)。当发送方把一个以太网帧发送结束后，就不再发送其它码元了(既不发送 0，也不发送 1)。因而，发送方的网络适配器上的接口上的电压就不会发生变化了。这样，接管方就能够很容易找到以太网帧的完结地位。在这个地位上往前移 4 字节(FCS 校验 4 字节)，就能确定数据字段的完结地位。

当数据字段的长度小于 46 字节时候，MAC 子层就会在数据字段退出一个整数字段进行填充，以保障以太网的帧不小于 64 字节。

从图 3 -22 还能够看出，在传输媒体上理论传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节，这是因为当一个站在刚开始接管 MAC 帧时，因为适配器的时钟尚未与达到的比特流达成同步，因而 MAC 帧的最后面的若干位就无奈接管，后果使得整个 MAC 帧成为无用的帧。为了接收端迅速的实现位同步，从 MAC 层向下物理层还要帧的后面插入 8 字节 (由硬件生成)，它由两个字段形成。第一个字段时 7 字节的 前同步码 (1 和 0 交替码)，它的作用是使接收端的适配器在接管 MAC 帧的时候可能迅速调整其时钟频率，使它和发送端的时钟同步，也就是 实现位同步，第二个字段是* 帧开始定界符，定义为 10101011*, 它的前 6 位作用和前同步码一样，最初两个间断的 1 就是通知接收端适配器：“MAC 帧信息就要来了，请适配器留神接管”。

在以太网上传送数据时是以 帧位单位传送的。以太网在传送帧时，各帧之间还必须有肯定的间隙。因而，接收端只有找到帧开始定界符，其前面的间断达到的比特流就属于同一个 MAC 帧。可见以太网不须要应用帧完结定界符。

扩大的以太网

扩大的以太网在网络层看起来依然是一个网络

在物理层扩大以太网

以太网上的主机之间的间隔不能太远，否则主机发送的信号通过铜线传输就会衰减到 CSMA/CD 协定无奈失常工作。

当初，扩大主机和集线器之间的间隔的一种方法就是应用光纤和一堆光纤调制解调器。如图 3 -23：所示：

光纤调制解调器的作用是进行电信号与光信号的转换。因为光纤带来的时延很小，并且带宽很宽，因而应用这种办法能够很容易的使主机从几千公里以外的集线器相连。

在数据链路层扩大以太网

扩大以太网更罕用的办法是在数据链路层上进行。最后人们应用的是 网桥 ，网桥对接管到的帧依据其目标 MCA 地址进行 转发 和过滤。

在 1990 年呈现了 以太网交换机
以太网交换机本质上就是一个 多接口的网桥 ，以太网交换机的每个接口都间接与一台计算机或者另一台以太网交换机相连。并且个别都是工作在 全双工方式 ，以太网交换机还具备 并行性 ，即能同时联通多对接口，使多对主机能同时通信(而网桥只能一次剖析和转发一个帧)，互相通信的主机都是 独占传输媒体，无碰撞的传输数据。

以太网的接口还有存储器，能在输入端口忙碌时把到来的帧进行缓存。因而，如果以太网交换机上的两台主机，同时向另一台主机发送帧，那么当这台主机上的接口忙碌时，发送帧的这两台主机的接口会把收到的帧暂存一下，当前再发送进来。

以太网交换机是一种即插即用的设施，其外部的帧替换表 (又称地址表) 是通过 自学习 算法主动逐步建设起来的。以太网交换机因为应用了专门的替换构造芯片，用硬件转发，其转发速率往往比要应用软件转发快得多。

以太网交换机的自学习性能

应用一个简略的例子阐明交换机是怎么进行学习的。
假设在图 3 -25 中以太网有 4 个接口，各连贯一台计算机，其 MAC 地址别离为 A,B,C,D。一开始交换机外面的替换表使空的。(图 3 -25(a))

A 向 B 发送一帧，从端口 1 进入到交换机，交换机在接管到帧后，先查找替换表，没有查到应从哪个接口转发这个帧(在 MAC 地址这列中，找不到目标地址为 B 的主机)。接着，交换机把这个帧的源地址 A 和接口 2 写入到替换表中，并向除接口 1 以外的所有接口播送这个帧。

C,D 抛弃掉这个帧，因为目标地址不对，只有 B 收下这个帧，这也称之为 过滤。

从新写入替换表的我的项目 (A,1) 能够看出，当前不论从哪一个接口收到帧，只有其目标地址是 A，就该当把收到的帧从接口 1 转发进来。这样做的根据是：既然 A 收回的帧是从接口 1 进入到交换机的，那么从交换机的接口 1 转发进来的帧也该当能够达到 A 。通过一段时间后，替换表中的我的项目就齐全了。

有时候交换机上的接口更换主机，或者主机更换了网络适配器，这就须要更改替换表中的我的项目。为此，在替换表中每个我的项目都设有肯定的无效工夫，过期的我的项目就会被主动删除，用这样的办法保障替换表中的数据都合乎以后网络的理论状况。

以太网交换机的这种自学方法不须要人工进行配置，十分的不便。

但有时候为了减少网络的可靠性，在应用以太网交换机组件网络的时候，往往会减少一些冗余的链路。在这种状况下，自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某一个环路中无限度的兜圈子，白白耗费了网络资源，如图 3 -26：

为了解决兜圈子问题，IEEE 的 802.1D 规范制订了一个 生成树协定 STP，其要点的协定是不扭转网络的理论拓扑，但在逻辑上切断某些链路。使得从一台主机到其余主机的门路是无环路的树状构造，从而防止播送风暴大量占用交换机的资源。

生成树 STP 协定原理：任意一交换机中如果达到根网桥有两条或者两条以上的链路，生成树协定都依据算法把其中一条切断，仅保留一条，从而保障任意两个交换机之间只有一条繁多的流动链路。因为这种生成的拓扑构造，很像是以根交换机为树干的树形构造，故为生成树协定。

总线以太网应用了 CSMA/CD 协定，以半双工进行通信，然而以太网交换机采纳的是全双工通信，并不是应用 CSMA/CD 协定，为什么还叫以太网？起因是它的 帧构造未发生变化，依然采纳以太网的帧构造。

虚构局域网

利用以太网交换机能够很不便的实现 虚构局域网(VLAN)，在 IEEE802.1Q 规范中，对虚构局域网是这样定义的：虚构局域网是由一些局域网网段形成的与物理地位无关的逻辑组，而这些网络具备某些独特的需要，每一个 VLAN 帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机属于哪一个 VLAN。

本章重要的概念

• 链路是从一个节点到相邻节点的一段物理层线路，数据链路是在链路的根底上减少了一些必要的硬件 (如网络适配器) 和软件(如协定的实现)。
• 数据链路层应用的信道次要是点对点信道和播送信道两种。
• 数据链路层传送的协定数据单元是帧。数据链路层的三个根本问题是：封装成帧，通明传输，过错检测。
• 循环冗余测验 CRC 是一种检错办法，而帧检测序列 FCS 是增加在数据前面的冗余码。
• 点对点协定 PPP 是数据链路层应用最多的一个协定，它的特点是：简略，只检测过错，而不是纠正错误，不应用序列号，也不进行流量管制。可同时反对多种网络协议。
• PPoE 是为宽带上网的主机应用的链路层协定。

• 局域网的长处是：

  • 具备播送性能，从一个站点能够很不便的拜访全国。
  • 便于零碎的扩大和演变。
  • 进步了零碎的可靠性，可用性和生存性。
• 计算机与外界局域网的通信要通过通信适配器(或网络适配器), 它又称为网络接口卡或网卡。计算机的硬件地址就在适配器的 ROM 中。
• 以太网采纳无连贯的工作形式, 对发送的数据帧不进行编号, 也不要求对方发回确
  认。目标站收到有过错帧就把它抛弃, 其余什么也不做。
• 以太网采纳的协定是具备冲突检测的载波监听多点接入 CSMA/CD。协定的要点是: 发送前先监听, 边发送边监听, 一旦发现总线上呈现了碰撞, 就立刻进行发送。而后依照退却算法期待一段随机工夫后再次发送。因而, 每一个站在本人发送数据之后的一小段时间内，存在着遭逢碰撞的可能性。以太网上各站点都平等地争用以太网信道。
• 传统的总线以太网基本上都是应用集线器的双绞线以太网。这种以太网在物理上是星形网, 但在逻辑上则是总线形网。集线器工作在物理层, 它的每个接口仅仅简略地转发比特, 不进行碰撞检测。
• 以太网的硬件地址, 即 MAC 地址实际上就是适配器地址或适配器标识符, 与主机
  所在的地点无关。源地址和目标地址都是 48 位长。
• 以太网的适配器有过滤性能，它只承受单播帧，播送帧和多播帧。
• 应用集线器在物理层上扩大以太网(扩大后的以太网依然是一个网络)。
• 交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机 (工作在数据链路层)。它就是
  个多接口的网桥, 而每个接口都间接与某台单主机或另一个集线器相连, 且工作
  在全双工方式。以太网交换机能同时连通许多对的接口, 使每一对互相通信的主机
  都能像独占通信媒体那样, 无碰撞地传输数据。