任务一 以太网工作方式
知识点
1.本项目（以太网）要学什么？
项目导读：IEEE 802.3 制定了以太网的技术标准。以太网是一种计算机局域网技术，它规定了包括物理层的连线、信号类型和介质访问层协议等内容，是目前应用最普遍的局域网技术。本项目学习以太网的工作方式及不同介质组建以太网的标准等内容。
| 目标类别 | 内容 |
|---|---|
| 知识目标 | ① 了解 10BASE-2、10BASE-5、10BASE-T 以太网标准；② 理解以太网 MAC 帧结构；③ 熟悉 100BASE-T 和千兆、万兆标准 |
| 能力目标 | ① 掌握以太网 MAC 帧结构，解读帧首部、尾部数据的含义；② 了解各个以太网标准的含义；③ 了解不同的以太网标准是如何兼容的 |
| 素质目标 | ① 规范学生对于以太网及其标准的认识；② 通过对不同标准可以互联的介绍，增强学生对协议转换、兼容重要性的理解 |
2.以太网是什么？为什么叫"以太"？
以太网（Ethernet） 是一种产生较早且应用相当广泛的局域网，它以无源的电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示**传播电磁波的介质——以太（Ether）**来命名。
IEEE 802.3 标准简称以太网：为了与高速以太网相区别，通常将 IEEE 802.3 标准简称为以太网，即使用载波监听多路访问及冲突检测（CSMA/CD）技术、并以 10Mb/s 的速率运行在多种类型的电缆上。
发展脉络：
| 阶段 | 内容 |
|---|---|
| 20 世纪 90 年代后 | 交换型以太网得到发展，先后推出 100 兆快速以太网、1000 兆千兆以太网、10000 兆万兆以太网 |
| 现状 | 因为以太网的帧格式特别适合于传输 IP 数据包，随着 Internet 快速发展，以太网被广泛使用，成为事实上的局域网标准 |
| 特点 | 高度灵活、相对简单、易于实现，成为当今最重要的一种局域网建网技术 |
| 拓展 | 在现代网络技术中，以太网技术开始融入 WAN 和 MAN 等大规模、长距离网络的建设领域；无线以太网为无线局域网提供更快的数据传输速率、更远的覆盖距离以及更高的安全性 |
3.以太网 MAC 帧的结构是怎样的？
MAC 帧是在 MAC 子层的实体间交换的协议数据单元（PDU），它经过适当编码后由 MAC 子层通过接口交给物理层，以比特流形式在介质上传输。
图 5-2 以太网 MAC 帧格式（共 6 个字段）：
| 字段 | 英文/缩写 | 长度 |
|---|---|---|
| 前导同步码 | P（Preamble） | 8 字节（7 个同步字节 + 1 个帧起始定界符） |
| 目的地址 | DA（Destination Address） | 6 字节 |
| 源地址 | SA（Source Address） | 6 字节 |
| 数据类型 | Type | 2 字节 |
| 数据字节 | Data | 46~1500 字节 |
| 帧校验 | FCS | 4 字节 |
帧总长推算：最小帧 = 8 + 6 + 6 + 2 + 46 + 4 = 72 字节；最大帧 = 8 + 6 + 6 + 2 + 1500 + 4 = 1526 字节（不含前导码时，常说的"最小 64 字节 / 最大 1518 字节"是从目的地址算起的口径）。
4.MAC 帧各字段的功能是什么？
（1）前导同步码（8 字节）
- 由 7 个同步字节和 **1 个字节的帧起始定界符（SDF）**组成
- 每个同步字节的位模式是
10101010，用于实现收发双方的时钟同步 - 帧起始定界符的位模式是
10101011，紧跟在前导同步码后，用于标识一帧的开始 - 接收端能根据 1、0 交替变化的位模式迅速实现同步；当检测到连续两个 1，接收端的物理层便将后续的信息传输给 MAC 子层
（2）源地址和目的地址（各 6 字节）
表示发送和接收帧的工作站的地址，各占据 6 个字节。目的地址可以是单地址，也可以是组地址或广播地址：
| 目的地址类型 | 判定规则 | 含义 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 单地址（单播） | 左边第一位为 0 | 指定网络上某个特定站点 | 00-0E-9B-1B-10-7E |
| 组地址（组播） | 左边第一位为 1，且其余位不全为 1 | 指定网络上特定的多个站点 | — |
| 广播地址 | 所有位全为 1 | 指定网络上所有的站点 | FF-FF-FF-FF-FF-FF |
（3）数据类型（2 字节）
用于指示接收数据的高层协议。例如高层是 IP 协议，则为 0800。
（4）数据字节
这部分是数据帧的有效载荷。在经过物理层和逻辑链路层的处理之后，包含在帧中的数据将被传递给在数据类型中指定的高层协议。以太网帧中数据字节的长度最小不低于 46 个字节（最大 1500 字节）。
（5）帧校验（4 字节）
占用 4 个字节，采用 CRC 码，用于校验帧传输中的差错。
为什么最小 46 字节：为了让最短帧在共享介质上"占满"冲突检测窗口——帧太短，发送方在冲突信号返回之前就已经发完并释放介质，就检测不到冲突了。
5.IEEE 802.3 物理层规范的名称是怎么来的？
以太网标准在物理层可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、光缆等多种传输介质。在 IEEE 802.3 标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层规范，对应着各种典型的以太网应用。
命名由 3 部分组成：分别代表局域网的速度、信号方法和物理媒体类型。
以 10BASE-T 为例：
| 部分 | 含义 |
|---|---|
| 10 | 信号的传输速率为 10Mb/s |
| BASE | 信道上传输的是基带信号 |
| T | 英文 Twisted-pair wire（双绞线电缆）的缩写 |
表 5-1 四种典型的 IEEE 802.3 10Mb/s 以太网的基本特点：
| 特性 | 10BASE-5 | 10BASE-2 | 10BASE-T | 10BASE-F |
|---|---|---|---|---|
| 数据速率（Mb/s） | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 信号方式 | 基带 | 基带 | 基带 | 基带 |
| 最大网段长度（m） | 500 | 185 | 100 | 2000 |
| 网络介质 | 50Ω 粗同轴电缆 | 50Ω 细同轴电缆 | 非屏蔽双绞线 | 光缆 |
| 拓扑结构 | 总线型 | 总线型 | 星型 | 点对点 |
介质代号记忆：5 = 粗缆（500m）、2 = 细缆（185m 近似"2"百）、T = 双绞线、F = 光纤。
6.CSMA/CD 是什么？工作过程如何？
带冲突检测的载波监听/多路访问（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD） 是一种介质访问控制方法，适用于总线结构及星型结构的局域网络，传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。
工作过程可简单概括为 4 点：先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发。
具体步骤：
| 步骤 | 动作 |
|---|---|
| （1）监听 | 当一个站点想要发送数据时，首先检测（监听）网络，查看是否有其他站点正在利用线路发送数据，即监听线路的忙、闲状态。有数据在传输则忙，没有数据在传输则空闲 |
| （2）等待 | 如果线路忙，则等待，直到线路空闲 |
| （3）发送 | 如果线路空闲，该站点就发送数据 |
| （4）边发边听 | 在发送数据的同时，站点继续监听网络以确保没有发生冲突——即将其发送信号的波形与从线路上接收（监听）到的信号波形进行比较：相同则没有发生冲突，发完正常结束；不相同说明该站点发送数据时其他站点也在发送，即发生了冲突 |
| （5）冲突处理 | 若检测到冲突，冲突各方立即停止发送，并发出一串固定格式的阻塞信号以强化冲突，以方便网络中其他站点都能发现，然后过一段时间（时长随机）再重发。循环上述过程，只有当线路空闲时，站点才可以发送数据 |
流程图（图 5-3）的判定链：总线空闲？ —— 否 → 继续监听（回到判断）；是 → 发送数据 → 发生冲突？ —— 是 → 随机延迟一段时间 → 回到 总线空闲？；否 → 本次发送结束。
为什么监听空闲了还会冲突：因为信号在介质上有传播延时，"我听到空闲"只是"此刻我所在位置空闲"，不代表别处没有人刚开始发送。
7.线路上为什么会发生数据冲突？
线路上发生数据冲突有两种可能：
- 两个节点同时检测到线路空闲，又同时发送数据
- 第一个站点已经发送数据，但由于传输的延时，第二个站点没有检测到信号，认为线路是空闲的，又向线路上发送数据
第一种是"同时抢发"，第二种是"没听见别人已经开讲"——本质都是传播延时造成的。
8.实现冲突检测有哪几种方法？
| 方法 | 判据 |
|---|---|
| （1）通过硬件检查 | 以信号叠加引起的接收信号电平摆动变大是否超过某一阈值，来判断是否有冲突发生 |
| （2）通过检查曼彻斯特编码信号 | 检查**每位中间有无过零点（零点是否偏移）**来判断是否发生冲突 |
曼彻斯特编码的原理：每位中间必有一次跳变（用作时钟），冲突叠加后跳变位置错乱、过零点偏移，因此可以据此判定冲突。
9.学习 CSMA/CD 要记住的结论
采用 CSMA/CD 的局域网，能够有效地解决多个站点在共享传输介质访问时的信道争用问题。CSMA/CD 是一种很成熟的技术，在网络技术中，以太网、CSMA/CD 和 802.3 可以作为同义语使用。
10.本任务的任务实施做什么？
- 启动计算机，在搜索工具中以"CSMA/CD 工作方式"为关键词进行搜索
- 浏览搜索结果中关于 CSMA/CD 工作过程的叙述
- 区分介质争用与确定访问两种介质使用方法的特点
11.速查表
| 问题 | 答案 |
|---|---|
| 以太网的标准 | IEEE 802.3 |
| 以太网的基础速率 | 10Mb/s（标准以太网） |
| 以太网"以太"的来源 | 历史上表示传播电磁波的介质 |
| MAC 帧各字段长度 | 前导码 8、DA 6、SA 6、类型 2、数据 46~1500、FCS 4（字节） |
| 前导同步码构成 | 7 个同步字节（10101010）+ 1 个帧起始定界符（10101011） |
| 判定单地址 | 目的地址左边第一位为 0 |
| 判定广播地址 | 所有位全为 1（FF-FF-FF-FF-FF-FF） |
类型字段为 0800 表示 | 高层是 IP 协议 |
| 帧校验用的码 | CRC，占 4 字节 |
| 数据字段最小长度 | 46 字节（最大 1500） |
| 命名三要素 | 速率 + 信号方式（BASE 基带）+ 介质代号 |
| 10BASE-5/2/T/F 网段长度 | 500 / 185 / 100 / 2000 米 |
| CSMA/CD 四句口诀 | 先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发 |
| CSMA/CD 适用拓扑 | 总线型、星型 |
| 冲突的两种可能 | 同时检测空闲同时发送；传播延时导致后者未检测到信号 |
| 冲突检测两种方法 | 硬件检查电平摆动；检查曼彻斯特编码过零点偏移 |
| 三个同义语 | 以太网 = CSMA/CD = 802.3 |