计算机网络三之以太网

否定以太，关于“场”概念就有一个尖锐的问题：电磁场能在真空中整体运动吗。物 理学家作了许多努力来解释迈克耳孙2莫雷实验的否定结果, 以拯救“以太”, 但是, 有一种理论能够协调全部实验和天文观测的事实, 这反映出伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理 论三者之间的不和谐性。实际上，科学界里几乎所有的公开争论，水猿vs.陆猿，板块运动vs.不动，爱因斯坦体系vs.牛顿体系，甚至以太vs.没有以太，对阵双方假说的预测力和解释力都是不一样的。

以太网是美国Xerox（施乐）公司的Palo Alto研究中心于1975年研制成功的，其核心技术起源于ALOHA网。

20世纪70年代初，Bob Metcalfe对ALOHA系统进行改进，提出一种总线型局域网的设想。

1972年，Bob Metcalfe和David Boggs开发出第一个实验性网络，采用无源的同轴电缆作为总线来传输数据，传输率为2.94 Mbps。

1976年7月，他们发表具有里程碑意义的论文《Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks》，以历史上用于表示传播电磁波的物质——以太（Ether）命名这种新网络，以太网诞生了！

在短短几年间就成功完成了标准化和商业化（表3.1）。

表3.1以太网产业化年表

Metcalfe申请以太网专利

Metcalfe和Boggs研制的以太网中继器（Repeater）获得专利

以太网的工业标准DIX Ethernet V1.0出台

DIX Ethernet V2.0（DIX V2）公布

第一个支持DIX V2的超集成电路芯片（以太网控制器）面世

3COM公司推出世界上第一款商用以太网产品Etherlink，其后，DIX规范为工业界广泛接受，成为事实上的局域网工业标准

在DIX基础上，IEEE 802委员会的802工作组制订了第一个IEEE的局域网标准IEEE 802.3，定义的数据速率为10 Mbps

图3.1给出了以太网技术的发展过程。

路由器路由器图3.1以太网技术的发展过程

早期的10Mbps以太网称之为标准以太网，实际上是一种总线型局域网，结构如图3.2所示。

路由器路由器图3.2总线型以太网结构

路由器路由器

图3.3同轴电缆的结构

注：

10BASE-2：传输速率10Mb/s；BASE基带传输，传输距离200M。

10BASE-5：传输速率10Mb/s；BASE基带传输，传输距离500M。

网卡（NIC）也叫网络适配器。

目前常见的总线插槽类型有：PCI 和 PCMCIA等。

图3.4网卡外观

网卡的主要功能：

这里再简单说一下缓冲区吧：应用程序可通过调用send(write, sendmsg等)利用tcp socket向网络发送应用数据，而tcp/ip协议栈再通过网络设备接口把已经组织成struct sk_buff的应用数据(tcp数据报)真正发送到网络上，由于应用程序调用send的速度跟网络介质发送数据的速度存在差异，所以，一部分应用数据被组织成tcp数据报之后，会缓存在tcp socket的发送缓存队列中，等待网络空闲时再发送出去。一个音频传输特性，一个用于同步，它负责的是服务端音频编码和周期性数据传输，并对客户端接收的语音数据进行解码 (open.audiol icense)8.usb设备库(仅提供给 steval-stlcs01v1就是sensortile套件)提供多分组传输的支持，以允许发送大量数据而不将其分组到最大分组大小传输(mcd-st liberty sw license)9.所有需要...。循环冗余检查（cyclical redundancy check）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，在每个数据块（称之为帧）中加入一个fcs（frame check sequence 帧检查序列）并将得到的结果附在帧的后面，fcs包含了帧的详细信息，专门用于发送/。

(2) 接收。就是接收传输介质上的的信号，变成数据帧，校验它的正确性后缓存起来，然后通知CPU。

网卡包含一个48位的编号称为硬件地址。48位地址又称为EUI – 48，EUI表示扩展的唯一标识符。在网卡生产过程中，就将该地址写入网卡的只读存储器。

IEEE仅仅分配给前3字节中的23位，另外一位用于标识（I/G）。该位为0表示单个站地址；该位为1表示单个组地址。

机构唯一标识符（OUI）（24位）

网卡厂商自行编号（24位）

【例】IEEE分配给3COM公司的前3字节中一个为00-60-08，在两个十六进制数之间用一个连字符隔开。某块网卡分配后24位为00-A6-38，则这个网卡的MAC地址为00-60-08-00-A6-38。

1983年，IEEE802委员会的802.3工作组制定了第1个IEEE的以太网标准IEEE802.3，数据传输速率为10Mb/s。它把数据链路层分成LLC子层和MAC子层。

图3.5 LLC和MAC

以太网出现两种MAC帧结构：

一种是以太网DIX V2标准定义的帧结构；

一种是IEEE802.3标准定义的MAC帧结构。

DIX V2标准定义帧成为MAC帧，帧结构如图3.6所示。。

路由器路由器图3.6

DIX V2帧结构

IEEE802委员会802.3工作组：

DIX V2帧由以下6个部分组成。

第一个字段是7个字节的前同步码（1和0交替），作用是使接收端网卡在收帧时能够迅速调整其时钟频率，与发送端的时钟同步（位同步，即比特同步）。

第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011。它的前六位的作用和前同步码一样，最后的两个连续的1就是告诉接收端网卡：”帧的信息马上就要来了，请你注意接收！”。

源地址是发送者的网卡EUI-48。

目的地址3类：

（1）目的地址为EUI-48（其中I/G=0），表示单一结点地址，该帧只被与网卡EUI-48与目的地址相同的结点接收。

（2）目的地址EUI-48（其中I/G=1），表示是多点地址，该帧被一组结点接收。

（3）目的地址为全1表示是广播地址，该帧将被所有结点接收。

类型字段表示的是网络层使用的协议类型。例如：

Ox0800：表示网络层使用IP协议；

Ox8137：表示网络层使用NetWare的IPX协议。

数据字段是结点待发送的数据部分。数据长度在46~1500字节之间。

char(m)类型的数据列里，每个值都占用m个字节，如果某个长度小于m，mysql就会在它的右边用空格字符补足．（在检索操作中那些填补出来的空格字符将被去掉）在varchar(m)类型的数据列里，每个值只占用刚好够用的字节再加上一个用来记录其长度的字节（即总长度为l+1字节）．。5)完成n0个象素点的叠加：设某一象素点的亮度值为y，用1个字节表示，待叠加字符的亮度值为常数c，用1个字节表示，当已取出的组成该点阵字符的某一行n位中的某一位为1，则将原图像中该位对应象素点的亮度值y改为c，如果该位为0，则保持原图像中该位对应象素点的亮度值不变，依据该原则，完成n0个象素点的叠加。宏s2n与宏n2s干的事情正好相反：s2n读入一个16 bit长的值，然后将它存成双字节值，所以s2n会将与请求的心跳包载荷长度相同的长度值存入变量payload。

帧校验字段（FCS）是为了检测网卡接收的MAC帧有无差错而专门设置的。

使用了循环冗余检验CRC的检错技术，生成多项式为CRC-32：

P(X) = X32

+X26 +X23 +X22

+X16 +X12 +X11 +X10

+X8 +X7 +X5 +X4

+X2 +X + 1

校验范围是：目的地址、源地址、类型、数据字段，并不包括前同步码与帧开始定界符。

路由器路由器图3.7CSMA/CD的工作过程

有人将CSMA/CD的工作过程形象地比喻成很在一间黑屋子中举行讨论会，参加会议的人都只能听到其他人的声音。每个人在说话前必须先倾听，只有等会场安静下来后，他才能够发言。

路由器路由器图3.8结点的数据发送流程

在以太网中，如果一个结点（例如结点A）要发送数据，它以”广播”方式通过总线发送一个数据帧，连在总线上的所有结点都能”收听”到这个数据帧。

由于网中的所有结点都可以利用总线发送数据，并且网络中没有控制中心，因此冲突的发生将不可避免。

CSMA/CD发送流程可以简单概括为四点：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。图3.8给出了以太网结点的数据发送流程。

(1)载波侦听

每个以太网结点利用总线发送数据时，首先需要侦听总线是否空闲。

路由器路由器图3.9总线忙闲状态的判断

以太网的物理层规定发送的数据采用曼彻斯特编码方式。图3.9给出了总线电平跳变与总线忙闲状态的判断。

(2)冲突发生

电磁波在电缆中的传播速率只有光速的65%左右（1.95×l05 km/s）。

当某个结点到总线是空闲时，总线并非一定是真的空闲。图3.10所示的例子可以说明这种情况。

路由器路由器图3.10冲突发生的原因

在A开始发送数据大约5μs（=1/1.95×l05 km/s）后，B才有可能收到该数据帧。

(3) 输气管道的水力计算是按计算段进行的，在计算中必须考虑计算段终点与 起点的高差及计算段沿线地形的影响，而未求出计算段长度（即压气站间距）l 之前 就无法知道计算段终点的位置， 从而无法知道其与起点的高差，也无法知道计算段段 内沿线完整的地形。结点1(数据，结点2地址)->结点2(数据，结点3地址)->……这就是结点。为了体现功能的正常性，至少要编制遍历数据的函数.数据的逻辑结构设计和运算定义需要实现线性表的以下功能:1、创建单链表 2、删除链表中的某个结点 3、输出单链表(遍历) 4、释放结点所占空间5、查找第i个结点 6、插入一个结点 7、求链表的长度三. 数据的存储结构设计和算法设计(1).数据结构线性表的线性结构觉决定了它的性质：数据元素之间是一种线性关系，数据元素一个接一个的排列，除了最后一个数据，其他的数据面临的下一个数据有且仅有一个。

(3) 冲突检测

从发出数据到获知冲突发生，最长时间是结点A向结点B处于网络的两端时的情况。图3.11所示。

路由器路由器图3.11冲突窗口的概念

vlbi通过接收电磁波来确定我们发射上天的太空器的位置和速度，其中的关键是地面上相隔数千公里的几个大型射电望远镜一起捕捉同一个太空器发出的信号，计算信号到达不同地面端点的时间延迟，就能得知太空器的位置。c.抑制我方目标本身所发射的电磁信号特征d.抑制敌方电磁信号特征，使其探测结果混乱。“我们或许能够等到久违的政策维稳信号，...救市所带来的反弹只是给他们提供一个控制损失的行动窗口而已。

由于以太网物理层协议规定了总线最大长度，因此冲突窗口值为51.2μs。

标准以太网数据传输速率为10 Mbps，冲突窗口可发送512 bit（即64 Byte）数据，这就是以太网最短帧的长度。

(4)发现冲突、停止发送

路由器路由器图3.12强化冲突

强化冲突：当发送数据的结点一旦发现发生了冲突时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送32比特或48比特的人为干扰信号，以便让总线上所有结点都知道现在已经发生了冲突（图3.12）。对于10 Mbps以太网，需要3.2（或4.8）μs。

总线被占用的时间=TB+TJ+τ+9.6 μs

(5)随机延迟重发

以太网协议规定一个帧的最大重发次数为16。

为了公平地解决信道争用问题，采用典型的CSMA/CD后退延迟算法为：

τ＝2k·R·α

其中：

τ为重新发送所需的后退延迟时间：

k为本次发送产生的冲突次数，重发次数n，k ＝min（n，10），：

路由器路由器图3.13结点的数据接收流程

α为冲突窗口值（51.2μs），R为以其地址为初始值产生一个随机数。

图3.13给出了以太网结点的数据接收流程。

(1) 启动数据帧接收。

(2) 判断接收的数据帧长度。如果接收帧的长度小于规定的最短帧长（64字节）则表明冲突发生，应该丢弃该帧，结点重新进入等待接收状态。

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