第20次课：以太网
教学目的
① 让学生了解网络结构，包括以太网的标准和实施； ② 了解逻辑链路控制子层的功能； ③ 了解介质访问控制子层的功能；
④ 掌握传统以太网和当前以太网各自的特点，区别； ⑤ 掌握以太网的帧格式。
重点和难点
重点：
① 构成网络的设备； ② 连接设备的介质； ③ 以太网的帧格式； ④ 以太网的2个子层； ⑤ 传统以太网的工作原理。 难点：
① 以太网帧格式；
② 了解逻辑链路控制子层的功能； ③ 了解介质访问控制子层的功能； ④ CSMA/CD技术
教学时间：2学时 课前准备
① 制作“传统以太网与当今以太网”等相关动画，以备上课时给学生观看 ② 按要求准备演示程序软件，课前调试就绪 ③ 编写教案
教学建议
教学程序 教学要点 1． 回顾融合网络概念和网络体系结构； 问题引入 2． 简短讨论实际生活中有哪些地方会用到以太网，思考如何实现帧的传输，需要解决哪些问题； 3． 演示：传送帧的动画。 以太网基本原理 1． 介绍以太网中涉及的概念； 2． 讲解传统以太网和当今以太网的特点，区别。 1． 分析及讲解 以太网模型，及每一层的作用； 以太网的两个子层 2． 讲解逻辑链路控制子层，并演示完整的通信过程动画； 3． 讲解介质访问控制子层，并演示完整的通信过程动画。 现场演示拓扑布局和建立小型网络，注意： 现场演示 1． 观察如何构建两个小型网络； 2． 观察如何将它们连接到整个课程中使用的大型试验操作网络。 课堂讨论 总结 1． 讨论实际网络与模拟网络之间的区别； 2． 总结网络模型的建立和使用。 学生课后任务
① 完成课程学习记录中与课堂活动相关的内容。 ② 结合课堂笔记进行课后总结和复习。
③ 按照教材中实验模块要求准备实验——“检查思科交换机MAC地址表”、“中间设
备用作终端设备”。
总结和回顾
① 以太网是一种高效并且得到广泛采用的TCP/IP网络访问协议。其常用的帧结构已
经通过一系列介质技术（包括铜缆和光缆）得到实现，成为当今最普及的LAN协议。
② 作为IEEE 802.2/3标准的一种实现形式，以太网帧提供MAC编制和错误检测功能。 ③ 早期的以太网采用共享介质技术，必须通过CSMA/CD机制来管理多台设备介质的
使用。
④ 本地网络中的集线器换成交换机后，半双工链路中的帧冲突机率明显减少。但当
前及未来的以太网版本在本质上是全双工通信链路，不需要如此细致地管理介质竞争。
⑤ 以太网提供的第2层编址支持单播，多播和广播通信。
⑥ 以太网使用地址解析协议来确定目的设备的MAC地址，并针对已知的网络层地址
映射它们。
附件：教学内容
20.1 以太网概述
以太网是由IEEE标准描述的局域网（LAN）产品的一个家族系列。有很多有优势的技术。然而，以太网标准也经历了一系列的发展。
20.1.1 以太网：标准和实施
相比于其他计算机和网络技术，以太网已经发展了很长时间。第一个LAN技术是以太网的原始版本。Robert Metcalfe与其在Xerox公司的同事30多年前设计出了它。1980年第一个以太网标准由数据设备公司（Digital Equipment Corporation）、Intel和Xeror（DIX）协会发布。Metcalfe希望以太网成为一个人人受益的共享标准，于是将其作为一个开放的标准进行发布。按照以太网标准开发的第一批产品在20世纪80年代初开始销售。
1985年，本地和城域网的电气电子工程师协会（IEEE）标准委员会法布了LAN标准。这些标准以数字802开头，以太网标准时802.3。IEEE希望其标准能够与国际标准化组织（IOS）的标准以及OSI模型兼容。为确保兼容，IEEE 802.3标准必须解决OSI模型第1层及第2层下半层的需求。因此，对802.3中的原始以太网标准进行了小幅度的修改。如标准允许吉比特以太网可以对小于最小长度的帧添加一个可变长的无数据扩展域。
图20-1 以太网：第1层和第2层
20.1.2 以太网：第1层和第2层
OSI模型为以太网提供了参考。但如图9-1示，以太网实际上仅实现了数据链路层的下半层（即介质访问控制（MAC）子层）和物理层。以太网定义了如下第1层元素：
? 信号
? 介质上传输的比特流
? 将信号放到介质的物理元件 ? 不同的拓扑
以太网的第1层在两台设备间的通信中起到了很关键的作用。但两台通信的主机间还需要第2层的功能。以太网的数据链路层寻址需要：
? 提供与上层协议联系的接口 ? 提供标志设备的接口
? 利用封装成帧将比特流组织为有意义的分组
? 控制从源来的数据传输
以太网使用数据链路子层进一步定义这些功能。OSI模型中的数据链路层功能可以分解为逻辑链路控制（LLC）和MAC子层。这些子层的使用可以确保不同终端设备间的兼容性。
MAC子层与用于通信的物理元件有关并准备介质上传输的数据和信息。LLC子层独立于物理设备。
20.1.3 逻辑链路控制：连接上层
对以太网，IEEE 802.2标准描述了LLC子层功能，802.3描述了MAC子层及物理层功能呢。LLC处理上层的网络软件与下层（通常是硬件）之间的通信。这两套标准，802.2和802.3描述了以太网的功能。LLC子层获取网络协议数据（通常是IPv4数据包）并加入控制信息，帮助将数据包传送到目的节点。第2层通过LLC与上层通信。
LLC在软件中实现，并且它的实现不受物理设备影响。在计算机中，可将LLC视为网卡（NIC）的驱动程序软件。网卡驱动程序是一个直接与网卡中硬件交换，以在介质与介质访问控制子层之间传送数据的程序。
20.1.4 MAC：获取送到介质的数据
介质访问控制（MAC）是数据链路层以太网子层的下半层，由硬件（通常是计算机网卡）实现。
以太网MAC子层主要有两项职责： ? 数据封装
? 介质访问控制MAC
这两个数据链路层过程与以太网的不同版本有关。虽然MAC子层的数据封装保持不变，但MAC与不同的物理层实现方法有关。
① 数据封装
数据链路层的封装是为网络层PDU建立和添加头和尾的过程。数据封装提供三项主要功能：
? 帧定义 ? 编制 ? 错误检测
数据封装过程包括发送前的帧组装和收到帧时的帧解析。在构建帧时，MAC层会向第3层PDU添加帧头和帧尾。帧的使用有助于接收节点对比特的解释。将分组的比特放在介质上可使接收节点更易于确定有用信息。
封装成帧过程提供重要的定界符，用于标志组成帧的一组比特。此过程会对发送节点与接收节点进行同步。这些定界符指明帧的开始和结束。两个定界符之间的所有比特属于同一个帧。
② MAC
MAC 子层控制帧在介质中的放置以及从介质中删除帧。顾名思义，其功能是管理节点如节合适访问介质，包括启动帧的发送以及从冲突引起的发送故障中恢复。
LAN 技术中所使用的逻辑拓扑影响MAC的类型。以太网的底层逻辑拓扑为多路访问总线拓扑，这表示该网段的所有节点的（设备）共用介质，并且该网段中任意节点发送的所有帧。因为所有节点将接收所有帧，所有每个节点都必须确定其是否接收并处理收到的帧。这就需要检查帧中由MAC地址提供的编址。
以太网提供了一种用于确定节点如何共享介质访问的方法。传统以太网的介质访问控制是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）。
20.1.5 以太网的物理层实现
Internet中的大多数通信都开始于以太网也结束于以太网。自从20世纪70年代问世以来，以太网就在不断的发展，以满足高速LAN不断增长的要求。光纤介质推出后，以太网采用了这种新技术，以利用光纤的卓越带宽和低错误率优点。初期只能以3Mbit/s速度传输数据的协议，今天的数据传输速度可以达到10Gbit/s。吉比特以太网的出现扩展了原始LAN技术的距离，可以作为城域网(MAN)和WAN标准。
以太网的成功源以以下因素： ? 维护的简便性
? 整合新技术的干功能 ? 可靠性
? 安装和升级的低成本
作为一项与物理层相关的技术，以太网支持广泛的电缆和连接器规格。以太网协议定义了很多编码和解决方案，使帧比特以信号形式通过介质传送。
在当今的网络中，以太网使用非屏蔽双绞线（UPT）和光缆通过集线器和交换机等中间设备连接网络设备。在以太网支持的所有不同类型的介质中，以太网帧在其所有物理实现中都保持一致的结构。正是基于这种原因使它能够适应今天网络不断发展的要求。
20.2 以太网：通过LAN通信
以太网技术基础最早起步于1970年，是在一个叫做Alohanet的计划中提出来的。Alohanet是一个数字无线电网络，用于通过夏威夷群岛之间共享的无线电频率发送信息。Alohanet要求所有电台都遵循一个协议，该协定规定，未经确认的发送在短时间等待后需要重新发送。以这种方式共用介质的技术后来通过以太网的形式应用到有线LAN技术领域。
20.2.1 以太网历史
以太网最初设计为多台计算机互联为总线拓扑。第一个以太网版本使用同轴电缆将计算机连接为总线拓扑。每台计算机直接连至骨干。这一版本融入了载波侦多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的介质访问方法。CSMA/CD负责管理多台设备通过一个共享物理介质通信时产生的问题。以太网的早期版本被称为（10BASE5）和细缆网络(10BASE2)。
10BASE5(或粗缆网络)使用同轴电缆，这可使信号在被中继之前传输500m距离。10BASE2(细缆网络)使用比粗缆直径更小、更柔软的细同轴电缆，这种电缆的距离为185m。
最初的细缆和粗缆被早期的UPT电缆取代。与同轴电缆相比，UTP使用更简便、更轻、成本也更低。
早期的以太网部署在低宽带LAN环境中，利用CSMA（后来是CSMA/CD）管理对共享介质的访问。如图20-2所示，除了数据链路层的逻辑总线拓扑，以太网还使用物理总线拓扑。随着LAN的逐渐扩大和LAN服务对于基础设施的要求不断提高，这种拓扑面临的问题越来越难解决。这导致了下一代以太网的产生。
拓扑： 物理：总线 逻辑：总线