3.4 使用廣播信道的以太網(wǎng)

3.4.1 使用集線器的星形拓撲

傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。這種以太網(wǎng)采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一個叫做集線器（hub）的設備（見圖3-10）。雙絞線以太網(wǎng)總是和集線器配合使用的。每個站需要用兩對無屏蔽雙絞線（做在一根電纜內(nèi)），分別用于發(fā)送和接收。雙絞線的兩端使用RJ-45插頭。由于集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此集線器的可靠性很高。1990年IEEE制定出星形以太網(wǎng)10BASE-T的標準802.3i。“10”代表10Mb/s的數(shù)據(jù)率，BASE表示連接線上的信號是基帶信號，T代表雙絞線。實踐證明，這比使用具有大量機械接頭的無源電纜要可靠得多。由于雙絞線電纜的以太網(wǎng)價格便宜而使用方便，使粗纜以太網(wǎng)和細纜以太網(wǎng)都已成為歷史，并已從市場上消失了。

10BASE-T以太網(wǎng)的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過100m。這種性價比很高的10BASE-T雙絞線以太網(wǎng)的出現(xiàn)，為以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎。

使雙絞線能夠傳送高速數(shù)據(jù)的主要措施是，把雙絞線的絞合度做得非常精確。這樣不僅可使特性阻抗均勻以減小失真，而且大大減小了電磁波輻射和無線電頻率的干擾。在多對雙絞線的電纜中，還要使用更加復雜的絞合方法。

集線器的特點如下。

（1）從表面上看，使用集線器的局域網(wǎng)在物理上是一個星形網(wǎng)，但由于集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作的，因此整個系統(tǒng)仍像一個傳統(tǒng)以太網(wǎng)那樣運行。也就是說，使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線形網(wǎng)，各站點共享邏輯上的總線。各站點使用的還是CSMA/CD協(xié)議（更具體些說，是各站點中的適配器執(zhí)行CSMA/CD協(xié)議）。網(wǎng)絡中的各站點必須競爭對傳輸媒體的控制，并且在同一時刻至多只允許一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。因此這種10BASE-T以太網(wǎng)又稱為星形總線（star-shaped bus）或盒中總線（bus in a box）。

（2）一個集線器有許多接口①，例如，8至16個，每個接口通過RJ-45插頭（與電話機使用的插頭RJ-11相似，但略大一些）用兩對雙絞線與一個工作站上的適配器相連（這種插座可連接4對雙絞線，實際上只用2對，即發(fā)送和接收各使用1對雙絞線）。因此，一個集線器很像一個多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器。

（3）集線器工作在物理層，它的每個接口僅僅簡單地轉(zhuǎn)發(fā)比特——收到1就轉(zhuǎn)發(fā)1，收到0就轉(zhuǎn)發(fā)0，不進行碰撞檢測。若兩個接口同時有信號輸入（即發(fā)生碰撞），那么所有的接口都將收不到正確的幀。

注：① 集線器的接口又稱為端口（port）。在運輸層要經(jīng)常使用軟件端口（port），它和集線器的端口是兩回事。由于集線器的端口就是一個接口，為了避免混淆，我們就使用集線器接口這個名詞。

（4）集線器采用了專門的芯片，進行自適應串音回波抵消。這樣就可使接口轉(zhuǎn)發(fā)出去的較強信號不致對該接口接收到的較弱信號產(chǎn)生干擾（這種干擾即近端串音）。每個比特在轉(zhuǎn)發(fā)之前還要進行再生整形并重新定時。

集線器本身必須非?？煽俊，F(xiàn)在的堆疊式（stackable）集線器由4~8個集線器堆疊起來使用。一般都有少量的容錯能力和網(wǎng)絡管理功能。例如，假定在以太網(wǎng)中有一個適配器出了故障，不停地發(fā)送以太網(wǎng)幀。這時，集線器可以檢測到這個問題，在內(nèi)部斷開與出故障的適配器的連線，使整個以太網(wǎng)仍然能夠正常工作。模塊化的機箱式智能集線器有很高的可靠性。它全部的網(wǎng)絡功能都以模塊方式實現(xiàn)。各模塊均可進行熱插拔，出故障時不斷電即可更換或增加新模塊。集線器上的指示燈還可顯示網(wǎng)絡上的故障情況，給網(wǎng)絡的管理帶來了很大的方便。

802.3標準還可使用光纖作為傳輸媒體，相應的標準是10BASE-F系列，F(xiàn)代表光纖。它主要用做集線器之間的遠程連接。

3.4.2 以太網(wǎng)的MAC層

1.MAC層的硬件地址

大家知道，在所有計算機系統(tǒng)的設計中，標識系統(tǒng)（identification system）都是一個核心問題。在標識系統(tǒng)中，地址就是為識別某個系統(tǒng)的一個非常重要的標識符。

從概念上講，計算機的名字應當與系統(tǒng)的所在地無關。這就像我們每一個人的名字一樣，不隨我們所處的地點而改變。但是802標準為局域網(wǎng)規(guī)定了一種48位的全球地址（一般都簡稱為“地址”），是指局域網(wǎng)上的每一臺計算機中固化在適配器的ROM中的地址。這種48位地址可以保證全球各地所使用的適配器中的地址都是全球唯一的。這種地址又稱為硬件地址或物理地址，它具有下面兩個特點：

（1）假定連接在局域網(wǎng)上的一臺計算機的適配器壞了并更換了一個新的適配器，那么這臺計算機的局域網(wǎng)的“地址”也就改變了，雖然這臺計算機的地理位置一點也沒有變化，所接入的局域網(wǎng)也沒有任何改變。

（2）假定我們把位于南京的某局域網(wǎng)上的一臺筆記本電腦攜帶到北京，并連接在北京的某局域網(wǎng)上。雖然這臺電腦的地理位置改變了，但只要電腦中的適配器不變，那么該電腦在北京的局域網(wǎng)中的“地址”仍然和它在南京的局域網(wǎng)中的“地址”一樣。

由此可見，準確地講，局域網(wǎng)的“地址”應當是每一個站的“名字”或標識符。不過計算機的名字通常都是比較適合人記憶的不太長的字符串，而這種48位二進制的“地址”卻很不像一般計算機的名字。現(xiàn)在人們還是習慣于把這種48位的“名字”稱為“地址”。本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。

請注意，如果連接在局域網(wǎng)上的主機或路由器安裝有多個適配器，那么這樣的主機或路由器就有多個“地址”。更準確些，這種48位“地址”應當是某個接口的標識符。

由于以太網(wǎng)的這種48位地址使用在MAC幀中，因此這種地址常常叫做MAC地址?？梢姟癕AC地址”實際上就是適配器地址或適配器標識符。

當路由器通過適配器連接到局域網(wǎng)時，適配器上的硬件地址就用來標志路由器的某個接口。路由器如果同時連接到兩個網(wǎng)絡上，那么它就需要兩個適配器和兩個硬件地址。

我們知道適配器有過濾功能。但適配器從網(wǎng)絡上每收到一個MAC幀，就先用硬件檢查MAC幀中的目的地址。如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。這樣做就不浪費主機的處理機和內(nèi)存資源。這里“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀：

（1）單播（unicast）幀（一對一），即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。

（2）廣播（broadcast）幀（一對全體），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上所有站點的幀（全1地址）。

（3）多播（multicast）幀（一對多），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上一部分站點的幀。

所有的適配器都至少應當能夠識別前兩種幀，即能夠識別單播和廣播地址。有的適配器可用編程方法識別多播地址。當操作系統(tǒng)啟動時，它就把適配器初始化，使適配器能夠識別某些多播地址。顯然，只有目的地址才能使用廣播地址和多播地址，源地址只能使用單播。

以太網(wǎng)適配器還可設置為一種特殊的工作方式，即混雜方式（promiscuous mode）。工作在混雜方式的適配器只要“聽到”有幀在以太網(wǎng)上傳輸就都悄悄地接收下來，而不管這些幀是發(fā)往哪個站的。請注意，這樣做實際上是“竊聽”其他站點的通信而并不中斷其他站點的通信。現(xiàn)在網(wǎng)絡上的黑客（hacker或cracker）常利用這種方法非法獲取網(wǎng)上用戶的口令。因此以太網(wǎng)上的用戶不愿意網(wǎng)絡上有工作在混雜方式的適配器。

但混雜方式有時卻非常有用。例如，網(wǎng)絡維護和管理人員需要用這種方式來監(jiān)視和分析以太網(wǎng)上的流量，以便找出提高網(wǎng)絡性能的具體措施。有一種很有用的網(wǎng)絡工具叫做嗅探器（Sniffer），它就使用了設置為混雜方式的網(wǎng)絡適配器。此外，這種嗅探器還可幫助學習網(wǎng)絡的人員更好地理解各種網(wǎng)絡協(xié)議的工作原理。因此，混雜方式就像一把雙刃劍，是利是弊要看你怎樣使用它。

2.MAC幀格式

常用以太網(wǎng)的MAC幀格式有兩種標準，一種是DIX Ethernet V2標準（即以太網(wǎng)V2標準），另一種是IEEE的802.3標準。這里只介紹使用得最多的以太網(wǎng)V2的MAC幀格式（見圖3-11）。圖中假定網(wǎng)絡層使用的是IP協(xié)議。實際上使用其他的協(xié)議也是可以的。

以太網(wǎng)V2的MAC幀比較簡單，由五個字段組成。前兩個字段分別為6字節(jié)長的目的地址和源地址字段。第三個字段是2字節(jié)的類型字段，用來標志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的MAC幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。例如，當類型字段的值是0000100000000000時，就表示上層使用的是IP數(shù)據(jù)報。第四個字段是數(shù)據(jù)字段，其長度在46~1500字節(jié)之間（這就表明，以太網(wǎng)的幀長在64~1518字節(jié)之間）。最后一個字段是4字節(jié)的幀檢驗序列FCS（使用CRC檢驗）。當傳輸媒體的誤碼率為1×10-8時，MAC子層可使未檢測到的差錯小于1×10-14。

為什么以太網(wǎng)要設置一個最小幀長呢？前面已經(jīng)講過，CSMA/CD規(guī)定，正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦檢測出碰撞，就必須立即停止發(fā)送。這時，已發(fā)送出去的數(shù)據(jù)就構成了一個非常短的幀。由于這種異常中止的短幀都小于64字節(jié)，因此CSMA/CD規(guī)定，長度小于64字節(jié)的短幀都是無效幀，任何站收到無效幀時就丟棄它，其他什么也不做。因此，當數(shù)據(jù)字段的長度小于46字節(jié)時，MAC子層就會在數(shù)據(jù)字段的后面加入一個整數(shù)字節(jié)的填充字段，以保證以太網(wǎng)的MAC幀長不小于64字節(jié)。應當指出，從MAC幀的首部無法看出數(shù)據(jù)字段的長度是多少。在有填充字段的情況下，接收方的MAC子層在剝?nèi)ナ撞亢臀膊亢缶桶褦?shù)據(jù)字段和填充字段一起交給上層協(xié)議。現(xiàn)在的問題是：上層協(xié)議如何知道填充字段的長度呢？在4.2節(jié)將會講到，IP數(shù)據(jù)報的首部有一個“總長度”字段。例如，當IP數(shù)據(jù)報的總長度為42字節(jié)時，填充字段共有4字節(jié)。當MAC幀把46字節(jié)的數(shù)據(jù)上交給IP層后，IP層一查到總長度是42字節(jié)，就把46個字節(jié)中的最后4個字節(jié)的填充字段丟棄。

在以太網(wǎng)上是以幀為單位傳送數(shù)據(jù)的。以太網(wǎng)在傳送幀時，各幀之間還必須有一定的間隙。因此接收方只要找到幀開始定界符，其后面的連續(xù)到達的比特流都屬于同一個MAC幀。以太網(wǎng)不需要使用幀結(jié)束定界符，也不需要使用字節(jié)插入來保證透明傳輸。