三、IEEE 802.3 标准
1.CSMA/CD 协议
对总线型、星型和树型拓扑最适合的介质访问控制协议是CSMA/CD。
CSMA 的基本原理是:站在发送数据之前，先监听信道上是否有别的站发送的载波信号。若有，说明信道正忙，否则说明信道是空闲的，然后根据预定的策略决定:
- (1)若信道空闲，是否立即发送。
- (2)若信道忙，是否继续监听。
即使信道空闲，若立即发送仍然会发生冲突。一种情况是远端的站刚开始发送，载波信号尚未到达监听站，这时监听站若立即发送，就会和远端的站发生冲突;另一种情况是虽然暂时没有站发送，但碰巧两个站同时开始监听，如果它们都立即发送，也会发生冲突。
控制策略：
- 想要避免这种虽然稀少、但仍可能发生的冲突。若信道忙时，如果坚持监听，发送的站一旦停止就可立即抢占信道。但是，有可能几个站同时都在监听，同时都抢占信道，从而发生冲突。
- 进一步优化监听算法，使得有些监听站或所有监听站都后退一段随机时间再监听，以避免冲突。
（1）监听算法
监听算法并不能完全避免发送冲突，但若对以上两种控制策略进行精心设计，则可以把冲突概率减到最小。据此，有以下3种监听算法(如图所示)。
非坚持型监听算法。这种算法可描述如下：当一个站准备好帧，发送之前先监听信道。
① 若信道空闲，立即发送，否则转②。
②)若信道忙，则后退一个随机时间，重复①。
由于随机时延后退，从而减少了冲突的概率。然而，可能出现的问题是因为后退而使信道闲置一段时间，这使信道的利用率降低，而且增加了发送时延。
l-坚持型监听算法。这种算法可描述如下:当一个站准备好帧，发送之前先监听信道。
① 若信道空闲，立即发送，否则转②。
②)若信道忙，继续监听，直到信道空闲后立即发送。
这种算法的优缺点与前一种正好相反:有利于抢占信道，减少信道空闲时间。但是，多个站同时都在监听信道时必然会发生冲突。
P-坚持型监听算法。这种算法汲取了以上两种算法的优点，但较为复杂。这种算法描述如下。
若信道空闲，以概率P发送，以概率(1-P)延迟一个时间单位。一个时间单位等于网络传输时延t
② 若信道忙，继续监听直到信道空闲，转①，
③ 如果发送延迟一个时间单位t，则重复①。
（2）冲突检测原理
载波监听只能减小冲突的概率，不能完全避免冲突。当两个发生冲突后，若继续发送，将会浪费网络带宽。如果帧比较长，对带宽的浪费就大了。为了进一步改进带宽的利用率，发送站应采取边发边听的冲突检测方法，即:
①发送期间同时接收，并把接收的数据与站中存储的数据进行比较。
②若比较结果一致，说明没有冲突，重复①。
③若比较结果不一致，说明发生了冲突，立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号(Jamming)，使所有站都停止发送。
④发送Jamming信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。
（3）二进程指数后退算法
上文提到，检测到冲突发送干扰信号后退一段时间重新发送。后退时间的多少对网络的稳定工作有很大影响。特别是在负载很重的情况下，为了避免很多站连续发生冲突，需要设计有效的后退算法。按照二进制指数后退算法，后退时延的取值范围与重发次数n形成二进制指数关系。
（4）CSMA/CD 协议的实现
对于基带总线和宽带总线，CSMA/CD的实现基本上是相同的，但也有一些差别。
差别之一是载波监听的实现。
对于基带系统，是检测电压脉冲序列。由于以太网上的编码采用Manchester 编码，这种编码的特点是每位中间都有电压跳变，监听站可以把这种跳变信号当作代表信道忙的载波信号。对于宽带系统，监听站接收RF载波以判断信道是否空闲。
差别之二是冲突检测的实现。
对于基带系统，是把直流电压加到信号上来检测冲突的。每个站都测量总线上的直流电平，由于冲突而迭加的直流电平比单个站发出的信号强，所以IEEE 802 标准规定，如果发送站电缆接头处的信号强度超过了单个站发送的最大信号强度，则说明检测到了冲突。然而，信号在电缆上传播时会有衰减，如果电缆太长，就会使冲突信号到达远端时的幅度小于规定的 CD门限值。为此，标准限制了电缆长度(500m或200m)。
对于宽带系统,有几种检测冲突的方法。
- 把接收的数据与发送的数据逐位比较。当一个站向入径上发送时，同时(考虑了传播和端头的延迟后)从出径上接收数据，通过比较发现是否有冲突:
- 用于分裂配置，由端头检查是否有破坏了的数据，这种数据的频率与正常数据的频率不同。
对于双绞线星型网，冲突检测的方法更简单(如图所示)。在这种情况下，Hub 监视输入端的活动，若有两处以上的输入端出现信号，则认为发生冲突，并立即产生一个“冲突出现”的特殊信号 CP，向所有输出端广播。图(a)是无冲突的情况。在图(b)中连接A站的 Iub检测到了冲突，CP信号被向上传到了 HHub，并广播到所有的站。图(c)表示的是三方冲突的例子。
2.MAC 和 PHY 规范
（1）MAC 帧结构
802.3 的帧结构如图所示。
- 前导字段：每个帧以7个字节；值为 10101010。
- 帧起始符：代码为10101011，它标志着一个帧的开始。
- 源地址：可以是6字节或2字节长，10Mbps的基带网使用6字节地址。
- 目标地址：可以是6字节或2字节长，10Mbps的基带网使用6字节地址。
①目标地址最高位为0时表示普通地址，为1时表示组地址，向一组站发送称为组播(Multicast)全1的目标地址是广播地址，所有站都接收这种帧。
②次最高位(第46位)用于区分局部地址或全局地址。局部地址仅在本地网络中有效，全局地址由IEEE指定，全世界没有全局地址相同的站。IEEE为每个硬件制造商指定网卡(NIC)地址的前3个字节，后3个字节由制造商自己编码。
- 数据字段的长度。802.3 规定最小帧为64字节。如果帧的长度不足64字节，要加入最多46字节的填充位。
（2）CSMA/CD 协议的实现
IEEE 802.3采用 CSMA/CD协议，这个协议的载波监听、冲突检测、冲突强化和二进制数后退等功能都由硬件实现。这些硬件逻辑电路包含在网卡中。网卡上的主要器件是以太网数据链路控制器(EDLC)。这个器件中有两套独立的系统，分别用于发送和接收，它的主要功能如图所示。
IEEE 802.3 使用1-坚持型监听算法，因为这个算法可及时抢占信道，减少空闲期，同时实现也较简单。在监听到网络由活动变成安静后，并不能立即开始发送，还要等待一个最小帧间隔时间，只有在此期间网络持续平静，才能开始试发送。最小间隔时间规定为9.6us。
在发送过程中继续监听。若检测到冲突，发送8个十六进制数的序列55555555，这就是协议规定的阻塞信号。
接收站要对收到的帧进行校验。除 CRC 校验之外还要检查帧的长度。短于最小长度的被认为是冲突碎片而丢弃，帧长与数据长度不一致的帧以及长度不是整数字节的帧也被丢弃。
网卡上还有物理层的部分设备，例如 Manchester编码器与译码器，存储网卡地址的 ROM,与传输介质连接的收发器，以及与主机总线的接口电路等。随着 VLSI集成度的提高，网卡技术发展很快，网卡上的器件数量越来越少，功能越来越强。
（3）物理层规范
802.3 最初的标准规定了6种物理层传输介质。
3.交换式以太网
在重负载下，以太网的吞吐率大大下降。实际的通信速率比网络提供的带宽低得多，这是因为所有的站竞争同一信道所引起的。使用交换技术可以改善这种情况，交换式以太网就是802.3 标准的改进。
基本原理：
交换式以太网的核心部件是交换机，这种设备有一个高速底板(工作速率为1Gbps)。底板上有 4~32 个插槽,每个插槽可连接一块插入卡,卡上有1~8个连接器,用于连接带有 10Base-T网卡的主机，如图所示。
连接器接收主机发来的帧。插入卡判断目标地址，如果目标站是同一卡上的主机，则把转发到相应的连接器端口，否则就转发给高速底板。底板根据专用的协议进一步转发，送达目标站。
当同一插入卡上有两个以上的站发送帧时就发生冲突。分解冲突的方法取决于插入卡的逻辑结构。
（1）一种方法是同一卡上的所有端口连接在一起形成一个冲突域，卡上的冲突分解方法与通常的 CSMA/CD协议一样处理。这样，一个卡上同时只能有一个站发送，但整个交换机中有多个插入卡，因而有多个站可同时发送。对整个网络的带宽提高的倍数等于插入卡的数量。
（2）另外一种方法是把来自主机的输入由卡上的存储器缓冲，这种设计允许卡上同时有多个端口发送帧。对于存储的帧的处理方法仍然是适时转发，这样就不存在冲突了。这种技术可以把标准以太网的带宽提高一到两个数量级。
进一步扩展联网范围的方法是把 10Base-T的 Hub 连接在交换机上。这样的交换机相当于网桥，它提供 10Base-TLAN之间的互连，并根据目标地址进行帧转发。
4.高速以太网
（1）快速以太网
1995年100Mbps的快速以太网标准IEEE 802.3u正式颁布，这是基于10Base-T和10Base-F技术，在基本布线系统不变的情况下开发的高速局域网标准。快速以太网使用的传输介质如表所示，其中多模光纤的芯线直径为 62.5um,包层直径为 125um;单模光纤的芯线直径为 8um,包层直径也是 125um。
（2）千兆以太网
1998年6月公布的IEEE802.3z和1999年6月公布的IEEE 802.3ab 已经成为千兆以太网的正式标准。它们规定了4种传输介质，如表所示。
实现千兆数据速率需要采用新的数据处理技术。首先是最小帧长需要扩展，以便在半双工的情况下增加跨距。另外，802.3z还定义了一种帧突发方式，使得一个站可以连续发送多个帧。最后，物理层编码也采用了与10Mbps 不同的编码方法，即 4B/SB或 8B/9B编码法。
（3）万兆以太网
2002年6月，IEEE 802.3ae标准发布，支持10Gbps的传输速率，规定的几种传输介质如下表所示。传统以太网采用CSMA/CD协议，即带冲突检测的波监听多路访问技术。与千兆以太网一样，万兆以太网基本应用于点到点线路，不再共享带宽，没有冲突检测，波监听和多路访问技术也不再重要。千兆以太网和万兆以太网采用与传统以太网同样的结构。
5.虚拟局域网
虚拟局域网(VLAN)是根据管理功能、组织机构或应用类型对交换局域网进行分段而形成的逻辑网络。
虚拟局域网与物理局域网具有同样的属性，然而其中的工作站可以不属于同一个物理网段。任何交换端口都可以分配给某个 VLAN，属于同一个VLAN 的所有端口构成一个广播域。每一个 VLAN 都是一个逻辑网络，发往 VLAN 之外的分组必须通过路由器进行转发。
在交换机上实现 VLAN，可以采用静态的或动态的方法。
（1）静态分配 VLAN。为交换机的各个端口指定所属的 VLAN。这种基于端口的划分方法是把各个端口固定地分配给不同的 VLAN，任何连接到交换机的设备都属于接入端口所在的VLAN。
（2）动态分配 VLAN。动态 VLAN 通过网络管理软件包来创建，可以根据设备的 MAC地址、网络层协议、网络层地址、IP 广播域或管理策略来划分 VLAN。根据 MAC地址划分 VLAN的方法应用最多，一般交换机都支持这种方法。无论一台设备连接到交换网络的什么地方，接入交换机根据设备的 MAC地址就可以确定该设备的VLAN 成员身份。这种方法使得用户可以在交换网络中改变接入位置，而仍能访问所属的 VLAN。但是，当用户数量很多时，对每个用户设备分配 VLAN 的工作量是很大的管理负担。
把物理网络划分成 VLAN 的好处如下。
（1）控制网络流量。一个 VLAN 内部的通信(包括广播通信)不会转发到其他 VLAN 中去，从而有助于控制广播风暴，减小冲突域，提高网络带宽的利用率。
（2）提高网络的安全性。可以通过配置 VLAN 之间的路由来提供广播过滤、安全和流量控制等功能。不同 VLAN 之间的通信受到限制，提高了企业网络的安全性。
（3）灵活的网络管理。VLAN 机制使得工作组可以突破地理位置的限制而根据管理功能来划分。如果根据 MAC地址划分VLAN，用户可以在任何地方接入交换网络，实现移动办公。
在划分成 VLAN的交换网络中，交换机端口之间的连接分为两种:接入链路连接(Access-Link Connection)和中继链路连接(Trunk-Link Connection)。接入链路只能连接具有标准以太网卡的设备，也只能传送属于单个 VLAN的数据包。任何连接到接入链路的设备都属于同一个广播域，这意味着，如果有10个用户连接到一个集线器，而集线器被插入到交换机的接入链路端口，则这 10个用户都属于该端口规定的 VLAN。
中继链路是在一条物理连接上生成多个逻辑连接，每个逻辑连接属于一个VLAN，在进入中继端口时，交换机在数据包中加入 VLAN 标记。这样，在中继链路另一端的交换机就不仅要根据目标地址，而且要根据数据包所属的 VLAN 进行转发决策。在下图中用不同的颜色表示不同 VLAN 的帧，这些帧共享同一条中继链路。
IEEE 802.1q定义了 VLAN 帧标记的格式，在原来的以太帧中增加了4个字节的标记(Tag)字段。其中，标记控制信息(TCI)包含 Priority、CFI和 VID3个部分，各个字段的含义如下所示。
