TCP/IP 详解（第 2 版） 笔记 / 3 链路层 / 3.2 以太网与 IEEE 802 LAN/MAN 标准

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3.2 以太网与 IEEE 802 LAN/MAN 标准

以太网（Ethernet）一词通常指一组标准
该标准于 1980 年首次发布，并于 1982 年由 Digital Equipment 公司、因特尔（Intel）公司和施乐（Xerox）公司修订
第一种常见的以太网形式有时被称为 “10Mb/s 以太网” 或 “共享以太网”，被 IEEE 采用（只做了较小的改动），标准编号为 802.3
这样的网络通常按图 3-1 所示的网络排列

图 3-1
一个基本的共享以太网网络由一个或多个连接到共享电缆段的 station（如：工作站、超级计算机）组成
当确定介质空闲时，可以将链路层 PDU（帧）从一个 station 发送到一个或多个其它的 station
如果多个 station 同时发送数据（可能由信号传播延迟引起）将会发生冲突
冲突可以被检测到，发送数据的 station 会因此等待一段随机的时间，然后进行重试
这种常见的模式被称为载波侦听，多路访问/冲突检测（carrier sense, multiple access with collision detection(CSMA/CD)）

由于多个 station 共享同一个网络，因此该标准包括了一个在每个以太网网络接口中实现的分布式算法
由这个算法来控制 station 什么时候开始发送数据
这种特定的方法被称为载波侦听，多路访问/冲突检测（carrier sense, multiple access with collision detection(CSMA/CD)）
它可以在没有任何其它特殊协议或同步的情况下，调解哪些计算机可以访问共享介质（电缆）的问题
这种相对简单的方法降低了以太网技术的成本，促进了以太网技术的普及

使用 CSMA/CD 时，一个 station（如：计算机）首先查找当前正在网络上发送的信号，并在网络空闲时发送自己的帧
这一步就是协议中的载波侦听（carrier sense）部分
如果某个其它 station 碰巧同时发送了数据，产生的重叠电信号会被检测为冲突
在这种情况下，每个 station 会在等待一个随机的时间后再次尝试
等待时间的长短是从一个均匀概率分布中提取的，这个概率分布会在每次检测到后续冲突后长度加倍
最终，每个 station 在尝试一定次数后，要么成功发送数据要么超过最大重试次数（传统以太网最多重试 16 次）
使用 CSMA/CD 时，在任意时间只有一个帧在网络上传输
像 CSMA/CD 这样的访问方法更正式的名称为：媒体访问控制（Media Access Control(MAC)）协议，有许多不同类型的 MAC 协议
其中一些基于让每个 station 尝试独立使用网络的方式（像 CSMA/CD 这样的基于竞争的协议）
而另一些则基于预先安排的协调方式（如：为每个 station 分配时隙来发送数据）

自 10Mb/s 以太网的诞生以来，更快的计算机和基础设推动着 LAN 的速度的提高
鉴于以太网的普及，重大的创新和努力已成功地将其速度从 10Mb/s 提高到 100Mb/s，再到 1000Mb/s，再到 10Gb/s，现在甚至更高
10Gb/s 的形式在大型数据中心和大型企业中越来越流行，并且已经证明了可以达到 100Gb/s 的速度
第一个（用于研究）以太网只有 3Mb/s 的速度
DIX（Digital、因特尔（Intel）、施乐（Xerox））标准通过使用共享的物理电缆或由电中继器互连的一组电缆段，达到了 10Mb/s 的速度
到 1990 年代初，共享电缆在很大程度上被双绞线（类似电话线，通常被称为 “ 10BASE-T ”）所取代
随着 100Mb/s 网络的发展（也被称为 “ 快速以太网 ”，其最流行的版本被称为 “ 100BASE-TX ”），基于竞争的 MAC 协议已变得不那么流行了
取而代之的是，每个 LAN station 之间的布线通常不是共享的，而是在星形拓扑中提供专用的电路
这可以通过以太网交换机（switches）来实现，如图 3-2 所示

图 3-2
交换式以太网由一个或多个 station 组成，每个 station 都使用专用布线路径连接到交换机端口
在使用交换式以太网时，多数情况下网络都是以全双工的方式运行的，并且不再需要 CSMA/CD 算法了
通过 “ 互连交换机端口 ”（有时被称为 “ 上行链路（uplink）” 端口），交换机可以被级联起来以形成更大的以太网 LAN

如今交换机的使用已经很普遍了
交换机可以为每个以太网 station 提供同时发送和接收数据的能力（称为 “ 全双工以太网 ”）
虽然 1000Mb/s 以太网（1000BASE-T）仍然支持半双工（一个时间一个方向）操作，但相对于全双工以太网来说已经很少使用了
我们将在后面更详细地讨论交换机是如何处理 PDU 的

如今用于访问互联网的最流行的技术之一是无线网络
对于无线局域网（wireless local area networks(WLANs)）来说
最常见的技术是一个被称为无线保真（Wireless Fidelity）或 Wi-Fi 的 IEEE 标准
有时也被称为 “ 无线以太网 ” 或 802.11
尽管该标准不同于 802 有线以太网标准，但其帧格式和通用接口很大程度上借鉴了 802.3，并且都是 IEEE 802 LAN 标准集的一部分
因此，TCP/IP 中用于以太网的大部分功能也适用于 Wi-Fi 网络
后面将更详细地探讨每一种技术，但在此之前，先了解一下用于设置家庭和企业网络的所有 IEEE 802 相关标准的大图景是很有用的
本章还引用了管理 MAN 标准的那些 IEEE 标准
包括 IEEE 802.16（WiMAX）和蜂窝网络中介质无关的切换标准（IEEE 802.21）

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