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                    以太網傳輸速度、集線器、交換機、網絡協議堆棧

                    時間:2020-09-03 00:00來源:海獵人

                     

                    以太網網絡通信

                    以太網已有30多年的歷史了。從最初那不起眼的兩臺計算機之間的同軸電纜連線開始,它已經發展成了一種應用廣泛的計算機網絡形式,架構內包括了防火墻、路由器、開關、網橋和協議轉換器。除了PC、服務器和打印機等顯而易見的應用場所,以太網還有多種多樣的應用,例如工業控制系統、潛水艇、廚房電器和交通控制系統等。

                    14.7.1 以太網基礎

                    對以太網和網絡設計的完整描述超出了本書的范圍,但是為了幫助你理解,本節將重點介紹一些關鍵內容。如果需要更多信息,請參考附錄C中列出的參考資料。

                    不過首先有一點特別重要,務必牢記:以太網是一種物理傳輸工具;ヂ摼W協議(IP)網絡以及它的IP地址、接口和子網都是邏輯結構,要使用以太網進行數據傳輸。有時你可能會聽到別人用這兩個概念指代同一件事物,這是不對的。如果沒有以太網,傳輸工具也可以是RS-232、RS-485、令牌環、無線電線路、激光或者其他的硬件通信結構。IP網絡使用IP地址的概念在網絡中的設備之間進行數據路由,但這一操作是在較高的層次上進行的。在實際的導線與無線電波所在的物理層上,數據經由唯一的硬件地址從一點傳送到另一點,這是該層的所有功能。數據包的處理和管理都取決于主機系統中的網絡軟件。本節的側重點是以太網和可以與之配套使用的IC元件與模塊。

                    為了本節的討論需要,設備 在此指的是物理接口硬件,主機 指的是使用設備通信的系統(PC、微控制器等)。我希望這樣能使術語與本章其余的內容相一致。你還可能見到NIC這一縮寫,它指的是網絡接口控制器 。在你使用PC工作時會經常見到它,有些人可能認為它代表網絡接口卡,但它實際上是一個通用的概念,適合任何可以作為以太網收發器的設備。

                    現代的(10BASE-T和以上版本)以太網是一種全雙工、基于數據包的網絡,沒有主設備,也沒有從設備。任何以太網設備都能和任何可與之建立對等網絡連接的設備通信。但是,為了建立連接并交換數據包,兩個設備都需要有固定的地址。

                    以太網網絡中的每件設備都有一個媒體存取控制(MAC)地址,它是分配給每個設備的唯一標識號碼。有時候,這個號碼在制造時就寫入了設備,而有時候你需要自己分配。如果沒有這個標識符,以太網設備就無法在網絡中發送或接收數據包。不要將主機的MAC地址與IP地址混淆,正如前文所述,它們屬于網絡的不同層次,盡管在網絡中對數據包路由時兩個地址都要用到。

                    以太網是一種以數據包為基礎的網絡結構。一個以太網數據包叫作 ,包含七個不同類型的數據,如圖14-30所示。幀是按照八位字節計算的。最初是使用八位字節 這個術語,因為早期計算機系統中的一個字節長度是變化的,由計算機的結構決定,F在,一個字節的長度已經確定為8比特,因此字節和八位字節是同義詞。

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                     14-30 最初的以太網框架形式

                    14-30是最初的以太網框架形式,如今仍在廣泛使用。它也有一些變化形式,由使用中的以太網規范決定。一種常用的變化形式就是二代以太網IPv6,它正在非常緩慢地代替原先的IPv4,并且也有自己的以太網框架規范。你通常無需為此操心,因為NIC會識別出它能夠處理的變化,并進行相應的操作。

                    在考慮以太網連接的速度問題時,你可能會遇到10BASE-T 這樣的術語,它代表“10 MHz雙絞線。早期的以太網也出現過10BASE210BASE5這樣的型號,指的是同軸電纜接口。這種線纜現已廢棄,由常見的CAT-5CAT-6電纜代替,它們內部具有雙絞線對,帶有RJ-45連接器。

                    14-18列出了常用的三種網絡傳輸速度。

                    14-18 以太網傳輸速度

                    網絡

                    速度

                    10BASE-T

                    10 MHz

                    100BASE-T

                    100 MHz

                    1000BASE-T

                    1 GHz

                    以太網連接的理論最大傳輸速率是以比特/秒計量的,與表14-18中的頻率相符。由于數據傳輸的負荷與幀頭有關,而且IP網絡、緩沖延遲和各種進程要用到附加的頭數據層,因此每秒在不同主機上運行的應用之間傳輸的實際字節數并不是用傳輸速度除以8就能得到的。還要記住的是,雖然以太網NIC的速度標為10 MHz,但這并不意味著用它連接的設備需要以同樣快的速度輸入數據。NIC在數據包準備好后就會發送一個數據包,如果微控制器需要幾百毫秒的時間將數據寫滿數據包的有效載荷,那么每幾百毫秒就會發送一個數據包。

                    為了確保反向兼容性,100BASE-T接口通?梢詼p速以適應與10BASE-T的連接,而1000BASE-T接口可以(或至少應該)與100BASE-T10BASE-T連接一起使用。因此,你會經?匆娋W絡傳輸速度以10/10010/100/1000的形式給出。大多數新型PC、筆記本電腦和上網本都有內置的10/100以太網端口。有些計算機和平板電腦雖然沒有以太網端口,但是它們要么是只使用無線連接(在14.8.4節中講解),要么,如果不使用無線連接的話,你可以使用USB至以太網適配器或Thunderbolt至以太網適配器。

                    雙絞線以太網是點對點 連接的,這意味著有一個接口的主機只能與一個以太網接口連接,而且連接器之間的連接也是一一對應的。因此,你就不能單純地把一個主機系統連接到另一個系統上了(除非其中一條NIC能檢測到哪些導線是TxD導線對,哪些是RxD)。一般來說,為了將一臺主機上的NIC與另一條NIC連接,你需要使用交叉電纜,它可以交換RJ-45連接器內部TxDRxD導線對的位置。

                    集線器和開關用來擴展網絡。集線器 用來從一臺主機接收以太網數據包,并將該數據包重新分配給每個連接到集線器的主機,如圖14-31所示。

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                     14-31 以太網集線器

                    網絡交換機 本質上是一個智能集線器,這是因為它能檢測到連接到它的設備的MAC地址,并只將具有合適MAC地址的數據包發送給預定的接收器。有的交換機可以配置為只從某一臺主機獲取網絡流量并分配給特定的一臺主機或一組主機。圖14-32展示了一臺以太網網絡交換機的簡化結構圖。

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                     14-32 以太網交換機

                    在主機接收到數據包以后,網絡接口硬件檢測數據包中的MAC地址,以證實它與接口本身的MAC地址匹配。如果匹配,接口會將數據繼續傳遞給主機上的驅動軟件。驅動軟件會將數據包重新整理為鏈路遠端的應用軟件可以處理的形式。圖14-33展示了整個網絡堆棧 的簡化結構圖。

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                     14-33 以太網和IP網絡協議堆棧

                    在通過了接口硬件之后,我們就離開了以太網的范圍。如前文所述,以太網只是在網絡中移動數據的一種方法,是一種運輸方式。除去網絡接口之后,剩下的只有網絡數據,不論它是如何到達的。

                    從計算機操作系統的角度看,網絡接口是一個數據源或數據宿。與硬件通信的低層次的軟件驅動程序檢驗數據的IP地址,并通過應用軟件在網絡接口上打開的端口將數據傳遞給應用軟件。

                    端口的概念與I2C網絡中的端點類似。它們是邏輯結構,允許一個接口代表系統中運行的多個應用來發送和接收數據。與I2C端點不同的是,IP網絡端口是雙向全雙工的。圖14-34展示了主機中高層次的IP網絡函數如何使用低層次的以太網運輸功能在系統之間傳送數據。

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                     14-34 以太網和IP網絡元件

                    執行接收、重組、組裝和發送工作的低層次軟件叫作協議堆棧 。有的以太網控制器IC內置協議堆棧,有的則需要微控制器來執行協議堆棧的功能。在主機系統向另一個主機發送數據時,它使用協議堆棧中的函數組裝要輸出的數據包。遠程主機的IP地址用來查詢它的MAC地址,并將數據加載到以太網的數據有效載荷上。當外發數據包的數據準備好后,它就被傳入以太網的接口,用于傳輸。

                    14-35展示了一個示例網絡。它由六個主機、一個集線器和一個交換機組成,它們都通過路由器/防火墻設備連接到了另一個網絡中(也可能是互聯網)。

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                     14-35 使用集線器和交換機的示例以太網絡

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