【正文】 的兩對（四根）線，其中一對作為數(shù)據(jù)接收線，一對作為數(shù)據(jù)發(fā)送線，在進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的時候，在一對線上傳輸極性相反的信號，這樣可以避免互相干擾。需要注意的是，在連接兩個相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時（比如網(wǎng)卡），需要把線序進行交叉，因為線路兩端的設(shè)備（比如網(wǎng)卡）的收發(fā)順序是相同的，而兩端設(shè)備要進行直接連接，其收發(fā)必須進行交叉，于是，必須在線路上進行交叉才能達到目的，如圖 21 所示： 圖 21 RJ45 交叉線示意圖 但在跟不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互連，比如終端計算機跟 HUB 或以太網(wǎng)交換機連接時，卻不需要這樣，因為這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口上已經(jīng)做了交叉，也就是說，這些設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口跟普通計算機的收發(fā)順序是不一致的，因而只要把五類雙絞線直接按照原來順序壓入水晶頭，就可以把兩端的設(shè)備正常連接。 跟傳統(tǒng)的同軸電纜不同的是， 100BASTTX（ 10BASET） 的數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收使用了不同的線對，做到了分離，這樣就隱含著一種全新的運做方式：全雙工方式。在這種方式下，數(shù)據(jù)可以同時接收和發(fā)送而互不干擾，這樣可以大大提高效率 ，不過這需要中間設(shè)備的支持，現(xiàn)在的以太網(wǎng)交換機就是這樣一種設(shè)備。 在基于雙絞線的以太網(wǎng)上，可以存在許多種不同的運做模式，在速度上有 10M， 100M 不等，在雙工模式上有全雙工和半雙工等，如果對每個接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進行配置，則必然是一項很繁重的工作，而且不容易維護。于是，人們提出了自動協(xié)商技術(shù)來解決這種矛盾。需要注意的是，自動協(xié)商只運行在基于雙絞線的以太網(wǎng)上，是一種物理層的概念。 自動協(xié)商建立在一種低層的以太網(wǎng)機制上。在雙絞線鏈路上，如果沒有數(shù)據(jù)傳輸，鏈路并不是一直在空閑，而是不斷的互相發(fā)送一種頻率相對較低的脈沖信 號（稱為普通鏈路脈沖， NLP）如圖 22 所示： 圖 22 普通鏈路脈沖 任何具有雙絞線接口的以太網(wǎng)卡都應(yīng)該能識別這種信號。需要注意的是，如果在這些 NLP 之間在插入一些（一般是 16 個）更小的脈沖（這些脈沖稱為快速鏈路脈沖， FLP），兩端設(shè)備應(yīng)該也能識別。于是，我們可以使用這些快速鏈路脈沖來進行少量的數(shù)據(jù)傳輸，來達到自動協(xié)商的目的。 在設(shè)備的網(wǎng)卡中有一個配置寄存器，該寄存器內(nèi)部保留了該網(wǎng)卡能夠支持的工作模式，比如該網(wǎng)卡可以支持 100M 和 10M 模式下運行，則把相應(yīng)的寄存器內(nèi)容置位。在網(wǎng)卡加電后，如果允許自動 協(xié)商，則網(wǎng)卡就把自己的配置寄存器內(nèi)容讀出來，編碼后通過FLP 發(fā)送出去， 如圖 23 所示 ： … ...101001 0101 1100 0101 0011 0 101010 1 … .. .運行速率 雙工模式 流量控制 圖 23 FLP 發(fā)送編碼 發(fā)送的同時，可以接收對端發(fā)送過來的自動協(xié)商數(shù)據(jù)。接收到對方發(fā)送的自動協(xié)商數(shù)據(jù)后，跟自己的配置寄存器比較，選擇自己支持的且一般情況下最優(yōu)的組合投入運行。比如自己支持全雙工模式和 100M 的速率，對端也支持該配置，則選擇的運行模式就是100M全雙工，如果對端只支持全雙工模式和 10M的能力，則運行模式就定為全雙工 10M模式。如果兩端支持的能力集合不相交，則協(xié)商不通過，兩端設(shè)備不能通信。 一旦協(xié)商通過 ，網(wǎng)卡就把該鏈路置為激活狀態(tài)，可以傳輸數(shù)據(jù)了，如果不能協(xié)商通過，則該鏈路不能使用，不能再進行數(shù)據(jù)傳輸。如果兩端的設(shè)備有一端不支持自動協(xié)商，則支持自動協(xié)商的一端選擇選擇一種默認的方式工作，一般情況下是 10M 半雙工模式。 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層 按照 ISO 的 OSI 七層參考模型，互連的各個系統(tǒng)把各個網(wǎng)絡(luò)功能分七個層次實現(xiàn)，各個層次之間相互獨立，互不干擾。這樣就可以實現(xiàn)最大限度的開放和靈活性，設(shè)備廠家只要按照層次之間的接口生產(chǎn)設(shè)備，就可以做到互通。因此，這個七層模型是高效權(quán)威的，而且目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是參照 這個模型進行設(shè)計和開發(fā)的。 但在以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，七層模型中層次之間互相獨立的規(guī)則就不適用了，因為開始的時候，以太網(wǎng)采用了一種共享介質(zhì)的方式來進行數(shù)據(jù)通信，而不是傳統(tǒng)的全雙工通信，隨著設(shè)備的發(fā)展，以太網(wǎng)中又引入了全雙工模式的通信，在這樣兩種通信模式并存的情況下，在進行層次間的嚴格劃分就不容易了。這里需要注意的是，在以太網(wǎng)中，全雙工是物理層的概念，而針對物理層的雙工模式提供不同訪問方式則是數(shù)據(jù)鏈路層的概念，這樣就形成了以太網(wǎng)的一個重要特點：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層是相關(guān)的。 針對物理層的不同工作模式（全雙工和半雙工 ），需要提供特定的數(shù)據(jù)鏈路層來訪問。這樣導(dǎo)致了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層有很大的相關(guān)性，給設(shè)計和應(yīng)用帶來了一些不便。 為了避免這種不便，一些組織和廠家提出了另外一種方式，就是把數(shù)據(jù)鏈路層再進行分層，分為邏輯鏈路控制子層（ LLC）和媒體訪問控制子層（ MAC）。 LLCM A C數(shù)據(jù)鏈路層物理層LL C 的位置網(wǎng)絡(luò)層M A CLLC 圖 24 數(shù)據(jù)鏈路層分層結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)鏈路層分層結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。 這樣不同的物理層對應(yīng)不同的 MAC 子層， LLC子層則可以完全獨立。這樣從一定程度上提高了獨立性，方便了實現(xiàn)。 面對 MAC 子層和 LLC 子層做一個詳細的解釋。 MAC 子層是物理層相關(guān)的，也就是說， 不同的物理層有不同的 MAC 子層來進行訪問，比如物理層是工作在半雙工模式的雙絞線，則相應(yīng)的 MAC 子層為半雙工 MAC，如果物理層是令牌環(huán)，則有令牌環(huán) MAC 來進行訪問。在以太網(wǎng)中，主要存在兩種 MAC：半雙工 MAC 和全雙工 MAC，分別針對物理層運行模式是半雙工和全雙工時提供訪問。需要注意的，這兩種 MAC 都是集成在網(wǎng)卡中的，網(wǎng)卡初始化的時候一般進行自動協(xié)商，根據(jù)自動協(xié)商的結(jié)果決定運行模式，然后根據(jù)運行模式選擇相應(yīng)的訪問 MAC。全雙工MAC 子層相對半雙工 MAC 子層簡單，因為它不需要檢測鏈路的空閑與忙的狀態(tài)，所以就去除了 上面的鏈路空閑信號和沖突檢測信號。其工作過程如下： 當 MAC 子層有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候，通過數(shù)據(jù)發(fā)送指示告訴物理層，然后把數(shù)據(jù)一個字節(jié)一個字節(jié)的通過數(shù)據(jù)發(fā)送線發(fā)送出去。如果物理層檢測到了數(shù)據(jù)到達，則通過接收指示信號告訴鏈路層，自己接收到了數(shù)據(jù)，然后通過接收數(shù)據(jù)線把數(shù)據(jù)傳到 MAC 子層。 除了完成物理鏈路的訪問以外， MAC 子層還負責(zé)完成下列任務(wù)： 鏈路級的站點標識：在數(shù)據(jù)鏈路層識別網(wǎng)絡(luò)上的各個站點。也就是說，在該層次保留了一個站點地址（就是所謂的 MAC 地址），來標識網(wǎng)絡(luò)上的唯一一個站點； 鏈路級的數(shù)據(jù)傳輸： 從上層（ LLC 子層）接收數(shù)據(jù)，附加上 MAC 地址和控制信息后把數(shù)據(jù)發(fā)送到物理鏈路上。 在這個過程中攙雜了校驗等功能。 為了進行站點標識，在 MAC 子層保留了一個唯一的站點 MAC 地址，來區(qū)分該站點。MAC 地址是一個 48 比特的數(shù)字，分為下面 三 種類別： 1. 物理 MAC 地址：這種類型的 MAC 地址唯一的標識了以太網(wǎng)上的一個終端（比如網(wǎng)卡等），實際上這樣的地址是固化在硬件里面的； 2. 廣播 MAC 地址：這是一個通用的 MAC 地址，用來表示網(wǎng)絡(luò)上的所有終端設(shè)備； 3. 組播 MAC 地址：這是一個邏輯的 MAC 地址，來代表網(wǎng)絡(luò)上的一 組終端。它的特點是最左邊一個字節(jié)的第一比特為 1。 上層要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，把數(shù)據(jù)提交給 MAC 子層， MAC 子層有自己的緩沖區(qū)，把上層提交給自己的數(shù)據(jù)進行緩存，然后增加上目的 MAC 地址和自己的 MAC 地址（源MAC 地址），計算出數(shù)據(jù)幀的長度，形成的數(shù)據(jù)包 格式如圖 25 所示 。 在這個圖中， DMAC 代表目的終端的 MAC 地址， SMAC 代表源 MAC 地址，而Length/T 字段則根據(jù)值的不同有不同的含義： DMAC SMAC Length／Ｔ DATA／ PAD FCS 圖 25 數(shù)據(jù)幀格式 當 Length/T 1500 時，代表該數(shù)據(jù)幀的類型（比如上層協(xié)議類型），當 Length/T 1500時，代表該數(shù)據(jù)幀的長度。 DATA/PAD 則是具體的數(shù)據(jù)，因為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的最小長度必須大于 64 字節(jié)（根據(jù)半雙工模式下最大距離計算獲得的），所以如果數(shù)據(jù)長度加上幀頭不足 64 字節(jié)，需要在數(shù)據(jù)部分增加填充內(nèi)容。 FCS 則是幀校驗字段，來判斷該數(shù)據(jù)幀是否出錯。 上面介紹了數(shù)據(jù)的發(fā)送過程，下面說一下數(shù)據(jù)接收過程： 在計算機的網(wǎng)卡中維護一張接收地址列表，每當計算機網(wǎng)卡接收到一個數(shù)據(jù)幀之后，就把數(shù)據(jù)幀的目的 MAC 地址提取出來，跟列表中的條目進 行比較，只要有一項匹配，則接收該數(shù)據(jù)幀，若無任何匹配的項目，則丟棄該數(shù)據(jù)幀。在這張接收地址列表中至少有下面兩項： 1. 計算機網(wǎng)卡的 MAC 地址：該地址固化在網(wǎng)卡的 ROM 里面； 2. 廣播 MAC 地址：該地址代表網(wǎng)絡(luò)上的所有主機。 如果上層應(yīng)用程序加入一個組播組，則該應(yīng)用程序會通知網(wǎng)絡(luò)層，然后網(wǎng)絡(luò)層通知數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)應(yīng)用程序加入的組播組形成一個組播 MAC 地址，并把該組播 MAC 地址加入接收地址列表，這樣當有針對該組的數(shù)據(jù)幀的時候， MAC 子層就接收該數(shù)據(jù)幀并向上層發(fā)送。 在上面的介紹中提到了 MAC 子層 形成的一個幀結(jié)構(gòu)，其中有一個字段是 Length/T。這個字段的長度是 2 字節(jié)，根據(jù)取值的范圍有不同的含義，在小于或等于 1500 的情況下，該值代表數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)部分的長度，但當大于 1500 的時候，則代表該幀的數(shù)據(jù)部分的類型，比如該數(shù)據(jù)幀是哪個上層協(xié)議（比如 IP， IPX， DECNet， NETBEUI 等）的數(shù)據(jù)單元等。 當 Length/T 取值大于 1500 的時候， MAC 子層可以根據(jù) Length/T 的值直接把數(shù)據(jù)幀提交給上層協(xié)議，這時候就沒有必要實現(xiàn) LLC 子層。這種結(jié)構(gòu)便是目前比較流行的ETHERNET_II，大部分計算 機都支持這種結(jié)構(gòu)。注意，這種結(jié)構(gòu)下數(shù)據(jù)鏈路層可以不實現(xiàn) LLC 子層，而僅僅包含一個 MAC 子層。 根據(jù) Length/T 字段的取值，來把接收到的數(shù)據(jù)幀提交給上層協(xié)議模塊，是這樣進行的：每個上層協(xié)議都提供了一個回調(diào)函數(shù)，這個回調(diào)函數(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層是可見的而且可以調(diào)用的，這樣當數(shù)據(jù)鏈路層接收到一個數(shù)據(jù)幀之后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀里的 Length/T 字段的取值來判斷相應(yīng)的協(xié)議模塊，然后調(diào)用相應(yīng)協(xié)議的回調(diào)函數(shù)（把數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分作為參數(shù)），該回調(diào)函數(shù)執(zhí)行的結(jié)果就是把數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分掛到上層協(xié)議的接收隊列中， 然后給上層協(xié)議發(fā)送 一個消 息，告訴上層協(xié)議有一個數(shù)據(jù)包到來，然后返回，其他的事情就由 上層協(xié)議來做了。 上面介紹的都是 ETHERNET_II 的內(nèi)容，就是當 Length/T 字段大于 1500 的時候的情況?，F(xiàn)在來討論一下當 Length/T 小于或等于 1500 的情況，這種類型就是所謂的ETHERNET_SNAP，是 委員會制定的標準，雖然目前應(yīng)用不是很廣泛，但是作為一種很有特色的標準，將來必會大行其道。 ETHERNET_SNAP 除了定義傳統(tǒng)的鏈路層服務(wù)之外，還增加了一些其他有用的特性，比如定義了下面三種類型的點到點傳輸服務(wù)： 1. 無連接的數(shù)據(jù)包傳輸服務(wù)：目前的以太網(wǎng)實現(xiàn)就是這種服務(wù)； 2. 面向連接的可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)：預(yù)先建立連接再傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在傳輸過程中可靠性得到保證； 3. 無連接的帶確認的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)：該類型的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)不需要建立連接，但它在數(shù)據(jù)的傳輸中增加了確認機制，使可靠性大大增加。 這些服務(wù)都是在 LLC 子層中實現(xiàn)的， LLC 子層的幀格式 如圖 26 所示 ： D M AC S M AC Le ng t h D SA P SSAP C on tro l D AT A/FC SLLC 圖 26 LLC 子層的幀格式 可以看出，該數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)在 MAC 子層上是保持統(tǒng)一的，但 MAC 子層數(shù)據(jù)幀的Length/T 字段現(xiàn)在已經(jīng)完全成了 Length，指示 MAC 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)部分的長度，然后在數(shù)據(jù)部分增加了一個 LLC 頭，這個頭由 DSAP（目的服務(wù)訪問點）， SSAP（源服務(wù)訪問點）和控制字段組成。上面講述的三種服務(wù)就是通過這三個字段完成的。 以太網(wǎng)交換機 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 從外觀上看，以太網(wǎng)交換機跟 HUB 差不多，也是一個多端口的深顏色盒子，但端口的數(shù)目可能比 HUB 要多（一般情況下是 24 個或更多）。但在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上卻比 HUB 復(fù)雜得多， HUB 內(nèi)部實際上是一條共享的總線，各個端口共享該總線進行 CSMA/CD 方式 的通信，但以太網(wǎng)交換機內(nèi)部可能也是一條總線，但該總線帶寬要比 HUB 內(nèi)部的總線高得多，足以讓全部端口互相同時通信而沒有阻塞。性能更高的交換機內(nèi)部可能是一個交換網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)完成任意端口之間的兩兩交換。 以太網(wǎng)交換機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 27 所示： 高速背板總線接收緩沖區(qū)發(fā)送緩沖區(qū)RX TX RX TX 物理接口 圖 27 以太網(wǎng)交換機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 由圖可以看出以太網(wǎng)交換機使用一條高速背板總線把各個端口連接起來。實際上，這個背板總線可能是一個高性能的數(shù)字交叉網(wǎng)絡(luò)。注意的是，各個端口針對接收線路和發(fā)送線路，各有一個緩沖隊列，當數(shù)據(jù)從終端設(shè)備發(fā)往交換機的時候，發(fā)出的數(shù)據(jù)暫存在交換機 的接收隊列中，然后進行下一步處理。如果交換機要把接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給某一終端，這時候，交換機把要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)往該接收終端所在端口的發(fā)送隊列，然后 再 發(fā)