对应于ISO规定的OSI7层通信参考模型,以太网协议在物理层和数据链路层均采用了IEEE 802.3规范,在网络层和传输层则采用被称作事实上以太网标准的TOP/IP协议簇,它们构成了以太网协议的低4层。在高层协议上,以太网通常都省略了会话层、表示层,而在应用层广泛使用的简单邮件传送协议SMTP、域名服务协议DNS、文件传输协议F1、超文本传输协议HTTP。以太网协议层次结构如图4-24
所示。
物理层是OSI的最底层,为设备之间的数据通信提供传输媒介及互联设备,为数据的传输提供可靠的环境。物理层的主要功能是为数据设备提供数据通路、传输数据,并完成物理层的一些管理工作。对于以太网物理层,有各种粗细同轴电缆、双绞线、多模/单模光纤、光电接收器/发送器、中继器、各类接头和插头等。
数据链路是通信期间收发两端通过建立通信联络和拆除通信联络等过程而建立起来的数据收发关系。数据链路层的主要功能是负责链路的建立、拆除和分离,实现帧或分组的定界、同步与收发顺序控制,进而差错检测与恢复,并负责链路标识和流量控制等。在以太网中,数据链路层分为逻辑链路控制(LLC)层和媒体访问控制(MAC)层。在LLC不变的条件下,只需改变MAC便可适应不同的媒体和访问方法网络层是负责复用、路由、中继、网络管理、流量控制以及更高层次的差错检测与恢复、排序等。网络层设备主要有网光和路由器。在以太网中,网络层的寻址、排序、流量控制和差错控制等功能均可由数据链路层承担,因此,既可以选择3层技术也可以选择2层技术。
TCP/IP(传输控制协议/网际互联协议)协议簇是指包括TCP、UDP、IPHTTP等在内的一组协议。TCP/IP协议分为4层,每一层负责完成不同的功能。
①网络接口层或链路层,通常包括操作系统中的设备驱动程序和嵌入式设备中对应的网络接口卡,它们一起处理通信电缆的物理接口细节。
②网络层,处理报文分组在网络中的活动,例如报文分组的路径选择。在TCP/IP协议簇中网络层协议包括ARP协议、 RIARP协议、IP协议、ICMP协议以及IGMP协议。
③传输层,主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议簇中,有两个互不相同的协议TCP和UDP。
④应用层,负责处理特定的应用程序细节。应用层的协议内容包括域名服务协议DNS、文件传输协议FTP、简单网络管理协议SNMP、简单邮件传输协议SMTP、超文本传输协议HTTP等4.以太网数据帧格式以太网发送数据时,MAC层把LLC层递交来的数据按某种格式再加上一定的控制信息,然后再经物理层发送出去。MAC层递交给物理层的数据格式称为MAC帧格式。IEEE802.3规定的MAC帧格式如图4-25所示,它包含6部分,分别是前导域及帧起始定界符、目的地址域、源地址域、长度/类型域、数据域和FCS域。
(1)前导域及帧起始定界符 前7个字节都是10101010,最后一个字节是1010101l用于将发送方与接收方的时钟进行同步,主要是由于以太网类型的不同,同时发送接收速率也不会是完全精确的帧速率传输,因此需要在传输之前进行时钟同步。
(2)目的地址(DA)域 DA标识了目的(接收)节点的地址,由6B组成DA可以是单播地址、多播地址或广播地址。
(3)源地址(SA)域 SA标识了最后一个转发此帧的设备的物理地址,也由6B组成,但SA只能是单播地址。
(4)长度/类型域 该域由2B组成,同时支持长度域和类型域。允许以太网多路复用网络层协议,可以支持除了IP协议之外的其他不同网络层协议,或者是承载在以太网帧里的协议(如ARP协议)。接收方根据此字段进行多路分解,从而达到解析以太网帧的目的,将数据字段交给对应的上层网络层协议,这样就完成了以太网作为数据链路层协议的工作。
(5)数据域 数据域是上层递交来的要求发送的实际数据,该域的长度被限制在46~1500B之间。如果超过1500B,就要启用IP协议的分片策略进行传输;
如果不够46B必须要填充到46B。
(6)FCS域 它是4B的检验域,该域由前面的目的地址域、源地址域、长度/类型域及数据域经过CRC算法计算得到。接收节点将依次收到的目的地址域、源地址域、长度/类型域及数据域进行相同的计算,如计算结果与收到的FCS域不一致,则表明发生了传输错误。
5.以太网拓扑结构以太网拓扑结构有总线型、环型和星型。
总线技术来确保通信总线可靠工作。另外,总线型结构的故障诊断、隔离较为困难,接入节点数有限,通信的实时性较差(2)环型 环型结构由节点和连接节点的链路组成一个闭合环。所有节点共享一条环形传输总线,以广播方式把信息在一个方向上从源节点传输到目的节点,节点之间也有竞争使用环型传输总线的问题。对此,需用软件协调控制。这种结构的优点是结构简单、信道利用率高、电缆长度短、控制方式比较简单,每个节点只是以接力的方式把数据传输到下一个节点,传输信息误码率低,数据传输效率高。其缺点是当某个节点或某段环线发生故障时,都会导致整个网络瘫痪,可靠性较差,故障诊断、排除困难。为了提高可靠性,可采用双环或多环等冗余措施。
(3)星型 星型结构管理方便,容易扩展,需要专用的网络设备作为网络的核心节点,需要更多的网线,对核心设备的可靠性要求高。此外,星型结构可以通过级联的方式很方便地将网络扩展到很大的规模,因此得到了广泛的应用,被绝大部分的以太网所采用。
6.以太网在汽车上的应用以太网在汽车上应用刚刚开始,但它优越的性能得到汽车业界的重视,未来将成为重要的车载网络博通、飞思卡尔和 OmniVision推出的三方共同开发的360°全景停车辅助系统是世界上第一款基于以太网的停车辅助系统。以太网在汽车上的应用如图4-26所示。
随着先进传感器、高分辨率显示器、车载摄像头、先进驾驶辅助系统及其数据传输和控件的加入,汽车电子产品正变得更加复杂。采用标准的以太网协议将这些设备连接起来,可以帮助简化布线,节约成本,减少线束质量并增加行驶里程。
