第九章 以太网以太网MAC及其物理层
MAC和PHY组成原理
MAC和PHY组成原理MAC（媒体访问控制）和PHY（物理层）都是在计算机网络中起关键作用的组件。
MAC负责控制数据的传输和流量，而PHY负责将数据从一个设备传输到另一个设备。
下面将详细介绍MAC和PHY的工作原理以及它们如何协同工作来实现高效和可靠的数据传输。
一、MAC（媒体访问控制）MAC层是OSI（开放系统互联）参考模型中的第二层，它负责处理数据帧的传输、接收和管理。
MAC层的功能包括以下几个方面：1.媒体接入控制：MAC层负责控制多个设备之间的资源共享。
当多个设备同时尝试发送数据时，MAC层通过其中一种算法来决定哪一个设备有权利访问共享媒体。
2.帧计时和同步：MAC层通过在数据帧中添加帧定界符和同步字，来保证数据的正确接收。
这些定界符和同步字帮助接收设备识别出帧的开始和结束。
3.帧封装和解封装：MAC层负责将上层的数据封装成数据帧，并附加必要的控制信息，如源地址、目的地址、帧校验序列等。
发送设备将数据帧发送给接收设备，接收设备根据MAC层的控制信息来解析和提取数据。
4.错误检测和纠正：MAC层使用帧校验序列（FCS）来检测数据帧是否传输正确。
接收设备会根据FCS来检验接收到的帧的完整性和准确性，并丢弃损坏的帧。
5.数据流量控制：MAC层根据网络的负载和流量情况来进行流量控制，以确保高效和可靠的数据传输。
当网络负载过高时，MAC层可以使用一些策略，如拥塞控制、流量限制等来降低网络拥塞，并避免数据丢失或性能下降。
二、PHY（物理层）PHY层是OSI参考模型中的第一层，它负责将数据从一个设备传输到另一个设备，主要涉及电信号、电压和物理介质等传输媒介。
PHY层的主要功能有以下几个方面：1.数据编码和解码：PHY层负责将数据从数字格式转换为模拟信号。
它将数字数据转换为电压、电流或光信号，以便在物理环境中传输。
接收设备则执行逆过程，将模拟信号转换为数字数据。
2.数据传输：PHY层根据具体的物理介质来传输数据。
MAC和PHY组成原理
MAC和PHY组成原理MAC (Media Access Control) 和 PHY (Physical Layer) 是组成网络通信系统的两个重要组成部分。
MAC 层位于 OSI 参考模型的第二层，负责控制数据的接入和传输。
PHY 层位于 OSI 参考模型的第一层，负责处理数据的物理层面的传输。
MAC 层主要负责数据链路层的协议操作，包括数据帧的组装、帧的发送和接收、以太网地址的管理等功能。
MAC 层的主要目的是为多个设备之间提供数据传输的可靠性和高效性。
MAC 层使用了不同的访问控制方法，如 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 或 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)，来确保数据的正常传输。
PHY层主要负责信号的调制、解调、编解码等物理层面的操作。
PHY层将数据转换成适合在物理介质上传输的信号，并在接收端将收到的信号还原为数据。
PHY层的功能包括信号的调制、功率控制、误码率的监测和纠错等。
除了有线通信，PHY层也负责处理无线通信中的信号传输，如无线局域网(WLAN)或蓝牙等。
MAC和PHY之间通过接口来进行通信和协调工作。
MAC层将数据帧传递给PHY层并控制数据的发送和接收，同时PHY层将物理层面的信息传递给MAC层进行处理。
这种分层设计使得网络系统可以更加灵活和可扩展，不同的MAC层可以和不同的PHY层组合使用，以适应不同类型的网络需求。
在实际应用中，MAC 层通常与PHY 层共同组成一个网络接口，如以太网接口、Wi-Fi 接口等。
以太网接口通常由以太网控制器 (Ethernet Controller) 来实现 MAC 层的功能，而PHY 层则由以太网收发器(Ethernet Transceiver) 来实现。
以太网MAC和PHY
以太网PHY和MAC对应OSI模型的两个层——物理层和数据链路层物理层定义了数据传输和接受所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并想数据链路层设备提供标准接口（RGMII/GMII/MII）。
数据链路层提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能问：以太网PHY是什么？答：PHY是物理接口收发器，它实现物理层。
IEEE 802.3标准定义了以太网PHY。
他符合IEEE 802.3k中用于10BaseT（第14条）和100BaseTX（第24条和第25条）的规范。
问：以太网MAC是什么答：MAC就是媒体接口控制器。
以太网MAC由IEEE 802.3以太网标准定义，他事先了一个数据链路层。
最新的MAC同时支持10/100/1000Mbps速率。
通常情况下，他实现MII/GMII/RGMII。
问：什么是MII？答：MII（Medium Independent Interface）即媒体独立接口。
它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。
它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。
数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。
每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。
MII数据接口总共需要16个信号。
管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。
通过管理接口，上层能监视和控制PHY。
MII标准接口用于连快Fast Ethernet MAC-block与PHY。
“介质无关”表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。
在其他速率下工作的与 MII等效的接口有：AUI（10M 以太网）、GMII （Gigabit 以太网）和XAUI（10-Gigabit 以太网）。
此外还有RMII(Reduced MII)、GMII(Gigabit MII)、RGMII（Reduced GMII）SMII等。
以太网的 MAC 层概述
IP 层
4 FCS MAC 层
MAC 帧
物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式
类型字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
类型字段 2 字节
字节 6
6
2
目的地址 源地址 类型
IP 数据报
46 ~ 1500 数据
IP 层
4 FCS MAC 层
IP层
4
FCS MAC层
物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式
目的地址字段 6 字节
字节 6
6
2
目的地址 源地址 类型
IP 数据报
46 ~ 1500 数据
IP 层
4 FCS MAC 层
MAC 帧
物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式
源地址字段 6 字节
字节 6
6
2
目的地址 源地址 类型
IP 数据报
一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。
这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓 存来得及清理，做好接收下一帧的准备。
IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位)，称为组织唯一 标识符。
地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由 厂家自行指派，称为扩展唯一标识符，必须保证生产 出的适配器没有重复地址。
3 字节 （24 位）
3 字节 （24 位）
MAC 帧
物理层
以太网 V2 的 MAC 帧格式
当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。
以太网原理MAC和PHY
以太网原理MAC和PHY以太网（Ethernet）是一种计算机网络技术，用于在局域网（LAN）中进行数据传输。
它是一种广泛应用的网络协议，其主要优势是简单、可靠和成本低廉。
以太网协议包含两个关键组成部分：媒体访问控制（MAC）子层和物理层（PHY）。
物理层（PHY）负责将以太网帧从数据链路层传输到实际的物理媒体上。
它的主要任务是将数字数据转换为电气信号，然后通过传输媒介传送。
物理层使用一些特定的编码和调制技术来解决数据在物理媒体上的传输问题。
这些技术包括编码、调制解调和时钟恢复等。
物理层还负责定义信道的特性和接口标准，包括电压电平、数据传输速率、传输介质类型和连接器类型等。
这种标准确保了不同厂商的网络设备能够相互兼容工作。
例如，10BASE-T以太网使用了双绞线作为传输介质，传输速率为10Mbps。
而1000BASE-T以太网使用了Cat 5e或Cat 6双绞线作为传输介质，传输速率为1Gbps。
物理层还处理一些错误检测和纠正机制，以确保数据的可靠传输。
例如，以太网使用了冗余检验码（CRC）来检测帧中的传输错误。
如果接收端检测到错误，它会向发送端发送一个特殊的信号，要求重新发送数据。
这种机制确保了数据在传输过程中的完整性和准确性。
与物理层相对应的是媒体访问控制（MAC）子层。
MAC子层的主要任务是实现数据帧的分组、发送和接收。
它根据接收到的数据帧的目的地址进行过滤，并将所接收到的数据传递给上层的网络协议栈。
同时，MAC子层还负责将数据帧分组，并在物理层上以合适的方式发送出去。
MAC子层使用了一种称为CSMA/CD的访问控制协议，即载波监听多点接入/冲突检测。
CSMA/CD协议要求发送端在发送数据之前先监听信道，以确保没有其他设备正在传输数据。
如果检测到信道中有其他设备正在传输数据，发送端会等待一段时间后重新发送。
这种机制可以解决多个设备同时访问网络时的冲突问题。
MAC子层还负责对数据帧进行封装和解封装。
什么是计算机网络物理层常见的计算机网络物理层技术有哪些
什么是计算机网络物理层常见的计算机网络物理层技术有哪些计算机网络物理层是计算机网络体系结构中的基础层次，其主要功能是提供各种物理传输介质上的数据传输和接收。
物理层通过电气信号、电磁波、光信号等方式，将数据从发送方传输到接收方，并确保数据的可靠传输。
本文将介绍计算机网络物理层的基本概念以及常见的物理层技术。
一、计算机网络物理层的基本概念计算机网络物理层是计算机网络体系结构中的最底层，它直接与各种物理传输介质进行数据传输和接收。
物理层的主要任务包括编码、调制解调、传输介质选择以及物理连接等。
1. 编码编码是指将数字信号转换为模拟信号或数字信号的过程。
传输的数据在计算机中以二进制形式表示，而大多数物理传输介质是通过模拟信号传输的，因此需要进行编码转换。
常见的编码方式有非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
2. 调制解调调制解调是物理层中常见的一项技术，它将数字信号转换为适合传输的模拟信号。
发送方通过调制将数字信号转换为模拟信号，接收方通过解调将模拟信号转换为数字信号。
调制解调的常见方式有频移键控调制（FSK）、相位键控调制（PSK）、振幅键控调制（ASK）等。
3. 传输介质选择传输介质是指计算机网络中用于数据传输的物理媒介，常见的传输介质包括双绞线、同轴电缆、光纤等。
选择适合的传输介质对于物理层的性能和数据传输速率至关重要。
4. 物理连接物理连接是指将计算机网络中的各个节点通过传输介质进行连接的过程。
物理连接可以通过直接连接、交换机、集线器等实现。
物理连接的稳定性对于数据传输的可靠性和网络性能有着重要的影响。
二、常见的计算机网络物理层技术计算机网络物理层涉及到多种技术，下面将介绍一些常见的物理层技术。
1. 以太网以太网是一种常见的局域网技术，它使用双绞线或光纤作为传输介质，通过载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议进行数据传输。
以太网具有数据传输速率快、成本低廉等特点，广泛应用于局域网和广域网。
计算机网络技术基础09 以太网
185
925m／ 5
100
500m/5
1800
3600/2
30 5 BNC， T 头
－ 0.4-0.6 RJ－ 45
－ 0.4-1.0
33 62.5/125μ m ST
IEEE 802.3以太网的物理层和MAC子层 以太网的MAC子层
MAC帧的封装功能：成帧与卸帧；编址 与寻址；差错检测。 介质接入管理功能：信道分配（避免碰 撞、介质接入控制）；竞争解决（处理碰撞 、退避延时重发等）。 以太网是使用带碰撞检测的载波侦听多 路访问（CSMA／CD）技术的总线型网络。
以太网中RJ-45插头
使用双绞线连接时需要用RJ-45接头，其连接规范应遵 循EIA/TIA 586A和568B规范。 在使用EIA/TIA 586A标准制作网线时，应该将RJ-45水 晶头的弹片朝下放置，然后按照从左到右的顺序，将双绞 线的“绿白”、“绿”、“橙白”、“蓝”、“蓝白”、 “橙”、“棕白”、“棕”线插入到RJ-45水晶头中。 在使用EIA/TIA 586B标准制作网线时，应该将RJ-45水 晶头的弹片朝下放置，然后按照从左到右的顺序，将双绞 线的“橙白”、“橙”、“绿白”、“蓝”、“蓝白”、 “绿”、“棕白”、“棕”线插入到RJ-45水晶头中。 在制作网线的过程中，必须遵循“同类”交叉、“异 类”直通的原则来进行。
5
以太网物理层编码技术
采用曼彻斯特编码： 低电平跳变到高电平表示“0”； 高电平跳变到低电平表示“1”。
不归零码
0
0
1
1
0
1
曼彻斯特码
以太网的物理层
10BASE5 传输媒体 同轴电缆 10Base2 同轴电缆 10Base-T 非屏蔽双绞线 10BROAD36 同轴电缆 10Base-FL 850nm 多模光纤 曼彻斯特码 ON／OFF 星型 500 2KM 1000 4Km/2
MAC层与物理层
MAC层主要负责控制与连接物理层的物理介质。
在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC层。
IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）和MAC（Media Access Control，介质访问控制）两个子层。
上面的LLC子层实现数据链路层与硬件无关的功能，比如流量控制、差错恢复等；较低的MAC子层提供LLC和物理层之间的接口。
MAC（Media Access Control或者Medium Access Control）地址，意译为媒体访问控制，或称为物理地址、硬件地址，用来定义网络设备的位置。
在OSI模型中，第三层网络层负责 IP地址，第二层数据链路层则负责MAC地址。
因此一个主机会有一个MAC地址，而每个网络位置会有一个专属于它的IP地址。
[1]
MAC地址是网卡决定的，是固定的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
- 21 -
9.6.3 以太网定时
比特时间 不管介质速度如何，将比特发送到介质并在介质 上侦听到它都需要一定的时间。这段时间称为比 特时间
- 22 -
9.6.3 以太网定时
碰撞槽时间 每种介质需要检测冲突的最大时间 碰撞槽时间是一个确定有多少设备可以共享网络 的重要参数。 碰撞槽时间按照约定的最大网络体系结构上的最 大电缆长度计算。
- 33 -
9.7.1 10Mbps和100Mbps以太网
- 34 -
9.7.1 10Mbps和100Mbps以太网
2. 100Mbps以太网：快速以太网
编码：4B/5B 编码 介质：双绞线铜缆或光纤 拓扑结构：星型 星型中心设备：交换机 类型：100BASE-TX（铜缆）、100BASE-FX（光纤）
- 7-
9.6.2 CSMA/CD过程
2. 多路访问 如果设备之间的距离导致一台设备的信号延时， 则另一台设备可能没有检测到信号，信号同时发 送。 两者的信号就会混合，报文被毁坏。 但剩余信号会混杂在一起继续沿介质传播。
- 8-
9.6.2 CSMA/CD过程
3. 冲突检测 一旦发生冲突，处于侦听模式的其它设备以及所 有正在发送的设备，将会检测到信号量的增长。 检测到冲突之后，各台设备将继续发送，以确保 网络上的所有设备都检测到冲突。
10 Gbps - 万兆以太网
- 31 -
9.7 物理层
- 32 -
9.7.1 10Mbps和100Mbps以太网
1. 10Mbps以太网：10BASE-T 编码：曼彻斯特 介质：非屏蔽双绞线 拓扑结构：星型
星型中心设备：集线器
针脚：1 和 2用于发送数据，3和6用于接收数据
- 23 -
9.6.3 以太网定时
碰撞槽时间
- 24 -
9.6.4 帧间隙和帧回退
帧间隙
介质在发送上一个帧后将获得稳定的时间，设备 也获得了处理帧的时间。此时间称为帧间隙。
其长度是从一个帧的 FCS 字段最后一位到下一个 帧的“前导码”第一位。
- 25 -
9.6.4 帧间隙和帧回退
- 26 -
9.6.2 CSMA/CD过程
4.拥塞信号和随机回退 回退算法将使所有设备在随机时间内停止发送， 以让冲突消除。
返回
- 11 -
9.6.2 CSMA/CD过程
假定1Km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s,设 信号在网络上的传播速率为200000Km/s，求能够 使用此协议的最短帧长？ 设最短帧长x，则：x/10^9=(1/200000)*2
- 12 -
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9.6.2 CSMA/CD过程
集线器和冲突域 使用CSMA/CD也会造成冲突，原因：
越来越多的设备连接到网络。 设备对网络介质的访问越来越频繁。 设备之间的距离越来越长。
- 13 -
9.6.2 CSMA/CD过程
集线器和冲突域 集线器和中继器都是中间设备，用于延伸以太网 电缆可以到达的距离。 集线器也称为多端口中继器，它将收到的数据信 号重新发送到所有连接的设备（向集线器发送信 号的设备除外）
- 29 -
9.6.4 帧间隙和帧回退
回退定时
等待时间长短随机，这样两个站点在重新发送之 前的延迟时间就不会相同，避免更多冲突。
- 30 -
9.7 物理层
标准以太网、快速以太网、千兆以太网与万兆以 太网之间的差异在于物理层 IEEE 802.3 标准定义的以太网速率： 10 Mbps - 10Base-T 以太网 100 Mbps - 快速以太网 1000 Mbps - 千兆以太网
- 17 -
9.6.3 以太网定时
延迟
- 18 -
9.6.3 以太网定时
延迟 计算：设待传送的数据总长度为 L 比特，分组总 长度为 P 比特，其中首部长度为H 比特，源节点 到目的节点之间的线路数为 h ，每条线路上的延 迟为 D 秒，数据传输率为 B bps，分组交换中， 每个分组在每个之间结点需要 K 比特的延迟（包 括排队延迟、处理延迟）。 求：数据报分组交换 技术所需要的时间。
- 14 -
9.6.2 CSMA/CD过程
集线器和冲突域 冲突域：通过一台集线器或一系列直接相连的集 线器访问公共介质的相连设备称为冲突域。冲突 域也称为网段。
- 15 -
9.6.2 CSMA/CD过程
集线器和冲突域
- 16 -
9.6.3 以太网定时
延迟 发送的电信号需要一定的时间（延时）传播（传 送）到电缆。 造成的情况：节点在侦听时信号尚未到达，所以 它会认为介质可以使用。这种情况通常导致冲突
- 9-
9.6.2 CSMA/CD过程
4. 拥塞信号和随机回退 发送设备检测到冲突之后，将发出拥塞信号。通 知其它设备发生了冲突，以便它们调用回退算法 延迟到期后，该设备将恢复“发送前侦听”模式 。 回退算法造成的问题： 在两台涉入冲突的设备重新发送之前，第三台设备 可能会先行发送。
- 10 -
- 5-
9.6.2 CSMA/CD过程
载波侦听 多路访问 冲突检测 堵塞信号和随机回退
- 6-
9.6.2 CSMA/CD过程
1. 载波侦听 要发送报文的所有网络设备在发送之前必须侦听 如果设备检测到来自其它设备的信号，就会等待 指定的时间后再尝试发送。
没有检测到通信时，设备将发送其报文并继续侦 听。
- 19 -
9.6.3 以太网定时
定时和同步 半双工模式中，如果冲突没有发生，发送设备将 会发送 64 位的定时同步信息，称为“前导码”。 然后，发送设备将发送整个帧。
- 20 -
9.6.3 以太网定时
定时和同步 半双工模式中，如果冲突没有发生，发送设备将 会发送 64 位的定时同步信息，称为“前导码”。 然后，发送设备将发送整个帧。
以太网中的MAC
以太网CSMA/CD过程 以太网帧定时
延时、定时、比特时间、碰撞槽时间
帧间隙和回退
帧间隙、拥塞信号、回退时间
以太网物理层
牛羊催肥
佟宜然敠
- 35 -
9.7.1 10Mbps和100Mbps以太网
- 36 -
9.7.2 吉比特以太网
特点：速度高、容易产生杂信号 类型： 1000BASE-T 以太网（四对 5 类或更高规格的 UTP 电缆） 1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 以太网（光纤）
- 37 -
总结
第九章 以太网 以太网MAC及其物理层
9.6 以太网MAC
- 3-
9.6.1 以太网中的MAC
共享介质 冲突：以太网为了降低与每次发送相关的系统开 销而付出的代价。
- 4-
9.6.1 以太网中的MAC
以 太 网 使 用 载 波 侦 听 多 路 访 问 / 冲 突 检 测 (CSMA/CD) 来检测和处理冲突，并管理通信的恢 复。
9.6.4 帧间隙和帧回退
拥塞信号
只要一检测到冲突，发送设备就会发送一个 32 位 “堵塞”信号以强调该冲突。
- 27 -
9.6.4 帧间隙和帧回退
拥塞信号
- 28 -
9.6.4 帧间隙和帧回退
回退定时
冲突发生后，所有设备都让电缆变成空闲，发送 有冲突的设备必须再等待一段时间，然后才可以 重新发送冲突的帧。