【计算机网络之以太网详解】
文章目录
- 1. 引言
- 2. 以太网概述
- 3. 以太网帧结构
- 4. MAC 地址
- 4.1 MAC 地址格式
- 4.2 MAC 地址分类
- 5. 交换机的工作原理
- 5.1 交换机的基本功能
- 5.2 交换机的转发方式
- 6. VLAN（虚拟局域网）
- 6.1 VLAN 的作用
- 6.2 VLAN 标记（IEEE 802.1Q）
- 7. 以太网的演进
- 8. 总结
1. 引言
以太网（Ethernet）是当今最常见的局域网（LAN）技术，广泛应用于家庭、企业和数据中心网络。本文将介绍以太网的基本概念、帧格式、MAC 地址、交换机的工作原理、VLAN 及相关技术。
2. 以太网概述
以太网是一种基于分组交换和共享信道的计算机网络技术。它采用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）机制进行介质访问控制，虽然现代交换式以太网已基本摒弃了 CSMA/CD，但它仍是以太网发展历史的重要组成部分。
以太网标准由 IEEE 802.3 工作组制定，目前广泛使用的是 10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps 及以上速率的以太网。
3. 以太网帧结构
以太网通信的数据单元称为帧（Frame），IEEE 802.3 标准定义了以太网帧格式，如下所示：
| 字段 | 长度（字节） | 说明 |
|---|---|---|
| 前导码（Preamble） | 7 | 101010…序列，用于同步时钟 |
| 起始帧定界符（SFD） | 1 | 标志帧的开始 |
| 目标 MAC 地址 | 6 | 目的设备的物理地址 |
| 源 MAC 地址 | 6 | 发送设备的物理地址 |
| 类型/长度字段 | 2 | 指定上层协议类型或数据长度 |
| 数据（Payload） | 46-1500 | 传输的数据 |
| 填充（Padding） | 0-46 | 使帧长度至少为 64 字节 |
| 帧校验序列（FCS） | 4 | CRC 校验，保证数据完整性 |
4. MAC 地址
MAC（Media Access Control）地址是以太网设备的物理地址，用于唯一标识网络中的设备。
4.1 MAC 地址格式
MAC 地址由 48 位（6 字节）组成，通常表示为十六进制格式，例如：
00:1A:2B:3C:4D:5E
MAC 地址的前 3 字节由 IEEE 分配给制造商（OUI，组织唯一标识符），后 3 字节由制造商自行分配。
4.2 MAC 地址分类
- 单播地址（Unicast Address）：指向单个设备，例如 00:1A:2B:3C:4D:5E。
- 多播地址（Multicast Address）：用于组播通信，以 01:XX:XX:XX:XX:XX 开头。
- 广播地址（Broadcast Address）：全为
FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示发送给网络中所有设备。
5. 交换机的工作原理
现代以太网主要采用交换机（Switch），以全双工模式传输数据，避免了 CSMA/CD 机制导致的冲突。
5.1 交换机的基本功能
- 学习 MAC 地址：记录设备的 MAC 地址和对应端口，形成 MAC 地址表（CAM 表）。
- 帧转发和过滤：根据 MAC 地址表决定是否转发帧到特定端口。
- 防止广播风暴：通过生成树协议（STP）避免网络环路。
5.2 交换机的转发方式
- 存储转发（Store-and-Forward）：完整接收并校验帧后再转发，常用于高性能交换机。
- 直通式（Cut-Through）：仅读取帧头部的 MAC 地址后立即转发，速度快但可能转发错误数据。
6. VLAN（虚拟局域网）
VLAN（Virtual LAN）是一种将逻辑上相关的设备划分到同一广播域的技术，即使它们位于不同的物理交换机上。
6.1 VLAN 的作用
- 减少广播域，提高网络效率
- 增强安全性，隔离不同部门的数据流量
- 提高管理灵活性，支持跨交换机通信
6.2 VLAN 标记（IEEE 802.1Q）
802.1Q 是 VLAN 的标准协议，它在以太网帧的 类型/长度字段 和 数据字段 之间插入 4 字节 VLAN Tag，如下所示：
| 字段 | 长度（字节） | 说明 |
|---|---|---|
| 以太网头部 | 14 | 源/目的 MAC 地址，类型字段 |
| VLAN 标记 | 4 | 包括 VLAN ID（12 位） |
| 数据 | 46-1500 | 负载数据 |
| FCS | 4 | 校验字段 |
VLAN ID 的取值范围是 1-4094（0 和 4095 预留）。
7. 以太网的演进
| 标准 | 速率 | 介质 | 最大传输距离 |
|---|---|---|---|
| 10BASE-T | 10Mbps | 双绞线 | 100m |
| 100BASE-T | 100Mbps | 双绞线 | 100m |
| 1000BASE-T | 1Gbps | 双绞线 | 100m |
| 10GBASE-T | 10Gbps | 双绞线 | 100m |
| 40GBASE-SR4 | 40Gbps | 多模光纤 | 100m |
| 100GBASE-LR4 | 100Gbps | 单模光纤 | 10km |
8. 总结
本文介绍了以太网的基本概念，包括帧结构、MAC 地址、交换机工作原理、VLAN 以及以太网的演进。以太网作为最主流的 LAN 技术，不断升级速率，从 10Mbps 发展到 100Gbps，并广泛应用于数据中心、高速骨干网和云计算环境。