计算机网络 —— 数据链路层（以太网）

我们今天来看以太网：

什么是以太网

以太网（Ethernet）是一种广泛使用的局域网（Local Area Network, LAN）技术，由Xerox公司在1970年代初开发，并与DEC和Intel合作推广，成为业界标准。它是连接计算机和各种设备（如打印机、服务器、网络存储设备等）的主流方式之一，允许它们在有限的地理区域内共享资源和相互通信。以太网的核心规范由IEEE（电气和电子工程师协会）的802.3标准定义。

以太网工作原理的关键要素包括：

1. 物理层：定义了网络的物理连接方式，包括电缆类型（如双绞线、同轴电缆、光纤）和信号传输速度。速度规格从最初的10Mbps（兆比特每秒）发展到了如今的10Gbps、25Gbps、40Gbps乃至100Gbps及以上。
2. 数据链路层：分为两个子层——介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。MAC子层负责控制网络设备如何访问共享的传输介质，避免数据碰撞（早期使用CSMA/CD机制，在全双工和光纤环境中不再需要此机制）。LLC子层提供网络层与数据链路层之间的接口，并负责识别网络层协议类型。
3. 载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）：早期以太网使用的一种介质访问控制方法，设备在发送数据前先监听线路是否空闲，空闲时发送数据，若检测到碰撞则停止发送并等待随机时间后再尝试。
4. 以太网帧结构：数据在以太网中传输是以帧的形式进行的，包含前导码、帧开始定界符、目的MAC地址、源MAC地址、类型/长度字段、数据负载以及帧校验序列（FCS）。
5. 以太网交换机：现代以太网中，交换机取代了集线器，提供了点对点的连接，增强了网络性能和隔离性，允许在不同设备间同时进行通信而不冲突。
6. Power over Ethernet (PoE)：一种技术，允许通过以太网线缆同时传输数据和电力，常用于IP电话、无线接入点、安全摄像头等设备。

以太网因其简单、可靠、成本效益高、易于安装和维护的特点，成为了家庭、企业、数据中心和广域网互联的基础技术。随着技术的进步，以太网标准不断演进，以满足对更高数据传输速率和更高效网络通信的需求。

以太网传输介质和拓扑结构的发展

以太网的传输介质和拓扑结构的发展是相辅相成的，它们共同推动了以太网技术的进步和广泛应用。以下是以太网传输介质和拓扑结构发展的概述：

传输介质的发展：

1. 同轴电缆：最初的以太网技术使用的是同轴电缆，包括粗同轴电缆（10Base5）和细同轴电缆（10Base2）。
2. 双绞线：随着技术的发展，非屏蔽双绞线（UTP）因其成本低廉、安装方便等优点逐渐取代了同轴电缆，成为以太网的主要传输介质。双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP），其中UTP在数据传输中得到了广泛应用。
3. 光纤：为了满足更高的传输速率和更远的传输距离，光纤开始被用于以太网传输。千兆以太网（1000BaseLX/SX）和万兆以太网（10GBase-LX/SR）等标准都支持光纤作为传输介质。
4. 无线介质：随着无线技术的发展，无线以太网（例如Wi-Fi）也成为以太网传输介质的一种形式，它提供了更大的灵活性和移动性。

拓扑结构的发展：

1. 总线型拓扑：早期的以太网采用总线型拓扑，所有设备都连接到一个共享的传输介质上，如同轴电缆。
2. 星型拓扑：随着集线器（Hub）和交换机（Switch）的出现，以太网的物理结构转变为星型拓扑，其中每个设备都直接连接到中心设备。尽管物理上是星型，但在逻辑上仍然保持总线型拓扑和CSMA/CD协议。
3. 交换式以太网：交换式以太网的出现标志着以太网拓扑结构的重要转变。交换机的使用消除了碰撞域，提高了网络效率和性能。
4. 混合拓扑：现代以太网网络可能结合了多种拓扑结构，如星型、环型和总线型，以满足不同的网络需求和优化性能。

以太网的传输介质和拓扑结构的发展，反映了网络技术在速度、可靠性和灵活性方面的不断进步。随着新技术的出现和现有技术的改进，以太网将继续适应不断变化的网络环境和需求。

10BASE-T 以太网

10BASE-T 是以太网的一种标准，属于IEEE 802.3规范的一部分，是最早广泛应用于局域网（LAN）的技术之一。"10BASE-T"中的各个部分代表了其特性：

• “10” 表示该标准的最大传输速率为10兆比特每秒（Mbps）。
• “BASE” 表示使用基带传输，意味着数据信号直接在介质上编码，而不是通过调制载波。
• “T” 表示使用双绞线（Twisted Pair）作为传输介质，特别是非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）。

10BASE-T 以太网主要特点包括：

1. 物理层：使用两对（通常是3类、4类或5类，现代通常要求至少是5e类或以上）非屏蔽双绞线，支持全双工通信，但实际应用中早期的10BASE-T多为半双工操作。在10BASE-T中，通常仅使用四线中的两对（通常是第1、2、3、6线，即橙白、橙、绿白、绿）进行数据传输，其他两线备用或用于其他目的。

2. 连接器：RJ-45插头和插座是最常用的物理连接器，符合EIA/TIA-568布线标准。

3. 介质访问控制：采用载波监听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）机制，这意味着设备在发送数据前会监听网络是否空闲，以避免数据包碰撞。如果检测到冲突，设备会等待一个随机的时间间隔后重新尝试发送。

4. 拓扑结构：10BASE-T 支持星型拓扑结构，网络中的设备通过双绞线连接到中心设备，通常是集线器或后来的交换机。这种结构便于故障隔离和网络扩展。

5. 安装与维护：相对于早期的粗同轴电缆（如10BASE5）和细同轴电缆（如10BASE2）解决方案，10BASE-T 易于安装和维护，且布线更加灵活。它可以与现有的电话布线系统兼容，简化了在建筑物内部的网络部署。

随着时间的推移，虽然更快的以太网标准（如100BASE-TX、1000BASE-T）已普及，10BASE-T仍然是基础网络连接的一个选项，尤其是在对带宽需求不高的应用场合。

适配器和MAC地址

适配器（Adapter）和MAC地址（Media Access Control Address）在计算机网络中扮演着核心角色，尤其是对于以太网技术而言。下面是它们的基本概念和功能：

适配器（Adapter）

适配器，也常被称为网络接口卡（NIC，Network Interface Card）或网络接口控制器，在计算机网络中负责实现计算机与网络之间的物理和数据链路层连接。它是一个硬件组件，通常以扩展卡的形式插入主板的PCI插槽或直接集成在主板上。适配器的主要功能包括：

• 数据封装与解封装：将上层数据包（如IP包）封装成适合在物理介质上传输的数据帧，以及接收时进行相反的过程。
• 物理地址（MAC地址）管理：每个适配器都有一个全球唯一的MAC地址，用于在网络中标识该设备。
• 介质访问控制：遵循相应的介质访问控制协议（如以太网的CSMA/CD或无线网络的CSMA/CA），决定何时发送数据到共享介质上。
• 数据传输：负责实际的数据传输，包括信号的发送与接收。

MAC地址

MAC地址是适配器的一个重要属性，它是物理地址的一种，用于在网络中唯一标识每一个网络接口。MAC地址由48位（6字节）的二进制数字组成，通常表示为12位的十六进制数，中间用冒号（:）或短横线（-）分隔，例如02:60:8c:e4:b1:21。MAC地址的前24位（即前三个十六进制数）由IEEE（电气和电子工程师协会）分配给制造商，后24位由制造商自行分配，确保每个出厂的适配器地址都是独一无二的。

适配器与MAC地址的关系

每个网络适配器都有一个固定的MAC地址，该地址在生产时就被固化到硬件中，不能更改。当数据帧在网络中传输时，MAC地址被用作帧的源地址和目的地址，以确定数据应该发往哪个设备或数据来自哪个设备。在数据链路层，网络设备根据MAC地址进行帧的转发决策，确保数据能够准确到达目标节点。在以太网中，MAC地址的使用对于实现局域网内部的通信至关重要。

MAC帧

MAC帧，全称为Media Access Control frame，中文为介质访问控制帧，是数据链路层（OSI模型的第二层）中MAC子层的数据传输单元。MAC帧主要在局域网（如以太网、Wi-Fi网络）中使用，负责在物理层上传输数据，并实现网络设备之间的直接通信。

MAC帧的基本结构通常包括以下几个部分：

1. 前导码（Preamble）：一系列的比特模式，用于同步接收器并指示新帧的到来。在以太网中，前导码通常由56位的10101010…101010位序列组成。
2. 帧起始定界符（SFD）：一个单独的位模式，用于标记MAC帧的开始。在以太网中，SFD是一个10101011位序列。
3. 目的MAC地址（Destination MAC Address）：接收方网络接口卡的物理地址，长度为6字节（48位）。
4. 源MAC地址（Source MAC Address）：发送方网络接口卡的物理地址，同样为6字节。
5. 类型/长度字段（Type/Length Field）：标识上层协议类型，如IPv4、IPv6等，或在某些情况下表示帧载荷的长度。长度通常为2字节。
6. 数据字段（Data or Payload）：承载来自网络层的数据，其长度可变，最大传输单元（MTU）通常受限于网络类型，例如以太网的最大有效载荷为1500字节。
7. 帧检验序列（Frame Check Sequence, FCS）：用于错误检测的循环冗余校验（CRC）值，通常为4字节。

在802.11无线局域网中，MAC帧的结构可能还包括额外的字段，如帧控制字段、时间戳、地址字段的扩展等，以适应无线环境下的特定需求和管理功能。MAC帧的结构和字段根据具体的网络标准（如IEEE 802.3以太网、IEEE 802.11 Wi-Fi）有所差异，但上述基本组成部分是共通的。

以太网MAC帧

高速以太网

高速以太网是指数据传输速率比传统以太网（10Mbps）快的以太网技术，通常涉及100Mbps（快速以太网）、1Gbps（千兆以太网）、10Gbps（万兆以太网）及以上的传输速率。这一术语有时与“快速以太网”交替使用，尽管严格来说，“快速以太网”特指100Mbps的版本。随着技术的演进，现在还有更高速度的标准，如25Gbps、40Gbps、50Gbps、100Gbps乃至更高的以太网技术。

高速以太网的主要特点包括：

1. 高带宽：显著提高的带宽能够满足大量数据传输的需求，特别是在数据中心、云计算、高清视频流、大数据分析等领域。
2. 更快的数据传输速度：利用更高效的传输技术和全双工通信，数据传输速率大幅度提升，减少延迟，提高网络效率。
3. 更好的抗干扰能力：采用更高质量的电缆和光纤技术，以及改进的编码方案，提高了信号完整性，减少了干扰和数据错误。
4. 全双工通信：相较于早先的半双工或共享介质以太网，高速以太网广泛采用全双工模式，允许数据同时发送和接收，进一步提升吞吐量。
5. 链路聚合技术：允许组合多个物理链路为一个逻辑链路，增加带宽和提供冗余。
6. 标准化和兼容性：遵循IEEE 802.3系列标准，确保不同厂商的产品之间高度兼容，易于集成和升级。
7. 可扩展性和灵活性：支持多种物理层标准，包括双绞线（如Cat5e、Cat6、Cat6a）和光纤，适应不同的网络部署需求。
8. 先进的流量控制和管理机制：提供增强的QoS（Quality of Service）功能，确保关键应用的带宽和优先级，优化网络资源分配。

随着技术的不断进步，高速以太网不仅在企业网络中得到广泛应用，也在数据中心、研究网络、高性能计算等领域发挥着核心作用。