【计算机网络之以太网详解】

文章目录

    • [1. 引言](#1. 引言)
    • [2. 以太网概述](#2. 以太网概述)
    • [3. 以太网帧结构](#3. 以太网帧结构)
    • [4. MAC 地址](#4. MAC 地址)
      • [4.1 MAC 地址格式](#4.1 MAC 地址格式)
      • [4.2 MAC 地址分类](#4.2 MAC 地址分类)
    • [5. 交换机的工作原理](#5. 交换机的工作原理)
      • [5.1 交换机的基本功能](#5.1 交换机的基本功能)
      • [5.2 交换机的转发方式](#5.2 交换机的转发方式)
    • [6. VLAN(虚拟局域网)](#6. VLAN(虚拟局域网))
      • [6.1 VLAN 的作用](#6.1 VLAN 的作用)
      • [6.2 VLAN 标记(IEEE 802.1Q)](#6.2 VLAN 标记(IEEE 802.1Q))
    • [7. 以太网的演进](#7. 以太网的演进)
    • [8. 总结](#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:

复制代码
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。

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