计算机网络：数据链路层 —— 以太网（Ethernet）

局域网

局域网（Local Area Network, LAN）是一种计算机网络，用于连接地理位置相对较近的计算机和其他网络设备。这些设备通常位于一个建筑物或一组邻近的建筑物内，如办公室、学校、实验室等。LAN 的设计目的是为了使这些设备能够方便地共享资源（如打印机、文件服务器等）以及交换数据。

局域网的主要特征

1. 地理范围：LAN 通常覆盖较小的地理区域，如单个办公室或校园内。

2. 传输速率：相比广域网（WAN），LAN 的传输速率通常更高，可以达到几百兆比特每秒（Mbps）到几十吉比特每秒（Gbps）。

3. 所有权：LAN 一般由单个组织拥有并管理，可以针对特定的需求进行配置和优化。

4. 可靠性与安全性：由于 LAN 处于一个受控的环境中，因此通常具有较高的安全性和可靠性。

以太网

以太网（Ethernet）以曾经被假想的电磁波传播介质 —— 以太(Ether)来命名，是一种广泛应用于局域网（LAN）的常见网络技术，用于在计算机和其他网络设备之间进行数据通信。

以太网目前已经从传统的共享式以太网发展到交换式以太网，传输速率已经从 10Mb/s 提高到 100Mb/s、1Gb/s 甚至 10Gb/s。

工作原理：

• 以太网使用 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议来控制多个设备在共享媒介上的访问。

• CSMA/CD 协议允许设备在发送数据之前监听信道，以检测是否有其他设备正在发送数据。如果信道是空闲的，设备将发送数据；如果检测到冲突（多个设备同时发送数据），则设备将等待一段随机时间后再次尝试发送。

物理层特点：

• 以太网通常使用双绞线或光纤作为传输介质，其中双绞线包括常见的 Cat5、Cat6 等类型。

• 传输速率可以从几百 Mbps（百兆以太网）到数 Gbps（千兆以太网）不等，而光纤以太网的速率甚至可以更高。

数据帧格式：

• 以太网数据帧包括目标地址、源地址、类型/长度字段 和 数据字段。

• 目标地址和源地址分别指示数据帧的接收者和发送者，类型/长度字段表示数据字段的类型或长度。

• 以太网数据帧的最小长度为 64 字节，最大长度为 1518 字节（不包括物理层的 Preamble 和 SFD），并且要求所有数据帧的长度至少达到最小长度。

应用场景：

• 以太网在局域网（LAN）中广泛应用，包括家庭网络、企业内部网络和学校网络等。

• 它支持各种网络协议的封装，包括 TCP/IP 协议套件中的 IP、TCP 和 UDP 等，因此可以用于传输各种类型的数据，如网页、电子邮件、文件等。

以太网的发展

100BASE-T 以太网

100BASE-T 以太网是指在双绞线上传输基带信号的速率为100Mb/s的以太网，也称为速以太网(Fast Ethernet)

• 100BASE-T 以太网与 10Mb/s 标准以太网(传统以太网)一样，仍然使用 IEEE 802.3的帧格式 和 CSMA/CD 协议。

• 100BASE-T 以太网为了与10Mb/s标准以太网保持兼容，需要以太网最小帧长保持不变，即仍为64字节。

  • 网段的最大电缆长度从 1000m 减小到100m
  • 争用期缩短为 5.12$\mu s$
  • 帧间最小间隔缩短为0.96$\mu s$

• 100BASE-T 以太网还可以使用以太网交换机来提供比集线器更好的服务质量，即在全双工方式下无碰撞工作。因此，使用交换机的 100BASE-T 以太网，工作在全双工方式下，并不使用CSMA/CD协议。

物理层标准

1995年，IEEE 的 802 委员会正式批准 100BASE-T 以太网的标准为 802.3u。实际上，IEEE 902.3u 只是对原有 IEEE802.3 标准的补充。

• 除 100BASE-T 以太网外，百兆以太网有多种不同的物理层标准:

吉比特以太网

吉比特以太网也称为干兆以太网(Gigabt Ethernet)。1998年，干兆以太网的标准802.3z成为正式标准。近几年来，干兆以太网已迅速占领市场成为了以太网的主流产品。

IEEE 802.3z 千兆以太网的主要特点有:

• 速率为1000Mb/s(1Gb/s)
• 使用IEEE 802.3的帧格式(与10Mb/s和100Mb/s以太网相同)
• 支持半双工方式（使用 CSMA/CD 协议）和全双工方式(不使用 CSMA/CD 协议)
• 兼容10BASE-T和100BASE-T技术

当干兆以太网工作在半双工方式时需要使用 CSMA/CD 协议。由于速率已经提高到了1000Mb/s，因此只有减小网段最大长度或增大最小帧长，才能使以太网的参数$a\frac{\tau }{T_0}$保持为较小的数值。

• 若将网段最大长度减小到10m，则网络基本失去了应用价值。

• 若将最小帧长增大到 640 字节，则当上层交付的待封装的协议数据单元 PDU 很短时开销就会太大。

• 干兆以太网的网段最大长度仍保持为10m，最小帧长仍保持为64字节(与 10BASE-T 和 100BASE-T 兼容)

这就需要使用载波延伸（Carrier Extension）的办法，将争用期增大为512字节的发送时间，而保持最小帧长仍为64字节。

载波延伸

只要发送的 MAC帧 的长度不足512字节时，就在 MAC帧尾部 填充一些特殊字符，使 MAC帧 的长度增大到512字节

在使用载波延伸的机制下，如果原本发送的是大量的64字节长的短帧，则每一个短帧都会被填充448字节的特殊字符，这样会造成很大的开销

物理层标准

10吉比特以太网

2002年6月，IEEE802.3ae委员会通过10吉比特以太网(10GE)的正式标准，10GE也称为万兆以太网。万兆以太网并不是将干兆以太网的速率简单地提高了10倍。

万兆以太网的目标是将以太网从局域网范围(校园网或企业网)扩展到城域网与广域网，成为城域网和广域网的主干网的主流技术之一IEEE 802.3ae万兆以太网的主要特点有:

• 速率为10Gb/s

• 使用IEEE 802.3标准的帧格式(与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s以太网相同)

• 保留IEEE 802.3标准对以太网最小帧长和最大帧长的规定。这是为了用户升级以太网时，仍能和较低速率的以太网方便地通信。

• 只工作在全双工方式而不存在争用媒体的问题，因此不需要使用CSMA/CD协议，这样传输距离就不再受碰撞检测的限制。

• 增加了支持城域网和广域网的物理层标准准

汇聚层交换机

万兆以太网交换机常作为干兆以太网的汇聚层交换机，与干兆以太网交换机相连，以连接对传输速率要求极高的视频服务文件服务器等设备。

物理层标准

40/100吉比特以太网

2010年，IEEE发布了40吉比特/100吉比特以太网(40GE/100GE)的IEEE 802.3ba标准，40GE/100GE也称为四万兆/十万兆以太网。

为了使以太网能够更高效、更经济地浦足局域网、城域网和广域网的不同应用需求IEEE 802.3ba标准定义了两种速率类型:

• 40Gb/s主要用于计算应用
• 100Gb/s主要用于汇聚应用

IEEE 802.3ba标准只工作在全双工方式，不使用（CSMA/CD协议)，但仍使用IEEE 802.3标准的帧格式并遵守最小帧长和最大帧长的规定。

传输媒体

IEEE 802.3ba标准的两种速率各有4种不同的传输媒体