以太局域网（以太网）

一、以太网拓扑

以太网拓扑常常是星型拓扑，星型拓扑中心常常是一种可靠性很高的设备，叫做集线器。
使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用 CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。
集线器像一个多接口的转发器，工作在物理层。
集线器逻辑结构示意图：
在这里插入图片描述

二、以太网的信道利用率

以太网的争用期长度为 $2τ$ 即端到端传播时延的两倍，检测到碰撞后不发送干扰信号。

1、参数a：它是以太网单程端到端实验 $τ$ 与帧的发送时间T0之比a = $τ$ / $T0$

注：

a——>0表示碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。
a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

2、对以太网参数的要求

当数据率一定时，以太网的连线长度受到限制，否则τ的数值会太大
以太网的帧长不能太短，否则 $T0$ 的值会太小，使a值太大

3、信道利用率的最大值

理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然不是CSMA/CD，而是需要一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有一个站发送数据。这种极限信道利用率Smax为：
$Smax$ = $T0$ /( $T0+τ$ ) = $1/(1+a)$

三、以太网的MAC（媒体访问控制层）

1、MAC层的硬件地址（MAC地址）

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。
MAC地址是48位二进制，在一般的显示中，一般显示成12位16进制
windows命令行中使用ipconfig /all来查看MAC地址：在这里插入图片描述

2、适配器检查MAC地址

适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址，如果是发往本站的帧则收下，否则就将此帧丢弃。
“发往本站的帧”包括以下三种：

单播帧（一对一）
广播帧（一对全体）
多播帧（一对多）

3、MAC的帧格式

1）MAC的帧格式如下图：

数据链路层的MAC帧分为五部分：

目的MAC地址
原MAC地址
类型（网络层使用的协议）
数据（网络层的IP数据报）
FCS（帧检验序列）

注意：
由于数据链路层要求传输的帧最小为64字节，所以此时IP数据报要求最小为46字节，如果原始数据小于46字节，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段。

在这里插入图片描述

2）无效的MAC帧：

帧的长度不是整数个字节；
用收到的帧检验序列FCS查出有差错；
数据字段的长度不在46~1500字节之间；
有效的MAC帧长度为64~1518字节之间；
对于检查出的无效的MAC帧就简单地丢弃，以太网不负责重传。

四、在数据链路层扩展以太网

通过光纤连接集线器，可以使以太网在距离上扩展；通过集线器级联，使网络中的计算机增加，但是组建了一个大的冲突域，通信效率降低了。
为了优化扩展后的以太网性能，可以使用网桥和交换机设备。

1、网桥

在交换机还没有出现以前，可以使用网桥来连接两个集线器进行通信。最大的作用是防止了集线器之间的数据传输冲突，将冲突控制在单个集线器范围内，隔离大的冲突域，减少冲突的几率。
网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。
网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口。

2、交换机

随着连接的集线器越来越多，网桥慢慢发展演变成交换机。
交换机是现在主流的局域网的交换设备，它有许多接口，直接和计算机相连接。
交换机通过学习构建MAC地址表，并根据MAC地址定向地存储转发数据，避免了广播式的数据发送，具有更高的安全性。

五、高速以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。

1）100Mb/s以太网

在双绞线或光纤上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用CSMA/CD协议。
可在全双工方式下工作而无冲突产生，不使用CSMA/CD协议。
保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m。
帧间时间间隔从原来的9.6us改为现在的0.96us。

2）G比特以太网

允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作，只有在半双工方式下使用CSMA/CD协议。

3）10G比特以太网

10G比特以太网与其他带宽的以太网帧格式完全相同。
10G比特以太网不在使用铜线，只使用光纤作为传输媒体。
只工作在全双工方式下，没有争用问题，不使用CSMA/CD协议。

4）使用高速以太网进行宽带接入

以太网接入的重要特点是它提供双向的宽带通信，并且可根据用户对宽带的需求灵活进行宽带升级。
采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。