以太网

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1. 局域网 (LAN) 简介

局域网 (Local Area Network, LAN) 是指在某一区域内（如一个学校、工厂或办公楼）由多台计算机互联成的计算机组。

• 主要特点： 覆盖范围小（几百米到几公里）、传输速率高（10Mbps 到 100Gbps 以上）、误码率低、通常为一个单位所独占。
• 拓扑结构： 星型（目前最流行，以交换机为中心）、总线型、环型、树型。
• 核心技术： 决定局域网特性的三个主要技术是 拓扑结构 、传输介质和 介质访问控制方法 （如 CSMA/CD, CSMA/CA, 令牌环）。

3. IEEE 802.3 标准

IEEE 802.3 是 IEEE（电气电子工程师学会）制定的有线以太网标准。

• 在局域网体系结构中，数据链路层被拆分为两个子层：逻辑链路控制 (LLC) 子层（目前基本不用）和 介质访问控制 (MAC) 子层。
• 业界实际上最广泛使用的是 DIX https://www.google.com/search?q=Ethernet V2 标准，它与 IEEE 802.3 只有极微小的差别，现在通常将两者统称为“以太网”。

4. MAC 地址

MAC地址 (Media Access Control Address) ，也称物理地址或硬件地址。

• 长度： 48位（6个字节），通常用12个十六进制数表示，例如 00:1A:2B:3C:4D:5E。
• 唯一性： 全球唯一。前3个字节是 组织唯一标识符 (OUI) （分配给厂商），后3个字节是厂商自行分配的 网络接口标识符 。
• 作用： 在局域网中，网卡（网络适配器）通过 MAC 地址来唯一识别对方，决定是否接收该数据帧。

5. MAC 帧格式

以太网 V2 的 MAC 帧结构非常简洁，由以下几个部分组成：

• 目的 MAC 地址 (6字节): 接收方的物理地址（单播、多播或全1的广播地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF）。
• 源 MAC 地址 (6字节): 发送方的物理地址。
• 类型 (2字节): 标志上一层（网络层）使用的是什么协议。例如 0x0800 代表 IPv4，0x0806 代表 ARP。
• 数据载荷 (46 ~ 1500字节): 网络层交下来的数据。为了满足 CSMA/CD 的最小帧长要求（64字节），数据部分如果不足46字节，会自动填充冗余字节。
• FCS (4字节): 帧检验序列，使用循环冗余校验 (CRC) 检查帧在传输中是否出错。出错则直接丢弃。

注：物理层会在 MAC 帧前面加上 8字节的 前导码 （7字节同步码 + 1字节帧开始定界符）用于时钟同步，但这部分不算在 MAC 帧体内。

6. CSMA/CD (带有冲突检测的载波监听多路访问)

这是 早期半双工有线以太网 （如使用集线器 Hub 的以太网）的核心协议。

• 核心口诀： 先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发。
• 冲突检测： 站点在发送数据的同时会监听信道。如果检测到电压异常（说明信号叠加发生了冲突），就会立刻停止发送，并发送一个干扰信号（Jamming signal）通知所有站点。
• 最小帧长与截断二进制指数退避： 为了确保发送完一个帧之前能够检测到可能发生的最远冲突，规定了最小帧长（10Mbps 下为 64 字节）。冲突后，使用“截断二进制指数退避算法”随机等待一段时间后再尝试重传。
• 

争用期 = $2\tau$ （即端到端的往返传播时延）。

为了让发送方在 $2\tau$ 的争用期内能够一直保持发送状态（从而能够监听到碰撞），数据帧不能太短。发送这个帧所花费的时间（传输时延），必须大于或等于争用期 $2\tau$。

• 公式： $传输时延=\frac{帧长}{数据传输率}\ge 2\tau$
• 也就是：$最短帧长=2\tau \times 数据传输率$

经典例子（10Mbps 以太网）：

在传统的 10Base-T 以太网中，标准规定：

• 争用期 $2\tau$ 设定为 $51.2\mu s$。
• 数据传输率为 $10Mbps$（即 $10\times 10^6$ bit/s）。
• $最短帧长=51.2\times 10^{-6}s\times 10\times 10^{6}bit/s=512bit=64Byte$。

7. IEEE 802.11 WIFI

IEEE 802.11 是无线局域网 (WLAN) 的通用标准，也就是我们熟知的 Wi-Fi。

• 它主要分为两大类架构：
  • 有固定基础设施 (Infrastructure): 最常见，所有的手机、电脑都连接到一个中心节点—— 接入点 (AP，即无线路由器) 。
  • 无固定基础设施 (Ad-hoc): 也就是自组网，设备之间直接点对点通信。

8. CSMA/CA (带有碰撞避免的载波监听多路访问)

无线网络由于介质的特殊性（信号衰减快，无法做到“边听边发”；存在 隐蔽站问题 ），无法使用 CSMA/CD，必须使用 CSMA/CA 。

• 核心机制： 尽量避免冲突的发生，而不是等冲突发生了再去检测。

• 关键技术：

  • IFS (帧间间隔): 不同的帧具有不同的优先级，发送前需要等待不同时长的 IFS（如 SIFS, DIFS）。
  • 预约信道 (RTS/CTS): 可选机制。发送长数据前，发送方先发 RTS (Request To Send)，接收方回 CTS (Clear To Send)，从而通知周围所有隐藏站点保持静默。
  • ACK 确认机制: 因为无线信道不可靠且无法直接检测冲突，所以 MAC 层必须有确认机制。发完一帧没收到 ACK，就认为发生了碰撞并重传。

• 若站点首次尝试发送数据（非因重传而发送），且检测到信道空闲，则在等待时间 DIFS 后（信道持续空闲），立即发送整个数据帧。否则执行步骤 2）。

• 站点选取一个随机数，设置退避计时器。计时器运行的规则是：若信道忙，则冻结计时器（暂停递减），并继续等待。直至信道变为空闲（称为推迟接入）；若信道空闲，且在时间 DIFS 内持续空闲，则开始争用信道，进行倒计时。当计时器减至 0 时（仅可能发生在信道持续空闲期间），站点立即发送整个数据帧并等待确认。

• 发送站收到确认后，若仍有后续帧待发送，则转到步骤 2）。若在规定时间（由重传计时器控制）内未收到确认，则按二进制指数退避规则增大竞争窗口，再转到步骤 2）重新尝试。

9. 以太网交换机

以太网交换机本质上是一个 多端口的网桥 ，工作在数据链路层。它的出现让以太网从“共享式”走向了“交换式”，是现代局域网的绝对核心。

• 全双工与无冲突： 交换机的每个端口都可以独占带宽。当采用全双工模式连接各主机时， 根本不会发生冲突，因此现代交换机网络中不再需要使用 CSMA/CD 协议 。
• 三大核心转发逻辑：
  1. 自学习 (Learning): 读取数据帧的 源 MAC 地址 ，将该地址与接收到该帧的端口号绑定，记录在 MAC 地址表中（带老化时间）。
  2. 转发/泛洪 (Forwarding/Flooding): 读取数据帧的 目的 MAC 地址 。如果表中查不到，则向除了接收端口外的所有端口广播（泛洪）；如果能查到，就单播转发到对应端口。
  3. 过滤 (Filtering): 如果查表发现目的端口和源端口是同一个端口，则直接丢弃该帧。

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本章小结