计算机网络（13）以太网

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以太网详解

以太网（Ethernet）是一种常见的局域网（LAN）技术，广泛用于企业网络、家庭网络以及数据中心。它定义了有线通信的物理层和数据链路层技术标准，提供了高效、可靠的通信机制。

1. 以太网的起源和发展

诞生：
以太网最初由罗伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）于1973年提出，用于连接一组计算机。
标准化：
1983年，IEEE 802.3标准正式将以太网定义为局域网通信协议。
发展历程：
- 10 Mbps（共享式网络，早期以太网）。
- 100 Mbps（快速以太网，Fast Ethernet）。
- 1 Gbps（千兆以太网，Gigabit Ethernet）。
- 10 Gbps、40 Gbps、100 Gbps及更高速度（现代以太网）。

2. 以太网的主要特性

广播通信：
以太网在默认情况下采用广播机制，数据包通过网络广播到所有连接设备。
支持多种传输介质：
包括双绞线、光纤和同轴电缆。
拓扑结构：
以星型和总线型拓扑为主。
标准化协议：
基于 IEEE 802.3，支持多种速率和介质。

3. 以太网协议栈

以太网主要定义了物理层和数据链路层，包括以下关键技术：

(1) 物理层

功能：
- 定义传输介质的类型（双绞线、光纤等）。
- 负责比特流的发送与接收。
介质访问：
- 使用双绞线时，典型接口为 RJ-45。
- 光纤连接中采用标准化的光接口。

(2) 数据链路层

数据链路层分为两个子层：

逻辑链路控制（LLC）子层：
- 提供多种网络协议的接口。
- 控制帧的发送和接收。
介质访问控制（MAC）子层：
- 控制设备如何访问网络介质。
- 使用 CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）技术避免冲突。

4. CSMA/CD 技术

(1) 工作原理：

监听信道：
在发送数据之前，设备会监听信道是否空闲。
数据发送：
如果信道空闲，设备开始发送数据。
冲突检测：
如果两台设备同时发送数据，会产生冲突，设备停止发送并随机等待后重试。

(2) 局限性：

适用于共享介质的半双工通信。
在现代全双工交换式以太网中，CSMA/CD 技术几乎不再使用。

5. 以太网帧格式

以太网帧是数据链路层传输的基本单位。典型帧格式如下：

字段名称	大小（字节）	描述
前同步码（Preamble）	7	帧的起始标志，用于同步。物理层部分
帧起始定界符（SFD）	1	标志帧的开始。物理层部分
目标地址	6	目标设备的 MAC 地址。数据链路层部分
源地址	6	源设备的 MAC 地址。数据链路层部分
类型/长度字段	2	指定数据负载的类型（如 IPv4、ARP）或负载的长度。数据链路层部分
数据负载	46-1500	数据包内容，最小46字节，最大1500字节。数据链路层部分
帧校验序列（FCS）	4	用于校验帧是否在传输过程中出错。数据链路层部分

6. 以太网分类

根据速率和使用场景，以太网可以分为以下几类：

标准以太网（10 Mbps）： 最早的以太网版本，采用同轴电缆传输。
快速以太网（100 Mbps）： 使用双绞线和光纤，更适合中型局域网。
千兆以太网（1 Gbps）： 广泛应用于企业网络和数据中心。
10G以太网及以上： 支持超高带宽需求的网络，如云计算和大型数据中心。

7. 交换式以太网

在交换式以太网中，交换机取代了传统的集线器，提供以下优势：

全双工通信：
每个端口可同时发送和接收数据。
冲突消除：
交换机为每对设备提供专用链路，不再使用 CSMA/CD。
更高性能：
支持并发通信，提高网络带宽利用率。

8. VLAN（虚拟局域网）

以太网通过 VLAN 技术将单个物理网络划分为多个逻辑网络：

隔离流量： 提高安全性。
优化带宽： 减少广播域。

9. 以太网的优缺点

优点：

技术成熟、部署成本低。
支持多种速率，灵活性强。
标准化程度高，兼容性好。

缺点：

广播流量可能导致性能下降（未使用 VLAN 时）。
不适合延迟敏感的应用场景。

10. 应用场景

家庭网络： 提供高速互联网接入和局域网共享。
企业网络： 用于办公自动化、服务器连接。
数据中心： 支持高吞吐量和低延迟应用。

以太网地址（Ethernet Address）详解

以太网地址是数据链路层中用于标识设备的物理地址（MAC地址）。它在以太网通信中扮演着至关重要的角色。

1. 定义

以太网地址：
- 是一种唯一的标识符，分配给网络设备的网络接口卡（NIC）。
- 又称为MAC地址（原来如此）（Media Access Control Address）。
- 长度为48位，通常以6字节表示。
示例：
- 二进制形式：10101010 11001100 11110000 00001111 10101010 11111111
- 十六进制表示：AA:CC:F0:0F:AA:FF

2. 地址的组成

以太网地址由两部分组成：

组织唯一标识符（OUI，Organizationally Unique Identifier）：
- 地址的前3字节（24位），由IEEE分配给设备制造商，用于标识生产商。
- 例如，00:1A:2B 可能对应某一品牌的设备。
设备唯一标识符：
- 地址的后3字节（24位），由制造商分配，确保每个设备的MAC地址唯一。

3. 表示格式

以太网地址通常使用十六进制表示，并以冒号或短横分隔。例如：

00:1A:2B:3C:4D:5E
00-1A-2B-3C-4D-5E

4. 地址的分类

以太网地址有三种类型：

单播地址（Unicast Address）：
- 用于标识网络中的单个设备。通信仅在一个发送者和一个接收者之间。
- 地址的最低有效位（LSB）为0表示单播。
组播地址（Multicast Address）：
- 用于标识一组设备，允许一对多的通信。
- 地址的最低有效位（LSB）为1表示组播。
广播地址（Broadcast Address）：
- 特定的以太网地址，值为FF:FF:FF:FF:FF，表示网络中的所有设备。

5. 主要特点

硬件地址：
- 写入网络接口卡（NIC）中，不随网络更改而改变。
全球唯一：
- 通过IEEE标准和厂商分配，确保每个地址唯一。
本地使用：
- 用于局域网（LAN）通信，与IP地址结合使用以支持互联网通信。

6. 应用

网络通信：
- 数据链路层使用MAC地址来识别帧的源和目标。
安全管理：
- 网络管理员可以通过MAC地址控制网络设备的访问。
问题排查：
- 网络诊断中可以通过MAC地址跟踪流量来源。

7. 注意事项

静态与动态：
- MAC地址通常是固定的，但部分设备允许修改（伪装地址）。
ARP协议：
- IP地址与MAC地址通过**地址解析协议（ARP）**映射。
交换机功能：
- 以太网交换机会根据MAC地址建立设备转发表，确保帧正确传输。

以太网网络系统的组成

以太网网络系统是局域网（LAN）中最常用的网络技术之一，其主要组成部分可分为以下几个核心模块：

1. 物理设备

（1）网络接口卡（NIC，Network Interface Card）

作用：
- 是连接计算机或其他设备与以太网的接口，负责数据的封装、解封装和物理传输。
特点：
- 通常内置于主板，也可以是独立的扩展卡。
- 每块网卡都有唯一的MAC地址。

（2）集线器（Hub）

作用：
- 用于将多台设备连接在同一物理网络中。
- 属于物理层设备，无法进行智能数据转发。
特点：
- 所有端口共享带宽，通信容易发生冲突。

（3）交换机（Switch）

作用：
- 提供多个端口，将设备连接到以太网，并通过MAC地址表实现高效的数据转发。
- 属于数据链路层设备。
特点：
- 每个端口都有独立的带宽，支持全双工通信。
- 是现代以太网的核心设备。

（4）路由器（Router）

作用：
- 用于连接不同的网络，实现数据在网络之间的转发。
- 工作在网络层，基于IP地址进行转发。
特点：
- 负责路由选择和网络间的流量控制。

（5）其他设备

无线接入点（AP，Access Point）： 提供无线设备与以太网之间的桥接。
中继器（Repeater）： 用于延长以太网信号传输距离。
网桥（Bridge）： 连接两个或多个网络段，实现网络分割和流量控制。

2. 传输介质

以太网的传输介质决定了信号的传播方式，常见类型包括：

（1）双绞线（Twisted Pair）

最常用的以太网传输介质，有以下类型：
- CAT5e（超五类）： 支持千兆以太网。
- CAT6（六类）： 支持更高的带宽和速率。
优势：成本低、布线灵活。
使用范围：短距离连接（通常在100米以内）。

（2）光纤（Fiber Optic）

主要用于高速传输和远距离连接。
优势：带宽高、抗电磁干扰。
使用范围：长距离连接（数公里或更远）。

（3）同轴电缆（Coaxial Cable）

早期以太网使用的传输介质（如10BASE2）。
使用范围：局域网连接（现已较少使用）。

（4）无线信道

在无线以太网（Wi-Fi）中使用，基于IEEE 802.11标准。
适合需要移动性和灵活部署的场景。

3. 网络协议

以太网通信需要协议的支持，常见的协议包括：

（1）以太网协议（Ethernet Protocol）

标准：
- IEEE 802.3定义了以太网的帧结构和访问控制方法。
功能：
- 定义MAC地址、帧格式、介质访问控制（如CSMA/CD）。

（2）IP协议

作用：
- 在以太网中实现网络层通信，提供逻辑地址（IP地址）。

（3）ARP协议（地址解析协议）

作用：
- 在以太网中，将IP地址映射到MAC地址。

（4）TCP/UDP协议

作用：
- 负责传输层的数据通信，提供可靠性（TCP）或低延迟（UDP）。

4. 数据结构

（1）以太网帧（Ethernet Frame）

组成：
- 前导码、目标地址、源地址、类型字段、数据字段、校验码等。
作用：
- 数据链路层的基本传输单位，承载上层协议的数据。

5. 工作机制

（1）介质访问控制

CSMA/CD协议：
- 用于早期的共享以太网，解决数据冲突问题。

（2）数据交换

单播、组播和广播：
- 根据帧的目标地址，交换机进行数据的智能转发。

（3）流量控制

通过控制帧和速率限制，防止网络拥塞。

6. 应用场景

家庭网络： 使用路由器和交换机连接设备。
企业网络： 使用交换机构建复杂的局域网，提供高速连接。
数据中心： 采用光纤和高性能交换机构建高带宽网络。

对图片中讲解不理解的请看我接下来的讲解：

在以太网中，MAC地址（如 47:20:1B:2E:08

）以二进制形式发送。以下是具体过程：

1. 将MAC地址转换为二进制格式

每个十六进制字符对应4位二进制，因此地址 47:20:1B:2E:08

可以转换为如下二进制表示：

47 → 01000111
20 → 00100000
1B → 00011011
2E → 00101110
08 → 00001000
EE → 11101110

因此，完整二进制形式为：
01000111 00100000 00011011 00101110 00001000 11101110

2. 按照以太网规范的发送顺序

以太网使用**小端序（Little Endian）**发送MAC地址的每一字节（字节内的比特顺序被颠倒）。所以在发送时，每个字节需进行比特位反转：

47（01000111） → 11100010
20（00100000） → 00000100
1B（00011011） → 11011000
2E（00101110） → 01110100
08（00001000） → 00010000
EE（11101110） → 01110111

3. 最终发送的比特流

地址按字节从左到右发送，经过比特位翻转后，最终发送的比特流为：
11100010 00000100 11011000 01110100 00010000 01110111

4. 数据封装与传输

在实际传输中，该MAC地址会作为以太网帧中的**目标地址（Destination Address）**字段，按照帧格式进行封装并通过物理层传输。

这个题还是比较简单的，这个不需要反转。

答案解析来喽：

问题描述：
- 源地址为 43:7B:6C:DE:10:00。
- 接收方丢弃了这个帧，问题在于源地址的类型。
解答说明：
- 第一字节为 43。
  - 将 43 转为二进制：01000011。
  - 检查最低有效位（LSB）：为 1。
- 根据 MAC 地址规则：
  - 当第一个字节的 LSB 为 1 时，这个地址是一个 组播地址（Multicast Address）。
- 源地址规则：
  - 在以太网中，源地址必须是单播地址（Unicast Address）★★★★。
  - 组播地址只能用于目的地址，不能用作源地址。
总结：
- 因为 43:7B:6C:DE:10:00 是一个组播地址，而组播地址不能作为源地址，所以接收方丢弃了该帧。

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