以太网与 IEEE 802

局域网 LAN 是覆盖范围较小、通常由一个单位自行建设和管理的计算机网络，例如实验室、办公室、教学楼或园区内部网络。局域网常见特点是：传输距离较短、速率较高、误码率较低，并且多个站点经常共享同一个广播范围。

IEEE 802 标准面向局域网和城域网。它把局域网的数据链路层分为两个子层：

子层 作用
LLC 子层 向网络层提供统一接口，屏蔽不同局域网 MAC 机制的差异
MAC 子层 处理成帧、MAC 地址、介质访问控制、差错检测等与具体局域网有关的问题

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以太网最初来自 DIX Ethernet V2 标准。IEEE 802.3 在此基础上制定以太网标准。实际网络设备通常兼容 Ethernet V2 帧和 IEEE 802.3 相关规范。

以太网向上提供的是无连接、不可靠的帧传输服务。

  • 无连接：发送帧之前不先建立数据链路层连接。
  • 不可靠：接收方用 FCS 检测差错，发现错帧就丢弃；以太网本身不确认、不重传、不保证按序交付。
  • 尽最大努力交付：没有检测出错误的帧才向上交付，可靠性通常由高层协议处理。

802.11 无线链路误码率较高，数据链路层会使用确认机制；传统以太网链路质量较好，数据链路层通常不做可靠传输。

网络适配器与 MAC 地址

网络适配器也称网卡。主机通过网卡接入局域网，帧的发送、接收、封装、校验和 MAC 地址识别通常由网卡完成。

MAC 地址是数据链路层地址，用来标识局域网中的网络接口。常见 MAC 地址长 48 bit，通常写成 6 个十六进制字节，例如 00-1A-2B-3C-4D-5E。

共享式以太网中，所有站点都能收到信道上的帧，但网卡会检查目的 MAC 地址。只有目的 MAC 地址匹配自己、目的地址为广播地址，或网卡处于特殊接收模式时，主机才会向上交付该帧。

MAC 地址并不只有“某台主机的地址”一种情况。按照目的地址的含义，可以分成：

地址类型 含义 典型形式
单播地址 标识一个网络接口 普通网卡 MAC 地址
多播地址 标识一组接收接口 发送给某个多播组
广播地址 发送给局域网内所有站点 FF-FF-FF-FF-FF-FF

按照管理方式，又可以区分为：

地址类型 含义
全球管理地址 由 IEEE 分配地址块，厂商写入网卡，通常具有全球唯一性
本地管理地址 由本地管理员或系统软件设置，不保证全球唯一

从位标志角度看，MAC 地址中有两个容易混淆的标志位：

标志位 含义
I/G 位 Individual/Group，指出地址是单个接口地址还是组地址
G/L 位 Global/Local，指出地址是全球管理地址还是本地管理地址

这些分类主要影响接收方如何判断“这个帧是否应该交给我”。普通单播帧只交给目标接口；广播帧会被同一广播域内所有站点接收；多播帧交给加入对应多播组的接口。

以太网 MAC 帧

常见 Ethernet V2 MAC 帧格式如下：

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字段 长度 作用
目的地址 6 B 接收方 MAC 地址，广播地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF
源地址 6 B 发送方 MAC 地址
类型 2 B 标明上层协议，例如 IPv4、ARP、IPv6
数据 46-1500 B 上层交付的数据；不足 46 B 时需要填充
FCS 4 B CRC 检错码，用于检测帧在传输中是否出错

以太网帧最小长度为 64 B，最大长度通常为 1518 B。这 64 B 包括目的地址、源地址、类型、数据和 FCS，不包括物理层前导码。

碰撞域与广播域

碰撞域是共享同一传输介质、同时发送时可能发生信号碰撞的一组接口或站点。碰撞域主要用于描述共享式、半双工以太网；全双工点到点链路没有共享介质争用，因此不会发生以太网碰撞。

广播域是一个二层广播帧能够到达的接口范围。集线器和普通二层交换机都不会阻止广播帧在该范围内传播；路由器接口或 VLAN 边界会把广播域分开。

设备 隔离碰撞域 隔离广播域
集线器 否 否
交换机 是 默认否
路由器 是 是

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交换机端口隔离碰撞域。若交换机每个端口直接连接一台主机，并工作在全双工方式，则主机和交换机之间不存在共享介质争用。

但普通二层交换机默认不隔离广播域。广播帧、未知单播帧会在同一 VLAN 内泛洪。若没有 VLAN，一个交换式以太网通常仍是一个广播域。

因此，共享式与交换式以太网的核心区别可以先从碰撞域看出：集线器把所有端口接入同一个碰撞域，交换机则把不同端口分成独立链路。

共享式以太网

共享式以太网的特点是：多个站点共享同一个传输介质，同一时刻只允许一个站点成功发送帧。若两个站点同时发送，信号会在共享介质上叠加，接收方无法还原出正确帧，这就是碰撞。

早期共享式以太网使用同轴电缆形成总线。后来出现使用集线器和双绞线的星型结构。

中继器与集线器

中继器（Repeater）工作在物理层，通常连接两个网段。它接收一侧已经衰减、变形的比特信号，重新整形、定时并发送到另一侧，从而延长可传输距离。

中继器只处理信号，不识别帧、MAC 地址或上层协议。它连接的网段仍属于同一个碰撞域和广播域。

集线器（Hub）可以看成多端口中继器。一个端口收到比特信号后，集线器将其再生并发送到其他所有端口：

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集线器不是交换机。它不检查目的 MAC 地址，不学习转发表，也不能只把帧送到目标端口。因此所有端口共同分享带宽，并处在同一个碰撞域中。

因此，使用集线器的星型以太网，物理拓扑结构为星型，但逻辑拓扑结构仍为总线型，所有站点仍在同一个碰撞域中。

[! question] 中继器和集线器不能无限级联

中继器和集线器都会增加信号传播与处理时延。共享式以太网使用 CSMA/CD，发送端必须在争用期内收到最远端碰撞产生的异常信号；若中继器过多或链路过长，碰撞返回时发送端可能已经结束发送，碰撞检测就会失效。

经典 10 Mb/s 共享式以太网常用 5-4-3 规则概括：一条主机到主机的路径最多经过 5 个网段和 4 个中继器或集线器，其中最多 3 个网段连接站点

现代交换式全双工以太网不使用 CSMA/CD，也不按这套规则扩展网络。

CSMA/CD

共享式以太网使用 CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多址接入/碰撞检测。

部分 含义
CS 发送前监听信道，若信道忙则等待
MA 多个站点接入同一共享介质
CD 发送过程中继续检测碰撞，发现碰撞就停止发送

CSMA/CD 的发送过程可以分成两条分支：没有碰撞时直接发送完成；发生碰撞时停止、干扰、退避、重发。

  1. 发送前监听信道。
    1. 若信道忙，继续监听，直到信道空闲。
  2. 信道空闲后，等待帧间最小间隔，再开始发送。
  3. 发送过程中继续监听信道，边发送边检测碰撞。
  4. 若发送完成前没有检测到碰撞，本帧发送成功。
    1. 若检测到碰撞，立即停止发送正常帧，并发送干扰信号。
    2. 执行截断二进制指数退避，等待随机时间后重新竞争信道。

  • 帧间最小间隔是相邻两帧之间必须保留的最短空闲时间。经典以太网规定它为 96 bit time。它给接收站点和网络接口留出处理上一帧、准备下一帧的时间。

  • 干扰信号 jam signal 是碰撞后发送的一小段特殊比特序列，用来强化碰撞影响，使同一碰撞域内其他站点也能明确检测到碰撞。经典以太网中常按 32 bit 干扰信号理解。

CSMA/CD 只能减少碰撞、检测碰撞、处理碰撞，不能彻底消除碰撞。原因是信号传播需要时间：一个站点监听到本端信道空闲时，远端站点发出的信号可能还没有传播到本端。

争用期

设共享总线两端最远站点之间的单程传播时延为 $\tau$。最坏情况是：

  1. 站点 A 开始发送。
  2. A 的信号快到达最远端 B 时，B 还没有检测到 A 的信号，于是也开始发送。
  3. A 和 B 的信号在 B 附近发生碰撞。
  4. 碰撞造成的异常信号再从 B 附近传播回 A。

因此，A 最迟要经过约 $2\tau$ 才能知道自己发送的帧是否发生碰撞。这个时间称为争用期或碰撞窗口。

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图中横轴是时间，纵向上下两条线分别表示站点 A 和站点 B。蓝线表示 A 的信号从 A 传播到 B；橙线表示 B 在还没听到 A 之前也开始发送；红线表示碰撞造成的异常信号传播回 A。红线不是“原来的数据帧倒着走”，而是碰撞这一事件的影响沿共享介质返回发送端。

结论很关键：发送站点从开始发送算起，经过一个争用期仍未检测到碰撞，就可以认为本次发送不会再发生碰撞。

最小帧长

为了让发送方在发送完帧之前还能检测到碰撞，以太网要求：

$$
T_{\text{send}} \ge 2\tau
$$

其中 $T_{\text{send}}$ 是发送完整帧所需的发送时延。换成帧长：

$$
L_{\min} = R \times 2\tau
$$

以太网规定争用期$2\tau$为发送 512 bit 的时间, 即 64 B。如果接收站点收到长度小于 64 B 的以太网帧，通常可判定它是碰撞导致的异常残帧，应丢弃。

截断二进制指数退避

检测到碰撞后，多个站点如果立刻重发，很容易再次同时发送并再次碰撞。退避算法的目标是：让发生碰撞的站点各自随机等待一段时间，把再次发送的时刻错开。

基本退避时间取一个争用期，即 512 bit time。对 10 Mb/s 以太网来说，512 bit time 就是 $51.2\mu s$。

第 $m$ 次碰撞后：

$$
k=\min(m,10)
$$

站点从下面的整数集合中随机选一个 $r$：

$$
r \in {0,1,2,\cdots,2^k-1}
$$

然后等待：

$$
r \times 512 \text{ bit time}
$$

这就是“二进制指数”的含义：碰撞次数越多，$2^k$ 越大，可选的退避时隙范围越大，多个站点再次选到同一个发送时刻的概率越低。

“截断”指 $k$ 最大只取到 10，退避范围不会无限扩大。若同一帧连续发送失败达到 16 次，以太网会放弃发送该帧，并向上层报告失败。

举例：

碰撞次数 $m$ $k$ 可选 $r$ 等待时间
1 1 0 或 1 $0$ 或 $1$ 个争用期
2 2 0 到 3 $0$ 到 $3$ 个争用期
3 3 0 到 7 $0$ 到 $7$ 个争用期
10 10 0 到 1023 $0$ 到 $1023$ 个争用期
11 到 16 10 0 到 1023 退避范围不再扩大

共享式以太网的局限

共享式以太网的根本限制来自共享介质：

  • 同一碰撞域内任意时刻只能有一个站点成功发送。
  • 站点越多，碰撞概率越高。
  • 链路越长，传播时延越大，争用期越长，最小帧长和性能约束越明显。
  • 使用集线器扩展物理范围会扩大碰撞域。
  • CSMA/CD 要求边发送边检测，因此共享式以太网只能半双工工作。

交换式以太网用交换机端口隔离碰撞域，并在全双工链路上消除共享介质争用。

信道利用率

共享式以太网的信道利用率受传播时延和碰撞影响。直观地说，站点真正发送数据帧的时间越长，争用、传播和碰撞处理占的比例越小；传播时延越大，站点越多，碰撞和等待带来的开销越明显。

常用参数：

$$
a=\frac{\tau}{T_0}
$$

其中 $\tau$ 是端到端单程传播时延，$T_0$ 是发送一帧所需时间。$a$ 越小，说明传播时延相对于帧发送时间越小，信道利用率越高。要让 $a$ 小，就要限制共享式以太网的物理范围，减少端到端传播时延。

这解释了两个结论：

  • 共享式以太网的总线长度不能太长，否则争用期变长，碰撞检测和最小帧长约束更严重。
  • 以太网最初更适合局域网，而不适合直接作为广域网技术。

交换式以太网

共享式以太网把多个站点放在同一个碰撞域中。交换式以太网使用交换机连接站点，每个交换机端口通常形成独立链路。若端口直接连接主机或另一台交换机，该链路可工作在全双工方式，不再争用共享介质，也就不需要 CSMA/CD。

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交换机工作在数据链路层。它不是简单地转发比特，而是接收完整帧，检查帧，读取 MAC 地址，并根据交换表决定如何处理帧。

交换机提高性能的原因
  • 隔离碰撞域：每个端口独立，减少或消除碰撞。
  • 支持全双工：直接连接主机或交换机时，收发可同时进行。
  • 并行交换：交换机内部交换结构可以让多对端口同时转发不同帧。
Note

交换机隔离碰撞域，但默认不隔离广播域。广播帧仍会被交换机泛洪到同一 VLAN 内的其他端口。

网桥与交换机

网桥 Bridge 和以太网交换机 Switch 都工作在数据链路层，都根据 MAC 地址转发帧。可以把交换机理解为多端口、高性能、硬件化实现的网桥。

设备 工作层次 主要依据 典型行为
集线器 物理层 比特信号 一个端口进，其他端口出
网桥 数据链路层 MAC 地址 连接多个网段，软件转发较多
交换机 数据链路层 MAC 地址 多端口并行交换，硬件转发

交换表

交换机维护一张交换表，也称 MAC 地址表或转发表。表项通常包含：

字段 含义
MAC 地址 某个主机或接口的 MAC 地址
接口号 到达该 MAC 地址应从哪个端口转发
老化时间 表项多久未被刷新后失效

交换表不是手工提前填好的。透明网桥和交换机通常通过自学习建立交换表。

自学习

交换机每收到一个无误码帧，先看源 MAC 地址。

若帧从端口 $P$ 进入，源 MAC 地址为 $S$，交换机就记录：

$$
S \rightarrow P
$$

这表示：以后若要把帧发给 $S$，应该从端口 $P$ 转发。

自学习只看源地址，不看目的地址。目的地址用于决定本次帧如何转发。

转发、过滤、泛洪

交换机查目的 MAC 地址后，有三种基本处理。

情况 条件 动作
转发 目的 MAC 在交换表中，且对应端口不是入端口 从表项指定端口转发
过滤 目的 MAC 在交换表中，但对应端口就是入端口 丢弃，不再转发
泛洪 目的 MAC 未知，或目的地址是广播地址 从除入端口外的其他端口转发

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过滤容易被忽略。若交换机发现目的主机就在帧进入的同一网段或同一端口方向，说明该帧不需要经过交换机转发，交换机应丢弃它。

生成树协议

交换网络中若存在二层环路，广播帧和未知单播帧可能沿环路不断转发，造成广播风暴；交换机还可能从不同端口反复学习同一个 MAC 地址，导致交换表震荡。

生成树协议 STP 的作用是：在有环的物理拓扑中，逻辑上阻塞部分冗余链路，形成无环的树形转发拓扑。

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STP 并不是把冗余链路拔掉。被阻塞的端口通常不参与普通数据帧转发；当活动链路故障时，交换机可以重新计算生成树，让备用链路参与转发。

高速以太网的发展

以太网后来从 10 Mb/s 发展到百兆、千兆、万兆以及更高速率。它们仍然沿用以太网帧格式和 IEEE 802.3 的基本体系，但高速化后逐渐脱离共享介质争用。

类型 典型特点
100BASE-T 又称快速以太网，速率 100 Mb/s；仍使用 IEEE 802.3 帧格式。若使用集线器和半双工链路，仍可使用 CSMA/CD；若使用交换机全双工链路，则不使用 CSMA/CD
千兆以太网 速率 1 Gb/s；全双工时不使用 CSMA/CD。半双工兼容场景中曾引入载波延伸、分组突发来维持碰撞检测约束
10GE 10 Gb/s，以全双工为主，不使用 CSMA/CD；开始面向城域网和广域网主干等场景
40GE/100GE 只工作在全双工方式，不使用 CSMA/CD；仍使用 IEEE 802.3 帧格式并保留最小帧长、最大帧长规则

CSMA/CD 是共享式、半双工以太网时代的核心机制；现代交换式全双工以太网不再需要它。