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以太网

以太网是现实世界中最普遍的一种计算机网络，主要分为两类，即经典以太网和交换式以太网。前者是以太网较为原始的形式，运行速度为 \(3 \sim 10 \text{Mb/s}\)，后者可运行在更高的速率上。

经典以太网

物理层

经典以太网采用同轴电缆作为物理传输介质，以总线型拓扑结构连接计算机。电缆有最大长度限制，信号在限制范围内可以正常传播，超出范围需要使用中继器连接。以太网的物理层采用曼彻斯特编码进行信息发送。

MAC 子层协议

经典以太网的帧格式有两种：一种是 DIX 格式，另一种是 IEEE 802.3 格式。

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title: "Ethernet-DIX"
---
packet-beta
    0-7: "Preamble"
    8-13: "Destination Address"
    14-19: "Source Address"
    20-21: "Type"
    22-24: "Data: 0 ~ 1500"
    25-27: "Pad: 0 ~ 46"
    28-31: "CRC"
---
title: "Ethernet-IEEE 802.3"
---
packet-beta
    0-6: "Preamble"
    7-7: "SOF"
    8-13: "Destination Address"
    14-19: "Source Address"
    20-21: "Length"
    22-24: "Data: 0 ~ 1500"
    25-27: "Pad: 0 ~ 46"
    28-31: "CRC"

首先是 8 字节的前导码，每字节包含位模式 10101010（除最后一字节最后两位为 11）。这最后一字节称为 IEEE 802.3 的帧起始定界符，起到时钟同步的作用。

接下来是两个地址，前者为目标地址，后者为源地址，长度均为 6 字节。目标地址的第一位如果是 0，说明改地址是一个普通地址；如果是 1，说明该地址为一个组地址。如果目标地址是组地址，则该组中的所有站都要接收它，这种方式称为组播。若目标地址为全 1 的特殊地址，则该帧被广播，它被网络上所有的站接收。

再接下来是类型或长度字段，取决于采用 DIX 协议还是 IEEE 802.3 协议。前者告诉接收方帧内包含了什么，该交由哪个进程处理。后者交代了携带帧的长度，由之后的 LLC 层来处理协议类型信息。

数据块的长度被限制在 \(0 \sim 1500\) 字节，最长限制是因为内存有限。之后的填充部分是为了保证最小帧长的限制。

以太网使用 CSMA/CD 协议实现介质访问控制，因此为确保能够成功检测到冲突，需要 \(2\tau\) 的帧传播时间。再由信道传播速率可得最小帧长为 64 字节。因此需要保证数据和填充加起来不小于 46 字节。

最后一个字段是校验和，采用 32 位的 CRC 校验。

以太网的 CSMA/CD

以太网采用 CSMA/CD 进行介质访问控制。若发生冲突，需要等待随机时间，这个随机时间的长度遵循二进制指数退避算法。

交换式以太网

交换式以太网利用交换机实现了冲突域的隔离，从而提高了网络性能。

快速以太网

名称 线缆 最大长度/m 优点
100 Base-T4 双绞线 100 可用 3 类 UTP
100 Base-TX 双绞线 100 全双工速率 100Mb/s（5 类 UTP）
100 Base-FX 双绞线 2000 全双工速率 100Mb/s，距离长

千兆以太网

名称 线缆 最大长度/m 优点
1000 Base-SX 光纤 550 多模光纤（\(50 \mu\)m、\(62.5 \mu\)m）
1000 Base-LX 光纤 5000 单模光纤（\(10 \mu\)m）或多模光纤（\(50 \mu\)m、\(62.5 \mu\)m）
1000 Base-CX 两对 STP 25 屏蔽双绞线
1000 Base-T 两对 UTP 100 标准 5 类 UTP

万兆以太网

名称 线缆 最大长度 优点
10G Base-SR 光纤 最多 300 m 多模光纤（\(0.8 \mu\)m）
10G Base-LR 光纤 10 km 单模光纤（\(1.3 \mu\)m）
10G Base-ER 光纤 40 km 单模光纤（\(1.5 \mu\)m）
10G Base-CX4 4 对双轴铜缆 15 m 双轴铜缆
10G Base-T 4 对 UTP 100 m 6a 类 UTP