局域网协议：以太网（Ethernet）详解

以太网（Ethernet）是一种局域网（LAN）技术，用于在局域网范围内传输数据。它是最常见、最广泛使用的局域网技术之一，允许多台设备（如计算机、打印机、交换机等）通过共享传输介质（如双绞线或光纤）相互通信和共享资源。

Ethernet的组成

1. 拓扑结构
   以太网通常采用总线型或星型拓扑结构，最常见的是星型拓扑，其中所有设备连接到一个集线器（HUB）或交换机（Switch）。
   网络拓扑结构还有网状型、环型、树型、混合型等。
2. 数据帧格式
   数据传输采用帧（Frame）的形式，每个帧包含了源和目标MAC地址、数据和纠错信息等。
3. MAC地址
   每个以太网设备都有唯一的MAC（Media Access Control）地址，用于标识网络中的设备。
4. CSMA/CD协议
   以太网使用载波侦听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）协议，用于管理共享介质上的数据传输。
5. 传输速率
   以太网支持不同的传输速率，最初是10 Mbps（10BASE-T），后来发展到100 Mbps（Fast Ethernet），1 Gbps（Gigabit Ethernet），甚至更高的速率：10Gbps、25 Gbps、40 Gbps、100 Gbps等。
6. 物理介质
   以太网可以在多种物理传输介质上运行，包括双绞线、光纤和同轴电缆等。以太网电缆的传输速率主要有以下七种：

类型	速率
Cat 5	高达 350 MHz 和 100 Mbps
Cat 5e （增强型）	高达 350 MHz 和 1 Gbps
Cat 6	高达 550 MHz 和 1 Gbps
Cat 6a （增强型）	高达 550 MHz 和 10 Gbps
Cat 7	高达 600 MHz 和 10 Gbps
Cat 7a	高达 1 GHz 和 40 Gbps
Cat 8高	达 2 GHz 和 25 或 40 Gbps

光纤和双绞线仍然是当前主流的有线传输介质，同轴电缆已经非常少见。

7. 交换技术
   交换机是用于在局域网内传输数据的设备，它根据目标设备的MAC地址来转发数据帧。
   交换机的交换方式主要有以下几种：

• 存储转发（Store-and-Forward）
• 直通式转发（Cut-Through Forwarding）
• 自适应转发（Adaptive Forwarding）
• 混合式转发（Fragment-Free）

以太网和 Wi-Fi

与 Wi-Fi 相比，以太网具有三个主要优势：更快、更稳定、 更安全。现在，以太网通常用于固定设备的连接，如台式计算机、服务器、网络打印机等。

与以太网相比，Wi-Fi具有：灵活性、可移动、高速率等特点。Wi-Fi更适合移动设备，如笔记本电脑、智能手机、平板电脑等，以及需要灵活布局或移动的场景。

这两种技术在不同的情况下各有优势，而在现代企业、家庭、商业网络中，它们通常会相互配合使用，以提供更全面的网络覆盖和更多样的连接选择。

以太网应用场景

以太网广泛应用于办公室、家庭网络、数据中心等环境中，用于连接各种设备，如计算机、服务器、打印机、路由器和交换机等。

以太网作为一种通用的局域网技术，已成为连接设备并在局域网内传输数据的主要方式。其不断发展的速率和技术使其适用于各种不同规模和需求的网络环境。

以太网的发展历程

1983年，以太网被电气和电子工程师协会(IEEE)标准化为IEEE 802.3标准。该标准定义了有线以太网“数据链路”层的物理层和MAC(媒体访问控制)部分。

以太网数据链路层

数据链路层可分为两个部分;

• 逻辑链路控制(LLC)
  “逻辑链路控制”为以太网上的数据在设备之间传输建立路径。
• 媒体访问控制(MAC)
  “媒体访问控制”使用分配给网络接口卡(NIC)的硬件地址来识别特定的计算机或设备，以显示数据传输的源和目的地。

CSMA/CD (载波侦听多路访问/冲突检测)

以太网通过使用一种称为CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的算法在该数据链路层传输数据包。

以太网采用CSMA/CD作为标准，以减少数据冲突，提高数据传输成功率。

该算法首先检查网络上是否有流量。如果没有找到，它将发送第一个信息，看看是否会发生冲突。

如果第一个比特是成功的，那么它将发送其他比特，同时仍然监控是否存在冲突。

如果发生冲突，算法计算等待时间，然后重新开始整个过程，直到数据传输完成。

现在网络发展越来越快，诞生了很多新的通信技术，但以太网作为一种能容纳不同协议的技术，在现在，或者未来仍然会在网络架构中占据一席之地。

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