计算机网络基础 第四章——介质访问控制子层 知识点（上）

4.1局域网技术的发展与演变

1.访问控制的基本概念

介质访问控制(MAC)是所有“共享介质"类型的局域网都必须解决的共性问题。理解 介质访问控制方法的基本概念,需要注意以下两个问题。

(1)对术语“共享介质”、“多路访问”与“冲突"的理解

由于“共享介质”与“多路访问"术语是在局域网研究的早期出现的,因此以早期 Ethernet结构为例来说明这些术语的含义,读者会更容易理解。

早期Ethernet是用一条作为总线的同轴电缆连接多台计算机，对应的物理层协议是 10Base-2与10Base-5。在这种局域网结构中,连接多台计算机的同轴电缆称为“共享”的 “总线传输介质”,简称为“共享介质”。多个主机需要通过一条共享介质发送和接收数据就 称为“多路访问”或“多路存取”。如果有两个或两个以上的主机同时在一条共享介质发送数 据,那么多路的信号就会出现相互干扰，造成接收主机无法正确接收任何一台主机发送的数 据,这种现象称为“冲突”。

(2)对术语“介质访问控制方法”的理解

解决局域网“冲突”问题有两种基本的方法。第一种方法是在局域网中设立一个中心控 制主机，由它来决定其他连接在局域网中主机发送数据的顺序。这种控制方法的优点是简 单、有效;缺点是中心主机有可能成为局域网性能与可靠性的瓶颈。第二种方法采取分布式 控制的方法,局域网中不存在中心控制主机,而是由每个主机各自决定是否发送数据,以及 出现冲突时如何处理。这种方法称为“介质访问控制方法”。介质访问控制方法要解决以下 三个基本问题:什么时候发送数据?如何发现冲突?发生冲突怎么办?

2.按照不同的介质访问控制方法可以将局域网分成哪3类，不同之处在哪。

三种不同的介质访问控制方法对应三种不同类型的局域网:

● 采用带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)控 制方法的总线形Ethernet,称为“以太网’ ” 。

● 采用令牌控制的令牌总线形(Token Bus)局域网，称 为“TokenBus” 或“令牌总线网 。

● 采用令牌控制的令牌环形(Token Ring)局域网，称为 “Token Ring”或“令牌环网

CSMA/CD、Token Bus与Token Ring的不同之处:

●从物理结构的角度来看，CSMA/CD与Token Bus都是针 对总线型的局域网设计的。而TokenRing是针对环状拓 扑的局域网设计的。

3.CSMA/CD、Token Bus、Token Ring的性能分析。

(1)在使用CSMA/CD方法的Ethernet中，在相同的网络负载的条件下测试，传输速 率为10Mbps,实际带宽利用率只能达到44.7%。TokenBus与TokenRing在网络通信负 荷较重时,表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟。

(2)TokenBus与TokenRing在网络通信重负荷中性能很高是以复杂的环控制功能 为代价的。要完成复杂的环控制功能,Token Bus与Token Ring的网卡与联网设备比较复 杂，硬件造价高,组网的费用远远超过采用CSMA/CD方法的Ethernet。

(3)随着个人计算机的广泛应用,办公自动化环境中计算机联网的需求快速增长,组网 费用低廉的Ethernet正好能适应这种对传输延迟要求不高的应用，因此Ethernet技术相对 于其他两种环网技术有很大市场优势。到20世纪90年代，局域网市场激烈竞争的局面已 经明朗,Ethernet产品基本上垄断了市场,Ethernet几乎成了局域网的代名词。

(4)对于工业环境中，例如工业控制、机器人控制、制造业设备与仪表的现场控制,这类 应用对数据传输实时性要求严格，建议使用TokenBus与TokenRing局域网。

4. Ethernet 技术的发展背景。以太网的核心技术是 什么?其核心技术起源于哪个网络?

Ethernet技术的发展背景

● Ethernet的核心技术是随机争用型介质访问控制方法(CSMA/CD) ;

● 随机争用技术起源于无线分组交换网一ALOHA网;

● 20世纪70年代初，Bob在ALOHA网基础上，提出了冲突检测、载波监 听与随机后退延迟算法;

●1972年， Xerox公司开始Ethernet实验网的研究; ●1973年， 将这种实验网改名为Ethernet;

● 1976年，Bob等人发表了具有里程碑意义的论文，指出Ethernet的核心 技术是介质存取访问控制方法CSMA/CD。 这种访问控制属于随机争 用型方法。

●1978年，Xerox公 司宣布了Ethernet产品;

●1981年，Xerox、 DEC与Intel联合宣布Ethernet V2.0规范;

●90年代，IEEE802.3标准中的物理层标准10Base-T推出，使得Ethernet性 能价格比大大提高;同年，Ethernet交 换机产品面世，标准着交换式局 域网的出现。

●目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet的出现，更 确立了它在局域网中的主流地位。

以太网的核心技术是CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）方法。

以太网起源于一个实验网络，该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。由于该实验网络的成功建立和突出表现，引起了DEC，Intel，Xerox三家公司的注意，这三家公司借助该实验网络的经验，最终在1980年发布了第一个以太网协议标准建议书。

5.IEEE 802委员会是一个什么组织?它的研究重点 是什么?在IEE802标准中将数据链路层划分成哪两个 子层? 

IEEE 802 委员会是 IEEE（电气和电子工程师协会）中的一个专门负责局域网和城域网标准制定的委员会。它的研究重点是开发和制定各种局域网和城域网技术的标准，以确保不同厂商生产的设备之间的互操作性。

在 IEEE 802 标准中，数据链路层被划分为两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层。

LLC 子层负责提供与上层协议的接口，并进行流量控制、差错控制等功能。它使得上层协议可以无需关心底层的物理拓扑结构和媒体访问控制方式。

MAC 子层则主要负责处理与物理媒体相关的问题，如介质访问控制、帧的传输和接收等。不同的局域网技术可能具有不同的 MAC 子层协议，以适应不同的物理媒体和拓扑结构。

IEEE 802 委员会制定的标准涵盖了多种局域网技术，如以太网、无线局域网（WLAN）、令牌环等。这些标准的制定有助于促进网络设备的互操作性，推动了局域网技术的发展和广泛应用。

6. IEEE 802.2标准定义了哪些标准。

IEEE802标准

● EEE802.1标准定义了局域网体系结构、网络互联，以及网络管 理与性能测试;

●EEE802.2标准定义了逻辑链路控制LLC子层功能与服务;

● 不同介质访问控制技术的相关标准:

●IEEE802.3定义了CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层的标准。

●IEEE802.11定义了无线局域网访问控制子层与物理层的标准。

●IEEE802.15定义了近距离个人无线网络访问控制子层与物理层的标 准。

●IEEE802.16定义了宽带无线城域网访问控制子层与物理层标准。

4.2Ethernet基本工作原理

1.以太网数据的发送流程和以太网帧的结构

Ethernet数据发送流程分析

●载波侦听:发言前要监听以确定 是否已有人在发言的动作

●多路访问:每人都有平等的讲话机会

●冲突:若两人同时说话， 则发生 

●冲突检测:发言人在发言过程中 要及时发现是否发生冲突

2.以太网结点的数据发送流程。

3.以太网中的冲突窗口是如何定义的?以太网协议标准所规定的冲突窗口的长度是多少?

●一种极端的情况: A向B发送了数据，在数据信号正好快要达到B时， B也发送了数据，此时发生冲突。

● 等到冲突的信号传送回A，已经过两倍的传输延迟2τ，其中 τ =DN,其中D为总线最大长度，V是电磁波在介质中的传播速度。

●如果超过两倍的传播延迟( 2τ )时间没有检测出冲突，就能肯定 该结点已取得总线访问权，因此人们将2DN定义为冲突窗口。

●在Ethernet协议标准中，规定冲突窗口长度为51.2微秒，Ethernet的 数据传输速率为10Mbps，则可发送512bit (64B)数据。64字节是 以太网的最短帧的长度。这就意味着当一个结点发送一个最短帧， 或一个长帧的前64个字节数据时都没有发现冲突，则表示该结点已 经独自获得总线发送权，并可以继续发送后续的字节。

4.以太网帧的最大和最小长度分别是多少?

一个标准的以太网帧（不包括物理层的前导码和帧尾部）的最小长度是64个字节，最大长度为1518个字节（由MTU决定）。这个长度包括了目标MAC地址、源MAC地址、长度/类型字段、有效载荷（数据）和校验和字段。数据就承载在以太网帧的有效载荷内。如果要传输的数据大于MTU（最大传输单元）就会在传输的过程中进行切片，重新封装成数个以太网帧。

5.在以太网帧结构中，目的地址和源地址字段分别 表示什么?长度是多少?目的地址分为哪几类?各有什 么意义?

目的地址和源地址:分别表示帧的接收结点地址和发送结点的硬件地 址(即MAC地址、物理地址或Ethernet地址)。 长度为48位。

●单一地址:第一位为0,该帧只被与目的地址相同的结点所接收

● 多点地址:第一位为1,该帧只被- -组结点所接收

●广播地址:全为1,该帧被所有的结点接收。

在以太网帧结构中，目的地址和源地址字段具有重要的意义：

• 目的地址：目的地址字段用于指定帧的接收方。通过目的地址，网络设备可以确定该帧应该发送到哪个节点或设备。目的地址的准确性对于确保帧能够正确到达目标设备至关重要。
• 源地址：源地址字段标识了发送帧的节点或设备。源地址的作用包括：
  • 确认帧的来源：接收方可以通过源地址确定帧的发送方，便于进行回应和通信。
  • 路由和转发：网络设备可以根据源地址和目的地址进行路由选择和帧的转发。
  • 故障排查和安全：源地址可以用于故障排查和安全管理，例如追踪帧的来源以及识别潜在的恶意活动。

目的地址和源地址字段的正确设置和使用是以太网通信正常进行的关键。它们有助于实现设备之间的正确寻址和数据传输，确保网络的正常运行。此外，这些地址字段还与网络协议的其他部分相互配合，共同支持以太网的功能和特性。

6.以太网网卡采用哪种校验方式?

以太网网卡通常采用循环冗余校验（CRC）方式来进行数据校验。CRC 是一种通过计算数据的校验值来检测数据错误的方法。

在以太网中，CRC 校验通常用于检测帧数据在传输过程中是否发生了错误。发送方在发送数据时，会计算数据的 CRC 值，并将其附加到帧的末尾。接收方在收到帧后，会重新计算 CRC 值，并与接收到的 CRC 值进行比较。如果两个 CRC 值不一致，就表示帧数据在传输过程中发生了错误。

CRC 校验的优点是简单、高效，能够快速检测到大部分数据错误。然而，它不能检测到所有类型的错误，例如数据的顺序错误或多位错误。在一些对数据完整性要求较高的应用中，可能需要使用更复杂的校验方法，如校验和、哈希校验等。

此外，一些以太网网卡还支持其他类型的校验和错误检测，例如 IP 校验和、TCP 校验和等。这些校验和在网络协议的不同层次上提供了额外的错误检测机制，以确保数据的完整性和正确性。

需要注意的是，具体的校验方式可能会因网卡的型号、网络协议的要求以及应用的需求而有所不同。在实际应用中，选择合适的校验方式需要综合考虑误码率要求、传输效率、硬件成本等因素。

7.以太网网卡的接口有哪几种?各有什么特点?哪 种接口的应用最广?

以太网网卡的接口类型主要有以下几种：

1. RJ45 接口：这是最常见的以太网接口类型，通常用于连接双绞线电缆。RJ45 接口具有广泛的兼容性，适用于大多数以太网设备，如计算机、路由器、交换机等。它的特点是易于使用，成本较低，并且支持高速数据传输。
2. ** SFP（Small Form-Factor Pluggable）接口**：SFP 接口用于可插拔的光模块，通过光纤进行连接。SFP 接口提供了更高的传输速度和更远的传输距离，适用于长距离传输和高速网络环境。它具有灵活性，可以根据需要更换不同类型的光模块以适应不同的光纤连接。
3. GBIC（Gigabit Interface Converter）接口：GBIC 接口类似于 SFP 接口，但尺寸较大。它也用于连接光模块，提供高速和长距离的传输能力。GBIC 接口在一些旧设备中可能仍然使用，但现在已经逐渐被 SFP 接口所取代。
4. PCIe 接口：PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）接口是一种高速总线接口，用于连接网卡到计算机的主板。PCIe 接口提供了更高的数据传输带宽，适用于对网络性能要求较高的应用，如服务器和高性能工作站。

在这些接口中，RJ45 接口是最广泛应用的接口类型。由于其普遍性和低成本，RJ45 接口在家庭、办公室和企业网络中被广泛使用。SFP 和 SFP+接口在需要高速、长距离光纤传输的情况下更为常见，如数据中心和网络核心设备。

然而，具体使用哪种接口取决于网络需求、设备兼容性和预算等因素。不同的应用场景和网络环境可能需要不同类型的接口来满足特定的要求。

8.以太网物理地址有哪些特点? 

以太网物理地址，也称为 MAC 地址，具有以下特点：

1. 唯一性：每个以太网设备都有一个唯一的物理地址。这使得网络中的设备可以通过 MAC 地址进行唯一标识和区分。
2. 固定性：MAC 地址通常是由设备制造商在生产时分配的，并且一般不会更改。它是设备的硬件标识符。
3. 层次性：MAC 地址的前几个字节通常表示设备制造商的标识符，后几个字节表示设备的唯一标识符。这种层次性结构有助于识别设备的制造商和特定型号。
4. 全球通用性：MAC 地址是全球通用的标准，不同厂家生产的以太网设备都遵循相同的 MAC 地址格式和规范。
5. 用于数据链路层：MAC 地址主要在数据链路层中使用，用于在局域网内进行数据包的传输和寻址。
6. 广播功能：以太网通过 MAC 地址的广播机制，可以将数据包发送到网络中的所有设备或特定范围内的设备。
7. 与网络拓扑相关：MAC 地址与以太网的物理拓扑结构相关，它决定了数据包在网络中的传输路径。
8. 可见性：MAC 地址可以通过网络工具或命令进行查看和管理，例如在网络管理中可以通过 MAC 地址来识别和管理特定的设备。

MAC 地址在以太网通信中起着重要的作用，它帮助设备之间进行正确的数据包寻址和传输。同时，MAC 地址也与网络安全、设备管理和故障排查等方面密切相关。

4.3交换式局域网与虚拟局域网

1.交换式局域网与虚拟局域网的基本工作原理

交换式局域网（Switched LAN，简称 S LAN）是指采用交换机或集线器等交换设备组成的局域网。交换式局域网的核心设备是交换机，它可以在多个端口之间同时建立多个并发连接，从而使得各端口之间的带宽得到充分的利用。

虚拟局域网（Virtual LAN，简称 VLAN）是一种将局域网内的设备逻辑地划分成多个网段的技术。通过将局域网内的设备划分为不同的VLAN，可以实现不同网段之间的隔离和通信控制。VLAN 可以基于设备的MAC 地址、IP 地址、端口号等多种方式进行划分。

交换式局域网和虚拟局域网的基本工作原理如下：

1. 交换式局域网的基本工作原理：
   • 帧的接收和转发：交换机接收来自不同端口的以太网帧，并根据帧中的目的MAC 地址将其转发到相应的端口。
   • 地址学习：交换机通过学习接收到的以太网帧的源MAC 地址，建立端口-MAC 地址映射表。
   • 数据帧的转发：当交换机接收到一个数据帧时，它会检查该数据帧的目的MAC 地址。如果该目的MAC 地址在端口-MAC 地址映射表中存在，则交换机将该数据帧转发到相应的端口。如果该目的MAC 地址不在端口-MAC 地址映射表中，则交换机会将该数据帧广播到所有端口。
   • 环路避免：交换机可以使用生成树协议（STP）来避免网络中的环路。
2. 虚拟局域网的基本工作原理：
   • 帧的标识：虚拟局域网使用 802.1Q 协议对以太网帧进行标识，在以太网帧的帧头中添加了一个 4 字节的 VLAN 标识字段。
   • 交换机的 VLAN 处理：当交换机接收到一个带有 VLAN 标识字段的以太网帧时，它会根据该字段中的 VLAN 标识来确定该帧所属的 VLAN。然后，交换机将根据该帧所属的 VLAN 将其转发到相应的端口。

2.交换机的基本功能

●建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口号对应关系的映射表。

●在发送主机与接收主机端口之间建立虚连接。

●完成帧的过滤与转发。

●执行生成树协议，防止出现环路。

3.局域网交换机的工作原理

●局域网交换机的设计灵感来源于局域网桥。

●网桥以存储转发的方式,实现连接在不同缆段节点之间帧的交互。

●局域网交换机利用集成电路交换芯片在多个端口之间同时建立多个 虚连接，以实现多对端口之间帧的并发传输。

●以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接 (这类端口被称为“专用10Mbps的端口”)， 也可以与一个共享介质式的以太网集线器连接 (这类端口被称为“共享10Mbps的口”)。 

4.交换机端口转发表的建立与维护过程

交换机端口转发表的建立与维护过程如下：

1. 初始化：在交换机启动时，会建立一个空的端口转发表。

2. 学习：交换机通过学习接收到的以太网帧的源MAC地址，建立端口-MAC地址映射表。

3. 老化：为了保持端口转发表的准确性，交换机会定期对其进行老化。老化时间通常为300秒或5分钟。

4. 更新：当交换机接收到一个数据帧时，它会检查该数据帧的目的MAC地址。如果该目的MAC地址在端口-MAC地址映射表中存在，但其对应的老化时间超过了老化时间间隔，则交换机会更新该目的MAC地址的老化时间。

5. 删除：如果某个MAC地址在端口-MAC地址映射表中存在，但在一段时间内没有接收到来自该MAC地址的数据帧，则交换机会删除该MAC地址。

通过以上过程，交换机端口转发表可以保持准确和实时，从而确保数据帧可以正确地转发到目的端口。

5.交换机的三种交换方式

交换机的交换方式主要有三种类型:直接交换、改进直接交换与存储转发交换方式。

(1)直接交换方式

在直接交换(cutthrough)方式中,交换机只要接收并检测到目的地址字段，立即将该 帧转发出去,而不进行差错校验。帧出错检测任务由主机完成。直接交换方式的优点是交 换延迟时间短,缺点是缺乏差错检测能力。

(2)改进直接交换方式

改进的直接交换方式则将二者结合起来,在接收到Ethernet帧的前64B后,判断帧头 字段是否正确,如果正确就转发出去。对于短的Ethernet帧来说,交换延迟时间与直接交 换方式比较接近;对于长的Ethernet帧来说,由于只对帧的地址字段与控制字段进行差错 检测，因此改进直接交换方式的交换延迟时间将会减少。

(3)存储转发交换方式

在存储转发(store and forward)方式中,交换机首先要完整地接收帧,并进行差错检 测。如果接收帧正确,则根据帧目的地址选择对应的输出端口号,然后转发出去。存储转发 交换方式的优点是具有帧差错检测能力,并支持不同输入速率与输出速率端口之间的帧转 发;缺点是交换延迟时间将会增长。 

三种交换方式的比较如图：

6.交换机交换带宽的计算

交换机交换带宽的计算方法是:端口数X相应端口速率(全双工模式再乘以2)。例如， --台交换机有24个100Mbps全双工端口和两个1000Mbps全双工端口，如果所有的端口 都工作在全双工状态,那么交换机交换带宽为

需要注意的是:

(1)这是一个理想状态,没有考虑任何丢帧的情况,按每--个端口可能达到的线速来计 算的,因此交换机交换带宽也称为背板线速带宽。如果-一个端口是全双工端口,使用的是全 双工100Mbps的FastEthernet网卡,那么这个端口的线速就是200Mbps。

(2)从交换机的结构看,交换机的背板相当于计算机的总线,交换机的端口与转发机构 的数据交换都是通过交换机的背板实现的。因此,交换机的背板带宽决定了交换机的交换 带宽。背板带宽的定义是:交换机接口处理器、接口卡和数据总线之间单位时间内能够交 换的最大数据量。背板带宽标识了交换机总的数据交换能力。一台交换机的背板带宽越 宽,交换机的处理、交换、转发数据的能力就越强。 总结以上讨论的内容可以看出:交互式Ethernet采取以交换机取代集线器;以交换机 的并发连接取代共享总线的方式;以全双工方式取代半双工方式;以独占方式取代共享方式;由于不存在冲突,不采用CSMA/CD控制方法。为了保持与传统共享式Ethernet的兼 容性,交互式Ethernet保留了传统Ethernet的帧结构、最小与最大帧长度等一些根本的特征。这些技术极大地提高了局域网的性能,使得交互式局域网得到了广泛的应用。

7.传统局域网与虚拟局域网的区别

IEEE于1999年公布关于VLAN的802.1Q标准。虚拟网络是建立在局域网交换机 之上,以软件方式来实现逻辑工作组的划分与管理。图中给出了传统局域网与虛拟局域 网结构比较示意图。

图4-22(a)给出了三个楼层分别用集线器组建的Ethernet,然后通过交换机将三个局域 网互联起来的结构示意图。网络中的所有主机都可以相互通信,但是如果出于网络安全的 需要将它们隔离成几个相对独立的局域网很困难。我们只能按楼层的物理位置进行划分， 但是如果希望将一个主机从LAN1改接到LAN2去，只能够重新布线。而VLAN技术可 以帮助我们很方便地解决这个问题。

设置4个VLAN即可实现

8.虚拟局域网的优点

虚拟局域网有以下优点：

1. 提高网络安全性：不同 VLAN 内的设备不能直接通信，只有通过路由器或三层交换机等设备才能进行跨 VLAN 通信。这可以限制网络流量，防止恶意攻击和未经授权的访问，提高网络的安全性。
2. 增强网络管理：VLAN 可以根据部门、功能或其他逻辑分类将网络划分为不同的子网，方便网络管理员对网络进行管理和监控。管理员可以更轻松地分配资源、实施策略和解决问题。
3. 提高网络性能：VLAN 可以减少网络广播流量，因为广播帧只会在同一 VLAN 内传播，而不会扩散到其他 VLAN。这可以提高网络的整体性能，尤其是在大型网络中。
4. 灵活的网络配置：VLAN 的创建和调整相对容易，不需要更改物理连接。可以根据实际需求动态地划分和重新配置 VLAN，以适应网络的变化和发展。
5. 节约成本：通过 VLAN 的划分，可以充分利用网络设备的性能，减少不必要的硬件投资。例如，不同部门或项目可以共享同一个交换机，但通过 VLAN 实现逻辑上的隔离。
6. 支持移动和远程办公：员工在不同位置的设备可以通过 VLAN 技术接入公司网络，并且可以根据其所在的位置或访问权限自动加入相应的 VLAN，提供了更大的灵活性和便利性。
7. 更好的网络隔离：VLAN 可以将不同类型的网络流量（如访客网络、生产网络、办公网络等）分隔开来，减少相互干扰和冲突，提高网络的稳定性和可靠性。

综上所述，虚拟局域网通过逻辑划分和隔离，提供了更高效、灵活和安全的网络管理方式，有助于提高网络的性能、可扩展性和安全性。

9.虚拟局域网的划分方法

虚拟局域网（VLAN）的划分方法主要有以下几种：

1. 基于端口的 VLAN：根据交换机的端口将设备划分到不同的 VLAN 中。这种方法简单直观，但不够灵活。
2. 基于 MAC 地址的 VLAN：根据设备的 MAC 地址将其划分到不同的 VLAN 中。这种方法可以实现更精细的控制，但需要在交换机上配置更多的信息。
3. 基于协议的 VLAN：根据设备所使用的协议（如 IP、IPX 等）将其划分到不同的 VLAN 中。这种方法可以根据协议类型进行更精细的控制，但需要支持相应的协议。
4. 基于子网的 VLAN：根据设备所连接的子网将其划分到不同的 VLAN 中。这种方法可以根据网络拓扑进行更精细的控制，但需要配置子网信息。
5. 基于策略的 VLAN：根据管理员定义的策略将设备划分到不同的 VLAN 中。这种方法可以实现更灵活的控制，但需要管理员进行更多的配置工作。

以上是常见的 VLAN 划分方法，不同的厂商和产品可能会有一些差异。在实际应用中，通常会根据具体需求选择适当的划分方法。

10.理解802.1Q帧结构

802.1Q 帧结构是一种常见的 VLAN 协议标准。其长度为4 bytes，位于以太网帧中源 MAC 地址和长度/类型之间。802.1Q Tag 包含以下四个字段：

• Type：长度为2 bytes，表示帧类型。在 802.1Q Tag 帧中，Type 字段取固定值 0x8100。如果不支持 802.1Q 的设备收到 802.1Q 帧，则将其丢弃。
• Tag Protocol Identifier（TPID）：长度为2 bytes，表示协议标识符。TPID 在 802.1Q Tag 中设置为 0x8100，以表明该帧带有 802.1Q 的标记信息。
• Tag Control Information（TCI）：长度为2 bytes，包含三个域。
  • Priority：长度为3 bits，表示帧的优先级。
  • Canonical Format Indicator（CFI）：长度为1 bit，表示帧的规范格式指示器。
  • VLAN Identifier（VID）：长度为12 bits，表示 VLAN 标识符。VID 用于识别不同的 VLAN。

11.虚拟局域网数据帧的交换过程 

以太网帧从主机发出后，交换机会收到此数据帧，并给此数据帧打上一个VLAN Tag（VLAN ID就是交换机收到数据帧接口的VLAN ID），此数据帧变成了一个802.1q格式的帧。交换机检查目标MAC地址的主机接口所属的VLAN ID，如果此VLAN ID与802.1q帧格式中的VLAN ID一致，则转发该数据帧，否则丢弃。

在数据从交换机发往主机前，需要剥离掉VLAN TAG，使之还原为原始的以太网数据帧。

总结

●交换式Ethernet采取以交换机取代集线器;以交换 机的并发连接取代共享总线的方式;以全双工方式取 代半双工方式;以独佔方式取代共享方式;由于不存 在冲突,不采用CSMA/CD控制方法。

●为了保持与传统共享式Ethernet的兼容性, 交换式 Ethernet保留了传统Ethernet的帧结构、最小 与最大帧长度等一些根本的特征。

4.4高速Ethernet的研究与发展

1.Fast Ethernet、Gigabit Ethernet、10Gigabit Ethernet、40Gigabit Ethernet与100Gigabit Ethernet的特点 

FE协议特点

●100BASE-T物理层标准

●支持半双工与全双工工作模式

●可以提供半双工模式之外,也可以工作在全双工模式。

●全双工模式不存在争用问题，MAC层不需要采用CSMA/CD方法。

●增加了10Mbps与100Mbps速率自动协商功能

●具有10Mbps与100Mbps速率网卡共存的速率自动协商机制。

●自动协商只涉及到物理层，不需要人为干预，能够自动配置。

GE协议特点

(1)GE的传输速率达到了1000Mbps，但是它仍然保留着传统的Ethernet的帧格式与 最小.最大帧长度等特征。

(2) 802. 3z标准定义了千兆介质专用接口( gigabit media independent interface, GMII),将MAC子层与物理层分隔开。这样,物理层实现1000Mbps速率时使用的传输介 质和信号编码方式的变化,不会影响MAC层。

(3)目前流行的GE物理层标准如下。

①1000Base-CX:使用两对屏蔽双绞线,双绞线最大长度为25m。

②1000Base-T:使用4对5类非屏蔽双绞线同步收发信号,双绞线最大长度为100m。

③1000Base-SX:使用多模光纤,光纤最大长度为550m。

④1000Base-LX:使用单模光纤,光纤最大长度为5km。 

⑤1000Base-LH:使用单模光纤，光纤最大长度为10km。

⑥1000Base ZX:使用单模光纤,光纤最大长度为70km。

双绞线最大长度为25m的1000BaseCX标准已经广泛应用于高性能计算机机房网络， 以及云计算数千台服务器与大量存储器设备之间的连接。长度达到70km的1000Base ZX 标准已经用于宽带城域网与广域网之中。

10GbE特点

(1) 10GbE保留着传统的Ethernet的帧格式与最小、最大帧长度的特征。

(2) 10GbE定义了介质专用接口10GMII,将MAC层与物理层分隔开。这样,物理层 在实现10Gbps速率时使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。

(3)10GbE只工作在全双工方式，例如在网卡与交换机之间使用两根光纤连接,分别完 成发送与接收的任务,因此不再采用CSMA/CD协议,这就使10GbE的覆盖范围不受传统 Ethernet的冲突窗口限制，因此传输距离只取决于光纤通信系统的性能。

(4) 10GbE 的应用领域已经从局域网逐渐扩展到城域网与广域网的核心交换网之中

(5) 10GbE的物理层协议分为:局域网物理层标准与广域网物理层标准两类。

40GbE、100GbE特点：

1. 高数据传输速率：提供 40Gbps 的数据传输速率，能够满足大流量数据传输的需求。
2. 低延迟：相比于较低速率的以太网，可以提供更低的延迟，使数据传输更加实时和高效。
3. 高带宽：具有更高的带宽，能够支持更多的设备和流量，同时提高网络的整体性能。
4. 兼容性：通常保持了与传统以太网的兼容性，使得现有网络基础设施可以逐步升级到更高的速度。
5. 可靠性：采用了一些技术来提高数据传输的可靠性，如错误检测和纠正、流控制等。
6. 支持多媒体和实时应用：对于多媒体内容（如视频、音频）的传输以及实时应用（如视频会议、在线游戏）提供了更好的支持。
7. 成本效益：随着技术的发展，设备成本逐渐降低，使得更多的组织和个人能够负担得起高速网络连接。
8. 网络扩展性：便于网络的扩展和升级，可以通过添加新的设备和链路来满足不断增长的网络需求。

2.上述高速以太网的物理层标准 

Fast Ethernet（快速以太网）和 Gigabit Ethernet（千兆以太网）的物理层协议标准如下：

• Fast Ethernet：通常使用 100BASE-TX 标准，其中 "100" 表示数据传输速率为 100Mbps，"BASE" 表示基带信号传输，"TX" 表示使用双绞线作为传输介质。
• Gigabit Ethernet：常见的物理层协议标准包括 1000BASE-T、1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 等。其中，1000BASE-T 适用于双绞线连接，1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 则分别适用于多模和单模光纤连接。

需要注意的是，这些标准只是常见的示例，实际应用中可能还有其他变体或扩展。此外，不同的物理层协议标准可能在传输距离、电缆类型、连接器等方面存在差异，以适应不同的网络环境和需求