互联网协议 — Ethernet 以太网协议

Posted 2021-08-06 范桂飓

目录

文章目录

• 目录
• Ethernet
• 以太网的两大类型
• NIC 的 MAC 地址

Ethernet

Ethernet（以太网）目前世界上应用最广泛的计算机局域网技术。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术，如：令牌环、FDDI 和 ARCNET。

在物理层的数据实际会以电信号的形式在物理介质中传输，不过单纯的 01 数字显然是没有价值的，需要为电信号进行分组和排序，以特有的组织方式来赋予其特定的含义。数据链路层为了解决这个问题先后提出过包括有 Ethernet v2、IEEE 802.3、Internetwork 在内的多种协议。最后以 Ethernet 协议占据主导地位。

Ethernet 的设计目标是：电脑使用一个网络接口，就能够同时与多台电脑通信。所以，它规定：每台电脑都具有全球唯一的 48 位 MAC 地址，以保证以太网上所有节点能互相鉴别，并且每台电脑必须获得有线电缆或无线电信道的才能传输信息，这些传输通道也被称之为以太（Ether）。

另外，Ethernet 协议还规定了包括：物理层的连线、电子信号的分组方式、介质访问层协议等内容。一组电信号称为一个以太网数据帧，数据帧又由帧首、数据和帧尾三部分组成。发送方通过物理介质把数据帧发送给接收方，接收方接收到一组电信号，就会认为是接收到了一个数据帧。

• 数据帧首部：占 14 字节，包含有 目标主机网卡 MAC 地址、源主机网卡 MAC 地址 以及数据帧类型标识。
• 数据：从上层（网络层）传递下来的数据包，范围在 [46, 1500] 个字节之间。
• 数据帧尾部：占 4 个字节，是 CRC 校验序列，用来确定数据帧在传输过程中是否有损坏。

以太网的两大类型

1. 经典以太网：标准拓扑结构为总线型拓扑。

但目前的快速以太网（1000 BASE-T 标准）为了减少冲突域，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用集线器（Hub）来进行网络连接和组织。如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型拓扑。但在逻辑上，以太网仍然使用着总线型拓扑和 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。

2. 交换式以太网：拓扑结构为星型拓扑，使用交换机设备连接不同的计算机，可运行在 100Mbps、1000Mbps 和 10000Mbps 交换机上。

NIC 的 MAC 地址

在规范了电信号解读方式后，数据链路层还要解决 “主机定位” 的问题：数据帧怎么知道自己应该被哪一台主机接收呢？

以太网协议规定了接入网络的终端设备都必须安装有网络设配器（即 NIC 网卡），数据帧必须由网卡发送，再由另一张网卡接收。每张网卡都被分配一个 MAC 地址，具有全球唯一性。而数据接收方的 MAC 地址就被记录在数据帧首部。

MAC 地址为 6 字节，使用 12 个十六进制数表示，e.g. 00:01:6C:06:A6:29

• 前 6 个十六进制数为厂商编号，由 IEEE（电气和电子工程师协会）分配给厂商
• 后 6 个则为该厂商的网卡流水号，由厂商自己分配

以太网协议数据帧定位原理：有了 MAC 地址以后，以太网协议采用广播形式，将数据帧发给本地网络内所有的主机，主机在接收数据帧后会解析数据帧首部的目标主机网卡 MAC 地址，再和自身的网卡 MAC 地址对比。若相同，就接收数据帧做下一步处理。若不同，则丢弃。

而且为了增幅广播的性能和组网的灵活性，一般会在本地网络中架设交换机来支持信号转发，交换机也是数据链路层的代表设备。

数据链路层主要解决的问题是：对电信号进行分组并形成具有特定意义的数据帧，然后以广播的形式通过物理介质发送给接收方。