1. 使用广播信道的以太网

1.1 使用集线器的星型拓扑

传统以太网使用粗同轴电缆，后来使用的是比较便宜的细同轴电缆，最后使用更便宜灵活的双绞线。这种以太网采用星型拓扑，在星型中心添加一种可靠性高的设备，叫做集线器（bub）。如下图：

1990年IEEE制定出星形以太网10BASE-T的标准802.3i。10代表10Mbit/s，BASE表示连接线上的信号是基带信号，T代表双绞线。10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上一个非常重要的里程碑。
集线器的特点：
1）同一时刻只允许一个站点发送数据，各站点使用还是CSMA/CD协议
2）有很多接口，工作在物理层，每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测
3）采用专门的芯片，进行自适应回波抵消
下图显示三个接口的集线器：

1.2 以太网信道利用率

发送一帧所需平均时间：

成功发送一帧需要占用信道的时间是T₀+τ ，T₀是帧发送成功的时间，τ是单程端到端的时延。定义一个参数a，用单程端到端时延τ和帧的发送时间T₀比值：$$a=\frac{\tau }{T_0}$$ 在理想条件下，也就是没有碰撞，极限信道利用率为：$$S_m=\frac{T_0}{T_0+\tau }=\frac{1}{1+a}$$
在这里可以看出在数据率一定的条件下，通过减小帧长，来使得利用率增大。

1.3 以太网的MAC层

（1）MAC层的硬件地址
在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。
IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三位字节，后三位字节有厂家指定称为扩展标识符
适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先检查MAC帧中的MAC地址，如果本站的就接收，否则就丢弃。发送到本站的帧包括下面三种帧：
1）单播帧（一对一）：收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同
2）广播帧（一对全体）：发送给本局域网上所有站点的帧
3）多播帧（一对多）：发送给本局域网上一部分站点的帧
（2）MAC帧的格式
常见的以太网MAC帧格式有两种标准，一种是DIX Ethernet V2标准，一种是IEEE的802.3标准，这里只说V2标准。

以太网V2的MAC帧有五个字段组成，前两个字段是目的地址和源地址。第三个字段是类型字段，用来标志上一层用什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。第四个字段是数据字段，长度在46~1500字节之间（46字节这样算出来的，最小长度64字节减去18字节首部和尾部）。最后一个字段是4字节的帧检验序列FCS（使用CRC检验）
MAC子层怎知道以太网帧中取出多少字节数据交付给上一层协议？
这是由于采用的是曼切实特编码，每一个码元都有一次电压转变，等到数据发送完成以后，不在发送其他码元，发送发的网络适配器也就不在有变化了，这样也就找到以太网帧的结束位置。再往前数四个字节，就能确定字段结束的位置。
当数据字段小于46字节时，MAC子层会加入整数字节填充字段，保证以太网MAC帧不小于64字节，上一层协议如何知道填充字节长度呢？上层协议必须具有效的数据字段长度的功能，上层使用IP协议时，其首部就有一个“总长度”字段。
为了使接收端迅速实现位同步，从MAC子层向下传到物理层时，还要在帧的前面插入8个字节
无效的MAC帧：
1）数据字段的长度与长度字段的值不一致
2）帧的长度不是整数个字节
3）收到的帧检验序列FCS查出有差错
4）数据字段的长度不在46~1500字段之间

2 扩展的以太网

2.1 在物理层扩展的以太网

多个集线器连接更大的局域网，下面是三个独立的以太网和一个扩展的以太网。

每个以太网都是一个独立的碰撞域（又称冲突域），也就是在任意时刻只能有个站发送数据。通过集线器把三个以太网连接在一起，他们的最大吞吐量和一个以太网的吞吐量仍然不会变。不同的碰撞域使用不同的数据率，就不能用集线器将它们互连起来。集线器是个多接口的转发器，并不能把帧进行缓存。

2.2 在数据链路层扩展的以太网

在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤。
1990年出现的交换式集线器，很快就淘汰掉了网桥。交换式集线器又称为以太网交换机或第二层交换机
（1）以太网交换机的特点
以太网交换机实质上是一个多接口的网桥。以太网交换机的每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且都是全双工方式。具有并行性，同时连接多对接口，多对主机同时通信。相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞传输数据。
以太网交换机的接口还有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
以太网交换机是一种即插即用设备，内部的帧交换表是通过自学习算法自动建立起来的。
交换机的最大优点是一个用户在通信是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽。
（2）以太网交换机的自学习功能

假定以太网交换机有四个接口，各连接一个计算机，其MAC地址分别是A、B、C、D。以太网交换机里面的交换表是空的。
假设A先向B发送一帧，从接口1进入交换机。交换机接收帧后，先查找交换表，如果没有找到从哪个接口转发这个帧，交换机吧这个帧的源地址A和接口1写入交换表中，并向接口1以外的所有接口广播这个帧。C和D丢弃这个帧，B收这个帧。此时如果B从接口2发送一帧，从接口2进入交换机。交换机接收帧后，先查找交换表，找到1接口，就直接发送过去。此时路由表将B给纪录下来。如下所示：

2.3 虚拟局域网

虚拟局域网VLAN
定义：由一些局域网网段构成的与物理位置无光的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每个VLAN的帧都有一个明确的表示符，虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记，指明发送这个帧的计算机属于哪个VLAN。
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网。
插入VLAN标记得出的帧称为802.1Q帧

后两个字节中用户优先级是前三位，规范格式指示符CFI是第四五，VLAN标识符VID，后十二位，唯一地标志了这个以太网帧属于哪一个VLAN。

3 高速以太网

（1）100BASE-T 以太网
高速以太网：速率到达或超过10Mb/s的以太网
快速以太网：在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。
（2）吉比特以太网
吉比特以太网或称千兆以太网，(英语：GbE, Gigabit Ethernet，或1 GigE) 是一个描述各种以吉比特每秒速率进行以太网帧传输技术的术语，由IEEE 802.3-2005标准定义。该标准允许通过集线器连接的半双工吉比特连接，但是在市场上利用交换机的全双工连接才是标准。
特点：
1）允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。
2）使用IEEE 802.3协议规定的帧格式。
3）在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）。
4）与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

吉比特以太网配置举例

（3）10吉比特以太网和更快的以太网
10吉比特以太网与10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同，10吉比特以太网还保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级，不在使用铜线，只使用光纤作为传输媒体，只工作在全双工方式，所以没有争用问题，CSMA/CD协议。
由于10GE的出现，以太网的工作范围已经从局域网扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。这种工作方式的好处是：
1）以太网是一种经过实践证明的成熟技术，无论是因特网服务提供者ISP还是端用户都很愿意使用以太网。当然对ISP来说，使用以太网还需要在更大的范围进行试验。
2）以太网的互操作性也很好，不同厂商生产的以太网都能可靠地进行互操作。
3）在广域网中使用以太网时，其价格大约只有SONET的五分之一和ATM的十分之一。以太网还能够适应多种的传输媒体，如铜缆、双绞线以及各种光缆。这就使具有不同传输媒体的用户在进行通信时不必重新布线。
4）端到端的以太网连接使帧的格式全都是以太网的格式，而不需要再进行帧的格式转换，这就简化了操作和管理。但是，以太网和现有的其他网络，如帧中继或ATM网络，仍然需要有相应的接口才能进行互连。
（4）使用高速以太网进行宽带接入
高速以太网接入的一个重要特点：是它可以提供双向的宽带通信，并且可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽的升级。
高速以太网接入可以采用多种方式，其中一种方式——光纤到大楼FTTB。
(1)每个大楼的楼口都安装一个100Mb/s的以太网交换机(对通信量不大的楼房也可以使用10Mb/s的以太网交换机)。
(2)然后根据情况在每一楼层安装一个10Mb/s或100Mb/s的以太网交换机。
(3)各大楼的以太网交换机通过光纤汇接到光结点汇接点。
(4)若干个光结点汇接点再通过吉比特以太网汇接到一个高速汇接点(称为GigaPoP)。

最后

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