以太网和链路层交换

以太网是主要的有线链路层技术，它定义了帧格式、寻址和一系列物理介质。如今，它作为全双工交换网络运行，而非其起源时那种共享的、易发生冲突的介质。

Definition

以太网是一系列链路层网络技术，标准化为IEEE 802.3，规定了帧格式、MAC寻址和物理层选项，最初在共享介质上使用CSMA/CD，现在主要部署为交换式全双工链路。

Scope

本主题涵盖以太网标准及其交换操作：以太网帧格式（前导码、源和目的MAC地址、类型、有效载荷和CRC）、从共享同轴电缆上的CSMA/CD到全双工交换双绞线和光纤的演变、从早期兆比特以太网到多千兆比特变体的速度范围，以及以太网交换机在现代局域网和数据中心中的作用。它通过聚焦以太网的特定细节来补充更广泛的交换局域网主题，并排除了更高层的路由。

Core questions

• 以太网帧由哪些字段组成，每个字段的作用是什么？
• 以太网是如何从共享的CSMA/CD介质演变为交换式全双工链路的？
• 以太网系列涵盖了哪些速度范围和物理介质？
• 以太网交换机如何转发帧并消除冲突？
• 为什么以太网在有线局域网和数据中心网络中一直占据主导地位？

Key concepts

• 以太网帧格式
• MAC地址
• CSMA/CD（传统）
• 全双工交换以太网
• 物理介质（双绞线、光纤）
• 以太网速度（快速、千兆、10G+）
• CRC错误检测
• 以太网交换机

Key theories

以太网帧结构

以太网帧包含用于同步的前导码、目的和源MAC地址、类型/长度字段、可变长度的有效载荷以及用于错误检测的CRC；这种简单、稳定的格式在数十年的速度提升中得以保留。

从共享CSMA/CD到交换全双工

最初的以太网共享同轴总线并使用CSMA/CD来管理冲突；现代以太网为每个主机提供一个专用的交换链路，以全双工模式运行，消除了冲突并使容量随交换机端口速度扩展。

Clinical relevance

以太网是办公室、家庭和数据中心的有线网络标准，其帧格式是IP和互联网协议栈其余部分在本地链路上运行的基础。其交换式全双工形式提供了数据中心和企业网络所需的高速、可预测的吞吐量，并且其速度的持续提升使其在现代基础设施中保持核心地位。

History

Metcalfe和Boggs于1973-1976年在施乐PARC发明了以太网，当时在共享同轴电缆上使用CSMA/CD。它被标准化为IEEE 802.3，并从10 Mbps共享同轴电缆发展到双绞线布线，然后发展到消除了冲突的交换式全双工操作，并进一步发展到快速以太网、千兆以太网和多万兆以太网速度，超越了令牌环等竞争性局域网技术。

Key figures

• Robert Metcalfe
• David Boggs

Seminal works

• metcalfe1976
• kurose2021
• ieee8023-2018

Frequently asked questions

以太网现在还使用CSMA/CD吗？

现代交换以太网通常不使用。每个主机都有一个到交换机的专用全双工链路，因此没有冲突，CSMA/CD也就不再需要。该机制仍然是传统半双工共享段标准的一部分，但如今这些段已很少见。

为什么以太网比其他局域网技术更持久？

以太网结合了简单、稳定的帧格式，并持续提升速度、降低成本和简化交换。其向后兼容性和生态系统使其能够在不改变基本抽象的情况下从兆比特扩展到许多千兆比特，从而取代了令牌环等替代方案，并主导了有线网络。