链路层：以太网
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局域网链路层
局域网 LAN(Local Area Network)是局限在较小的范围（如 1 公里左右）的网络，最主要的特点是网络为一个单位所拥有，地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下主要优点：
- 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网，局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
- 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
- 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
局域网可以用网络拓扑进行分类，例如星型网、环形网和总线网：
以太网
以太网几乎占领了现有的有线局域网市场，以太网对于本地区域联网具有极大的重要性。以太网是一个广泛部署的高速局域网，网络管理员都很熟悉以太网技术，而且以太网相比令牌环、FDDI 和 ATM 等技术都显得更为简单。以太网在不断的发展中诞生了运行效率更高的版本，而且产品部署的费用更为便宜。
DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约，IEEE 802.3 是第一个 IEEE 的以太网标准。DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层、媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。
由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了，很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。
使用集线器的星形拓扑
星形拓扑
传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。
1990 年，IEEE 制定出星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i。这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本又提高了可靠性，具有很高的性价比。10BASE-T 双绞线以太网的出现后，从此以太网的拓扑就从总线形变为更加方便的星形网络，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。
集线器
集线器具有以下特点：
1 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
2 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。
3 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层，每个接口仅完成转发比特的任务。
4 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。
物理层扩展的以太网
光纤
使用光纤拓展时，通常是一对光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器，使主机和几公里以外的集线器相连接。
集线器
使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网，例如一个学院的三个系各有一个 10BASE-T 以太网，可通过一个主干集线器把各系的以太网连接成为一个更大的以太网。
使用集线器的优点是，使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信，扩大了以太网覆盖的地理范围。缺点在于碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高，且如果不同的碰撞域使用不同的数据率就不能用集线器互连。
数据链路层扩展的以太网
扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行，早期使用网桥，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。现在使用以太网交换机，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。
交换机
交换机通常都有十几个或更多的接口，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，并且一般都工作在全双工方式。以太网交换机具有并行性，能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。交换机具有以下特点：
- 以太网交换机的接口有存储器，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，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
- 以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。
以太网交换机的优势在于，用户独享带宽，增加了总容量。从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。
交换方式
交换机的交换方式有 2 种，首先是存储转发方式，把整个数据帧先缓存后再进行处理。第二是直通(cut-through)方式，接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度。缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换。
交换表和自学习
以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表，开始时以太网交换机里面的交换表是空的。
自学习算法为交换机收到一帧后，查找交换表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目：
- 没有，就在交换表中增加一个项目（源地址、进入的接口和有效时间）；
- 有，则把原有的项目进行更新（进入的接口或有效时间）。
考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机，或者主机要更换其网络适配器，这就需要更改交换表中的项目。为此在交换表中每个项目都设有一定的有效时间，过期的项目就自动被删除。
获得交换表之后，就可以根据交换表转发帧。交换帧时，查找交换表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目：
- 没有，则向所有其他接口（进入的接口除外）转发；
- 有，则按交换表中给出的接口进行转发。
- 若交换表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口，则应丢弃这个帧。
生成树协议
需要注意的是，为了增加网络的可靠性，组网是会增加冗余链路，自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路中无限制地兜圈子。IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP，其要点是：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。
从总线到星型
早期以太网采用无源的总线结构，现在采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。总线以太网使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作。而以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用 CSMA/CD 协议，而是以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构，因此以太网并没有改名。
虚拟局域网
利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)，虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。
IEEE 批准了 802.3ac 标准，该标准定义了以太网的帧格式的扩展，以支持虚拟局域网。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 (tag)，用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网，插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧。
参考资料
《计算机网络(第七版)》 谢希仁 著，电子工业出版社
