以太網
以太網是一種基於競用的介質訪問方法，可以讓一個網絡中的所有主機共享鏈路帶寬。以太網幾乎占領了現有的有線局域網市場，以太網對於本地區域聯網具有極大的重要性。以太網是一個廣泛部署的高速局域網，網絡管理員都很熟悉以太網技術，而且以太網相比令牌環、FDDI 和 ATM 等技術都顯得更為簡單，這就使得排除故障變得容易。以太網在不斷的發展中誕生了運行效率更高的版本，而且產品部署的費用更為便宜。以太網是可拓展的，也就是說通過以太網可以使得現有的網絡基礎設施方便地引入新技術。
MAC 地址
硬件地址
硬件地址又稱為物理地址或 MAC 地址，硬件地址存在於適配器的 ROM 中。IEEE 802 標准所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符，它規定 MAC 地址字段采用 6 字節(48 位)。
適配器可能是由不同地區的不同公司生產的，怎么保證沒有適配器具有相同的 MAC 地址呢？IEEE 的注冊管理機構對 MAC 地址空間進行管理，他們負責向廠家分配地址字段 6 個字節中的前三個字節 (即高位 24 位)，稱為組織唯一標識符 OUI。地址字段 6 個字節中的后三個字節 (即低位 24 位) 由廠家自行指派，稱為擴展唯一標識符，必須保證生產出的適配器沒有重復地址。一個地址塊可以生成 2^24 個不同的地址，這種 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是 EUI-48。生產適配器時，6 字節的 MAC 地址已被固化在適配器的 ROM，因此 MAC 地址也叫做硬件地址 (hardware address)或物理地址。
以太網幀
常用的以太網 MAC 幀格式有 DIX Ethernet V2 標准和 IEEE 的 802.3 標准，最常用的 MAC 幀是以太網 V2 的格式。
以太網 V2 的格式有 5 個字段，目的地址、源地址字段有 6 字節。類型字段 2 字節，類型字段用來標志上一層使用的是什么協議，以便把收到的 MAC 幀的數據上交給上一層的這個協議。第四個字段是數據字段，長度在 46 ~ 1500 字節(最小長度 64 字節 - 18 字節的首部和尾部 = 數據字段的最小長度 46字節)。最后一個字段是幀檢驗序列 FCS 字段，長度是 4 字節。當數據字段的長度小於 46 字節時，應在數據字段的后面加入整數字節的填充字段，以保證以太網的 MAC 幀長不小於 64 字節。
MAC 地址表
交換機有轉發以太網幀的任務，幀會從交換機的某個端口進入，然后從某個端口送出。交換機為了知道要使用哪個端口傳送幀，就需要先知道每個端口上連接了哪些設備。當交換機獲取了端口和設備的關系之后，就會在可編址內存 (CAM) 表中構建一個 MAC 地址表，MAC 地址表將記錄每個端口及其相連的設備的 MAC 地址。
MAC 地址學習
MAC 地址表學習 MAC 地址的方式是，檢查幀的源 MAC 地址。如果源 MAC 地址不存在於 MAC 地址表中，由於交換機顯然知道幀是從哪個接口傳入的，因此可以將端口和傳入的幀的源地址作為一個映射，加入 MAC 地址中。如果源 MAC 地址已經存在與 MAC 地址表中，則交換機會更新該條目的刷新計時器。MAC 地址表的條目只會存在一段時間，以此來應對物理設備的加入和離開問題。
轉發
以太網幀的轉發是通過檢查目標 MAC 地址實現的，如果目標 MAC 地址為單播地址，該交換機會查找幀中的目的 MAC 地址和 MAC 地址表條目的匹配項。若表中存在目的 MAC 地址，因為 MAC 地址是用來標識設備的，因此說明知道了設備的所在之處，此時交換機會從到達該設備的端口把幀轉發出去。如果表中不存在目的 MAC 地址，交換機會從出了傳入端口外的所有端口轉發出去，這個過程也可以成為未知單播。
轉發的方式有存儲轉發和直通交換 2 種。
存儲轉發
存儲轉發的方式是先把幀存起來，進行對幀的錯誤檢測后，根據檢測的結果決定轉發的策略。查錯的方式是循環冗余檢測 (CRC)，交換機會將幀的最后一個字段中的幀校驗序列 (FCS)值和自己算出來的 FCS 進行比較。如果幀沒有錯誤則對幀進行轉發，否則就丟棄。
存儲轉發可以實現自動緩沖的功能，交換機會使用入口端口緩沖進程，以此支持任意組合的以太網速度。如果入口端口和出口端口的速率不匹配，則交換機會先將整個幀存儲於緩沖區，FCS 檢查之后再將幀轉發到出口端口緩沖區后再發送出去。
直通交換
直通交換相比存儲轉發，具有快速轉發的特點。直通交換時交換機一旦在 MAC 地址表中查出幀的目的 MAC 地址，就會馬上做出轉發決策。由於直通交換是直接轉發，因此不會對幀進行查錯檢測，因此這種方式會導致轉發無效幀。如果網絡中的無效幀很多，會導致對帶寬的負面影響。直通交換還可以實現免分片交換，交換機在轉發幀之前會等待沖突窗口 (64 字節) 通過。
CSMA/CD 協議
以太網發生持續的嚴重沖突時，會導致延遲、擁塞和低吞吐量。以太網采用的 CSMA/CD (載波監聽多點接入/碰撞檢測)協議來協調資源，它可以幫助設備均勻地共享帶寬，可以避免兩台設備同時在網絡介質上傳輸數據。
當主機想要通過網絡傳輸數據時，在發送數據之前必須先檢測信道。若檢測到信道忙，則應不停地檢測一直等待信道轉為空閑，若檢測到信道空閑就開始傳輸數據。但是 CSMA/CD 協議還沒結束，它在發送過程中仍不停地檢測信道，確保沒有其他主機開始傳輸。如果該主機在線路上檢測到其他信號，它將發送一個拓展的擁堵信號，使網段上的所有節點都不再發送數據。檢測到擁堵信號之后，其他節點使用后退算法，等待一段時間再嘗試傳輸。但若傳輸達 16 次仍不能成功，則停止傳輸而向上報錯。
半雙工與全雙工
半雙工以太網最初在 IEEE 802.3 規范中定義，思科認為半雙工以太網只使用一對導線，數字信號將在導線中雙向傳輸。半雙工以太網使用 CSMA/CD 協議幫助防范沖突，並在發送沖突時支持重傳。
全雙工以太網同時使用兩對導線，在傳輸設備的發送和接受裝置之間，全雙工使用一條點對點連接。使用全雙工是數據的傳輸速度比半雙工快，而且不會發生沖突。同時每個全雙工節點都必須有一個專用的交換機端口，主機的網卡和交換機端口都必須在全雙工模式下運行。
全雙工以太網應用於如下情況：
- 交換機到主機；
- 交換機到交換機；
- 主機到主機；
- 交換機到路由器；
- 路由器到路由器；
- 路由器到主機。
半雙工以太網只有一個沖突域，其有效吞吐量比全雙工以太網低。在全雙工以太網中，通常每個端口都對應一個獨立的沖突域。除了集線器，其他所有設備都可以在全雙工模式下運行。
使用設備拓展以太網
以太網布線
以太網使用直通電纜、交叉電纜和反轉電纜來布線。
直通電纜
直通電纜用於主機到交換機或集線器，和路由器到交換機或集線器的連接。這種電纜只能用於以太網，不能用於語音網絡、其他 LAN 和 WAN。直通電纜使用 4 根導線連接以太網設備：
交叉電纜
交叉電纜用於連接以下情況：
- 交換機到交換機；
- 集線器到集線器；
- 主機到主機；
- 集線器到交換機；
- 路由器到主機；
- 路由器到路由器。
反轉電纜
反轉電纜不用於組件以太網，但是可以將主機的 EIA-TIA 232 接口連接到路由器的串行通信 (COM) 接口。
物理層拓展
傳統以太網最初是使用粗同軸電纜，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。采用雙絞線的以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了集線器。
1990 年，IEEE 制定出星形以太網 10BASE-T 的標准 802.3i。這種 10 Mbit/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網的出現，既降低了成本又提高了可靠性，具有很高的性價比。10BASE-T 雙絞線以太網的出現后，從此以太網的拓撲就從總線形變為更加方便的星形網絡，它為以太網在局域網中的統治地位奠定了牢固的基礎。
鏈路層拓展
擴展以太網更常用的方法是在數據鏈路層進行，早期使用網橋，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發和過濾。當網橋收到一個幀時，並不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個接口，或把它丟棄。現在使用以太網交換機，以太網交換機可以暫時看做是多接口的網橋。
早期以太網采用無源的總線結構，現在采用以太網交換機的星形結構成為以太網的首選拓撲。總線以太網使用 CSMA/CD 協議，以半雙工方式工作。而以太網交換機不使用共享總線，沒有碰撞問題，因此不使用 CSMA/CD 協議，而是以全雙工方式工作。但仍然采用以太網的幀結構，因此以太網並沒有改名。
參考資料
《CCNA 學習指南(第 7 版)》，[美] Todd Lammle 著，袁國忠 徐宏 譯，人民郵電出版社
《計算機網絡(第七版)》 謝希仁 著，電子工業出版社
鏈路層：以太網
鏈路層：MAC 地址
鏈路層：CSMA/CD 協議