3.2 以太网协议
3.2.1 以太网的产生、发展及分类
在数据链路层使用较多的是以太网协议。以太网诞生后，凭借其低廉的价格、易组网性、灵活的组网方式以及较好的传输性能，逐渐击败了FDDI（光纤分布数据接口）网、Token Ring（令牌环）网等竞争对手，在局域网中占据了统治性的市场份额。
以太网的发展从最初的10Mbit/s以太网发展到目前最高速率的10Gbit/s以太网，其网络速率、网络拓扑结构、传输介质都有多种类型，在IEEE 802.3标准中，对以太网进行了定义和分类，目前主要的以太网种类如下。
1.标准以太网（Ethernet）
早期的10Mbit/s以太网称之为标准以太网或传统以太网。标准以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，在IEEE 802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，如表3-1所示。
表3-1 标准以太网IEEE 802.3分类标准
该分类标准的命名表示方法为：
[数据传输速率（Mbit/s）][信号方式]-[最大传输距离（百米）或者传输介质]
例如，“10Base-5”中“10”表示传输速率为10Mbit/s，“Base”表示基带传输，“5”表示最大段长为500m；“10Base-T”中“T”表示双绞线，“10Base-F”中“F”表示光纤。
2.快速以太网（Fast Ethernet）
随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。1993年10月，Grand Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fastch10/100和网络接口卡FastNIC100 ，快速以太网技术正式得以应用与此同时， IEEE802工程组于1995年3月宣布了IEEE 802.3u快速以太网标准。
目前常用的快速以太网标准如表3-2所示。
表3-2 快速以太网IEEE 802.3分类标准
由于快速以太网是从标准以太网发展而来，并且保留了IEEE 802.3的帧格式，所以10Mbit/s标准以太网可以平滑地过渡到100Mbit/s快速以太网。目前快速以太网中使用最多的标准是100Base-TX。
3.千兆位以太网（Gigabit Ethernet）
随着多媒体技术、高性能分布计算和视频应用等的不断发展，用户对局域网的带宽提出了越来越高的要求；同时，100Mbit/s快速以太网也要求在主干网、服务器一级要有更高的带宽。在这种需求背景下人们开始酝酿速度更高的以太网技术。1996年3月IEEE 802委员会成立了工作组负责千兆位以太网及其标准，并于在1998年6月正式公布关于千兆位以太网的标准。
千兆位以太网标准是对以太网技术的再次扩展，其数据传输率为1000Mbit/s ，即1Gbit/s，因此也称吉比特以太网。千兆位以太网基本保留了原有以太网的帧结构、全/半双工工作方式、流控模式，所以和标准以太网、快速以太网完全兼容。其最大优点是继承了传统以太网价格便宜的优点，从而使原有标准以太网、快速以太网可以方便地升级到千兆位以太网。
此外，千兆位以太网标准将支持最大距离为550m的多模光纤、最大距离为70km的单模光纤和最大距离为100m的同轴电缆，从而使其可以既可以应用于局域网，也可以应用于城域网及广域网。目前常用的千兆位以太网标准如表3-3所示。
表3-3 千兆位以太网IEEE 802.3分类标准
（续）
千兆位以太网目前主要被用于局域网中的骨干网以及城域网，从传输距离长短可以看出各类千兆位以太网的用途，一般城域网可以采用1000BASE-LX，园区或楼宇内部可以使用1000BASE-SX或1000BASE-T，机房内部可以使用1000BASE-CX。
4.万兆位以太网（10Gigabit Ethernet）
为了将以太网技术更好地应用于局域网和广域网，IEEE于1999年底成立了IEEE 802.3ae工作组进行万兆位以太网技术的研究，并于2002年正式发布IEEE 802.3ae标准。万兆位以太网不仅再度扩展了以太网的带宽和传输距离，更重要的是使得以太网从局域网领域向广域网领域渗透。万兆以太网的IEEE 802.3ae标准在物理层只支持光纤作为传输介质，目前我国很多综合性大学校园网的骨干网就采用了万兆位以太网技术。
思考：小明的计算机在宿舍中使用一根双绞线上网，查看本地连接状态如图3-4所示，显示速度为100Mbit/s，请问小明的计算机使用的是哪种以太网？小明使用宽带助手测了一下网速，如图3-5所示，并没有达到100Mbit/s，请问是为什么？
图3-4 本地连接状态
图3-5 宽带测速结果
3.2.2 Mac地址
Mac（Media access control ，介质访问控制）地址是以太网中的物理地址（Physical Address），是烧录在网卡等网络组件芯片里的硬件地址，长度为48bit。一般用十六进制表示，例如48位二进制110101000010100010100100100011101001100101001011，用十六进制表示为D428A48E994B，相应的Mac地址写为D428.A48E.994B或D4-28-A4-8E-99-4B。
Mac地址的48位分为两部分，其中0～23位为组织标志符，代表网卡或其芯片生产厂商， 24～47位是由厂商自己分配。例如Mac地址00-90-27-99-11-cc，其中前6个十六进制（即二进制的0～23位）00-90-27表示该网卡由Intel公司生产，相应的网卡序列号为99-11-cc （24～47位）。
Mac地址就如同我们身份证上的身份证号码，具有全球唯一性。世界上任何两块网卡的Mac地址都是不一样的。因此在数据链路层通过Mac地址来识别主机。（为什么不是物理层呢？因为物理层只能识别比特流，即什么信号代表0、什么信号代表1，物理层并不解释若干0或1组合在一起的含义）。
在UNIX/Linux主机上可以通过ipconfig命令查看网卡的Mac地址，在Windows主机上可以通过ipconfig/all命令查看网卡的Mac地址，如图3-6所示。
图3-6 通过ipconfig/all命令查看网卡Mac地址
除了网卡以外，所有接入以太网的硬件都需要Mac地址。例如路由器等网络设备的接口、手机、IP摄像头也有自己的Mac地址，Android系统手机的Mac地址在其设置中可以找到，如图3-7所示。
图3-7 查看手机Mac地址
3.2.3 以太网帧格式
以太网帧格式如图3-8所示。
图3-8 以太网帧格式
各字段含义如下。
1）目的Mac地址：下一跳的Mac地址，帧每经过一跳（即每经过一台网络设备如交换机）该地址会被替换，直到最后一跳被替换为接收端的Mac地址。
2）源Mac地址：发送端Mac地址。
3）类型：用来指出以太网帧内所含的上层协议。例如，如果上层是IP，该字段值是0x0800；如果上层是ARP，以太类型字段的值是0x0806。
4）数据：从上层或下层传来的有效数据，如果少于46个字节，必须增补到46个字节。
5）校验码：CRC校验码，校验数据在传输过程中是否出错。
从以太网帧格式可以看出，Mac地址在以太网中起了很重要的角色，以太网的寻址过程主要通过Mac地址实现。