Si2C

Appearance

以太网与交换机 ​

概念 ​

以太网（Ethernet）是当今占绝对主导地位的局域网技术标准（IEEE 802.3），它用 CSMA/CD 在共享介质上跑，用 48 位 MAC 地址标识站点。

一句话说清它是什么：以太网 = "规则最简单、最便宜、最能兼容升级"的那套局域网做法——它从 1970 年代的 2.94 Mbps 共享总线，一路演进到今天的万兆全双工交换式网络，靠的就是"不推倒重来"。

"以太"这个名字的来历：早期物理学假设光传播需要一种介质，叫"以太"（ether）——以太网的设计者把"数据靠电磁波在以太里传播"这个意象借了过来。 今天以太当然不存在，但名字留下了。

以太网的三个关键特征（贯穿全章）：

特征说明
无连接、不可靠发送前不建立连接；接收方校验失败就直接丢帧，不通知发送方、也不要求重传——可靠性交给上层（TCP）保证
用 MAC 地址寻址48 位平面地址，与"位置"无关（对比 IP 地址是"层次地址"，见 net/30-ip.md）
曼彻斯特编码起步10BASE-T 用曼彻斯特编码，所以需要 20 MHz 带宽（见 net/10-physical.md）

⚠️ "以太网不保证可靠"是常考的一句结论：收到坏帧就悄悄丢掉，是"端到端原则"的体现——链路层只管"尽量送"，端到端的可靠性由 TCP 负责（这样中间设备才能做得很便宜、很快）。

与上一章（net/23-csma.md）的衔接：上一章讲"共享信道怎么抢"，本章讲"抢到之后这个帧长什么样、交换机怎么把它送到该去的地方"——上一章的"最小帧 64 B"在本章变成"帧长合法性检查"的第一条规则。

原理 ​

一、以太网的演进：从共享总线到全双工交换 ​

命名规则："速率 + BASE（基带）+ 介质/距离"——例如 10BASE-T 读作"10 Mbps、基带传输、双绞线"。

标准速率介质 / 拓扑编码最大网段备注
10BASE-510 Mbps粗同轴，总线曼彻斯特500 m早期骨干
10BASE-210 Mbps细同轴，总线曼彻斯特185 m便宜，俗称"细缆"
10BASE-T10 Mbps双绞线，星型（集线器）曼彻斯特（需 20 MHz）100 m站点改用双绞线接集线器
100BASE-TX100 Mbps双绞线（Cat5），星型（交换机）4B/5B100 m快速以太网；争用期缩到 5.12 μs
1000BASE-T1000 Mbps双绞线（Cat5e/6）8B/10B 类100 m千兆；全双工为主
10GBASE-T10 Gbps双绞线（Cat6a/7）复杂编码100 m万兆；全双工，不再用 CSMA/CD

⚠️ 三个阶段的分水岭：

  1. 总线时代：同轴电缆一根到底，所有站共享 10 Mbps，冲突频繁——这是"共享式以太网"。
  2. 集线器时代（10BASE-T）：拓扑变成星型，但集线器是物理层设备，内部仍是"共享总线"，冲突依旧。
  3. 交换机时代（100BASE-TX 之后）：交换机按 MAC 地址转发、每个端口独享带宽；全双工模式下端口之间根本不会冲突，CSMA/CD 退居次要地位——这是"交换式以太网"，也是今天的样子。

"编码方式"与速率的配合关系（回顾 net/10-physical.md）：曼彻斯特效率 50% → 10 Mbps 需 20 MHz 带宽；4B/5B 效率 80% → 100 Mbps 需 125 MBaud——"为什么 100BASE-TX 用 4B/5B 而不是曼彻斯特"的答案就是"双绞线的可用带宽不够"（20 MHz 已经是极限，200 MHz 拿不出来）。

二、MAC 地址：48 位平面地址 ​

MAC 地址（物理地址）长 48 位（6 B），通常写成 12 个十六进制数、用连字符或冒号分隔，例如 00-0C-29-11-22-33。

text
   48 位 MAC 地址 = 前 24 位 组织唯一标识符 OUI  +  后 24 位 厂商自行分配
   ┌────────────────────────────┬──────────────────────────┐
   │   OUI (由 IEEE 统一分配)   │   厂商分配的序列号        │
   └────────────────────────────┴──────────────────────────┘

★ 单播 / 组播 / 广播的判别（必背）：

类型判别方法例子
单播（unicast）首字节的最低有效位 = 000-0C-29-11-22-33
组播（multicast）首字节的最低有效位 = 101-00-5E-00-00-01
广播（broadcast）48 位全 1FF-FF-FF-FF-FF-FF

适配器（网卡）收到一个帧时的判断次序：

text
   ① 目的地址是广播 FF-FF-FF-FF-FF-FF        -> 收下, 交上层
   ② 目的地址与本机 MAC 完全相同              -> 收下, 交上层
   ③ 目的地址是组播地址且本机已加入该组        -> 收下, 交上层
   ④ 其余情况                                 -> 直接丢弃, 不交上层

⚠️ 三条关于 MAC 地址的常见考点：

  1. MAC 地址不是"位置"，而是"身份"——网卡换到哪台机器、哪个网络，MAC 都不变（不像 IP 地址会随接入网络变化）。 这一点是"平面地址 vs 层次地址"的最直观对照。
  2. 广播地址只有"全 1"这一种，与网络号无关——因为 MAC 是平面地址，没有"网络"这个概念。
  3. MAC 地址由 IEEE 统一分配 OUI，保证全球唯一——但"唯一"是"出厂时唯一"，软件可以改（这也是"MAC 地址欺骗"的原理）。

三、以太网帧格式：Ethernet V2 的七个字段 ​

帧格式（Ethernet V2 / DIX Ethernet，必背）：

text
   ┌─────────┬──────┬───────────┬───────────┬────────┬───────────────┬─────────┐
   │ 前导码  │ SFD  │  目的 MAC │  源 MAC   │  类型  │     数据      │   FCS   │
   │  7 B    │ 1 B  │   6 B     │   6 B     │  2 B   │  46 ~ 1500 B  │   4 B   │
   └─────────┴──────┴───────────┴───────────┴────────┴───────────────┴─────────┘
    └── 物理层同步开销, 不计入帧长 ──┘└──────────── 帧长 = 64 ~ 1518 B ───────────┘
                                          └── 首部 14 B ──┘         └ 尾部 4 B ┘
字段长度作用
前导码（preamble）7 B10101010 重复 7 次，让接收方的时钟与发送方同步——不计入帧长
SFD（帧开始定界符）1 B10101011，最后一个 11 表示"帧正式开始了"——不计入帧长
目的 MAC6 B接收方的物理地址
源 MAC6 B发送方的物理地址
类型（type）2 B上层协议：0x0800 = IP、0x0806 = ARP、0x86DD = IPv6（≥ 0x0600 = 1536 视为"类型"，小于它则按 IEEE 802.3 当作"长度"）
数据46 ~ 1500 B上层载荷；不足 46 B 必须填充（padding）
FCS4 BCRC-32 校验码（见 net/21-error.md 与 net/20-framing.md）

★ 合法性规则（必背）：

约束值来历
帧长下限64 B2τ×C=51.2 μs×10 Mbps=512 bit（见 net/23-csma.md）
帧长上限1518 BMTU 1500 + 14 + 4
数据下限46 B64 − 14 − 4
数据上限1500 B= MTU

四种"无效帧"（收到就丢，不转发）：

text
   ① 帧长 < 64 B        —— 太短, 可能是一段"冲突碎片"(runt)
   ② 帧长 > 1518 B      —— 超长帧 (giant), 可能是发送方故障
   ③ FCS 校验失败       —— 传输过程中出了位错
   ④ 数据长度不是整数个字节 —— 位丢失造成的帧结构错误

⚠️ "为什么以太网要规定最小帧 64 B"这一条要连着物理意义一起记：因为"帧的发送时间必须 ≥ 争用期"，否则"帧已经发完了，冲突信号还在路上"——发送方会误以为发送成功，而接收方收到的是一段被破坏的碎片。 所以"长度 < 64 B 的帧一律视为冲突碎片直接丢弃"——反过来，"收满 64 B 还没有检测到冲突"就说明"抢道成功"了。

"以太网帧效率"锚点（与 net/01-architecture.md 的 58 B 开销口径一致）：

数据长度帧长帧效率
46 B（最小）64 B71.88%
100 B118 B84.75%
512 B530 B96.60%
1024 B1042 B98.27%
1500 B（最大）1518 B98.81%

四、交换机：按 MAC 地址转发，自己学会地址表 ​

交换机（switch）就是"多端口的网桥"，工作在数据链路层，按 MAC 地址决定"从哪个端口转发出去"。

★ MAC 地址表（转发表）的自学习过程（本节核心）：

text
   交换机启动时转发表是空的。每收到一个帧, 就做两件事:

   ① 学习(记录源地址): 把"源 MAC + 收到该帧的端口号"写进转发表
        —— 理由: 这个帧既然从端口 1 进来, 说明这个源地址就在端口 1 那一侧

   ② 转发(查目的地址):
        转发表里有目的地址, 且与入端口不同 -> 只从该端口转发(单播)
        转发表里有目的地址, 但就是入端口本身 -> 丢弃(它在同一侧, 不需要过交换机)
        转发表里没有目的地址                -> 泛洪(flooding): 从除入端口外的所有端口发出去

★ 自学习演算（锚点：4 台主机 A/B/C/D 接在交换机端口 1/2/3/4，依次发生 6 次通信）：

次序事件学习动作转发动作
①A（端口 1）发给 B学习 A → 端口 1表里没有 B → 泛洪（除端口 1 外全部）
②B（端口 2）发给 A学习 B → 端口 2表里有 A → 只从端口 1 转发
③C（端口 3）发给 A学习 C → 端口 3表里有 A → 只从端口 1 转发
④A（端口 1）发给 CA 已在表中且一致 → 不更新表里有 C → 只从端口 3 转发
⑤D（端口 4）发给 C学习 D → 端口 4表里有 C → 只从端口 3 转发
⑥C（端口 3）发给 DC 已在表中且一致 → 不更新表里有 D → 只从端口 4 转发

最终转发表：A → 1、B → 2、C → 3、D → 4。

⚠️ 三个易错点：

  1. 只有第 ① 次是泛洪，之后都变成"定向转发"——这就是"自学习"的收益：交换机不需要人工配置，用着用着就全知道了。
  2. "源地址学习"与"目的地址转发"是两件独立的事——即使这个帧最后被丢弃（比如目的地址就在入端口一侧），源地址也已经学到了。
  3. 转发表条目会"老化"（默认 300 s）——因为主机可能换端口（插到别的口上），必须让旧条目过期，否则会转发到错的端口。

三种转发模式（时延差异是本节的量化锚点）：

模式什么时候开始转发时延（100 Mbps，1518 B 帧）能过滤错帧吗
存储转发（store-and-forward）收完整个帧、校验通过后121.44 μs（1518 B 全部收完）能
直通（cut-through）只读了目的 MAC（前 6 B）就转发0.48 μs（6 B）不能（错帧也照转）
无碎片（fragment-free）收满 64 B 后转发5.12 μs（64 B）能过滤冲突碎片

⚠️ 121.44 μs 与 0.48 μs 相差 253 倍，这个对比最能说明"为什么直通交换机适合高性能场景"：代价是"错帧也会被转发出去"，把纠错的负担推给了终端——所以高端交换机通常"可在两种模式间配置"。

交换机与集线器的"带宽账"：

设备24 端口 / 1 Gbps 时说明
集线器所有端口共享 1 Gbps——24 台机器平均每人 41.67 Mbps物理层设备，同一时刻只能有一个端口发
交换机（半双工）每端口 1 Gbps，总容量 24 Gbps每个端口是一个独立冲突域
交换机（全双工）每端口同时收发 1 Gbps，总容量 48 Gbps全双工下无冲突，不需要 CSMA/CD

⚠️ "全双工"是以太网历史上的分水岭：它让"共享信道"变成了"点对点专线"，从根本上取消了冲突——今天机房里的以太网基本都是全双工，CSMA/CD 只在"半双工 + 共享介质"的历史场景里还写着。

生成树协议（STP）：交换机之间若接成环，广播帧会无限循环（广播风暴）、转发表也会被搅乱——STP 通过"选举根桥 + 阻塞冗余端口"把有环拓扑逻辑上变成一棵树（物理上仍有备用链路，某条断了才启用）。

五、冲突域与广播域：三设备对照 ​

设备工作层看得懂哪种地址隔离冲突域隔离广播域
集线器（hub）物理层看不懂任何地址不能不能
网桥 / 交换机数据链路层MAC 地址能（每端口一个冲突域）不能（除非划 VLAN）
路由器网络层IP 地址能能

计数法（必背口诀）：

text
   冲突域: 交换机每个端口 = 1 个;  集线器整机 = 1 个(内部共享)
   广播域: 路由器每个接口 = 1 个;  交换机/集线器不切分(除非 VLAN)

★ 锚点例：1 台交换机，3 个端口各接 1 台集线器，每台集线器接 4 台主机。

text
   冲突域 = 3 个   (每台集线器整机算 1 个; 交换机与集线器相连的 3 条链路各属于对应集线器的那个域)
   广播域 = 1 个   (交换机和集线器都不切分广播域, 全网是一个)
   主机数 = 12 台

★ 再一个复合例：1 台路由器下挂 2 台交换机，每台交换机各接 2 台集线器，每台集线器接 3 台主机。

text
   冲突域 = 2 台交换机 × 2 台集线器 = 4 个(集线器侧)  + 1 个(两台交换机之间的链路) = 5 个
   广播域 = 2 个   (路由器每个接口切出一个广播域: 左侧交换机一片, 右侧交换机一片)
   主机数 = 2 × 2 × 3 = 12 台

⚠️ "两台交换机之间的那条链路也算一个冲突域"是本题最容易漏的一处：因为那条链路两端都是交换机的端口，各自构成一个冲突域（只有"点到点全双工链路"在物理上不存在冲突，但按教材口径仍计入冲突域计数）。做题时以题目给定拓扑逐段数，别凭印象。

示例 ​

例 1：C 实现——帧字段解析与帧长合法性检查 ​

参数：三个帧的目的/源 MAC、类型（0x0800 IP / 0x0806 ARP / 0x86DD IPv6）与数据长度；另用 7 个帧长做合法性判定。

#include <stdio.h>

/* 以太网帧长合法性: 不含前导码与 SFD, 必须在 64 ~ 1518 B */
int check_len(int len) {
    if (len < 64)   return -1;      /* 太短: 可能是冲突碎片      */
    if (len > 1518) return -2;      /* 太长: 超长帧              */
    return 0;
}

int main(void) {
    const char *dst[3] = {"00-1A-2B-3C-4D-5E", "FF-FF-FF-FF-FF-FF", "01-00-5E-00-00-01"};
    const char *src[3] = {"00-0C-29-11-22-33", "00-0C-29-11-22-33", "00-0C-29-11-22-33"};
    int type[3] = {0x0800, 0x0806, 0x86DD};      /* IP / ARP / IPv6 */
    const char *tn[3] = {"IP", "ARP", "IPv6"};
    int data[3] = {1500, 46, 1000};
    int lens[7] = {64, 46, 63, 1518, 1519, 2000, 512};
    int i, len, r;

    printf("① 以太网帧字段与帧长 (首部 14 B + 数据 + FCS 4 B)\n");
    printf("   %-18s %-18s %-6s %-6s %-7s %-7s\n",
           "DST MAC", "SRC MAC", "TYPE", "NET", "DATA", "FRAME");
    for (i = 0; i < 3; i++) {
        len = 14 + data[i] + 4;
        printf("   %-18s %-18s %04X   %-6s %4d B  %4d B\n",
               dst[i], src[i], type[i], tn[i], data[i], len);
    }
    printf("   前导码 7 B + SFD 1 B 不计入帧长; 数据不足 46 B 要填充\n");

    printf("\n② 帧长合法性检查\n");
    for (i = 0; i < 7; i++) {
        r = check_len(lens[i]);
        printf("   帧长 %4d B -> %s\n", lens[i],
               r == 0  ? "合法"
             : r == -1 ? "非法: 小于最小帧 64 B (冲突碎片)"
                       : "非法: 超过最大帧 1518 B (超长帧)");
    }

    printf("\n③ 三设备对两个域的隔离能力 (判据: 看得懂哪种地址)\n");
    printf("   集线器  物理层   : 隔离冲突域 不能   隔离广播域 不能\n");
    printf("   交换机  链路层   : 隔离冲突域 能     隔离广播域 不能\n");
    printf("   路由器  网络层   : 隔离冲突域 能     隔离广播域 能\n");
    printf("\n④ 三种转发模式的时延 (100 Mbps, 1518 B 帧)\n");
    printf("   存储转发: 收完整帧 %.2f us   直通: 只看前 6 B %.2f us   无碎片: 收满 64 B %.2f us\n",
           1518 * 8 / 100.0, 6 * 8 / 100.0, 64 * 8 / 100.0);
    return 0;
}
c 本站为静态站，不提供在线运行；可复制到本地用 gcc / python 执行

预期输出：

① 以太网帧字段与帧长 (首部 14 B + 数据 + FCS 4 B)
   DST MAC            SRC MAC            TYPE   NET    DATA    FRAME  
   00-1A-2B-3C-4D-5E  00-0C-29-11-22-33  0800   IP     1500 B  1518 B
   FF-FF-FF-FF-FF-FF  00-0C-29-11-22-33  0806   ARP      46 B    64 B
   01-00-5E-00-00-01  00-0C-29-11-22-33  86DD   IPv6   1000 B  1018 B
   前导码 7 B + SFD 1 B 不计入帧长; 数据不足 46 B 要填充

② 帧长合法性检查
   帧长   64 B -> 合法
   帧长   46 B -> 非法: 小于最小帧 64 B (冲突碎片)
   帧长   63 B -> 非法: 小于最小帧 64 B (冲突碎片)
   帧长 1518 B -> 合法
   帧长 1519 B -> 非法: 超过最大帧 1518 B (超长帧)
   帧长 2000 B -> 非法: 超过最大帧 1518 B (超长帧)
   帧长  512 B -> 合法

③ 三设备对两个域的隔离能力 (判据: 看得懂哪种地址)
   集线器  物理层   : 隔离冲突域 不能   隔离广播域 不能
   交换机  链路层   : 隔离冲突域 能     隔离广播域 不能
   路由器  网络层   : 隔离冲突域 能     隔离广播域 能

④ 三种转发模式的时延 (100 Mbps, 1518 B 帧)
   存储转发: 收完整帧 121.44 us   直通: 只看前 6 B 0.48 us   无碎片: 收满 64 B 5.12 us

⚠️ 三点说明：

  1. 本机无 C 编译器：此段代码逐行人工审查，并用等价的 Python 实现实跑核对，输出 23 行逐字一致。
  2. %04X 把类型字段打成 4 位十六进制（0800）而不是 0x800：以太网类型字段惯例写成 4 位十六进制、去掉 0x 前缀——%X 会丢掉前导 0，必须用 %04X。
  3. 表头用 ASCII（DST MAC / SRC MAC / TYPE / NET）而不是中文：C 的 %-18s 按字节补齐，一个汉字占 3 字节、显示却只有 2 列——用中文做表头必然列错位（这与 net/10-physical.md 把编码名写成 NRZ / Manchester 是同一条纪律）。中文表头写在正文的表格里即可。
  4. 时延用的是"μs = 比特数 / 100"这个快捷算法：因为 100 Mbps 下 1 比特 = 0.01 μs——1518×8=12144 bit，12144×0.01=121.44 μs。 换成 1 Gbps 就把除数改成 1000。

例 2：Python——帧结构、自学习、冲突域与转发时延 ​

def pad(s, w):
    """按"显示宽度"补空格: 中文算 2 列, 否则终端里对不齐"""
    return s + ' ' * max(0, w - sum(2 if ord(c) > 0x2000 else 1 for c in s))


print('=== ① 以太网演进与命名 (速率 + BASE + 介质) ===')
print('  ' + pad('标准', 14) + pad('速率', 10) + pad('编码', 22) + pad('网段', 10) + '要点')
for nm, rate, code, seg, note in [('10BASE-5', '10M', '曼彻斯特', '500 m', '粗同轴总线'),
                                 ('10BASE-2', '10M', '曼彻斯特', '185 m', '细同轴总线'),
                                 ('10BASE-T', '10M', '曼彻斯特(20 MHz)', '100 m', '双绞线 + 集线器'),
                                 ('100BASE-TX', '100M', '4B/5B', '100 m', '快速以太网'),
                                 ('1000BASE-T', '1G', '8B/10B 类', '100 m', '千兆, 全双工为主'),
                                 ('10GBASE-T', '10G', '复杂编码', '100 m', '万兆, 不用 CSMA/CD')]:
    print('  ' + pad(nm, 14) + pad(rate, 10) + pad(code, 22) + pad(seg, 10) + note)
print()

print('=== ② MAC 地址: 48 位 = 24 位 OUI + 24 位厂商号 ===')
print('  ' + pad('类型', 10) + pad('判别方法', 34) + '例子')
for t, how, ex in [('单播', '首字节最低有效位 = 0', '00-1A-2B-3C-4D-5E'),
                   ('组播', '首字节最低有效位 = 1', '01-00-5E-00-00-01'),
                   ('广播', '48 位全 1', 'FF-FF-FF-FF-FF-FF')]:
    print('  ' + pad(t, 10) + pad(how, 34) + ex)
def kind(mac):
    b = int(mac.split('-')[0], 16)
    if mac.replace('-', '').upper() == 'FFFFFFFFFFFF':
        return '广播'
    return '组播' if b & 1 else '单播'
for m in ['00-1A-2B-3C-4D-5E', '01-00-5E-00-00-01', 'FF-FF-FF-FF-FF-FF', '03-00-5E-00-00-01']:
    print('   实测 %s -> %s' % (m, kind(m)))
print('  ★ MAC 是"平面地址": 换网络不变, 与位置无关(对比 IP 是层次地址)')
print()

print('=== ③ 帧格式与帧长 ===')
print('  前导码 7 B + SFD 1 B (不计入帧长) | 目的 6 + 源 6 + 类型 2 | 数据 46~1500 | FCS 4')
print('  ' + pad('数据长度', 12) + pad('帧长', 10) + pad('开销占比', 12) + '帧效率')
for n in [46, 100, 512, 1024, 1500]:
    print('  ' + pad('%d B' % n, 12) + pad('%d B' % (n + 18), 10)
          + pad('%.2f%%' % (18 * 100.0 / (n + 18)), 12) + '%.2f%%' % (n * 100.0 / (n + 18)))
print('  类型字段: 0800 = IP, 0806 = ARP, 86DD = IPv6;  >= 0600 视为"类型"')
print()

print('=== ④ 四种无效帧 ===')
for a, b in [('帧长 < 64 B', '太短, 可能是冲突碎片 (runt)'), ('帧长 > 1518 B', '超长帧 (giant)'),
             ('FCS 校验失败', '传输中出现位错'), ('数据非整数字节', '位丢失造成的结构错误')]:
    print('  ' + pad(a, 20) + b)
print('  ★ 收到无效帧一律"直接丢弃、不通知发送方" —— 可靠性交给 TCP')
print()

print('=== ⑤ 交换机 MAC 地址表自学习 (A/B/C/D 接端口 1/2/3/4) ===')
seq = [('A', 'B', 1), ('B', 'A', 2), ('C', 'A', 3), ('A', 'C', 1),
       ('D', 'C', 4), ('C', 'D', 3)]
tbl = {}
for i, (s, d, p) in enumerate(seq, 1):
    if s in tbl:
        learn = '源 %s 已在表中(端口 %d), %s' % (s, tbl[s], '一致' if tbl[s] == p else '更新')
    else:
        learn = '学习 %s -> 端口 %d' % (s, p)
    tbl[s] = p
    if d in tbl and tbl[d] != p:
        fwd = '只从端口 %d 转发' % tbl[d]
    elif d in tbl:
        fwd = '丢弃(目的与源同侧)'
    else:
        fwd = '泛洪(除端口 %d 外全部)' % p
    print('  %d. %s(端口 %d) 发给 %s: %s;  %s' % (i, s, p, d, learn, fwd))
print('  最终转发表: ' + ', '.join('%s -> 端口 %d' % (k, tbl[k]) for k in sorted(tbl)))
print('  ★ 只有第 1 次泛洪, 之后都定向转发; 条目老化时间默认 300 s')
print()

print('=== ⑥ 三种转发模式 (100 Mbps, 1518 B 帧) ===')
print('  ' + pad('模式', 20) + pad('何时开始转发', 26) + pad('时延', 14) + '能否过滤错帧')
for nm, when, bits, ok in [('存储转发', '收完整个帧并校验', 1518 * 8, '能'),
                           ('直通', '只读了目的 MAC(前 6 B)', 6 * 8, '不能'),
                           ('无碎片', '收满 64 B', 64 * 8, '能(过滤冲突碎片)')]:
    print('  ' + pad(nm, 20) + pad(when, 26) + pad('%.2f us' % (bits / 100.0), 14) + ok)
print('  ★ 直通比存储转发快约 253 倍(121.44 / 0.48) —— 代价是错帧也照转')
print()

print('=== ⑦ 冲突域 / 广播域 ===')
print('  ' + pad('设备', 12) + pad('工作层', 14) + pad('隔离冲突域', 16) + '隔离广播域')
for a, b, c, d in [('集线器', '物理层', '不能', '不能'),
                   ('交换机', '数据链路层', '能(每端口一个)', '不能(除非 VLAN)'),
                   ('路由器', '网络层', '能', '能')]:
    print('  ' + pad(a, 12) + pad(b, 14) + pad(c, 16) + d)
print()
print('  例 1: 1 台交换机 + 3 个端口各接 1 台集线器 + 每台集线器 4 台主机')
print('        冲突域 = 3 (集线器整机算 1 个);  广播域 = 1;  主机 12 台')
print('  例 2: 1 台路由器 + 2 台交换机 + 每台交换机接 2 台集线器 + 每台集线器 3 台主机')
cf = 2 * 2 + 1
print('        冲突域 = %d (4 个集线器侧 + 1 条交换机间链路);  广播域 = 2 (路由器切分);  主机 12 台'
      % cf)
print()

print('=== ⑧ 交换机的带宽账 ===')
print('  ' + pad('配置', 26) + pad('每端口', 18) + pad('总容量', 16) + '说明')
for a, b, c, d in [('集线器 24 口 1 Gbps', '平均 41.67 Mbps', '共享 1 Gbps', '物理层: 同一时刻只有一个口能发'),
                   ('交换机 24 口半双工', '1 Gbps', '24 Gbps', '每端口一个冲突域'),
                   ('交换机 24 口全双工', '收发各 1 Gbps', '48 Gbps', '无冲突, 不需要 CSMA/CD')]:
    print('  ' + pad(a, 26) + pad(b, 18) + pad(c, 16) + d)
print('  ★ 全双工是分水岭: "共享信道"变成"点到点专线", 冲突从根本上消失')
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输出对照（真实运行结果）：

=== ① 以太网演进与命名 (速率 + BASE + 介质) ===
  标准          速率      编码                  网段      要点
  10BASE-5      10M       曼彻斯特              500 m     粗同轴总线
  10BASE-2      10M       曼彻斯特              185 m     细同轴总线
  10BASE-T      10M       曼彻斯特(20 MHz)      100 m     双绞线 + 集线器
  100BASE-TX    100M      4B/5B                 100 m     快速以太网
  1000BASE-T    1G        8B/10B 类             100 m     千兆, 全双工为主
  10GBASE-T     10G       复杂编码              100 m     万兆, 不用 CSMA/CD

=== ② MAC 地址: 48 位 = 24 位 OUI + 24 位厂商号 ===
  类型      判别方法                          例子
  单播      首字节最低有效位 = 0              00-1A-2B-3C-4D-5E
  组播      首字节最低有效位 = 1              01-00-5E-00-00-01
  广播      48 位全 1                         FF-FF-FF-FF-FF-FF
   实测 00-1A-2B-3C-4D-5E -> 单播
   实测 01-00-5E-00-00-01 -> 组播
   实测 FF-FF-FF-FF-FF-FF -> 广播
   实测 03-00-5E-00-00-01 -> 组播
  ★ MAC 是"平面地址": 换网络不变, 与位置无关(对比 IP 是层次地址)

=== ③ 帧格式与帧长 ===
  前导码 7 B + SFD 1 B (不计入帧长) | 目的 6 + 源 6 + 类型 2 | 数据 46~1500 | FCS 4
  数据长度    帧长      开销占比    帧效率
  46 B        64 B      28.12%      71.88%
  100 B       118 B     15.25%      84.75%
  512 B       530 B     3.40%       96.60%
  1024 B      1042 B    1.73%       98.27%
  1500 B      1518 B    1.19%       98.81%
  类型字段: 0800 = IP, 0806 = ARP, 86DD = IPv6;  >= 0600 视为"类型"

=== ④ 四种无效帧 ===
  帧长 < 64 B         太短, 可能是冲突碎片 (runt)
  帧长 > 1518 B       超长帧 (giant)
  FCS 校验失败        传输中出现位错
  数据非整数字节      位丢失造成的结构错误
  ★ 收到无效帧一律"直接丢弃、不通知发送方" —— 可靠性交给 TCP

=== ⑤ 交换机 MAC 地址表自学习 (A/B/C/D 接端口 1/2/3/4) ===
  1. A(端口 1) 发给 B: 学习 A -> 端口 1;  泛洪(除端口 1 外全部)
  2. B(端口 2) 发给 A: 学习 B -> 端口 2;  只从端口 1 转发
  3. C(端口 3) 发给 A: 学习 C -> 端口 3;  只从端口 1 转发
  4. A(端口 1) 发给 C: 源 A 已在表中(端口 1), 一致;  只从端口 3 转发
  5. D(端口 4) 发给 C: 学习 D -> 端口 4;  只从端口 3 转发
  6. C(端口 3) 发给 D: 源 C 已在表中(端口 3), 一致;  只从端口 4 转发
  最终转发表: A -> 端口 1, B -> 端口 2, C -> 端口 3, D -> 端口 4
  ★ 只有第 1 次泛洪, 之后都定向转发; 条目老化时间默认 300 s

=== ⑥ 三种转发模式 (100 Mbps, 1518 B 帧) ===
  模式                何时开始转发              时延          能否过滤错帧
  存储转发            收完整个帧并校验          121.44 us     能
  直通                只读了目的 MAC(前 6 B)    0.48 us       不能
  无碎片              收满 64 B                 5.12 us       能(过滤冲突碎片)
  ★ 直通比存储转发快约 253 倍(121.44 / 0.48) —— 代价是错帧也照转

=== ⑦ 冲突域 / 广播域 ===
  设备        工作层        隔离冲突域      隔离广播域
  集线器      物理层        不能            不能
  交换机      数据链路层    能(每端口一个)  不能(除非 VLAN)
  路由器      网络层        能              能

  例 1: 1 台交换机 + 3 个端口各接 1 台集线器 + 每台集线器 4 台主机
        冲突域 = 3 (集线器整机算 1 个);  广播域 = 1;  主机 12 台
  例 2: 1 台路由器 + 2 台交换机 + 每台交换机接 2 台集线器 + 每台集线器 3 台主机
        冲突域 = 5 (4 个集线器侧 + 1 条交换机间链路);  广播域 = 2 (路由器切分);  主机 12 台

=== ⑧ 交换机的带宽账 ===
  配置                      每端口            总容量          说明
  集线器 24 口 1 Gbps       平均 41.67 Mbps   共享 1 Gbps     物理层: 同一时刻只有一个口能发
  交换机 24 口半双工        1 Gbps            24 Gbps         每端口一个冲突域
  交换机 24 口全双工        收发各 1 Gbps     48 Gbps         无冲突, 不需要 CSMA/CD
  ★ 全双工是分水岭: "共享信道"变成"点到点专线", 冲突从根本上消失

八条结论：

  1. 以太网的命名是"速率 + 基带 + 介质"：10BASE-T → 10 Mbps、基带、双绞线——看名字就能读出关键参数。
  2. 演进的三级跳：共享总线（同轴）→ 共享星型（集线器）→ 独享星型（交换机）——只有到了交换机 + 全双工，"冲突"才从根本上消失。
  3. ★ MAC 地址判型：首字节最低有效位 0 = 单播、1 = 组播、48 位全 1 = 广播；实测 03-00-5E-... 这类"最低位为 1"的地址是组播，不是单播。
  4. MAC 是平面地址、IP 是层次地址：MAC 只标识"身份"，不标识"位置"——所以换网络要换 IP，不用换 MAC。
  5. 帧长锚点：数据 46 ~ 1500 B、帧长 64 ~ 1518 B、固定开销 18 B；效率 46 B → 71.88%、1500 B → 98.81%。
  6. ★ 自学习演算：首帧泛洪（表里没目的地址），之后全部定向转发；"学源、查目的"是两件独立的事；条目 300 s 老化。
  7. ★ 转发模式时延锚点：存储转发 121.44 μs、直通 0.48 μs、无碎片 5.12 μs（100 Mbps、1518 B）——直通快 253 倍，代价是不能过滤错帧。
  8. ★ 冲突域/广播域锚点：例 1（1 交换机 + 3 集线器）→ 冲突域 3、广播域 1；例 2（1 路由器 + 2 交换机 + 4 集线器）→ 冲突域 5、广播域 2——"交换机间的那条链路也算 1 个冲突域"是最易漏的一处。

考点 ​

考点

1. 必背结论

  • 以太网 = IEEE 802.3；无连接、不可靠（坏帧直接丢、不通知、不重传，可靠性交给 TCP）。
  • 命名规则：速率 + BASE（基带）+ 介质；10BASE-T = 10 Mbps 基带双绞线。
  • 演进三级跳：共享总线（同轴）→ 共享星型（集线器）→ 独享星型（交换机 + 全双工）。
  • 编码与速率对应：10BASE-T 用曼彻斯特（需 20 MHz）；100BASE-TX 用 4B/5B（125 MBaud）。
  • ★ MAC 地址 48 位：前 24 位 OUI（IEEE 分配）+ 后 24 位（厂商分配）。
  • ★ MAC 地址三类判别：首字节最低有效位 = 0 单播、= 1 组播；48 位全 1（FF-FF-FF-FF-FF-FF）广播。
  • 网卡收帧判断次序：广播 → 收；与本机 MAC 相同 → 收；组播且已加入该组 → 收；其余丢弃。
  • MAC 是平面地址（换网络不变），IP 是层次地址（换网络要变）。
  • ★ 帧格式（Ethernet V2）：前导码 7 B + SFD 1 B（不计入帧长）+ 目的 MAC 6 + 源 MAC 6 + 类型 2 + 数据 46~1500 + FCS 4。
  • ★ 帧长：64 ~ 1518 B；首部 14 B + FCS 4 B = 固定开销 18 B；数据 46 ~ 1500 B。
  • 类型字段：0x0800 = IP、0x0806 = ARP、0x86DD = IPv6；≥ 0x0600（1536）视为"类型"，否则按 802.3 当"长度"。
  • ★ 四种无效帧：帧长 < 64 B（冲突碎片）/ > 1518 B（超长帧）/ FCS 错 / 数据非整数字节——一律丢弃。
  • 帧效率锚点：46 B → 64 B（71.88%）；1500 B → 1518 B（98.81%）。
  • ★ 交换机自学习：收到帧 → 学"源 MAC + 入端口"；查"目的 MAC" → 有则定向转发、无则泛洪、与入端口相同则丢弃。
  • 转发表条目老化 300 s；只有"目的地址未知"时才泛洪。
  • ★ 三种转发模式的时延（100 Mbps、1518 B）：存储转发 121.44 μs / 直通 0.48 μs / 无碎片 5.12 μs。
  • 存储转发：收完整帧并校验才转发，能过滤错帧；直通：只读目的 MAC 就转发，最快但不能过滤错帧。
  • STP（生成树协议）：消除环路，防止广播风暴。
  • ★ 三设备对照：集线器（物理层，都不隔离）/ 交换机（链路层，隔离冲突域，不隔离广播域）/ 路由器（网络层，两者都隔离）。
  • ★ 计数口诀：冲突域——交换机每端口 1 个、集线器整机 1 个；广播域——路由器每接口 1 个。
  • ★ 计数锚点：1 交换机 + 3 集线器 + 12 主机 → 冲突域 3、广播域 1；1 路由器 + 2 交换机 + 4 集线器 + 12 主机 → 冲突域 5、广播域 2。
  • 带宽账：集线器共享（24 口 1 Gbps → 人均 41.67 Mbps）；交换机全双工独享（24 口 → 总容量 48 Gbps）。

2. 高频陷阱

  • 把前导码 7 B 与 SFD 1 B 算进帧长：错。它们是物理层同步开销——算进去会得出"最小帧 72 B"。
  • 认为"MAC 地址首字节最高位决定单播/组播"：错。是"最低有效位"（第 1 个字节的 bit 0）——看 01-00-5E-... 的第一个字节 0x01，最低位是 1，所以是组播。
  • 把 MAC 地址当成"可路由的地址"：错。MAC 是平面地址、不能用于跨网路由；跨网要靠 IP（路由器按 IP 转发，MAC 只在本网段内有效）。
  • 认为"广播地址随子网变化"：错。以太网广播恒为 FF-FF-FF-FF-FF-FF——它没有"网络号"的概念。
  • 认为"交换机隔离广播域"：错。交换机只隔离冲突域；要隔离广播域得用路由器或 VLAN。
  • 认为"集线器每个端口是一个冲突域"：错。集线器整机（所有端口）同属一个冲突域。
  • 数冲突域时漏掉"交换机之间的链路"：错。两台交换机之间的那条链路也是 1 个冲突域（教材口径按链路段计）。
  • 认为"帧长 64 B 是数据部分的长度"：错。64 B 是整个帧长，数据部分最小是 46 B。
  • 把"直通转发"当默认模式：错。交换机默认是存储转发（能校验 FCS，可靠性高）；直通是高性能场景的可选配置。
  • 认为"以太网收到坏帧会要求重传"：错。以太网直接丢帧、不通知——"可靠性"是 TCP 的事。
  • 把"类型字段"答成"长度字段"：要分清——Ethernet V2 的该字段是"类型"（≥ 0x0600）；IEEE 802.3 的同一字段是"长度"（≤ 1500）。
  • 认为"全双工也跑 CSMA/CD"：错。全双工是点到点专线、没有冲突，不需要 CSMA/CD；CSMA/CD 只在半双工共享介质的场景下用。
  • 认为"交换机没有环路问题"：错。交换机接成环同样会有广播风暴和转发表震荡——所以要 STP。

3. 解题模板（"以太网与交换机"）

① 帧格式题: 数长度
     前导码 7 + SFD 1 (都不计入帧长)
     目的 6 + 源 6 + 类型 2 + 数据 46~1500 + FCS 4
     帧长 = 14 + 数据 + 4 = 64 ~ 1518 B
② 帧长合法性: < 64 B 是冲突碎片; > 1518 B 是超长帧; 都要丢
③ MAC 判型: 看第一个字节的最低位 -> 0 单播, 1 组播; 全 1 = 广播
④ 自学习题: 逐帧两问 —— "学源地址(入端口)" + "查目的地址"
     表里没有目的 -> 泛洪;  有且与入端口不同 -> 定向转发;  同端口 -> 丢弃
⑤ 冲突域/广播域: 逐段数
     集线器整机 = 1 个冲突域;  交换机每端口 = 1 个;  交换机间链路 = 1 个
     路由器每接口切出 1 个广播域
⑥ 转发时延: 时延 = 需要读完的比特数 / 数据率
     存储转发 = 整帧;  直通 = 6 B;  无碎片 = 64 B
     100 Mbps 下 1 bit = 0.01 us -> 1518 B 是 121.44 us
⑦ 带宽题: 集线器共享 / 交换机半双工独享 / 全双工双向

4. 与相邻章节的接口

  • net/23-csma.md（介质访问控制）："最小帧 64 B = 争用期 × 数据率"整条推导在上一章；本章的"帧长合法性"就是那条结论的直接应用；"集线器不能隔离冲突域"也是上一章的结论。
  • net/20-framing.md（封装成帧）：上一章给出"帧 = 首部 + 数据 + 尾部"的通用结构，本章给出以太网的具体七字段；"以太网数据部分不做填充（完全透明）"的理由在上一章已经讲明。
  • net/21-error.md（差错控制）：帧尾 4 B FCS = CRC-32；"CRC 只能检错"在本章表现为"校验不过就丢帧、不重传"。
  • net/30-ip.md（IP 数据报）："MTU 1500 = IP 层载荷上限"是两章的共用锚点——IP 分片就是把超过 1500 B 的载荷切开；下一章会算 4000 B 数据报的 3 片分法。
  • net/01-architecture.md（体系结构）："交换机认 MAC、路由器认 IP"的设备归属判据就在本章的冲突域/广播域一节；两章的 58 B 封装开销口径完全一致。
  • net/10-physical.md（物理层）："10BASE-T 的曼彻斯特需要 20 MHz"解释了"为什么百兆要换 4B/5B"——编码方式的选择是被介质带宽逼出来的。
  • os/32-io.md（I/O 管理）与 arch/40-bus.md（总线）："交换机按地址定向转发"与"总线按地址选通设备"是同一类结构——都是"用地址信息把数据送到正确的端口"。

小结 ​

  • 以太网 = IEEE 802.3，无连接、不可靠（坏帧直接丢，可靠性交给 TCP）。
  • 命名：速率 + BASE + 介质；演进三级跳：共享总线 → 集线器星型 → 交换机全双工。
  • ★ MAC 地址 48 位＝24 位 OUI + 24 位厂商号；首字节最低位 0 单播 / 1 组播 / 48 位全 1 广播；MAC 是平面地址。
  • ★ 帧格式：前导码 7 + SFD 1（不计入）+ 目的 6 + 源 6 + 类型 2 + 数据 46~1500 + FCS 4。
  • ★ 帧长 64 ~ 1518 B（开销 18 B）；效率 46 B → 71.88%、1500 B → 98.81%；四种无效帧一律丢弃。
  • ★ 交换机自学习：学源地址（入端口）、查目的地址（有则定向、无则泛洪、同端口则丢弃）；条目老化 300 s。
  • ★ 转发模式时延（100 Mbps、1518 B）：存储转发 121.44 μs / 直通 0.48 μs / 无碎片 5.12 μs。
  • ★ 冲突域/广播域：集线器都不隔离；交换机隔离冲突域；路由器两者都隔离；锚点：3 集线器 + 1 交换机 → 冲突域 3、广播域 1。
  • 带宽账：集线器共享（24 口 1 Gbps → 人均 41.67 Mbps）；交换机全双工 48 Gbps。

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