在這篇文章中，會先介紹局域網及其的組件，通過交換機延伸到 TCP/IP 中數據鏈路層，瞭解數據的傳輸介質，以及交換機的發展歷程及原理。
最後介紹數據幀的格式。
在閱讀後應該瞭解如下的內容：
- 什麼是局域網及其組件
- Hub 和交換機的區別
- 交換機的轉發規則
- 數據幀的格式
- Ethernet2 和 IEEE 制訂的標準的區別。
LAN
將在一定的限制區域內，有多個終端設備連接到一起的設備叫局域網。例如通過交換機連接起來的多臺終端。
常用的組件：
終端：PC，IP 電話，打印機，移動電話，服務器
連接設備：網卡（NIC），網絡介質（網線，無線電波）
網絡設備：以太網交換機，路由器，AP（擴散無線信號，通過 WCL 集中控制）
協議：Ethernet，IP，ARP，DHCP
上面是常見的一個局域網中的架構圖，由此可見，對於一個局域網來說，交換機是其中最重要的部分。
集線器 (Hub)
對於 2 臺 PC 來說，可以將其直接連接起來，但對於 3 臺甚至更多就不行了。在這時，先是出現一個叫 HUB 的設備，用於解決連接多臺終端的問題。由於 HUB 本身內部的設計（一根總線，總線分出多根線連接其他設備），就決定了有如下的特性：
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工作在物理層，對收到的信號進行放大，以擴大網絡的傳輸距離。
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集線器發送數據沒有針對性，而是採用廣播的形式發送，也就是說當它要向某個節點發送數據時，不是直接把數據發送到目的端口，而是把數據包發送到會集線器相連的所有節點
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當以 HUB 爲中心設備時，網絡中某條線路發生了故障並不影響其他的端口工作
但 HUB 有一個非常嚴重的問題，就是由於本身的設計，導致在同一時間只能有一根線傳遞數據，就意味着是半雙工的工作模式。爲了解決這個問題，就出現了一個技術 - CSMA／CD，載波監聽多路檢測。
實現 CSMA／CD 的方法就是：
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先聽後發
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邊聽邊發
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衝突停發
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隨機分配
交換機
什麼是交換機?
在 HUB 之後，交換機被髮明出來，解決連接多臺終端的問題。和 HUB 不同，交換機在設計時，非常採用總線的架構，而是採用交換矩陣的形式。這就意味着具有以下的特點：
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基於硬件轉發，轉發的速度是線性（可以忽略在交換機上處理數據的時間）並且是有選擇的轉發數據幀
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工作在 TCP/IP 的數據鏈路層
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默認全雙工
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高速，並具有大量的幀緩存
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端口很多
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可拓展，可分爲核心交換機和邊緣交換機，連接起來的多臺交換機同屬於同一局域網
交換機的作用
當交換機收到數據時，檢查數據包中的目的 MAC 地址，然後把數據從目的所在端口轉發出去。
轉發過程一般分爲三種：
- 直通式轉發：轉發時僅檢查前 12 字節（源，目的 MAC 地址），避免不了轉發無效殘幀（小於 64 字節）
- 存儲式轉發，檢查數據包的所有字節，可靠性高，但有效率的損失
- 無碎片式轉發，檢查前 64 字節，在可靠性和效率間取捨。
交換機的原理
在交換機內部有一張 MAC 地址表，表中記錄了網絡中所有 MAC 地址和該交換機各端口的對應信息，以及老化時間(300s)。
在交換機收到數據時會遵循如下的處理流程：
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先查詢 MAC 表，看錶中是否存在所在端口源 MAC 地址。
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如果存在，不做處理
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不存在，則將源 MAC 和交換機所在端口號記錄。
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再次查詢 MAC 表，看錶中是否存在目的 MAC 地址。
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如果存在，則單播轉發。
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不存在，進行泛洪操作（廣播）。終端在收到數據包會先檢查二層報頭，不是自己的 MAC 則丟棄，是自己則繼續拆包到應用層，接着回包。
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規範：
- 交換機只記錄源 MAC 地址（因爲通常來說數據都是有來有回的，這樣雙方的 MAC 地址都能記住）
- 廣播幀和組播幀向所有的端口進行轉發
- 泛洪：收到未知單播幀（MAC 地址未知）或者廣播幀
- 轉發：收到已知的單播幀
- 丟棄：FCS 損壞，或者目的 MAC 不是自己
MAC 地址表的老化時間
MAC地址表項的老化時間爲300秒。從一個地址記錄加入地址表以後開始計時，如果在老化時間內各端口未收到源地址爲該 MAC 地址的幀，那麼這些地址將從動態轉發地址表（由源 MAC 地址、目的 MAC 地址和它們相對應的交換機的端口號）中被刪除。靜態MAC地址表不受地址老化時間影響。
現在我們知道，交換機工作在數據鏈路層，下面來了解下鏈路層具體的一些內容。
TCP/IP - 數據鏈路層
先說一下鏈路層的實際傳輸介質，Ethernet 的實際轉發速度取決於實際的傳輸媒介，一般爲：
- 雙絞線
- 光纖
- 同軸電纜（早期，淘汰）
雙絞線（應用較多）
雙絞的目的，爲了屏蔽內部的電磁干擾。一般來說，雙絞線的速度可以從 10 Mbps 到 40 Gbps.，傳輸的最大距離是 100 m.
雙絞線的線序：
T568B 線序爲： 橙白，橙，綠白，藍，藍白，綠，糉白，糉
T568A 線序：綠白，綠，橙白，藍，藍白，橙，棕白、棕
其實 1,2 發生數據，3,6 接受數據
不同線序的目的：
同種設備連接需要用交叉線（568a，568b），不同種設備需要用直通線（568b）。原因在於同種設備使用直通線會衝突，因爲 1,2 都是發送，3,6是接受。
交叉線：交換機和交換機，路由器和路由器，路由器和PC，PC 和 PC
直通線：交換機和路由器，交換機和 PC，交換機和服務器。
光纖
多模光纖（ST），波長 850nm，1310nm，光由二級發光產生，傳輸距離短，造價低。
單模光纖（SC，LC，FC），波長 1310nm，1550 nm，由激光產生，距離長，造價高。
數據鏈路層-數據幀的結構
Ethernet 2 的數據幀格式：
大小爲 6 字節，48 bits. 前 24 bits 由 OUI 組成，後 24 bits 由 vendor assigned 組成。
由於在早期，Ethernet 2 爲私有協議，IEEE 爲了通用化，發明了一個新的標準，將數據鏈路層拆分爲兩層 MAC 子層和 LLC 子層，對應協議如下：
| 數據鏈路層 LLC 子層 - 與網絡層打交道 | 802.2 | 802.2 | 802.2 | 802.2 |
|---|---|---|---|---|
| 數據鏈路層 MAC 子層 - 與物理層打交道 | 802.3 | 802.1 | 802.5 | FDDI |
| 物理層 | 雙絞線 | 無線 | 令牌 | 光纖 |
下面以 802.3 爲例，說一下和 Ethernet2 的對比：
Ethernet2 長度:14Byte, 6Byte 源 MAC，6Byte 目的MAC，2Byte 類型
IEEE802.3 MAC 子層：長度:14Byte, 6Byte 源 MAC，6Byte 目的MAC，2Byte 長度
LLC 子層：
- SAP：長度:3Byte，1Byte DSAP(Ox42),1Byte DSAP(Ox42), 1Byte CON(Ox03) -- 上層是 STP 協議
- 將 802.3 和802.2 合起來實現 Ethernet2 的功能，公有協議
- SNAP: 長度: 8Byte, 1Byte DSAP(Ox42),1Byte DSAP(Ox42), 1Byte CON(Ox03), 3Byte (Ox00000c), 2Byte PID -- 上層是 CDP
- 爲了實現私有協議
一般來說，協議的傳輸用 802.3，用戶流量用的是 Ethernet2.