網路工程師幹貨：交換機支持的乙太網路協定大全

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在現代網路架構中，乙太網路協定是基礎設施的核心組成部份，而交換機作為乙太網路網路的關鍵裝置，其支持的協定種類繁多。理解這些協定的功能和套用場景對於網路管理員和工程師而言至關重要，因為這些協定決定了網路的效能、穩定性和安全性。

乙太網路協定的發展經歷了從最初的10Mbps到現在的40Gbps及更高速度的演進。這一過程不僅提升了數據傳輸的速度和頻寬，還引入了許多先進的技術來應對不斷增長的網路需求。交換機作為乙太網路網路中的重要裝置，其支持的協定涵蓋了從基本的實體層標準到復雜的網路管理和安全機制。

本文將詳細介紹交換機支持的各種乙太網路協定，包括其標準、功能和套用場景。我們將從乙太網路的基本實體層標準開始，逐步深入到更復雜的協定，如鏈路聚合、生成樹協定、虛擬區域網路（VLAN）和使用者認證等。透過了解這些協定的具體實作和套用，讀者將能夠更好地理解如何配置和管理現代乙太網路網路，以最佳化其效能和可靠性。

讓我們從乙太網路協定的基礎知識開始，探討這些協定如何共同作用以構建高效、可靠的網路環境。

乙太網路簡單介紹

乙太網路誕生於1973年，由Robert Metcalfe和他的同事在Xerox Palo Alto研究中心發明。最初的乙太網路協定速率為2.94Mbps，使用同軸電纜作為傳輸介質。1979年，DEC、Intel和Xerox（DIX）聯合提出了10Mbps的乙太網路標準，這成為了IEEE 802.3標準的基礎。1983年，IEEE正式透過了802.3標準，使乙太網路成為全球區域網路（LAN）的標準技術。此後，乙太網路技術不斷演進，速率從最初的10Mbps發展到100Mbps（快速乙太網路），再到1Gbps（千兆乙太網路），以至10Gbps和更高的速率。乙太網路技術的發展極大地推動了網路技術的進步和普及。

乙太網路采用載波偵聽多路存取/碰撞檢測（CSMA/CD）機制。在這種機制下，網路裝置在發送數據之前會先監聽通道是否空閑。如果通道空閑，則裝置開始發送數據；如果通道忙，則裝置會等待一段隨機時間後再嘗試發送。碰撞檢測是在發送數據的過程中進行的，如果檢測到碰撞，裝置會停止發送並等待隨機時間後重試。現代乙太網路大多采用交換式網路，避免了傳統共享網路中的碰撞問題，支持全雙工通訊，進一步提高了網路的效率和穩定性。

IEEE 802.3i 10Base-T

IEEE 802.3i標準於1990年釋出，定義了10Base-T規範，使乙太網路能夠在雙絞線上執行。這一標準的出現標誌著乙太網路從同軸電纜過渡到更加靈活、易於部署的雙絞線，推動了乙太網路在辦公室和家庭網路中的廣泛套用。10Base-T的出現使得網路布線更加簡單、成本更低，成為區域網路布線的主流選擇。

10Base-T使用兩對非遮蔽雙絞線（UTP），傳輸速率為10Mbps，最大傳輸距離為100公尺，采用RJ-45連結器。數據透過曼徹斯特編碼進行傳輸，確保訊號的同步性和完整性。曼徹斯特編碼的特點是每位元周期內都有一次電平變化，這使得接收方能夠輕松恢復時鐘訊號，從而正確解析數據。

實體層細節

幀結構

10Base-T幀結構與標準乙太網路幀結構相同，包括前導碼、幀起始定界符、目的地址、源地址、型別/長度欄位、數據欄位和幀校驗序列（FCS）。

10Base-T主要用於小型區域網路，例如辦公室和家庭網路，滿足低速率的網路需求。由於其簡單、經濟的特性，10Base-T在乙太網路早期階段得到廣泛套用。具體套用場景包括：

IEEE 802.3u 快速乙太網路

IEEE 802.3u標準於1995年釋出，定義了快速乙太網路的多種傳輸介質和方法，主要包括100Base-TX、100Base-T4和100Base-FX。這些標準使乙太網路速率從10Mbps提升到100Mbps，極大地提高了網路的傳輸能力，滿足了更多使用者和套用的需求。

100Base-TX

100Base-TX是IEEE 802.3u標準的一部份，定義了在兩對5類UTP上執行的100Mbps快速乙太網路。它采用MII（Media Independent Interface）介面和4B/5B編碼技術，支持10Mbps和100Mbps的自動協商，使網路裝置能夠根據實際情況選擇最佳速率。

100Base-TX廣泛套用於中小型企業和校園網路絡，提供比10Base-T更高的頻寬，支持更多的使用者和套用。具體套用場景包括：

100Base-T4

100Base-T4使用四對3類UTP，每對線纜傳輸25Mbps數據，總速率達到100Mbps。它透過8B/6T編碼實作數據傳輸，主要用於舊有布線系統無法支持5類UTP的環境。

100Base-T4適用於舊有布線系統的升級，尤其是在無法重新布線的情況下，為現有網路提供高頻寬支持。具體套用場景包括：

100Base-FX

100Base-FX使用光纖介質，傳輸速率為100Mbps。它采用光纖實體層（PHY）介面，透過LED或雷射二極體發射訊號，支持遠距離傳輸。

100Base-FX適用於需要高頻寬和長距離傳輸的場景，如校園網路、數據中心和都會網路。具體套用場景包括：

千兆乙太網路協定

千兆乙太網路（Gigabit Ethernet）是乙太網路技術的一個重要裏程碑，速率達到了1000Mbps（1Gbps），滿足了現代網路對高頻寬的需求。IEEE 802.3z標準於1998年釋出，定義了千兆乙太網路的多種傳輸介質和方法。

1000Base-SX

1000Base-SX定義了在短波單模光纖（SMF）和多模光纖（MMF）上傳輸1Gbps數據的標準。它使用850nm波長的雷射，支持220公尺到550公尺的傳輸距離，具體取決於所使用的多模光纖型別（62.5µm或50µm）。

1000Base-SX主要用於短距離、高頻寬的套用場景，如數據中心和校園網路。其主要優勢在於成本相對較低，適合大量光纖連線需求的環境。

1000Base-LX

1000Base-LX定義了在長波單模光纖（SMF）或多模光纖（MMF）上傳輸1Gbps數據的標準。它使用1310nm波長的雷射，支持5公裏（MMF）到10公裏（SMF）的傳輸距離。

1000Base-LX適用於需要高頻寬和長距離傳輸的場景，如都會網路和廣域網路。其主要優勢在於長距離傳輸能力，適合跨樓宇或更大範圍的網路連線。

IEEE 802.3ab 1000Base-T

IEEE 802.3ab標準於1999年釋出，定義了在雙絞線上執行千兆乙太網路的規範。1000Base-T使得千兆乙太網路能夠在現有的5類及以上UTP電纜上執行，大大降低了網路升級的成本和復雜性。

1000Base-T使用四對5類或更高等級的UTP電纜，每對線纜傳輸250Mbps數據，總速率達到1Gbps。它采用PAM-5（5級脈沖振幅調變）編碼技術，透過復雜的訊號處理技術實作高效的數據傳輸。

1000Base-T廣泛套用於企業網路、數據中心和校園網路，提供高頻寬、低成本的網路連線方案。具體套用場景包括：

萬兆乙太網路協定

萬兆乙太網路（10 Gigabit Ethernet）是乙太網路技術的一個重大飛躍，速率達到了10Gbps，進一步滿足了現代網路對超高頻寬的需求。IEEE 802.3ae標準於2002年釋出，定義了萬兆乙太網路的多種傳輸介質和方法。

10GBase-SR和10GBase-SW

10GBase-SR和10GBase-SW定義了在短波（850nm）多模光纖（MMF）上傳輸10Gbps數據的標準。10GBase-SR用於區域網路（LAN），10GBase-SW用於廣域網路（WAN）。

10GBase-SR和10GBase-SW適用於短距離、高頻寬的套用場景，如數據中心和校園網路。其主要優勢在於高頻寬和相對低成本，適合大量光纖連線需求的環境。

10GBase-LR和10GBase-LW

10GBase-LR和10GBase-LW定義了在長波（1310nm）單模光纖（SMF）上傳輸10Gbps數據的標準。10GBase-LR用於區域網路（LAN），10GBase-LW用於廣域網路（WAN）。

10GBase-LR和10GBase-LW適用於需要超高頻寬和長距離傳輸的場景，如都會網路和廣域網路。其主要優勢在於長距離傳輸能力，適合跨樓宇或更大範圍的網路連線。

10GBase-ER和10GBase-EW

10GBase-ER和10GBase-EW定義了在超長波（1550nm）單模光纖（SMF）上傳輸10Gbps數據的標準。10GBase-ER用於區域網路（LAN），10GBase-EW用於廣域網路（WAN）。

10GBase-ER和10GBase-EW適用於需要超高頻寬和超長距離傳輸的場景，如廣域網路和跨區域連線。其主要優勢在於超長距離傳輸能力，適合跨區域的網路連線。

乙太網路供電及流量控制協定

IEEE 802.3af Power over Ethernet（PoE）

IEEE 802.3af標準於2003年釋出，定義了乙太網路供電（PoE）的規範，透過雙絞線為乙太網路裝置提供48V的直流電源，解決了許多網路裝置供電問題。

PoE技術允許網路電纜同時傳輸數據和電力，簡化了網路裝置的安裝和管理。PoE系統由供電裝置（PSE）和受電裝置（PD）組成，供電裝置可以是PoE交換機或PoE中繼器，受電裝置包括IP電話、無線存取點和網路網路攝影機等。

PoE廣泛套用於需要集中供電的網路裝置，如IP電話、無線存取點和網路網路攝影機。其主要優勢在於簡化布線，降低安裝和管理成本。

IEEE 802.3x 流量控制和後壓

IEEE 802.3x標準於1997年釋出，定義了乙太網路的流量控制機制，包括全雙工流量控制（full-duplex flow control）和半雙工後壓（back pressure half-duplex flow control）機制。

流量控制技術用於管理乙太網路交換機和網路裝置之間的數據傳輸，防止網路擁塞和數據遺失。

流量控制技術廣泛套用於需要穩定和可靠數據傳輸的網路環境，如數據中心、企業網路和高效能計算集群。

鏈路匯聚和生成樹協定

IEEE 802.3ad 鏈路匯聚控制協定（LACP）

鏈路匯聚控制協定（LACP）定義在IEEE 802.3ad標準中，它允許將多個物理鏈路繫結在一起，形成一條邏輯上的高頻寬鏈路。這不僅提高了頻寬，還提供了鏈路備份和負載均衡功能。

LACP透過將多個物理鏈路匯聚成一個邏輯鏈路，來增加頻寬和提供冗余。交換機和其他網路裝置可以自動配置和管理這些匯聚鏈路。

LACP主要套用於需要高頻寬和高可用性的網路環境，如數據中心、企業核心網路和廣域網路。

IEEE 802.1d 生成樹協定（STP）

生成樹協定（STP）定義在IEEE 802.1d標準中，它利用生成樹演算法消除乙太網路中的迴圈路徑，防止網路環路，並在網路發生故障時重新協商生成樹，起到鏈路備份的作用。

STP透過生成樹演算法計算出一個無環拓撲結構，確保網路中沒有迴圈路徑，從而避免廣播風暴和其他網路問題。

STP主要套用於需要高可用性和環路防護的網路環境，如企業區域網路和大型校園網路。

IEEE 802.1w 快速生成樹協定（RSTP）

快速生成樹協定（RSTP）定義在IEEE 802.1w標準中，是生成樹協定的改進版本。RSTP在網路拓撲發生變化時能夠更快速地重新配置生成樹，恢復網路的連線。

RSTP繼承了STP的基本思想，但透過引入新的埠角色和狀態，以及更快的收斂機制，提高了生成樹的收斂速度。

RSTP主要套用於需要快速收斂和高可用性的網路環境，如數據中心、企業核心網路和廣域網路。

VLAN技術

IEEE 802.1q VLAN標記

虛擬區域網路（VLAN）技術定義在IEEE 802.1q標準中，它透過在乙太網路幀中添加VLAN標記，實作邏輯上將一個物理網路劃分為多個虛擬網路，從而提高網路的安全性和管理效率。

IEEE 802.1q標準定義了在乙太網路MAC幀中添加VLAN標記，包括VLAN ID和優先級欄位。

VLAN技術廣泛套用於企業網路和數據中心，用於隔離不同部門、業務單元和服務，提高網路安全性和管理效率。

IEEE 802.1p 二層QoS/CoS協定

IEEE 802.1p定義了二層服務品質（QoS）和服務類別（CoS）協定，透過在乙太網路幀中添加優先級標記，實作對流量的優先級分類和組播幀的過濾。

IEEE 802.1p擴充套件了IEEE 802.1q標準，在VLAN標簽中添加優先級欄位，用於流量優先級分類和控制。

IEEE 802.1p主要套用於需要服務品質保證的網路環境，如企業網路、數據中心和IP電話系統。

IEEE 802.1s 多生成樹協定（MSTP）

多生成樹協定（MSTP）定義在IEEE 802.1s標準中，它是IEEE 802.1q的補充協定，透過多重生成樹實作VLAN通訊。

MSTP透過為每個VLAN例項生成獨立的生成樹，提供更高效的網路拓撲和負載均衡。

MSTP主要套用於需要高可用性和負載均衡的網路環境，如企業網路和數據中心。

流量負載均衡，最佳化資源利用和網路效能。

IEEE 802.1v 基於協定和埠的VLAN劃分

IEEE 802.1v是IEEE 802.1q的補充協定，定義了基於數據鏈路層協定和埠的VLAN劃分機制。

IEEE 802.1v透過在數據鏈路層協定和埠基礎上進行VLAN劃分，提高了網路的靈活性和管理效率。

IEEE 802.1v主要套用於需要靈活VLAN劃分和管理的網路環境，如多協定企業網路和數據中心。

使用者認證和通用內容註冊協定

IEEE 802.1x 使用者認證

IEEE 802.1x是一個基於埠的網路存取控制協定，旨在為區域網路（LAN）提供使用者認證機制。它透過強制裝置在存取網路之前透過認證過程，從而提高網路安全性。

IEEE 802.1x協定基於三方模型，包括認證伺服器（AS）、被認證裝置（Supplicant）和認證者（Authenticator），通常是交換機或無線存取點。

認證過程如下：

1. 啟動階段 : 被認證裝置連線到網路，認證者檢測到連線並向裝置發送EAP（Extensible Authentication Protocol）請求。
2. 認證階段 : 被認證裝置透過EAP協定將使用者憑證發送給認證者，認證者將憑證轉發給認證伺服器。
3. 授權階段 : 認證伺服器驗證使用者憑證，如果認證成功，通知認證者授予網路存取許可權，否則拒絕存取。

IEEE 802.1x廣泛套用於需要高安全性的網路環境，如企業網路、校園網路和無線區域網路。

GARP 通用內容註冊協定

通用內容註冊協定（GARP）提供了交換裝置之間註冊內容的通用機制，用於在整個區域網路裝置中傳播內容資訊，並形成一個「可達性」子集。

GARP協定定義了一種機制，用於在交換機之間註冊和傳播內容資訊，如VLAN識別元。

GARP主要套用於需要動態管理網路內容的環境，如企業網路和數據中心。

GVRP VLAN註冊協定

GARP VLAN註冊協定（GVRP）是GARP的套用，提供與IEEE 802.1q標準相容的VLAN修剪和動態VLAN建立機制。

GVRP透過GARP機制實作VLAN的動態管理和配置。

GVRP主要套用於需要動態VLAN管理的網路環境，如企業網路和數據中心。

GMRP 組播註冊協定

GARP組播註冊協定（GMRP）為交換機提供了根據組播成員動態資訊進行組播樹修剪的功能，使得交換機可以動態地管理組播過程。

GMRP透過GARP機制實作組播組成員的動態管理和配置。

GMRP主要套用於需要動態組播管理的網路環境，如企業網路和數據中心。

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