Learning Objectives
- 說出乙太網路訊框的欄位與大小，以及最小 64、最大 1,518 位元組的由來
- 讀懂 MAC 位址：48 位元、前 24 位元的 OUI、廣播位址，以及本機管理的位址
- 比較集線器與交換器，說明交換器怎麼從來源 MAC 學出 MAC 表
- 說明交換器遇到廣播與未知單播時為什麼要泛洪
- 分辨碰撞網域與廣播網域，並數出一個拓撲有幾個
區域網路裡的最後一段路
上一課看到，封包在每一段連線上都會被包進一個訊框（frame）。不管封包要跨越多少個網路， 每一段實際的傳送都是連結層的工作：從你的電腦到交換器、從交換器到路由器，都是在同一個區域網路（LAN）裡把訊框送到下一站。
今天幾乎所有有線的區域網路都用乙太網路（Ethernet，標準是 IEEE 802.3），宿舍牆上的網路孔、機房裡成排的交換器都是。 這一課回答兩個問題：訊框裡寫了什麼？交換器怎麼知道要把訊框往哪個埠送？計算機概論的「區域網路」那一課看過整體的樣子，這裡看細節。
訊框的結構：
| 欄位 | 位元組 | 用途 |
|---|---|---|
| 前置碼與起始符號 | 7 ＋ 1 | 讓接收端對準時脈；通常不算在訊框長度裡 |
| 目的 MAC | 6 | 要給誰 |
| 來源 MAC | 6 | 誰送的 |
| 類型（EtherType） | 2 | 裡面裝的是什麼：0x0800 是 IPv4、0x0806 是 ARP、0x86DD 是 IPv6 |
| 資料 | 46～1,500 | 上一層的封包；不到 46 就補 0 |
| FCS | 4 | CRC-32 檢查碼；接收端重算對不上，就把訊框丟掉 |
所以一個訊框（從目的 MAC 算到 FCS）最小 6 ＋ 6 ＋ 2 ＋ 46 ＋ 4 ＝ 64 位元組，最大 6 ＋ 6 ＋ 2 ＋ 1,500 ＋ 4 ＝ 1,518 位元組。 資料部分最多 1,500 位元組，這個上限叫 MTU。注意乙太網路只檢查錯誤、不負責重送：壞掉的訊框直接丟掉，要不要重送由上面的層決定。
MAC 位址
MAC 位址是網路介面的硬體位址，長 48 位元（6 位元組），通常寫成 12 個十六進位數字，例如 3c:22:fb:5a:10:07。
| 部分 | 長度 | 意思 |
|---|---|---|
| 前 3 位元組 | 24 位元 | OUI（組織唯一識別碼）：IEEE 分配給製造商的編號 |
| 後 3 位元組 | 24 位元 | 製造商自己編給每張網路卡的序號 |
第一個位元組裡有兩個特別的位元：
- 最低位元（I/G）：0 表示單播（給一個介面），1 表示群播（給一群介面）。
- 次低位元（U/L）：0 表示廠商燒在網路卡裡、全球唯一的位址；1 表示本機管理的位址，由軟體或管理者設定。 手機為了隱私，連 Wi-Fi 時常用隨機產生的 MAC，就屬於這一種。
這一軌的模擬網路裡，MAC 都長得像 02:00:00:00:01:01：第一個位元組 0x02 ＝ 二進位 0000 0010，次低位元是 1，是本機管理的位址，不屬於任何真實廠商。
全部是 1 的 ff:ff:ff:ff:ff:ff 是廣播位址：同一個區域網路裡的每一台都要收下。ARP 問「誰是 192.168.1.20？」就是用廣播送的。
MAC 位址只在同一個區域網路裡有意義。封包跨過路由器時，路由器會換上新的訊框，來源與目的 MAC 都會換掉（上一課看過）；IP 位址才是一路不變的。
集線器與交換器
早期的區域網路用集線器（hub）。集線器只是第 1 層的訊號放大器：從一個埠進來的訊號，原封不動送到所有其他埠。 所有電腦共用同一條「線」，同一時間只能有一台在送，兩台同時送就會碰撞，雙方都要等一下再重送（這套規則叫 CSMA/CD）。
交換器（switch）是第 2 層設備，會讀訊框的 MAC 位址，只把訊框送到需要的那個埠。它靠一張 MAC 表（哪個 MAC 在哪個埠）決定，而這張表是自己學出來的：
- 學習：訊框從某個埠進來，就把「來源 MAC → 這個埠」記進 MAC 表。
- 查表：看目的 MAC。表裡有，就只從那個埠送出（同一個埠進出就不送）。
- 泛洪（flooding）：目的是廣播位址，或目的 MAC 不在表裡（叫未知單播），就從進來的埠以外的所有埠各送一份。
- 老化：一筆紀錄太久沒被更新就刪掉（IEEE 802.1D 建議預設 300 秒），設備搬走時表才不會一直錯下去。
| 集線器 | 交換器 | |
|---|---|---|
| 處理到 | 第 1 層（訊號） | 第 2 層（MAC 位址） |
| 收到訊框 | 送到所有埠 | 查 MAC 表，只送到對的埠 |
| 同時傳送 | 全部共用，會碰撞 | 每個埠各自獨立，可以全雙工同時收送 |
| 今天 | 幾乎已淘汰 | 所有區域網路的標準設備 |
交換器剛開機時 MAC 表是空的，所以一開始什麼都泛洪；等每台電腦都送過東西，就幾乎都能精準轉送。
碰撞網域與廣播網域
兩個常被拿來比較的範圍：
- 碰撞網域（collision domain）：同時送訊號會互相干擾的範圍。集線器的所有埠是同一個碰撞網域； 交換器的每個埠各自是一個碰撞網域（全雙工的連線實際上不會碰撞）。
- 廣播網域（broadcast domain）：一個廣播訊框送得到的範圍。交換器會把廣播泛洪到所有埠，所以交換器不切割廣播網域； 路由器不轉送廣播，它的每個介面是一個廣播網域。
| 設備 | 切割碰撞網域 | 切割廣播網域 |
|---|---|---|
| 集線器 | 否 | 否 |
| 交換器 | 是，每個埠一個 | 否 |
| 路由器 | 是，每個介面一個 | 是，每個介面一個 |
一個廣播網域通常就是一個 IP 網段。下面的拓撲有兩台交換器和一台路由器，看看 ARP 廣播送得到哪裡、送不到哪裡。
小測驗：訊框與 MAC 位址
乙太網路訊框的「類型」欄位是 0x0806，裡面裝的是什麼？
一則 ARP 訊息只有 28 位元組，放進乙太網路訊框後，訊框（從目的 MAC 到 FCS）有多大？
MAC 位址 00:1a:2b:3c:4d:5e 的前 3 個位元組 00:1a:2b 代表什麼？
下列哪一個 MAC 位址是「本機管理」（不是廠商燒錄）的單播位址？
小測驗：交換器與網域
交換器的 MAC 表是怎麼建立的？
交換器收到一個單播訊框，目的 MAC 不在 MAC 表裡，它會怎麼做？
一台 24 埠的集線器接了 20 台電腦。這 20 台電腦屬於幾個碰撞網域、幾個廣播網域？
重點整理
- 乙太網路訊框：目的 MAC、來源 MAC、類型、資料（46～1,500）、FCS；最小 64、最大 1,518 位元組；壞掉的訊框直接丟掉。
- MAC 位址 48 位元，前 24 位元是 OUI；
ff:ff:ff:ff:ff:ff是廣播；第一個位元組的次低位元是 1 表示本機管理的位址。MAC 只在同一個區域網路裡有意義。 - 集線器把訊號送到所有埠；交換器從來源 MAC 學習、依目的 MAC 轉送，廣播與未知單播要泛洪，紀錄會老化。
- 交換器的每個埠是一個碰撞網域；交換器不切割廣播網域，路由器才會。
廣播網域越大，每一台收到的廣播就越多，也越難管理。下一課用 VLAN 把一台交換器切成好幾個廣播網域，並處理備援線路造成的迴圈。