以太網(wǎng)簡(jiǎn)介及技術(shù)

以太網(wǎng)是現(xiàn)實(shí)世界中最普遍的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)有兩類：第一類是經(jīng)典以太網(wǎng)，第二類是交換式以太網(wǎng)，使用了一種稱為交換機(jī)的設(shè)備連接不同的計(jì)算機(jī)。經(jīng)典以太網(wǎng)是以太網(wǎng)的原始形式，運(yùn)行速度從3~10 Mbps不等;而交換式以太網(wǎng)正是廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)，可運(yùn)行在100、1000和10000Mbps那樣的高速率，分別以快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)和萬兆以太網(wǎng)的形式呈現(xiàn)。 [1] 以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型拓?fù)?，但快速以太網(wǎng)(100BASE-T、1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn))為了減少?zèng)_突，將能提高的網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率最大化，使用交換機(jī)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織。如此一來，以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成了星型;但在邏輯上，以太網(wǎng)仍然使用總線型拓?fù)浜虲SMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即載波多重訪問/碰撞偵測(cè))的總線技術(shù)。

以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)上無線電系統(tǒng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的想法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須獲取電纜或者信道的才能傳送信息，有時(shí)也叫作以太(Ether)。(這個(gè)名字來源于19世紀(jì)的物理學(xué)家假設(shè)的電磁輻射媒體-光以太。后來的研究證明光以太不存在。) 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有全球唯一的48位地址也就是制造商分配給網(wǎng)卡的MAC地址，以保證以太網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)能互相鑒別。由于以太網(wǎng)十分普遍，許多制造商把以太網(wǎng)卡直接集成進(jìn)計(jì)算機(jī)主板。

共享介質(zhì)帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)技術(shù)規(guī)定了多臺(tái)計(jì)算機(jī)共享一個(gè)通道的方法。這項(xiàng)技術(shù)最早出現(xiàn)在1960年代由夏威夷大學(xué)開發(fā)的ALOHAnet，它使用無線電波為載體。這個(gè)方法要比令牌環(huán)網(wǎng)或者主控制網(wǎng)簡(jiǎn)單。當(dāng)某臺(tái)計(jì)算機(jī)要發(fā)送信息時(shí)，在以下行動(dòng)與狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

開始- 如果線路空閑，則啟動(dòng)傳輸，否則跳轉(zhuǎn)到第4步。

發(fā)送- 如果檢測(cè)到?jīng)_突，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)直到達(dá)到最小回報(bào)時(shí)間(min echo receive interval)以確保所有其他轉(zhuǎn)發(fā)器和終端檢測(cè)到?jīng)_突，而后跳轉(zhuǎn)到第4步。

成功傳輸- 向更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)告發(fā)送成功，退出傳輸模式。

線路繁忙- 持續(xù)等待直到線路空閑。

線路空閑- 在尚未達(dá)到最大嘗試次數(shù)之前，每隔一段隨機(jī)時(shí)間轉(zhuǎn)到第1步重新嘗試。

超過最大嘗試傳輸次數(shù)- 向更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)告發(fā)送失敗，退出傳輸模式。

因?yàn)樗械耐ㄐ判盘?hào)都在共享線路上傳輸，即使信息只是想發(fā)給其中的一個(gè)終端(destination)，卻會(huì)使用廣播的形式，發(fā)送給線路上的所有計(jì)算機(jī)。在正常情況下，網(wǎng)絡(luò)接口卡會(huì)濾掉不是發(fā)送給自己的信息，接收到目標(biāo)地址是自己的信息時(shí)才會(huì)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，除非網(wǎng)卡處于混雜模式(Promiscuous mode)。這種“一個(gè)說，大家聽”的特質(zhì)是共享介質(zhì)以太網(wǎng)在安全上的弱點(diǎn)，因?yàn)橐蕴W(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇是否監(jiān)聽線路上傳輸?shù)乃行畔ⅰ９蚕黼娎|也意味著共享帶寬，所以在某些情況下以太網(wǎng)的速度可能會(huì)非常慢，比如電源故障之后，當(dāng)所有的網(wǎng)絡(luò)終端都重新啟動(dòng)時(shí)。中繼器因?yàn)樾盘?hào)的衰減和延時(shí)，根據(jù)不同的介質(zhì)以太網(wǎng)段有距離限制。例如，10BASE5同軸電纜最長(zhǎng)距離500米 (1,640英尺)。最大距離可以通過以太網(wǎng)中繼器實(shí)現(xiàn)，中繼器可以把電纜中的信號(hào)放大再傳送到下一段。中繼器最多連接5個(gè)網(wǎng)段，但是只能有4個(gè)設(shè)備(即一個(gè)網(wǎng)段最多可以接4個(gè)中繼器)。這可以減輕因?yàn)殡娎|斷裂造成的問題：當(dāng)一段同軸電纜斷開，所有這個(gè)段上的設(shè)備就無法通訊，中繼器可以保證其他網(wǎng)段正常工作。類似于其他的高速總線，以太網(wǎng)網(wǎng)段必須在兩頭以電阻器作為終端。對(duì)于同軸電纜，電纜兩頭的終端必須接上被稱作“終端器”的50歐姆的電阻和散熱器，如果不這么做，就會(huì)發(fā)生類似電纜斷掉的情況：總線上的AC信號(hào)當(dāng)?shù)竭_(dá)終端時(shí)將被反射，而不能消散。被反射的信號(hào)將被認(rèn)為是沖突，從而使通信無法繼續(xù)。中繼器可以將連在其上的兩個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行電氣隔離，增強(qiáng)和同步信號(hào)。

大多數(shù)中繼器都有被稱作“自動(dòng)隔離”的功能，可以把有太多沖突或是沖突持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)的網(wǎng)段隔離開來，這樣其他的網(wǎng)段不會(huì)受到損壞部分的影響。中繼器在檢測(cè)到?jīng)_突消失后可以恢復(fù)網(wǎng)段的連接。集線器采用集線器組網(wǎng)的以太網(wǎng)盡管在物理上是星型結(jié)構(gòu)，但在邏輯上仍然是總線型的，半雙工的通信方式采用CSMA/CD的沖突檢測(cè)方法，集線器對(duì)于減少數(shù)據(jù)包沖突的作用很小。每一個(gè)數(shù)據(jù)包都被發(fā)送到集線器的每一個(gè)端口，所以帶寬和安全問題仍沒有解決。集線器的總傳輸量受到單個(gè)連接速度的限制(10或100 Mbit/s)，這還是考慮在前同步碼、傳輸間隔、標(biāo)頭、檔尾和封裝上都是最小花費(fèi)的情況。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重時(shí)，沖突也常常會(huì)降低傳輸量。最壞的情況是，當(dāng)許多用長(zhǎng)電纜組成的主機(jī)傳送很多非常短的幀(frame)時(shí)，可能因沖突過多導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載在僅50%左右程度就滿載。為了在沖突嚴(yán)重降低傳輸量之前盡量提高網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，通常會(huì)先做一些設(shè)定以避免類似情況發(fā)生。