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以太网是什么


以太网是一种计算机局域网技术。IEEE 组织的 IEEE 802.3 标准制定了以太网的技术标准,它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。关于以太网的具体内容我们将在文章中展开。

起源

以太网的故事始于 ALOHA 时期,确切的时间是在一个名叫 Bob Metcalfe 的学生获得麻省理工学院的学士学位后,搬到河对岸的哈佛大学攻读博士学位之后。在他学习期间,他接触到了 Abramson 的工作,他对此很感兴趣。从哈佛毕业之后,他决定前往施乐帕洛阿尔托研究中心正式工作之前留在夏威夷度假,以便帮助 Abramson 工作。

当他到帕洛阿尔托研究中心,他看到那里的研究人员已经设计并建造出后来称为个人计算机的机器,但这些机器都是孤零零的;他便运用帮助 Abramson 工作获得的知识与同事 David Boggs 设计并实现了第一个局域网。

该局域网采用一个长的粗同轴电缆,以 3Mbps 速率运行。他们把这个系统命名为以太网,人们曾经认为通过它可以传播电磁辐射。

所以,以太网是一种计算机局域网技术。IEEE 组织的 IEEE 802.3 标准制定了以太网的技术标准,它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术,取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI 和 ARCNET。

相关技术

共享介质

带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)技术规定了多台计算机共享一个通道的方法。这项技术最早出现在 1960 年代由夏威夷大学开发的 ALOHAnet,它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网简单。当某台计算机要发送信息时,在以下行动与状态之间进行转换:

开始- 如果线路空闲,则启动传输,否则跳转到第 4 步。

发送- 如果检测到冲突,继续发送数据直到达到最小回报时间(min echo receive interval)以确保所有其他转发器和终端检测到冲突,而后跳转到第 4 步。

成功传输- 向更高层的网络协议报告发送成功,退出传输模式。

线路繁忙- 持续等待直到线路空闲。

线路空闲- 在尚未达到最大尝试次数之前,每隔一段随机时间转到第 1 步重新尝试。

超过最大尝试传输次数- 向更高层的网络协议报告发送失败,退出传输模式。

因为所有的通信信号都在共享线路上传输,即使信息只是想发给其中的一个终端(destination),却会使用广播的形式,发送给线路上的所有计算机。

在正常情况下,网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息,接收到目标地址是自己的信息时才会向 CPU 发出中断请求,除非网卡处于混杂模式(Promiscuous mode)。

这种“一个说,大家听”的特质是共享介质以太网在安全上的弱点,因为以太网上的一个节点可以选择是否监听线路上传输的所有信息。共享电缆也意味着共享带宽,所以在某些情况下以太网的速度可能会非常慢,比如电源故障之后,当所有的网络终端都重新启动时。

中继器

因为信号的衰减和延时,根据不同的介质以太网段有距离限制。例如,10BASE5 同轴电缆最长距离 500 米 (1,640 英尺)。最大距离可以通过以太网中继器实现,中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接 5 个网段,但是只能有 4 个设备(即一个网段最多可以接 4 个中继器)。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题:当一段同轴电缆断开,所有这个段上的设备就无法通讯,中继器可以保证其他网段正常工作。

类似于其他的高速总线,以太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆,电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的 50 欧姆的电阻和散热器,如果不这么做,就会发生类似电缆断掉的情况:总线上的 AC 信号当到达终端时将被反射,而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突,从而使通信无法继续。

中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离,增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能,可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来,这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连接。

经典以太网

经典以太网用一个长电缆蜿蜒围绕着建筑物,这根电缆连接着所有的计算机。

物理层

以太网的每个版本都有电缆的最大长度限制(即无须放大的长度),这个范围内的信号可以正常传播,超过这个范围信号将无法传播。为了允许建设更大的网络,可以用中继器把多条电缆连接起来。中继器是一个物理层设备,它能接收、放大并在两个方向上重发信号。

在这些电缆上,信息的发送使用曼彻斯特编码。

交换式以太网

以太网的发展很快,从单根长电缆的典型以太网结构开始演变。单根电缆存在的问题,比如找出断裂或者松动位置等连接相关的问题,驱使人们开发出一种不同类型的布线模式。

在这种模式中,每个站都有一条专用电线连接到一个中央集线器。集线器只是在电气上简单地连接所有连接线,就像把它们焊接在一起。集线器不能增加容量,因为它们逻辑上等同于单根电缆的经典以太网。随着越来越多的站加入,每个站获得的固定容量共享份额下降。最终,LAN 将饱和。

还有另一条出路可以处理不断增长的负载:即交换式以太网。交换式以太网的核心是一个交换机,它包含一块连接所有端口的高速背板。从外面看交换机很像集线器,它们都是一个盒子,通常拥有 4-48 个端口,每个端口都有一个标准的 RJ-45 连接器用来连接双绞电缆。

交换机只把帧输出到该帧想去的端口。通过简单的插入或者拔出电缆就能完成或者删除一台机器,而且由于片状电缆或者端口通常只影响到一台机器,因此大多数错误都很容易被发现。

这种配置模式仍然存在一个共享组件出现故障的问题,即交换机本身的故障:如果所有站都失去了网络连接,则 IT 人员知道该怎么解决这个问题:更换整个交换机。

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