以太網技術

以太網技術指的是由Xerox公司創建並由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規範。傳統以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及衝突檢測技術）技術，並以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802·3系列標準相類似。以太網不是一種具體的網絡，是一種技術規範，在IEEE 802.3中定義了以太網的標準協議。 ^[1]  帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)技術

以太網技術的最初進展來自於施樂帕洛阿爾託研究中心的許多先鋒技術項目中的一個。人們通常認為以太網發明於1973年，當年鮑勃.梅特卡夫(Bob Metcalfe)給他PARC的老闆寫了一篇有關以太網潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為以太網是之後幾年才出現的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs發表了一篇名為《以太網：局域計算機網絡的分佈式包交換技術》的文章。 ^[2] 

1979年，梅特卡夫為了開發個人電腦和局域網離開了施樂(Xerox)，成立了3Com公司。3Com對DEC、英特爾和施樂進行遊説，希望與他們一起將以太網標準化、規範化。這個通用的以太網標準於1980年9月30日出台。當時業界有兩個流行的非公有網絡標準令牌環網和ARCNET，在以太網大潮的衝擊下他們很快萎縮並被取代。而在此過程中，3Com也成了一個國際化的大公司。 ^[2] 

梅特卡夫曾經開玩笑説，Jerry Saltzer為3Com的成功作出了貢獻。Saltzer在一篇與他人合著的很有影響力的論文中指出，在理論上令牌環網要比以太網優越。受到此結論的影響，很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把以太網接口做為機器的標準配置，這樣3Com才有機會從銷售以太網網卡大賺。這種情況也導致了另一種説法“以太網不適合在理論中研究，只適合在實際中應用”。也許只是句玩笑話，但這説明了這樣一個技術觀點：通常情況下，網絡中實際的數據流特性與人們在局域網普及之前的估計不同，而正是因為以太網簡單的結構才使局域網得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾經在麻省理工學院MAC項目(Project MAC)的同一層樓裏工作，當時他正在做自己的哈佛大學畢業論文，在此期間奠定了以太網技術的理論基礎。 ^[2] 

以太網是當今現有局域網採用的最通用的通信協議標準。該標準定義了在局域網（LAN）中採用的電纜類型和信號處理方法。以太網在互聯設備之間以10~100Mbps的速率傳送信息包，雙絞線電纜10 Base T以太網由於其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成為應用最為廣泛的以太網技術。直擴的無線以太網可達11Mbps，許多製造供應商提供的產品都能採用通用的軟件協議進行通信，開放性最好。

以太網（Ethernet）是一種計算機局域網組網技術。IEEE制定的IEEE 802.3標準給出了以太網的技術標準。它規定了包括物理層的連線、電信號和介質訪問層協議的內容。以太網是當前應用最普遍的局域網技術。它很大程度上取代了其他局域網標準，如令牌環網（token ring）、FDDI和ARCNET。 ^[1] 

以太網的標準拓撲結構為總線型拓撲，但目前的快速以太網（100BASE-T、1000BASE-T標準）為了最大程度的減少衝突，最大程度的提高網絡速度和使用效率，使用交換機（Switch hub）來進行網絡連接和組織，這樣，以太網的拓撲結構就成了星型，但在邏輯上，以太網仍然使用總線型拓撲和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 即帶衝突檢測的載波監聽多路訪問）的總線爭用技術。 ^[1] 

以太網基於網絡上無線電系統多個節點發送信息的想法實現，每個節點必須取得電纜或者信道的才能傳送信息，有時也叫作以太（Ether）。(這個名字來源於19世紀的物理學家假設的電磁輻射媒體-光以太。後來的研究證明光以太不存在。) 每一個節點有全球唯一的48位地址也就是製造商分配給網卡的MAC地址,以保證以太網上所有系統能互相鑑別。 ^[3]  由於以太網十分普遍，許多製造商把以太網卡直接集成進計算機主板。已經發現以太網通訊具有自相關性的特點,這對於電信通訊工程十分重要的。

1.快速以太網

快速以太網（Fast Ethernet）也就是我們常説的百兆以太網，它在保持幀格式、MAC（介質存取控制）機制和MTU（最大傳送單元）質量的前提下，其速率比10Base－T的以太網增加了10倍。二者之間的相似性使得10Base－T 以太網現有的應用程序和網絡管理工具能夠在快速以太網上使用。快速以太網是基於擴充的IEEE802.3標準。 ^[4] 

2.千兆位以太網

千兆位以太網是一種新型高速局域網，它可以提供1Gbps的通信帶寬，採用和傳統10M、100M以太網同樣的CSMA/CD協議、幀格式和幀長，因此可以實現在原有低速以太網基礎上平滑、連續性的網絡升級。只用於Point to Point，連接介質以光纖為主，最大傳輸距離已達到80km，可用於MAN的建設。 ^[4] 

3.萬兆以太網

萬兆以太網技術與千兆以太網類似，仍然保留了以太網幀結構。通過不同的編碼方式或波分複用提供10Gbit/s傳輸速度。所以就其本質而言，10G以太網仍是以太網的一種類型。

4.光纖以太網

光纖以太網產品可以藉助以太網設備採用以太網數據包格式實現WAN通信業務。該技術可以適用於任何光傳輸網絡——光纖直接傳輸、SDH以及DWDM網絡傳輸。目前，光纖以太網可以實現10Mbps、100Mbps以及1Gbps等標準以太網速度。

5.端到端以太網

端到端以太網方案以以太網作為接入技術，不但成本低，而且帶寬比現行的Cable Modem、ADSL、ISDN、Modem接入都要高，因此不但可以作為一般用户Internet連接，或者多媒體點播或廣播用途，更可以作為企業用户實現VPN虛擬私有專網互聯使用。

帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)技術規定了多台電腦共享一個信道的方法。這項技術最早出現在1960年代由夏威夷大學開發的ALOHAnet，它使用無線電波為載體。這個方法要比令牌環網或者主控制網要簡單。當某台電腦要發送信息時，必須遵守以下規則:

（1）開始。如果線路空閒，則啓動傳輸，否則轉到第4步；

（2）發送。如果檢測到衝突，繼續發送數據直到達到最小報文時間 (保證所有其他轉發器和終端檢測到衝突)，再轉到第4步；

（3）成功傳輸。向更高層的網絡協議報告發送成功，退出傳輸模式；

（4）線路忙。等待，直到線路空閒；

（5）線路進入空閒狀態。等待一個隨機的時間，轉到第1步，除非超過最大嘗試次數；

（6）超過最大嘗試傳輸次數。向更高層的網絡協議報告發送失敗，退出傳輸模式。 ^[5] 

就像在沒有主持人的座談會中，所有的參加者都通過一個共同的媒介（空氣）來相互交談。每個參加者在講話前，都禮貌地等待別人把話講完。如果兩個客人同時開始講話，那麼他們都停下來，分別隨機等待一段時間再開始講話。這時，如果兩個參加者等待的時間不同，衝突就不會出現。如果傳輸失敗超過一次，將採用退避指數增長時間的方法（退避的時間通過截斷二進制指數退避算法(truncated binary exponential backoff)來實現）。

最初的以太網是採用同軸電纜來連接各個設備的。電腦通過一個叫做附加單元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的收發器連接到電纜上。一根簡單網線對於一個小型網絡來説還是很可靠的，對於大型網絡來説，某處線路的故障或某個連接器的故障，都會造成以太網某個或多個網段的不穩定。 ^[5] 

因為所有的通信信號都在共用線路上傳輸，即使信息只是發給其中的一個終端（destination），某台電腦發送的消息都將被所有其他電腦接收。在正常情況下，網絡接口卡會濾掉不是發送給自己的信息，接收目標地址是自己的信息時才會向CPU發出中斷請求，除非網卡處於混雜模式（Promiscuous mode）。這種“一個説，大家聽”的特質是共享介質以太網在安全上的弱點，因為以太網上的一個節點可以選擇是否監聽線路上傳輸的所有信息。共享電纜也意味着共享帶寬，所以在某些情況下以太網的速度可能會非常慢，比如電源故障之後，當所有的網絡終端都重新啓動時。 ^[5] 

注意事項：CSMA/CD技術不存在10G及以上速率的以太網技術中。 ^[5] 

在以太網技術的發展中，以太網集線器(Ethernet Hub)的出現使得網絡更加可靠，接線更加方便。

因為信號的衰減和延時，根據不同的介質以太網段有距離限制。例如，10BASE5同軸電纜最長距離500米(1,640英尺)。最大距離可以通過以太網中繼器實現，中繼器可以把電纜中的信號放大再傳送到下一段。中繼器最多連接5個網段，但是隻能有4個設備（即一個網段最多可以接4箇中繼器）。這可以減輕因為電纜斷裂造成的問題：當一段同軸電纜斷開，所有這個段上的設備就無法通訊，中繼器可以保證其他網段正常工作。 ^[6] 

類似於其他的高速總線，以太網網段必須在兩頭以電阻器作為終端。對於同軸電纜，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，and affixed to a male M or BNC connector.如果不這麼做，就會發生類似電纜斷掉的情況：總線上的AC信號當到達終端時將被反射，而不能消散。被反射的信號將被認為是衝突，從而使通信無法繼續。中繼器可以將連在其上的兩個網段進行電氣隔離，增強和同步信號。大多數中繼器都有被稱作“自動隔離”的功能，可以把有太多衝突或是衝突持續時間太長的網段隔離開來，這樣其他的網段不會受到損壞部分的影響。中繼器在檢測到衝突消失後可以恢復網段的連接。 ^[6] 

隨着應用的拓展，人們逐漸發現星型的網絡拓撲結構最為有效，於是設備廠商們開始研製有多個端口的中繼器。多端口中繼器就是眾所周知的集線器(Hub)。集線器可以連接到其他的集線器或者同軸網絡。 ^[6] 

第一個集線器被認為是“多端口收發器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使許多台具有AUI連接器的主機共用一個收發器。集線器也導致了不使用同軸電纜的小型獨立以太網網段的出現。像DEC和SynOptics這樣的網絡設備製造商曾經出售過用於連接許多10BASE-2細同軸線網段的集線器。

非屏蔽雙絞線( unshielded twisted-pair cables , UTP )最先應用在星型局域網中,之後在10BASE-T中也得到應用，並最終代替了同軸電纜成為以太網的標準。這項改進之後，RJ45電話接口代替了 AUI 成為電腦和集線器的標準界口，非屏蔽3類雙絞線/5類雙絞線成為標準載體。集線器的應用使某條電纜或某個設備的故障不會影響到整個網絡，提高了以太網的可靠性。雙絞線以太網把每一個網段點對點地連起來，這樣終端就可以做成一個標準的硬件，解決了以太網的終端問題。 ^[6] 

採用集線器組網的以太網儘管在物理上是星型結構，但在邏輯上仍然是總線型的，半雙工的通信方式採用CSMA/CD的衝突檢測方法，集線器對於減少包衝突的作用很小。每一個數據包都被髮送到集線器的每一個端口，所以帶寬和安全問題仍沒有解決。 ^[6]  集線器的總吞吐量受到單個連接速度的限制( 10或100 Mbit/s )，這還是考慮在前同步碼、幀間隔、頭部、尾部和打包上花銷最少的情況。當網絡負載過重時，衝突也常常會降低總吞吐量。最壞的情況是，當許多用長電纜組網的主機傳送很多非常短的幀時，網絡的負載僅達到50%就會因為衝突而降低集線器的吞吐量。為了在衝突嚴重降低吞吐量之前儘量提高網絡的負載，通常會進行一些設置工作。

儘管中繼器在某些方面隔離了以太網網段，電纜斷線的故障不會影響到整個網絡，但它向所有的以太網設備轉發所有的數據。這嚴重限制了同一個以太網網絡上可以相互通信的機器數量。為了減輕這個問題，橋接方法被採用，在工作在物理層的中繼器之基礎上，橋接工作在數據鏈路層。通過網橋時，只有格式完整的數據包才能從一個網段進入另一個網段；衝突和數據包錯誤則都被隔離。通過記錄分析網絡上設備的MAC地址，網橋可以判斷它們都在什麼位置，這樣它就不會向非目標設備所在的網段傳遞數據包。象生成樹協議這樣的控制機制可以協調多個交換機共同工作。

早期的網橋要檢測每一個數據包，這樣，特別是同時處理多個端口的時候，數據轉發相對Hub（中繼器）來説要慢。1989年網絡公司Kalpana發明了EtherSwitch，第一台以太網交換機。以太網交換機把橋接功能用硬件實現，這樣就能保證轉發數據速率達到線速。

大多數現代以太網用以太網交換機代替Hub。儘管佈線同Hub以太網是一樣的，但是交換式以太網比共享介質以太網有很多明顯的優勢，例如更大的帶寬和更好的結局隔離異常設備。交換網絡典型的使用星型拓撲, 儘管設備工作在半雙工模式是仍然是共享介質的多結點網。10BASE-T和以後的標準是全雙工以太網，不再是共享介質系統。

交換機加電後，首先也像Hub那樣工作，轉發所有數據到所有端口。接下來，當它學習到每個端口的地址以後，他就只把非廣播數據發送給特定的目的端口。這樣，線速以太網交換就可以在任何端口對之間實現，所有端口對之間的通訊互不干擾。

因為數據包一般只是發送到他的目的端口，所以交換式以太網上的流量要略微小於共享介質式以太網。儘管如此，交換式以太網依然是不安全的網絡技術，因為它還很容易因為ARP欺騙或者MAC滿溢而癱瘓，同時網絡管理員也可以利用監控功能抓取網絡數據包。

當只有簡單設備(除Hub之外的設備)接入交換機端口，那麼整個網絡可能工作在全雙工方式。如果一個網段只有2個設備，那麼衝突探測也不需要了，兩個設備可以隨時收發數據。總的帶寬就是鏈路的2倍(儘管帶寬每個方向上是一樣的)，但是沒有衝突發生就意味着允許幾乎100%的使用鏈路帶寬。

交換機端口和所連接的設備必須使用相同的雙工設置。多數100BASE-TX和1000BASE-T設備支持自動協商特性，即這些設備通過信號來協調要使用的速率和雙工設置。然而，如果自動協商被禁用或者設備不支持，則雙工設置必須通過自動檢測進行設置或在交換機端口和設備上都進行手工設置以避免雙工錯配——這是以太網問題的一種常見原因(設備被設置為半雙工會報告遲發衝突，而設備被設為全雙工則會報告runt)。許多低端交換機沒有手工進行速率和雙工設置的能力，因此端口總是會嘗試進行自動協商。當啓用了自動協商但不成功時(例如其他設備不支持)，自動協商會將端口設置為半雙工。速率是可以自動感測的，因此將一個10BASE-T設備連接到一個啓用了自動協商的10/100交換端口上時將可以成功地建立一個半雙工的10BASE-T連接。但是將一個配置為全雙工100Mb工作的設備連接到一個配置為自動協商的交換端口時(反之亦然)則會導致雙工錯配。

即使電纜兩端都設置成自動速率和雙工模式協商，錯誤猜測還是經常發生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差於預期，應該查看一下是否有計算機設置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置為100Mbit，則可以手動強制設置成正確模式。.

當兩個節點試圖用超過電纜最高支持數據速率（例如在3類線上使用100Mbps或者3類/5類線使用1000Mbps）通信時就會發生問題。不像ADSL或者傳統的撥號Modem通過詳細的方法檢測鏈路的最高支持數據速率，以太網節點只是簡單的選擇兩端支持的最高速率而不管中間線路。因此如果過高的速率導致電纜不可靠就會導致鏈路失效。解決方案只有強制通訊端降低到電纜支持的速率。 ^[7]