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以太網

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以太網是一種計算機局域網技術。IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了以太網的技術標準,它規定了包括物理層的連線、電子信號和介質訪問層協議的內容。以太網是目前應用最普遍的局域網技術,取代了其他局域網技術如令牌環FDDIARCNET
中文名
以太網
外文名
ethernet
定    義
局域網的一種
發    源
xerox(施樂)
創建時間
1980

以太網簡介

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以太網是現實世界中最普遍的一種計算機網絡。以太網有兩類:第一類是經典以太網,第二類是交換式以太網,使用了一種稱為交換機的設備連接不同的計算機。經典以太網是以太網的原始形式,運行速度從3~10 Mbps不等;而交換式以太網正是廣泛應用的以太網,可運行在100、1000和10000Mbps那樣的高速率,分別以快速以太網、千兆以太網和萬兆以太網的形式呈現。 [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-T1000BASE-T標準)為了減少衝突,將能提高的網絡速度和使用效率最大化,使用交換機來進行網絡連接和組織。如此一來,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 Detection,即載波多重訪問/碰撞偵測)的總線技術。
以太網實現了網絡上無線電系統多個節點發送信息的想法,每個節點必須獲取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節點能互相鑑別。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

以太網起源

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以太網的故事始於ALOHA時期,確切的時間是在一個名叫Bob Metcalfe的學生獲得麻省理工學院的學士學位後,搬到河對岸的哈佛大學攻讀博士學位之後。在他學習期間,他接觸到了Abramson的工作,他對此很感興趣。從哈佛畢業之後,他決定前往施樂帕洛阿爾託研究中心正式工作之前留在夏威夷度假,以便幫助Abramson工作。當他到帕洛阿爾託研究中心,他看到那裏的研究人員已經設計並建造出後來稱為個人計算機的機器,但這些機器都是孤零零的;他便運用幫助Abramson工作獲得的知識與同事David Boggs 設計並實現了第一個局域網。該局域網採用一個長的粗同軸電纜,以3Mbps速率運行。 [1] 
他們把這個系統命名為以太網,人們曾經認為通過它可以傳播電磁輻射 [1] 

以太網相關技術

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以太網共享介質

帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)技術規定了多台計算機共享一個通道的方法。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簡單。當某台計算機要發送信息時,在以下行動與狀態之間進行轉換:
  1. 開始- 如果線路空閒,則啓動傳輸,否則跳轉到第4步。
  2. 發送- 如果檢測到衝突,繼續發送數據直到達到最小回報時間(min echo receive interval)以確保所有其他轉發器和終端檢測到衝突,而後跳轉到第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. 線路繁忙- 持續等待直到線路空閒。
  5. 線路空閒- 在尚未達到最大嘗試次數之前,每隔一段隨機時間轉到第1步重新嘗試。
  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。
因為所有的通信信號都在共享線路上傳輸,即使信息只是想發給其中的一個終端(destination),卻會使用廣播的形式,發送給線路上的所有計算機。在正常情況下,網絡接口卡會濾掉不是發送給自己的信息,接收到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。

以太網中繼器

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。
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,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。

以太網集線器

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,集線器對於減少數據包衝突的作用很小。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。集線器的總傳輸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、傳輸間隔、標頭、檔尾和封裝上都是最小花費的情況。當網絡負載過重時,衝突也常常會降低傳輸量。最壞的情況是,當許多用長電纜組成的主機傳送很多非常短的幀(frame)時,可能因衝突過多導致網絡的負載在僅50%左右程度就滿載。為了在衝突嚴重降低傳輸量之前儘量提高網絡的負載,通常會先做一些設定以避免類似情況發生。

以太網經典以太網

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經典以太網用一個長電纜蜿蜒圍繞着建築物,這根電纜連接着所有的計算機。經典以太網的體系結構如下圖《以太網》所示:
以太網 以太網

以太網物理層

以太網的每個版本都有電纜的最大長度限制(即無須放大的長度),這個範圍內的信號可以正常傳播,超過這個範圍信號將無法傳播。為了允許建設更大的網絡,可以用中繼器把多條電纜連接起來。中繼器是一個物理層設備,它能接收、放大並在兩個方向上重發信號。 [1] 
在這些電纜上,信息的發送使用曼徹斯特編碼 [1] 

以太網MAC子層

經典以太網使用1-堅持CSMA/CD算法,即當站有幀要發送時要偵聽介質,一旦介質變為空閒便立即發送。在它們發送的同時監測信道上是否有衝突。如果有衝突,則立即終止傳輸,併發出一個短衝突加強信號,再等待一段隨機時間後重發。 [1] 

以太網交換式以太網

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以太網的發展很快,從單根長電纜的典型以太網結構開始演變。單根電纜存在的問題,比如找出斷裂或者鬆動位置等連接相關的問題,驅使人們開發出一種不同類型的佈線模式。在這種模式中,每個站都有一條專用電線連接到一箇中央集線器。集線器只是在電氣上簡單地連接所有連接線,就像把它們焊接在一起。集線器不能增加容量,因為它們邏輯上等同於單根電纜的經典以太網。隨着越來越多的站加入,每個站獲得的固定容量共享份額下降。最終,LAN將飽和。 [1] 
還有另一條出路可以處理不斷增長的負載:即交換式以太網。交換式以太網的核心是一個交換機,它包含一塊連接所有端口的高速背板。從外面看交換機很像集線器,它們都是一個盒子,通常擁有4-48個端口,每個端口都有一個標準的RJ-45連接器用來連接雙絞電纜。交換機只把幀輸出到該幀想去的端口。通過簡單的插入或者拔出電纜就能完成添加或者刪除一台機器,而且由於片狀電纜或者端口通常隻影響到一台機器,因此大多數錯誤都很容易被發現。這種配置模式仍然存在一個共享組件出現故障的問題,即交換機本身的故障:如果所有站都失去了網絡連接,則IT人員知道該怎麼解決這個問題:更換整個交換機。 [1] 
交換式以太網體系結構如下:
以太網結構 以太網結構

以太網類型

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早期的以太網
兆比特以太網
  • 施樂以太網(Xerox Ethernet,又稱“施樂以太網”)──是以太網的雛型。最初的2.94Mbit/s以太網僅在施樂公司裏內部使用。而在1982年,XeroxDEC及Intel組成DIX聯盟,並共同發表了Ethernet Version 2(EV2)的規格,並將它投入商場市場,且被普遍使用。而EV2的網絡就是目前受IEEE承認的10BASE5
  • 10BROAD36──已經過時。一個早期的支持長距離以太網的標準。它在同軸電纜上使用,以一種類似線纜調制解調器系統的寬帶調製技術。
  • 1BASE5──也稱為星型局域網,速率是1Mbit/s。在商業上很失敗,但同時也是雙絞線的第一次使用。
10Mbps以太網
  • 10BASE5(又稱粗纜(Thick Ethernet)或黃色電纜)──最早實現10 Mbit/s以太網。早期IEEE標準,使用單根RG-11同軸電纜,最大距離為500,並最多可以連接100台計算機的收發器,而纜線兩端必須接上50歐姆終端電阻。接收端透過所謂的“插入式分接頭”插入電纜的內芯和屏蔽層。在電纜終結處使用N型連接器。儘管由於早期的大量佈設,到現在還有一些系統在使用,這一標準實際上被10BASE2取代。
  • 10BASE2(又稱細纜(Thin Ethernet)或模擬網上)── 10BASE5後的產品,使用RG-58同軸電纜,最長轉輸距離約200米(實際為185米),僅能連接30台計算器,計算器使用T型適配器連接到帶有BNC連接器網卡,而線路兩頭需要50歐姆的終結器。雖然在能力、規格上不及10BASE5,但是因為其線材較細、佈線方便、成本也便宜,所以得到更廣泛的使用,淘汰了10BASE5。由於雙絞線的普及,它也被各式的雙絞線網絡取代。
  • StarLAN──第一個雙絞線上實現的以太網上標準10 Mbit/s。後發展成10BASE-T。
  • 10BASE-T──使用3類雙絞線、4類雙絞線、5類雙絞線的4根線(兩對雙絞線)100米。以太網集線器或以太網交換機位於中間連接所有節點。
  • FOIRL ──光纖中繼器鏈路。光纖以太網上原始版本。
  • 10BASE-F ── 10Mbps以太網光纖標準通稱,2公里。只有10BASE-FL應用比較廣泛。
    • 10BASE-FL ── FOIRL標準一種升級。
    • 10BASE-FB ──用於連接多個Hub或者交換機的骨幹網技術,已廢棄。
    • 10BASE-FP ──無中繼被動星型網,沒有實際應用的案例。
100Mbps以太網(快速以太網)
參見:百兆以太網
快速以太網(Fast Ethernet)為IEEE在1995年發表的網上標準,能提供達100Mbps的傳輸速度。
  • 100BASE-T-- 下面三個100 Mbit/s雙絞線標準通稱,最遠100米。
    • 100BASE-TX-- 類似於星型結構的10BASE-T。使用2對電纜,但是需要5類電纜以達到100Mbit/s。
    • 100BASE-T4 -- 使用3類電纜,使用所有4對線,半雙工。由於5類線普及,已廢棄。
    • 100BASE-T2 -- 無產品。使用3類電纜。支持全雙工使用2對線,功能等效100BASE-TX,但支持舊電纜。
  • 100BASE-FX-- 使用多模光纖,最遠支持400米,半雙工連接 (保證衝突檢測),2km全雙工。
  • 100VG AnyLAN -- 只有惠普支持,VG最早出現在市場上。需要4對三類電纜。也有人懷疑VG不是以太網。 [2] 
1Gbps以太網
  • 1000BASE-T-- 1 Gbit/s介質超五類雙絞線或6類雙絞線。
  • 1000BASE-SX-- 1 Gbit/s多模光纖(取決於頻率以及光纖半徑,使用多模光纖時最長距離在220M至550M之間)。
  • 1000BASE-LX-- 1 Gbit/s多模光纖(小於550M)、單模光纖(小於5000M)。
  • 1000BASE-LX10-- 1 Gbit/s單模光纖(小於10KM)。長距離方案
  • 1000BASE-LHX--1 Gbit/s單模光纖(10KM至40KM)。長距離方案
  • 1000BASE-ZX--1 Gbit/s單模光纖(40KM至70KM)。長距離方案
  • 1000BASE-CX-- 銅纜上達到1Gbps的短距離(小於25 m)方案。早於1000BASE-T,已廢棄。
10Gbps以太網
參見:10吉比特以太網
新的萬兆以太網標準包含7種不同類型,分別適用於局域網、城域網和廣域網。目前使用附加標準IEEE 802.3ae,將來會合並進IEEE 802.3標準。
  • 10GBASE-CX4 -- 短距離銅纜方案用於InfiniBand4x連接器和CX4電纜,最大長度15米。
  • 10GBASE-SR -- 用於短距離多模光纖,根據電纜類型能達到26-82米,使用新型2GHz多模光纖可以達到300米。
  • 10GBASE-LX4 -- 使用波分複用支持多模光纖240-300米,單模光纖超過10公里。
  • 10GBASE-LR和10GBASE-ER -- 透過單模光纖分別支持10公里和40公里
  • 10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW。用於廣域網PHY、OC-192 / STM-64同步光纖網/SDH設備。物理層分別對應10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER,因此使用相同光纖支持距離也一致。(無廣域網PHY標準)
  • 10GBASE-T-- 使用屏蔽或非屏蔽雙絞線,使用CAT-6A類線至少支持100米傳輸。CAT-6類線也在較短的距離上支持10GBASE-T。
100Gbps以太網
參見:100G以太網
新的40G/100G以太網標準在2010年中制定完成,包含若干種不同的節制類型。目前使用附加標準IEEE 802.3ba。
  • 40GBASE-KR4 -- 背板方案,最少距離1米。
  • 40GBASE-CR4 / 100GBASE-CR10 -- 短距離銅纜方案,最大長度大約7米。
  • 40GBASE-SR4 / 100GBASE-SR10 -- 用於短距離多模光纖,長度至少在100米以上。
  • 40GBASE-LR4 / 100GBASE-LR10 -- 使用單模光纖,距離超過10公里。
  • 100GBASE-ER4 -- 使用單模光纖,距離超過40公里。 [2] 

以太網以太網交換機測試技術

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以太網測試項目

性能指標使用專用的以太網測試儀器進行測試,這些性能指標的測試結果還可以評估LAN系統是否滿足驗收要求。從GBT21671-2008“基於以太網的LAN系統驗收評估規範”可以瞭解到局域網還可以通過測量諸如網絡吞吐量,傳輸延遲和丟包率等性能指標來判斷性能。以太網測試儀是一 款適合現場使用的堅固耐用的測試平台。它具有完整的以太網測試功能,雙光口和雙電口,以太網服務接口模塊,HST-3000支持多種數據流測試。包括10/100/1000M以太網鏈路的流量生成和故障排除,它可以測試高達1Gbit/s的電氣和光纖端口鏈路。由於驗收檢查中的各種條件的限制,可以支持點對點或路由網絡的測試以用於交換機的例行測試。 [3] 

以太網存在的問題

現代測試儀器的整體特性是高可靠性,高性能和高適用性。因此,國內測試產品與國外產品之間的差距反映在這方面。雖然國內某些測試設備在一定的性能指標上接近國際先進水平,但具有達到國際標準的綜合設備性能指標的產品普遍較少。此外,國內測試儀器大多是常見的規格,不能滿足某些特殊環境下的測試工作。低度自動化測試也是一個常見問題。 [3] 

以太網交換機測試技術

如今,交換機以應用需求為嚮導對交換機的性能提出了新的要求。在網絡綜合服務、安全性、智能化等方面有了新的發展。協議測試時一種基本交換機測試技術,網絡協議是為了提高測試的效率和溝通的有效性提出的為了保障通信的規則。在網絡通信日益膨脹的年代,網絡協議也必不可少,網絡協議的基本要求是功能正確、互通性好和性能優越。協議測試最初的原型為軟件測試,主要的分類有黑盒測試白盒測試灰盒測試 [3] 

以太網存在的問題

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吞吐量是以太網測試的一項重要指標。很多工程師認為以太網交換吞吐量應該為其線速率,即100%流量下不能出現丟包,並且認為以太網幀間隔IFG小於96bits是非法的。但在以太網交換吞吐量及丟包率測試中,經常在線速條件下長時間誤碼測試會出現少量的丟包,究其原因為以太網跨時鐘域架構所導致的。 [4] 
工業以太網技術的迅速發展和應用的同時,伴隨出現了大量的網絡問題。根據西門子公司提供的統計數據,網絡通信故障率佔70%以上,網絡設備故障率不足30%。網絡故障導致系統停機後,故障診斷和定位所需的時間佔系統停機總時間的80%以上,而維護措施所佔時間不足20%。因此網絡流量實時監控和分析是工業以太網發展 和應用中面臨的重大問題,實時監控和分析工業以太網網絡流量,及時發現和定位網絡問題對提高整個系統的穩定運行起到了至關重要的作用。 [5] 

以太網車載以太網

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傳統以太網協議由於採用的是載波監聽多路訪問衝突檢測技術。因此,在數據包延時、排序和可靠性上達不到車載網絡實時性要求,所以,常見的車載局域網仍是基於CAN的實時現場總線協議。但隨着汽車電子技術的爆發式發展,ECU數量不斷增長,影音娛樂信號也納入車內通信,這使得高實時、低帶寬的傳統車載總線開始不適應汽車電 子發展趨勢。 [6] 
國際電子電氣工程師協會(IEEE)經過長期研究在2016年批准了第一個車載以太網標準 “100BASE-T1”,其基於博通公司的BroadR.Reach 解決方案,在物理層用單對非屏蔽雙絞線電纜,採用更加優化的擾碼算法來減弱信號相關性增加實時性,可在車內提供100Mbps高實時帶寬。 [6] 
高速以太網在汽車干擾環境下的通信質量是 需要重點考查的問題。特別對於100BASE.T1網絡採用的是非屏蔽的電纜,更容易受到電流浪湧、電磁干擾的影響,導致其性能不穩定甚至功能失效。目前有基於以太網物理層的一致性測試方法,用於測試信號發射設備的回波損耗、定時抖動和最大輸出跌落等性能;RFC2544標準提供了以太網時延、吞吐量丟包率等主要性能指標的測試方法; 但這些常見方法都是基於傳統以太網,不支持 100BASE-TI車載以太網,並且沒有考慮到車載環境的干擾特徵。 [6] 

以太網工業以太網

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工業以太網技術源自於以太網技術,但是其本身和普通的 以太網技術又存在着很大的差異和區別。工業以太網技術本身進行了適應性方面的調整,同時結合工業生產安全性和穩定性方面的需求,增加了相應的控制應用功能,提出了符合特定工業應用場所需求的相應的解決方案。工業以太網技術在實際應用中,能夠滿足工業生產高效性、穩定性、實時性、經濟性、智能性、擴展性等多方面的需求,可以真正延伸到實際企業生產過程中現場設備的控制層面,並結合其技術應用的特點,給予實際企業工業生產過程的全方位控制和管理,是一種非常重要的技術手段。 [7] 
工業以太網技術應用的優勢分析如下:
第一,工業以太網技術具有廣泛的應用範圍。以太網技術本身作為重要的基礎性計算機網絡技術,其本身能夠兼容多種不同的編程語言。例如,常見的JAVAC++等編程語言都支持以太網方面的應用開發。 [7] 
第二,工業以太網技術具有良好的應用經濟性。相對於以往傳統工業生產當中現場總線網卡的基礎設施方面的投入,以太網的網卡成本方面具有十分顯著的優勢。在當前以太網技術不斷髮展的今天,整體以太網技術的設計、應用方面已經十分成熟。在具體技術開發方面,有着很多現有的資源和設計案例進行應用,這也進一步降低了系統的開發和推廣成本,同時也讓後續培訓工作的開展變得更加有效率。可以説,經濟性強、成本低廉、應用效率高、過渡短、方案成熟,這是工業以太網技術的一個顯著優勢特徵。 [7] 
第三,工業以太網技術具有較高的通信速率。相對現場總線來説,工業以太網的通信速率較高,1Gb/s的技術應用也變得十分成熟。在當前不斷增長的工業控制網絡性能吞吐需求的前提下,這種速率上的優勢十分明顯,其能夠更好地滿足當前的帶寬標準,是新時期現代工業生產網絡工程的重要發展方向。相對上也控制網絡來説,工業控制網絡內部不同節點的實時數據了相對較少,但是其對於傳輸的實時性方面要求很高。以太網技術本身的網絡負載方面有着顯著的優勢,這也讓整個通信過程的實時性需求得到了更好的滿足。良好的通信速率標準,可以進一步降低網絡負荷,減少網絡傳輸延時,從而最大限度規避忘了碰撞的概率,保障工業生產的安全性與可靠性。 [7] 
第四,工業以太網技術具有良好的共享能力。隨着當前網絡技術的不斷髮展和成熟化,整個互聯網體系變得更加成熟,任何一個接入到網絡當中的計算機,都可以實現對工業控制現場相關數據的瀏覽和調用,這對於遠程管控應用來説具有良好的優勢,同時這也超越了以往現場總線管理模式的便利性,是實現現代化工業生產管理的重要基礎性依據。 [7] 
第五,工業以太網技術具有良好的發展空間。通過工業以太網技術的應用,整個工業網絡控制系統本身會具備一個更加廣闊的發展空間和前景。在後續技術改造和升級的過程中,以太網技術能夠為其提供一個良好的基礎平台,這種擴展性方面的優勢相比於現場總線技術來説是十分明顯的。與此同時,在當前人工智能等相關技術發展的環境下,網絡通信質量和效率本身的標準更高,很多新通信協議的應用,這也需要工業以太網技術給予相應的支持。 [7] 
參考資料