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以太網

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筆記本電腦上已插上網線的以太網接口

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FDDIARCNET

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 Detection,即載波多重存取/碰撞偵測)的總線爭用技術。

歷史[編輯]

以太網技術的最初進展來自於施樂帕洛阿爾托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:區域計算機網絡的分布式包交換技術》的文章。

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英特爾施樂進行遊說,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。

梅特卡夫曾經開玩笑說,Jerry Saltzer為3Com的成功作出了貢獻。Saltzer在一篇[哪些?]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說法「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,但這說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)的同一層樓里工作,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。

概述[編輯]

1990年代的以太網網卡或叫NIC(Network Interface Card,以太網適配器)。這張卡可以支持基於同軸電纜10BASE2 (BNC連接器,左)和基於雙絞線10BASE-TRJ-45,右)。

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鑒別。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.

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。

CSMA/CD共享介質以太網[編輯]

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,則啟動傳輸,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

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說還是很可靠的,對於大型網絡來說,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。

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「一個說,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頻寬,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啟動時。

以太網中繼器和集線器[編輯]

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,但是只能有4個設備(即一個網段最多可以接4個中繼器)。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。

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。

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。

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。每一個數據包都被發送到集線器的每一個端口,所以頻寬和安全問題仍沒有解決。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盡量提高網絡的負載,通常會進行一些設置工作。

橋接和交換[編輯]

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)來說要慢。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。儘管布線同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,例如更大的頻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。總的頻寬就是鏈路的2倍(儘管頻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%的使用鏈路頻寬。

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-TX1000BASE-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。當啟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設備連接到一個啟用了自動協商的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。

以太網類型[編輯]

除了以上提到的不同幀類型以外,各類以太網的差別僅僅在於速率和配線。因此,總的來說,同樣的網絡協議棧軟件可以運行在大多數以太網上。

以下的章節簡要綜述了不同的正式的以太網類型。除了這些正式的標準以外,許多廠商因為一些特殊的原因,比如為了支持更長距離的光纖傳輸,而制定了一些專用的標準。

很多以太網卡和交換設備都支持多速率,設備之間通過自動協商設置最佳的連接速度和雙工方式。如果協商失敗,多速率設備就會探測另一方使用的速率但是默認為半雙工方式。10/100以太網端口支持10BASE-T100BASE-TX。10/100/1000支持10BASE-T,100BASE-TX,和1000BASE-T。

早期的以太網[編輯]

  • 施樂以太網(Xerox Ethernet,又稱「全錄乙太網」)──是乙太網絡的雛型。最初的2.94Mbit/s以太網,並僅在全錄公司裡內部使用。而在1982年,XeroxDECIntel組成DIX聯盟,並共同發表了Ethernet Version 2(EV2)的規格,並將它投放在商場市場,而且被普遍使用。而EV2的網絡就是目前受IEEE承認的10BASE5[1]
  • 10BROAD36 ──已經過時。一個早期的支持長距離以太網的標準。它運行在同軸電纜上,使用了一種類似於線纜調製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。雙絞線的第一次使用就用在這裡。

10Mbps乙太網[編輯]

10BASE-T電纜
  • 10BASE5(又稱粗纜(Thick Ethernet)或黃色電纜)──最早實現10 Mbit/s乙太網。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台電腦的收發器,而纜線兩端必須接上50歐姆終端電阻。接收端通過所謂的「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布設,到現在還有一些系統在使用,這一標準實際上已經丟棄,被10BASE2所淘汰。
  • 10BASE2(又稱細纜(Thin Ethernet)或模擬網路)── 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台計算機,計算機使用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,方便佈線、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。乙太網集線器乙太網交換機位於中間連接所有節點。
  • FOIRL ──光纖中繼器鏈路。光纖乙太網原始版本。
  • 10BASE-F ── 10Mbps乙太網光纖標準通稱,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,從未得到應用。

100Mbps以太網(快速以太網)[編輯]

快速以太網(Fast Ethernet)為IEEE在1995年發表的網路標準,能提供達100Mbps的傳輸速度。[2]

  • 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,已經廢棄。
    • 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。
蘋果的千兆以太網絡接口

1Gbps以太網[編輯]

1000BASE-SX的光信號與電氣信號轉換器
  • 1000BASE-T -- 1 Gbit/s介質超五類雙絞線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)。[3]
  • 1000BASE-LX -- 1 Gbit/s多模光纖(小於550M),單模光纖(小於5000M)。[4]
  • 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[編輯]

新的萬兆以太網標準包含7種不同的節制類型適用於局域網、城域網和廣域網。當前使用附加標準IEEE 802.3ae用以說明,將來會合併進IEEE 802.3標準。

  • 10GBASE-CX4 -- 短距離銅纜方案用於InfiniBand 4x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 -- 使用波分復用支持多模光纖240-300米,單模光纖超過10公里。
  • 10GBASE-LR和10GBASE-ER -- 通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[編輯]

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。當前使用附加標準IEEE 802.3ba用以說明。

  • 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。

參考文獻[編輯]

  1. ^ Internet協定觀念與實作ISBN 9577177069
  2. ^ Internet協定觀念與實作ISBN 9577177069
  3. ^ IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-2 p.109
  4. ^ IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-6 p.111

參看[編輯]

外部連結[編輯]