乙太網

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筆記型電腦上已插上網線的乙太網介面

乙太網Ethernet)是一種電腦區域網路組網技術。IEEE制定的IEEE 802.3標準給出了乙太網的技術標準,它規定了包括實體層的連線、電訊號和介質存取層協定的內容。乙太網是當前應用最普遍的區域網路技術,它很大程度上取代了其他區域網路標準如令牌環FDDIARCNET

乙太網的標準拓撲結構為匯流排型拓撲,但目前的快速乙太網(100BASE-T1000BASE-T標準)為了最大程度的減少衝突,最大程度的提高網路速度和使用效率,使用交換機(Switch hub)來進行網路連線和組織;這樣,乙太網的拓撲結構就成了星型;但在邏輯上,乙太網仍然使用匯流排型拓撲和CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,即帶衝突檢測的載波監聽多路存取)的匯流排爭用技術。

歷史[編輯]

乙太網技術的最初進展來自於全錄帕洛阿爾托研究中心的許多先鋒技術計畫中的一個。人們通常認為乙太網發明於1973年,當年鮑勃.梅特卡夫(Bob Metcalfe)給他PARC的老闆寫了一篇有關乙太網潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為乙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《乙太網:區域電腦網路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區域網路離開了全錄(Xerox),成立了3Com公司。3Com對DEC英特爾全錄進行遊說,希望與他們一起將乙太網標準化、規範化。這個通用的乙太網標準於1980年9月30日出台。當時業界有兩個流行的非公有網路標準令牌環網ARCNET,在乙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乙太網優越。受到此結論的影響,很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把乙太網介面做為機器的標準配置,這樣3Com才有機會從銷售乙太網網卡大賺。這種情況也導致了另一種說法「乙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,網路中實際的資料流特性與人們在區域網路普及之前的估計不同,而正是因為乙太網簡單的結構才使區域網路得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾經在麻省理工學院MAC計畫(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,在此期間奠定了乙太網技術的理論基礎。

概述[編輯]

1990年代的乙太網網卡或叫NIC(Network Interface Card,乙太網介面卡)。這張卡可以支援基於同軸電纜10BASE2 (BNC連結器,左)和基於雙絞線10BASE-TRJ-45,右)。

乙太網基於網路上無線電系統多個節點傳送訊息的想法實作,每個節點必須取得電纜或者信道的才能傳送訊息,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位元位址也就是製造商分配給網卡的MAC位址,以保證乙太網上所有系統能互相鑒別。由於乙太網十分普遍,許多製造商把乙太網卡直接整合進電腦主機板.

已經發現乙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共享介質乙太網[編輯]

帶衝突檢測的載波偵聽多路存取(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。當某台電腦要傳送訊息時,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. 傳送 - 如果檢測到衝突,繼續傳送資料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 - 向更高層的網路協定報告傳送成功,結束傳輸模式。
  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 - 向更高層的網路協定報告傳送失敗,結束傳輸模式

就像在沒有主持人的座談會中,所有的參加者都透過一個共同的媒介(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(退避的時間透過截斷二進制指數退避演算法(truncated binary exponential backoff)來實作)。

最初的乙太網是採用同軸電纜來連線各個裝置的。電腦透過一個叫做附加單元介面(Attachment Unit Interface,AUI)的收發器連線到電纜上。一根簡單網線對於一個小型網路來說還是很可靠的,對於大型網路來說,某處線路的故障或某個連結器的故障,都會造成乙太網某個或多個網段的不穩定。

因為所有的通訊訊號都在共用線路上傳輸,即使訊息只是發給其中的一個終端(destination),某台電腦傳送的訊息都將被所有其他電腦接收。在正常情況下,網路介面卡會濾掉不是傳送給自己的訊息,接收標的位址是自己的訊息時才會向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」的特質是共享介質乙太網在安全上的弱點,因為乙太網上的一個節點可以選擇是否監聽線路上傳輸的所有訊息。共享電纜也意味著共享頻寬,所以在某些情況下乙太網的速度可能會非常慢,比如電源故障之後,當所有的網路終端都重新啟動時。

乙太網中繼器和集線器[編輯]

在乙太網技術的發展中,乙太網集線器(Ethernet Hub)的出現使得網路更加可靠,接線更加方便。

因為訊號的衰減和延時,根據不同的介質乙太網段有距離限制。例如,10BASE5同軸電纜最長距離500米 (1,640英尺)。最大距離可以透過乙太網中繼器實作,中繼器可以把電纜中的訊號放大再傳送到下一段。中繼器最多連線5個網段,但是只能有4個裝置(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,所有這個段上的裝置就無法通訊,中繼器可以保證其他網段正常工作。

類似於其他的高速匯流排,乙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:匯流排上的AC訊號當到達終端時將被反射,而不能消散。被反射的訊號將被認為是衝突,從而使通訊無法繼續。中繼器可以將連在其上的兩個網段進行電力隔離,增強和同步訊號。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線。

隨著應用的拓展,人們逐漸發現星型的網路拓撲結構最為有效,於是裝置廠商們開始研製有多個埠的中繼器。多埠中繼器就是眾所周知的集線器(Hub)。集線器可以連線到其他的集線器或者同軸網路。

第一個集線器被認為是「多埠收發器」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連結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乙太網網段的出現。

像DEC和SynOptics這樣的網路裝置製造商曾經出售過用於連線許多10BASE-2細同軸線網段的集線器。

非遮蔽雙絞線(unshielded twisted-pair cables , UTP)最先應用在星型區域網路中,之後在10BASE-T中也得到應用,並最終代替了同軸電纜成為乙太網的標準。這項改進之後,RJ45電話介面代替了AUI成為電腦和集線器的標準界口,非遮蔽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裝置的故障不會影響到整個網路,提高了乙太網的可靠性。雙絞線乙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體,解決了乙太網的終端問題。

採用集線器組網的乙太網儘管在物理上是星型結構,但在邏輯上仍然是匯流排型的,半雙工的通訊方式採用CSMA/CD的衝突檢測方法,集線器對於減少包衝突的作用很小。每一個封包都被傳送到集線器的每一個埠,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線速度的限制(10或100 Mbit/s),這還是考慮在前同步碼、影格間隔、頭部、尾部和打包上花銷最少的情況。當網路負載過重時,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影格時,網路的負載僅達到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路的負載,通常會進行一些設定工作。

橋接和交換[編輯]

儘管中繼器在某些方面隔離了乙太網網段,電纜斷線的故障不會影響到整個網路,但它向所有的乙太網裝置轉發所有的資料。這嚴重限制了同一個乙太網網路上可以相互通訊的機器數量。為了減輕這個問題,橋接方法被採用,在工作在實體層的中繼器之基礎上,橋接工作在資料鏈路層。透過網橋時,只有格式完整的封包才能從一個網段進入另一個網段;衝突和封包錯誤則都被隔離。透過記錄分析網路上裝置的MAC位址,網橋可以判斷它們都在什麼位置,這樣它就不會向非標的裝置所在的網段傳遞封包。象生成樹協定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封包,這樣,特別是同時處理多個埠的時候,資料轉發相對Hub(中繼器)來說要慢。1989年網路公司Kalpana發明了EtherSwitch,第一台乙太網交換機。乙太網交換機把橋接功能用硬體實作,這樣就能保證轉發資料速率達到線速。

大多數現代乙太網用乙太網交換機代替Hub。儘管布線同Hub乙太網是一樣的,但是交換式乙太網比共享介質乙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裝置。交換網路典型的使用星型拓撲,儘管裝置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乙太網,不再是共享介質系統。

交換機加電後,首先也像Hub那樣工作,轉發所有資料到所有埠。接下來,當它學習到每個埠的位址以後,他就只把非廣播資料傳送給特定的目的埠。這樣,線速乙太網交換就可以在任何埠對之間實作,所有埠對之間的通訊互不干擾。

因為封包一般只是傳送到他的目的埠,所以交換式乙太網上的流量要略微小於共享介質式乙太網。儘管如此,交換式乙太網依然是不安全的網路技術,因為它還很容易因為ARP欺騙或者MAC滿溢而癱瘓,同時網路管理員也可以利用監控功能抓取網路封包。

當只有簡單裝置(除Hub之外的裝置)接入交換機埠,那麼整個網路可能工作在全雙工方式。如果一個網段只有2個裝置,那麼衝突探測也不需要了,兩個裝置可以隨時收發資料。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著允許幾乎100%的使用鏈路頻寬。

交換機埠和所連線的裝置必須使用相同的雙工設定。多數100BASE-TX1000BASE-T裝置支援自動協商特性,即這些裝置透過訊號來協調要使用的速率和雙工設定。然而,如果自動協商被禁用或者裝置不支援,則雙工設定必須透過自動檢測進行設定或在交換機埠和裝置上都進行手工設定以避免雙工錯配——這是乙太網問題的一種常見原因(裝置被設定為半雙工會報告遲發衝突,而裝置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定的能力,因此埠總是會嘗試進行自動協商。當啟用了自動協商但不成功時(例如其他裝置不支援),自動協商會將埠設定為半雙工。速率是可以自動感測的,因此將一個10BASE-T裝置連線到一個啟用了自動協商的10/100交換埠上時將可以成功地建立一個半雙工的10BASE-T連線。但是將一個配置為全雙工100Mb工作的裝置連線到一個配置為自動協商的交換埠時(反之亦然)則會導致雙工錯配。

即使電纜兩端都設定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,如果效能差於預期,應該檢視一下是否有電腦設定成10Mbps模式了,如果已知另一端配置為100Mbit,則可以手動強制設定成正確模式。.

當兩個節點試圖用超過電纜最高支援資料速率(例如在3類線上使用100Mbps或者3類/5類線使用1000Mbps)通訊時就會發生問題。不像ADSL或者傳統的撥號Modem透過詳細的方法檢測鏈路的最高支援資料速率,乙太網節點只是簡單的選擇兩端支援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援的速率。

乙太網型別[編輯]

除了以上提到的不同影格型別以外,各類乙太網的差別僅僅在於速率和配線。因此,總的來說,同樣的網路協定棧軟體可以執行在大多數乙太網上。

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

很多乙太網卡和交換裝置都支援多速率,裝置之間透過自動協商設定最佳的連線速度和雙工方式。如果協商失敗,多速率裝置就會探測另一方使用的速率但是預設為半雙工方式。10/100乙太網埠支援10BASE-T100BASE-TX。10/100/1000支援10BASE-T,100BASE-TX,和1000BASE-T。

早期的乙太網[編輯]

  • 全錄乙太網(Xerox Ethernet,又稱「全錄乙太網」)──是以太網路的雛型。最初的2.94Mbit/s乙太網,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的網路就是目前受IEEE承認的10BASE5[1]
  • 10BROAD36 ──已經過時。一個早期的支援長距離乙太網的標準。它執行在同軸電纜上,使用了一種類似於線纜數據機系統的寬頻調制技術。
  • 1BASE5 ──也稱為星型區域網路,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」插入電纜的內芯和遮蔽層。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路取代。
  • 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。以太網集線器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,從未得到應用。

100Mbps乙太網(快速乙太網)[編輯]

快速乙太網(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。支援全雙工使用2對線,功能等效100BASE-TX,但支援舊電纜。
  • 100BASE-FX -- 使用多模光纖,最遠支援400米,半雙工連線 (保證衝突檢測),2km全雙工。
  • 100VG AnyLAN -- 只有惠普支援, VG最早出現在市場上。需要4對三類電纜。也有人懷疑VG不是乙太網。
蘋果的千兆乙太網絡介面

1Gbps乙太網[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乙太網[編輯]

新的萬兆乙太網標準包含7種不同的節制型別適用於區域網路、都會網路和廣域網路。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連結器和CX4電纜,最大長度15米。
  • 10GBASE-SR -- 用於短距離多模光纖,根據電纜型別能達到26-82米,使用新型2GHz多模光纖可以達到300米。
  • 10GBASE-LX4 -- 使用波分復用支援多模光纖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援10公里和40公里
  • 10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW。用於廣域網路PHY, OC-192 / STM-64 同步光纖網/SDH裝置。實體層分別對應10GBASE-SR, 10GBASE-LR和10GBASE-ER,因此使用相同光纖支援距離也一致。(無廣域網路PHY標準)
  • 10GBASE-T -- 使用遮蔽或非遮蔽雙絞線,使用CAT-6A類線至少支援100米傳輸。CAT-6類線也在較短的距離上支援10GBASE-T。

100Gbps乙太網[編輯]

新的40G/100G乙太網標準在2010年中制定完成,包含若干種不同的節制型別。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]