以太網(wǎng)的工作原理

局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)

我們可將網(wǎng)絡(luò )技術(shù)劃分為以下兩組基本技術(shù)之一：局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)，可在相對較近的距離內（通常在同一個(gè)建筑物內）將許多設備連接在一起。圖書(shū)館中用來(lái)顯示圖書(shū)信息的終端計算機便可連接到局域網(wǎng)上。廣域網(wǎng)（WAN）技術(shù)，可將相距幾十公里的設備連接在一起，但能夠連接的設備數量較少。例如，如果兩個(gè)位于城市兩端的圖書(shū)館希望共享圖書(shū)目錄信息，那么便可以使用廣域網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行連接，這可能需要從當地電話(huà)公司租用一條專(zhuān)線(xiàn)來(lái)專(zhuān)門(mén)傳輸它們的數據。

與廣域網(wǎng)相比，局域網(wǎng)的速度更快，也更為可靠，但是技術(shù)的不斷發(fā)展已經(jīng)使它們之間的界限變得越來(lái)越模糊。借助光纖，可使用局域網(wǎng)技術(shù)連接相距數十公里遠的設備，同時(shí)還能極大地提升廣域網(wǎng)的速度和可靠性。

以太網(wǎng)

1973年，施樂(lè )（Xerox）公司Palo Alto研究中心（通常稱(chēng)作PARC）的研究人員Bob Metcalfe設計并測試了第一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。當時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )將施樂(lè )的“Alto”計算機連接到一臺打印機，Metcalfe開(kāi)發(fā)了用于連接以太網(wǎng)上設備的電纜連接物理方法，以及用于控制電纜上數據傳輸的標準?，F在，以太網(wǎng)已經(jīng)成為了世界上最流行和應用最廣泛的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。以太網(wǎng)涉及的許多問(wèn)題也是其他許多網(wǎng)絡(luò )技術(shù)所要解決的問(wèn)題，了解以太網(wǎng)解決這些問(wèn)題的方法可以從整體上幫助你改善對網(wǎng)絡(luò )的理解。

隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的日益成熟，以太網(wǎng)標準也在不斷發(fā)展出一些新的技術(shù)，但是目前所有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的運行機制仍然來(lái)源于Metcalfe的原始設計。在原始的以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò )上的所有設備共享單根電纜進(jìn)行通訊。設備連接到該電纜，便能夠與其他連接的設備通信。這樣，可以在不對網(wǎng)絡(luò )上現有設備進(jìn)行任何修改的情況下擴展網(wǎng)絡(luò )以接納新設備。

以太網(wǎng)基本知識

以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )一般分布在一座大樓中，所連接的設備通常距離較近。以太網(wǎng)設備之間的電纜最多長(cháng)幾百米，因此它不適用于連接地理位置分散的多個(gè)地點(diǎn)。但現代技術(shù)的進(jìn)步極大提升了以太網(wǎng)的連接距離，今天人們已能夠建立相距數十公里遠的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。
協(xié)議

對于網(wǎng)絡(luò )連接而言，協(xié)議這一術(shù)語(yǔ)指的是用于控制通信的一組規則。協(xié)議對于計算機的意義就如同語(yǔ)言對于人類(lèi)的意義。由于本文使用中文撰寫(xiě)，要理解文章的內容你必須能夠讀懂中文。類(lèi)似地，網(wǎng)絡(luò )上的兩臺設備要想成功通信，必須都理解相同的協(xié)議。

以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)

以太網(wǎng)遵循一組控制其基本操作的簡(jiǎn)單規則。為了更好地理解這些規則，了解基本的以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)十分重要。
介質(zhì)——以太網(wǎng)設備連接到一個(gè)公共介質(zhì)上，該介質(zhì)為電氣信號的傳輸提供了一條路徑。歷史上一直使用同軸銅電纜作為傳輸介質(zhì)，但是目前雙絞線(xiàn)或光纖更為多見(jiàn)。
網(wǎng)段——我們將單個(gè)共享介質(zhì)稱(chēng)作一個(gè)以太網(wǎng)段。
節點(diǎn)——連接到網(wǎng)段的設備稱(chēng)作站點(diǎn)或節點(diǎn)。
幀——節點(diǎn)使用稱(chēng)作幀的簡(jiǎn)短消息進(jìn)行通信，幀是大小不固定的信息塊。
幀類(lèi)似于人類(lèi)語(yǔ)言中的句子。在中文里，我們構造句子時(shí)會(huì )有一些規則，例如每個(gè)句子必須包含主語(yǔ)和謂語(yǔ)。以太網(wǎng)協(xié)議也規定了用于構造幀的一組規則。對于幀的最大和最小長(cháng)度有明確規定，而且幀中必須包含一組必需的信息段。例如，每個(gè)幀必須包括目標地址和源地址，它們分別指出了消息的接收方和發(fā)送方。通過(guò)地址可標識唯一的節點(diǎn)，就像通過(guò)姓名可找出某個(gè)人一樣。任何兩個(gè)以太網(wǎng)設備都不應具有相同的地址。

由于以太網(wǎng)介質(zhì)上的信號能夠到達所有連接的節點(diǎn)，因此目標地址對識別幀的目標接收方來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

例如，在上圖中，如果計算機B向打印機C發(fā)送數據，計算機A和D也可以接收和查看幀。但是，在站點(diǎn)收到幀后，它會(huì )首先檢查幀的目標地址，看看該幀是否是發(fā)送給自己的。如果不是，站點(diǎn)會(huì )丟棄該幀，而不會(huì )查看其內容。

以太網(wǎng)地址的一件有趣的事情是它存在廣播地址。如果幀的目標地址為廣播地址（簡(jiǎn)稱(chēng)為一個(gè)廣播），則說(shuō)明它是發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )上所有節點(diǎn)的，于是每一個(gè)節點(diǎn)都會(huì )接收和處理這種類(lèi)型的幀。

以太網(wǎng)中的CSMA/CD是什么意思？

“CSMA/CD”的意思是帶沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)，它描述了以太網(wǎng)協(xié)議控制節點(diǎn)間通信的方法。這個(gè)詞看起來(lái)有些復雜，但如果我們將它分解幾個(gè)小概念，便會(huì )發(fā)現它描述的規則十分類(lèi)似于人們在進(jìn)行彬彬有禮的談話(huà)時(shí)所使用的規則。為了有助于描述以太網(wǎng)的操作，我們使用飯桌上的對話(huà)作為類(lèi)比。

我們將以太網(wǎng)段表示為飯桌，讓幾個(gè)代表節點(diǎn)的人坐在飯桌旁邊很有禮貌地進(jìn)行談話(huà)。多路訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)術(shù)語(yǔ)涵蓋了我們上面討論的內容：在一個(gè)以太網(wǎng)站點(diǎn)傳輸數據時(shí)，介質(zhì)上的所有站點(diǎn)都會(huì )聽(tīng)到該傳輸行為，就像飯桌上一個(gè)人在講話(huà)時(shí)，所有人都能夠聽(tīng)到他（她）的講話(huà)一樣。

現在，假設你也坐在桌旁而且有話(huà)想說(shuō)。但是，當時(shí)我正在講話(huà)。由于這是一次很有禮貌的談話(huà)，因此你不應立即開(kāi)口講話(huà)并打斷別人，而是等到我講完后再開(kāi)口。剛才描述的情況在以太網(wǎng)協(xié)議中稱(chēng)為載波偵聽(tīng)。在站點(diǎn)開(kāi)始傳輸數據之前，它會(huì )“偵聽(tīng)”介質(zhì)來(lái)確定其他站點(diǎn)是否正在進(jìn)行傳輸。如果介質(zhì)上很安靜，站點(diǎn)便認為現在是一個(gè)適于傳輸數據的時(shí)間。

沖突檢測

載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)為控制會(huì )話(huà)提供了一個(gè)好的起點(diǎn)，但是仍然有一個(gè)難題需要解決。讓我們回到用來(lái)類(lèi)比的飯桌談話(huà)上，想想談話(huà)中有片刻寂靜的情況。你和我都有一些話(huà)想說(shuō)，我們都在發(fā)生片刻寂靜時(shí)“偵聽(tīng)到了載波”，所以我們幾乎同時(shí)開(kāi)始講話(huà)。用以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，我們同時(shí)講話(huà)時(shí)會(huì )發(fā)生沖突。

在談話(huà)時(shí)，我們可以很好地處理這種情況。在我們講話(huà)的同時(shí)，都聽(tīng)到了對方也在講話(huà)，因此我們都停止了講話(huà)，以便對方能夠繼續。以太網(wǎng)節點(diǎn)在傳輸數據時(shí)也會(huì )偵聽(tīng)介質(zhì)，確保它是在該時(shí)刻進(jìn)行數據傳輸的唯一站點(diǎn)。如果站點(diǎn)聽(tīng)到它自己傳輸的數據以一種混亂的形式返回（如果其他站點(diǎn)也同時(shí)開(kāi)始傳輸它們自己的消息便會(huì )發(fā)生這種情況），那么就知道發(fā)生了沖突。有時(shí)，我們將單個(gè)以太網(wǎng)段稱(chēng)作一個(gè)沖突區域，因為網(wǎng)段上的任何兩個(gè)站點(diǎn)都無(wú)法在不產(chǎn)生沖突的情況下同時(shí)傳輸數據。如果站點(diǎn)檢測到?jīng)_突，它們會(huì )停止傳輸數據，等待一個(gè)隨機的時(shí)間長(cháng)度，然后在檢測到介質(zhì)歸于平靜之后嘗試再次傳輸數據。

隨機暫停并重試是協(xié)議的重要組成部分。如果兩個(gè)站點(diǎn)在進(jìn)行傳輸時(shí)發(fā)生沖突，那么它們都需要重新進(jìn)行傳輸。在適于傳輸數據的下一個(gè)時(shí)間，上次發(fā)生沖突的兩個(gè)站點(diǎn)都會(huì )準備好數據以便進(jìn)行傳輸。如果它們在第一次機會(huì )來(lái)到時(shí)再次傳輸了數據，那么很可能無(wú)限期地一次又一次發(fā)生沖突。而隨機延遲則可以使任何兩個(gè)站點(diǎn)都不會(huì )連續發(fā)生多次沖突。

以太網(wǎng)的缺點(diǎn)

單根共享電纜可作為一個(gè)完整以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的基礎。但在單根共享電纜的情況下，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的大小實(shí)際上存在一定的限制。主要原因在于共享電纜的長(cháng)度。

電氣信號可以沿電纜飛快傳播，但是它們的行程卻不長(cháng)，而且臨近設備（如熒光燈）的電氣干擾還會(huì )擾亂信號。要使設備能夠清楚地以最小延遲接收到對方發(fā)送的信號，網(wǎng)絡(luò )電纜必須足夠短才行。這就限制了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )上兩臺設備之間的最大距離（稱(chēng)作網(wǎng)絡(luò )直徑）。此外，按照CSMA/CD方式，在任一給定時(shí)間，只能有一臺設備傳輸信號，所以能夠共存于一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的設備的數量實(shí)際也存在限制。如果太多設備連接到同一個(gè)共享網(wǎng)段上，它們之間爭用介質(zhì)的現象便會(huì )增加。在有機會(huì )傳輸數據之前，設備可能會(huì )等待非常長(cháng)的時(shí)間。

工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出大量網(wǎng)絡(luò )設備來(lái)緩解這些難題。其中的許多設備并不是只針對以太網(wǎng)的，它們在其他網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中同樣可以發(fā)揮作用。

轉發(fā)器
最初廣泛使用的以太網(wǎng)介質(zhì)是被稱(chēng)作“粗電纜網(wǎng)”的銅制同軸電纜。這種電纜的最大長(cháng)度是500米。在大型建筑或校園環(huán)境中，500米長(cháng)的電纜經(jīng)常不足以連接所有網(wǎng)絡(luò )設備。但轉發(fā)器可以解決這個(gè)問(wèn)題。

轉發(fā)器連接多個(gè)以太網(wǎng)段并且偵聽(tīng)每個(gè)網(wǎng)段，同時(shí)將它在某個(gè)網(wǎng)段上聽(tīng)到的信號重復發(fā)送到與轉發(fā)器相連接的所有其他網(wǎng)段。使用多條電纜并將它們連接到轉發(fā)器，可以顯著(zhù)延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )直徑。

網(wǎng)段劃分

在我們用飯桌進(jìn)行的比喻中，桌旁只有幾個(gè)人在進(jìn)行對話(huà)，任一給定時(shí)刻只能有一個(gè)人講話(huà)的規定便不會(huì )對交流形成大的障礙。但是假如有許多人坐在桌旁并且在任一時(shí)刻只允許有一個(gè)人講話(huà)，那又會(huì )怎么樣呢？

如果是這樣的話(huà)，上面的比喻肯定不再適用。實(shí)際上，有很多人參與的談話(huà)經(jīng)常會(huì )分成多個(gè)同時(shí)進(jìn)行的不同談話(huà)。在擁擠的房間內或燒烤晚宴上，如果在任一時(shí)間只能有一個(gè)人講話(huà)，許多人會(huì )因等待說(shuō)話(huà)的時(shí)間過(guò)長(cháng)而感到沮喪。對人類(lèi)來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題會(huì )得到自行糾正：聲音的傳輸范圍有限，而耳朵善于從環(huán)境噪聲中捕捉住特定的談話(huà)。因此，在聚會(huì )時(shí)，同一個(gè)房間的人很容易分成多個(gè)小組進(jìn)行談話(huà)。因為網(wǎng)絡(luò )電纜可以快捷、高效地長(cháng)距離傳輸信號，所以不會(huì )出現上面這種自然而然的分組情況。

隨著(zhù)規模的擴大，以太網(wǎng)會(huì )面臨堵塞問(wèn)題。如果大量站點(diǎn)都連接到同一網(wǎng)段并且每個(gè)站點(diǎn)都產(chǎn)生許多網(wǎng)絡(luò )流量，那么在有機會(huì )發(fā)送數據時(shí)，會(huì )有很多站點(diǎn)嘗試進(jìn)行傳輸操作。這種情況會(huì )使沖突越來(lái)越頻繁地產(chǎn)生，由此導致數據傳輸無(wú)法正常進(jìn)行，完成一次成功的傳輸需要花費難以想象多的時(shí)間。減少堵塞的一種方法是：將單個(gè)網(wǎng)段劃分為多個(gè)網(wǎng)段，從而形成多個(gè)沖突區域。這種解決辦法會(huì )造成另一個(gè)問(wèn)題，即這些分隔開(kāi)的網(wǎng)段無(wú)法相互共享信息。

網(wǎng)橋

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