數據傳輸速率不斷提升的以太網(wǎng)技術(shù)
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作者：David Marsh
時(shí)間：2005-09-05
來(lái)源：EDN電子設計技術(shù)
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數據傳輸速率不斷提升的以太網(wǎng)技術(shù)
很難想象一種技術(shù)利用最初為語(yǔ)音業(yè)務(wù)設計的銅線(xiàn)，竟然能幾乎天衣無(wú)縫地使帶寬增大2個(gè)數量級。本文闡述當今的以太網(wǎng)（Ethernet）如何像20年前那樣繼續令人驚奇。
要點(diǎn)
廠(chǎng)商們每年銷(xiāo)售的以太網(wǎng)端口總數大約為3億件。
后向兼容性和可擴展性是以太網(wǎng)獲得成功的關(guān)鍵。
調制技術(shù)的發(fā)展使帶寬按數量級增長(cháng)。
早在二十世紀七十年代，要把計算機連接到外圍設備或者其它計算機簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)噩夢(mèng)。那時(shí)的一個(gè)典型數據處理中心是由一臺中央小型機或大型機以及許多簡(jiǎn)易終端和行式打印機組成。中央處理器與其外圍設備之間的連接幾乎總是采用速度超不過(guò)9600波特的RS-232串行總線(xiàn)。結果，終端通信速度很慢，連支持一個(gè)小規模操作所需的接線(xiàn)室實(shí)際上也令人費解。擔任施樂(lè )公司Palo Alto研究中心研究員的Bob Metcalfe和David Boggs，由于預見(jiàn)到普遍性計算的爆炸性增長(cháng)，當時(shí)正在研究一種以2.94 Mbps的數據傳輸速率，把該公司的多臺計算機和打印機連接起來(lái)的系統。他倆在1976年發(fā)表的一篇論文描述了這種在本地分布的計算機系統之間傳遞數據包的廣播通信系統，并將其命名為Ethernet——以太網(wǎng)（參考文獻1）。他倆與數字設備公司（DEC）和英特爾公司（Intel）合作，開(kāi)始制定一套與廠(chǎng)商無(wú)關(guān)的標準，這套標準隨后被IEEE接納為802系列標準之一，這方面的標準開(kāi)發(fā)工作一直延續至今。
在各廠(chǎng)商每年總共銷(xiāo)售大約3億端口的情況下，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到商業(yè)和局域聯(lián)網(wǎng)的方方面面。主要是由于固有的安全問(wèn)題，自動(dòng)化工程師很快就會(huì )承認以太網(wǎng)在面對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)時(shí)為獲得接納而付出的長(cháng)期努力。這種情形在過(guò)程控制行業(yè)內是個(gè)爭論點(diǎn)，因為在這個(gè)行業(yè)中，許多部署使得以太網(wǎng)局限于完成數據采集和后臺辦公職責。但是，很多硅半導體廠(chǎng)商都將以太網(wǎng)包含在其微控制器中，因而這項技術(shù)會(huì )繼續打入嵌入式系統領(lǐng)域。另一方面，以太網(wǎng)繼續面對其在城域數據傳送方面的挑戰，許多廠(chǎng)商提供橋接器芯片，以簡(jiǎn)化與廣域網(wǎng)骨干技術(shù)，例如SONET/SDH（同步光網(wǎng)絡(luò )/同步數字系統）的連接。而同樣在消費者和專(zhuān)業(yè)用戶(hù)之類(lèi)的市場(chǎng)上，最新的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)也正在急速地侵占有線(xiàn)設備的銷(xiāo)售份額。
如果你正在著(zhù)手以太網(wǎng)設計，或者只是想鑒賞諸如Gbps銅線(xiàn)傳輸、以太網(wǎng)供電以及ZigBee之類(lèi)現代開(kāi)發(fā)成果，則回顧一下促使以太網(wǎng)在首次商用之后二十年繼續發(fā)展的技術(shù)基礎是非常有益的。你幾乎肯定會(huì )對無(wú)論是最早的以太網(wǎng)系統為實(shí)施者提供的靈活性，還是當前一代開(kāi)發(fā)者延續的獨創(chuàng )性感到驚訝萬(wàn)分。本文著(zhù)眼于最流行的有線(xiàn)以太網(wǎng)，其目前的數據傳輸速率為10 Mbps～10 Gbps不等。
CSMA/CD成為以太網(wǎng)的特點(diǎn)
最初的DIX（DEC/Intel/Xerox）以太網(wǎng)標準在獲得批準之前，曾由IEEE于1983年加以修訂。該標準描述了一種采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路存?。﹨f(xié)議10-Mbps半雙工通信媒體。這種網(wǎng)絡(luò )組件適合于ISO（國際標準化組織）的OSI（開(kāi)放系統互連）模型（ISO/IEC 7498-1:1994）的較低兩層，用以提供物理層服務(wù)和數據鏈路層服務(wù)（圖1）。這兩層通稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )層，由網(wǎng)絡(luò )連接媒體（例如電纜）、通信硬件（例如收發(fā)器IC）以及將物理層數據流轉換并傳遞到較高層進(jìn)一步處理的驅動(dòng)軟件組成。從這種意義上說(shuō)，傳統的以太網(wǎng)是一種無(wú)連接的、不可靠的或“盡力傳送”的系統。因此，這種協(xié)議將數據分組并試圖將其傳送到預期的目的地，而不是首先檢查目的地是否有空或者數據是否能安全到達；如果應用系統需要，則高級軟件可完成這些功能。
圖1，以太網(wǎng)服務(wù)映射到標準的ISO/OSI模型的較低層，以提供與獨立于媒體的通信服務(wù)。
現今最流行的以太網(wǎng)產(chǎn)品仍然采用最初的幀格式（圖2）和CSMA/CD機制，為了適應后續的較高速度或不同應用特性而進(jìn)行的調整較少。盡管有不需要的存在免除在兩個(gè)節點(diǎn)之間進(jìn)行仲裁的全雙工網(wǎng)絡(luò )，但大多數工程師還是會(huì )立刻將以太網(wǎng)與CSMA/CD聯(lián)系起來(lái)。與后來(lái)制定的要求每個(gè)節點(diǎn)具有預定義的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級來(lái)簡(jiǎn)化確定性響應的協(xié)議——例如CAN（控制區域網(wǎng)）——不同，所有的以太網(wǎng)節點(diǎn)都具有同等的訪(fǎng)問(wèn)權；因此，以太網(wǎng)不適合實(shí)時(shí)控制用途。當一個(gè)傳統以太網(wǎng)節點(diǎn)打算發(fā)送數據時(shí)，它首先接收網(wǎng)絡(luò )的信息，以確定媒體是否被占用（載波偵聽(tīng)階段），如果沒(méi)有，這個(gè)節點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送數據。如果另一個(gè)節點(diǎn)也同時(shí)嘗試發(fā)送數據，就會(huì )發(fā)生數據沖突，在同軸網(wǎng)絡(luò )上產(chǎn)生一個(gè)過(guò)高的電壓，或者在半雙工雙絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上同時(shí)進(jìn)行發(fā)送/接收。檢測到這種異常情況時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)都會(huì )停止數據傳送，并發(fā)送一個(gè)擁塞模式，通知其它節點(diǎn)推遲任何即將進(jìn)行的數據傳送。這個(gè)擁塞模式長(cháng)度為32位，由一個(gè)與幀校驗序列場(chǎng)中CRC值不一致的任意序列（通常全為“1”）組成。因此，所有接收節點(diǎn)都會(huì )丟棄這個(gè)毀壞的分組。
圖2，以太網(wǎng)的原始幀格式從10 Mbps到10 Gbps保持不變。
同時(shí)，互相沖突的節點(diǎn)將其發(fā)送嘗試延遲一段隨機時(shí)間。這種補償延遲算法利用每個(gè)以太網(wǎng)設備獨特的48位MAC（媒介訪(fǎng)問(wèn)控制）地址作為其隨機化程序的一部分；如果這些設備仍然互相沖突，則這一過(guò)程就會(huì )重復嘗試多達16次發(fā)送嘗試——然后發(fā)送節點(diǎn)就放棄并標記一個(gè)錯誤。由于發(fā)送節點(diǎn)僅在發(fā)送時(shí)才檢測到?jīng)_突，所以任何發(fā)送數據的第一位必須到達各個(gè)節點(diǎn)后，發(fā)送節點(diǎn)才停止發(fā)送。相應地，協(xié)議規定了最大電纜長(cháng)度，以確保每個(gè)分組的前64位都傳播過(guò)整個(gè)電纜。如果沖突在發(fā)送節點(diǎn)發(fā)送了最后一位之后發(fā)生，協(xié)議就檢測不出錯誤；因此，較高層功能是檢測數據丟失所必需的?！澳┪矝_突”狀況通常表示硬件故障或線(xiàn)纜配置有誤。但是，沖突是反映以太網(wǎng)通信量隨網(wǎng)絡(luò )使用率增加而增加并不可避免地降低吞吐量的一個(gè)正常特性?？偠灾?，你會(huì )預料到以太網(wǎng)使用率超過(guò)大約80%就會(huì )大大降低性能，不過(guò)大多數系統的使用率大約為30%～40%。
采用更小且便宜得多的RG-58同軸電纜的10Base2很快就取代采用工業(yè)強度的RG-8同軸電纜的10Base5（即“粗以太網(wǎng)”）技術(shù)。（在以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)中，前面的“10”表示速度為10 Mbps，“base”表示基帶，而最后的數字表示以百米為單位的最大傳輸長(cháng)度。）這些早期以太網(wǎng)都采用總線(xiàn)體系結構，兩端各有一個(gè)50Ω端接電阻器，并且一端接地。10Base5技術(shù)利用一段直徑約為10 mm、取出點(diǎn)不近于2.5m的電纜，可達到500m有效通信距離。電纜沒(méi)有斷點(diǎn)，可避免由于連接器或不同電纜種類(lèi)造成的阻抗不連續，并要求使用一種被稱(chēng)為“吸血鬼抽頭”的絕緣層剝離連接器
要點(diǎn)
廠(chǎng)商們每年銷(xiāo)售的以太網(wǎng)端口總數大約為3億件。
后向兼容性和可擴展性是以太網(wǎng)獲得成功的關(guān)鍵。
調制技術(shù)的發(fā)展使帶寬按數量級增長(cháng)。
早在二十世紀七十年代，要把計算機連接到外圍設備或者其它計算機簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)噩夢(mèng)。那時(shí)的一個(gè)典型數據處理中心是由一臺中央小型機或大型機以及許多簡(jiǎn)易終端和行式打印機組成。中央處理器與其外圍設備之間的連接幾乎總是采用速度超不過(guò)9600波特的RS-232串行總線(xiàn)。結果，終端通信速度很慢，連支持一個(gè)小規模操作所需的接線(xiàn)室實(shí)際上也令人費解。擔任施樂(lè )公司Palo Alto研究中心研究員的Bob Metcalfe和David Boggs，由于預見(jiàn)到普遍性計算的爆炸性增長(cháng)，當時(shí)正在研究一種以2.94 Mbps的數據傳輸速率，把該公司的多臺計算機和打印機連接起來(lái)的系統。他倆在1976年發(fā)表的一篇論文描述了這種在本地分布的計算機系統之間傳遞數據包的廣播通信系統，并將其命名為Ethernet——以太網(wǎng)（參考文獻1）。他倆與數字設備公司（DEC）和英特爾公司（Intel）合作，開(kāi)始制定一套與廠(chǎng)商無(wú)關(guān)的標準，這套標準隨后被IEEE接納為802系列標準之一，這方面的標準開(kāi)發(fā)工作一直延續至今。
在各廠(chǎng)商每年總共銷(xiāo)售大約3億端口的情況下，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到商業(yè)和局域聯(lián)網(wǎng)的方方面面。主要是由于固有的安全問(wèn)題，自動(dòng)化工程師很快就會(huì )承認以太網(wǎng)在面對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)時(shí)為獲得接納而付出的長(cháng)期努力。這種情形在過(guò)程控制行業(yè)內是個(gè)爭論點(diǎn)，因為在這個(gè)行業(yè)中，許多部署使得以太網(wǎng)局限于完成數據采集和后臺辦公職責。但是，很多硅半導體廠(chǎng)商都將以太網(wǎng)包含在其微控制器中，因而這項技術(shù)會(huì )繼續打入嵌入式系統領(lǐng)域。另一方面，以太網(wǎng)繼續面對其在城域數據傳送方面的挑戰，許多廠(chǎng)商提供橋接器芯片，以簡(jiǎn)化與廣域網(wǎng)骨干技術(shù)，例如SONET/SDH（同步光網(wǎng)絡(luò )/同步數字系統）的連接。而同樣在消費者和專(zhuān)業(yè)用戶(hù)之類(lèi)的市場(chǎng)上，最新的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)也正在急速地侵占有線(xiàn)設備的銷(xiāo)售份額。
如果你正在著(zhù)手以太網(wǎng)設計，或者只是想鑒賞諸如Gbps銅線(xiàn)傳輸、以太網(wǎng)供電以及ZigBee之類(lèi)現代開(kāi)發(fā)成果，則回顧一下促使以太網(wǎng)在首次商用之后二十年繼續發(fā)展的技術(shù)基礎是非常有益的。你幾乎肯定會(huì )對無(wú)論是最早的以太網(wǎng)系統為實(shí)施者提供的靈活性，還是當前一代開(kāi)發(fā)者延續的獨創(chuàng )性感到驚訝萬(wàn)分。本文著(zhù)眼于最流行的有線(xiàn)以太網(wǎng)，其目前的數據傳輸速率為10 Mbps～10 Gbps不等。
CSMA/CD成為以太網(wǎng)的特點(diǎn)
最初的DIX（DEC/Intel/Xerox）以太網(wǎng)標準在獲得批準之前，曾由IEEE于1983年加以修訂。該標準描述了一種采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路存?。﹨f(xié)議10-Mbps半雙工通信媒體。這種網(wǎng)絡(luò )組件適合于ISO（國際標準化組織）的OSI（開(kāi)放系統互連）模型（ISO/IEC 7498-1:1994）的較低兩層，用以提供物理層服務(wù)和數據鏈路層服務(wù)（圖1）。這兩層通稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )層，由網(wǎng)絡(luò )連接媒體（例如電纜）、通信硬件（例如收發(fā)器IC）以及將物理層數據流轉換并傳遞到較高層進(jìn)一步處理的驅動(dòng)軟件組成。從這種意義上說(shuō)，傳統的以太網(wǎng)是一種無(wú)連接的、不可靠的或“盡力傳送”的系統。因此，這種協(xié)議將數據分組并試圖將其傳送到預期的目的地，而不是首先檢查目的地是否有空或者數據是否能安全到達；如果應用系統需要，則高級軟件可完成這些功能。
圖1，以太網(wǎng)服務(wù)映射到標準的ISO/OSI模型的較低層，以提供與獨立于媒體的通信服務(wù)。
現今最流行的以太網(wǎng)產(chǎn)品仍然采用最初的幀格式（圖2）和CSMA/CD機制，為了適應后續的較高速度或不同應用特性而進(jìn)行的調整較少。盡管有不需要的存在免除在兩個(gè)節點(diǎn)之間進(jìn)行仲裁的全雙工網(wǎng)絡(luò )，但大多數工程師還是會(huì )立刻將以太網(wǎng)與CSMA/CD聯(lián)系起來(lái)。與后來(lái)制定的要求每個(gè)節點(diǎn)具有預定義的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級來(lái)簡(jiǎn)化確定性響應的協(xié)議——例如CAN（控制區域網(wǎng)）——不同，所有的以太網(wǎng)節點(diǎn)都具有同等的訪(fǎng)問(wèn)權；因此，以太網(wǎng)不適合實(shí)時(shí)控制用途。當一個(gè)傳統以太網(wǎng)節點(diǎn)打算發(fā)送數據時(shí)，它首先接收網(wǎng)絡(luò )的信息，以確定媒體是否被占用（載波偵聽(tīng)階段），如果沒(méi)有，這個(gè)節點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送數據。如果另一個(gè)節點(diǎn)也同時(shí)嘗試發(fā)送數據，就會(huì )發(fā)生數據沖突，在同軸網(wǎng)絡(luò )上產(chǎn)生一個(gè)過(guò)高的電壓，或者在半雙工雙絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上同時(shí)進(jìn)行發(fā)送/接收。檢測到這種異常情況時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)都會(huì )停止數據傳送，并發(fā)送一個(gè)擁塞模式，通知其它節點(diǎn)推遲任何即將進(jìn)行的數據傳送。這個(gè)擁塞模式長(cháng)度為32位，由一個(gè)與幀校驗序列場(chǎng)中CRC值不一致的任意序列（通常全為“1”）組成。因此，所有接收節點(diǎn)都會(huì )丟棄這個(gè)毀壞的分組。
圖2，以太網(wǎng)的原始幀格式從10 Mbps到10 Gbps保持不變。
同時(shí)，互相沖突的節點(diǎn)將其發(fā)送嘗試延遲一段隨機時(shí)間。這種補償延遲算法利用每個(gè)以太網(wǎng)設備獨特的48位MAC（媒介訪(fǎng)問(wèn)控制）地址作為其隨機化程序的一部分；如果這些設備仍然互相沖突，則這一過(guò)程就會(huì )重復嘗試多達16次發(fā)送嘗試——然后發(fā)送節點(diǎn)就放棄并標記一個(gè)錯誤。由于發(fā)送節點(diǎn)僅在發(fā)送時(shí)才檢測到?jīng)_突，所以任何發(fā)送數據的第一位必須到達各個(gè)節點(diǎn)后，發(fā)送節點(diǎn)才停止發(fā)送。相應地，協(xié)議規定了最大電纜長(cháng)度，以確保每個(gè)分組的前64位都傳播過(guò)整個(gè)電纜。如果沖突在發(fā)送節點(diǎn)發(fā)送了最后一位之后發(fā)生，協(xié)議就檢測不出錯誤；因此，較高層功能是檢測數據丟失所必需的?！澳┪矝_突”狀況通常表示硬件故障或線(xiàn)纜配置有誤。但是，沖突是反映以太網(wǎng)通信量隨網(wǎng)絡(luò )使用率增加而增加并不可避免地降低吞吐量的一個(gè)正常特性?？偠灾?，你會(huì )預料到以太網(wǎng)使用率超過(guò)大約80%就會(huì )大大降低性能，不過(guò)大多數系統的使用率大約為30%～40%。
采用更小且便宜得多的RG-58同軸電纜的10Base2很快就取代采用工業(yè)強度的RG-8同軸電纜的10Base5（即“粗以太網(wǎng)”）技術(shù)。（在以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)中，前面的“10”表示速度為10 Mbps，“base”表示基帶，而最后的數字表示以百米為單位的最大傳輸長(cháng)度。）這些早期以太網(wǎng)都采用總線(xiàn)體系結構，兩端各有一個(gè)50Ω端接電阻器，并且一端接地。10Base5技術(shù)利用一段直徑約為10 mm、取出點(diǎn)不近于2.5m的電纜，可達到500m有效通信距離。電纜沒(méi)有斷點(diǎn)，可避免由于連接器或不同電纜種類(lèi)造成的阻抗不連續，并要求使用一種被稱(chēng)為“吸血鬼抽頭”的絕緣層剝離連接器
很難想象一種技術(shù)利用最初為語(yǔ)音業(yè)務(wù)設計的銅線(xiàn)，竟然能幾乎天衣無(wú)縫地使帶寬增大2個(gè)數量級。本文闡述當今的以太網(wǎng)（Ethernet）如何像20年前那樣繼續令人驚奇。
要點(diǎn)
廠(chǎng)商們每年銷(xiāo)售的以太網(wǎng)端口總數大約為3億件。
后向兼容性和可擴展性是以太網(wǎng)獲得成功的關(guān)鍵。
調制技術(shù)的發(fā)展使帶寬按數量級增長(cháng)。
早在二十世紀七十年代，要把計算機連接到外圍設備或者其它計算機簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)噩夢(mèng)。那時(shí)的一個(gè)典型數據處理中心是由一臺中央小型機或大型機以及許多簡(jiǎn)易終端和行式打印機組成。中央處理器與其外圍設備之間的連接幾乎總是采用速度超不過(guò)9600波特的RS-232串行總線(xiàn)。結果，終端通信速度很慢，連支持一個(gè)小規模操作所需的接線(xiàn)室實(shí)際上也令人費解。擔任施樂(lè )公司Palo Alto研究中心研究員的Bob Metcalfe和David Boggs，由于預見(jiàn)到普遍性計算的爆炸性增長(cháng)，當時(shí)正在研究一種以2.94 Mbps的數據傳輸速率，把該公司的多臺計算機和打印機連接起來(lái)的系統。他倆在1976年發(fā)表的一篇論文描述了這種在本地分布的計算機系統之間傳遞數據包的廣播通信系統，并將其命名為Ethernet——以太網(wǎng)（參考文獻1）。他倆與數字設備公司（DEC）和英特爾公司（Intel）合作，開(kāi)始制定一套與廠(chǎng)商無(wú)關(guān)的標準，這套標準隨后被IEEE接納為802系列標準之一，這方面的標準開(kāi)發(fā)工作一直延續至今。
在各廠(chǎng)商每年總共銷(xiāo)售大約3億端口的情況下，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到商業(yè)和局域聯(lián)網(wǎng)的方方面面。主要是由于固有的安全問(wèn)題，自動(dòng)化工程師很快就會(huì )承認以太網(wǎng)在面對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)時(shí)為獲得接納而付出的長(cháng)期努力。這種情形在過(guò)程控制行業(yè)內是個(gè)爭論點(diǎn)，因為在這個(gè)行業(yè)中，許多部署使得以太網(wǎng)局限于完成數據采集和后臺辦公職責。但是，很多硅半導體廠(chǎng)商都將以太網(wǎng)包含在其微控制器中，因而這項技術(shù)會(huì )繼續打入嵌入式系統領(lǐng)域。另一方面，以太網(wǎng)繼續面對其在城域數據傳送方面的挑戰，許多廠(chǎng)商提供橋接器芯片，以簡(jiǎn)化與廣域網(wǎng)骨干技術(shù)，例如SONET/SDH（同步光網(wǎng)絡(luò )/同步數字系統）的連接。而同樣在消費者和專(zhuān)業(yè)用戶(hù)之類(lèi)的市場(chǎng)上，最新的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)也正在急速地侵占有線(xiàn)設備的銷(xiāo)售份額。
如果你正在著(zhù)手以太網(wǎng)設計，或者只是想鑒賞諸如Gbps銅線(xiàn)傳輸、以太網(wǎng)供電以及ZigBee之類(lèi)現代開(kāi)發(fā)成果，則回顧一下促使以太網(wǎng)在首次商用之后二十年繼續發(fā)展的技術(shù)基礎是非常有益的。你幾乎肯定會(huì )對無(wú)論是最早的以太網(wǎng)系統為實(shí)施者提供的靈活性，還是當前一代開(kāi)發(fā)者延續的獨創(chuàng )性感到驚訝萬(wàn)分。本文著(zhù)眼于最流行的有線(xiàn)以太網(wǎng)，其目前的數據傳輸速率為10 Mbps～10 Gbps不等。
CSMA/CD成為以太網(wǎng)的特點(diǎn)
最初的DIX（DEC/Intel/Xerox）以太網(wǎng)標準在獲得批準之前，曾由IEEE于1983年加以修訂。該標準描述了一種采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路存?。﹨f(xié)議10-Mbps半雙工通信媒體。這種網(wǎng)絡(luò )組件適合于ISO（國際標準化組織）的OSI（開(kāi)放系統互連）模型（ISO/IEC 7498-1:1994）的較低兩層，用以提供物理層服務(wù)和數據鏈路層服務(wù)（圖1）。這兩層通稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )層，由網(wǎng)絡(luò )連接媒體（例如電纜）、通信硬件（例如收發(fā)器IC）以及將物理層數據流轉換并傳遞到較高層進(jìn)一步處理的驅動(dòng)軟件組成。從這種意義上說(shuō)，傳統的以太網(wǎng)是一種無(wú)連接的、不可靠的或“盡力傳送”的系統。因此，這種協(xié)議將數據分組并試圖將其傳送到預期的目的地，而不是首先檢查目的地是否有空或者數據是否能安全到達；如果應用系統需要，則高級軟件可完成這些功能。
圖1，以太網(wǎng)服務(wù)映射到標準的ISO/OSI模型的較低層，以提供與獨立于媒體的通信服務(wù)。
現今最流行的以太網(wǎng)產(chǎn)品仍然采用最初的幀格式（圖2）和CSMA/CD機制，為了適應后續的較高速度或不同應用特性而進(jìn)行的調整較少。盡管有不需要的存在免除在兩個(gè)節點(diǎn)之間進(jìn)行仲裁的全雙工網(wǎng)絡(luò )，但大多數工程師還是會(huì )立刻將以太網(wǎng)與CSMA/CD聯(lián)系起來(lái)。與后來(lái)制定的要求每個(gè)節點(diǎn)具有預定義的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級來(lái)簡(jiǎn)化確定性響應的協(xié)議——例如CAN（控制區域網(wǎng)）——不同，所有的以太網(wǎng)節點(diǎn)都具有同等的訪(fǎng)問(wèn)權；因此，以太網(wǎng)不適合實(shí)時(shí)控制用途。當一個(gè)傳統以太網(wǎng)節點(diǎn)打算發(fā)送數據時(shí)，它首先接收網(wǎng)絡(luò )的信息，以確定媒體是否被占用（載波偵聽(tīng)階段），如果沒(méi)有，這個(gè)節點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送數據。如果另一個(gè)節點(diǎn)也同時(shí)嘗試發(fā)送數據，就會(huì )發(fā)生數據沖突，在同軸網(wǎng)絡(luò )上產(chǎn)生一個(gè)過(guò)高的電壓，或者在半雙工雙絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上同時(shí)進(jìn)行發(fā)送/接收。檢測到這種異常情況時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)都會(huì )停止數據傳送，并發(fā)送一個(gè)擁塞模式，通知其它節點(diǎn)推遲任何即將進(jìn)行的數據傳送。這個(gè)擁塞模式長(cháng)度為32位，由一個(gè)與幀校驗序列場(chǎng)中CRC值不一致的任意序列（通常全為“1”）組成。因此，所有接收節點(diǎn)都會(huì )丟棄這個(gè)毀壞的分組。
圖2，以太網(wǎng)的原始幀格式從10 Mbps到10 Gbps保持不變。
同時(shí)，互相沖突的節點(diǎn)將其發(fā)送嘗試延遲一段隨機時(shí)間。這種補償延遲算法利用每個(gè)以太網(wǎng)設備獨特的48位MAC（媒介訪(fǎng)問(wèn)控制）地址作為其隨機化程序的一部分；如果這些設備仍然互相沖突，則這一過(guò)程就會(huì )重復嘗試多達16次發(fā)送嘗試——然后發(fā)送節點(diǎn)就放棄并標記一個(gè)錯誤。由于發(fā)送節點(diǎn)僅在發(fā)送時(shí)才檢測到?jīng)_突，所以任何發(fā)送數據的第一位必須到達各個(gè)節點(diǎn)后，發(fā)送節點(diǎn)才停止發(fā)送。相應地，協(xié)議規定了最大電纜長(cháng)度，以確保每個(gè)分組的前64位都傳播過(guò)整個(gè)電纜。如果沖突在發(fā)送節點(diǎn)發(fā)送了最后一位之后發(fā)生，協(xié)議就檢測不出錯誤；因此，較高層功能是檢測數據丟失所必需的?！澳┪矝_突”狀況通常表示硬件故障或線(xiàn)纜配置有誤。但是，沖突是反映以太網(wǎng)通信量隨網(wǎng)絡(luò )使用率增加而增加并不可避免地降低吞吐量的一個(gè)正常特性?？偠灾?，你會(huì )預料到以太網(wǎng)使用率超過(guò)大約80%就會(huì )大大降低性能，不過(guò)大多數系統的使用率大約為30%～40%。
采用更小且便宜得多的RG-58同軸電纜的10Base2很快就取代采用工業(yè)強度的RG-8同軸電纜的10Base5（即“粗以太網(wǎng)”）技術(shù)。（在以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)中，前面的“10”表示速度為10 Mbps，“base”表示基帶，而最后的數字表示以百米為單位的最大傳輸長(cháng)度。）這些早期以太網(wǎng)都采用總線(xiàn)體系結構，兩端各有一個(gè)50Ω端接電阻器，并且一端接地。10Base5技術(shù)利用一段直徑約為10 mm、取出點(diǎn)不近于2.5m的電纜，可達到500m有效通信距離。電纜沒(méi)有斷點(diǎn)，可避免由于連接器或不同電纜種類(lèi)造成的阻抗不連續，并要求使用一種被稱(chēng)為“吸血鬼抽頭”的絕緣層剝離連接器
要點(diǎn)
廠(chǎng)商們每年銷(xiāo)售的以太網(wǎng)端口總數大約為3億件。
后向兼容性和可擴展性是以太網(wǎng)獲得成功的關(guān)鍵。
調制技術(shù)的發(fā)展使帶寬按數量級增長(cháng)。
早在二十世紀七十年代，要把計算機連接到外圍設備或者其它計算機簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)噩夢(mèng)。那時(shí)的一個(gè)典型數據處理中心是由一臺中央小型機或大型機以及許多簡(jiǎn)易終端和行式打印機組成。中央處理器與其外圍設備之間的連接幾乎總是采用速度超不過(guò)9600波特的RS-232串行總線(xiàn)。結果，終端通信速度很慢，連支持一個(gè)小規模操作所需的接線(xiàn)室實(shí)際上也令人費解。擔任施樂(lè )公司Palo Alto研究中心研究員的Bob Metcalfe和David Boggs，由于預見(jiàn)到普遍性計算的爆炸性增長(cháng)，當時(shí)正在研究一種以2.94 Mbps的數據傳輸速率，把該公司的多臺計算機和打印機連接起來(lái)的系統。他倆在1976年發(fā)表的一篇論文描述了這種在本地分布的計算機系統之間傳遞數據包的廣播通信系統，并將其命名為Ethernet——以太網(wǎng)（參考文獻1）。他倆與數字設備公司（DEC）和英特爾公司（Intel）合作，開(kāi)始制定一套與廠(chǎng)商無(wú)關(guān)的標準，這套標準隨后被IEEE接納為802系列標準之一，這方面的標準開(kāi)發(fā)工作一直延續至今。
在各廠(chǎng)商每年總共銷(xiāo)售大約3億端口的情況下，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到商業(yè)和局域聯(lián)網(wǎng)的方方面面。主要是由于固有的安全問(wèn)題，自動(dòng)化工程師很快就會(huì )承認以太網(wǎng)在面對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)時(shí)為獲得接納而付出的長(cháng)期努力。這種情形在過(guò)程控制行業(yè)內是個(gè)爭論點(diǎn)，因為在這個(gè)行業(yè)中，許多部署使得以太網(wǎng)局限于完成數據采集和后臺辦公職責。但是，很多硅半導體廠(chǎng)商都將以太網(wǎng)包含在其微控制器中，因而這項技術(shù)會(huì )繼續打入嵌入式系統領(lǐng)域。另一方面，以太網(wǎng)繼續面對其在城域數據傳送方面的挑戰，許多廠(chǎng)商提供橋接器芯片，以簡(jiǎn)化與廣域網(wǎng)骨干技術(shù)，例如SONET/SDH（同步光網(wǎng)絡(luò )/同步數字系統）的連接。而同樣在消費者和專(zhuān)業(yè)用戶(hù)之類(lèi)的市場(chǎng)上，最新的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)也正在急速地侵占有線(xiàn)設備的銷(xiāo)售份額。
如果你正在著(zhù)手以太網(wǎng)設計，或者只是想鑒賞諸如Gbps銅線(xiàn)傳輸、以太網(wǎng)供電以及ZigBee之類(lèi)現代開(kāi)發(fā)成果，則回顧一下促使以太網(wǎng)在首次商用之后二十年繼續發(fā)展的技術(shù)基礎是非常有益的。你幾乎肯定會(huì )對無(wú)論是最早的以太網(wǎng)系統為實(shí)施者提供的靈活性，還是當前一代開(kāi)發(fā)者延續的獨創(chuàng )性感到驚訝萬(wàn)分。本文著(zhù)眼于最流行的有線(xiàn)以太網(wǎng)，其目前的數據傳輸速率為10 Mbps～10 Gbps不等。
CSMA/CD成為以太網(wǎng)的特點(diǎn)
最初的DIX（DEC/Intel/Xerox）以太網(wǎng)標準在獲得批準之前，曾由IEEE于1983年加以修訂。該標準描述了一種采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路存?。﹨f(xié)議10-Mbps半雙工通信媒體。這種網(wǎng)絡(luò )組件適合于ISO（國際標準化組織）的OSI（開(kāi)放系統互連）模型（ISO/IEC 7498-1:1994）的較低兩層，用以提供物理層服務(wù)和數據鏈路層服務(wù)（圖1）。這兩層通稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )層，由網(wǎng)絡(luò )連接媒體（例如電纜）、通信硬件（例如收發(fā)器IC）以及將物理層數據流轉換并傳遞到較高層進(jìn)一步處理的驅動(dòng)軟件組成。從這種意義上說(shuō)，傳統的以太網(wǎng)是一種無(wú)連接的、不可靠的或“盡力傳送”的系統。因此，這種協(xié)議將數據分組并試圖將其傳送到預期的目的地，而不是首先檢查目的地是否有空或者數據是否能安全到達；如果應用系統需要，則高級軟件可完成這些功能。
圖1，以太網(wǎng)服務(wù)映射到標準的ISO/OSI模型的較低層，以提供與獨立于媒體的通信服務(wù)。
現今最流行的以太網(wǎng)產(chǎn)品仍然采用最初的幀格式（圖2）和CSMA/CD機制，為了適應后續的較高速度或不同應用特性而進(jìn)行的調整較少。盡管有不需要的存在免除在兩個(gè)節點(diǎn)之間進(jìn)行仲裁的全雙工網(wǎng)絡(luò )，但大多數工程師還是會(huì )立刻將以太網(wǎng)與CSMA/CD聯(lián)系起來(lái)。與后來(lái)制定的要求每個(gè)節點(diǎn)具有預定義的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先級來(lái)簡(jiǎn)化確定性響應的協(xié)議——例如CAN（控制區域網(wǎng)）——不同，所有的以太網(wǎng)節點(diǎn)都具有同等的訪(fǎng)問(wèn)權；因此，以太網(wǎng)不適合實(shí)時(shí)控制用途。當一個(gè)傳統以太網(wǎng)節點(diǎn)打算發(fā)送數據時(shí)，它首先接收網(wǎng)絡(luò )的信息，以確定媒體是否被占用（載波偵聽(tīng)階段），如果沒(méi)有，這個(gè)節點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送數據。如果另一個(gè)節點(diǎn)也同時(shí)嘗試發(fā)送數據，就會(huì )發(fā)生數據沖突，在同軸網(wǎng)絡(luò )上產(chǎn)生一個(gè)過(guò)高的電壓，或者在半雙工雙絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上同時(shí)進(jìn)行發(fā)送/接收。檢測到這種異常情況時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)都會(huì )停止數據傳送，并發(fā)送一個(gè)擁塞模式，通知其它節點(diǎn)推遲任何即將進(jìn)行的數據傳送。這個(gè)擁塞模式長(cháng)度為32位，由一個(gè)與幀校驗序列場(chǎng)中CRC值不一致的任意序列（通常全為“1”）組成。因此，所有接收節點(diǎn)都會(huì )丟棄這個(gè)毀壞的分組。
圖2，以太網(wǎng)的原始幀格式從10 Mbps到10 Gbps保持不變。
同時(shí)，互相沖突的節點(diǎn)將其發(fā)送嘗試延遲一段隨機時(shí)間。這種補償延遲算法利用每個(gè)以太網(wǎng)設備獨特的48位MAC（媒介訪(fǎng)問(wèn)控制）地址作為其隨機化程序的一部分；如果這些設備仍然互相沖突，則這一過(guò)程就會(huì )重復嘗試多達16次發(fā)送嘗試——然后發(fā)送節點(diǎn)就放棄并標記一個(gè)錯誤。由于發(fā)送節點(diǎn)僅在發(fā)送時(shí)才檢測到?jīng)_突，所以任何發(fā)送數據的第一位必須到達各個(gè)節點(diǎn)后，發(fā)送節點(diǎn)才停止發(fā)送。相應地，協(xié)議規定了最大電纜長(cháng)度，以確保每個(gè)分組的前64位都傳播過(guò)整個(gè)電纜。如果沖突在發(fā)送節點(diǎn)發(fā)送了最后一位之后發(fā)生，協(xié)議就檢測不出錯誤；因此，較高層功能是檢測數據丟失所必需的?！澳┪矝_突”狀況通常表示硬件故障或線(xiàn)纜配置有誤。但是，沖突是反映以太網(wǎng)通信量隨網(wǎng)絡(luò )使用率增加而增加并不可避免地降低吞吐量的一個(gè)正常特性?？偠灾?，你會(huì )預料到以太網(wǎng)使用率超過(guò)大約80%就會(huì )大大降低性能，不過(guò)大多數系統的使用率大約為30%～40%。
采用更小且便宜得多的RG-58同軸電纜的10Base2很快就取代采用工業(yè)強度的RG-8同軸電纜的10Base5（即“粗以太網(wǎng)”）技術(shù)。（在以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)中，前面的“10”表示速度為10 Mbps，“base”表示基帶，而最后的數字表示以百米為單位的最大傳輸長(cháng)度。）這些早期以太網(wǎng)都采用總線(xiàn)體系結構，兩端各有一個(gè)50Ω端接電阻器，并且一端接地。10Base5技術(shù)利用一段直徑約為10 mm、取出點(diǎn)不近于2.5m的電纜，可達到500m有效通信距離。電纜沒(méi)有斷點(diǎn)，可避免由于連接器或不同電纜種類(lèi)造成的阻抗不連續，并要求使用一種被稱(chēng)為“吸血鬼抽頭”的絕緣層剝離連接器
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