以太网基础知识

以太网基础知识自20世纪70年代局域网技术提出以来，各种局域网技术不断产生，其中有的技术发展壮大，而有的技术逐渐被淘汰。

现阶段成熟的局域网技术有三种：以太网（Ethernet）、令牌环（Token Ring）和光纤分布式数据接口（FDDI），其中以太网技术逐步成为局域网技术的主流。

1 以太网历史简介以太网是在1972年开创的，Bob Metcalfe（被尊称为“以太网之父”）被Xerox雇佣为网络专家，Bob Metcalfe 来到Xerox公司的Palo Alto研究中心（PARC）的第一个任务是把Palo Alto的计算机连接到Arpanet （Internet的前身）。

1972年底，Bob Metcalfe设计了一套网络，把Alto计算机连接起来。

在研制过程中，因为该网络是以ALOHA系统（一种无线电网络系统）为基础的，而又连接了众多的ALTO计算机，所以Metcalfe把它命名为ALTO ALOHA网络。

ALTO ALOHA网络在1973年5月开始运行，Metcalfe把这个网络正式改名为以太网（Ethernet），这就是最初的以太网试验原型，该网络运行的速率为2.94Mbps，网络运行的介质为粗同轴电缆。

1976年6月，Metcalfe 和Boggs发表了题为：“以太网：局域网的分布型信息包交换”的著名论文。

1977年底，Metcalfe和他的三位合作者获得了“具有冲突检测的多点数据通信系统”的专利，多点传输系统被称为CSMA／CD(带冲突检测的载波侦听多路访问)。

从此，以太网就正式诞生了。

70年代末，涌现出了数十种局域网技术，以太网正是其中的一员。

1979年，Digital Equipment Corporation （DEC）、Intel公司与Xerox公司联盟，促进了以太网的标准化。

1980年9月30日，DEC、Intel和Xerox 公布了第三稿的“以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范，1.0版”，这就是现在著名的以太网蓝皮书，也称为DIX(取三家公司名字的第一个字母而组成的)版以太网1.0规范。

如前所述，最初的实验型以太网工作在2.94Mbps，而DIX规范定义的以太网工作在10Mbps。

1982年，DIX联盟发布了以太网的第二个版本，即Ethernet II。

在DIX联盟开展以太网标准化工作的同时，IEEE组成一个定义与促进工业LAN标准的委员会，这就是我们今天熟知的802工程委员会。

IEEE 802委员会成立了不同的工作组，每个工作组研究不同的LAN技术。

DIX 联盟虽已推出以太网规范，但还不是国际公认的标准，所以在1981年6月，IEEE 802工程决定组成802.3分委员会，以产生基于DIX工作成果的国际公认标准，1983年6月IEEE 802.3工作组发布了第一个关于以太网技术的IEEE标准，即IEEE 10BASE5。

10BASE5技术与DIX的Ethernet II在技术上是有差别的，不过这种差别甚微。

10BASE5的速率仍然是10Mbps，使用的传输介质仍然是粗同轴电缆，允许节点间的最长距离为500米。

1984年美国联邦政府以FIPS PUB107的名字采纳802.3标准。

1989年ISO以标准号IS88023采纳802.3以太网标准，至此，IEEE 标准802.3正式得到国际上的认可。

随着以太网技术的商业化，使用粗同轴电缆作为传输介质的缺点逐渐暴露，粗同轴电缆价格昂贵，需要外接MAU收发器，不易安装。

80年代初逐渐出现了一些基于细同轴电缆的以太网技术和产品，1984年，IEEE 发布了10BASE2的标准，10BASE2采用细同轴电缆作为传输介质，允许节点间的最长距离为200米。

10BASE5和10BASE2都是一种物理总线型拓扑，所有的节点连接在同一根总线，总线上的所有节点共享带宽。

这种物理总线型的拓扑有一个致命的缺点，容易出现总线某处断裂而使整个网络瘫痪的问题，不便于查找故障，而且如果用户进行节点的移动，必须重新布线，不利于结构化布线。

这时就提出了在非屏蔽双绞线（UTP）电话电缆上运行以太网的想法，最后证实在3类非屏蔽双绞线上可以运行1Mbps的低速以太网，1986年，IEEE接纳了这种低速以太网标准，命名为1BASE5，这就是著名的StarLAN。

StarLAN有它自身的优点：便于安装、配置、管理和查找故障，而且成本较低；这种物理星型的拓扑是以太网的一个突破，因为它允许采用结构化布线系统，它用单独一根线将每个节点连接到中央集线器，这对于安装、故障寻找和重新配置显然是一个明显的优点，可以大大降低整个网络的成本。

但1BASE5把以太网的速率从传统的10Mbps降低到了1Mbps，很多厂商认为这是以太网的一个后退，因此1BASE5很快走向了灭亡。

1BASE5使得以太网走向星型的结构化布线，但是速率是它的限制，于是IEEE开始在UTP在运行10Mbps 以太网的研究，1990年，IEEE 802.3i 标准发布，公布了10BASE-T技术。

此后出现了10 BASE-T中继器、双绞线介质附属件(MAU)和NIC网络接口卡，这些使得以太网市场急剧增长。

星形结构化布线结构的出现是以太网发展史上的伟大里程碑。

它使令牌环（Token Ring）失去了它的两个优势：结构化布线、采用双绞线布线。

同时随着光缆的发展，在光缆上运行以太网成了研究的一个课题，随后逐步出现了10BASE-F，10BASe-FL，10BASE-FP，10BASE-FB等在光缆上运行以太网的技术标准。

前面的技术不管是物理总线型拓扑结构、还是物理星型拓扑结构，LAN中的用户都是共享带宽的，都要争用带宽，存在冲突。

90年代初，逐渐出现了多端口网桥，用于多个LAN的互连。

共享式以太网逐渐向LAN交换机发展。

1993年，Kalpana公司使以太网技术有了另外一个突破——全双工以太网。

全双工的优点是很明显的，可以同时发送和接收数据，这在理论上可以使传输速度翻一番。

90年代初，随着网络的发展，10Mbps的速率限制了一些大网络的运行，此时以太网受到了FDDI的巨大冲击。

FDDI是一种昂贵的基于100Mbps光缆的LAN技术。

1992年，Grand Junction公司成立，开始研制100Mbps的以太网。

1993年，以Grand Junction为首的多家公司成立了快速以太网联盟（FEA）。

1993年10月，FEA 公布了它的100BASE-X互操作规范，1995年3月，IEEE802.3u规范被它的成员和执委会所通过。

于是快速以太网的时代宣布来临。

1995年末，各厂家日新月异地不断推出新的快速以太网产品，快速以太网达到了鼎盛时代。

1995年11月，IEEE802.3标准委员会组建了一个新的“高速研究组(High-Speed Study Group)”，研究1000Mbps速率的以太网。

1996年3月，IEEE组建了新的802.3z工作组，负责研究干兆位以太网，制订相应的标准。

1998年，IEEE发布802.3z，1000Mbps 的以太网标准。

2002年，10GE以太网标准802.3ae正式发布，10GE 以太网与1000M以太网相比，10GE只支持全双工，只支持光纤作为传输介质，10GE可以应用于广域网WAN物理层技术SONET/SDH。

随着以太网技术的发展，以太网已经不仅仅局限于一种局域网技术，以太网技术逐渐应用于城域网MAN和广域网WAN。

2 以太网基础知识2.1 CSMA/CD以太网是一种共享介质的局域网技术，多个站点连接到一个共享介质上，同一时间只能有一个站点发送数据。

这种共享介质的通信方式必然存在一个冲突的问题，如何检测链路是否空闲，站点能否发送数据是共享链路必须解决的问题。

这种同一链路连接多个终端，就是多路访问。

多路访问控制有多种协议，如随机访问控制协议、受控访问控制协议、通道化协议。

随机访问控制协议中所有连接在共享介质上的终端都具有平等的发送数据的概率，也没有轮询机制，随机访问控制协议技术主要有：MA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA。

受控访问控制协议是一种轮询机制，通过轮询控制哪个站点来发送数据，主要技术有：预约、轮询、令牌传递。

通道化协议是一种复用技术，主要技术包括：FDMA、TDMA、CDMA。

图1 多路访问控制协议分类以太网采用了随机访问控制协议中的CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带有冲突检测的载波侦听多址访问）方法作为多路访问控制协议。

我们可以将CSMA/CD比作一次交谈，在这个交谈中每个人都有说话的权力，但是同一时间只能有一个人说话，否则就会混乱，每个人在说话之前先听是否有别人在说话（即载波侦听），如果这时有人说话，那只能耐心等待，等待别人结束说话，它才可以发表意见。

另外，有可能两个人同一时间都想开始说话，此时就会出现冲突，但当两个人同时说话时，两个人都会发现他们在同一时间讲话（即冲突检测），这时说话立即终止，随机的等待一段时间后（回退），再开始说话。

这时第一个开始说话的人开始说话，第二个人必须等待，直到第一个人说完后才开始说话。

以太网的CSMA/CD工作方式与以上类似，图2为站点发送数据帧的流程图。

当一个站点有数据帧要发送时，它开始检测物理介质是否空闲，这个过程称为载波侦听。

如果此时介质忙，则只能耐心等待，推迟数据帧的发送。

如果载波侦听过程中发现介质空闲，则必须等待IFG （Inter Frame Gap）时间让物理信道恢复平稳，同时也让接收者对接收的帧作必要的处理。

等待IFG时间后开始发送数据帧。

如果这时没有其他站点要发送数据则不会发生冲突，站点可以完整的把数据帧发送完毕，重复下一次发送过程，继续发送下一个数据帧。

图2 CSMA/CD发送数据帧流程图如果同一时间有多个站点要发送数据，那么就会发生冲突。

冲突发生后，发送站点要持续发送一段时间的干扰信号（jamming），发送干扰信号的目的是为了确保共享介质上的所有站点都能够检测到这时以太网上已产生了冲突。

然后发送站点终止未发送完的数据帧的发送，等待一个随机时间，这就是回退（backing off），等待的这个随机时间称为回退时间（backoff time）。

回退时间是SlotTime（SlotTime是传送最短以太网帧所需要的时间，对于10M和100M来说为传送512bit所需要的时间，10M是51.2微秒，100M是5.12微秒）的整数倍，回退时间的取值范围与检测到冲突的次数有关，每次检测到冲突后，r选择一个从0到2k的随机整数0≤r<2k ，这里k＝MIN {n，10}，n 为检测到冲突的次数。