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(nèi)（通常在同一個(gè)建筑物內(nèi)）將許多設(shè)備連接在一起。圖書館中用來顯示圖書信息的終端計(jì)算機(jī)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(shè)備連接在一起，但能夠連接的設(shè)備數(shù)量較少。例如，如果兩個(gè)位于城市兩端的圖書館希望共享圖書目錄信息，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(dāng)?shù)仉娫捁咀庥靡粭l專線來專門傳輸它們的數(shù)據(jù)。

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越模糊。借助光纖，可使用局域網(wǎng)技術(shù)連接相距數(shù)十公里遠(yuǎn)的設(shè)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（Xerox）公司Palo Alto研究中心（通常稱作PARC）的研究人員Bob Metcalfe設(shè)計(jì)并測試了第一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將施樂的“Alto”計(jì)算機(jī)連接到一臺(tái)打印機(jī)，Metcalfe開發(fā)了用于連接以太網(wǎng)上設(shè)備的電纜連接物理方法，以及用于控制電纜上數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，以太網(wǎng)已經(jīng)成為了世界上最流行和應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以太網(wǎng)涉及的許多問題也是其他許多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所要解決的問題，了解以太網(wǎng)解決這些問題的方法可以從整體上幫助你改善對網(wǎng)絡(luò)的理解。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行機(jī)制仍然來源于Metcalfe的原始設(shè)計(jì)。在原始的以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備共享單根電纜進(jìn)行通訊。設(shè)備連接到該電纜，便能夠與其他連接的設(shè)備通信。這樣，可以在不對網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行任何修改的情況下擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)以接納新設(shè)備。

以太網(wǎng)基本知識(shí)

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(shè)備通常距離較近。以太網(wǎng)設(shè)備之間的電纜最多長幾百米，因此它不適用于連接地理位置分散的多個(gè)地點(diǎn)。但現(xiàn)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(shù)十公里遠(yuǎn)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)語指的是用于控制通信的一組規(guī)則。協(xié)議對于計(jì)算機(jī)的意義就如同語言對于人類的意義。由于本文使用中文撰寫，要理解文章的內(nèi)容你必須能夠讀懂中文。類似地，網(wǎng)絡(luò)上的兩臺(tái)設(shè)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

以太網(wǎng)遵循一組控制其基本操作的簡單規(guī)則。為了更好地理解這些規(guī)則，了解基本的以太網(wǎng)術(shù)語十分重要。
介質(zhì)——以太網(wǎng)設(shè)備連接到一個(gè)公共介質(zhì)上，該介質(zhì)為電氣信號(hào)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)，但是目前雙絞線或光纖更為多見。
網(wǎng)段——我們將單個(gè)共享介質(zhì)稱作一個(gè)以太網(wǎng)段。
節(jié)點(diǎn)——連接到網(wǎng)段的設(shè)備稱作站點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)。
幀——節(jié)點(diǎn)使用稱作幀的簡短消息進(jìn)行通信，幀是大小不固定的信息塊。
幀類似于人類語言中的句子。在中文里，我們構(gòu)造句子時(shí)會(huì)有一些規(guī)則，例如每個(gè)句子必須包含主語和謂語。以太網(wǎng)協(xié)議也規(guī)定了用于構(gòu)造幀的一組規(guī)則。對于幀的最大和最小長度有明確規(guī)定，而且?guī)斜仨毎唤M必需的信息段。例如，每個(gè)幀必須包括目標(biāo)地址和源地址，它們分別指出了消息的接收方和發(fā)送方。通過地址可標(biāo)識(shí)唯一的節(jié)點(diǎn)，就像通過姓名可找出某個(gè)人一樣。任何兩個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備都不應(yīng)具有相同的地址。

由于以太網(wǎng)介質(zhì)上的信號(hào)能夠到達(dá)所有連接的節(jié)點(diǎn)，因此目標(biāo)地址對識(shí)別幀的目標(biāo)接收方來說至關(guān)重要。

例如，在上圖中，如果計(jì)算機(jī)B向打印機(jī)C發(fā)送數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)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(biāo)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(nèi)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(biāo)地址為廣播地址（簡稱為一個(gè)廣播），則說明它是發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)的，于是每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收和處理這種類型的幀。

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多路訪問，它描述了以太網(wǎng)協(xié)議控制節(jié)點(diǎn)間通信的方法。這個(gè)詞看起來有些復(fù)雜，但如果我們將它分解幾個(gè)小概念，便會(huì)發(fā)現(xiàn)它描述的規(guī)則十分類似于人們在進(jìn)行彬彬有禮的談話時(shí)所使用的規(guī)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作為類比。

我們將以太網(wǎng)段表示為飯桌，讓幾個(gè)代表節(jié)點(diǎn)的人坐在飯桌旁邊很有禮貌地進(jìn)行談話。多路訪問這個(gè)術(shù)語涵蓋了我們上面討論的內(nèi)容：在一個(gè)以太網(wǎng)站點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，介質(zhì)上的所有站點(diǎn)都會(huì)聽到該傳輸行為，就像飯桌上一個(gè)人在講話時(shí)，所有人都能夠聽到他（她）的講話一樣。

現(xiàn)在，假設(shè)你也坐在桌旁而且有話想說。但是，當(dāng)時(shí)我正在講話。由于這是一次很有禮貌的談話，因此你不應(yīng)立即開口講話并打斷別人，而是等到我講完后再開口。剛才描述的情況在以太網(wǎng)協(xié)議中稱為載波偵聽。在站點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)之前，它會(huì)“偵聽”介質(zhì)來確定其他站點(diǎn)是否正在進(jìn)行傳輸。如果介質(zhì)上很安靜，站點(diǎn)便認(rèn)為現(xiàn)在是一個(gè)適于傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。

沖突檢測

載波偵聽多路訪問為控制會(huì)話提供了一個(gè)好的起點(diǎn)，但是仍然有一個(gè)難題需要解決。讓我們回到用來類比的飯桌談話上，想想談話中有片刻寂靜的情況。你和我都有一些話想說，我們都在發(fā)生片刻寂靜時(shí)“偵聽到了載波”，所以我們幾乎同時(shí)開始講話。用以太網(wǎng)術(shù)語來說，我們同時(shí)講話時(shí)會(huì)發(fā)生沖突。

在談話時(shí)，我們可以很好地處理這種情況。在我們講話的同時(shí)，都聽到了對方也在講話，因此我們都停止了講話，以便對方能夠繼續(xù)。以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)偵聽介質(zhì)，確保它是在該時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ徽军c(diǎn)。如果站點(diǎn)聽到它自己傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以一種混亂的形式返回（如果其他站點(diǎn)也同時(shí)開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)段稱作一個(gè)沖突區(qū)域，因?yàn)榫W(wǎng)段上的任何兩個(gè)站點(diǎn)都無法在不產(chǎn)生沖突的情況下同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。如果站點(diǎn)檢測到?jīng)_突，它們會(huì)停止傳輸數(shù)據(jù)，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間長度，然后在檢測到介質(zhì)歸于平靜之后嘗試再次傳輸數(shù)據(jù)。

隨機(jī)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(shù)據(jù)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(zhǔn)備好數(shù)據(jù)以便進(jìn)行傳輸。如果它們在第一次機(jī)會(huì)來到時(shí)再次傳輸了數(shù)據(jù)，那么很可能無限期地一次又一次發(fā)生沖突。而隨機(jī)延遲則可以使任何兩個(gè)站點(diǎn)都不會(huì)連續(xù)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(chǔ)。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度。

電氣信號(hào)可以沿電纜飛快傳播，但是它們的行程卻不長，而且臨近設(shè)備（如熒光燈）的電氣干擾還會(huì)擾亂信號(hào)。要使設(shè)備能夠清楚地以最小延遲接收到對方發(fā)送的信號(hào)，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(tái)設(shè)備之間的最大距離（稱作網(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(tái)設(shè)備傳輸信號(hào)，所以能夠共存于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備的數(shù)量實(shí)際也存在限制。如果太多設(shè)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(xiàn)象便會(huì)增加。在有機(jī)會(huì)傳輸數(shù)據(jù)之前，設(shè)備可能會(huì)等待非常長的時(shí)間。

工程師們已經(jīng)開發(fā)出大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來緩解這些難題。其中的許多設(shè)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(zhuǎn)發(fā)器
最初廣泛使用的以太網(wǎng)介質(zhì)是被稱作“粗電纜網(wǎng)”的銅制同軸電纜。這種電纜的最大長度是500米。在大型建筑或校園環(huán)境中，500米長的電纜經(jīng)常不足以連接所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。但轉(zhuǎn)發(fā)器可以解決這個(gè)問題。

轉(zhuǎn)發(fā)器連接多個(gè)以太網(wǎng)段并且偵聽每個(gè)網(wǎng)段，同時(shí)將它在某個(gè)網(wǎng)段上聽到的信號(hào)重復(fù)發(fā)送到與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)器，可以顯著延長網(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，任一給定時(shí)刻只能有一個(gè)人講話的規(guī)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，那又會(huì)怎么樣呢？

如果是這樣的話，上面的比喻肯定不再適用。實(shí)際上，有很多人參與的談話經(jīng)常會(huì)分成多個(gè)同時(shí)進(jìn)行的不同談話。在擁擠的房間內(nèi)或燒烤晚宴上，如果在任一時(shí)間只能有一個(gè)人講話，許多人會(huì)因等待說話的時(shí)間過長而感到沮喪。對人類來說，這個(gè)問題會(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。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。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)電纜可以快捷、高效地長距離傳輸信號(hào)，所以不會(huì)出現(xiàn)上面這種自然而然的分組情況。

隨著規(guī)模的擴(kuò)大，以太網(wǎng)會(huì)面臨堵塞問題。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(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)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)使沖突越來越頻繁地產(chǎn)生，由此導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸無法正常進(jìn)行，完成一次成功的傳輸需要花費(fèi)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(qū)域。這種解決辦法會(huì)造成另一個(gè)問題，即這些分隔開的網(wǎng)段無法相互共享信息。

網(wǎng)橋

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