以太網(wǎng)的工作原理

局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)

我們可將網(wǎng)絡技術劃分為以下兩組基本技術之一：局域網(wǎng)（LAN）技術，可在相對較近的距離內（通常在同一個建筑物內）將許多設備連接在一起。圖書館中用來顯示圖書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，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(shù)量較少。例如，如果兩個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)技術進行連接，這可能需要從當?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)技術連接相距數(shù)十公里遠的設備，同時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設計并測試了第一個以太網(wǎng)網(wǎng)絡。當時，這個網(wǎng)絡將施樂的“Alto”計算機連接到一臺打印機，Metcalfe開發(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(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴省，F(xiàn)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)絡技術。以太網(wǎng)涉及的許多問題也是其他許多網(wǎng)絡技術所要解決的問題，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)絡的理解。

隨著計算機網(wǎng)絡的日益成熟，以太網(wǎng)標準也在不斷發(fā)展出一些新的技術，但是目前所有以太網(wǎng)網(wǎng)絡的運行機制仍然來源于Metcalfe的原始設計。在原始的以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡上的所有設備共享單根電纜進行通訊。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)絡上現(xiàn)有設備進行任何修改的情況下擴展網(wǎng)絡以接納新設備。

以太網(wǎng)基本知識

以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)技術，網(wǎng)絡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幾百米，因此它不適用于連接地理位置分散的多個地點。但現(xiàn)代技術的進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)十公里遠的以太網(wǎng)網(wǎng)絡。
協(xié)議

對于網(wǎng)絡連接而言，協(xié)議這一術語指的是用于控制通信的一組規(guī)則。協(xié)議對于計算機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，要理解文章的內容你必須能夠讀懂中文。類似地，網(wǎng)絡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)術語十分重要。
介質——以太網(wǎng)設備連接到一個公共介質上，該介質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，但是目前雙絞線或光纖更為多見。
網(wǎng)段——我們將單個共享介質稱作一個以太網(wǎng)段。
節(jié)點——連接到網(wǎng)段的設備稱作站點或節(jié)點。
幀——節(jié)點使用稱作幀的簡短消息進行通信，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，我們構造句子時會有一些規(guī)則，例如每個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。通過地址可標識唯一的節(jié)點，就像通過姓名可找出某個人一樣。任何兩個以太網(wǎng)設備都不應具有相同的地址。

由于以太網(wǎng)介質上的信號能夠到達所有連接的節(jié)點，因此目標地址對識別幀的目標接收方來說至關重要。

例如，在上圖中，如果計算機B向打印機C發(fā)送數(shù)據(jù)，計算機A和D也可以接收和查看幀。但是，在站點收到幀后，它會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，站點會丟棄該幀，而不會查看其內容。

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（簡稱為一個廣播），則說明它是發(fā)送給網(wǎng)絡上所有節(jié)點的，于是每一個節(jié)點都會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)點間通信的方法。這個詞看起來有些復雜，但如果我們將它分解幾個小概念，便會發(fā)現(xiàn)它描述的規(guī)則十分類似于人們在進行彬彬有禮的談話時所使用的規(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，讓幾個代表節(jié)點的人坐在飯桌旁邊很有禮貌地進行談話。多路訪問這個術語涵蓋了我們上面討論的內容：在一個以太網(wǎng)站點傳輸數(shù)據(jù)時，介質上的所有站點都會聽到該傳輸行為，就像飯桌上一個人在講話時，所有人都能夠聽到他（她）的講話一樣。

現(xiàn)在，假設你也坐在桌旁而且有話想說。但是，當時我正在講話。由于這是一次很有禮貌的談話，因此你不應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。在站點開始傳輸數(shù)據(jù)之前，它會“偵聽”介質來確定其他站點是否正在進行傳輸。如果介質上很安靜，站點便認為現(xiàn)在是一個適于傳輸數(shù)據(jù)的時間。

沖突檢測

載波偵聽多路訪問為控制會話提供了一個好的起點，但是仍然有一個難題需要解決。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“偵聽到了載波”，所以我們幾乎同時開始講話。用以太網(wǎng)術語來說，我們同時講話時會發(fā)生沖突。

在談話時，我們可以很好地處理這種情況。在我們講話的同時，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)點在傳輸數(shù)據(jù)時也會偵聽介質，確保它是在該時刻進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ徽军c。如果站點聽到它自己傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以一種混亂的形式返回（如果其他站點也同時開始傳輸它們自己的消息便會發(fā)生這種情況），那么就知道發(fā)生了沖突。有時，我們將單個以太網(wǎng)段稱作一個沖突區(qū)域，因為網(wǎng)段上的任何兩個站點都無法在不產(chǎn)生沖突的情況下同時傳輸數(shù)據(jù)。如果站點檢測到?jīng)_突，它們會停止傳輸數(shù)據(jù)，等待一個隨機的時間長度，然后在檢測到介質歸于平靜之后嘗試再次傳輸數(shù)據(jù)。

隨機暫停并重試是協(xié)議的重要組成部分。如果兩個站點在進行傳輸時發(fā)生沖突，那么它們都需要重新進行傳輸。在適于傳輸數(shù)據(jù)的下一個時間，上次發(fā)生沖突的兩個站點都會準備好數(shù)據(jù)以便進行傳輸。如果它們在第一次機會來到時再次傳輸了數(shù)據(jù)，那么很可能無限期地一次又一次發(fā)生沖突。而隨機延遲則可以使任何兩個站點都不會連續(xù)發(fā)生多次沖突。

以太網(wǎng)的缺點

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

電氣信號可以沿電纜飛快傳播，但是它們的行程卻不長，而且臨近設備（如熒光燈）的電氣干擾還會擾亂信號。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)絡電纜必須足夠短才行。這就限制了以太網(wǎng)網(wǎng)絡上兩臺設備之間的最大距離（稱作網(wǎng)絡直徑）。此外，按照CSMA/CD方式，在任一給定時間，只能有一臺設備傳輸信號，所以能夠共存于一個網(wǎng)絡上的設備的數(shù)量實際也存在限制。如果太多設備連接到同一個共享網(wǎng)段上，它們之間爭用介質的現(xiàn)象便會增加。在有機會傳輸數(shù)據(jù)之前，設備可能會等待非常長的時間。

工程師們已經(jīng)開發(fā)出大量網(wǎng)絡設備來緩解這些難題。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)絡技術中同樣可以發(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)絡設備。但轉發(fā)器可以解決這個問題。

轉發(fā)器連接多個以太網(wǎng)段并且偵聽每個網(wǎng)段，同時將它在某個網(wǎng)段上聽到的信號重復發(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，可以顯著延長網(wǎng)絡直徑。

網(wǎng)段劃分

在我們用飯桌進行的比喻中，桌旁只有幾個人在進行對話，任一給定時刻只能有一個人講話的規(guī)定便不會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刻只允許有一個人講話，那又會怎么樣呢？

如果是這樣的話，上面的比喻肯定不再適用。實際上，有很多人參與的談話經(jīng)常會分成多個同時進行的不同談話。在擁擠的房間內或燒烤晚宴上，如果在任一時間只能有一個人講話，許多人會因等待說話的時間過長而感到沮喪。對人類來說，這個問題會得到自行糾正：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，在聚會時，同一個房間的人很容易分成多個小組進行談話。因為網(wǎng)絡電纜可以快捷、高效地長距離傳輸信號，所以不會出現(xiàn)上面這種自然而然的分組情況。

隨著規(guī)模的擴大，以太網(wǎng)會面臨堵塞問題。如果大量站點都連接到同一網(wǎng)段并且每個站點都產(chǎn)生許多網(wǎng)絡流量，那么在有機會發(fā)送數(shù)據(jù)時，會有很多站點嘗試進行傳輸操作。這種情況會使沖突越來越頻繁地產(chǎn)生，由此導致數(shù)據(jù)傳輸無法正常進行，完成一次成功的傳輸需要花費難以想象多的時間。減少堵塞的一種方法是：將單個網(wǎng)段劃分為多個網(wǎng)段，從而形成多個沖突區(qū)域。這種解決辦法會造成另一個問題，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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