详细以太网（一）

1、以太网交换简介

以太网最初是指由DEC（Digital Equipment Corporation）、Intel和Xerox组成的DIX（DEC-Intel-Xerox）联盟，是1982年制定的标准，2007年发布。

以太网经过长期发展，已成为使用最广泛的局域网，包括标准以太网（10 Mbit/s）、快速以太网（100 Mbit/s）、千兆以太网（1000 Mbit/s）和 10 Gbit 以太网 (10 Gbit/s) 等。

IEEE 802.3 规范基于以太网标准，兼容以太网标准。

在TCP/IP中，以太网IP数据报的封装格式由RFC894定义，IEEE802.3网络的IP数据报封装由RFC1042定义。目前最常用的封装格式是RFC894定义的格式，通常称为Ethernet_II或Ethernet DIX。

为了区分这两种帧，本文将RFC894定义的以太网帧称为Ethernet_II，将RFC1042定义的以太网帧称为IEEE802.3。

Robert Metcalfe（被称为“以太网之父”）早在 1972 年就被施乐聘为网络专家，当时他的第一项任务是将施乐的帕洛阿尔托研究中心 (PARC) 计算机连接到 Arpanet（以太网的前身）。互联网）。

同年年底，罗伯特·梅特卡夫设计了一个网络来连接 PARC 的计算机。梅特卡夫将其命名为 ALTO ALOHA 网络，因为该网络基于 ALOHA 系统（一种无线电网络系统），并连接了施乐公司帕洛阿尔托研究中心的多台计算机。

ALTO ALOHA 网络于 1973 年 5 月开始运营。梅特卡夫将网络正式命名为以太网。这是最初的以太网测试原型。网络以 2. 94Mbps 的速率运行，网络在粗同轴电缆上运行。

1976 年 6 月，Metcalfe 和他的助手 David Boggs 发表了一篇题为“Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks”（Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks）的文章。

1977年底，梅特卡夫和他的三位合作者获得了“具有碰撞检测的多点数据通信系统”的专利。

从此，以太网正式诞生了。

经过多年的技术发展，以太网是最常用的局域网技术，它已经在很大程度上取代了其他局域网标准。如令牌环、FDDI 和 ARCNET。

经过上世纪末100M以太网的飞速发展，目前在国际组织和龙头企业的推动下，千兆以太网乃至10G以太网的应用范围正在不断扩大。

以太网是现有局域网（LAN）采用的最常见的通信协议标准。该标准定义了局域网中使用的电缆类型和信号处理方法。

以太网是建立在 CSMA/CD 机制之上的广播网络。

冲突的发生是限制以太网性能的重要因素。早期的HUB等以太网设备属于物理层设备，无法隔离冲突扩散，限制了网络性能的提升。

交换机作为一种可以隔离冲突的二层网络设备，极大地提升了以太网的性能，取代了HUB成为主流的以太网设备。

但是，交换机对网络中的广播数据流量没有任何限制，这也会影响网络的性能。这个问题可以通过在交换机上划分VLAN，使用L3交换机来解决。

以太网作为一种原理简单、易于实现、价格低廉的局域网技术，已成为业界的主流。更高性能的千兆以太网和10千兆以太网的出现使其成为最有前途的网络技术。

2、以太网的网络层次结构

以太网使用被动媒体来广播信息。它规定了物理层和数据链路层的协议、物理层和数据链路层的接口、数据链路层和更高层的接口。

2.1、物理层

物理层指定以太网的基本物理属性，例如数据编码、时间戳和频率。

物理层位于 OSI 参考模型的底部。它直接面向实际进行数据传输的物理介质（即通信信道）。物理层的传输单位是位（bit），即二进制位（“0”或“1”）。

实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理介质。但是，物理层不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理介质，而是指上述物理介质。一层（数据链路层）为传输原始比特流提供物理连接。

2.2、数据链路层

数据链路层是 OSI 参考模型中的第二层，位于物理层和网络层之间。之间。

数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务。它最基本的服务是将源设备的网络层转发的数据可靠地传输到相邻节点。设备网络层。

由于以太网的物理层和数据链路层是相关的，需要提供一个特定的数据链路层来访问物理层的不同工作模式。这给设计和应用带来了一些不便。

为此，一些组织和制造商建议将数据链路层进一步分层为介质访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。这样不同的物理层对应不同的MAC子层，LLC子层可以完全独立。

图1以太网链路层的分层结构

如上图1所示。

以下章节将进一步阐述物理层和数据链路层的相关概念。

3、以太网电缆标准

自以太网诞生至今，成熟应用中使用的以太网物理层标准主要有以下几种：

10BASE-2

10BASE-5

10BASE-T

10BASE-F

100BASE-T4

100BASE-TX

100BASE-FX

1000BASE-SX

1000BASE-LX

1000BASE-TX

10GBASE-T

10GBASE-LR

10GBASE-SR

在这些标准中，前面的10、100、1000、10G分别代表工作速率，中间的BASE表示发射信号为基带模式。

3.1、10M网线标准

10M以太网电缆标准定义在IEEE802.3, line 电缆类型如下表1所示。

同轴电缆的致命缺陷是：

电缆上的设备是串联的以太经典节点数量，单点故障可能导致整个网络崩溃。 10BASE-2、10BASE-5 是同轴电缆的物理标准，现在基本上已经过时了。

3.2、100M网线标准

100M以太网也称为快速以太网（Fast Ethernet）。层和10M以太网没有区别，只是在物理层提高了传输速率。

快速以太网电缆类型如下表 2 所示。

10BASE-T和100BASE-TX都是运行在5类双绞线上的以太网标准，区别在于线路上信号的传输速度不同，10BASE-T只能工作在10M的速度，而100BASE-TX 工作速度为 100M。

100BASE-T4 现在很少使用了。

3.3、千兆网线标准

千兆以太网是 IEEE802.3 以太网标准的扩展。基于以太网协议，快速以太网的传输速率从100Mbit/s提升10倍至1Gbit/s。千兆以太网电缆标准如下表 3 所示。

用户可以使用该技术将原来的快速以太网系统从 100Mbit/s 升级到 1000Mbit/s。

千兆以太网物理层使用8B10B编码。在传统的以太网传输技术中，数据链路层将8位数据组提交给物理层以太经典节点数量，物理层经过适当的变换后发送到物理链路进行传输。但是转换的结果还是8位。

在光纤千兆以太网上，情况并非如此。当数据链路层向物理层提交8位数据时，物理层将8位数据映射，转换成10位数据，发送出去。

3.4、10 Gb 以太网电缆标准

10千兆以太网目前使用附加标准IEEE 802.3ae来说明，未来将纳入IEEE 802.3标准。 10 Gb 以太网电缆标准如下表 4 所示。

3.5、100Gbps 以太网电缆标准

新的 40G/100G 以太网标准 它于 2010 年开发，目前使用附加标准 IEEE 802.3ba 进行说明。随着网络技术的发展，未来100Gbps以太网将会有大规模的应用。

4、CSMA/CD

根据以太网的最初设计目标，计算机和其他数字设备是通过共享的物理线连接的。以这种方式连接的计算机和数字设备必须使用半双工方式接入物理线路，还必须有冲突检测和避免机制，避免多个设备同时抢占线路。该机制就是所谓的CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）。

CSMA/CD可以从以下三点来理解：

1、CS:载波侦听

发送数据前的声音，保证线路空闲，减少冲突的机会。

2、MA：多路访问

每个站点发送的数据可以同时被多个站点接收。

3、CD：冲突检测

由于两个站同时发送信号，信号叠加后，线路上电压的摆幅值会超过正常值的两倍。以此来判断是否发生了冲突。

边发送边检测，发现冲突时停止发送，随机延时后继续发送。

CSMA/CD的工作流程如下：

终端设备不断检测共享线路的状态。如果线路空闲，则发送数据；等待，如果线路不是。如果另一台设备同时发送数据，这两个设备发送的数据必然会发生冲突，导致线路上的信号不稳定。

一旦终端设备检测到这种不稳定性，它就会停止发送自己的数据。终端设备发送一串干扰脉冲，然后等待一段时间再发送数据。

发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，尤其是与自己同时发送数据的设备，线路上发生了冲突。

检测到碰撞后的等待时间是随机的。