以太網的工作原理

局域網和廣域網

我們可將網絡技術劃分為以下兩組基本技術之一：局域網（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上。廣域網（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技術進行連接，這可能需要從當地電話公司租用一條專線來專門傳輸它們的數據。

與廣域網相比，局域網的速度更快，也更為可靠，但是技術的不斷發展已經使它們之間的界限變得越來越模糊。借助光纖，可使用局域網技術連接相距數十公里遠的設備，同時還能極大地提升廣域網的速度和可靠性。

以太網

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網絡。當時，這個網絡將施樂的“Alto”計算機連接到一臺打印機，Metcalfe開發了用于連接以太網上設備的電纜連接物理方法，以及用于控制電纜上數據傳輸的標準。現在，以太網已經成為了世界上最流行和應用最廣泛的網絡技術。以太網涉及的許多問題也是其他許多網絡技術所要解決的問題，了解以太網解決這些問題的方法可以從整體上幫助你改善對網絡的理解。

隨著計算機網絡的日益成熟，以太網標準也在不斷發展出一些新的技術，但是目前所有以太網網絡的運行機制仍然來源于Metcalfe的原始設計。在原始的以太網中，網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，可以在不對網絡上現有設備進行任何修改的情況下擴展網絡以接納新設備。

以太網基本知識

以太網是一種局域網技術，網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。但現代技術的進步極大提升了以太網的連接距離，今天人們已能夠建立相距數十公里遠的以太網網絡。
協議

對于網絡連接而言，協議這一術語指的是用于控制通信的一組規則。協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，網絡上的兩臺設備要想成功通信，必須都理解相同的協議。

以太網術語

以太網遵循一組控制其基本操作的簡單規則。為了更好地理解這些規則，了解基本的以太網術語十分重要。
介質——以太網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。
網段——我們將單個共享介質稱作一個以太網段。
節點——連接到網段的設備稱作站點或節點。
幀——節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則，例如每個句子必須包含主語和謂語。以太網協議也規定了用于構造幀的一組規則。對于幀的最大和最小長度有明確規定，而且幀中必須包含一組必需的信息段。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送方。通過地址可標識唯一的節點，就像通過姓名可找出某個人一樣。任何兩個以太網設備都不應具有相同的地址。

由于以太網介質上的信號能夠到達所有連接的節點，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發送數據，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），則說明它是發送給網絡上所有節點的，于是每一個節點都會接收和處理這種類型的幀。

以太網中的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，它描述了以太網協議控制節點間通信的方法。這個詞看起來有些復雜，但如果我們將它分解幾個小概念，便會發現它描述的規則十分類似于人們在進行彬彬有禮的談話時所使用的規則。為了有助于描述以太網的操作，我們使用飯桌上的對話作為類比。

我們將以太網段表示為飯桌，讓幾個代表節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：在一個以太網站點傳輸數據時，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協議中稱為載波偵聽。在站點開始傳輸數據之前，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，站點便認為現在是一個適于傳輸數據的時間。

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。用以太網術語來說，我們同時講話時會發生沖突。

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。以太網節點在傳輸數據時也會偵聽介質，確保它是在該時刻進行數據傳輸的唯一站點。如果站點聽到它自己傳輸的數據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生這種情況），那么就知道發生了沖突。有時，我們將單個以太網段稱作一個沖突區域，因為網段上的任何兩個站點都無法在不產生沖突的情況下同時傳輸數據。如果站點檢測到沖突，它們會停止傳輸數據，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據。

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

以太網的缺點

單根共享電纜可作為一個完整以太網網絡的基礎。但在單根共享電纜的情況下，以太網網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送的信號，網絡電纜必須足夠短才行。這就限制了以太網網絡上兩臺設備之間的最大距離（稱作網絡直徑）。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絡上的設備的數量實際也存在限制。如果太多設備連接到同一個共享網段上，它們之間爭用介質的現象便會增加。在有機會傳輸數據之前，設備可能會等待非常長的時間。

工程師們已經開發出大量網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的，它們在其他網絡技術中同樣可以發揮作用。

轉發器
最初廣泛使用的以太網介質是被稱作“粗電纜網”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境中，500米長的電纜經常不足以連接所有網絡設備。但轉發器可以解決這個問題。

轉發器連接多個以太網段并且偵聽每個網段，同時將它在某個網段上聽到的信號重復發送到與轉發器相連接的所有其他網段。使用多條電纜并將它們連接到轉發器，可以顯著延長網絡直徑。

網段劃分

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。因為網絡電纜可以快捷、高效地長距離傳輸信號，所以不會出現上面這種自然而然的分組情況。

隨著規模的擴大，以太網會面臨堵塞問題。如果大量站點都連接到同一網段并且每個站點都產生許多網絡流量，那么在有機會發送數據時，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生，由此導致數據傳輸無法正常進行，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：將單個網段劃分為多個網段，從而形成多個沖突區域。這種解決辦法會造成另一個問題，即這些分隔開的網段無法相互共享信息。

網橋

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