以太网络基础知识解析.docx

以太网基础知识详解作者： | 上传时间： 2009-11-16 | 关键字：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 WAN2 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，。