以太网详解(一)（以太网是什么鬼）

1、以太网交换简介

以太网最早是指由DEC（Digital Equipment Corporation）、Intel和Xerox组成的DIX（DEC-Intel-Xerox）联盟开发并于1982年发布的标准。

经过长期的发展，以太网已成为应用最为广泛的局域网，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）和万兆以太网（10 Gbit/s）等。

IEEE 802.3规范则是基于以太网的标准制定的，并与以太网标准相互兼容。

在TCP/IP中，以太网的IP数据报文的封装格式由RFC894定义，IEEE802.3网络的IP数据报文封装由RFC1042定义。当今最常使用的封装格式是RFC894定义的格式，通常称为Ethernet_II或者Ethernet DIX。

为区别两种帧，本文以Ethernet_II称呼RFC894定义的以太帧，以IEEE802.3称呼RFC1042定义的以太帧。

早在1972年，Robert Metcalfe（被尊称为“以太网之父”）作为网络专家受雇于Xerox公司，当时他的第一个任务是把Xerox公司Palo Alto研究中心（PARC）的计算机连接到Arpanet（Internet的前身）。

同年底，Robert Metcalfe设计了一套网络，把PARC的计算机连接起来。因为该网络是以ALOHA系统（一种无线电网络系统）为基础的，又连接了众多的Xerox公司Palo Alto研究中心的计算机，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把这个网络正式命名为以太网（Ethernet），这就是最初的以太网试验原型，该网络运行速率为2.94Mbps，网络运行的介质为粗同轴电缆。

1976年6月，Metcalfe和他的助手David Boggs发表了一篇名为《以太网：区域计算机网络的分布式包交换技术》（Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks）的文章。

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”（"Multipoint data communication system with collision detection"）的专利。

从此，以太网就正式诞生了。

经过多年的技术发展，以太网是当前应用最普遍的局域网技术，它很大程度上取代了其他局域网标准。如令牌环、FDDI和ARCNET。

历经100M以太网在上世纪末的飞速发展后，目前千兆以太网甚至10G以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。

以太网是当今现有局域网LAN（Local Area Network）采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。

以太网是建立在CSMA/CD机制上的广播型网络。

冲突的产生是限制以太网性能的重要因素，早期的以太网设备如HUB是物理层设备，不能隔绝冲突扩散，限制了网络性能的提高。

而交换机做为一种能隔绝冲突的二层网络设备，极大的提高了以太网的性能，并替代HUB成为主流的以太网设备。

然而交换机对网络中的广播数据流量不做任何限制，这也影响了网络的性能。通过在交换机上划分VLAN和采用L3交换机可解决这一问题。

以太网作为一种原理简单，便于实现同时又价格低廉的局域网技术已经成为业界的主流。而更高性能的千兆以太网和万兆以太网的出现更使其成为最有前途的网络技术。

2、以太网的网络层次

以太网采用无源的介质，按广播方式传播信息。它规定了物理层和数据链路层协议，规定了物理层和数据链路层的接口以及数据链路层与更高层的接口。

2.1、物理层

物理层规定了以太网的基本物理属性，如数据编码、时标、电频等。

物理层位于OSI参考模型的最底层，它直接面向实际承担数据传输的物理媒体（即通信通道），物理层的传输单位为比特（bit），即一个二进制位（“0”或“1”）。

实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体，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媒体，而是指在物理媒体之上为上一层（数据链路层）提供一个传输原始比特流的物理连接。

2.2、数据链路层

数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物理层和网络层之间。

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，其最基本的服务是将源设备网络层转发过来的数据可靠地传输到相邻节点的目的设备网络层。

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

为此，一些组织和厂家提出把数据链路层再进行分层，分为媒体接入控制子层（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子层则可以完全独立。

图1 以太网链路层的分层结构

如上图1所示。

下面的章节将就物理层和数据链路层的相关概念做进一步的阐述。

3、以太网的线缆标准

从以太网诞生到目前为止，成熟应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分别代表运行速率，中间的BASE指传输的信号是基带方式。

3.1、10兆以太网线缆标准

10兆以太网线缆标准在IEEE802.3中定义，线缆类型如下表1所示。

同轴电缆的致命缺陷是：

电缆上的设备是串连的，单点故障就能导致整个网络崩溃。10BASE-2，10BASE-5是同轴电缆的物理标准，现在已经基本被淘汰。

3.2、100兆以太网线缆标准

100兆以太网又叫快速以太网FE（Fast Ethernet），在数据链路层上跟10M以太网没有区别，仅在物理层上提高了传输的速率。

快速以太网线缆类型如下表2所示。

10BASE-T和100BASE-TX都是运行在五类双绞线上的以太网标准，所不同的是线路上信号的传输速率不同，10BASE-T只能以10M的速度工作，而100BASE-TX则以100M的速度工作。

100BASE-T4现在很少使用。

3.3、千兆以太网线缆标准

千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展。在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率从100Mbit/s提高了10倍，达到了1Gbit/s。千兆以太网线缆标准如下表3所示。

用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbit/s到1000Mbit/s的升级。

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，数据链路层把8位数据组提交到物理层，物理层经过适当的变换后发送到物理链路上传输。但变换的结果还是8比特。

在光纤千兆以太网上，则不是这样。数据链路层把8比特的数据提交给物理层的时候，物理层把这8比特的数据进行映射，变换成10比特发送出去。

3.4、万兆以太网线缆标准

万兆以太网当前使用附加标准IEEE 802.3ae用以说明，将来会合并进IEEE 802.3标准。万兆以太网线缆标准如下表4所示。

3.5、100Gbps以太网线缆标准

新的40G/100G以太网标准在2010年制定完成，当前使用附加标准IEEE 802.3ba用以说明。随着网络技术的发展，100Gbps以太网在未来会有大规模的应用。

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一条共享的物理线路连接起来的。这样被连接的计算机和数字设备必须采用一种半双工的方式来访问该物理线路，而且还必须有一种冲突检测和避免的机制，以避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况，这种机制就是所谓的CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）。

可以从以下三点来理解CSMA/CD：

1、CS：载波侦听

在发送数据之前进行侦听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。

2、MA：多址访问

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

由于两个站点同时发送信号，信号叠加后，会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。

边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之后继续发送。

CSMA/CD的工作过程如下：

终端设备不停的检测共享线路的状态。如果线路空闲则发送数据；如果线路不空闲则一直等待。如果有另外一个设备同时发送数据，两个设备发送的数据必然产生冲突，导致线路上的信号不稳定。

终端设备检测到这种不稳定之后，马上停止发送自己的数据。终端设备发送一连串干扰脉冲，然后等待一段时间之后再进行发送数据。

发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备，线路上已经产生了冲突。

检测到冲突后等待的时间是随机的。