基本介紹
- 中文名：乙太網技術
- 外文名：Ethernet Technology
- 創建：Xerox公司
- 開發：Xerox,Intel和DEC公司
- 屬於：是一種技術規範。
- 主要技術：CSMA/CD技術
定義,背景,技術介紹,分類,關鍵技術,CSMA/CD技術,集線器,橋接交換,
定義
乙太網技術指的是由Xerox公司創建並由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶區域網路規範。傳統乙太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及衝突檢測技術）技術，並以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。乙太網與IEEE802·3系列標準相類似。乙太網不是一種具體的網路，是一種技術規範，在IEEE 802.3中定義了乙太網的標準協定。帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)技術
背景
乙太網技術的最初進展來自於施樂帕洛阿爾托研究中心的許多先鋒技術項目中的一個。人們通常認為乙太網發明於1973年，當年鮑勃.梅特卡夫(Bob Metcalfe)給他PARC的老闆寫了一篇有關乙太網潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為乙太網是之後幾年才出現的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs發表了一篇名為《乙太網：局域計算機網路的分散式包交換技術》的文章。
1979年，梅特卡夫為了開發個人電腦和區域網路離開了施樂(Xerox)，成立了3Com公司。3Com對DEC、英特爾和施樂進行遊說，希望與他們一起將乙太網標準化、規範化。這個通用的乙太網標準於1980年9月30日出台。當時業界有兩個流行的非公有網路標準令牌環網和ARCNET，在以太網大潮的衝擊下他們很快萎縮並被取代。而在此過程中，3Com也成了一個國際化的大公司。
梅特卡夫曾經開玩笑說，Jerry Saltzer為3Com的成功作出了貢獻。Saltzer在一篇與他人合著的很有影響力的論文中指出，在理論上令牌環網要比乙太網優越。受到此結論的影響，很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把乙太網接口做為機器的標準配置，這樣3Com才有機會從銷售乙太網網卡大賺。這種情況也導致了另一種說法“乙太網不適合在理論中研究，只適合在實際中套用”。也許只是句玩笑話，但這說明了這樣一個技術觀點：通常情況下，網路中實際的數據流特性與人們在區域網路普及之前的估計不同，而正是因為以太網簡單的結構才使區域網路得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾經在麻省理工學院MAC項目(Project MAC)的同一層樓里工作，當時他正在做自己的哈佛大學畢業論文，在此期間奠定了乙太網技術的理論基礎。
技術介紹
乙太網的標準拓撲結構為匯流排型拓撲，但目前的快速乙太網（100BASE-T、1000BASE-T標準）為了最大程度的減少衝突，最大程度的提高網路速度和使用效率，使用交換機（Switch hub）來進行網路連線和組織，這樣，乙太網的拓撲結構就成了星型，但在邏輯上，乙太網仍然使用匯流排型拓撲和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 即帶衝突檢測的載波監聽多路訪問）的匯流排爭用技術。
乙太網基於網路上無線電系統多個節點傳送信息的想法實現，每個節點必須取得電纜或者信道的才能傳送信息，有時也叫作以太（Ether）。(這個名字來源於19世紀的物理學家假設的電磁輻射媒體-光以太。後來的研究證明光以太不存在。) 每一個節點有全球唯一的48位地址也就是製造商分配給網卡的MAC地址,以保證乙太網上所有系統能互相鑑別。由於乙太網十分普遍，許多製造商把乙太網卡直接集成進計算機主機板。已經發現乙太網通訊具有自相關性的特點,這對於電信通訊工程十分重要的。
分類
1.快速乙太網
快速乙太網（Fast Ethernet）也就是我們常說的百兆乙太網，它在保持幀格式、MAC（介質存取控制）機制和MTU（最大傳送單元）質量的前提下，其速率比10Base－T的乙太網增加了10倍。二者之間的相似性使得10Base－T 乙太網現有的應用程式和網路管理工具能夠在快速乙太網上使用。快速乙太網是基於擴充的IEEE802.3標準。
2.千兆位乙太網
千兆位乙太網是一種新型高速區域網路，它可以提供1Gbps的通信頻寬，採用和傳統10M、100M乙太網同樣的CSMA/CD協定、幀格式和幀長，因此可以實現在原有低速乙太網基礎上平滑、連續性的網路升級。只用於Point to Point，連線介質以光纖為主，最大傳輸距離已達到80km，可用於MAN的建設。
3.萬兆乙太網
4.光纖乙太網
光纖乙太網產品可以藉助乙太網設備採用乙太網數據包格式實現WAN通信業務。該技術可以適用於任何光傳輸網路——光纖直接傳輸、SDH以及DWDM網路傳輸。目前，光纖乙太網可以實現10Mbps、100Mbps以及1Gbps等標準乙太網速度。
5.端到端乙太網
端到端乙太網方案以乙太網作為接入技術，不但成本低，而且頻寬比現行的Cable Modem、ADSL、ISDN、Modem接入都要高，因此不但可以作為一般用戶Internet連線，或者多媒體點播或廣播用途，更可以作為企業用戶實現VPN虛擬私有專網互聯使用。
關鍵技術
CSMA/CD技術
（1）開始。如果線路空閒，則啟動傳輸，否則轉到第4步；
（2）傳送。如果檢測到衝突，繼續傳送數據直到達到最小報文時間 (保證所有其他轉發器和終端檢測到衝突)，再轉到第4步；
（3）成功傳輸。向更高層的網路協定報告傳送成功，退出傳輸模式；
（4）線路忙。等待，直到線路空閒；
（5）線路進入空閒狀態。等待一個隨機的時間，轉到第1步，除非超過最大嘗試次數；
（6）超過最大嘗試傳輸次數。向更高層的網路協定報告傳送失敗，退出傳輸模式。
就像在沒有主持人的座談會中，所有的參加者都通過一個共同的媒介（空氣）來相互交談。每個參加者在講話前，都禮貌地等待別人把話講完。如果兩個客人同時開始講話，那么他們都停下來，分別隨機等待一段時間再開始講話。這時，如果兩個參加者等待的時間不同，衝突就不會出現。如果傳輸失敗超過一次，將採用退避指數增長時間的方法（退避的時間通過截斷二進制指數退避算法(truncated binary exponential backoff)來實現）。
最初的以太網是採用同軸電纜來連線各個設備的。電腦通過一個叫做附加單元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的收發器連線到電纜上。一根簡單網線對於一個小型網路來說還是很可靠的，對於大型網路來說，某處線路的故障或某個連線器的故障，都會造成乙太網某個或多個網段的不穩定。
因為所有的通信信號都在共用線路上傳輸，即使信息只是發給其中的一個終端（destination），某台電腦傳送的訊息都將被所有其他電腦接收。在正常情況下，網路接口卡會濾掉不是傳送給自己的信息，接收目標地址是自己的信息時才會向CPU發出中斷請求，除非網卡處於混雜模式（Promiscuous mode）。這種“一個說，大家聽”的特質是共享介質以太網在安全上的弱點，因為乙太網上的一個節點可以選擇是否監聽線路上傳輸的所有信息。共享電纜也意味著共享頻寬，所以在某些情況下乙太網的速度可能會非常慢，比如電源故障之後，當所有的網路終端都重新啟動時。
注意事項：CSMA/CD技術不存在10G及以上速率的乙太網技術中。
集線器
在以太網技術的發展中，乙太網集線器(Ethernet Hub)的出現使得網路更加可靠，接線更加方便。
因為信號的衰減和延時，根據不同的介質乙太網段有距離限制。例如，10BASE5同軸電纜最長距離500米(1,640英尺)。最大距離可以通過乙太網中繼器實現，中繼器可以把電纜中的信號放大再傳送到下一段。中繼器最多連線5個網段，但是只能有4個設備（即一個網段最多可以接4箇中繼器）。這可以減輕因為電纜斷裂造成的問題：當一段同軸電纜斷開，所有這個段上的設備就無法通訊，中繼器可以保證其他網段正常工作。
類似於其他的高速匯流排，乙太網網段必須在兩頭以電阻器作為終端。對於同軸電纜，電纜兩頭的終端必須接上被稱作“終端器”的50歐姆的電阻和散熱器，and affixed to a male M or BNC connector.如果不這么做，就會發生類似電纜斷掉的情況：匯流排上的AC信號當到達終端時將被反射，而不能消散。被反射的信號將被認為是衝突，從而使通信無法繼續。中繼器可以將連在其上的兩個網段進行電氣隔離，增強和同步信號。大多數中繼器都有被稱作“自動隔離”的功能，可以把有太多衝突或是衝突持續時間太長的網段隔離開來，這樣其他的網段不會受到損壞部分的影響。中繼器在檢測到衝突消失後可以恢復網段的連線。
第一個集線器被認為是“多連線埠收發器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使許多台具有AUI連線器的主機共用一個收發器。集線器也導致了不使用同軸電纜的小型獨立以太網網段的出現。像DEC和SynOptics這樣的網路設備製造商曾經出售過用於連線許多10BASE-2細同軸線網段的集線器。
非禁止雙絞線( unshielded twisted-pair cables , UTP )最先套用在星型區域網路中,之後在10BASE-T中也得到套用，並最終代替了同軸電纜成為乙太網的標準。這項改進之後，RJ45電話接口代替了 AUI 成為電腦和集線器的標準界口，非禁止3類雙絞線/5類雙絞線成為標準載體。集線器的套用使某條電纜或某個設備的故障不會影響到整個網路，提高了乙太網的可靠性。雙絞線以太網把每一個網段點對點地連起來，這樣終端就可以做成一個標準的硬體，解決了乙太網的終端問題。
採用集線器組網的乙太網儘管在物理上是星型結構，但在邏輯上仍然是匯流排型的，半雙工的通信方式採用CSMA/CD的衝突檢測方法，集線器對於減少包衝突的作用很小。每一個數據包都被傳送到集線器的每一個連線埠，所以頻寬和安全問題仍沒有解決。集線器的總吞吐量受到單個連線速度的限制( 10或100 Mbit/s )，這還是考慮在前同步碼、幀間隔、頭部、尾部和打包上花銷最少的情況。當網路負載過重時，衝突也常常會降低總吞吐量。最壞的情況是，當許多用長電纜組網的主機傳送很多非常短的幀時，網路的負載僅達到50%就會因為衝突而降低集線器的吞吐量。為了在衝突嚴重降低吞吐量之前儘量提高網路的負載，通常會進行一些設定工作。
橋接交換
儘管中繼器在某些方面隔離了以太網網段，電纜斷線的故障不會影響到整個網路，但它向所有的乙太網設備轉發所有的數據。這嚴重限制了同一個乙太網網路上可以相互通信的機器數量。為了減輕這個問題，橋接方法被採用，在工作在物理層的中繼器之基礎上，橋接工作在數據鏈路層。通過網橋時，只有格式完整的數據包才能從一個網段進入另一個網段；衝突和數據包錯誤則都被隔離。通過記錄分析網路上設備的MAC地址，網橋可以判斷它們都在什麼位置，這樣它就不會向非目標設備所在的網段傳遞數據包。象生成樹協定這樣的控制機制可以協調多個交換機共同工作。
早期的網橋要檢測每一個數據包，這樣，特別是同時處理多個連線埠的時候，數據轉發相對Hub（中繼器）來說要慢。1989年網路公司Kalpana發明了EtherSwitch，第一台以太網交換機。乙太網交換機把橋接功能用硬體實現，這樣就能保證轉發數據速率達到線速。
因為數據包一般只是傳送到他的目的連線埠，所以交換式乙太網上的流量要略微小於共享介質式乙太網。儘管如此，交換式乙太網依然是不安全的網路技術，因為它還很容易因為ARP欺騙或者MAC滿溢而癱瘓，同時網路管理員也可以利用監控功能抓取網路數據包。
當只有簡單設備(除Hub之外的設備)接入交換機連線埠，那么整個網路可能工作在全雙工方式。如果一個網段只有2個設備，那么衝突探測也不需要了，兩個設備可以隨時收發數據。總的頻寬就是鏈路的2倍(儘管頻寬每個方向上是一樣的)，但是沒有衝突發生就意味著允許幾乎100%的使用鏈路頻寬。
交換機連線埠和所連線的設備必須使用相同的雙工設定。多數100BASE-TX和1000BASE-T設備支持自動協商特性，即這些設備通過信號來協調要使用的速率和雙工設定。然而，如果自動協商被禁用或者設備不支持，則雙工設定必須通過自動檢測進行設定或在交換機連線埠和設備上都進行手工設定以避免雙工錯配——這是以太網問題的一種常見原因(設備被設定為半雙工會報告遲發衝突，而設備被設為全雙工則會報告runt)。許多低端交換機沒有手工進行速率和雙工設定的能力，因此連線埠總是會嘗試進行自動協商。當啟用了自動協商但不成功時(例如其他設備不支持)，自動協商會將連線埠設定為半雙工。速率是可以自動感測的，因此將一個10BASE-T設備連線到一個啟用了自動協商的10/100交換連線埠上時將可以成功地建立一個半雙工的10BASE-T連線。但是將一個配置為全雙工100Mb工作的設備連線到一個配置為自動協商的交換連線埠時(反之亦然)則會導致雙工錯配。
即使電纜兩端都設定成自動速率和雙工模式協商，錯誤猜測還是經常發生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差於預期，應該查看一下是否有計算機設定成10Mbps模式了，如果已知另一端配置為100Mbit，則可以手動強制設定成正確模式。.
