以太网的工作原理

局域网和广域网

我们可将网络技术划分为以下两组基本技术之一：局域网（LAN）技术，可在相对较近的距离内（通常在同一个建筑物内）将许多设备连接在一起。图书馆中用来显示图书信息的终端计算机便可连接到局域网上。广域网（WAN）技术，可将相距几十公里的设备连接在一起，但能够连接的设备数量较少。例如，如果两个位于城市两端的图书馆希望共享图书目录信息，那么便可以使用广域网技术进行连接，这可能需要从当地电话公司租用一条专线来专门传输它们的数据。

与广域网相比，局域网的速度更快，也更为可靠，但是技术的不断发展已经使它们之间的界限变得越来越模糊。借助光纤，可使用局域网技术连接相距数十公里远的设备，同时还能极大地提升广域网的速度和可靠性。

以太网

1973年，施乐（Xerox）公司Palo Alto研究中心（通常称作PARC）的研究人员Bob Metcalfe设计并测试了第一个以太网网络。当时，这个网络将施乐的“Alto”计算机连接到一台打印机，Metcalfe开发了用于连接以太网上设备的电缆连接物理方法，以及用于控制电缆上数据传输的标准。现在，以太网已经成为了世界上最流行和应用最广泛的网络技术。以太网涉及的许多问题也是其他许多网络技术所要解决的问题，了解以太网解决这些问题的方法可以从整体上帮助你改善对网络的理解。

随着计算机网络的日益成熟，以太网标准也在不断发展出一些新的技术，但是目前所有以太网网络的运行机制仍然来源于Metcalfe的原始设计。在原始的以太网中，网络上的所有设备共享单根电缆进行通讯。设备连接到该电缆，便能够与其他连接的设备通信。这样，可以在不对网络上现有设备进行任何修改的情况下扩展网络以接纳新设备。

以太网基本知识

以太网是一种局域网技术，网络一般分布在一座大楼中，所连接的设备通常距离较近。以太网设备之间的电缆最多长几百米，因此它不适用于连接地理位置分散的多个地点。但现代技术的进步极大提升了以太网的连接距离，今天人们已能够建立相距数十公里远的以太网网络。
协议

对于网络连接而言，协议这一术语指的是用于控制通信的一组规则。协议对于计算机的意义就如同语言对于人类的意义。由于本文使用中文撰写，要理解文章的内容你必须能够读懂中文。类似地，网络上的两台设备要想成功通信，必须都理解相同的协议。

以太网术语

以太网遵循一组控制其基本操作的简单规则。为了更好地理解这些规则，了解基本的以太网术语十分重要。
介质——以太网设备连接到一个公共介质上，该介质为电气信号的传输提供了一条路径。历史上一直使用同轴铜电缆作为传输介质，但是目前双绞线或光纤更为多见。
网段——我们将单个共享介质称作一个以太网段。
节点——连接到网段的设备称作站点或节点。
帧——节点使用称作帧的简短消息进行通信，帧是大小不固定的信息块。
帧类似于人类语言中的句子。在中文里，我们构造句子时会有一些规则，例如每个句子必须包含主语和谓语。以太网协议也规定了用于构造帧的一组规则。对于帧的最大和最小长度有明确规定，而且帧中必须包含一组必需的信息段。例如，每个帧必须包括目标地址和源地址，它们分别指出了消息的接收方和发送方。通过地址可标识唯一的节点，就像通过姓名可找出某个人一样。任何两个以太网设备都不应具有相同的地址。

由于以太网介质上的信号能够到达所有连接的节点，因此目标地址对识别帧的目标接收方来说至关重要。

例如，在上图中，如果计算机B向打印机C发送数据，计算机A和D也可以接收和查看帧。但是，在站点收到帧后，它会首先检查帧的目标地址，看看该帧是否是发送给自己的。如果不是，站点会丢弃该帧，而不会查看其内容。

以太网地址的一件有趣的事情是它存在广播地址。如果帧的目标地址为广播地址（简称为一个广播），则说明它是发送给网络上所有节点的，于是每一个节点都会接收和处理这种类型的帧。

以太网中的CSMA/CD是什么意思？

“CSMA/CD”的意思是带冲突检测的载波侦听多路访问，它描述了以太网协议控制节点间通信的方法。这个词看起来有些复杂，但如果我们将它分解几个小概念，便会发现它描述的规则十分类似于人们在进行彬彬有礼的谈话时所使用的规则。为了有助于描述以太网的操作，我们使用饭桌上的对话作为类比。

我们将以太网段表示为饭桌，让几个代表节点的人坐在饭桌旁边很有礼貌地进行谈话。多路访问这个术语涵盖了我们上面讨论的内容：在一个以太网站点传输数据时，介质上的所有站点都会听到该传输行为，就像饭桌上一个人在讲话时，所有人都能够听到他（她）的讲话一样。

现在，假设你也坐在桌旁而且有话想说。但是，当时我正在讲话。由于这是一次很有礼貌的谈话，因此你不应立即开口讲话并打断别人，而是等到我讲完后再开口。刚才描述的情况在以太网协议中称为载波侦听。在站点开始传输数据之前，它会“侦听”介质来确定其他站点是否正在进行传输。如果介质上很安静，站点便认为现在是一个适于传输数据的时间。

冲突检测

载波侦听多路访问为控制会话提供了一个好的起点，但是仍然有一个难题需要解决。让我们回到用来类比的饭桌谈话上，想想谈话中有片刻寂静的情况。你和我都有一些话想说，我们都在发生片刻寂静时“侦听到了载波”，所以我们几乎同时开始讲话。用以太网术语来说，我们同时讲话时会发生冲突。

在谈话时，我们可以很好地处理这种情况。在我们讲话的同时，都听到了对方也在讲话，因此我们都停止了讲话，以便对方能够继续。以太网节点在传输数据时也会侦听介质，确保它是在该时刻进行数据传输的唯一站点。如果站点听到它自己传输的数据以一种混乱的形式返回（如果其他站点也同时开始传输它们自己的消息便会发生这种情况），那么就知道发生了冲突。有时，我们将单个以太网段称作一个冲突区域，因为网段上的任何两个站点都无法在不产生冲突的情况下同时传输数据。如果站点检测到冲突，它们会停止传输数据，等待一个随机的时间长度，然后在检测到介质归于平静之后尝试再次传输数据。

随机暂停并重试是协议的重要组成部分。如果两个站点在进行传输时发生冲突，那么它们都需要重新进行传输。在适于传输数据的下一个时间，上次发生冲突的两个站点都会准备好数据以便进行传输。如果它们在第一次机会来到时再次传输了数据，那么很可能无限期地一次又一次发生冲突。而随机延迟则可以使任何两个站点都不会连续发生多次冲突。

以太网的缺点

单根共享电缆可作为一个完整以太网网络的基础。但在单根共享电缆的情况下，以太网网络的大小实际上存在一定的限制。主要原因在于共享电缆的长度。

电气信号可以沿电缆飞快传播，但是它们的行程却不长，而且临近设备（如荧光灯）的电气干扰还会扰乱信号。要使设备能够清楚地以最小延迟接收到对方发送的信号，网络电缆必须足够短才行。这就限制了以太网网络上两台设备之间的最大距离（称作网络直径）。此外，按照CSMA/CD方式，在任一给定时间，只能有一台设备传输信号，所以能够共存于一个网络上的设备的数量实际也存在限制。如果太多设备连接到同一个共享网段上，它们之间争用介质的现象便会增加。在有机会传输数据之前，设备可能会等待非常长的时间。

工程师们已经开发出大量网络设备来缓解这些难题。其中的许多设备并不是只针对以太网的，它们在其他网络技术中同样可以发挥作用。

转发器
最初广泛使用的以太网介质是被称作“粗电缆网”的铜制同轴电缆。这种电缆的最大长度是500米。在大型建筑或校园环境中，500米长的电缆经常不足以连接所有网络设备。但转发器可以解决这个问题。

转发器连接多个以太网段并且侦听每个网段，同时将它在某个网段上听到的信号重复发送到与转发器相连接的所有其他网段。使用多条电缆并将它们连接到转发器，可以显著延长网络直径。

网段划分

在我们用饭桌进行的比喻中，桌旁只有几个人在进行对话，任一给定时刻只能有一个人讲话的规定便不会对交流形成大的障碍。但是假如有许多人坐在桌旁并且在任一时刻只允许有一个人讲话，那又会怎么样呢？

如果是这样的话，上面的比喻肯定不再适用。实际上，有很多人参与的谈话经常会分成多个同时进行的不同谈话。在拥挤的房间内或烧烤晚宴上，如果在任一时间只能有一个人讲话，许多人会因等待说话的时间过长而感到沮丧。对人类来说，这个问题会得到自行纠正：声音的传输范围有限，而耳朵善于从环境噪声中捕捉住特定的谈话。因此，在聚会时，同一个房间的人很容易分成多个小组进行谈话。因为网络电缆可以快捷、高效地长距离传输信号，所以不会出现上面这种自然而然的分组情况。

随着规模的扩大，以太网会面临堵塞问题。如果大量站点都连接到同一网段并且每个站点都产生许多网络流量，那么在有机会发送数据时，会有很多站点尝试进行传输操作。这种情况会使冲突越来越频繁地产生，由此导致数据传输无法正常进行，完成一次成功的传输需要花费难以想象多的时间。减少堵塞的一种方法是：将单个网段划分为多个网段，从而形成多个冲突区域。这种解决办法会造成另一个问题，即这些分隔开的网段无法相互共享信息。

网桥

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