什么是以太网

什么是以太网？以太网是当下企业网、数据中心网络主流的高速网络。

以太网是在1972年开创的，Bob Metcalfe（被尊称为“以太网之父”）被Xerox雇用为网络专家，BobMetcalfe来到Xerox公司的Palo Alto研究中心（PARC）的第一个任务是把PaloAlto的计算机连接到ARPANET（Internet的前身）上。

1972年年底，BobMetcalfe设计了一个网络，把Palo Alto的计算机连接起来。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，而且连接了众多PaloAlto的计算机，所以Metcalfe把它命名为ALTO ALOHA网络。

ALTO ALOHA网络于1973年5月开始运行，Metcalfe将该网络正式改名为以太网（Ethernet），这就是最初的以太网实验原型，该网络运行的速率为2.94 Mbps，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年年底，Metcalfe和他的3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（CarrierSense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问／冲突检测）系统。从此，以太网就正式诞生了。

20世纪70年代末，涌现出了数十种局域网技术，以太网正式成为其中一员。

1979年，DEC（Digital Equipment Corporation）、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，也被称为DIX（取3家公司名字的首字母组成的）版以太网1.0规范。如前所述，最初的实验原型以太网工作在2.94 Mbps，而DIX规范定义的以太网工作在10 Mbps。

1982年，DIX联盟发布了以太网的第二个版本，即Ethernet II。20世纪90年代初，出现了多端口网桥，用于多个LAN的互联。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。全双工的优点很明显，可同时发送和接收数据，这在理论上可以使传输速度翻一番。

20世纪90年代初，随着网络的发展，10 Mbps的速率限制了一些大网络的运行，此时以太网受到了FDDI（Fiber Distributed Data Interface，光纤分布式数据接口）技术的巨大冲击。FDDI是一种基于100 Mbps光缆的LAN技术。

1995年3月，随着IEEE 802.3u规范的通过，快速以太网的时代来临了。1995年年末，由于各厂商不断推出新的快速以太网产品，使快速以太网发展迎来了黄金时代。

1998年，IEEE发布了IEEE 802.3z，这是1000 Mbps的以太网标准。

2002年，10 Gbps以太网标准IEEE 802.3ae正式发布。与1000 Mbps以太网相比，10 Gbps以太网只支持全双工，当时只支持光纤作为传输介质，当下40Gbps、100 Gbps、400 Gbps以太网已经被广泛应用。

1、冲突域

冲突域是一个以太网术语，指的是一种网络场景，即当物理网段中的一台设备传输数据时，该物理网段上的其他所有设备都必须进行侦听而不能传输数据，原因是如果同一个物理网段中的多个设备同时传输数据，将发生信号冲突（即两台设备的数字信号将在链路上相互干扰），导致数据无法正常传输，信号冲突对网络性能有严重的负面影响，因此需要避免网络中的信号冲突。

冲突域中的典型网络设备就是集线器，集线器是一种多端口的转发器，集线器的物理组网拓扑看上去是星状拓扑，但实际上它的内部转发机制是总线类型的。

集线器在接收信号后对其进行放大或重建，然后将信号从除接收端口以外的其他端口转发出去，而不查看信号表示的数据。由于集线器的内部转发为总线形转发，所有的信号都在一条总线上发送。

就好比一条单行道，所有的汽车都在上面跑一样，这样会造成信号的冲突，造成网络利用率下降。CSMA/CD（Carrier Sense MultipeAccess with Collision Detection，载波侦听多路访问／冲突检测）协议打破了这一僵局，这是一种帮助设备均衡的共享带宽的协议，可以避免多台设备同时在网络介质上传输数据造成的冲突问题，CSMA/CD协议工作原理将在后续章节进行详细介绍。

2、广播域

说到广播域，可以先举个简单的例子，比如在一个大教室中，所有的学生都在听老师讲课，老师讲课的内容班里的每一位同学都是可以听到的，而隔壁班的同学肯定是听不到的，原因是班级将学生进行了隔离。

广播域也是同样的概念，将多台设备放到同一个组中就形成了广播域，在同一个广播域中的任何一台设备发送的广播帧，其他设备都可以收到。广播域过大会造成较大的故障域，难以管理和排错。同时在网络中会充斥着广播帧，造成网络利用率下降。

广播域中的典型设备是交换机，交换机实现了冲突域的划分，每一个端口都是一个冲突域，但是交换机自身还是属于同一个广播域。那如何划分广播域呢?可以通过三层设备（如路由器）和二层VLAN技术划分广播域，减小广播范围。

3、CSMA/CD协议

CSMA/CD协议是一种在冲突域中避免数据信号冲突的协议，可以帮助设备更合理地利用带宽，CSMA/CD协议的工作原理如下所述。

当主机想通过网络传输数据时，它首先会检查线路上是否有信号在传输。如果没有则该主机开始传输数据，但是这样还还够，该主机将持续地监视线路，确保没有其他主机在传输信号。

如果检测到其他信号，该主机将发送一个拥塞信号，使网段上的所有主机都不再传输数据，检测到拥塞信号后，其他主机将会执行退避算法并启动一个随机的退避定时器，在该定时器有效期内不传输任何数据，当该定时器超时后会再次尝试传输数据。如果连续15次尝试传输数据都导致冲突，尝试传输数据的主机的定时器将超时。CSMA/CD协议的工作原理如图1所示。

图1 CSMA/CD协议的工作原理

当以太网中发生冲突后，将出现以下情况：

●发送拥塞信号，告诉所有设备发生了冲突；

●冲突激活随机退避算法；

●以太网网段中的每台设备都暂停传输数据，直到退避定时器到期；

●当退避定时器到期后，所有设备的传输优先级都相同。

当CSMA/CD网络持续发送严重冲突时，将会导致以下结果：

●延迟；

●吞吐量降低；

●拥塞。

4、半双工和全双工

半双工和全双工以太网是在最初的以太网规范IEEE 802.3中定义的，半双工的工作原理就像一条单行通道，在一条通道上同时发送和接收数据，这样会造成数据冲突。

半双工以太网使用CSMA/CD协议来避免冲突，并支持在发生冲突时重传，CSMA/CD协议避免冲突的方法是在同一时间点，只能发送或者接收数据。

就像我们生活中的对讲机一样，同一时间只能说话或者收听。由于半双工存在冲突，网络利用率很低，只能利用30%～40%的带宽。

全双工相对于半双工来说就是一条双向通道，发送和接送是分开的，互不冲突。举个生活中的例子，就是打电话，听的同时还能说话。

由于全双工不存在冲突问题，所以两个通道上的利用率都是100%。例如，在采用全双工的100 Mbps以太网中，传输速率就是200 Mbps，双向通道同时传输，传输速率也会成倍增加。如今半双工网络正逐渐消失，有些网络（比如10 Gbps网络）要求必须是全双工网络。