什么是以太網(wǎng)？以太網(wǎng)是當(dāng)下企業(yè)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)主流的高速網(wǎng)絡(luò)。

以太網(wǎng)是在1972年開創(chuàng)的，Bob Metcalfe（被尊稱為“以太網(wǎng)之父”）被Xerox雇用為網(wǎng)絡(luò)專家，BobMetcalfe來到Xerox公司的Palo Alto研究中心（PARC）的第一個任務(wù)是把PaloAlto的計算機(jī)連接到ARPANET（Internet的前身）上。

1972年年底，BobMetcalfe設(shè)計了一個網(wǎng)絡(luò)，把Palo Alto的計算機(jī)連接起來。在研制過程中，因為該網(wǎng)絡(luò)是以ALOHA系統(tǒng)（一種無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）為基礎(chǔ)的，而且連接了眾多PaloAlto的計算機(jī)，所以Metcalfe把它命名為ALTO ALOHA網(wǎng)絡(luò)。

ALTO ALOHA網(wǎng)絡(luò)于1973年5月開始運(yùn)行，Metcalfe將該網(wǎng)絡(luò)正式改名為以太網(wǎng)（Ethernet），這就是最初的以太網(wǎng)實驗原型，該網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的速率為2.94 Mbps，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的介質(zhì)為粗同軸電纜。

1976年6月，Metcalfe和Boggs發(fā)表了題為《以太網(wǎng)：局域網(wǎng)的分布型信息包交換》的著名論文。

1977年年底，Metcalfe和他的3位合作者獲得了“具有沖突檢測的多點數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)”的專利，多點傳輸系統(tǒng)被稱為CSMA/CD（CarrierSense Multiple Access with Collision Detection，載波偵聽多路訪問／沖突檢測）系統(tǒng)。從此，以太網(wǎng)就正式誕生了。

20世紀(jì)70年代末，涌現(xiàn)出了數(shù)十種局域網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)正式成為其中一員。

1979年，DEC（Digital Equipment Corporation）、Intel公司與Xerox公司聯(lián)盟，促進(jìn)了以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化。

1980年9月30日，DEC、Intel和Xerox公布了第三稿的《以太網(wǎng)——一種局域網(wǎng)：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層規(guī)范1.0版》，這就是現(xiàn)在著名的以太網(wǎng)藍(lán)皮書，也被稱為DIX（取3家公司名字的首字母組成的）版以太網(wǎng)1.0規(guī)范。如前所述，最初的實驗原型以太網(wǎng)工作在2.94 Mbps，而DIX規(guī)范定義的以太網(wǎng)工作在10 Mbps。

1982年，DIX聯(lián)盟發(fā)布了以太網(wǎng)的第二個版本，即Ethernet II。20世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)了多端口網(wǎng)橋，用于多個LAN的互聯(lián)。共享式以太網(wǎng)逐漸向LAN交換機(jī)發(fā)展。

1993年，Kalpana公司使以太網(wǎng)技術(shù)有了另外一個突破——全雙工以太網(wǎng)。全雙工的優(yōu)點很明顯，可同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這在理論上可以使傳輸速度翻一番。

20世紀(jì)90年代初，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，10 Mbps的速率限制了一些大網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，此時以太網(wǎng)受到了FDDI（Fiber Distributed Data Interface，光纖分布式數(shù)據(jù)接口）技術(shù)的巨大沖擊。FDDI是一種基于100 Mbps光纜的LAN技術(shù)。

1995年3月，隨著IEEE 802.3u規(guī)范的通過，快速以太網(wǎng)的時代來臨了。1995年年末，由于各廠商不斷推出新的快速以太網(wǎng)產(chǎn)品，使快速以太網(wǎng)發(fā)展迎來了黃金時代。

1998年，IEEE發(fā)布了IEEE 802.3z，這是1000 Mbps的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2002年，10 Gbps以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ae正式發(fā)布。與1000 Mbps以太網(wǎng)相比，10 Gbps以太網(wǎng)只支持全雙工，當(dāng)時只支持光纖作為傳輸介質(zhì)，當(dāng)下40Gbps、100 Gbps、400 Gbps以太網(wǎng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

1、沖突域

沖突域是一個以太網(wǎng)術(shù)語，指的是一種網(wǎng)絡(luò)場景，即當(dāng)物理網(wǎng)段中的一臺設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時，該物理網(wǎng)段上的其他所有設(shè)備都必須進(jìn)行偵聽而不能傳輸數(shù)據(jù)，原因是如果同一個物理網(wǎng)段中的多個設(shè)備同時傳輸數(shù)據(jù)，將發(fā)生信號沖突（即兩臺設(shè)備的數(shù)字信號將在鏈路上相互干擾），導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常傳輸，信號沖突對網(wǎng)絡(luò)性能有嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此需要避免網(wǎng)絡(luò)中的信號沖突。

沖突域中的典型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就是集線器，集線器是一種多端口的轉(zhuǎn)發(fā)器，集線器的物理組網(wǎng)拓?fù)淇瓷先ナ切菭钔負(fù)?，但實際上它的內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制是總線類型的。

集線器在接收信號后對其進(jìn)行放大或重建，然后將信號從除接收端口以外的其他端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不查看信號表示的數(shù)據(jù)。由于集線器的內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)為總線形轉(zhuǎn)發(fā)，所有的信號都在一條總線上發(fā)送。

就好比一條單行道，所有的汽車都在上面跑一樣，這樣會造成信號的沖突，造成網(wǎng)絡(luò)利用率下降。CSMA/CD（Carrier Sense MultipeAccess with Collision Detection，載波偵聽多路訪問／沖突檢測）協(xié)議打破了這一僵局，這是一種幫助設(shè)備均衡的共享帶寬的協(xié)議，可以避免多臺設(shè)備同時在網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)造成的沖突問題，CSMA/CD協(xié)議工作原理將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2、廣播域

說到廣播域，可以先舉個簡單的例子，比如在一個大教室中，所有的學(xué)生都在聽老師講課，老師講課的內(nèi)容班里的每一位同學(xué)都是可以聽到的，而隔壁班的同學(xué)肯定是聽不到的，原因是班級將學(xué)生進(jìn)行了隔離。

廣播域也是同樣的概念，將多臺設(shè)備放到同一個組中就形成了廣播域，在同一個廣播域中的任何一臺設(shè)備發(fā)送的廣播幀，其他設(shè)備都可以收到。廣播域過大會造成較大的故障域，難以管理和排錯。同時在網(wǎng)絡(luò)中會充斥著廣播幀，造成網(wǎng)絡(luò)利用率下降。

廣播域中的典型設(shè)備是交換機(jī)，交換機(jī)實現(xiàn)了沖突域的劃分，每一個端口都是一個沖突域，但是交換機(jī)自身還是屬于同一個廣播域。那如何劃分廣播域呢?可以通過三層設(shè)備（如路由器）和二層VLAN技術(shù)劃分廣播域，減小廣播范圍。

3、CSMA/CD協(xié)議

CSMA/CD協(xié)議是一種在沖突域中避免數(shù)據(jù)信號沖突的協(xié)議，可以幫助設(shè)備更合理地利用帶寬，CSMA/CD協(xié)議的工作原理如下所述。

當(dāng)主機(jī)想通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，它首先會檢查線路上是否有信號在傳輸。如果沒有則該主機(jī)開始傳輸數(shù)據(jù)，但是這樣還還夠，該主機(jī)將持續(xù)地監(jiān)視線路，確保沒有其他主機(jī)在傳輸信號。

如果檢測到其他信號，該主機(jī)將發(fā)送一個擁塞信號，使網(wǎng)段上的所有主機(jī)都不再傳輸數(shù)據(jù)，檢測到擁塞信號后，其他主機(jī)將會執(zhí)行退避算法并啟動一個隨機(jī)的退避定時器，在該定時器有效期內(nèi)不傳輸任何數(shù)據(jù)，當(dāng)該定時器超時后會再次嘗試傳輸數(shù)據(jù)。如果連續(xù)15次嘗試傳輸數(shù)據(jù)都導(dǎo)致沖突，嘗試傳輸數(shù)據(jù)的主機(jī)的定時器將超時。CSMA/CD協(xié)議的工作原理如圖1所示。

圖1 CSMA/CD協(xié)議的工作原理

當(dāng)以太網(wǎng)中發(fā)生沖突后，將出現(xiàn)以下情況：

●發(fā)送擁塞信號，告訴所有設(shè)備發(fā)生了沖突；

●沖突激活隨機(jī)退避算法；

●以太網(wǎng)網(wǎng)段中的每臺設(shè)備都暫停傳輸數(shù)據(jù)，直到退避定時器到期；

●當(dāng)退避定時器到期后，所有設(shè)備的傳輸優(yōu)先級都相同。

當(dāng)CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)持續(xù)發(fā)送嚴(yán)重沖突時，將會導(dǎo)致以下結(jié)果：

●延遲；

●吞吐量降低；

●擁塞。

4、半雙工和全雙工

半雙工和全雙工以太網(wǎng)是在最初的以太網(wǎng)規(guī)范IEEE 802.3中定義的，半雙工的工作原理就像一條單行通道，在一條通道上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這樣會造成數(shù)據(jù)沖突。

半雙工以太網(wǎng)使用CSMA/CD協(xié)議來避免沖突，并支持在發(fā)生沖突時重傳，CSMA/CD協(xié)議避免沖突的方法是在同一時間點，只能發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。

就像我們生活中的對講機(jī)一樣，同一時間只能說話或者收聽。由于半雙工存在沖突，網(wǎng)絡(luò)利用率很低，只能利用30%～40%的帶寬。

全雙工相對于半雙工來說就是一條雙向通道，發(fā)送和接送是分開的，互不沖突。舉個生活中的例子，就是打電話，聽的同時還能說話。

由于全雙工不存在沖突問題，所以兩個通道上的利用率都是100%。例如，在采用全雙工的100 Mbps以太網(wǎng)中，傳輸速率就是200 Mbps，雙向通道同時傳輸，傳輸速率也會成倍增加。如今半雙工網(wǎng)絡(luò)正逐漸消失，有些網(wǎng)絡(luò)（比如10 Gbps網(wǎng)絡(luò)）要求必須是全雙工網(wǎng)絡(luò)。